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

Khi lựa chọn phương thức vận chuyển đất đá ra cần phân tích tổng hợp các yếu tố có liên quan đến hầm hoặc mặt cắt đường hầm: đào to hay đào nhỏ, điều kiện địa chất của đất đá, lượng đất

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

tunnel ngầm.

§ 5.1 Công tác bố xúc đất đá trong tuyến ngầm

Một trong những công tác cơ bản của thi công đường hầm là vận chuyển đất

đá ra khỏi tuyến thi công Công tác vận chuyển đất đá ra ngoài chiếm 40 ÷ 60%

thời gian một chu kỳ thi công tuần hoàn, vì thế năng lực đưa đất đá ra ngoài

ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ thi công

Khi lựa chọn phương thức vận chuyển đất đá ra cần phân tích tổng hợp các yếu tố có liên quan đến hầm hoặc mặt cắt đường hầm: đào to hay đào nhỏ, điều kiện địa chất của đất đá, lượng đất đá sinh ra trong một lần nổ mìn, tốc độ đào đất của máy chính, năng lực vận chuyển của các máy móc trong dây chuyền đồng bộ, các yêu cầu về tính kinh tế như hiệu quả đầu tư, thời hạn thi công v.v…

Công tác vận chuyển đất đá ra khỏi tuyến thi công có thể phân chia thành

ba khâu: bốc, vận chuyển, đổ đất đá

Phương thức bốc đất đá

Có hai phương thức bốc đất đá: cơ giới và thủ công Phương pháp thủ công đòi hỏi tốn nhiều nhân lực và có năng suất thấp nên chỉ dùng trong các trường hợp: a) tại các hầm ngắn; b) thiếu máy móc chuyên dụng; c) mặt cắt nhỏ không cho phép sử dụng máy móc Phương pháp cơ giới (dùng máy móc bốc đất đá) có năng suất cao, vì vậy có thể đẩy nhanh tiến độ và rút ngắn thời gian thi công Hiện nay phương pháp cơ giới được áp dụng rộng rãi trong thi công đường hầm, tuy nhiên vẫn cần bố trí thêm một số nhân công hỗ trợ

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

Để cơ giới hoá công tác bốc xúc đất đá sau khi đánh mìn và đã được đào xới bằng các phương pháp khác, người ta sử dụng các loại máy bốc xúc đặc chủng có kích thước không lớn lắm nhằm thích nghi với điều kiện làm việc chật hẹp trong các tuyến tunnel dưới đất

Máy móc bốc đất đá trong tuyến ngầm rất đa dạng Theo hình thức cơ cấu

bốc có thể chia làm: kiểu gầu xúc, kiểu càng cua, kiểu vuốt đứng, kiểu gầu đào Máy bốc đá kiểu gầu xúc là loại máy bốc đá không liên tục, có 3 loại: thùng lật

đổ sau, đổ trước và đổ bên Máy bốc đất đá kiểu càng cua, kiểu vuốt đứng và kiểu gầu đào là các loại máy bốc đất đá liên tục, thường kết hợp với băng tải

I Phân loại:

Các máy bốc xúc đất đá hầm lò được phân loại theo các dấu hiệu dưới đây:

- Theo công dụng: Máy bốc xúc đất đá được chia làm các nhóm: nhóm máy dùng cho các tuyến tunnel ngang; nhóm máy dùng cho các tuyến tunnel nghiêng; nhóm máy dùng để bốc đá thải; nhóm máy dùng để bốc khoáng vật sau khai thác

- Theo kiểu (dạng) của cơ cấu công tác: Máy bốc xúc đất đá được chia làm các nhóm: nhóm máy có cơ cấu công tác dạng gầu đào; nhóm máy có cơ cấu công tác dạng cần cào vơ

- Theo chế độ làm việc: Máy bốc xúc đất đá được chia làm các nhóm: nhóm máy làm việc theo chu kỳ (máy có cơ cấu công tác dạng gầu xúc); nhóm máy hoạt động liên tục (cơ cấu công tác dạng cào vơ hoạt động tự động và liên tục);

