Mỏy khoan đỏ thường dựng trong cụng trỡnh đường hầm gồm cỏc mỏy khoan chạy bằng khớ nộn và cỏc mỏy khoan chạy bằng thủy lực Ngoài ra, cũn cú mỏy khoan chạy điện và mỏy khoan chạy diesel nhưng tương đối ớt sử dụng Nguyờn lý làm việc của chỳng đều là sử dụng lưỡi khoan gắn vào đầu mũi khoan quay và xung kớch lặp đi lặp lại phỏ nỏt vụn nham thạch tạo thành lỗ Cỏc loại mỏy cú thể điều chỉnh lực xung kớch to hay nhỏ và tốc độ chuyển động thớch hợp với độ cứng của đất đỏ, để đạt được hiệu quả khoan tốt nhất [26]
Hiện nay trờn thế giới, mỏy khoan thủy lực điều khiển bằng mỏy tớnh với mức độ tự động húa khỏc nhau được sử dụng rộng rói trong khoan hầm Thế hệ hiện tại của mỏy khoan được thiết kế để đạt năng suất cao, chất lượng và điều kiện làm việc thoải mỏi cho thợ điều khiển Thậm chớ đối với một số mỏy khoan, kế hoạch khoan được lưu trữ trong mỏy tớnh và do đú khụng cần phải đỏnh dấu lỗ khoan; việc điều hướng được thực hiện bằng tia laser rất chớnh xỏc trong việc quyết định vị trớ của lỗ khoan Cỏc biến dạng của đường hầm đó đào cú thể được quột bằng cỏc thiết bị điện tử, nhờ đú cú thể được ghi lại tỡnh trạng nứt vỡ để sử dụng cho việc tối ưu húa quỏ trỡnh khoan trong cỏc chu kỳ tiếp theo [83]
Tại Việt Nam, cụng nghệ thi cụng hầm bằng khoan nổ mỡn đó phỏt triển hơn trong những năm gần đõy Cỏc doanh nghiệp xõy dựng hầm của Việt Nam cũng đó nhập và làm chủ một số thiết bị khoan hầm như Tamrock Axera T08S-209C, Tamrock H205, Boomer 322, Boomer 352, Boomer L2D, Boomer H175 Tuy nhiờn, nhỡn chung thế hệ mỏy khoan của cỏc doanh nghiệp Việt Nam vẫn cũn nghốo về chủng loại và lạc hậu về cụng nghệ so với mặt bằng chung của ngành xõy dựng hầm thế giới (như đó được đề cập trong chương 1 và phụ lục 1)
2 2 3 Thuốc nổ và cụng tỏc nạp thuốc
Thuốc nổ thường dựng trong cụng trỡnh hầm cú một số loại mà thành phần chủ yếu là thuốc nổ đơn chất, ngoài ra thờm một số chất mà thành Hiện nay, trong thi cụng hầm sử dụng tương đối rộng là thuốc nổ loại nitrat amụn, thành phần chủ yếu là nitrat amụn chiếm trờn 60%, sau đến TNT hoặc nitrat natri (hoặc kali) chiếm 10%
15% [26] Nhỡn chung, thuốc nổ phổ biến ở 3 dạng: dạng bột, dạng nhũ tương (keo
nước) và dạng sữa Thuốc nổ dựng trong thi cụng đường hầm núi chung đều được chế tạo trong xớ nghiệp hoặc ở hiện trường gia cụng thành hỡnh cỏc thỏi thuốc, đường kớnh thỏi thuốc cú22 mm,25 mm,32 mm,35 mm,40 mm Chiều dài là 165 mm500 mm, cú thể dựa theo phương phỏp nạp thuốc nổ theo thiết kế nổ mỡn và lượng thuốc nổ cần dựng để lựa chọn sử dụng Ở nước ta, việc nạp thuốc nổ vào lỗ mỡn chủ yếu làm thủ cụng với sự trợ giỳp của cỏc xe nõng hoặc sử dụng luụn sàn thao tỏc của mỏy khoan
