Phạm Tiến Vũ Trong xây dựng các đường hầm và các công trình ngầm khác, việc đổ thải lượng vật liệu đã khai đào là một một điều cực kỳ quan trọng cả về mặt kinh tế lẫn các mục đích kỹ thuật. Trong Phương pháp chống giữ kiểu mới NATM người ta sử dụng kết cấu chống mềm và tức thì bằng bê tông phun, vì chống thép, lưới thép mắt cáo và neo cả ở dạng độc lập hay kết hợp. Việc cắt một tiết diện chính xác nhiều khi là các hình dạng bất kỳ cũng là một phần của quan trọng của phương pháp này.
Với mục đích giảm bớt lượng khai đào không cần thiết và cung cấp các thông tin tốt hơn cho thợ vận hành. VMT GmbH đã phát triển một hệ thống hỗ trợ dẫn hướng khai đào các tiết diện hầm khi sử dụng các combai khai đào hay các máy cắt gương từng phần khác. Bài viết này nêu lên các yếu tố cơ bản của hệ thống này với các ví dụ tại Australia, Đức, Thụy Điển và Tây Ban Nha và các kết quả thu được.
Lịch sử
Các combai khai đào đã sớm được phát triển ban đầu vào những năm 50 của thế kỷ trước. Ngày nay các vùng ứng dụng của chúng đã vượt ra ngoài công tác khai tác than, là kết quả của sự phát triển liên tục của công nghệ mới và sự cải tiến thiết kế. Sự cải tiến cơ bản có được trong hơn 50 năm gần đây bao gồm: trọng lượng máy được tăng đáng kể, thiết kế đầu cắt hiệu quả, các sự phát triển về sử dụng hợp kim trong răng cắt, các tiến bộ trong hệ thống điện và thủy lực, và các bước nhảy vọt trong việc ứng dụng các tính năng điều khiển từ xa. Tất cả những điều này đã dẫn đến kết quả thần kỳ trong khả năng cát của máy, tính đáp ứng của máy và tuổi đời phục vụ. Các combai khai đào đã được ứng dụng rất rộng rãi trong việc khai đào gương từng phần trong đất đá mềm đến trung bình, đặc biệt là đã trầm tích. Chúng được sử dụng cả trong việc đào lò và khai thác ở những mỏ đất đá có độ cứng trung bình ví dụ: trong các đường lò vận tải, lò xuyên vỉa, các điểm giao cắt..vv đặc biệt trong than, khai khoáng và đá biến chất. Trong xây dựng dân dụng, người ta thấy chúng được sử dụng rộng rãi trong khai đào các đường hầm hầm đường sắt, đường bộ, hầm thoát nước, các đường hầm tránh..vv trong điều kiện nền móng mềm cũng như việc mở rộng, khôi phục các công trình ngầm dưới lòng đất các loại. Đó là một sự lựa chọn vượt lên trên các phương pháp đào hầm có thể khác cơ bản bởi thành tựu ứng dụng của nó trong đó bao gồm diện khai đào tự do, sự linh hoạt đáng kể trong việc thay đổi không được biết trước trong điều kiện địa chất công trình và thủy văn. Linh hoạt trong việc thay đổi tiết diện mặt cắt ngang hầm, khả năng cơ động cao luôn sẵn sàng, không phức tạp và không tốn kém của một thiết bị khai đào.
Phần chung
Tất cả các loại đất đá dù ít hay nhiều đều có khả năng tự chống giữ trong một khoảng thời gian. Đá cứng có thể tự đứng vững hằng trăm năm với khả năng tự chống giữ của đất đá và đất đá yếu hơn thì thời gian tự đứng vững ngắn hơn có thể chỉ tính bằng phút, lớn hơn nữa là bằng giờ, cũng có khi là hằng năm.
Trong xây dựng đường hầm và các công trình ngầm, đất đá rời trong quá trình bóc tách vật liệu là một vấn đề quan trong cả trong các mục đích kinh tế lẫn các yêu cầu về kỹ thuật công trình. Trong Phương pháp chống giữ liên tục NATM nơi có khác kết cấu chống mềm và trực tiếp như: bê tông phun, khung chống thép, lưới mắt cáo và neo, cả ở dạng đơn độc hay kếp hợp trong sử dụng; việc cắt chính xác một hình dạng hộ chiếu cho trước là một phần không thể thiếu trong phương pháp.
