Điều gì khiến máy khoan đào hầm (TBM) nhanh hơn phương pháp khoan nổ trong đá cứng?

Khi các kỹ sư và quản lý dự án đánh giá các phương pháp đào hầm trong môi trường đá cứng, tốc độ gần như luôn là trọng tâm của cuộc tranh luận. Vấn đề không đơn thuần là kỹ thuật nào hiện đại hơn, mà là kỹ thuật nào mang lại những lợi ích đo lường được về tốc độ tiến độ, hiệu quả chi phí và tiến độ tổng thể của dự án. Máy khoan đào hầm máy khoan đào hầm (TBM) đã, qua hàng thập kỷ phát triển cơ sở hạ tầng, chứng minh bản thân là một cách tiếp cận căn bản khác biệt để phá và vận chuyển đá — một cách tiếp cận được thiết kế xoay quanh tính liên tục, lực cơ giới hóa và hình học chính xác, thay vì sự gián đoạn theo chu kỳ vốn đặc trưng cho các hoạt động khoan nổ truyền thống.

Hiểu được yếu tố nào mang lại lợi thế về tốc độ cho máy khoan đào hầm (TBM) trong điều kiện đá cứng đòi hỏi phải xem xét từng giai đoạn trong chu kỳ đào hầm — cách thức phá vỡ đá, cách thức vận chuyển đất đá đào ra (spoil), cách thức lắp đặt hệ thống chống đỡ và mối quan hệ tương hỗ giữa các hoạt động này dưới chế độ vận hành cơ học liên tục. Phương pháp khoan nổ (drill and blast) thực hiện các bước này theo trình tự tuần tự, với thời gian ngừng bắt buộc giữa các bước. Ngược lại, máy TBM tích hợp hầu hết các chức năng này vào một hệ thống duy nhất vừa tiến về phía trước vừa vận hành liên tục, rất hiếm khi dừng lại. Sự khác biệt về kiến trúc quy trình làm việc này chính là nền tảng cho mọi so sánh hiệu suất giữa hai phương pháp trong điều kiện đá cứng ổn định.

Chu kỳ cắt liên tục so với phương pháp nổ mìn theo kiểu dừng – khởi động

Cách máy TBM loại bỏ thời gian chết

Trong một đường hầm đào bằng phương pháp khoan nổ truyền thống, chu kỳ thi công vốn dĩ mang tính rời rạc. Công nhân khoan một hệ thống lỗ nổ, nhồi thuốc nổ vào các lỗ này, tiến hành nổ mìn, sau đó chờ khói và khí độc bay hết, quay lại kiểm tra hiện trường, loại bỏ những khối đá lỏng lẻo và cuối cùng là xúc dọn vật liệu đã bị phá vỡ. Chỉ sau khi hoàn tất toàn bộ các bước trên, mới tiến hành lắp đặt hệ thống chống đỡ nền đất trước khi chu kỳ tiếp theo bắt đầu. Mỗi chu kỳ hoàn chỉnh thường đẩy tiến độ đào tiến thêm từ một đến bốn mét, trong khi các giai đoạn chờ đợi không tạo ra sản lượng có thể chiếm tới nửa thời gian của cả chu kỳ.

Một máy khoan hầm bằng khiên (TBM) loại bỏ phần lớn thời gian chết này nhờ thiết kế cơ khí. Đầu cắt quay ép các bánh cắt đĩa vào mặt đá với lực đẩy được kiểm soát, tạo ra các vết nứt kéo làm bong tróc và vỡ vụn đá theo một quá trình liên tục. Khi đầu cắt quay, vật liệu đào được rơi ngay lập tức xuống băng chuyền tích hợp trong thân máy và được vận chuyển về phía sau lên mặt đất hoặc đến điểm xử lý. Máy TBM không cần dừng lại để thông gió sau mỗi chu kỳ tiến vì không có vụ nổ thuốc nổ nào sinh ra khí độc.

Sự liên tục trong hoạt động này trực tiếp chuyển hóa thành tỷ lệ tiến độ trung bình cao hơn. Trong khi một đội khoan nổ có thể đạt tốc độ tiến độ từ mười đến mười lăm mét mỗi ngày trong đá cứng dưới các điều kiện thuận lợi, thì một máy đào hầm (TBM) được lựa chọn phù hợp hoạt động trong cùng loại đá đó có thể đạt tốc độ tiến độ từ hai mươi đến năm mươi mét mỗi ngày hoặc hơn, tùy thuộc vào độ bền, độ mài mòn của đá và cấu hình thiết bị. Việc loại bỏ thời gian ngừng hoạt động theo chu kỳ là yếu tố tác động mạnh nhất duy nhất gây ra sự chênh lệch này.

