Nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm, xác định các thông số hợp lý của thiết bị làm đường hầm kích thước nhỏ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐÀO NGỌC VƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ
LÀM ĐƯỜNG HẦM. XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ HỢP LÍ
CỦA THIẾT BỊ LÀM ĐƯỜNG HẦM KÍCH THƯỚC NHỎ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ XÂY DỰNG - NÂNG CHUYỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HOC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Giảng viên chính, Tiến sĩ Nguyễn Danh Sơn. Chữ ký............
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký).
Họ tên cán bộ chấm nhận xét 1: .....................................................Chữ ký....................
Học hàm: .......................................................................Học vị......................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký).
Họ tên cán bộ chấm nhận xét 2: .....................................................Chữ ký....................
Học hàm: .......................................................................Học vị......................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , ngày .............tháng.............năm 20......


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Đào Ngọc Vương

Giới tính : Nam / Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 19–09–1985

Nơi sinh: Hưng Yên.

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị xây dựng – nâng chuyển
Khoá (Năm trúng tuyển) : 2010
Mã số học viên: 10300440

1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm. Xác định các
thơng số hợp lí của thiết bị làm đường hầm kích thước nhỏ.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
 Nghiên cứu, phân tích, thống kê cơng nghệ và thiết bị làm đường hầm.
 Tìm hiểu các lý thuyết và kết quả nghiên cứu mới nhất trên thế giới liên quan tới
đề tài.
 Phân tích, thống kê các thơng số thiết bị làm đường hầm hiện có. Xác định các
thống số cơ bản của thiết bị làm đường hầm.
 Xác định cơ sở khoa học của công nghệ và thiết bị làm đường hầm.
 Xác định và mơ hình lựa chọn các thơng số hợp lí của máy khoan hầm toàn tiết
diện nhỏ.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 29-08-2011
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 04–01–2011
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): Giảng viên
viên chính, Tiến Sĩ Nguyễn Danh Sơn
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG
(Họ tên và chữ ký)

DẪNCHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


Lời cảm ơn
Tác giả: Đào Ngọc Vương

Tác giả xin gửi lời cám ơn đến quý thầy cô của Bô Môn Cơ Giới Hóa
Xí Nghiệp - Xây Dựng. Đặc biệt là thầy Nguyễn Danh Sơn đã quan tâm, hướng
dẫn nhiệt tình và tận tâm trong q trình hồn thành luận văn thạc sĩ. Tác giả
gửi lời cám ơn thư viện trung tâm Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
đã tạo điều kiện về nguồn tài liệu trong suốt quá trình tham khảo làm luận văn
thạc sĩ. Xin gửi lời cám ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ trong suốt
qua trình hồn thành luận văn thạc sĩ.

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 12 năm 2011


Mục lục
Danh sách kí hiệu
Danh sách hình ảnh
Lời nói đầu.............................................................................................................1
Chương 1. Tổng quan về công nghệ và thiết bị làm đường hầm......................2
1.1. Giới thiệu chung về công nghệ và thiết bị làm đường hầm......................2
1.2. Mục tiêu và giới hạn nghiên cứu của đề tài..............................................9
Chương 2. Nghiên cứu về công nghệ và thiết bị làm đường hầm...................10
2.1. Các phương pháp làm đường hầm..........................................................10
2.2. Phân loại công nghệ và thiết bị làm đường hầm.....................................17
2.3. Công nghệ và thiết bị làm đường hầm theo phương pháp mỏ................18
2.4. Công nghệ và thiết bị làm đường hầm tồn tiết diện..............................26
2.5. Cơng nghệ và thiết bị làm đường hầm khoan cắt từng phần...................38
2.6. Công nghệ và thiết bị làm đường hầm nhỏ.............................................45
Chương 3. Cơ sở khoa học của công nghệ và thiết bị làm đường hầm..........58
3.1. Cơ sở lý thuyết địa chất của việc xây dựng đường hầm........................58
3.2. Cơ sở lý thuyết cắt đất đá trong xây dựng đường hầm...........................77
3.3. Cơ sở lý thuyết tính tốn áp lực đất lên đầu máy làm đường hầm hoặc
tường chắn.....................................................................................................88

Chương 4. Xác định các thơng số hợp lí của thiết bị khoan đường hầm kích
thước nhỏ.............................................................................................................93
4.1. Giới thiệu chung về máy khoan hầm nhỏ................................................93
4.2. Một số thông số hợp lí của máy khoan hầm nhỏ.....................................96
4.3. Mơ hình và tính tốn lựa chọn máy khoan hầm nhỏ có đường kính
D=2150mm..................................................................................................104
Kết luận và kiến nghị........................................................................................109
Phụ lục
Tài liệu tham khảo
 


Danh sách ký hiệu
VK, Vn , Vh, Vr, V- thể tích khí, nước, hạt rắn, lỗ rỗng và thể tích toàn bộ mẫu đất
đá
Qn, Qh, Q- trọng lượng phần nước, hạt rắn và tồn bộ mẫu đất
m, n- thể tích hạt, lỗ rỗng trong một đơn vị thể tích
- trọng lượng thể tích của đất
γh- trọng lượng riêng của đất
γk- dung trọng khô
W- độ ẩm của đất
- tỉ trọng của đất
n- độ rỗng của đất
e- hệ số độ rỗng của đất
Wtf- độ ẩm tồn phần của đất
Gbh- độ bão hịa của đất
bh- dung trọng bão hòa của đất
dn- dung trọng đẩy nổi của đất
Q - lượng nước thấm qua mặt cắt F trong thời gian (t).
F- diện tích mặt cắt vng góc dịng thấm.

t, K - thời gian và hệ số thấm nước của đất.
J - Gradien thủy lực
T - lực cản đơn vị
J’ - lực quán tính
D - áp lực thủy động
L – chiều dài ống đất
H1, H2 : chiều cao cột nước ứng với mức 1, 2
E- mô đun đàn hồi
µ-hệ số biến dạng ngang
G- mơ đun đàn hồi chống cắt
B- mô đun đàn hồi khối
Rn, Rk – giới hạn bền nén, kéo


