Máy khoan đường hầm: Những máy phục vụ này thực sự đào đường hầm dưới lòng đất như thế nào

Máy khoan hầm là gì và tại sao chúng ta sử dụng chúng?

Máy khoan đường hầm - thường được viết tắt là TBM và đôi khi được gọi là máy khoan đường hầm hoặc máy khoan ngầm - là một thiết bị kỹ thuật khổng lồ được thiết kế để đào đường hầm xuyên qua các điều kiện đất, đá hoặc mặt đất hỗn hợp với mặt cắt ngang hình tròn. Không giống như phương pháp khoan và nổ cũ, phá đá bằng thuốc nổ và sau đó dọn sạch các mảnh vụn bằng tay, TBM cắt, đào và thường đồng thời đào đường hầm trong một hoạt động liên tục. Kết quả là tạo ra một đường hầm mượt mà hơn, có cấu trúc phù hợp hơn với ít sự gián đoạn hơn đối với cơ sở hạ tầng mặt đất và bề mặt xung quanh.

Sự hấp dẫn của đường hầm TBM vượt xa tốc độ. Trong môi trường đô thị - nơi đường hầm có thể đi qua bên dưới các khu dân cư đông đúc, các tuyến tàu điện ngầm đang hoạt động hoặc các tiện ích quan trọng - việc đào đường hầm có độ rung thấp, được kiểm soát bằng máy khoan đường hầm thường là lựa chọn khả thi duy nhất. Việc nổ mìn thông thường sẽ gây ra hiện tượng lún bề mặt không thể chấp nhận được và gây hư hỏng cấu trúc cho các tòa nhà gần đó. TBM cũng có thể hoạt động ở độ sâu lớn hơn nhiều so với các phương pháp xây dựng đào và che, cho phép các kỹ sư định tuyến các đường hầm theo những đường thẳng, tối ưu mà không làm rách cảnh quan đường phố phía trên. Những ưu điểm này đã làm cho máy khoan đào hầm trở thành công nghệ vượt trội cho hệ thống đường sắt đô thị, đường hầm đường cao tốc, đường hầm cấp nước và thoát nước cũng như các hành lang cáp và tiện ích ngày càng tăng ở các thành phố trên toàn thế giới.

Các máy TBM hiện đại là những kỳ công phi thường về mặt kỹ thuật. Những máy khoan đường hầm lớn nhất thế giới có đầu cắt có đường kính hơn 17 mét - rộng hơn chiều cao của một tòa nhà bốn tầng - và nặng tới 7.000 tấn. Ngay cả một máy TBM cỡ trung dùng cho đường hầm tàu ​​điện ngầm tiêu chuẩn (thường có đường kính 6–9 mét) cũng được lắp ráp từ hàng trăm bộ phận được chế tạo chính xác được vận chuyển đến địa điểm làm việc và lắp ráp dưới lòng đất trong trục phóng. Các máy này tích hợp việc đào đất, loại bỏ đất, hỗ trợ mặt đất và lắp đặt lớp lót bê tông vào một dây chuyền sản xuất di chuyển duy nhất với tốc độ 10–30 mét mỗi ngày tùy thuộc vào điều kiện mặt đất và loại máy.

Máy khoan hầm thực sự hoạt động như thế nào: Cơ chế cốt lõi

Để hiểu cách thức hoạt động của TBM đòi hỏi phải xem xét các hệ thống làm việc chính của nó, mỗi hệ thống đóng một vai trò quan trọng và phụ thuộc lẫn nhau trong quá trình đào hầm. Mặc dù các loại TBM khác nhau xử lý việc hỗ trợ mặt đất và loại bỏ hư hỏng khác nhau (được đề cập trong phần tiếp theo), cơ chế cắt và nâng cao cơ bản được chia sẻ trên hầu hết các dòng máy.