Lực xoay và Hiệu suất Phân mảnh Đá

Các lưỡi cắt đĩa được lắp trên đầu cắt của máy khoan hầm (TBM) được thiết kế để khai thác tính giòn tự nhiên của đá cứng dưới tải trọng tập trung. Khi mỗi lưỡi cắt đĩa lăn dọc theo bề mặt đá dưới lực đẩy cao — thường dao động từ 150 đến 300 kilonewton trên mỗi lưỡi cắt — nó tạo ra các vi nứt lan truyền ngang giữa các rãnh cắt liền kề nhau. Đá bong ra thành các mảnh hình nêm gọi là mảnh vụn hoặc mảnh vỡ nhỏ. Cơ chế lan truyền nứt này có hiệu suất năng lượng cao vì nó tận dụng điểm yếu chịu kéo vốn có của đá thay vì chống lại đặc tính đó.

Các chất nổ trong hoạt động khoan và nổ mìn phải đồng thời vượt qua cả sức cản nén và sức cản kéo, và phần lớn năng lượng bị phân tán thành rung động mặt đất, sóng xung khí và nhiệt thay vì phá vỡ đá một cách hiệu quả. Máy khoan đào hầm (TBM) tập trung năng lượng cơ học một cách chính xác tại vùng tiếp xúc giữa lưỡi cắt và đá, nghĩa là tỷ lệ năng lượng đầu vào được chuyển hóa thành đào đất hữu ích cao hơn nhiều. Trong đá rất cứng, đặc nguyên khối có cường độ nén không giới hạn trên 150 MPa, cơ chế cắt đĩa của máy TBM thực tế hoạt động tốt hơn so với phương pháp nổ mìn, bởi vì tính giòn và cấu trúc vi mô đồng nhất của đá hỗ trợ việc lan truyền vết nứt một cách hiệu quả trên toàn bộ mặt đào.

Xử lý vật liệu đào và lắp đặt chống đỡ tích hợp

Thiết kế hệ thống phía sau và dòng vật liệu liên tục

Lợi thế về tốc độ của máy khoan hầm (TBM) không chỉ đến từ đầu cắt mà còn nhờ vào việc tích hợp hệ thống xử lý đất đá thải ngay trong thân máy. Ngay khi đá bị phá vỡ tại mặt đào, các gạt và xô trên đầu cắt sẽ thu gom vụn đá và đưa chúng lên băng tải nội bộ. Băng tải này vận chuyển liên tục vật liệu về phía sau máy, nơi kết nối với hệ thống băng tải kéo theo hoặc các toa xe chở đất đá chạy trên đường ray để vận chuyển vật liệu lên mặt đất.

Trong hầm đào bằng phương pháp khoan nổ, công tác vận chuyển đất đá (mucking) yêu cầu sử dụng riêng biệt các xe tải xúc và thiết bị vận chuyển, những thiết bị này phải tiếp cận trực tiếp mặt đào. Mặt đào phải được dọn sạch toàn bộ nhân sự và thiết bị trước khi tiến hành nổ mìn, sau đó thiết bị vận chuyển mới được phép quay trở lại làm việc sau khi môi trường đã được xác nhận là an toàn. Quy trình tuần tự này nghĩa là công tác vận chuyển đất đá chỉ có thể bắt đầu sau khi công tác nổ mìn kết thúc, và công tác khoan chỉ có thể tiếp tục sau khi công tác vận chuyển đất đá hoàn tất. Máy khoan hầm (TBM) tích hợp các giai đoạn này thành các quá trình đồng thời — vừa đào vừa vận chuyển đất đá diễn ra cùng lúc, trong một chuyển động liên tục.

Cách tiếp cận tích hợp này cũng làm giảm đáng kể cường độ lao động. Đội vận hành máy TBM quản lý một hệ thống cơ giới hóa thay vì điều khiển nhiều thiết bị độc lập và phối hợp với nhau. Số lượng nhân sự cần thiết trên mỗi mét tiến độ đào giảm đi, đồng thời môi trường làm việc thực tế được kiểm soát tốt hơn, từ đó giảm thiểu thời gian gián đoạn do sự cố an toàn hoặc chậm trễ do phối hợp giữa con người.

