Bộ đôi máy đào hầm (TBM) của tuyến metro Nhổn - ga Hà Nội có chiều dài hơn 100m, nặng khoảng 850 tấn, tốc độ tiêu chuẩn khoảng 10m/ngày.
Ở Anh, các TBM hiện đại đã giúp thúc đẩy nền kinh tế. Đường hầm Jubilee của London Underground đã mang lại sự tái phát triển dọc theo tuyến mới. TBM có thể giúp bảo vệ môi trường. Các máy đào đường hầm Lee và Thames Tideway đã giúp cải thiện việc xử lý nước thải cho các khu vực rộng lớn ở London.
Các máy móc có thể kết nối cộng đồng. Ví dụ như Crossrail và Đường hầm eo biển Manche, tất cả đều có thể thực hiện được nhờ TBM.
Khi đường hầm Thames được mở vào năm 1843, nó được gọi là Kỳ quan thứ 8 của thế giới. Trong vòng 3 tháng, một triệu người – một nửa dân số London – đã đến xem.
Công trình này mất 18 năm để xây dựng. Nó khó có thể hoàn thành nếu không có máy đào hầm đầu tiên trên thế giới.
Người ta đã cố gắng đào đường hầm dưới sông từ năm 1799. Tất cả đều thất bại. Các kỹ sư kết luận rằng đường hầm ngầm là không thể. Kỹ sư Marc Brunel, làm việc với cha mình là Isambard Kingdom Brunel, thấy rằng các phương pháp khai thác truyền thống sẽ không hiệu quả với đất sét mềm của London. Vì vậy, ông đã tạo ra và cấp bằng sáng chế cho một thiết bị để 'tạo thành các đường hầm và đường hầm dưới lòng đất'.
Cấu trúc này được gọi là lồng thợ mỏ hoặc lá chắn đường hầm. Khung sắt có nhiều hàng ô, mỗi ô cao bằng một người đàn ông. Một người thợ mỏ đứng trong mỗi ô, đào ở bức tường phía trước.
Sau khi mỗi công nhân đào được vài inch, tấm khiên sẽ được di chuyển về phía trước - thường là khoảng 15 cm - và công việc lại bắt đầu.
Máy đào hầm hiện đại (TBM) trông rất khác so với lồng thợ mỏ của Marc Brunel nhưng chức năng của chúng thì tương tự. TBM đào đất được đưa trở lại phía sau nó – thường là trên băng chuyền. Sau đó, nó di chuyển về phía trước và tiếp tục đào.
Các máy đào TBM ngày nay có kích thước khác nhau nhưng chủ yếu là lớn và hình trụ. Dự án Crossrail của London đã đào 42km đường hầm bên dưới thủ đô bằng tám máy đào TBM nặng 1.000 tấn. Mỗi máy dài 150m với đầu cắt quay. Một máy TBM Crossrail đã đào được 72m chỉ trong một ngày – một bước tiến lớn trong tiến độ đào từng inch của hệ thống đào hầm Brunel.
(Thuật ngữ xung quanh TBM - tunnel boring machine) không có chuẩn mực. Trong một số trường hợp, bất kỳ loại tấm chắn đường hầm cơ giới nào cũng được gọi là TBM. Những lần khác, TBM chỉ được sử dụng cho máy đào hầm đá và không bao gồm máy đào hầm qua đất.)
Tất cả các TBM đều có chung một số tính năng cơ bản. Ở phía trước, một đầu cắt quay đào mặt đường hầm. Vật liệu đào được, được gọi là "bùn", đi qua các lỗ trên đầu cắt và được loại bỏ bằng một số loại hệ thống vận chuyển. Để tiến lên, một TBM sử dụng các xi lanh thủy lực lớn để đẩy vào các mặt đào của đường hầm (trong các TBM "kẹp") hoặc vào lớp lót đường hầm đúc sẵn đã được lắp đặt xung quanh bên trong đường hầm đào. Các TBM kẹp chỉ được sử dụng trong đá, trong khi các TBM đẩy vào lớp lót đường hầm phân đoạn cũng có thể được sử dụng trong đất mềm. Trong đất mềm, tất cả các thiết bị này được bao bọc trong một cấu trúc hình trụ được gọi là "lá chắn", có tác dụng hỗ trợ các mặt của đường hầm trong khi đào. Trong đá, có thể sử dụng hoặc không sử dụng lá chắn này.
