Máy và thiết bị thi công công trình ngầm có thể là một máy đơn lẻ, một cỗ máy phục vụ cho một công đoạn trong nghệ thi công và nhiều khi chúng được coi như một dây chuyền thực hiện trọn
Công dụng, phân loại và cấu tạo máy thi công công công trình ngầm
Công dụng
Máy thi công công trình ngầm là thiết bị chuyên dụng phục vụ xây dựng các công trình như tunnel giao thông đường sắt, đường bộ và hệ thống đường ống ngầm trong đô thị Với sự đa dạng về chủng loại, máy và thiết bị này được phân loại theo nhóm công nghệ thi công hoặc theo công dụng cụ thể.
Máy và thiết bị thi công công trình ngầm bao gồm các máy đơn lẻ hoặc hệ thống máy phục vụ cho từng công đoạn trong quá trình thi công Chúng có thể được coi là một dây chuyền hoàn chỉnh, thực hiện tất cả các bước từ đào đất đến thi công vỏ hầm tunnel vĩnh cửu.
Phân loại máy thi công tuyến ngầm
Trong lĩnh vực thi công tuyến ngầm, máy móc và thiết bị được phân loại dựa trên nhóm máy chủ đạo của từng công nghệ thi công hoặc theo công dụng cụ thể của chúng.
Nhóm máy này được phân loại như sau: a) Tổ máy phát lực
Tổ máy phát lực đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp động năng cho các cơ cấu công tác của máy thi công ngầm Các tổ máy phát lực này có thể bao gồm động cơ diesel kết hợp với bơm dầu thủy lực, động cơ điện với bơm dầu thủy lực, động cơ diesel với máy nén khí, hoặc các động cơ hoạt động độc lập Bên cạnh đó, nhóm máy bốc xúc và vận chuyển đất đá cũng là một phần không thể thiếu trong quá trình thi công công trình ngầm.
Máy bốc xúc là thiết bị chuyên dụng dùng để bốc xúc đất đá, giúp làm sạch mặt bằng phía trước gương đào Chúng có khả năng đổ đất đá trực tiếp hoặc gián tiếp vào các máy vận chuyển Hiện nay, máy bốc xúc được chia thành hai loại chính: loại làm việc theo chu kỳ và loại bốc xúc liên tục.
- Máy vận chuyển hầm lò gồm có:
Các máy vận chuyển liên tục như băng tải, gầu tải và vít tải có vai trò quan trọng trong việc vận chuyển đất đá ra khỏi gương đào, cũng như chuyển vật liệu xây dựng và máy móc từ mặt đất đến địa điểm thi công Hướng vận tải có thể diễn ra theo phương ngang hoặc phương nghiêng.
+ Các máy vận chuyển không liên tục như: ôtô tải hầm lò, vận tải đường sắt xe goòng hầm lò…Hướng vận chuyển là phương ngang hoặc phương nghiêng
Máy nâng chuyển là thiết bị có chức năng vận chuyển vật liệu theo hướng gần như vuông góc với tuyến tunnel, thường được lắp đặt ở giếng đứng để đưa đất đá lên mặt đất và chuyển vật liệu cùng công nhân xuống tuyến ngầm Cần phân biệt loại máy này với các máy nâng chuyển khác được sử dụng trong thi công công trình ngầm như tầng hầm cao tầng, bãi đỗ xe ngầm và các tuyến ngầm sử dụng công nghệ đào hở.
