Công tác lắp dựng máy TBM thi công tuyến Metro số 3 tại Hà Nội

Assembly of TBM for the Metro Line No. 3, Hanoi

Giới thiệu

Dự án đầu tư xây dựng tuyến đường sắt đô thị thành phố Hà Nội, đoạn Nhổn – Ga đường sắt Hà Nội do ban quản lý Đường sắt đô thị Hà Nội trực thuộc UBND thành phố Hà Nội làm Chủ đầu tư. Tuyến có tổng chiều dài 12,5 Km, trong đó đoạn đi trên cao 8,5 Km và đoạn đi ngầm 4,0 Km. Toàn tuyến có 12 nhà ga, 8 ga trên cao và 4 ga ngầm dưới mặt đất. Đoạn tuyến đường hầm đi ngầm được thi công bằng công nghệ khoan đường kính lớn toàn gương cân bằng áp lực (TBM – Tunnel Boring Machine).
FECON là nhà thầu lắp đặt thiết bị và trực tiếp thi công đào hầm bằng máy TBM. Hiện tại, hai máy TBM đã được lắp ráp hoàn chỉnh tại đáy nhà ga S9 (Kim Mã) và sẵn sàng triển khai thi công khoan. Bài viết này giới thiệu một cách khái quát về trình tự cũng như các bước chính trong công tác lắp dựng máy TBM cũng như một vài sáng kiến cải tiến trong quá trình lắp dựng máy tại phục vụ thi công dự án quan trọng này tại Hà Nội.

Tổng thể phần tuyến ngầm của dự án Metro số 3

Phần tuyến ngầm của dự án này bao gồm 4 nhà ga ngầm và đường hầm chính dọc theo các đoạn liên ga. Ngoài các hạng mục trên, còn có các công trình phụ trợ như đường ngầm thoát hiểm và đoạn kết nối công trình trên cao với phần ngầm. Hầm chính có hai đường hầm đơn chạy song song để liên kết các nhà ga với nhau. Hình 1 thể hiện mặt bằng tổng thể phần tuyến ngầm của dự án Metro số 3, Hà Nội.

Hình 1. Mặt bằng tổng thể đoạn đi ngầm (Nguồn Ban QLDA)

Máy khoan hầm TBM

Đào hầm bằng TBM là công nghệ phổ biến trên thế giới hiện nay. TBM là hệ thống thiết bị cơ giới hoàn chỉnh, bao gồm đầu cắt ở phía trước để cắt phá đất đá, tiếp đó là thân hệ thống khoan hình trụ để chống đỡ tiết diện hầm vừa đào xuyên qua và thi công đổ tại chỗ hoặc lắp ghép vỏ bê tông cốt thép đúc sẵn, tạo thành kết cấu chính của đường hầm, phía sau phần thân là hệ thống phụ trợ cấp điện, thủy lực, khí nén… và vận chuyển bùn đất được đào thải ra bên ngoài bằng hệ thống bơm hoặc băng tải. Công nghệ TBM phù hợp với các công trình ngầm có đường kính lớn, thi công trong đất, các công trình ngầm giao thông đô thị (đường hầm tàu điện ngầm, đường hầm vượt sông…). Bảng 1 thể hiện một số thông số chính của máy TBM sử dụng cho thi công hầm dự án Metro số 3.

Bảng 1. Một số thông số kỹ thuật chính của thiết bị TBM sử dụng cho dự án Metro số 3

Bộ phậnThông sốGiá trị
Đầu cắtĐường kính cắt6.6 m
Tỷ lệ mở45%
Lưỡi cắtBucket drag bit 16EA

Drag Bit 122EA

Ripper 35EA

Mô-men xoắn2,730 kNm/ 8,190 kNm
Số vòng quay trên phút0 ~ 3
Công suất tiêu thụ điện1,120 kW (7 x 160 kW)
Băng tải trục vítLoạiLoại một trục
Đường kính trong800 mm
Bước ren640 mm
Tốc độ358 m3/giờ
Số vòng quay trên phút0 ~ 24
Mô-men xoắn63 kNm

 

