Máy nhàm chán đường hầm (TBM) là những thiết bị tinh vi đã cách mạng hóa xây dựng dưới lòng đất. Chúng về cơ bản là các nhà máy di động được thiết kế để khai quật các đường hầm với sự xáo trộn tối thiểu đến mặt đất xung quanh.
Cách hoạt động của TBMS: Quá trình cơ bản
Hoạt động cốt lõi của TBM bao gồm một số bước liên tục:
-
Moi lên: Ở phía trước của TBM là một đầu cắt lớn, xoay. Đĩa thép này được trang bị các dụng cụ cắt khác nhau, chẳng hạn như máy cắt đĩa cho đá cứng hoặc các bit và máy quét cho mặt đất mềm hơn. Khi đầu cắt quay, nó mài, cạo hoặc kéo vật liệu ở mặt đường hầm.
-
Loại bỏ muck: Các vật liệu khai quật, được gọi là "muck", rơi qua các lỗ mở trong đầu dao cắt vào một buồng. Từ đó, nó thường được vận chuyển bằng một băng tải vít (đối với các TBM mặt đất mềm) hoặc được tải lên một loạt các băng tải (đối với các TBM đá cứng) chạy theo chiều dài của đường hầm. Muck này sau đó được loại bỏ liên tục lên bề mặt để xử lý hoặc tái chế.
-
Lực đẩy và tiến bộ: TBM được đẩy về phía trước bởi các xi lanh lực đẩy mạnh mẽ (Jacks) nằm phía sau đầu dao cắt. Các xi lanh này đẩy ra các phân đoạn niêm mạc đường hầm được cài đặt trước đó, tạo ra lực cần thiết để tiến lên đầu cắt xuống đất.
-
Cài đặt lót đường hầm: Ngay sau đầu máy cắt, trong lớp vỏ bảo vệ của TBM (khiên), nằm ở người dựng. Cánh tay robot này nhặt các đoạn bê tông đúc sẵn (thường là các mảnh hình thang, hình thang) và đặt chúng một cách tỉ mỉ để tạo thành một vòng hoàn chỉnh của lớp lót đường hầm. Các phân đoạn này được bắt vít với nhau, tạo ra một cấu trúc mạnh mẽ, kín nước và vĩnh viễn hỗ trợ mặt đất và tạo thành bức tường đường hầm thành phẩm.
-
Vữa: Khi một vòng phân đoạn được cài đặt, khoảng trống giữa bên ngoài các phân đoạn và mặt đất khai quật ("khoảng trống đuôi") ngay lập tức được lấp đầy bằng vữa chuyên dụng. Vữa này củng cố, cung cấp hỗ trợ bổ sung cho lớp lót đường hầm, ngăn chặn sự định cư mặt đất và đảm bảo phù hợp chặt chẽ.
-
Chỉ đạo và điều hướng: TBM được trang bị các hệ thống hướng dẫn laser tinh vi và các dụng cụ khảo sát. Các toán tử có thể điều khiển chính xác hướng của TBM bằng cách điều chỉnh lực đẩy của các giắc cắm riêng lẻ, thay đổi tốc độ quay của đầu máy cắt hoặc sử dụng các khớp nối trong máy. Điều này cho phép họ duy trì sự liên kết theo kế hoạch và độ dốc, thậm chí các đường cong điều hướng.
-
Thiết bị kéo dài (Hệ thống dự phòng): Đằng sau cơ thể TBM chính, một loạt các Gantries hoặc trailer được khớp nối ("hệ thống dự phòng") theo sau. Thiết bị kéo dài này chứa các hệ thống hỗ trợ thiết yếu, bao gồm:
- Phòng cung cấp điện và phòng điều khiển
- Hệ thống thông gió
- Băng tải loại bỏ muck
- Máy bơm vữa và cây trộn
- Dòng nước và tiện ích
- Nhân sự truy cập và thiết bị an toàn.
Các loại TBM và các ứng dụng của chúng
Việc lựa chọn loại TBM là rất quan trọng và phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện địa chất của mặt đất để được đường hầm:
-
Hard Rock TBMS (TBMS mở TBMS / TBMS Hard được che chắn): Những TBM này được thiết kế cho các thành tạo đá rắn. Họ sử dụng máy cắt đĩa tạo ra các vi mô trong mặt đá.
- TBMS MỞ RỘNG: Nâng cao bằng cách nắm chặt các bức tường đường hầm (đá) với miếng đệm.
