Ứng dụng công nghệ vòi phun vào trát vữa hầm an toàn và ổn định

Phun vữa bề mặt với chất liệu vữa lỏng giúp ổn định đất hoặc lấp khe nứt là một phần công việc cần thiết trong kỹ thuật xây hầm ngày nay.

Máy khoan hầm ngày nay đạt hiệu suất cao và tạo ra bề mặt nhẵn mịn, máy có thể cắt xuyên qua bất cứ loại đất đá nào. Cột chống hầm được sản xuất đạt đỉnh cao của sự tinh vi và được lắp đặt khi máy hướng lên phía trên. Tuy nhiên, sự hiệu quả và tuổi thọ của một hầm không phụ thuộc vào kỹ thuật được áp dụng khi con người bắt đầu xây dựng cột chống hầm mà phụ thuộc vào: kỹ thuật trát vữa.

Có ba lý do chính để áp dụng công tác trát vữa hầm: tính ổn định, mạnh mẽ, kiên cố và trám kín.

Xi măng là chất liệu lâu đời nhất và vẫn được sử dụng như một loại vật liệu trát vữa rộng rãi nhất vì sự phổ biến, giá rẻ, hầu như không độc hại và có thể được vận dụng bởi chính các thiết bị tiêu chuẩn. Xi măng Pooclăng là loại phổ biến nhất đối với vật liệu trát vữa. Hỗn hợp đá vôi, đất sét và nước sau đó nung và nghiền với thạch cao, loại xi măng này có độ bền tốt, khô chậm. Xi măng xỉ cũng có thể sử dụng được.

Vấn đề cần cân nhắc chính là kích thước hạt nhỏ, hạt nhỏ giúp xi măng thẩm thấu tốt hơn vào các khe nứt, cả hai loại xi măng Pooclăng và xi măng xỉ đều được nghiền tốt. Loại xi măng được nghiền mịn và trộn lẫn với hỗn hợp khoáng chất được biết đến như một loại xi măng cực mịn và được bán dưới nhiều thương hiệu độc quyền. Các loại vữa xi măng thương hiệu khác phổ biến tùy thuộc vào các thành phần hóa học và độ quánh.

Khi chọn lựa loại vữa xi măng, cần phải cân nhắc về cấu trúc của lớp địa chất cho phù hợp để trát vữa. Ví dụ, loại đá là nhân tố quyết định kích thước của các khe nứt, cấp độ tiếp theo là đất. Các nhân tố quan trọng khác là tình trạng nước trong đất, loại thiết bị có thể sử dụng và áp lực cho phép.

Nếu nền đất mềm, công việc cần thiết trước khi trát vữa là cho máy đào hầm băng xuyên qua đất nhằm tạo sự ổn định và an toàn. Công việc này cũng cần được thực hiện khi hầm xuyên qua núi đá. Đến giai đoạn hậu trát vữa, vữa xi măng được thêm vào sau khi cột chống được lắp đặt. Một vài hầm sẽ cần được trát vữa trước và sau khi khoan.

Phương pháp trát vữa

Có nhiều phương pháp trát vữa khác nhau, nhưng chúng đều liên quan đến công tác khoan lỗ dưới đất, thêm đường ống vữa lỏng vào lỗ, và bơm vữa tăng áp vào đất từ những đường ống. Sự khác nhau nằm ở chi tiết. 

Vữa xi măng thẩm thấu liên quan đến công tác lấp đầy khe rỗng giữa các hạt đất, thông thường như một cách thay thế nước. Vữa xi măng có thể là một trong các loại hóa chất nhưng thường là silicat natri, hay poliuretan, hoặc có thể là loại xi măng nguyên chất thường thấy, xi măng cực mịn hoặc hạt cực nhỏ cùng với các chất phụ gia và chất hóa học. Phun vào đất tại áp suất cực nhỏ, vữa xi măng lấp đầy chỗ trống mà không cần phải thay đổi cấu trúc đất hay lượng đất. Khi vữa kết đặc lại, biến đất thành một chất liệu sa thạch yếu, không dễ phân hủy.

