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

Tổng quan các công nghệ đào hở Công nghệ thi công tuyến ngầm bằng phương pháp hở còn gọi là phương pháp lộ thiên bao gồm các công nghệ sau: - Thi công hở theo phương pháp hố móng; - Đào

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 là phương 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;

- Hạ dần các kết cấu từng đoạn một;

- Hạ chìm

1 Phương pháp hố móng:

Bản chất phương án là người ta sử dụng các máy đào đất thông thường (máy đào một gầu và máy đào gầu ngoạm) để đào hố móng theo toàn bộ chiều rộng tới độ sâu đặt móng tuyến ngầm, vách hố móng không cần phải gia cường

mà nghiêng một góc phù hợp với góc trượt tự nhiên của đất hoặc được gia cường 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 khoảng cách lớn hơn hoặc bằng chiều rộng của tuyến ngầm tương lai Dùng máy đào một gầu hoặc máy đào gầu ngoạm để đào đất tới độ sâu đáy móng tuyến ngầm, sau đó thi công kết cấu bê tông cốt thép bằng các phương pháp thông

thường và cuối cùng là lấp đất lên tuyến ngầm đã thi công để chuyển sang đoạn 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 có nhiệm 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 và xiên có nhiệm vụ tăng cường khả năng chống áp lực sạt lở của đất Khiên tiến lên phía trước nhờ kích thuỷ lực một đầu kích đẩy vào bê tông cốt thép vừa thi công xong, một đầu đẩy vào gờ gia cường hình chữ U phía sau Bản chất của khiên đào hở chữ U là kết cấu thép có chiều sâu đúng bằng chiều sâu tuyến ngầm có các vành gia cường hình chữ U trước, sau thép gia cường dọc và đôi khi 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 vượt sông hoặc đầm lầy có nước Kết cấu đường hầm được chế tạo sẵn thành từng đoạn (từng đốt), vỏ hầm được bịt kín tạm thời và kéo nổi theo đường sông nhờ các xà lan tải trọng phù hợp Để hạ kết cấu đường hầm người ta cho nước vào trong đốt hầm với khối lượng nước phù hợp sao cho trọng lượng của đốt và nước không quá nặng rồi hạ chìm vào vị trí lắp đặt Vị trí lắp đặt có thể là hào dưới lòng sông (nếu mực nước nông) hoặc lơ lửng (nếu mực nước sâu) thì đặt trên móng được thi công trước đó Sau đó các đốt hầm được ghép nối với nhau hút hết nước ra để tạo thành đường hầm hoàn chỉnh, cuối cùng là cho đất đá lấp vào nóc và sườn của hầm

5 Phương pháp hạ dần

Trong phương pháp hạ dần các kết cấu đường hầm được chế tạo sẵn thành từng đoạn (từng đốt) ngay trên bề mặt và được hạ dần xuống tới cốt nền thiết 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 lớp móng đã được gia cố từ trước đó Trên thực tiễn phương án này thường được dùng để thi công các giếng đứng hoặc giếng đầu và giếng cuối của các đoạn đường 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 những loại máy chủ đạo trong công tác đào đất trong xây dựng nói chung và xây dựng tuyến 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 thành đống 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 những nhóm sau:

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

- Loại bánh xích: đây là loại làm việc ổn định, thể tích gầu bốc có thể tích khác 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 được chia thành 2 nhóm sau:

- Loại điều khiển dẫn động gầu kiểu cơ khí, tức là bằng puli, tời và cáp như 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 lanh thuỷ 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 gầu nghịch dẫn động thuỷ lực dùng để đào đất hố móng ở độ sâu ≤ 10 m và máy đào 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 của gầu trong mặt phẳng ngang trong quá trình đào và xả đất Trên bàn quay 3 người ta bố trí động cơ, các bộ truyền động cho các cơ cấu…Ca bin 10 nơi tập trung cơ cấu điều khiển toàn bộ hoạt động của máy Đối trọng 12 là bộ phận cân 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 bàn quay, đầu kia được lắp khớp bản lề với tay gầu Cần được nâng lên - hạ xuống nhờ xilanh 4 Điều khiển gầu xúc 5 nhờ xilanh 6 Gầu thường được lắp thêm các 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 bằng đứng 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 bao gồm 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 tiến hành cắt đất và tích đất vào gầu từ vị trí I đến II nhờ xi lanh 8 và xilanh 4 cùng đẩy ra

