Ứng dụng rô bốt phun bê tông trong xây dựng công trình ngầm và mỏ

ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING


© April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department



1
ỨNG DỤNG ROBOT PHUN BÊ TÔNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG
TRÌNH NGẦM VÀ MỎ
Phạm Tiến Vũ
Phòng Công nghệ Xây dựng Công trình Ngầm và Mỏ
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ



ABSTRACT
While shotcrete has evolved as a means and method for ground control, so too have the demands for faster and
safer placement. Spraying manipulators, or robots as they are commonly referred to, have become the rule rather
than the exception both in mining and larger tunnel projects. Even after the capital investment of a robotic shotcrete
machine, the benefits can be measured and returns achieved by:
• Increased production
• Reduction of rebound
• Higher quality shotcrete in-situ
• Improved safety for shotcrete crews
This paper discusses state-of the-art mechanized shotcrete machines and provides case histories describing the
benefits in mining and tunneling.

GIỚI THIỆU

Nếu một ứng dụng robot được nhắc đến trong quá phun bê tông ở các xây dựng công trình ngầm
và mỏ và thì người ta nghĩ ngay đến một loại thiết bị dùng để nâng và điều khiển ống phun.
Tại sao cần thiết phải làm điều này trong khi con người hoàn toàn có thể điều khiển được ống
phun bằng tay?
Việc phát triển xây dựng công trình ngầm và mỏ luôn tiềm ẩn những nguy cơ rủi ro, đặc biệt khi
phun bê tông dưới các kết cấu chống tạm sau quá trình nổ phá. Việc sử dụng các cánh tay phun
cơ giới vươn dài tới khu vực chưa có kết cấu chống đem lại tính an toàn cao cho người thi công.
Một tay máy phun là một bộ phận phun cơ – thủy lực điều khiển từ xa để cơ giới hóa và tự động
hóa việc phun bê tông. Nó thích hợp cho việc sử dụng bê tông phun khô, ướt với chất lượng cao
tại bất kỳ chỗ nào, và có nhiều ưu điểm trong thi công xây dựng ở những nơi có điều kiện khắc
nghiệt, nơi mà người lao động không thể tiếp cận vì lí do tiềm tàng nguy hiểm, khu vực chưa có
kết cấu chống giữ, đất đá rơi hoặc hàm lượng bụi lớn Thiết bị này có thể được định vị trên rất
nhiều phương tiện vận chuyển và nó có thể với tới các tầm cao lên tới 14,5 m, một máy phun
robot được ứng dụng có thể tiết kiệm được chi phí và thời gian cho việc xây dựng các giàn giáo
để phun, hơn nữa cũng tiết kiệm được khoảng không gian thi công trong hầm, mà nhiều khi
khoảng không gian này là rất cần thiết để bố trí cho các mục đích khác.

Bài viết này sẽ đề cập kiểu dạng và phương pháp bố trí thiết bị các ứng dụng robot phun điển
hình tại một số công trình ngầm và mỏ trên thế giới.

LỊCH SỬ CỦA ỨNG DỤNG ROBOT PHUN BÊ TÔNG

Năm mươi lăm năm trước đây, một tay máy (manipulator) có gắn một ống phun đầu tiên đã xuất
hiện. Trải qua hơn hai mươi năm tiếp theo, một số lượng đa dạng các thiết bị khác đã xuất hiện
trên thế giới dựa trên nguyên lí cần trục hay các dàn khoan hạng nặng có đính kèm các ống phun.
Sự kết hợp lắp ráp hiệu quả này làm cho sự di chuyển tay máy phun và vòi phun được nhanh và
linh hoạt, vì thế vị trí hiệu quả của bê tông phun chất lượng cao với độ nhẵn bề mặt đảm bảo.
Những tay máy phun đặc biệt đã bắt đầu xuất hiện vào đầu những năm 1980, vào thời gian này
bê tông phun đã được chấp nhận là một kết cấu chống trong xây dựng (nhưng chỉ là hình thức
phun ướt). Một số trong số các thiết bị chuyên dụng này với các tính năng ưu việt đã tồn tại đến

ngày nay như một tiêu chuẩn thiết kế như: các đầu phun với kiểu di chuyển đa dạng, chuyển
ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING


© April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department



2
động tám khớp, cần song song có khả năng mở rộng linh hoạt. Những cánh tay được định vị trên
các phương tiện di chuyển và thường là các xe tải và các máy khai đào. Một số tính năng như tự
động di chuyển cần và tay đỡ ống phun được tích hợp với điều khiển từ xa giúp cho người vận
hành có thể điều khiển phun một cách dễ dàng trên những vùng phun một cách tốt hơn.
Vào giữa những năm 1990, với sự phát triển rất mạnh mẽ của công nghệ phun ướt, cách tay máy
phun đã cải tiến để phù hợp với công nghệ này và nó đã trở thành những thiết bị có mặt ở rất
nhiều công trình nơi mà bê tông phun đã trở thành kết cấu chống tạm hay chống cố định, với
mục đích tiết kiệm thời gian và cũng như thế nó tiết kiệm chi phí. Điều này yêu cầu không chỉ
đơn thuần là thiết bị phải có công suất lớn mà còn là tính linh động trong hoạt động đảm bảo
phun được một lượng lớn bê tông được phun với tốc độ nhanh và chính xác giảm bớt lượng rơi
vãi và đặc biệt nó còn có khả năng đảo hướng cần ngay trong lúc phun. Các hệ thống điều khiển
cũng được phát triển từ điều khiển bằng thủy lực sang điều khiển bằng điện qua các cáp điều
khiển, và sau này là các thiết bị điều khiển từ xa bằng sóng radio đã trở thành một tùy chọn tiêu
chuẩn.
Thời kỳ này cũng xuất hiện các thiết bị phun di động tự động. Các phương tiện này được trang bị
đầy đủ các thiết bị cần thiết để phun bê tông với chất lượng cao (xe di chuyển, tay máy đỡ vòi
phun, máy phun, bình cấp liệu, bình nước, máy bơm phun gia, bình chứa phụ gia ). Các tay máy
phun phát triển ra với các loại khác nhau và chuyên dụng hơn tùy theo các vị trí ứng dụng khác
nhau và theo yêu cầu của công trình, và một số lượng lớn của chúng đã có mặt trong các công
trình xây dựng dân dụng, các công trình ngầm kích thước nhỏ, các giếng đứng và thậm chí nó

còn được tích hợp để hoạt động trên các TBM (Tunnel Boring Machine).
Ngày nay với đòi hỏi cao về cả chất lượng cũng như tính đa dạng ứng dụng của thiết bị và quy
trình sử dụng trong thi công, thậm chí một số công trình còn đòi hỏi cao về tính tự động hóa thì
cũng đồng nghĩa với việc phải đưa ngay các robot phun bê tông này vào trong thi công, đặc biệt
hơn nữa là các robot phun bê tông được điều khiển bằng công nghệ máy tính điện tử và việc
phun sẽ được lập trình từ trước.
Năm 2000 một robot phun bê tông được điều khiển bằng công nghệ máy tính điện tử đã ra đời.
Nó được cài đặt chương trình điều khiển phun bê tông tự động và có khả năng ghi chép lại các
thông số hoạt động của máy và điều kiện thi công, đây là một thành tựu quan trọng với tính khả
thi rất cao trong việc cải thiện điều kiện thi công an toàn công trình ngầm và mỏ đem lại năng
suất và hiệu quả kinh tế. Việc điều khiển bằng công nghệ máy tính điện tử đã làm giảm bớt đi lao
động thủ công thậm chí là không cần người lao động trực tiếp ở trong gương thi công liên tục,
đặc biệt là đưa người lao động ra xa những vùng nguy hiểm. Độ chính xác về bề mặt gương thi
công hoàn thành yêu cầu được tăng lên đối với những máy đã tích hợp được công nghệ đo đạc
bằng tia lazer và nó có thể làm việc chính xác hơn so với lao động thủ công. Cũng từ đây các
nhân tố yêu cầu về sức khỏe và kỹ năng của người lao động được loại trừ đi.
Tự động hóa việc phun bê tông tạo nên các tiến bộ rõ rệt. Một ví dụ thực tế, trong các mỏ hầm lò
khai thác mức sâu thì thời gian vận chuyển dài và ca làm việc ngắn thì các thiết bị này có thể
được sử dụng để thay thế lao động thủ công và việc điều khiển chỉ cần ngồi trên một vị trí trên
mặt đất thông qua hệ thống MMI “Giao diện Người – Máy” (Man–Machine-Interface). Các bộ
phận đơn giản hơn có thể được trang bị với tính năng “teach-in” (tính năng hồi đáp) trong đa
dạng các điều kiện khác nhau. Làm việc trong những môi trường có điều kiện vô cùng khó khăn
và khắc nghiệt thì nó mang lại tính an toàn cao đặc biệt, giảm thiểu rủi ro cho con người.
Trong tương lai, các thiết bị này chắc chắn sẽ trở thành các thiết bị không thể thiếu trong công
nghệ phun bê tông và không lâu nữa nó sẽ thay thế dần dần các tay máy robot phun kiểu điều
khiển thủy lực hay điều khiển điện tiêu chuẩn.

