Nguyn Đức Ton, June 2001
Page 1 of 6
Hm H Treo - Dng thc mi ca phương
pháp đào đá cơ gii hóa
H. Hamrin
Tp đoàn Xây dng Hm và Khai m Atlas Copco AB, Thy Đin
Biên dch: KS. CN. Nguyn Đức Ton
Bài đã đăng trên Tp chí Cu Đường Vit Nam tháng 6 năm 2001
Tóm tt:
Công ty Atlas Copco đang có các máy khoan to
nên mt thế h mi ca thiết b khoan đá thy lc có
kh năng vn hành cao hơn 50%. Cùng vi thiết b
khoan đá mi, các h thng kim soát tinh tế cũng
được thiết kế gn vi vn hành khoan, nhm có được
năng sut khoan cao hơn và duy trì tính kinh tế ca c
giàn khoan và các b phn ct cn khoan ca nó.
Các giàn khoan hiu sut cao và kim soát t động
là các đặc trưng ni bt ca máy khoan Rocket
Boomer, dùng cho các nhà thu thi công hm. Hai
giàn Rocket Boomer đã được s dng thành công
trong xây dng Hm H Treo (Hanging Lake) ti d
án m rng đường I 70 ca M. Bài viết này s trình
bày các kinh nghim v khoan đào đá ti H Treo.
Thói quen truyn thng M t lâu là h tr đào
dưới ngm bng các vòm thép và kết cu chng bng
g. H Treo là mt trong nhng d án áp dng
Phương pháp Xây dng Hm mi ca Áo (NATM -
New Austrian Tunneling Method), mt k thut kết
hp đào đá và gia cường đá theo mt cách thc có h
thng. K thut NATM áp dng rt d cho các thiết b
cơ gii hóa, như các máy để khoan đá và neo bulông
vào đá. K thut này cho ta tiến trình làm hm hiu
qu, an toàn, vic đào đá hoàn thành 4 tháng trước quy
định.
1. MÁY KHOAN HM
Máy khoan là mt thiết b quan trng nht cho nhà
thu nào cn phi tiến hành đào đá làm hm bng
khoan - n mìn. rt nhiu loi máy khoan hm ca
nhiu nhà sn xut khác nhau, để đáp ng yêu cu v
kh năng và năng sut ti mt d án nht định. Máy
khoan phi có kh năng khoan được các l đặt mìn khi
yêu cu trong phm v tiết din hm, trong mt thi
gian ngn, nhm đẩy nhanh tiến độ làm hm.
S phát trin liên tc ca k thut đem li mt máy
khoan hm mi và tiên tiến. Bài viết này nói v máy
khoan đá thy lc tc độ cao COP 1440, và máy
khoan Rocket Boomer, các ưu đim ca chúng được
li dng như thế nào ti d án hm H Treo.
Các phương pháp đào hm đang phát trin rt
nhanh, đồng thi nâng cao độ an toàn đối vi các tai
nn truyn thng khi đào đá dưới ngm.
2. MÁY KHOAN THY LC MI
2.1. Máy khoan Rocket Boomer
Các máy khoan hm ca công ty Atlas Copco có
tên là Boomer. Loi máy khoan Rocket Boomer mi
được gii thiu cho các nhà thu xây hm vào năm
1987. Hai máy Rocket Boomer ti H Treo là nhng
chiếc đầu tiên làm vic ti M.
T "Rocket" (Tên la) ng ý mt năng lc khoan
cao hơn mt máy khoan Boomer bình thường. Rocket
Boomer được trang b hai búa khoan năng sut cao
loi COP 1440, chúng hot động bng mt b ngun
55 kW. Có th so sánh: loi Boomer thường ch
ngun 45 kW cho búa khoan COP 1238 mà thôi.
Rocket Boomer được gii thiu năm 1987 và t đó
tr thành mt công c ph biến cho các nhà thi công
hm trên khp thế gii.
