Những yếu tố nào cần được xem xét khi chọn máy khoan hầm cho một dự án?

Các điều kiện địa chất và địa kỹ thuật ảnh hưởng đến việc lựa chọn máy khoan hầm

Đánh giá thành phần đất, đá và độ ổn định của nền đất

Máy khoan hầm (TBMs) đòi hỏi sự tương thích địa chất chính xác để vận hành hiệu quả. Một nghiên cứu năm 2023 trên Báo cáo Khoa học cho thấy 70% thời gian ngừng hoạt động của TBM là do không tương thích về địa chất, đặc biệt trong môi trường đất hỗn hợp. Các yếu tố cần xem xét bao gồm:

• Các lớp đá mài mòn gây mài mòn đầu cắt nhanh hơn 3 lần so với đất mềm
• Các tầng đất giàu sét đòi hỏi tăng khả năng mô-men xoắn để ngăn máy bị tắt máy
• Các vùng đứt gãy đòi hỏi điều chỉnh hỗ trợ mặt đất theo thời gian thực để tránh sập đổ

Đánh giá áp lực nước ngầm và các vùng đứt gãy

Áp lực nước ngầm vượt quá 5 bar có thể làm suy giảm độ bền của hầm, trong khi các vùng đứt gãy làm tăng nguy cơ sập đổ lên 40%. Các TBM hiện đại tích hợp:

• Cảm biến áp suất hyperbaric để phát hiện ngay lập tức tình trạng nước xâm nhập
• Hệ thống vữa được kích hoạt ở ngưỡng chênh lệch áp suất 3 bar
• Các mô-đun kiểm tra địa chấn sơ bộ để xác định các đường đứt gãy trong phạm vi 15 mét tính từ đường khoan

Nghiên cứu điển hình: Điều chỉnh TBM phù hợp với địa chất phức tạp trong hầm Gotthard Base Tunnel

Dự án Gotthard phải đối mặt với 73 ranh giới địa chất khác nhau, bao gồm:

1. Đá biến chất trầm tích các đoạn yêu cầu công suất đẩy 450 kN
2. Các vùng nước ngầm được quản lý thông qua hệ thống thoát nước hai giai đoạn
3. Các đới trượt được giảm thiểu thông qua các hệ thống lót từng đoạn dạng mô-đun

Sự điều chỉnh này đã giảm 62% thời gian chậm trễ do yếu tố địa chất so với các phương pháp truyền thống, chứng minh vai trò then chốt của khảo sát địa kỹ thuật toàn diện trong việc lựa chọn máy khoan hầm.

Phối hợp các loại Máy khoan hầm với điều kiện đất nền

Việc lựa chọn máy khoan hầm (TBM) tối ưu đòi hỏi phải phù hợp hóa khả năng của máy với các thách thức dưới mặt đất.

TBM ép bùn, TBM dung dịch và TBM đá cứng: Lựa chọn dựa trên điều kiện địa chất

Các máy đào hầm cân bằng áp lực đất (EPB) hoạt động tốt nhất trong các loại đất mềm và ở khu vực thành thị, nơi chúng sử dụng vật liệu đất nén để giữ cho thành hầm ổn định đồng thời hạn chế tối đa chuyển động trên bề mặt. Khi xử lý điều kiện đất bão hòa nước, các máy khoan hầm khiên bùn sẽ được sử dụng vì chúng trộn đất sét bentonite với nước để tạo thành hỗn hợp bùn nhằm cân bằng áp lực nước ngầm từ phía dưới. Các máy TBM đá cứng được trang bị đầu cắt dạng đĩa có thể tiến nhanh qua các tầng đá rắn chắc với tốc độ khoảng 15 đến thậm chí 30 mét mỗi ngày, tùy thuộc vào chất lượng đá. Theo một nghiên cứu gần đây được công bố năm 2022, khi kỹ sư chọn sai loại máy phù hợp với điều kiện địa chất cụ thể, các dự án thường bị trì hoãn lâu hơn khoảng hai phần ba so với dự kiến. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thực sự hiểu rõ những gì nằm bên dưới trước khi bắt đầu công tác đào hầm.

