Chương IV. Máy thi công tuyến ngầm bằng công nghệ khiên và tổ hợp khiên

Chương IV. Máy thi công tuyến ngầm
bằng công nghệ khiên và tổ hợp khiên
§ 4.1. Công nghệ đào kín bằng khiên và tổ hợp khiên, thiết bị và phân loại
I. Các công nghệ đào kín kết hợp khiên
Lịch sử công nghệ thi công đào tuyến ngầm toàn tiết diện bằng khiên và
tổ hợp khiên (Shield method) bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ trước. Trước
đó khiên đào lò đầu tiên được chế tạo bởi kỹ sư Brunel (Pháp) là một khiên thủ
công hình chữ nhật có kích thước 6,8 x11,4 m đã được dùng để thi công tuyến
tunnel ngầm qua đáy sông Thames ở London vào thế kỷ XIX.
Về bản chất khiên đào lò (shield) là một loại kết cấu kim loại di động
(nhờ kích), có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho công tác xây dựng đường hầm từ
đào đất tới lắp đặt vỏ tunnel tránh sạt lở vách và gương đào.
Có thể hiểu sơ bộ công nghệ thi công đào kín bằng khiên như sau:
người ta đưa vào lòng đất một kết cấu được hàn từ các kết cấu thép, có hình
dạng giống hệt hình dạng mặt cắt ngang của tuyến ngầm cần đào, trong lòng
kết cấu thép đó các người thợ sẽ tiến hành tất cả các công đoạn thi công từ
khâu đào đất, bốc xúc và vận chuyển đất lên trên bề mặt đất, thi công vỏ tunnel
và sau đó bằng kích vít hoặc kích thuỷ lực đẩy kết cấu thép mà ta gọi là khiên
đó tiến lên một đoạn đúng bằng chiều dài đoạn vỏ tunnel đã thi công xong để
tiếp tục một chu kỳ thi công tuần hoàn tiếp và cứ như vậy lặp lại ta được một
tuyến tunnel đi ngầm trong đất với vỏ bê tông cốt thép vĩnh cửu.
1) Khiên thủ công kết hợp khoan - nổ mìn: Phương án này được sử dụng
khi đào tunnel qua vùng có điều kiện địa chất ổn định, ít nước ngầm. Bản chất
của công nghệ này là khoan tạo lỗ, nổ mìn, bốc xúc đất đá vận chuyển và cuối
cùng là thi công vỏ tunnel liền khối dưới sự che chống của khiên. Điểm khác
biệt so với công nghệ nổ mìn trong nền đất đá cứng là có cơ cấu khiên thủ
công che chống mà không cần khoan neo gia cố vách và nóc lò tạm thời.
2) Khiên thủ công kết hợp máy đào liên hợp (combai): Phương án này
được sử dụng khi đào tunnel qua vùng có điều kiện địa chất ổn định, ít nước
ngầm. Đất được đào bởi máy đào liên hợp, dùng khiên thủ công để giữ vách
và nóc lò và trong lòng khiên này sẽ xây vỏ tunnel vĩnh cửu. Sơ đồ bố trí thiết bị

giống như trên hình 1.4, điểm khác biệt chính là cấu kiện gỗ hay thép làm che
chắn tạm thời số 3 là kết cấu khiên thủ công tự di chuyển về phía trước nhờ
kích.
3) Khiên thủ công kết hợp đào thủ công loại thường (non pressure
blance): Phương án này được sử dụng khi đào tunnel qua vùng có điều kiện
72


địa chất ổn định, ít nước ngầm và chiều dài tunnel nhỏ hơn 750m. Dưới sự che
chống của khiên thủ công, đất được đào bởi sức người bằng dụng cụ thủ công,
máy khoan cầm tay hoặc búa chèn hơi vv… vỏ tunnel được lắp từ những mảnh
vỏ chế tạo sẵn ngay trong khiên, và khiên di chuyển lên phía trước nhờ các
kích thuỷ lực đẩy vào chính phần vỏ tunnel vừa thi công xong.
4) Khiên thủ công ứng dụng khí nén: Phương án này được áp dụng khi
đất yếu, ngậm nước và chiều dài tunnel nhỏ hơn 750m. Theo phương án này
thì dưới sự che chống của khiên thủ công đất đá được đào bởi sức người kết
hợp cuốc xẻng, máy khoan cầm tay hoặc búa chèn hơi vv…trong điều kiện áp
suất cao để giữ gương đào không bị sạt lở. Trong công nghệ này người thợ
phải làm việc trong điều kiện không khí áp suất cao dễ sinh bệnh “giếng chìm”.
Trên hình 4.1 ta có thể thấy vách ngăn 6 ngăn khoang thi công 2 có áp lực cao
với khoang 8 áp lực bình thường. Khí nén được cấp bởi máy nén khí 12 qua
đường ống dẫn khí nén 9. Toàn bộ công tác đào đất, lắp ráp được tổ chức
trong khoang 2 với điều kiện áp suất cao, khi một đoạn tunnel đủ dài người ta
di chuyển vách 6 vào vị trí mới để tiếp tục một chu kỳ tiếp theo.

Hình 4.1. Sơ đồ thi công tunnel ứng dụng khí nén kết hợp khiên
thủ công và bán thủ công:
1 — khiên; 2 — khoang thi công; 3 — máy lắp ráp vỏ tunnel; 4 — camera an toàn; 5 — cầu
thoát hiểm; 6 — vách ngăn chịu áp suất; 7 — cabin ra vào; 8 — khoang áp lực không khí bình
thường; 9 — ống dẫn khí nén; 10 — cổng trục; 11 - giếng đứng; 12 — máy nén khí

II. Công nghệ đào kín bằng tổ hợp khiên
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị thi công tuyến ngầm
thì từ những khiên thủ công sơ khai ban đầu nay đã được cải tiến và hoàn thiện
hơn nhiều. Ngày nay khi nói đến thi công bằng khiên ta hiểu là công nghệ mà ở
đó thiết bị thi công là một tổ hợp xây lắp tuyến ngầm được bảo vệ bởi khiên
73


(shield) có kích thước giống hệt mặt cắt ngoài của tuyến tunnel cần xây dựng,
khiên này ngoài nhiệm vụ che chống áp lực địa tầng còn có thể tiến lên trong
địa tầng. Bên trong vỏ khiên này là cả một tổ hợp xây dựng, đoạn đầu khiên có
mâm dao cắt để cắt đất đá (mâm dao tròn phẳng như cái mâm trên bề mặt có
các đĩa cắt nên đôi khi còn được dịch là “máy thông hầm tấm phẳng”), phía sau
mâm dao là khoang che chống gương đào, đoạn giữa của khiên được lắp các
kích đẩy cho mâm dao tiến lên, đuôi của khiên lắp các ống bê tông vỏ hầm đúc
sẵn hoặc các vành thép để đổ bê tông vỏ hầm vĩnh cửu. Mỗi lần khiên tiến lên
cự ly một vòng (một đốt), thì sẽ lắp đặt (hoặc đổ tại chỗ) một vòng vỏ hầm dưới
sự che chống của khiên, đồng thời người ta sẽ ép vữa xi măng có phụ gia vào
khoang hở phía sau lưng vỏ tunnel để giữ ổn định tầng đất sau thi công, tránh
cho mặt đất không bị lún xuống. Để đẩy khiên tiến về phía trước các gối tựa
đầu mút của các xi lanh thuỷ lực được chống vào đốt vỏ tunnel cuối cùng vừa
lắp đặt xong để đẩy khiên tiến lên.
Khi thi công trong nền đá cứng người ta dùng các chân chống thuỷ lực
(GRIPPER SHOES) tỳ vào vách lò để đẩy tổ hợp khiên tiến lên. Có hai loại tổ
hợp đào lò trong đá cứng: tổ hợp máy đào đá cứng không cần khiên bảo vệ và
tổ hợp máy đào đá cứng với khiên bảo vệ (loại đơn và loại đôi).
1. Tổ hợp khiên thường (non pressure balance): Dùng để đào tunnel trong
điều kiện địa chất tốt ít nước ngầm, chiều dài tunnel > 750m. Trong công
nghệ này tất cả mọi công đoạn đều được cơ giới hoá hoàn toàn, đất