Pn, Pk – tải trọng nén, kéo
F0 – diện tích mặt cắt ngang ban đầu
ε0 – giá trị biến dạng tức thời ban đầu
ε1 – giá trị biến dạng của q trình lưu biến khơng ổn định
ε2 – giá trị biến dạng của quá trình lưu biến ổn định
ε1 – giá trị biến dạng của quá trình chảy-dẻo-phá hủy
S – chỉ tiêu ổn định tổng hợp
f – hệ số kiên cố của đá theo phương pháp Protodiakonov M. M.
kM – hệ số không thứ nguyên đặc trưng cho sự ảnh hưởng của mức độ nứt nẻ của
khối đá
kN – hệ số không thứ nguyên đặc trưng cho sự ảnh hưởng của số lượng hệ nứt nẻ
của khối đá
kR – hệ số không thứ nguyên đặc trưng cho sự ảnh hưởng của mức độ gồ ghề của
bề mặt (thành) khe nứt
kW – hệ số không thứ nguyên đặc trưng cho sự ảnh hưởng của mức độ ngậm nước
của khối đá

kt – hệ số không thứ nguyên đặc trưng cho sự ảnh hưởng của mức mở các loại
khe nứt khơng có chất lấp nhét
kA – hệ số không thứ nguyên đặc trưng cho sự ảnh hưởng của đặc tính lấp nhét
khe nứt
k – hệ số không thứ nguyên đặc trưng cho sự ảnh hưởng của hướng phát triển
của cơng trình ngầm (hướng xây dựng cơng trình ngầm) so với hướng phát triển
nhất của hệ thống khe nứt
RDQ – chỉ tiêu định lượng chất lượng khối đá
L1 - tổng chiều dài của tất cả các đoạn lõi khoan
Lp – tổng chiều dài của các đoạn lõi khoan có chiều dài lớn hơn 10cm sau khi thu
hồi
RSR – chỉ tiêu cấu trúc khối đá
A – nhóm các thơng số địa kỹ thuật đánh giá cấu trúc khối đá
B- nhóm thơng số xét tới hiệu ứng đặc tính các mặt yếu so với hướng thi cơng
cơng trình ngầm
C – các thơng số xét tới hiệu ứng về sư xâm nhập nước ngầm và điều kiện nứt nẻ
của khối đá


RMR- chỉ tiêu ổn định tổng hợp
Rnk – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu tố bền của đá nguyên khối khi nén
đơn trục
RRDQ – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu tố chỉ tiêu chất lượng đá RDQ
Rj – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu tố khoảng cách giữa các khe nứt
Rr – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu tố trạng thái khe nứt, mức độ gồ ghề
của thành khe nứt
Rw – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu tố trạng thái nước ngầm, lưu lượng
nước ngầm chảy qua cơng trình
ROJ – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu hướng và góc phát triển của nứt nẻ so
với trục thi cơng của cơng trình ngầm

RMRTBM – chỉ tiêu ổn định RMR của máy khoan hầm TBM
RMRD+B – chỉ tiêu ổn định RMR của phương pháp khoan nổ
Q – chỉ tiêu chất lượng đào đường hầm
Jn – chỉ tiêu đặc trưng cho độ gồ ghề của bề mặt nứt nẻ
Ja – chỉ tiêu đặc trưng cho sự biến đổi các đặc tính tiếp xúc, chất lấp nhét,…
Jw – chỉ tiêu đặc trưng cho sự biến đổi đặc tính thể hiện nước ngầm trong khe nứt
của khối đá
SRF – chỉ tiêu đặc trưng cho đặc tính biến đổi của các điều kiện thể trạng ứng
suất khối đá bao quanh cơng trình ngầm (cơng trình đào qua các vùng yếu có tính
chất địa cơ học khác nhau; mối quan hệ giữa độ bền nén độ bền kéo của khối đá so
với trạng thái ứng suất chính lớn nhất, ứng suất chính nhỏ nhất thuốc trạng thái
ứng suất thứ cấp xuất hiện trong khối đá chứa cơng trình ngầm; giá tri áp lực nhỏ
nén ép cụ thể trong khối đá,…
σ1 – giá trị ứng suất chính lớn nhất khi phá hủy
σ3 – giá trị ứng suất chính nhỏ nhất
Rn.m – giới hạn bền nén đơn trục của mẫu đá
m, s – các hằng số phụ thuộc vào tính chất của đá và mức độ phá hủy của chúng
dưới tác dụng σ1, σ3
FC – lực cắt ngang thành phần phụ thuộc vào hướng chuyển động của dụng cụ cắt
FN – lực cắt đứng thành phần tác động xuyên tới bề mặt đất đá được duy trì tại độ
sâu xuyên
F- lực cắt tạo bởi dụng cụ cắt lên khối đá


n – hệ số phân bố ứng suất
α – góc cào của dụng cụ cắt
σt – độ bền kéo của đất đá
p – độ xuyên xâu
θ – một nửa góc giữa dụng cụ cắt
t - góc ma sát giữa đất đá và dụng cụ cắt

0- góc ma sát bên trong đất đá
w – bề rộng dụng cụ cắt
σc – cường độ kháng nén dọc trục (UCS)
σ0 - áp lực thủy tĩnh trong khu vực cắt
0 - một nửa góc dụng cụ cắt
k- hệ số cắt
p – độ xuyên sâu (mm)
a – hệ số độ xuyên sâu
b – hệ số khoảng cách
m,n – hệ số độ xuyên sâu tương ứng
φ - góc cắt bề mặt
KIc – độ bền chống gãy của đất đá xác định theo phương pháp ISRM
Ft – tổng lực tác dụng lên đĩa cắt
0- góc tiếp xúc giữa đất đá và đĩa cắt
R- bán kính đĩa cắt
Ψ – hệ số lũy thừa
Po – áp lực ban đầu trong khu vực cắt tại những vị trí cắt
σa – áp lực chủ động lớn nhất
Ka - hệ số áp lực chủ động của đất
σp – áp lực chủ động lớn nhất
Kp - hệ số áp lực chủ động của đất
c – lực dính của đất
z – độ sâu của điểm cần tính
 - dung trọng của đất đá


H – độ sâu đặt đường hầm
 - góc ma sát giữa đất và máy khoan hầm
Ka*, Kp* - hệ số áp lực chủ động và bị động của đất theo lý
S – khoảng cách các đĩa cắt

Hr – tổng độ cứng (Total hardness) theo Tarkoy (1983)
nc - số đĩa cắt trên đầu cắt
d- đường kính đĩa cắt
r- bán kính đĩa cắt
C – hệ số thực nghiệm
Fth – lực đẩy đầu cắt của máy khoan hầm nhỏ MTBM
fL – hệ số ảnh hưởng do ma sát
Pc– công suất của đầu cắt máy khoan hầm MTBM
Tq – mô men của đầu cắt máy khoan hầm MTBM
 – hiệu suất chung của máy
k – hệ số chuyển đổi năng lượng
SE – năng lượng riêng của cắt
HP - tổng công suất của máy khoan hầm MTBM
Q- năng suất đào của máy khoan hầm
ROP – tốc độ tiến của máy khoan hầm MTBM
A – diện tích mặt cắt máy khoan hầm
σchmax – áp lực lớn nhất cho phép của đầu cắt
Kch - hệ số áp lực của đất đá
D – đường kính đầu cắt máy khoan hầm MTBM
R – bán kính đầu cắt máy khoan hầm MTBM


Danh sách hình ảnh
Hình 1.1- Máy khoan hầm S-300
Hình 1.2- Máy khoan hầm AVN 250-700(Herrenknech)
Hình 1.3 - Máy khoan hầm AVN 1200-1800 TB(Herrenknech)
Hình 1.4 - Thiết bị khoan hầm nhỏ SBU-A (Robbin)
Hình 2.1- Tổ hợp máy khoan hầm TBM
Hình 2.2- Máy khoan tự hành
Hình 2.3- Khung khoan