Máy và thiết bị thi công loại này gồm:
- Các máy thi công tường trong đất
- Các máy bốc xúc đất trong công nghệ đào hở
- Các máy nâng chuyển trong công nghệ đào hở-cổng trục
Ngoài ra, phải kể đến máy và thiết bị làm đất trong thi công tuyến ngầm bằng các công nghệ đào hở như:
- Máy đào gầu ngịch dẫn động thuỷ lực
- Máy đào gầu ngoạm dẫn động thuỷ lực
- Máy đào thi công cọc barrette và tường trong đất
- Khiên hở dung trong công nghệ đào tunnel từng đoạn kết hợp khiên hở hình chữ “U” d) Máy và thiết bị thi công bằng phương pháp khoan nổ mìn
Máy và thiết bị thi công loại này gồm:
- Các dụng cụ khoan: Mũi khoan, ty khoan (cần khoan)
- Các máy khoan cầm tay
- Cỗ máy khoan hầm lò e) Máy và thiết bị thi công bằng phương pháp khiên và tổ hợp khiên
Máy và thiết bị thi công loại này gồm:
- Tổ hợp khiên cơ giới hoá hoàn toàn loại thường dùng cho đất mềm
- Tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng đất
- Tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng dung dịch betonite cao áp
- Tổ hợp khiên đào lò với khiên đơn và khiên đôi
- Tổ hợp máy đào tuyến ngầm một càng dùng trong nền đá cứng f) Máy và thiết bị phục vụ cho công tác bê tông
-Máy và thiết bị gia cố vách tunnel tạm thời bằng công nghệ phun khô
-Máy và thiết bị gia cố vách tunnel tạm thời bằng công nghệ phun khô
-Các loại ván khuôn di động
-Máy vận chuyển bê tông
-Máy làm chặt bê tông
-Máy lắp ráp vỏ lò
-Máy ép vữa g) Máy và thiết bị phụ trợ
- Máy xử lý nền đất cho tuyến ngầm và thiết bị xử lý nền đất yếu bằng công nghệ khoan phụt vữa cao áp
- Máy và thiết bị thông gió tuyến ngầm
- Máy và thiết bị định vị hướng đào
- Các máy tách đất, máy bơm bùn
- Thiết bị an toàn, chiếu sáng
Máy và thiết bị thi công công trình ngầm có thể là máy đơn lẻ hoặc một hệ thống hoàn chỉnh, phục vụ cho các công đoạn trong quy trình thi công Chúng thường được xem như một dây chuyền sản xuất, thực hiện đầy đủ các bước từ đào đất cho đến thi công vỏ hầm tunnel vĩnh cửu.
Cấu tạo
Cấu tạo chung của máy công trình ngầm
- Thiết bị động lực: Động cơ đốt trong, điện, bơm dầu và máy nén khí
- Hệ thống truyền động: Cơ khí, thuỷ lực, điện, khí nén và hỗn hợp
Các thiết bị phụ trợ trong tổ hợp khiên đào lò bao gồm thiết bị an toàn và chiếu sáng, cùng với các máy tính hiện đại giúp tự động hóa nhiều quy trình từ đào đất đến thi công hoàn chỉnh một tuyến ngầm.
Tùy thuộc vào yêu cầu và chức năng, một số máy có thể trang bị đầy đủ các bộ phận, trong khi một số khác chỉ có một vài bộ phận Chương này sẽ tập trung nghiên cứu các thiết bị có công dụng chung, bao gồm thiết bị động lực và hệ thống truyền động, trong khi các cụm thiết bị còn lại sẽ được phân tích trong các chương sau.
Yêu cầu chung đối với máy thi công công trình ngầm
a Về năng lượng: chọn công suất hợp lý, cơ đông mà sử dụng được nhiên liệu hiện có b Về kết cấu:
- Đơn giản, gọn nhẹ và có độ tin cậy cao
- Có nhiều chủng loại, các cơ cấu chính phải có khả năng lắp lẫn c Về công nghệ:
- Các chi tiết máy phải dễ chế tạo và tháo lắp
- Các chi tiết máy phải được sản xuất theo tiêu chuẩn có thể chế tạo hàng loạt hoặc đại trà d Về mặt sử dụng và bảo quản:
- Cần ít người sử dụng
- Cơ động, linh khoạt và dễ điều khiển
- Dễ bảo quản, vận chuyển và sửa chữa
- Làm việc bình thường trong điều kiện khí hậu, thời tiết cho phép e Về mặt kinh tế:
- Phải sử dụng được các nhiên liệu rẻ tiền
- Phải có năng suất và hiểu quả kinh tế cao f Về mặt xã hội:
- ít gây ồn và ô nhiễm môi trường
1.3 Giới thiệu máy thi công ngầm TBM (Tunnel Boring Machine)
Công nghệ TBM (Tunnel Boring Machine) là phương pháp thi công đường hầm ngầm hiệu quả, sử dụng khiên đào để tiến hành công việc dưới mặt đất Khiên, một cấu trúc ống thép, hoạt động dưới áp lực địa tầng và có khả năng tiến lên trong địa chất Đầu ống được trang bị thiết bị che chống và đào đất, trong khi đoạn giữa có các xylanh thủy lực giúp máy di chuyển Đuôi ống lắp đặt ống bê tông vỏ hầm hoặc vành thép để đổ bê tông Mỗi lần khiên tiến lên, một vòng vỏ hầm sẽ được lắp đặt hoặc đổ tại chỗ, đồng thời vữa xi măng cát được ép vào khe hở để ngăn ngừa lún Phản lực đẩy của khiên được chịu đựng bởi vòng bê tông Trước khi thi công, cần xây dựng một giếng đứng để lắp ráp khiên và đưa đất đá ra ngoài.
