Thi công bằng Khiên

Thi công bằng khiên (Shield Method) là phương pháp thi công cơ giới dùng khiên đào đường hầm ngầm dưới mặt đất. Khiên (shield) là một loại kết cấu ống thép hoạt động dưới sự che chống áp lực địa tầng lại có thể hoạt động tiến lên trong địa tầng. Đoạn đầu ống có thiết bị che chống và đào đất, đoạn giữa của ống được lắp các kích đẩy cho máy tiến lên, đuôi của ống có thể lắp các ống bê tông vỏ hầm đúc sẵn hoặc các vành thép để đổ bê tông vỏ hầm. Mỗi lần khiên tiến lên cự ly một vòng, thì sẽ lắp đặt (hoặc đổ tại chỗ) một vòng vỏ hầm dưới sự che chống của khiên, đồng thời người ta sẽ ép vữa xi măng cát vào khe hở đằng sau lưng các vòng bê tông đê đề phòng hầm và mặt đất lún xuống. Phản lục đẩy khiên tiến lên do vòng bê tông vỏ hầm chịu đựng. Trước lúc thi công bằng khiên cần xây dựng một giếng đứng, lắp ráp khiên cũng tại giếng đứng, đất đá do khiên đào xong được đưa qua giếng đứng ra ngoài mặt đất. Công nghệ thi công bằng khiên xem hình 5.1.

Thi công bằng Khiên 1
1. Khiên. 2. Kích của khiên; 3. Mạng lưới ô vuông trước mặt khiên; 4. Mâm quay đưa đất đá ra; 5. Băng vận tải đất đá ra; 6. Máy lắp ráp các phiến ống; 7. Phiến ống. 8. Bom phun vữa; 9. Lỗ phun vữa; 10. Máy chở đất đá ra; 12. Phun vữa vào khe hở sau đuôi khiên; 13. Các phiến ống dự trữ sau khiên; 14; Giếng đứng.

Ý nghĩ thi công bằng khiên lần đầu tiên trên thế giới do công trình sư người Pháp Brunei đề xuất vào năm 1818 xuất phát từ hình tượng con mọt đục gỗ trên tàu thuyền. Năm 1825 đến 1843, Brunei lần đầu tiên xây dựng dưới sông Thames ở London một đường hầm thi công bằng khiên lần đàu tiên trên thế giới, dài toàn bộ 458m, khiên hình chữ nhật mặt cắt 6,8m X 11,4m. Năm 1869 Barlow, người Anh lần đầu tiên đã dùng khiên tròn xây dựng thành công đường hầm đường kính ngoài Ộ2,21m dưới đáy sông Thames. Ông Greathead (người Anh) đã tống hợp đặc điểm kỹ thuật thi công bằng khiên và bằng khí nén trong quá khứ, đề xuất công nghệ thi công bằng khiên dùng khí nén tương đối hoàn chỉnh và lần đầu tiên sáng tạo ra phương pháp thi công phun vữa có áp lực vào khe hở ngoại vi vỏ hầm bằng cách lắp một thiết bị phun vữa có áp lực vào đuôi của khiên. Sáng kiến đó đã có tác dụng thúc đẩy phương pháp thi công bằng khiên phát triển rất mạnh. Năm 1874 người ta đã ứng dụng phương pháp khiên có khí nén vào xây dựng thành công đường hầm với đường kính trong là 3,12m tại tuyến mêtrô phía nam London trong địa tầng đất sét và cát có chứa nước.
Từ năm 1880 đến năm 1890 dưới một con sông giữa nước Mỹ và Canada đã xây dựng một đường hầm mêtrô dưới đáy sông, đường kính 6,4m, dài hơn 1.800m bằng phương pháp khiên.
Vào đầu thế kỷ 20, phương pháp thi công bằng khiên đã được đẩy mạnh tại các nước Mỹ, Anh, Đức, Liên Xô, Pháp, chỉ trong thập kỷ 30 -ỉ- 40 tại các nước ấy đã sử dụng khiên xây dựng nhiều tuyến đường hầm mêtrô, đường hầm ô tô qua sông với đường kính tư 3,Om -ỉ- 9,5m, chỉ riêng thành phố New York người ta dã dùng phương pháp thi công bằng khiên có khí nén xây dựng thành công 19 tuyến đường hầm quan trọng dưới đáy sông, dùng cho đường ô tô, đường sắt và khí đốt.
Từ những năm của thập kỷ 60 của thế kỷ XX, phương pháp thi công bằng khiên ở Nhật Bản phát triển rất nhanh, phần lớn ngoài việc dùng cho thi công đường mêtrô ngầm trong các thành phố, còn được ứng dựng rộng rãi trong thi công các loại đường ống phục vụ công trình thị chính. Do đó đã nghiên cứu sáng ché ra nhiều kiểu khiên mới, như: khiên với khí nén cục bộ, khiên có thể nén nước và bùn, và khiên có thể cân bằng áp lực đất v.v… để thích ứng với thi công trong các loại địa tầng. Căn cứ theo thống kê của Nhật Bản có hơn 2000 chiếc khiên, trong đó 90% dùng để xây dụng các loại đường hầm phục vụ công trình thị chính mà chủ yếu là đường hầm dẫn nước. Đồng thời vè thiết bị đồng bộ và quản lý kỹ thuật thi công bằng khiên cũng rất phát triển.

