Máy khoan hầm: Cách thức hoạt động, những loại tồn tại và tại sao nó lại quan trọng

Ý tưởng cơ bản đằng sau máy khoan hầm

Máy khoan đường hầm - thường được gọi là TBM - là một thiết bị đào cỡ lớn khoan một đường hầm hình tròn xuyên qua mặt đất trong một hoạt động liên tục duy nhất, cắt đá hoặc đất ở mặt đồng thời lắp đặt lớp lót kết cấu phía sau nó. Khái niệm này rất đơn giản ngay cả khi kỹ thuật không như vậy: một đầu cắt quay ở phía trước máy để đào vật liệu, đất đào được loại bỏ qua thân máy và đường hầm được đỡ bằng các đoạn thép hoặc bê tông đúc sẵn được dựng bên trong tấm chắn kéo của máy khi nó tiến lên. Những gì xuất hiện ở đầu bên kia của ổ đĩa là một đường hầm đã hoàn thiện, sẵn sàng để lắp đặt.

TBM được sử dụng để xây dựng các tuyến tàu điện ngầm, hầm đường sắt, hầm đường bộ, hầm cấp nước, hầm thoát nước, hầm thủy điện và hành lang tiện ích. Chúng đã được sử dụng trong một số dự án đường hầm mang tính biểu tượng và thách thức nhất trên thế giới - Đường hầm Channel bên dưới eo biển Manche, Đường hầm Gotthard Base xuyên qua dãy Alps của Thụy Sĩ, Đường hầm Thames Tideway ở London và hàng chục hệ thống tàu điện ngầm đô thị ở các thành phố từ Tokyo đến Istanbul đến Sydney. Điểm hấp dẫn của TBM so với phương pháp khoan nổ hoặc đào bằng máy đào đường thông thường là sự kết hợp giữa tốc độ, độ an toàn, độ chính xác và khả năng đào và lót đường hầm cùng lúc mà không khiến mặt đất xung quanh bị sập không kiểm soát được.

hiện đại máy khoan đường hầm là một trong những thiết bị xây dựng phức tạp và đắt tiền nhất hiện nay. Những chiếc TBM lớn nhất có đường kính vượt quá 17 mét và có giá lên tới 80 triệu USD. Ngay cả những máy có quy mô tàu điện ngầm khiêm tốn với đường kính 6–9 mét cũng có mức đầu tư từ 15–40 triệu USD và yêu cầu đội ngũ hàng chục kỹ sư, người vận hành và kỹ thuật viên bảo trì phải chạy liên tục suốt ngày đêm. Hiểu cách các máy này hoạt động, tại sao có nhiều loại khác nhau và điều gì thúc đẩy hiệu suất và chi phí cho các dự án TBM là kiến ​​thức cần thiết cho bất kỳ ai tham gia vào cơ sở hạ tầng ngầm lớn.

Máy khoan hầm được đào và cải tiến như thế nào

Chu trình hoạt động của máy TBM lặp đi lặp lại nhưng được sắp xếp một cách chính xác. Ở phía trước của máy, một đầu cắt tròn lớn - được trang bị các dụng cụ cắt phù hợp với mặt đất được đào - quay trên mặt đường hầm. Đầu cắt được dẫn động bởi một loạt động cơ điện thông qua hộp số hoặc bằng truyền động thủy lực trực tiếp, tạo ra cả mômen quay cần thiết để cắt vật liệu và lực đẩy cần thiết để ấn dụng cụ cắt vào mặt. Lực đẩy được cung cấp bởi các xi lanh thủy lực đẩy vào vòng hoàn thiện cuối cùng của các đoạn lót đường hầm được lắp đặt phía sau máy.