Hình 1 : Máy đào hầm toàn tiết diện TBM
Máy đào hầm TBM được thiết kế với bộ phận cắt phá đất đá ở phía trước, đồng thời có khả năng thu gom đất đá thải vào bên trong máy và đưa ra ngoài Phía sau máy có bộ phận lắp ráp kết cấu vỏ, giúp đảm bảo tính ổn định và an toàn trong quá trình thi công.
Hệ thống kích thuỷ lực được lắp đặt vào vách hầm giúp đẩy công trình lên phía trước, mang lại nhiều lợi ích trong thi công hầm, đặc biệt là trong môi trường đô thị Công nghệ này cho phép thi công an toàn, nhanh chóng và liên tục với mức độ cơ giới hóa cao, đồng thời giảm thiểu cường độ lao động và ít gây xáo trộn địa tầng Nó có thể áp dụng cho mọi loại địa chất, đặc biệt là địa chất mềm yếu, phù hợp cho các hầm nông hoặc sâu mà không làm ảnh hưởng đến kiến trúc bên trên Tuy nhiên, cần xem xét cả ưu điểm và nhược điểm của công nghệ này trong quá trình thi công.
-Tốc độ thi công nhanh, liên tục, trình độ cơ giới cao, cường độ lao động thấp
Giảm nhẹ công tác gia cố tạm thời giúp hạn chế ảnh hưởng đến địa tầng, có thể áp dụng cho mọi loại địa chất, đặc biệt phù hợp với các khu vực có địa chất mềm yếu tại đô thị.
-Chất lượng che chắn vỏ hầm tốt, điều kiện thông gió và công tác tốt
-Không ảnh hưởng kiến trúc bên trên, phù hượp với điều kiện bảo tồn khu phố cổ, không gian văn hoá của các đô thị
-Chiếm rất ít mặt bằng thi công phù hợp với điều kiện dân cư đông đúc, giao thông giày đặc đô thị
Không gây ô nhiểm môi trường như tiếng ồn, khí thải, phù hợp với điều kiện thi công trong đô thị lớn
Máy khoan hầm TBM có hạn chế về tiết diện, phù hợp cho các hầm sâu và dài Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho tổ hợp máy TBM không hề nhỏ, và việc di chuyển giữa các công trình gặp nhiều khó khăn do kích thước lớn của máy.
Tổ hợp khiên đào hầm với khoang cân bằng áp lực bằng đất “Earth pressure
Cấu tạo chung của tổ hợp khiên đào tunnel EPB
Hình 2 Sơ đồ cấu tạo và bố trí thiết bị trong tổ hợp khiên đào tunnel giữ gương đào bằng áp lực đất EPB a) 1- Khiên
1’- Khoang cân bằng áp lực gương đào bằng đất
2- Khe hở phía sau vỏ tunnel sau khi lắp ráp phải được ép đấy vữa
3- Vỏ tunnel sau lắp ráp
6- Máy lắp ráp vỏ tunnel
7- Vít tải và băng tải đất đá
8- Gông chở đất bánh sắt
9- Các miếng vỏ tunnel chưa lắp b) 1- Đất
3-Khoang cân bằng áp lực bằng đất
7- Máy lắp ráp vỏ tunnel
8- Vỏ tunnel đã được lắp
Mâm dao cắt là thiết bị chính trong tổ hợp, được dẫn động bởi các môtơ điện công suất lớn, quay quanh trục trung tâm Các xylanh thuỷ lực hỗ trợ khung máy kích đẩy, cho phép thay đổi hướng di chuyển cắt đất, tạo thành đường tunnel cong Đồng thời, các xylanh thuỷ lực cũng đẩy mâm dao tỳ vào gương đào với áp lực nhất định, giúp cắt đất và tiến toàn bộ đầu tổ hợp lên phía trước.