được đào ra nhờ mâm dao phía trước tổ hợp khiên.
2. Tổ hợp khiên giữ gương đào bằng đất EPB: Tổ hợp này được dùng để
đào tunnel tại những vùng đất yếu, đất chảy nhưng ít thấm nước dạng
đất sét và pha sét. Trên thế giới được dùng để thi công các tuyến Metro
ngầm trong thành phố, qua đáy sông, đáy biển nơi có điều kiện địa chất
như đã nói ở trên. Chi tiết sơ đồ công nghệ và bố trí thiết bị xem trong
chương sau.
3. Tổ hợp khiên giữ gương đào bằng dung dịch betonite SPB: Tổ hợp này
được dùng để đào tunnel tại những vùng đất yếu, đất chảy rất nhiều
nước ngầm. Dung dịch betonite cùng với gối khí nén tạo ra áp lực đủ lớn
để khống chế áp lực nước ngầm, đảm bảo cho gương đào không bị sạt
lở. Trên thế giới được dùng để thi công các tuyến Metro ngầm trong
thành phố, qua đáy sông, đáy biển nơi có điều kiện địa chất như đã nói
ở trên.
4. Tổ hợp khiên hỗn hợp Mix shield: Đây là tổ hợp khiên hoạt động trên
74


nguyên tắc giữ gương đào của cả hai loại khiên trên. Tổ hợp này được
thiết kế theo modul, tức là theo từng cụm có thể thay thế linh hoạt. Nhờ
phương án trên các cụm của tổ hợp có thể thay đổi tuỳ thuộc vào yêu
cầu giữ gương đào tương ứng với từng điều kiện địa chất cụ thể. Sơ đồ
công nghệ và bố trí thiết bị theo cả hai tổ hợp SPB và SPB chương 4.
§ 4.2. Khiên và tổ hợp khiên
I. Phân loại khiên và tổ hợp khiên
Khiên có nhiều loại, song có thể phân loại theo các dấu hiệu sau: theo
mức độ cơ giới hoá; theo công dụng của tunnel; theo phương pháp bảo vệ
gương đào, theo công nghệ đào lò và theo tiết diện mặt cắt ngang của tunnel
đào v.v…
* Theo mức độ cơ giới hoá đào bốc xúc đất đá, vận chuyển đất đá và xây

lắp vỏ tunnel, các tổ hợp khiên đào hầm lò được chia thành những nhóm sau:
+ Khiên đào lò thủ công;
+ Khiên đào lò bán thủ công;
+ Tổ hợp khiên đào lò cơ giới hoá 100%.
Theo công dụng của tunnel các tổ hợp khiên đào lò được chia làm hai
nhóm:
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò chuyên dùng để đào tunnel dành cho giao
thông như các tổ hợp đào đường hầm metro, đường hầm ô tô, đường hầm
đường sắt v.v…
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò chuyên dùng để đào tunnel cho hạ tầng cơ sở
đô thị như đường ống thoát nước, đường ống lắp đặt các cáp điện, viễn thông
v.v…
* Theo phương án chống sạt lở gương đào các tổ hợp khiên đào lò được
chia làm bốn nhóm sau:
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò trong đất có khả năng tự ổn định, không có
khoang bảo vệ gương đào (non Pressure Balance Shields);
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò bảo vệ gương đào bằng khoang chứa đất
(Earth Pressure Balance Shields);
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò bảo vệ gương đào bằng khoang thuỷ lực
(Bentonite-Slurry Supported Shields);
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò bảo vệ gương đào hỗn hợp (Mix Pressure
Balance Shields).
75


* Theo số khiên trong một tổ hợp, các tổ hợp khiên đào lò được chia làm các
nhóm sau:
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò với một khiên bảo vệ - Single Shield TBM;
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò với hai khiên bảo vệ - Double Shields;
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò với guốc chống vào thành lò - Gripper TBM.

* Ngoài ra khiên đào lò còn được phân loại theo các dấu hiệu khác như:
1. Theo diện tích mặt cắt tunnel đào: Khiên loại nhỏ (đường kính nhỏ hơn
3,2 m), khiên loại trung bình (đường kính nhỏ hơn 5,2 m) và loại lớn
(đường kính lớn hơn 5,2 m). Tổ hợp khiên đào tunnel lớn nhất hiện nay
có đường kính 19m do hãng Herrenknech – CHLB. Đức sản xuất bán
cho một công ty hạ tầng cơ sở Moskva.
2. Theo lĩnh vực ứng dụng đào lò các khiên đào lò được chia thành các
nhóm sau:
- Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất ngập nước;
- Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất thể hạt có độ ẩm bình
thường;
- Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất độ ổn định kém có độ ẩm
bình thường;
- Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất có độ cứng từ 0,5 – 5 theo
bảng chia của GS Prôkôbôvsky.
- Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất có độ cứng lớn hơn 5 theo
bảng chia của GS. Prôkôbôvsky.
3. Dựa vào hình dạng mặt cắt của khiên, khiên được chia thành các nhóm
sau:
+ Khiên tròn;
+ Khiên hình elíp;
+ khiên hình chữ nhật;
+ Khiên hình móng ngựa.
Tunnel ngầm có mặt cắt tiết diện ngang hình tròn có thể chống lại áp lực
đất và áp lực nước tương đối tốt, lắp ráp vỏ hầm tương đối đơn giản, có thể
dùng cấu kiện thông dụng, dễ thay thế, vì thế được dùng tương đối rộng rãi nên
các tổ hợp khiên thường có dạng trụ tròn.
Trên thực tế có các loại khiên và tổ hợp khiên sau:
•

Khiên thủ công;

•

Khiên bán thủ công;
76


•

Tổ hợp khiên loại thường không có khoang bảo vệ gương đào;

•

Tổ hợp khiên với khoang giữ gương đào bằng đất (earth pressure
balance shield);

•

Tổ hợp khiên với khoang giữ gương đào bằng dung dịch betonite
(Slurrypressure balance shield);

•

Tổ hợp máy đào hầm lò trong nền đá cứng;

•

Ngoài ra còn có các loại khiên và tổ hợp khiên đặc biệt với khoang giữ
gương đào bằng khí nén. Loại này là sự kết hợp khiên thủ công với

khoang khí nén, khiên bán thủ công với khoang khí nén.

II. Ưu-nhược điểm của khiên đào lò
1. Ưu điểm
a. Dưới sự che chống của khiên có thể đào và xây vỏ một cách an toàn.
b. Tốc độ thi công nhanh. Toàn bộ quá trình hoạt động của khiên như:
đào, đưa đất đá ra, lắp ráp vỏ hầm v.v... có thể cơ giới hoá, tự động hoá để
giảm cường độ lao động.
c. Quá trình thi công không ảnh hưởng đến giao thông và công trình trên
mặt đất cũng như giao thông thuỷ.
d. Trong thi công không bị ảnh hưởng bởi thời tiết.
e. Trong thi công không gây tiếng ồn và chấn động, không gây ô nhiễm
môi trường xung quanh.
f. Xây dựng trong đường hầm dài trong vùng đất mềm yếu ngậm nước,
hoặc ở dưới sâu luôn có tính ưu việt về mặt kỹ thuật và kinh tế, vì thế phương
pháp thi công bằng khiên thích hợp nhất là xây dựng đường hầm trong địa tầng
rời rạc, mềm yếu và có nước ngầm, xây dựng đường hầm dưới đáy sông, trong
thành phố (xây dựng metro) và các loại công trình hạ tầng đô thị khác.
2. Nhược điểm
Phương pháp thi công bằng khiên thích hợp với đường hầm dài (có một
số tài liệu cho biết thi công các đường hầm ngắn hơn 750m thì không kinh tế).
Bởi vì khiên là một tổ hợp thiết bị cơ giới rất đắt, có tính chuyên dụng rất cao,
mỗi loại thích hợp với điều kiện thuỷ văn, địa chất, kích thước mặt kết cấu riêng
đã được thiết kế chế tạo đặc biệt, không thể thay đổi sử dụng một cách tuỳ tiện
cho các công trình ngầm khác. Ngoài ra, nếu đường hầm có bán kính cong quá
nhỏ hoặc lớp đất phủ trên hầm quá nông thì gặp rất nhiều khó khăn. Đường
hầm dưới đáy nước nếu gặp lớp phủ quá nông thi công sẽ không an toàn. Khi
thi công bằng khiên nếu dùng phương pháp khí áp suất cao để ổn định gương
77

