Từ đất sét có độ bám dính cao, đất cát rời đến những địa tầng hỗn hợp phức tạp, mỗi điều kiện địa chất đều đặt ra những thách thức riêng đối với quá trình đào hầm bằng TBM. Việc kiểm soát đặc tính đất đào vì thế trở thành một trong những yếu tố quan trọng để duy trì hiệu quả và tính ổn định trong vận hành thiết bị.
Đặc biệt, với công nghệ TBM cân bằng áp lực đất (Earth Pressure Balance – EPB TBM), điều hòa đất (Soil conditioning) đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện đặc tính đất đào, hỗ trợ kiểm soát áp lực buồng đào, tối ưu quá trình vận chuyển vật liệu và duy trì điều kiện vận hành phù hợp.
Vậy điều hòa đất TBM hoạt động theo nguyên lý nào, những nhóm phụ gia nào được sử dụng và đâu là giải pháp phù hợp với từng điều kiện địa chất? Hãy khám phá ngay trong bài viết này nhé.
1. Điều hòa đất TBM là gì?
Điều hòa đất TBM (TBM soil conditioning) là quá trình sử dụng các tác nhân điều hòa như chất tạo bọt, polymer, nước hoặc phụ gia chuyên dụng để điều chỉnh đặc tính cơ lý của đất đào, nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong quá trình thi công hầm bằng máy TBM.
Trong công nghệ EPB TBM, đất được đào ra không chỉ là vật liệu cần vận chuyển khỏi buồng đào mà còn tham gia vào cơ chế cân bằng áp lực tại gương đào. Vì vậy, đất đào cần có trạng thái phù hợp về tính dẻo, khả năng biến dạng, tính công tác, độ thấm và khả năng truyền áp lực.
Thông qua việc lựa chọn và sử dụng các phụ gia điều hòa đất phù hợp, đặc tính của vật liệu đào có thể được cải thiện để hỗ trợ quá trình vận hành TBM trong những điều kiện địa chất khác nhau.
Điều hòa đất đặc biệt quan trọng đối với EPB TBM, nơi đất đào được sử dụng trực tiếp để tạo áp lực hỗ trợ gương đào.
2. Vì sao điều hòa đất đóng vai trò quan trọng trong thi công EPB TBM?
Hiệu quả vận hành EPB TBM phụ thuộc đáng kể vào trạng thái của vật liệu trong buồng đào. Nếu đất quá khô, quá rời, quá dính hoặc có độ thấm không phù hợp, quá trình kiểm soát áp lực và vận chuyển đất đào có thể gặp nhiều thách thức.
Đây chính là lý do điều hòa đất trở thành một giải pháp kỹ thuật quan trọng trong công nghệ EPB TBM, góp phần cải thiện trạng thái đất đào, hỗ trợ duy trì điều kiện vận hành ổn định và mang lại nhiều lợi ích thiết thực trong suốt quá trình thi công.
2.1. Hỗ trợ kiểm soát áp lực tại gương đào
Trong công nghệ EPB TBM, khi đầu cắt phá vỡ kết cấu đất tại gương đào, vật liệu đào được đưa vào và giữ trong buồng áp lực phía sau đầu cắt. Khối đất này được duy trì ở trạng thái và mức áp lực phù hợp nhằm tạo áp lực chống đỡ, cân bằng với áp lực đất và nước ngầm tác động lên gương đào, qua đó góp phần hạn chế nguy cơ mất ổn định địa tầng trong quá trình thi công.
Giải pháp điều hòa đất TBM giúp cải thiện tính đồng nhất, tính công tác và khả năng biến dạng của vật liệu đào, hỗ trợ quá trình truyền và duy trì áp lực trong buồng đào, từ đó góp phần ổn định gương đào và đảm bảo điều kiện vận hành phù hợp.
2.2. Cải thiện tính công tác và khả năng vận chuyển đất đào
Đất sau khi được điều hòa phù hợp có thể đạt trạng thái dẻo và tính lưu động cần thiết, tạo thuận lợi cho quá trình di chuyển trong buồng đào và vận chuyển qua vít tải. Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với các địa tầng có đặc tính không thuận lợi cho việc đào và thải đất bằng EPB TBM.
