BÀI TẬP CÁ NHÂN MÔN XE CHUYÊN DÙNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO, PHẠM VI SỬ DỤNG XE KHOAN HẦM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
--------------- -------------

BÀI TẬP CÁ NHÂN

MƠN: XE CHUN DÙNG
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO,
PHẠM VI SỬ DỤNG XE KHOAN HẦM
Giảng viên giảng dạy

: TS. Luyện Văn Hiếu

Sinh viên thực hiện

: Đỗ Văn Huy

Lớp

: 121191

Hưng Yên – Năm 2021


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY KHOAN HẦM
1.1. Khái niệm về máy khoan hầm(TBM)
TBM( tunnel boring machine) là thiết bị khoan hầm có thể thi cơng trên mọi loại
địa chất từ đá cứng đến đất yếu, đất sét, đất bồi hay đất cát dưới mực nước ngầm, đi
xuyên núi hay lòng biển.TBM là thiết bị đào và làm đường hầm bằng phương pháp
nghiền nát đá, hồn tồn khơng gây nổ, cơng nghệ của Italy. Đầu máy có đường kính
5,5m, nặng 450 tấn được lắp 37 mũi khoan làm bằng hợp kim đặc biệt gọi là "black

diamon", có thể đâm thủng những lớp đá cực cứng. Cùng với việc đào không khoan nổ
và vận chuyển vật liệu đá đào ra ngoài bằng băng chuyền, thiết bị này đồng thời còn
lắp dựng bê tông đúc sẵn vỏ đường hầm. Nghĩa là máy đi đến đâu đường hầm được
hồn thiện ngay đến đó.

Điều kiện nền đất yếu với các loại đất kết dính có độ sét hoặc hàm lượng phù sa cao
và khơng thấm nước thì việc sử dụng khiến đào là giải pháp lựa chọn hợp lý. Đất được
TBM là loại khiến cân bằng áp của herrenknecht được sử dụng trong các điều đào bởi
đầu cắt của khiên sẽ được gia cố gương đào. Chất tạo bọt được bơm vào trước đầu cắt
làm cho đất đào kết dính lại đảm bảo kiểm sốt chính xác áp lực hỗ trợ bề mặt cũng
như dễ dàng đưa được đất đào ra ngồi. Những tính năng ưu việt của thiên đào cân
bằng áp:
•Tính ổn định cao nhờ áp lực hỗ trợ gương đào.
•Tốc độ của vít tải và tốc độ đào của TBM giúp điều chỉnh các điều kiện áp lực hỗ trợ.
• Phạm vi sử dụng rộng rãi thông qua việc xử lý đất hoàn hảo.
i


• Ln áp dụng các kỹ thuật cơng mới có kích thước lớn.
• Ln đổi mới về cơng nghệ đáp ứng nhu cầu chuyên biệt.
1.2. Công dụng và phạm vi sử dụng máy khoan hầm.
Cơng nghệ TBM khắc phục hồn tồn tình trạng sang chấn địa chất dẫn đến sự cố
sập hầm dễ mắc phải do áp dụng phương pháp khoan nổ trước đây. Ngồi ra, cơng
nghệ này cịn bảo đảm các vấn đề về môi sinh, môi trường. Về tàu điện ngầm là cơng
trình quan trọng trong cấu trúc giao thông của các thành phố lớn trên thế giới. Các
cơng trình tàu điện ngầm thường được xây dựng trong các thành phố đơng đúc với
mục đích làm giảm số người sử dụng phương tiện cá nhân để giải quyết tình trạng ùn
tắc giao thơng, ơ nhiễm mơi trường... Khi TBM chưa ra đời thì hầm tàu điện ngầm
phải thi công bằng phương pháp đào hở (cut & Cover). Cách làm này ảnh hưởng lớn
đến các cơng trình trên mặt đất, chiếm dụng nhiều không gian phục vụ thi công. Chính

vì thế, cơng nghệ TBM ra đời được đánh giá là cứu cánh cho các dự án tàu điện ngầm
vì những ưu điểm của nó. Đào hầm bằng cơng nghệ TBM thi công phần lớn dưới mặt
đất nên không tốn diện tích phục vụ thi cơng và hầu như khơng làm ảnh hưởng đến các
cơng trình xây dựng trên mặt đất. Đặc điểm của hầm tàu điện ngầm là rất nồng (chỉ
khoảng 10 đến 15m so với mặt đất), đa số hầm có địa chất rất phức tạp, mức nước
ngầm cao, nên việc thi công bằng công nghệ TMB đã giải quyết được tất cả những vấn
đề trên trong khi tất cả các phương pháp khác không làm được. Hai loại máy TBM
thường được dùng nhiều nhất để thi công hầm tàu điện ngầm là EPB (ứng dụng áp lực
cân bằng) và Slurry (dùng thủy lực).