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.16546.1689' /> |
| |
Việc khai đào vượt quá lượng vật liệu cần thiết đào lẹm sẽ dẫn đến vượt quá chi phí và ảnh hưởng đến việc tính toán chống giữ. Lượng đào lẹm cũng gây nên chi phí phụ trội bởi lượng vật liệu phải chèn lấp những lố hổng giữa nền móng khai đào và vỏ chống cố định thiết kế. Với việc đòi hỏi phải có công tác dọn dẹp cho phép chống giữ trước được dựng lên. Tốc độ khai đào cũng phải được điều chỉnh để sao cho phù hợp với công tác phun bê tông.
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.16546.1690' /> |
| |
Khi sử dụng combai khai đào, một trong những vấn đề chính ảnh hưởng đến độ chính xác cắt gương là sự không nhìn thấy đầu cắt. Thông thường một lượng bụi phát sinh, hoặc đôi khi là lượng bụi do phun bê tông bay trong không khí, và làm cho người điều khiển không thể định vị được đầu cắt. Đánh dấu mặt gương để khai đào tiêu tốn một lượng thời gian cho nhóm trắc địa và nó xảy ra trong vùng sự ổn định của vùng làm việc tiềm tàng mối nguy hiểm. Thậm chí nếu máy đã được định vị chính xác thì vẫn còn trở ngại trong việc di chuyển của đầu cắt, có một xu thế của máy là di chuyển vượt tầm do lực đặt ở trên máy.
Với mục đích tiết kiệm lượng khai đào không cần thiết và cũng cấp thông tin tốt hơn cho thợ điều khiển máy, VMT GmbH đã phát triển một hệ thống hỗ trợ khai đào chính xác tiết diện hầm khi sử dụng combai khai đào hay các máy khai đào gương từng phần khác.
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.16546.1691' /> |
| |
Nguyên tắc hoạt động
Nguyên tắc cơ bản hoạt động dựa trên việc xác định vị trí và phương của thân combai khai đào bằng một máy toàn đạc điện tử định vị trên biên hầm và quan sát hai thấu kính shutter định vị trên thân máy. Sự quay của thân máy được quan trắc bởi một cặp máy đo độ nghiêng dọc trục. Sự dịch chuyển của tay cắt và vị trí của đầu cắt tự nó được xác định bằng các sensor cảm biến mã hóa tuyến tính và xoay định vị cả trên tay cắt. Các giá trị từ các sensor được thu nhận từ các máy PLC hoặc được truyền trực tiếp từ các sensor.
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.16546.1692' /> |
| |
Ký hiệu: cutterhead - đầu cắt; length - chiều dài; Height – chiều cao; Vertical Axis – Trục đứng; Slew Axis – trục xoay; Right: bên phải; Origin – Tọa độ gốc; Cutter boom – cầu khấu; Vertical Pivot Point – Điểm trục thẳng đứng
Có hai kiểu hoạt động: kiểu di động cho phép đo lường khoảng cách liên tục và nhanh, kiểu cố định cho phép đi theo sau các gương cầu di chuyển. Việc đo lường liên tục chỉ bị gián đoạn bởi điều khiển trực tiếp từ đích phía sau. Toàn đạc điện tử Leica TCA 1203 hỗ trợ quan trắc được định vị trên một rọ treo ở biên lò. Cứ mỗi 0,5 giây PLC gửi dữ liệu ở góc nằm ngang và góc thẳng đứng của cần cắt các chuyển động của combai khai đào. Vị trí của đầu cắt được tính toán trên hệ thống tọa độ của combai khai đào và kế đến nó biến đổi về tọa độ toàn cầu của công trình ngầm. Do vậy vị trí đầu cắt liên hệ với đường hầm được xác định và có thể hiện thị liên tục bằng đồ họa trong ca bin điều khiển, từ đó hộ chiều đường hầm được duy trì ở góc chuyển theo trục tuyến hầm.
Khi máy kinh vĩ thực hiện kiểm soát điều khiển hướng, kiểu di động được ngắt và chương trình đo lường tiêu chuẩn được kích hoạt. Điều này đảm bảo cho độ chính xác cao hơn của việc đo lường khoảng cách thu được, nhưng nó không thể theo dõi được mục tiêu. Khoảng thời gian của chu kỳ đo lường với điều khiển trực tiếp là 25 giây.
Dữ liệu từ Toàn đạc điện tử được truyền tới PC dẫn hướng trên combai thông qua cặp modem vô tuyến, một được định vị gần Toàn đạc, một cái khác được định vị trên combai.