Các máy TBM đa chế độ cho điều kiện đất biến đổi và không đồng nhất

Các máy khoan hầm hiện đại kết hợp cả công nghệ EPB và bùn, cho phép xử lý các loại đá khác nhau mà không cần dừng toàn bộ dự án. Lấy hầm Gotthard Access làm ví dụ điển hình. Tại đây, các kỹ sư đã sử dụng một chiếc máy có thể chuyển đổi chế độ nhiều lần trong quá trình đào. Cụ thể, nó đã thay đổi thiết lập khoảng 14 lần riêng biệt khi xuyên qua các lớp đá vôi xen kẽ với đất sét mềm hơn. Những máy này được trang bị cảm biến liên tục giám sát tình hình dưới lòng đất. Khi phát hiện sự thay đổi của địa tầng phía trước, hệ thống tự động điều chỉnh các thông số như mô-men xoắn và lực đẩy. Điều này đã giúp giảm khoảng 40% số lần dừng bất ngờ khi gặp điều kiện mặt cắt hỗn hợp phức tạp. Một lợi ích lớn khác đến từ thiết kế đầu khoan dạng mô-đun. Thay vì mất hàng tuần để thay thế dụng cụ phù hợp với từng dạng địa chất, đội thi công giờ đây có thể hoàn thành việc thay đổi trong khoảng hai ngày, góp phần rất lớn trong việc duy trì tiến độ dự án.

Kích thước hầm, Độ thẳng hàng và Yêu cầu về Hiệu suất Máy móc

Ảnh hưởng của Độ sâu, Đường kính và Hướng tuyến hầm đến Việc lựa chọn TBM

Độ sâu của một đường hầm quyết định áp lực đất mà nó chịu, điều này có nghĩa là các máy đào hầm cần được xây dựng đặc biệt chắc chắn để chịu được áp lực trên 5 bar khi đào sâu dưới lòng đất. Kích thước cũng rất quan trọng. Những máy lớn với đường kính hơn 12 mét thường hoạt động tốt nhất với hệ thống cân bằng áp lực đất trong môi trường đô thị, nơi chúng ta không muốn các tòa nhà bị sụt lún. Các máy nhỏ hơn, dưới 6 mét, có thể sử dụng công nghệ khoan định hướng để đạt được độ chính xác cao trong định vị. Khi đường hầm uốn cong hoặc đi thẳng đứng lên/xuống, người vận hành cần những máy móc có khả năng uốn cong và xoắn đáng kể – khoảng 8 độ khả năng quay giúp họ xử lý những thay đổi độ cao phức tạp mà không làm máy bị vỡ. Các nghiên cứu gần đây về đầu mút hầm hình chữ nhật đã chỉ ra một điều thú vị: nếu chiều cao lớn hơn 1,5 lần chiều rộng, thì nguy cơ xảy ra sự mất ổn định sẽ cao hơn khoảng 34%. Điều đó giải thích tại sao các kỹ sư dành nhiều thời gian để thiết kế đầu cắt phù hợp chính xác với từng tuyến hầm cụ thể.