Hệ thống chống đỡ nền đất mà không cần ngừng thi công đào

Trong đào hầm qua lớp đá cứng bằng máy khoan hầm có khiên (TBM), việc lắp đặt hệ thống chống đỡ đất đá được thực hiện trong khu vực được bảo vệ ngay phía sau khiên đầu khoan, trong khi quá trình đào vẫn tiếp tục tại mặt đào. Các vòng segment bê tông đúc sẵn được lắp dựng bởi cánh tay lắp dựng tự động ở phần phía sau của máy trong khi đầu khoan tiếp tục tiến vào. Hoạt động song song này là một trong những ưu thế cấu trúc mạnh mẽ nhất của máy TBM so với phương pháp khoan nổ, đặc biệt về khả năng rút ngắn tiến độ thi công.

Các hầm đào bằng phương pháp khoan nổ trong lớp đá cứng có thể yêu cầu lắp đặt hệ thống neo đá theo quy trình chuẩn, bố trí lưới thép và phun bê tông phun (shotcrete) sau mỗi vòng nổ. Những công việc này do công nhân thực hiện bằng thiết bị cầm tay hoặc thiết bị cơ giới hóa, nhưng không thể tiến hành trong lúc đang nổ mìn hoặc khi khói bụi còn tồn tại trong mặt đào. Máy TBM loại bỏ hiệu quả ràng buộc này bằng cách tách biệt khu vực lắp đặt chống đỡ khỏi khu vực cắt đá đang hoạt động thông qua chiều dài vật lý của chính máy.

Kết quả là máy khoan hầm (TBM) có thể duy trì tiến độ đào tiến về phía trước gần như liên tục, ngay cả trong điều kiện đá đòi hỏi phải lắp đặt hệ thống chống đỡ dày đặc. Công việc chống đỡ không làm giảm thời gian đào; thay vào đó, nó được thực hiện song song với quá trình đào, đảm bảo rằng chu kỳ vận hành của máy phản ánh tốc độ đào chứ không phải một lịch trình kết hợp giữa đào và chống đỡ.

Khả năng thích ứng với điều kiện đá và khả năng dự báo hiệu suất

Tại sao đá cứng lại thuận lợi cho hiệu suất của máy khoan hầm (TBM)

Có một giả định phổ biến rằng đá cứng hơn sẽ gây khó khăn hơn cho máy khoan hầm (TBM), nhưng mối quan hệ này mang tính tinh tế hơn. Đá cứng đồng nhất — tức là loại đá có cường độ cao, liên tục và không chứa các đới đứt gãy lớn — thực tế lại tạo ra điều kiện lý tưởng để máy khoan hầm (TBM) đạt được tốc độ tiến đào cao nhất. Sự đồng nhất của khối đá cho phép các lưỡi cắt hoạt động ở gần các thông số tối ưu mà không chịu các biến động tải đột ngột do các khoảng rỗng, lớp đất sét xâm nhập hoặc các hệ tiết lý không thể dự đoán được.

Khoan và nổ mìn, mặc dù có thể thích ứng với các loại đất đá biến đổi, nhưng lại không mang lại lợi thế về tốc độ tương xứng khi gặp đá cứng hơn. Đá cứng hơn đòi hỏi thời gian khoan dài hơn, lượng thuốc nổ lớn hơn và thường cần công tác làm sạch (scaling) cẩn thận hơn sau khi nổ, tất cả những yếu tố này đều làm kéo dài chu kỳ thi công. Hiệu suất của máy khoan đào hầm (TBM) tăng lên một cách thuận lợi hơn khi độ bền của đá tăng, bởi vì đá cứng và giòn hơn thường bị vỡ vụn hiệu quả hơn dưới tải trọng của các lưỡi cắt đĩa. Các dự án tại các vùng đá granit, đá bazan, đá thạch anh và các loại đá tương tự đã liên tục chứng minh rằng tốc độ tiến đào của máy TBM vượt trội đáng kể so với tiến độ thi công bằng phương pháp khoan và nổ mìn.

Tính ổn định của tốc độ tiến đào trên các đoạn đào dài

Một trong những lợi thế chiến lược quan trọng nhất của máy khoan đào hầm (TBM) trong đá cứng là khả năng dự báo chính xác tốc độ đào tiến. Các nhà lập kế hoạch dự án và người lập tiến độ hợp đồng có thể dự báo hiệu suất của máy với độ chính xác đáng kể dựa trên dữ liệu đặc trưng đá thu thập từ khảo sát hiện trường. Khả năng dự báo này rất có giá trị đối với quản lý hợp đồng, lập kế hoạch nguồn lực, điều phối hậu cần và tài trợ dự án.