TBM có thể được chia thành nhiều loại khác nhau tùy theo yêu cầu về một số loại hỗ trợ cho mặt đường hầm. TBM "kín" sử dụng chất lỏng hoặc vật liệu khác phía sau đầu cắt quay của TBM để ngăn mặt đường hầm bị sụp đổ hoặc nước xâm nhập khi khoan đường hầm. Mặt khác, TBM "mở" không có loại hỗ trợ này và có thể được sử dụng khi mặt đường hầm đủ chắc để tự hỗ trợ trong quá trình đào và nơi nước ngầm xâm nhập không phải là vấn đề.
TBM đã phát triển theo hai con đường song song của sự phát triển công nghệ. Đầu tiên là sự phát triển của máy đào hầm qua đất và đất mềm, và thứ hai là máy đào hầm qua đá. Ngày nay, máy móc của cả hai loại được phân loại là máy khoan hầm, và ranh giới giữa chúng đôi khi không rõ ràng. Nhưng chúng đã phát triển riêng biệt để giải quyết các loại vấn đề khác nhau. Trong đất mềm, việc đào tương đối dễ dàng, và vấn đề chính là ngăn đường hầm bị sụp đổ hoặc ngập nước khi đào. Ngược lại, trong đá, đường hầm thường có thể tự chống đỡ tạm thời trong khi đào, và vấn đề chính là chế tạo một máy đủ mạnh để cắt xuyên qua đá.
Tấm khiên đường hầm của Brunel. Hình chiếu đẳng cự bên phải cho thấy một khung riêng biệt của tấm khiên
Mặc dù mỗi phần trong ba phần này đều bao gồm các phần và bộ phận nhỏ hơn, nhưng đây là cách tốt để hình dung về cỗ máy phức tạp này nói chung, chẳng hạn như Robbins bên dưới:
Gồm hàng chục lưỡi thép đục đất phía trước khi quay, đầu cắt sử dụng lưỡi cắt đĩa, nằm ở phía trước TBM, thực hiện hầu hết công việc khó khăn bằng cách quay và đào đất để máy có thể di chuyển về phía trước. Các lưỡi cắt (lưỡi cắt đĩa) được thay thế khi cần thiết để giữ cho TBM tiến triển với tốc độ không đổi. Tiếp theo là tấm chắn đường hầm (tấm chắn mái) và các tấm bê tông hay còn gọi là phần giữa. Khi TBM tiến triển, nó cần một tấm chắn bên ngoài để bảo vệ chính nó và những công nhân bên trong khỏi mặt đất xung quanh.
Các tấm bê tông được lắp đặt ngay phía sau tấm chắn, trở thành lớp ngoài của đường hầm. Khi đầu cắt di chuyển, các tấm bê tông được nhấc lên và đặt vào đúng vị trí bằng một thang máy chân không quay. Trong khi TBM xây dựng đường hầm, bánh răng kéo của nó (phía sau), trong một số trường hợp bao gồm hơn 300 feet bánh răng hỗ trợ TBM, đào đất và đá cùng lúc, khiến nó trở nên cực kỳ hiệu quả. Bánh răng kéo bao gồm một băng chuyền loại bỏ tất cả đất do đầu cắt đào ra khỏi đường hầm, đường hầm ngày càng dài hơn khi TBM di chuyển.
Bánh răng kéo cũng chứa các vật dụng mà đội vận hành cần để giữ cho máy tiếp tục di chuyển về phía trước. Đôi khi, có thể cần tới 25 thành viên phi hành đoàn cùng một lúc để vận hành TBM. Điều quan trọng cần lưu ý là đây là những cỗ máy cực kỳ phức tạp và những điều trên chỉ là tổng quan đơn giản về cấu tạo và chức năng cơ bản của TBM.
Máy đào hầm ra đời bao giờ?
Cỗ máy đào hầm đầu tiên được thiết kế bởi kỹ sư Marc Brunel (con trai của Isambard) vào thế kỷ 19. Nó được sử dụng để giúp xây dựng đường hầm Thames vào năm 1843 – đường hầm đầu tiên dưới sông.Ở Anh, các TBM hiện đại đã giúp thúc đẩy nền kinh tế. Đường hầm Jubilee của London Underground đã mang lại sự tái phát triển dọc theo tuyến mới. TBM có thể giúp bảo vệ môi trường. Các máy đào đường hầm Lee và Thames Tideway đã giúp cải thiện việc xử lý nước thải cho các khu vực rộng lớn ở London.
