Giới thiệu công tác thi công hầm đô thị bằng công nghệ TBM tại dự án Metro Line 3, Hà Nội

Introduction of tunneling by tunnel boring machine (TBM) at Metro Line 3 project, Hanoi

Lưu Hoàng Phương, Nguyễn Văn Quang, Phan Trung Nghĩa, Nguyễn Tiến Dũng
FECON Corporation, Hanoi, E-mail: [email protected]

GIỚI THIỆU

Dự án tuyến đường sắt đô thị thí điểm Nhổn – Ga Hà Nội là một trong những công trình trọng điểm của Hà Nội, đánh dấu bước tiến quan trọng trong phát triển hạ tầng giao thông đô thị tại Việt Nam. Với tổng chiều dài 12,5 km, dự án bao gồm 8,5 km đoạn trên cao và 4,0 km đoạn ngầm, đi qua 12 nhà ga (8 ga trên cao và 4 ga ngầm) (Hình 1). Đoạn tuyến trên cao đã được đưa vào sử dụng từ tháng 8/2024, phục vụ nhu cầu đi lại của người dân. Trong khi đó, đoạn ngầm từ ga Kim Mã đến ga Hà Nội hiện đang được FECON thi công bằng công nghệ Tunnel Boring Machine (TBM) với nguyên lý Earth Pressure Balance (EPB) nhằm giảm thiểu tối đa biến dạng nền và ảnh hưởng đến các công trình hiện hữu trong quá trình thi công.

Đây là dự án thi công hầm bằng TBM thứ 2 mà FECON đảm nhận sau dự án thi công hầm bằng TBM tại tuyến Metro Line số 1, TP Hồ Chí Minh. Ở dự án này, FECON là nhà thầu trực tiếp thi công hầm và chịu trách nhiệm kỹ thuật trong quá trình thi công. Mặc dù công ty đã có nhiều kinh nghiệm thi công từ dự án tuyến metro số 1 TP Hồ Chí Minh, đây vẫn là một dự án án có nhiều thách thức khi máy TBM xuyên qua nhiều loại đất (từ sét mềm đến cuội sỏi) cũng như việc cắt qua cọc của một số ngôi nhà hiện hữu nằm trên tuyến. Bài báo này giới thiệu ngắn gọn về điều kiện địa chất, thiết kế hầm, công tác thi công, công tác quan trắc và một số thách thức trong quá trình thi công gặp phải. Tại thời điểm hoàn thiện bài báo này (tuần đầu tháng 12/2024), máy TBM (track 1) đã khoan được 650 m hầm (khoảng 25% tổng chiều dài khoan) và vẫn trong giai đoạn tối ưu hóa, do vậy các thông tin giới thiệu về công tác thi công không phản ánh đầy đủ các biện pháp thi công của toàn dự án. Máy TBM của track 2 đã sẵn sàng tại ga S9 nhưng chưa bắt đầu công tác khoan.

ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT

Kết quả khảo sát địa chất đoạn ngầm từ ga Kim Mã đến ga Hà Nội cho thấy tuyến hầm đi qua 06 lớp địa chất, bao gồm(từ trên xuống): (1) Lớp đất lấp, (2) Lớp sét gầy (GU1-s), (3) Lớp sét dẻo (GU3&4), (4) Lớp cát pha trạng thái chặt vừa (GU5-a), (5) Lớp cát pha trạng thái rất chặt (GU5-b), và (6) Lớp sỏi, sạn (GU7&8) (Hình 2). Trong số đó, lớp cát pha (GU5-a) với chiều dày trung bình 3.6 m, chiếm hơn 50% chiều dài tuyến. Khu vực có các lớp đất sét, đất bùn, và sỏi cát hỗn hợp, đòi hỏi thiết kế vỏ hầm và phương pháp thi công phù hợp với từng điều kiện.
Mực nước ngầm tại khu vực khá nông, trung bình ở độ sâu 7,92 m, tạo ra áp lực lớn lên thành hầm trong quá trình thi công. Đáng chú ý, hơn 50% tuyến hầm được thi công dưới mực nước ngầm. Điều này đòi hỏi các biện pháp kiểm soát sụt lún và thấm nước chặt chẽ để giảm thiểu tác động tiêu cực.

