http://www.ebook.edu.vn

1

Kỹ Thuật Đào Hầm Trong Đô Thị
( Phương pháp Shield)
Iዊ
ዊዊ
ዊ PHẦN GIỚI THIỆU
1. Phân Loại các đường hầm.
Du lai tên đường hầm TUNNEL
Từ tiếng Pháp TONNE (có nghĩa là thùng tô nô lớn) rồi trở thành tiếng Anh
là Tunnel (có nghĩa là cái ống, hang).
Tuỳ theo vị trí của đường hầm mà được phân loại như:
đường hầm vùng núi
đường hầm đô thị
đường hầm dưới nước
Phân loại theo mục đích thì như sau:
đường hầm giao thông (đường bộ, đường sắt)
đường hầm dẫn nước
đường hầm đa dụng (kéo dây thông tin, dâp cáp điện, v.v…)
đường hầm sinh hoạt (phố xá) dưới mặt đất

Về đường hầm giao thông thì có:
hầm đường bộ
hầm đường sắt
hầm xe điện ngầm
Về đường hầm dẫn nước thì có:
hầm áp lực dùng cho nhà máy phát điện thuỷ lực
hầm cấp thoát nước
hầm dẫn nước sông ngòi

2) Máy đào shield được cấu tạo từ 3 bộ phận. Bộ phận trước che kín (hood),
bộ phận thân giữa (girder) và bộ phận đuôi (tail)
http://www.ebook.edu.vn

3

Bộ phận trước che kín có đĩa cắt đất đá, bộ phận thân có kích để đẩy bộ
phận đầu lên phía trước, và bộ phận đuôi có thiết bị gắn ráp các tấm vỏ hầm
(segment).
Hình-2 Các bộ phận của máy đào
3) Máy đào shield được đưa xuống vị trí đào dưới lòng đất từ một giếng
thẳng đứng được đào ở vị trí khởi đầu của đường hầm.
Máy được vừa đẩy lên phía trước để đào, và đất đào phía trước mặt cắt
được đưa vào phía sau máy và chuyển ra ngoài theo giếng thẳng đứng.
Sau mỗi đọan đào, những tấm vỏ hầm (segment) được gắn liên kết quanh
chu vi tiết diện hầm tạo thành vỏ hầm (vỏ hầm lớp thứ nhất).
Máy đào được đẩy lên phía trước bằng những cái kích gắn ở phần thân.
http://www.ebook.edu.vn

4

Hình-3 Khái niệm về công tác thi công đào hầm Shield
Đường kính ngoài của đầu máy đào lớn hơn đường kính ngoài của các tấm
vỏ hầm sau khi gắn liên kết. Vì vậy phía sau các tấm vỏ hầm có khe hở, nên
cần phải làm kín bằng cách bơm vữa vào khe hở để tránh trình trạng đất bị
lún.
http://www.ebook.edu.vn

5


v.v…
1) Phân tích ảnh hưởng của thi công đối với các kết cấu xây dựng tiếp cận.
Để đánh giá ảnh hưởng của thi công đến các kết cấu xây dựng có sẵn, cần
đánh giá về phạm vi chống đỡ của các kết cấu này, về khoảng cách giữa
đường hầm và các kết cấu, đặc tính địa chất, cấu tạo và độ trọng yếu của các
kết cấu đó. Độ ảnh hưởng thường được phân tích bằng giải tích (FEM).
2) Gia cường địa chất
Trong trường hợp ảnh hưởng của thi công đường hầm đến các kết cấu xây
dựng có sẵn được đánh giá là có, thì cần có những đối sách để bảo vệ các
cấu tạo vật này. Có 3 phương pháp gia cường địa chất như sau.
(1) Gia cường vùng đất mà máy đào sẽ đi qua, để giảm thiểu đất bị xáo trôn
hoặc dịch chuyển khi máy đào qua vùng gần đó.
(2) Trực tiếp gia cường địa chất xung quanh kết cấu xây dựng có sẵn để bảo
vệ, phòng chống kết cấu bị lún.
(3) Xây dựng các kết cấu ngăn chận như vách chắn ngăn cách giữa đường
hầm và các kết cấu xây dựng có sẵn, để phòng chống di dời của lớp đất khi
đường hầm được đào qua vùng phụ cận.
3) Tuyển chọn phương pháp bảo vệ
Khi tuyển chọn phương pháp bảo vệ thì cần điều tra kỹ mức độ trọng yếu
của kết cấu, điều kiện địa chất xung quanh v.v
Có nhiều phương pháp gia cường địa chất, tiêu biểu như: bơm hóa chất
(chemical injection), phun và trộn (vữa xi măng) vào lớp đất được gia cường
với áp lực cao. Ngoài ra còn có những phương pháp khác như tạo những
hàng cột thẳng đứng, hoặc những hàng cột bằng kim loại, hoặc vách ngăn
liên tục trong lòng đất.
http://www.ebook.edu.vn