- Theo cơ cấu di chuyển: Máy bốc xúc đất đá được chia làm 3 nhóm: nhóm máy di chuyển trên bánh lốp; nhóm máy di chuyển trên bánh xích và nhóm máy di chuyển trên bánh sắt - đường ray

Hình 5.1 Máy bốc xúc đất đá di chuyển trên bánh sắt - đường ray

Các máy di chuyển trên bánh lốp có khả năng cơ động cao nhưng khả năng thông qua thấp và năng suất không cao Các máy di chuyển trên đường ray có năng suất khá cao nhưng đòi hỏi phải có đường ray để hoạt động Các máy di chuyển trên bánh xích có tính cơ động thấp nhưng độ ổn định lớn cho phép tăng thể tích gầu xúc nên có năng suất cao

- Theo tính chất hệ thống dẫn động: Máy bốc xúc đất đá được chia thành các nhóm: nhóm máy dẫn động cơ khí; nhóm máy dẫn động cơ khí - thuỷ lực; nhóm máy dẫn động điện - thuỷ lực, điện – cơ khí

Các máy bốc xúc đất đá hoạt động theo chu kỳ lại được chia làm hai nhóm nhỏ: nhóm máy bốc xúc và đổ thẳng vào phương tiện vận tải (đổ vào

goòng, đổ vào xe tải , đổ vào xe tự lật…) và nhóm đổ thành nhiều nấc (đổ vào cầu băng tải sau đó mới đổ vào phương tiện vận tải)

Đối với các tunnel có mặt cắt nhỏ người ta thường dùng các loại máy bốc xúc nhóm đổ thẳng vào phương tiện vận tải Trong các máy này chỉ dùng 2 dạng dẫn động là dẫn động điện và dẫn động khí nén để đảm bảo không gây ô nhiễm không khí do mặt cắt tunnel nhỏ Các máy này có thể bốc đá có kích thước tối đa 200-350 mm

Máy xúc lật cũng có thể được phân loại theo dung tích gầu hoặc theo công suất động cơ Các loại máy xúc lật của hãng Caterpillar có dung tích gầu xúc tới 8-10 m3, trang bị động cơ tới 500-900 kW Đã có loại máy xúc lật có dung tích gầu xúc 20 m3 với công suất động cơ 1500 kW

II Máy bốc đất đá kiểu gầu lật đổ sau

Loại máy này thường dùng cơ cấu di chuyển trên ray Máy dùng gầu xúc đất đá ở phía trước, sau đó lùi lại và đổ đất đá ra phía sau vào trong xe vận tải hoặc đổ vào xích tải, sau đó đổ vào goòng hoặc băng tải (hình 5.2)

Hình 5.2 sơ đồ cấu tạo máy bốc đất đá kiểu gầu lật sau:

1 - gầu; 2 - vỏ máy; 3- móc ghép vào máy vận chuyển; 4- cơ cấu di chuyển; 5- băng tải Máy bốc đất đá kiểu gầu lật có cấu tạo đơn giản, thao tác tiện lợi, dùng khí nén hay điện, không gây ô nhiễm trong hầm Bên cạnh đó máy bốc đất đá kiểu gầu lật có khá nhiều hạn chế: bề rộng công tác chỉ có 1,7 m ÷ 3,5 m, chiều dài công tác ngắn, yêu cầu nối dài đường sắt đến sát đống đất đá, tiến lên và lùi lại bốc đất đá không liên tục, dung tích gầu nhỏ, năng suất kỹ thuật khá thấp (30–120 m3/h) Loại máy này chỉ thích hợp với loại đường hầm mặt cắt nhỏ hoặc quy mô không lớn