Tối ưu hóa Công suất, Lực đẩy và Tốc độ Tiến để Nâng cao Hiệu quả Dự án

Các máy khoan hầm hiện đại ngày nay cần từ 2.500 đến 6.000 kiloniu-tơn lực đẩy chỉ để duy trì chuyển động tiến về phía trước với tốc độ hợp lý khoảng 15 đến 35 milimét mỗi phút khi làm việc trong điều kiện địa chất hỗn hợp. Các hệ thống truyền động phải được thiết kế phù hợp với yêu cầu mô-men xoắn của đầu cắt, thường dao động từ 3 đến 15 meganiu-tơn mét. Khi làm việc xuyên qua các tầng đá cứng, các lưỡi cắt dạng đĩa thường quay với tốc độ khoảng 5 đến 6 vòng trên phút, được cung cấp năng lượng bởi các động cơ 350 kilôoát. Điều kiện vận hành thay đổi đáng kể khi xét đến các máy cân bằng áp lực đất hoạt động trong các loại đất mềm hơn. Những máy này tập trung chủ yếu vào việc kiểm soát quá trình tháo dỡ đất thải, do đó chúng phụ thuộc nhiều vào khả năng mô-men xoắn của băng tải vít, nói chung cần từ 120 đến 250 kilôniu-tơn mét. Một số phát hiện thú vị từ các nghiên cứu về khoan hầm trong đất mềm thực hiện năm 2015 cho thấy rằng việc điều chỉnh áp lực đẩy theo thời gian thực có thể giảm sai số định hướng gần một nửa so với việc duy trì thiết lập áp suất cố định. Các kỹ sư vận hành hầm luôn phải cân nhắc giữa tốc độ muốn đẩy nhanh tiến độ thi công và tuổi thọ của dụng cụ. Các nghiên cứu gần đây từ năm 2022 chỉ ra rằng chỉ cần giảm 20% vòng quay mỗi phút có thể thực sự kéo dài gấp đôi tuổi thọ của các lưỡi cắt khi làm việc trong các tầng đá granit có tính mài mòn cao.

Tích Hợp Công Nghệ và Hiệu Quả Vận Hành trong Các Máy Khoan Hầm Hiện Đại

Các máy khoan hầm hiện đại (TDMs) hiện nay được trang bị tự động hóa và hệ thống dẫn đường hỗ trợ AI giúp tối ưu độ chính xác khi đào hầm đồng thời giảm thiểu sai sót do con người. Các công cụ giám sát thời gian thực được tích hợp trong các hệ thống này phân tích dữ liệu địa chất để điều chỉnh mô-men xoắn và lực đẩy của đầu cắt một cách linh hoạt, đảm bảo độ chính xác về độ thẳng trong phạm vi ±10mm ngay cả trong các tầng đá không ổn định.

Tự Động Hóa, Hệ Thống Dẫn Đường Hỗ Trợ AI và Giám Sát Thời Gian Thực

Các hệ thống AI hiện đại có thể xử lý hơn 500 đầu vào cảm biến mỗi giây, cho phép dự đoán cách mặt đất sẽ phản ứng và điều chỉnh thông số khoan phù hợp. Điều này thực tế đã giảm khoảng một phần tư số lần dừng bất ngờ trong các dự án lớn như xây dựng đường hầm Gotthard Base Tunnel. Khi nói đến việc quản lý vữa sét, tự động hóa giúp duy trì mức áp suất ổn định, từ đó ngăn ngừa sụp đổ khi làm việc trong điều kiện đất ẩm. Các hệ thống giám sát thời gian thực cũng đã chứng minh hiệu quả rất cao, giảm khoảng 40% các vấn đề rò rỉ nước so với các phương pháp thủ công truyền thống. Và đừng quên những tính năng bảo trì dự đoán giúp thiết bị hoạt động lâu hơn, kéo dài tuổi thọ linh kiện khoảng 30% theo báo cáo thực địa từ nhiều công ty kỹ thuật.

Hệ thống Chẩn đoán và Điều khiển Từ xa để Nâng cao Hiệu suất

Các trung tâm điều khiển tập trung hiện nay cho phép vận hành TBM từ xa sử dụng chẩn đoán được kết nối IoT. Ví dụ, các thuật toán phân tích rung động phát hiện mài mòn bạc đạn trước khi hỏng hóc 50 giờ, cho phép sửa chữa chủ động. Một dự án thí điểm năm 2024 sử dụng hệ thống hướng dẫn từ xa đã đạt được thời gian hoạt động liên tục 98% trong các công trình lắp đặt đường ống đô thị bằng cách tối ưu hóa việc thay đầu cắt và dọn vật liệu thải.

Những tiến bộ này giúp rút ngắn thời gian dự án từ 20–30% đồng thời giảm chi phí nhân công và các sự cố an toàn.

