Việc sử dụng máy khoan và lắp đặt cống ngầm với điều khiển định vị tự động giảm đáng kể chi phí thi công, đem lại hiệu quả kinh tế lớn, giảm thiểu mặt bằng thi công, giảm thời gian thi c
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ KHOAN KÍCH NGẦM
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ THI CÔNG CỐNG NGẦM
1.1 Các công nghệ thi công cống ngầm trên thế giới
Cho đến nay có rất nhiều công nghệ thi công cống ngầm khác nhau đã đƣợc áp dụng, song có thể phân thành hai công nghệ xây dựng chính là : công nghệ đào hở, còn gọi là đào lộ thiên/đào và lấp (Trench Technique) và công nghệ đào kín (Trenchless Technique/No-dig)
Mỗi công nghệ đều có những phạm vi áp dụng thay đổi tuỳ theo rất nhiều yếu tố
Ngoài ra, ngày nay để đáp ứng nhu cầu xây dựng các công trình ngầm, người ta còn áp dụng công nghệ hầm dìm (đánh chìm hầm) để thi công các công trình ngầm dưới nước
Sơ đồ 1.1 Phân loại công nghệ thi công cống ngầm
Công nghệ đào hở là một thuật ngữ chỉ các công nghệ xây dựng cống ngầm mà người ta xây dựng cống ngầm bằng cách đào từ mặt đất tự nhiên đến cao độ đáy công trình ngầm, thi công rồi lấp phủ công trình ngầm Công nghệ này có những nhƣợc điểm :
Công nghệ đào hở đòi hỏi khối lƣợng đào đắp rất lớn, phá vỡ cảnh quan khu vực xây dựng, đặc biệt là khi công trình đặt khá sâu so với mặt đất;
Chiếm đất nhiều, ồn và dễ gây ách tắc giao thông (thực tế đã chứng minh có rất nhiều vấn đề nảy sinh khi thi công hầm chui nút Kim Liên và hầm bộ hành ở nút Ngã Tƣ Sở: vấn đề ách tắc giao thông, nhà dân sát với công trình thi công bị nghiêng, nứt…);
Công nghệ thi công cống ngầm
Công nghệ đào hở (đào và lấp )
Sự hạn chế trong khi vạch tuyến : phải bám theo các tuyến phố hiện hữu, đặc biệt bán kính cong nhỏ khi xây dựng tuyến tàu điện ngầm, nếu công trình thi công sát với móng công trình hiện có thì phải tiến hành gia cố chống đỡ những công trình này gây tốn kém;
Hình 1.2 Thi công đường cống ngầm bằng công nghệ đào hở tại tp Hồ Chí Minh dọc theo các tuyến phố
Vấn đề giải phóng mặt bằng dành chỗ cho công trường xây dựng, tổ chức lại các tuyến giao thông, ồn, chấn động…là những vấn đề kinh tế-xã hội khó giải quyết nhanh gọn để công trình khởi công đúng thời hạn
Hình 1.3 Ùn tắt giao thông do thi công bằng phương pháp đào hở
Công nghệ hầm dìm là một thuật ngữ dùng để chỉ công nghệ thi công các công trình ngầm dưới nước bằng cách đánh chìm các đoạn đường hầm - đã được thi công sẵn trên bờ - tại vị trí cần thi công Đây là một kỹ thuật khá phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao, hiện công nghệ này đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới trong việc xây dựng các đường hầm vượt sông và vượt biển Công nghệ này cũng đã được áp dụng để thi công đường hầm Thủ Thiêm vượt sông Sài Gòn
Hình 1.4 Đường hầm Thủ Thiêm vượt sông Sài Gòn
1.1.3 Công nghệ đào kín (công nghệ thi công ngầm )
Khác với công nghệ đào hở, công nghệ đào kín không đào từ trên mặt đất xuống mà đào ngầm trong lòng đất để tạo ra các hang đào, sau đó cống ngầm sẽ đƣợc xây dựng ở trong các hang đào này
Công nghệ đào hầm không người lái tỏ ra hiệu quả đáng kể khi xây dựng các cống ngầm đô thị đặt sâu, đặc biệt phù hợp với cống ngầm có mặt cắt ngang tròn hoặc hình chữ nhật Tùy thuộc vào đặc điểm của công trình (trọng lực hay áp lực), công nghệ đào hầm không người lái được lựa chọn sao cho phù hợp nhất.