Thời gian thi công phương pháp khoan nổ trong đá cứng vốn dĩ biến động hơn. Chỉ một lần gặp phải đới đứt gãy bất ngờ, một lớp đá cứng và mài mòn hơn, hoặc điều kiện sụt lở mái không ổn định cũng có thể làm kéo dài đáng kể tiến độ dự án. Máy TBM không miễn nhiễm với những bất ngờ về địa chất, nhưng nhờ bản chất cơ giới hóa, máy có thể phản ứng một cách hệ thống và kiểm soát tốt hơn; đồng thời các hệ thống thu thập dữ liệu của máy có thể cung cấp thông tin thời gian thực về sự thay đổi điều kiện đất đá phía trước mặt đào.

Trong các chuyến đào hầm dài — đặc biệt là những đoạn hầm vượt quá ba đến năm kilômét — lợi thế về tốc độ tích lũy của máy khoan hầm dạng khiên (TBM) trở nên quyết định. Thời gian mất đi do công tác triển khai thiết bị và chi phí vốn ban đầu cao hơn tương đối của máy được phân bổ đều trên toàn bộ chiều dài đào tiến, trong khi tiến độ hàng ngày ổn định hơn hẳn bù đắp dư thừa cho sự chênh lệch đầu tư ban đầu so với phương pháp khoan nổ.

Lực lượng lao động, An toàn và Tích hợp tiến độ

Giảm thiểu việc con người tiếp xúc với các điều kiện nguy hiểm

Lợi thế về tốc độ của máy khoan hầm dạng khiên (TBM) không chỉ thuần túy mang tính cơ học — mà còn bắt nguồn từ việc loại bỏ người lao động ra khỏi những phần nguy hiểm nhất trong quy trình đào hầm. Trong hầm đào theo phương pháp khoan nổ, công nhân phải tiếp cận trực tiếp mặt đào nhiều lần trong mỗi chu kỳ: để khoan, nạp thuốc nổ, xử lý vách đá và lắp đặt hệ thống chống đỡ. Mỗi lần tiếp cận mặt đào đều tiềm ẩn rủi ro, và bất kỳ sự cố an toàn nào — dù nhỏ nhất — cũng gây ra tổn thất thời gian, tích lũy dần qua suốt dự án dài hạn.

Máy khoan hầm TBM giữ phần lớn lực lượng lao động trong các môi trường được kiểm soát bên trong thân máy hoặc trong khu vực phía sau thiết bị kéo đã được thiết lập vững chắc. Hệ thống đầu cắt và băng chuyền tự động đảm nhiệm công việc nguy hiểm nhất liên quan đến việc tiếp cận trực tiếp với lớp đá mới lộ ra. Triết lý thiết kế này làm giảm tần suất sự cố, từ đó trực tiếp bảo vệ tính nguyên vẹn của tiến độ dự án. Các dự án tránh được việc ngừng thi công do các vấn đề an toàn sẽ duy trì được mức độ tiến độ dự kiến một cách đáng tin cậy hơn so với những dự án thường xuyên xảy ra sự cố tại mặt đào.

Quy Trình Làm Việc Song Song và Sử Dụng Đội Lao Động

Một dự án máy khoan đào hầm (TBM) cho phép thực hiện đồng thời nhiều quy trình công việc mà phương pháp khoan nổ không thể đáp ứng được. Trong khi máy tiến vào lòng đất, các đội thi công trên mặt đất hoặc ở phần phía sau máy có thể thực hiện bảo trì, bổ sung vật tư, vận chuyển và lắp đặt các đoạn vỏ hầm, cũng như các hoạt động hậu cần mà không cần dừng công tác đào hầm. Đội vận hành máy được tổ chức theo các vai trò chuyên biệt — điều khiển máy, kỹ thuật viên bảo trì, điều khiển thiết bị lắp ráp các đoạn vỏ hầm, và nhân viên giám sát băng tải — với mỗi nhóm làm việc song song thay vì phải chờ đợi bước trước đó hoàn tất trong một chu kỳ tuần tự.

