Luận văn thạc sĩ về thiết kế đầu khoan cho thiết bị thi công đường hầm cỡ nhỏ microtunnelling

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính toán và thiết kế đầu khoan thiết bị thi công đường hầm microtunnelling theo phương pháp kích đầy pipe jacking.

• Tác giả: Tống Duy Phương
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hồng Ngân
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị xây dựng, nâng chuyển
• Đề tài: Nghiên Cứu Cơ Sở Lý Thuyết, Tính Toán Và Thiết Kế Đầu Khoan Cho Thiết Bị Thi Công Đường Hầm Microtunnelling
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về thiết kế đầu khoan

Thiết kế đầu khoan cho thiết bị thi công đường hầm microtunnelling là một phần quan trọng trong quá trình thi công ngầm. Đầu khoan không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất thi công mà còn quyết định đến chất lượng và độ an toàn của công trình. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế đầu khoan, bao gồm cấu trúc địa chất, loại đất, và các thông số kỹ thuật của thiết bị. Theo đó, việc lựa chọn cấu tạo đầu khoan phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa quá trình thi công và giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công. Một trong những điểm nổi bật trong nghiên cứu là việc áp dụng các lý thuyết tính toán hiện đại để xác định các thông số làm việc của đầu khoan.

1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế đầu khoan

Thiết kế đầu khoan chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như điều kiện địa chất, loại đất, và phương pháp thi công. Đặc biệt, trong môi trường đô thị như TP. Hồ Chí Minh, việc khảo sát địa chất là rất cần thiết để đưa ra các giải pháp thi công hiệu quả. Các loại đất khác nhau sẽ yêu cầu các cấu trúc đầu khoan khác nhau để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các công nghệ mới trong thiết kế đầu khoan có thể cải thiện đáng kể hiệu quả thi công và giảm thiểu chi phí. Các phương pháp tính toán hiện đại cũng được áp dụng để dự đoán chính xác các thông số làm việc của đầu khoan.

II. Công nghệ thi công đường hầm microtunnelling

Công nghệ microtunnelling là một phương pháp thi công đường hầm hiện đại, cho phép thi công với độ chính xác cao và ít ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Phương pháp này sử dụng đầu khoan được điều khiển từ xa, giúp giảm thiểu rủi ro cho công nhân và tăng cường an toàn trong quá trình thi công. Nghiên cứu đã phân tích các ưu điểm của công nghệ này, bao gồm khả năng thi công trong các điều kiện địa chất phức tạp và khả năng giảm thiểu tiếng ồn và rung động trong quá trình thi công. Việc áp dụng công nghệ microtunnelling không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí cho các dự án thi công ngầm.

2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị

Hệ thống thiết bị thi công microtunnelling hoạt động dựa trên nguyên lý kích đẩy, trong đó đầu khoan được đẩy vào lòng đất bằng áp lực từ các xi lanh thủy lực. Nguyên lý này cho phép đầu khoan di chuyển một cách liên tục và ổn định, đồng thời giảm thiểu sự xáo trộn của đất xung quanh. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của hệ thống thiết bị có thể nâng cao hiệu suất thi công. Các yếu tố như tốc độ quay của đầu khoan, áp lực đẩy và tốc độ tiến của thiết bị đều cần được tính toán chính xác để đảm bảo quá trình thi công diễn ra suôn sẻ.

III. Tính toán và thiết kế đầu khoan

Tính toán và thiết kế đầu khoan là một phần quan trọng trong quá trình chuẩn bị thi công. Nghiên cứu đã áp dụng các lý thuyết tính toán để xác định các thông số làm việc của đầu khoan, bao gồm lực cắt, áp lực đất tác dụng lên đầu khoan, và tốc độ thi công. Việc tính toán chính xác các thông số này không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế mà còn đảm bảo an toàn trong quá trình thi công. Các mô hình lý thuyết được sử dụng trong nghiên cứu đã cho thấy sự tương quan giữa các thông số kỹ thuật và hiệu suất thi công, từ đó đưa ra các khuyến nghị cho việc thiết kế đầu khoan trong các dự án thi công ngầm.

3.1. Các phương pháp tính toán áp lực đất

Áp lực đất tác dụng lên đầu khoan là một yếu tố quan trọng cần được tính toán chính xác. Nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau để xác định áp lực này, bao gồm lý thuyết thủy tĩnh và lý thuyết cân bằng giới hạn. Các phương pháp này giúp dự đoán chính xác áp lực mà đầu khoan phải chịu trong quá trình thi công. Việc hiểu rõ áp lực đất không chỉ giúp thiết kế đầu khoan hiệu quả mà còn đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống thi công. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại có thể cải thiện đáng kể độ chính xác trong việc dự đoán áp lực đất.

IV. Đánh giá điều kiện địa chất tại TP

Điều kiện địa chất tại TP. Hồ Chí Minh có ảnh hưởng lớn đến thiết kế và thi công đầu khoan. Nghiên cứu đã tiến hành khảo sát địa chất để xác định các đặc tính cơ lý của đất, từ đó đưa ra các giải pháp thi công phù hợp. Các yếu tố như độ ẩm, độ cứng và cấu trúc của đất đều cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc đánh giá chính xác điều kiện địa chất không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế đầu khoan mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ khảo sát hiện đại có thể cung cấp thông tin chính xác và kịp thời cho quá trình thiết kế.

4.1. Phân tích đặc điểm địa chất

Phân tích đặc điểm địa chất là bước quan trọng trong việc thiết kế đầu khoan. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các đặc tính cơ lý của đất như độ bền, độ dẻo và cấu trúc có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thi công. Việc hiểu rõ các đặc điểm này giúp đưa ra các giải pháp thi công hiệu quả và an toàn. Nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng việc sử dụng các công nghệ phân tích hiện đại có thể cung cấp thông tin chi tiết về điều kiện địa chất, từ đó hỗ trợ cho quá trình thiết kế và thi công.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu về thiết kế đầu khoan cho thiết bị thi công đường hầm microtunnelling đã chỉ ra rằng việc áp dụng các lý thuyết tính toán hiện đại và khảo sát địa chất kỹ lưỡng là rất cần thiết. Các kết quả đạt được không chỉ cung cấp nền tảng cho việc thiết kế đầu khoan mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực thi công ngầm. Đề xuất các nghiên cứu sâu hơn về các công nghệ mới và cải tiến thiết kế đầu khoan sẽ giúp nâng cao hiệu quả thi công và đảm bảo an toàn cho các công trình ngầm trong tương lai.

5.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Để nâng cao hiệu quả của thiết kế đầu khoan, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực thi công ngầm. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như trí tuệ nhân tạo và mô phỏng số có thể giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và thi công. Ngoài ra, việc mở rộng nghiên cứu sang các loại đất khác nhau và các điều kiện thi công khác nhau cũng sẽ giúp nâng cao tính ứng dụng của các kết quả nghiên cứu. Các đề xuất này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất thi công mà còn đảm bảo an toàn cho các công trình ngầm trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 không gian ngầm ngày càng có vai trò 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 thông. Kết cấu hạ tầng cũ nhìn chung là lỗi thời, không còn đáp ứng được nhu cầu đi lại và vận chuyển không ngừng gia tăng.

Trong bối cảnh đó thì không gian giao thông theo hướng trên cao và theo hướng đi ngầm trong lòng đất một lần nữa lại được khám phá. Hơn nữa, công trình hầm có những ưu thế vượt trội so với các loại hình giao thông 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 thông 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 công 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 công hầm. Ta có thể chia ra 3 nhóm chính: + Phương pháp đào và lấp ( phương pháp thi công lộ thiên). + Phương pháp thi công ngầm ( thi công kín).

+ Phương pháp hầm dìm ( khi thi công 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 Phân loại công nghệ và thiết bị thi công ngầm: Các PP thi công ngầm PP thi công từng phần PP thi công toàn tiết diện Khoan- nổ Máy đào Máy khoan Máy khiên Micro Máy đào RH mìn xúc, máy xới hầm TBM đào SM tunneling Hình 1.1: Sơ đồ phân loại các phương pháp thi công ngầm 1.2 Đặc điểm của công nghệ và thiết bị thi công 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 tông.2 Phương pháp NATM Máy đào xúc, - Thiết bị chính là máy khoan, máy xúc và máy - Thi công tương tự máy xới xới. như phương pháp NATM nhưng thay vì nổ mìn thì phương pháp này thi công 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 tông cốt thép.3 Máy bánh xích Máy đào - Thiết bị thi công là các máy đào liên hợp - Thi công tương tụ Roadheader chuyên dùng (RH) hoặc các máy búa thủy lực.

như phương pháp (RH) đào xúc nhưng thay vào đó là máy đào liên hợp chuyên dùng cho thi công đường hầm.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 toàn tiết diện, vừa thi công vừa chống đỡ.5 Khiên đào RH Máy khoan - TBM là hệ thống thiết bị bao gồm các chức - Tương tự như hầm Tunnel năng khoan cắt, chống đỡ và gia cố đường hầm phương pháp dùng Boring bằng cơ giới hóa. máy SM, TBM là Machine thiết bị thi công toàn (TBM) tiết diện, được điều khiển và cơ giới hóa HVTH: Tống Duy Phương 3 Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn HồngNgân hoàn toàn, có khả năng thi công các đường hầm lớn.6: MáyKhoan hầm TBM Micro - Bộ kích thủy lực, điểu khiển từ xa, các đoạn - Tương tự như tunneling (MT ống đúc sẵn và sử dụng đầu cắt MT phương pháp TBM, or MTBM) 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.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: 1.1 Các chỉ tiêu lựa chọn công nghệ: - Trong quá trình thi công đường hầm thì việc chọn được một phương pháp thi công 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 công Phương pháp thi công Hình 1.8: Sơ đồ quy trình lựa chọn công nghệ thi công - Mục đích sử dụng là công 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 công nghệ thi công + Đặc điểm của đường hầm bao gôm: chiều sâu hầm, độ cong hầm… + Yếu tố xung quanh bao gồm: các công trình xung quanh, môi trường, tiếng ồn… - Điều kiện thi công: 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 Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn HồngNgân 1.2 Các chỉ tiêu đánh giá tính hiệu quả của công nghệ: - Để chọn được công nghệ thi công hợp lý, thì việc đánh giá tính hiệu quả cũng rất quan trọng. Ở đây, ta có 5 chỉ tiêu chính: + Vốn đầu tư thiết bị: + Chi phí thi công: + Năng suất thi công: + Tính an toàn: + Phù hợp điều kiện địa chất phức tạp: 1.3 Phân loại và đặc điểm của các thiết bị thi công toàn tiết diện đường hầm: PP thi công toàn tiết diện Máy khoan hầm Máy khiên đào TBM SM Micro tunneling Hình 1.10: Sơ đồ phân loại các phương pháp thi công toàn tiết diện 1.1 Máy khoan đào Shield Machine: + Đào hầm theo phương pháp SHIELD là phương pháp đào và gia cố hầm trong lòng đất từ cứng đến mềm. Đây là một hệ thống máy đào gồm các kích đẩy để vừa đào và vừa tiến về phía trước, phía sau là hệ thống lắp ráp các tấm vỏ hầm. + Phương pháp đào này được kỹ sư người pháp M.Brunel phát minh năm 1818 và được áp dụng để đào hầm xuyên qua sông Thames ở Luân Đôn.

Sau nhiều cải tiến để hoản thiện hơn và được áp dụng rộng rãi ở Châu Âu từ cuối thế kỷ XIX. + Phân loại máy Shield Machine (SM): HVTH: Tống Duy Phương 6 Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn HồngNgân Máy đào SHIELD Shield mở Shield đóng Mở một Dùng áp lực Dùng áp lực Mở toàn bộ phần đất nước bùn Đào hoàn Đào một Đào bằng Điều chỉnh Dùng áp lực Dùng áp lực toàn bằng phần bằng máy độ mở đất đất bùn tay máy Hình 1.11: Sơ đồ phân loại các máy đào Shield + Đặc điểm các loại máy Shield Machine (SM): Tên công Đặc điểm nghệ Đào hoàn Là loại máy có chi phí đầu tư nhỏ nhất, thích hợp cho địa chất cứng tốt, toàn bằng mặt cắt có thể đứng vững được khó sụp đổ chiều dài hầm không dài. Vì do tay người đào nên khi gặp chướng ngại vật như đá tảng hoặc cột nền móng. thì dễ xử lý.12 Mô hình shield đào bằng tay Đào một Ứng với trường hợp tiết diện đào lớn và hầm dài thì phương pháp này hiệu phần bằng quả hơn đào bằng tay.

Tính kinh tế cao, dễ xử lý khi gặp chướng ngại vật. máy HVTH: Tống Duy Phương 7 Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn HồngNgân Hình 1.13: Mô hình shield đào một phần bằng máy Đào bằng Đây cũng là phương pháp thích hợp cho loại đất cứng tốt và có chiều dài máy hầm lớn. Vì mày đào hoàn toàn cơ giới hóa, máy vừa đào vừa được đẩy về phía trước và có hệ thống băng tải đưa đất đá ra ngoài nên tốc độ thi công nhanh, nhưng chi phí đầu tư và khả năng bảo trì phức tạp hơn.14: Mô hình shield đào bằng máy Đào bằng Là loại shield phía trước có gắn vách ngăn cách, vách ngăn này có thể máy có điều chỉnh độ đóng mở. Tùy theo trạng thái địa chất mà độ đóng mở được điều chỉnh điều chỉnh cho thích hợp.

Vì trong quá trình đào, đất được đưa ra ngoài tự độ hở động qua hệ thống băng tải nên hiệu suất đào cao. HVTH: Tống Duy Phương 8 Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn HồngNgân Hình 1.15 Mô hình shield đào điều chỉnh độ đóng mở Đào bằng Là loại shield có mặt trước khép kín, lợi dụng áp lực của đất đào trong máy dùng buồng phía sau đĩa cắt để cân bằng với áp lực của đất và nước ngầm xung áp lực đất quanh gương đào. Lượng đất đưa ra được điều chỉnh theo áp lực của đất trong buồng chứa và được điều khiển bằng lực kế.16: Mô hình shield đào dùng áp lực đất Đào bằng Để cải thiện tính lưu động của đất đào thì nước bùn được bơm vào lớp đất máy dùng trước mặt đất đào để cải thiện tính lưu động và tính chống thấm của lớp áp lực đất đất. Loại này có thể thích nghi cho cả loại đất sỏi, cát có độ thấm cao.

bùn HVTH: Tống Duy Phương 9 Luận Văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn HồngNgân Hình 1.17: Mô hình shield đào dùng áp lực đất bùn Đào bằng Là lọai máy shield mà nước bùn được bơm vào khoang chứa và tạo áp lực máy dùng lớn hơn áp lực đất trước mặt cắt. Do tác dụng ép của nước bùn, mặt đất áp lực nước phía trước mặt cắt sẽ được tạo một màn bùn hoặc một lớp đất thấm bùn bùn nên tạo tính an định cho mặt cắt. Đất đào được đưa ra theo sự tuần hoàn của nước bùn. Vì đất trước mặt có pha trộn nước bùn nên dao cắt cũng ít mòn hơn.