ii


Hai loại máy TBM EPB và TBM Slurry
Hầu hết các cơng trình tàu điện ngầm trên thế giới, trong đó có nhiều cơng trình
đường hầm dài đều sử dụng hai loại máy này và để lại những dấu ấn về tiến độ, chất
lượng. Có thể kể đến là cơng trình hầm đường sắt nối Pháp với Anh, dài 50,5km, khởi
công năm 1988, hoàn thành năm 1994. Gần đây nhất là đường hầm Gothard dài nhất
thế giới (57km) ở Thụy Sĩ khánh thành năm 2015. Đường hầm này có địa chất đá rất
phức tạp nhưng khơng gây khó cho các nhà thầu khi họ áp dụng công nghệ TBM thi
công. Công trình đưa vào sử dụng đạt chất lượng cao, tàu đi qua đường hầm có thể
chạy với vận tốc 250km/h.

iii


Ngồi việc là cơng nghệ khơng thể thay thế khi thi cơng các cơng trình tàu điện
ngầm, cơng nghệ TBM cũng được nhiều nhà thầu lựa chọn khi thi công các cơng trình
ngầm bởi nó có nhiều ưu việt. Đầu tiên là độ an toàn cao. So sánh với các phương
pháp đào hầm khác thì đây là phương pháp đào hầm an toàn nhất. Hầm được đào trong

vỏ sắt bảo vệ của máy TBM. Hầm đào đến đầu, vỏ bê tơng vĩnh cửu được lấp tới đó,
khoảng khơng giữa vỏ bê tơng và lớp đất ngồi được phun vữa bê tông chất lượng cao
hoặc hỗn hợp silicat đạt tiêu chuẩn nên việc sập hầm không xảy ra. Kỹ sư, công nhân
tham gia thi cơng cũng được an tồn hơn so với các phương pháp khác. Một trong
những tính ưu việt khác của TBM là thi công không ảnh hưởng đến các cơng trình
xung quanh. Máy TBM đào đất và lắp vỏ hầm hồn tồn tự động, nếu thi cơng tàu điện
ngầm thì trên mặt đất xe cộ vẫn chạy bình thường. Ngồi ra, việc thi cơng nhanh là ưu
điểm nổi bật của cơng nghệ TBM vì mỗi ngày có thể đào và lắp vỏ bê tơng trung bình
từ 10-20m. Đó là chưa kể đến những ưu điểm khác như ít làm ô nhiễm môi trường,
hiệu quả kinh tế cao khi cơng trình được đưa vào sử dụng nhanh hơn.
1.3. Phân loại máy khoan hầm
*Các máy đào trong đá cứng
1)Máy đào hầm toàn tiết diện TBM

iv


Máy TBM (Tunnel Boring Machine) là một loại máy khai đào toàn tiết diện cắt đá
bằng các đĩa cắt định vị trên đầu cắt theo các vòng tròn trên đầu cắt.Các đặc tính thiết
kế sau được đưa vào để cắt đá có độ cứng lớn hơn bất kỳ một loại máy khai đào nào
khác.
• Kích thước lớn
• Kích giữ ổn định thăng bằng thủy lực
• Lực cắt lớn được cấp bởi trục đẩy thủy lực
• Các đĩa cắt phá đá bằng các lưỡi sắc cạnh.
Vì kích cỡ và trọng lượng đặc trưng của TBM, chúng có thể thích hợp với việc khai
đào các cơng trình ngầm thẳng chẳng hạn như các cơng trình ngầm dân dụng.

Máy khoan đào tồn tiết diện TBM
2) Máy khấu di động Robbins (Robbins Mobile Miner)

Một máy khấu di động Robbins là một phát triển mới, một máy được thiết kế để
ứng dụng trong khai đào chủ yếu dựa trên nguyên tắc TBM để áp dụng vào thực tế
ngành mỏ. Đầu cắt có đường kính 4,1m với các đĩa cắt định vị trên đầu cắt theo vịng
trịn. Nó quay khoảng 15 v/ph trên một mặt phẳng thẳng đứng và được nâng đỡ bởi
một cần, cần có khả nâng xoay đầu cắt theo một đường cong nằm ngang. Tiết diện của
hầm là nóc phẳng và nền với tường có độ cong nhỏ, kích thước hầm là 4,1 m chiều cao
và 5,5 m đến 8,0 m chiều rộng (Forrester 1996).
v


Robbins Mobile Miner (Bullock 1994)

Mobile Miner phiên bản cải tiến được thử nghiệm tại Pasminco

vi


Chỉ có một phần của gương là tiếp xúc với vịng cắt trong mọi lúc vì thế nên lực tiếp
xúc của máy này sẽ nhỏ hơn so với một TBM. Tính năng thiết kế này cho phép máy
trở lên nhỏ hơn và tiện dụng hơn, nó có thể cắt được một đường cong với bán kính nhỏ
nhất là 25 m. Thân máy chính của máy khấu liên tục được định vị trên bàn xích. Để
bắt đầu cắt, máy định vị chắc chắn bằng các kích ben thủy lực. Vịng cắt bắt đầu quay
và răng cắt bắt đầu tiếp xúc với gương bằng lực đẩy của trục thủy lực tới độ sâu mong
muốn. Tiếp đó xi lanh thủy lực đẩy tầm với đầu khấu sang hai bên của chiều rộng hầm.
Khi nhát cắt đầu tiên hồn thành, kích cố đinh máy bắt đầu rút lên và máy di chuyển
về phía trước đến vị trí cắt mới.
Sản phẩm máy đầu tiên được thử nghiệm tại Mount Isa với một độ nghiêng đào trong
đá quartzite có độ mài mịn cao. Các sự cố đầu tiên được rút ra là với sự hao mòn khác
nhau của các đĩa cắt, kết qua chi phí đĩa cắt lên cao và độ cứng thấp của việc cơ giới
hóa cắt phá đá (Bullock 1994). Một phiên bản đã được cải tiến với tốc độ cắt vượt trội

