Máy đào hầm TBM là thiết bị chủ lực trong nhiều dự án xây dựng đường hầm hiện đại, từ hệ thống metro, đường sắt đến các công trình hạ tầng ngầm quy mô lớn. Với khả năng cơ giới hóa quá trình đào và lắp dựng vỏ hầm, công nghệ TBM mang lại nhiều lợi thế về năng suất, độ chính xác và khả năng thi công trong điều kiện địa chất phức tạp.
Tuy nhiên, ngay cả với những hệ thống TBM tiên tiến, quá trình thi công vẫn đặt ra không ít thách thức kỹ thuật. Vậy đâu là những vấn đề kỹ thuật thường gặp khi vận hành máy đào hầm TBM và giải pháp kiểm soát hiệu quả? Cùng tìm hiểu những thách thức thực tế và vai trò của công nghệ, hóa chất chuyên dụng trong việc tối ưu hiệu quả thi công.
Những thách thức kỹ thuật trong quá trình vận hành máy đào hầm TBM đến từ đâu?
Trong thi công hầm cơ giới, máy TBM không hoạt động trong một môi trường có điều kiện cố định. Địa tầng có thể thay đổi liên tục theo chiều dài tuyến, từ đất sét dẻo dính, cát bão hòa nước đến các lớp đất đá hỗn hợp có độ cứng và tính thấm khác nhau.
Đặc biệt, tại các dự án metro và hạ tầng ngầm đô thị, quá trình đào hầm thường diễn ra dưới những khu vực có mật độ công trình cao, mạng lưới hạ tầng kỹ thuật phức tạp và yêu cầu kiểm soát biến dạng nghiêm ngặt.
Những vấn đề phát sinh và thách thức kỹ thuật trong quá trình vận hành TBM thường xuất phát từ ba nhóm yếu tố chính:
- Sự biến động của điều kiện địa chất và nước ngầm: Những thay đổi về thành phần đất đá, đặc tính cơ lý, tính thấm và áp lực nước ngầm có thể làm gia tăng độ phức tạp trong việc duy trì sự ổn định của gương đào và kiểm soát biến dạng địa tầng.
- Sự tương tác giữa thiết bị TBM và địa tầng: Đặc tính của vật liệu đào, lực cản, ma sát, hiện tượng bám dính và mài mòn có thể ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất đào, khả năng vận chuyển đất đá và mức độ ổn định của quá trình vận hành.
- Khả năng thích ứng với điều kiện thi công thực tế: Sự khác biệt giữa dữ liệu khảo sát và điều kiện địa tầng thực tế, cùng những biến động phát sinh trong quá trình đào, đòi hỏi việc liên tục đánh giá và điều chỉnh thông số vận hành, biện pháp kỹ thuật và giải pháp vật liệu nhằm duy trì hiệu quả thi công.
Chính sự tác động đồng thời của những yếu tố này khiến việc vận hành TBM đòi hỏi nhiều hơn khả năng kiểm soát thiết bị đơn thuần. Một phương pháp tiếp cận đồng bộ giữa công nghệ máy móc, kỹ thuật địa chất, giải pháp vật liệu chuyên dụng và giám sát thi công là nền tảng quan trọng để chủ động ứng phó với các thách thức, duy trì tính liên tục và nâng cao hiệu quả đào hầm cơ giới.
Các rủi ro thường gặp khi vận hành máy đào hầm TBM
1. Mất ổn định gương đào và biến động áp lực
Gương đào mất ổn định là một trong những rủi ro địa kỹ thuật quan trọng nhất khi thi công TBM, đặc biệt trong điều kiện đất yếu, địa tầng thấm nước hoặc khu vực có áp lực nước ngầm cao.
Đối với EPB TBM và Slurry TBM, áp lực hỗ trợ gương đào phải được kiểm soát phù hợp với điều kiện địa tầng và phương pháp vận hành. Khi áp lực không được duy trì trong giới hạn thiết kế, đất đá phía trước đầu cắt có thể mất ổn định, dẫn đến biến dạng địa tầng hoặc những sự cố nghiêm trọng hơn.
Nguyên nhân thường gặp
- Địa tầng thay đổi đột ngột hoặc xuất hiện các lớp đất không đồng nhất.
- Áp lực nước ngầm biến động.
- Đặc tính đất đào không phù hợp với yêu cầu hỗ trợ gương đào.