8

Hình-8 Khái niệm về các phương pháp gia cường địa chất

với các quốc gia tây Âu, nhưng Nhật Bản đã áp dụng phương pháp này trong
những điều kiện đất yếu trong các đô thị. Qua quá trình thi công cho nhiều
công trình, phương pháp SHIELD đã chứng minh sự hữu hiệu, thich hơp của
nó cho các vùng địa chất yếu trong đô thị.
Từ những thành công của phương pháp này, SHIELD được sử dụng phổ
biến cho các công tác đào cống cấp thoát nước, đường đường xe điện ngầm,
v.v…
Phương pháp SHIELD truyền thống là phương pháp được áp dụng cả
phương pháp bơm khí nén trong máy đào. Ngoài ra, để đối phó với địa chất
yếu và nước ngầm nhiều nên nhiều trường hợp còn cần thêm những phương
pháp phụ trợ như gia cường địa chất bằng những phương pháp như bơm hóa
chất v.v…vào nơi cần gia cường.
Ngoài ra, để tránh thi công trong môi trường có khí ép, ảnh hưởng không
tốt đến sức khỏe con người và vùng địa chất xung quanh, năm 1965 Nhật
Bản đã phát minh ra phương pháp đào SHIELD có mặt cắt khép kín, và sau
đó được phát triển nhanh chóng.
Phương thức này được phân chia ra làm 2 loại chính là máy SHIELD dùng
áp lức đất và máy SHIELD dùng áp lực nước bùn. Máy đào của cả 2 phương
thức này đều có mặt cắt phía trước khép kín, và lợi dụng áp lực của đất đào
được hoặc nước bùn bơm vào phòng chứa, để đối kháng với áp lực của mặt
cắt và nước ngầm từ bên ngoài, tạo an định trong khi đào.
http://www.ebook.edu.vn

11

Phương pháp phụ trợ bơm vữa hóa chất vào lòng đất để gia cường địa chất
ở thời kỳ đầu được áp dụng rộng rãi nhưng vì lý do hóa chất làm ô nhiễm
mạch nước ngầm nên sau khoảng năm 1974, việc sử dụng vữa hoá chất bị
hạn chế.
2. Phân loại máy đào Shield

(4)Shield điều chỉnh độ đóng mở
Là loại shield đào có hình thái như máy đào bằng tay mà phía trước có gắn
vách ngăn cách, vách ngăn cách này có thể điều chỉnh độ đóng mở. Tuỳ theo
trạng thái địa chất mà độ mở được điều chỉnh cho thích hợp. Đất đào được
đẩy ra ngoài trong quá trình đào. Vì đất được đưa ra tự động nên hiệu suất
đào cao.
Tuy nhiên, vì phương thức này đòi hỏi tính mềm dẻo của đất đào nên chịu
ảnh hưởng của đặc tính của loại đất cho nên cần điều tra phạm vi có thể áp
dụng được.