2.3. Hạn chế hiện tượng bám dính và tắc nghẽn
Đối với địa tầng đất sét có độ dính cao, vật liệu đào dễ bám và tích tụ trên dao cắt, đầu cắt cũng như các bộ phận trong hệ thống vận chuyển. Hiện tượng này có thể làm gia tăng lực cản, cản trở quá trình lưu thông đất đào, thậm chí gây tắc nghẽn và gián đoạn vận hành TBM, ảnh hưởng đến hiệu suất và tiến độ thi công.
Việc sử dụng phụ gia điều hòa đất thích hợp giúp cải thiện đặc tính bề mặt và trạng thái của đất đào, góp phần hạn chế hiện tượng bám dính, giảm nguy cơ tắc nghẽn và hỗ trợ duy trì quá trình vận hành ổn định.
2.4. Hỗ trợ tối ưu hiệu quả vận hành TBM
Giải pháp điều hòa đất đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính công tác và duy trì trạng thái phù hợp của đất đào trong buồng áp lực. Khi đất đào có đặc tính phù hợp với yêu cầu thiết bị, quá trình vận hành có thể được hỗ trợ thông qua việc cải thiện khả năng vận chuyển vật liệu, kiểm soát điều kiện buồng đào và hạn chế một số trở ngại liên quan đến địa chất.
Để phát huy hiệu quả điều hòa đất, việc lựa chọn giải pháp cần được xem xét đồng bộ dựa trên đặc điểm địa chất, đặc tính phụ gia, các thông số sử dụng và điều kiện vận hành thực tế của từng dự án.
3. Nguyên lý điều hòa đất trong công nghệ EPB TBM
Điều hòa đất trong EPB TBM được thực hiện thông qua việc đưa các tác nhân điều hòa vào đất đào tại những vị trí phù hợp của hệ thống. Tùy theo thiết kế thiết bị, chất tạo bọt, polymer hoặc các dung dịch phụ gia có thể được cấp qua đầu cắt, buồng đào hoặc những vị trí khác trong hệ thống vận chuyển đất.
3.1. Chuẩn bị và tạo dung dịch điều hòa
Chất tạo bọt thường được pha với nước theo nồng độ xác định. Dung dịch sau đó được kết hợp với khí trong hệ thống tạo bọt để tạo ra bọt có đặc tính phù hợp với yêu cầu sử dụng. Đối với polymer và các phụ gia khác, phương pháp chuẩn bị phụ thuộc vào đặc tính sản phẩm và hệ thống cấp liệu.
3.2. Đưa phụ gia vào đất đào
Bọt hoặc dung dịch điều hòa được đưa vào đất trong quá trình đào và trộn cùng vật liệu tại các vị trí được thiết kế. Quá trình này nhằm điều chỉnh trạng thái đất đào, hỗ trợ hình thành hỗn hợp có tính công tác phù hợp với yêu cầu của công nghệ EPB.
3.3. Kiểm soát và điều chỉnh trong quá trình vận hành
Các thông số như lượng phụ gia, nồng độ dung dịch, tỷ lệ tạo bọt và tỷ lệ bơm bọt cần được xem xét theo điều kiện địa chất và phản ứng thực tế của đất đào. Việc điều hòa đất không chỉ là lựa chọn đúng loại phụ gia, mà còn đòi hỏi kiểm soát và điều chỉnh thông số ứng dụng phù hợp với từng giai đoạn thi công.
4. Các nhóm giải pháp điều hòa đất TBM phổ biến
Tùy theo đặc tính địa chất và yêu cầu vận hành, các giải pháp điều hòa đất có thể sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp nhiều loại phụ gia.
4.1. Chất tạo bọt điều hòa đất TBM
Chất tạo bọt TBM là một trong những nhóm phụ gia được sử dụng phổ biến trong công nghệ EPB TBM. Khi được tạo bọt và đưa vào đất đào, các tác nhân này có thể hỗ trợ cải thiện tính công tác, khả năng biến dạng và trạng thái của vật liệu trong buồng đào. Việc lựa chọn chất tạo bọt cần xem xét đặc tính địa chất, khả năng tạo bọt, độ ổn định của bọt và các thông số vận hành.
