Đào hầm theo phương pháo Shield

9 Vì mặt đất đào chỉ xuất hiện ở mặt trước của máy đào, nên rất ít có trường hợp lớp đất bị sụp lỡ. Phương phái đào hầm này được kỹ sư người Pháp M.I. Brunel phát minh năm 1818. Kỹ sư này đã sử dụng phương pháp này để đào hầm xuyên qua sông Thames ở Luân Đôn. Hình-1 Phương pháp thi công Shield ở thời kỳ đầu Trong quá trình đào, đã có nhiều lần mặt đất phía trước máy đào bị sạt lỡ vì áp lực của nước ngầm lớn. Để đối phó với áp lực nước ngầm, phương pháp tạo áp lực khí nén trong máy đào để đối kháng lại với áp lực nước từ bên ngoài đã được áp dụng. Sau đó, phương pháp này được thực dụng rông rãi ở Châu Âu từ cuối thế kỷ 19. 10 Hình-2 Khái niệm về phương pháp đào Shield ở giai đoạn đầu Kỹ thuật đào hầm phương pháp SHIELD tại Nhật Bản tuy bắt đầu trễ so với các quốc gia tây Âu, nhưng Nhật Bản đã áp dụng phương pháp này trong những điều kiện đất yếu trong các đô thị. Qua quá trình thi công cho nhiều công trình, phương pháp SHIELD đã chứng minh sự hữu hiệu, thich hơp của nó cho các vùng địa chất yếu trong đô thị. Từ những thành công của phương pháp này, SHIELD được sử dụng phổ biến cho các công tác đào cống cấp thoát nước, đường đường xe điện ngầm, v.v… Phương pháp SHIELD truyền thống là phương pháp được áp dụng cả phương pháp bơm khí nén trong máy đào. Ngoài ra, để đối phó với địa chất yếu và nước ngầm nhiều nên nhiều trường hợp còn cần thêm những phương pháp phụ trợ như gia cường địa chất bằng những phương pháp như bơm hóa chất v.v…vào nơi cần gia cường. Ngoài ra, để tránh thi công trong môi trường có khí ép, ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người và vùng địa chất xung quanh, năm 1965 Nhật Bản đã phát minh ra phương pháp đào SHIELD có mặt cắt khép kín, và sau đó được phát triển nhanh chóng. Phương thức này được phân chia ra làm 2 loại chính là máy SHIELD dùng áp lức đất và máy SHIELD dùng áp lực nước bùn. Máy đào của cả 2 phương thức này đều có mặt cắt phía trước khép kín, và lợi dụng áp lực của đất đào được hoặc nước bùn bơm vào phòng chứa, để đối kháng với áp lực của mặt cắt và nước ngầm từ bên ngoài, tạo an định trong khi đào. 11 Phương pháp phụ trợ bơm vữa hóa chất vào lòng đất để gia cường địa chất ở thời kỳ đầu được áp dụng rộng rãi nhưng vì lý do hóa chất làm ô nhiễm mạch nước ngầm nên sau khoảng năm 1974, việc sử dụng vữa hoá chất bị hạn chế. 2. Phân loại máy đào Shield Hình-3 Phân loại máy đào Shield (1)Shield đào bằng tay Là loại máy rẻ tiền nhất, thích hợp cho địa chất cứng tốt, mặt cắt có thể đứng vững được khó sụp đổ, và chiều dài hầm không dài. Vì do người vận hành trước mặt đào nên khi gặp những chướng ngại vật như đá tảng hoặc cột nền móng v.v…thì dễ xử lý. Hình-4 Khái niệm máy đào bằng tay (2) Máy Shiled một phần đào bằng máy (bán cơ khí) 12 Cũng là máy thích hơp cho địa chất cứng tốt. Trường hợp tiết diện đào lớn và hầm dài thì phương pháp này sẽ thích hợp hơn máy đào bằng tay. Tính kinh tế cao và dễ dàng xử lý khi gặp những chướng ngại vật phía trước. Thông thường máy sẽ đào khoảng 70~80% phần đất, và người sẽ đào những phần còn sót mà máy không đào được. Có 2 loại máy đào là loại đào quay và loại đào dùng cần đào (bachoe). Hình-5 Khái niệm máy đào một phần bằng máy (3) Shield đào bằng máy Đây cũng là máy thích hơp cho loại đất cứng tốt và có chiều dài lớn. Vì 100% đào bằng máy, và vừa đào vừa đẩy máy tiến về phía trước cho nên tốc độ đào nhanh. Ngoài ra, trong khi đào có thể kiểm tra được trạng thái của mặt đất đào phía trước và dễ dàng thay đĩa cắt. 13 Hình-6 Khái niệm máy đào bằng máy (4)Shield điều chỉnh độ đóng mở Là loại shield đào có hình thái như máy đào bằng tay mà phía trước có gắn vách ngăn cách, vách ngăn cách này có thể điều chỉnh độ đóng mở. Tuỳ theo trạng thái địa chất mà độ mở được điều chỉnh cho thích hợp. Đất đào được đẩy ra ngoài trong quá trình đào. Vì đất được đưa ra tự động nên hiệu suất đào cao. Tuy nhiên, vì phương thức này đòi hỏi tính mềm dẻo của đất đào nên chịu ảnh hưởng của đặc tính của loại đất cho nên cần điều tra phạm vi có thể áp dụng được. 14 Hình-7 Khái niệm máy đào điều chỉnh độ đóng mở (5)Shield dùng áp lực đất Là một loại shield có mặt trước khép kín, lợi