1m/h đã được sử dụng tại Broken Hill. Với trọng lượng 265 tấn, một đầu cắt có cơng
suất 500 kW đã được xúc tiến thành cơng trong đó có độ kiên cố lên tới 100 Mpa đến
300 Mpa (Forrester 1996). Một thiết kế cải tiến nữa đã được thực hiện tại mỏ Mc
Arthur River lead-zinc bởi MIM Holdings Ltd ở miền Bắc của Territory. Đá tại mỏ
này là loại đá phiến có độ dòn thay đổi với độ cứng là 130 Mpa. Thân quặng sẽ bị cắt
song song với bề mặt lớp, điều này sẽ thích hợp với tác động cắt của máy đào liên tục
(Chadwick 1995). Trang Web của MIM nói rõ rằng các mỏ hầm lị vẫn được thi cơng
theo phương pháp khoan-nổ mìn, và cũng như thế các máy đào lị trong đá rắn cứng
vẫn đang trong q trình trải nghiệm.
3) Máy khoan doa ngược mở rộng
Máy khoan doa ngược mở rộng là một loại máy được thiết kế để khai đào các cơng
trình ngầm có tiết diện trịn giữa hai mức trong một mỏ hoặc từ một mức đến mặt đất.
Máy khoan được đặt tại vị trí cao hơn và một lỗ khoan dẫn được thi công xuống mức
dưới. Khi khoan xong lỗ, đầu khoan doa dược định vị vào đầu cần khoan. Đầu khoan
doa được lắp ráp kiểu hình cầu, thích hợp với đầu cắt xoay, hoặc đĩa cắt, tùy thuộc vào
cường độ đất đá. Máy khoan mở rộng trên mức cao hơn cung cấp một lực xoay cho
cần khoan và kéo dầu doa lên dọc theo trục trong lỗ khoan. Máy khoan doa mở rộng
được sử dụng rất rộng rãi. Là một thiết bị được bổ xung thơng thường làm giảm chi
phí xây dựng, là một phương pháp bằng trực quan cũng thấy rằng nó có khả năng tránh
vii


được các hiểm họa trong q trình thi cơng khác với phương pháp thi cơng khoan – nổ
mìn ngược lên theo kiểu truyền thống là một phương pháp hết sức nguy hiểm.

Lắp đặt máy khoan doa ngược mở rộng

4)Combai đào hầm
Ban đầu phát triển ở Hungrary và ở nước Anh sử dụng trong các mỏ than, các thiết
kế combai được làm để khai đào trong đá có cường độ trung bình hoặc mềm. Đầu cắt

xoay nhỏ thích ứng với các răng cắt kiểu chém trên đỉnh cần khấu và chúng có thể
xoay bởi kích thủy lực dọc theo chiều ngang hay thẳng đứng của trục lò. Để tiến
gương, máy di chuyển về phía trước để tiến đầu khấu vào gương. Cần khấu di chuyển
trên mặt gương để cắt đá trên gương theo tiết diện như mong muốn. Gần như bất kỳ
loại tiết diện đường lị nào cũng có thể được thực hiện trong hộ chiếu, hình chữ nhật
hay hình vịm. Đá vụn được vơ bằng tay vơ hay tay vơ sao lên trên máng cào chạy dọc
theo thân máy. Máng cào đổ thải ở phía đằng sau lên băng tải được lắp đặt trong
đường hầm. Một máy combai đặc thù được trang bị hai động cơ điện được cung cấp từ
một đường cáp điện kéo dài. Một động cơ dẫn động phục vụ cho đầu khấu, cái thứ hai
viii


nuôi bơm thủy lực, nguồn thủy lực sẽ được cung cấp tiếp đi cho các kích ben thủy lực
và cung cấp cho các động cơ di chuyển bằng thủy lực.