ƯU ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ CƠ GIỚI HÓA PHUN BÊ TÔNG BẰNG ROBOT PHUN
SO VỚI CÔNG NGHỆ PHUN THỦ CÔNG

ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING


© April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department



3
Hình 1a. Phun bê tông sử dụng robot phun Hình 1b. Phun bê tông bằng tay

Lợi ích của cơ giới hóa phun bê tông bằng robot phun có thể kể ra thành ba mục sau:
1) Tăng năng suất phun
2) Đem lại chất lượng bê tông phun cao hơn
3) Cải thiện tính an toàn trong thi công

Tăng năng suất phun
Theo TS.Gustav Bracher – Sika Schweiz AG thì “việc phun bê tông hiện đại có sử dụng các
robot phun và đi cùng với nó là là sự xuất hiện của bê tông phun cốt sợi thép trong chống giữ
công trình ngầm là một thành tựu, nó thay thế được lao động thủ công làm việc trong những khu
vực chưa có kết cấu chống giữ và nó giảm được tới 30% thời gian so với việc lắp đặt kết cấu
chống thông thường” (Trích báo cáo về thành tựu bê tông phun trên thế giới của TS.Gustav
Bracher).
Việc sử dụng robot phun bê tông có rất nhiều lí do để tăng nhanh năng suất phun, và hầu hết các
lí do trong đó đều là do việc loại trừ lao động thủ công nặng nhọc.

Các lí do chủ yếu làm tăng năng suất phun có thể được kể đến như sau:
- Tăng đường kính ống phun bê tông: Một số xe phun bê tông di động được trang bị ống
phun có đường kính lên tới 102 mm. Các ống phun đặc trưng cầm tay có đường kính là
51 mm. Trọng lượng của bê tông phun trong đường ống phun 102 mm là khoảng 18,3

kg/m. Khi bạn nhân chiều dài này lên bằng 1-2 m của chiều dài ống thông thường được
đỡ bằng tay của người thợ phun, kết hợp với áp lực của nguồn khí nén thì bất kỳ một
người thợ nào cùng nhanh chóng trở nên kiệt sức.
- Sự mệt nhọc cũng phải được kể đến trong quá trình bơm bê tông phun hay việc xúc bê
tông do phải đáp ứng tốc độ phun cao của máy nên người thợ phải dồn sức trong lúc máy
trong lúc máy hoạt động, sau đó lại là quãng thời gian bị ngưng trệ do sự thay đổi hành
trình xi lanh của máy bơm nên rất tốn thời gian và người thợ trở nên bị sốc bởi sự làm
việc không liên tục này. Thêm vào đó, các cao trào bơm, khí nén (5-7 m
3
/h đối với phun
bằng tay, trong khi đó với robot phun là 10-14 m
3
/ph với áp lực khoảng 7 at) cấp tới thân
ống cũng đặt lên một áp lực cho người công nhân điều khiển vòi phun. Và tất cả các nhân
tố lao động thủ công mệt nhọc này đã được loại trừ đi bởi các thiết bị phun cơ giới hóa.
- Với việc các nhân tố lao động thủ công được loại trừ, khối lượng phun bê tông được tăng
lên rất cao. Với việc phun bằng tay khối lượng này là 7-9 m
3
/h trong khi đó phun cơ giới
hóa thì khối lượng này dễ dàng lên tới 20 m
3
/h. Điều này là hết sức thuận lợi trong việc
phun bê tông trong các hầm có kích thước lớn, các hầm ga, các đường lò cái trong mỏ
hay phun bê tông tạo vỏ chống cố định cho công trình ngầm.

Đem lại chất lượng bê tông phun cao hơn
ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING


© April 2006 Phạm Tiến Vũ

Underground and Mining Construction Technology Department



4
Với việc cơ giới hóa phun bê tông bằng robot đem lại sự cải thiện rất đáng kể chất lượng của bê
tông nguyên khối, đó là:
- Loại trừ cao nhất lượng không khí lẫn trong bê tông tạo nên độ đặc chắc tối ưu
- Các cần định vị tự động được giữ ở vị trí song song với trục hầm
- Các khả năng thao tác mới của robot mới cho phép điều chỉnh ống phun một cách tự
động đảm bảo cho góc phun cũng như tư thế phun luôn luôn rất ổn định trong quá trình
phun

Cải thiện tính an toàn trong thi công
Tạo nên một môi trường làm việc an toàn hơn thông qua các robot phun là một việc rất dễ nhận
thấy. Bằng việc sử dụng hệ thống điều khiển từ xa, đội thợ chỉ cần phải đứng từ xa trong những
vùng có kết cấu chống vững chắc trong lúc robot phun đang làm việc trong vùng mới khai đào,
nơi yêu cầu cần phải có kết cấu neo nóc và bê tông phun, đội thợ có thể làm việc rất thuận lợi
trong môi trường an toàn có chống giữ khi một lớp bê tông phun đầu tiên đã được phun như một
kết cấu chống tạm.