Nguyn Đức Ton, June 2001
Page 2 of 6
Ban đầu Rocket Boomer được thiết kế để tr thành
mt máy khoan 2 cn (dm/tay vi - boom). Người ta
nghĩ rng năng sut ca 2 búa khoan nhanh COP 1440
có th tha mãn được thm chí các yêu cu cao nht
v năng sut. Nhưng không lâu sau, các nhà thu nhn
thy rng, nếu lp thêm mt cn COP 1440 khác có
th khiến năng sut cao hơn na, do đó loi Rocket
Boomer 3 cn khoan tr nên thông dng hơn. Phiên
bn mi nht ca loi Rocket là "Pocket Rocket", mt
máy khoan gn nh năng sut siêu cao.
Hin nay loi Rocket Boomer 50 đang làm vic ti
các công trình hm trên khp thế gii. Và s lượng
loi Rocket Boomer 2 cn ban đầu đã b vượt qua
nhiu bi loi Rocket Boomer 3 cn hiu sut cao hơn.
Cho đến nay Rocket Boomer đã được các nhà thu
Italy, Na Uy, Áo và Đức ưa chung. Hai máy
Rocket Boomer ti H Treo là hai chiếc duy nht
thuc loi này trên đất M.
Rocket Boomer không ch to nên năng sut khoan
ln mà còn có độ tin cy cao và d s dng. Đó là li
nhn xét ca chính các nhà thu và th khoan ti các
công trường nơi mà Rocket Boomer được s dng.
2.2. Năng lượng khoan và Độ xuyên đá
Năng lượng cho búa khoan COP 1440 được cp t
mt may bơm, chy bng mt môtơ đin 55 kW. Dòng
du thy lc áp lc cao sau đó kích động cơ cu va
đập, cơ cu này là bí quyết cho kh năng xuyên đá.
Mũi khoan xuyên vào đá nhanh đến đâu ph thuc
vào s làm vic ca cơ cu va đập và vào độ cng ca
đá, thường được biu th bng cường độ nén. Loi sa
thch mm có th khoan vi tc độ 4 m/phút trong khi
đó vi loi granit cng là 2,5 m/ph.
Trong máy khoan, piston chy lên xung vi tc độ
50 đến 60 ln mt giây. Mi khi piston chm vào đáy
ng xilanh, nó to ra mt năng lượng chn động dng
sóng xung kích, truyn qua ct cn khoan ti mũi
khoan. Ti đây, cú đập gây ra ng sut trong khi đá
ri phá đá ra tng mnh.
Vic đập liên hi tích lu công sut ti 1 kW, là
năng lượng khoan ca mt máy khoan đá nht định.
Theo định lut vt lý, công sut là mt hàm s ca
khi lượng piston và vn tc ca nó ti thi đim va
chm. Mt áp sut thy lc ln hơn s làm tăng vn
tc ca piston và do đó tăng cao năng sut khoan đá.
Ngoài ra, tc độ va đập nhanh hơn cũng làm tăng công
sut kW ca máy khoan.
2.3. Năng lượng ln hơn cho mũi khoan
Năng lượng máy khoan là nhm nghin nát đá. Nếu
năng lượng nghin tăng lên s sn sinh ra tc độ khoan
nhanh hơn. Khi năng lượng sinh ra bi cơ cu va đập
tăng lên, bn thân máy khoan đá, và ct cn khoan s
chu lc tác dng ngày càng ln hơn. Khi năng lượng
truyn được hết qua mũi khoan, mi s đều tt đẹp.
Nhng c gng đầu tiên ca vic khoan Rocket
được thc hin vi mt búa khoan đá COP 1440 có cơ
cu xung kích được điu chnh để to công sut 20
kW. Máy khoan này đã đạt được độ xuyên sâu đầy n
tượng 3,6 m/ph qua đá cng sơ khai (k tin Cambri).
Và trong đá mm thì nhanh, nhanh hơn rt nhiu.