Một loại máy combai đặc trưng (combai IBS SM 200 V)
Ý tưởng thiết kế cơ bản của combai là có thể đáp ứng được cả trong đá mềm, đá rắn
trung bình và đá cứng. Các máy combai được thiết kế cho khấu đá cứng với tính năng
là tốc độ nhỏ, lực cắt kiểu xoắn cào, suất động cơ cắt cao và trọng lượng lớn để giữ ổn
định cho máy. Các răng cắt hiện đại được sử dụng có xu hướng chuyển sang dạng tiếp
xúc điểm.

ix


Combai KSP-43 (phiên bản cải tiến của KSP-42)
của Yasinovatsky Machine Building Plant (Ukraine)

Combai TTM 100 của Dosco
5) Máy đào lò liên tục Wirth

Máy đào lò liên tục Wirth (CMM) được trang bị với 4 cần khấu, được đặt trên đầu
xoay thông thường. Mỗi cần đặt ở trung tâm của đỉnh và ba cần khác định vị ở vị trí
cách đều xung quanh theo chu vi. Mỗi cần để có thể xoay với một góc vào phía trong
x


hay ra phía ngồi với các đĩa cắt tương ứng. Lắp ráp toàn bộ được thực hiện trong một
giếng lắp ráp mà khoảng hở dành cho lắp ráp chỉ cần 1m so với thân máy. Quá trình
lắp ráp đầu cắt bao gồm cả bộ phận giữ ổn định để định vị chống lên mái và nền và
bên hông và thân máy được định vị chắc chắn tỳ lên nền và mái giông như một TBM
với hai tấm đỡ. Máy CMM có trọng lượng 143 tấn và cơng suất của động cơ ni đầu
cắt là 525 kW.

Máy đào lị Wirth Continuous Miner
Bộ phận cắt trung tâm có thể với từ phía ngoài đi vào trung tâm để cắt phần lõi của
gương hầm. Các cần phía ngồi cắt những vị trí cịn lại của gương hầm, làm việc từ
phía trong ra phía ngồi biên hầm. Tất cả 3 đĩa cắt phía ngồi đều cắt ở cùng một
đường kính và đường cắt theo hình xoắn ốc. Khi chúng đạt tới vị trí đường tròn bên
trong của hộ chiếu đào hầm, chúng bắt đầu tạo hình các góc của một tiết diện hình
vng theo yêu cầu. Để làm được việc này, cần khấu phía ngồi có thể mở rộng từng
lần một dưới nguồn cung cấp thủy lực. Máy CMM cắt một hầm có tiết diện hình
vng với các góc vát cong. Chiều cao khai đào lớn nhất và chiều rộng là 4,5 m và bán
kính cong nhỏ nhất để khai đào là 25m. Hộ chiếu yêu cầu có thể được khấu bởi máy
này một cách tự động, tùy thuộc vào chương trình đã được thiết lập trên máy tính
(Chadwick 1995).
xi


*Các loại máy đào trong đá mềm
1) Máy đào kiểu liên tục (Continuous Miner)

Máy đào liên tục Contituous Miner (CM) là máy khai đào có khả năng cắt đá mềm
chẳng hạn như than, muối hoặc khống trơna với tốc độ cao trong đồng thời một lúc
vơ vật liệu cắt lên trên hệ thống vận tải chẳng hạn như xe chở con thoi hoặc băng tải.
Các máy CM được sử dụng để cơ giới hóa tất cả các mỏ than ở Ôxtrâylia, Anh quốc,
Mỹ và ở Nam Phi cho việc phát triển khai thác buồng – cột hay khấu lò chợ. Thân
chính của máy đào lị CM tương tự như một combai, được làm gọn, có bánh xích và
được trang bị hệ thông vơ cùng loại như combai. Động cơ của đầu cắt, thân máy, băng
tải và tay vơ là động cơ điện. Tang cắt thì rộng hơn nhiều so với combai, tuy nhiên nó
chỉ ở khoảng là 3,5m và chỉ có thể di chuyển được theo mặt phẳng thẳng đứng. Các
máy đào liên tục CM hiện đại đều là các máy nhiều động cơ, và động cơ là động cơ
điện. Nguồn điện được cung cấp bởi các cáp nối dài được cuộn dự trữ đi theo máy.
Thủy lực, được cung cấp bởi động cơ điện trong máy và dùng để nâng hoặc hạ tang cắt
và phục vụ cho các kích chống thủy lực.

Máy đào liên tục Continuous Miner
Quá trình hoạt động thông thường của một CM việc tiến tang cắt vào đỉnh của một
gương, và dùng sức mạnh của nó để tiến xuống phía dưới gương, việc cắt được tiến
hành từ trên nó hầm xuống dưới nền. Sau đó CM di chuyển về phía trước và bắt đầu
một q trình khấu như trước đó. Q trình này là liên tục tận tới khi khoảng gương
nào đó được mở ra, tại đó nó dừng lại và lui ra ngồi để tiến hành cơng tác chống hầm
bằng neo nóc. Khảng cách cắt lớn nhất này tùy thuộc vào tình trạng lưu khơng theo
xii


thời gian cho phép của nóc lị. Ở Ơxtrâylia, khoảng cách cắt tối đa này có thể lên đến
4-5m nhưng đặc biệt có thể lên tới 15m (chẳng hạn như ở mỏ than Laleham). Nơi mà
nóc lị đặc biệt khỏe, độ sâu cắt cho phép lớn nhất sẽ tương ứng với khoảng cách giữa
phía trước máy và vị trí hoạt động, ví dụ : sự hoạt động của máy ln luôn phải được
cho phép dưới mái đã được chống giữ. Sử dụng hệ thống điều khiển từ xa để cho phép
khoảng cách này có thể mở ra lớn hơn.