Máy bốc xúc đất đá dẫn động khí nén (hình 5.2, а) có hai động cơ (một

động cơ dẫn động cơ cấu bốc xúc, một động cơ dẫn động cơ cấu di chuyển theo đường ray bằng bánh sắt) Máy có gầu xúc 1, cơ cấu lật gầu xúc qua khung máy cơ sở 2 vào goòng vận tải và cơ cấu 3 dùng để móc chốt với các goòng vận tải phía sau Khung máy cơ sở được lắp trên cơ cấu quay, điều này cho phép toa quay của máy xúc cùng với gầu xúc quay quanh đường tâm ray

di chuyển tới 300 về mỗi phía nhằm tăng không gian xả đất đá Máy này có kết cấu đơn giản, làm việc ổn định và dễ điều khiển Một chu kỳ làm việc của máy xúc đất đá kết hợp với các goòng vận chuyển liên hoàn bao gồm các thao tác: bốc xúc đất đá đổ vào goòng, đổi vị trí các goòng, di chuyển vận tải đất sau bốc xúc tới bãi thải và cuối cùng là quay lại hầm lò vào vị trí bốc xúc

Máy bốc xúc đất đá dẫn động điện (hình 5.2, b) di chuyển và làm việc

trên ray Cấu tạo của máy gồm hai phần chính: khung máy cơ sở với băng tải dọc máy và cơ cấu gầu xúc có tay gầu Gầu của máy cùng với tay gầu 1 có thể quay trong mặt phẳng thẳng đứng và mặt phẳng nằm ngang Phía dưới và sau đuôi của băng tải có các goòng chở đất đá ghép với khung máy qua cơ cấu móc chốt thụt-thò 3 Đuôi băng tải có thể nâng hạ một góc 250 cho phép xả tải vào các goòng có chiều cao và kích thước khác nhau Để xử lý bụi trong quá trình bốc xúc đất đá người ta trang bị cho máy hệ thống tưới làm ẩm đất

Một chu kỳ làm việc của máy bốc xúc đất đá đổ sau bao gồm các thao tác:

di chuyển về phía trước tiếp cận đất đá, đưa gầu xúc sâu vào khối đất đá, sau

đó nâng gầu lên và đổ đất đá về phía sau – đây là những máy đổ thẳng Một số máy khác đổ đất đá vào bun-ke (bunker), và từ bun- ke đất đá được đưa vào phương tiện vận tải nhờ băng chuyển tải – đây là những máy bốc xúc đất đá gián tiếp

Cơ cấu công tác chính của máy là gầu xúc để bốc xúc đất đá rời như cát,

đá sỏi và đất cấp I và II Thông số chủ yếu của máy xúc lật là sức nâng của máy: hạng nhẹ (0,6 - 2,0 t), hạng trung bình (2,0 - 4,0 t), hạng nặng (4,0 – 10 t

và hơn nữa)

III Máy xúc lật, đổ phía trước

Đây là máy bốc xúc trong tuyến ngầm hoạt động theo chu kỳ Nó thường dùng bốc xúc đất đá cứng do đánh mìn trong các tuyến tunnel có mặt cắt gương đào cỡ 35– 70 m2, tức là mặt bằng thi công đủ lớn Người ta dùng máy xúc lật đổ trước để đổ thẳng vào phương tiện vận tải - thường là ô tô tự đổ Loại máy này chỉ cho phép xúc và đổ vật liệu ở phía trước máy Thiết bị

xúc gắn với khung máy 6 bằng khớp bản lề (hình 5.3) bao gồm gầu, cần, cơ

cấu tay đòn và các xilanh thuỷ lực hoạt động hai chiều Gầu 1 lắp trên cần 4, các cặp đòn gánh 3 và thanh quay 2 được điều khiển bằng hai xilanh thuỷ lực lật gầu 5 Các xilanh thủy lực 7 thực hiện thao tác nâng-hạ cần Hệ thống dẫn động thuỷ lực cho phép thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng một cách êm dịu và ngăn ngừa quá tải Quy trình làm việc của máy xúc lật gồm các nguyên công sau: di chuyển xe tới nơi xúc vật liệu và đồng thời hạ gầu, nhờ lực đẩy của xe