Sơ đồ 1.2 Phân loại các công nghệ trong công nghệ đào kín
Công nghệ thi công toàn tiết diện
Công nghệ thi công từng phần
Máy đào xúc, máy xới
Máy khoan hầm TBM Máy đào
Máy khiên đào SM Micro tunneling
1.2 Đặc điểm của công nghệ và thiết bị thi công ngầm
Thiết bị đi kèm Đặc diểm
- Máy khoan, máy xúc, thiết bị kích chất nổ, thiết bị gia cố hầm…
- Thi công chủ yếu bằng chất nổ, sau đó máy xúc hoạt động lấy đất đá và định hình đường kính hầm, chống đỡ bằng các khung thép, cuối cùng gia cố lại bằng lớp bê tông
Máy đào xúc, máy xới
- Thiết bị chính là máy khoan, máy xúc và máy xới
- Thi công tương tự như phương pháp NATM nhƣng thay vì nổ mìn thì phương pháp này thi công chủ yếu bằng khoan, đào, móc từng phần sau đó gia cố lại bằng lớp bê tông cốt thép
- Thiết bị thi công là các máy đào liên hợp chuyên dùng (RH) hoặc các máy búa thủy lực
- Thi công tương tụ như phương pháp đào xúc nhƣng thay vào đó là máy đào liên hợp chuyên dùng cho thi công đường hầm
- SM là một thiết bị vừa thi công vừa chống đỡ vừa gia cố, có thể đào bằng sức người hoặc tổ
- Sự khác biệt lớn giữa phương pháp này so với các phương pháp
Machine (SM) hợp máy RH hoặc sử dụng đầu khoan
Hình 1.8 Khiên đào RH trên là thi công toàn tiết diện, vừa thi công vừa chống đỡ
Máy khoan hầm Tunnel Boring
- TBM là hệ thống thiết bị bao gồm các chức năng khoan cắt, chống đỡ và gia cố đường hầm bằng cơ giới hóa
- Tương tự như phương pháp dùng máy SM, TBM là thiết bị thi công toàn tiết diện, đƣợc điều khiển và cơ giới hóa hoàn toàn, có khả năng thi công các đường hầm lớn
Micro tunneling (MT or MTBM)
- Bộ kích thủy lực, điểu khiển từ xa, các đoạn ống đúc sẵn và sử dụng đầu cắt MT
Hình 1.10 Hệ thống thiết bị máy đào MTBM
Tương tự phương pháp TBM khoan đào hầm ngầm, phương pháp kích ống cũng sử dụng đầu cắt MT dẫn hướng Tuy nhiên, thay vì khoan đất đá, phương pháp kích ống ép từng đoạn ống xuống đất Do đó, kích ống là phương pháp hiệu quả cho các đường ống kích thước vừa và nhỏ, đạt năng suất cao và tiết kiệm chi phí so với các phương pháp khác.