Quỹ đạo chuyển động của răng gầu trong quá trình cắt đất là một đường cong Chiều dày phoi cắt thông thường thay đổi từ bé đến lớn Tại vị trí II gầu đầy đất và có chiều dày phoi đất lớn nhất Đưa gầu ra khỏi tầng đào và nâng gầu 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 ra khỏi miệng gầu nhờ xilanh 6 rút lại Quay máy về vị trí xúc ban đầu để thực hiện chu kỳ tiếp theo

III Máy đào gầu ngoạm dẫn động cơ khí

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 suất thấp

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 này không chỉ dùng thi công tuyến ngầm mà còn được dùng để thi công các công

trình ngầm của các toà nhà cao tầng bằng công nghệ top – down Trên hình 2.6 máy 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 để máy xúc gầu ngoạm xúc và đổ vào xe tải số 1 Sàn công tác số 6 có các cột thép 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 cấu công tác gầu ngoạm.Trên hình 2.7 máy cơ sở là máy kéo bánh xích, trong khoang máy có các tời nâng-hạ cần và tời nâng-hạ gầu, đóng-mở gầu Cáp 5 là cáp đóng-mở gầu, khi thả chùng thì gầu mở, còn khi kéo căng thì đóng các má gầu vào để ngoạm đất và khi đất đã đầy gầu thì cáp 6 kéo gầu lên khỏi nơi đào đất Trên hai cáp 5 và 6 có các cơ cấu chống xoắn cáp cho phép đoạn trên và đoạn 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 trên thùng chứa đất bằng cách nâng hoặc hạ cần 7 thông qua palăng cáp sau đó cố định 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 thống palăng 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 trọng lượng các má và liên hệ động học của cơ cấu đóng-mở gầu nên hai má gầu ở

trạng 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 xuống nhờ 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 gầu đóng 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 này bằng 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 xe tải Quá trình xả đất vào xe tải được thực hiện khi cáp đóng-mở gầu 5 thả chùng, cáp nâng 6 giữ nguyên ở trạng thái căng Khi đó cụm puly tụt xuống phía dưới nhờ trọng lượng bản thân và hai má gầu tự mở để xả xả đất vào xe tải

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:

Ns = q0.(Kđ/Kt) nck Ktg m3/h [2.1]

trong đó:

• q0– dung tích hình học của gầu, m3

• Kđ - hệ số đầy gầu, Kđ = 0,8 - 1,25;

• Kt - hệ số tơi của đất = 1,08 ÷ 1,45 ;

• 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, chọn chế độ làm việc và các giải pháp kỹ thuật tối ưu cho máy, ngoài ra thợ máy cần lưu 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 xả đất

§ 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 nền đất, 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 vận chuyển ở nơi khác đến, do đó đỡ tốn kém hơn

Từ phương pháp thi công cọc khoan nhồi (cọc tròn) và cọc Barrete (cọc chữ nhật) đối với các tuyến ngầm thi công phân đoạn và nhà cao tầng nhiều khi phải xây dựng tầng hầm người ta kết hợp giữa cọc chịu lực và tường tầng hầm dẫn đến ý tưởng làm móng tường trong đất, trường hợp này tường trong đất có thể 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 phương pháp 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 panel được 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)

1) Công tác đào đất tạo hố

Đào đất dùng gàu chữ nhật do cẩu điều khiển bằng cáp hoặc thuỷ lực Trong khi 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 cẩu khi 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 hướng cứng;