Theo nghiờn cứu của tỏc giả Shokrollah Zare [83], hiện nay, người ta quan tõm và phỏt triển nhiều loại thuốc nổ nhũ tương Cỏc thuốc nổ nhũ tương hiện đại được cõn bằng oxy, tạo ra ớt khúi hơn với lượng độc hại ở mức tối thiểu, cung cấp điều kiện làm việc tốt hơn cũng như giảm thời gian thụng giú Thuốc nổ nhũ tương SSE (Site Sensitised Explosives) an toàn trong vận chuyển và xử lý, do đú cú thể dựng mỏy để nạp thuốc vào lỗ mỡn Thuốc nổ nhũ tương kết hợp với hệ thống gõy nổ phi điện như NONEL đó làm tăng sự an tồn của cỏc hoạt động nạp thuốc và gõy nổ và trở nờn hiệu quả hơn Ngoài ra, việc nạp thuốc nổ nhũ tương vào cỏc lỗ mỡn được thực hiện nhờ hệ thống điều khiển bằng mỏy tớnh và do đú, cú thể đo lường được lượng thuốc nổ trong mỗi lỗ mỡn và tổng lượng tiờu thụ thuốc nổ, nhờ thế ta cú thể kiểm soỏt lượng thuốc nổ trong cỏc lỗ khỏc nhau trờn gương, đặc biệt là trong cỏc lỗ khoan biờn và cỏc lỗ mỡn cần thiết cho nổ tạo mặt nhẵn Hệ thống đo cũng cú thể giỳp kiểm soỏt chiều dài khụng nạp thuốc của cỏc lỗ mỡn để cho kết quả nổ tối ưu Đầu những năm 2000, một mẫu mỏy tự động nạp thuốc nổ nhũ tương đó được nghiờn cứu chế tạo và thử nghiệm thành cụng ở Na Uy Nghiờn cứu này giỳp giảm 20% thời gian cho cụng tỏc khoan và nạp thuốc nổ, đồng thời cải thiện cụng tỏc an toàn Hệ thống nạp thuốc nổ được gắn trờn mỏy khoan như một cần khoan riờng và việc nạp thuốc nổ được thực hiện tự động trong quỏ trỡnh khoan mà khụng cú sự hiện diện của con người tại gương đào, tuõn thủ cỏc quy định cấm nạp thuốc thủ cụng đồng thời với cụng tỏc khoan lỗ mỡn Mới đõy, ở Nhật Bản đó nghiờn cứu sản xuất ra một loại thuốc nổ nhũ tương dạng hạt Thuốc nổ nhũ tương dạng hạt cú dạng
hỡnh trụ với đường kớnh 4 mm và chiều dài 4 mm, cú thể nạp vào trong cỏc lỗ mỡn bằng mỏy nạp sử dụng khớ nộn
2 2 4 Thụng giú
Thụng giú là thuật ngữ được sử dụng cho hệ thống thụng giú nhõn tạo của đường hầm trong quỏ trỡnh xõy dựng Khụng khớ được dẫn xuống đường hầm bằng cỏc ống dẫn Mục đớch của thụng giú trong thi cụng đường hầm là cung cấp trong hầm đầy đủ khụng khớ trong lành (trong đú hàm lượng ụxy tớnh theo thể tớch khụng được thấp hơn 20% [26, 37]), làm loóng hoặc thoỏt hết khớ độc và giảm thấp nồng độ bụi theo cỏc tiờu chuẩn vệ sinh lao động để cải thiện điều kiện làm việc, giữ sức khỏe cho cụng nhõn làm việc
Sau khi nổ mỡn, phải sử dụng hệ thống thụng giú để loại bỏ cỏc hạt khớ và bụi độc hại trờn mức độ cho phộp Thời gian thụng giú cần thiết phụ thuộc vào hiệu quả của hệ thống thụng giú, chất nổ được sử dụng và quy chuẩn, tiờu chuẩn quốc gia Theo nguyờn tắc chung, cần thụng giú nhõn tạo tối thiểu 15 phỳt trước khi cho cụng nhõn vào hoạt động trở lại ở khu vực gương hầm [43]
