Giáo trình MÁY VÀ THIẾT BỊ THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM

Khái niệm chung về công nghệ và máy thi công công trình § 1.1 Tổng quan về các công nghệ thi công công trình ngầm và phân loại 3 § 1.2 Phân loại máy thi công công trình ngầm 5 § 1.3 Thiế

M Ụ C L Ụ C

Trang

Mục lục

Chương I Khái niệm chung về công nghệ và máy thi công công trình

§ 1.1 Tổng quan về các công nghệ thi công công trình ngầm và phân

loại

3

§ 1.2 Phân loại máy thi công công trình ngầm 5

§ 1.3 Thiết bị động lực máy công trình ngầm 7

§ 1.4 Hệ thống truyền động trong máy thi công công trình ngầm 17

§ 2.3 Máy thi công cọc barrete và tường trong đất 38

Chương III Máy và thiết bị trong các công nghệ đào kín kết hợp khoan

phá và khoan nổ mìn

48

§ 3.1 Tổng quan các công nghệ mỏ truyền thống 48

§ 3.2 Tổng quan công nghệ khoan nổ mìn trong đất đá cứng và phương

pháp mới của Áo

§ 4.3 Khiên đào lò thủ công và bán thủ công 80

§ 4.4 Tổ hợp khiên đào lò cơ giới loại thường (không có khoang cân

§ 4.5 Tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng đất- “Earth

pressure balance EPB”

86

§ 4.6 Tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng dung dịch

betonite – “Slurry pressure balance EPB”

89

§ 4.7 Tổ hợp máy đào một càng dùng thi công trong nền đá cứng –

§ 4.8 Lựa chọn tổ hợp khiên đào tuyến ngầm 98

Chương V Máy bốc xúc và vận chuyển đất đá trong tuyến tunnel

§ 5.1 Công tác bố xúc đất đá trong tuyến ngầm 103

§ 5.2 Máy và thiết bị bốc xúc đất đá trong tuyến ngầm 103

§ 5.3 Máy và thiết bị vận chuyển trong tuyến ngầm 112

§ 6.2 Máy trộn bê tông & thiết bị định lượng phối liệu 122

§ 6.4 Máy vận chuyển bê tông trên mặt đất và dọc theo tunnel tới vị trí

thi công

134

§ 6.6 Ván khuôn di động dùng để thi công bê tông cốt thép liền khối

trong tuyến ngầm

142

§ 6.7 Máy và thiết bị lắp ráp vỏ tuyến ngầm 145

§ 6.8 Тhiết bị phun bê tông gia cố vách lòhiết bị phun bê tông gia cố vách lò 150

§ 7.1 Máy và thiết bị thông gió công trường tuyến ngầm 159

§ 7.2 Máy và thiết bị sử lý nền đất yếu dưới sâu trong thi công tuyến

ngầm

169

Lời nói đầu

Tài liệu “Máy và thiết bị thi công công trình ngầm” được biên soạn với mụcđích trang bị kiến thức về máy thi công ngầm cho sinh viên ngành xây dựngcông trình ngầm đô thị nói riêng cũng như sinh viên các ngành có liên quannhư: xây dựng dân dụng- công nghiệp và các chuyên ngành kỹ thuật hạ tầng

đô thị trường Đại học kiến trúc Hà Nội, góp phần nâng cao trình độ và năng lựccủa học sinh viên trong việc lựa chọn và quản lý các thiết bị đã, đang và sẽđược sử dụng ở Việt Nam cũng như trên thế giới

Đây là kết quả nghiên cứu các tài liệu của các hãng sản xuất thiết bị thicông tuyến ngầm nổi tiếng trên thế giới như: Herrenknecht, Wirth, Putzmeister(CHLB Đức), Hitachi Ltd và Mitsubishi Heavy Industries (Nhật Bản), Lovat(Canada), Robbins và Caterpillar (USA), Palmieri (Italia), và các tài liệu máy thicông mạng đường sắt ngầm đô thị “Metro” của LB Nga

Đặc Biệt hãng sản xuất thiết bị thi công tunnel Herrenknecht của CHLB Đức

đã ủng hộ chúng tôi bằng cách gửi những tài liệu từ chính hãng qua đườngchuyển phát nhanh để chúng tôi tham khảo và trong tài liệu này chúng tôi đã sửdụng một phần hình ảnh từ chính tài liệu của hãng

Trong quá trình biên soạn, tác giả đã tham khảo một số tài liệu như: cuốn

“Máy xây dựng” do tác giả Nguyễn Văn Hùng chủ biên, Lưu Bá Thuận và cuốn

“Thi công hầm và công trình ngầm” của tác giả Nguyễn Xuân Trọng v.v Tác giả

đã tìm hiểu và giới thiệu bổ sung các công nghệ xây dựng tuyến ngầm vànguyên lý làm việc của các thiết bị mới, hiện đại được các hãng nổi tiếng trênthế giới sản xuất mà các sách trong nước chưa đề cập tới

Ngoài ra tài liệu là tập hợp kinh nghiệm thực tế trong nhiều năm công táccủa tác giả tại các công ty Lũng Lô, LICOGI khi tham gia thi công các tuyếntunnel thuỷ lực cho các nhà máy thủy điện A Vương; Bản Chát; Ngòi Phát vv…

và thực tiễn trong những năm công tác tại các công ty xây dựng mỏ của Tổngcông ty Than Việt Nam

Tài liệu “Máy và thiết bị thi công công trình ngầm” được biên soạn vớiphương châm bám sát các công nghệ thi công, được chia thành 8 chương theotừng giải pháp công nghệ chính, và một số chương giới thiệu những thiết bị cócông dụng chung cho mọi công nghệ và trình tự sắp xếp như sau:

Chương 1: Khái niệm chung về công nghệ và máy thi công công trìnhngầm

Chương 3: Máy và thiết bị trong các công nghệ đào kín kết hợp khoanphá và khoan nổ mìn

Chương 4: Máy thi công tuyến ngầm bằng công nghệ khiên và tổ hợpkhiên

Chương 5: Máy bốc xúc và vận chuyển đất đá trong tuyến tunnel ngầm.Chương 6: Máy làm bê tông trong công trình ngầm

Chương 7: Máy và thiết bị phụ trợ

Tác giả chân thành cảm ơn ông Florian Kulke và bà Sarah Uhl phòngMarketing & corporate communication hãng Herrenknecht AG đã gửi và chophép chúng tôi sử dụng một phần tài liệu của hãng

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, đặc biệt cáccán bộ giảng dạy bộ môn máy xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đãđọc và góp ý kiến cho bản thảo trong quá trình biên soạn sách

Trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi sai sót, rất mong bạn đọc

và các đồng nghiệp đóng góp để tài liệu ngày càng tốt hơn

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010

Các tác giả

Chương I Khái niệm chung về công nghệ và máy thi công

công trình ngầm.

§ 1.1 Tổng quan về các công nghệ thi công công trình ngầm và phân loại

I Công tác tổ chức thi công công trình ngầm dạng tuyến.

Công tác thi công tuyến ngầm được tổ chức thi công theo hai nguyêntắc:

- Tổ chức thi công theo dây chuyền;

- Tổ chức thi công theo chu kỳ

Tổ chức thi công theo dây chuyền trong tuyến ngầm thể hiện ở chỗ, khigương đào tiến lên thì tất cả các khu vực thi công khác theo sau cũng phải tiếnlên với cùng tốc độ để hoàn thành một chu kỳ công tác Khi ấy toàn bộ côngviệc thi công tuyến ngầm được thực hiện có thể hiểu như một dây chuyền xâydựng thống nhất, đảm bảo sự đồng bộ về tiến độ như: công tác đào đất, côngtác bốc xúc đất, công tác lắp ráp vỏ tunnel cùng tốc độ với tốc độ tiến lên củagương đào Nếu một trong các công đoạn kể trên chậm tốc độ sẽ dẫn tới sựgián đoạn của cả dây chuyền.Tốc độ tiến lên của gương đào trong từng khuvực thi công có thể rất khác nhau phụ thuộc vào khả năng của máy chủ và phụthuộc vào từng công nghệ

Tổ chức thi công theo chu kỳ thể hiện ở chỗ, sau mỗi một khoảng thờigian nhất định thì một khối lượng công tác xây lắp được thực hiện, các côngđoạn xây lắp được lặp đi lặp lại qua mỗi chu kỳ Thời gian thực hiện một chu kỳphải được tính toán sao cho mỗi một ca hoặc mỗi một ngày, công đoạn cuốicùng của một chu kỳ phải được hoàn thành triệt để và trên cơ sở đó bàn giaocho ca tiếp theo Đây là giải pháp cho phép tổ chức thi công theo tổ, đội trựcban và tăng tinh thần trách nhiệm của mỗi đội trực ca về chất lượng xây lắp