THIẾT KẾ HẦM TBM

Hình 3a thể hiện mặt cắt dọc theo tuyến hầm, từ ga Kim Mã (ST9) đến ga Hà Nội (ST12). Tuyến gồm hai ống hầm chạy song song và cùng cao độ. Hai ống hầm cách nhau 12.0 đến 35.0 m (tuỳ vị trí), và trung bình là 16.0 m. Tại lý trình km 19+800 (Hình 3a), một giếng thoát hiểm (shaft) được thiết kế và xây dựng nhằm phục vụ công tác thông gió và thoát hiểm trong những tình huống khẩn cấp.

Hình 3. (a): Mặt cắt dọc theo tuyến hầm; (b) cặt cắt ngang điển hình của ống hầm

Như thể hiện trên hình 3a, các đường hầm không nằm trên cùng một cao độ mà được thiết kế sâu hơn về điểm giữa của hai ga nối tiếp. Việc thiết kế này đảm bảo tính ổn định và khả năng vận hành tối ưu cho hệ thống tàu điện ngầm. Tuỳ thuộc vào vị trí, cao độ đỉnh hầm dao động trong khoảng – 3.0 m đến – 20.0 m, tương ứng với độ sâu từ 10.0 m đến 27.0 m (tính từ mặt đất). Hình 3b thể hiện mặt cắt ngang điển hình của một ống hầm với đường kính ngoài và đường kính trong tương ứng là 6300 mm và 5700 mm.

CÔNG TÁC THI CÔNG

Các giai đoạn thi công

Quá trình thi công hầm ngầm bằng máy TBM tại dự án Metro Line 3 được chia thành ba giai đoạn chính: khởi tạo (launching), thi công đào thử (initial drive), và đào chính (main drive). Trong đó, giai đoạn khởi tạo và chạy thử là giai đoạn quan trọng, gồm nhiều công tác có yêu cầu đặc biệt so với giai đoạn vận hành chính của máy TBM. Trình tự cơ bản của gia đoạn khởi tạo và đào thử được áp dụng tại dự án Metro Line 3 Hà Nội được thể hiện trong Hình 4.

Hình 4. Trình tự đào khởi tạo và đào thử của máy TBM

Giai đoạn khởi tạo

Giai đoạn khởi tạo là bước nền tảng đảm bảo sự vận hành ổn định và hiệu quả của máy TBM trong suốt quá trình đào hầm. Một trong những công việc quan trọng đầu tiên là bơm mỡ bôi trơn lần đầu cho chổi đuôi TBM bằng sản phẩm Condat WR90 nhập khẩu từ Pháp. Đây là loại mỡ bôi trơn chuyên dụng, có tính ổn định cao, được thiết kế để ngăn chặn nước và vữa xâm nhập vào khe hở của chổi đuôi. Nhờ đó, hệ thống chổi đuôi được đảm bảo hoạt động hiệu quả, duy trì trạng thái kín nước và ổn định trong quá trình vận hành của máy.
Trước khi khởi tạo TBM, việc kiểm tra điều kiện nước ngầm tại khu vực trước gương đào là cần thiết nhằm giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn cho quá trình đào. Hai mũi khoan thăm dò sẽ được tiến hành để khảo sát nước ngầm, với độ sâu vượt qua chiều dày tường vây (1,2 m). Một mũi khoan được đặt tại vị trí cách đỉnh hầm 1,0 m và mũi còn lại cách đáy hầm 1,0 m. Việc bố trí này giúp đảm bảo xác định chính xác điều kiện địa chất và nước ngầm trước mặt hầm.
Trong giai đoạn đào, máy TBM cần phải cắt xuyên qua tường vây của các nhà ga. Để bảo vệ đầu cắt và đảm bảo an toàn, hiệu quả trong quá trình khởi tạo, tường vây tại các nhà ga được thiết kế với các “mắt mềm” (soft eyes), sử dụng vật liệu bê tông cốt sợi thủy tinh GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer). Việc thiết kế này tuân thủ tiêu chuẩn “Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars” (ACI 440), đảm bảo các mắt mềm có đủ khả năng chịu lực và dễ dàng cho TBM xuyên qua. Hình 5 minh họa chi tiết bố trí thép GFRP tại vị trí xuyên của TBM qua tường vây nhà ga Kim Mã (S9). Khi TBM tiến hành cắt tường vây, tốc độ cắt được kiểm soát chặt chẽ trong khoảng 2-5 mm/phút, đảm bảo quá trình diễn ra chính xác và an toàn.