- Mất cân bằng giữa tốc độ tiến máy và lượng vật liệu đào ra.
- Khó kiểm soát tính đồng nhất và trạng thái của vật liệu trong buồng đào.
Dấu hiệu cần theo dõi
Các biến động bất thường về áp lực buồng đào, mô-men xoắn đầu cắt, lượng đất đào, tốc độ tiến máy và số liệu quan trắc địa tầng có thể là những chỉ báo cần được đánh giá.
Giải pháp kiểm soát
Biện pháp cốt lõi là kiểm soát áp lực gương đào theo thiết kế, kết hợp giám sát lượng vật liệu đào, thông số vận hành và chuyển vị địa tầng.
Đối với EPB TBM, công nghệ điều hòa đất sử dụng chất tạo bọt và polymer chuyên dụng có thể cải thiện tính dẻo, độ đồng nhất và khả năng vận chuyển của đất đào. Khi đất được điều hòa phù hợp, vật liệu trong buồng đào có thể đáp ứng tốt hơn yêu cầu truyền áp lực và vận chuyển qua vít tải. Tuy nhiên, hiệu quả điều hòa phụ thuộc vào thành phần đất, hàm lượng nước, áp lực vận hành và đặc tính sản phẩm. Việc lựa chọn hệ hóa chất cần được đánh giá bằng thử nghiệm và thông số thực tế của dự án.
2. Đất sét bám dính gây tắc nghẽn đầu cắt và hệ thống vận chuyển
Trong các địa tầng chứa nhiều khoáng vật sét, đặc biệt khi độ ẩm và điều kiện cơ học thuận lợi cho sự kết dính, đất đào có thể bám chặt vào đầu cắt, buồng đào hoặc vít tải. Hiện tượng này được gọi là Clogging, một thách thức có thể làm suy giảm đáng kể hiệu suất đào hầm.
Những biểu hiện thường gặp
- Mô-men xoắn đầu cắt tăng bất thường.
- Đất đào kết tụ thành khối và khó vận chuyển.
- Vít tải hoạt động kém ổn định.
- Tốc độ tiến máy giảm.
- Gia tăng thời gian dừng máy để kiểm tra và vệ sinh.
Khi hiện tượng bám dính kéo dài, lực cản trong hệ thống đào và vận chuyển có thể tăng lên, gây khó khăn cho việc duy trì điều kiện vận hành ổn định.
Giải pháp kiểm soát
Cần đánh giá đặc tính đất sét, điều kiện độ ẩm, khả năng bám dính và hiệu quả vận chuyển vật liệu đào. Trong những điều kiện phù hợp, các hệ chất tạo bọt, polymer và phụ gia chống bám dính có thể hỗ trợ cải thiện trạng thái đất đào, hạn chế kết tụ và giảm ma sát trong quá trình vận chuyển. Đây là một trong những ứng dụng quan trọng của công nghệ Soil Conditioning, đặc biệt đối với máy EPB TBM vận hành trong địa tầng có tính dẻo dính cao.
Việc tối ưu công thức điều hòa đất cần dựa trên thử nghiệm với mẫu đất thực tế, thay vì áp dụng một cấp phối hóa chất cố định cho mọi địa tầng.
Xem thêm: Giải pháp điều hòa đất TBM: Công nghệ, nguyên lý và ứng dụng trong thi công đào hầm TBM
3. Ma sát, mài mòn và suy giảm hiệu suất thiết bị
Trong quá trình đào hầm, đầu cắt, dụng cụ cắt và hệ thống vận chuyển đất đá liên tục chịu tác động cơ học từ vật liệu đào. Khi địa tầng chứa cát có tính mài mòn cao, sỏi, cuội hoặc đá cứng, tốc độ mài mòn thiết bị có thể gia tăng, ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành và chu kỳ bảo trì. Bên cạnh đó, ma sát và sự tích tụ vật liệu trong hệ thống cũng có thể làm tăng mức tiêu hao năng lượng.
Những yếu tố cần xem xét
- Độ cứng, tính mài mòn và thành phần khoáng vật của đất đá.
- Kích thước và hình dạng hạt.
- Mô-men xoắn, lực đẩy và tốc độ quay đầu cắt.
- Tình trạng dụng cụ cắt và hệ thống bôi trơn.
- Đặc tính vật liệu đào sau khi được xử lý hoặc điều hòa.