II phân loại

Các công nghệ thi công tuyến ngầm được chia thành 2 nhóm chính làđào kín và đào hở Trong đào kín lại được chia làm 3 nhóm là mỏ truyền thống;đào với khiên và tổ hợp khiên và công nghệ đào lò theo phương án Áo mới(New Austrian Tunneling Method - NATM) Đào hở chia ra làm các nhóm đó là:Đào hở kiểu hố móng, kiểu phân đoạn với tường trong đất, kiểu đào hở kết hợpkhiên hở, hạ dìm và cuối cùng là phương pháp hạ dần

Phân loại các công nghệ thi công công trình ngầm được thể hiện ở các

sơ đồ sau:

§ 1.2 Phân loại máy thi công công trình ngầm

Máy thi công công trình ngầm là những máy xây dựng và thiết bị có tínhchuyên dụng cao phục vụ cho công tác xây dựng công trình ngầm, tuyến tunnelngầm giao thông đường sắt, đường bộ, tuyến đường ống ngầm hạ tầng kỹthuật đô thị, thuỷ điện…Do vậy máy và thiết bị thi công công trình ngầm có rấtnhiều chủng loại và đa dạng Người ta phân loại máy và thiết bị thi công côngtrình ngầm theo nhóm máy chủ đạo của từng công nghệ thi công hoặc theocông dụng của chúng như sau:

1 Tổ hợp máy phát lực: Tổ máy phát lực có nhiệm vụ cung cấp

động năng cho các cơ cấu công tác của các máy thi công ngầm làm việc Tổmáy phát lực của các máy thi công công trình ngầm có thể là tổ hợp động cơđiêzel - bơm dầu thuỷ lực, tổ hợp đông cơ điện – bơm dầu thuỷ lực, tổ hợpđộng cơ điêzel – máy nén khí hoặc các đông cơ hoạt động độc lập v.v…

2 Máy bốc xúc và vận chuyển đất đá hầm lò:

• Máy bốc xúc: có nhiệm vụ bốc xúc đất đá làm sạch mặt bằng phía

trước gương đào để đổ trực tiếp hoặc gián tiếp vào các máy vận chuyển đất

đá Các máy này có hai loại là 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, vít tải v.v…cónhiệm vụ vận chuyển đất đá ra khỏi gương đào và vận chuyển vật liệu xâydựng và máy móc từ mặt đất tới nơi thi công Hướng vận tải là phương nganghoặc phương nghiêng

- Các máy vận chuyển không liên tục như: ôtô tải hầm lò, vận tải đườngsắt xe goòng hầm lò…Hướng vận chuyển là phương ngang hoặc phươngnghiêng

* Máy nâng chuyển: đây là những máy có hướng vận chuyển gần như

vuông góc với tuyến tunnel Chúng được bố trí ở giếng đứng có nhiệm vụ đưađất đá lên mặt đất và đưa vật liệu, cấu kiện xây dựng cùng với công nhânxuống tuyến ngầm Ta phải phân biệt các máy này với các máy nâng chuyểnphục vụ thi công công trình ngầm như các tầng hầm nhà cao tầng, các bãi đỗ

xe ngầm và tuyến ngầm bằng công nghệ đào hở

3 Máy và thiết bị thi công tuyến ngầm và công trình ngầm bằng công nghệ đào hở gồm có:

- 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.

4 Máy và thiết bị thi công tuyến ngầm bằng phương pháp khoan nổ mìn:

- Các dụng cụ khoan: Mũi khoan, ty khoan (cần khoan)

- Các máy khoan cầm tay;

- Tổ hợp khiên cơ giới hoá hoàn toàn loại thường dùng cho đất mềm –

“Soft Ground Non Pressurized”;

- Tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng đất – “EARTH

PRESSURE BALANCE”;

- Tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng dung dịch

betonite cao áp – “SLURRY PRESSURE BALANCE SPB”;

- Tổ hợp khiên đào lò với khiên đơn và khiên đôi - “SINGLE ANDDOUBLE SHIELD TBMS”;

- Tổ hợp máy đào tuyến ngầm một càng dùng trong nền đá cứng –

“MAIN BEAM TBM”

6 Máy và thiết bị phục vụ cho công tác bê tông, bê tông cốt thép công trình ngầm gồm:

- 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;

- Máy trộn bê tông;

- Các loại ván khuôn di động;

- Máy vận chuyển bê tông;

- Máy bơm bê tông;

- Máy làm chặt bê tông;

- Máy lắp ráp vỏ lò;

- Máy ép vữa

7 Máy và thiết bị phụ trợ thi công tuyến ngầm khác như:

- Máy sử lý nền đất cho tuyến ngầm – máy và thiết bị sử lý nền đất yếubằng 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 v.v…

- Thiết bị an toàn, chiếu sáng

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 công nghệ thi công và nhiều khichúng được coi như một dây chuyền (một công xưởng) thực hiện trọn vẹn toàn

bộ các công đoạn của một công nghệ thi công từ đào đất tới thi công vỏ hầmtunnel vĩnh cửu

8 Cấu tạo chung của máy công trình ngầm gồm những bộ phận chính cơ bản sau:

a Thiết bị động lực: Động cơ đốt trong, điện, bơm dầu và máy nén khí.

b Hệ thống truyền động: Cơ khí, thuỷ lực, điện, khí nén và hỗn hợp

c Cơ cấu công tác.

d Cơ cấu di chuyển.

e Hệ thống điều khiển.

f Các thiết bị phụ khác: thiết bị an toàn, chiếu sáng, trên các tổ hợp

khiên đào lò được trang bị các máy tính hiện đại cho phép tự động hoá nhiềukhâu từ đào đất, điều khiển tới thi công hoàn chỉnh một tuyến ngầm

Tuỳ theo yêu cầu và chức năng, một số máy có thể có đầy đủ các bộphận trên hoặc chỉ có một vài bộ phận trên mà thôi Trong chương này chúng

ta sẽ đi sâu vào nghiên cứu các cụm thiết bị có công dụng chung đó là: Thiết bịđộng lực và hệ thống truyền động các cụm còn lại ta nghiên cứu cùng với máytrong các chương sau

§ 1.3 Thiết bị động lực máy công trình ngầm

Thiết bị động lực (còn gọi là hệ thống phát lực) có thể bao gồm một hoặcnhiều động cơ

Động cơ là một cơ cấu máy dùng để biến đổi dạng năng lượng nào đó(như điện năng, nhiệt năng…) thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu côngtác Trong máy xây dựng nói chung và máy thi công công trình ngầm nói riêng

có bốn loại động cơ dưới đây thường được sử dụng đó là:

- Đông cơ đốt trong;

- Động cơ điện;

- Máy bơm thuỷ lực, các đông cơ thuỷ lực: Mô-tor, xi lanh thuỷ lực

- Các loại máy nén khí

I Động cơ đốt trong

1 Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

Hỗn hợp nhiên liệu (xăng hoặc dầu điêzen với không khí) được đốt cháytrong buồng kín sẽ sinh ra khí và nhiệt độ cao làm giãn nở khí đốt dẫn tới tăng

áp suất, áp suất này tác động lên bề mặt piston, làm piston di chuyển tịnh tiếntrong lòng xi lanh, thông qua thanh truyền làm quay trục khuỷu và sinh công

2 Phân loại: Động cơ đốt trong có hai loại:

- Động cơ xăng (2 kỳ và 4 kỳ): có bộ chế hoà khí (carburator) và bộ phậnđánh lửa (bugi)

- Động cơ diesel (2 kỳ và 4 kỳ): Không có bộ chế hoà khí và bộ phậnđánh lửa, nhiên liệu được phun trực tiếp qua kim phun (dưới áp suất p =12,5100 MPa) vào buồng đốt, dầu tự bốc cháy khi bị nén lại dưới áp suất cao

và nhiệt độ cao trong buồng đốt

Ngoài ra, còn có thể phân loại động cơ theo số lượng xi lanh & cách đặt

xi lanh: Đặt đứng, đặt nghiêng và nằm ngang, một hàng, hai hàng và kiểu chữ

V Các máy thi công công trình ngầm thường sử dụng động cơ điêzel loại bốn

kỳ có nhiều xi lanh sắp xếp hai dãy kiểu theo chữ V

3 Cấu tạo chung của động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong bao gồm một số cơ cấu và hệ thống chính như sau:

- Cơ cấu biên - tay quay:

Cơ cấu biên - tay quay hay cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền có tác dụngbiến chuyển động tịnh tiến của pittông thành chuyển động quay của trục khuỷu

- Cơ cấu phối khí:

Cơ cấu phối khí có tác dụng nạp đầy hòa khí (động cơ xăng) hoặc khôngkhí động cơ điêzen) vào xi lanh và xả sạch khí cháy đã làm việc ra khỏi xi lanh

- Hệ thống cung cấp nhiên liệu:

Hệ thống cung cấp nhiên liệu có tác dụng cung cấp nhiên liệu, tùy theophụ tải của động cơ, để hỗn hợp với không khí tạo thành hòa khí hoặc hỗn hợpcháy và xả khí cháy ra khỏi xi lanh