Hình 2.4- Máy khoan tự hành CBY-100T để hạ bậc dưới
Hình 2.5- Mũi khoan đá
Hình 2.6- Các loaị máy xúc trong hầm.
Hình 2.7- Các phương tiện tải đá trên đường ray
Hình 2.8- Máy điện ắc quy AMД-8
Hình 2.9- Máy khoan hầm TBM
Hình 2.10- Máy khoan hầm TBM M30 (Madrid, Tây Ban Nha)
Hình 2.11- Máy khoan hầm TBM cỡ lớn
Hình 2.12- Sơ đồ phân loại cơng nghệ và thiết bị khoan hầm tồn tiết diện TBM
Hình 2.13-Tổng quan về máy khoan hầm GTBM
Hình 2.14-Máy khoan hầm cho đất đá cứng GTBM của Lovat
Hình 2.15- Cấu tạo máy khoan hầm tồn tiết diện TBM kiểu mở
Hình 2.16- Máy khoan hầm cho đất đá rất cứng
Hình 2.17- Máy khoan hầm cho đất đá rất cứng kiểu có khiên ở trên nóc và thiết
bị lái ở bên hoặc khiên có đầu cắt
Hình 2.18- Cấu tạo máy khoan TBM khiên đơn
Hình 2.19 - Mơ hình máy khoan hầm khiên đơn của hãng Herrenkneccht
Hình 2.20- Cấu tạo máy khoan hầm TBM khiên đơi
Hình 2.21- Mơ hình máy khoan hầm TBM khiên đơi của hãng Herrenknecht
Hình 2.22- Cấu tạo máy khoan hầm cân bằng áp lực đất
Hình 2.23- Mơ hình máy khoan hầm cân bằng áp lực đất của hãng Herrenknecht
Hình 2.24- Cấu tạo máy khoan hầm trong đất bùn
Hình 2.25- Cấu tạo máy khoan hầm kết hợp
Hình 2.26- Một loại máy đào liên hợp đặc trưng
Hình 2.27- Sơ đồ nguyên lý cắt máy đào liên hợp


Hình 2.28- Máy đào liên hợp Voest Alpine AM85 và DOSCĨ LH1300
Hình 2.29- Máy đào liên hợp Voest Alpine MR520 và DOSCĨ MK3
Hình 2.30- Máy đào búa thủy lực dạng cần

Hình 2.31- Máy đào hầm di động của Robbins Mobile Miner Model 130
(Bullock 1994)
Hình 2.32- Máy đào hầm liên tục Wirth (Mobile Tunnel Miners)
Hình 2.33- Máy đào hầm liên tục Continuous Miner
Hình 2.34- Sơ đồ phân loại cơng nghệ và thiết bị làm hầm nhỏ
Hình 2.35- Máy khoan hầm cân bằng áp lực đất
Hình 2.36- Máy khoan hầm trong đất bùn
Hình 2.37- Một kiểu máy khoan hầm TBM trong đất đá cứng
Hình 2.38- Khiên đào bằng tay
Hình 2.39- Khiên đào bằng máy
Hình 2.40- Sơ đồ nguyên lý khoan đường hầm nhỏ bằng máy khoan hầm MTBM
Hình 2.41- Máy khoan MTBM trong đá
Hình 2.42- Máy khoan MTBM kết hợp
Hình 2.43- Máy khoan định hướng HDD
Hình 2.44 - Sơ đồ nguyên lý khoan ngang định hướng (HDD)
Hình 2.45- Sơ đồ nguyên lý của máy khoan cánh xoắn ngang
Hình 2.46- Mơ hình máy khoan cánh xoắn ngang
Hình 2.47- Sơ đồ thi cơng bằng máy khoan đầm nén ống PR
Hình 2.48- Lắp đặt ống dẫn hướng
Hình 2.49- Lắp đặt vỏ khoan
Hình 2.50- lắp đặt vỏ khoan kế tiếp và ống
Hình 2.51- Máy khoan ngang nhỏ có ống dẫn hướng PTMT
Hình 3.1- Sơ đồ quy ước ba pha của đất và tỷ lệ giữa chúng
Hình 3.2- sơ đồ tính áp lực thủy động
Hình 3.3- Biểu đồ của Krey và Tiedemann
Hình 3.4- Biểu đồ “ứng suất – biến dạng” tổng quát của đá ( theo Baklasov I.V.
và KArtozia B. A.)
Hình 3.5 - Các sơ đồ quan hệ phi tuyến “σm-ε” cho đá gabro và đất sét kết ( theo
Baklasov I.V. và Kartozia B. A.)
Hình 3.6 – Biểu đồ thể hiện đặc tính lưu biến của đá ( theo Baklasov I.V. và

KArtozia B. A.)


Hình 3.7- Biểu đồ “ ứng suất – biến dạng”
Hình 3.8 – Định nghĩa tính dẻo của đất đá
Hình 3.9 – Các phương pháp phá vỡ đất đá
Hình 3.10- Các phương pháp phá vỡ đất đá bằng dụng cụ
Hình 3.11- Mơ tả q trình phát triển vết nứt trong đất đá (Speight 1997)
Hình 3.12- Hai kiểu cắt chính (Speight 1997)
Hình 3.13- Mơ hình tính tốn phá vỡ đất đá bằng răng cắt
Hình 3.14- Đĩa cắt và tác động cắt
Hình 3.15 – Mơ hình lực cắt và hình dạng cho đường cắt
Hình 3.16 – Hình dạng phân bố áp suất với hàm lũy thừa (Rostami 1991)
Hình 3.17 – Mơ hình áp lực tĩnh của đất ở trạng thái cân bằng
Hình 3.18 – Mơ hình tính áp lực của đất lên đầu cắt máy khoan TBM
Hình 4.1- Sơ đồ cơng nghệ khoan đường hầm kích thước nhỏ
Hình 4.2 –Hình dạng một số loại đĩa cắt
Hình 4.3 – Mơ hình tính lực tác dụng lên đĩa cắt
Hình 4.4 – Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ quay của đầu cắt và đường
kính máy khoan hầm TBM tương ứng với từng loại đĩa cắt
Hình 4.5 – Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa SE và S/p
Hình 4.6 – Mơ hình tính áp lực lớn nhất của đầu cắt máy MTBM
Hình 4.7 – Sơ đồ chọn máy khoan hầm MTBM