Khoang cân bằng áp lực bằng đất là một giải pháp quan trọng để ổn định gương đào và tránh sạt lở Để đạt được điều này, một vách ngăn kín được bố trí phía sau mâm dao, tạo thành một khoang kín cùng với vỏ khiên và mâm dao Khi đất được đào từ mâm dao, nó rơi vào khoang kín, giúp cân bằng áp lực giữa đất đã đào và đất chưa đào, từ đó giữ cho gương đào ổn định và ngăn nước chảy vào tunnel Đất trong khoang kín sẽ được vận chuyển ra ngoài bằng vít tải và bơm vữa Khoang này, chứa đầy đất, được gọi là khoang cân bằng áp lực gương đào bằng đất hay "Earth Pressure Balance".
Vít tải là thiết bị vận chuyển quan trọng, có chức năng cuốn đất đỏ vào băng tải và đưa ra khỏi đường hầm Cần lưu ý rằng lượng đất mà vít tải lấy đi phải được bổ sung tương ứng vào khoang cân bằng áp lực Để điều chỉnh lưu lượng của vít tải, một rơ le áp lực được lắp đặt trong khoang cân bằng áp lực, giúp ngắt hoặc điều chỉnh hoạt động của thiết bị.
Khung máy: là kết cấu thép chịu lực vỏ khiên và các thiết bị đầu được lắp đặt trên khung này
Thiết bị di chuyển máy bao gồm hệ thống xylanh thủy lực lớn, giúp máy tiến về phía trước khi di chuyển Khi máy hoạt động, các chân đỡ sẽ co lại, và xylanh thủy lực sẽ đẩy vào đốt vỏ hầm phía sau, tạo lực đẩy cho toàn bộ máy.
Hệ thống dẫn động sử dụng nhiều động cơ điện công suất lớn để cung cấp năng lượng cho các bơm dầu thủy lực Dầu thủy lực áp suất cao được dẫn qua các ống và van điều khiển trong cabin, tới các mô-tơ và xylanh thủy lực, từ đó điều khiển các cơ cấu máy.
Máy lắp ráp được đặt sau hệ thống xylanh thủy lực, tiến lên phía trước khi xylanh co cần lại, tạo khoảng trống bên dưới khiên để lắp vỏ hầm Sau khi hoàn thành đạn vỏ lò mới, các xylanh thủy lực sẽ tỳ vào vỏ này để đẩy máy tiến lên.
Thiết bị điều khiển trung tâm trong buồng lái sẽ quản lý tất cả các chức năng của máy, bao gồm tốc độ và hướng đào Hệ thống camera cung cấp thông tin đầy đủ về tình hình hoạt động của máy cho người lái.
Thiết bị phụ trợ đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước, khí nén, thông gió và ánh sáng cho tổ hợp máy TBM Để đối phó với sự thay đổi đột ngột của điều kiện địa chất, một thiết bị khoan dò được sử dụng để khoan trước, giúp người điều khiển thu thập thông tin cần thiết về điều kiện địa chất trước khi vận hành máy thông hầm mặt phẳng BTM.
Hoạt động của tổ hợp khiên với hoang cân bằng áp lực gương đào bằng đất-
Hình 3 :Mô hình cấu tạo bên trong tổ hợp khiên đào với khoang cân bằng áp lực gương đào bằng đất- EPB
2- Khoang kín áp suất cao cân bằng áp lực chống sạt gương đào
3- Vách ngăn kín không để không khí thấm qua
4- Xy lanh thuỷ lực đẩy khiên
6- Máy lắp ráp vỏ tunnel
7- Vỏ tunnel sau lắp ráp
Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tổ hợp khiên với khoang cân bằng áp lực gương đào bằng đất - EPB cho thấy mâm dao 1 quay, cắt đất từ gương đào và rơi vào khoang kín 2 Đất sau đó được vận chuyển qua vít tải 5 và xả ra ngoài qua băng tải Năng suất của vít tải được điều chỉnh để duy trì áp lực ổn định trong khoang cân bằng Các xylanh thuỷ lực cỡ lớn 4 đẩy tổ hợp về phía trước, với hành trình piston lớn hơn chiều dài một đốt vỏ tunnel, tạo khoảng trống để lắp vỏ mới Máy lắp vỏ hầm 6 sẽ thực hiện lắp ngay sau đó, bắt đầu chu kỳ mới Áp lực đất trong khoang cân bằng được giám sát bởi các con chip đặc biệt, đảm bảo gương lò ổn định khi di chuyển và lắp đặt, ngăn ngừa sạt lở mất kiểm soát.
