Một trong những tính ưu việt khác của TBM là thi công không ảnh hưởng đến các công trình xung quanh.

TBM ra đời bao giờ?Công nghệ đào hầm ra đời cách đây gần hai thế kỷ và có những bước tiến vượt bậc trong những năm gần đây với sự ra đời của công nghệ TBM (Tunnel Boring Machine). Công nghệ này đã xuất hiện tại Việt Nam, được áp dụng thi công các dự án tàu điện ngầm, thủy điện, giao thông và đang là công nghệ được lựa chọn số 1 khi thi công các công trình có hạng mục khoan hầm.

Khoảng giữa thế kỷ 19, ngành Đường sắt phát triển mạnh mẽ kéo theo công nghệ đào hầm ra đời để phục vụ thi công các công trình tàu điện ngầm. Đầu tiên là công nghệ đào hầm nổ mìn cổ điển. Nhược điểm của nó là thi công đào hầm mất nhiều thời gian, độ an toàn thấp vì nổ mìn gây rung chấn, thời gian thi công rất chậm, đặc biệt khó khăn khi thi công các đường hầm dài. Thời kỳ đó, cơ khí, tự động hóa phát triển, công nghệ mới phát triển... là cơ sở thôi thúc các kỹ sư hầm tìm ra công nghệ mới nhằm phục vụ thi công đào hầm được dễ dàng và an toàn hơn.

Năm 1846, tại Turin (Italia), mẫu máy TBM tiền thân đã xuất hiện, được thử nghiệm và đưa vào áp dụng thi công hầm. Cỗ máy này rất cồng kềnh, áp dụng thực tế không hiệu quả. Gần 100 năm sau, đến năm 1930, J.S. Robbins mới nghiên cứu và cho ra đời mẫu máy TBM đầu tiên với những tính năng tương đối giống như máy TBM ngày nay. Những năm 1950, TBM được áp dụng rộng rãi trong đào hầm núi đá. Đến nay, máy TBM ngày càng được hoàn thiện hơn và trở thành công nghệ số 1 trong thi công các công trình liên quan đến đào hầm như giao thông, thủy điện.

Cứu cánh cho các dự án tàu điện ngầm

Hai loại máy TBM EPB và TBM Slurry

Tàu điện ngầm là công trình quan trọng trong cấu trúc giao thông của các thành phố lớn trên thế giới. Các công trình tàu điện ngầm thường được xây dựng trong các thành phố đông đúc với mục đích làm giảm số người sử dụng phương tiện cá nhân để giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông, ô nhiễm môi trường... Khi TBM chưa ra đời thì hầm tàu điện ngầm phải thi công bằng phương pháp đào hở (cut & cover). Cách làm này ảnh hưởng lớn đến các công trình trên mặt đất, chiếm dụng nhiều không gian phục vụ thi công.

Chính vì thế, công nghệ TBM ra đời được đánh giá là cứu cánh cho các dự án tàu điện ngầm vì những ưu điểm của nó. Đào hầm bằng công nghệ TBM thi công phần lớn dưới mặt đất nên không tốn diện tích phục vụ thi công và hầu như không làm ảnh hưởng đến các công trình xây dựng trên mặt đất. Đặc điểm của hầm tàu điện ngầm là rất nông (chỉ khoảng -10 đến -15m so với mặt đất), đa số hầm có địa chất rất phức tạp, mức nước ngầm cao..., nên việc thi công bằng công nghệ TMB đã giải quyết được tất cả những vấn đề trên trong khi tất cả các phương pháp khác không làm được. Hai loại máy TBM thường được dùng nhiều nhất để thi công hầm tàu điện ngầm là EPB (ứng dụng áp lực cân bằng) và Slurry (dùng thủy lực).

