Vữa lấp khe vành khuyên: Vai trò và giải pháp trong thi công hầm TBM

Phía sau mỗi bước tiến của máy TBM là hàng loạt công đoạn kỹ thuật cần được phối hợp chính xác để đảm bảo sự ổn định của đường hầm. Trong đó, bơm vữa lấp khe vành khuyên (Annulus Grouting) đóng vai trò quan trọng trong việc lấp đầy khoảng trống sau vỏ hầm, hỗ trợ ổn định địa tầng và kiểm soát nguy cơ lún bề mặt.

Mặc dù diễn ra phía sau thân máy TBM và ít được quan sát trực tiếp, công tác này có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng kiểm soát biến dạng địa tầng, hạn chế lún bề mặt và đảm bảo điều kiện làm việc của hệ vỏ hầm lắp ghép.

Vậy vữa lấp khe vành khuyên là gì, đóng vai trò như thế nào và đâu là những yêu cầu kỹ thuật cần quan tâm khi lựa chọn hệ vữa cho từng dự án?

1. Khe hở vành khuyên trong thi công hầm TBM là gì? 

Trong quá trình đào hầm cơ giới bằng máy TBM có khiên đào và sử dụng vỏ hầm lắp ghép, đường kính đào thường lớn hơn đường kính ngoài của các đốt vỏ hầm bê tông đúc sẵn (segment). Sự chênh lệch này tạo ra một khoảng trống hình vành khuyên giữa mặt ngoài vỏ hầm và bề mặt đất đá sau đào, được gọi là khe hở vành khuyên (Annular Gap).

Nếu khoảng trống này không được lấp đầy kịp thời và đồng đều, địa tầng xung quanh có thể dịch chuyển vào vùng rỗng, làm gia tăng nguy cơ biến dạng nền đất và lún bề mặt. Đồng thời, vỏ hầm có thể không nhận được sự nâng đỡ đồng đều theo yêu cầu thiết kế.

Để giải quyết vấn đề này, vữa bơm lấp khe vành khuyên được đưa vào khoảng trống phía sau vỏ hầm thông qua hệ thống bơm và đường ống chuyên dụng. Tùy cấu hình máy TBM, vữa có thể được bơm qua các cửa bơm tại đuôi khiên hoặc qua các vị trí bơm được thiết kế trên đốt vỏ hầm.

Quá trình bơm thường được phối hợp với tiến độ đào và lắp dựng vỏ hầm, nhằm hạn chế thời gian khoảng trống tồn tại mà chưa được lấp đầy.

Cần phân biệt công tác này với bơm ép gia cố địa tầng. Về mặt ứng dụng, vữa lấp khe vành khuyên chủ yếu được sử dụng để lấp đầy khoảng trống phía sau vỏ hầm, trong khi đó, bơm ép gia cố địa tầng hướng đến cải thiện các đặc tính và tăng cường sự ổn định của đất đá tại những khu vực cần xử lý. 

2. Vai trò của vữa lấp khe vành khuyên trong thi công hầm TBM

Một hệ vữa bơm lấp phù hợp không chỉ thực hiện nhiệm vụ trám đầy khoảng trống sau vỏ hầm. Quan trọng hơn, nó góp phần tạo ra điều kiện tiếp xúc và truyền tải lực giữa kết cấu vỏ hầm với địa tầng xung quanh.

2.1. Hạn chế biến dạng địa tầng và nguy cơ lún bề mặt

Khi máy TBM tiến lên, sự hình thành khe hở vành khuyên có thể tạo điều kiện cho đất đá xung quanh dịch chuyển. Nếu khoảng trống không được bù lấp hiệu quả, chuyển vị địa tầng có thể lan truyền lên phía trên và gây lún bề mặt.

Đây là vấn đề đặc biệt đáng quan tâm tại các dự án metro, đường sắt đô thị hoặc tuyến hầm đi qua khu vực có mật độ công trình xây dựng cao.

Việc bơm vữa kịp thời, kết hợp kiểm soát áp lực và thể tích bơm, góp phần hạn chế sự dịch chuyển của đất đá vào khe hở. Tuy nhiên, hiệu quả kiểm soát lún còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như áp lực gương đào, đặc điểm địa chất, tổn thất thể tích đất và quá trình vận hành TBM.

2.2. Tạo lớp đỡ đồng đều cho kết cấu vỏ hầm

Hệ vỏ hầm lắp ghép được thiết kế để làm việc trong mối tương tác với địa tầng xung quanh. Vì vậy, chất lượng tiếp xúc giữa vỏ hầm và đất đá đóng vai trò quan trọng đối với khả năng làm việc của kết cấu.