Việc lựa chọn phương thức thụng giú thi cụng cần dựa vào chiều dài đường hầm, diện tớch gương hầm lớn hay nhỏ, phương phỏp thi cụng với điều kiện thiết bị và nhiều nhõn tố khỏc để xỏc định Trờn cơ sở của phương thức thụng giú đó lựa chọn, người thiết kế thi cụng sẽ tớnh toỏn lựa chọn quạt thụng giú thớch hợp, nhằm để bố trớ ống thụng giú hợp lý, thỏa món yờu cầu mụi trường thi cụng
Hiện nay, hệ thống thụng giú thụng minh đó được nghiờn cứu phỏt triển ở một số quốc gia Hệ thống này sử dụng vật liệu mới cho ống dẫn và hệ thống hỗ trợ ống dẫn Hệ thống cú thiết bị liờn tục ghi lại chất lượng khụng khớ và kiểm soỏt tự động cỏc quạt thụng giú Nhờ những cải tiến như vậy mà tiết kiệm được chi phớ và cải thiện mụi trường làm việc [83]
2 3 Quỏ trỡnh thu dọn và xỳc bốc, vận chuyển đất đỏ thải
Quỏ trỡnh thu dọn và xỳc bốc, vận chuyển đất đỏ văng ra ngoài do nổ mỡn cú thể được chia thành hai hoạt động, xỳc bốc lờn phương tiện và vận chuyển Trong đào hầm bằng khoan nổ mỡn, việc giải phúng mặt bằng nằm trờn đường găng, cú nghĩa là
mỗi phỳt tiết kiệm được ở đõy sẽ làm rỳt ngắn chu kỳ đào và do đú, rỳt ngắn thời gian xõy dựng tổng thể, dẫn đến tiết kiệm được chi phớ Điều này làm cho việc lập kế hoạch cho hoạt động xử lý đất đỏ thải một cỏch kỹ lưỡng và phự hợp với điều kiện cụ thể của cụng trỡnh là rất quan trọng vỡ cả lý do kinh tế và kỹ thuật Đặc biệt, sự phự hợp của năng suất xe mỏy, thiết bị bốc xỳc và vận chuyển đúng vai trũ quyết định Cần phải lựa chọn tổ hợp xe mỏy phự hợp cho từng dự ỏn Cỏc chỉ tiờu kỹ thuật chủ yếu để lựa chọn xe mỏy, thiết bị là [35]:
- Tĩnh khụng cho phộp thi cụng theo mặt cắt ngang và mặt cắt dọc, trong đú đó xột tới sự hạn chế của nú do việc lắp đặt cỏc hệ thống kỹ thuật (thụng giú, cấp điện )
- Khoảng cỏch vận chuyển - Cỏc độ dốc
- Khối lượng đào trờn mặt cắt đào
- Cỏc đặc điểm của đất đỏ thải (kớch thước và hỡnh dạng hạt, đường cong cấp phối của đất đỏ thải)
Bờn cạnh đú, một yếu tố quan trọng cần phải được xem xột tới khi lựa chọn thiết bị bốc xỳc vận chuyển, nhất là trong điều kiện cụ thể của Việt Nam, đú là tỡnh hỡnh trang, thiết bị hiện cú của đơn vị thi cụng
Thực tế thỡ việc lựa chọn thiết bị bốc xỳc vận chuyển phải được tiến hành trước khi khoan nổ và cỏc kết quả lựa chọn này được dựng trong tớnh toỏn cỏc tham số chu kỳ khoan nổ
2 3 1 Mỏy bốc xỳc
Hiện nay, cụng tỏc bốc xỳc bằng mỏy được sử dụng rộng rói với nhiều loại mỏy được sử dụng Mỏy xỳc sử dụng thay cho bốc xỳc bằng thủ cụng trong hầu hết cỏc trường hợp nhằm mục đớch nõng cao hiệu quả xỳc bốc, giảm cường độ lao động cho cụng nhõn Mỏy bốc xỳc đất đỏ được lựa chọn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tiết diện đường hầm, chiều cao đường hầm, phương tiện vận chuyển, khả năng đầu tư, v v
Loại hỡnh mỏy bốc xỳc đất đỏ khỏ đa dạng Theo hỡnh thức cơ cấu bốc cú thể chia làm: kiểu gầu xỳc, kiểu càng cua, kiểu vuốt đứng, kiểu gầu đào Mỏy bốc đỏ kiểu gầu xỳc là loại mỏy bốc đỏ khụng liờn tục, cú 3 loại: thựng lật đổ sau, đổ trước và đổ