Các máy móc có thể kết nối cộng đồng. Ví dụ như Crossrail và Đường hầm eo biển Manche, tất cả đều có thể thực hiện được nhờ TBM.
Khi đường hầm Thames được mở vào năm 1843, nó được gọi là Kỳ quan thứ 8 của thế giới. Trong vòng 3 tháng, một triệu người – một nửa dân số London – đã đến xem.
Công trình này mất 18 năm để xây dựng. Nó khó có thể hoàn thành nếu không có máy đào hầm đầu tiên trên thế giới.
Người ta đã cố gắng đào đường hầm dưới sông từ năm 1799. Tất cả đều thất bại. Các kỹ sư kết luận rằng đường hầm ngầm là không thể. Kỹ sư Marc Brunel, làm việc với cha mình là Isambard Kingdom Brunel, thấy rằng các phương pháp khai thác truyền thống sẽ không hiệu quả với đất sét mềm của London. Vì vậy, ông đã tạo ra và cấp bằng sáng chế cho một thiết bị để 'tạo thành các đường hầm và đường hầm dưới lòng đất'.
Cấu trúc này được gọi là lồng thợ mỏ hoặc lá chắn đường hầm. Khung sắt có nhiều hàng ô, mỗi ô cao bằng một người đàn ông. Một người thợ mỏ đứng trong mỗi ô, đào ở bức tường phía trước.
Sau khi mỗi công nhân đào được vài inch, tấm khiên sẽ được di chuyển về phía trước - thường là khoảng 15 cm - và công việc lại bắt đầu.
Máy đào hầm hiện đại (TBM) trông rất khác so với lồng thợ mỏ của Marc Brunel nhưng chức năng của chúng thì tương tự. TBM đào đất được đưa trở lại phía sau nó – thường là trên băng chuyền. Sau đó, nó di chuyển về phía trước và tiếp tục đào.
Các máy đào TBM ngày nay có kích thước khác nhau nhưng chủ yếu là lớn và hình trụ. Dự án Crossrail của London đã đào 42km đường hầm bên dưới thủ đô bằng tám máy đào TBM nặng 1.000 tấn. Mỗi máy dài 150m với đầu cắt quay. Một máy TBM Crossrail đã đào được 72m chỉ trong một ngày – một bước tiến lớn trong tiến độ đào từng inch của hệ thống đào hầm Brunel.
Máy đào hầm là gì?
Có nhiều loại máy móc khác nhau được sử dụng để đào đường hầm. "Máy khoan đường hầm" sử dụng đầu cắt quay có thể tiếp xúc với toàn bộ mặt đường hầm cùng một lúc. Điều này trái ngược với một thứ như máy đào đường hầm, sử dụng một máy cắt nhỏ hơn nhiều di chuyển qua lại trên mặt đường hầm.
(Thuật ngữ xung quanh TBM - tunnel boring machine) không có chuẩn mực. Trong một số trường hợp, bất kỳ loại tấm chắn đường hầm cơ giới nào cũng được gọi là TBM. Những lần khác, TBM chỉ được sử dụng cho máy đào hầm đá và không bao gồm máy đào hầm qua đất.)
Tất cả các TBM đều có chung một số tính năng cơ bản. Ở phía trước, một đầu cắt quay đào mặt đường hầm. Vật liệu đào được, được gọi là "bùn", đi qua các lỗ trên đầu cắt và được loại bỏ bằng một số loại hệ thống vận chuyển. Để tiến lên, một TBM sử dụng các xi lanh thủy lực lớn để đẩy vào các mặt đào của đường hầm (trong các TBM "kẹp") hoặc vào lớp lót đường hầm đúc sẵn đã được lắp đặt xung quanh bên trong đường hầm đào. Các TBM kẹp chỉ được sử dụng trong đá, trong khi các TBM đẩy vào lớp lót đường hầm phân đoạn cũng có thể được sử dụng trong đất mềm. Trong đất mềm, tất cả các thiết bị này được bao bọc trong một cấu trúc hình trụ được gọi là "lá chắn", có tác dụng hỗ trợ các mặt của đường hầm trong khi đào. Trong đá, có thể sử dụng hoặc không sử dụng lá chắn này.