Khi được bơm lấp đầy đủ và phát triển các đặc tính cơ học theo yêu cầu, lớp vữa phía sau vỏ hầm góp phần hình thành môi trường nâng đỡ tương đối đồng đều, hạn chế những vùng tiếp xúc không liên tục hoặc các khoảng rỗng cục bộ.

Điều này hỗ trợ sự ổn định của hệ vỏ hầm và quá trình truyền tải lực giữa kết cấu với địa tầng.

2.3. Góp phần kiểm soát đường dẫn nước phía sau vỏ hầm

Trong điều kiện địa tầng chứa nước, những khoảng rỗng hoặc vùng không được lấp đầy có thể tạo điều kiện hình thành đường dẫn nước dọc theo phía ngoài vỏ hầm.

Việc lựa chọn hệ vữa có khả năng lấp đầy và đặc tính thấm phù hợp sẽ góp phần kiểm soát hiện tượng này theo yêu cầu của từng dự án.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng vữa lấp khe vành khuyên không thay thế hoàn toàn hệ thống chống thấm của kết cấu hầm. Khả năng kín nước tổng thể còn phụ thuộc vào gioăng chống thấm giữa các segment, chất lượng lắp dựng, cấu tạo mối nối và các giải pháp xử lý liên quan.

2.4. Hỗ trợ duy trì tiến độ và tính liên tục của quá trình đào

Trong thi công TBM, hiệu quả vận hành phụ thuộc vào sự phối hợp của nhiều hệ thống kỹ thuật. Nếu vữa bơm lấp có tính công tác không phù hợp, dễ phân tầng, khó bơm hoặc đông kết không đúng thời điểm, quá trình thi công có thể bị ảnh hưởng.

Ngược lại, một hệ vữa được thiết kế phù hợp với thiết bị và điều kiện thực tế sẽ hỗ trợ quá trình bơm diễn ra ổn định, giảm nguy cơ tắc nghẽn và góp phần duy trì nhịp độ thi công.

Như vậy, lựa chọn vữa lấp khe TBM không đơn thuần là lựa chọn một loại vật liệu, mà là một phần của bài toán phối hợp giữa thiết kế cấp phối, thiết bị bơm và điều kiện vận hành tại công trường.

3. Các loại vữa bơm lấp khe vành khuyên phổ biến

Trong thi công hầm bằng máy TBM, hệ vữa bơm lấp có thể được thiết kế theo nhiều cấu hình khác nhau. Trong đó, hai nhóm thường được nhắc đến là vữa một thành phần (1K Grout) và vữa hai thành phần (2K Grout).

Mỗi hệ vữa có đặc điểm riêng về thành phần, tính công tác, quá trình đông kết và yêu cầu thiết bị. Việc lựa chọn cần dựa trên điều kiện địa chất, thiết kế công trình cũng như phương án thi công cụ thể.

3.1. Vữa một thành phần TBM (1K Grout)

Vữa một thành phần là hệ vữa được chuẩn bị thành một hỗn hợp thống nhất trước khi đưa vào hệ thống bơm. Tùy thiết kế cấp phối, hệ vữa có thể sử dụng chất kết dính thủy lực, vật liệu khoáng, nước và các loại phụ gia nhằm điều chỉnh tính công tác và quá trình phát triển cường độ.

Đặc điểm đáng chú ý của hệ vữa 1K là không yêu cầu phối trộn thêm một thành phần kích hoạt riêng ngay tại đầu bơm theo nguyên lý hệ A/B.

Để đảm bảo khả năng thi công, cấp phối vữa cần duy trì tính đồng nhất và khả năng bơm trong khoảng thời gian phù hợp với quy trình vận hành. Đồng thời, quá trình đông kết và phát triển cường độ phải đáp ứng yêu cầu nâng đỡ vỏ hầm.

Tùy điều kiện dự án, hệ vữa 1K có thể là một lựa chọn phù hợp khi đặc tính vật liệu và phương án tổ chức thi công đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật.

3.2. Vữa hai thành phần TBM (2K Grout)

Khác với hệ một thành phần, vữa hai thành phần TBM thường bao gồm hai thành phần được chuẩn bị và vận chuyển riêng biệt trước khi phối trộn tại vị trí bơm.