đào, thì người lao động rất dễ bị bệnh “giếng chìm”, và ngoài ra còn rất nhiều
bệnh khác liên quan nên yêu cầu bảo hộ đối với lao động phải rất cao. Khi thi
công bằng khiên rất khó tránh lún trong lớp đất phía trên, nhất là chỗ tầng đất
mềm yếu lại có nước, khi lắp vỏ hầm phải chú ý phun vữa vào sau lưng vỏ
hầm. Những khuyết điểm nói trên trong thi công bằng khiên đang được nghiên
cứu khắc phục.
Với những tuyến ngầm có chiều sâu không lớn lắm nên thi công bằng
phương pháp đào hở vì với lớp đất phủ nhỏ cùng với điều kiện địa chất không
ổn định sẽ dẫn tới hiện tượng sạt lở đất bề mặt (hình 4.1). Nếu vì lý do đặc biệt
bắt buộc phải thi công bằng khiên thì phải có giải pháp ổn định địa tầng hợp lý
và đặc biệt không được thi công bằng tổ hợp khiên Air- pressure balance.
Tuy nhiên, giá thành một tổ hợp máy TBM là không rẻ, theo tính toán nếu
chiều dài của tuyến ngầm nhỏ hơn 750 m thì sử dụng tổ hợp khiên đào ngầm
không hiệu quả về mặt kinh tế. Mặt khác, mỗi một tổ hợp khiên đào ngầm chỉ
có hình dáng và kích thước phù hợp với một tuyến ngầm tunnel nhất định nên
việc dùng tổ hợp của tuyến này sang thi công cho tuyến có mặt cắt tiết diện
khác là không phù hợp và di chuyển máy giữa các công trình gặp nhiều khó
khăn do phải tháo rời và kích thước máy quá lớn.
III. Phạm vi ứng dụng của khiên và tổ hợp khiên đào lò
Phương pháp thi công kín bằng khiên đã được ứng dụng trong xây dựng
công trình ngầm hạ tầng kỹ thuật ở các đô thị như: đường ngầm thoát nước,
đường cáp điện lực, viễn thông…mà không cần phải đào bới gây cản trở nhịp
sống đô thị. Công nghệ này được gọi là công nghệ thi công tunnel mặt cắt nhỏ
Microtunnelling (hình 4.2).
Phương pháp thi công bằng khiên và tổ hợp khiên dùng để đào các tuyến
ngầm đi qua các vùng núi đá thay cho phương pháp khoan nổ mìn để xây dựng
tunnel dẫn nước cho các nhà máy thuỷ điện, các tuyến ngầm giao thông đường
sắt, đường bộ v.v…
Đặc biệt các tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng đất

và bằng dung dịch bentonite dùng để thi công các tuyến ngầm giao thông ở
những nơi có điều khiện địa chất phức tạp. Các tổ hợp khiên này đã và đang
được sử dụng để xây dựng các tuyến giao thông đường sắt đô thị (metro), các
tuyến giao thông đường bộ đường sắt xuyên qua sông, eo biển và cả những
vùng đất sình lầy

78


Hình 4.1. Hiện tượng sạt lở đất khi thi công bằng khiên có độ sâu không đủ lớn:
1 - vỏ khiên;1, - khoảng không gian phía sau mâm dao cắt; 2 - khoảng không gian phía sau vỏ
tunnel sau lắp ráp phải được ép đầy vữa; 3 - vỏ tunnel sau lắp ráp; 4 – mâm dao cắt; 4 / - đất
phía trước mâm dao bị sạt lở; 5 – kích thuỷ lực (lúc đầu là kích vít); 6 - Thiết bị lắp ráp các đoạn
vỏ lò; 7 – băng tải đất đá; 8 – goòng chở đất bánh sắt; 9 – các đoạn vỏ tunnel chưa lắp

Hình 4.2. Sơ đồ bố trí thiết bị trong công nghệ thi công tunnel mặt cắt nhỏ
Microtunnelling
Trong tổng số đường hầm ngầm thi công bằng phương pháp khiên ở các
nước khoảng 70% được xây dựng cho dẫn nước, 30% dùng cho Mêtrô và
đường ô tô. Hiện nay đường hầm ngầm dưới đáy sông được xây dựng bằng
phương pháp khiên ở trên thế giới đã có hơn 20 tuyến, và sự nghiệp phát triển
giao thông đường bộ, đường hầm ngầm ô tô dưới đáy sông được xây dựng
bằng phương pháp khiên ở các nước sẽ ngày một tăng lên.
Tại Việt nam - cụ thể là TP. Hồ Chí Minh và Hà Nội - đã và đang xúc tiến
thực hiện hàng loạt các tuyến đường sắt cao tốc đô thị, trong đó có nhiều tuyến
bắt buộc phải đi ngầm trong lòng đất. Với đặc điểm địa chất của cả hai thành
phố là nền đất yếu có nhiều nước ngầm, nhiều địa điểm tuyến phải đi qua các
túi bùn v.v… thì việc phải sử dụng các tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng
áp lực hỗn hợp bằng đất và bằng dung dịch bentonite (Mix pressure balance
shields) hiện đại là bắt buộc mặc dù giá thành sẽ bị đẩy lên rất cao.

79


IV. Các hãng chế tạo tổ hợp khiên đào ngầm nổi tiếng trên thế giới hiện
nay được biết đến với những tên tuổi sau đây:
1. Herrenknech – CHLB. Đức;
2. LOVAT - Canada;
3. Robin – Hoa kỳ;
4. Wirth - CHLB. Đức;
5. Palmieri – ITALIA;
6. Mitsubishi Hevy Industries - Nhật bản.
§ 4.3.KHIÊN ĐÀO LÒ THỦ CÔNG VÀ BÁN THỦ CÔNG
I. Khiên đào lò thủ công
Những khiên đào lò đầu tiên là những khiên đào lò thủ công, chúng đơn
giản chỉ là những kết cấu kim loại di động có mặt cắt khác nhau với nhiệm vụ
chính là chống sạt lở vách và gương đào. Đất đá được đào bằng xẻng, choòng
v.v…, sau này người ta dùng các búa chèn để đào và đưa đất ra ngoài qua
tunnel đã xây dựng bằng các goòng chạy trên ray hoặc đẩy bằng sức người.
Khiên đào bằng thủ công là hình thức cơ bản nhất và đơn giản nhất của
khiên, phần lớn chúng được dùng để đào các tuyến ngầm không dài lắm và
trong tầng đất cơ bản có thể tự ổn định được. Chủ yếu là 5 bộ phận gộp lại
gồm: khiên, cơ cấu đẩy, cơ cấu lắp ráp và các thiết bị phụ thuộc khác (hình
4.4).
Khiên thường là hình tròn do các tấm thép hàn lại do ba bộ phận tạo
thành: vòng miệng cắt, thân khiên và đuôi khiên (hình 4.3).