Cabin sửa chữa có vai trò quan trọng trong việc đưa thợ máy vào khoang cân bằng áp lực để thực hiện sửa chữa và bảo dưỡng khi cần thiết Trong quá trình này, khoang cân bằng áp lực sẽ được hút chân không và bơm khí nén vào để đảm bảo an toàn Cabin được thiết kế với hai cửa không mở đồng thời; khi cửa sau mở, cửa trước sẽ đóng lại để thợ máy vào cabin, và sau khi thợ máy đã vào, cửa thông với khoang cân bằng sẽ được mở Khi thợ máy ra khỏi cabin, cửa sẽ được đóng và mở theo chiều ngược lại Thiết kế này giúp giữ cho gương đào ổn định và ngăn chặn sạt lở trong suốt quá trình sửa chữa.
Phạm vi áp dụng của tổ hợp khiên với khoang cân bằng áp lực gương đào bằng đất-EPB
Tổ hợp khiên với khoang cân bằng áp lực gương đào bằng đất-EPB là giải pháp lý tưởng cho việc thi công các tuyến ngầm trong những vùng có điều kiện địa chất phức tạp Thiết bị này hoạt động hiệu quả trên các loại đất mềm, đất sét dính, cát rời pha lẫn sét, và các loại đất có tính chất thấp kém Sự kết hợp này giúp tối ưu hóa quá trình thi công và đảm bảo an toàn trong môi trường khó khăn.
Tổ hợp khiên đào hầm với khoang cân bằng áp lực bằng dung dịch betonite áp suất cao – “SLURRY PRESSURE BALANCE SPB”
Nguyên lý giữ gương đào và phạm vi ứng dụng
Khi thi công tuyến ngầm tunnel qua đáy sông, đáy biển, hoặc túi bùn, việc sử dụng tổ hợp khiên có thể dẫn đến mất ổn định gương đào do áp lực nước ngầm cao Nước ngầm sẽ chảy vào tổ hợp, cuốn theo đất và gây ngập nước trong tunnel, điều này không chỉ ảnh hưởng đến an toàn lao động và thiết bị mà còn gây ra sạt lở địa tầng bên ngoài Do đó, trong nhiều trường hợp, thi công phải tạm dừng để bơm phụt nhằm ổn định địa tầng trước khi tiếp tục.
Giải pháp xử lý sử dụng tổ hợp khiên đào tunnel với khoang cân bằng áp lực gương đào bằng dung dịch betonite có áp suất cao Tại khoang trước của tổ hợp khiên, một vách ngăn kín được bố trí phía sau mâm dao, tạo thành khoang kín cùng với vỏ khiên Dung dịch betonite với áp suất bình thường được bơm vào khoang này qua ống dẫn, đồng thời khí nén cũng được dẫn vào khoang để tạo áp suất cao, đủ để cân bằng với áp lực nước ngầm Đôi khi, áp lực betonite còn lớn hơn áp lực nước ngầm nhằm đẩy dung dịch vào sâu trong tầng đất, ổn định địa tầng Khoang này, được tạo thành bởi vách ngăn kín, vỏ khiên và mâm dao, chứa đầy dung dịch betonite cao áp, được gọi là khoang cân bằng áp lực gương đào thuỷ lực – “Slurry Pressure Balance”, hay còn gọi là giải pháp bảo vệ gương đào bằng thuỷ lực.
Hoạt động của tổ hợp khiên đào tunnel
Giới thiệu sơ bộ về công nghệ “ microtunnelling “
Công nghệ thi công tunnel mặt cắt nhỏ bằng tổ hợp khiên đào Slurrychild (SPB) với đường kính nhỏ cho phép lắp đặt hệ thống đường ống ngầm hạ tầng kỹ thuật đô thị mà không cần đào bới lộ thiên, mang lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp truyền thống.
Hình 7 a) Công nghệ thi công tunnel mặt cắt nhỏ bằng tổ hợp khiên đào slurryschild b) Sơ đồ cấu tạo slurryschild
1 – vách khoang cắt; 2 – vách ngăn chịu áp; 3 – khoang hút; 4 – khoang áp lực;
Trong quá trình thi công, các thiết bị quan trọng bao gồm ống dẫn, ống dẫn bùn, và ống tải vít, cùng với các ống cấp bentonite, đóng vai trò thiết yếu trong việc duy trì áp lực không khí Đặc biệt, thiết bị tự động điều chỉnh áp lực không khí giúp ngăn chặn tình trạng giảm áp, từ đó tránh được sự sụt lún vách đào Ngoài ra, khoang bùn đất cũng được sử dụng để hút đi các chất lỏng không cần thiết, đảm bảo hiệu quả thi công.