Sau khi máy TBM cắt xuyên tường vây và tiếp xúc với nền đất tự nhiên bên ngoài nhà ga, áp lực gương đào chưa thể được thiết lập do buồng đào chưa được lấp đầy. Ở trạng thái này, máy TBM hoạt động trong chế độ mở (áp suất buồng đào bằng áp suất khí quyển), dẫn đến các rủi ro như: đất và nước ngầm có thể tràn vào buồng đào, gây mất ổn định gương hầm, nguy cơ sụt lún cục bộ trên bề mặt đất, hoặc thậm chí gây sụt lún diện rộng. Để giảm thiểu những rủi ro trên, nền đất tại các điểm máy TBM tiến vào (break in) và tiến ra (break out) tại mỗi nhà ga sẽ được gia cố bằng phương pháp bơm vữa xi măng cường độ cao (Jet Grouting) (Hình 6). Khối Jet Grouting được thiết kế bao phủ toàn bộ khu vực đầu hầm TBM, tạo một vùng đệm kín nước trước khi TBM tiến vào nền đất tự nhiên. Các cọc Jet Grouting được thi công chồng lấn với độ chồng 0.5 m (Hình 7) nhằm đảm bảo tính liên tục và kín khít của khối gia cố. Lớp gia cố này không chỉ tăng cường độ ổn định của nền đất, mà còn giảm nguy cơ sụt lún và bảo vệ an toàn cho các công trình lân cận.

Giai đoạn đào thử

Giai đoạn đào thử được triển khai ngay sau khi khởi tạo, đánh dấu lần vận hành đầu tiên của máy TBM. TBM được khởi hành từ nhà ga S9, tiến hành đào thử đến giếng thoát hiểm với tổng chiều dài khoảng 625 m. Đây là giai đoạn kiểm tra toàn diện các thông số hoạt động của máy TBM, điều kiện địa chất, nước ngầm và tính hiệu quả của soil conditioning, backfill grouting. Quá trình đào thử được kiểm soát nghiêm ngặt, với vận tốc đào được duy trì trong khoảng 15-20 mm/phút. Trong suốt quá trình này, các thông số của máy TBM như áp lực gương đào, lực đẩy và vận tốc tiến được kiểm tra và giám sát liên tục. Mọi bất thường sẽ được thông báo kịp thời để thực hiện các hiệu chỉnh theo đúng biện pháp thi công đã được phê duyệt. Tổng lực đẩy của máy TBM trong giai đoạn này được giới hạn ở mức tối đa 7.700 kN, tương ứng với khả năng thiết kế của khung đẩy. Trong giai đoạn này, đất đào ra và vỏ hầm sẽ được vận chuyển qua các lỗ mở tại nhà ga S9, tương tự như giai đoạn đào chính. Đồng thời, các điều chỉnh quan trọng sẽ được thực hiện để tối ưu hóa hiệu suất máy và đảm bảo an toàn thi công.
Khi TBM đạt đến vị trí giếng thoát hiểm, quá trình đào được tạm dừng để thực hiện một số công tác kỹ thuật đặc biệt. Cụ thể, khung đẩy được tháo rời một phần để chuyển đổi bố cục đáy nhà ga và kết nối đường ray dự phòng của TBM#1 với TBM#2. Trong khi đó, phần đường ray cố định được lắp đặt để phục vụ hoạt động của đầu máy xe lửa trong hầm số 1. Giai đoạn này yêu cầu sự phối hợp chặt chẽ giữa các đội ngũ kỹ thuật nhằm đảm bảo không xảy ra sai sót trong quá trình chuyển đổi.