CÁC THÀNH TỰU HIỆN NAY TRONG ỨNG DỤNG ROBOT PHUN BÊ TÔNG

Để phun bê tông với chất lượng cao nhất, một tay máy phun tốt nhất phải là một thiết bị hoàn
chỉnh.
Trong các gương thi công xây dựng lớn chẳng hạn như các công trình ngầm, một yêu cầu bức
thiết phải lắp đặt và phun ngay lập tức ngay khi gương hầm đã sẵn sàng cho việc phun bê tông.
Ngay sau khi việc phun được hoàn thành, thiết bị phải di chuyển ngay đi để cho chu kỳ làm việc
được tiếp tục. Thêm vào đó, xu hướng chung là các công việc thông thường diễn ra đồng thời, vì
thế nó đòi hỏi thiết bị phải tự làm việc độc lập hoàn toàn. Ví dụ, một đường ống cấp khí nén

trong hầm không thể cung cấp cho tất cả các thiết bị dùng đồng thời, vì thế mà người ta đã chế
tạo ra các thiết bị phun di động mang trên nó một máy nén khí tự phục vụ.
Dưới đây là giới thiệu sơ lược về ứng dụng robot phun bê tông được sản xuất bởi các hãng:
MBT, Aliva, Jacon tại một số công trình trên thế giới và trong nước.

Một số sản phẩm của MBT và ứng dụng của nó tại một số công trình điển hình trên thế
giới

Robot phun bê tông MEYCO
®
Potenza


Hình 2a. Robot phun bê tông MEYCO
®
Potenza

Hình 2b. MEYCO
®
Potenza khi tay máy gấp gọn

Potenza là một ví dụ điển hình trong các thiết bị phun di động tự hành hoàn chỉnh. Loại máy
phun này được thiết kế trên tiêu chuẩn của phun bê tông trong các công trình ngầm và các công
trình khác trong đó dùng phương pháp phun cấp phối bê tông ướt. Chúng đã được sử dụng phổ
thông tại các gương thi công quan trọng ở rất nhiều nước trên thế giới, những nơi đòi hỏi cao
khối lượng thi công bê tông phun với chất lượng cao.
Cấu tạo tiêu chuẩn của thiết bị di động hoàn chỉnh này là:
ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING

© April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department



5
- Tay máy phun Robojet
- Bơm bê tông phun Potenza cho quy trình phun ướt
- Bộ phận hòa trộn phụ gia Dosa TDC tích hợp
- Bộ phận xử lí dữ liệu hoạt động Meyco Data và bảng thông tin hiệu suất
- Bộ phận nguồn trung tâm
- Thân máy, 4 cầu bánh và chân đỡ ổn định
- Vòng quấn cáp
- Máy nén khí
- Hệ thống ống phun
- Bình dung dịch phụ gia
- Bình chứa nước
- Các đèn làm việc
- Máy bơm nước sạch áp lực cao
- Bơm dầu

Robot phun bê tông Allentown MBS-02E



Hình 3. Robot phun bê tông Allentown MBS-02E của MBT

Các robot phun MBS-02E có hầu hết các tính năng phun bê tông cũng như hình dáng như
Potenza nhưng chúng được thiết kế nhỏ hơn và mạnh hơn để sử dụng cho các đường lò trong mỏ
nhỏ hơn cũng như khắc nghiệt hơn của môi trường mỏ hầm lò khu vực Bắc Mỹ. Một điều quan

trọng nhất là trong khi mục đích sử dụng chính của máy được thiết kế dùng cho việc phun bê
tông nhưng nó cũng có khả năng di chuyển hiệu quả trong các đường hầm cũng như những lò
dốc thoải trong mỏ, với mục đích tăng hiệu quả sử dụng trong nhiều đường hầm.

Tay máy phun, theo thiết kế của Meyco Minima, với một cần có khả năng gấp gọn lại ở phía
trước và có thể thu gọn lại khi di chuyển. Nó không chỉ thích hợp cho các đường lò có kích
thước gọn gàng 3 m x 3 m mà nó còn có khả năng phun bê tông hiệu quả trong các đường lò cao
tới 9 m, phun quay sang bên tới 7 m và phun tiến về phía trước tới 8 m.
Bằng cách thống kê số lần, các điều kiện không trông đợi trong mỏ, các thiết bị phun di động
cũng được trang bị với các bơm bê tông và phễu rót đi kèm, chúng được định vị bằng thủy lực tại
các chiều cao khác nhau tùy theo kiểu rót, đặc biệt từ các xe trộn-chuyên chở bê tông, thậm chí
khi đậu ở ngay trên mặt đất.