TBM có thể được chia thành nhiều loại khác nhau tùy theo yêu cầu về một số loại hỗ trợ cho mặt đường hầm. TBM "kín" sử dụng chất lỏng hoặc vật liệu khác phía sau đầu cắt quay của TBM để ngăn mặt đường hầm bị sụp đổ hoặc nước xâm nhập khi khoan đường hầm. Mặt khác, TBM "mở" không có loại hỗ trợ này và có thể được sử dụng khi mặt đường hầm đủ chắc để tự hỗ trợ trong quá trình đào và nơi nước ngầm xâm nhập không phải là vấn đề.
TBM đã phát triển theo hai con đường song song của sự phát triển công nghệ. Đầu tiên là sự phát triển của máy đào hầm qua đất và đất mềm, và thứ hai là máy đào hầm qua đá. Ngày nay, máy móc của cả hai loại được phân loại là máy khoan hầm, và ranh giới giữa chúng đôi khi không rõ ràng. Nhưng chúng đã phát triển riêng biệt để giải quyết các loại vấn đề khác nhau. Trong đất mềm, việc đào tương đối dễ dàng, và vấn đề chính là ngăn đường hầm bị sụp đổ hoặc ngập nước khi đào. Ngược lại, trong đá, đường hầm thường có thể tự chống đỡ tạm thời trong khi đào, và vấn đề chính là chế tạo một máy đủ mạnh để cắt xuyên qua đá.
Tấm khiên đường hầm của Brunel. Hình chiếu đẳng cự bên phải cho thấy một khung riêng biệt của tấm khiên
Máy đào hầm hoạt động như thế nào?
Để đơn giản hóa mọi thứ, chúng ta biết rằng TBM bao gồm ba phần; đầu cắt (phía trước), tấm chắn đường hầm (ở giữa) và bánh răng kéo (phía sau).Mặc dù mỗi phần trong ba phần này đều bao gồm các phần và bộ phận nhỏ hơn, nhưng đây là cách tốt để hình dung về cỗ máy phức tạp này nói chung, chẳng hạn như Robbins bên dưới:
Gồm hàng chục lưỡi thép đục đất phía trước khi quay, đầu cắt sử dụng lưỡi cắt đĩa, nằm ở phía trước TBM, thực hiện hầu hết công việc khó khăn bằng cách quay và đào đất để máy có thể di chuyển về phía trước. Các lưỡi cắt (lưỡi cắt đĩa) được thay thế khi cần thiết để giữ cho TBM tiến triển với tốc độ không đổi. Tiếp theo là tấm chắn đường hầm (tấm chắn mái) và các tấm bê tông hay còn gọi là phần giữa. Khi TBM tiến triển, nó cần một tấm chắn bên ngoài để bảo vệ chính nó và những công nhân bên trong khỏi mặt đất xung quanh.
Các tấm bê tông được lắp đặt ngay phía sau tấm chắn, trở thành lớp ngoài của đường hầm. Khi đầu cắt di chuyển, các tấm bê tông được nhấc lên và đặt vào đúng vị trí bằng một thang máy chân không quay. Trong khi TBM xây dựng đường hầm, bánh răng kéo của nó (phía sau), trong một số trường hợp bao gồm hơn 300 feet bánh răng hỗ trợ TBM, đào đất và đá cùng lúc, khiến nó trở nên cực kỳ hiệu quả. Bánh răng kéo bao gồm một băng chuyền loại bỏ tất cả đất do đầu cắt đào ra khỏi đường hầm, đường hầm ngày càng dài hơn khi TBM di chuyển.
Bánh răng kéo cũng chứa các vật dụng mà đội vận hành cần để giữ cho máy tiếp tục di chuyển về phía trước. Đôi khi, có thể cần tới 25 thành viên phi hành đoàn cùng một lúc để vận hành TBM. Điều quan trọng cần lưu ý là đây là những cỗ máy cực kỳ phức tạp và những điều trên chỉ là tổng quan đơn giản về cấu tạo và chức năng cơ bản của TBM.
