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

Điều kiện Địa chất: Độ ổn định của đất, độ cứng của đá và tác động của nước ngầm

Đánh giá phân tích địa chất và địa kỹ thuật địa hình để lựa chọn máy khoan hầm

Theo một nghiên cứu địa chất gần đây từ năm 2023, các đội thi công thực hiện kiểm tra đất kỹ lưỡng đã giảm được khoảng 62% thời gian chậm trễ trong việc đào hầm. Khi lựa chọn máy khoan hầm, kỹ sư cần xem xét mức độ nứt vỡ của lớp đá nền, kiểm tra các chỉ số dẻo của đất và rà soát các mô hình hoạt động nước ngầm trước đó. Việc làm đúng điều này giúp lựa chọn thiết bị phù hợp với điều kiện thực tế dưới lòng đất. Sử dụng đầy đủ các thông tin này đảm bảo máy móc hoạt động hiệu quả mà không gặp phải những sự cố bất ngờ dưới lòng đất. Ngoài ra, nó còn giúp kiểm soát tốt hơn tổng thời gian thực hiện toàn bộ dự án.

Ảnh hưởng của thành phần đất và đá đến hiệu suất máy khoan hầm

Độ cứng của các cấu tạo đá và mức độ mài mòn của đất ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hoạt động của các máy đào hầm và mức độ hao mòn theo thời gian. Khi xử lý loại đá granit rất cứng có cường độ nén trên 150 MPa, những máy này cần đầu cắt có khả năng tác dụng lực đẩy khoảng 380 kN trên mỗi centimét vuông. Thực tế, con số này cao hơn khoảng 45 phần trăm so với lượng lực cần thiết khi làm việc trong các lớp đất sét mềm hơn. Một vấn đề khác phát sinh từ những khu vực chứa nhiều cuội nằm trong các trầm tích phù sa. Những điều kiện này khiến các đầu cắt dạng đĩa bị mài mòn nhanh hơn khoảng 32 phần trăm so với khi làm việc trong các tầng đá phiến đồng nhất. Mức độ mài mòn này dẫn đến việc các đội bảo trì phải dừng hoạt động thường xuyên hơn và tốn thêm chi phí để sửa chữa hư hại thiết bị. Đối với các dự án gặp phải những thách thức như vậy, việc đầu tư vào các máy được trang bị dụng cụ cắt bền hơn và các hệ thống có thể điều chỉnh áp lực đẩy khi điều kiện thay đổi trong quá trình đào là hoàn toàn hợp lý.

Đánh Giá Sự Hiện Diện Và Áp Lực Của Nước Ngầm Trong Khoan Hầm Trên Nền Đất Yếu

Các loại đất xốp đặt ra những thách thức riêng biệt khi nước chảy qua với tốc độ trên 30 lít mỗi giây. Ở mức này, các kỹ sư thường cần phải sử dụng các máy khoan hầm mặt ép để ngăn mặt đào sụp đổ hoàn toàn. Tình hình trở nên phức tạp hơn khi áp lực thủy lực vượt quá 2,5 bar. Đó là lúc hệ thống bơm vữa bentonite trở nên vô cùng cần thiết để duy trì sự ổn định trong suốt quá trình đào. Điều này đặc biệt quan trọng trong môi trường đô thị, nơi mà việc rò rỉ nước bất ngờ có thể làm hư hại các tòa nhà, đường xá hoặc các tiện ích ngầm nằm gần khu vực thi công. Việc quản lý nước ngầm hiệu quả không chỉ liên quan đến an toàn lao động. Nó còn ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ thi công của các đội xây dựng khi xuyên qua các lớp đất ẩm ướt mà không phải liên tục đối phó với tình trạng ngừng hoạt động thiết bị hay sự cố kết cấu.