Chiều rộng hầm đặc biệt trong mỏ than là 6m. Vì thế, máy CM thực tế phải tạo ra hai
lần tiến lui để tạo ra được chiều rộng đầy đủ. Lần tiến đầu tiên nó sẽ cắt được một
phần của gương hầm. Sau đó nó lùi lại và quay một góc để cắt nốt phần còn lại. Sau
khi khi gương lò đã được khấu hồn tồn thì nó lùi ra để tiến hành việc chống giữ bằng
neo mái.
Các máy CM thích hợp cho việc cắt trong đá mềm chẳng hạn như than, muối. Điều
này là do số lượng các răng cắt trên tang lớn và do đó lực tại mỗi răng sẽ là chia đều
lực của các răng nên nó sẽ nhỏ. Để thích hợp trong các mỏ hầm lị, kích thước và trọng
lượng của máy CM đã được giảm bớt đi. Các máy CM có thể tạo ra tốc độ cắt lớn, lên
tới 650 tấn trên một giờ làm việc, hoặc tiến được 10m/ca. Trong các quá trình khai
thác kiểu buồng và trụ, một máy đơn có thể hoạt động trong một vùng khai thác của
hai tới bảy gương, nó có thể di chuyển vị trí này sang vị trí khác để tạo ra năng suất
cao tại một vùng khai thác ổn định.
Các sản phẩm máy đào CM ở Ôxtrâylia đổ thải lên xe chở con thoi. Những xe này là
một phương tiện vận chuyển đáp ứng được 12 tấn than, nó chất than từ các máy CM ở
khu vực gương đào tới khu vực đặc băng tải cố định hoặc có thể xa hơn nữa.
2) Máy đào – chốt neo (Bolter – Miner)
Máy đào – chốt neo được thiết kế dựa trên nền tảng của máy đào lò liên tục nhưng
khác ở chỗ là nó có thể vừa cắt vừa chốt neo tại cùng một thời điểm. Hiện nay nó được
sử dụng rất rộng rãi tại các mỏ hầm lò ở Ơxtrâylia, đặc biệt trong các lị chợ khai thác
và hầu hết các máy này đều được sản xuất bởi hãng Voest Alpine (hình 20). Các bộ
phận chính của máy bao gồm:
1. Thân máy được ráp bánh xích di chuyển
2. Khung máy chính
xiii


3. Bộ phận trượt được lắp ráp trên khung, phối hợp giữa bộ phận cắt và vận tải
4. Mô đun thực hiện việc chốt neo, phối hợp bốn đơn vị chốt neo và hai cân khoan lỗ
neo hai bên

5. Khung trượt được định vị trên khung chính và có thể dịch chuyển được một khoảng
là 1,0 m về phía sau hoặc phía trước, liên kết với khung chính bằng các kích thủy lực.
Trong q trình hoạt động, máy di chuyển về phía gương than và yên vị tại chỗ với các
kích thủy lực xuống nền. Khung trượt sau đó được đẩy lên phía trước, tang cắt được
đẩy theo và tiến vào gương để khấu than theo cách thông thường. Lúc bấy giờ thân
máy đang ở vị trí ổn định, quá trình chốt neo được thực hiện cùng lúc với việc khấu
gương. Khi cắt được 1,0 m khung trượt rút kích lại vào thân máy và cho máy di
chuyển lên phía trước gương và tiếp tục một chu kỳ mới như đã thực hiện. Máy đào –
chốt neo ABM 20 là một loại máy tiến đơn, ví dụ : tăng cắt của nó có chiều rộng đủ
với nhịp (chiều rộng) của gương đào.

Voest-Alpine ABM30 Bolter-Miner

xiv


3)Máy khấu lò chợ
Một máy khấu lò chợ là một máy cắt sử dụng để khấu than trong gương lò chợ.
Nó trở thành một phần trong tổng thể hệ thống máy khai thác, các thành phần chính
của nó bao gồm : máng cào linh hoạt (AFC), hệ thống chống giữ mái bằng thủy lực,
chất tải gián đoạn hoặc băng tải. Thân chính của máy được thiết kế để thích ứng với
gương than và thơng thường có hình dạng dài và mỏng. Việc khấu được thực hiện bởi
một hay hai tang khấu định vị trên đầu cần khấu, cần khấu có thể nâng lên hoặc hạ
xuống theo mặt phẳng thẳng đứng. Than được cắt bởi các răng cắt định vị theo bộ
xoắn theo kiểu cánh quạt xung quanh tang khấu. Các vịng xoắn trên tang khấu này có
tác dụng gom than trên gương đi theo đường được định sẵn xuống máng cào và tiếp
theo là xuống băng tải. Máy khấu được đặt phía trước của máng cào và khấu di động
dọc theo gương than trong khoảng đặt máng cào.