bờn Mỏy bốc đất đỏ kiểu càng cua, kiểu vuốt đứng (hai loại này cũn gọi chung là mỏy cào vơ) và kiểu gầu đào là cỏc loại mỏy bốc đất đỏ liờn tục, thường kết hợp với băng tải [26,35]
Phương thức đi lại của cỏc mỏy bốc đất đỏ cú hai loại: loại đi lại trờn ray và đi lại bằng bỏnh lốp Cũng cú khi cú bố trớ cả hai kiểu cơ cấu đi lại trờn ray và bỏnh xớch
Mỏy bốc đất đỏ chạy ray cần phải đặt đường ray, vỡ thế phạm vi cụng tỏc bị hạn chế Nhưng cũng cú loại cơ cấu bốc đất đỏ của mỏy cú thể chuyển động một gúc nhất định để tăng thờm phạm vi cụng tỏc của mỏy Khi cần thiết cú thể đặt thờm đường ray để thỏa món yờu cầu bề rộng cụng tỏc lớn hơn [26]
Mỏy bốc đất đỏ bỏnh lốp hoạt động rất linh hoạt, phạm vi cụng tỏc ớt bị hạn chế Nhưng trong đường hầm đất cú nước, cú khả năng bị trượt và sa lầy
Năng suất mỏy bốc xỳc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Loại mỏy xỳc sử dụng, tớnh chất cơ lý của đất đỏ, cỡ hạt đất đỏ sau khi nổ mỡn, cụng tỏc trao đổi goũng cú tải và goũng khụng tải, thời gian chờ phương tiện vận chuyển (nếu là vận tải bằng ụ tụ), khả năng chuyờn mụn điều khiển mỏy xỳc Đối với từng dự ỏn đường hầm cụ thể, ta sử dụng từng loại mỏy xỳc cú năng suất bốc xỳc cho phự hợp
2 3 2 Vận chuyển và phương tiện vận chuyển
Vận chuyển (xuất đất đỏ ra và đưa vật liệu vào) trong hầm khi thi cụng cú thể chia ra làm hai phương thức: vận chuyển bằng ray hay vận chuyển khụng dựng ray Thường dựng loại ray bộ do đầu mỏy và thựng xe xuất đất đỏ ra và đưa vật liệu vào Đầu mỏy lai dắt là loại chạy bằng bỡnh ắc qui hoặc diesel, toa xe là loại thựng thường dựng trong cỏc mỏ Loại xe goũng này thớch hợp với đường hầm tiết diện nhỏ, với đường hầm tương đối dài (3 km trở lờn), và đõy là một phương thức vận chuyển cú tớnh thớch nghi rất cao và cũng rất kinh tế [26]
Xe vận chuyển khụng dựng đường ray cú ưu điểm cơ động, linh hoạt, khụng cần đặt ray, cú thể thớch nghi với việc đổ đất đỏ ở cỏc bói cỏch xa cửa hầm và trường hợp độ dốc đường đi tương đối lớn Khuyết điểm là phần lớn cỏc loại mỏy này chạy bằng diesel gõy ụ nhiễm khụng khớ trong hầm, cho nờn chỉ nờn dựng trong loại đường hầm cú mặt cắt lớn và chiều dài trung bỡnh và cần chỳ ý tăng cường thụng giú [26]
Trong thực tế thi cụng cỏc đường hầm giao thụng, thủy điện ở Việt Nam, hầu hết đều sử dụng phương thức vận chuyển khụng ray, trong đú dựng xe tải tự đổ do cỏc ưu điểm của nú như đó nờu trờn
Việc lựa chọn phương thức vận chuyển cần cõn nhắc đầy đủ việc phối hợp với mỏy búc đất đỏ và tổ chức vận chuyển, lại cũn cần phối họp cõn nhắc tốc độ đào và lượng vận chuyển để hết sức rỳt ngắn thời gian vận chuyển và đổ đất đỏ, khi cần thiết phải tiến hành phõn tớch kinh tế kỹ thuật, tỡm phương ỏn tốt nhất