Trong hệ vữa A/B sử dụng chất kết dính thủy lực, thành phần A thường là hỗn hợp vữa được thiết kế để duy trì khả năng bơm trong thời gian cần thiết. Thành phần B là chất kích hoạt, được đưa vào để thúc đẩy quá trình tạo gel hoặc đông kết khi hai thành phần tiếp xúc với nhau.

Ưu điểm quan trọng của cấu hình này là khả năng tách biệt hai yêu cầu vốn có thể mâu thuẫn nhau: duy trì tính công tác trong quá trình vận chuyển và bơm, đồng thời tạo sự chuyển biến nhanh về trạng thái vật liệu sau khi được đưa vào vị trí cần lấp đầy.

Chẳng hạn, trong hệ giải pháp của MC-Bauchemie, MC-Montan Grout 01 là chất kích hoạt dành cho vữa bơm lấp hai thành phần, có chức năng khởi tạo giai đoạn tạo gel và hỗ trợ điều chỉnh quá trình phát triển cường độ sớm. Trong khi đó, MC-Montan Grout 02 là phụ gia dành cho thành phần A, hỗ trợ cải thiện độ ổn định, khả năng phân tán và tính bơm của hỗn hợp vữa.

Bên cạnh đó cũng cần lưu ý, hệ vữa 2K cũng đòi hỏi sự kiểm soát phù hợp đối với tỷ lệ phối trộn, lưu lượng cấp liệu, thiết bị bơm và khả năng tương thích giữa các thành phần.

3.3. So sánh vữa một thành phần và hai thành phần TBM

Mỗi hệ vữa đều có những đặc điểm và ưu thế riêng, vì vậy việc lựa chọn cần được cân nhắc dựa trên điều kiện thi công thực tế, yêu cầu kiểm soát biến dạng địa tầng cũng như các đặc tính kỹ thuật cần đạt được của vật liệu sau khi bơm. 

Bên cạnh việc lựa chọn hệ vữa 1K hoặc 2K, công nghệ vật liệu cũng đang mở ra những hướng tiếp cận mới nhằm tối ưu hiệu quả kỹ thuật và sử dụng tài nguyên trong thi công hầm.

Xem thêm: Vữa bơm lấp khe vành khuyên cho TBM: Ứng dụng Công nghệ EFC hướng đến giải pháp hiệu quả và bền vững

4. Những yêu cầu kỹ thuật quan trọng đối với vữa lấp khe vành khuyên

Dù sử dụng hệ vữa một hay hai thành phần, chất lượng bơm lấp phụ thuộc vào sự phù hợp giữa đặc tính vật liệu và điều kiện thi công.

4.1. Khả năng bơm và tính công tác ổn định

Vữa cần có đặc tính lưu biến phù hợp để được vận chuyển qua hệ thống đường ống và phân bố vào khe hở vành khuyên. Độ nhớt, ứng suất chảy, khả năng duy trì tính công tác và độ ổn định của hỗn hợp đều có thể ảnh hưởng đến áp lực bơm, lưu lượng và khả năng lấp đầy. Nếu vữa quá đặc, nguy cơ khó bơm hoặc tắc nghẽn có thể tăng lên. Ngược lại, hỗn hợp thiếu ổn định có thể xuất hiện hiện tượng tách nước, phân tầng hoặc suy giảm tính đồng nhất.

Vì vậy, cấp phối cần được đánh giá trong điều kiện phù hợp với thiết bị và thời gian vận chuyển thực tế.

4.2. Khả năng lấp đầy khoảng trống và ổn định thể tích

Mục tiêu quan trọng của công tác bơm vữa sau vỏ hầm là hạn chế các khoảng rỗng còn lại trong khe vành khuyên. Để đạt được điều đó, vữa phải có khả năng phân bố phù hợp trong không gian cần lấp đầy, đồng thời duy trì sự ổn định thể tích theo yêu cầu thiết kế.

Hiện tượng co ngót, tách nước hoặc thất thoát vữa vào địa tầng có thể ảnh hưởng đến chất lượng bơm lấp. Đây là những yếu tố cần được xem xét khi thiết kế cấp phối và xây dựng phương án kiểm soát thi công.

4.3. Kiểm soát thời gian đông kết và phát triển cường độ

Một hệ vữa lý tưởng về mặt vận hành cần đủ thời gian để được trộn, vận chuyển và bơm, nhưng cũng phải phát triển đặc tính cơ học phù hợp sau khi được đưa vào khe hở. Nếu vữa đông kết quá sớm, quá trình bơm có thể bị gián đoạn. Ngược lại, nếu sự phát triển cường độ quá chậm so với yêu cầu thiết kế, khả năng nâng đỡ vỏ hầm trong giai đoạn đầu có thể bị ảnh hưởng.