Máy phun tích hợp theo dạng vòng trên TBM
ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING


© April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department



6



Hình 4. Các robot phun bê tông được tích hợp hoạt động trên các TBM của MBT

Một TBM trong trường hợp này cũng có thể được xem như một phương tiện vận chuyển. Tất
nhiên, các tay máy trên TBM là các phần phải được thiết kế hệ thống tích hợp với chất lượng

được đảm bảo. Các TBM thay đổi rất khác nhau trong trong từng công trình xây dựng cụ thể của
chúng, phụ thuộc môi trường địa chất nơi chúng được áp dụng. Chính điều này cũng làm ảnh
hưởng tới các thiết kế của các tay máy. Không gian chính là điều quan trọng mấu chốt và việc
phục vụ hỗ trợ là rất khó khăn vì thế một tay máy phun phải có sự di chuyển trong khoảng tốt
nhất có thế nhưng không làm ảnh hưởng đến hệ thống. Meyco đã sản xuất ra hai loại tay máy
phun, một loai định vị trượt trên vòng TBM còn một loại thì định vị ở tại trung tâm tùy theo yêu
cầu cụ thể. Những thiết bị này được làm để phù hợp với TBM chúng đi theo nhưng không bao
gồm tất các các phụ kiện chủ yếu cơ bản làm chúng có thể di chuyển, dễ dàng cho thao tác bằng
tay của người vận hành phun. MBT đã chế tạo ra một vòng rộng, nơi mà các tay máy phun có thể
trượt trên đó, tích hợp quanh TBM để để sử dụng trong Công trình Löschberg Transalpino ở Steg
và Raron.
Các hệ thống phun bê tông được tích hợp trên các TBM đào trong đá rắn cứng ngày càng thu
được hiệu quả và trở lên phổ biến hơn. Sự phát triển này bắt đầu với công trình hầm Vereina ở
Thụy Sỹ với bê tông phun theo phương pháp ướt và công trình Manapouri ở New Zealand với
phương pháp phun khô sử dụng kiểu tay máy phun đơn giản. Này nay, người ta chỉ còn sử dụng
phương pháp phun ướt cho các thiết bị này.

Robot phun Shaft Robo



Hình 5. Robot phun bê tông Shaft Robo của MBT
ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING


© April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department

7

Thực tế các tay máy phun bê tông giếng đứng được chế tạo phổ thông theo kiểu vòng, kiểu này
cũng tương tự kiểu đã được chế tạo cho các TBM. Sự khác nhau lớn nhất đó là góc nghiêng và
hướng trong đó phương tiện vận chuyển, trong trường hợp này tại Galloway, đòi hỏi cả khoan
ngược mở rộng và khai đài thẳng đứng. Do đó, các tay máy phun cần một bộ phận định vị ngang
hàng để tay máy có thể trượt trên đó làm nhiệm vụ hỗ trợ việc phun bê tông. Tùy theo đường
kính của giếng, một dầm định vị tại trung tâm hoặc một vòng đặt xung quanh giàn được sử dụng.

Robot phun Meyco Oruga



Hình 6. Robot phun bê tông Meyco Oruga của MBT

Oruga có kích thước nhỏ và gọn gàng khi hoạt động trên các thiết bị chuyên chở nó. Nó có tầm
với lên tới 8m với độ ổn định đáng tin cậy trong quá trình phun. Hoạt động của tay máy phun
Rama 4 được điều khiển từ xa bằng điện. Chúng là một thiết bị thích hợp để phun bảo vệ bờ dốc
và nó đủ nhỏ gọn để hoạt động trên các dầm công tác của TBM.

Robot phun Meyco Ramma



Hình 7. Robot phun bê tông Meyco Ramma của MBT

Rama là một chủng loại các tay máy được sản xuất bởi Meyco. Chúng thông thường được định
vị trên các phương tiện vận tải hoặc định vị trên các giàn. Tất cả chúng đều có kết cấu chắc khỏe
ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING

© April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department



8
và cấu trúc đơn giản và chúng thay đổi, mỗi model thì tương ứng với các phạm vi phun lớn nhất
khác nhau, tùy theo các kích thước tự nhiên của chúng. Chúng đều có một đầu phun với hai động
cơ bơm cấp thủy lực với khớp động truyền các chuyển động co duỗi theo yêu cầu của ống phun;
các tốc độ được điều chỉnh cho phép định vị ống phun một cách tối ưu.