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: TS.Nguyễn Danh Sơn

Lời nói đầu

Trong những năm qua, đất nước ta đã đạt được những thành tựu to lớn trong
các lĩnh vực kinh tế, chính trị, xã hội. Cùng với tốc độ phát triển kinh tế nhanh thì
việc phát triển cơ sở hạ tầng rất cấp thiết. Trong đó việc phát triển đường hầm và
khơng gian ngầm ngày càng đóng một vai trị quan trọng.
Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ mới trong ngành đường hầm ngày càng
rộng rãi và mang lại hiệu quả cao, đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của xã hội.
Do đó trong cơng tác thi cơng các cơng trình kỹ thuật hạ tầng ngầm trong đô thị với
mặt bằng chật hẹp nhưng phải bảo đảm các điều kiện khắt khe về mơi trường, giao
thơng… thì cơng nghệ làm đường hầm theo kỹ thuật đào kín là sự lựa chọn phù
hợp.
Cùng với sự phát triển việc xây dựng đường hầm theo kỹ thuật đào kín thì
cơng nghệ và thiết bị thi cơng cũng địi hỏi có sự phát triển tương ứng. Vì vậy nhu
cầu cơ giới hố lĩnh vực làm đường hầm càng trở nên cấp bách.
Trên thế giới công nghệ và thiết bị làm đường hầm bằng máy khoan hầm
toàn tiết diện đã được áp dụng rộng rãi không những trong lĩnh vực cấp nước, thốt
nước và ống dẫn khí, điện, điện thoại, hơi dầu, tunnel kỹ thuật... mà còn trong lĩnh
vực đường tàu điện ngầm (metro), hệ thống đường giao thông hiện đại.
Ở Việt Nam, công nghệ và thiết bị làm đường hầm bằng máy khoan hầm
toàn tiết diện nhỏ kết hợp với cơng nghệ kích đẩy đang có những đầu tư nghiên cứu
và phát triển. Đặc biệt việc nghiên cứu công nghệ, thiết bị khoan đường hầm bằng
máy khoan hầm tồn tiết diện kích thước nhỏ áp dụng trong thành phố.
Do mới áp dụng ở nước ta chưa lâu nên nhiều vấn đề công nghệ, lý luận và
thực tiễn chưa có những nghiên cứu đầy đủ. Đặc biệt công nghệ và thiết bị làm
đường hầm theo kỹ thuật đào kín áp dụng trong lĩnh vực cấp nước, thốt nước và
ống dẫn khí, điện, điện thoại, hơi dầu, tunnel kỹ thuật,…. Từ thực tiễn địi hỏi phải
nghiên cứu cơng nghệ và thiết bị làm đường hầm nói chung và đường hầm nhỏ nói
riêng.
HVTH: Đào Ngọc Vương

1

 


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: TS.Nguyễn Danh Sơn

Chương 1. Tổng quan về công nghệ và thiết bị làm đường hầm
1.1. Giới thiệu chung về công nghệ và thiết bị làm đường hầm
Sự cần thiết của đường hầm và các lợi ích mà chúng mang lại là khơng
thể tính hết. Đường hầm giúp cải thiện các kết nối và làm rút ngắn các đường
giao thông huyết mạch. Bằng cách đưa giao thông xuống ngầm, hệ thống
đường hầm giúp nâng cao chất lượng cuộc sống phía trên mặt đất và có thể có
một tác động kinh tế to lớn. Việc sử dụng không gian ngầm cho các mục đích
như lưu trữ, các nhà máy điện, xử lý nước, ống dẫn khí, điện, điện thoại, hơi
dầu, đường hầm kỹ thuật, hệ thống giao thông, quốc phòng và các hoạt động
khác thường là một yêu cầu bắt buộc trên quan điểm thiếu không gian mặt đất,
vận hành an tồn, bảo vệ mơi trường và tiết kiệm năng lượng. Tất nhiên, xây
dựng đường hầm thì có nguy cơ rủi ro, đắt đỏ và đòi hỏi một trình độ cao về
kỹ năng kỹ thuật.
Từ trước đến nay các yếu tố về địa chất, cụ thể là các điều kiện địa chất
của khối nền ln đóng vai trị chủ yếu trong việc quyết định tính khả thi
chung của một dự án đường hầm. Bởi vậy, trình độ kỹ thuật trước đây chỉ cho
phép xây dựng các đường hầm ngắn. Ngày nay nhờ những tiến bộ về khoa học
công nghệ người ta có thể xây dựng được những đường hầm ở bất kỳ nơi nào
khi cần thiết hoặc có chủ định làm. Nhiều năm lại đây, những lợi ích về chính
trị và đặc biệt là về mơi trường trở thành những yếu tố thiết yếu và trong một
số trường hợp, có tầm quan trọng khơng kém so với các yếu tố về kỹ thuật và
địa chất. Việc liên kết cơng trình đường hầm với các mạng lưới giao thơng
hiện có cũng là một yếu tố có tính quyết định. Do những ràng buộc này mà các

cơng trình đường hầm thường phải bố trí trên các tuyến đường đi qua khu vực
địa tầng có cấu trúc khơng phải là lý tưởng, đó là các khu vực đơ thị lớn,
thường nằm ở các vùng châu thổ. Mặc dù hiện nay những khía cạnh về địa
chất được xem là thứ yếu và được kỳ vọng là có thể giải quyết được với cơng
nghệ hiện có. Song trên thực tế, việc đào hầm trong đất mềm yếu và đất đá
cứng vẫn là một thách đố nan giải đối với giới xây dựng đường hầm, bởi vì
ln có những rủi ro khó lường.
Hiện có rất nhiều phương pháp làm đường hầm, có thể tạm chia thành ba
nhóm như sau: Phương pháp đào và lấp (thi cơng hở), thi cơng ngầm (thi cơng
kín), phương pháp hầm dìm (khi thi cơng hầm trong nước). Mỗi phương pháp
đều có những ưu nhược điểm nhất định và tuỳ từng điều kiện địa chất, hiện
trường, khả năng công nghệ cụ thể mà có thể vận dụng hợp lí.
Đặc điểm của thi công ngầm so với thi công hở là cần phải tạo ra một
hang có kích thước đủ để bố trí cơng trình đã được thiết kế. Việc đào đất đá–
tức là tách đất đá ra và chuyển ra bãi thải là q trình hết sứa khó khăn địi hỏi
phải được cơ giới hoá một cách tối đa. Việc lựa chọn phương pháp và công
nghệ thi công đất đá bằng cơ giới hoá được xách định trước tiên bởi các tính
chất của đất đá (độ cứng, độ dai, độ đàn hồi và độ nứt nẻ,…). Để làm việc này
cần phải phân loại đất đá dựa trên sức kháng khoan, biểu thị bằng độ dịch
chuyển của lỗ khoan trong một đơn vị thời gian trong điều kiện tiêu chuẩn.