Đây là lý do phụ gia điều chỉnh tính công tác, kiểm soát thủy hóa và chất kích hoạt đóng vai trò quan trọng trong nhiều hệ vữa chuyên dụng.

4.4. Khả năng tương thích với điều kiện địa chất và nước ngầm

Áp lực nước ngầm, độ thấm của địa tầng, thành phần hóa học của nước và đặc điểm đất đá đều có thể ảnh hưởng đến lựa chọn vật liệu.

Trong những điều kiện đặc biệt, hệ vữa có thể cần đáp ứng thêm yêu cầu về khả năng chống rửa trôi, độ bền hóa học, độ thấm hoặc tương tác cơ học với địa tầng. Chẳng hạn, MC Underground đã phát triển một hệ vữa bơm lấp không sử dụng xi măng dựa trên công nghệ geopolymer cho điều kiện địa tầng đá có khả năng trương nở. Đây là ví dụ cho thấy việc lựa chọn hệ vữa đôi khi phải giải quyết những yêu cầu địa chất vượt ra ngoài các cấp phối thông thường.

4.5. Kiểm soát áp lực, lưu lượng và thể tích bơm

Bên cạnh đặc tính vật liệu, các thông số vận hành cũng có vai trò quyết định đến chất lượng bơm lấp.

Áp lực bơm quá thấp có thể khiến vữa không phân bố đầy đủ, trong khi áp lực không phù hợp theo hướng ngược lại có thể gây tác động bất lợi đến địa tầng hoặc kết cấu vỏ hầm. Do đó, công tác thi công cần được kiểm soát theo phương án đã thiết kế, kết hợp theo dõi áp lực, lưu lượng, thể tích bơm và các dữ liệu quan trắc liên quan.

Áp lực và thể tích bơm vữa cần được tính toán, điều chỉnh phù hợp với đặc điểm của từng dự án, dựa trên các yếu tố như kích thước khe hở vành khuyên, điều kiện địa chất, áp lực nước ngầm, hệ thống thiết bị và yêu cầu kỹ thuật thi công.

5. Kết luận: Vữa bơm lấp là một phần quan trọng của hệ thống thi công hầm bằng máy TBM

Trong đào hầm TBM, hiệu quả của quá trình đào không chỉ được đánh giá qua tốc độ tiến của máy TBM mà còn thông qua khả năng kiểm soát địa tầng và chất lượng kết cấu hầm sau lắp dựng.

Vữa lấp khe vành khuyên đóng vai trò quan trọng trong việc lấp đầy khoảng trống phía sau vỏ hầm, hỗ trợ kiểm soát biến dạng và tạo điều kiện nâng đỡ kết cấu theo yêu cầu thiết kế. Dù lựa chọn vữa một thành phần hay hai thành phần, yếu tố quyết định vẫn là sự phù hợp giữa đặc tính vật liệu, điều kiện địa chất và phương án thi công.

6. Giải pháp vữa lấp khe vành khuyên từ MC Underground

Với các dự án thi công hầm TBM, sự khác biệt về điều kiện địa chất, thiết kế vỏ hầm và cấu hình thiết bị đặt ra yêu cầu ngày càng cao đối với hệ vật liệu bơm lấp.

Đó cũng là lý do MC Underground (MCU) phát triển các giải pháp vữa lấp khe vành khuyên theo hướng linh hoạt, có thể điều chỉnh để phù hợp với những yêu cầu kỹ thuật cụ thể của từng công trình.

Các nhóm giải pháp có thể bao gồm hệ vữa một thành phần, hệ vữa hai thành phần, kết hợp với phụ gia nhằm điều chỉnh khả năng bơm, tính ổn định, thời gian công tác và quá trình phát triển cường độ, và có thể được điều chỉnh theo điều kiện địa tầng.  MCU cũng phát triển những giải pháp chuyên biệt như hệ vữa không sử dụng xi măng và hệ vữa có tính thấm theo yêu cầu ứng dụng.

Bên cạnh công nghệ vật liệu, đội ngũ chuyên gia MCU còn hỗ trợ tư vấn, lựa chọn và tối ưu giải pháp phù hợp với đặc điểm kỹ thuật của dự án, góp phần nâng cao hiệu quả triển khai tại công trường.

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.

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.