Các sự cố thường gặp khi thi công hầm bằng máy đào TBM

Thi công đường hầm bằng máy TBM là một phương pháp hiện đại được ứng dụng rộng rãi trong các dự án hạ tầng đô thị, giao thông và thủy lợi. Tuy nhiên, quá trình này đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật liên quan đến địa chất, thiết bị, yếu tố con người và đặc điểm địa hình. Dưới đây là phân tích chi tiết về các vấn đề thường gặp và các biện pháp khắc phục nhằm tối ưu hóa hiệu quả thi công.

1. Rủi Ro Địa Chất

Địa chất là yếu tố quyết định trong thi công đường hầm, và các điều kiện bất lợi có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng về an toàn và tiến độ.

• • Biến dạng đá và nổ đá (Rock Deformation and Rock Burst):
    Trong các đường hầm sâu, nơi áp suất đất (ground stress) vượt quá sức chịu đựng của khối đá, hiện tượng biến dạng hoặc nổ đá có thể xảy ra. Điều này đặc biệt phổ biến ở các vùng có đá cứng như granite hoặc basalt với ứng suất nén cao (thường >50 MPa). Nổ đá không chỉ gây nguy hiểm cho công nhân mà còn làm hỏng thiết bị và làm gián đoạn thi công. Nguyên nhân chủ yếu là do sự giải phóng đột ngột năng lượng tích tụ trong khối đá.

• • Sụp đổ ở các vùng nứt gãy và đá mềm (Collapse of Fracture Zones and Soft Rock):
    Các vùng đá bị nứt gãy hoặc đá mềm (như đá phiến sét hoặc đá trầm tích có cường độ nén thấp, <20 MPa) có xu hướng mất ổn định khi chịu tác động của TBM. Hiện tượng sụp đổ thường dẫn đến sự cố an toàn, làm chậm tiến độ và tăng chi phí gia cố. Độ bền của đá trong các vùng này thường không đủ để chống lại áp lực từ lớp phủ phía trên.

• • Nước ngầm và thấm nước (Water Inflow and Seepage):
    Ở các đoạn hầm đi qua tầng chứa nước ngầm (aquifers), áp lực thủy tĩnh cao có thể làm suy yếu cấu trúc đá, gây hiện tượng xói mòn hoặc sạt lở cục bộ. Nước thấm vào hầm không chỉ làm giảm tốc độ đào mà còn gây ăn mòn các bộ phận kim loại của TBM, như đầu cắt và hệ thống thủy lực, dẫn đến hư hỏng sớm.

• • Rò rỉ khí (Gas Leakage):
    Trong các đường hầm đi qua các tầng địa chất chứa khí tự nhiên (như methane, CO2 hoặc H2S), sự tích tụ khí độc hại tạo ra nguy cơ cháy nổ và ngộ độc cho đội thi công. Đặc biệt, methane là một mối đe dọa nghiêm trọng trong các mỏ than hoặc vùng địa chất có hoạt động kiến tạo mạnh.

2. Rủi Ro Liên Quan Đến Thiết Bị

TBM là một hệ thống phức tạp bao gồm đầu cắt, khiên chắn và các đoạn lắp ghép (segments). Các sự cố thiết bị thường xuất phát từ điều kiện địa chất khắc nghiệt hoặc bảo trì không đúng cách.

• • Kẹt đầu cắt TBM (TBM Jamming):
    Đầu cắt của TBM có thể bị kẹt khi gặp các khối đá nứt gãy hoặc đá co ép (squeezing rock) với ứng suất vượt quá khả năng chịu tải của máy (thường khoảng 200-300 kN). Việc xử lý sự cố này đòi hỏi tháo dỡ, sửa chữa hoặc thay thế đầu cắt, gây tốn kém thời gian (có thể lên đến hàng tuần) và chi phí (ước tính từ 50.000-100.000 USD mỗi lần sửa chữa).

• • Kẹt khiên chắn (Shield Jamming):
    Khi áp suất đất vượt quá ngưỡng thiết kế của khiên chắn (thường khoảng 5-10 bar), khiên có thể bị kẹt trong khối đất đá, dẫn đến biến dạng cấu trúc và ngừng hoạt động tạm thời. Sự cố này phổ biến ở các vùng đất co ép hoặc đá cứng có tính mài mòn cao.