Những Thách Thức Của Điều Kiện Đất Hỗn Hợp Đối Với Hoạt Động Máy Khoan Hầm

Khi các máy đào hầm di chuyển từ đất mềm sang đá cứng, tiến độ của chúng chậm lại đáng kể. Dữ liệu ngành cho thấy những chuyển tiếp này có thể làm giảm tốc độ đào trung bình khoảng 27%. Tin tốt là các máy TBM dạng mô-đun với đầu cắt lai đặc biệt thực sự hoạt động hiệu quả hơn trong điều kiện địa chất hỗn hợp. Những máy này kết hợp các răng đục để phá vỡ vật liệu cứng và các lưỡi cắt dạng đĩa cho các đoạn đồng nhất hơn, giúp tăng hiệu suất khoảng 18% khi xử lý các lớp đá sa thạch và sét. Các kỹ sư đánh giá cao những thiết kế linh hoạt này vì chúng giúp kiểm soát những bất ngờ liên tục xảy ra khi đào qua các cấu trúc đá phức tạp, nơi mà không có gì duy trì ổn định lâu dài.

Các Loại Máy Đào Hầm (TBM): EPB, Slurry, Shield và Các Tùy Chọn Đa Mô Hình

Hiểu Về Các Loại TBM và Tiêu Chí Lựa Chọn Theo Nhu Cầu Dự Án

Khi lựa chọn Máy khoan hầm phù hợp, các kỹ sư thường cân nhắc ba yếu tố chính: loại địa chất mà họ đang xử lý, quy mô của dự án và các hạn chế về môi trường có thể áp dụng. Các máy EPB đã trở thành lựa chọn phổ biến để đào hầm trong các khu vực đất mềm tại các thành phố, chiếm khoảng 62% tổng số công trình xây dựng đường sắt đô thị trên toàn thế giới theo các báo cáo gần đây từ các công ty xây dựng ngầm. Đối với những nơi có đất rất ẩm và bão hòa nước, các máy TBM dạng vữa (slurry) hoạt động hiệu quả hơn, trong khi các phiên bản dùng cho đá cứng lại vượt trội khi làm việc xuyên qua các tầng đá rắn chắc và ổn định. Các máy TBM đa chế độ có mức giá cao hơn khoảng 15 đến 20% so với các mẫu tiêu chuẩn, nhưng khoản đầu tư thêm này sẽ mang lại lợi ích theo thời gian vì những máy linh hoạt này có thể điều chỉnh mô-men xoắn và lực đẩy ngay lập tức khi gặp phải các loại vật liệu khác nhau trong quá trình đào, giúp giảm thiểu rủi ro liên quan đến điều kiện địa chất khó lường.

EPB so với Slurry so với TBM đá cứng: Lựa chọn máy khoan hầm phù hợp với điều kiện địa chất

Máy khoan hầm cân bằng áp lực đất (Earth Pressure Balance Tunnel Boring Machines) giữ ổn định mặt đào bằng cách cân đối áp lực từ lớp đất đang được đào với áp lực bên trong buồng máy. Điều này giúp chúng hoạt động hiệu quả trong các loại đất dính như sét và bùn. Đối với các dự án hầm dưới nước, hệ thống vữa (slurry) được sử dụng. Các hệ thống này bơm bùn bentonite có áp lực vào mặt đào để tạo thành lớp kín nước. Rò rỉ nước ngầm là vấn đề nghiêm trọng dưới lòng đất, và việc khắc phục những sự cố này có thể tốn hơn 740 nghìn đô la Mỹ theo nghiên cứu của Ponemon năm ngoái. Khi làm việc với các cấu trúc đá cứng như granit hoặc basalt, cần sử dụng các loại máy khác nhau. Máy TBM đá cứng được trang bị các đầu cắt đĩa bằng hợp kim cacbua vonfram đặc biệt, có khả năng chịu được áp lực đá lớn lên tới khoảng 250 megapascal. Những công cụ bền bỉ này cho phép người vận hành xuyên qua cả những lớp đá cứng nhất mà không làm giảm hiệu suất.

