tìm hiểu kết cấu hoạt động và tính chọn sơ bộ cơ cấu quay khiên đào của máy khoan hầm tbm

Nghĩa là máy đi đến đâu đường hầm được hoàn thiện ngay đến đóTrong điều kiện nền đất yếu với các loại đất kết dính có độ sét hoặc hàm lượng phù sa cao và không thấm nước thì việc sử dụng

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước thì việc xây dựng các cơ sở hạ tầng trong đó có các máy móc hỗ trợ trong việc đào hầm có

ý nghĩa hết sức quan trọng Hiện nay có nhiều công trình thi công hầm đường, chính vì vậy mà máy móc có vai trò hết sức quan trọng, không thể thiếu trong các công việc đào hầm Hiện nay, các nhu cầu về máy móc trong các công trình là rất nhiều, các công trình hầm liên tục được xây dựng trong quá phát triển của xã hội đó là một minh chứng cho thấy rõ điều này

Hiện nay, nhu cầu về máy đào hầm để phù hợp với các điều kiện làm việc, khuôn khổ về kích cơ cũng như phạm vi sử dụng khác nhau, khi làm việc cho năng suất và hiệu quả làm việc cao, tuy nhiên việc tìm hiểu, nghiên cứu về chúng để có thể bảo dưỡng, sửa chữa cũng gặp nhiều khó khắn

Em được nhận đồ án môn máy xây dựng chuyên dùng đó là: “Tìm hiểu kết cấu hoạt động và tính chọn sơ bộ cơ cấu quay khiên đào của máy khoan hầm TBM ” Quá trình tìm hiểu giúp em hiểu rõ hơn về việc sử

dụng, vận hành, sửa chữa bộ phận có trên máy và mở mang nhiều kiến thức

về loại máy này

Chương 1 TÌM HIỂU KẾT, CẤU HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Khái niệm

TBM( tunnel boring machine) là thiết bị khoan hầm có thể thi công trên mọi

loại địa chất từ đá cứng đến đất yếu, đất sét, đất bồi hay đất cát dưới mực nước ngầm, đi xuyên núi hay lòng biển.TBM là thiết bị đào và làm đường hầm bằng phương pháp nghiền nát đá, hoàn toàn không gây nổ Đầu máy có đường kính 5,5m, nặng 450 tấn được lắp 37 mũi khoan làm bằng hợp kim đặc biệt gọi là "black diamon", có thể đâm thủng những lớp đá cực cứng Cùng với việc đào không khoan

nổ và vận chuyển vật liệu đá đào ra ngoài bằng băng chuyền, thiết bị này đồng thời còn lắp dựng bê tông đúc sẵn vỏ đường hầm Nghĩa là máy đi đến đâu đường hầm được hoàn thiện ngay đến đó

Trong điều kiện nền đất yếu với các loại đất kết dính có độ sét hoặc hàm lượng phù sa cao và không thấm nước thì việc sử dụng khiên đào là giải pháp lựa chọn hợp lý

TBM là loại khiên cần bằng áp của herrenknecht được sử dụng trong các điểu đào bởi đầu cắt của khiên sẽ được gia cố gương đào Chất tạo bọt được bơm vào trước đầu cắt làm cho đất đào kết dính lại đảm bảo kiểm soát chính xác áp lực

hỗ trợ bề mặt cũng như dễ dàng đưa được đất đào ra ngoài

1.1.2 Ưu điểm của phương pháp thi công

Có thể thi công trên mọi loại địa chất từ đá cứng đến đất yếu, đất sét, đất bồi hay đất cát dưới mực nước ngầm, đi xuyên núi hay dưới lòng biển

TBM có độ an toàn cao, thân thiện môi trường và không làm rung động, chấn động như nổ mìn

Thích hợp áp dụng cho đường hầm đô thị

Thi công không ảnh hưởng đến các công trình xung quanh Máy TBM đào đất,

đá và lắp vỏ hầm theo một chu trình được kiểm soát nghiêm ngặt, khi thi công hầm bằng TBM thì trên mặt đất xe cộ vẫn chạy bình thường

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/ngày trong đất yếu và 50-100m/ ngày trong địa chất là đá 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

1.2 Kết cấu và hoạt động

1.2.1 Kết cấu chung và hoạt động chung

Vỏ

lanh

Vách ngăn

Đệm khí

Van

Mạch bùn

Vữa

Khoang

đào

Khiên

Động cơ

điện

Máy nghiền

Bánh

cắt

Cơ cấu lắp khiên Khoang làm

việc

Khiên đào máy TBM

Một hệ thống TBM có thể dài đến 600 feet ( khoảng 183m) Buồng đào nằm phía sao bánh cắt và đường ngăn cách với buồng làm việc bởi một bức tường chìm