http://www.ebook.edu.vn

14

Hình-7 Khái niệm máy đào điều chỉnh độ đóng mở
(5)Shield dùng áp lực đất
Là một loại shield có mặt trước khép kín, lợi dụng áp lực của đất đào trong
phòng phía sau đĩa cắt để đối kháng với áp lực của đất và nước ngầm từ mặt
gương đào.
Đất đào được đưa ra bằng băng tải guồng soắn (screw conveyer), lượng
đất đưa ra được điều chỉnh theo áp lực của đất trong phòng chứa và được
quản lý bằng áp lực kế.
Trong trường hợp có lớp đất cát và sét xem kẽ nhau cũng có thể thích ứng
được vì đất sẽ được trộn trong phòng chứa đất làm đất dễ dàng lưu động hơn,
nên được sử dụng rộng rãi hơn loại shield điều chỉnh độ đóng mở.
http://www.ebook.edu.vn

15

Hình-8 Khái niệm máy đào dùng áp lực đất

trí tiếp cận kết cấu trọng yếu, thì nguyên tắc không cần gia cố địa chất.
5) Không cần phương pháp khí nén
Vì đất bùn chứa đầy trong phòng chứa phía sau và trên băng tải tạo chống
thấm nên nước ngầm không vào bên trong máy được.
6) Mặt bằng trên giếng đứng khởi đầu nhỏ gọn
Mặt bằng sử dụng trên giếng khởi đầu chỉ bằng loại đào bằng tay, nhỏ gọn
nên thích hợp khi công trong phố đông đảo.
7) Có thể bơm vữa vào khe hở giữa vỏ hầm và lớp đất bên ngoài đồng thời
với công tác đào
Xung quang bên ngoài máy đào được bao bọc bởi lớp đất bùn chống thấm
nên vữa bơm vào không bị rò rỉ ra trước mặt cắt. Vì có thể bơm vữa sớm nên
giảm thiểu được độ lún của lớp đất nguyên dạng.

http://www.ebook.edu.vn

17

Hình-9 Khái niệm máy đào dùng áp lực đất bùn
(7) Shield dùng áp lực nước bùn
Là loại máy shield mà nước bùn được bơm vào phòng chứa và tạo áp lực
lớn hơn áp lực của nước ngầm trước mặt cắt. Do tác dụng ép của nước bùn,
mặt đất phía trước mặt cắt sẽ được tạo một màn bùn hoặc một lớp đất thấm
bùn, sẽ tạo an định cho mặt cắt.
Đất đào được đưa ra theo sự tuần hoàn của nước bùn. Do đó, đất được đưa
ra ngoài trong khi đào, và dễ dàng quản lý sự an định của mặt gương. Vì đất
trước mặt cắt có pha trôn nước bùn nên dao cắt đào đất cũng ít bị hao mòn.
Ngoài ra, vì lợi dụng áp lực của nước bùn tạo an định cho mặt gương nên
thích hợp cho trường hợp đào dưới lòng biển hoặc dưới lòng sông có áp lực
nước ngầm cao.
http://www.ebook.edu.vn

(5) Bảo đảm an toàn lao động.

Đặc biệt cần phải thích nghi với điều kiện địa chất của toàn tuyến đường,
điển hình như một số điều kiện tiêu biểu như sau:
(1) Đất sét yếu có tính lưu động cao
(2) Lớp cát hoặc cát đá dễ sụp lỡ
(3) Lớp cát hoặc cát đá có nước ngầm hoặc nước chịu áp lực
(4) Lớp đất có đá lớn
(5) Lớp đất có những vật như thân cây v.v…
(6) Lớp đất phức tạp gồm cả đất mềm yếu và đất cứng
4. Khái lược phương pháp thi công
1) Tổng quát
Trước hết, xây dựng giếng thẳng để hạ máy shield xuống lòng đất, sau khi
lắp ráp xong, bắt đầu đào hầm khởi đầu từ giếng thẳng đứng này.
Trong khi thi công, thì các công tác đào, đẩy máy tiến lên, lắp các tấm vỏ
hầm, và đưa đất đào ra ngoài được lập đi lập lại. Khoảng trống giữa các tấm
vỏ hầm và lớp đất xung quanh bên ngoài được bơm vữa lấp đầy.
Sau khi đã đào đến vị trí cuối cùng, thì ở vị trí này, một giếng thẳng đứng
được cấu tạo để đưa máy đào lên trên sau khi tháo gỡ ở phía dưới.
Ngoài ra, tùy theo nhu cầu. mục đích của đường hầm, vỏ hầm thứ hai
(second lining) được thi công.
2) Những đặc điểm
(1)Ưu điểm
(a) Trong quá trình thi công, ảnh hưởng đến các kết cấu xây dựng bên
trên ít
(b) Có thể thi công trong lòng đất sâu
(c) Không cần phải di dời những kết cấu có sẵn trong lòng đất
(d) Không gây ra nhiều tiếng ồn, chấn động
(e) Khi sử dụng phương pháp khí nén thì có thể phòng chống được rò rỉ
từ bên ngoài