Khi đầu cắt quay và tiến lên, các mảnh cắt rơi qua các lỗ trên mặt đầu cắt - được gọi là các lỗ hoặc xô - vào buồng thu gom phía sau đầu cắt. Từ đó, đất bùn được chuyển qua thân máy bằng một loạt băng tải, băng tải trục vít hoặc đường ống dẫn bùn tùy theo loại máy và được vận chuyển đến cổng hầm hoặc trục để di chuyển khỏi hiện trường. Đồng thời, trong không gian hình khuyên ngay phía sau đầu cắt, một bộ dựng đoạn – một cánh tay robot hoạt động bên trong tấm chắn đuôi – nhặt các đoạn lót bê tông đúc sẵn được đưa ra khỏi bề mặt và xây dựng chúng thành một vòng hoàn chỉnh. Sau khi một vòng hoàn chỉnh được dựng lên, các xi lanh lực đẩy tiếp tục đẩy vào vòng mới và chu trình bắt đầu lại.

Trong điều kiện mặt đất thuận lợi, một máy TBM hoạt động tốt có thể hoàn thành nhiều vòng trong mỗi ca, với mỗi vòng tương ứng với khoảng tiến từ 1,2 đến 2,0 mét đường hầm. Tốc độ nâng cao hàng ngày của các ổ TBM quy mô đô thị dao động từ 8 đến 20 mét mỗi ngày trong điều kiện bình thường, với hiệu suất mặt đất và máy đặc biệt đôi khi đạt được 30 mét trở lên trong khoảng thời gian 24 giờ. Trong toàn bộ quá trình kéo dài nhiều tháng, tốc độ này tích lũy thành km đường hầm đã hoàn thành - năng suất mà không phương pháp đào thông thường nào có thể sánh được ở quy mô tương đương.

Các loại máy khoan hầm chính

Không có một thiết kế TBM chung nào. Máy phải được chọn và cấu hình phù hợp với các điều kiện mặt đất cụ thể dọc theo tuyến đường hầm và hậu quả của việc chọn sai loại máy là từ hiệu suất kém và mài mòn máy cắt quá mức đến sập đất hoặc ngập lụt thảm khốc. Việc phân loại chính các loại TBM tuân theo phương pháp hỗ trợ bề mặt - cách máy quản lý sự ổn định của bề mặt đường hầm trong quá trình đào.

TBM đá cứng mặt mở

Với loại đá có khả năng tự chống đỡ tốt - nơi nền đất đủ vững chắc để đứng không cần hỗ trợ ở mặt đường hầm trong suốt chu trình đào - máy TBM đá cứng mặt hở là lựa chọn tiêu chuẩn. Những máy này, còn được gọi là TBM kẹp hoặc TBM dầm chính, sử dụng các kẹp thủy lực lớn kéo dài theo chiều ngang từ thân máy và ép vào thành hầm để cung cấp phản lực cho các trụ đẩy. Đầu cắt được trang bị máy cắt dạng đĩa - các bánh xe bằng thép cứng lăn trên mặt đá dưới tải trọng điểm cao, làm gãy đá dọc theo các vết nứt lan truyền giữa các đường cắt liền kề và làm vỡ đá thành các mảnh vụn. Các máy TBM đá cứng mặt hở có thể đạt được tỷ lệ xuyên thấu rất cao trong nền đá khỏe, tốt và đã đạt được một số kỷ lục đào hầm nhanh nhất từng được ghi nhận.

Hạn chế của TBM kẹp mặt mở là không có khả năng đối phó với nền đất yếu hoặc bị nén, vùng đá nứt nẻ, dòng nước chảy vào hoặc bất kỳ điều kiện nào mà tường hầm không thể cung cấp phản ứng kẹp đáng tin cậy. Trong nền đất hỗn hợp hoặc chất lượng đá thay đổi - phổ biến trên các đường hầm dài trên núi cao - máy phải có khả năng lắp đặt các biện pháp hỗ trợ mặt đất tạm thời bao gồm bu lông đá, lưới và bê tông phun trong không gian hình khuyên xung quanh lỗ khoan trong khi tiếp tục tiến lên, điều này làm chậm đáng kể quá trình sản xuất.