- Các TBM đá cứng được che chắn: Được sử dụng khi điều kiện đá bị gãy hoặc trộn, cung cấp hỗ trợ hoàn toàn mặt đất với tấm chắn và thường lắp đặt lớp lót phân đoạn.
-
Cân bằng áp suất trái đất (EPB) TBMS: Lý tưởng cho đất mềm, gắn kết (đất sét, phù sa, cát) có thể đứng mà không có sự hỗ trợ trong một thời gian ngắn. Một TBM EPB sử dụng chính vật liệu khai quật để tạo ra một "bánh muck" gây áp lực cho mặt đường hầm, cân bằng áp lực mặt đất xung quanh. Một băng tải vít điều chỉnh việc loại bỏ muck trong khi duy trì sự cân bằng này.
-
Slurry TBMS: Phù hợp nhất cho đất lỏng, chứa nước (cát, sỏi, mặt đất bão hòa). Trong một TBM bùn, đầu máy cắt hoạt động trong một buồng chứa đầy bùn. Slurry ổn định mặt đường hầm và vận chuyển vật liệu khai quật lên bề mặt thông qua các đường ống, nơi nó được xử lý để tách các chất rắn ra khỏi chất lỏng.
-
TBMS hỗn hợp TBMS (mật độ thay đổi TBMS): Đây là những cỗ máy đa năng có thể thích nghi với các điều kiện mặt đất khác nhau, đôi khi kết hợp các tính năng của EPB và các TBM bùn. Chúng có thể điều chỉnh các thông số như áp suất mặt và tốc độ loại bỏ muck để phù hợp với các đặc tính đất thay đổi gặp phải.
-
Máy móc ống (TBMS microtunneling): Các phiên bản nhỏ hơn của TBM, thường được điều khiển từ xa, được sử dụng để lắp đặt đường ống hoặc ống dẫn tiện ích nhỏ hơn. Họ đẩy ống ngay phía sau đầu cắt.
Ưu điểm của việc sử dụng TBMS
- Tốc độ và hiệu quả: TBM có thể có liên tục và thường khai quật các đường hầm nhanh hơn nhiều so với các phương pháp thông thường như khoan và nổ.
- Sự an toàn: Khiên kín của TBM cung cấp một môi trường làm việc an toàn hơn cho nhân viên, bảo vệ họ khỏi sự sụp đổ và xâm nhập vào nước ngầm.
- Xáo trộn bề mặt tối thiểu: Khi chúng hoạt động dưới lòng đất, các TBM giảm đáng kể sự gián đoạn đối với cơ sở hạ tầng bề mặt, giao thông và cộng đồng, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các khu vực đô thị.
- Giảm tác động môi trường: Mức độ rung thấp hơn và ít nhiễu hơn so với nổ mìn, với ít cọc hư hỏng hơn ở bề mặt.
- Hình dạng đường hầm phù hợp: TBM tạo ra một lỗ khoan mịn, tròn, thường làm giảm lượng lớp lót thứ cấp cần thiết.
- Tự động hóa: Nhiều chức năng TBM được tự động hóa, dẫn đến hiệu suất nhất quán và giảm lao động thủ công.
Các dự án TBM đáng chú ý
TBM đã là công cụ xây dựng một số dự án cơ sở hạ tầng ấn tượng nhất thế giới, bao gồm:
- Đường hầm kênh (Eurotunnel): Kết nối Vương quốc Anh và Pháp theo Kênh tiếng Anh.
- Đường hầm cơ sở Gotthard: Đường hầm đường sắt dài nhất thế giới, chạy qua dãy Alps ở Thụy Sĩ.
- Crossrail (Elizabeth Line) ở London: Một hệ thống đường sắt ngầm khổng lồ.
- Subway Avenue thứ hai ở thành phố New York: Mở rộng mạng lưới tàu điện ngầm.
- Đường hầm SR 99 của Seattle (Bertha): Một đường hầm đường cao tốc có đường kính lớn.
Tóm lại, TBM là những tuyệt tác kỹ thuật đã biến đổi cách chúng ta xây dựng dưới lòng đất. Hiệu quả, an toàn và khả năng xử lý các điều kiện địa chất đa dạng của chúng làm cho chúng không thể thiếu công cụ để tạo ra các động mạch ẩn quan trọng của xã hội hiện đại.