Loi "turbo" COP 1440 này sm th hin nhược
đim. Các b phn cn ct khoan b hng ch sau mt
thi gian ngn s dng, có các vn đề v duy trì tính
làm vic liên tc ca Rocket Boomer. Năng lượng
xung kích 20 kW là quá ln đối vi c búa khoan và
cn khoan.
Nhng kinh nghim ban đầu v tui th thép búa
khoan kém và các vn đề cơ khí đã khiến cho máy
Rocket Boomer có mt khi đầu ti t. Và các nhà
thiết kế khoan đá có mt bài toán khó khăn phi gii
quyết trước khi Rocket Boomer thc s có th đem ra
gii thiu vi khách hàng.
May sao, thy lc là mt phương tin truyn năng
lượng linh hot. Công sut khoan đầu ra được quy
định đơn gin thông qua áp sut thy lc. Mt b
ngun 55 kW và áp lc thy lc được gim đi để
được loi búa khoan COP 1440 vi năng lượng xung
kích 17 kW.
H×nh 3 - C«ng suÊt khoan ®¸ vμc ®é xuyªn
0
1
2
3
4
N¨ng lîng xung kÝch, kW
Tèc ®é xuyªn, m/ph
Búa khí nén
COP 900
Thy lc nh
COP 1032
5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
L khoan 45mm,
Granit, 220 MPa Búa thy lc Turbo
COP 1440
Thy lc CS cao
COP 1440
Thy lc tiêu chun
COP 1238
Nguyn Đức Ton, June 2001
Page 3 of 6
Tính năng xuyên b gim đi chút ít. Nhưng vi tc
độ 2,4 m/ph trong đá 220 MPa, búa COP 1440 khoan
nhanh hơn hu hết các máy khoan đá đào hm khác.
Tên ca máy khoan vn được gi là Rocket Boomer.
Tuy nhiên, vn còn có điu phi nói v cách x trí
năng lượng xung kích.
2.4. H thng kim soát khoan t động
Nếu mũi khoan không được đặt cht chc vào đá,
sóng xung kích s di li. Vì năng lượng không th
trit tiêu, nó truyn vào các cơ cu cơ khí ca h
khoan. Ti đó nó gây mài mòn các b phn khoan và
gây ng sut mi cho thép máy khoan. Vi mt giàn
khoan đá công sut cao như COP 1440, vic chế ng
công sut va đập tr thành mt vn đề không d.
Cùng vi b ngun mi, mt h thng mi gi là
Kim soát Cung cp Áp lc Quay (RPCF, Rotation
Pressure Feed Control) cũng được áp dng vào h
thng thy lc ca Rocket Boomer. Nhng kinh
nghim tt đẹp đã dn ti mt ci tiến xa hơn, gi là
Kim soát Va đập Áp lc Quay (RPCI, Rotation
Pressure Control Impact), cũng được đưa vào cùng
h thng đó.
Các h thng này cùng to ra s kim soát t động
đối vi cơ cu va đập, nó đảm bo rng năng lượng
xung kích được truyn ti mũi khoan, mà không b
mt đi lãng phí vào nhng cú đập và rung động không
ti. Đói vi mt máy khoan công sut cao như COP
1440, s mt mát năng lượng có th là rt có hi cho
tui th ca ct cn khoan.
2.5. Mômen xon không đổi gi cho ct cn khoan
được khít cht
Điu quan trng trong vic truyn năng lượng va
đập là luôn luôn gi cho cn khoan tì cht vào mt đá.
Cn khoan có mt s b phn có các liên kết bng ren.
Bt k s xc xch nào ti các mi ni y đều gây ra
mt mát năng lượng, gim tc độ xuyên. Năng lượng
mt mát này gây nóng và mài mòn cho các mi ni
này. Cách duy nht để chng lng ren là duy trì mt
mômen xon không đổi trên ct cn khoan. Và mômen
này s quyết định áp sut ca dòng du thy lc trong
chu trình kín.