HVTH: Đào Ngọc Vương

2


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: TS.Nguyễn Danh Sơn

Trong xây dựng hầm ngầm thì việc cơ giới hố các cơng tác ngầm có
một ý nghĩa đặc biệt. Để giải quyết vấn đề phức tạp và rất quan trọng này
người ta đã trang bị cho khiên đào, máy khoan hầm toàn tiết diện và các thiết
bị cơ giới, với những thiết bị này tồn bộ q trình thi cơng từ việc bóc tách
đất đá ra khỏi khối địa tầng, đưa chúng vào phương tiện vận chuyển,… đều
được cơ giới hoá.
Hầm đang được xây dựng một cách liên tục trên phạm vi thế giới và có
một sự đa dạng rất lớn về các thành phần chủ đầu tư cũng như mục đích sử
dụng. Do vậy, bất cứ sự thống kê nào cũng chỉ có thể mang lại thơng tin gần
đúng về tình hình thực tế. Sau đây là bảng liệt kê một số công trình hầm nổi
tiếng.
Các hầm lâu đời nhất
Hầm Eupalinos (Samos, 500 TCN)
1 km
Urner Loch (1707, là hầm qua núi An-pơ đầu tiên ở Thụy 64 km
Sỹ)
Mont-Cenis (Pháp-Italia, 1857-1870, cũng gọi là hầm 12 km
Fréjus)
Hầm đường sắt St. Gotthard (Thụy Sỹ, 1872-1878)
15 km
Các hầm dài nhất (tính đến thời điểm 2005)
Seikan (Nhật Bản, 1981-1984)
54 km
Hầm qua eo biển Măng-Sơ (Anh-Pháp, 1986-1993)
50 km
Simplon I (Thụy Sỹ - Italia, 1898-1906)
20 km
Grand-Apennin (Italia, 1921-1930)
19 km
Hầm Gotthard mới (Thụy Sỹ, 1969-1980)

16 km
Các hầm đường sắt qua dãy An-pơ đang xây dựng
Gotthard (1993-)
2x56,9 km
Loeschberg (1994-)
2x41,9 km
Các hệ thống metro lớn (tính đến thời điểm 2005)
New York
221 km
London
414 km
Paris
165 km
Moscow
254 km

Với 57 km chiều dài, hầm đường sắt Gotthard mới của Thụy Sỹ đi xuyên
dưới chân núi An-pơ sẽ trở thành hầm dài nhất trên thế giới, sẽ được hoàn
thành vào năm 2015.
Ở Tây Ban Nha, hầm đường sắt đôi Guadarrama đang được đào bằng
bốn máy khoan hầm TBM (hai máy của hãng Herrenknecht và hai máy của
Wirth) qua địa chất đá cứng (gơnai và granit) và đôi khi có cả các đoạn đất
yếu.
Dự án hầm qua eo biển Gibraltar chui dưới đáy Địa Trung Hải nối Bồ
Đào Nha và Ma-rốc đang được tiến hành khảo sát và đã có một số hội nghị
bàn về phương án thiết kế và thi công. Hiện công việc chuẩn bị vẫn đang được
xúc tiến nhất quán.
HVTH: Đào Ngọc Vương

3

Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: TS.Nguyễn Danh Sơn

Phần ngầm và tàu điện ngầm của khu vực châu Mỹ đã có sự gia tăng rất
đáng kể. Các ‘con hổ’ và các nước tương đối phát triển khác của châu Á như
Singapo, Thái Lan, Malaixia, Đài Loan, Hàn Quốc, Ấn Độ và khu vực Trung
Đông như Iran, Thổ Nhĩ Kỳ… đã xây dựng cho mình những hệ thống cơng
trình ngầm ngoạn mục.
Để phục vụ cho tàu đường sắt cao tốc Shinkansen ở Nhật, nhiều hầm đã
được xây dựng, trong đó hầm dài nhất là Daishimizu với 22,2 km. Vào tháng
4/2000 Nhật Bản đã có tổng chiều dài các hầm đường bộ là 2575 km.
Lĩnh vực xây dựng đường hầm đã có một lịch sử phát triển lâu đời và
vào những năm cuối thế kỷ 20 cơng nghệ thi cơng hầm đã có một bước phát
triển nhảy vọt khi thiết bị khoan hầm toàn tiết diện (TBM-Tunnel Boring
Machine) ra đời và sử dụng rộng rãi.
Ngoài ra, hiện nay việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị thi công
đường hầm cũng phát triển rất đa dạng như các thiết bị thi công truyền thống
(máy đào, xúc,…), thiết bị đào liên hợp (roadheader), thiết bị thuỷ lực, hay
thiết bị khoan hầm toàn tiết diện,…
Đặc biệt, những thiết bị thi công đường hầm nhỏ ứng dụng trong xây
dựng hệ thống ống nước, ống dẫn khí, cáp điện, cáp viễn thông,…Những thiết
bị này chủ yếu được phát triển ở châu Âu (Đức, Pháp,…), Mỹ, Nhật Bản và
một số hãng nổi tiếng như Herrenknech, RobbinTBM, Lovat, akkerman,…
Ở Việt Nam cịn rất hạn chế trong việc áp dụng cơng nghệ khoan hầm
toàn tiết diện TBM. Hiện tại chúng ta có sử dụng cơng nghệ TBM tại một số
dự án như dự án thủy điện Đại Ninh, dự án vệ sinh mơi trường kênh Nhiêu
Lộc - Thị Nghè. Ngồi ra, hầu hết các dự án đường hầm khác được xây dựng

bằng phương pháp mỏ và một số phương pháp đặc biệt khác.
Giới thiệu một số loại thiết bị thi công đường hầm toàn tiết diện tiên tiến:
 EPB SHIELD S-300 (Herrenknech)
Đường kính khoan lớn nhất: 15200mm
Cơng nghệ: hai bánh cắt độc lập, ba vít
tải
Cơng suất điều khiển: bánh cắt ngồi
12000kW/bánh cắt trong 2000kW
Trọng lượng khiên: 2610(tấn)
Tổng trọng lựợng: 4115(tấn)
Tổng chiều dài: 3500m
Địa chất: đất sét, đất sét nhiều cát, đất
đá vôi
Lực tại trạm đẩy: 315880kN tại 400bar
Mô men xoắn cực đại: 125268kNm
HVTH: Đào Ngọc Vương

Hình 1.1- Máy khoan hầm S-300
4


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: TS.Nguyễn Danh Sơn

 Máy khoan hầm AVN 250-700(Herrenknech)
Bảng thông số kỹ thuật máy khoan hầm nhỏ AVN 250-700
Mơ hình
Thơng số chính
Đường kính ngồi

của máy (OD)-mm

AVN250XC

AVN300XC

AVN400X
C

AVN500X
C

AVN600X
C

AVN700X
C

TC

MR

TC

MR

TC

MR

TC

MR

TC

MR

TC

MR

368

410

410

565

565

665

665

780

780

875

975

975

Tổng khối lượng máy
W(kg)

850

950

1100

3000

3800

4400

Chiều dài phần chinh
máy Las(mm)

1400

1450

1450

2150

2100

2500

Chiều dài phần nối
máy Lmc(mm)

1200

1200

1200

2000

2000

2000

Đường kính ngồi
ống(POD)-mm

360

400

400

550

550

650

650

760

760

860

860

960

Đường kính trong
ống(PID)-mm

250

300

300

400

400

500

500

600

600

700

700

800

Cơng suất (KW)