Phần mềm tinh vi tạo điều kiện cho trắc đạc công trình dễ dàng thiết lập các thông số của hệ thống cho máy, đưa vào Dữ liệu thẳng của hầm đã được thiết kế vào chương trình cũng như mỗi hộ chiếu riêng lẻ chuẩn bị được khai đào. Một sự thay đổi đơn giản trong biểu tượng hộ chiếu cho phép máy nhanh chóng thay đổi chuỗi khai đào của nó về đường thẳng phù hợp với yêu cầu của công trình.
Thiết bị
Các thành phần chính được định vị vào thân máy. Những thành phần chính này bao gồm PC công nghiệp chủ, màn hình từ xa và thiết bị điều khiển bóng xoay trackball trong cabin điều khiển, UPS, hộp trung tâm, 2x thấu kính chớp, Thiết bị đo độ nghiêng dọc trục kép và Modem vô tuyến cục bộ. Các thiết bị bổ sung khác bao gồm: Máy toàn đạc quan trắc Leica TCA1203, Modem vô tuyến từ xa và và gương cầu đích cận cảnh Backsight Target Prism được định vị ở biên hầm. Nguồn điện cung cấp cho các thành phần của máy được lấy thông qua một UPS. Toàn đạc và Modem vô tuyến từ xa thường được cấp nguồn từ mạng chiếu sáng trong đường hầm.
Tất cả máy tính công nghiệp, UPS, hộp trung tâm và máy đo độ nghiêng dọc trục kép tất cả được định vị chắc chắn vào thân của máy trong được bảo vệ cao nhất của các thành phần này. Các gương cầu chớp được đặc biệt được định vị trên mái của cabin người điều khiển để đem lại khả năng nhìn tốt nhất, tuy nhiêu do sự xem xét thẳng hàng của đường hầm phải được xét một cách thích đáng khi lựa chọn những vị trí này và khả năng thấy vị trí của máy toàn đạc. Một đường liên tục được nhìn thấy giữa gương cầu chớp và máy toàn đạc là cần thiết trong suốt chu kỳ khai đào. Thân máy phải được trắc đạc trước khi lắp đặt gương cầu chớp và trạm đo độ nghiêng vì thế trục cơ bản của phần quay có thể được khảo sát, vị trí của gương cầu được đo lường và thiết bị đo độ nghiêng chỉ về giá trị bằng không.
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.16546.1693' /> |
| |
Các gương cầu chớp là loại gương cầu trắc đạc tiêu chuẩn được bao bọc một lớp vỏ bảo vệ bộ phận chớp. Bộ phận chớp, được kích hoạt bởi phần mềm của hệ thống SLS chỉ được mở trong quá trình đo góc nghiêng và chiều dài đối với gương cầu tương ứng. Nó khử nhiễu confusion của các gương cầu hoặc các vật thể phản chiếu khác nó cũng có ích để giữ bề mặt gương cầu sạch. Các gương cầu riêng lẻ có thể kết nối bằng một hệ thống cổng tuyến.
Máy đo độ nghiêng dọc trục kép chống nước fluid damped để khảo sát độ nghiêng của combai khai đào. Tính chất ngăn của máy đo độ nghiêng có thể thích ứng với mức độ rung của vị trí lắp đặt, hơn nữa máy đo độ nghiêng được trang bị một cảm biến nhiệt để để bù nhiệt.
Máy tính chủ là một loại máy tính công nghiệp mạnh được lắp đặt với thép không gỉ đặc biệt và nó được cố đinh với tính năng chông rung giữa phần lắp và thân máy. Vị trí lắp đặt được lựa chọn đảm bảo cho máy tính được bảo vệ tốt nhất. Một UPS được cung cấp để duy trì nguồn thích hợp cho PC trong những lúc không ổn định về nguồn cung cấp điện cho máy. Máy tính sử dụng Hệ điều hành Windows phiên bản mới nhất. Một màn hình từ xa cho người điều khiển được lắp đặt ở một vị trí nhìn cơ bản trong cabin điều khiển. Dễ dàng truy xuất các chức năng thông qua điều khiển lăn bóng. Một bộ nối USB từ xa sẵn có để đi kèm với bàn phím cho đường vào của dữ liệu ban đầu và thiết bị nhớ đính kèm.
Các mặt phân cách giữa Hộp trung tâm giữa các cảm biến khác nhau của hệ thống và các bộ chuyển đổi đầu ra này cho đường vào thích hợp vào máy tính công nghiệp. Các tín hiệu điều khiển từ máy tính công nghiệp cũng được chuyển đổi để truyền tới các cảm biến cũng như là các gương cầu chớp.
