Máy khoan đá thủy lực chuyên dụng cho hầm: Độ ồn thấp, độ ổn định cao, hiệu quả trong không gian chật hẹp

Hầm đường bộ Kaminiko ở tỉnh Hiroshima được đào xuyên qua đá granit có cường độ nén trên 200 MPa, với các tòa nhà dân cư nằm cách đỉnh hầm 70 mét. Việc nổ mìn không khả thi trên những đoạn dài. Đội thi công cần một máy khoan đá thủy lực có khả năng duy trì tốc độ tạo mặt tự do 3,5 m² mỗi giờ trong đá cứng, trong điều kiện mặt bằng đào đầu hầm chật hẹp đến mức không thể di chuyển thiết bị cỡ lớn và hoàn toàn không chấp nhận bất kỳ hư hại nào đối với nền đất phía trên do rung động gây ra.

Đó là tập hợp các ràng buộc xác định việc khoan đặc thù cho hầm—không chỉ đơn thuần là không gian chật hẹp hơn, mà còn là một yêu cầu kỹ thuật hoàn toàn khác biệt. Độ ồn, độ ổn định dưới tác động của rung động trong không gian hạn chế, hiệu quả xả phoi trong điều kiện lưu lượng khí giới hạn, cũng như hình học cần cẩu khoan phải đảm bảo phủ kín toàn bộ mặt cắt ngang mà không sử dụng máy quá cồng kềnh để lọt qua chính mặt cắt đó. Mỗi yêu cầu nêu trên đều mâu thuẫn với các yêu cầu còn lại, và một máy khoan được thiết kế cho công tác đào bậc thang ngoài trời sẽ không đáp ứng được nhiều yêu cầu trong số này.

Ràng buộc về Hình học: Vì sao Thiết kế Nhỏ Gọn Không Có Nghĩa Là Thiếu Công Suất

Các máy khoan khổng lồ dùng trong hầm được phân loại theo tiết diện ngang mà chúng có thể khoan, chứ không phải theo kích thước của xe mang máy. Một hệ thống khoan được đánh giá cho tiết diện ngang từ 7–35 m² cần có cấu hình cần khoan (boom) sao cho có thể tiếp cận toàn bộ mặt cắt đào—gồm phần vòm trần, đáy và hai thành bên—mà không cần di chuyển lại vị trí của xe mang máy. Điều này đòi hỏi thiết kế cần khoan khớp nối (articulated boom) có khả năng giữ song song, nhằm đảm bảo thanh dẫn hướng (feed beam) luôn vuông góc với bố trí lỗ khoan bất kể vị trí hiện tại của cần khoan.

Điều này có ý nghĩa gì đối với chính máy khoan đá: máy khoan cần cung cấp công suất va đập từ 12–20 kW trong một thân máy khoan (drifter) nhỏ gọn. Thiết kế piston bậc thang được sử dụng trong một số máy khoan drifter chuyên dụng cho hầm cải thiện hiệu suất truyền năng lượng va đập một cách chính xác vì nó tối ưu hóa mật độ công suất, chứ không phải năng lượng va đập cực đại. Một máy khoan drifter piston bậc thang 15 kW trong một mặt cắt đào có kích thước 3,5 m × 1,8 m có thể duy trì tốc độ khoan xuyên sâu 2 m/phút trong đá có cường độ nén từ 80–120 MPa, đồng thời vẫn vừa khít với xe mang máy có thể đi qua một đường dẫn tiếp cận có kích thước 2,5 m × 1,5 m.

Các cấu hình thấp—như dòng KJ212 được thiết kế cho các mặt cắt đào có kích thước nhỏ nhất là 3,5 m × 1,8 m—sử dụng cần gật gù có thể gấp lại đặc biệt nhằm cho phép máy di chuyển qua một đoạn có kích thước 2,5 m × 1,5 m, sau đó mở rộng ra chiều cao làm việc đầy đủ tại mặt đào. Đây không phải là yếu tố được bổ sung sau cùng; mà là yêu cầu thiết kế cơ bản đối với các mặt cắt đào phát triển trong các mỏ có vỉa hẹp.

Độ ồn trong đường hầm: Khi tiêu chuẩn kỹ thuật trở thành vấn đề tuân thủ

Khoan đá hở tạo ra mức độ ồn từ 95–115 dB tại vị trí người vận hành trong sân mở. Trong mặt cắt đào đường hầm có kích thước 5 m × 5 m, năng lượng va đập tương tự không có nơi nào để tiêu tán—âm thanh phản xạ từ tường bê tông hoặc lớp bê tông phun tăng thêm 10–15 dB do cộng hưởng. Việc tiếp xúc kéo dài ở mức trên 85 dB sẽ kích hoạt yêu cầu sử dụng thiết bị bảo vệ thính giác theo hầu hết các quy định pháp lý về khai thác mỏ; khi mức độ ồn vượt quá 100 dB trong không gian kín, thời gian làm việc trong ca sẽ bị giới hạn.