Đầu cắt

Đầu cắt là mục đích kinh doanh của bất kỳ máy khoan đường hầm - một đĩa quay lớn hoặc cấu trúc nan hoa được gắn các dụng cụ cắt tiếp xúc trực tiếp với mặt đất đang được đào. Trong đào hầm đá, đầu cắt mang theo máy cắt dạng đĩa: bánh xe thép cứng, đường kính thường là 432–483 mm (17–19 inch), lăn trên mặt đá dưới lực đẩy cực lớn. Máy cắt đĩa không cạo đá; thay vào đó, họ nghiền nát nó thông qua tải trọng nén, tạo ra một mạng lưới các vết nứt vi mô giữa các đường cắt liền kề khiến các mảnh đá vỡ ra. Quá trình tạo chip này, được gọi là cơ chế "chip-and-crack", tiết kiệm năng lượng hơn nhiều so với mài mòn trực tiếp và là điều khiến cho việc đào hầm TBM khả thi trong đá cứng. Trong điều kiện đất mềm và hỗn hợp, thay vào đó, đầu cắt mang các mũi khoan, lưỡi nạo và răng cắt đất để cắt và đánh bật vật liệu thay vì nghiền nát nó.

Đầu cắt được quay bằng một vòng động cơ truyền động điện - thường từ 4 đến 20 động cơ tùy thuộc vào kích thước máy - được bố trí xung quanh chu vi của nó và được kết nối thông qua hộp số giảm tốc. Tốc độ quay thường chậm: 1–6 vòng/phút đối với các máy lớn, do vành ngoài của đầu cắt lớn đã di chuyển ở tốc độ tuyến tính cao ngay cả ở vòng/phút rất thấp. Tổng công suất dẫn động đầu cắt được lắp đặt trên một máy TBM đá cứng lớn có thể vượt quá 5.000 kW - tương đương với sáu động cơ Công thức 1 chạy đồng thời, nhưng được áp dụng dưới dạng mô-men xoắn quay chậm hơn là tốc độ.

Hệ thống lực đẩy và kẹp

Chỉ quay đầu cắt sẽ không đào được đường hầm - máy còn phải đẩy đầu cắt vào mặt đá với một lực cực lớn để máy cắt đĩa hoạt động hiệu quả. Điều này được thực hiện thông qua hệ thống xi lanh lực đẩy thủy lực được bố trí xung quanh thân chính của máy. Tổng lực đẩy trên một máy TBM đá lớn thường dao động từ 20.000 đến 60.000 kN - tương đương với trọng lượng từ 2.000 đến 6.000 tấn ép vào mặt đường hầm. Để đẩy vào, máy cần có vật gì đó để đẩy. Trong các máy TBM đá cứng, điều này được cung cấp bởi các miếng đệm kẹp: các xi lanh thủy lực lớn kéo dài theo chiều ngang từ thân máy và ép vào thành hầm với lực đủ để neo máy chắc chắn vào đúng vị trí trong khi các xi lanh lực đẩy đẩy đầu máy cắt. Sau khi máy đã đạt được chiều dài một hành trình (thường là 1,5–2 mét), bộ kẹp sẽ nhả ra, phần sau của máy được kéo về phía trước, bộ kẹp sẽ khớp lại ở vị trí mới và hành trình đẩy tiếp theo bắt đầu. Trình tự này lặp lại liên tục trong suốt quá trình đào hầm.

Loại bỏ hư hỏng (Xử lý Muck)

Vật liệu cắt từ mặt đường hầm - được gọi là "muck" trong thuật ngữ đào hầm - phải được loại bỏ liên tục khỏi đầu cắt và vận chuyển lên bề mặt. Trong hầu hết các máy TBM, bùn rơi vào các lỗ trên đầu máy cắt và được nhặt lên bằng băng tải chạy qua tâm máy. Băng tải chính này chuyển bùn đến một loạt băng tải kéo hoặc tới các ô tô chở bùn gắn trên đường ray để vận chuyển bùn trở lại đường hầm đến trục phóng, nơi nó được nâng lên bề mặt và kéo đi. Trung bình, một tàu điện ngầm TBM cỡ trung đào trên nền đất hỗn hợp tạo ra 300–600 mét khối bùn mỗi ngày - một thách thức hậu cần đáng kể đòi hỏi hoạt động xử lý bề mặt được lên kế hoạch tốt, chạy song song với việc đào hầm.