Xe con vận chuyển vỏ hầm

Hệ thống xe con cũng được sử dụng để cung ứng và đưa các đoạn vỏ bê tông vào để tạo kế cấu vỏ trong cửa hầm

Khiên

Khoang làm việc

Khoang

đào

Xe con vận chuyển

Đầu cắt

Đầu cắt ở phía trước máy được sử dụng để đào và vận chuyển đất đến vùng trộn ( các đầu cắt phải phù hợp với từng điều kiện địa chất)

Buồng đào và buồng làm việc

Buồng đào được lấp đầy bằng dung dịch betonit và 2/3 buồng làm việc Dưới tác dụng của đệm khí sẽ tạo ra áp suất cho bentonite giúp cân bằng áp lực với đất và nước ngầm trong quá trình đào Tùy thuộc vào áp lực của đất và nước ngầm, ta có thể điều chỉnh đệm khí sao cho phù hợp bằng van khí

Áp lực tạo ra bởi bentonite

Đệm khí tạo ra

áp suất cho bentonite

Áp lực đất

Áp lực nước

ngầm

Các vật liệu đào được rơi vào buồng khai quật Các hạt kích thước nhỏ được hòa tan phần lớn bentonite trong khi các hạt có kích thước lớn chìm xuống đáy và được hai máy nghiền xử lí Phần mở của ống hút được bảo vệ bởi lưới đầu phun

Vật liêụ đào được bơn qua đường hút và vận chuyển đến máy lọc Tại đây dất và vật liệu sẽ được tách ra khỏi bentonite và bentonite sạch được chuyển lại mạch bùn

Máy nghiền

Ống hút

được bảo vệ

bởi lưới

Đường dẫn bentonite sạch

Bentonite

Vận chuyển vỏ hầm.

Các đoạn vỏ hầm được chuẩn bị tại khoang phía trước các toa chuyển đất đào Các đoạn này được xoay vào vị trí nhờ cần lắp dựng theo một vị trí xác định Cần lắp dựng đưa các tấm từ toa chứa vào vị trí đã được định sẵn Cần dựng các quá trình này đến khi đốt hầm được hoàn thành Các đoạn đốt hầm được lắp ráp khi TBM đào Đưa các đoạn vỏ hầm vào vị trí mất khoảng 5 phút tức là mất khoảng 60 phút để hoàn thành một đốt Trong khi lắp đặt đốt vỏ hầm, TBM duy trì áp lực lên đất

Dùng bu lông để gắn các đoạn lại với nhau

Miếng đệm dọc cạnh của tấm bê tông giúp nó chống nước Các bu lông được sử dụng để gắn các đoạn lại với nhau Lỗ ở giữa mỗi tấm sẽ được bít chặt sau đó Cần dựng tiếp tục đưa các đoạn vào vị trí

Phân đoạn chính

Cần dựng đẩy đoạn khóa vào vị trí, các kích gắp khớp kiểm soát hướng đào Kích đẩy được dung để đẩy TBM tiến lên và duy trì áp lục cần thiết lên gương

1.2.2 Các bộ phận chính

Phương pháp đào hầm bằng TBM có nhiều ưu điểm so với khoan hầm thủ công hoặc khoan nổ mìn Nếu trong phương pháp khoan mìn hoạc đào thủ công tốc

độ mở lớn nhất trên một gường đào là 30-100m/tháng cho đường ngầm ôtô 2 luồng thì cũng trong đất như vậy TBM có thể đảm bảo tố độ mở hầm 300-400m/ tháng và lớn hơn Giá thành xây dựng giảm trung bình 20-30% Đặc biệt sử dụng TBM có hiệu quả khi đào đường hầm kéo dài hơn 1 đến 1,5 km

TBM được trang bị cơ cấu đào đất, gầu và băng tải để vận chuyên đất lên các phương tiện vận chuyển TBM tác động mang tính lựa chọn được sử dụng phổ biến

