1.2. Phân loại máy thi công công trình ngầm

Tổ hợp máy phát lực: Tổ máy phát lực có nhiệm vụ cung cấpđộng 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

§ 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 cấpđộng 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 ngầmnói riêng người ta thường dùng các loại bơm dầu sau:

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 cấucông tác dùng khí nén

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