Hình 4.3. Kết cấu vỏ khiên thủ công:
1- vòng miệng cắt ; 2- thân khiên; 3- đuôi khiên; 4- sườn gia cố dọc; 5- Sườn gia cố hình vòng

- Vòng miệng cắt: Vòng miệng cắt là bộ phận phía trước của khiên có lắp

lưỡi dao (hình 4.4), khi thi công thì cắt và tiến vào trong đất. Lưỡi dao làm bằng
thép cứng chịu được mài mòn có sườn tăng cường và được chế tạo hình vát,
80


do đó giảm được lực cản khi tiến vào lòng đất. Trong địa tầng ổn định chiều dài
vòng miệng cắt phía trên và phía dưới bằng nhau, tức là vòng miệng cắt dạng
trụ tròn. Khi đào tuyến ngầm với đất tự ổn định kém thì bộ phận trên của vòng
cắt dài hơn bộ phận dưới, bộ phận dài trên đó được gọi là mái che, để che
chắn cho công nhân được an toàn khi đào đất. Có loại khiên được trang bộ
phận trên dạng thụt-thò có kích điều khiển có thể đua dài ra đằng trước, để
tăng thêm mái che chắn.
- Thân khiên: Thân khiên là bộ phận giữa của khiên là bộ phận chịu lực
chủ yếu của khiên. Thân khiên có cấu tạo gồm vỏ ngoài, sườn gia cố hình vòng
và sườn gia cố hướng dọc hàn lại với nhau. Sườn gia cố hình vòng được hàn
ở hai đầu vòng che chống, sườn gia cố hướng dọc được hàn giữa các sườn
gia cố hình vòng. Các kích vít của khiên sẽ được bố trí trong khoang này với
một đầu ghép với sườn gia cố hình vòng đầu sau, đầu còn lại chống vào đốt vỏ
bê tông cốt thép đã thi công ở giai đoạn trước để đẩy vỏ khiên tiến lên sâu vào
lòng đất. Để tăng thêm độ cứng, trong khoang này người ta hàn các tấm ngăn
đứng và tấm ngăn ngang.Trên tấm ngăn ngang người ta bố trí sàn công tác
cho công nhân đứng trên đó để đào đất.
Hình 4.4. Sơ đồ bố trí thiết bị
thi công đào kín bằng khiên thủ
công:
1 - lưỡi dao làm bằng thép cứng chịu
được mài mòn; 1/ - vòng miệng cắt; 2
- Các tấm ngăn đứng; 3 - sườn gia
cố hình vòng phía trước; 4 – thân
khiên; 5 – đuôi khiên; 6 – gioăng

chống thấm (mầu đỏ); 7 - vữa chống
co ngót được ép vào sau khi lắp vỏ lò
8 (màu xanh lá cây)/; 8 - tấm ngăn
ngang làm sàn thi công cho thợ làm
việc; 9 – kích; 9/ - sườn gia cố hình
vòng sau

- Đuôi khiên :Đuôi khiên nằm ở bộ phận sau của khiên, là sự kéo dài của
vỏ ngoài của vòng che chống có trang bị gioăng 6 (hình 4.4) ở mặt trong.
Gioăng này luôn ép chặt vào mặt ngoài của vỏ tunnel 8 /. Tác dụng của nó là bịt
kín chu vi vỏ hầm đề phòng nước ngầm và vật liệu vữa lọt vào trong hầm. Đuôi
khiên đồng thời cũng là nơi tiến hành lắp ráp vỏ hầm, bơm vữa xử lý lỗ hổng
sau lưng vỏ hầm sau lắp ráp. Vỏ ngoài của đuôi khiên được chế tạo bằng các
thép tấm mỏng cường độ cao, nhằm giảm thiểu khe hở mà khiên để lại sau khi
tiến lên phía trước.
81


Để đẩy khiên di chuyển về phía trước người ta dùng các kích vít có chân
đế tỳ vào phần vỏ tunnel mới lắp dựng 8 / và đẩy khiên di chuyển về phía trước
thông qua sườn gia cố hình vòng sau 9 /. Hiện nay người ta sử dụng kích thuỷ
lực thay cho kích vít để đạt hiệu quả cao hơn và việc sử dụng kích thuỷ lực
trong công nghệ đào hầm bằng khiên đã tạo ra một cú hích đáng kể để tăng
năng suất đào lò. Kích thuỷ lực công suất lớn đến nay vẫn là nhưng cụm máy
chính trong các tổ hợp khiên đào tunnel hiện đại.
II. Khiên đào lò bán thủ công
Khiên đào lò bán thủ công được chia làm hai nhóm chính là khiên đào lò
bán thủ công loại thường và khiên đào lò bán thủ công dùng để đào tunnel cho
vùng đất cát khô chảy ít nước ngầm.
1. Khiên đào lò bán thủ công loại thường

Hình 4.5. Tổ hợp khiên đào lò bán thủ công loại thường:
1 - vỏ khiên; 2 - khoảng không gian phía sau vỏ tunnel sau lắp ráp phải được ép đầy vữa; 3 vỏ tunnel sau lắp ráp; 4 – gương đào; 5 – kích thuỷ lực (lúc đầu là kích vít); 6 - thiết bị lắp ráp
các đoạn vỏ lò; 7 – băng tải đất đá; 8 – toa goòng chở đất bánh sắt; 9 – tấm vỏ tunnel chưa lắp

Khái niệm: Trong tổ hợp khiên đào lò bán thủ công đất được thợ đào
bằng cuốc, xẻng, choòng kết hợp với các loại máy khoan cầm tay (sau này là
máy khoan cầm tay và máy khoan có cột chống), các công tác còn lại do máy
móc thực hiện (hình 4.5) được gọi là khiên đào lò bán thủ công loại thường.
Cấu tạo: Trên hình 4.5 khoang 4 dành cho thợ lò đào đất; đất rơi xuống dưới
được máy xúc lật đổ vào toa goòng để đưa ra ngoài. Trong dây chuyền có máy
lắp ráp vỏ tunnel, ngoài ra còn có các thiết bị phụ trợ khác.
2. Khiên đào lò bán thủ công dùng để đào tunnel cho vùng đất cát khô
dễ sạt và không có nước ngầm
82


Khiên đào lò bán thủ công loại thường khi đào vào đoạn đất cát chảy,
khô không có nước ngầm thì cát sẽ sạt lở xuống không kiểm soát được. Để giải
quyết tình trạng đó người ta trang bị cho phần đầu của tổ hợp khiên đào lò bán
thủ công với vách chống sạt có cấu tạo từ những tấm đỡ ngang và chéo,
nghiêng và thẳng đứng, hướng cho cát sạt chảy theo định hướng có kiểm soát.
Thiết bị loại này được gọi là khiên đào lò bán thủ công loại đào đất cát khô
không nước ngầm.

Hình 4.6. Khiên đào lò loại bán cơ giới dùng để đào hầm trong vùng đất cát khô
ít nước:
1 – vòng tựa; 2 – vòng miệng cắt; 3 - tấm chắn đứng; 4 – tấm trượt; 5 - tấm chắn ngang; 6 - hệ
thống thuỷ lực; 7 - xilanh thuỷ lực điều khiển giữ gương đào; 8 - tấm ốp; 9 - vỏ khiên;
10 – xilanh thuỷ lực khiên; 11 – ngõng chống vào vỏ bêtông

Trên hình 4.6 trình bày cấu tạo khiên đào lò loại bán cơ giới dùng để đào
tunnel trong vùng cát khô không có nước. Cấu tạo và hoạt động của nó như
sau: vòng miệng cắt 2, vòng tựa gia cường 1, vỏ khiên 9 với tấm ốp 8 tăng khả
năng chịu tải được hàn tạo thanh một kết cấu thép có dạng hình trụ tròn vững
chắc. Phía trong kết cấu trụ tròn này người ta lắp ráp các đoạn vỏ tunnel hình
trụ tròn áp sát vào vỏ thép. Toàn bộ kết cấu này tiến về phía trước nhờ các kích
thuỷ lực 10 mà ngõng tựa 11 trên cần của nó tỳ vào vòng vỏ bê tông cuối cùng
đã lắp ráp. Sau đó cần của các xilanh thuỷ lực 10 được rút lại và người ta lại
lắp tiếp một đoạn vỏ bê tông tunnel bên trong ống khiên để ngõng tựa 11 tỳ vào
để đẩy khiên đi tiếp. Các tấm chắn ngang, nghiêng và dọc tạo thành các ô cho
cát chảy và được điều khiển bởi các xilanh thuỷ lực 7.
Trên tấm chắn ngang 5 có các tấm trượt 4 thò ra - thụt vào để khống chế
cát chảy tuỳ thuộc vào góc chảy tự nhiên của đất mà điều chỉnh, các tấm này
trượt ra - vào nhờ các xi lanh thuỷ lực.
83


Công tác bốc xúc cát, vận chuyển, thi công lắp ráp vỏ lò phía sau
thường là được cơ giới hoá hoàn toàn. Khi mặt cắt ngang của tunnel nhỏ thì
phải sử dụng các khiên đào lò bán cơ giới loại nhỏ và việc bốc đất cát vào
goòng được thực hiện theo cách thủ công.
§ 4.4.Tổ hợp khiên đào lò cơ giới loại thường (không có khoang cân bằng
áp lực - Soft Ground Non Pressurized)
Tổ hợp mà trong đó công tác thi công từ khâu đào đất tới hoàn chỉnh
tuyến ngầm được cơ giới hoá hoàn toàn được gọi tổ hợp khiên đào lò cơ giới
cơ giới hoá hoàn toàn. Tổ hợp khiên đào lò cơ giới cơ giới hoá hoàn toàn có rất
nhiều loại và mỗi loại phù hợp với từng điều kiện địa chất cụ thể. Dưới đây ta
xét loại tổ hợp khiên đào lò loại thường, tức là nó chỉ dùng cho đất mềm đất có
khả năng tự ổn định và không hoặc rất ít nước ngầm.