Ở Việt Nam ta,trong thời gian tới sẽ thi công hầm ngầm đường bộ chui dưới sông Sài Gòn cũng sẽ phải dùng khiên.
Như vậy, tuỳ theo sự phát triển kinh tế của mỗi nước, nhất là sự phát triển xây dựng đô thị thì việc ứng dụng phương pháp thi công bằng khiên có tiền đồ phát triển rộng lớn.
Phương pháp thi công bằng khiên được phát triển nhanh ở các nước chủ yếu vì nó có các ưu điểm sau đây:
1. Dưới sự che chống của khiên có thể đào và xây vỏ một cách an toàn.
2. Tốc độ thi công nhanh. Toàn bộ quá trình hoạt động của khiên như; đào, đưa đất đá ra, lắp ráp vỏ hầm v.v… có thể cơ giới hoá, tự động hoá, cường độ lao động nhẹ đi.
3. Khi thi công, không ảnh hưởng giao thông và công trình trên mặt đất, xuyên qua sông không ảnh hưởng giao thông thuỷ.
4. Trong thi công không bị ảnh hưởng thời tiết, gió mưa, khí hậu.
5. Trong thi công không gây tiếng ồn và chấn động, không cản trở môi trường xung quanh.
6. Xây dựng trong đường hầm dài trong vùng đất mềm yếu ngậm nước, hoặc ở dưới sâu luôn luôn có tính ưu việt về mặt kỹ thuật và kinh tế, vì thế phương pháp thi công bằng khiên thích họp nhất là xây dựng đường hầm trong địa tàng rời rạc, mềm yếu và có nước, xây dựng dường hầm dưới đáy sông, trong thành phố (xây dựng mêtrô) và các loại công trình đô thị khác.
Phương pháp thi công bằng khiên thích họp với đường hầm dài, (có một số tài liệu cho biết thi công các đường hầm ngắn hơn 750m thì không kinh tế). Bởi vì, khiên là một loại cơ giói rất đắt, có tính chuyên dụng rất cao. mỗi loại thích họp vói điều kiện thuỷ văn, địa chất, kích thước mặt kết cấu riêng đã dược thiết kế chế tạo đặc biệt, nói chung không thể thay đổi sử dụng một cách giản đơn vào công trình đườns hầm khác. Ngoài ra, nếu đường hầm có bán kính cong quá nhỏ hoặc lóp đât phu trên hầm quá nông thi gặp rất nhiều khó khăn. Đường hầm dưới đáy nước, nếu gặp lóp phú quá nông thi công sẽ không an toàn. Khi thi công bằng khiên nếu dùng phương pháp hoàn toàn khí nén đê làm khô và ổn định địa tầng, thì yêu cầu bảo hộ đối với lao động phải rất cao. Khi thi công bằng khiên rất khó tránh lún trong lóp đất phía trên, nhất là chỗ tầng đất mềm yếu lại có nước, khi lắp vớ hầm phái chú ý phun vữa vào sau lưng vỏ hầm, yêu cầu đó rất cao. Nhũng khuyết điếm nói trẽn trong thi công bang khiên đang được nghiên cứu khắc phục.
Từ năm 1818 (lần đầu tiên Brunei đề xuất thi công bằng khiên) đến nay đã 186 năm trôi qua, các nước trên thế giới đã nghiên cứu chế tạo hàng mấy nghìn cái khiên, phương pháp thi côna bằng khiên đã dược ứng dụng rộng rãi trong xây dựng công trình ngầm ở các đô thị: đã có đườna hầm dần nước bậc trên bậc dưới, đường ngầm dùng cho điện và cáp điện, đường ngầm cho thuỷ lợi. cấp nước, đường hầm ngầm cho mêtrô, đường hầm ngầm dưới dáy sông cho đường ô tô V V..
Trong lông số dường hầm ngầm thi công bằng phương pháp khiên ở các nước khoảng 70% dược xây dựng cho dẫn nước bậc trên bậc dưới, 30% dùng cho mêtrô và đường ô tô. Hiện nay đường hầm ngầm dưới đáy sông được xây dựng bằng phương pháp khiên ở trên thé giới đã có hơn 20 tuyến, và sự nghiệp phát triển giao thông đường bộ, đường hầm ngầm ô tô dưới đáy sông được xâv dựng bang phương pháp khiên ở các nước sẽ ngày một tăng lên.