Modem vô tuyến được sử dụng để kết nối các thành phần trên máy với các thành phần khác định vị trên biên hầm bằng các dây cáp chẳng hạn trong trường hợp môi trường làm việc thay đổi sẽ được giám sát.
Modem vô tuyến cụ bộ được định vị trên máy và tác độ đến truyền thông dữ liệu không dây giữa máy tính SLS và Toàn đạc điện tử trong lúc Modem không dây từ xa được định vị gần máy toàn đạc điện tử với một khoảng cách an toàn cho các tín hiệu vô tuyến. Hệ thống thu phát vô tuyến được điều khiển bởi phần mềm SLS. Modem vô tuyến từ xa nhận dữ liệu từ bộ phận cục bộ và truyền đến máy toàn đạc điện tử. Trong trường hợp mất điện nó tự động xạc ở chế độ pin và gửi một tín hiệu cảnh báo đển máy tính SLS.
Công cụ đu lường chính yếu cho hệ thống SLS-TM là một máy toàn đạc điện tử quan trắc nhãn Leica TCA 1203 với bộ phận nhận dạng tiêu tự động ATR. Việc xác định điểm tinh chỉnh tự động cho phép tăng tốc độ đo lường và cài thiện năng suất. Ở dạng tiêu chuẩn, gương cầu phản chiều vòng được sử dụng như một tiêu phía sau. Nó được nhận dạng và đo lường bằng ATR bộ phận nhận dạng đích của máy toàn đạc điện tử và được sử dụng để kiểm tra khả năng mang của Toàn đạc điện tử. Một sự so sánh giữa Tiêu phía sau và các vị trí của Toàn đạc điện tử trong chu kỳ đo lường được sử dụng để đưa đến các cảnh báo trong trường hợp có sự di chuyển kết cả ở bên ngoài của bất kỳ giới hạn được đặt trước nào.
Phần mềm
Hệ thống dẫn hướng combai SLS-TM cung cấp một phương kế tự động hóa để tối thiểu hóa những phát sinh trong điều khiển một độ chính xác cao với thời gian ngắn nhất. Điều này có được nhờ sử dụng đồng bộ cao, máy tính - màn hình hiển thị trên cabin người điều khiển.
Dễ dàng để sử dụng Windows phần mềm đã được định dạng cẩn trọng để tạo lên đường vào của dữ liệu một cách đơn giản nhất có thể. Cài đặt ban đẩu của hệ thống được thực hiện thông qua trình sửa đổi hệ thống dữ liệu dạng các trang System Editor data entry pages. Đường vào của trục thẳng đường hầm đã được thiết kế DTA thu được thông qua trang sử đổi DTA Designed Tunnel Alignment khi DTA trọng một định dạng bảng hệ điểm tọa độ được tạo ra từ thành phần hình dạng chính nó tạo liên sự thàng hàng cả trong phương nằm ngang cũng như phương thẳng đứng. Từ trình sửa hộ chiếu mỗi hộ chiếu có liên quan cho công trình có thể lại được khởi tạo từ thành phần hình dạng tạo nên hộ chiếu.
Khi nhiều hộ chiếu được sử dụng để khai đào trong ở trạng thái lặp họ có thể lưu trong chương trình chính. Khi hộ chiếu riêng lẻ được sử dụng để khai đào hộ chiếu của nó đơn giản được gọi lên từ hộ trình menu chỉnh sửa hộ chiếu. Truy xuất tới nhiều mức người dùng bằng mật khẩu bảo vệ. Tùy chọn nhiều ngôn ngữ được thiết kế có sẵn cũng như có cả tùy chọn về đơn vị Metrics hay Imperial.
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.16546.1694' /> |
| |
Để trợ giúp người điều khiển nền của màn hình đồ họa cơ bản được mã hóa dạng màu sắc để chỉ ra sự kiện xảy ra nối tiếp theo thời gian từ lần đọc thông qua quan trắc chuẩn cuối cùng. Mặc dù chu kỳ đo lường có thể được thiết lập để đo trong mỗi khoảng 20 giây, có rất nhiều lần khi một giá trị đọc chuẩn không thể được thực hiện. khi điều này xảy ra một sự thay đổi ở nền bằng màu sắc trên màn hình hiển thị. Các màu của nền bao gồm:
1. Gồm có giai đoạn thời gian ban đầu – màu ghi
2. Thời gian lớn hơn giá trị lập trước đầu tiên – màu vàng
3. Thời lớn hơn mức thiết lập thứ hai – màu đỏ
Các khoảng thời gian cụ thể là 3 phút và 6 phút.