Máy khấu lò chợ

Máy khấu được phân ra làm hai loại gồm máy khấu tang đơn (SERDS) và máy khấu
tang kép (DERDS) và cả hai đểu được dẫn động bởi động cơ điện – thủy lực hay tất cả
đều là điện. Các máy khấu điện-thủy lực có một động cơ điện lớn sau đó nó dẫn động
đến bơm thủy lực và tang cắt thông qua các hệ thống ống và hộp số. Bơm thủy lực
cung cấp nguồn cho động cơ dịch chuyển bằng thủy lực và cần khẩu bằng các kích
thủy lực. Một máy khấu điện tồn phần bao gồm các mơ đun riêng rẽ tương xứng với
khung cứng của máy. Mỗi mô đun gồm : bộ phận kéo, dẫn động tang khấu, hộp nguồn
chứa động cơ điện của nó. Cơng suất lắp đặt tổng cộng của nó đặc biệt lên tới 1000
kW.

xv


Tốc độ cắt tối đa của máy khấu trong lò chợ ở Ơxtrâylia lên tới 17-18 tấn/phút, với
năng suất thơng thường lên tới trên 12.000 tấn mối ngày. Các lò chợ cơng suất cao có
thể đạt tới 26.000 tấn trên một ngày. Các máy khấu hiện đại có hệ thống điện tử tinh vi
và được tính hợp hệ thống xử lý bằng máy tính để có thể tự động hóa việc khấu
và/hoặc tự động hóa việc chất tải cũng như chống giữ.
CHƯƠNG 2:CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY KHOAN
HẦM TBM

TBM của Atlas Copco Jarva
Hình trên minh họa một thiết kế cơ bản các TBM của Atlas Copco Jarva. Thân
máy chính với các tay chống và các tay đẩy cấu thành bộ phận cố định của máy, và nó
được định vị chặt vào thân hầm. Bộ phận dịch chuyển bao gồm: phía trước đầu cắt, các
động cơ, vỏ chịu lực, máy, tấm khiên chắn bụi và bộ phận đảo gom vật liệu, tại hộp số
phía sau, hộp số hành tinh và chân nâng hạ. Các phần phía sau được liên kết bở các
ống xoắn có thể trước trên thân máy chính trong q trình dịch chuyển theo hành trình
của máy. Một bộ băng tải vận chuyển các sản phẩm khấu ra đằng sau của máy nơi đổ
thải lên trên đường băng tải cố định hoặc xe mỏ con thoi (xe tải hành trình).

xvi


Chu kỳ cắt phá của Atlas Copco TBM
*Hiệu suất
Tốc độ tiến gương thơng thường rất cao; trong hầm có đường kính 3,6m, với kỹ
thuật khoan-nổ mìn thì đạt được tốc độ là 3m/ca; trong khi đó một TBM đặc biệt có
thể đạt được 10m/ca.

xvii


Máy
Robbins 193/214

Lovatt

Địa điểm

Cường độ đá

Khoáng sản than

240 MPa (34800

Selby

psi)

Cape Breton, Nova

trung bình 69 MPa

Scotia

lớn nhất 140 MPa

Hiệu suất
80m/tuần

*Máy đào hầm mở
Máy đào hầm mở là dạng máy đào không sử dụng kết cấu chống đỡ gương đào trong
quá trình thi cơng. Dạng máy này có thể được sử dụng ở những điều kiện địa chất
khơng có nước ngầm hoặc những nơi mà mực nước ngầm thấp.
Gripper TBM là dạng máy đào hầm đào tồn bộ gương đào trong vịng 1 bước tiến.
Máy di chuyển bằng cách chống các thanh chống (grip) vng góc với thành hầm.
Máy đào này hoạt động theo 2 pha:
-Đào hầm (grip được giữ cố định)
-Di chuyển và cố định lại grip
Shield TBM là dạng máy sử dụng các xy lanh thủy lực chống lên phần vỏ hầm được
thi cơng ngay phía sau gương đào để đẩy máy đào hầm tiến lên.

Shield TBM điển hình

xviii


Double Shield TBM là dòng máy vừa kết hợp giữa 2 dịng máy bên trên. Nó vừa sử
dụng các grip vừa sử dụng các xy lanh thủy lực chống lên lớp áo hầm phía sau. Máy

cho tốc độ thi cơng nhanh chóng hơn hẳn trong điều kiện địa chất ổn định.

Double Shield TBM điển hình

*Máy đào hầm dùng áp lực khí nén
TBM dùng áp lực khí nén là dạng máy TBM mà khí nén được sử dụng để chống đỡ áp
lực gương đào gây ra do áp lực nước tĩnh. Thiết bị này phù hợp với vùng địa chất đất
không ổn định có sự xuất hiện của nước ngầm.

xix


Chất thải trong quá trình đào được đưa ra khỏi buồng áp lực thông qua một hệ thống
băng chuyền trước khi đưa ra ngồi.
Các thành phần chính của máy
-Phần đầu máy gồm các răng và lưỡi cắt
-Buống áp lực
-Phần buồng không áp lực
-Các xy lanh di chuyển
-Hệ thống vận chuyển chất thải
Tùy vào áp lực nước, người ta có thể kết hợp sử dụng cả bentonite nếu cần thiết.
*Máy đào hầm dùng vữa áp lực (Slurry Shield)
Máy đào hầm dùng áp lực vữa là dịng máy có khiên đào kín. Áp lực chống đỡ gương
đào được đảm bảo bằng vữa bơm vào khoang đào. Những máy khoan này phù hợp
với điều kiện địa chất phức tạp hoặc nơi có mực nước ngầm cao.