TBM cân bằng áp lực đất

Máy TBM cân bằng áp suất đất (TBM EPB) là loại máy chủ yếu dùng để đào hầm trên mặt đất mềm trong môi trường đô thị. Đặc điểm nổi bật của máy TBM EPB là vách ngăn chịu áp ngay phía sau đầu cắt tạo ra buồng đào kín. Đất đào sẽ lấp đầy khoang này và các chất điều hòa - nước, bọt, polyme hoặc bentonite - được bơm qua các cổng trên đầu cắt để chuyển đất thành khối bán lỏng, dẻo với độ đặc phù hợp để truyền áp suất. Áp suất trong buồng đào được kiểm soát tích cực để phù hợp với áp lực tổng hợp của đất và nước ngầm tại mặt đường hầm, ngăn chặn dòng đất hoặc nước chảy vào và giảm thiểu độ lún bề mặt.

Chất thải được lấy ra khỏi buồng khai quật có áp suất bằng băng tải trục vít Archimedean - một đường xoắn ốc quay bên trong một ống kín - hoạt động như một khóa áp suất, cho phép vật liệu được thải ra ở áp suất khí quyển ở phía khí quyển của máy trong khi vẫn duy trì áp suất bề mặt cần thiết trong buồng. Máy TBM EPB hoạt động hiệu quả trên nhiều loại nền đất yếu bao gồm đất sét, bùn, cát và sỏi, đồng thời chúng là loại máy được chỉ định phổ biến nhất cho các đường hầm tàu ​​điện ngầm và đường sắt đô thị trên toàn thế giới. Khả năng kiểm soát chuyển động trên mặt đất khiến chúng không thể thiếu trong môi trường đô thị đông đúc, nơi độ lún phía trên đường hầm phải được giữ trong phạm vi milimet để bảo vệ các tòa nhà và cơ sở hạ tầng.

TBM lá chắn bùn

Các máy TBM có tấm chắn bùn hỗ trợ bề mặt đường hầm bằng cách sử dụng bùn bentonite có áp suất thay vì chính đất đào. Buồng đào phía sau đầu cắt được lấp đầy bằng bùn dưới áp lực, và bùn đồng thời ổn định bề mặt và vận chuyển các phần cắt ở trạng thái lơ lửng trở lại qua đường ống bùn đến nhà máy tách bề mặt. Tại nhà máy phân tách, các cành giâm được tách ra bằng cách sử dụng màn chắn, hydrocyclone và máy ly tâm, bùn đã được làm sạch được phục hồi và bơm trở lại mặt đường hầm trong một chu trình khép kín. TBM dạng tấm chắn bùn vượt trội trong nền đất dạng hạt bão hòa — cát chảy, sỏi và đất hỗn hợp bên dưới mực nước ngầm — nơi khó kiểm soát áp suất bề mặt EPB và nơi có nguy cơ phun trào hoặc dòng chảy vào không kiểm soát được là cao nhất. Chúng cũng là loại máy được ưa chuộng khi đào hầm bên dưới sông, bến cảng hoặc các vùng nước khác, nơi hậu quả của sự mất ổn định bề mặt là nghiêm trọng.

Nhược điểm chính của TBM bùn so với máy EPB là độ phức tạp và yêu cầu về không gian của mạch phân tách và mạch bùn. Nhà máy bề mặt chiếm diện tích đáng kể, bùn đòi hỏi phải quản lý liên tục và điều chỉnh đặc tính, và bánh bùn ép lọc được tạo ra như một sản phẩm thải phải được xử lý như một vật liệu được quản lý. Tại các địa điểm đô thị hạn chế, nơi không gian bề mặt bị hạn chế, nhu cầu hậu cần bổ sung này có thể là một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn máy móc.