Giải pháp kiểm soát
Việc lựa chọn dụng cụ cắt, kiểm tra hao mòn và bảo trì thiết bị vẫn là những biện pháp cơ bản. Đối với các điều kiện địa tầng phù hợp, công nghệ điều hòa đất có thể góp phần giảm ma sát trong hệ thống đào và cải thiện quá trình vận chuyển vật liệu.
Song song đó, các hệ mỡ bôi trơn và làm kín ổ trục chính (Main bearing grease) được sử dụng nhằm đáp ứng yêu cầu bảo vệ và bôi trơn các bộ phận cơ khí tương ứng, tuy vậy cũng cần lưu ý, hóa chất điều hòa đất có thể hỗ trợ cải thiện điều kiện vận hành, nhưng không thay thế giải pháp chống mài mòn cơ học hoặc công tác bảo trì thiết bị.
4. Nước ngầm xâm nhập tại hệ thống làm kín đuôi khiên
Đối với máy TBM dạng khiên đào sử dụng vỏ hầm lắp ghép, khu vực đuôi khiên là một trong những vị trí cần kiểm soát khả năng làm kín đặc biệt nghiêm ngặt. Tại đây, hệ thống chổi làm kín kết hợp với mỡ chuyên dụng tạo thành hàng rào hạn chế nước ngầm, đất mịn và vữa bơm lấp khe vành khuyên xâm nhập vào bên trong máy. Nếu hệ thống làm kín không hoạt động hiệu quả, nước và vật liệu từ bên ngoài có thể xâm nhập, gây ảnh hưởng đến an toàn và tính liên tục của quá trình thi công.
Nguyên nhân có thể bao gồm
- Áp lực nước ngầm cao.
- Mỡ làm kín không đáp ứng điều kiện vận hành.
- Hệ thống chổi làm kín bị hư hỏng hoặc suy giảm hiệu quả.
- Áp lực và lưu lượng cấp mỡ không phù hợp.
- Chuyển vị tương đối giữa đuôi khiên và vỏ hầm.
Giải pháp kiểm soát
Hệ thống mỡ làm kín đuôi khiên (Tail seal grease) cần có đặc tính phù hợp về khả năng chống nước, độ ổn định dưới áp lực, khả năng bám dính và tính bơm cấp. Đồng thời, cần kiểm soát tình trạng chổi làm kín, áp lực cấp mỡ và sự tương thích giữa vật liệu với thiết bị bơm.
Trong điều kiện vận hành phức tạp, việc kết hợp vật liệu làm kín chuyên dụng và hệ thống cấp mỡ phù hợp là yếu tố quan trọng giúp duy trì khả năng bảo vệ khu vực đuôi khiên.
5. Khe hở vành khuyên không được lấp đầy hiệu quả
Trong quá trình thi công TBM bằng khiên đào, đường kính đào thường lớn hơn đường kính ngoài của vỏ hầm lắp ghép, tạo thành khoảng trống giữa kết cấu vỏ hầm và địa tầng xung quanh. Khoảng trống này được gọi là khe hở vành khuyên (Annular gap). Nếu khe hở không được lấp đầy kịp thời hoặc vữa bơm không đạt yêu cầu, địa tầng có thể tiếp tục dịch chuyển, làm gia tăng nguy cơ lún bề mặt và ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của kết cấu hầm.
Những vấn đề thường gặp
- Vữa không phân bố đồng đều trong khe vành khuyên.
- Khả năng bơm hoặc độ lưu động không phù hợp.
- Thời gian đông kết không đáp ứng tiến độ đào.
- Vữa bị tách nước, phân tầng hoặc suy giảm tính ổn định.
- Áp lực và lượng vữa bơm không được kiểm soát phù hợp.
Giải pháp kiểm soát
Công nghệ bơm vữa lấp khe vành khuyên (Annulus grouting) được sử dụng nhằm lấp đầy khoảng trống phía sau vỏ hầm, hỗ trợ truyền tải trọng, ổn định kết cấu và hạn chế chuyển vị địa tầng. Tùy theo phương pháp thi công, điều kiện địa chất và yêu cầu dự án, hệ vữa có thể được thiết kế theo công nghệ một thành phần (1K) hoặc hai thành phần (2K).
Những đặc tính quan trọng cần được xem xét bao gồm:
- Khả năng bơm và độ ổn định của hỗn hợp.