Giai đoạn đào chính

Giai đoạn đào chính được thực hiện tương tự giai đoạn đào thử, nhưng với các thông số kỹ thuật đã được tối ưu hóa dựa trên kinh nghiệm từ giai đoạn trước. Mục tiêu là đảm bảo tiến độ và hiệu suất cao nhất trong khi vẫn duy trì an toàn thi công. Một trong những điều chỉnh quan trọng là vận tốc đào. Trong giai đoạn đào chính, vận tốc của TBM có thể đạt 60 mm/phút, cao hơn đáng kể so với giai đoạn đào thử (15-20 mm/phút). Điều này cho phép rút ngắn thời gian thi công tổng thể mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và chất lượng công trình. Các thông số vận hành như áp lực gương đào, lực đẩy, và tốc độ tiến sẽ tiếp tục được theo dõi chặt chẽ, với khả năng điều chỉnh linh hoạt theo điều kiện địa chất thực tế.

Công tác thi công

Platform phục vụ thi công

Trong quá trình thi công, Ban điều hành (BĐH) dự án có thể theo dõi và kiểm soát công tác thi công TBM trên một platform online theo thời gian thực (real time) của Herrenknecht. Platform này có thể hiện thị những thông tin về cao độ (độ sâu), hướng đi của TBM (Hình 8), đồng thời có thể hiện thị rất nhiều thông số thi công khác, như tốc độ tiến, tốc độ quay của đầu cắt, áp lực gương đào tại nhiều vị trí, tỷ lệ bơm soil conditioning, backfill grouting … (Hình 9).

Kiểm soát thông số thi công

Thông số thi công là yếu tố cốt lõi quyết định đến hiệu quả và an toàn của quá trình thi công bằng công nghệ TBM. Các thông số vận hành cần được điều chỉnh phù hợp với điều kiện địa chất thực tế và yêu cầu thiết kế, nhằm đảm bảo sự ổn định của mặt gương đào, hạn chế tác động đến môi trường xung quanh, đồng thời duy trì hiệu suất của máy TBM. Tại dự án Metro Line 3, để đảm bảo chất lượng và an toàn trong suốt quá trình vận hành, các thông số thi công chính được kiểm soát nghiêm ngặt, bao gồm:
Duy trì áp lực gương đào: Áp lực đất tại mặt gương đào được điều chỉnh liên tục nhằm đảm bảo cân bằng với áp lực đất tự nhiên và áp lực nước ngầm. Việc duy trì áp lực phù hợp giúp ngăn ngừa sụt lún mặt đất, giảm thiểu xâm nhập nước ngầm vào buồng đào, đồng thời đảm bảo sự ổn định của gương hầm.
Backfill Grouting: phần đào phía sau TBM được lấp đầy bằng vữa bơm để đảm bảo độ kín và ổn định của lớp vỏ hầm. Khối lượng và chất lượng vữa bơm được giám sát nghiêm ngặt nhằm tránh hiện tượng rỗng, tăng cường khả năng chịu lực của vỏ hầm và giảm nguy cơ biến dạng, sụt lún của nền đất xung quanh.
Tỷ lệ soil conditioning: Tỷ lệ soil conditioning, thường là foam, được điều chỉnh phù hợp với loại đất tại vị trí đào. Việc này giúp cải thiện tính chất cơ học của đất đào, giảm ma sát lên thiết bị, tăng khả năng cắt của đầu cắt, bảo vệ các bộ phận của TBM và đảm bảo duy trì hiệu suất đào cao trong các điều kiện địa chất khác nhau. Như thể hiện trong Hình 10 về khối lượng tiêu hao foam tiêu tích luỹ theo tiến độ thi công (đường màu vàng), khối lượng foam tiêu hao thực tế được kiểm soát nằm trong giới hạn thiết kế (1.0 đến 1.5 lít/m3) mà công tác khoan vẫn đảm bảo chất lượng.
Tốc độ tiến của TBM được kiểm soát phù hợp với từng giai đoạn và loại địa chất. Trong giai đoạn đào thử, tốc độ được kiểm soát ở mức 15-20 mm/phút,. Trong khi đó, tốc độ tiến của TBM có thể tăng lên đến 60 mm/phút, tùy thuộc vào độ ổn định của nền đất, hiệu quả của điều kiện hóa đất, và các yếu tố kỹ thuật khác. Tốc độ này được điều chỉnh linh hoạt để đảm bảo tiến độ mà không làm ảnh hưởng đến an toàn và chất lượng công trình.