Khiên hỗn hợp và TBM có thể chuyển đổi

Các tuyến đường hầm dài thường đi qua nhiều loại đất khác nhau - đá ở độ sâu, chuyển sang đất hỗn hợp, sau đó là đất mềm đô thị gần cổng. Để xử lý các quá trình chuyển đổi này mà không cần lấy ra và thay thế máy, các nhà sản xuất cung cấp các TBM có vỏ bọc hỗn hợp và các TBM có thể chuyển đổi có thể hoạt động ở cả chế độ EPB và chế độ bùn, hoặc kết hợp các yếu tố của cả thiết kế đá cứng và đất mềm. Máy có thể chuyển đổi đắt hơn để mua và phức tạp hơn để vận hành và bảo trì, nhưng đối với các dự án có độ biến động mặt đất cao và chi phí thu hồi máy rất cao thì chúng là lựa chọn thực tế duy nhất.

Dụng cụ cắt và thiết kế đầu cắt TBM

Đầu cắt là bộ phận quan trọng và dễ bị mài mòn nhất của bất kỳ máy khoan hầm nào. Thiết kế của nó — đường kính, cấu hình nan hoa, tỷ lệ mở, loại và bố cục dụng cụ cắt — xác định mức độ hiệu quả của máy đào đất, tốc độ mài mòn của dụng cụ và tần suất can thiệp cần thiết để thay thế các máy cắt bị mòn. Việc thiết kế đầu cắt phù hợp với địa chất cụ thể của dự án có tác động trực tiếp và có thể đo lường được đến tốc độ tiến độ, chi phí dụng cụ và tiến độ tổng thể của dự án.

Máy cắt đĩa cho đá

Trong đá cứng, công cụ cắt chính là máy cắt đĩa - một vòng thép cứng được gắn trên cụm ổ trục lăn trên mặt đá dưới tải trọng điểm cao do lực đẩy của TBM tác dụng. Khi đầu cắt quay, mỗi dao cắt dạng đĩa sẽ tạo ra một rãnh tròn trên mặt đá. Trường ứng suất giữa các rãnh rãnh liền kề làm cho đá bị gãy và vỡ thành các mảnh vụn - một quá trình được gọi là sứt mẻ hoặc tạo thành hố - các mảnh này bị gầu đầu cắt cuốn vào các lỗ muck. Đường kính máy cắt đĩa đã tăng lên qua nhiều thập kỷ phát triển; máy cắt hiện đại thường có đường kính 432 mm (17 inch) hoặc 483 mm (19 inch), có khả năng chịu tải riêng lẻ 250–320 kN. Tốc độ mài mòn của dao cắt phụ thuộc vào độ mài mòn của đá - được định lượng bằng Chỉ số mài mòn Cerchar - và là một trong những yếu tố chi phí chủ yếu đối với các dự án TBM đá cứng, với việc thay thế dao cắt trong đá có độ mài mòn cao đôi khi cần phải can thiệp sau mỗi 50–100 mét.

Dụng cụ cắt đất mềm

Trên nền đất yếu, máy cắt đĩa được thay thế hoặc bổ sung bằng mũi kéo, dụng cụ cạp và máy xới để cắt và cạo đất thay vì làm gãy đất bằng tải trọng điểm. Thiết kế đầu cắt dành cho nền đất mềm ưu tiên trộn và điều hòa vật liệu đào cũng như cắt - đầu dạng nan hoa với các khe hở lớn cho phép đất chảy tự do vào buồng đào, trong khi các cổng phun phân bố trên mặt cung cấp chất điều hòa trực tiếp đến điểm cắt. Trên nền đất hỗn hợp, nơi có thể gặp sỏi, đá tảng hoặc dải đá dọc theo đất mềm, đầu cắt phải mang cả mũi khoan đất và dao cắt đĩa cho vật liệu cứng, sự kết hợp này đòi hỏi khoảng cách và bố trí dụng cụ cẩn thận để hoạt động hiệu quả trên toàn bộ các loại mặt đất.