Các máy đào hầm đa phương thức và có mật độ biến đổi cho các địa chất phức tạp hoặc không đồng nhất

Khi làm việc tại các công trường xây dựng nơi mà các lớp đất và đá liên tục thay đổi xen kẽ nhau – điều xảy ra ở khoảng 38 phần trăm các dự án đường sắt xuyên quốc gia – thì các máy đào hầm đa phương thức thực sự phát huy hiệu quả. Điểm nổi bật của những máy móc này là khả năng chuyển đổi từ chế độ cân bằng áp lực đất sang chế độ vữa bùn bất cứ khi nào thành phần địa chất bên dưới thay đổi. Một số mẫu máy tiên tiến còn được trang bị hệ thống mật độ biến đổi. Các hệ thống này hoạt động thông minh bằng cách điều chỉnh tốc độ của đầu cắt và độ đặc của hỗn hợp vữa một cách linh hoạt. Các thử nghiệm thực tế cho thấy kiểu thích nghi theo thời gian thực này giúp giảm khoảng hai mươi phần trăm số lần dừng máy bất ngờ khi làm việc trong những điều kiện mặt cắt hỗn hợp khó khăn. Một nghiên cứu gần đây được đăng trên Tạp chí Kỹ thuật Địa kỹ thuật đã xác nhận lại các phát hiện này từ năm ngoái.

Thiết kế Đầu cắt và Cấu hình Dụng cụ trên Các Loại Máy Khoan Hầm Khác nhau

Cách thức thiết kế đầu cắt thực sự ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động và tuổi thọ của chúng. Đối với máy EPB, các lưỡi gạt xoắn ốc đảm nhiệm việc di chuyển đất một cách hiệu quả. Tuy nhiên, các máy TBM đá cứng lại áp dụng cách tiếp cận khác, sử dụng từ 17 đến 25 đầu cắt dạng đĩa được bố trí theo các vòng đồng tâm để có thể đập vỡ đá một cách hiệu quả. Một số thiết kế mới hơn kết hợp các đặc điểm với đầu cắt lai cho phép người vận hành thay thế dụng cụ khi cần thiết. Theo dữ liệu từ Hiệp hội Đào hầm năm 2023, các hệ thống lai này thực tế có tuổi thọ dài hơn khoảng 30% khi làm việc trong môi trường sa thạch mài mòn. Mức cải thiện như vậy đồng nghĩa với thời gian hoạt động liên tục tốt hơn cho các dự án hầm và giúp kiểm soát chi phí bảo trì theo thời gian.

Quy mô Dự án và Yêu cầu Hiệu suất: Chiều dài, Đường kính và Tốc độ Tiến

Ảnh hưởng của Chiều dài Hầm đến Việc Triển khai và Hiệu suất của Máy Khoan Hầm

Khi đào các hầm dài hơn, máy khoan hầm cần được chế tạo chắc chắn hơn và hoạt động liên tục trong thời gian kéo dài. Đối với các dự án dài trên 5 kilômét, các kỹ sư thường yêu cầu đầu cắt phải mạnh hơn khoảng 25 đến thậm chí 30 phần trăm, cùng với các hệ thống tự động để lắp đặt các đoạn hầm nhằm đảm bảo hoạt động không bị đình trệ. Theo nghiên cứu gần đây từ hội nghị địa kỹ thuật năm ngoái, xi-lanh đẩy có xu hướng mài mòn nhanh hơn khoảng 18% khi máy vận hành vượt quá mốc 3 km. Phát hiện này thực sự nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lập lịch bảo trì hợp lý trong những ngày nay, vì không ai muốn dự án của mình bị đình lại chờ sửa chữa trong các giai đoạn then chốt.