Trên hình 4.7 là sơ đồ cấu tạo và bố trí thiết bị của tổ hợp khiên đào
tunnel không có khoang giữ gương đào. Mâm dao 1 quay để cắt đất và tiến lên
phía trước. Các cơ cấu dẫn động nằm trong khiên 2. Thiết bị bốc xúc đất cát là
vít tải 3 đổ vào thiết bị vận tải 5. Một máy lắp ráp dùng để lắp ráp vỏ lò. Máy lắp
ráp và vít tải nằm trong đuôi khiên còn máy vận tải thì được nối dài trong lòng
tuyến tunnel.

Hình 4.7. Tổ hợp khiên đào lò cơ giới hoá hoàn toàn loại thường: 1 – mâm dao ; 2
– khiên; 3 - băng tải để đưa đất ra khỏi khiên; 4 - thiết bị lát (lắp ráp) vỏ tunnel; 5 - thiết bị vận
tải

Trong tổ hợp khiên đào lò cơ giới hoá hoàn toàn loại thường(hình 4.8)
phía trước khiên 1 là mâm dao 4 quay để đào đất, máy bốc xúc đất dạng tải gạt
7 để đưa đất ra khỏi khiên đổ vào goòng bánh sắt. Phía sau của khiên được bố
trí máy ráp vỏ tunnel 6 và các thiết bị khác.
Một số tổ hợp khiên đào lò cơ giới hoá hoàn toàn được trang bị các máy
cào vơ để cào đất lên lên máng cào, sau đó đổ vào các toa goòng bánh sắt.

84


Trong tổ hợp khiên đào lò cơ giới hoá hoàn toàn cơ cấu bốc xúc đất đá đôi khi
còn được trang bị các cơ cấu phụ để thực hiện một số các chức năng khác.

Hình 4.8. Sơ đồ cấu tạo và phương án bố trí thiết bị trong tổ hợp khiên đào lò
cơ giới hoá hoàn toàn loại thường không có khoang cân bằng áp lực:
1 - vỏ khiên; 1, - khoảng không gian phía sau mâm dao cắt; 2 - khoảng không gian phía
sau vỏ tunnel sau lắp ráp phải được ép đầy vữa; 3 - vỏ tunnel sau lắp ráp; 4 – mâm dao cắt;
5 – kích thuỷ lực (lúc đầu là kích vít); 6 – máy lắp ráp vỏ tunnel; 7 – băng tải đất đá;
8 – goòng chở đất bánh sắt; 9 – các cấu kiện vỏ tunnel chưa lắp ráp

§ 4.5.Tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng đất- “Earth
pressure balance EPB
85


I.

Cấu tạo chung của tổ hợp khiên đào tunnel EPB

b)
a)
Hình 4.9. Sơ đồ cấu tạo và bố trí thiết bị trong tổ hợp khiên đào tunnel giữ
gương đào bằng áp lực đất EPB:
a) 1 - khiên; 1’ - khoang cân bằng áp lực gương đào bằng đất; 2 – khe hở phía sau vỏ tuynen sau lắp ráp phải được ép đầy vữa; 3 - vỏ tuy-nen sau lắp ráp; 4 – mâm dao cắt; 5 –
kích thuỷ lực; 5’ – ca bin sửa chữa; 6 - máy lắp ráp ; 7 – vít tải và băng tải đất đá; 8 –
goòng chở đất bánh sắt; 9 – các miếng vỏ tunnel chưa lắp
b) 1. Đất; 2. mâm dao; 3 – khoang cân bằng áp lực bằng đất; 4 – vách ngăn; 5 - kích thuỷ
lực; 6 - vít tải; 7 - máy lắp ráp vỏ tunnel; 8 – vỏ tunnel bằng bê tông cốt thép hoặc gang
xám

Hình 4.10. Mô hình cấu tạo bên trong tổ hợp khiên đào với khoang cân bằng áp
lực gương đào bằng đất - EPB (Hãng Herrenknecht, CH LB Đức):
1 – mâm dao; 2 - khoang chứa môtơ thuỷ lực đồng thời là khoang kín áp suất cao cân bằng áp
lực chống sạt gương đào; 3 - vách ngăn kín không để không khí thấm qua; 4- xi lanh thuỷ lực
đẩy khiên; 5 – vít tải; 6 - máy lắp ráp vỏ tunnel; 7 - vỏ tunnel sau lắp ráp

Thiết bị công tác chủ đạo. Mâm dao cắt 4 (Hình 4.9. a) được dẫn động
bởi 3 môtơ thuỷ lực công suất lớn quay quanh đường tâm của tổ hợp, các
xilanh (kích) thuỷ lực tựa vào khung máy kích đẩy để thay đổi hướng di chuyển

cắt đất của mâm dao tạo thành đường tunnel cong, các xilanh thuỷ lực 5 đẩy
86


mâm dao tì vào gương đào với một áp lực nhất định để cắt đất và đẩy toàn bộ
phần đầu của tổ hợp tiến lên.
Khoang cân bằng áp lực bằng đất: Để cân bằng áp lực đất gương đào
tránh sạt lở, người ta bố trí phía sau mâm dao một vách ngăn kín, vách ngăn
này cùng với vỏ khiên và mâm dao sẽ tạo thành một khoang kín. Đất được đào
từ mâm dao sẽ rơi vào khoang kín này và tạo ra sự cân bằng áp lực giữa đất
đã đào và đất chưa đào, làm cho gương đào ổn định không sạt lở và nước bị
vách ngăn nên không thể chảy vào tunnel. Đất trong khoang kín sẽ được đưa
ra ngoài đổ vào phương tiện vận tải bằng vít tải. Khoang được tạo thành bởi
vách ngăn kín, vỏ khiên và mâm dao có chứa đầy đất gọi là khoang cân bằng
áp lực gương đào bằng đất – “Earth Pressure Balance” hay còn được gọi là
giải pháp cân bằng áp lực bằng đất.
Thiết bị vận chuyển. Vít tải 7 cuốn đất đổ vào băng tải, sau đó đổ tiếp vào
goòng hoặc băng tải để đưa ra khỏi đường hầm. Một điều đáng lưu ý là lượng
đất mà vít tải lấy đi bao nhiêu thì mâm dao phải bổ sung vào khoang cân bằng
áp lực một lượng đất tương đương. Một rơle áp lực được bố trí phía trong
khoang cân bằng áp lực 1/ (Hình 4.9. a) có nhiệm vụ ngắt hoặc điều chỉnh lưu
lượng của vít tải.
Khung máy là kết cấu thép chịu lực, vỏ khiên và các thiết bị đều được lắp
đặt trên khung máy.
Thiết bị di chuyển máy là hệ thống các xilanh thuỷ lực cỡ lớn. Khi máy di
chuyển, các chân đỡ máy co vào, xilanh thuỷ lực tì vào đốt vỏ hầm phía sau
đẩy toàn bộ máy tiến về phía trước.
Hệ thống dẫn động bao gồm nhiều động cơ điện có công suất lớn cung
cấp cơ năng cho các bơm dầu thuỷ lực. Dầu thuỷ lực áp suất cao đi qua các
ống dẫn dầu và van điều khiển trong ca bin tới các mô-tơ và xilanh thuỷ lực để