dụng như làm cửa cống, lỗ thông hơi, thoát nước, thiết bị nhà ga v.v….
a) Giếng đứng ở điểm khởi đầu
Dùng để đưa máy đào vào, lắp ráp, khởi đầu đào, đưa các tấm vỏ
hầm, vữa bơm phía sau vỏ hầm, đưa đất đào ra ngoài, cấp và thải
nước, điện, thông hơi, cửa ra vào, v.v…
http://www.ebook.edu.vn

21

Hình-11 Khái niệm về giếng đứng ở điểm khởi đầu
http://www.ebook.edu.vn

22

b) Giếng đứng ở điểm cuối
Dùng để tháo gỡ, di dời máy đi sau khi đào xong. Ngoài ra, trong
trường hợp của đường hầm cho đường xe điện ngầm, nó có thể là vị
trí để máy đào quay đầu đào ngược lại môt đường thứ hai song song
với đường trước.
c) Giếng đứng trung gian
Trong trường hợp đường đào dài, thì giếng trung gian được coi như
là giếng ở điểm khởi đầu của khúc nối tiếp. Ngoài ra, nó còn có chức
năng làm thông gió hoặc thoát nước sau khi đường hoàn thành, hoặc
dùng để thay đổi phương hướng của đường đang thi công.
Về phương pháp cấu trúc giếng thì thông thường phương pháp
caisson, dùng các tấm chắn giữ đất bằng kim loại, tạo vách trong
lòng đất v.v…được sử dụng rộng rãi.
(2) Lắp ráp máy đào
Máy đào sau khi đã đươc lắp ráp và vận hành thử tại nhà máy thì được
tháo gỡ ra để dễ mang đi và đưa xuống giếng đứng ở điểm khởi đầu.

Hình-12 Khái niệm về p.p. đào giai đoạn đầu (2)
http://www.ebook.edu.vn

25

Hình-12 Khái niệm về p.p. đào giai đoạn đầu (3)
(4) Chuẩn bị gian đoạn đào chính
Sau khi hoàn thành giai đoạn đầu, thì tháo gỡ những dụng cụ tạm như
tấm vỏ hầm tạm, bộ phận làm điểm tựa tạm cho kích đẩy máy đào, phụ
tùng kê lót máy đào v.v…sau đó đưa các xe vận chuyển vật tư trong hầm
và các thiết bị cần thiết…
(5) Đào chính
Phần đào chính là giai đọan thi công chính của công trình. Nội dung,
qui chế quản lý thi công cho giai đoạn nầy được tham khảo từ những số
liệu đo đạt được trong thi công giai đoạn đầu.
Đặc điểm của giai đoạn thi công chính gồm có như sau:
a) Những thiết bị được sắp nối phía sau máy đào, những đường dây ống
như ống nhớt áp lực, dây điện v.v… được kéo dài ra tùy theo tiến độ
chiều dài của đường hầm. Vì vậy công tác đào được thi công một cách có
hiệu quả.
b) Sau đào giai đoạn đầu, những thiết bị tạm được di dời ra ngoài giếng
đứng nên dễ dàng vận chuyển vật tư vào hoặc ra hầm.
Bảng sau chỉ qui trình thi công chính của công tác đào chính
(a) Đào, thải đất đào đươc ra ngoài
(b) Lắp đặt các tấm vỏ hầm