45

45

45

45

45

45

Mơ men xoắn cực đại

(KNm)

5.9

9.4

13.4

22.2

33.5

40.1

Số vịng quay
LH/RH(rpm)

0-44

0-27

0-19

0-15

0-13

0-11

116/500

245/500

245/500

311/500

311/500

393/500

10

15

15

25

25

30

Lực mỗi chu kì/áp
lực dầu (KN/bar)
Khoảng chạy mỗi chu
kì(mm)

Hình 1.2- Máy khoan hầm AVN 250-700(Herrenknech)
HVTH: Đào Ngọc Vương

5


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: TS.Nguyễn Danh Sơn

 Máy khoan hầm AVN-TB(Herrenknech)
Bảng thông số kỹ thuật máy khoan hầm nhỏ AVN 1200-1800 TB
Mơ hình
Thơng số chính
Đường kính ngồi
của máy (OD)-mm

AVN1200TB

AVN1400TB

AVN1500T
B

AVN1600T
B

AVN1600T
E

AVN1800T
B

TC

MR

TC

MR

TC

MR

TC

MR

TC

MR

TC

MR

1505

1810

1740

1970

1810

2150

1970

2150

1970

2150

2150

2425

Tổng khối lượng
máy W(kg)

13000

17000

2200

2400

2500

2900

Chiều dài phần chinh
máy Las(mm)

3750

3750

3800

3900

4200

4200

Chiều dài phần nối
máy Lmc(mm)

3200

3200

3200

3200

3200

3200

Đường kính ngồi
ống(POD)-mm

1490

1790

1720

1940

1790

2120

1940

2120

1490

2120

2120

2400

Đường kính trong
ống(PID)-mm

1200

1500

1400

1600

1500

1600

1600

1800

1600

1900

1900

2000

Cơng suất (KW)

132

132

160

160

220

250

Mơ men xoắn cực
đại (KNm)

259

259

474

474

431

554

0-6.7

0-6.7

0-7.7

0-7.7

0-10.4

0-11.9

Lực mỗi chu kì/áp
lực dầu (KN/bar)

752/600

752/600

1000/500

1006/500

1005/600

1272/500

Khoảng chạy mỗi
chu kì(mm)

60

60

60

60

60

100

Số vịng quay
LH/RH(rpm)

Ghi chú:
TC - Tiêu chuẩn ; MR - Mở rộng

Hình 1.3 - Máy khoan hầm AVN 1200-1800 TB(Herrenknech)
HVTH: Đào Ngọc Vương

6


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: TS.Nguyễn Danh Sơn

 Máy khoan hầm nhỏ TCS(Iseki Microtunnelling)
Bảng thông số kỹ thuật máy khoan hầm nhỏ TCS
Mơ tả

TCS

300

TCS
450

TCS
600

TCS
800

TCS
900

Đường kính bình thường (ID)mm

300

450

600

800

Đường kính ngồi(OD)-mm

432

604

790

Chiều dài (mm)

2474

2937

Chiều dài modul (mm)

1250

Kích thước dài trục
chính(mm)

TCS
1000

TCS
1200

TCS
1350

900 1000

1200

1350

980

1100

1220

1470

1620

2990

3000

3280

3535

4390

4200

1050

1045

1255

1425

2150

3190

3000

2700

3250

3500

3500

3750

4000

4750

4750

Kích thước dài trục nối(mm)

1750

2500

2000

2000

2500

3000

3750

3750

Tổng trọng lượng(ton-T)

1180

2060

3900

6100

7900

9800

15100

17200

Tốc độ vịng quay-rpm (50hz)

11.3

6.9

13.7

16.6

32.4

39.9

80.2

6.94

(inventer controller-60hz)

13.6

5.9

11.6

13.7

26.8

27.5

53.2

10.4

Mơ men xoắn Max(50hz)

3.0

14.1

11.9

11.9

10.2

10.2

6.0

68.6

(inventer controller-60hz)

2.5

16.9

14.2

14.2

14.2

12.2

7.3

103

Công xuất động cơ (KwxNo)

3.7

11

18.5

30

37

45

30X2

30X2

 Thiết bị khoan hầm nhỏ(Robbin)
Bảng thông số kỹ thuật máy khoan hầm nhỏ SBU-A

Đường
kính D
(mm)

Số đĩa
cắt

Kích thước
đĩa cắt
(mm)

Mơ men xoắn
max (N-m)

Lực đẩy
max (KN)

Kích thước
trục lục giác
(mm)

SBU-A 24

660

9

165

7,865-10,575

200-400

102 hoặc 77

SBU-A 30

810

9

165

7,865-10,575

200-400

102 hoặc 77

SBU-A 36

970

13

165; 241

17085-22915

290-580

102

SBU-A 42

1120

16

165; 241

26170-3480

380-760

102

SBU-A 48

1270

19

165;241;292

33355-46610

420-840

127 hoặc 102

SBU-A 54

1420

21

165;241;292

41490-55460

470-940

127 hoặc 102

SBU-A 60

1570

14

165;241;292

51800-69000

830-1560

127

SBU-A 66

1730

15

292

63800-85100

890-1670

127

SBU-A 72

1880

16

292/365

86920-108200

1000-1780

127

Kí hiệu

Thơng số kỹ thuật chung:

-

Đường kính máy khoan hầm: 600 tới 1800mm

-

Độ cứng của đá: 25 tới 175 Mpa

-

Địa chất :Đất đá cứng trung bình tới rất cứng, đất đá hỗn hợp

HVTH: Đào Ngọc Vương

7


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: TS.Nguyễn Danh Sơn

Hình 1.4 - Thiết bị khoan hầm nhỏ SBU-A (Robbin)
Thơng qua những phân tích về ưu nhược điểm, thông số kỹ thuật của một
số thiết bị làm đường hầm toàn tiết diện ở trên cũng như nhu cầu cấp thiết của
việc xây dựng không gian ngầm trong đô thị. Đặc biệt hệ thống đường hầm
nhỏ đòi hỏi những yêu cầu khắt khe của những khu đơ thị đơng dân cư thì việc
nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm. Xác
định các thơng số hợp lí của thiết bị làm đường hầm kích thước nhỏ” là cấp
bách và cần thiết.
1.2. Mục tiêu và giới hạn nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm trong đất đá. Nghiên
cứu công nghệ và thiết bị khoan hầm nhỏ toàn tiết diện nhỏ ứng dụng cơng
nghệ kích đẩy trong lắp đặt những đường ống tiết diện tròn. Nghiên cứu các
yếu tố ảnh hưởng tới máy khoan hầm toàn tiết diện nhỏ và xác định các thơng
số làm việc hợp lí cơ bản của máy khoan hầm toàn tiết diện nhỏ.
Giới hạn nghiên cứu
 Nghiên cứu tổng quan về công nghệ và thiết bị xây dựng đường hầm
trong đất đá.
 Nghiên cứu về công nghệ và thiết bị xây dựng đường hầm nhỏ trong
đất đá ở thành phố bằng máy khoan hầm toàn tiết diện nhỏ.
 Xác định thơng số hợp lí của thiết bị làm đường hầm toàn tiết diện nhỏ
(Microtunnel Boring Machine –MTBM) chun dùng trong thi cơng đường
hầm nhỏ có đường kính D≤ 3.0(m) trong đất đá ở thành phố.
 Tính tốn các thơng số của máy hầm kích nhỏ MTBM dùng để xây
dựng đường hầm nhỏ đường kính D=2150mm trong hỗn hợp đất đá cứng ở độ
sâu H=20m.

