Nghiên cứu thiết bị cơ khí trong hệ thống thi công đặt ống không đào hở kích thước nhỏ

Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ khí lần 6 Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa, 28/03/2015 
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ Khí 2015 1 
NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ CƠ KHÍ TRONG HỆ THỐNG THI CÔNG ĐẶT ỐNG KHÔNG 
ĐÀO HỞ KÍCH THƯỚC NHỎ 
Ngô Văn Quang 
KhoaCơkhí, TrườngĐạihọcBáchkhoaThànhphốHồChí Minh, ViệtNam 
(Email:20902099@hcmut.edu.vn - Tel: 0966385348) 
Tóm tắt: Đề tài tìm hiểu các phương pháp thi công đường ống ngầm trên thế giới; Đưa ra các tiêu chí lựa chọn và chọn 
phương pháp thích hợp; Thiết kế thiết bị cho phương pháp thi công đường ống ngầm được chọn. Các kết quả thu được 
nhằm mục đích hổ trợ cho bài luận văn cũng như tạo nền tảng cho các nghiên cứu sấu hơn sau này. 
Từ khóa: pilot tube microtunnel-PTMT, Auger boring Piloting sequence, Guided Auger Boring. 
1. GIỚI THIỆU 
Hiện nay, ở nước ta, việc thi công đường ống vẫn sử dụng phương pháp đào lấp truyền thống, đơn giản, nhưng gây mất 
cảnh quang đô thị, ách tắc giao thông, ảnh hưởng đến sinh hoạt của người dân.Trong khi đó, ở các nước phát triển trên 
thế giới, việc thi công đường ống ngầm đã trở nên phổ biến. Tuy nhiên, việc sử dụng thiết bị nước ngoài chi phí rất cao. 
Yêu cầu đặt ra là phải tạo ra sản phẩm có giá thành phù hợp nhưng chất lượng, độ chính xác, cũng như tuổi thọ ở mức 
cho phép. 
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG ĐƯỜNG ỐNG NGẦM TRÊN THẾ GIỚI 
- Máy khoan ngang định hướng – HDD 
- Máy khoan ngang cánh xoắn – HAB 
- Phương pháp kích đẩy– pipe jacking 
- Phương pháp đầm nén ống– piper ramming 
- Phương pháp phá vỡ ống – piper bursting 
- Microtunneling 
- Phương pháp khoan ngang định hướng kích thước nhỏ (pilot tube microtunnel-PTMT) 
3. QUY TRÌNH THI CÔNG ĐƯỜNG ỐNG NGẦM KÍCH THƯỚC NHỎ BẰNG MÁY KHOAN NGANG CÓ 
DẪN HƯỚNG (PILOT TUBE MICROTUNNEL – PTM) 
3.1. Giai đoạn chuẩn bị 
Các giếng (6) và (9) được định vị và thi công trước. Các đoạn ống định hướng, vít tải đất và các thiết bị phải được tập 
kết gần giếng (6) 
3.2. Giai đoạn thi công: Ba bước thi công 
+ Bước 1: Lăp đặt đường ống định hướng 
Hình 3.1 : Lắp đặt đường ống định hướng 
- Các đoạn ống định hướng được lần lượt đưa xuống giếng, lắp đặt vào máy rồi được kích đẩy vào đất bắt đầu quá trình 
thi công. Các đoạn ống được đưa xuống lần lượt, nối với nhau và được kích đẩy đi để tạo thành đường ống định hướng 
cho quá trình khoan đẩy và lắp đặt ống sau này. Các đoạn ống được lắp đặt một cách chính xác là nhờ một đầu khoan có 
gắn đèn led để phát tín hiệu về cho máy kinh vĩ, cho biết sự sai lệch về vị trí của đầu khoan và hiển thị lên màn hình. Từ 
đó, công nhân sẽ điều chỉnh chiều quay và hướng của đầu khoan, giúp đường ống đi đúng hướng yêu cầu. Bước 1 sẽ kết 
thúc khi đầu khoan đến giếng nhận, đường ống định hướng được tạo thành. Lúc này, hệ thống đầu khoan, máy kinh vĩ 
và màn hình hiển thị có thể được loại bỏ. 
Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ khí lần 6 Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa, 28/03/2015 
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ Khí 2015 2 
Hình 3.2: Máy kinh và màn hình hiển thị 
Hinh 3.3: Đèn LED phát tín hiệu 
+ Bước 2: Lắp đặt vỏ khoan lấy đất,tạo lỗ đặt ống ngầm. 
Hình 3.4: Lắp đặt vỏ khoan lấy đất 
- Đầu khoan đất được lắp nối với đường ống dẫn hướng, các đoạn vít tải được đưa xuống lần lượt, đầu khoan và các 
đoạn vít tải được kích đẩy đi thực hiện quá trình khoan đất. Khi vít tải được đẩy vào trong để lấy đất thì đồng thời các 
đoạn ống dẫn hướng trước đó được đẩy ra ở giếng nhận và được đưa lên nơi tập kết. Tùy theo thiết kế của vít tải mà đất 
sẽ được đửa ra ở giếng máy hoặc giếng nhận. 
Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ khí lần 6 Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa, 28/03/2015 
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ Khí 2015 3 
Hình 3.5: Đầu khoan nối với ống dẫn hướng và đoạn vít tải 
+ Bước 3: Lắp đặt đường ống ngầm. 
Hình 3.6: Lắp đặt đường ống ngầm 
Các đoạn ống ngầm được đưa xuống lần lượt, nối với vít tải và được kích đẩy đi, các đoạn ống được nối với nhau tạo 
thành một đường ống ngấm phục vụ cho mục đích cụ thể. Các đoạn vít tải đất được đẩy ra và đưa lên bãi tập kết. Các 
đoạn ống ngầm phải được kiểm tra cẩn thận,những ống bị lỗi sẽ bị loại bỏ. 