(tới hàng chục tấn) gầu ăn sâu vào đống vật liệu, nâng cần và gầu, lùi và vận chuyển vật liệu tới nơi đổ và lật gầu thực hiện đổ vật liệu lên xe hay chất thành đống Trên các loại máy xúc lật hiện đại (ví dụ như máy xúc lật 992D của hãng Caterpillar) thường bố trí động cơ có công suất lớn, khớp nối thuỷ lực, bánh xe

bố trí hộp thay đổi tốc độ bằng bộ truyền hành tinh có thể làm tăng lực kéo khi cần thiết và hệ thống phanh kiểu nhiều đĩa hoạt động tự động và có thể điều khiển bằng tay

Hình 5.3 Máy xúc lật đổ phía trước:

a) sơ đồ kết cấu; b) sơ đồ động học

H×nh 5.4 Máy xúc lật phía trước bốn bánh lốp chủ động của hãng Caterpillar

Scooptram ST2G

Các loại máy xúc lật hiện nay thường có cơ cấu di chuyển bánh lốp đảm bảo tốc độ và tính cơ động cao Máy cơ sở của máy xúc lật là satxi bánh lốp

chuyên dùng gồm hai bán khung nối với nhau bằng khớp bản lề nên rất linh hoạt khi quay vòng (có thể quay 400 về hai phía) Các loại máy xúc lật bánh xích tuy có khả năng thông qua lớn nhưng kém linh hoạt ngày càng ít sử dụng Kiểu truyền động của máy xúc lật thường là thuỷ lực, hộp số có nhiều số (3 số tiến + 3 số lùi) vì máy xúc lật thay đổi hướng liên tục trong khi làm việc Hiện nay thường sử dụng các loại máy xúc lật đổ phía trước và quay bán vòng

IV Máy xúc lật quay nửa vòng

Máy xúc lật quay nửa vòng có thể dỡ tải ở phía trước và cả về hai bên một góc 900 nên cho phép rút ngắn thời gian quay vòng và làm việc ở địa bàn chật hẹp Kết cấu của loại này khác với kiểu nêu trên ở chỗ thiết bị xúc lắp trên

bệ quay 1, bệ này lại tỳ lên khung di chuyển 3 qua cơ cấu đỡ-quay 2 (hình 5.5,a) Bệ quay hoạt động nhờ các xilanh nằm ngang 4 có cần đẩy nối với nhau

bằng xích 5 vòng qua đĩa xích 6 (hình 5.5, b).

Hình 5.5 Máy xúc lật quay nửa vòng:

a) sơ đồ kết cấu; b) sơ đồ cơ cấu quay bệ máy

V Máy bốc đất đá kiểu càng cua

Loại máy này chủ yếu di chuyển bằng bánh xích và điều khiển bằng điện Máy kiểu càng cua bốc đất đá liên tục, trên mâm nhận vật liệu nằm nghiêng trước mặt của máy có lắp một đôi càng cua gom đất đá Khi làm việc thì mâm nhận vật liệu được cắm vào đống đất đá, đồng thời hai càng cua gạt đất đá vào mâm, xích gạt sẽ đưa đất đá vào băng tải đã được lắp sẵn đằng sau

để xả vào các phương tiện vận tải (hình 5.6).