CÔNG TÁC LẮP DỰNG MÁY TBM

Công tác lắp đặt TBM phục vụ thi công phần hầm công trình Metro số 3 Hà Nội gồm có 4 hạng lục chính như: (1) Công tác chuẩn bị cho quá trình lắp ráp; (2) Lắp đặt giàn phụ trợ (GANTRY); (3) Lắp đặt khiên TBM dưới đáy ga; và (4) Lắp đặt các hạng mục phụ trợ. Một số hạng mục có thể tham khảo qua video sau:
\

Công tác chuẩn bị cho quá trình lắp ráp

Công tác chuẩn bị bản sàn bê tông để hạ TBM

Để đưa các cấu kiện máy TBM tập kết và lắp ráp tại đáy nhà ga ngầm số 9 (ga Kim Mã), hai cẩu lốp công suất 500 tấn và 160 tấn được huy động. Một sàn công tác bằng bê tông trên mặt đất phía đông và ngay cạnh giếng mở nhà ga được thiết kế để các cẩu lốp đứng và di chuyển. Để đảm bảo an toàn cho tường vây, cẩu 500 tấn giữ khoảng cách tối thiểu 5m đến mép ngoài của tường vây. Các tấm thép được đặt bên dưới các chân cẩu nhằm phân bố ứng suất đều xuống sàn bê tông. Mặt bằng bố trí trong quá trình lắp ráp TBM (Hình 2).

Lắp đặt thép tấm trên bản đáy, lắp đặt khung đẩy

Một khung đẩy được liên kết cố định với các tấm thép bản đáy (liên kết bu lông xuống sàn bê tông bản đáy) được dựng ngay phía sau phần đầu khoan (phần khiên đào cắt đất) của máy TBM. Khung đẩy này hoạt động như một điểm tì cố định để máy TBM tiến hành cắt tường vây bê tông khi bắt đầu khoan. Hình 3 thể hiện một số cấu kiện thực tế khi lắp đặt tấm thép trên bản đáy, lắp đặt khung đẩy.

Lắp đặt bệ đỡ TBM

Bệ đỡ TBM sẽ được lắp đặt ở các vị trí giữa, ngay dưới giếng mở số 3 vị trí lắp TBM và ở 2 bên thẳng hướng với vị trí tim hầm. Việc lắp đặt bệ đỡ được thực hiện bắt đầu từ định vị, lắp đặt các bản mã xuống nền. Tiếp đến, tiến hành tổ hợp các phần của giá đỡ và lắp đặt các bộ phận của giá đỡ. Hình 4 thể hiện một số công việc thực tế khi thi công tác lắp đặt bệ đỡ TBM.

Hình 2. Bố trí mặt bằng phục vụ lắp ráp thiết bị TBM
Hình 3. Lắp đặt các cấu kiện bản đáy và khung đẩy
Hình 4. Công tác lắp đặt cấu kiện bệ đỡ TBM

Lắp đặt giàn phụ trợ (GANTRY)

Giàn phụ trợ (gantry) là toa chứa các bộ phận như: buồng điều khiển, máy bơm thủy lực, máy bơm dung dịch, hệ thống điện, thùng chứa… phía sau và phục vụ cho đầu khoan ở phía trước. Quá trình lắp đặt giàn phụ trợ được thực hiện với các bước gồm: lắp đặt hệ đường ray (để đỡ hệ giàn phụ trợ); lắp đặt phần cầu (dạng khung giàn, là phần kết nối phần đuôi của đầu khoan với đoàn xe gantry); lắp đặt giàn phụ trợ; hạ các đầu máy toa xe (rolling stock). Hình 5 minh họa công đoạn hạ phần cầu và lắp đặt một phần của giàn phụ trợ (GANTRY).

Hình 5. Lắp đặt giàn phụ trợ; lắp đặt phần cầu (ảnh trái); lắp đặt một đoạn giàn phụ trợ (ảnh phải)

Lắp đặt khiên TBM dưới đáy ga

Khiên TBM là một tổ hợp thiết bị quan trọng nhất nằm ở phần đầu của hệ thống TBM, là phần khoan hầm và lắp đặt các tấm vỏ hầm. Các thiết bị chính trong phần khiên bao gồm đuôi khiên (tail shield), dầm đỡ và hệ thống lắp vỏ hầm (carrier beam và erector), vít tải (conveyor), khiên giữa (middle shield), khiên trước (front shield), đầu cắt (cutter head) …. Lắp đặt khiên là một quy trình phức tạp gồm khoảng 20 bước, với trình tự lắp đặt luôn đòi hỏi tuân thủ chặt chẽ theo tuần tự và chính xác. Do giới hạn khối lượng của bài viết, các bước chi tiết không được trình bày ở đây. Hình 6 thể hiện hai chi tiết quan trọng của khiên TBM trong quá trình lắp ráp.