- Thời gian công tác và thời gian đông kết.
- Khả năng lấp đầy khoảng trống.
- Sự phát triển cường độ và độ ổn định thể tích.
- Khả năng tương thích với hệ thống bơm và điều kiện địa tầng.
Đặc biệt, đối với hệ vữa 2K, việc kiểm soát quá trình phối trộn và thời gian phản ứng giữa các thành phần có vai trò quan trọng trong việc đáp ứng chu kỳ vận hành liên tục của máy TBM.
Xem thêm: Vữa lấp khe vành khuyên: Vai trò và giải pháp trong thi công hầm TBM
6. Lún bề mặt và ảnh hưởng đến công trình lân cận
Trong các dự án đào hầm đô thị, kiểm soát lún bề mặt là một trong những yêu cầu quan trọng nhằm bảo vệ công trình hiện hữu và hệ thống hạ tầng kỹ thuật xung quanh. Lún có thể phát sinh do nhiều nguyên nhân khác nhau, từ mất cân bằng áp lực gương đào đến tổn thất thể tích đất hoặc quá trình lấp đầy khe vành khuyên chưa đạt yêu cầu.
Những yếu tố có thể góp phần gây lún
- Mất ổn định hoặc kiểm soát chưa phù hợp áp lực gương đào.
- Lượng đất đào vượt quá mức dự kiến.
- Chậm bơm hoặc bơm không đầy khe vành khuyên.
- Đặc tính biến dạng và cố kết của địa tầng.
- Sự tương tác giữa quá trình đào hầm với công trình hiện hữu.
Giải pháp kiểm soát
Kiểm soát lún đòi hỏi phương pháp tổng thể, kết hợp khảo sát địa kỹ thuật, thiết kế, quan trắc chuyển vị và điều chỉnh thông số vận hành. Trong đó, ba yếu tố có liên hệ chặt chẽ với nhau là:
- Kiểm soát áp lực gương đào: Hạn chế mất ổn định và tổn thất đất trong quá trình đào.
- Điều hòa đất phù hợp: Hỗ trợ duy trì điều kiện vận hành ổn định đối với EPB TBM.
- Bơm vữa lấp khe vành khuyên: Lấp đầy khoảng trống phía sau vỏ hầm và hạn chế chuyển vị địa tầng.
Tại các khu vực nhạy cảm, những biện pháp bổ sung như bơm ép xử lý nền hoặc bơm bù lún có thể được xem xét khi có thiết kế và phương án kỹ thuật phù hợp. Điểm quan trọng là các biện pháp này phải được triển khai đồng bộ với hệ thống quan trắc, thay vì xử lý riêng lẻ sau khi biến dạng đã xuất hiện.
7. Rò rỉ nước tại khe nối và các khuyết tật kết cấu hầm
Sau khi các vòng vỏ hầm được lắp dựng, khả năng kín nước của kết cấu tiếp tục là yếu tố quan trọng đối với chất lượng và độ bền lâu của công trình. Nước có thể xâm nhập qua khe nối giữa các tấm segment, vết nứt bê tông, vị trí xuyên kết cấu hoặc những khuyết tật cục bộ. Tùy theo điều kiện nước ngầm và mức độ rò rỉ, hiện tượng này có thể ảnh hưởng đến môi trường bên trong hầm, công tác hoàn thiện và yêu cầu khai thác lâu dài.
Giải pháp kiểm soát
Cần kiểm soát chất lượng segment, hệ gioăng chống thấm, công tác lắp dựng và điều kiện tiếp xúc tại các khe nối.
Đối với những vị trí cần xử lý bổ sung, công nghệ bơm ép kỹ thuật (Injection) có thể được ứng dụng để:
- Làm kín khe nối và vết nứt có rò rỉ nước.
- Trám lấp các khoảng rỗng cục bộ.
- Xử lý khuyết tật và hỗ trợ gia cường kết cấu.
- Ổn định hoặc làm kín địa tầng tại các vị trí cần thiết.
Các hệ vật liệu như polyurethane (PU), epoxy hoặc acrylic gel có thể được lựa chọn theo yêu cầu chống thấm, điều kiện chuyển vị, đặc điểm vết nứt và mục tiêu xử lý.