Nghiên cứu thực tế tại mỏ KIDD CREEK



Hình 8. Các mức khai thác tại Mỏ Kidd Creek, Canada

Mỏ KIDD CREEK nằm tại vùng Timmins, Ontario, Canada, nơi có chứa khoáng đồng-kẽm-bạc
được phát hiện năm 1963. Được sở hữu bởi Công ty TNHH Falconbridge, và nó được đưa vào
khai thác năm 1965 bằng phương pháp lộ thiên, bắt đầu khai đào từ năm 1965-1977. Sau đó,
thân quặng đã được khai thác bằng ba giếng độc lập được biết đến là giếng mỏ số 1, số 2 và số 3.
Trong những năm đó, Kidd Creek đã dùng phương pháp neo kết hợp lưới thép làm kết cấu chống
giữ chính. Bê tông phun khô được sử dụng làm kết cấu gia cường thứ hai nó cũng được dùng để
sửa chữa các đoạn lò cần gia cường. Vào cuối những năm 1990, người bắt đầu nghiên cứu để tìm
ra phương pháp chống giữ nền móng tốt hơn, nhanh hơn và an toàn hơn.
Trong các nỗ lực tiếp cận các phương pháp chống giữ công trình mới, một thách thức đặt ra là
làm sao phải tìm ra một hệ thống phải đảm bảo tính an toàn có tính kinh tế cao sử dụng được
trong các môi trường đường lò phức tạp dưới mức sâu, và nó cũng phải được người công nhân
chấp nhận. Họ cần một phương pháp chống giữ nền móng mới khả thi mà nó có thể giảm được

sự tác động của các điều kiện làm việc không an toàn, và nó cũng phải đảm bảo tuân theo các
quy trình, quy phạm, đạo luật của công ty cũng như của chính phủ.
Ngay trong lúc đó, các công nhân đã thảo luận và tìm ra một phương pháp ưu điểm hơn, nhanh
hơn là sử dụng bê tông phun khô – họ đã không xem xét đến bê tông phun ướt. Mỏ đã cố gắng
thử nghiệm bê tông phun ướt vào đầu những năm 1980 nhưng nó không thành công vì thế họ đã
bỏ qua cơ hội này. Năm 1999 mỏ đã thăm dò các công nghệ mới để giúp họ có những bước tiến
mới. Họ đã đưa ra một hệ thống phun bê tông ướt đổi mới sử dụng thiết bị cung cấp tự động hóa
mới nhất và thiết bị phun làm giải pháp và nó đã đem lại thành công cho mỏ Kidd Creek, làm
tăng sản lượng và cải thiện tính an toàn cũng như cải thiện hiệu quả của kết cấu chống.
Vào tháng 7 năm 2000 Ban Giám đốc Falconbridge đã phê duyệt dự án mới cho Mỏ Kidd Creek.
Đó là khu D (khai thác mức sâu), nó là phần mở rộng của mỏ ở độ sâu 2070 m tới 3050 m, khai
thác ở mức sâu nhất thế giới. Nó đòi hỏi một cơ sở hạ tầng đáng kể bao gồm một giếng mỏ mới,
các hệ thống tời trục với chiều dài xấp xỉ khoảng 15 km. Khởi công vào 2001, công trình đã
ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING


© April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department



9
được dự kiến phải hoàn thành trong 4 năm khối lượng 100000 m
3
xây dựng bê tông và 60000 m
3

bê tông phun.
Với một kết quả thành công của SFRWS trong thử nghiệm hiện trường. Giám đốc Mỏ Kidd
Creek đã quyết định sử dụng hệ thống trong xây dựng mỏ. Mỏ có nhiệm vụ như một công trình

thử nghiệm với những thành tựu mới nhất với trạm trộn đặt trên mặt đất cấp liệu qua hai lỗ
khoan cơ sở đường kính 200 mm tới độ sâu 1400 m và 1460m tương ứng. Năm thiết bị phun bê
tông ướt di động và bảy xe trộn-chở bê tông được chọn để phục vụ công trình.
Để đáp ứng được mục đích trên mỏ đã chọn các thiết bị phun bê tông MSV được cung cấp từ
Nhà máy sản xuất thiết bị Allentown trực thuộc MBT. Các máy phun MSV được thiết kế đặc
biệt để phục vụ riêng cho môi trường hầm lò. Với tính năng như một thiết bị vận tải cực mạnh và
tận dụng hầu hết các hiệu quả các động cơ hiệu quả có mặt trên thị trường. Nó có một tổng
chiều dài di chuyển chỉ là 7,3 m và chiều cao là 2,28 m. Nó không chỉ có tốc độ dịch chuyển
nhanh hơn và an toàn hơn và nó còn có khả năng đáp ứng được hoạt động trên các gương trong
các gương thi công trong cả một ca làm việc.
Cuối hè năm 2003, Công trình Khu D đã thi công đạt tới mức 2438 m, với hơn 14000 m
3
bê tông
phun đã được sử dụng với thiết bị MSV của MBT. Và với các tính năng cải thiện tính an toàn đã
được chứng minh, nó đã hoạt động rất tốt mà không để xảy ra một vụ tai nạn, thương vòng nào.

