MÁY VÀ THIẾT BỊ THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình "Máy và thiết bị thi công công trình ngầm" (lưu hành dưới tiêu đề nghiên cứu Máy Thi Công Công Trình Ngầm Hiện Đại) do TS. Đoàn Đình Điệp (Chủ biên) cùng ThS. Vi Văn Định biên soạn, thuộc Bộ môn Kinh tế – Máy Xây dựng, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội (xuất bản năm 2010).

Về vị trí trong chương trình đào tạo, tài liệu phục vụ trực tiếp cho học phần chuyên ngành thuộc chương trình đào tạo kỹ sư Xây dựng Công trình ngầm đô thị, đồng thời là học phần bổ trợ kiến thức cho sinh viên các ngành Xây dựng Dân dụng – Công nghiệp và Kỹ thuật Hạ tầng đô thị.

Mục tiêu học tập của giáo trình là trang bị cho người học hệ thống kiến thức toàn diện về cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại và phương pháp tính toán công năng của các chủng loại máy móc, thiết bị chuyên dụng phục vụ thi công công trình ngầm. Sau khi hoàn thành học phần, người học có năng lực phân tích công nghệ, tính toán các thông số kỹ thuật cơ bản và lựa chọn giải pháp thiết bị cơ giới phù hợp với từng điều kiện địa chất và công nghệ thi công tuyến ngầm đô thị, hầm giao thông, hầm thủy điện và công trình mỏ.

Giáo trình được cấu trúc thành 8 chương theo nguyên tắc tiếp cận bám sát các giải pháp công nghệ thi công chính (đào hở, đào kín, khoan nổ mìn, khiên đào TBM, NATM), đi từ kiến thức dẫn động – phát lực nền tảng đến các thiết bị công tác chuyên biệt và phụ trợ. Điểm đặc sắc của tài liệu là sự kết hợp giữa hệ thống lý thuyết chuẩn mực với dữ liệu kỹ thuật từ các hãng sản xuất thiết bị ngầm quốc tế và kinh nghiệm thực tế tại các dự án ngầm lớn ở Việt Nam.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được phân bổ theo trình tự logic chặt chẽ từ nguyên lý cơ sở đến ứng dụng chuyên sâu qua các chương trọng tâm:

  • Chương 1: Khái niệm chung về công nghệ và máy thi công công trình ngầm: Trình bày hai nguyên tắc tổ chức thi công tuyến ngầm (theo dây chuyền đồng bộ và theo chu kỳ phân ca); phân loại công nghệ thi công (đào kín: mỏ truyền thống, khiên đào, NATM; đào hở: hố móng, tường trong đất, khiên hở, hạ dìm, hạ dần). Khảo sát cấu tạo, nguyên lý và chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật của các tổ máy phát lực (động cơ đốt trong diesel/xăng, động cơ điện, bơm dầu thủy lực, máy nén khí) cùng các hệ thống truyền động cơ khí (bánh răng thân khai/Nôvicôv, trục vít – bánh vít, bộ truyền xích), truyền động thủy lực (mạch hở/kín, xi lanh, mô-tơ thủy lực), truyền động điện và truyền động khí nén.
  • Chương 2: Máy và thiết bị trong các công nghệ đào hở: Khảo sát các công nghệ thi công hố móng lộ thiên, đào hào phân đoạn kết hợp tường trong đất, đào hào kết hợp khiên hở chữ U, phương pháp hạ chìm và hạ dần. Phân tích chi tiết cấu tạo, chu kỳ làm việc và công thức tính toán năng suất của máy đào một gầu (gầu nghịch thủy lực ở độ sâu $\le 10\text{ m}$, gầu ngoạm cơ khí ở độ sâu $> 10\text{ m}$); các hệ máy đào cọc barrette và tường trong đất (dẫn động cơ khí rơi tự do, dẫn động thủy lực treo cáp, thủy lực kết hợp khung dẫn hướng, thủy lực dẫn hướng cứng kiểu ống lồng); thiết bị cổng trục lắp ráp tải trọng lớn ($\ge 100\text{ tấn}$).
  • Chương 3: Máy và thiết bị trong các công nghệ đào kín kết hợp khoan phá và khoan nổ mìn: Trình bày 3 sơ đồ công nghệ mỏ truyền thống (kết hợp máy đào liên hợp combai, kết hợp khoan nổ mìn, kết hợp đào thủ công); nguyên lý phương pháp mới của Áo (NATM) do K.V. Rabcewicz đề xuất dựa trên nguyên tắc phun bê tông và neo gia cố nhằm tận dụng khả năng tự chịu tải của đất đá; công nghệ "chống trước đào sau" kết hợp khoan phụt vữa cao áp gia cố nền đất yếu.
  • Chương 4: Máy thi công tuyến ngầm bằng công nghệ khiên và tổ hợp khiên: Phân loại toàn diện các hệ thống khiên đào: khiên thủ công, khiên bán thủ công, tổ hợp khiên cơ giới hóa hoàn toàn cho đất mềm (Soft Ground Non Pressurized), tổ hợp khiên cân bằng áp lực đất (EPB - Earth Pressure Balance), tổ hợp khiên cân bằng áp lực dung dịch bentonite (SPB - Slurry Pressure Balance), tổ hợp khiên đơn và khiên đôi (Single and Double Shield TBMs), và tổ hợp máy đào một càng cho nền đá cứng (Main Beam TBM).
  • Chương 5: Máy bốc xúc và vận chuyển đất đá trong tuyến tunnel ngầm: Phân loại và cấu tạo các máy bốc xúc chu kỳ và liên tục (máy cào vơ); hệ thống vận chuyển liên tục (băng tải, vít tải, gầu tải) và không liên tục (ô tô tải hầm lò, tàu điện/xe goòng đường sắt hầm lò); máy nâng chuyển giếng đứng.
  • Chương 6: Máy làm bê tông trong công trình ngầm: Khảo sát thiết bị phun vữa bê tông khô và ướt gia cố vách lò tạm thời; hệ thống ván khuôn di động; máy bơm bê tông, máy trộn, máy làm chặt bê tông, máy ép vữa và thiết bị lắp ráp vỏ lò vĩnh cửu.
  • Chương 7: Máy và thiết bị phụ trợ: Nghiên cứu máy và thiết bị xử lý nền đất yếu bằng công nghệ trộn sâu tại chỗ (Mix-in-situ) và khoan phụt vữa cao áp (KPVCA); hệ thống thông gió hầm lò; thiết bị laser định vị hướng đào; máy tách đất, máy bơm bùn, hệ thống chiếu sáng và an toàn hầm ngầm.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Tài liệu cung cấp nền tảng tính toán cơ sở thông qua các công thức và quy luật kỹ thuật:

  • Nguyên lý nhiệt động và cơ học động cơ: Mối liên hệ hành trình pittông $S = 2r$, dung tích công tác xi lanh $V_s = \frac{\pi D^2}{4} S$, dung tích làm việc toàn bộ $V_h = V_s \cdot i$, tỷ số nén $\varepsilon = \frac{V_s + V_c}{V_c}$.
  • Chỉ tiêu vận hành động cơ: Hệ số vượt tải $\phi_{vt} = \frac{M_{max}}{M_0}$, hệ số thay đổi vận tốc quay $\lambda_v = \frac{n_0}{n_{min}}$, cường độ làm việc liên tục của động cơ điện $PV% = \frac{\sum t_{60^\circ}}{60} \times 100%$.
  • Cơ học truyền động: Tỷ số truyền $i = \frac{n_1}{n_2} = \frac{\omega_1}{\omega_2}$, hiệu suất $\eta = \frac{N_2}{N_1}$, quan hệ giữa công suất, tốc độ và mô-men xoắn $M = 9500 \frac{N}{n}$.
  • Tính toán năng suất thực tế của máy đào một gầu: $$N_s = q_0 \cdot \frac{K_d}{K_t} \cdot K_{tg} \cdot n_{ck} \quad (\text{m}^3/\text{h})$$ (Trong đó: $q_0$ là dung tích hình học gầu; $K_d$ là hệ số đầy gầu $0{,}8 \div 1{,}25$; $K_t$ là hệ số tơi của đất $1{,}08 \div 1{,}45$; $K_{tg}$ là hệ số sử dụng thời gian $0{,}8 \div 0{,}9$; $n_{ck}$ là số chu kỳ làm việc trong một giờ).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật: Đọc và phân tích thành thạo các sơ đồ nguyên lý mạch thủy lực (mạch hở/kín, van tiết lưu, van an toàn, xi lanh, mô-tơ), sơ đồ truyền động cơ khí, sơ đồ mắc cáp cổng trục tải trọng lớn.
  • Kỹ năng phân tích: Đánh giá tính tương thích giữa điều kiện địa chất công trình (đất mềm, đá cứng, bùn ngập nước) với giải pháp thiết bị (TBM cân bằng áp lực đất EPB, TBM cân bằng dung dịch SPB, máy combai hoặc khoan nổ mìn).
  • Kỹ năng thực hành: Tính toán, định mức năng suất thiết bị cơ giới; thiết kế tổ chức thi công đồng bộ giữa các khâu đào đất, bốc xúc, vận chuyển, gia cố tạm và xây dựng vỏ hầm vĩnh cửu.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp tiếp cận sư phạm

Giáo trình kết hợp phương pháp diễn dịch lý thuyết kỹ thuật máy móc với phương pháp phân tích thực nghiệm. Nội dung giảng dạy được tổ chức đi từ nguyên lý của các bộ phận động lực và truyền động dùng chung, sau đó quy nạp vào từng dây chuyền công nghệ thi công công trình ngầm cụ thể.

Bài tập và phân tích dự án thực tế

Tài liệu tích hợp các số liệu thực địa và sơ đồ thiết bị từ các công trình ngầm thực tế tại Việt Nam:

  • Tuyến hầm thủy lực tại Nhà máy Thủy điện A Vương, Thủy điện Bản Chát, Thủy điện Ngòi Phát (thực hiện bởi Tổng công ty Xây dựng Lũng Lô và Tổng công ty LICOGI).
  • Các dự án đào lò, khai thác than hầm lò thuộc Tổng công ty Than Việt Nam.
  • Các mô hình thi công tường trong đất, tầng hầm nhà cao tầng theo công nghệ Top-down bằng máy đào gầu ngoạm và cọc barrette.

Đánh giá và hướng dẫn tự học

  • Người học được hướng dẫn sử dụng Bảng ký hiệu tiêu chuẩn hệ thống thủy lực – khí nén (Bảng 1.1 trong giáo trình) để phân tích nguyên lý làm việc của các tổ máy phức tạp.
  • Sử dụng hệ thống công thức giải tích chuẩn mực để giải quyết các bài toán định lượng: chọn công suất động cơ, tính toán dung tích xi lanh, xác định tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng/trục vít/xích, và tính năng suất dây chuyền thi công.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Hợp tác kỹ thuật và tư liệu chính hãng: Giáo trình tích hợp các tài liệu kỹ thuật, thông số và hình ảnh chuyên sâu do phòng Marketing & Corporate Communication của hãng sản xuất thiết bị đào hầm Herrenknecht AG (CHLB Đức) trực tiếp cung cấp thông qua ông Florian Kulke và bà Sarah Uhl.
  • Cập nhật công nghệ quốc tế: Bổ sung các công nghệ cơ giới hóa hiện đại trên thế giới mà các tài liệu trong nước cùng thời kỳ chưa đề cập toàn diện, bao gồm thiết bị của các tập đoàn hàng đầu: Wirth, Putzmeister (Đức), Hitachi Ltd., Mitsubishi Heavy Industries (Nhật Bản), Lovat (Canada), Robbins, Caterpillar (Hoa Kỳ), Palmieri (Ý), cùng các tài liệu mạng lưới đường sắt đô thị Metro của Liên bang Nga.
  • Kế thừa có chọn lọc: Kế thừa và phát triển có hệ thống nền tảng lý thuyết máy xây dựng từ các công trình học thuật tiêu biểu của GS. Nguyễn Văn Hùng, Lưu Bá Thuận ("Máy xây dựng") và Nguyễn Xuân Trọng ("Thi công hầm và công trình ngầm").
  • Gắn kết thực tiễn thi công trong nước: Tổng kết các kinh nghiệm kỹ thuật trực tiếp của các tác giả qua nhiều năm công tác tại Tổng công ty Xây dựng Lũng Lô, Tổng công ty LICOGI và các công ty xây dựng mỏ.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên đại học: Sinh viên năm thứ 3 và năm thứ 4 chuyên ngành Xây dựng Công trình ngầm đô thị, Xây dựng Dân dụng – Công nghiệp, Kỹ thuật Hạ tầng đô thị thuộc Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội và các trường đại học kỹ thuật xây dựng – giao thông.
  • Học viên cao học & Nghiên cứu sinh: Làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về cơ giới hóa thi công ngầm, công nghệ khiên đào TBM, và công nghệ khoan phụt vữa xử lý nền.
  • Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần nền tảng: Cơ học lý thuyết, Sức bền vật liệu, Nguyên lý máy – Chi tiết máy, Thủy lực đại cương, Địa kỹ thuật và Địa chất công trình.
  • Giảng viên và Kỹ sư công trường: Giảng viên sử dụng làm đề cương bài giảng và hướng dẫn đồ án môn học/tốt nghiệp; kỹ sư hiện trường sử dụng để tra cứu thông số, hỗ trợ việc lập biện pháp thi công, lựa chọn và quản lý thiết bị cơ giới tại các dự án hầm, metro, thủy điện.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn phục vụ sinh viên, học viên cao học chuyên ngành Xây dựng Công trình ngầm đô thị, Xây dựng Dân dụng – Công nghiệp, Kỹ thuật Hạ tầng đô thị, cùng các kỹ sư và cán bộ kỹ thuật tham gia thiết kế, thi công hầm ngầm, metro, thủy điện và công trình mỏ.

2. Cần kiến thức nền nào để học giáo trình này?

Người học cần nắm vững kiến thức về Cơ học lý thuyết, Sức bền vật liệu, Nguyên lý – Chi tiết máy, Thủy lực học cơ sở và Địa chất công trình để tiếp thu hiệu quả các nội dung tính toán cơ cấu máy và áp lực môi trường ngầm.

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu khác?

Giáo trình phân loại thiết bị bám sát trực tiếp vào từng giải pháp công nghệ thi công (đào hở, đào kín, NATM, TBM), đồng thời cập nhật chi tiết các tổ hợp khiên đào hiện đại (EPB, SPB, Single/Double Shield TBM, Main Beam TBM) với dữ liệu từ các hãng chế tạo hàng đầu như Herrenknecht AG, Wirth, Robbins.

4. Làm sao để tự học và nghiên cứu giáo trình hiệu quả?

Người học nên bắt đầu từ việc nắm vững nguyên lý các thiết bị phát lực và hệ thống truyền động ở Chương 1, sau đó đối chiếu nguyên lý làm việc của máy móc với từng sơ đồ công nghệ cụ thể ở các Chương 2, 3 và 4. Việc thực hành tính toán năng suất và đọc bản vẽ ký hiệu thủy lực là yếu tố cốt lõi.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo giáo trình?

Người học có thể tham khảo song song các giáo trình nền tảng như cuốn "Máy xây dựng" (Nguyễn Văn Hùng chủ biên), "Thi công hầm và công trình ngầm" (Nguyễn Xuân Trọng), các catalogue kỹ thuật của hãng Herrenknecht AG và các tiêu chuẩn thi công hầm hiện hành.

Kết luận

Giáo trình "Máy và thiết bị thi công công trình ngầm" là tài liệu học thuật có cấu trúc hoàn chỉnh, phản ánh đầy đủ bức tranh cơ giới hóa thi công công trình ngầm từ lý thuyết động lực, truyền động đến các tổ máy công tác chuyên biệt.

Lộ trình học tập khuyến nghị bắt đầu từ việc làm chủ lý thuyết động lực học và thủy lực học ở Chương 1, tiến tới nghiên cứu chuyên sâu các dây chuyền thiết bị đào hở (Chương 2), đào kín (Chương 3), tổ hợp khiên đào TBM (Chương 4), và hoàn thiện với các thiết bị vận chuyển, bê tông và phụ trợ (Chương 5, 6, 7). Nguồn học liệu bổ sung quan trọng bao gồm các tài liệu chuyển giao kỹ thuật từ các dự án Metro, thủy điện và sổ tay vận hành thiết bị của các nhà sản xuất quốc tế.