Hệ thống lót đường hầm được sử dụng với TBM

Lớp lót đường hầm được lắp đặt phía sau máy TBM phục vụ đồng thời nhiều chức năng: nó cung cấp sự hỗ trợ cấu trúc ngay lập tức để ngăn chặn sự dịch chuyển của mặt đất, nó tạo thành lớp vỏ kết cấu cố định của đường hầm phải chịu tải trọng đất, áp lực nước và tải trọng dịch vụ trong suốt thời gian thiết kế của cơ sở hạ tầng, và trong các máy TBM mặt chịu áp, nó cung cấp bề mặt phản ứng mà các xi lanh đẩy đẩy để đẩy máy tiến lên. Do đó, thiết kế và chất lượng của hệ thống lót không thể tách rời khỏi hoạt động của TBM.

Hệ thống lớp lót chủ yếu cho các TBM che chắn trên nền đất yếu là lớp lót phân đoạn bê tông đúc sẵn. Mỗi vòng lót được lắp ráp từ một tập hợp các đoạn bê tông đúc sẵn cong - thường từ 5 đến 8 đoạn cộng với một đoạn khóa đóng nhỏ hơn - được bắt vít hoặc nối với nhau và với các vòng liền kề để tạo thành lớp vỏ hình trụ liên tục. Kích thước của các phân đoạn được kiểm soát chính xác: dung sai đường kính ±1mm và độ dày thay đổi ±2mm là những yêu cầu chất lượng điển hình vì các phân đoạn phải khớp với nhau một cách hoàn hảo dưới hình dạng ba chiều phức tạp của vòng dựng. Việc rót vữa cho khoảng trống hình khuyên giữa mặt ngoài của các đoạn và mặt cắt đất đào được thực hiện thông qua các cổng rót vữa ở các đoạn đuôi ngay phía sau tấm chắn đuôi TBM, sử dụng vữa hai thành phần đông cứng nhanh để ngăn chặn sự dịch chuyển của mặt đất vào khoảng trống trước khi vữa chính đóng rắn.

Đối với các TBM đá cứng trên nền đất phù hợp, đường hầm không lót hoặc lót một phần đôi khi có thể được chấp nhận cho các đường hầm dẫn nước và cơ sở hạ tầng tư nhân khác, với đá cung cấp hỗ trợ kết cấu chính. Thông thường hơn, lớp lót bê tông đúc tại chỗ hoặc lớp lót phân đoạn đúc sẵn đơn giản được lắp đặt như một hoạt động bước thứ hai sau khi TBM đi qua, làm giảm áp lực lập tức theo lịch trình của việc lắp đặt lớp lót đồng thời trong quá trình dẫn động.

Số liệu hiệu suất TBM mà các nhóm dự án theo dõi

Hiệu suất của dự án TBM được giám sát thông qua một bộ số liệu vận hành cho biết máy cắt hiệu quả như thế nào, mất bao nhiêu thời gian cho các hoạt động phi sản xuất và liệu điều kiện máy móc và mặt đất có nằm trong các thông số dự kiến hay không. Các số liệu này được hệ thống thu thập dữ liệu của máy ghi lại liên tục và được nhóm dự án xem xét theo từng ca.

Tỷ lệ sử dụng đáng được quan tâm đặc biệt vì đây là thước đo mà nhóm dự án có quyền kiểm soát trực tiếp nhất. Một máy TBM có tốc độ xuyên 6mm/vòng hoạt động ở mức sử dụng 40% sẽ tiến triển chậm hơn so với máy có tốc độ xuyên 4mm/vòng hoạt động ở mức sử dụng 70%. Thời gian không nhàm chán làm giảm mức sử dụng được tiêu tốn cho việc lắp dựng phân đoạn, kiểm tra và thay đổi máy cắt, bảo dưỡng vòng đệm đuôi, khoan đầu dò trước mặt, làm chậm trễ khâu hậu cần cũng như bảo trì theo kế hoạch và ngoài kế hoạch. Phân tích có hệ thống về nơi xảy ra thời gian ngừng hoạt động — và hành động có mục tiêu nhằm giảm những người đóng góp lớn nhất — là một trong những hoạt động có tác dụng đòn bẩy cao nhất hiện có đối với nhóm quản lý dự án TBM.