để dẫn động cho các cơ cấu máy.
Máy lắp ráp bố trí ở phía sau hệ thống các xilanh thuỷ lực. Sau khi máy
tiến lên phía trước, xilanh thuỷ lực co cần lại, tạo ra một khoảng trống bên dưới
khiên và máy này sẽ tiến hành lắp vỏ hầm ngay sau đó. Khi đoạn vỏ lò mới
được hoàn thành thì các xilanh thuỷ lực lại tỳ vào đoạn vỏ này để đẩy máy tiến
lên.
Thiết bị điều khiển đặt trong buồng lái ở trung tâm của máy sẽ điều khiển
tất cả các chức năng bao gồm cả tốc độ và hướng đào. Các camera sẽ cung
cấp đầy đủ cho người lái tình hình hoạt động của máy.
87


Thiết bị phụ cung cấp nước, khí nén, thông gió, chiếu sáng …cho tổ hợp
máy TBM. Ngoài ra, do điều kiện địa chất thường thay đổi đột ngột nên phía
trước đầu cắt thường có một thiết bị khoan dò tiến hành khoan trước để người
điều khiển có đầy đủ thông tin về điều kiện địa chất trước khi điều khiển máy
thông hầm mặt phẳng BTM làm việc.
II. Hoạt động của tổ hợp khiên với khoang cân bằng áp lực gương đào
bằng đất - EPB
Trên hình 4.10 là sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tổ hợp khiên
với khoang cân bằng áp lực gương đào bằng đất - EPB (Hãng Herrenknecht,
CHLB Đức). Khi tổ hợp làm việc thì mâm dao 1 quay, đất từ gương đào sau khi
được cắt sẽ rơi vào khoang kín 2, từ đây đất chuyển động dọc theo vít tải 5 rồi
xả vào băng tải để đưa ra ngoài. Năng suất của vít tải được tính toán sao cho
áp lực trong khoang cân bằng ổn định (thường thì mâm dao cắt được bao
nhiêu đất thì vít tải chuyển đi bấy nhiêu). Các xilanh thuỷ lực cỡ lớn 4 chống
vào vỏ tunnel 7 để đẩy tổ hợp di chuyển về phia trước. Hành trình pistông của
các xilanh thuỷ lực này lớn hơn chiều dài của một đoạn (một đốt) vỏ tunnel một
chút để khi cần của các xilanh thuỷ lực này co lại thì tạo ra một khoảng trống
bên dưới khiên vừa đủ để lắp một đoạn vỏ lò mới và máy lắp vỏ hầm 6 sẽ tiến

hành lắp ngay sau đó để bắt đầu một chu kỳ tuần hoàn tiếp theo. Áp lực của
đất trong khoang cân bằng được theo dõi bởi các con chíp đặc biệt đặt trực tiếp
trong đó. Như vậy ta đã đảm bảo giữ cho gương lò bằng lực chống ổn định khi
đưa khiên về phía trước cũng như khi nhả các xilanh thuỷ lực để lắp đoạn vỏ
tunnel mới, tránh được hiện tượng sạt gương đào một cách mất kiểm soát.
Cabin sửa chữa có nhiệm vụ đưa thợ máy vào khoang cân bằng áp lực
để sửa chữa bảo dưỡng khi cần thiết. Trong trường hợp này khoang cân bằng
áp lực sẽ được hút đất ra và bơm khí nén vào. Ca bin có hai cửa mở ra không
đồng thời, tức là khi mở cửa sau thì thì cửa trước đóng để thợ máy vào ca bin
và khi thợ máy đã vào ca bin rồi thì mở cửa thông với khoang cân bằng (lúc
này cửa sau đóng). Khi thợ máy đi ra thì cửa được đóng-mở theo chiều ngược
lại. Cabin sửa chữa này cho phép giữ gương đào ổn định không sạt lở trong
suốt quá trình sửa chữa.
III. Phạm vi ứng dụng của tổ hợp khiên với khoang cân bằng áp lực
gương đào bằng đất - EPB
Tổ hợp khiên với khoang cân bằng áp lực gương đào bằng đất – EPB
được sử dụng để thi công các tuyến ngầm qua những vùng đất có điều kiện địa
88


chất phức tạp, đất mềm, đất sét dính, pha sét dính, cát rời pha lẫn sét hàm
lượng cao và các loại đất có tính thấm kém là những loại đất rất phù hợp cho
các tổ hợp khiên với khoan cân bằng áp lực đất.
§ 4.6.Tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng dung dịch
betonite – “Slurry pressure balance EPB”
I. Sơ đồ cấu tạo tổ khiên SPB

Hình 4.11. Sơ đồ cấu tạo tổ khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng
dung dịch bentonite

Hình 4.12. Sơ đồ bố trí thiết bị bên trong tổ hợp khiên đào lò với khoang cân
bằng áp lực gương đào bằng dung dịch bentonite cao áp (gối cân bằng thuỷ
lực) của hãng Herrenknecht (CHLB Đức):
1- mâm dao; 2 – khoang nhỏ bên trái (khoang chứa nước ngầm + đất); 3 – vách ngăn kín; 4 ống dẫn cung cấp dung dịch bê tô nít; 5 – khoang nhỏ bên phải tiếp nhận không khí cao áp để
cân bằng áp lực, 6 – vách ngăn chìm (vách ngăn liên thông áp lực nhưng không cho đất tràn
sang khoang bên phải); 7 - vỏ tunnel vĩnh cửu sau lắp ráp; 8 – máy lắp ráp vỏ tunnel

Trên hình 4.11 và hình 4.12 là sơ đồ cấu tạo của tổ hợp khiên đào lò với
khoang cân bằng áp lực bằng dung dịch. Phía trước tổ hợp khiên là mâm dao
(rô to) 1 quay để cắt đất. Phía sau mâm dao là khoang cân bằng áp lực được
tạo bởi vách ngăn kín số 3, giữa mâm dao và ngăn kín 3 là vách ngăn chìm
vách này có lỗ thông phía dưới thông hoàn toàn với nhau cho phép phoi đất
tràn sang. Dung dịch bentonite được bơm vào khoan bên phải, khí nén bơm lên
phần trên tạo gối áp lực. Một ống dẫn bơm bùn được đưa vào đáy của khoang
này để bơm nước lẫn đất đi ra lên máy tách đất. Lực tỳ mâm dao vào gương
89


đào nhờ các xilanh thuỷ lực màu đỏ và cua sang trái và sang phải cũng nhờ
các xilanh thuỷ lực này. Mâm dao quay được nhờ ba môtơ thuỷ lực dẫn động
một vành răng lớn trên ổ của trục mâm dao. Phía trên vách ngăn kín 3 là cabin
sửa chữa, các đường ống dẫn khí nén, dung dịch bentonite, và ống dẫn bơm
bùn. Máy lắp ráp vỏ lò 8 được bố trí sau cùng để lắp ráp vỏ lò từ các mảnh chế
tạo sẵn 7. Khiên di chuyển lên phía trước nhờ 32 hoặc 48 xi lanh thuỷ lực
chống đẩy vào đốt tunnel đã thi công.
II. Nguyên lý giữ gương đào
Nhiệm vụ của khoang cân bằng áp lực là tạo ra áp lực đủ lớn để đẩy vào
gương đào sao cho đất và nước chỉ được đào và đưa ra một cách hợp lý, tức
là mâm dao đi đến đâu thì đất được đào đến đó, tránh sạt lở gương đào.
Cụ thể tại khoang trước của tổ hợp khiên người ta bố trí phía sau mâm

