Tìm hiểu cơ chế cốt lõi của máy khoan hầm (TBM)
Máy khoan hầm, thường được gọi là "máy khoan cơ khí", là một thiết bị kỹ thuật phức tạp được thiết kế để đào các đường hầm có tiết diện tròn xuyên qua nhiều tầng đất và đá khác nhau. Không giống như các phương pháp khoan và nổ truyền thống, TBM cung cấp một quy trình tự động, liên tục nhằm giảm thiểu rung động và xáo trộn mặt đất. Trái tim của máy là đầu cắt quay, sử dụng dao cắt dạng đĩa hoặc dao nạo để phá vỡ bề mặt địa chất. Khi đầu máy quay, các thanh truyền động thủy lực cung cấp lực đẩy cần thiết để đẩy máy về phía trước, trong khi vật liệu đào—được gọi là bùn—được chuyển qua đầu máy cắt vào hệ thống băng tải hoặc đường ống dẫn bùn để loại bỏ.
Các máy TBM hiện đại không chỉ đơn thuần là công cụ đào bới; chúng là những nhà máy di động dưới lòng đất. Khi máy tiến lên, nó đồng thời lắp đặt lớp lót đường hầm. Điều này thường đạt được bằng cách sử dụng các đoạn bê tông đúc sẵn được nâng vào vị trí bằng cánh tay dựng tự động và bắt vít với nhau để tạo thành một vòng kết cấu. Hệ thống hỗ trợ tức thời này rất quan trọng để duy trì tính toàn vẹn của đường hầm, đặc biệt khi khoan qua nền đất yếu hoặc bên dưới cơ sở hạ tầng đô thị mật độ cao, nơi độ lún bề mặt phải được kiểm soát chặt chẽ.
Phân tích so sánh các loại TBM dựa trên điều kiện địa chất
Việc lựa chọn máy làm hầm thích hợp phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện thạch học, địa chất thủy văn của khu vực dự án. Sử dụng sai máy có thể dẫn đến sập đất nghiêm trọng hoặc mài mòn quá mức các dụng cụ cắt. Các kỹ sư thường phân loại các máy này dựa trên cách chúng quản lý áp lực bề mặt và loại bỏ mảnh vụn.
| Loại máy | Sự phù hợp về địa chất | Cơ chế chính |
| TBM đá cứng | Đá granit, đá bazan, đá vôi | Máy cắt đĩa làm gãy đá dưới áp suất cao. |
| Cân bằng áp suất trái đất (EPB) | Bùn, đất sét, cát | Sử dụng đất đào để tạo áp lực ngược lên bề mặt đường hầm. |
| TBM lá chắn bùn | Đất có độ thấm cao / Mực nước ngầm cao | Bùn bentonite điều áp giúp cân bằng áp lực nước ngầm. |
Các thành phần quan trọng để điều hướng ngầm chính xác
Vận hành một máy đào hầm đòi hỏi độ chính xác cực cao, vì ngay cả một sai lệch nhỏ trong căn chỉnh cũng có thể ảnh hưởng đến toàn bộ dự án. Việc này được quản lý thông qua hệ thống hướng dẫn tích hợp giám sát vị trí của máy trong không gian ba chiều. Các thành phần sau đây rất cần thiết cho hoạt động an toàn và hiệu quả của thiết bị:
- Hệ thống dẫn hướng bằng laser: Liên tục theo dõi tọa độ trục Z và trục X để đảm bảo máy đi theo đường khảo sát định trước.
- Hệ thống lực đẩy thủy lực: Một loạt xi lanh công suất cao đẩy tấm chắn về phía trước bằng cách đẩy vào vòng phân đoạn được lắp đặt cuối cùng.
- Băng tải trục vít: Trong máy EPB, điều này điều chỉnh lượng đất được loại bỏ để duy trì áp suất ổn định tại mặt đào.
- Cổng phun vữa: Chúng lấp đầy "hình khuyên" hoặc khoảng trống nhỏ giữa các đoạn bê tông và đất thô để ngăn ngừa hiện tượng lún bề mặt.
Ưu điểm về môi trường và an toàn của công nghệ TBM
Một trong những lý do chính khiến máy đào hầm chiếm ưu thế trong kỹ thuật dân dụng hiện đại là khả năng vận hành của chúng mà không làm ảnh hưởng đến môi trường bề mặt. Ở các trung tâm đô thị, TBM cho phép xây dựng các tuyến tàu điện ngầm và hệ thống xử lý nước thải ngay bên dưới các tòa nhà chọc trời đang hoạt động và các địa danh lịch sử. Bởi vì việc khai quật diễn ra trong một tấm chắn kín nên nguy cơ ô nhiễm nước ngầm hoặc rò rỉ khí vào khí quyển sẽ giảm đáng kể. Hơn nữa, tính chất tự động của máy giữ công nhân bên trong một kết cấu thép gia cố, bảo vệ họ khỏi những nguy cơ sập hang hoặc đá rơi thường thấy trong khai thác truyền thống.
Xu hướng tương lai về đường hầm: Tự động hóa và đường hầm vi mô
Ngành công nghiệp này hiện đang hướng tới các hệ thống khoan đường hầm tự động hoàn toàn. Những máy thế hệ tiếp theo này sử dụng trí tuệ nhân tạo để phân tích mật độ đất và độ ẩm trong thời gian thực, tự động điều chỉnh tốc độ quay và lực đẩy để tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng và tuổi thọ của máy cắt. Ngoài ra, "đường hầm vi mô" đã trở thành một lĩnh vực phụ quan trọng, sử dụng các máy TBM nhỏ hơn, điều khiển từ xa để lắp đặt các đường ống tiện ích. Những đơn vị nhỏ hơn này cho phép áp dụng công nghệ "không cần đào rãnh", nghĩa là các thành phố có thể nâng cấp mạng lưới cấp nước và cáp quang mà không cần đào hàng dặm đường, làm giảm đáng kể tác động kinh tế của việc bảo trì cơ sở hạ tầng.
Khi dân số toàn cầu tiếp tục tăng lên, sự phụ thuộc vào không gian dưới lòng đất sẽ chỉ tăng lên. Sự phát triển của máy đào hầm từ máy khoan đơn giản đến hệ thống robot công nghệ cao đảm bảo rằng chúng ta có thể tiếp tục mở rộng mạng lưới giao thông, năng lượng và nước một cách an toàn và bền vững bên dưới bề mặt trái đất.