- Hệ thống bôi trơn:

Hệ thống bôi trơn dùng trong động cơ có tác dụng cung cấp dầu nhờnđến các bề mặt làm việc của chi tiết để giảm ma sát và hạn chế tác động màimòn

Hành trình (hay khoảng chạy của pittông) S (hình 1.1) là khoảng cách từ

vị trí cao nhất - điểm chết trên (ĐCT) đến vị trí thấp nhất - điểm chết dưới (ĐCD)

của pittông, khi pittông dịch chuyển tịnh tiến trong xi lanh:

S = 2r [1.1]

trong đó r - bán kính tay quay của trục khuỷu

b) Dung tích làm việc của xi lanh:

Dung tích làm việc của xi lanh (Vs) là dung tích của xi lanh được giới hạntrong một khoảng hành trình của pittông:

c) Dung tích làm việc của động cơ:

Dung tích làm việc của động cơ (Vh) là tổng

dung tích làm việc của các xi lanh

trong đó Vs - dung tích làm việc của xi lanh;

i-số lượng xilanh của động cơ; D- đường kính

của xilanh; S- hành trình của pittông

Hình 1.1 Thông số cấu tạo

cơ bản của động cơ đốt

trong d) Dung tích buồng cháy:

Dung tích buồng cháy hay buồng nén (Vc) là dung tích phần không giangiữa đỉnh pittông và nắp xilanh khi pittông ở điểm chết trên (ĐTC)

e) Dung tích lớn nhất của xilanh và tỷ số nén của động cơ:

Dung tích lớn nhất hay dung tích toàn bộ (Vmax) là tổng dung tích làmviệc của xilanh (Vs) và dung tích buồng cháy (Vc):

c V

V V

- Hiệu suất khá cao;

- Tuổi thọ khá cao (60008000 h)

Nhược điểm:

- Sử dụng nhiên liệu đắt tiền: xăng, dầu điêzen;

- Gây ô nhiễm môi trường tuyến ngầm do khí thải, do đó khi sử dụngđộng cơ đốt trong phải có biện pháp thông gió tuyến ngầm một cáchphù hợp;

- Hệ số vượt tải thấp, vì vậy dễ bị chết máy

Phạm vi sử dụng: Rất rộng rãi, thường được sử dụng trong các ô tô vận

tải hầm lò, các cỗ máy khoan và cung cấp cơ năng cho các máy phát điện, máynén khí và các bơm dầu thuỷ lực v.v

II Động cơ điện

1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện

Dòng điện đi qua stator gây ra cảm ứng điện tử làm cho rotor gắn vớitrục cơ của động cơ làm cho trục này quay cung cấp cơ năng cho các cơ cấukhác

2 Phân loại động cơ điện

- Động cơ điện xoay chiều 3 pha

- Động cơ điện xoay chiều 1 pha

- Động cơ điện 1 chiều

3 Ưu-nhược điểm và phạm vi sử dụng của động cơ điện

Ưu điểm:

- Gọn nhẹ (3  11kg/kW);

- Khởi động nhanh, dễ tự động hóa;

- Dễ đảo chiều quay;

- Hiệu suất cao (tới 90%);

- Chịu vượt tải tương đối tốt;

- Sạch sẽ, ít gây ồn và ô nhiễm môi trường

Nhược điểm:

- Mômen khởi động nhỏ;

- Khó thay đổi vận tốc quay;

- Phụ thuộc vào nguồn điện

Phạm vi sử dụng: Thường dùng trong các máy tĩnh tại và các máy hoạt

Các bơm dầu làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích: Khi thể tích củabuồng hút tăng, bơm hút dầu, thực hiện chu kỳ hút; và khi thể tích giảm, bơmđẩy dầu ra, thực hiện chu kỳ nén Phụ thuộc vào tốc độ thay đổi thể tích ta sẽđược dầu ở đầu ra có tốc độ khác nhau Nếu trên đường dầu bị đẩy ra ta đặtmột vật cản (van tiết lưu), dầu sẽ bị chặn, tạo ra một áp suất nhất định Áp lựccủa dầu sau van tiết lưu phụ thuộc vào độ lớn của sức cản tức là thụ thuộc vàomức độ mở của van tiết lưu

2 Phân loại bơm thuỷ lực:

Trong công nghiệp nói chung và trong nghành xây dựng công trình ngầm nóiriêng người ta thường dùng các loại bơm dầu sau:

a) Nhóm bơm dầu với lưu lượng cố định gồm: b) Nhóm bơm dầu với lưu

lượng thay đổi gồm:

Bơm pittông hướng trục Bơm pittông hướng tâm

Bơm bánh răng ăn khớp

ngoài Bơm trục vít

Bơm pittông hướng trục truyền bằng đĩa nghiêng

Bơm bánh răng ăn khớp

trong Bơm pittông dãy

Bơm pittông hướng trục truyền

Hình 1.2 Các loại bơm dầu thuỷ lực

3 Các thông số kỹ thuật và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật khi chọn bơm dầu thuỷ lực

Ưu điểm:

- Kết cấu gọn nhẹ và tương đối đơn giản;

- Công suất lớn;

- Cho phép điều chỉnh vô cấp vận tốc công tác trong phạm vi rộng;

- Dễ dàng biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến vàngược lại

- Có thể bố trí ở bất kỳ nơi nào trên máy;

- Hiệu suất cao (0,8  0,9)

Nhược điểm:

- Đòi hỏi chế tạo và lắp ráp có độ chính xác cao;

- Đặc tính kỹ thuật của động cơ phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ môitrường xung quanh;

- Giá thành cao

Phạm vi sử dụng: Rất rộng rãi trong các máy khoan tạo lỗ nổ mìn Từ

máy khoan cầm tay cơ nhỏ tới các máy khoan cột cơ trung và các máy cỗ máykhoan với đầu khoan nặng và rất nặng Trong các ô tô tải tự lật hầm lò cho tớicác máy bốc xúc hoạt đông theo chu kỳ Lý do là công suất của các bơm dầuthuỷ lực khá cao cho phép tự động hoá khâu điều khiển và dẫn động các cơcấu công tác

IV MÁY NÉN KHÍ

1 Nguyên lý hoạt động

Máy nén khí là máy biến đổi cơ năng được dẫn động bởi các đông cơđiện, đông cơ đốt trong thành thế năng và động năng khí nén Trong máy nénkhí sảy ra quá trình tăng áp không khí và đưa không khí từ trạng thái áp suấtthấp sang trạng thái áp suất cao trong bình tích áp

Cũng như các bơm dầu thuỷ lực, các máy nén khí thuộc loại động cơthứ cấp, tức là tự bản thân không sinh ra cơ năng mà chỉ tiếp nhận cơ năngcủa các động cơ điện hoặc động cơ đốt trong, biến cơ năng này thành thế năngdưới dạng không khí có áp suất cao tại bình tích áp để cung cấp cho các máy

và thiết bị qua hệ thống đường ống dẫn khí nén trong công trình ngầm

Trong xây dựng công trình ngầm máy nén khí cung cấp không khí có ápsuất cao, năng lượng do khí cao áp này sẽ dẫn động các thiết bị và các cơ cấu

2 Phân loại máy nén khí:

Theo phương pháp nén khí người ta phân loại máy nén khí thành cácnhóm sau:

- Các máy nén thể tích (máy nén ép không khí), theo đó áp suất củakhông khí tăng nhờ giảm thể tích buồng công tác, đây là các máy pittông, kiểuvít, kiểu rôto

- Các máy nén động năng (các máy nén kiểu cánh), theo đó, không khí

bị nén lại trong quá trình chuyển động cưỡng bức của không khí nhờ lực tácdụng của các cánh quạt - kiểu quạt ly tâm, kiểu quạt trục

Theo nguyên lý hoạt động, máy nén khí chia ra thành:

- Máy nén khí kiểu pittông tác dụng một chiều hoặc hai chiều;

- Máy nén khí kiểu rotor;

- Máy nén khí kiểu vít

Không khí được hút từ ngoài trời, được lọc sạch bằng hệ thống lọc, sau

đó được nén lại tới áp suất P = 0,8 MPa trong buồng nén của máy nén khí(chạy nhờ động cơ đốt trong hay động cơ điện) và cuối cùng được dẫn tới bìnhchứa khí nén (bình tích áp)

Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo máy nén khí kiểu pittông:

а — Máy nén khí kiểu pittông tác dụng một chiều ; b — Máy nén khí kiểu pittông tác dụng hai chiều ; 1 — xi lanh; 2 — pittông; 3,4- xupáp hút và đẩy; 5; 6 - trục khuỷu; 7 — tay biên; 8 – con

trượt; 9 – thanh truyền.