Lắp đặt lót đường hầm

Ngay phía sau đầu cắt, hầu hết các máy TBM hiện đại đều lắp đặt một lớp lót đường hầm cố định khi máy tiến lên. Phương pháp tiêu chuẩn sử dụng các đoạn bê tông đúc sẵn - thường có sáu đến tám đoạn cong trên mỗi vòng, cộng với một đoạn "chìa khóa" nhỏ hơn - được nâng vào vị trí bằng cánh tay dựng đoạn tự động và được bắt vít hoặc đệm với nhau để tạo thành một vòng hoàn chỉnh. Mỗi vòng được lắp đặt trong không gian được tạo ra bởi hành trình đẩy cuối cùng của máy và khi máy tiến vào hành trình tiếp theo, vòng hoàn thiện sẽ trở thành lớp vỏ kết cấu của đường hầm cố định. Việc lắp đặt lớp lót tích hợp này là một trong những ưu điểm hiệu quả lớn nhất của TBM: về cơ bản đường hầm được hoàn thiện phía sau máy khi nó tiến lên, đòi hỏi công việc tiếp theo ở mức tối thiểu.

Các loại máy khoan hầm chính và thời điểm sử dụng từng loại

Việc lựa chọn loại TBM là một trong những quyết định kỹ thuật quan trọng nhất trong bất kỳ dự án đào hầm nào. Loại máy không phù hợp với điều kiện mặt đất gặp phải có thể dẫn đến tiến độ chậm, hư hỏng máy, lún mặt đất hoặc trong trường hợp nghiêm trọng là sập đường hầm. Các dòng máy TBM chính được phân biệt chủ yếu bởi cách chúng quản lý nền đất phía trước đầu máy cắt và kiểm soát áp lực nước ngầm:

TBM Mặt Mở (Gripper) — Tốt nhất cho Hard Rock

TBM mặt mở hoặc có kẹp là thiết kế TBM ban đầu và vẫn là máy được lựa chọn cho các điều kiện đá cứng ổn định trong đó mặt hầm có khả năng tự chống đỡ và áp lực nước ngầm có thể quản lý được. Đúng như tên gọi, mặt đường hầm mở - không có hệ thống hỗ trợ điều áp giữa đầu cắt và mặt đất đào. Sự đơn giản này làm cho TBM có kẹp nhanh hơn và tiết kiệm chi phí hơn trong các điều kiện thích hợp: không cần quản lý hệ thống điều áp, việc bảo trì tiếp cận đầu cắt dễ dàng hơn, tốc độ nâng cao cao hơn và máy đơn giản hơn về mặt cơ học. Chúng là lựa chọn tiêu chuẩn cho các đường hầm cấp nước, đường hầm đường sắt và các dự án thủy điện ở địa hình đồi núi — những ứng dụng mà máy sẽ dành phần lớn hoạt động của mình trong đá tốt. Hạn chế cũng rõ ràng không kém: trên nền đất yếu, đất bão hòa hoặc các điều kiện hỗn hợp, TBM mặt hở không thể đỡ mặt đường hầm một cách an toàn, khiến nó không phù hợp với các dự án đô thị nơi mà độ lún của mặt đất sẽ làm hỏng các cấu trúc bề mặt.