Điều tra mặt đất giúp lựa chọn và thiết kế TBM

Thành công của dự án TBM phần lớn được xác định trước khi máy đi vào lòng đất - bởi chất lượng và tính kỹ lưỡng của chương trình điều tra địa kỹ thuật đặc trưng cho các điều kiện mặt đất dọc theo tuyến. TBM là những thiết bị đặt riêng được sản xuất theo các thông số địa chất cụ thể; Sau khi được xây dựng và hạ thủy, chúng không thể được thiết kế lại về cơ bản nếu mặt bằng tỏ ra khác với những gì đã được giả định. Hậu quả của việc điều tra mặt đất không đầy đủ đối với một dự án TBM — máy móc bị kẹt, dòng nước chảy vào bất ngờ, lưỡi cắt bị mài mòn nghiêm trọng, độ lún bề mặt hoặc bỏ hoàn toàn động cơ — được tính bằng chi phí bổ sung hàng chục hoặc hàng trăm triệu đô la và nhiều năm chậm tiến độ.

• Khoảng cách và độ sâu lỗ khoan: Các lỗ khoan điều tra dọc theo tuyến TBM thường phải cách nhau 50–100 mét, với khoảng cách gần hơn tại các vị trí quan trọng như vị trí trục phóng và tiếp nhận, giao cắt sông và các khu vực có địa chất phức tạp đã biết. Các lỗ khoan phải mở rộng đến ít nhất ba đường kính đường hầm bên dưới đường hầm đảo ngược để mô tả toàn bộ vùng ảnh hưởng của việc đào.
• Kiểm tra độ bền và độ mài mòn của đá: Đối với các dự án TBM đá cứng, thử nghiệm trong phòng thí nghiệm phải bao gồm cường độ nén đơn trục (UCS), cường độ kéo Brazil, chỉ số tải điểm, Chỉ số mài mòn Cerchar (CAI) và phân tích mặt cắt mỏng thạch học của các mẫu lõi đại diện từ mỗi đơn vị thạch học dọc theo tuyến. Các thông số này trực tiếp cung cấp thông tin về thông số kỹ thuật của dao cắt dạng đĩa, các yêu cầu về lực đẩy của đầu cắt và dự đoán chi phí thay thế dao cắt.
• Đặc tính nước ngầm: Các lỗ khoan giám sát đo áp suất được lắp đặt dọc theo hướng tuyến - với các số liệu được thực hiện theo chu kỳ theo mùa nếu thời gian cho phép - thiết lập chế độ nước ngầm mà TBM phải vận hành bên trong. Điều kiện phun nước, mực nước ngầm và vùng có độ thấm cao có thể duy trì dòng chảy lớn vào đường hầm phải được xác định và lập kế hoạch trong quá trình thiết kế máy và phát triển chiến lược phun vữa.
• Phân loại đất và phân bổ kích thước hạt: Đối với các dự án TBM trên nền đất mềm, việc phân tích kích thước hạt chi tiết của các mẫu đất từ tuyến đường là điều cần thiết cho thiết kế điều hòa EPB và thông số kỹ thuật của mạch bùn. Sự hiện diện của các phần sỏi hoặc sỏi trên tỷ lệ phần trăm nhất định có thể khiến hoạt động của EPB gặp khó khăn và có thể cho thấy tấm chắn bùn là loại máy phù hợp hơn.
• Khảo sát tắc nghẽn và ô nhiễm: Trong các tuyến đường đô thị, việc tìm kiếm toàn diện các vật cản ngầm hiện có — cọc đã ngừng hoạt động, kết cấu xây cũ, cơ sở hạ tầng bị chôn vùi, đất bị ô nhiễm — phải được hoàn thành trước khi mua sắm máy móc để cho phép đầu cắt được thiết kế với khả năng phá đá hoặc xử lý vật cản phù hợp.