Tổng Chi Phí Sở Hữu, Bảo Trì và Khả Năng Thích Ứng của Lực Lượng Lao Động

Chi Phí Vòng Đời, Nhu Cầu Bảo Trì và Khả Năng Sửa Chữa

Tổng chi phí sở hữu (TCO) của một máy khoan hầm vượt xa giá mua ban đầu, với chi phí vận hành và bảo trì (O&M) chiếm 45–60% tổng chi phí trong suốt vòng đời. Điều này bao gồm:

• Bảo dưỡng định kỳ : Kiểm tra đầu cắt ($12k–$18k mỗi lần) và thay thế phớt kín ($740k–$2,1 triệu mỗi năm) để ngăn ngừa sự cố nghiêm trọng
• Sửa chữa ngoài kế hoạch : Thay thế các bộ phận mài mòn trong điều kiện đá mài mòn, có thể tốn lên tới 30% ngân sách hàng năm của dự án
• Ảnh hưởng do ngừng hoạt động : Thời gian chậm trễ 1–2 tuần do hỏng ổ bi làm giảm hiệu suất đào hầm từ 18–22%

Khả năng tiếp cận để sửa chữa chiếm 25% chi phí bảo trì trong không gian làm việc chật hẹp. Các thiết kế mô-đun với các thành phần tiêu chuẩn giúp giảm 40% thời gian thay thế linh kiện so với các hệ thống tùy chỉnh.

Đào tạo Người vận hành, Các Tính năng An toàn và Tuân thủ Quy định Địa phương

Các thợ vận hành có tay nghề cao cải thiện tốc độ đào tiến lên 15% đồng thời giảm mài mòn dụng cụ cắt gọt xuống 28%. Các chứng chỉ bắt buộc hiện nay yêu cầu:

• 120–180 giờ đào tạo trên thiết bị mô phỏng cho các hoạt động máy khoan hầm (TBM) trong điều kiện đất yếu
• Các buổi diễn tập an toàn hàng tuần bao gồm dập lửa và sơ tán khẩn cấp
• Tuân thủ các tiêu chuẩn khu vực như quy trình vào không gian hạn chế của OSHA (29 CFR 1926.800)

Các máy khoan hầm hiện đại tích hợp hệ thống tránh va chạm (giảm 25% sự cố) và giám sát khí tự động để đáp ứng các cập nhật Chỉ thị Máy móc EU 2023. Một dự án năm 2023 tại Trung Âu đã chứng minh rằng các chương trình đào tạo linh hoạt đã giảm 30% thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch thông qua phân tích hiệu suất theo thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

Những yếu tố chính nào ảnh hưởng đến việc lựa chọn Máy khoan hầm (TBM)?

Các yếu tố chính bao gồm sự tương thích địa chất như thành phần đá, loại đất, độ ổn định mặt đất, áp lực nước ngầm và sự hiện diện của các vùng đứt gãy, những điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của máy móc và sự thành công tổng thể của dự án.

Máy đào hầm hiện đại xử lý các điều kiện đất biến đổi như thế nào?

Các Máy Đào Hầm Hiện Đại, đặc biệt là các mẫu lai, tích hợp cả công nghệ Cân Bằng Áp Lực Đất (EPB) và công nghệ vữa sét để thích ứng với các loại đá khác nhau, sử dụng cảm biến theo thời gian thực để giám sát và tự động điều chỉnh.

Tại sao việc tích hợp công nghệ lại quan trọng trong các máy đào hầm (TBM)?

Việc tích hợp công nghệ như hệ thống dẫn đường hỗ trợ trí tuệ nhân tạo (AI) và giám sát theo thời gian thực giúp cải thiện độ chính xác khi đào, giảm sai sót do con người và nâng cao hiệu quả vận hành tổng thể bằng cách điều chỉnh động học các thiết lập đầu cắt để đảm bảo căn chỉnh chính xác.

Yêu cầu đào tạo nào cần thiết đối với người vận hành TBM?

Các thợ vận hành thường được yêu cầu phải có từ 120 đến 180 giờ đào tạo trên thiết bị mô phỏng, thực hiện các buổi diễn tập an toàn hàng tuần và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn khu vực như quy trình vào không gian hạn chế của OSHA để đảm bảo hoạt động TBM hiệu quả và an toàn.