Hình 1.4 Sơ đồ cấutạo máy nén khí kiểu vít:

1, 4 – các vòng bi đỡ quay, 2- vòng găng bịt kín, 3 - vỏ máy, 5 – bánh răng, 6 – vít chủ

động; 7 – vít bị đông

Ưu điểm:

- Khởi động nhanh, làm việc an toàn;

- Không cần chất lỏng công tác đắt tiền như trong động cơ thủy lực;

- Có thể dẫn khí nén đi xa, đến những nơi chật hẹp

Nhược điểm:

- Cồng kềnh;

- Gây ô nhiễm không khí và ô nhiễm tiếng ồn

- Hiệu suất thấp (0,07  0,11) do ma sát;

- Công suất nhỏ ( 30 Kw) do áp suất khí nén thấp hơn dầu

Phạm vi sử dụng: Cung cấp khí nén cho các thiết bị dùng khí nén như

các máy khoan khí nén, các máy phun phụt bê tông, cung cấp khí nén đểkhống chế giếng ngầm trong công nghệ giếng chìm và đặc biệt là cung cấp khínén cho các tổ hợp khiên đào tunnel có khoang giữ gương đào bằng khí nén vàdung dịch bê tô nít Khi cần sử chữa mâm dao các tổ hợp khiên cần có khí nén

để giữ gương đào khi người thợ tiếp cận mâm dao Tóm lại máy nén khí là thiết

bị không thể thiếu được trong các công nghệ thi công tunnel

V CÁC CHỈ TIÊU HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ

Ngoài các chỉ tiêu chính như công suất danh nghĩa Ne (kW, CV), vận tốcquay ở mức công suất danh nghĩa no (v/ph), mômen xoắn trên trục động cơ tạivận tốc quay danh nghĩa Mo (N.m), động cơ còn được đánh giá theo các chỉtiêu sau:

1 Hệ số vượt tải:

Mômen xoắn lớn nhất của động cơ Mmax

Hệ số vượt tải vt = [1.7]

Mômen làm việc định mức Mo

Những máy dễ bị vượt tải trong khi làm việc như máy đào, máy ủi… cần

có hệ số vượt tải cao để không bị chết máy Trong máy xây dựng thường yêucầu vt = 2,3  6 Động cơ điện có vt  2,5; động cơ đốt trong có vt = 1,08 1,15 Để không bị chết máy, đi kèm động cơ đốt trong phải có ly hợp ma sát,nếu quá tải thì sẽ có sự trượt giữa các đĩa chủ động và bị động của ly hợp

2 Hệ số thay đổi vận tốc quay

DCDT5

n

nmin

o

[1.8]

trong đó no - vận tốc quay của trục động cơ ở mức công suất danhnghĩa (v/ph);

nmin - vận tốc quay thấp nhất của trục động cơ (v/ph)

Những máy di động cần có hệ số thay đổi vận tốc v lớn Hệ số v cànglớn thì càng dễ điều chỉnh vận tốc quay của động cơ

3 Cường độ làm việc (chỉ áp dụng cho động cơ điện): được biểu thị

bằng hệ số thời gian làm việc liên tục PV%, tính như sau:

PV% = x100%

60

t60 0

 [1.9]

trong đó t60 0 - tổng số phút làm việc liên tục của máy trong một giờ mà đảm

bảo động cơ không nóng quá 60oC

Ví dụ: động cơ điện MT-31-6 (của Nga) phải có chỉ số PV là 25%, 60%,100% (15, 36 và 60 phút trong một giờ) tương ứng với lúc hoạt động mà côngsuất động cơ đạt là 11, 7, 5 Kw

Căn cứ vào chỉ số PV mà người ta duy trì chế độ làm việc liên tục củađộng cơ cho thích hợp

§ 1.4 Hệ thống truyền động trong máy thi công công trình ngầm

I Khái niệm, phân loại và các thông số kỹ thuật của bộ truyền

1 Khái niệm chung

Hệ thống dẫn động bao gồm thiết bị động lực để tạo ra cơ năng và hệthống truyền động, truyền cơ năng tới các bộ phận công tác Hệ thống truyềnđộng có nhiệm vụ truyền cơ năng từ trục cơ của động cơ tới trục chấp hànhcủa các cơ cấu công tác

Truyền động là phương pháp dùng bộ truyền (cơ khí, thuỷ lực, điện hoặckhí nén), để truyền năng lượng cơ học từ trục này sang trục khác, trong đó có

sự thay đổi về tốc độ đôi khi thay đổi cả quy luật chuyển động Trục truyềnnăng lượng đi gọi là trục chủ động, trục nhận năng lượng về gọi là trục bị động(trục chấp hành)

2 Phân loại các dạng truyền động

Trong các máy móc nói chung và máy thi công công trình ngầm nói riêngthường sử dụng các kiểu truyền động sau:

1

n

ni

trong đó N1 và N2- công suất trên trục chủ động và trục bị động, kW (CV)

c) Tương quan mômen xoắn:

Gọi N là công suất tính bằng kW, M là mômen xoắn tính bằng N.m và n

là vận tốc quay của trục, vg/ph, ta có công thức gắn kết 3 đại lượng này vớinhau:

Trục truyền năng lượng đi gọi là trục chủ động, trục nhận năng lượng gọi

là trục bị động

2 Phân loại

Theo nguyên lý làm việc, truyền động cơ khí được phân ra làm hai loại:

- Truyền động ma sát: trực tiếp giữa các bánh ma sát hoặc gián tiếpnhờ đai truyền

- Truyền động ăn khớp: trực tiếp (bánh răng, bánh vít) hoặc gián tiếp(xích)

3 Truyền động ma sát

Khái niệm: Là phương pháp truyền năng lượng cơ học trực tiếp giữa

các bánh ma sát từ trục này sang trục kia nhờ lực ma sát trượt tại điểm tiếp xúcgiữa hai bánh ma sát hoặc giữa các bánh ma sát và đai trung gian

Phân loại: Truyền động ma sát có hai loại: Truyền động ma sát trực tiếp

và truyền động đai

4 Truyền động bánh răng

Truyền động bánh răng là phương pháp truyền năng lượng cơ học trựctiếp từ trục này sang trục khác nhờ sự ăn khớp của các răng trên các bánhrăng (hoặc thanh răng)

a) Các thông số hình học cơ bản:

Dạng răng chủ yếu dùng trong truyền động bánh

răng là dạng răng thân khai (hình 1.5) Sở dĩ răng thân

khai dùng nhiều vì dễ chế tạo hơn, sức bền và tuổi thọ

cao, hiệu suất lớn Nếu gọi z1 và z2 là số răng của bánh

răng chủ động và bánh răng bị động; n1 và n2 là vận tốc

quay tương ứng (v/ph); pt bước răng trên vòng tròn chia

(mm); m1 và m2 là môđun tương ứng (mm);  là góc ôm;

d1 và d2 là đường kính vòng tròn lăn (mm); dc1 và dc2 là

đường kính vòng tròn chia tương ứng của cặp (mm); h là

chiều cao răng (mm) thì ta có:

Hình 1.5 Truyền động bánh răng

- Tỉ số truyền: i = n1: n2 = z2 : z1

- Góc ăn khớp  thường bằng 20o;

- Để các bánh răng ăn khớp được với nhau thì chúng phải cùng môđun,

có nghĩa là: m1 = m2 = m = pt / , trong đó pt là bước răng trên vòng tròn chia.Trị số của m từ 0,05 đến 100 mm;

- Chiều cao răng h = 2,25m;

- Đối với cặp bánh răng không dịch chỉnh (cặp bánh răng tiêu chuẩn)hoặc dịch chỉnh đều, đường kính vòng tròn lăn và vòng tròn chia trùng nhau:

d1 = dct = mz1; d2 = dc2 = m.z2

Ngoài dạng răng thân khai còn có dạng răng cung tròn do Nôvicôv phátminh năm 1954 Khả năng tải của bánh răng Nôvicôv cao hơn bánh răng thânkhai, nhưng để gia công nó rất phức tạp

b) Phân loại truyền động bánh răng

* Theo vị trí tương đối giữa các trục: có các loại truyền động bánh răng sau:

- Trường hợp hai trục song song: dùng chuyển động bánh răng trụ răngthẳng, răng nghiêng, răng V hoặc răng cong (hình 1.6):

- Trường hợp hai trục cắt nhau: dùng chuyển động bánh răng nón(thường có răng thẳng hoặc răng cong);

- Trường hợp hai trục chéo nhau: dùng truyền động bánh răng trụ chéo;

- Truyền động bánh răng - thanh răng: dùng để biến đổi truyền độngquay tịnh tiến hoặc ngược lại;

Hình 1.6 Các dạng răng trong truyền động bánh răng

* Theo kiểu ăn khớp: có hai loại là truyền động ăn khớp trong và truyềnđộng ăn khớp ngoài

c) Ưu-nhược điểm và phạm vi sử dụng:

* Ưu điểm:

- Kích thước nhỏ gọn, khả năng chịu tải lớn;