Rủi ro chính đối với các dự án TBM và cách chúng được quản lý

Đào hầm TBM là một trong những hoạt động phức tạp về mặt kỹ thuật và rủi ro cao nhất trong ngành xây dựng. Sự kết hợp giữa chi phí vốn lớn, điều kiện làm việc dưới lòng đất, sự không chắc chắn về địa chất và việc không thể thay đổi các quyết định về thiết bị cơ bản khi động cơ đã bắt đầu tạo ra một môi trường rủi ro đòi hỏi phải quản lý rủi ro có cấu trúc ngay từ những giai đoạn đầu tiên của quá trình phát triển dự án.

Đối mặt với sự bất ổn và giải quyết

Trong đào hầm đất mềm, mất kiểm soát áp lực bề mặt là một trong những rủi ro nghiêm trọng nhất. Nếu áp suất trong buồng đào của máy EPB hoặc TBM bùn giảm xuống dưới áp suất tổng hợp của đất và nước ngầm ở mặt - dù chỉ trong giây lát - thì mặt đất có thể chảy vào máy, gây ra hố sụt hoặc rãnh lún ở bề mặt phía trên. Trong môi trường đô thị nơi đường hầm đi qua bên dưới các tòa nhà có người ở, các tuyến đường sắt đang hoạt động hoặc các nút giao đường đông đúc, ngay cả một sự cố lún khiêm tốn 20–30mm cũng có thể gây ra hư hỏng cấu trúc và gián đoạn, gây tốn kém gấp nhiều lần giá trị hợp đồng đào hầm. Do đó, việc giám sát và kiểm soát áp suất mặt là liên tục và quan trọng, với các cảnh báo tự động và các giao thức can thiệp của người vận hành đối với bất kỳ sai lệch nào vượt quá giới hạn đã thiết lập. Mảng giám sát độ lún bề mặt - điển hình là lăng kính khảo sát quang học, điểm chuẩn đo độ cao chính xác và máy đo độ nghiêng tự động trên các cấu trúc nhạy cảm - cung cấp xác nhận độc lập rằng quản lý áp lực bề mặt của TBM đang đạt được hiệu suất độ lún cần thiết.

TBM bị kẹt

Một máy TBM bị kẹt cứng trong lòng đất - do mặt đất ép xung quanh tấm chắn, mất chất bôi trơn, tắc nghẽn máy cắt hoặc gặp vật cản lớn - là một trong những tình huống tốn kém nhất trong xây dựng ngầm. Các hoạt động phục hồi có thể bao gồm việc giảm áp suất trong đường hầm, xây dựng trục cứu hộ ngay phía trên máy, đào xung quanh tấm chắn để giảm áp lực mặt đất và có khả năng tháo dỡ và lắp ráp lại các bộ phận chính của máy dưới lòng đất. Những hoạt động như vậy kéo dài nhiều tháng và tiêu tốn hàng chục triệu USD cho các dự án nổi tiếng. Phòng ngừa rõ ràng là tốt hơn: giám sát liên tục lực ma sát của lá chắn, quản lý bôi trơn chủ động, lập bản đồ khuôn mặt trước máy bằng cách sử dụng khoan thăm dò và có kế hoạch dự phòng máy bị kẹt đã được thống nhất với khách hàng và công ty bảo hiểm trước khi bắt đầu truyền động đều là các biện pháp quản lý rủi ro tiêu chuẩn đối với các dự án TBM được vận hành tốt.