Một hộp thoại đầy đủ của vị trí quan trắc có sẵn từ các màn vị trí quan trắc.
Sự phát triển từ hệ thống ban đầu
Tư hệ thống cơ bản đã được tạo ra có một chương trình phát triển liên tục, đưa ra bởi người người sử dụng thiết bị cuối cùng.
Tất cả những thông tin đó được ghi nhận bởi hệ thống và lưu giữ trong cơ sở dữ liệu hệ thống. Trạm mở này cho phép tùy biến thông báo được thực hiện và một gói tổng hợp của màn hình ở các mặt cắt khai đào đương hầm gồm cả góc nhìn ba chiều và các tính toán thể tích được tạo ra. Điều này cho phép các thông bảo tổng hợp về hộ chiếu khai đào để tạo và đưa ra cho người dùng nội dung dễ hiểu gọn gàng và sáng sủa nhất. Phạm vi tổng quát khả năng của hệ thống vẫn được thực hiện mặc dù việc sử dụng của nó trong các tài liệu “as built” trung gian cung cấp là nhanh chóng ở dạng phổ thông với diện nơi mà hệ thống được sử dụng.
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.16546.1695' /> |
| |
Mở rộng tới dẫn hướng cho máy đào và máy thi công neo
Khi nhìn điều khiển dẫn hướng cho combai đào lò ở dự án Eastlink ở Melbourne, Australia, người quản lý nhân lực hiện trường yêu cầu một hệ thống sử dụng trên máy xúc Caterpillar nhưng là một ứng dụng tương tự như combai khai đào. Và nó đã được thực hiện thành công và nhanh chóng.
Mối liên quan chính xa hơn trong dự án là đảm bảo tính an toàn cho nhân lực trắc địa những người mà phải làm việc dưới điều kiện không có chống giữ để đo đạc, đánh dấu vị trí của lố chống neo. Tìm một cách để định vị chính xác cho máy khoan trên máy thi công neo mà không cần phải làm việc bằng thủ công bề mặt trong nhiều loại chống giữ khác nhau thu được bằng sự phù hợp với hệ thống dẫn hương combai khai đào. Việc tiết kiệm chi phí đáng kể có được là đương nhiên với việc sử dụng combai khai đào, với máy đào và máy thi công neo để chống giữ cho phepsuwr dụng nhiều thành phần cơ bản của hệ thông bao gồm toàn đạc điện tử và modem không dây. Để thay đổi một hệ thống này sang một hệ thống khác chỉ cần bật công tắc chuyển trên máy và nó lại bắt đầu trên một máy khác. Phần mềm nạp tự động một vị trí quan trắc và tính toan vị trí máy và tiết diện để làm việc cho phù hợp.
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.16546.1696' /> |
| |
Lợi ích ghi nhận từ người dùng cuối cùng
Luôn luôn là khó khăn để cho được một hình thù chính xác từ bất kỳ một công trình nào trong khi sản lượng vẫn phải đảm bảo, tuy nhiên các dẫn dải hấp dẫn sau đã được rút ra từ hiện trường ở Bilbao:
· “Người điều khiển thích hệ thống; họ có thể cắt tốt hơn và nhanh hơn thậm chí khi nó được thao tác thủ công”.
· “Một khi không cần đến hệ thống sủ dụng để đánh dấu gương thay cán bộ trắc địa thì nó vẫn tiết kiệm 1,5h mỗi ngày khi máy không ở chế độ đào”
· “Trong một mặt cắt khi các ghi chép chi tiết được lưu giữ cho thấy việc cắt chính xác đã được thực hiện với hệ thống dẫn hướng làm giảm đi từ 600 m³ xuống còn 423 m³ bê tông so với mặt cắt được xác định là đào bằng máy đào mà không có hệ thống dẫn hướng”.
THAM KHẢO
Copur, H., Ozdemir, L. and Rostami, J., 1998, Roadheader Applications in Mining and Tunneling. Mining Engineering, Vol. 50, No. 3, March, pp. 38-42
Chittenden, N., Müller H., 2004 New Developments in Automated Tunnel Surveying Systems. Proceedings ITA World Tunnelling Congress 2004, Singapore
Sauer, G., 1990 Light at the end of the tunnel. Construction Technology International in March 1990.
Smith, M., 2006 Face Drilling. Reference Editions Ltd for Atlas Copco Rock Drills AB. 2006 Sweden
White, A., 1993 The Installation of Automated Profile Guidance on a Dosco MkIIB Roadheader. Paper Presented at Meeting of The Institution of Mining Engineers, May 13, 1993, Nottingham