1.3 Quy trình lựa chọn và chỉ tiêu đánh giá tính hiệu quả của thiết bị
Sơ đồ 1.3 Quy trình lựa chọn công nghệ thi công
- Mục đích sử dụng là công dụng của đường hầm sau khi thi công: đường hầm giao thông, đường ống dẫn nước, đường dây điện ngầm…
- Các yếu tố ảnh hưởng: ở đây ta chia thành 3 nhóm yếu tố chính:
+ Kích thước đường hầm bao gồm: đường kính, chiều dài, hình dạng…
Biểu đồ 1.1 Quan hệ giữa chi phí và chiều dài giữa các công nghệ thi công + Đặc điểm của đường hầm bao gồm: chiều sâu hầm, độ cong hầm…
+ Yếu tố xung quanh bao gồm: các công trình xung quanh, môi trường, tiếng ồn…
- Điều kiện thi công: ở đây ta nói đến điều kiện địa chất khu vực đƣợc thi công bao gồm: thi công qua đồi núi, thi công hầm dưới vùng nước, thi công trong đô thị…
Các chỉ tiêu đánh giá tính hiệu quả của công nghệ:
- Để chọn đƣợc công nghệ thi công hợp lý, thì việc đánh giá tính hiệu quả cũng rất quan trọng Ở đây, ta có 5 chỉ tiêu chính:
+ Vốn đầu tƣ thiết bị
Các yếu tố ảnh hưởng Điều kiện thi công
+ Phù hợp điều kiện địa chất phức tạp
1.4 Phân loại và đặc điểm của các thiết bị thi công toàn tiết diện đường hầm
Sơ đồ 1.4 Phân loại các phương pháp thi công toàn tiết diện
1.4.1 Máy khoan đào Shield Machine
CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG THI CÔNG CỐNG NGẦM THEO CÔNG NGHỆ
1.5 Mô tả hệ thống thi công cống ngầm theo công nghệ Khoan Kích Ngầm
Phương pháp kích ngầm là kỹ thuật đào ngầm áp dụng cho các công trình ngầm là đường ống kỹ thuật Thi công theo phương pháp này là đẩy các đoạn ống có độ dài nhất định với đường kính giới hạn vào lòng đất Phương pháp này áp dụng chủ yếu cho các đường hầm có đường kính nhỏ (D S = -0,013.15 + 9 = 8,805 (cm) = 88,05 (mm) - Số lƣỡi cắt trên đầu khoan đƣợc tính theo công thức (3.99)
Ta chọn lƣỡi cắt có mã số 009.274.00 của hãng Palmieri [44] để phục vụ cho thiết kế và tính toán với các thông số nhƣ sau:
4.2.4 Các thành phần lực cắt đất
- Lực cắt F cx đƣợc xác định theo công thức Dombrovski(3.1):
+Lực cản cắt theo phương tiếp tuyến:
Trong đó: n = 30 - số lƣỡi cắt w = 70 (mm) = 0,07 (m) – chiều rộng phoi cắt
= 25 (mm) = 0,025 (m) – chiều dày phoi cắt
= 130 – 250 (kN/m 2 ) – lực cản cắt riêng
(kN) + Lực cản cắt theo phương pháp tuyến (3.2):
+ Lực cản cắt tổng cộng:
Biểu đồ 4.1 Tính toán lực F cx theo K 1
4.2.5 Bước tiến của đầu khoan (mm/vòng)
Bước tiến của đầu khoan được tính theo công thức (3.36) Ứng với điều kiện: = 25– 50 (MPa)
Biểu đồ 4.2 Bước tiến đầu khoan i
Tốc độ khoan thi công ở vùng địa đất trung bình tính theo công thức (3.29):
4.2.7 Tốc độ quay của đầu khoan (vòng/phút):
- Tốc độ quay của đầu khoan đƣợc tính theo công thức (3.100):
PR – Tốc độ thi công (m/phút) i = 122,9 – Bước tiến đầu khoan (mm/vòng), lấy theo giá trị trung bình theo kết quả tính toán ở trên
Biểu đồ 4.4 Quan hệ giữa và RPM
- Lực ma sát giữa đầu cắt và khối đất đá:
(kN) f 2 = 0,8 Theo bảng 5 phụ lục I
(kN) - Tổng thành phần lực pháp tuyến tác dụng lên đầu khoan:
∑ - Mômen xoắn của cụm đĩa cắt theo công thức (3.101) ta có:
(kNm) - Công suất dẫn động cụm đĩa cắt theo công thức (3.102) ta có:
( ) Ứng với điều kiện: = 25 – 50 MPa
Biểu đồ 4.5 Công suất dẫn động cụm đĩa cắt
- Vì giá trị và là những giá trị biến thiên bất kì trong quá trình thi công, nên để an toàn cho động cơ ta chọn công suất động cơ nằm trên vùng cao nhất
- Cần phải khảo sát địa chất khu vực thi công thật kỹ để đảm bảo việc chọn động cơ đủ công suất, tránh tình trạng hƣ hỏng đáng tiếc có thể xảy ra do gặp phải vùng địa chất khó thi công
4.2.9 Công suất nghiền vật liệu
Công suất của quá trình nghiền đƣợc tính theo công thức (3.51):
(rad/giây) σc = 20-170 MPa Tra theo bảng (16) phụ lục 1 ứng với sa thạch
E = 1000-20000 MPa Tra theo bảng (15) ứng với sa thạch
Hình 4.2 a Kích thước vật liệu sau nghiền cố định b Kích thước lớn nhất của vật liệu c Đường kính lớn nhất của má nghiền
Thay tất cả các giá trị có đƣợc vào công thức (3.51) ta đƣợc:
( ) Ứng với điều kiện: = 20 –170 MPa
Biểu đồ 4.6 Công suất nghiền
4.2.11 Áp lực tác dụng lên đầu khoan
Tính toán áp lực đất tác dụng lên đầu khoan theo [12] Áp lực tác dụng lên đầu khoan đƣợc phân bố theo hình 3.5
Với (kg/m 3 ) Tra theo bảng (10)
H = 6 m Theo yêu cầu đề bài Áp lực tĩnh bên trên thành máy theo công thức (3.77):
( ) Áp lực tĩnh bên dưới thành máy theo công thức (3.78):
= 40 (độ) Tra theo (bảng 8-phụ lục I)
- Áp lực theo phương đứng do tải tập trung gây ra theo công thức (3.73):
P 0 = 100000 N Chọn sơ bộ khối lƣợng thân máy z = 8 (m) Độ sâu so với mặt đất
R H = 0,75 (m) Bán kính bề mặt chịu lực
=> Áp lực lớn nhất tác dụng lên đầu khoan = 103,1 MPa
- Sơ đồ khối tính toán là quy trình tính toán cơ bản các thông số làm việc của bộ phận công tác
- Các thông số đƣợc tính toán dựa trên miền dữ liệu cơ tính của đất đá phù hợp với điều kiện thi công ở Tp HCM với
Biểu đồ giá trị kết quả tính toán thể hiện mối quan hệ giữa các đại lượng đầu vào Dựa vào đó, chúng ta có thể dự đoán phạm vi hoạt động của các thông số khi các chỉ tiêu đầu vào thay đổi.
- Dựa vào biểu đồ công suất tính toán, ta có thể khai thác tối đa công suất làm việc của động cơ ứng với từng miền thông số đầu vào cụ thể Đồng thời nó cũng thể hiện mức độ ảnh hưởng của từng thông số đối với công suất động cơ
=> Trong biểu đồ tính toán ta thấy, công suất động cơ biến thiên từ 5 – 560 kW
Khoảng biến thiên là tương đối lớn ứng với miền giá trị điều kiện đầu vào Do đó quá trình khảo sát thực tế chính xác sẽ hạn chế đƣợc lãng phí do chọn động cơ có công suất quá lớn
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ ĐẦU KHOAN THEO CÔNG NGHỆ KHOAN KÍCH NGẦM
5.1 Cụm đĩa cắt và cụm nghiền Đây là hai bộ phận làm việc trực tiếp với đất, đá Trong suốt quá trình làm việc, hai bộ phận này chịu ma sát liên sát liên tục với áp lực lớn Vật liệu dùng để chế tạo hai bộ phận này phải chống mài mòn tốt, chịu va đập cao