Các kỹ sư và các nhà thầu sử dụng kỹ thuật thẩm thấu vữa xi măng để khoan lỗ khoảng ba hoặc bốn dặm tách với các lỗ phụ tại điểm bị nứt để đảm bảo rằng cả nền đất đều được trát vữa, và đều cô đặc. Quá trình nén chặt vữa sử dụng một loại vữa đặc hơn loại vữa lỏng thẩm thấu. Trong quá trình nén vữa, mục đích nhằm hình thành một loạt các bầu vữa bốn đến sáu dặm phía trên và xung quanh đỉnh hầm. Bằng cách bơm vữa đặc dưới áp lực, những bầu vữa nén nền đất trên hầm và giữa hầm và các công trình phủ bên trên.

Một nhà thầu phụ trách công tác nén vữa sẽ định vị tất cả các máy bơm, đường ống, vòi phun, trang thiết bị trước khi công tác xây dựng hầm bắt đầu. Các thiết bị được tiếp cận khi máy đào hầm được vận hành, vữa xi măng được thay đổi đúng lúc để đạt được các chỉ số di chuyển.

Phun vữa điều hòa tương tự như phương pháp phun vữa nén chặt theo một vài trường hợp. Một loại vữa có độ quánh cao với tính ma sát trong được phun vào đất, nơi có giá đỡ thủy lực xuyên tâm và thay thế các hạt đất, vì vậy đạt được sự nén có thể kiểm soát được. Phương pháp này là để theo dõi sự thay đổi của nền đất, trước tiên là giữa đường hầm và các công trình nằm phía trên. Khi có dấu hiệu rõ rằng đất bị mất hay bị lún xuống khi đang thực hiện công tác đào hầm, vữa được bơm để điều hòa.

Vòi phun vữa là phương pháp trát vữa mới nhất và nhanh chóng trở nên được ứng dụng rộng rãi nhất. Vòi phun vữa sử dụng ống phun áp lực cao để phá đất và thay thế chúng bằng hỗn hợp đất khai quật và xi măng, có đặc tính như một loại “bê tông đất”.  Có một vài loại vòi phun vữa tùy thuộc vào chi tiết của từng ứng dụng và phụ thuộc vào kinh nghiệm cũng như chuyên môn của cả nhà thiết kế và nhà thầu. Hệ thống này khác nhiều so với các kỹ thuật cải thiện hay thay đổi nền đất, phá vỡ hoàn toàn cấu trúc đất và trở thành hỗn hợp đất nhằm tạo nên một loại đất đồng nhất và rắn chắc.

Kỹ thuật vòi phun vữa dễ ứng dụng mà không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như loại đất, độ thẩm thấu, phân loại kích thước hạt. Theo lý thuyết, vòi phun vữa có thể cải thiện hầu hết các loại đất, từ loại đất sét mềm và đất bùn đến các loại cát.

Ở giai đoạn tiền phun vữa, nhà thầu thường khoan lỗ vào đá hoặc đất từ bề mặt của hầm và sau đó bơm vữa lỏng trước khi thúc đẩy công tác đào hầm. Tuy nhiên, đôi khi việc này cần được thực hiện từ bề mặt nền đất, chủ yếu trong trường hợp hầm nông với lối vào khu vực bề mặt nền đất ngay trên hầm. Sau khi phun vữa là công việc khoan bề mặt dọc lối vào hầm. Công tác khoan những lỗ thăm dò và lỗ phun vữa đặc biệt được thực hiện với máy khoan nhiều cần, loại máy dùng để khoan lỗ lớn.

Giai đoạn tiền trát vữa thường được áp dụng khá nhiều khi khoan hay nổ mìn để kiểm soát nước đầu vào. Công tác nổ tạo tạo áp lực và giải phóng áp suất trong đá. Điều này gây nên những vết rạn nứt chạy ngang qua những vết nứt sẵn có, làm yếu đá và tạo nên hệ thống thoát nước. Công tác trát vữa phải ngăn được những ảnh hưởng này.

Phương pháp nổ mìn ảnh hưởng đến lượng vữa phun theo yêu cầu và công tác này có thể thành công như một dấu hiệu. Ví dụ, chất gây nổ với tiếng nổ có tốc độ cao (VOD) dẫn đến nhiều đường nứt mịn gần lỗ. Một lượng lớn chất nổ để lấp đầy lỗ dẫn đến các vết nứt dài. Làm việc chặt chẽ với các chuyên gia là việc cần thiết khi phun vữa dưới các điều kiện này.