TBM cân bằng áp suất đất (EPB) — Tốt nhất cho nền đất yếu và đô thị

Máy TBM cân bằng áp suất đất là loại máy được sử dụng rộng rãi nhất cho đường hầm cơ sở hạ tầng và tàu điện ngầm đô thị trên toàn thế giới. Nó giải quyết vấn đề hỗ trợ nền đất mềm bằng cách lấp đầy khoang đầu cắt - khoảng trống giữa đầu cắt và tấm vách ngăn phía sau nó - bằng đất đào được điều hòa đến độ đặc phù hợp bằng cách sử dụng bọt, polyme hoặc nước. Lớp bùn được điều hòa này được duy trì ở áp suất cân bằng áp lực của đất và nước ngầm ở mặt đường hầm, ngăn ngừa sự sụp đổ mặt đường và giảm thiểu chuyển động của mặt đất. Bùn chịu áp lực được chiết ra khỏi buồng thông qua một băng tải trục vít, băng tải này kiểm soát tốc độ loại bỏ vật liệu để duy trì áp suất bề mặt mục tiêu. Máy TBM EPB đặc biệt hiệu quả ở đất giàu đất sét, đất cát và đất hỗn hợp có áp lực nước ngầm vừa phải. Chúng là loại máy chủ yếu dùng để xây dựng đường sắt đô thị ở các thành phố như London, New York, Tokyo, Bắc Kinh và hầu như mọi dự án đào hầm đô thị lớn trong 30 năm qua.

TBM Khiên bùn (Mixshield) — Tốt nhất cho nền đất thô và bão hòa nước

Tấm chắn bùn TBM sử dụng bùn bentonite được điều áp - hỗn hợp lỏng của nước và đất sét - để hỗ trợ bề mặt đường hầm thay vì bùn đã được điều hòa. Bùn lấp đầy buồng đầu cắt dưới áp suất và tạo thành bánh lọc trên mặt đường hầm truyền áp lực hỗ trợ xuống đất. Vật liệu đào trộn với bùn và được bơm ra khỏi đường hầm dưới dạng huyền phù lỏng thông qua đường ống bùn, được vận chuyển đến nhà máy tách bề mặt nơi chất rắn được loại bỏ và bùn đã được làm sạch được đưa trở lại máy để tái sử dụng. Phương pháp tiếp cận mạch bùn này phức tạp và đắt tiền hơn EPB nhưng vượt trội trong các điều kiện mà EPB gặp khó khăn: sỏi và cát có khả năng thấm cao với áp lực nước ngầm cao, mặt đất hỗn hợp với đá cuội và đường hầm dưới nước. Dự án Crossrail ở London, Đường hầm Øresund giữa Đan Mạch và Thụy Điển và đường hầm cầu Hồng Kông-Chu Hải-Ma Cao đều sử dụng máy chắn bùn cho các đoạn đường dưới nước hoặc áp suất nước cao đầy thách thức nhất.

TBM đa chế độ - Tính linh hoạt cho mặt đất thay đổi

Một loại máy khoan hầm đang ngày càng phát triển là loại TBM có thể chuyển đổi hoặc đa chế độ, được thiết kế để chuyển đổi giữa các chế độ vận hành - điển hình là giữa EPB và mặt mở, hoặc giữa EPB và tấm chắn bùn - khi điều kiện mặt đất thay đổi dọc theo đường hầm. Những máy này phức tạp hơn và đắt hơn so với máy đơn chế độ nhưng có thể cần thiết cho các dự án mà đường hầm phải đi qua địa chất rất khác nhau dọc theo chiều dài của nó. Một kịch bản phổ biến là một đường hầm bắt đầu từ đất đô thị mềm, chuyển qua lớp cát chứa nước, sau đó đi vào đá có khả năng hoạt động - một trình tự có thể thách thức bất kỳ cỗ máy đơn chế độ nào. Khả năng đa chế độ cho phép một máy hoàn thành toàn bộ truyền động mà không cần lựa chọn không thực tế là tháo và thay thế máy ở giữa đường hầm.