Bộ phận làm việc của chúng được di chuyển trên cần gắn trên phần thân của máy đào, máy kéo hoặc máy tời chuyên dùng Máy có một hoạc hai đầu cắt-cần lái cho phép tạo nên hầm đào dạng bất kỳ nào : vòm, chữ nhật, tròn, elip vv… Nhược điểm của TBM là không thể sử dụng chúng trong điều kiện đất thay đổi trong phạm vi rộng Tiếp tục hoán thiện TBM là xem xét tạo ra các cơ cấu tác động trong phạm vi

sử dụng rộng với các bộ phận làm việc roto hoạc nhiều cần trang bị cơ cấu treo để

lắp đặt hệ thống chống tạm thời cũng như các phương tiện thông gió và hút bụi Công nghệ đào hầm- đối với đất mềm, hầm ngầm được đào từng đoạn trên toàn bộ tiết diện kết hợp với hệ thống chống đỡ tạm thời phương pháp này chỉ nên sử dụng cho các đoạn hầm ngắn từ 200-300m Các khu vực có đất đá đủ cứng có thể dùng các thiết bị sau: Đất có hệ số kiên cố f=4-6 phổ biến sử dụng phương phát đặt bậc dưới, trong đó phần trên bậc được mở ngay trên toàn bộ chiều dài hầm đào hoặc vượt trước so với phần dưới với l= 30-50m

Đất đá dạng phiến, sét kết aleurolit v.v có hệ số kiên cố f = 3-5, cúng như đất yếu

no nước thường sử dụng phương pháp mới của áo (HATM) Đầu tiên tiến hành đào phần đỉnh hầm, gia cường bằng bê tông - phun dày 15-20cm, phun lên lớp lưới thép (h.18) Có thể dùng hệ chống liên hợp từ bê tông phun kết hợp neo hoặc cung vòm

Vỏ mềm bê tông phun có khả năng biến dạng mà không bị sụt lở nhờ tính từ biến của bê tông phun Sau khi khối đất xung quanh tắt biến dạng (ghi theo đồng hồ neo) tiến hành đào phần giữa của hầm và đổ bê tông vỏ hầm hoặc bê tông - phun dày 25-30cm Khi có nước ngầm trong hầm đào, cần dán lớp cách nước giữa lớp bọc ngoài và vỏ hầm Trong phương pháp này kết cấu vỏ hầm được giảm nhẹ rất nhiều nhờ tận dụng quá trình ngưng từ biến của đất, tuy nhiên dễ xuất hiện sự cố khi vành đường hầm lún nhiều,đặc biệt khi tải trọng ngoài không đều

Lắp đặt cốp pha cho bê tông tại chỗ

Khiên mở hầm là hệ chống di động Trong phương pháp này đất được đào và vỏ hầm cố định được lắp đặt gần như đồng thời Các khiên khác nhau về hình dáng,

kích thước mặt cắt, khả năng chịu lực, phương pháp đào đất và gia cường mặt gương hầm v.v Hình dạng mặt cắt ngang của các khiên rất khác nhau: tròn, vòm, chữ nhật, thang, elip v.v Trong phần lớn các trường hợp, khiên có dạng hình tròn tương ứng với dạng vỏ hầm Nhưng sử dụng tiết diện đường hầm hiệu quả hơn lại

là vò hầm có dạng chữ nhật Theo phương pháp đào đất khiên có loại chính: - Không cơ giới hoá: đất được đào thủ công hoặc dùng dụng cụ cơ giới cầm tay - Cơ giới hoá: tất cả các thao tác đào đất, thu dọn đất hoàn toàn được cơ giới hoá Cấu tạo khiên : - Vòng dao cắt đất theo chu tuyến hầm đào và để bảo vệ người làm việc trong gương hầm Khi mở hầm trong đất mềm, vòng dao có phần trên rộng radầm dẫn, còn trong đất yếu- mái đua ngăn ngừa sự cố - Vòng tựa cùng vòng dao là các kết cấu chịu lực chính của khiên các kích để di chuyển khiên được phân bố đều theo chu vi vòng tựa khi đường kính khiên khoảng 10m thường được bố trí 30-36 kích - Vỏ đuôi gia cường chu tuyến của hầm đào tại vị trí thi công vòng tiếp theo của vỏ hầm Các khiên không cơ giới hoá được trang bị bổ sung các vách ngăn ngang và đứng, các tấm sàn đua, cũng như các kích sàn và gương hầm các vách ngăn ngang và đứng tạo cho kết cấu khiên độ cứng cần thiết và chia gương hầm thành các ô lưới, trong đó đất được đào đi Vấn đề hoàn thiện các kết cấu của khiên được tiến hành theo hướng tạo ra những khiên di chuyển độc lập với vỏ hầm kết hợp tựa vào vòng chống nhờ vỏ ống lồng v.v…