H thng Kim soát Cung cp Áp lc Quay
(RPCF) s đảm trách áp lc ca dòng du thy lc cp
cho môtơ quay. Khi khoan vào đá cng, mi xung
động ch gây ra mt lượng xuyên nh vào đá. Lc
kháng chng li s quay ca mũi khoan là bé, và được
đảm nhn bi RPCF. Điu này s làm tăng áp lc lên
mch cung cp, ép mũi khoan vào đá mnh hơn, nâng
cao s truyn năng lượng. Đồng thi, Kim soát Va
đập Áp lc Quay (RPCI) làm tăng cường áp lc va
đập, do vy năng lượng ca mi cú đập s ln hơn.
Trong các thành h đá mm, mi cú đập s xuyên
sâu vào đá, và sc kháng quay là ln. Lúc này áp lc
đầu vào được gim đi, đồng thi áp lc va đập gim
xung, để thc hin các cú đập nh hơn.
RPCF và RPCI hin nay được đưa vào h thng
điu khin khoan cho mi máy khoan Boomer ca
Atlas Copco. Người vn hành máy thc hin vic định
v và khoan m l trên gương hm, sau đó h thng t
động tiến hành điu khin vic khoan đá, khiến th
máy có th t do làm vic khác.
2.6. Thế h máy khoan thy lc th ba
Các kết qu tt đẹp ca điu khin RPCF đã kích
thích các nghiên cu đào sâu hơn, và đẩy ti s phát
minh ra mt h thng tinh vi hơn, ECS 18, trong đó
dòng đin đảm nhim vai trò du thy lc. Các cm
biến đin và các linh kin đin t, bao gm c các b
vi x lý, cho ta phương tin điu khin khoan tiến tiến
và phong phú. Th khoan ch cn định v l khoan,
sau đó h thng t động s tiến hành khoan m l
tiếp tc khoan sâu, bt k điu kin đá là gì. Tuy vy,
vic gii thích chi tiết v h thng điu khin mi
Áp lc
xon Áp lc
va đập
Áp lc
nén
Hình 4 - Kim soát quay, năng lượng va
đập và lc ép
Mômen
xon Lc
é
p
Cn
khoan
Nguyn Đức Ton, June 2001
Page 4 of 6
bng đin ECS khá phc tp và phi giành cho mt tài
liu riêng.
3. CÁC HM TI H TREO (HANGING
LAKE)
3.1. D án Hanging Lake
Vic đào đá ca hai hm đường b là phn vic
chính ca d án xây dng 13 km đường Glenwood
Canyon (Hm núi Glenwood), bang Colorado - M,
mt trong nhng đon cui cùng ca d án I 70. Công
vic đào đá cho hai hm đường b song song có tng
chiu dài là 1190 m. Cái tên "H Treo - Hanging
Lake" ly theo tên ca mt cái h c gn đó nm trên
sườn đá, phía trên hm núi.
D án Glenwood Canyon được coi là d án đường
tn kém nht tng được biết đến, do vn đề môi
trường và không gian quá hn hp.
Các đon tuyến được thiết kế trên quan đim bo
v v đẹp ca Glenwood Canyon vi s tác động nh
nht ti thiên nhiên hoang sơ. Vic đào đá b hn chế
đến mc nh nht để không làm suy yếu chân vách
hm núi. Con đường I 70 băng qua các hm núi đá và
qua các cây cu, đặt trên các ct tháp, nhng v trí
mà làn xe này nm phía trên làn xe kia.
Hin nay đã hoàn thành, đường I 70 Glenwood
Canyon là mt đường 4 làn mi thay thế cho Đường 6
cũ chy quanh co xung quanh chân hm núi sâu 300m.
D án Hanging Lake có tính hp dn đặc bit do
nhng hn chế đặt ra cho mt d án xây dng ln
trong mt không gian rt nh hp.
Công vic đào ca hai hm Hanging Lake bt
đầu năm 1989. Công tác khoan n mìn kết thúc cui
tháng 11/1990, bn tháng trước thi hn, tuyến hm
đôi này được thông xe gia năm 1991.