dụng áp lực của đất đào trong phòng phía sau đĩa cắt để đối kháng với áp lực của đất và nước ngầm từ mặt gương đào. Đất đào được đưa ra bằng băng tải guồng soắn (screw conveyer), lượng đất đưa ra được điều chỉnh theo áp lực của đất trong phòng chứa và được quản lý bằng áp lực kế. Trong trường hợp có lớp đất cát và sét xem kẽ nhau cũng có thể thích ứng được vì đất sẽ được trộn trong phòng chứa đất làm đất dễ dàng lưu động hơn, nên được sử dụng rộng rãi hơn loại shield điều chỉnh độ đóng mở. 15 Hình-8 Khái niệm máy đào dùng áp lực đất (6) Shield dùng áp lực đất bùn Loại máy này có mục đích mở rông phạm vi thích ứng của máy shield dùng áp lực đất. Tức là để cải thiện tính lưu động của đất đào thì nước bùn ( hoặc bọt khí) được bơm vào lớp đất trước mặt đất đào, để cải thiện tính lưu động và tính chống thấm của lớp đất. Loại máy này có thể thích nghi cho cả loại đất sỏi cát có độ thấm cao. Cũng như máy shield dùng áp lực đất, loại máy này đưa đất đào vào đầy trong phòng chứa nên dễ dàng xử lý đất đào được và tạo an định cho mặt đất đào phía trước. 16 Những đặc điểm của shield dùng áp lực đất bùn 1) Phạm vi loại đất thích nghi rộng rãi Lớp cát, cát đá, lớp sét bột kết, lớp đất cứng, những lớp đất đặc thù…và những lớp xen lẫn những loại đất như trên đều có thể thích nghi được bằng cách điều chỉnh độ đặc sệt và lượng nước bùn để tạo lớp đất bùn. 2) Không cần thiết bị sử lý đất bùn thải lớn Đất bùn thải được chuyển ra ngoài bằng băng tải, hoặc xe kéo, hay bằng bơm đẩy đất cát. Trên nguyên tắc, đất bùn cần được sử lý làm khô cứng trước khi mang ra bãi thải. Tuy nhiên tùy theo trạng thái của đất bùn, hoặc điều kiện của bãi thải mà cũng có trường hợp đất bùn mang đi thải mà không cần xử lý trước. 3) Giảm thiểu độ lún của lớp đất nguyên dạng Vì mặt đất trước máy đào được chống đỡ bằng áp lực của đất bùn nên lớp đất nguyên dạng hầu như không dịch chuyển. Vì vậy nên có thể giảm thiểu tối đa độ lún của lớp đất. 4) Giảm thiểu khu vực điạ chất cần gia cường Ngoài những địa điểm như giếng đứng khởi đầu, giếng đứng cuối, những vị trí tiếp cận kết cấu trọng yếu, thì nguyên tắc không cần gia cố địa chất. 5) Không cần phương pháp khí nén Vì đất bùn chứa đầy trong phòng chứa phía sau và trên băng tải tạo chống thấm nên nước ngầm không vào bên trong máy được. 6) Mặt bằng trên giếng đứng khởi đầu nhỏ gọn Mặt bằng sử dụng trên giếng khởi đầu chỉ bằng loại đào bằng tay, nhỏ gọn nên thích hợp khi công trong phố đông đảo. 7) Có thể bơm vữa vào khe hở giữa vỏ hầm và lớp đất bên ngoài đồng thời với công tác đào Xung quang bên ngoài máy đào được bao bọc bởi lớp đất bùn chống thấm nên vữa bơm vào không bị rò rỉ ra trước mặt cắt. Vì có thể bơm vữa sớm nên giảm thiểu được độ lún của lớp đất nguyên dạng. 17 Hình-9 Khái niệm máy đào dùng áp lực đất bùn (7) Shield dùng áp lực nước bùn Là loại máy shield mà nước bùn được bơm vào phòng chứa và tạo áp lực lớn hơn áp lực của nước ngầm trước mặt cắt. Do tác dụng ép của nước bùn, mặt đất phía trước mặt cắt sẽ được tạo một màn bùn hoặc một lớp đất thấm bùn, sẽ tạo an định cho mặt cắt. Đất đào được đưa ra theo sự tuần hoàn của nước bùn. Do đó, đất được đưa ra ngoài trong khi đào, và dễ dàng quản lý sự an định của mặt gương. Vì đất trước mặt cắt có pha trôn nước bùn nên dao cắt đào đất cũng ít bị hao mòn. Ngoài ra, vì lợi dụng áp lực của nước bùn tạo an định cho mặt gương nên thích hợp cho trường hợp đào dưới lòng biển hoặc dưới lòng sông có áp lực nước ngầm cao. 18 Hình-10 Khái niệm máy đào dùng áp lực nước bùn (8) Những áp dụng của máy đào shield Phương pháp đào shield có thể áp dụng cho những công trình sau: (1) Hầm cấp thoát nước (2) Hầm tải dây điện (3) Hầm tải các dây thông tin (4) Ống gas (5) Hầm đường sắt ngầm (6) Hầm đường bộ (7) Hầm đa dụng (8) Ngoài ra: phố xá dưới lòng đất, nhà xe, nhà máy phát điện ngầm v.v… 3. Điều kiện thi công Khi tuyển chọn loại máy shield thi công thì cần phải nghiên cứu kỹ về tính an toàn, đảm bảo thi công, tính kinh tế. Việc lựa chọn loại máy đào shield rất quan trọng, ảnh hưởng đến sự thành hay bại của công trình. Sau đây là những điểm lưu ý khi tuyển chọn loại máy thi công. (1) Loại máy thích hơp với điều kiện địa chất