dao một vách ngăn kín, vách ngăn này cùng với vỏ khiên và mâm dao tạo
thành một khoang kín. Dung dịch bentonite có áp suất bình thường được bơm
vào khoang này qua một đường ống dẫn. Ngoài ra còn có một đường ống khác
để dẫn khí nén vào khoang cùng với dung dịch bentonite tạo cho khoang kín
một áp suất cao - đủ lớn để cân bằng với áp lực nước ngầm. Đôi khi áp lực
bentonite trong khoang cân bằng còn lớn hơn áp lực nước ngầm với mục đích
đẩy dung dịch bentonite vào sâu trong tầng đất phía trước để ổn định địa tầng.
Khoang được tạo thành bởi vách ngăn kín, vỏ khiên và mâm dao có chứa đầy
dung dịch bentonite cao áp gọi là khoang cân bằng áp lực gương đào thuỷ lực
– “Slurry Pressure Balance” (hay còn được gọi là giải pháp bảo vệ gương đào
bằng thuỷ lực).
III. Các cơ cấu chính trong tổ hơp SPB.
Thiết bị công tác chủ đạo. Mâm dao cắt được dẫn động bởi 3 môtơ thuỷ
lực công suất lớn dẫn động một vành răng quay quanh đường tâm của tổ hợp,
các xilanh thuỷ lực tựa vào khung máy kích đẩy để thay đổi hướng di chuyển
cắt đất của mâm dao tạo thành đường tunnel cong, các xilanh thuỷ lực đẩy
mâm dao tì vào gương đào với một áp lực nhất định để cắt đất và đẩy toàn bộ
phần đầu của tổ hợp tiến lên.
Thiết bị vận chuyển. Đường ống dẫn đất thải được một máy bơm bùn
công suất cao hút cả nước và đất tơi ra khỏi gương đào đưa lên mặt đất (nếu
chiều dài quá lớn thì bố trí các trạm bơm bùn trung gian). Trên mặt đất người ta
bố trí một thiết bị tách đất, đất sau khi tách được vận chuyển đổ ra ngoài bãi
thải, còn nước sau khi tách được trộn thêm bentonite để đưa lại gương đào.
90


Khung máy là kết cấu thép chịu lực, vỏ khiên và tất cả các thiết bị đều
được lắp đặt trên khung máy. Trục của mâm dao quay quanh cùng vành răng
trong một ổ bạc cỡ lớn được đỡ bởi khung máy và quay được nhờ 3 môtơ thuỷ
lực công suất cao

Thiết bị di chuyển máy là hệ thống các xilanh thuỷ lực cỡ lớn. Khi máy di
chuyển thì các chân đỡ máy co vào, xilanh thuỷ lực tì vào thành vỏ hầm phía
sau đẩy toàn bộ máy tiến về phía trước theo kiểu cơ cấu tự bước.
Hệ thống dẫn động bao gồm nhiều động cơ điện có công suất lớn cung
cấp cơ năng cho các bơm dầu thuỷ lực. Dầu thuỷ lực áp suất cao đi qua các
ống dẫn dầu và van điều khiển trong ca bin tới các môtơ và xilanh thuỷ lực để
dẫn động cho các cơ cấu công tác của tổ hợp khiên.
Máy lắp ráp bố trí ở phía sau hệ thống các xilanh thuỷ lực cỡ lớn. Sau khi
máy tiến lên phía trước, xilanh thuỷ lực co cần lại để hở ra một khoảng trống
bên dưới khiên và máy này sẽ tiến hành lắp vỏ hầm ngay sau đó. Khi đoạn vỏ
lò mới được hoàn thành các kích thuỷ lực lại tì vào đoạn vỏ này để đẩy máy
tiến lên.
Thiết bị điều khiển đặt trong buồng lái ở trung tâm của máy sẽ điều khiển
tất cả các chức năng bao gồm cả tốc độ và hướng đào. Các camera sẽ cung
cấp đầy đủ cho người lái tình hình hoạt động của máy.
Thiết bị phụ có chức năng cung cấp nước, khí nén, thông gió, chiếu
sáng cho tổ hợp máy TBM. Ngoài ra, do điều kiện địa chất có thể thay đổi
đột ngột nên phía trước đầu cắt thường có một thiết bị khoan dò. Thiết bị này
tiến hành khoan trước để người điều khiển có đầy đủ thông tin về điều kiện địa
chất trước khi điều khiển máy thông hầm mặt phẳng BTM làm việc. Một máy
khoan phụt vữa cao áp nhiền cần khoan được treo cơ động, dùng để sử lý đất
yếu xung quanh tunnel tương lai.
III. Hoạt động của tổ hợp khiên SPB và phạm vi ứng dụng
Trên hình 4.12 mâm dao 1 quay cắt đất trộn với nước trong khoang 2,
bùn với nước được bơm ra ngoài bằng bơm công suất lớn lên trên mặt đất để
tách đất. Đất sau khi tách được đổ vào bãi đất thải, còn nước sau khi lọc được
trộn thêm dung dịch bentonite đưa ngược lại khoang cân bằng áp lực. Mâm
dao quay trên ổ đỡ tựa cỡ lớn và được dẫn động bởi một môtơ thuỷ lực công
suất cao. Mâm dao có thể quay đi một góc nhờ các xi lanh thuỷ lực màu đỏ trên
hình. Các xilanh thuỷ lực này tựa vào vỏ tunnel vĩnh cửu 7 để đẩy mâm dao

vào gương đào tiến lên.
91


IV. Tổ hợp khiên đào SPB đường kính nhỏ Slurryschild dùng đào ngầm
đường thoát nước đô thị mặt cắt nhỏ theo công nghệ “microtunnelling”
1) Giới thiệu sơ bộ công nghệ “microtunnelling” (hình 4.13.a)
Công nghệ thi công tunnel mặt cắt nhỏ với tổ hợp khiên đào Slurrychild ( SPB
có đường kính nhỏ). Là công nghệ lắp đặt các hệ thống đường ống ngầm hạ
tầng kỹ thuật đô thị mà không cần thực hiện đào bới lộ thiên như các công
nghệ truyền thống.

a)

b)

Hình 4.13.a) Công nghệ thi công tunnel mặt cắt nhỏ bằng tổ hợp khiên đào
Slurryschild; b) Sơ đồ cấu tạo Slurryschild:
1 – vách khoang cắt; 2 – vách ngăn chịu áp; 3 – khoang hút; 4 – khoang áp lực; 5 - ống dẫn; 6 ống dẫn bùn; 7 - ống tải vít; 8, 9 - ống cấp betonite; 10, 11 - thiết bị tự động hiệu chỉnh áp lực
không khí để tránh giảm áp gây sụt vách đào; 13 - khoang bùn đất để hút đi

Công nghệ này chỉ cần hai giếng đứng: một giếng đầu khởi động và một
giếng cuối tiếp nhận, cả hai có độ sâu đúng bằng độ sâu đường ống cần phải
lắp đặt. Trong giếng đầu khởi động người ta lắp đặt một trạm tổ hợp kích thuỷ
lực công suất lớn, trên các kích đó bố trí tổ hợp khiên đường kính nhỏ có
đường kính bằng đường kính ngoài của của đốt ống bê tông tiền chế cần lắp
đặt. Nhờ lực đẩy của các kích thuỷ lực tổ hợp khiên đào tiến sâu vào lòng đất
với chiều sâu bằng đúng chiều dài đốt ống bê tông tiền chế, sau đó toàn bộ tổ
hợp kích thuỷ lực rút cần lại để ra một khoảng trống giữa khiên đào và tổ hợp
kích, trên khoảng trống này người ta lắp đặt một đốt ống bê tông tiền chế có

chiều dài tương ứng và ngay sau đó tổ hợp kích thuỷ lực lại đẩy tổ hợp khiên
về phía trước thông qua đốt ống bê tông vừa lắp đặt - một chu kỳ khoan đào lò
lại lặp lại cứ như thế đường ống được lắp từng đốt một và tiến về phía trước
cho tới khi gặp giếng tiếp nhận.
V. Phạm vi ứng dụng của tổ hợp khiên SPB
Tổ hợp khiên với khoang cân bằng áp lực gương đào dung dịch betonite
– SPB được sử dụng để thi công các tuyến ngầm qua những vùng đất có điều
kiện địa chất phức tạp có nhiều nước ngầm với áp lực nước ngầm khác nhau,
92


thi công các tuyến tunnel đi ngầm qua sông, biển, đầm lầy nơi có rất nhiều
nước ngầm. SPB có được sử dụng để thi công tunnel đi qua các nền đất cát,
bùn, cát pha sét có độ thấm cao. Tổ hợp khiên SPB là những tổ hợp dùng để
đào ngầm các tuyến đi qua các vùng đất có các lớp địa tầng khác nhau, đặc
biệt phù hợp cho đất ngậm nước. Hiện nay các hãng chế tạo máy trên thế giới
có xu hướng chế tạo các tổ hợp này theo dạng môđun, tức là chia thành các
cụm cho phép tổ hợp khiên SPB đào ngầm trong mọi điều kiện địa chất.
Khoang chống giữ gương đào có thể thay thế các loại khác nhau như từ EPB
→ SPB → Air PB (giữ gương đào bằng khí nén). Đây là tin vui đối với những kỹ
sư công trình ngầm là điều đáng lưu tâm khi chọn và đặt mua các tổ hợp khiên
thi công công trình ngầm.
VII Tổ hợp khiên đơn và khiên đôi