Khả năng làm việc song song này là yếu tố nhân bội giúp nâng cao hiệu suất về tiến độ. Trong các dự án hạ tầng quy mô lớn như đường hầm metro, hệ thống dẫn nước hoặc đường hầm giao thông xuyên dãy núi, khả năng duy trì đồng thời nhiều luồng công việc cho phép dự án sử dụng máy khoan đào hầm (TBM) đáp ứng các mốc thời gian rút ngắn mà phương pháp khoan nổ hoàn toàn không thể thực hiện được về mặt kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

Máy khoan đào hầm (TBM) đạt tốc độ đào tiến cao nhất trong loại đá cứng nào?

Máy khoan hầm TBM hoạt động tốt nhất trong các loại đá cứng nguyên khối và đồng chất như granite, gneiss, basalt hoặc thạch anh, nơi đá có độ bền cao, tính đồng nhất tốt và tương đối không bị cắt ngang bởi các mặt phá hủy lớn hoặc đứt gãy chứa đất sét. Những điều kiện này cho phép các lưỡi cắt đĩa hoạt động ở các thông số lực đẩy và tốc độ quay tối ưu, từ đó tạo ra vụn đá hiệu quả và đảm bảo ổn định tại mặt đào. Độ đồng nhất càng cao của khối đá thì máy TBM càng có thể duy trì ổn định các tốc độ tiến đào tối đa theo ngày.

Liệu máy TBM luôn vượt trội hơn phương pháp khoan nổ trong đá cứng?

Không phải trong mọi tình huống. Đối với các đường hầm ngắn, các tuyến phức tạp có nhiều thay đổi về hướng hoặc các dự án tại những khu vực đá có tính biến thiên cao với nhiều đới đứt gãy, tính linh hoạt của phương pháp khoan nổ có thể mang lại những ưu điểm bù đắp. Tuy nhiên, đối với các đường hầm dài, thẳng hoặc cong nhẹ đi qua đá cứng ổn định, máy khoan đào hầm (TBM) gần như luôn nhanh hơn một khi máy đã vận hành đầy đủ và chuỗi hậu cần đã được thiết lập. Chiều dài đường hầm điểm hòa vốn—tức là độ dài mà việc sử dụng máy TBM trở nên có lợi thế cả về mặt kinh tế lẫn tiến độ—thường được xem là khoảng từ một đến ba kilômét, tùy thuộc vào đặc thù cụ thể của từng dự án.

Việc bảo trì lưỡi cắt ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ của máy khoan đào hầm (TBM) trong đá cứng?

Mài mòn đầu cắt đĩa là một trong những thách thức bảo trì chính đối với máy khoan đào hầm (TBM) khi làm việc trong đá cứng có tính mài mòn cao. Các đầu cắt bị mòn hoặc hư hỏng phải được thay thế để duy trì hiệu quả cắt, và điều này đòi hỏi phải dừng máy theo lịch trình nhằm kiểm tra và thay đầu cắt. Trong các lớp đất đá có tính mài mòn cao như thạch anh, tốc độ tiêu hao đầu cắt có thể rất lớn và chu kỳ bảo trì diễn ra thường xuyên. Tuy nhiên, các thiết kế máy TBM hiện đại đã tích hợp quy trình thay thế đầu cắt nhanh chóng, đồng thời các lần dừng bảo trì định kỳ ngắn hơn nhiều và dễ dự báo hơn so với các khoảng thời gian gián đoạn không kế hoạch tích lũy trong phương pháp khoan nổ mìn trên cùng một khoảng cách.

Những dữ liệu dự án nào cần được chuẩn bị trước khi lựa chọn máy TBM cho công tác đào hầm trong đá cứng?

Việc khảo sát hiện trường cần bao gồm việc mô tả chi tiết khối đá, trong đó có cường độ nén một trục, cường độ kéo theo phương pháp Brazilian, chỉ số mài mòn đá, khoảng cách và hướng của các khe nứt, điều kiện nước ngầm, cũng như sự hiện diện của bất kỳ đới đứt gãy hay đới cắt lớn nào. Dữ liệu này được đưa trực tiếp vào việc xác định thông số kỹ thuật của máy khoan hầm (TBM), bao gồm khả năng tạo lực đẩy của đầu khoan, loại và khoảng cách bố trí lưỡi cắt, thiết kế vỏ bảo vệ (shield), và cấu hình hệ thống phụ trợ. Dữ liệu địa kỹ thuật chính xác là yếu tố đầu vào quan trọng nhất duy nhất để dự báo liệu máy TBM có đạt được lợi thế về tốc độ như kỳ vọng trên một dự án cụ thể hay không.