Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tính toán và thiết kế đầu khoan của thiết bị thi công đường hầm cỡ nhỏ (microtunnelling) theo phương pháp kích đầy (pipe jacking)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

--oOo--

TỐNG DUY PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT, TÍNH TỐN VÀ
THIẾT KẾ ĐẦU KHOAN CỦA THIẾT BỊ THI CƠNG
ĐƯỜNG HẦM CỠ NHỎ (MICROTUNNELLING)
THEO PHƯƠNG PHÁP KÍCH ĐẨY (PIPE JACKING)

Chuyên ngành

: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ XÂY DỰNG, NÂNG CHUYỂN

Mã số

: 60 52 10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :PGS.TS Nguyễn Hồng Ngân….Chữ ký: .... …

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ................................................ …...Chữ ký: .... …

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ................................................ …...Chữ ký: .... …

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên:

Tống Duy Phương

Ngày, tháng, năm sinh:

MSHV: 11300412
Nơi sinh: Kiên Giang

09-08-1986

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị xây dựng – nâng chuyển. Mã số: 60 52 10
I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tính tốn và thiết kế đầu khoan của
thiết bị thi công đường hầm cỡ nhỏ ( Microtunnelling) theo phương pháp kích đẩy
( Pipe jacking).
II. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Tìm hiểu, phân tích các cơng nghệ và thiết bị thi công đường hầm.
- Nghiên cứu công nghệ và thiết bị thi công đường hầm cỡ nhỏ theo phương
pháp kích đẩy.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính tốn cho bộ phận cơng tác.
- Tìm hiểu cấu tạo địa chất ở khu vực Tp. Hồ Chí Minh.
- Tính tốn các thơng số làm việc và thiết kế cấu tạo đầu khoan.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

02-07-2012
30-11-2012

PGS.TS Nguyễn Hồng Ngân

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CÁM ƠN

Đề tài luận văn “ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tính tốn và thiết kế đầu khoan của
thiết bị thi công đường hầm cỡ nhỏ ( Microtunnelling) theo phương pháp kích đẩy
(Pipe jacking)” được thực hiện với mục đích đưa ra nền tảng cơ bản cho việc ứng dụng
chế tạo thiết bị phục vụ cho các công trình ngầm ở Việt Nam.
Tơi xin chân thành cám ơn Cơ PGS.TS Nguyễn Hồng Ngân đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cám ơn Thầy PGS.TS Đặng Văn Nghìn đã tạo cơ hội cho tơi tìm
hiểu sâu hơn về các loại thiết bị thi công ngầm, đã tận tình hướng dẫn tơi trong q
trình tra cứu tài liệu.
Tơi xin cám ơn Cô Bùi Thị Kim Dung và các bạn trong lớp đã gợi mở tôi đến với đề
tài này.
Tơi cũng xin cám ơn mọi người gia đình, bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và tạo điều kiện
tốt để tơi có thể hồn thành đúng hạn luận văn này.
Luận văn này được thực hiện từ 7/2012 đến 11/2012. Vì thời gian có hạn nên khơng
thể tránh khỏi những thiếu sót trong luận văn này. Tơi rất mong nhận được sự đóng góp

từ q Thầy cơ giáo và bạn bè để đề tài này tiếp tục phát triển trong tương lai.
Xin chân thành cám ơn!