Hình 6. Lắp đặt khiên TBM dưới đáy ga; lắp đặt khiên trước (ảnh trái); lắp đặt vít tải (ảnh phải)

Lắp đặt các hạng mục phụ trợ

Các hạng mục này được lắp đặt đồng thời với hệ thống chính của TBM, nhằm đảm bảo hoạt động khoan hầm được diễn ra trơn tru. Các hạng mục phụ trợ được lắp đặt gồm: cẩu long môn; batchinh plant; trạm cung cấp nước (chiller); trạm khí nén; hệ thống thông gió; trạm xử lý nước thải; workshop; hệ thống ống; phòng thí nghiệm hiện trường; đầu máy toa xe, loco track; hố bùn và hệ thống điện. Hình 7 thể hiện một số hình ảnh quá trình lắp đặt các hạng mục phụ trợ.

Hình 7. Công tác lắp đặt hệ thống phụ trợ; Cẩu long môn (ảnh trái); Batching plant (ảnh phải)

MỘT SỐ TÌNH HUỐNG BẤT LỢI PHÁT SINH KHI THI CÔNG LẮP ĐẶT VÀ SÁNG KIẾN CẢI TIẾN

Khoan hầm bằng TBM là một công nghệ phổ biến trên thế giới hiện nay, không còn quá mới lạ sử dụng để thi công khoan các đường hầm. Tuy nhiên, đây vẫn là một công nghệ khá mới tại Việt Nam. Hệ thống máy TBM được sử dụng cho dự án Metro số 3 có khối lượng 800 tấn, được vận chuyển từng phần từ kho cảng Hải Phòng về nhà ga S9 tại Kim Mã. Việc lắp đặt tuân thủ chặt chẽ biện pháp thi công được phê duyệt, theo các yêu cầu nghiêm khắc về kỹ thuật như thiết kế, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, đồng thời tuân thủ tiến độ chung của dự án.

Hình 8. Phương án sử dụng pa-lăng xích di chuyển các toa của giàn phụ trợ

Tuy nhiên trong quá trình lắp đặt hệ thống thiết bị máy TBM vẫn xuất hiện các vấn đề, mà trong biện pháp lắp đặt được phê duyệt chưa đề cập chi tiết hoặc không đủ điều kiện áp dụng ở thời điểm triển khai. Để khắc phục các vấn đề phát sinh bất lợi ngoài mong muốn này, các kỹ sư FECON đã có nhiều sáng kiến cải tiến (SCKT), được đưa ra trong thời gian ngắn, không chỉ giải quyết các khó khan khi lắp đặt mà còn đảm bảo tiến độ chung của dự án. Hai SKCT quan trọng được thực hiện trong quá trình lắp đặt TBM tại dự án Metro số 3 như:

Giải quyết vấn đề di chuyển Back-up Gantry để lắp đặt kết nối với đầu khoan TBM

Phương án ban đầu sử dụng Locomotive 60 tấn để kéo toàn bộ Back-up Gantry từ dưới lên để kết nối với đầu khoan TBM. Tuy nhiên, vào thời điểm lắp đặt, Locomotive này chưa chuyển về dự án.
Trọng lượng của toàn hệ Back-up Gantry là 184.9 tấn. Với hệ số ma sát trượt 0.11 và hệ số an toàn là 2, theo tính toán cần 1 lực đẩy/kéo khoảng 40 tấn. Với tải trọng lớn như trên, giải pháp dùng pa-lăng xích và nhân công để kéo không còn khả thi như việc kéo từng toa xe đã thực hiện ở giai đoạn trước. Hình 8 thể hiện thực tế của phương án sử dụng pa-lăng xích lắp đặt các toa của hệ giàn phụ trợ (gantry).
Để giải quyết vấn đề, các kỹ sư FECON đã sử dụng 2 kích 30 tấn, với 1 đầu đặt cố định vào hệ Back-up Track và 1 đầu gắn vào toa Back-up Gantry 1 để di chuyển toàn bộ hệ Back-up Gantry nặng hơn 180 tấn tiến lên để kết nối với đầu khoan TBM. Hình ảnh thực tế sử dụng kích thay thế Locomotive 60 tấn.