Máy bốc xúc đất đá (hình 5.6 và 5.7 ) là loại máy hoạt động liên tục đặt

trên cơ cấu di chuyển tự hành bánh xích Máy này có hệ thống dẫn động bằng điện, cơ cấu công tác dạng cào vơ, máy được cơ cấu chất tải, máng cào, các

cơ cấu điện, thuỷ lực và hệ thống dập bụi bằng tưới nước

Hình 5.6 Máy bốc đất đá kiểu càng cua:

1 - cơ cấu di chuyển bánh xích ; 2 - băng tải gạt (xích gạt);

3 - càng cua gom đất đá (cào vơ); 4 - mâm nhận vật liệu nằm nghiêng

Hình 5.7 Sơ đồ cấu tạo máy bốc đất đá kiểu càng cua:

1-càng cua; 2- mâm nhận vật liệu; 3-thân máy; 4- xích gạt; 5-băng tải

Cơ cấu công tác của máy là hai tay cào vơ, hai tay này được lắp trên hai đĩa lệch tâm, khi các đĩa lệch tâm quay thì các tay cào này thực hiện chuyển động cào vơ để cào đất đá từ mâm nhận vật liệu nằm nghiêng lên băng tải kiểu máng cào Máy có các hệ thống dẫn động độc lập cho cơ cấu di chuyển bánh xích, cơ cấu cào vơ, băng tải kiểu máng cào và bơm nước Để điều chỉnh chiều cao xả đất đá, phần đuôi của băng tải có thể chuyển động nâng hạ trong mặt phẳng thẳng đứng Chiều cao xả đất đá tối thiểu (min) m, chiều cao xả đất đá tối đa (max) m được ghi trong hộ chiếu máy Phần đuôi của băng tải có thể chuyển động quay trong mặt phẳng nằm ngang tới 450 so với đường tâm của

máy về cả hai phía Để bốc đất đá nằm thấp hơn mặt bằng đường ray di chuyển, lưỡi cắt đầu sàn nghiêng có thể hạ thấp hơn so với mặt bằng di chuyển của máy

Do bị càng cua gạt đất đá hạn chế nên máy chỉ dùng ở chỗ có đá cục nhỏ hoặc đất rời, chỗ đá cục lớn máy không hoạt động được

Máy có năng suất kỹ thuật trong khoảng 60 – 80 m3/h

Hình 5.8 Sơ đồ bố trí các thiết bị trong công trường tuyến ngầm với máy bốc

xúc đất đá kiểu cào vơ hoạt động liên tục:

1- máy cào vơ; 2- băng chuyển tải, 3 - đường ray di chuyển; 4 – goòng vận tải

VI Máy bốc đất đá kiểu vuốt đứng

Hình 5.9 Máy bốc đất đá kiểu vuốt đứng:

1- vuốt đứng; 2,6- máy băng tải; 3- thân máy; 4- vuốt đứng (vị trí trái phải);

5- giá máy; 7- vuốt đứng (vị trí phía trước) Loại máy này có thể di chuyển trên ray, bằng bánh lốp hay bánh xích Dùng điện khởi động, điều khiển bằng thủy lực Trước máy này có lắp một đôi

vuốt đứng, có thể gom đất đá ở phía trước, bên trái, bên phải vào trong mâm nhận vật liệu (hình 5.9)

Khả năng gom đất đá của máy này tốt hơn nhiều so với máy kiểu càng cua, đất đá cục to hay nhỏ dùng máy này đều thích hợp Chiều rộng công tác của máy có thể đến 3,8m, chiều dài công tác đến 3,0m