HVTH: Đào Ngọc Vương

8


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: TS.Nguyễn Danh Sơn

Kết luận chương 1: Như vậy, thông qua chương này rút ra một số kết
luận như sau:
 Ngành đường hầm có một lịch sử phát triển lâu dài và có vai trị quan

trọng trong nhiều lĩnh vực như lĩnh vực như cấp nước, thoát nước và
ống dẫn khí, điện, điện thoại, hơi dầu, tunnel kỹ thuật,… cũng như hệ
thống giao thông hiện đại.


Cùng với sự phát triển của ngành đường hầm thì cơng nghệ và thiết
bị làm đường hầm cũng phát triển tương ứng. Từ việc xây dựng đường
hầm bằng phương pháp thủ công rồi tới các phương pháp thi công
hiện đại bằng cơ giới như máy khoan hầm toàn tiết diện TBM.

 Việc lựa chọn công nghệ và thiết bị làm đường hầm phụ thuộc vào
đặc tính đường hầm (kích thước, tiết diện, chiều dài hầm, độ sâu đặt
hầm, hình dạng hầm,... ), điều kiện, vị trí xây dựng đường hầm (xây
dựng trong thành phố, qua núi, qua sông, qua biển,...) và điều kiện
địa chất.
 Hầu hết các khu vực đô thị trên thế giới đều phải đối mặt với nhiều
vấn đề lớn như ô nhiễm môi trường, tắc nghẽn giao thông, gia tăng
dân số,…. thì việc nghiên cứu cơng nghệ và thiết bị làm đường hầm
toàn tiết diện TBM và đặc biệt là cơng nghệ khoan hầm tồn tiết diện
nhỏ kết hợp với cơng nghệ kích đẩy để xây dựng những đường hầm
nhỏ có ý nghĩa thực tiễn lớn.
 Qua việc nghiên cứu thơng số một số máy khoan hầm tồn tiết diện
TBM cho thấy khả năng áp dụng công nghệ này trong điều kiện cụ thể
ở Việt Nam.
Ở Việt Nam nhu cầu phát triển đường hầm ngày càng cấp bách và đặc
biệt là những đường hầm nhỏ ở các thành phố lớn như Hà Nội, Thành Phố Hồ
Chí Minh, Đà Nẵng. Vì vậy việc nghiên cứu cơng nghệ và thiết bị thi cơng
đường hầm nói chung và những đường hầm nhỏ theo kỹ thuật đào kín trong
thành phố nói riêng có ý nghĩa thực tiễn lớn và cấp thiết. Việc nghiên cứu
công nghệ và thiết bị làm đường hầm trong đất đá sẽ được triển khai chi tiết ở

chương 2.

HVTH: Đào Ngọc Vương

9


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: TS.Nguyễn Danh Sơn

Chương 2. Nghiên cứu về công nghệ và thiết bị làm đường hầm
2.1. Các phương pháp làm đường hầm
Phương pháp đào hầm và công nghệ xây dựng đường hầm khác nhau tùy
theo địa chất, vị trí đường hầm, chiều dài và hình học, địa phương, truyền
thống…Hiện có rất nhiều phương pháp đào hầm, có thể tạm chia thành 3
nhóm như sau: Phương pháp đào và lấp (đào hở), đào kín, phương pháp hầm
dìm (khi thi cơng hầm trong nước).
Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm nhất định và tuỳ từng
điều kiện địa chất, hiện trường, khả năng công nghệ cụ thể mà có thể vận
dụng hợp lí. Trong đề tài này chỉ giới thiệu một số phương pháp thi công phổ
biến nhất hiện nay theo kỹ thuật đào kín như phương pháp hầm mỏ truyền
thống, phương pháp xây dựng hầm mới của Áo (New Austrian Tunnelling
Method -NATM), phương pháp cơ giới, phương pháp kích đẩy,…
 Phương pháp hầm mỏ truyền thống
Người ta gọi “phương pháp mỏ” có quan hệ tương hỗ với nghành cơng
nghiệp khai khống, ở đây phương pháp đào hang truyền thống bằng khoan
nổ mìn trong đá cứng cùng với các vỏ hầm chống tạm rồi xây vỏ hầm vĩnh
cửu.
Nội dung cơ bản của phương pháp mỏ là: sau khi đào hầm, để giữ ổn

định đất đá xung quanh hầm trước khi thi công kết cấu vỏ hầm sau cùng,
người ta tiến hành dựng các vì chống tạm (thường là bằng gỗ hoặc thép). Sau
khi đào xong hầm một khoảng thời gian, kết cấu vỏ hầm mới được thi công
bằng biện pháp đổ bê tông thông thường hoặc xây đá theo từng phân đoạn.
Trước khi đổ bê tông, vỏ hầm thường được xử lý phòng nước bằng một lớp
bao tải tẩm nhựa đường hoặc bằng giấy dầu (cũng có nhiều cơng trình khơng
làm lớp phịng nước). Sau khi bê tông vỏ hầm đạt cường độ cho phép, để tạo
sự liên kết chặt chẽ giữa vỏ hầm và đất đá xung quanh người ta dùng máy
bơm ép vữa vào phía sau vỏ. Trong trường hợp đào lẹm quá lớn, để tiết kiệm
vật liệu vữa bơm người ta có thể chèn thêm đá.
Với phương pháp thi công hầm như thế, giữa vỏ hầm và địa tầng khơng
có sự liên kết chặt chẽ với nhau nên người ta tính tốn thiết kế vỏ hầm dựa
trên giả thiết sau khi đào hầm xong dần dần đất đá xung quanh hầm bị biến
dạng và tác động trực tiếp lên vỏ hầm như là một tải trọng. Đất đá biến dạng
sẽ nứt vỡ cho đến khi tự bản thân đất đá hình thành một vịm cân bằng phía
trên và hai mặt trượt ở hai bên (được gọi là vịm áp lực). Tồn bộ khối lượng
phần đất đá dưới vòm cân bằng và trên mặt trượt hai bên sẽ tác dụng lên vỏ
hầm hoặc vì chống trong giai đoạn thi công. Xuất phát từ quan niệm như vậy,
HVTH: Đào Ngọc Vương