Các khiên cơ giới hoá Khiên cơ giới hoá được trang bị các bộ phận để đào đất và gia cường mặt gương hầm, ngoài ra các khiên còn được trang bị các cơ cấu để bốc đất và đưa ra ngoài giới hạn của khiên Các khiên cơ giới hoá giảm mức độ nặng nhọc, tăng tốc độ mở hầm, đảm bảo chu tuyến hầm đào phẳng, cho phép sử dụng các dạng vỏ hầm hợp lý (ép vào đất, nén ép toàn khối v.v )

Phụ thuộc vào loại đất, có thể sử dụng các bộ phận đào đất khác nhau, ví dụ: - Đối với đất sét, á sét và đá phiến gốc sét khô và cứng có hệ số kiên cố f tới 2,5-3 Bộ phận đào đất của khiên có dạng vôđilô 4 tia với lưỡi cắt dạng thanh và lưỡi cắt dạng đĩa (h.21b) - Đất sét khô mácnơ và sét phiến có hệ số kiên cố f tới 3 thường

sử dụng khiên với bộ dẫn động thuỷ lực (h.21c) - Đất phân lớp và đất hỗn hợp nên dùng các khiên cơ giới có bộ phận làm việc dạng cần, tác động lựa chọn (h.22a) - Đất đá bị phá hoại có hệ số kiên cố f tới 5 có thể sử dụng các khiên cơ giới có bộ phận làm việc kiểu phay (h.22b)

Đất không dính có độ ẩm tự nhiên, có thể sử dụng các khiên có sàn ngăn nằm ngang đua ra chút ít sau vòng dao và nằm ở độ cao 0,8-1,2m Nhờ vậy gương hầm được chia ra nhiều tầng, trong mỗi tầng đó, đất được đổ trên các sàn theo góc

nghiêng tự nhiên đảm bảo ổn định cho gương hầm không cần gia cường cưỡng bức (h.23) Để mở hầm ngầm trong đất no nước không dính, có thể sử dụng hệ thống khiên cơ giới hoá khác nhau, đảm bảo đào đất và gia cường mặt gương hầm

(h.24a) Để mở đường hầm trong đất no nước không ổn định sử dụng các khiên có buồng hơi ép gần gương hầm hoặc các khiên có buồng chứa huyền phù bê tông gần gương hầm (h.24b) Đất sét dính và bùn có độ thấm nước thấp, sử dụng các khiên

cơ giới có gia tải đất tạo nên trong buồng cạnh gương lò nhờ nén chặt đất đào Các tấm được trang bị bộ phận làm việc dạng rôto và màng liên tục tách buồng cạnh gương lò khỏi phần còn lại của khiên (h.24c)

Như vậy, các khiên cơ giới hiện đại cho phép tiến hành mở hầm trong các điều kiện địa chất công trình rất khác nhau Nhược điểm cơ bản của chúng là vùng sử dụng

cho từng cơ cấu riêng bị hạn chế do đó tiếp tục hoàn thiện các khiên cơ giới hoá được tiến hành theo hướng đa năng hoá, sao cho có thể sử dụng luân chuyển các bộ phận làm việc để đào các loại đất khác nhau hoặc sử dụng các bộ phận làm việc liên hợp cấu tạo từ nhiều chi tiết, mỗi chi tiết phục vụ cho một vài loại đất nhất định Lắp ráp các khiên và trang thiết bị cần thiết cho chúng được thực hiện trước khi mở hầm Phụ thuộc vào dạng công trình ngầm, chiều sâu chôn ngầm của chúng, tình hình địa chất công trình, các khiên có thể được lắp ráp trực tiếp cạnh cửa chính của đường hầm, trong hố đào lộ thiên hoặc qua giếng đứng hoặc được lắp ráp trong các buồng ngầm đặc biệt

Chương 2 Tính chọn sơ bộ cơ cấu quay của khiên đào

2.1 Cơ cấu quay của khiên đào

*Nguyễn lí dẫn động: Lưỡi cắt được dẫn động bằng động cơ điện thông qua bộ truyền bánh răng ăn khớp trong

2.2 Tính chọn cơ bộ cơ cấu quay của khiên đào

Các thông số yêu cầu: D = 17,5m; F = 1600KN; v= 3500m/s Lưỡi cắt Vành răng Bánh răng Động cơ điện Trong đó: D – đường kính khiên đào; F – Lực vòng trên khiên đào; v – vận tốc khiên đào 2.2.1 Chọn động cơ