Sơ lược về các loại TBM: So sánh từng loại

Các yếu tố chính quyết định tốc độ phát triển của máy TBM

Tốc độ ứng trước - được tính bằng mét mỗi ngày hoặc mỗi ca - là thước đo sản xuất chính cho bất kỳ dự án đào hầm TBM nào và nó có tác động rất lớn đến chi phí và tiến độ của dự án. Tuy nhiên, tốc độ nâng cao không chỉ đơn giản là chức năng của công suất hoặc kích thước máy. Nó là kết quả của sự tương tác của nhiều biến số, nhiều biến số trong số đó nằm ngoài tầm kiểm soát của nhóm dự án:

• Độ bền và độ mài mòn của đá: Trong đào hầm đá cứng, cường độ nén của đá và độ mài mòn của hàm lượng khoáng chất (đặc biệt là hàm lượng thạch anh) là những yếu tố chính quyết định tốc độ xuyên thấu và tuổi thọ của máy cắt đĩa. Đá granit cực kỳ cứng và mài mòn có thể làm giảm tuổi thọ của dao cắt xuống dưới 20 mét tiến trên mỗi dao, đòi hỏi phải can thiệp đầu cắt thường xuyên làm giảm đáng kể tốc độ tiến thực. Các loại đá mềm hơn như đá vôi hoặc phấn cho phép tỷ lệ xuyên thấu cao hơn nhiều và tuổi thọ của dao cắt dài hơn.
• Ứng xử của mặt đất và độ ổn định của mặt đất: Điều kiện mặt đất không ổn định - cát chảy, đất sét bị nén hoặc các vùng đá bị đứt gãy - có thể yêu cầu can thiệp, xử lý mặt đất hoặc giảm tốc độ tiến lên để quản lý an toàn. Trong những trường hợp cực đoan, TBM có thể bị mắc kẹt hoặc "mắc kẹt" trong nền đất bị nén, một tình huống có thể mất hàng tuần hoặc hàng tháng để giải quyết và là một trong những rủi ro tốn kém nhất khi đào hầm TBM.
• Khả năng xử lý bùn: Hệ thống xử lý bùn bề mặt phải theo kịp sản lượng đào của máy. Nút thắt trong vận chuyển rác - cho dù do giới hạn công suất băng tải, tình trạng thiếu toa tàu hoặc hậu cần xử lý bề mặt - trực tiếp làm giảm tốc độ nâng cao có thể đạt được của máy bất kể máy cắt tốt đến đâu.
• Phân khúc cung cấp và thời gian lắp đặt: Mỗi vòng lót đường hầm phải được chuyển đến máy và lắp đặt trước khi bắt đầu đợt đẩy tiếp theo. Sự chậm trễ trong việc phân phối phân khúc, chu kỳ cần cẩu trong trục phóng hoặc các vấn đề về chất lượng với chính các phân đoạn đó đều làm giảm tỷ lệ ứng trước ròng. Các dự án TBM hiệu suất cao đầu tư mạnh vào việc tối ưu hóa chuỗi hậu cần phân khúc.
• Bảo trì và thời gian ngừng hoạt động: Máy TBM hoạt động suốt ngày đêm theo nhiều ca, nhưng chúng yêu cầu các biện pháp can thiệp bảo trì theo lịch trình - kiểm tra đầu cắt, thay dao cắt, bôi trơn, kiểm tra hệ thống - phải được đưa vào lịch trình sản xuất. Thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch do lỗi cơ học là yếu tố chính giúp phân biệt các ổ đĩa TBM hoạt động tốt với các ổ đĩa gặp sự cố.

Các ứng dụng chính của máy khoan hầm trên toàn thế giới

Máy khoan đường hầm đang hoạt động ở mọi châu lục (trừ Nam Cực) và có nhiều loại ứng dụng đặc biệt. Quy mô và tính đa dạng của các dự án TBM trong những thập kỷ gần đây phản ánh cả nhu cầu ngày càng tăng về cơ sở hạ tầng ngầm và sự trưởng thành ngày càng tăng của công nghệ TBM nhằm đáp ứng các điều kiện đầy thách thức.