4.2. Polymer điều hòa đất TBM
Polymer được sử dụng nhằm điều chỉnh một số đặc tính của đất đào như khả năng giữ nước, độ kết dính, độ nhớt và tính ổn định của hỗn hợp đất, tùy theo loại polymer và điều kiện ứng dụng. Trong một số điều kiện địa chất, polymer có thể được sử dụng kết hợp với chất tạo bọt nhằm hỗ trợ cải thiện trạng thái đất đào và đáp ứng những yêu cầu vận hành cụ thể.
4.3. Phụ gia chống bám dính đất sét
Đối với địa tầng đất sét có độ bám dính cao, hiện tượng đất bám vào đầu cắt và các bộ phận của TBM có thể ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành. Các phụ gia chống bám dính được phát triển nhằm hỗ trợ hạn chế tương tác bám dính giữa đất sét và bề mặt thiết bị, góp phần cải thiện khả năng vận chuyển vật liệu đào.
4.4. Giải pháp hỗ trợ giai đoạn khởi động TBM
Giai đoạn khởi động TBM có thể đòi hỏi những điều kiện hỗ trợ riêng để thiết lập trạng thái vật liệu phù hợp trong buồng đào và hệ thống vận chuyển. Các giải pháp chuyên dụng cho giai đoạn này được lựa chọn theo thiết kế thiết bị, điều kiện địa chất và quy trình khởi động của dự án.
5. Lựa chọn giải pháp điều hòa đất theo điều kiện địa chất
Sự đa dạng và phức tạp của các điều kiện địa chất đặt ra những yêu cầu khác nhau đối với công nghệ điều hòa đất TBM. Vì vậy, việc lựa chọn giải pháp cần được cân nhắc dựa trên đặc tính vật liệu đào và điều kiện vận hành thực tế.
5.1. Địa tầng đất sét có độ bám dính cao
Đất sét có thể gây ra hiện tượng bám dính tại đầu cắt, buồng đào và vít tải, đặc biệt khi điều kiện độ ẩm và tính dẻo làm gia tăng khả năng bám dính. Trong trường hợp này, giải pháp điều hòa đất cần tập trung vào việc kiểm soát trạng thái đất và hạn chế hiện tượng bám dính, thông qua lựa chọn phụ gia và thông số sử dụng phù hợp.
5.2. Địa tầng đất cát và đất rời
Đất cát có thể có độ kết dính thấp và độ thấm tương đối cao, gây khó khăn cho việc hình thành vật liệu có tính công tác phù hợp trong buồng đào. Các giải pháp sử dụng chất tạo bọt hoặc polymer có thể được xem xét nhằm hỗ trợ cải thiện trạng thái, tính đồng nhất và khả năng kiểm soát nước của đất đào.
5.3. Địa tầng sỏi, cuội và vật liệu hạt thô
Địa tầng có tỷ lệ hạt thô lớn thường đặt ra những thách thức về độ rời, khả năng phân tách vật liệu và tính công tác của đất đào. Giải pháp điều hòa đất cần được lựa chọn trên cơ sở thành phần cấp phối hạt, lượng hạt mịn, điều kiện nước và khả năng hình thành hỗn hợp phù hợp với cơ chế EPB.
5.4. Địa tầng hỗn hợp và điều kiện địa chất thay đổi
Trong những tuyến hầm đi qua nhiều lớp địa chất khác nhau, đặc tính đất đào có thể thay đổi đáng kể theo từng đoạn tuyến. Điều này đòi hỏi phương án điều hòa đất có tính linh hoạt, cho phép điều chỉnh loại phụ gia, nồng độ và tỷ lệ sử dụng theo điều kiện thực tế.
6. Những thông số kỹ thuật quan trọng trong điều hòa đất TBM
Bên cạnh lựa chọn phụ gia, hiệu quả điều hòa đất còn phụ thuộc vào việc thiết lập và kiểm soát các thông số kỹ thuật.
- FER – Foam Expansion Ratio: Tỷ số giữa thể tích bọt tạo thành và thể tích dung dịch tạo bọt.
- FIR – Foam Injection Ratio: Tỷ lệ thể tích bọt được đưa vào so với thể tích đất đào, theo quy ước tính của dự án.
- Cf – Foam Concentration: Nồng độ chất tạo bọt trong dung dịch pha.
- WIR – Water Injection Ratio: Tỷ lệ nước bổ sung so với lượng đất đào theo phương pháp tính áp dụng.