Năng suất kỹ thuật của máy bốc đất đá kiểu vuốt đứng: 120 – 180 m3/h

VII Máy bốc xúc đất đá kiểu gầu ngoàm dành cho các tuyến ngầm nằm nghiêng

Để cơ giới hoá công tác bốc xúc đất đá trong các tuyến tunnel nằm nghiêng trên máy lắp ráp vỏ lò người ta lắp thêm máy bốc xúc dạng treo Máy bốc xúc đất đá dạng treo (hình 5.10) có cấu tạo là một kết cấu kim loại ghép cố định trên máy lắp ráp vỏ lò Để cho khung di chuyển có thể di chuyển trên khung cố định người ta dùng tời dẫn động Trên khung di động có bố trí giá trượt có dẫn động cho phép khung này chuyển động theo phương vuông góc Phần trước của giá trượt có một tay máy dạng ống lồng thụt thò với gầu ngoàm với dẫn động bằng xilanh thuỷ lực ở đầu tay máy Bên phải, khung hình chữ U của máy lắp ráp có bố trí ca bin cho thợ lái máy số 4 Gầu ngoàm với dẫn động bằng xilanh thuỷ lực nhờ tay máy kiểu ống lồng có thể tiếp cận tới những vị trí cao nhất, xa nhất để xúc đất đá, sau đó thụt lại với chiều dài thích hợp để đổ đất vào xe kíp

Hình 5.10 Sơ đồ lắp đặt máy bốc đất kiểu gầu ngoàm trên máy lắp ráp vỏ

tunnel dùng để thi công tuyến ngầm nằm nghiêng:

1 — máy lắp ráp; 2 — khung cố định; 3 — khung di động với giá trượt; 4 — ca bin; 5 — tay máy

kiểu ống lồng ; 6 — xe goòng; 7 — gầu ngoàm.

VIII Máy bốc đất đá kiểu gầu đào

Đây là loại máy bốc đất đá trong đường hầm vào loại tiên tiến nhất hiện nay Cơ cấu bốc đá của máy là xúc theo kiểu đào gầu nghịch, xoay tròn xung quanh vị trí máy bằng cánh tay vươn dài; dùng điện khởi động và điều khiển hoàn toàn bằng thủy lực, máy chạy trên ray hoặc bằng bánh xích Khi đứng một chỗ, bề rộng công tác của máy có thể đạt 3,5 m, chiều dài công tác có thể đạt 7,11 m trước đường ray và cũng có thể đào xuống phía dưới 2,8 m và với lên chiều cao 8,34 m để làm công tác gọt mặt đỉnh hầm

Năng suất kỹ thuật máy bốc đất đá kiểu gầu đào có thể tới 250 m3/h

§ 5.3 Máy và thiết bị vận chuyển trong tuyến ngầm

Công tác vận chuyển (xuất đất đá ra và đưa vật liệu vào) trong hầm khi thi công tuyến ngầm có thể thực hiện theo hai phương thức: vận chuyển bằng đường ray hay vận chuyển không dùng ray

Khi vận chuyển bằng đường ray người ta thường dùng loại ray bé cho đầu máy và thùng xe xuất đất đá ra và đưa vật liệu vào Đầu máy lai dắt là loại chạy bằng bình ắc qui hoặc diesel, toa xe là loại thùng thường dùng trong các

mỏ Loại xe goòng này thích hợp với đường hầm có mặt cắt nhỏ và tương đối dài (3 km trở lên) Vận chuyển bằng đường ray là phương thức vận chuyển rất kinh tế và có tính thích nghi cao

Xe vận chuyển không dùng đường ray có ưu điểm cơ động, linh hoạt, không cần đặt ray, có thể thích nghi với việc đổ đất đá ở các bãi cách xa cửa hầm và trường hợp độ dốc đường đi tương đối lớn Nhược điểm của phương thức không dùng ray là phần lớn các loại vận chuyển chạy bằng động cơ diesel gây ô nhiễm không khí trong hầm, do đó chỉ nên dùng trong loại đường hầm có mặt cắt lớn và chiều dài trung bình, đặc biệt cần chú ý tăng cường thông gió Khi lựa chọn phương thức vận chuyển cần cân nhắc đầy đủ việc phối hợp với máy bốc đất đá và tổ chức vận chuyển, tốc độ đào và lượng vận chuyển để rút ngắn thời gian vận chuyển và đổ đất đá Trong trường hợp công trình có quy mô lớn phải tiến hành phân tích, so sánh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật để tìm ra phương án tốt nhất

I Vận chuyển bằng đường ray

1 Toa xe vận chuyển

Toa xe vận chuyển gồm có toa thùng và toa xe mỏ