Đường hầm đô thị và đường hầm vận chuyển nhanh

Hạng mục sử dụng TBM lớn nhất trên toàn thế giới là đào hầm đường sắt đô thị. Mọi mở rộng tàu điện ngầm lớn trên thế giới — từ Tuyến Elizabeth (Crossrail) của Luân Đôn đến mạng lưới tàu điện ngầm không ngừng mở rộng của Bắc Kinh, từ Đường hầm tàu ​​điện ngầm của Sydney đến hệ thống tàu điện ngầm mới của Riyadh — chủ yếu dựa vào máy khoan đường hầm EPB để xây dựng đường hầm đôi chạy tàu giữa các ga. Chỉ riêng dự án Elizabeth Line đã sử dụng 8 máy TBM để khoan trên 42 km đường hầm mới bên dưới một trong những thành phố có mật độ xây dựng đông đúc nhất thế giới, với độ lún bề mặt ở nhiều khu vực được giữ ở mức dưới 5 mm. Mức độ kiểm soát này đơn giản là không thể đạt được bằng bất kỳ phương pháp khai quật nào khác.

Đường cao tốc và đường hầm

Việc đào hầm đường bộ ngày càng sử dụng các máy TBM đường kính lớn có khả năng đào các đường hầm đủ lớn để vận chuyển hai đến bốn làn xe trong một lỗ khoan. Đường hầm thay thế Cầu cạn SR 99 Alaskan Way ở Seattle, hoàn thành vào năm 2019, đã sử dụng Bertha - vào thời điểm đó là máy TBM lớn nhất thế giới với đường kính 17,5 mét - để đào một đường hầm đường cao tốc hai tầng bên dưới trung tâm thành phố. TBM đường phải đào mặt cắt lớn hơn nhiều so với đường hầm tàu ​​điện ngầm, đòi hỏi lực đẩy cao hơn đáng kể, đầu cắt lớn hơn và hệ thống truyền động mạnh hơn. Các đoạn bê tông đúc sẵn cho các đường hầm lớn có thể nặng 10–15 tấn mỗi đoạn và yêu cầu thiết bị nâng và lắp đặt chuyên dụng bên trong máy.

Đường hầm cấp nước, thoát nước và tiện ích

Đường hầm cơ sở hạ tầng nước là một trong những lĩnh vực ứng dụng lâu đời và nhất quán nhất của TBM. Các đường hầm cấp nước trong đá sâu — khoan ở độ sâu 50–200 mét xuyên qua lớp đá gốc — cho phép các thành phố di chuyển nước qua khoảng cách xa mà không làm gián đoạn việc đào rãnh trên bề mặt. Đường hầm Tideway của London, một đường hầm tràn cống kết hợp dài 25 km hiện nằm dưới sông Thames, sử dụng ba máy TBM để khoan xuyên qua phấn và đất sét ở độ sâu lên tới 65 mét. Dự án Đường hầm sâu của Chicago, một trong những hệ thống đường hầm lớn nhất từng được xây dựng, đã sử dụng TBM để khoan hơn 175 km đường hầm để kết hợp lưu trữ nước thải tràn và kiểm soát lũ lụt. Ở đường kính nhỏ hơn, các máy tạo đường hầm vi mô – về cơ bản là các máy TBM thu nhỏ được vận hành từ xa mà không cần công nhân bên trong – lắp đặt các đường ống và ống dẫn tiện ích ở khu vực đô thị mà không cần đào rãnh lộ thiên.

Đường sắt và đường hầm đường sắt tốc độ cao

Các đường hầm đường sắt đường dài xuyên qua các dãy núi là đại diện cho một số dự án TBM đầy thách thức và nổi tiếng nhất trong lịch sử. Đường hầm Gotthard Base ở Thụy Sĩ - đường hầm đường sắt dài nhất thế giới với chiều dài 57 km - đã được hoàn thành vào năm 2016 sau 17 năm xây dựng bằng nhiều máy TBM phải vượt qua toàn bộ sự phức tạp về địa chất của dãy Alps Thụy Sĩ, bao gồm đá granit cứng, đá phiến và nhiều vùng đứt gãy. Đường hầm eo biển nối Anh và Pháp đã sử dụng 11 máy TBM để khoan ba đường hầm (hai đường hầm chạy và một đường hầm dịch vụ) bên dưới eo biển Anh. Các dự án đang được thực hiện như tuyến đệm từ Chuo Shinkansen của Nhật Bản bao gồm các đường hầm kéo dài hơn 25 km xuyên qua địa chất núi khó khăn, đẩy công nghệ TBM lên những tầm cao mới.