Công nghệ lắp đặt ống bê tông tiền chế chỉ cần hai giếng đứng: giếng khởi động và giếng tiếp nhận, với độ sâu tương ứng với chiều dài ống Tại giếng khởi động, lắp đặt trạm tổ hợp kích thủy lực lớn và khiên đào có đường kính bằng ống bê tông Nhờ lực đẩy của các kích thủy lực, khiên đào sẽ tiến sâu vào lòng đất, tạo khoảng trống để lắp đặt đốt ống bê tông tương ứng Sau đó, tổ hợp kích thủy lực tiếp tục đẩy khiên về phía trước qua đốt ống vừa lắp, tạo thành chu kỳ khoan đào liên tục cho đến khi hoàn thành lắp đặt ống tại giếng tiếp nhận.
Phạm vi ứng dụng của tổ hợp khiên SPB
Tổ hợp khiên SPB với khoang cân bằng áp lực gương đào dung dịch betonite là giải pháp hiệu quả cho thi công các tuyến ngầm trong điều kiện địa chất phức tạp, đặc biệt là ở những khu vực có nhiều nước ngầm SPB phù hợp để thi công các tunnel qua sông, biển và đầm lầy, cũng như các nền đất cát, bùn, cát pha sét có độ thấm cao Các nhà chế tạo máy trên thế giới hiện nay đang phát triển các tổ hợp này theo dạng môđun, cho phép linh hoạt trong việc thi công trong mọi điều kiện địa chất Khoang chống giữ gương đào có thể thay thế giữa các loại khác nhau như EPB, SPB và Air PB, mang lại nhiều lựa chọn cho các kỹ sư công trình ngầm trong việc lựa chọn và mua sắm thiết bị thi công.
Tổ hợp khiên đơn và khiên đôi
Hình 8 : Cấu tạo ngoài của tổ hợp khiên đào lò loại khiên đô
1 – mâm dao; 2 – đĩa cắt; 3 – khiên trước; 4 – khiên thụt-thò;
5-guốc kẹp thuỷ lực ;6—khiên sau ;7-cabin
Hình 9 : Sơ đồ bố trí thiết khiên đào lò loại khiên đôi
1- xi lanh thuỷ lực tạo lực tỳ guốc kẹp; 2- xi lanh thuỷ lực tạo lực đẩy mâm dao;
3- máy lắp ráp vỏ tunnel;4- máy khoan; 5- các tấm vỏ tunnel sau lắp ráp; 6- vít tải tổ
Khiên đôi khác với khiên đơn ở cấu trúc, bao gồm 3 đoạn khiên kiểu ống lồng Toàn bộ máy và thiết bị được bố trí kín bên trong các đoạn khiên, tạo ra không gian thao tác rộng rãi hơn Bài viết này sẽ giới thiệu về cấu tạo của khiên đôi đến từ hãng Herrenknecht, CHLB Đức.
Hình 2-2 mô tả tổ hợp gồm hai đoạn khiên trước và khiên sau, được kết nối bằng một ống lồng ở giữa Tổ hợp này có hai guốc kẹp thủy lực giúp đẩy khiên trước tiến lên mà không làm ảnh hưởng đến các công đoạn thi công ở khiên sau Đây thực chất là một máy đào có khiên trong đá cứng với hai khiên bảo vệ, sẽ được nghiên cứu chi tiết hơn ở phần sau Hình 2-3 trình bày sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tổ hợp khiên đôi.
Khiên đào này được sử dụng để đào hầm trong nền đá có nhiều đoạn phong hóa và điều kiện địa tầng xấu Trong những trường hợp này, khi các chân kẹp thủy lực không hoạt động, tổ hợp làm việc sẽ tương tự như các tổ hợp khiên EPB hoặc SPB.
Tổ hợp máy đào một càng dùng thi công trong nền đá cứng - “Mainbeam TBM
2.4.1: Cấu tạo cơ bản của máy đào mui trần
Máy đào mui trần được chế tạo hiện nay trên thế giới cơ bản có hai loại: loại một hệ chống và loại hai hệ chống
Máy đào một hệ chống ngang có cấu tạo bao gồm dầm chính và giá đỡ mâm dao lớn, là cấu trúc chính của máy Tất cả các bộ phận khác được lắp trên giá này Phần trước của giá đỡ mâm dao được trang bị vòng bi chính và vành răng lớn, xung quanh vành răng có khiên bảo vệ mâm dao có thể điều chỉnh Hệ thống chống được thiết kế để ổn định mâm dao chính khi hoạt động Việc sử dụng cặp hệ che chống nằm ngang cho phép điều chỉnh phương hướng kịp thời trong quá trình đào, tạo ra quỹ tích đường đi hình vòng tròn Vòng bi chính của máy đào là tổ hợp ba vòng bi, và thiết bị điều khiển được lắp ở phía sau mâm dao, làm cho đầu máy nặng và khiên bảo vệ mâm dao dài.