Thay cấu hình đầu cắt

Trong quá trình thi công, một điểm quan trọng cần lưu ý là việc thay đổi cấu hình đầu cắt của TBM (Hình 11). Khi TBM đạt đến vị trí cuối cùng trong khối jet grouting, cách đầu biên khoảng 2 m, quá trình thi công sẽ tạm dừng để thực hiện công tác vệ sinh và thay đổi cấu hình đầu cắt. Đây là bước kỹ thuật phức tạp, nhằm đảm bảo TBM có thể vận hành hiệu quả trong điều kiện địa chất khác biệt. Công tác thay răng cắt được tiến hành trong điều kiện khí quyển nhằm đảm bảo an toàn cho đội ngũ kỹ thuật cũng như thiết bị. Đĩa cắt hiện tại sẽ được tháo ra và thay thế bằng răng cắt phù hợp với đất bình thường. Sau khi hoàn tất, máy TBM tiếp tục tiến hành đào và lấp đầy khoang đào bằng vật liệu để đạt áp suất cân bằng (EPB) theo quy định của kế hoạch khoan hầm (PAT). Giai đoạn này cho phép TBM chuyển tiếp mượt mà từ khối jet grouting sang đất tự nhiên trong điều kiện an toàn, đồng thời đảm bảo duy trì áp lực ổn định trên mặt gương đào, hạn chế dòng nước ngầm xâm nhập.

Hình 11. Cấu hình (a) đầu cắt cơ bản và (b) đầu cắt cọc
Kế hoạch sử dụng các cấu hình đầu cắt khác nhau được thể hiện chi tiết trong Hình 12. Kế hoạch thi công được xây dựng chi tiết, bao gồm việc sử dụng các cấu hình đầu cắt phù hợp với từng giai đoạn và loại đất. Trong giai đoạn đầu, TBM sử dụng cấu hình đầu cắt cơ bản để làm việc hiệu quả trong các lớp đất thông thường. Đối với các đoạn đi qua khối jet grouting hoặc khu vực có cọc bê tông gia cố, TBM chuyển sang cấu hình đầu cắt đặc biệt để đảm bảo khả năng cắt phá các vật liệu cứng mà không gây hư hỏng thiết bị (Hình 13).
Hình 12. Chi tiết kế hoạch sử dụng các loại cấu hình đầu cắt
Hình 13. Thay răng cắt trong khối Jet Grouting

Hình 11. Cấu hình (a) đầu cắt cơ bản và (b) đầu cắt cọc

Công tác quan trắc

Tuy được đánh giá là công nghệ tiên tiến, an toàn đối với việc xây dựng các đường hầm trong đô thị, quá trình thi công bằng TBM không thể tránh khỏi những tác động nhất định đến môi trường và các công trình xung quanh. Để kiểm soát tốt quá trình thi công TBM, công tác quan trắc rất được chú trọng tại dự án. Các cảm biến quan trắc được lắp đặt dọc theo tuyến hầm và được cập nhật số liệu liên tục trên platform online MISSIONOS của Maxwell-geosystem. Các kỹ sư làm việc tại dự án theo phân quyền được cập nhật liên tục các số liệu quan trắc hiện trường và nhờ đó kịp thời đưa ra các giải pháp phù hợp cho quá trình khoan hầm. Hình 14 thể hiện giao diện platform online MISSIONOS của Maxwell-geosystem trên một phần đoạn tuyến từ ga S9 đến Shaft.
Ngoài các số liệu từ cảm biến quan trắc thể hiện ảnh hưởng của quá trình thi công TBM đến công trình bề mặt như cảm biến đo lún mặt đất, nước ngầm, áp lực nước lỗ rỗng, lún công trình .. (Bảng 2), platform của Maxwell-geosystem cũng tích hợp toàn bộ thông số vận hành máy TBM như áp lực gương, tốc độ đào, áp lực vữa phun,… giúp đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình thi công hầm bằng máy TBM được thuận lợi hơn.