Trên thị trường hiện có thép 65Mn, đây là loại thép dễ gia công (dễ đúc, dễ gia công bằng các phương pháp gia công kim loại truyền thống – tiện, phay) nhưng lại có khả năng tự biến cứng bề mặt trong quá trình làm việc (càng làm việc thì càng tăng khả năng chống mài mòn và chịu va đập) Do đó, ta chọn thép 65Mn để chế tạo Cụm đĩa cắt và khoan nghiền
Gồm: có các lƣỡi cắt và thân đĩa cắt
Hình 5.1 Cấu tạo cụm đĩa cắt
+ Lƣỡi cắt (bản vẽ PJH – 001, phụ lục 2):
Là bộ phận tiếp xúc đầu tiên giữa đầu khoan và đất Lƣỡi cắt có nhiệm vụ bóc tách lớp đất đá phía trước đầu khoan để thực hiện quá trình khoan
Tham khảo lƣỡi cắt 009.274.00 của hãng Palmieri [44]với các thông số nhƣ sau:
Là nơi gá đặt các lƣỡi cắt
Gồm: búa nghiền và má nghiền
+ Búa nghiền: là phần sau của Thân đĩa cắt, bốn búa nghiền đƣợc bố trí cách đều phía sau thân đĩa cắt sẽ chuyển động quay đồng thời với thân đĩa cắt và thực hiện việc nghiền nhỏ vật liệu (dưới 20 mm)
+ Má nghiền (bản vẽ PJH – 003): bộ phận thực hiện quá nghiền nhỏ các vật liệu có kích thước tương đối lớn (>20mm) xuống kích thước phù hợp (< 20mm) - dưới tác động của sự chuyển động tương đối với búa nghiền - để bơm hút liệu có thể vận chuyển bùn đất ra ngoài
Trên má nghiền có các lỗ phi 80mm để thoát liệu và các lỗ phi 20mm để gắn các vòi phun nước
Vỏ thân trước: (bản vẽ PJH – 004)
Là nơi gá đặt các bộ phận công tác của đầu khoan: motor truyền động, trục chính, má nghiền, đĩa cắt…
Là nơi gá một phần của cụm dẫn hướng đầu khoan
Vỏ thân sau: (bản vẽ PJH – 005)
Là bộ phận kết nối giữa các đoạn ống bê tông với đầu khoan
Là nơi bố trí các đường ống cấp nước, hệ thống bơm thoát liệu, hệ thống thu tín hiệu laser dẫn hướng đầu khoan
Là nơi gá một phần của cụm dẫn hướng đầu khoan
Cụm dẫn hướng
Là phần nối giữa thân trước và thân sau của đầu khoan bởi 3 kích thủy lực với mục đích điều khiển hướng di chuyển của đầu khoan trong quá trình hoạt động.
Bộ truyền động (bản vẽ PJH – 006 đến PJH – 013)
Theo kết quả tính toán số vòng quay của đầu khoan (mục 4.2.7), tốc độ quay tối đa của đầu khoan là 12 vòng/phút Do vậy, ta sử dụng bộ truyền gồm 1 động cơ điện 3 phase vận tốc
1450 vòng/phút truyền động qua một hộp giảm tốc có tỉ số truyền 1/20 gắn liền với động cơ; để truyền chuyển động cho cụm đĩa cắt với số vòng quay mong muốn ta sử dụng cơ cấu hộp giảm tốc bánh răng hành tinh với tỉ số truyền 1/6.
Tổng thể đầu khoan (bản vẽ PJH – 000)
Hình 5.11: Hình dạng tổng thể đầu khoan
Hình 5.7 Động cơ và hộp giảm tốc
Hình 5.8 Trục ghép vành răng
Hình 5.9 Bộ truyền động Hình 5.10 Bộ truyền động đƣợc lắp vào thân máy
B: Khoang nghiền và thoát liệu
D: Khoan chức năng – là nơi gá bơm thoát liệu, thiết bị thu nhận tín hiệu dẫn hướng, các đường ống, dây điện…
Hình 5.12: Cấu tạo đầu khoan
Chương này đã thiết kế hệ đầu khoan theo công nghệ khoan kích ngầm ứng với các số liệu đã tính toán nhƣ sau: Đường kính đầu khoan: D = 1500 (mm)
Chiều dài đầu khoan: L = 3250 (mm)
Số vòng quay của đĩa cắt: n = 10,74 (vòng/phút)
Bước tiến tối đa của đầu khoan: i = 192 (mm/vòng).