3.2. Nhà thu, Liên doanh Hanging Lake
Hp đồng Hanging Lake được đảm nhn bi mt
t hp có tên Liên Doanh Hanging Lake. Liên doanh
này gm công ty Frontier Kemper và Traylor
Brothers, c hai đóng ti Evansville, n Độ; Wayss &
Freitag ca Đức; Beton & Monierbau ca Áo. Tư vn
K thut và Địa cht là Woodward-Clyde và Parsons
Brinkerhoff.
3.3. Các hm Đường b Hanging Lake
Các hm đường b có mt mt ct dng vòm có
chiu rng 12,2 m và cao 9,8 m. Tuyến hm lượn qua
núi đá v phía nam ca hm núi theo mt đường cong
mm mi.
C hai hm đều ni trên mt đất mt đon ngn ti
nơi mà Sui Quế (Cinnamon Creek) ct qua Hm núi
Glenwood. Ti đây là nơi đóng tri ca nhà thu. T
v trí được la chn mang tính chiến lược này, bn
cng hm được khai m.
3.4. NATM, Phương pháp Xây dng Hm Mi ca
Áo
Khác vi truyn thng cũ M, ti d án Hm
Hanging Lake người ta không dùng các vòm thép để
chng đỡ hang đào. Thay vào đó, mt dng M hóa
ca NATM (New Austrian Tunnelling Method) ni
tiếng đã được áp dng.
Lý thuyết ca NATM có t nhng năm 1930, và
hin nay t "Mi" là không còn thích hp na. Tuy
nhiên, chúng ta ghi công người Áo vì đã phát minh ra
mt k thut mà nó thích hp tt cho bt k loi đá
nào và kích c hm nào, và hin nay được ng dng
trên khp thế gii.
NATM li dng cường độ vn có ca khi đá gc
và nhm ti thiu hóa chuyn v ngay sau khi đào. Mt
vòm chng được to thành trong khi đá bao quanh
hm, bng các bulông thép được n vào đá, gi cho
các khe nt càng sít nhau càng tt. Các bulông neo
vào đá được kết hp vi bêtông phun (shotcrete) để
to thành mt gương đào hm n định và an toàn.
Ngược li, các vòm thép to ra s chng đỡ bên
ngoài. Các vòm này ch làm vic sau khi khi đá đã
bt đầu suy thoái, và chuyn v bên trong khi đá đã
truyn ti trng lên vòm thép.
NATM to cho hang hm mt s n định cao. Hơn
na, cách thc làm vic ca NATM, neo bulông vào
đá và phun bêtông, đều được tiến hành đồng thi vi
quá trình đào hm. Điu này tăng cường kh năng s
dng các thiết b cơ gii hoá, hin đại, và tăng tc s
tiến b trong k thut làm hm. Tóm li, NATM rt
thích hp vi các k thut hin đại khiến cho k thut
làm hm tt hơn, an toàn hơn và nhanh hơn.
Nguyn Đức Ton, June 2001
Page 5 of 6
3.5. NATM ti Hanging Lake
NATM là mt lý thuyết khá rng để có th tho
lun k trong bài viết này. Mt cách vn tt, NATM
da trên mt s phân loi đá thành các cp hng đào,
theo cht lượng và yêu cu d tính đối vi vic gia
cường đá. Mi cp hng được gán cho các thông s v
kích thước ln nht ca l hang n phá, s lượng
bulông neo cn thiết, b dày lp bêtông phun, v.v...
Ti hm Hanging Lake, tt c các thông s được mô
t t m trong tài liu hp đồng, để li rt ít khong
trng cho mt s ng biến thiếu chun b.
Các đon ch yếu ca đá núi dc theo hm
Hanging Lake được phân loi là tt, 71%, trung bình
20% và ch có 9% xu.
Hai hm được đào vi mt ct phân nh, phía trên
được to lò ngang và có bc, theo như quy định k
thut. Lò ngang phía trên được phân tách nh hơn
thành mt lò kho sát và các vt rch bên, men v phía
sau vi các khong cách đều đặn. Bc thm tiến sâu
vào phía trong hm, cũng có hai vt rch dc theo
tường hm. Mi hm được chia thành 6 gương đào.