2 4 Cụng tỏc chống tạm
Sau khi đào đường hầm xong, trừ khi đất đỏ hoàn toàn tự ổn định khụng cần chống giữ ra thỡ ở chỗ đất đỏ khụng đủ năng lực ổn định cần phải chống giữ mới cú thể làm cho đất đỏ ở trạng thỏi ổn định, như vậy được gọi là chống lần đầu hay quen gọi là chống tạm Như vậy chống lần đầu/chống tạm là biện phỏp bảo đảm ổn định và an toàn cho đường hầm trong thời gian thi cụng Chống tạm chủ yếu dựng neo và phun bờ tụng để chống giữ đất đỏ, đú là hỡnh thức và phương phỏp chống giữ cơ bản nhất và thường thấy nhất trong cụng trỡnh đuờng hầm hiện đại [26]
2 4 1 Cỏc loại neo và thiết bị thi cụng neo
Neo là một loại cấu kiện dạng thanh hoặc dõy, được chế tạo bằng kim loại hoặc vật liệu khỏc cú khả năng chịu kộo cao Nguời ta sử dụng một loại thiết bị cơ giới để lắp đặt neo vào trong đất đỏ của cụng trỡnh ngầm hoặc vào trong lũng cỏc kết cấu cụng trỡnh khỏc
Neo cú tớnh ưu việt về kinh tế kỹ thuật và cú thể thớch nghi với tớnh chất và điều kiện địa chất khỏc nhau, làm cho neo được ứng dụng rộng rói và nhanh chúng phỏt triển trong lĩnh vực xõy dựng, nhất là trong hầm và cụng trỡnh ngầm
Việc tạo lỗ neo và cắm neo được thực hiện bằng cỏc thiết bị cơ giới Mỏy khoan lỗ cắm neo và cắm neo cú thể sử dụng ngay mỏy khoan gương hầm Đối với mỏy khoan Tamrock và mỏy khoan hầm Boomer, người ta đó thiết kế được hệ thống cần khoan cú khả năng sử dụng cho việc lắp đặt neo ống chẻ là một loại neo được dựng tương đối phổ biến Quỏ trỡnh sử dụng mỏy khoan cắm neo ống chẻ được thể hiện theo quy trỡnh sau:
Dựng mỏy khoan tự hành hai cần để tiến hành khoan lỗ cắm neo, một cần khoan lắp cần khoan, một cần khoan cũn lại sẽ được gỏ lắp hệ thống gỏ đỡ sàn thao tỏc và cắm neo Sau khi một cần khoan xong lỗ neo, cần cũn lại sẽ dịch chuyển tới và đúng neo vào trong lỗ Thụng thường neo ống chẻ được sử dụng rất linh hoạt, chiều dài, khoảng cỏch giữa cỏc neo được lựa chọn cho từng trường hợp địa chất cụ thể trờn biờn đường hầm
Mỏy khoan cắm neo Boltec của hóng Atlas Copco là loại đang được sử dụng rộng rói nhất hiện nay để khoan và cắm neo trong hầm Cú rất nhiều loại mỏy khoan Boltec như: Cabletec LC, Boltec SL Trong mỏy khoan cắm neo Boltec, mỏy cú cả ba chức năng, khoan lỗ neo, cắm neo và bơm vữa
2 4 2 Cụng nghệ phun bờ tụng và thiết bị phun bờ tụng
Phun bờ tụng là một loại kết cấu chống đỡ thụng dụng trong thi cụng đường hầm bằng khoan nổ mỡn Người ta sử dụng mỏy phun bờ tụng để phun hỗn hợp bờ tụng vào bề mặt vỏch đỏ Hỗn hợp bờ tụng được sử dụng là loại bờ tụng đỏ nhỏ cú phụ gia ninh kết nhanh sẽ giỳp nhanh chúng cố kết thành một tầng kết cấu chống giữ, do đú mà phỏt huy tỏc dụng bảo vệ đối với đất đỏ
Dõy chuyền cụng nghệ phun bờ tụng cú bốn loại: phun khụ, phun ẩm, phun