VỀ MỘT SỐ ƯU – NHƯỢC ĐIỂM KHI SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TBM TRONG THI CÔNG HẦM

 TS. CHU VIỆT THỨC 

 Khoa Xây dựng, Trường Đại học Điện lực

Công nghệ đào hầm ra đời cách đây gần hai thế kỷ và có những bước tiến vượt bậc trong những năm gần đây với sự ra đời của công nghệ TBM (Tunnel Boring Machine). Công nghệ này đã xuất hiện tại Việt Nam, được áp dụng thi công các dự án tàu điện ngầm, thủy điện, giao thông và đang là công nghệ được lựa chọn số 1 khi thi công các công trình có hạng mục khoan hầm.

  1. Lịch sử ra đời của máy TBM

Khoảng giữa thế kỷ 19, ngành Đường sắt phát triển mạnh mẽ kéo theo công nghệ đào hầm ra đời để phục vụ thi công các công trình tàu điện ngầm. Đầu tiên là công nghệ đào hầm nổ mìn cổ điển. Nhược điểm của nó là thi công đào hầm mất nhiều thời gian, độ an toàn thấp vì nổ mìn gây rung chấn, thời gian thi công rất chậm, đặc biệt khó khăn khi thi công các đường hầm dài. Thời kỳ đó, cơ khí, tự động hóa phát triển, công nghệ mới phát triển... là cơ sở thôi thúc các kỹ sư hầm tìm ra công nghệ mới nhằm phục vụ thi công đào hầm được dễ dàng và an toàn hơn.

Năm 1846, tại Turin (Italia), mẫu máy TBM tiền thân đã xuất hiện, được thử nghiệm và đưa vào áp dụng thi công hầm. Cỗ máy này rất cồng kềnh, áp dụng thực tế không hiệu quả. Gần 100 năm sau, đến năm 1930, J.S. Robbins mới nghiên cứu và cho ra đời mẫu máy TBM đầu tiên với những tính năng tương đối giống như máy TBM ngày nay. Những năm 1950, TBM được áp dụng rộng rãi trong đào hầm núi đá. Đến nay, máy TBM ngày càng được hoàn thiện hơn và trở thành công nghệ số 1 trong thi công các công trình liên quan đến đào hầm như giao thông, thủy điện.

  1. Phạm vi hoạt động của TBM

2.1 Là phương tiện chính để thi công các tuyến tàu điện ngầm

Tàu điện ngầm là công trình quan trọng trong cấu trúc giao thông của các thành phố lớn trên thế giới. Các công trình tàu điện ngầm thường được xây dựng trong các thành phố đông đúc với mục đích làm giảm số người sử dụng phương tiện cá nhân để giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông, ô nhiễm môi trường... Khi TBM chưa ra đời thì hầm tàu điện ngầm phải thi công bằng phương pháp đào hở (cut & cover). Cách làm này ảnh hưởng lớn đến các công trình trên mặt đất, chiếm dụng nhiều không gian phục vụ thi công.

Chính vì thế, công nghệ TBM ra đời được đánh giá là cứu cánh cho các dự án tàu điện ngầm vì những ưu điểm của nó. Đào hầm bằng công nghệ TBM thi công phần lớn dưới mặt đất nên không tốn diện tích phục vụ thi công và hầu như không làm ảnh hưởng đến các công trình xây dựng trên mặt đất. Đặc điểm của hầm tàu điện ngầm là rất nông (chỉ khoảng -10 đến -15m so với mặt đất), đa số hầm có địa chất rất phức tạp, mức nước ngầm cao..., nên việc thi công bằng công nghệ TMB đã giải quyết được tất cả những vấn đề trên trong khi tất cả các phương pháp khác không làm được. Hai loại máy TBM thường được dùng nhiều nhất để thi công hầm tàu điện ngầm là EPB (ứng dụng áp lực cân bằng) và Slurry (dùng thủy lực).