- Hiệu suất truyền động cao, tỷ số truyền ổn định ( = 0,95  0,99; i =const);

- Tuổi thọ cao làm việc tin cậy

- Truyền động tốt trong phạm vi công suất, tốc độ và tỷ số truyền khá rộng

* Nhược điểm:

- Đòi hỏi chế tạo và lắp ráp với độ chính xác cao;

- Có nhiều tiếng ồn khi tốc độ quay lớn, phải bôi trơn thường xuyên;

- Chỉ truyền động được ở khoảng cách tương đối nhỏ;

- Chịu va đập kém, các răng dễ hỏng khi quá tải;

* Phạm vi sử dụng: rất rộng, từ những bánh răng rất bé (trong đồng hồđeo tay) đến những cặp bánh răng có đường kính tới vài mét, nặng vài tấn vàtruyền được công suất vài vạn kW Truyền động bánh răng được sử dụng tronghầu hết các loại máy móc, thiết bị và dụng cụ đo lường cơ khí

5 Truyền động trục vít – bánh vít

Là phương pháp truyền năng lượng cơ học từ trục này sang trục khácnhờ sự ăn khớp trực tiếp của các răng của bánh răng (bánh vít) với ren trêntrục vít Các trục cắt chéo nhau trong không gian (thường là 90o)

a) Nguyên lý truyền động: Bộ truyền bao gồm có trục vít và bánh vít (hình 1.7) Thông thường trục vít là trục chủ động, còn bánh vít là bánh răng bị

động Khi trục vít quay một vòng thì bánh vít quay được z1 răng (z1 = 1  4), ởđây z1 là số mối ren trục vít)

Ngoài trục vít có tiết diện răng khác nhau còn có trục vít lõm Trục vít lõm

có khả năng chịu tải lớn hơn vì có số răng ăn khớp đồng thời lớn hơn, nên bềmặt tiếp xúc giữa hai bánh răng nhiều hơn Tuy nhiên khi chế tạo, lắp ráp vàđiều chỉnh khó khăn hơn, đặc biệt là khi bánh răng vít đã bị mòn

Hình 1.7 Truyền động trục vít b) Ưu-nhược điểm và phạm vi sử dụng:

* Ưu điểm:

- Tỷ số truyền lớn (tới 500 hoặc hơn thế nữa);

- Làm việc êm không ồn;

- Có khả năng tự hãm

* Nhược điểm:

- Hiệu suất truyền động thấp;

- Cần dùng vật liệu giảm ma sát đắt tiền (đồng thanh) để làm bánh vít;

- Sinh nhiệt khá lớn khi làm việc

* Phạm vi sử dụng: dùng trong các loại kích nâng (nhờ khả năng tự hãm)

hoặc các bộ truyền có tỷ số truyền lớn nhưng công suất không lớn lắm (dưới50kW - như các loại máy cắt gọt kim loại v.v…)

6 Truyền động xích

Là phương pháp truyền động ăn khớp gián tiếp bằng xích giữa hai trụcsong song cách xa nhau khi cần đảm bảo tỷ số truyền ổn định

a) Nguyên lý và các thông số của bộ truyền động:

Bộ truyền xích gồm có đĩa chủ động, đĩa bị động và xích (trên hình 1.8 là

loại xích ống) Ngoài ra, tùy trường hợp cụ thể có thêm các cơ cấu phụ nhưcăng xích, bôi trơn và bao che Có khi dùng một xích để truyền động từ một đĩadẫn sang nhiều đĩa dẫn khác Ống 6 lắp lỏng với chốt 4, do đó chúng có thểxoay tự do đối với nhau (tạo thành bản lề) Phía ngoài ống 6 lồng con lăn 8.Con lăn cũng có thể xoay tự do Lắp xích vào đĩa xích, con lăn trực tiếp ănkhớp vào răng đĩa

Nhờ có con lăn mà một phần ma sát trượt trên đĩa răng được thay bằng

ma sát lăn và ống tỳ vào nhau, tải trọng được phân bố trên suốt chiều dàiống.Các thông số hình học chủ yếu của bánh xích là bước xích t; đường kínhvòng tròn chia của các đĩa xích d1 và d2 Sau đây ta xét đến các thông số cơbản của truyền động xích

- Bước xích t là thông số chính của bộ truyền động xích Bước xích càng

lớn thì khả năng tải càng lớn, nhưng tải trọng va đập và tiếng ồn càng tăng, do

đó khi vận tốc xích lớn cần chọn bước xích t nhỏ (nếu yêu cầu khả năng chịutải lớn thì tăng chiều rộng xích hoặc dùng nhiều hàng xích;

- Đường kính vòng tròn chia di = t/ sin(; zj);

- Tỷ số truyền i = 1: n2 = z2 : z1;

- Khoảng cách A tối ưu A = (30 

50)t Trong đó Amin xác định theo

điều kiện góc ôm   120o

- Hiệu suất truyền động cao ( = 0,96  0,98);

- Có thể đồng thời truyền động cho nhiều trục

* Nhược điểm:

- Yêu cầu chế tạo, lắp ráp và chăm sóc phức tạp hơn so với truyền động đai;

- Xích và đĩa xích chóng mòn, gây ồn khi làm việc;

- Vận tốc tức thời của xích và đĩa bị dẫn không ổn định do dây xíchkhông thể căng tuyệt đối

* Phạm vi sử dụng: truyền động xích thường dùng trong những trường

hợp khi khoảng cách giữa các trục khá lớn, yêu cầu kích thước bộ truyền phảitương đối nhỏ gọn và làm việc không trượt

III Truyền động thuỷ lực

1 Khái niệm chung và phân loại

Truyền động thuỷ lực là phương pháp truyền cơ năng từ động cơ điệnhoặc động cơ đốt trong tới trục chấp hành của các cơ cấu công tác nhờ dầu

thuỷ lực có áp suất cao (truyền động thuỷ tĩnh) hoặc dầu có vận tốc lớn (truyềnđộng thuỷ động), qua các phần tử truyền động như, ống dẫn, các van tiết lưu,van phân phối vv… tới motơ thuỷ lực hoặc xi lanh thuỷ lực để chuyển dầu có

áp suất cao thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác

Truyền động thuỷ lực được phân loại theo các dấu hiệu sau:

* Theo nguyên lý làm việc truyền động thuỷ lực được chia làm hai nhóm:

- Truyền động thể tích (truyền động thuỷ tĩnh) - dầu thuỷ lực có áp suấtcao nhưng vận tốc thấp

- Truyền động thủy động - dầu thuỷ lực có áp suất thấp nhưng vận tốccao

* Theo quy luật chuyển động của cơ cấu chấp hành chúng được chia làm 3

* Theo khả năng điều chỉnh tốc độ của cơ cấu công tác chúng được chia làm 2

nhóm: Nhóm có cơ cấu điều chỉnh; Nhóm không điều chỉnh

* Theo sơ đồ tuần hoàn của dầu thuỷ lực có 2 nhóm: Nhóm có sơ đồ đóng kín;

nhóm có sơ đồ tuần hoàn hở

Hình 1.9 Sơ đồ khối cấu trúc hệ

- Phần tử xử lý và dẫn dầu: vantiết lưu, van áp suất;

- Các phần tử điều khiển: van đảochiều, van an toàn, van một chiều

- Các cơ cấu chấp hành: xi lanh,môtơ, khớp nối thuỷ lực…

Sơ đồ mô tả cấu tạo tổng quát của

hệ thống dẫn động thuỷ lực được mô tả

năng đẩy piston chuyển đông tịnh tiến tronglòng xi lanh.

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động thuỷ lực mạch hở với cơ cấu công tác chuyển động tịnh tiến – xi lanh thuỷ lực:

1- bơm dầu thuỷ lực; 2 – xi lanh thuỷ lực; 3 - ống dẫn dầu; 4b – van tràn; 5 - van phân phố 4/3i; 6 – van tiết lưu (điều chỉnh lưu lượng); 7 – van một chiều; 8a – phin lọc dầu; 9 – thùng dầu thuỷ lực; 10 - bộ làm mát

dầu; 11- đồng hồ áp lực

b) Truyền động thuỷ lực thể tích có cơ cấu chấp hành chuyển động quay – môtơ thuỷ lực:

Biến áp suất dầu thuỷ lực thành cơ năngquay rô-tor của mô-tơ 2

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động thuỷ lực mạch kín với cơ cấu công tác chuyển động quay – môtơ thuỷ lực:

1- bơm dầu thuỷ lực; 1a – bơm bổ xung dầu 2 – tor thuỷ lực; 3 - ống dẫn dầu; 4a – van giới hạn áp suất; 4b – van tràn; 5 - van phân phố 4/2; 6 – van tiết lưu (điều chỉnh lưu lượng); 7 – van một chiều; 8a – phin lọc dầu; 9 – thùng dầu thuỷ lực; 10 - bộ làm mát

mô-dầu; 11- đồng hồ áp lực

4 Bảng ký hiệu các cụm và các cơ cấu trong hệ thống dẫn động thuỷ lực và dẫn

động khí nén

Bơm thuỷ lực không điều chỉnh Bơm thuỷ lực đảo chiều Bơm thuỷ lực có điều chỉnh Mô-tơ thuỷ lực không điều chỉnh Mô-tơ thuỷ lực đảo chiều