Vai trò của hóa chất và công nghệ chuyên dụng trong đào hầm TBM
Trong thi công đào hầm cơ giới, một hệ thống TBM hiện đại chỉ có thể phát huy tối đa năng lực khi các điều kiện địa tầng, thiết bị và vật liệu hỗ trợ được kiểm soát đồng bộ. Đặc biệt, trước những biến động khó lường của địa chất và áp lực nước ngầm, hóa chất xây dựng chuyên dụng không đơn thuần là vật liệu bổ trợ mà là một thành phần kỹ thuật quan trọng, góp phần quyết định tính ổn định và hiệu quả của quá trình thi công.
Thông qua khả năng điều chỉnh đặc tính vật liệu, kiểm soát tương tác giữa thiết bị và địa tầng, cũng như đáp ứng các yêu cầu về làm kín và ổn định kết cấu, công nghệ hóa chất giúp mở rộng khả năng thích ứng của hệ thống TBM trước những điều kiện thi công phức tạp. Khi được ứng dụng phù hợp, các giải pháp này góp phần giảm thiểu nguy cơ gián đoạn vận hành, tối ưu hiệu suất thiết bị và hỗ trợ kiểm soát chất lượng công trình.
Hiệu quả không chỉ nằm ở việc sử dụng hóa chất mà còn phụ thuộc vào việc lựa chọn đúng công nghệ, đúng vật liệu và đúng điều kiện ứng dụng. Mỗi địa tầng có những đặc tính cơ lý, điều kiện nước ngầm và yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Một giải pháp phù hợp trong điều kiện này chưa chắc mang lại hiệu quả tương tự trong điều kiện khác. Vì vậy, việc lựa chọn hệ hóa chất chuyên dụng cần được xem xét ngay từ giai đoạn chuẩn bị thi công, dựa trên kết quả khảo sát địa chất, đặc điểm thiết bị TBM, yêu cầu thiết kế và các thông số vận hành. Đồng thời, quá trình ứng dụng cần có sự phối hợp giữa thử nghiệm vật liệu, tư vấn kỹ thuật và điều chỉnh theo điều kiện thực tế tại công trường.
Giá trị của công nghệ hóa chất không chỉ nằm ở khả năng giải quyết những vấn đề phát sinh, mà còn ở vai trò chủ động kiểm soát rủi ro, duy trì tính liên tục của quá trình thi công và nâng cao hiệu quả tổng thể của dự án.
MC Underground – Giải pháp hóa chất & công nghệ tiên tiến từ Đức cho đào hầm TBM
MC Underground (MCU) là đơn vị chuyên môn thuộc Tập đoàn MC-Bauchemie, Đức – Tập đoàn uy tín thế giới trong lĩnh vực hóa chất xây dựng với hơn 60 năm kinh nghiệm, hiện diện tại hơn 50 quốc gia và có hơn 3.500 nhân sự trên toàn cầu.
MCU – Đối tác Toàn cầu cho Giải pháp Công trình Ngầm, cung cấp các giải pháp hóa chất và công nghệ chuyên biệt, được thiết kế phù hợp với yêu cầu của từng dự án trong lĩnh vực đào hầm và khai thác mỏ. Với năng lực chuyên môn toàn cầu, sự am hiểu thực tiễn và phương pháp tiếp cận theo hệ giải pháp đồng bộ, MCU mang đến những giải pháp tin cậy, hiệu quả và phù hợp với các điều kiện khắt khe của công trình ngầm trên toàn thế giới.
Đối với đào hầm TBM, MCU cung cấp hệ giải pháp hóa chất và công nghệ toàn diện, bao gồm:
- Điều hòa & Ổn định đất
- Chất làm kín đuôi khiên
- Vữa bơm lấp khe hở vành khuyên
- Vật liệu bôi trơn & Làm kín ổ trục
- Phụ gia cho cấu kiện vỏ hầm đúc sẵn, tấm segment
- Bơm xử lý kỹ thuật
Điểm khác biệt trong cách tiếp cận của MCU không chỉ nằm ở danh mục vật liệu, mà còn ở việc kết hợp công nghệ hóa chất với hiểu biết chuyên sâu về địa tầng, thiết bị và quy trình thi công. Qua đó, các giải pháp được định hướng lựa chọn và ứng dụng theo yêu cầu kỹ thuật cụ thể, thay vì áp dụng một phương án chung cho mọi điều kiện công trình.
Khám phá hệ giải pháp hóa chất & công nghệ TBM từ MC Underground