- Foam Stability: Đặc tính ổn định của bọt trong điều kiện sử dụng.
Các thông số này có mối liên hệ với nhau và cần được đánh giá kết hợp cùng đặc tính đất đào. Do đó, thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và đánh giá tại công trường là những bước quan trọng để lựa chọn và hiệu chỉnh thông số điều hòa đất.
7. Những yếu tố cần xem xét khi lựa chọn phụ gia điều hòa đất TBM
Để lựa chọn giải pháp phù hợp, nhà thầu và đội ngũ kỹ thuật cần đánh giá tổng hợp nhiều yếu tố.
- Điều kiện địa chất: Thành phần cấp phối hạt, tỷ lệ hạt mịn, tính dẻo, độ ẩm, tính thấm và đặc điểm của từng lớp đất.
- Yêu cầu vận hành EPB TBM: Điều kiện áp lực buồng đào, đặc tính vận chuyển đất qua vít tải, thiết kế hệ thống cấp phụ gia và các thông số vận hành liên quan.
- Hiệu quả điều hòa đất: Khả năng cải thiện tính công tác, hạn chế bám dính, kiểm soát nước và duy trì trạng thái vật liệu phù hợp.
- Tính tương thích của giải pháp: Khả năng kết hợp giữa chất tạo bọt, polymer và các phụ gia chuyên dụng trong từng điều kiện ứng dụng.
- Yếu tố môi trường: Các đặc tính môi trường của phụ gia, dữ liệu thử nghiệm liên quan và yêu cầu quản lý vật liệu đào của dự án.
Bên cạnh hiệu quả kỹ thuật, những đặc tính như khả năng phân hủy sinh học nhanh (Readily Biodegradable) theo phương pháp thử nghiệm quốc tế OECD 301 F và tác động đến môi trường nước như phân loại WGK 1 cũng là những yếu tố có thể được xem xét đối với các sản phẩm có hồ sơ đánh giá tương ứng.
Xem thêm: Giải pháp điều hòa đất TBM – Tối ưu vận hành, chú trọng tính thân thiện với môi trường.
8. MC Underground – Giải pháp hóa chất & công nghệ điều hòa đất TBM chuyên biệt
Là đơn vị chuyên môn thuộc Tập đoàn MC-Bauchemie (Đức), với nền tảng hơn 60 năm kinh nghiệm, hiện diện tại hơn 50 quốc gia và hơn 3.500 nhân sự trên toàn cầu, MC Underground (MCU) cung cấp các giải pháp hóa chất & công nghệ chuyên biệt cho lĩnh vực đào hầm và công trình ngầm.
Trong công nghệ EPB TBM, MCU phát triển danh mục giải pháp điều hòa đất phục vụ những yêu cầu kỹ thuật và điều kiện địa chất khác nhau, bao gồm:
- MC-RheoClay®: Giải pháp dành cho các điều kiện đất sét và yêu cầu kiểm soát bám dính, giảm nhu cầu sử dụng nước.
- MC-RheoSand®: Polymer hỗ trợ cải thiện cấu trúc và khả năng giữ nước của đất đào.
- MC-SolidFoam®: Giải pháp tạo bọt chuyên biệt cho những điều kiện địa chất đặc thù.
- MC-ArtSoil® và MC-StartupFoam®: Giải pháp hỗ trợ giai đoạn khởi động TBM.
- AFCS: Công nghệ kiểm soát bọt tự động, hỗ trợ quản lý quá trình tạo bọt.
Điểm nổi bật của MCU không chỉ nằm ở danh mục sản phẩm chuyên biệt mà còn ở sự kết hợp giữa giải pháp hóa chất, công nghệ ứng dụng và chuyên môn kỹ thuật, nhằm đáp ứng các yêu cầu vận hành khác nhau của dự án.
Bên cạnh điều hòa đất, MCU còn cung cấp hệ giải pháp cho thi công hầm TBM, bao gồm bôi trơn và làm kín ổ trục chính, làm kín đuôi khiên, vữa bơm lấp khe hở vành khuyên và các giải pháp bơm tiêm kỹ thuật.
Khám phá hệ giải pháp hóa chất & công nghệ TBM từ MC Underground
Vữa bơm lấp khe vành khuyên cho TBM: Ứng dụng Công nghệ EFC hướng đến giải pháp hiệu quả và bền vững