Mô-tơ thuỷ lực có điều chỉnh

Xi lanh thuỷ lực tác dụng hai chiều với một cán pittông

Xi lanh thuỷ lực tác dụng hai chiều với hai cán pittông

Xi lanh thuỷ lực tác dụngmộtchiều

Xi lanh thuỷ lực kiểu ống lồng

Xi lanh thuỷ lực có cơ cấu phanh giảm chấn cuối hành trình Van tiết lưu không điều chỉnh

Van tiết lưu có điều chỉnh

Van giới hạn áp suất tự điều chỉnh

Van giới hạn áp suất không tự điều chỉnh

Van một chiều không có dòng phản hồi

Thùng dầu kín có áp suất cao hơn áp suất không khí Van phân phối 4/2 điều khiển bằng cần gạt

Van phân phối 4/3 điều khiển bằng tay, vị chí “O” là vị ngắt truyền động

Van phân phối 4/3 điều khiển bằng điện từ, vị chí “O” là vị dòng dầu thuỷ lực bơm vòng tròn

Bảng 1.1 Ký hiệu các cụm và các cơ cấu trong hệ thống dẫn động thuỷ lực và

- Dễ thực hiện tự động hoá theo công nghệ được lập trình sẵn, kể cả các

hệ cực kỳ phức tạp và hạ giá thành nhờ sử dụng các sản phẩm được tiêu chuẩn hoá và sản xuất hàng loạt;

- Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các cơ cấu chủ động và cơ cấu bị dẫn không lệ thuộc với nhau, các đường ống dẫn dầu thuỷ lực dễ nối và đổi chỗ;

- Truyền động êm và không có tiếng ồn;

- Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn;

- Dễ theo dõi và kiểm tra nhờ các hệ thống áp kế và đồng hồ đo kể cả các hệ phức tạp nhiều mạch

Hệ thống truyền động thuỷ lực được sử dụng rộng rãi trong các máy thi công công trình ngầm do các ưu điểm về khả năng truyền được công suất cao,

dễ dàng tự động hoá

Trong các máy khoan hầm lò ngày nay, hệ thống truyền động không chỉ được sử dụng để dẫn động đầu khoan mà nó còn dẫn động nhiều cơ cấu công tác đòi hỏi độ chính xác cao như hệ thống định vị mũi khoan và hướng khoan

Với việc ngày nay các phần tử (chi tiết và cụm chi tiết máy) trong hệthống truyền động thuỷ lực đã được tiêu chuẩn hoá để sản xuất hàng loạt nêngiá thành của các máy thuỷ lực đã giảm đáng kể Mặt khác với sự tiến bộ củacông nghệ chế tạo máy với độ chính xác cao cho phép chúng ta mạnh dạn sửdụng các loại máy ngầm dẫn động thuỷ lực vào ứng dụng và chúng ngày càngkhẳng định được vị trí cũng như hiệu quả về mặt kinh tế cũng như kỹ thuật

IV Truyền động điện

Truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: Thiết bị điện, thiết bịđiện tử, phục vụ cho công tác biến đổi điện – cơ cũng như gia công truyền tínhiệu thông tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó

Hệ truyền động điện được phân loại như sau:

+ Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trựctiếp với lưới điện, quay máy công tác với một tốc độ nhất định

+ Truyền động điện có điều chỉnh: Trong loại này tuỳ thuộc vào côngnghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mômen,lực kéo và truyền động điều chỉnh vị trí Trong truyền động điện có điều chỉnh

có thể có một hoặc nhiều động cơ

cơ bản - Lưu lượng Q- Áp suất P - Áp suất P, Pa- Lưu lượng Q - Hiệu điện thếU;

- Cường độ dòng điện I.

- Lực F;

- Mô men xoắn M;

- Vận tốc tiếp tuyến;

- Vận tốc quay Công suất truyền Công suất truyền Không lớn lắm Công suất truyền Công suất

khoảng cách truyền xa.

nén khoảng dưới

6 bar khoảng cách truyền xa

khoảng cách truyền xa.

khoảng cách truyền không lớn lắm

Độ linh hoạt

trong điều khiển

Rất tốt Độ trễ lớn Rất tốt Kém Ứng dụng Rộng rãi Một số ít máy

khoan khí nén, dây chuyền lắp ráp

Rộng rãi Không thể thiếu

trong bất kỳ các máy thi công xây dựng

Bảng 1.2 so sánh các dạng truyền động trong máy ngầm

Chương II Máy và thiết bị trong các công nghệ đào hở

§ 2.1 Tổng quan các công nghệ đào hở

Công nghệ thi công tuyến ngầm bằng phương pháp hở (còn gọi làphương pháp lộ thiên) bao gồm các công nghệ sau:

- Thi công hở theo phương pháp hố móng;

- Đào hào phân đoạn kết hợp với tường trong đất;

- Đào hào phân đoạn kết hợp với khiên đào hở;

mà nghiêng một góc phù hợp với góc trượt tự nhiên của đất hoặc được giacường bằng cừ thép nếu đào thẳng đứng Kết cấu bê tông được thi công trong

hố móng bằng các phương án thi công thông thường, sau đó thì lấp đất

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thiết bị thi công tuyến ngầm bằng phương pháp hố móng:

1 – Phần đất cần bốc xúc bằng máy đào một gầu hoặc gầu ngoạm; 2 - vách hố móng (sau khi đào) không cần phải gia cường mà nghiêng một góc phù hợp với góc trượt tự nhiên của đất ; 3 – máy xúc một gầu hoặc máy xúc gầu ngoạm (khi chiều sâu lớn hơn 9 m); 4 — ô tô tự đổ; 5 —

Cổng trục (dùng khi thi công bê tông lắp ghép)

2 Đào hào phân đoạn kết hợp với tường trong đất

Nội dung của công nghệ này là thi công tường trong đất (tường bê tông

cốt thép hoặc tường bê tông đất) gồm hai đoạn tường song song có khoảngcách lớn hơn hoặc bằng chiều rộng của tuyến ngầm tương lai Dùng máy đàomột gầu hoặc máy đào gầu ngoạm để đào đất tới độ sâu đáy móng tuyếnngầm, sau đó thi công kết cấu bê tông cốt thép bằng các phương pháp thôngthường và cuối cùng là lấp đất lên tuyến ngầm đã thi công để chuyển sangđoạn hào tiếp theo

Hình 2.2 Công nghệ đào hào phân đoạn kết hợp với tường trong đất:

1 – móng; 2 - tường trong đất; 3 – máy xúc một gầu hoặc máy xúc gầu ngoạm; 4 — ô tô tự đổ;

5 — cổng trục (dùng khi thi công bê tông lắp ghép)

3 Phương pháp đào hào phân đoạn kết hợp với khiên đào hở

Hình 2.3 Công nghệ đào hào phân đoạn kết hợp với khiên đào hở:

1 — kết cấu bê tông tuyến ngầm (lắp ghép từng đốt hoặc bê tông cốt thép liền khối); 2 – khiên

hở hình chữ U tiến về phía trước nhờ kích đẩy vào vỏ tunnel đã lắp, 3 – máy xúc một gầu hoặc máy xúc gầu ngoạm; 4 — ô tô tự đổ; 5 — cổng trục (dùng khi thi công bê tông lắp ghép)

Khiên hở có kết cấu khá đơn giản: có dạng hình chữ U với hai thành bên cónhiệm vụ chống sạt lở, sàn đáy chỉ có nhiệm vụ như một sàn vàn khuôn đáy,đôi khi trong lòng khiên hình chữ U người ta bố trí các thanh chống ngang vàxiên có nhiệm vụ tăng cường khả năng chống áp lực sạt lở của đất Khiên tiếnlên phía trước nhờ kích thuỷ lực một đầu kích đẩy vào bê tông cốt thép vừa thicông xong, một đầu đẩy vào gờ gia cường hình chữ U phía sau Bản chất củakhiên đào hở chữ U là kết cấu thép có chiều sâu đúng bằng chiều sâu tuyếnngầm có các vành gia cường hình chữ U trước, sau thép gia cường dọc và đôikhi trong quá trình thi công người ta bố trí thêm thép gia cường ngang và chéo.Kết cấu thép này tự di chuyển về phía trước nhờ các kích thuỷ lực