Chi phí thực sự của các dự án máy khoan hầm: Điều gì thúc đẩy các con số

Việc đào hầm bằng TBM rất tốn kém — thường là cực kỳ tốn kém — và việc hiểu được yếu tố thúc đẩy chi phí giúp chủ dự án và kỹ sư đưa ra quyết định sáng suốt về việc khi nào thì đào hầm bằng TBM là lựa chọn đúng đắn so với các giải pháp thay thế như xây dựng bằng phương pháp cắt và che phủ hoặc khoan và nổ.

Chi phí đường hầm TBM điển hình ở các nước phát triển dao động từ 50 triệu USD đến 300 triệu USD mỗi km đối với các đường hầm cỡ tàu điện ngầm, với sự thay đổi đáng kể dựa trên đường kính, địa chất, độ phức tạp của đô thị cũng như chi phí vật liệu và nhân công cụ thể của từng quốc gia. Những con số này cao - nhưng chúng phải được so sánh với toàn bộ chi phí của các giải pháp thay thế, bao gồm chi phí gián đoạn bề mặt, tác động đến tài sản và phí bảo hiểm dành cho việc xây dựng cơ sở hạ tầng chuyên sâu không tiêu tốn không gian bề mặt khan hiếm của một thành phố hiện đại.

Điều tra địa kỹ thuật: Tại sao kiến thức mặt đất là tất cả trong đào hầm TBM

Không có yếu tố đơn lẻ nào có tác động lớn hơn đến sự thành công hay thất bại của dự án TBM bằng chất lượng của cuộc điều tra địa kỹ thuật được tiến hành trước khi máy được chọn. Mặt đất là môi trường của TBM, và những điều bất ngờ trong lòng đất - những lỗi không lường trước, những thay đổi đột ngột về áp lực nước, những tảng đá trên nền đất mềm hoặc các điều kiện bề mặt hỗn hợp có thể sụp đổ - là nguyên nhân sâu xa của hầu hết các dự án TBM lớn bị chậm trễ, vượt chi phí và sự cố an toàn.

Một cuộc điều tra địa kỹ thuật toàn diện cho một đường hầm TBM thường bao gồm việc khoan lỗ khoan định kỳ dọc theo hướng tuyến (thường là 50–100 mét đối với các dự án đô thị), thử nghiệm các mẫu đất và đá trong phòng thí nghiệm để kiểm tra độ bền, độ mài mòn, độ thấm và các đặc tính khác, giám sát áp suất nước ngầm và khảo sát địa vật lý để xác định các chướng ngại vật bị chôn vùi, các hốc hoặc các điểm bất thường giữa các lỗ khoan. Bất chấp chi phí - một chương trình điều tra địa kỹ thuật kỹ lưỡng có thể chiếm 1-3% tổng chi phí dự án - các kỹ sư đào hầm có kinh nghiệm thường coi đây là khoản tiền tốt nhất dành cho dự án TBM. Mỗi đô la đầu tư vào việc điều tra mặt bằng trước khi xây dựng thường có giá trị từ mười đô la trở lên được tiết kiệm để tránh các khiếu nại và sự chậm trễ trong quá trình xây dựng.