Dòng nước bất ngờ chảy vào

Dòng nước lớn chảy vào - từ các đứt gãy, khoảng trống đá vôi, thấu kính sỏi dễ thấm hoặc cột áp áp cao bất ngờ - có thể vượt quá khả năng thoát nước của TBM và hệ thống dự phòng của nó, làm ngập đường hầm và trong trường hợp xấu nhất gây nguy hiểm cho công nhân. Khoan thăm dò có hệ thống phía trước mặt TBM - thường ở khoảng cách 30–50 mét phía trước bằng cách sử dụng giàn khoan đập hoặc quay gắn trên đầu cắt hoặc bên trong máy - đưa ra cảnh báo sớm về các đặc tính chịu nước. Việc rót vữa trước khi đào từ bên trong đường hầm hoặc từ bề mặt phía trên tuyến đường có thể bịt kín các vùng thấm trước khi chúng bị giao nhau bởi đầu cắt. Đối với các đường hầm ở vùng đất đặc biệt nhạy cảm với nước, TBM có thể được chỉ định với khả năng can thiệp siêu âm - khả năng tạo áp lực cho buồng làm việc để cân bằng áp lực nước ngầm, cho phép công nhân sử dụng khí nén đi vào buồng đào để thay đổi máy cắt và kiểm tra bề mặt.

Công nghệ TBM đã phát triển như thế nào và nó đang hướng tới đâu

Máy khoan đường hầm đã trải qua quá trình phát triển liên tục kể từ chiếc TBM hiện đại thành công đầu tiên - do James Robbins phát triển cho dự án đường hầm Đập Oahe ở Nam Dakota vào đầu những năm 1950. Mỗi thập kỷ đều mang lại những tiến bộ trong thiết kế đầu cắt, hệ thống truyền động đầu cắt, công nghệ lắp dựng phân đoạn, độ chính xác dẫn hướng và độ tin cậy của máy đã dần dần mở rộng phạm vi điều kiện mặt đất và quy mô dự án trong đó TBM là phương pháp đào được ưa thích.

Các lĩnh vực trọng tâm phát triển hiện tại trong công nghệ TBM bao gồm mô tả đặc tính mặt đất theo thời gian thực bằng cách sử dụng các cảm biến được gắn trong đầu máy cắt - đo độ rung, phân bổ mô-men xoắn và dấu hiệu âm thanh để xác định những thay đổi trong loại đá hoặc thành phần đất trước khi chúng gây ra sự cố vận hành. Các thuật toán học máy đang được áp dụng cho các bộ dữ liệu lớn được tạo ra bởi các hệ thống điều khiển TBM hiện đại để dự đoán tốc độ mài mòn của dao cắt, tối ưu hóa tốc độ xuyên thấu so với áp lực bề mặt và lên lịch can thiệp bảo trì trước khi xảy ra lỗi thay vì phản ứng với chúng. Tự động hóa việc xử lý và lắp dựng các phân đoạn - một trong những yếu tố đòi hỏi nhiều thời gian và vật chất nhất của chu trình đào hầm - đang tiến bộ nhanh chóng, với các thiết bị dựng hoàn toàn tự động trên một số máy hiện đại có khả năng định vị và bắt vít các phân đoạn với sự tham gia tối thiểu của con người.

Ở giai đoạn đầu của sự phát triển TBM, các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất máy đang khám phá các máy đa chế độ có khả năng khoan đồng thời trên đá và đất mềm mà không cần cấu hình lại, đồng thời nghiên cứu các công nghệ cắt mới - bẻ gãy đá bằng laser, cắt tia nước áp suất cao - cuối cùng có thể bổ sung hoặc thay thế máy cắt đĩa cơ học thông thường trong các loại đá cụ thể. Thử thách cơ bản vẫn như cũ: tối đa hóa tỷ lệ thời gian mà máy dành để cắt và giảm thiểu mọi thứ khác. Để theo đuổi mục tiêu đó, máy khoan đường hầm tiếp tục phát triển như một trong những thiết bị kỹ thuật quan trọng nhất từng được chế tạo.