Đáp Ứng Yêu Cầu Tốc Độ Tiến Với Khả Năng Và Độ Chính Xác Của Máy

Tốc độ đào hầm nhanh hay chậm thực sự liên quan đến tổng thời gian thi công toàn bộ dự án. Hầu hết các dự án tàu điện ngầm đô thị hướng tới mục tiêu khoảng 15 đến 20 mét mỗi ngày. Tuy nhiên, tốc độ này thay đổi khi chúng ta đào sâu hơn cho các nghiên cứu khoa học hoặc khảo sát địa chất, nơi độ chính xác quan trọng hơn tốc độ, do đó những dự án như vậy có thể chỉ tiến lên 5 đến 8 mét mỗi ngày. Điểm tối ưu về hiệu suất xảy ra khi mô-men xoắn của máy, thường dao động từ 4.000 đến 12.000 kilonewton mét, được điều chỉnh phù hợp với độ cứng của lớp đá đang khoan qua. Các máy quá mạnh so với nền đất mềm thực tế lại tiêu tốn thêm từ 14 đến 18 phần trăm năng lượng, theo số liệu ngành gần đây từ năm 2024. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc lựa chọn đúng thông số kỹ thuật cơ khí phù hợp với từng loại điều kiện đất khác nhau.

Lựa chọn Đường kính Máy theo Hình học, Hướng tuyến và Độ sâu của Hầm

Việc lựa chọn đường kính tích hợp các yếu tố cấu trúc, chức năng và cơ học địa chất:

• Hầm kỹ thuật : Các hố khoan 3–5 mét tối ưu hóa không gian ở các khu đô thị đông đúc
• Hầm đường sắt : Đường kính 8–12 mét đáp ứng bố trí đường ray và yêu cầu khoảng cách an toàn
• Đường dẫn thủy điện : Các hầm đường kính 14–18 mét điều tiết dòng nước lưu lượng lớn

Độ sâu ảnh hưởng thêm đến thiết kế—cứ tăng 100 mét lớp phủ trên hầm thì áp lực đá tăng thêm 2,7 MPa, đòi hỏi lớp lót phân đoạn phải dày hơn 15–20% để duy trì độ bền cấu trúc.

Các dự án đô thị so với hầm khoan sâu: Cân bằng kích thước, khả năng tiếp cận và các ràng buộc vận hành

Các máy khoan hầm thành phố phải xử lý không gian bị giới hạn nhiều hơn khoảng 40 phần trăm do có rất nhiều đường ống, cáp điện và công trình xây dựng ngầm sẵn, điều này thường có nghĩa là chúng phải được lắp ráp từng bộ phận thay vì vận chuyển nguyên khối. Tuy nhiên, các hầm xuyên núi đi sâu hơn 500 mét lại đối mặt với những thách thức hoàn toàn khác. Những cỗ máy khổng lồ dưới lòng đất này phải chịu áp lực nước lên tới 10 bar, do đó kỹ sư thường trang bị cho chúng các hệ thống mặt khoan có áp lực đặc biệt để duy trì sự ổn định. Nhìn vào dữ liệu từ 87 dự án thực tế cho thấy một điều thú vị: các đội thi công làm việc ở khu vực đô thị chật hẹp chỉ đạt tiến độ mỗi ngày ít hơn khoảng 22% so với những đội hoạt động ở khu vực trống trải. Loại thông tin này thực sự nhấn mạnh lý do tại sao việc mô hình hóa hiệu suất hoạt động của máy móc dựa trên điều kiện cụ thể tại công trường lại quan trọng đến vậy khi lựa chọn thiết bị cho các công việc đào hầm.

Lực đẩy, Mô-men xoắn và Khả năng cơ học trong Hiệu suất Máy khoan hầm

Đo Lực Đẩy và Mô-men Xoắn Dưới Điều Kiện Kháng Lực Địa Chất Biến Thiên

Lượng lực đẩy và mô-men xoắn mà một máy đào hầm cần có nói lên nhiều điều với kỹ sư về khả năng cắt xuyên qua các loại đá và đất khác nhau. Nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Nature vào năm 2025 đã cho thấy rõ mức độ thay đổi đáng kể của những yêu cầu này tùy thuộc vào loại vật liệu mà máy đang làm việc. Các trầm tích mềm cần lực nhỏ hơn nhiều so với sa thạch cứng, đôi khi chênh lệch đến ba lần về lực đẩy yêu cầu. Để xử lý sự biến đổi này, các kỹ sư dựa vào một thứ gọi là phép tính Chỉ số Độ xuyên của nền đất (Ground Penetration Index). Những phép tính này giúp họ điều chỉnh thông số mô-men xoắn sao cho đầu cắt không bị kẹt. Lấy ví dụ đất sét dính kết – hầu hết các máy cần khoảng từ 12 đến 18 kilonewton trên mét vuông để đẩy qua. Nhưng khi chuyển sang đá granit, con số đột ngột tăng lên thành từ 35 đến 50 kN/m². Mức chênh lệch như vậy làm rõ lý do vì sao các máy TBM hiện đại cần có hệ thống thông minh có thể điều chỉnh đầu ra công suất tức thì khi điều kiện dưới lòng đất thay đổi.