Hầu hết các công trình tàu điện ngầm trên thế giới, trong đó có nhiều công trình đường hầm dài đều sử dụng hai loại máy này và để lại những dấu ấn về tiến độ, chất lượng. Có thể kể đến là công trình hầm đường sắt nối Pháp với Anh, dài 50,5km, khởi công năm 1988, hoàn thành năm 1994. Gần đây nhất là đường hầm Gotthard dài nhất thế giới (57km) ở Thụy Sĩ khánh thành năm 2015. Đường hầm này có địa chất đá rất phức tạp nhưng không gây khó cho các nhà thầu khi họ áp dụng công nghệ TBM thi công. Công trình đưa vào sử dụng đạt chất lượng cao, tàu đi qua đường hầm có thể chạy với vận tốc 250km/h.

Những tính năng vượt trội của TBM

Đường hầm Gotthard dài nhất thế giới (57km) ở Thụy Sĩ áp dụng công nghệ TBM thi công

Ngoài việc là công nghệ không thể thay thế khi thi công các công trình tàu điện ngầm, công nghệ TBM cũng được nhiều nhà thầu lựa chọn khi thi công các công trình ngầm bởi nó có nhiều ưu việt. Đầu tiên là độ an toàn cao. So sánh với các phương pháp đào hầm khác thì đây là phương pháp đào hầm an toàn nhất. Hầm được đào trong vỏ sắt bảo vệ của máy TBM. Hầm đào đến đâu, vỏ bê tông vĩnh cửu được lấp tới đó, khoảng không giữa vỏ bê tông và lớp đất ngoài được phun vữa bê tông chất lượng cao hoặc hỗn hợp silicat đạt tiêu chuẩn nên việc sập hầm không xảy ra. Kỹ sư, công nhân tham gia thi công cũng được an toàn hơn so với các phương pháp khác.

Một trong những tính ưu việt khác của TBM là thi công không ảnh hưởng đến các công trình xung quanh. Máy TBM đào đất và lắp vỏ hầm hoàn toàn tự động, nếu thi công tàu điện ngầm thì trên mặt đất xe cộ vẫn chạy bình thường. Ngoài ra, việc thi công nhanh là ưu điểm nổi bật của công nghệ TBM vì mỗi ngày có thể đào và lắp vỏ bê tông trung bình từ 10-20m. Đó là chưa kể đến những ưu điểm khác như ít làm ô nhiễm môi trường, hiệu quả kinh tế cao khi công trình được đưa vào sử dụng nhanh hơn.

Thiết bị TBM 390E sẽ thi công 5km hầm dự án Thủy điện Đa Nhim mở rộng, dự kiến vận hành tháng 1/2017 Ảnh: Nguyễn Hằng

ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ MỚI TRONG THIẾT KẾ, THI CÔNG CÁC DỰ ÁN THỦY ĐIỆN

Đối với dự án thủy điện, các hạng mục quan trọng nhất, phức tạp nhất liên quan đến vấn đề đảm bảo an toàn cho công trình và hạ du là đập dâng và đập tràn. Những hạng mục này luôn được ưu tiên nghiên cứu, phân tích lựa chọn phương án trong quá trình khảo sát thiết kế và xây dựng.

Khu vực trạm trộn bê tông đầm lăn của Nhà máy Thủy điện Sơn La

      Các đập bê tông bản mặt (CFRD) và bê tông đầm lăn (RCC) đang là những công nghệ tiên tiến được áp dụng phổ biến trên thế giới. Tại nước ta, sau thành công ban đầu tại các dự án thủy điện thi công trong những năm 2003-2006, hiện nay hầu hết các đập thủy điện đều lựa chọn kết cấu CFRD hoặc RCC.

      Đập RCC là công nghệ đập bê tông nhưng được thi công như đập đất, sử dụng thiết bị vận chuyển, rải, san và đầm chặt bê tông có công suất lớn. Hỗn hợp bê tông có hàm lượng chất kết dính thấp và độ ẩm nhỏ được lèn chặt bằng máy đầm lu rung. Theo các chuyên gia xây dựng, công nghệ RCC đặc biệt hiệu quả khi áp dụng cho xây dựng đập bê tông trọng lực. Khối lượng bê tông được thi công càng lớn thì hiệu quả áp dụng công nghệ RCC càng cao. Việc lựa chọn phương án xây dựng đập bằng công nghệ RCC đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với công nghệ CVC và đạt được tiến độ nhanh hơn nhiều do tăng được tốc độ đổ bê tông, giảm lượng tiêu thụ xi măng (chỉ từ 60-100 kg/m3 bê tông RCC), tận dụng được tro bay thải của các nhà máy nhiệt điện hoặc nguồn puzzolan sẵn có trong nước.