Cấu tạo của một máy khoan hầm dùng áp lực vữa
Phần đầu máy khoan đảm nhiệm công tác khoan đào, trong khi công tác chống đỡ
mặt gương đào được thực hiện thông qua việc bơm vữa vào khoang đào. Vữa được sử
dụng có thể là bentonite hoặc hỗn hợp đất sét và nước.

xx


Hỗn hợp này được bơm vào khoang đào, nơi chúng thẩm thấu vào trong đất hình
thành nên một vách ngăn khơng thấm nước hoặc một vùng bão hịa đảm bảo lực chống
đỡ cho mặt gương đào.
Phế thải của quá trình đào là đất tự nhiên và chính hỗn hợp vữa được sử dụng. Chúng
được bơm về phía sau để xử lý tái chế.
Các thành phần chính của máy khoan hầm bao gồm:
-Đầu khoan, nơi đặt các lưỡi và mũi khoan
-Lớp vỏ bảo vệ tất cả các thành phần chính của cỗ máy.
-Phía đầu là vách ngăn ngăn cách với buồng khoan đào áp lực.
-Jack thủy lực dọc.
-Hệ thống phân loại phế thải trong quá trình khoan đào.

Cấu tạo của một máy khoan hầm dùng vữa
Đối với một máy khoan hầm kín, nơi mà áp lực chống đỡ được bù trừ bên trong
buồng khoan, máy sẽ có thêm một khoang trống chứa khơng khí được kết nối với một
máy nén áp lực cao.Mục đích là điều chỉnh áp lực chống đỡ ở mặt gương đào độc lập
với vịng tuần hồn thủy lực của hệ thống bơm vữa.
Những cỗ máy này chủ yếu được sử dụng cho những nền địa chất có khả năng tự
chống đỡ kém. Có thể kể đến như đất cát sỏi có lẫn phù sa. Người ta có thể trang bị
thêm một thiết bị để nghiền các tảng đất đá có kích thước lớn khơng vượt qua được hệ
thống vận chuyển chất thải. Các lưỡi răng có thể đảm bảo việc khoan đào khi gặp đá
cứng. Đối với mơi trường có nhiều đất sét hoặc phù sa, vật liệu sử dụng có thể là
polymer.

xxi

Máy đào hầm dạng này cũng đặc biệt phù hợp cho mơi trường có áp lực nước ngầm
cao.
*Máy khoan hầm dùng áp lực đất
Máy khoan hầm dùng áp lực đất là loại TBM dùng để đào những loại đất mà áp lực
của nó được chống đỡ bằng chính các vật liệu của quá trình đào tạo ra.

Cơ chế của máy khoan hầm dùng áp lực đất
Nguyên tắc hoạt động:
Đầu máy khoan đảm nhiệm công tác khoan đào.Công tác chống đỡ gương đào được
thực hiện bởi chính đất đá thải ra trong quá trình đào. Chúng được giữ lại trong buồng
khoan bằng một hệ thống kích thủy lực tác động lên buồng khoan. Sau đó đất đá thải
được đưa ra đồng thời áp lực khoan đào được giảm dần dần.
Các thành phần chính:
-Đầu khoan: Gắn các răng và mũi khoan
-Lớp vỏ bảo vệ máy khoan
-Hệ thống băng tải vận chuyển đất đá từ buồng áp lực ra ngồi
-Hệ thống kích thủy lực áp lên vỏ hầm đã được thi công sẵn để giúp TBM di chuyển
Ứng dụng chính:TBM dạng này được sử dụng cho những mơi trường khơng có khả
xxii


năng tự chống đỡ. Đất sét, cát lẫn sỏi. Nếu cần thiết, phụ gia có thể được sử dụng cho
những mơi trường đất lẫn cát sỏi.
*Ưu,nhược điểm của TMB:
1)Ưu điểm:
Ngồi việc là công nghệ không thể thay thế khi thi cơng các cơng trình tàu điện
ngầm, cơng nghệ TBM cũng được nhiều nhà thầu lựa chọn khi thi công các cơng trình
ngầm bởi nó có nhiều ưu việt, cụ thể là:
+ Độ an toàn: So sánh với các phương pháp đào hầm khác thì đây là phương pháp