Hình 4.14. Cấu tạo ngoài của tổ hợp khiên đào lò loại khiên đôi ( Robbin USA):
1 – mâm dao; 2 – đĩa cắt; 3 – khiên trước; 4 – khiên thụt-thò;
5 – guốc kẹp thuỷ lực ; 6 – khiên sau; 7 - cabin

Hình 4.15. Sơ đồ bố trí thiết khiên đào lò loại khiên đôi (hãng Robbin USA):
1- xi lanh thuỷ lực tạo lực tỳ guốc kẹp; 2- xi lanh thuỷ lực tạo lực đẩy mâm dao;

3- máy lắp ráp vỏ tunnel;4- máy khoan; 5- các tấm vỏ tunnel sau lắp ráp; 6- vít tải

Tổ hợp khiên đơn và khiên đôi có cả hai loại là SPB và EPB.
Các khiên đơn ta đã nghiên cứu ở trên. Khiên đôi khác với khiên đơn ở
chỗ khiên được cấu thành từ 3 đoạn khiên kiểu ống lồng. Toàn bộ máy và thiết
bị được bố trí kín trong các đoạn khiên, không gian hoạt động thao tác rộng
93


hơn. Dưới đây xin giới thiệu cấu tạo của khiên đôi của hãng Herrenknecht,
CHLB Đức.
Trên hình 4.14 ta thấy có hai đoạn khiên trước và khiên sau, nối với
nhau bằng một đoạn ống lồng ở giữa. Tổ hợp có hai guốc kẹp thuỷ lực tỳ vào
vách lò để đẩy khiên trước tiến lên mà không ảnh hưởng tới các công đoạn thi
công ở khiên sau. Thực chất đây là máy đào có khiên trong đá cứng với 2
khiên bảo vệ mà ta sẽ nghiên cứu ở phần sau. Hình 4.15 là sơ đồ cấu tạo và
nguyên lý làm việc của tổ hợp khiên đôi.
Người ta sử dụng loại khiên đào kiểu này để đào tunnel trong nền đá có
nhiều đoạn bị phong hoá và đôi khi gặp các đoạn có điều kiện địa tầng xấu thì
các chân kẹp thuỷ lực không hoạt động lúc này tổ hợp làm việc như các tổ hợp
khiên EPB hoặc SPB.
§ 4.7. Tổ hợp máy đào một càng dùng thi công trong nền đá cứng - “Main
beam TBM”
I. Cấu tạo cơ bản của máy đào mui trần
Máy đào mui trần được chế tạo hiện nay trên thế giới cơ bản có hai loại:
loại một hệ chống và loại hai hệ chống.
Máy đào một hệ chống ngang có cấu tạo như thể hiện trên hình 4.16.
Dầm chính và giá đỡ mâm dao lớn là giá kết cấu của máy đào, tất cả các cấu
kiện khác đều được lắp trên giá đó. Bộ phận trước của giá đỡ mâm dao được
lắp vòng bi chính và vành răng lớn ở bên trong, bốn phía vành răng lắp khiên

bảo vệ mâm dao, khiên chống có thể điều chỉnh được, khiên bên và hệ chống
được ở tư thế chống hờ vào mặt đào của hầm, do đó bảo đảm sự ổn định của
mâm dao chính. Do dùng một cặp hệ che chống nằm ngang nên việc điều
chỉnh phương hướng trong quá trình đào tiến lên của máy được tiến hành kịp
thời và quỹ tích đường đi của máy là hình vòng tròn, vòng bi chính của máy
đào kiểu một hệ chống phần lớn là tổ hợp ba vòng bi, thiết bị điều khiển được
trực tiếp lắp tại phía sau của mâm dao, cho nên đầu máy khá nặng, khiên bảo
vệ mâm dao tương đối dài.

Hình 4.16. Sơ đồ máy đào với một hệ chống nằm ngang:
94


1- mâm dao; 2- khiên bảo vệ trên đầu; 3- bộ phận điêu khiển; 4- dầm chính;
5- máy đưa đất đá ra; 6- hệ chống dưới phía sau; 7- chân chống; 8- kích đẩy lên;
9- khiên bảo vệ bên; 10- hệ chống phía dưới; 11- hệ chống mâm dao.

Sơ đồ cấu tạo của máy đào với hai hệ chống nằm ngang trình bày trên
hình 4.17. Ở phía giữa máy chính có hai cặp thanh chống nằm ngang, hệ
chống này có thể chuyển động tịnh tiến trước-sau theo giá máy chính (trên đó
có hàn miếng đồng để trượt). Phần đầu của giá máy chính liên kết với mâm
dao lớn, ổ bi, vòng răng trong phần sau liên kết với hệ chống dưới ở đuôi, kích
đẩy dựa vào hệ chống nằm ngang đẩy giá máy chính và mâm dao lớn tiến lên
phía trước, thiết bị điều khiển được bố trí phía sau hệ chống nằm ngang thông
qua trục truyền động truyền mômen xoắn đến mâm dao lớn. Trong quá trình
đào hầm hai cặp thanh chống tì chặt vào vách hầm, vì thế phương hướng đào
đã được định vị, chỉ có thể đào theo đường thẳng. Chỉ khi định vị lại máy mới
có thể điều chỉnh phương hướng, quỹ tích đào của máy khi đó mới là đường
cong.

Hình 4.17. Sơ đồ máy đào hai hệ chống nằm ngang:
1- mâm dao; 2- khiên bảo vệ trên đầu; 3- vỏ ngoài của vòng bi; 4, 5- hệ chống nằm ngang
(trước, sau); 6- hộp bánh răng; 7- máy đưa đất đá ra; 8- máy điện khởi động;
9- hộp biến tốc hình sao; 10- hệ chống dưới ở phía sau; 11- ống mô men uốn; 12- kích đẩy;
13- giá máy chỉnh; 14- tấm treo ở vòm đáy (hệ chống dưới ở phía trước)

II. Quy trình thao tác của máy đào mui trần
a) Khi bắt đầu tuần hoàn đào thì hệ chống nằm ngang đã di chuyển đến
bộ phận trước của giá máy chính, các chân chống tỳ chặt vào vách hầm, tấm
treo ở vòm đáy tiếp xúc nhẹ vào mặt đá ở vòm đáy, rút hệ chống dưới ở đằng
sau lên. Khi đó mâm dao lớn có thể chuyển động, các kích đẩy thúc mâm dao
đang chuyển động tiến lên một hành trình, đó là trạng thái đào của máy.
b) Khi máy được đẩy lên phía trước và đạt đến điểm cuối cùng của hành
trình đẩy của kích thì kết thúc đào, mâm dao lớn ngừng chuyển động, hệ chống
dưới phía sau hạ xuống, khi đó tấm treo ở vòm đáy sẽ chống đỡ mâm dao lớn,
như vậy toàn bộ trọng lượng của máy sẽ do hệ chống trước và sau cùng đồng
thời chống đỡ.
c) Nới lỏng hai cặp chân chống nằm ngang, di chuyển hệ chống nằm
ngang đến đoạn trước của giá máy chính. Điều chỉnh phương hướng tiến lên
95


của máy bằng cách thông qua hệ chống dưới phía sau để tiến hành điều chỉnh
hướng ngang hay thẳng đứng để đạt yêu cầu mong muốn.

Hình 4.18. Sơ đồ tuần hoàn đào của máy đào mui trần (một hệ chống dưới)
d) Sau khi hệ chống ngang đã dời đến vị trí đoạn trước, người ta lại xiết
chặt chân chống vào vách hầm. Lúc ấy, rút hệ chống dưới phía sau lên, tấm
treo trên vòm đáy lại ở trạng thái tiếp xúc hờ với vòm đáy. Như vậy máy đào lại
chuẩn bị tiến hành một tuần hoàn tiếp theo.

96