      Cả nước hiện có 12 đập thủy điện đã sử dụng công nghệ RCC hoàn thành là Sơn La, Bản Chát, Bản Vẽ, A Vương, Sê San 4, Pleikrông, Sông Tranh 2, Sông Bung 4, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4, Đak Mi 4 và Bắc Hà; 4 đập thủy điện đang xây dựng là Lai Châu, Hủa Na, Đak Đrinh và Trung Sơn. Qua thực tế xây dựng đập RCC ở nước ta, trình độ khoa học công nghệ của các đơn vị thiết kế, thi công đã tiến bộ vượt bậc. Đối với thiết kế, các đơn vị đã chủ động và giữ vai trò chủ trì trong nghiên cứu cấp phối bê tông, phụ gia tro bay hoặc puzzolan trong quá trình thiết kế các đập cao. Đối với thi công, đã làm chủ được dây chuyền công nghệ sản xuất RCC, chế tạo cốp pha trượt, làm chủ được công nghệ san đầm và xử lý các khe nối giữa các khối đập và bề mặt tiếp giáp giữa các lớp đắp…

Thủy điện Tuyên Quang là đập lớn bằng vật liệu đá nện có bản mặt bêtông (CFRD) được khởi công đầu tiên ở nước ta vào tháng 12/2003.

      Đập CFRD cũng là công nghệ đang được ứng dụng phổ biến hiện nay trên thế giới. Kết cấu đập này có tính an toàn cao, ít kén chọn điều kiện địa hình hay địa chất, có thể thi công ở mọi loại thời tiết, tận dụng được tối đa các loại đá thải loại từ việc đào hố móng đập, đập tràn hoặc đường hầm, mang lại hiệu quả lớn về kinh tế và kỹ thuật. Về nguyên lý, kết cấu đập gồm hai khối chính: khối chịu lực với yêu cầu bảo đảm cho đập ổn định dưới áp lực nước của hồ chứa, cấu tạo chủ yếu là khối đá được đắp và đầm nén kỹ như công nghệ làm đường giao thông, trong đó một khối được làm từ đá chọn lọc từ mỏ đá; khối còn lại được làm từ đá thải loại tận dụng từ đá đào hố móng đập, đập tràn hoặc đường hầm để giảm giá thành xây dựng đập cũng như giảm thiểu tác động xấu đến môi trường. Đập có hai bộ phận chống thấm bao gồm bản mặt và bản chân được làm bằng bê tông cốt thép với yêu cầu kín nước để hạn chế tối đa rò rỉ nước từ hồ chứa, tránh mất nước và gây xói thân đập, làm mất an toàn đập. Bản mặt được thiết kế chủ yếu để bảo đảm yêu cầu chống thấm và đủ đàn hồi theo biến dạng của mặt thượng lưu đập, nên có bề dày khá mỏng. Khả năng chịu lực của bản mặt chủ yếu dựa vào sự tiếp xúc chặt chẽ của bản mặt với mặt thượng lưu của thân đập. Vì thân đập được đầm nén kỹ, ít bị biến dạng nên bản mặt bê tông hầu như không chịu uốn mà chỉ chịu biến dạng co ngót hoặc giãn nở do thay đổi nhiệt độ của môi trường xung quanh.