đào hầm an toàn nhất. Hầm được đào trong vỏ sắt bảo vệ của máy TBM. Hầm đào đến
đâu, vỏ bê tông vĩnh cửu được lấp tới đó, khoảng khơng giữa vỏ bê tơng và lớp đất
ngồi được phun vữa bê tơng chất lượng cao hoặc hỗn hợp silicat đạt tiêu chuẩn nên
việc sập hầm không xảy ra. Kỹ sư, công nhân tham gia thi cơng cũng được an tồn hơn
so với các phương pháp khác.
+ Tính kinh tế trong thiết kế vỏ hầm: Ta biết ưu điểm lớn nhất của công nghệ khoan –
nổ mìn chính là có thể tạo ra hình dạng gương đào bất kỳ nhưng nhược điểm là có thể
bị đào vượt ra ngoài chu tuyến thiết kế của đường hầm (đào lẹm hay thừa tiết diện).
Thực tế cho thấy tỉ lệ vượt ngồi tiết diện có thể từ 10%~20%, thậm chí nhiều hơn tùy
vào phương pháp, trình độ của người lập hộ chiếu nổ mìn và tính chất của đất đá. Điều
này kéo theo phát sinh lượng lớn vật tư, vật liệu dùng tăng thêm KCC để bù vào phần
đào đã tăng thêm, làm phát sinh chi thêm cả chi phí nhân cơng, ca máy dẫn đến tăng
tổng mức đầu tư cho cơng trình dẫn đến tăng giá thành sản phẩm. Đối với cơng nghệ
TBM thì vấn đề này được hạn chế đến mức thấp nhất, theo các nghiên cứu gần đây cho
thấy lượng lẹm này đối với khi thi cơng bằng TBM chỉ cịn nhỏ hơn 5%.
+ Khơng ảnh hưởng đến các cơng trình xung quanh: Máy TBM đào đất và lắp vỏ
hầm hoàn toàn tự động, nếu thi cơng tàu điện ngầm thì trên mặt đất xe cộ vẫn chạy
bình thường. Ngồi ra, việc thi cơng nhanh là ưu điểm nổi bật của công nghệ TBM vì
mỗi ngày có thể đào và lắp vỏ bê tơng trung bình từ 10-20m. Đó là chưa kể đến những
ưu điểm khác như ít làm ơ nhiễm mơi trường, hiệu quả kinh tế cao khi cơng trình được
đưa vào sử dụng nhanh hơn.

xxiii


+ Tốc độ đào hầm: So với phương pháp khoan – nổ mìn thì khi đào bằng máy TBM
tốc độ đào có thể nhanh hơn từ 3-10 lần. Các khâu đào tiến gương, chọc cạy om đến
lắp dựng KCC đều được thực hiện đồng bộ, chun mơn hóa với thời gian giãn cách
giữa hai công đoạn liền kề rất ngắn.
+ Ưu thế khi mặt cắt đào là hình trịn: Mặt cắt đào của máy TBM là hình trịn. Ta biết

rằng, trong thực tế, các dạng mặt cắt như tường thẳng vịm bán nguyệt, vịm ba tâm,
vành móng ngựa, hình trịn tròn đều đã được sử dụng để thiết kế và thi công các đường
hầm. Trong các dạng mặt cắt trên nếu xét trên phương diện chịu lực thì mặt cắt hình
trịn có nhiều ưu thế hơn cả và thường được sử dụng trong vùng đất đá yếu, khu vực có
trường địa ứng suất cao hoặc trường ứng suất thủy tĩnh. Ngồi ra, với mặt cát trịn sẽ
khơng gây ra ứng suất tập trung tại các vị trí trên biên, góc dưới của đường hầm, điều
này rất có lợi trong thi công và thiết kế kết cấu chống đỡ.
+ Khi sử dụng cơng nghệ TBM q trình cắt gọt đất đá được thực hiện bởi các đĩa
làm cho quá trình dỡ tải được diễn ra từ từ, làm giảm bán kính vùng bị ảnh hưởng
trong khối đá xung quanh. Hạn chế sự hình thành và phát triển của các khe nứt nguyên
sinh, đồng thời hạn chế việc hình thành thêm các khe nứt thứ sinh ảnh hưởng lớn đến
tính chất cơ – lý của khối đá.
+ Giảm sự phụ thuộc vào công nhân: Lượng nhân công phục vụ máy TBM giảm
khoảng từ 30%~40% so với khi sử dụng công nghệ khác do đó tổng quỹ lương nhân
cơng khi áp dụng cơng nghệ TBM thấp hơn rất nhiều so với quỹ lương nhân công khi
sử dụng công nghệ khai đào khác. Điều này rất có lợi cho những quốc gia có sự thiếu
hụt lao động nghiêm trọng như các nước Châu Âu, Nhật bản, Úc…
2)Nhược điểm:
+ Về trình độ tay nghề của người vận hành: Mặc dù lượng công nhân giảm từ
30%~40% so với phương pháp khác, tuy vậy lại yêu cầu trình độ cơng nhân, người
vận hành ở mức cao. Ngồi ra, đi kèm với đó cịn là các vấn đề sửa chữa, bảo dưỡng,
phụ tùng thay thế…
+ Suất đầu tư ban đầu: So với các loại hình thi cơng khác thì suất đầu tư ban đầu khi
sử dụng TBM lại khá cao, có thể lên đến hàng triệu đơ la. Điều này có thể là một trong
những khó khăn đối với các công ty của các nước đang phát triển khi bước đầu tiếp
cận với loại hình thi cơng này.
xxiv