Nghiên cứu thực tế tại Công trình hầm dân dụng Bergen
Hiệu quả kinh tế dựa trên năng suất sẽ thay đổi tùy theo kích thước, chu kỳ tiến gương công trình
ngầm và mục đích ứng dụng bê tông phun. Một sự so sánh giữa năng suất khi sử dụng các thiết
bị phun cơ giới hóa đối với sử dụng phương pháp phun tay thủ công đã được thực hiện tại Công
trình Khôi phục Hầm Bergen, NJ và Công trình Khôi phục Hầm Cameron Run, Alexandria, VA
Trong quá trình khôi phục hầm Cameron Run, nhà thầu Merco. Inc đã sử dụng phương pháp
phun tay sử dụng một bơm bê tông Reed B30. Bơm bê tông Reed B30 có năng suất lý thuyết là
22,8 m
3
/h. Khối lượng thi công thực tế đặc cụ thể là 3,6 m
3
/h hay 30,4 m
3
/ca.

Trong công trình khôi phục hầm Bergen, nhà thầu Merco/Obayashi đã sử dụng robot phun bê
tông tự phục vụ Meyco Potenza. Potenza có trang bị một bơm bê tông Suprema với năng suất lý
thuyết là 20 m
3
/h. Bằng việc sử dụng thiết bị phun này năng suất thực tế đã đạt tới 14 m
3
/h trong
một ngày làm việc thuận lợi (làm việc hai ca) tương ứng với khoảng 168 m
3
/ngày. Ngoài việc
tăng năng suất phun thì với việc sử dụng thiết bị phun này thì đã giảm xuống còn 3 thợ phun so
với 5 thợ phun trong phương pháp phun thủ công.
Mặc dù các giá trị tính toán kinh tế chi tiết không được xét đến nhưng chỉ bằng việc tăng năng
suất phun và giảm lượng công nhân thi công thì việc giảm chi phí là điều tất nhiên.

Triển vọng của việc sử dụng các robot phun bê tông trong cơ giới hóa phun bê tông sử
dụng điều khiển bằng máy tính điện tử

Robot phun Logica


Hình 9. Robot phun thế hệ mới Meyco Logica của MBT
ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING


© April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department

10
Meyco Logica là một thế hệ máy mới, nó được thiết kế trên cơ sở máy Robojet, nó được phát
triển với sự hợp tác của các cơ sở sản xuất và các viện nghiên cứu. Tay máy của nó có 8 độ tự do
để chuyển động vòi phun trong các kiểu phun khác nhau, có thể điểu khiển ở ba dạng: điều khiển
hoàn toàn bằng thủ công, bán tự động và tự động hoàn toàn trong khu vực gương thi công. Nó
cũng có khả năng tự động căn khoảng cách so với hộ chiếu hầm do được trang bị các thiết bị
quét lazer.
Trong một kiểu hoạt động, vòi phun có thể có sáu hướng hoạt động được điều khiển bằng các tay
cảm biến Joystick. Sự tính toán chuyển động được thực hiện bởi hệ thống. Các sensor cảm biến
lazer đo lường hình dạng gương và thông tin này được sử dụng để điều khiển tự động cự ly phun
và góc của vòi phun. Mục đích của việc điều khiển này không phải là để tự động hóa toàn bộ
công tác phun mà làm đơn giản hóa công việc và cho phép hoạt động với sử dụng robot như một
công cụ thông minh làm việc theo cách hiệu quả đem lại chất lượng cao nhất.