Thiết kế máy khoan xoay ít tiếng ồn hoạt động trên hai cấp độ: cách ly rung động giữa mô-đun va đập và kết cấu giá đỡ (giảm truyền âm do rung động vào cần khoan và khung máy), đồng thời làm giảm tiếng ồn từ khí xả khi sử dụng không khí làm môi chất xả. Việc xả bằng nước vốn dĩ giúp giảm một phần tiếng ồn va đập đồng thời kiểm soát bụi—cả hai yếu tố này đều rất quan trọng khi vận hành trong đường hầm đào tiến, nơi bụi tích tụ nhanh hơn khả năng thông gió.

Các quy định đối với các dự án hầm đô thị—bao gồm cả dự án hầm đường bộ và đường sắt đi dưới khu vực đã xây dựng—thường quy định tốc độ rung tối đa tại mặt đất, chứ không chỉ giới hạn tiếng ồn tại mặt đào. Các phương pháp khoan tạo mặt tự do sử dụng va đập thủy lực thay vì nổ mìn có thể đạt năng lực tạo mặt đào 3,5 m²/giờ trong đá granit có cường độ nén trên 200 MPa, đồng thời giữ mức rung tại mặt đất trong giới hạn cho phép—điều mà các phương pháp nổ mìn không thể đáp ứng được.

Thông số kỹ thuật máy khoan hầm: Mặt cắt ngang, cần khoan và loại máy khoan xoay

Một máy khoan jumbo hai cần khoan mặt cắt có 50 lỗ với bước tiến 3,5 m mỗi chu kỳ thường hoàn tất chu kỳ khoan trong vòng 2,5–3 giờ khi làm việc trên đá nguyên khối. Thời gian chu kỳ tăng đáng kể khi khoan trên nền đá nứt nẻ hoặc có lẫn đất sét, nơi các chức năng chống kẹt hoạt động thường xuyên—đây chính là lúc điều khiển thông số tự động giúp giảm độ trễ phản ứng của con người, từ đó tránh được hiện tượng kẹt dây khoan.

Độ ổn định dưới tải chu kỳ cao trong không gian hạn chế

Một máy khoan đá hoạt động trên cần gầu (jumbo boom) truyền rung động vào khung gầm xe tải (carrier chassis) thông qua thanh đẩy (feed beam), các giá đỡ nòng khoan (cradle mounts) và các ống dẫn thủy lực. Trong hầm, khung gầm không có lớp đất mềm bên dưới để hấp thụ rung động đó — nó đặt trực tiếp lên mặt bê tông hoặc lớp đá đã được đầm chặt, vốn truyền toàn bộ rung động đi. Hệ thống phanh dịch vụ dạng đĩa nhiều tấm ngâm dầu (wet multi-disc service brakes) và phanh đỗ xe dạng lò xo tác động – giải phóng bằng thủy lực (spring-applied hydraulic-release parking brakes) là trang bị tiêu chuẩn trên các máy jumbo hiện đại dành riêng cho thi công hầm nhằm ngăn chặn hiện tượng xe tải di chuyển (walking) trong quá trình khoan va đập (percussion), điều này sẽ làm lệch vị trí lỗ khoan so với vị trí thiết kế.

Độ chính xác định vị cần gầu ở mức ±2 cm có thể đạt được nhờ hệ thống giữ song song tự động (automatic parallel-holding systems) và căn chỉnh bằng tia laser (laser alignment), nhưng chỉ khi khung gầm xe tải ổn định tại thời điểm bắt đầu khoan (collar). Nếu khung gầm dịch chuyển 5 mm trong mét đầu tiên của quá trình khoan, độ lệch lỗ khoan sẽ tích lũy lên tới 50–80 mm ở độ sâu 4 mét — mức độ lệch đủ để làm sai lệch mô hình nổ (blast pattern) và gây hiện tượng đào thừa (overbreak), từ đó làm tăng chi phí bê tông phun (shotcrete) ở mỗi chu kỳ đào.

Bảo trì hệ thống làm kín và mạch xả trong điều kiện hầm

Các máy khoan hầm tích lũy giờ va đập nhanh hơn thiết bị khoan trên mặt đất vì máy thường không thể di chuyển giữa các lỗ khoan như một giàn khoan mặt đất. Thời gian di chuyển (tramming) giảm dẫn đến thời gian khoan tăng lên mỗi ca. Đặc biệt, mạch xả phải chịu tải nặng hơn: việc xả nước trong buồng đào kín khiến dòng chảy trở về mang theo vụn khoan mịn đi qua vùng tiếp xúc của gioăng hộp xả liên tục, thay vì lắng xuống và tách rõ ràng như khi khoan trên mặt đất trong lỗ mở.

HOVOO cung cấp các bộ gioăng làm kín cho máy khoan đào hầm hoạt động trên các nền tảng jumbo chính—bao gồm các mẫu tương thích với thông số kỹ thuật của máy khoan đào hầm Epiroc, Sandvik và Montabert. Do tỷ lệ mài mòn của hộp xả cao hơn trong các ứng dụng dưới lòng đất, việc thiết kế bộ xả và bộ khoan va đập dưới dạng hai bộ phận thay thế riêng biệt—thay vì một bộ kết hợp duy nhất—cho phép thay thế có mục tiêu dựa trên mức độ mài mòn thực tế, thay vì phải thay cả hai bộ cùng một lúc theo chu kỳ cố định. Các bộ sản phẩm dành riêng cho từng model được liệt kê tại hovooseal.com.