Tác giả luận văn:
Tống Duy Phương


TĨM TẮT LUẬN VĂN
- Phân tích đặc điểm của các công nghệ và thiết bị thi công ngầm trên thế giới. Đánh
giá ưu nhược điểm của các phương pháp. Lựa chọn công nghệ và thiết bị thi công phù
hợp với nhu cầu thi cơng cống ngầm cỡ nhỏ.
- Phân tích công nghệ và thiết bị thi công cống ngầm cỡ nhỏ “ Microtunnelling” theo
phương pháp kích đẩy “ Pipe jacking”. Phân tích ưu nhược điểm các loại cấu tạo đầu
khoan hiện nay, chọn phương án hợp lý.
- Tổng hợp cơ sở lý thuyết phục vụ cho q trình tính tốn bộ phận công tác và điều
kiện thi công. Các cơ sở lý thuyết đều được chọn lựa trong quá trình tham khảo các cơng
trình nghiên cứu của nhiều tác giả.
- Phân tích đánh giá điều kiện địa chất trong một khu vực cụ thể nhằm đưa ra miền
thông số phục vụ cho q trình tính tốn bộ phận cơng tác của hệ thống thiết bị.
- Tính tốn dựa trên miền thông số đã khảo sát, đưa ra biểu đồ quan hệ giữa các
thông số nhằm đánh giá, phục vụ cho quá trình thiết kế, chế tạo và vận hành thiết bị.
- Thiết kế sơ bộ cấu tạo bộ phận công tác, là nền tảng cơ bản cho quá trình thiết kế
cải tiến bộ phận công tác trong hệ thống thiết bị thi cơng đường hầm cỡ nhỏ ở các cơng
trình nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu và tìm hiểu của bản thân xuất phát từ
nhu cầu thực tế của xã hội. Các số liệu, cơng thức tính tốn đều có nguồn gốc rõ ràng,

dựa trên các kết quả đã được nghiên cứu từ trước. Các tài liệu tham khảo được ghi cụ thể
trong quá trình thực hiện luận văn. Kết quả trong quá trình tính tốn và thiết kế được
trình bày trong luận văn này đều được thực hiện nghiêm túc và trung thực.

Tác giả luận văn:
Tống Duy Phương


MỤC LỤC
Danh sách kí hiệu
Danh sách hình ảnh
Lời nói đầu
Nội dung chính:
Chương 1: Giới thiệu chung về cơng nghệ và thiết bị thi công đường hầm.
1.1
Các phương pháp thi công đường hầm trên thế giới. .................... 1
1.1.1 Phân loại công nghệ và thiết bị thi công ngầm. ........................ 2
1.1.2 Đặc điểm của công nghệ và thiết bị thi công ngầm ................... 2
1.2
Đặc điểm lựa chọn và chỉ tiêu đánh giá tính hiệu quả của cơng
nghệ.
1.2.1 Các chỉ tiêu lựa chọn cơng nghệ. ............................................... 4
1.2.2 Các chỉ tiêu đánh giá tính hiệu quả của công nghệ. ................. 6
1.3
Phân loại và đặc điềm của các thiết bị thi cơng tồn tiết diện.
1.3.1 Máy khoan đào Shield Machine. ............................................... 7
1.3.2 Máy khoan hầm TBM ( Tunnel Boring Machine). ................... 11
1.3.3 Máy khoan hầm cỡ nhỏ Microtunnelling. ................................. 15
Chương 2: Công nghệ và thiết bị thi công đường hầm bằng máy
Microtunnelling theo phương pháp Pipe Jacking.

2.1
Mô tả hệ thống thiết bị. ................................................................... 19
2.2
Nguyên lý làm việc của hệ thống thiết bị. ....................................... 22
2.3
Phân tích và lựa chọn cấu tạo đầu khoan chính của thiết bị.
2.3.1 Phân tích đặc điểm cấu tao các loại đầu khoan. ...................... 23
2.3.2 Lựa chọn cấu tạo đầu khoan chính của thiết bị. ..................... 33
Chương 3: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính tốn cho bộ phận cơng tác.
3.1
Cơ sở lý thuyết cắt đất đá.
3.1.1 Một số lý thuyết tính tốn q trình cắt đất bằng lưỡi cắt.
3.1.1.1 Phương pháp xác định lực cản cắt đất của
N.G.Dombrovski. ................................................................. 35
3.1.1.2 Lý thuyết cắt đất của Evans. ............................................... 36
3.1.1.3 Lý thuyết cắt đất của Nishimatsu. ...................................... 37
3.1.2 Một số lý thuyết tính tốn q trình cắt đất bằng đĩa cắt.
3.1.2.1 Mơ hình đĩa cắt đơn dạng chữ V của Roxborough và
Phillips. ................................................................................ 38


3.1.2.2 Lý thuyết cắt của Sanio ....................................................... 39
3.1.2.3 Lý thuyết cắt của Saffet Yagiz. ........................................... 40
3.1.2.4 Lý thuyết cắt đất của Dots Oyenuga. .................................. 41
3.1.2.5 Mơ hình lý thuyết CSM. ...................................................... 43
3.2
Cơ sở lý thuyết tính tốn áp lực đất tác dụng lên đầu khoan.
3.2.1 Phương pháp xác định áp lực thủy tĩnh. ................................... 44
3.2.2 Tính tốn áp lực của đất theo lý thuyết của C.A.Coulomb. ..... 44
3.2.3 Tính tốn áp lực của đất theo lý thuyết cân bằng giới hạn phân

tố. ................................................................................................ 45
3.2.4 Tính tốn áp lực đất tác dụng lên đầu khoan theo nghiên cứu
của George Milligan & Paul Norris........................................... 45
3.2.5 Tính tốn áp lực của đất theo lý thuyết V.V.Xoclovski. ........... 46
3.3
Cơ sở lý thuyết tính tốn tốc độ thi cơng của đầu khoan.
3.3.1 Lý thuyết tính tốn của Hustrulid và Fairhust............................... 46
3.3.2 Lý thuyết tính tốn của S. Kahraman, N. Bilgin, C.
Feridunoglu. ............................................................................... 47
3.3.3 Lý thuyết tính tốn của T. Ramamurthy. ................................. 49
3.3.4 Lý thuyết tính tốn của Boyd (1986). ........................................ 50
3.4
Cơ sở lý thuyết tính tốn bước tiến của đầu khoan.
3.4.1 Lý thuyết tính tốn của Richard Kastner. ................................ 50
3.4.2 Lý thuyết tính tốn của Palmström A. ...................................... 51
3.5
Cơ sở lý thuyết nghiền đất đá. ........................................................ 53
3.6
Cơ sở lý thuyết về lực đẩy ống và áp lực tác dụng lên ống.
3.6.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn lực đầy ống. ....................................... 57
3.6.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn áp lực tác dụng lên ống. ................... 60
3.7
Cơ sở lý thuyết tính tốn hệ thống vận chuyển bùn lỗng. ............ 68
3.8
Cơ sở lý thuyết tính tốn các thơng số khác của đầu khoan.
3.8.1 Tính tốn khoảng cách giữa các đĩa cắt. ................................... 71
3.8.2 Tính tốn số lượng đĩa cắt. ........................................................ 71
3.8.3 Tính tốn lượng hao mịn của đĩa cắt. ....................................... 71
3.8.4 Tính tốn tốc độ quay của đầu khoan. ...................................... 72
3.8.5 Tính tốn momen xoắn của cụm đĩa cắt. .................................. 72

3.8.6 Tính tốn cơng suất dẫn động cụm đĩa cắt. .............................. 72
Chương 4: Phân tích điều kiện địa chất ở TP Hồ Chí Minh.
4.1
Các đặc tính cơ lý chính của đất. .................................................... 73
4.2
Đặc điểm địa chất ở khu vực TP Hồ Chí Minh. ............................. 76


Chương 5: Tính tốn các thơng số và thiết kế đầu khoan chính.
5.1
Sơ đồ tính tốn. ................................................................................ 79
5.2
Tính tốn các thơng số chính:
5.2.1 Điều kiện bài tốn. ..................................................................... 80
5.2.2 Các thông số của cụm đĩa khoan. .............................................. 80
5.2.3 Tốc độ thi công. .......................................................................... 81
5.2.4 Bước tiến của đầu khoan. .......................................................... 82
5.2.5 Tốc độ quay của đầu khoan. ...................................................... 85
5.2.6 Các thành phần lực cắt đất. ....................................................... 86
5.2.7 Công suất cắt đất. ....................................................................... 90
5.2.8 Công suất nghiền vật liệu. .......................................................... 92
5.2.9 Áp lực tác dụng lên đầu khoan. ................................................. 94
5.3
Kết cấu đầu khoan.
5.3.1 Cụm đĩa cắt. ............................................................................... 95
5.3.2 Khoang nghiền. .......................................................................... 96
5.3.3 Khoang dẫn động. ...................................................................... 96
5.3.4 Khoang lái. ................................................................................. 97
5.3.5 Tổng thể đầu khoan. .................................................................. 97
Kết luận và kiến nghị. ......................................................................................... ..99

Phụ lục:
Phụ lục I: Các loại bảng tra.
Phụ lục II: Các bản vẽ kết cấu đầu khoan.
Tài liệu tham khảo.
Lý lịch trích ngang.


DANH SÁCH KÍ HIỆU

w – chiều rộng phoi cắt.
p – chiều sâu cắt.
– lực cản cắt riêng.
– hệ số tỉ lệ.
FC – lực cắt ngang thành phần phụ thuộc vào hướng chuyển động của dụng cụ cắt.
FN – lực cắt đứng thành phần tác động tới bề mặt đất đá theo độ xuyên sâu.
F – lực cắt tạo bởi dụng cụ cắt lên khối đá.
– độ bền kéo của đất đá.
p – độ xuyên sâu.
w – bề rộng dụng cụ cắt.
– góc má sát bên trong đất đá.
– góc cào của dụng cụ cắt.
– góc ma sát giữa dụng cụ cắt và đất đá.
– là phân nửa góc của dụng cụ cắt so với mặt phẳng cắt.
kn – hệ số phân bố áp suất.
– cường độ kháng nén dọc trục.
dc – đường kính đĩa cắt.
– góc cắt của lưỡi dao.
– áp lực thủy tĩnh trong khu vực cắt.
k – là hệ số cắt ( k=Fr/Fn)
a – hệ số xuyên sâu.

S – khoảng cách các lưỡi cắt.


KIc – độ bền chống gãy của đất đá xác định theo phương pháp ISRM.
- lực đẩy.
T - chiều rộng đĩa cắt.
R - bán kính đĩa cắt.
P - áp lực tác dụng lên đầu cắt.
Pc - công suất cụm đĩa cắt.
- Số xy lanh đẩy.
′

- áp lực đẩy của xylanh.

dp - đường kính biston .
n - số lượng đĩa cắt.
- khoảng cách từ tâm đến khối lượng trung bình của đĩa cắt.
′

- công suất cần cung cấp.

rd - tốc độ quay của đĩa cắt.
- áp lực hướng đứng do tải tập trung gây ra.
P0 - tải tập trung.
z - độ sâu so với mặt đất.
RH - bán kính bề mặt chịu áp lực.
- Áp lực dọc trục theo tải tập trung.
r - bán kính tại điểm đặt lực.
- hệ số poison.
– tổng lực cắt tính tốn.

– góc tiếp xúc giữa đĩa cắt và đất đá.
Ψ – hệ số lũy thừa.
C – hệ số thực nghiệm.


– áp lực cân bằng.
– khối lượng riêng của đất.
– hệ số áp lực của đất.
– góc ma sát..
– áp lực chủ động lớn nhất
– hệ số áp lực chủ động của đất.
– áp lực bị động nhỏ nhất.
– hệ số áp lực bị động của đất.
c – lực dính của đất.
E – môdul đàn hồi .
p – áp lực bên trong.
Do – đường kính ống.
Hr – tổng độ cứng theo Tarkoy.
fL – hệ số ảnh hưởng do ma sát.
Tq – momen đầu khoan.
RPM – tốc độ quay của đầu khoan.
Vmax – tốc độ cho phép của đĩa cắt.
i – tốc độ đào cơ bản.
PR – tốc độ thi công.
M – lực đẩy trung bình của lưỡi cắt.
Kc – hệ số cắt.
in – mức phân chia vật liệu.
Dvl – kích thước ban đầu của cục vật liệu.
dvl – kích thước sau khi nghiền.

A – công riêng tiêu tốn cho việc nghiền.
k – hệ số không đổi.
ktl – hệ số tỉ lệ
ΔV – thể tích biến hình của cục vật liệu bị phá.
Δl – biến dạng của vật.
σ - ứng suất xuất hiện khi biến dạng.
l – chiều dài ban đầu của vật liệu biến dạng.
F – diện tích mặt cắt của vật liệu.
Phead - lực cần thiết để di chuyển đầu cắt.
Pfriction – lực đẩy hệ thống ống di chuyển.
– lực đẩy cần thiết của ống thứ 1.
– lực đẩy cần thiết trên ống thứ 2.
- lực ma sát giữa thành ống với dung dịch bôi trơn.
- chiều dài ống.
- hệ số ma sát giữa chất lỏng và thành ống.
- Áp lực cản.
- áp lực tối thiểu.
′

,

- áp lực tối thiểu theo phương ngang.

- áp lực nước.
wg - khoảng cách chênh lệch giữa lỗ khoan và đường kính ống.
Fb - lực tới hạn xảy ra sự mất ổn định.
E.I - độ cứng uốn của đường ống.
t – độ dày thành ống.
tj – độ dày thành ống tại vị trí điểm j.

,

,

- Áp lực đất.

L1 - chiều dài đoạn ống đầu.
- độ cứng của betong.
– hệ số tại do lực đẩy lệch tâm.
– áp lực tĩnh bên trên thàng ống.
′

- áp lực tĩnh bên dưới thành ống.
- áp lực ngang ở 2 bên thành ống.
– tải trọng đất.
– diện tích tiếp xúc giữa phần đệm và bề mặt ống.
– hệ số tải trong quá trình đẩy ống.
– chiều rộng lớn nhất của hầm khoan.
- khối lượng trên một đơn vị đất.

– độ bền của lớp đất đá.
−

– tải giới hạn trong quá trình kiểm tra.

– hệ số phụ.
– hệ số an toàn.
U – tốc độ làm việc của bơm hỗn hợp.

– ư

ượ

ủ

ơ .

– kích thước cục vật liệu lớn nhất.
μ – nồng độ của hỗn hợp.
– tỷ trọng các phần tử vật liệu.
C1 - hệ số kinh nghệm.
∑

– tổng tổn thất áp suất trên các đoạn nằm ngang.


– tỷ trọng vật liệu.
– lưu lượng nước.
∑

đ

– tổn thất áp suất trên các đoạn ống đứng.

Vx – thể tích đất đã xới lên.
Vc – thể tích đất ở dạng tự nhiên.


DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại các phương pháp thi cơng ngầm
Hình 1.2 Phương pháp NATM
Hình 1.3 Máy bánh xích
Hình 1.4 Máy đào RH
Hình 1.5 Khiên đào RH
Hình 1.6: MáyKhoan hầm TBM
Hình 1.7: Hệ thống thiết bị máy đào MTBM
Hình 1.8: Sơ đồ quy trình lựa chọn cơng nghệ thi cơng
Hình 1.9: Biểu đồ quan hệ giữa chi phí và chiều dài giữa các cơng nghệ thi cơng
Hình 1.10: Sơ đồ phân loại các phương pháp thi cơng tồn tiết diện
Hình 1.11: Sơ đồ phân loại các máy đào Shield
Hình 1.12 Mơ hình shield đào bằng tay
Hình 1.13: Mơ hình shield đào một phần bằng máy
Hình 1.14: Mơ hình shield đào bằng máy
Hình 1.15 Mơ hình shield đào điều chỉnh độ đóng mở
Hình 1.16: Mơ hình shield đào dùng áp lực đất
Hình 1.17: Mơ hình shield đào dùng áp lực đất bùn
Hình 1.18: Mơ hình shield đào dùng áp lực nước bùn
Hình 1.19: Sơ đồ phân loại máy đào TBM
Hình 1.20: Máy Gippers TBM
Hình 1.21: Cấu tạo máy slurry TBM
Hình 1.22: Máy Mix shield TBM
Hình 1.23: Cấu tạo máy khoan hầm cân bằng
Hình 1.24: Cấu tạo máy khoan hầm khiên đơn
Hình 1.25: Cấu tạo máy khoan hầm khiên đơi
Hình 1.26: Thi cơng hầm bằng phương pháp ghép tấm
Hình 1.27: Thi cơng hầm bằng phương pháp phun bêtơng


Hình 1.28: Sơ đồ phân loại máy đào MTBM

Hình 1.29: Máy khoan HDD
Hình 1.30: Máy khoan loại Direct pipe
Hình 1.31: Máy khoan theo phương pháp Pipe jacking
Hình 2.1: Cấu trúc các thành phần trong hệ thống thi công theo phương pháp pipe
jacking
Hình 2.2: Sơ đồ cấu tạo chính của hệ thống thiết bị
Hình 2.3: Sơ đầu cấu tạo cụm đầu khoan
Hình 2.4: Sơ đồ các trạm kích thủy lực
Hình 2.5: Sơ đồ các thành phần hỗ trợ thi cơng
Hình 2.6: Sơ đồ các thành phần trong hệ thống định vị
Hình 2.7: Sơ đồ các thành phần trong trạm điều khiển
Hình 2.8: Cấu tạo đầu khoan loại A
Hình 2.9: Cấu tạo đầu khoan loại B
Hình 2.10: Cấu tạo đầu khoan loại C
Hình 2.11: Cấu tạo đầu khoan loại D
Hình 2.12: Cấu tạo đầu khoan loại E
Hình 2.13: Cấu tạo đầu khoan loại F
Hình 3.1: Sự tạo thành phoi cắt và khối lăn do lưỡi cắt ứng với các loại đất.
Hình 3.2: Thơng số hình học của lưỡi cắt và lực cản cắt.
Hình 3.3: Thơng số hình học của lưỡi cắt.
Hình 3.4: Ứng suất tạo ra trong quá trình làm việc của đĩa cắt
Hình 3.5: Vết nứt tạo thành giữa 2 đĩa cắt.
Hình 3.6: Thành phần lực tác dụng lên đĩa cắt.
Hình 3.7: Áp lực tác dụng lên đầu khoan.
Hình 3.8: Biểu đồ quan hệ giữa PR và
Hình 3.9: Biểu đồ quan hệ giữa PR và
Hình 3.10: Biểu đồ quan hệ giữa PR và E


Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ giữa DRI và các nhóm đất đá.

Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ giữa đường đầu khoan, đĩa cắt và lực cắt.
Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ giữa đường kính đĩa cắt và kd
Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ giữa khoảng cách đĩa cắt và ka
Hình 3.15: Biểu đồ ảnh hưởng của hệ số keq
Hình 3.16: Mơ hình tính tốn áp lực tác dụng lên ống.
Hình 3.17: Quá trình mất ổn định trong quá trình đẩy ống.
Hình 3.18: Phân tích q trình mất ổn định khi đẩy ống.
Hình 3.19: Lực tác dụng lên ống trong q trình thi cơng.
Hình 3.20: Phân tích lực tại giao tuyến giữa 2 ống.
Hình 3.21: Phân tích lực tác dụng lên đoạn ống đầu.
Hình 3.22: Phân tích lực tác dụng lên đoạn ống theo mặt cắt ngang.
Hình 3.23: Phân tích lực tác dụng lên đoạn ống trung gian.
Hình 3.24: Phân tích lực tác dụng lên đoạn ống cuối.
Hình 5.1: Sơ đồ khối.
Hình 5.2: Biểu đồ tra tốc độ thi cơng theo
Hình 5.3: Giá trị Keq.
Hình 5.4: Biểu đồ quan hệ giữa đường đầu khoan, đĩa cắt và lực cắt.
Hình 5.5: Biểu đồ ảnh hưởng của hệ số keq
Hinh 5.6: Biểu đồ quan hệ giữa

và RPM.

Hình 5.7: Biểu đồ tính tốn lực Fn theo [9]
Hình 5.8: Biểu đồ tính tốn lực Fr theo [9]
Hình 5.9: Biểu đồ tính tốn lực Fr theo [11]
Hình 5.10: Biểu đồ tính tốn lực Fn theo [11]
Hình 5.11: Biểu đồ cơng suất dẫn động cụm đĩa cắt
Hình 5.12: Kích thước má.
Hình 5.13: Biểu đồ cơng suất nghiền
Hình 5.14: Cấu tạo cụm đĩa cắt

Hình 5.15: Cấu tạo khoang nghiền.


Hình 5.16: Cấu tạo khoang dẫn động.
Hình 5.17: Cấu tạo khoang lái.
Hình 5.18: Hình dạng tổng thể đầu khoan.
Hình 5.19: Cấu tạo đầu khoan


LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, tốc độ phát triển kinh tế, xã hội ở các khu vực thành phố
lớn phát triển rất nhanh, kéo theo đó là sự bùng nổ về dân số. Dân số tăng dẫn đến diện tích
đất sử dụng ngày càng bị thu hẹp, tình hình giao thơng càng ngày càng trở nên căng thẳng.
Ở các nước phát triển trên thế giới, việc sử dụng không gian ngầm và trên không để
phục vụ cho quá giao thông, cho phục vụ sinh hoạt là rất phổ biến. Các công nghệ và thiết bị
thi công được nghiên cứu và chế tạo rất nhiều. Hiện nay các thiết bị thi cơng này có thể thi
cơng đường hầm ở nhiều hình dạng tiết diện khác nhau, và đường kính thi cơng cũng rất lớn.
Trong khi đó, các thiết bị này đối với nước ta là khá mới mẻ đang được nghiên cứu.
Đề tài luận văn này khơng ngồi mục đích là mong muốn góp một phần nhỏ trong việc
nghiên cứu và chế tạo ra một thiết bị phục vụ cho các cơng trình ngầm.
Vì đây là đề tài mới, cần sự đóng góp nghiên cứu nhiều, nên giới hạn trong luận văn
này chỉ là tìm hiểu các cơ sở lý thuyết tính tốn và thiết kế sơ bộ cấu tạo của bộ phận công
tác.

Tác giả luận văn:
Tống Duy Phương


Luận Văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn HồngNgân

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ THI CÔNG
ĐƯỜNG HẦM
1.1 Các phương pháp thi công đường hầm trên thế giới.
Hầm và các khơng gian ngầm ngày càng có vai trị quan trọng trong một hệ thống
giao thông hiện đại. Hầu hết các khu vực đô thị trên thế giới đều phải đối mặt với nhiều
vấn đề lớn, đặc biệt là giao thơng. Kết cấu hạ tầng cũ nhìn chung là lỗi thời, khơng cịn
đáp ứng được nhu cầu đi lại và vận chuyển không ngừng gia tăng. Trong bối cảnh đó thì
khơng gian giao thơng theo hướng trên cao và theo hướng đi ngầm trong lòng đất một
lần nữa lại được khám phá. Hơn nữa, cơng trình hầm có những ưu thế vượt trội so với
các loại hình giao thơng khác nhờ sự đi lại nhanh chóng, tiện lợi, và an toàn cao, nhất là
trong trường hợp thiên tai, chiến sự. Có thể nói giao thơng ngầm là xu thế phát triển tất
yếu của một nền kinh tế hiện đại của thế giới.
Hiện có rất nhiều phương pháp đào hầm, có thể tạm chia thành 3 nhóm như sau:
Phương pháp đào và lấp (đào hở), đào kín, phương pháp hầm dìm (khi thi cơng hầm
trong nước. Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm nhất định và tuỳ từng
điều kiện địa chất, hiện trường, khả năng công nghệ cụ thể mà có thể vận dụng hợp lý.
- Hiện nay có rất nhiều phương pháp thi cơng hầm. Ta có thể chia ra 3 nhóm
chính:
+ Phương pháp đào và lấp ( phương pháp thi công lộ thiên).
+ Phương pháp thi cơng ngầm ( thi cơng kín).
+ Phương pháp hầm dìm ( khi thi cơng hầm dưới nước).
=> Mỗi nhóm điều có những ưu nhược điểm nhất định tùy theo điều kiện địa
chất, kinh tế, khả năng công nghệ, hiện trường… mà ta áp dụng cho phù hợp

HVTH: Tống Duy Phương

1

Luận Văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn HồngNgân

1.1.1 Phân loại công nghệ và thiết bị thi công ngầm:

Các PP thi công ngầm

PP thi cơng từng phần

Khoan- nổ
mìn

Máy đào
xúc, máy xới

Máy đào RH

PP thi cơng tồn tiết diện

Máy khoan
hầm TBM

Máy khiên
đào SM

Micro
tunneling

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại các phương pháp thi công ngầm
1.1.2 Đặc điểm của công nghệ và thiết bị thi cơng ngầm.
Tên phương
Thiết bị đi kèm
Đặc diểm
pháp
Khoan- nổ mìn - Máy khoan, máy xúc, thiết bị kích chất nổ, - Thi công chủ yếu
( NATM)
thiết bị gia cố hầm…
bằng chất nổ, sau đó
máy xúc hoạt động
lấy đất đá và định
hình đường kính
hầm, chống đỡ bằng
các khung thép, cuối
cùng gia cố lại bằng
lớp bê tơng.

Máy đào xúc,
máy xới

Hình 1.2 Phương pháp NATM
- Thiết bị chính là máy khoan, máy xúc và máy - Thi cơng tương tự
xới.
như phương pháp
NATM nhưng thay
vì nổ mìn thì phương
pháp này thi cơng
chủ yếu bằng khoan,

đào, móc từng phần

HVTH: Tống Duy Phương

2


Luận Văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn HồngNgân
sau đó gia cố lại
bằng lớp bê tơng cốt
thép.

Máy đào
Roadheader
(RH)

Hình 1.3 Máy bánh xích
- Thiết bị thi công là các máy đào liên hợp - Thi công tương tụ
chuyên dùng (RH) hoặc các máy búa thủy lực.
như phương pháp
đào xúc nhưng thay
vào đó là máy đào
liên hợp chun dùng
cho thi cơng đường
hầm.

Hình 1.4 Máy đào RH
Máy khiên đào - SM là một thiết bị vừa thi công vừa chống đỡ - Sự khác biệt lớn

Shield
vừa gia cố, có thể đào bằng sức người hoặc tổ giữa phương pháp
Machine (SM) hợp máy RH hoặc sử dụng đầu khoan.
này so với các
phương pháp trên là
thi công tồn tiết
diện, vừa thi cơng
vừa chống đỡ.

Máy khoan
hầm Tunnel
Boring
Machine
(TBM)

Hình 1.5 Khiên đào RH
- TBM là hệ thống thiết bị bao gồm các chức - Tương tự như
năng khoan cắt, chống đỡ và gia cố đường hầm phương pháp dùng
bằng cơ giới hóa.
máy SM, TBM là
thiết bị thi cơng tồn
tiết diện, được điều
khiển và cơ giới hóa

HVTH: Tống Duy Phương

3


Luận Văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn HồngNgân
hồn tồn, có khả
năng thi cơng các
đường hầm lớn.

Micro
tunneling (MT
or MTBM)

Hình 1.6: MáyKhoan hầm TBM
- Bộ kích thủy lực, điểu khiển từ xa, các đoạn - Tương tự như
ống đúc sẵn và sử dụng đầu cắt MT
phương pháp TBM,
kích ống là phương
pháp này là ép từng
đoạn ống với sự dẫn
hướng của đầu cắt
MT, tương đối hiệu
quả cho các đường
ống có kích thước
vừa và nhỏ, năng
suất cao, chi phí
thấp.
Hình 1.7: Hệ thống thiết bị máy đào MTBM

1.2 Quy trình lựa chọn và chỉ tiêu đánh giá tính hiệu quả của thiết bị:
1.2.1 Các chỉ tiêu lựa chọn cơng nghệ:
- Trong q trình thi cơng đường hầm thì việc chọn được một phương pháp thi
cơng hợp lý rất quan trọng. Có thể trong cùng một hệ thống đường hầm nhưng được áp

dụng nhiều phương pháp thi công khác nhau.
- Để chọn một phương pháp thi công hợp lý, dựa theo quy trình sau:

HVTH: Tống Duy Phương

4


Luận Văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn HồngNgân
Mục đích sử dụng

Các yếu tố ảnh hưởng

Điều kiện thi cơng

Phương pháp thi cơng

Hình 1.8: Sơ đồ quy trình lựa chọn cơng nghệ thi cơng
- Mục đích sử dụng là cơng dụng của đường hầm sau khi thi công: đường hầm
giao công, đường ống dẫn nước, đường dây điện ngầm…
- Các yếu tố ảnh hưởng: ở đây ta chia thành 3 nhóm yếu tố chính:
+ Kích thước đường hầm bao gồm: đường kính, chiều dài, hình dạng…

Hình 1.9: Biểu đồ quan hệ giữa chi phí và chiều dài giữa các cơng nghệ thi cơng
+ Đặc điểm của đường hầm bao gôm: chiều sâu hầm, độ cong hầm…
+ Yếu tố xung quanh bao gồm: các cơng trình xung quanh, mơi trường,
tiếng ồn…
- Điều kiện thi cơng: ở đây ta nói đến điều kiện địa chất khu vực được thi công

bao gồm: thi công qua đồi núi, thi công hầm dưới vùng nước, thi công trong đô thi…

HVTH: Tống Duy Phương

5