Hình 10 Sơ đồ máy đào với một hệ thống nằm ngang
1- mâm dao; 2- khiên bảo vệ trên đầu; 3- bộ phận điêu khiển; 4- dầm chính;
5- máy đưa đất đá ra; 6- hệ chống dưới phía sau; 7- chân chống; 8- kích đẩy lên; 9-khiên bảo vệ bên; 10- hệ chống phía dưới; 11- hệ chống mâm dao
Sơ đồ cấu tạo của máy đào với hai hệ chống nằm ngang cho thấy hai cặp thanh chống tịnh tiến trước-sau trên giá máy chính Phần đầu giá máy liên kết với mâm dao lớn và ổ bi, trong khi vòng răng ở phần sau kết nối với hệ chống dưới Kích đẩy sử dụng hệ chống nằm ngang để tiến mâm dao lớn về phía trước, với thiết bị điều khiển nằm phía sau hệ chống Trong quá trình đào hầm, hai cặp thanh chống tì chặt vào vách hầm, đảm bảo phương hướng đào theo đường thẳng Chỉ khi định vị lại máy, phương hướng và quỹ tích đào mới có thể điều chỉnh thành đường cong.
Hình 11 : Sơ đồ máy đào hai hệ thống nằm ngang
1- mâm dao; 2- khiên bảo vệ trên đầu; 3- vỏ ngoài của vòng bi; 4, 5- hệ chống nằm ngang (trước, sau); 6- hộp bánh răng; 7- máy đưa đất đá ra; 8- máy điện khởi động; 9- hộp biến tốc hình sao; 10- hệ chống dưới ở phía sau; 11- ống mô men uốn; 12- kích đẩy; 13- giá máy chỉnh; 14- tấm treo ở vòm đáy (hệ chống dưới ở phía trước)
Quy trình thao tác của máy đào mui trần
Khi bắt đầu tuần hoàn đào, hệ chống nằm ngang di chuyển đến bộ phận trước của giá máy chính, các chân chống tỳ chặt vào vách hầm, và tấm treo ở vòm đáy tiếp xúc nhẹ vào mặt đá Mâm dao lớn có thể chuyển động, với các kích đẩy thúc mâm dao tiến lên, tạo ra trạng thái đào của máy Khi máy đạt đến điểm cuối của hành trình đẩy, mâm dao ngừng chuyển động và hệ chống dưới hạ xuống, giúp toàn bộ trọng lượng của máy được hỗ trợ bởi hệ chống trước và sau Tiếp theo, nới lỏng hai cặp chân chống nằm ngang và di chuyển hệ chống đến đoạn trước của giá máy chính, điều chỉnh phương hướng tiến lên thông qua hệ chống dưới phía sau để đạt yêu cầu mong muốn Cuối cùng, khi hệ chống ngang đã ở vị trí đoạn trước, xiết chặt chân chống vào vách hầm, rút hệ chống dưới lên và chuẩn bị cho tuần hoàn tiếp theo.
Mâm dao lớn
Hình 12 : Sơ đồ cấu tạo mâm dao lớn
1- gầu xúc phoi đá; 2- đĩa cắt trung tâm; 3- dao cạnh mở rộng lỗ; 4- bộ phận gạt vụn đất đá mở rộng lỗ, 5- đĩa cắt bề mặt; 6- răng xúc; 7- đĩa cắt biên
Mâm dao là bộ phận kết cấu thép hàn, được gia cố hai lớp ở phía trước và nối với tấm ngăn phía sau qua máng đón vụn đất đá Tấm ngăn phía sau được kết nối chắc chắn với vòng bi mâm dao bằng bu lông Trên mâm, có hộp lưỡi dao quay giúp dập nát và cắt gọt đất đá, cùng với các gầu dày để đào đất đá mềm Đế lắp dao có hình lõm, cho phép mâm dao thò ra ngoài, ngăn ngừa kẹt do cục đá lớn Mâm dao lớn đảm bảo độ cứng và cường độ, giúp lực đẩy phân phối đồng đều, tạo điều kiện cho các dao quay ép dập vào đá, đạt độ sâu đồng nhất và nâng cao hiệu suất máy đào.