• • Nứt và thấm nước ở các đoạn hầm (Segment Fracture and Seepage):
    Các đoạn bê tông đúc sẵn (precast concrete segments) có thể bị nứt do áp lực nước ngầm cao (thường >3 bar) hoặc ứng suất không đồng đều từ lớp đất phủ. Hiện tượng thấm nước qua các khe nứt làm giảm tuổi thọ của đường hầm và đòi hỏi các biện pháp chống thấm bổ sung, như bơm keo epoxy hoặc lắp đặt màng chống thấm.

3. Rủi Ro Do Con Người

Yếu tố con người đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát các rủi ro kỹ thuật, nhưng sai sót trong thiết kế hoặc vận hành có thể làm trầm trọng thêm vấn đề.

• • Vấn đề thiết kế và quản lý (Design and Management Issues):
    Thiết kế không đầy đủ, như đánh giá sai điều kiện địa chất hoặc lựa chọn sai thông số TBM (đường kính, công suất), có thể dẫn đến sự cố nghiêm trọng. Ví dụ, việc sử dụng TBM loại EPB (Earth Pressure Balance) trong đá cứng thay vì loại Slurry TBM có thể làm tăng nguy cơ kẹt máy. Quản lý kém cũng làm chậm tiến độ do thiếu phối hợp giữa các bộ phận.

• • Sai sót của con người (Human Error):
    Thiếu kinh nghiệm trong vận hành TBM hoặc không tuân thủ quy trình bảo trì có thể gây ra tai nạn, như va chạm đầu cắt với khối đá lớn hoặc hỏng hệ thống thủy lực do quên kiểm tra áp suất dầu. Các lỗi này thường dẫn đến hiệu suất thi công thấp và chi phí sửa chữa tăng cao.

4. Thách Thức Địa Hình

Đặc điểm địa hình ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của TBM và độ ổn định của đường hầm.

• • Đất mềm (Soft Soils):
    Trong các loại đất mềm như đất sét, bùn, cát hoặc sỏi (cường độ cắt <0,2 MPa), TBM gặp khó khăn trong việc duy trì áp suất đất cân bằng (earth pressure balance), dẫn đến hiện tượng biến dạng mặt đất hoặc lún bề mặt (settlement). Điều này đặc biệt nghiêm trọng ở các khu vực đô thị, nơi lún có thể làm hỏng công trình phía trên.

• • Điều kiện đá cứng (Hard Rock Conditions):
    Đá cứng có tính mài mòn cao (như quartzite hoặc granite với chỉ số mài mòn Cerchar >4) làm tăng tốc độ hao mòn của đầu cắt (cutter wear rate có thể lên 0,5-1 mm/giờ). Điều này không chỉ làm chậm tiến độ đào (giảm từ 10-15 m/ngày xuống dưới 5 m/ngày) mà còn tăng chi phí thay thế đầu cắt (khoảng 500-1.000 USD/đầu).

Biện Pháp Khắc Phục

Để giảm thiểu các rủi ro trên, các giải pháp kỹ thuật và quản lý sau được đề xuất:

• • Lựa chọn loại TBM (TBM Type Selection):
    Việc lựa chọn TBM phải dựa trên phân tích địa chất chi tiết. Ví dụ, TBM loại Slurry phù hợp với đất mềm và nước ngầm cao, trong khi TBM loại Hard Rock phù hợp với đá cứng. Quyết định này cần dựa trên các thông số như độ bền nén của đá (UCS), chỉ số RQD (Rock Quality Designation) và áp suất nước ngầm.

• • Xử lý nền đất (Ground Conditioning):
    Các kỹ thuật như bơm vữa xi măng (grouting) hoặc sử dụng chất bôi trơn (bentonite slurry) giúp cải thiện độ ổn định của đất đá trước khi đào. Trong trường hợp đất mềm, thêm phụ gia polymer vào bùn khoan có thể giảm nguy cơ lún mặt đất.

• • Hệ thống hỗ trợ tiên tiến (Advanced Support Systems):
    Hệ thống như McNally Support System, sử dụng neo thép (rock bolts) và bê tông phun (shotcrete), có thể kiểm soát hiện tượng nổ đá và biến dạng trong đá cứng. Độ dày lớp bê tông phun thường dao động từ 100-200 mm tùy theo điều kiện địa chất.
  • Bảo trì và giám sát định kỳ (Regular Maintenance and Monitoring):
    Việc sử dụng cảm biến áp suất, nhiệt độ và rung động trên TBM giúp phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường. Bảo trì định kỳ (mỗi 500-1.000 giờ vận hành) bao gồm kiểm tra đầu cắt, hệ thống thủy lực và khiên chắn, nhằm giảm nguy cơ hỏng hóc đột xuất.