 

a. TBM EPB

b. TBM Slurry

Hình 1 Các loại máy TBM được sử dụng hiện nay

Hầu hết các công trình tàu điện ngầm trên thế giới, trong đó có nhiều công trình đường hầm dài đều sử dụng hai loại máy này và để lại những dấu ấn về tiến độ, chất lượng. Có thể kể đến là công trình hầm đường sắt nối Pháp với Anh, dài 50,5km, khởi công năm 1988, hoàn thành năm 1994. Gần đây nhất là đường hầm Gotthard dài nhất thế giới (57km) ở Thụy Sĩ khánh thành năm 2015. Đường hầm này có địa chất đá rất phức tạp nhưng không gây khó cho các nhà thầu khi họ áp dụng công nghệ TBM thi công. Công trình đưa vào sử dụng đạt chất lượng cao, tàu đi qua đường hầm có thể chạy với vận tốc 250km/h.

2.2  Sử dụng trong khai thác mỏ

  1.  Một số ưu, nhược điểm của TBM

3.1 Ưu điểm

Ngoài việc là công nghệ không thể thay thế khi thi công các công trình tàu điện ngầm, công nghệ TBM cũng được nhiều nhà thầu lựa chọn khi thi công các công trình ngầm bởi nó có nhiều ưu việt, cụ thể là:

+ Độ an toàn: So sánh với các phương pháp đào hầm khác thì đây là phương pháp đào hầm an toàn nhất. Hầm được đào trong vỏ sắt bảo vệ của máy TBM. Hầm đào đến đâu, vỏ bê tông vĩnh cửu được lấp tới đó, khoảng không giữa vỏ bê tông và lớp đất ngoài được phun vữa bê tông chất lượng cao hoặc hỗn hợp silicat đạt tiêu chuẩn nên việc sập hầm không xảy ra. Kỹ sư, công nhân tham gia thi công cũng được an toàn hơn so với các phương pháp khác

+ Tính kinh tế trong thiết kế vỏ hầm: Ta biết ưu điểm lớn nhất của công nghệ khoan – nổ mìn  chính là có thể tạo ra hình dạng gương đào bất kỳ nhưng nhược điểm là có thể bị đào vượt ra ngoài chu tuyến thiết kế của đường hầm (đào lẹm hay thừa tiết diện). Thực tế cho thấy tỉ lệ vượt ngoài tiết diện có thể từ 10%~20%, thậm chí nhiều hơn tùy vào phương pháp, trình độ của người lập hộ chiếu nổ mìn và tính chất của đất đá. Điều này kéo theo phát sinh lượng lớn vật tư, vật liệu dùng tăng thêm KCC để bù vào phần đào đã tăng thêm, làm phát sinh chi thêm cả chi phí nhân công, ca máy dẫn đến tăng tổng mức đầu tư cho công trình dẫn đến tăng giá thành sản phẩm. Đối với công nghệ TBM thì vấn đề này được hạn chế đến mức thấp nhất, theo các nghiên cứu gần đây cho thấy lượng lẹm này đối với khi thi công bằng TBM chỉ còn nhỏ hơn 5%.

Hình 2. Đường hầm Gotthard dài nhất thế giới (57km) ở Thụy Sĩ áp dụng công nghệ TBM thi công

+ Không ảnh hưởng đến các công trình xung quanh:  Máy TBM đào đất và lắp vỏ hầm hoàn toàn tự động, nếu thi công tàu điện ngầm thì trên mặt đất xe cộ vẫn chạy bình thường. Ngoài ra, việc thi công nhanh là ưu điểm nổi bật của công nghệ TBM vì mỗi ngày có thể đào và lắp vỏ bê tông trung bình từ 10-20m. Đó là chưa kể đến những ưu điểm khác như ít làm ô nhiễm môi trường, hiệu quả kinh tế cao khi công trình được đưa vào sử dụng nhanh hơn.

+ Tốc độ đào hầm: So với phương pháp khoan – nổ mìn thì khi đào bằng máy TBM tốc độ đào có thể nhanh hơn từ 3-10 lần. Các khâu đào tiến gương, chọc cạy om đến lắp dựng KCC đều được thực hiện đồng bộ, chuyên môn hóa với thời gian giãn cách giữa hai công đoạn liền kề rất ngắn.