Vi hơn 90% đá là tt và trung bình, ai đó có th
thc mc v s cn thiết ca vic chia tách s đào hm
thành 6 gương đào riêng bit.
Vòm hm gia c bng bulông neo đá, được lp đặt
theo cách thông thường. Thanh thép Dywidag dài
4,2m được s dng làm neo và gn cht vào l khoan
bng va ximăng.
3.6. Các máy khoan Rocket Boomer và Boltec
Để khoan hm nhà thu Frontier Kemper dã dùng
hai giàn khoan ca công ty Atlas Copco loi Rocket
Boomer H245. C hai máy khoan được trang b hai
tay vi thy lc, có cn khoan mnh loi COP 1440 và
mt tay vi th ba có thùng dng c dùng cho công
vic công cng. Các giàn khoan, theo quy định ca
M, được vn hành bi 3 người, mi người mt dm
khoan.
Ngoài ra ti hin trường còn có hai máy khoan
khác để cơ gii hóa vic neo blông vào đá, loi Boltec
351, mi máy khoan được trang b mt tay vi, có lp
cn khoan đá loi nh COP 1032, và mt thùng dng
c để to thun li cho vic lp đặt bulông.
Để đảm bo tính sn sàng ti đa ca các giàn
khoan, Atlas Copco có mt xưởng dng côngtennơ
ngay ti công trường, qun lý bi mt nhân viên sa
cha được thuê dài hn. Các ph tùng được d tr
ngay ti công trường, và các giàn khoan được bo
dưỡng theo dnh k.
Đá là mt hn hp ca các khoáng vt quartz,
điorit và granit nt n, có cường độ nén nói chung bé
hơn 155 Mpa. Tc độ khoan xuyên trung bình trong
loi đá này vi búa khoan COP 1440 và l khoan
51mm là 2,74 m/phút.
3.7. Khoan bng máy Rocket Boomer
C hai giàn Rocket Boomer đều được trang b dn
tiến cho thanh thép khoan dài 5,2 m. Thanh thép
khoan dn hướng được chn bi Nhà thu vi mc
đích li dng cơ hi để n phá các bước đào dài làm
bc thm, nơi mà h sơ đấu thu không có hn chế nào
v chiu dài n phá.
Các th máy đã đánh máy cao các giàn khoan ti
Hanging Lake. “Rt d hc và vn hành”, th khoan
Phil Romero nói. Đồng nghip ca anh ta tán thành:
“Là giàn khoan tt nht cho ti nay”.
3.8. Các kết qu: h s s dng cao, giá thành h
Bng cách đào hm phân chia gương đào NATM,
rt khó xác định tc độ tiến lên. Tuy nhiên, nhiu d
án và công trường đã góp phn vào vic s dng rng
rãi c hai loi máy khoan Boomer và Boltec. Hp
đồng sa cha cùng vi mt lch trình bo dưỡng đã
gi cho các thiết b luôn hot động, ti hơn 90%.
S tiếp tc bo trì cn thn cho các b phn thép
ca máy khoan đã được thc hin. Mc đích là nhm
so sánh s tiêu hao thép ca cn khoan COP 1440 vi
COP 1238.
Kết qu cho thy giá thành cn khoan ca COP
1440 hoàn toàn cnh tranh vi bt k loi máy khoan
thy lc nào khác. Đã ghi nhn đươc giá tr trung bình
0,48 USD/m khoan (~7.000 VND/m - N.D). Tui th
ca b xilanh trung bình khong 3.800 mét khoan.
Mt con s tương t, 0,40 USD/mkhoan, áp dng cho
chi phí ph tùng ca Rocket Boomer, bao gm c COP
1440.
Không nghi ng gì na, vic ng dng k thut
NATM ti d án Hanging Lake là mt thành công,
vic đào đá hoàn thành tháng 11/1990 trước thi hn 4
tháng.