Hình 9. Phương án cải tiến sử dụng kích thay thế Locomotive 60 tấn do FECON đề xuất và thực hiện
Hình 10. Main Drive được lắp cố định lên giá đỡ (màu đỏ)

Vấn đề phát sinh khi tháo Bu-lông M60 cố định Main Drive và giá đỡ

Bộ phận dẫn động chính (main drive), nặng 48 tấn, được liên kết với một giá đỡ (Hình 10) bằng 60 bu-lông M60, và cả hệ này được di chuyển từ nhà máy về công trường dự án. Trước khi hạ bộ phận này xuống đáy nhà ga và kiên kết với các kết cấu khác của khiên đào, phần giá đỡ cần phải được tháo ra.
Trong phương án ban đầu, FECON sử dụng bộ tháo lắp thủy lực của Herrenknecht. Tại thời điểm tháo Main Drive, bộ tháo lắp thủy lực này chưa chuyển về tới công trường do bị vướng vấn đề thủ tục thông quan. Để xử lý vấn đề phát sinh ngoài ý muốn này, các kỹ sư FECON đã chế đầu chụp gắn để tháo bu-lông bằng súng bắn bu-lông. Với cách xử lý này, công tác tháo dỡ và cẩu hạ Main Drive xuống đặt lên Front Shield đã trở nên thuận lợi hơn. Hình 11 thể hiện phần thiết bị đã được tháo rời khỏi giá đỡ và được hạ xuống đáy nhà ga.

Hình 11. Main drive được tháo khỏi giá cố định và hạ xuống hầm

KẾT LUẬN

Bài viết trình bày khái quát công tác thi công lắp dựng máy TBM sử dụng cho thi công phần ngầm của dự án Metro số 3 Hà Nội do FECON trực tiếp thực hiện. TBM là một hệ thống thiết bị phức tạp, với rất nhiều chi tiết và công nghệ đi kèm, không thể trình bày chi tiết trong bài viết này. Do vậy, ở đây các tác giả chỉ đề cập đến các bước chính và hình ảnh thi công minh họa của một số phần thiết bị chính. Trong quá trình lắp đặt, các kỹ sư FECON gặp rất nhiều thử thách mà phần biện pháp thi công không đề cập đến hoặc không áp dụng được trong điều kiện thực tế. Trong điều kiện như vậy, các kỹ sư FECOM đã có một số sáng kiến cải tiến (SKCT), thay thế các giải pháp/thiết bị trong biện pháp được phê duyện (nhưng không sẵn có hoặc không khả thi), nhằm đảm bảo an toàn tiến độ thi công.

LỜI CẢM ƠN

Nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các cán bộ, công nhân trong công ty đã đóng góp trực tiếp và gián tiếp tới thành công của công tác lắp đặt hệ thống thiết bị TBM phục vụ thi công phần hầm dự án Metro số 3, chân thành cảm ơn các đơn vị và cá nhân trong Hệ thống đã cung cấp tư liệu để bài viết được hoàn thiện.

Trong lễ kỷ niệm 40 năm thành lập Tổng hội Xây dựng Việt Nam, hai đề tài nghiên cứu ứng dụng của Hội CHĐ & ĐKTCT VN được tặng bằng khen: 1) Nghiên cứu và vận hành công nghệ thi công hầm bằng máy TBM (xem trong bài viết này), và 2) Nghiên cứu áp dụng công nghệ phụt vữa thân cọc tại Việt Nam (xem bài trang 80).

 

Nguyễn Tiến Dũng

Ban R&D, FECON Corp.

E-mail: ntdung@fecon.com.vn

Nguyễn Bảo Hoàng

Ban R&D, FECON Corp.

E-mail: hoangnb1@fecon.com.vn