Hình 2.4.Khiên hở hình chữ “U” với các thanh chống ngang có nhiệm vụ tăng cường khả năng chống áp lực ngang của đất và tiến về phía trước nhờ kích đẩy

vào vỏ tunnel đã lắp

4 Phương pháp hạ chìm

Phương pháp này thường được dùng khi thi công các tuyến ngầm vượtsông hoặc đầm lầy có nước Kết cấu đường hầm được chế tạo sẵn thành từngđoạn (từng đốt), vỏ hầm được bịt kín tạm thời và kéo nổi theo đường sông nhờcác xà lan tải trọng phù hợp Để hạ kết cấu đường hầm người ta cho nước vàotrong đốt hầm với khối lượng nước phù hợp sao cho trọng lượng của đốt vànước không quá nặng rồi hạ chìm vào vị trí lắp đặt Vị trí lắp đặt có thể là hàodưới lòng sông (nếu mực nước nông) hoặc lơ lửng (nếu mực nước sâu) thì đặttrên móng được thi công trước đó Sau đó các đốt hầm được ghép nối với nhauhút hết nước ra để tạo thành đường hầm hoàn chỉnh, cuối cùng là cho đất đálấp vào nóc và sườn của hầm

5 Phương pháp hạ dần

Trong phương pháp hạ dần các kết cấu đường hầm được chế tạo sẵnthành từng đoạn (từng đốt) ngay trên bề mặt và được hạ dần xuống tới cốt nềnthiết kế nhờ lấy dần khối đất ở phía dưới đáy của đốt hầm Phương pháp này

thích hợp để thi công các tuyến tunnel đi qua các vùng đất mềm phù sa không

có đá mồ côi Kết cấu hầm sau đó sẽ nằm ổn định trên lớp đất cứng hoặc lớpmóng đã được gia cố từ trước đó Trên thực tiễn phương án này thường đượcdùng để thi công các giếng đứng hoặc giếng đầu và giếng cuối của các đoạnđường ngầm

Trên đây là tổng quan các công nghệ thi công công trình ngầm bằng các phương án đào hở, các thiết bị chính để thi công các công nghệ này là máy đào một gầu, máy thi công tường trong đất và các máy vận chuyển lên cao mà chủ yếu là cổng trục Dưới đây xin giới thiệu lần lượt các máy đó

§ 2.2 Máy đào một gầu

I Công dụng và phân loại

1) Công dụng:

Máy xúc một gầu hay còn gọi là máy đào một gầu là một trong nhữngloại máy chủ đạo trong công tác đào đất trong xây dựng nói chung và xây dựngtuyến ngầm bằng các công nghệ đào hở nói riêng Máy xúc một gầu làm nhiệm

vụ khai thác đất tạo hố móng và đổ vào phương tiện vận tải hoặc đổ thànhđống để các máy khác bốc lên phương tiện vận tải

Máy xúc một gầu làm việc theo chu kỳ gồm các nguyên công:

- Tiến tới vị trí bốc xúc đất;

- Đào và tích đất vào gầu;

- Nâng gầu lên và quay tới vị trí cần đổ;

- Đổ vào phương tiện vận tải hoặc đổ thành đống

2) Phân loại: Máy xúc một gầu có thể phân loại theo các dấu hiệu sau:

- Theo cơ cấu di chuyển;

- Theo kiểu dẫn động điều khiển gầu;

- Theo kiểu treo gầu

a) Theo cơ cấu di chuyển máy xúc một gầu được chia thành nhữngnhóm sau:

- Loại bánh lốp: loại này cơ động phù hợp với các công trình phân tán cókhối lượng bốc xúc không lớn;

- Loại bánh xích: đây là loại làm việc ổn định, thể tích gầu bốc có thể tíchkhác nhau phù hợp với các công trường có khối lượng bốc xúc lớn;

b) Theo cơ cấu điều khiển dẫn động gầu, máy xúc một gầu có thể đượcchia thành 2 nhóm sau:

- Loại điều khiển dẫn động gầu kiểu cơ khí, tức là bằng puli, tời và cápnhư EO-3311G, EO-4111B, EO-5114, EO-6112B v.v…của LB Nga.

- Loại máy xúc thuỷ lực với dẫn động điều khiển gầu bằng các xi lanhthuỷ lực

d) Theo kiểu treo gầu:

- Máy xúc gầu thuận (còn gọi là máy xúc gầu ngửa);

- Máy xúc gầu nghịch (còn gọi là máy xúc gầu sấp);

- Máy xúc gầu quăng (còn gọi là máy xúc gầu dây);

- Máy xúc gầu ngoạm

Trong các công nghệ thi công công trình ngầm bằng phương pháp đào

hở người ta thường sử dụng hai loại máy đào một gầu đó là: Máy đào gầunghịch dẫn động thuỷ lực dùng để đào đất hố móng ở độ sâu ≤ 10 m và máyđào gầu ngoạm dẫn động cơ khí dùng để đào đất hố móng ở độ sâu > 10 m

II Máy xúc gầu nghịch dẫn thuỷ lực:

1) Cấu tạo:

Kết cấu của máy gồm hai phần chính: phần máy cơ sở (máy kéo xích)

và phần thiết bị công tác (thiết bị làm việc)

Trên hình 2.5 phần máy cơ sở gồm: Cơ cấu di chuyển 1 chủ yếu để máy

di chuyển trong phạm vi công trường Nếu cần di chuyển máy với cự ly lớn phải

có thiết bị vận chuyển chuyên dùng Cơ cấu quay 2 dùng để thay đổi vị trí củagầu trong mặt phẳng ngang trong quá trình đào và xả đất Trên bàn quay 3người ta bố trí động cơ, các bộ truyền động cho các cơ cấu…Ca bin 10 nơi tậptrung cơ cấu điều khiển toàn bộ hoạt động của máy Đối trọng 12 là bộ phậncân bằng bàn quay và ổn định của máy (một số mã hiệu máy có thể không có

bộ phận này)

Hình 2.5 Sơ đồ cấu tạo máy xúc gầu nghịch dẫn động thuỷ lực:

1 – cơ cấu di chuyển; 2 – cơ cấu quay; 3 – bàn quay; 4 – XLTL nâng hạ cần (2 chiếc); 5 – gầu; 6 – XLTL điều khiển gầu; 7 – tay gầu; 8 – XLTL điều khiển tay gầu; 9 – cần; 10 – ca bin;

11 - động cơ đốt trong; 12 - đối trọng.

Phần thiết bị công tác: Cần 9 một đầu được ghép khớp bản lề với bànquay, đầu kia được lắp khớp bản lề với tay gầu Cần được nâng lên - hạ xuốngnhờ xilanh 4 Điều khiển gầu xúc 5 nhờ xilanh 6 Gầu thường được lắp thêmcác răng để gia công đất cứng

2) Nguyên lý làm việc:

Máy xúc gàu nghịch chủ yếu để gia công đất ở vị trí thấp hơn mặt bằngđứng của máy (cũng có những trường hợp máy khai thác đất ở nơi cao hơn,nhưng nền đất mềm và chỉ có xilanh quay gầu để cắt đất) Đất được xả (đổ)qua miệng gầu Máy làm việc theo chu kỳ, một chu kỳ làm việc của máy baogồm những nguyên công sau:

Máy đến vị trí làm việc Đưa gầu vươn ra xa (xilanh 8 rút lại) và hạ xuống(hai xilanh 4 rút lại), răng gầu tiếp xúc với nền đất (vị trí I, hình 2.5) Gầu tiếnhành cắt đất và tích đất vào gầu từ vị trí I đến II nhờ xi lanh 8 và xilanh 4 cùngđẩy ra

Quỹ đạo chuyển động của răng gầu trong quá trình cắt đất là một đườngcong Chiều dày phoi cắt thông thường thay đổi từ bé đến lớn Tại vị trí II gầuđầy đất và có chiều dày phoi đất lớn nhất Đưa gầu ra khỏi tầng đào và nânggầu lên nhờ hai xilanh 4 đẩy ra Quay máy về vị trí xả đất nhờ cơ cấu quay 2.Đất có thể xả thành đống hoặc xả vào phương tiện vận chuyển Đất được xả rakhỏi miệng gầu nhờ xilanh 6 rút lại Quay máy về vị trí xúc ban đầu để thựchiện chu kỳ tiếp theo

1) Công dụng và vị trí máy trong sơ đồ công nghệ:

Máy xúc gầu ngoạm dùng để xúc đất trong các hố móng có chiều sâu >

10 Ở độ sâu này nếu dùng máy xúc gầu nghịch dẫn động thuỷ lực thì tay gầu

sẽ rất dài, độ ổn định của máy kém và dung tích gầu xúc nhỏ dẫn tới năng suấtthấp

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thiết bị thi công công trình ngầm với máy xúc gầu

ngoạm:

1 – ô tô tải tự hành; 2 – máy cơ sở (cần trục cơ khí bánh xích); 3 - cơ cấu công tác (gầu ngoạm); 4 - thùng chứa đất; 5 – máy xúc loại nhỏ gom đất vào thùng 4; 6 - cột chống và sàn

công tác; 7 - tường trong đất; 8 - neo

Sơ đồ bố trí máy xúc gầu ngoạm được thể hiện trên hình 2.6, sơ đồ nàykhông chỉ dùng thi công tuyến ngầm mà còn được dùng để thi công các côngtrình ngầm của các toà nhà cao tầng bằng công nghệ top – down Trên hình 2.6máy xúc gầu ngoạm 2 đứng trên sàn công tác 6 sẽ xúc đất từ thùng chứa đất

số 4 Môt máy xúc loại nhỏ 5 có nhiệm vụ xúc đất từ hố móng vào thùng 4 đểmáy xúc gầu ngoạm xúc và đổ vào xe tải số 1 Sàn công tác số 6 có các cộtthép tạm chống và đế móng để đỡ toàn bộ máy đứng trên sàn

2) Cấu tạo: Cấu tạo chung của máy xúc gầu ngoạm gồm máy cơ sở là cần trục

bánh xích dẫn động cơ khí sau khi cơ cấu nâng-hạ vật được thay bằng cơ cấucông tác gầu ngoạm.Trên hình 2.7 máy cơ sở là máy kéo bánh xích, trongkhoang máy có các tời nâng-hạ cần và tời nâng-hạ gầu, đóng-mở gầu Cáp 5 làcáp đóng-mở gầu, khi thả chùng thì gầu mở, còn khi kéo căng thì đóng các mágầu vào để ngoạm đất và khi đất đã đầy gầu thì cáp 6 kéo gầu lên khỏi nơi đàođất Trên hai cáp 5 và 6 có các cơ cấu chống xoắn cáp cho phép đoạn trên vàđoạn dưới của cáp quay tròn tự do chống hai cáp quấn vào nhau

Hình 2.7 Cấu tạo chung của máy xúc gầu ngoạm:

1 – máy cơ sở; 2 – cáp nâng hạ cần; 3 – cáp nâng hạ gầu;4 – cáp đóng mở gầu; 6 - gầu ngoạm; 7 - cần; 8 - tời đóng mở và nâng gầu; 9 - tời để nâng hạ cần; 10 – khoang chứa động

cơ và các tời điều khiển.

3) Nguyên lý làm việc: Máy đến vị trí làm việc Đưa gầu 6/ đến vị trí bên trênthùng chứa đất bằng cách nâng hoặc hạ cần 7 thông qua palăng cáp sau đó cốđịnh góc nghiêng cần nhờ thanh chống xiên Cáp nâng gầu 6 được nối với đầu

đỡ trên, còn cáp đóng-mở gầu 5 được nối với đầu đỡ dưới thông qua hệ thốngpalăng đóng-mở gầu

Có thể chia chu kỳ làm việc của gầu ngoạm thành 4 giai đoạn sau hình 2.8:

Giai đoạn a: Hạ gầu rỗng xuống thùng đất Trong giai đoạn này khi cáp nâng 6

đi xuống, cáp đóng mở gầu 5 chùng, gầu sẽ tự động đi xuống và nhờ trọnglượng các má và liên hệ động học của cơ cấu đóng-mở gầu nên hai má gầu ởtrạng thái mở Yêu cầu đặt ra cho quá trình hạ gầu là vận tốc của cáp 6 hạ gầu

và cáp 5 đóng-mở gầu phải bằng nhau và cáp 5 chùng hơn Khi gầu rơi xuốngnhờ trọng lượng của mình mà cả 2 má gầu lún sâu vào đống đất

Hình 2.8 Các bước làm việc của gầu ngoạm:

6– Cáp nâng gầu; 5– Cáp đóng mở gầu

Giai đoạn b: Giai đoạn xúc (ngoạm) đất.

Việc xúc đất được thực hiện khi cáp nâng 6 để chùng, còn cáp đóng-mở gầu

5 để căng Nhờ có hệ palăng, đầu trên của gầu sẽ đi lên và do đó 2 má gầuđóng lại, thực hiện quá trình ngoạm đất vào trong gầu

Giai đoạn c: Nâng gầu chứa đầy đất.

Việc nâng gầu được thực hiện khi cáp 6 được kéo lên và cáp đóng-mở gầu

5 luôn ở trạng thái giữ căng, tốc độ của cáp 5 và cáp 6 trong giai đoạn nàybằng nhau

Giai đoạn d: Giai đoạn xả đất vào xe tải

Sau khi thực hiện nâng gầu đầy tải, máy được quay đến vị trí xả đất vào xetải Quá trình xả đất vào xe tải được thực hiện khi cáp đóng-mở gầu 5 thảchùng, cáp nâng 6 giữ nguyên ở trạng thái căng Khi đó cụm puly tụt xuốngphía dưới nhờ trọng lượng bản thân và hai má gầu tự mở để xả xả đất vào xetải

Giai đoạn e: Thả gầu rơi tự do xuống vị trí xúc đất

VI Năng suất và các biện pháp tăng năng suất máy xúc một gầu

1) Năng suất thực tế của máy xúc một gầu được tính theo công thức sau:

 Ktg – hệ số sử dụng thời gian làm việc của máy, Ktg = 0,8  0,9;

 nck – số chu kỳ công tác thực hiện được trong 1 giờ

2) Các biện pháp tăng năng suất máy xúc một gầu:

Để đảm bảo năng suất cao phải đưa ra giải pháp thi công hợp lý, chọnchế độ làm việc và các giải pháp kỹ thuật tối ưu cho máy, ngoài ra thợ máy cầnlưu ý thêm:

+ Chọn đường cong khai thác đất hợp lý;

+ Kết hợp các thao tác có thể vận hành đồng thời;

+ Bố trí phương tiện vận tải đứng ở nơi có góc quay nhỏ nhất;

+ Nếu góc quay lớn hơn 1500 thì cho toa máy quay trọn vòng 3600 khi xảđất

§ 2.3 Máy thi công cọc barrete và tường trong đất

I Công nghệ thi công cọc barrete và tường trong đất

Nguyên lý làm cọc nhồi và cọc barrete là tạo nên những lỗ cọc trong nềnđất, sau đó rót trực tiếp vật liệu (bê tông, bê tông cốt thép v.v…) vào những lỗ

đó để tạo thành cọc Như vậy, cọc được chế tạo tại chỗ, không mất công vậnchuyển ở nơi khác đến, do đó đỡ tốn kém hơn

Từ phương pháp thi công cọc khoan nhồi (cọc tròn) và cọc Barrete (cọc chữnhật) đối với các tuyến ngầm thi công phân đoạn và nhà cao tầng nhiều khiphải xây dựng tầng hầm người ta kết hợp giữa cọc chịu lực và tường tầng hầmdẫn đến ý tưởng làm móng tường trong đất, trường hợp này tường trong đất cóthể được thiết kế và tính toán như một loại móng sâu

Quy trình thi công tường trong đất kết hợp cọc barrete:

- Thi công tường dẫn;

- Đào đất;

- Giữ vách hố đào bằng dung dịch bentonite;

- Thổi rửa hố đào bằng phương pháp luân chuyển bentonite;

- Đặt ván khuôn tạo khớp và gioăng chống thấm nước;

- Gia công lắp đặt cốt thép, ống đổ bê tông và đổ bê tông theo phươngpháp rút ống

Tường chắn được thi công thành từng tấm panel riêng biệt, giữa chúng

là khớp nối và thường là một gioăng cao su chắn nước Có 3 loại tấm panelđược dùng là: panel khởi đầu, panel tiếp và panel đóng

Hình 2.9 Sản phẩm tường trong đất:

1 - tấm panel tường bê tông cốt thép trong đất; 2 – gioăng chống thấm

II Công tác đào đất và máy đào đất thi công cọc barrete (tường trong đất)

Đào đất dùng gàu chữ nhật do cẩu điều khiển bằng cáp hoặc thuỷ lực Trongkhi đào dung dịch bentonite được giữ ở mức độ cách cốt đỉnh tường dẫn 0,4m,

độ thẳng đứng của hố đào được kiểm tra bằng mắt thường theo dây cáp cẩukhi hạ gàu vào hố đào Máy đào đất nên đứng cách mép hố đào tối thiểu là 4m.Mọi sự di chuyển của máy phải hết sức thận trọng tránh làm sạt vách hố

Hình 2.10 Các bước đào đất tạo lỗ thi công một tấm panel

2) Các máy đào đất thi công cọc barrete:

Các máy đào đất thi công cọc barrete có 4 loại thường được dùng:

- Máy đào dẫn động cơ khí cắt đất bằng phương án rơi tự do;

- Máy đào dẫn động thuỷ lực nâng hạ gầu bằng cáp;

- Máy đào dẫn động thuỷ lực nâng hạ gầu nhờ cáp kết hợp với dẫn hướngcứng;

- Máy đào dẫn động thuỷ lực nâng hạ gầu bằng cần dẫn hướng cứng kiểuống lồng

Các hãng sản suất máy nổi tiêng trên thê giới có thể kể đến là: