CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tình hình cơ giới hóa thi công công tác đất trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công nhỏ lẻ ở Việt Nam Công tác đất là một công việc hết sức nặng nhọc và chiếm khối lượng cũng như chi phí rất lớn trong thi công xây dựng, trong đó công tác đào đất là công đoạn nặng nhọc và chiếm khối lượng lớn nhất. Do quá trình đô thị hoá ở nước ta hiện nay diễn ra hết sức nhanh và rộng khắp mà khối lượng công tác đất trong xây dựng là rất lớn và ngày càng tăng.
Tại hầu hết các đô thị ở nước ta hiện nay, ngoài các công trình công cộng, trụ sở cơ quan và các khu đô thị mới được qui hoạch bài bản thì luôn tồn tại các khu dân cư, khu đô thị cũ chật hẹp với diện tích mỗi công trình từ 20 ÷ 100 m2, lối vào là các con ngõ, ngách có chiều rộng từ 1 ÷ 3 m. Tại các địa bàn này, việc đào các hố móng nhỏ để xây nhà hoặc xây tường bao, đào rãnh đặt đường ống cấp nước sạch, cống thoát nước hoặc hạ ngầm cáp điện, cáp viễn thông… thường phải sử dụng sức lao động thủ công nặng nhọc, năng suất rất thấp và chi phí cao do chưa có loại máy đào cỡ siêu nhỏ có ưu thế thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ. Trong một số trường hợp có thể sử dụng máy đào một gầu cỡ nhỏ, cỡ siêu nhỏ song cho hiệu quả kinh tế không cao do chi phí cho việc vận chuyển máy đến nơi thi công lớn mà khối lượng thi công nhỏ, mật độ người tham gia giao thông trong các khu dân cư là rất lớn. Về nền đất tại các khu vực này thường là đất san nền, tương đương với nền đất á sét trung bình, á cát, đất cát… có độ cứng đến cấp III, có thể lẫn gạch đá nhỏ, khối lượng riêng ở trạng thái chặt 1700 ÷ 1850 kg/m3, hệ số tơi của đất kt = 1,1 ÷ 1,3 [24], [25].
Về kích thước, để hạ ngầm các đường ống cấp thoát nước, cáp điện, cáp viễn thông thì rãnh đào phải có chiều rộng khoảng 0,4 m và chiều sâu tối đa 0,8 ÷ 1,0 m [3], [9]. Tại các thành phố lớn như Hà Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh, do mất cân bằng giữa sự phát triển đô thị và gia tăng dân số trong thành phố mà dẫn tới tình trạng quá tải về nhiều mặt, trong đó có các hệ thống điện, nước và hệ thống thông tin. luan an -7- Chính vì vậy mà trong thời gian qua, các nhà lãnh đạo một mặt lập qui hoạch mới cho thành phố, mặt khác tiến hành tu bổ cải tạo hệ thống điện, nước, thông tin, trong đó khối lượng hạ ngầm cáp điện lực, cáp viễn thông, đường ống nước dọc vỉa hè các tuyến phố cũ là rất lớn. Điển hình như thành phố Hà Nội, vấn đề hạ ngầm cáp viễn thông, điện lực nhằm đảm bảo an toàn và cảnh quan đô thị đã được đề cập đến tại hội nghị “Hà Nội – Hợp tác đầu tư” do UBND thành phố Hà Nội tổ chức hồi đầu tháng 6/2016, theo đó các doanh nghiệp cung cấp dịch vụ di động và Tổng công ty Điện lực Hà Nội đã cam kết đầu tư 3.500 tỷ đồng để hạ ngầm dây, cáp thông tin và cáp điện thuộc lưới điện trung áp [23].
Theo danh mục các tuyến phố dự kiến hạ ngầm cáp điện, cáp viễn thông giai đoạn 2016-2021 của Sở Thông tin và Truyền thông Hà Nội, thành phố sẽ ngầm hóa tại 180 tuyến phố, với tổng chiều dài 170,1km; trong đó có 115 tuyến phố thuộc địa bàn 4 quận nội thành cũ: Hoàn Kiếm, Đống Đa, Ba Đình, Hai Bà Trưng và 65 tuyến phố thuộc các quận: Tây Hồ, Cầu Giấy, Thanh Xuân, Hoàng Mai, Long Biên, Nam Từ Liêm, Bắc Từ Liêm [23]. Hiện nay ở Việt Nam chưa có loại máy chuyên dùng nào để đào rãnh hạ ngầm cáp điện, cáp viễn thông cho năng suất cao. Việc thi công bằng máy đào một gầu cho hiệu quả thấp vì loại máy này có chế độ làm việc theo chu kỳ cho năng suất thấp và không phù hợp với yêu cầu đào rãnh theo tuyến, còn đối với các tuyến phố nhỏ hoặc ngõ trong khu phố cổ thì công việc này chủ yếu được thi công bằng sức lao động thủ công nặng nhọc. Cấu trúc của nền đất trên vỉa hè thường là: lớp trên cùng là lớp gạch block hoặc lớp gạch lát (khi đào rãnh thường bóc lớp này lên và lát lại sau khi lấp rãnh), phía dưới là lớp vữa 5% xi măng dày khoảng 100mm (lớp vữa xi măng này không cứng hơn nền đất cấp III) và dưới lớp vữa xi măng thường là đất san nền, tương đương với nền đất á sét trung bình, á cát, đất cát,… có độ cứng đến cấp III.
Theo báo cáo biện pháp kỹ thuật thi công hạ ngầm cáp, ống nước dọc theo vỉa hè các tuyến phố ở Hà Nội của Công ty cổ phần đầu tư và xây dựng Bưu điện thì rãnh đào phải có chiều rộng 0,2 ÷ 0,4 m và chiều sâu 0,6 ÷ 1,0 m [3]. Tại các khu vực ngoại thành và khu vực nông thôn, khối lượng công tác đất phục vụ sản xuất nông nghiệp, phục vụ kinh tế vườn và trang trại như đào rãnh cấp luan an -8- thoát nước, đào hố trồng cây, đánh luống… là khá lớn, đặc biệt là nhu cầu đào rãnh đặt hệ thống đường ống phục vụ tưới tiêu trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao ngày càng nhiều. Tuy nhiên, khối lượng công tác đất nêu trên thường không tập trung mà nhỏ lẻ, phân bố rải rác, phân tán với hệ thống đường giao thông nông thôn không đồng bộ làm cho việc đưa các loại máy đào đất hiện có đến thi công không đem lại hiệu quả cao, trong nhiều trường hợp phải sử dụng sức lao động thủ công nặng nhọc. Tình trạng nêu trên là do còn thiếu loại máy đào cỡ siêu nhỏ có chế độ làm việc liên tục cho năng suất cao, gọn nhẹ, cơ động, có thể dễ dàng đưa máy đến nơi thi công bằng nhiều loại phương tiện khác nhau, kể cả phương tiện vận chuyển thô sơ, với chi phí thấp.
Về nền đất ở khu vực ngoại thành và nông thôn thì loại nền đất phổ biến vẫn là đất á sét trung bình, á cát, đất cát có độ cứng đến cấp III với độ ẩm khá cao. Qua phân tích tình hình cơ giới hoá thi công công tác đất trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công nhỏ lẻ ở Việt Nam, có thể rút ra một số nhận xét sau: - Nhu cầu đối với loại máy đào cỡ siêu nhỏ dùng để đào rãnh đặt đường ống cấp thoát nước; đặt ngầm đường cáp điện lực, viễn thông; đào các hố móng nhỏ… trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công nhỏ lẻ, thay thế sức lao động thủ công nặng nhọc là rất lớn. Vì vậy mà việc nghiên cứu thiết lập một loại máy đào cỡ siêu nhỏ mới ở Việt Nam, đáp ứng được nhu cầu nêu trên là cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao; - Hầu hết các trường hợp đã phân tích nêu trên cho thấy nền đất mà máy phải thi công thường là đất san nền, đất vườn tương đương với nền đất á sét trung bình, á cát, đất cát có độ cứng đến cấp III; có thể lẫn gạch đá nhỏ, khối lượng riêng của đất ở trạng thái chặt 1700 ÷ 1850 kg/m3, hệ số tơi của đất kt =1,1 ÷ 1,3 và độ ẩm 22÷26%. Kích thước yêu cầu đối với rãnh đào thường là: chiều rộng khoảng 0,4 m và chiều sâu khoảng 0,6 ÷ 1,0 m; - Để có thể thiết lập được loại máy đào cỡ siêu nhỏ mới đáp ứng được các yêu cầu đặt ra thì trước tiên cần phải tiến hành nghiên cứu tổng quan về các loại máy luan an -9- đào cỡ siêu nhỏ, tổng quan các công trình nghiên cứu về quá trình làm việc của máy đào đất, qua đó rút ra các kết luận có tính chất định hướng cho quá trình nghiên cứu và xác định mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu.
Tổng quan về máy đào cỡ siêu nhỏ 1. Máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ Máy đào một gầu là loại máy làm việc theo chu kỳ, theo công dụng thì máy đào một gầu dùng để đào, tích đất trong gầu và đổ thành đống hoặc đổ lên phương tiện vận chuyển khác. Máy đào một gầu cỡ nhỏ, cỡ vừa và cỡ lớn về cơ bản có cấu tạo tương tự như nhau, bao gồm các bộ phận: khung bệ và hệ thống di chuyển (bánh xích hoặc bánh lốp); động cơ, thông qua hệ thống truyền động (thường là truyền động thủy lực), dẫn động các cơ cấu di chuyển, cơ cấu quay (quay toàn vòng), hệ chân chống và các xilanh của các thiết bị công tác dạng gầu (xilanh cần, xilanh tay gầu và xilanh gầu); hệ thống điều khiển và cabin cho người điều khiển. Khác với máy đào một gầu cỡ nhỏ (mini-excavator), máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ (micro-excavator) thường có khối lượng dưới một tấn, kích thước bao nhỏ nhất có thể (chiều rộng máy không vượt quá 1m), dung tích gầu thường 10 ÷ 30 lít, chiều rộng gầu thường 0,2 ÷ 0,45 m, chiều sâu đào đến 2 m, năng suất máy 2,5 ÷ 6 m3/h và giá thành máy 3.
Điển hình là máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ của các hãng Powerfab, Microturbo (Anh); Kaho, Komatsu, Kobelco (Nhật); Talpino (Ý); Cubota (Mỹ). Đặc tính kỹ thuật của một số loại máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ cho ở Bảng 1. Về công dụng, máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ chuyên dùng để thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp, lối vào nhỏ hoặc có khối lượng thi công nhỏ lẻ, nơi mà các loại máy đào một gầu khác không thể thi công được. Vì vậy mà cấu tạo của máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ có đặc điểm riêng sau: ngoài trọng lượng và kích thước nhỏ gọn nhất có thể thì máy phải dễ lắp đặt và vận chuyển đến nơi thi công; hệ thống di chuyển có thể tự hành hoặc kéo theo, có thể gấp gọn lại khi vận chuyển máy đến nơi thi công bằng phương tiện vận chuyển cỡ nhỏ; máy có thể quay toàn luan an - 10 - vòng hoặc không quay toàn vòng.1a là máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ Kobelco PCO-3 (Nhật Bản) với hệ thống di chuyển tự hành bằng xích, quay toàn vòng được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam.
Máy đào một gầu cỡ siêu nhỏ Talpino (Ý) trên Hình 1.