Báo cáo cơ sở địa kỹ thuật (GBR) - một tài liệu thiết lập các điều kiện tham chiếu hợp đồng về ứng xử của mặt đất mà việc lựa chọn và định giá TBM của nhà thầu dựa vào đó - là một trong những tài liệu hợp đồng quan trọng nhất trong bất kỳ dự án TBM nào. Các điều kiện vượt quá mức cơ bản sẽ kích hoạt cơ chế chia sẻ rủi ro theo hợp đồng giữa chủ đầu tư và nhà thầu. Việc có được đường cơ sở đúng đắn, dựa trên việc điều tra kỹ lưỡng, là nền tảng cho một dự án công bằng và thành công.

Những đổi mới định hình tương lai của máy khoan hầm

Công nghệ TBM đã tiến bộ đáng kể kể từ những chiếc máy thành công đầu tiên vào những năm 1950 và 1960, và tốc độ đổi mới đang tăng tốc thay vì chậm lại. Một số lĩnh vực đang phát triển có khả năng xác định thế hệ tiếp theo của máy khoan hầm:

• Giám sát đầu cắt theo thời gian thực và bảo trì dự đoán: Các máy TBM hiện đại đã mang theo hàng trăm cảm biến theo dõi độ rung, mô-men xoắn, lực đẩy, nhiệt độ và áp suất mặt đất theo thời gian thực. Bước tiếp theo là tích hợp AI và học máy để dự đoán độ mòn và hỏng hóc của dao cắt trước khi nó xảy ra, cho phép lập kế hoạch can thiệp bảo trì thay vì phản ứng. Điều này có khả năng cải thiện đáng kể tính khả dụng của máy và nâng cao tỷ lệ bằng cách giảm thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến.
• TBM tự động và điều khiển từ xa: Trong khi tự động hóa hoàn toàn việc đào hầm TBM vẫn là mục tiêu dài hạn, các bước quan trọng hướng tới tự động hóa cao hơn đang được tiến hành. Bộ dựng đoạn tự động, hệ thống hướng dẫn dựa trên GPS và quản lý lực đẩy bán tự động hiện là tiêu chuẩn trên các máy móc tiên tiến. Một số nhà sản xuất đang phát triển các loại máy có khả năng hoạt động kéo dài với sự can thiệp tối thiểu của người vận hành, giảm lực lượng lao động cần thiết bên trong đường hầm và cải thiện độ an toàn.
• Các công nghệ cắt thay thế: Máy cắt đĩa thông thường bị hạn chế về khả năng xuyên qua các loại đá cứng nhất một cách hiệu quả. Nghiên cứu về điều hòa sơ bộ bằng tia laser, vi sóng, plasma và tia nước áp suất cao cho đá phía trước đầu cắt đang được tiến hành, với mục tiêu giảm năng lượng cần thiết cho việc đào và mở rộng phạm vi điều kiện mặt đất nơi TBM có thể hoạt động tiết kiệm.
• Mặt cắt TBM không tròn: Các máy TBM tiêu chuẩn tạo ra các đường hầm hình tròn, nhưng nhiều ứng dụng cơ sở hạ tầng - đặc biệt là các đường hầm và hành lang tiện ích kết hợp - sẽ được hưởng lợi từ mặt cắt hình chữ nhật hoặc hình móng ngựa để sử dụng không gian sẵn có hiệu quả hơn. Một số máy TBM không tròn thử nghiệm đã được phát triển và thử nghiệm ở Nhật Bản và Trung Quốc, và mặc dù công nghệ này chưa phổ biến nhưng nó đại diện cho một bước tiến quan trọng đối với ngành.
• Đường hầm liên tục mà không bị gián đoạn từng vòng: Chu kỳ dừng-khởi động hiện tại của tiến trình TBM (hành trình đẩy, sau đó dừng để lắp vòng phân đoạn, sau đó tiếp tục) giới hạn tốc độ tiến thực của máy thường ở mức 50–70% mức tối đa theo lý thuyết. Nghiên cứu về hệ thống đào hầm liên tục - trong đó các phân đoạn được lắp đặt đồng thời với sự tiến bộ của máy thay vì luân phiên - có khả năng cải thiện đáng kể năng suất, mặc dù những thách thức kỹ thuật là rất lớn.