10


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: TS.Nguyễn Danh Sơn

G.S Protodiakonov đã đưa ra mơ hình rời rạc áp dụng vào phương pháp xác
định vịm cân bằng và mặt trượt để tính tốn áp lực lên vỏ hầm. Kích thước
vịm cân bằng phụ thuộc vào kích thước hầm và đặc điểm của địa tầng thông

qua hệ số kiên cố f được xác định bằng thí nghiệm nén mẫu đất đá (f =
R/100) và từ đó địa tầng được phân loại thành 10 cấp theo hệ số kiên cố.
Việc xác định áp lực địa tầng là một vấn đề hết sức phức tạp vì đặc điểm
không đồng nhất của đất đá nên để đảm bảo an toàn phải coi đất đá là rời rạc
và sự khác nhau chỉ thể hiện qua hệ số kiên cố. Với quan niệm như vậy giữa
địa tầng và vỏ hầm sẽ khơng có sự tác động tương hỗ nên vỏ hầm thường có
kích thước lớn làm tăng giá thành cơng trình. Do vậy, vấn đề đặt ra là làm
sao để có thể hạn chế áp lực do sự biến dạng, nứt vỡ, rời rạc của địa tầng và
làm sao có thể tạo ra thể thống nhất giữa vỏ hầm và địa tầng.
Đa số các cơng trình ngầm được thiết kế và xây dựng trong đất đá cứng.
Việc làm tơi đất đá trong quá trình đào hang được thực hiện chủ yếu bằng
công tác khoan nổ: khoan vào địa tầng những lỗ khoan có đường kính khác
nhau, nạp thuốc nổ để phá vỡ và đập nhỏ đất đá theo mong muốn. Theo
thống kê cho đến nay việc phá đá bằng khoan nổ mìn chiếm 95% khối lượng
đào đất đá ngầm. Điều đó chứng tỏ đây là phương pháp khá hiệu quả, đơn
giản thực tế trong việc xây dựng hầm.
Ngày nay ngành cơng nghiệp hố chất sản xuất ra các loại thuốc nổ có
tính năng đáp ứng được cơng tác nổ mìn trong các điều kiện địa chất cơng
trình khác nhau.
Cơng tác nạp mìn có hai dạng chính : Nạp tập trung chiều dài nhỏ hơn 45 lần đường kính và nạp kéo dài lớn hơn 4-5 lần đường kính. Trong xây dựng
ngầm chủ yếu dùng cách nạp kéo dài trong lỗ khoan đường kính nhỏ hoặc
lớn, kết quả khi nổ một khối thuốc tạo nên phễu nổ mà các thông số cơ bản
của nó là đường khoan nhỏ nhất W (đường kháng nhỏ nhất là khoảng cách
ngắn nhất từ tâm nổ đến mặt thống) và bán kính phễu nổ r. Hiệu quả tác
dụng nổ n, tức là n= r/W:
 Khi n>1 gọi là nổ mìn tăng cường: đá nổ ra có độ văng khá lớn.
 Khi n=1 gọi là tác dụng nổ mìn tiêu chuẩn, đặc trưng bằng việc đã nổ
ra được đập vỡ hết và văng không đáng kể.
 Cịn khi n<1 thì nổ mìn chỉ làm tơi đá mà thôi.
Trong thực tế xây dựng ngầm chủ yếu dùng nổ mìn tác dụng tiêu chuẩn.

Nạp mìn trong các lỗ ở dạng nạp liên tục hoặc nạp gián đoạn.
Nạp liên tục là một khối thuốc hoặc thuốc nổ rồi nhồi vào lỗ khoan có bố
trí thuốc bánh gây nổ .
HVTH: Đào Ngọc Vương

11


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: TS.Nguyễn Danh Sơn

Trong kết cấu nạp thuốc gián đoạn thì các bánh thuốc được cách nhau
bằng một đoạn khơng khí hoặc mẫu gỗ, cịn việc truyền nổ từ bánh này sang
bánh khác được đảm bảo bằng một sợi dây nổ. Khi sử dụng lỗ mìn đường
kính bé để vào hang ngầm thì một lần nổ thường tiến hành với một tổ hợp
các khối thuốc nạp trong lỗ. Sơ đồ bố trí các lỗ đối với mặt thống và tổ hợp
hợp các lỗ mìn thành từng nhóm cần phải sao cho đường biên hang nhận
được chính xác theo thiết kế. Khối lượng đá nổ ra tối đa và lượng thuốc nổ
dùng là tối thiểu, nổ mìn khơng sốt. Sơ đồ bố trí lỗ mìn trên gương, loại
thuốc nổ, kết cấu nạp mìn, phương tiện gây nổ, thứ tự nổ thể hiện trong hộ
chiếu khoan nổ mìn.
Trong thực tế xây dựng cơng trình ngầm người ta sử dụng chủ yếu và
hiệu quả các cơng nghệ nổ mìn tạo biên sau: phương pháp nạp mìn gần và
phương pháp tạo khe trước. Những phương pháp này khác nhau chủ yếu ở
thứ tự nổ các lỗ mìn bên trong hộ chiếu khoan nổ và do đó cơ chế tác động
của năng lượng nổ lên các khối đá bao quanh cũng khác nhau. Với phương
pháp nổ mìn gần thì các lỗ mìn biên nổ cuối cùng và nổ đồng thời cùng một
lúc trong hộ chiếu, có nghĩa là các lỗ biên nổ khi có mặt thống thứ hai do đó
năng lượng nổ tiêu hao vào việc tạo khe nứt lỗ biên và phá vỡ hàng lỗ ngay

sát lỗ biên. Với phương pháp tạo khe trước dựa vào sự tác động tương hỗ của
các khối nổ không lớn về mặt khối lượng trong các ở trong mơi trường chịu
nén ép với mục đích nhận được khe nứt dọc theo các lỗ mìn biên. Với
phương pháp này lỗ mìn được nổ đồng thời với các lỗ đột phá có nghĩa là nổ
đầu tiên theo hộ chiếu.
 Phương pháp xây dựng hầm mới của Áo (New Austrian Tunnelling
Method -NATM)
Phương pháp xây dựng hầm NATM đã được nhiều nước tiên tiến trên
thế giới công nhận là phương pháp xây dựng hầm hiện đại và có nhiều ưu
điểm so với các phương pháp thơng thường. Chính vì tính ưu việt của
phương pháp NATM nên đã được nhiều nước đưa vào quy trình thi cơng
hầm của mình như Đức, Áo, Nhật Bản... Ở Việt Nam, phương pháp NATM
lần đầu tiên được áp dụng để thiết kế và thi cơng hầm đường bộ qua đèo Hải
Vân, sau đó được áp dụng thành cơng vào cơng trình hầm đường bộ qua đèo
Ngang.
Những năm trước đây, ở nước ta, Liên Xô cũ và các nước trên thế giới
vẫn sử dụng phương pháp mỏ để thi công các đường hầm.
Vào khoảng giữa thế kỷ XX, dựa trên lý thuyết biến dạng và việc phân
tích áp lực đất đá, từ kinh nghiệm trực giác nhưng hết sức sáng tạo, các kỹ sư
HVTH: Đào Ngọc Vương

12