Cân bằng Công suất Cơ học với Điều kiện Mặt đất để Đạt Hiệu suất Tối ưu

Việc thực hiện đào hầm hiệu quả đòi hỏi phải điều chỉnh các đường cong mô-men xoắn và hồ sơ đẩy phù hợp với đặc điểm địa chất tại chỗ. Đẩy quá mạnh trên nền đất yếu có thể làm lãng phí khoảng 20-25% năng lượng, theo một số báo cáo ngành công nghiệp năm ngoái. Ngược lại, các máy móc không đủ mạnh khi đào qua đá cứng thường làm hao mòn linh kiện nhanh hơn bình thường khoảng 40%. Nghiên cứu GEplus năm 2025 xác nhận điều này, mặc dù luôn tồn tại những câu hỏi về mức độ tương đồng giữa điều kiện thực địa và kết quả phòng thí nghiệm. Các máy khoan hầm hiện đại ngày nay được trang bị hệ thống điều khiển thông minh theo dõi rung động đầu mũi khoan và mật độ đá trong quá trình hoạt động. Những hệ thống này tự động điều chỉnh thông số vòng quay (RPM), áp dụng lực đẩy phù hợp và quản lý dòng bùn một cách chính xác. Nhờ đó, người vận hành có thể duy trì hiệu suất từ 93% đến gần 97%, ngay cả khi di chuyển qua các điều kiện địa chất hỗn hợp thay đổi liên tục dưới lòng đất.

Các yếu tố về chi phí: Đầu tư ban đầu, vận hành và bảo trì, cũng như Tổng chi phí sở hữu (TCO)

Phân tích đầu tư ban đầu cho việc mua máy đào hầm

Giá cả của các máy đào hầm thay đổi khá nhiều tùy thuộc vào loại máy cần thiết. Các mẫu EPB nhỏ gọn thường bắt đầu từ khoảng 2 triệu USD, trong khi những máy bùn lớn dành cho các hầm đường kính lớn có thể dễ dàng vượt quá 20 triệu USD. Điều gì thực sự làm tăng chi phí? Việc tùy chỉnh đầu cắt đã chiếm khoảng 15 đến 25 phần trăm giá cơ bản. Các hệ thống ổn định nền đất cũng làm tăng ngân sách, và sau đó là vấn đề quy mô. Khi một dự án yêu cầu tăng gấp đôi đường kính khoan từ 6 mét lên 12 mét, hãy chuẩn bị cho chi phí tăng từ 180 đến 220 phần trăm. Đối với bất kỳ ai thực hiện các khoản mua lớn này ngay từ đầu, điều quan trọng là không chỉ nghĩ đến nhu cầu hiện tại mà còn phải cân nhắc đến việc các điều kiện ngầm dưới lòng đất khó lường có thể gây xáo trộn kế hoạch dù đã được tính toán kỹ lưỡng đến đâu.

Chi phí Vận hành và Bảo trì (O&M) theo Các Loại Máy Khoan Hầm

Chi phí O&M thay đổi đáng kể tùy theo loại máy và địa chất. Các máy TBM đá cứng có chi phí thay thế dụng cụ cao hơn 35–45% — trung bình 580 USD/giờ trong đá granit — so với máy EPB trong đất mềm. Các yếu tố chi phí chính bao gồm:

• Sử Dụng Năng Lượng : 480–900 kWh mỗi giờ, tùy thuộc vào độ cản trở
• Lao động : 12–18 kỹ thuật viên cho các ca làm việc liên tục 24/7
• Phụ Tùng Mài Mòn : Các đầu cắt đĩa kéo dài 80–120 giờ trong đá thạch anh so với trên 300 giờ trong đất sét

Các biến số này nhấn mạnh tầm quan trọng của các chiến lược bảo trì dựa trên tình trạng thực tế.