+ Ưu thế khi mặt cắt đào là hình tròn: Mặt cắt đào của máy TBM là hình tròn. Ta biết rằng, trong thực tế, các dạng mặt cắt như tường thẳng vòm bán nguyệt, vòm ba tâm, vành móng ngựa, hình tròn tròn đều đã được sử dụng để thiết kế và thi công các đường hầm. Trong các dạng mặt cắt trên nếu xét trên phương diện chịu lực thì mặt cắt hình tròn có nhiều ưu thế hơn cả và thường được sử dụng trong vùng đất đá yếu, khu vực có trường địa ứng suất cao hoặc trường ứng suất thủy tĩnh. Ngoài ra, với mặt cát tròn sẽ không gây ra ứng suất tập trung tại các vị trí trên biên, góc dưới của đường hầm, điều này rất có lợi trong thi công và thiết kế kết cấu chống đỡ.

+ Khi sử dụng công nghệ TBM quá trình cắt gọt đất đá được thực hiện bởi các đĩa làm cho quá trình dỡ tải được diễn ra từ từ, làm giảm bán kính vùng bị ảnh hưởng trong khối đá xung quanh. Hạn chế sự hình thành và phát triển của các khe nứt nguyên sinh, đồng thời hạn chế việc hình thành thêm các khe nứt thứ sinh ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ – lý của khối đá.

+ Giảm sự phụ thuộc vào công nhân: Lượng nhân công phục vụ máy TBM giảm khoảng từ 30%~40% so với khi sử dụng công nghệ khác do đó tổng quỹ lương nhân công khi áp dụng công nghệ TBM thấp hơn rất nhiều so với quỹ lương nhân công khi sử dụng công nghệ khai đào khác. Điều này rất có lợi cho những quốc gia có sự thiếu hụt lao động nghiêm trọng như các nước Châu Âu, Nhật bản, Úc…

Hình 3.  Máy TBM 390E thi công 5km hầm dự án Thủy điện Đa Nhim mở rộng

3.2 Nhược điểm

+ Về trình độ tay nghề của người vận hành: Mặc dù lượng công nhân giảm từ 30%~40% so với phương pháp khác, tuy vậy lại yêu cầu trình độ công nhân, người vận hành ở mức cao. Ngoài ra, đi kèm với đó còn là các vấn đề sửa chữa, bảo dưỡng, phụ tùng thay thế…

+ Suất đầu tư ban đầu: So với các loại hình thi công khác thì suất đầu tư ban đầu khi sử dụng TBM lại khá cao, có thể lên đến hàng triệu đô la. Điều này có thể là một trong những khó khăn đối với các công ty của các nước đang phát triển khi bước đầu tiếp cận với loại hình thi công này.

+ Chỉ thi công được mặt cắt hình tròn: Thực tế, máy TBM chỉ thi công được mặt cắt hình tròn nên thường được sử dụng trong thi công các công trình ngầm có mặt cắt hình tròn như: Tầu điện ngầm, đường hầm dẫn nước, cáp…môt số loại hình công trình khác như hầm giao thông thường ít được sử dụng. Ngoài ra, để thay đổi thông số mặt cắt cũng tương đối khó khăn, nó liên quan đến công suất máy, kích thước đầu đào…đây cũng là nhược điểm lớn của máy TBM.

  1. Kết luận

Công nghệ TBM mặc dù đã và đang được sử dụng để thi công các công trình ngầm tại nhiều quốc gia trên thế giới, tuy vậy đối với nước ta công nghệ thi công hầm bằng TBM hãy còn tương đối mới mẻ. Do đó việc nghiên cứu, tổng kết và phân tích các ưu nhược điểm đối với phương pháp thi công này là rất cần thiết, giúp các nhà hoạch định chính sách, các kỹ sư phụ trách thi công có cái nhìn tổng quan hơn, giúp các sinh viên ngành xây dựng có thêm hiểu biết về một loại hình thi công hầm mới, hiện đại đã và đang được sử dụng để thi công các tuyến Metro ở cả Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh.

Tác giả tin rằng với các kinh nghiệm về thiết kế, thi công và quản lý các công trình đã và đang sử dụng TBM như dự án thủy điện Đại Ninh, dự án mở rộng thủy điện Đa Nhim… thì trong tương lai gần các kỹ sư Việt Nam có thể hoàn toàn tự tin làm chủ công nghệ này./.  

Bạn cần hỗ trợ?