      Hiện nay, công nghệ đập CFRD đã được áp dụng thành công tại các đập thủy điện Tuyên Quang, Quảng Trị, Ka Nắk, Cửa Đạt (đập thủy lợi) và đang áp dụng tại các đập thủy điện Sông Bung 2 và Xêkaman 3 (Lào). Qua thực tế xây dựng đập CFRD, trình độ khoa học công nghệ của các đơn vị thiết kế, thi công cũng tiến bộ vượt bậc. Cụ thể đã chủ động và giữ vai trò chủ trì trong nghiên cứu cấp phối đá đắp trong thiết kế các đập cao; đồng thời làm chủ được công nghệ thi công các khối đập, bê tông bản mặt, xử lý bản chân, dẫn dòng thi công qua đập xây dở…

      Trước đây, các đập được thiết kế và thi công tại nước ta chủ yếu có kết cấu đất đắp hoặc đất đá đắp như các đập thủy điện Hòa Bình, Thác Bà, Trị An, Đa Nhim...và hầu hết các đập thủy lợi khác. Các đập này có lợi thế là giá thành rẻ do chủ yếu sử dụng vật liệu địa phương, không yêu cầu cao về điều kiện địa chất nền... nhưng cũng có nhiều hạn chế như tốc độ đắp đập chậm, thi công phụ thuộc điều kiện thời tiết, khó khăn trong việc bố trí đập tràn và công trình dẫn dòng, xử lý chống thấm phức tạp, khó đảm bảo yêu cầu thiết kế về dung trọng và độ ẩm của vật liệu đắp... Đối với các đập bê tông truyền thống (CVC), hạn chế lớn nhất là phải thi công theo từng khối đổ nhỏ (tốc độ thi công chậm), phải xử lý làm mát bê tông cả trước và sau khi đổ để hạn chế ứng suất nhiệt gây nứt đập, khối lượng xi măng sử dụng nhiều (khoảng 200-300 kg/m3).

Hiện nay, việc thi công xây dựng các công trình thủy điện, nhất là các thủy điện lớn đều do các Tập đoàn, Tổng công ty, Công ty xây dựng chuyên ngành có nhiều kinh nghiệm, năng lực đảm nhận và được thực hiện qua hình thức Tổng  thầu. Công tác giám sát và quản lý chất lượng thi công được chủ đầu tư, Tư vấn thiết kế, Tư vấn giám sát và Nhà thầu xây dựng thực hiện tuân thủ nghiêm ngặt các quy định tại các quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế và xây dựng, các quy định về quản lý đầu tư, quản lý chất lượng công trình xây dựng hiện hành của Việt Nam. Đối với các quy định mà hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn Việt Nam chưa có, chủ đầu tư phải báo cáo các cơ quan có thẩm quyền xin phép áp dụng các tiêu chuẩn của nước ngoài (theo quy định trước đây). Ngoài ra, đối với một số dự án thủy điện có đập CFRD hoặc đập RCC, tùy theo mức độ quan trọng và tính chất phức tạp của công trình, còn có sự tham gia của các tổ chức tư vấn nước ngoài để trợ giúp chủ đầu tư trong công tác lập, thẩm định và phê duyệt thiết kế kỹ thuật công trình.

      Đánh giá của các chuyên gia xây dựng cho thấy việc áp dụng các công nghệ tiên tiến trên thế giới và hàng loạt sáng kiến khoa học của những người xây dựng thủy điện Việt Nam trong thời gian qua như công nghệ RCC, công nghệ CFRD đã mang lại hiệu quả kinh tế - xã hội cao, giảm chi phí xây dựng công trình, thi công bê tông đạt cường độ rất cao để rút ngắn thời gian xây dựng đập. Bên cạnh đó, công tác nghiên cứu, thí nghiệm về vật liệu cho bê tông RCC cũng đã phát triển mạnh mẽ, sử dụng được khối lượng lớn tro bay thải của các nhà máy nhiệt điện, góp phần giảm ô nhiễm môi trường cũng như chi phí xử lý chất thải cho các nhà máy nhiệt điện. Mặt khác, các đơn vị tư vấn trong nước đã làm chủ được công nghệ thiết kế các đập RCC và CFRD. Đồng thời các nhà thầu trong nước đã làm chủ được công nghệ thi công xây dựng, đặc biệt là công nghệ thi công RCC./.