Bán tự động
Tự động
Bằng tay
Cần điều
khiển 6 chiều
trên bảng điều
khiển
Bảng điều
khiển màn
hình cảm
biến
Hình 10. Các kiểu chế độ làm việc của robot MEYCO
®
Robojet Logica

Hệ thống đã thể hiện việc tăng năng suất trong ứng dụng phun bê tông mà không làm tăng lên

tính nguy hiểm cho người thi công cũng như không hề làm tăng cao chi phí chung.
Công trình Westerrschelde là một thí dụ về một công trình thành công sự dụng 2 robot phun
Logica để phun vỏ chống bảo vệ dày 50 mm với độ dung sai chỉ là +/-4 mm. Tổng chiều dài của
công trình hầm là 2 x 6 km.
Tại Hà Lan, hãng Meyco đã cung cấp thiết bị để áp dụng phun vỏ chống chống cháy tại công
trình hầm Groene Hart. Việc thực hiện tiêu chuẩn để áp dụng phun đã được xác định, lớp nguyên
khối liên tục của lớp vữa bảo vệ lửa bị động, sự ưu tiên đã được đặt ra như một giải pháp thích
hợp tại vị trí làm việc. Toàn bộ thiết bị phun đã được định vị trên giàn giáo cho phép các thiết bị
vận tải được cung cấp bởi MBT di chuyển bên dưới. Các máy móc cơ khí được thiết kế và xây
dựng một ống phun đặt trên goòng di chuyển trên đường sắt dọc theo đường hầm. Toàn bộ việc
xây dựng được di chuyển trên một vòng quanh biên hầm. Tất cả các dịch chuyển này được quản
lý với các tính toán từ trước cho phép phun hoàn toàn tự động trên các vùng đã được định trước.
Sau khi phun được 4 m chiều dài theo trục hầm, giàn giáo được di chuyển đến cấp phun tiếp theo
và công việc lại được thực hiện như chu kỳ đầu. Trong toàn bộ quá trính phun, độ chính xác theo
phương pháp phun này đã đạt tới sự sai số là khoảng +/-2 mm trên 35 mm chiều dày phun.
ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING


© April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department



11

Ứng dụng robot phun bê tông trong nước
Hiện nay, các nhà thầu Việt Nam cũng đã bắt đầu quan tâm tới việc dùng robot trong phun bê
tông nhưng nó cũng chỉ dừng lại ở mức độ các công trình ngầm tiết diện lớn. Hiện nay, phương
pháp này hiện nay chưa được áp dụng tại các công trình ngầm trong mỏ.
Trong công trình hầm đường bộ qua đèo Hải Vân, Liên danh Dong Ah - Sông Đà (Gói thầu 1B)

đã thực hiện phun 12.979m
3
bê tông phun các loại với bề dày từ 5-40cm ở cửa hầm phía Nam và
họ đã sử dụng các robot phun hiện đang có (1 robot phun Meyco, 2 robot phun Aliva 500 và 1
robot phun Jacon - Australia) một cách hiệu quả và nó đã chứng minh được khả năng của mình
tại công trình này.



Hình 11. Máy phun Aliva 500 (Cty SĐ 10) sử dụng tại công trình hầm đèo đường bộ Hải Vân



Hình 12. Robot phun bê tông Jacon (Australia) của Cty SĐ 10

ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING


© April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department



12

Hình 13. Hầm Hải Vân – Công trình hầm giao thông đường bộ lớn nhất khu vực Đông Nam Á

KẾT LUẬN

Với việc phát triển các ứng dụng bê tông phun trong các công trình thi công công trình xây dựng

nói chung và các công trình ngầm, mỏ nói riêng thì việc ứng dụng các robot phun bê tông trong
cơ giới hóa phun bê tông là một xu thế tiến bộ mới. Nó đã tỏ ra rất nhiều ưu điểm, và nhiều khi ở
một số nơi nó là một công cụ không thể thiếu được trong ứng dụng bê tông phun. Các nghiên
cứu ở trên là một ví dụ về tính ứng dụng trong thực tiễn của nó, việc phân tích và nghiên cứu là
hoàn toàn có hệ thống chứng mình rõ nét triển vọng phát triển của công nghệ mới này.
Cơ giới hóa và tự động hóa việc phun bê tông bằng các robot là một lĩnh vực còn mới mẻ, song
nó đã thể hiện những thành tựu rất đáng kể. Với sự phát triển của công nghệ hiện nay, bằng việc
ngày càng hoàn thiện của các thiết bị thì việc ứng dụng các thiết bị này là xu thế tất yếu. Tuy
nhiên việc sớm đưa các thiết bị này vào sản xuất còn phụ thuộc nhiều vào nhận thức của các nhà
kỹ thuật, các nhà thầu, sự cân đối giữa vốn đầu tư xây dựng công trình cũng như các nhân tố ưu
tiên trong xây dựng công trình.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1) Melbye, T., R.Dimmock and K.Garshol: “Sprayed Concrete for Rock Support”, 2001
2) Master Builder article: “Shotcrete Developments at Kidd Creek Mine”
3) Dr.Gustav Bracher, Sika Schweis AG, STM article: “Worldwide Sprayed Concrete: State-of-the-Art
Report”
4) Danh mục thiết bị thi công Công ty Sông Đà 10 – Tổng Công ty Sông Đà.