Tính toán Tổng Chi phí Sở hữu đối với Các Dự án Đào hầm Dài hạn

Tổng chi phí sở hữu, hay còn gọi là TCO, bao gồm các yếu tố như khấu hao thiết bị trong khoảng thời gian từ 10 đến 15 năm, cùng với những giờ tốn kém do máy móc ngừng hoạt động. Hãy nghĩ xem: riêng ở các môi trường đô thị lớn, thời gian ngừng hoạt động có thể khiến chi phí đội lên từ 12.000 đến 45.000 USD mỗi giờ! Ngoài ra còn có các rủi ro địa chất, khi điều kiện ngầm không lường trước thường làm tăng chi phí thêm khoảng 25% đến 40%. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây từ năm 2025 đã chỉ ra một điều thú vị: khi các công ty đầu tư vào các máy đào hầm hiện đại hơn được trang bị hệ thống bảo trì thông minh, họ thực sự tiết kiệm được tiền tổng thể, dù khoản đầu tư ban đầu cao hơn khoảng 22%. Và đừng quên rằng khu vực đô thị cũng đặt ra những thách thức riêng. Các dự án tại thành phố thường đắt hơn khoảng 30% trên mỗi kilômét do các hạn chế về tiếng ồn, việc di dời hạ tầng kỹ thuật hiện có và khó khăn trong việc bố trí không gian vận hành hạn chế. Vì vậy, việc xác định chi phí một cách thực tế ngay từ ngày đầu rất quan trọng đối với mọi kế hoạch dự án.

Câu hỏi thường gặp

Những yếu tố chính cần xem xét khi lựa chọn Máy khoan hầm là gì?

Các yếu tố chính cần xem xét khi lựa chọn Máy khoan hầm (TBM) bao gồm loại điều kiện địa chất, quy mô dự án, các hạn chế về môi trường và các yêu cầu kỹ thuật cụ thể như đường kính và tốc độ tiến máy.

Điều kiện địa chất hỗn hợp ảnh hưởng đến hoạt động của TBM như thế nào?

Điều kiện địa chất hỗn hợp có thể làm chậm đáng kể hoạt động của TBM khoảng 27% khi chuyển từ đất mềm sang đá cứng. Tuy nhiên, các TBM dạng mô-đun với đầu cắt lai có thể cải thiện hiệu suất khoảng 18% trong những điều kiện này.

Các yếu tố chi phí chính đối với TBM là gì?

Các yếu tố chi phí chính đối với TBM bao gồm giá mua ban đầu, biến đổi tùy theo loại máy và mức độ tùy chỉnh, cũng như chi phí vận hành và bảo trì định kỳ, chẳng hạn như tiêu thụ năng lượng, nhân công và thay thế các bộ phận mài mòn.

Sự khác biệt giữa các loại TBM EPB, bùn và TBM đá cứng là gì?

Các TBM EPB được sử dụng trong điều kiện đất mềm và duy trì sự ổn định mặt bằng cách cân bằng áp suất. Các TBM dạng vữa phù hợp với đất bão hòa nước và sử dụng bentonite để tạo thành các lớp kín. Các TBM đá cứng có các bộ phận bền hơn để đào xuyên qua các tầng đá rắn.

Chiều dài hầm ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất máy?

Các hầm dài hơn đòi hỏi các TBM chắc khỏe hơn với đầu cắt mạnh hơn và hệ thống lắp đặt segment hiệu quả. Hiệu suất có thể giảm 18% nếu các máy không được bảo trì đầy đủ cho các dự án vượt quá 3 kilômét.