Bảng 2. Một số cảm biến quan trắc chính trong quá trình đào hầm bằng máy TBM

Một số thử thách đã và sẽ gặp phải

BĐH tại dự án đã gặp phải rất nhiều thử thách trong quá trình thi công thực tế. Về địa chất, máy khoan đi qua lớp sét dẻo cứng, gây bó đầu cắt và ảnh hưởng rất nhiều đến tiến độ và chất lượng khoan. BĐH đã phải liên tục điều chỉnh tốc độ khoan và tỷ lệ soil conditioning để phù hợp với điều kiện thực tế. Một thử thách khác là đầu cắt qua lớp cuội sỏi trong đó có nhiều hòn cuội có kích thước đến 10 cm hoặc hơn (Hình 15). Việc cắt qua lớp cuội sỏi này gây mài mòn các răng cắt nhanh hơn rất nhiều sơ với dự báo, và gây ra rất nhiều ảnh hưởng về tiến độ và chi phí ngoài kế hoạch.
Một trong những thử thách lớn nhất của dự án là máy TBM sẽ cắt qua cọc dưới số ngôi nhà hiện hữu, bắt đầu dự kiến khoảng 500 m từ lý trình hiện tại, hay 1150 m từ ga Kim Mã . Thử thách này đã được dự báo trong kế hoạch thi công chi tiết. Giải pháp tổng thể là điều chỉnh tốc độ khoan đủ chậm để kiểm soát các biến động khi cắt qua cọc và thực hiện các quan trắc cả trên bề mặt đất và vị trí đầu khoan trong nền đất. Mặt khác, BĐH cùng các chuyên gia đã chuẩn bị các răng cắt có kết cấu đặc biệt để có thể cắt qua cọc bê tông cốt thép.

Hình 15. Một số cuội sỏi thu được từ lớp GU7&8 tại độ sâu khoảng 25 m

KẾT LUẬN

Thi công hầm giao thông đô thị bằng TBM là một công nghệ hiện đại và khá mới mẽ đối với các kỹ sư Việt Nam. Để các kỹ sư Việt Nam hiểu rõ về quá trình thi công TBM, bài báo này giới thiệu và cung cấp những thông tin ngắn gọn về điều kiện địa chất, thiết kế hầm, công tác thi công, và công tác quan trắc trong quá trình thi công tại dự án Metro Line 3, Hà Nội. Tại dự án, tuyến ngầm được thiết kế gồm 02 ống hầm với đường kính ngoài và đường kính trong tương ứng là 6300 mm và 5700 mm đi song song và cùng cao độ. Quá trình thi công hầm bằng TBM gồm 03 giai đoạn chính: khởi tạo (launching), thi công đào thử (initial drive), và đào chính (main drive). Trong quá trình thi công, các thông số thi công của TBM như tốc độ tiến, áp lực gương đào, tỷ lệ bơm soil conditioning và backfiil grouting được quản lý và theo dõi trực tiếp qua platform online của Herrenknecht. Đồng thời, công tác quan trắc lún mặt đất, nước ngầm, áp lực nước lỗ rỗng, lún công trình được quan trắc trên platform online của Maxwell Geosystem. Tại thời điểm hiện tại, dự án đang được triển khai tốt, trong đó hầm số 1 (Track 1) đã thi công thành công được 650 m.

LỜI CẢM ƠN

Nhóm tác giả xin gửi lời chân thành cảm ơn tất cả các cán bộ công nhân trong công ty đã đóng góp trực tiếp và gián tiếp tới thành công của công tác vận hành TBM tại dự án Metro Line 3, Hà Nội. Đồng thời, nhóm tác giả chân thành cảm ơn các đơn vị và cá nhân trong hệ thống FECON đã cung cấp tư liệu để bài báo được hoàn thiện.