Hình 13 : Sơ đồ cấu tạo của máy đào mui trần
1 – đĩa cắt; 2 – mâm dao; 3 – mui chắn; 4 - dầm chính; 5 – các xi lanh thuỷ lực; 6 - guốc kẹp; 7 – chân chống đuôi
Khai thác công nghệ thi công máy đào hầm
Tổng quan về các công trình ngầm dạng tuyến
Công tác thi công tuyến ngầm được tổ chức thi công theo hai nguyên tắc:
- Tổ chức thi công theo dây chuyền;
- Tổ chức thi công theo chu kỳ
Tổ chức thi công theo dây chuyền trong tuyến ngầm yêu cầu tất cả các khu vực thi công tiến lên đồng bộ với tốc độ của gương đào, đảm bảo hoàn thành chu kỳ công tác Các công đoạn như đào đất, bốc xúc và lắp ráp vỏ tunnel cần diễn ra cùng một nhịp độ; nếu một công đoạn chậm lại, toàn bộ dây chuyền sẽ bị gián đoạn Tốc độ tiến lên của gương đào có thể khác nhau tùy thuộc vào khả năng của máy móc và công nghệ áp dụng Tổ chức thi công theo chu kỳ cho phép thực hiện một khối lượng công tác nhất định sau mỗi khoảng thời gian, với các công đoạn lặp lại qua mỗi chu kỳ Thời gian thực hiện chu kỳ cần được tính toán để công đoạn cuối cùng được hoàn thành trước khi chuyển giao cho ca tiếp theo, từ đó nâng cao trách nhiệm của từng đội trực ca về chất lượng xây lắp.
Quy trình tổ chức thi công
Triển khai hầm thông hơi, lắp đặt TBM khoan, hoàn tất lắp vách, và bơm vữa là các bước quan trọng trong quá trình xây dựng hầm Ở Việt Nam, đường hầm đã được xây dựng trên tuyến đường sắt Bắc Nam từ đầu thế kỷ 20, nhưng sự phát triển của ngành này chỉ thực sự mạnh mẽ trong hơn một thập kỷ qua Tháng 4 năm 2003, công trình hầm bộ Đèo Ngang được khởi công và hoàn thành sau 16 tháng, rút ngắn tuyến đường từ 7km xuống còn 2,5km với đoạn hầm dài 495m Việc đưa hầm Đèo Ngang vào sử dụng đã góp phần quan trọng vào việc cải thiện giao thông trên Quốc lộ số 1.
Vào tháng 6 năm 2005, hầm đường bộ Hải Vân dài 6.290m đã chính thức đi vào hoạt động, rút ngắn đoạn đường đèo nguy hiểm từ 21km xuống chỉ còn khoảng 12km, giúp tiết kiệm thời gian di chuyển từ 80 phút xuống còn 20 phút với độ an toàn cao Kể từ khi hầm được khai thác, tai nạn giao thông trên đèo đã giảm đáng kể Trong lĩnh vực xây dựng thủy điện tại Việt Nam, giải pháp đường hầm đã được áp dụng tại nhiều nhà máy như Hòa Bình, Sơn La, và A Vương Đặc biệt, ở miền Trung, đường hầm được xem là giải pháp tối ưu cho việc xây dựng đập dâng và nhà máy thủy điện.
Hình 14 Khiên đào chuẩn bị thi công
Các phương pháp thi công
Hiện nay, có hai phương pháp chính để thi công đường hầm: khoan nổ và cơ giới Phương pháp khoan nổ bắt đầu bằng việc vẽ biên dạng đường hầm, sau đó khoan lỗ và thực hiện nổ mìn để bốc xúc đất đá Trong khi đó, phương pháp cơ giới sử dụng máy đào chuyên dụng, chủ yếu là máy đào loại khiên và máy khoan hầm TBM Máy đào loại khiên hoạt động bằng cách đào thủ công một đoạn ngắn, đổ bê tông, sau đó lắp ráp khiên đào dưới hầm Thiết bị này thích hợp cho các vùng đất mềm, nhưng gặp khó khăn khi đào qua đá cứng Ngược lại, máy khoan hầm TBM là thiết bị hiện đại, có khả năng đào hầm tròn trong nhiều điều kiện địa chất khác nhau, với đường kính từ 1m đến 15m.