+ Giai đoạn kết thúc: Khi đoạn ống ngầm đầu tiên được lắp đặt xong, tiếp tục giếng nhận bây giờ đóng vai trò là giếng 
máy. Quá trình thi công được thực hiện tượng tự như trên với đoạn ống tiếp theo. 
4. THIẾT KẾ THIẾT BỊ 
4.1. Mô hình kết cấu toàn máy 
Sau khi tham khảo một số mẫu máy đã có và đối chiếu với yêu cầu đề tài, ta chọn mô hình kết cấu máy để tính toán sau: 
Hình 4.1: Kết cấu toàn máy 
1. Mũi khoan dẫn hướng; 2. Khung dẫn hướng; 
4 3 
2 1 
8 
7 6 5 
Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ khí lần 6 Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa, 28/03/2015 
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ Khí 2015 4 
3. Khung đẩy; 4. Khung máy; 5. Bệ tỳ sau; 
6. Xylanh đẩy; 7. Vít nâng; 8. Vít tỳ. 
Sơ đồ nguyên lý hoạt động: 
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy 
1. Khung đỡ máy; 2. Bệ tỳ; 3. Xylanh đẩy; 
4. Động cơ thủy lực; Bộ truyền; 6. Khung trượt; 
7. Ống dẫn hướng 
- Cấu tạo cụm cơ cấu công tác 
1. Khung đỡ máy: đỡ toàn bộ cụm công tác ở trên, đồng thời là ray trượt và định hướng trong quá trình hoạt động. 
2. Bệ tỳ: trên bệ tỳ có gắn xylanh chốt, làm điểm tựa để xylanh đẩy khung đẩy tiến lên. 
3. Xylanh đẩy: đẩy khung đẩy đi thực hiện quá trình thi công. 
4. Động cơ thủy lực: tạo chuyển động quay cho cơ cấu khoan. 
5. Bộ truyền: truyền chuyển động quay từ động cơ đến đầu khoan. 
6. Khung trượt: là nơi gá đặt đường ống dẫn hướng, động cơ và bộ truyền, sẽ được đẩy đi trong quá trình thi công . 
7. Ống dẫn hướng: khoan đất và định hướng. 
- Nguyên lý hoạt động: 
+ Khi bắt đầu làm việc: Xylanh chốt được gắn trên bệ tỳ hoạt động, cố định bệ tỳ vào khung máy. Cặp xylanh 3 hoạt 
động đẩy khung trượt tiến lên, đồng thời lúc này động cơ 4 hoạt động qua bộ truyền 5 dẫn động cho đầu mũi khoan vào 
đất, bắt đầu quá trình thi công. 
+ Đầu mũi khoan được điều khiển nhờ hệ thống định vị, để mũi khoan luôn đi đúng tâm. 
+ Kết thúc một hành trình đẩy của xylanh 3, xylanh chốt được rút về giải phóng bệ tỳ khỏi khung máy. Lúc này,xylanh 
3 hoạt động, do khối lượng của khung trượt lớn hơn rất nhiều so với bệ tỳ nên khi hoạt động xylanh 3 sẽ kéo bệ tỳ đi lên 
một khoảng bằng đúng hành trình của nó. Xylanh chốt hoạt động và bắt đầu lại chu kỳ như trên, đến khi đẩy hết đoạn 
ống định hướng vào đất. Với hành trình làm việc tương tự kéo bệ tỳ và khung đỡ về vị trí ban đầu, nối đoạn ống tiếp 
theo để bắt đầu một hành trinhg làm việc mới. 
5. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỤM CƠ CẤU KHOAN 
5.1 Chọn dạng đầu mũi khoan và đường kính ống dẫn hướng 
+ Chọn dạng đầu mũi khoan: Đầu khoan được vát một góc thường là 30 hoặc 450 để điều khiển hướng di chuyển của 
đầu khoan. 
Tùy theo yêu cầu của quá trình thi công và đặc điểm địa chất ở vị trí thi công mà chúng ta lựa chọn đầu khoan cho phù 
hợp. 
- Một số dạng đầu khoan thường dùng 
Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ khí lần 6 Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa, 28/03/2015 
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ Khí 2015 5 
Stt Đặc điểm Điều kiện làm việc 
1 
Đầu khoan được vát một góc 300, đường kính đầu 
khoan lớn hơn đường kính ống dẫn hướng. 
Sử dụng trong điều kiện 
đất mềm và ổn định. 
2 
Đầu khoan được vát góc 300, đường kính đầu khoan 
nhỏ hơn đường kính ống đẫn hướng. 
Sử dụng trong điều kiện 
đất rất mềm và bất ổn định. 
3 
Đầu khoan được vát một góc 450, đường kính đầu 
khoan lớn hơn đường kính ống dẫn hướng. 
Sử dụng trong điều kiện 
đất có độ cứng trung bình, 
ổn định. 
4 
Đầu khoan được vát hai mặt với góc độ khác nhau , 
một mặt vát 30 0, một mặt vát 45 0, đường kính đầu 
khoan lớn hơn đường kính ống dẫn hướng. 
Sử dụng cho nền đất rất 
cứng , độ chặt cao , ổn 
định. 
Hình 5.1: Biểu đồ phân tích lực tác dụng lên mũi khoan và thành ống 
Trong đó: 
Fms ống: Lực ma sát trên thành ống và đất 
Fms mặt: Lực ma sát trên mặt vát 
P: Lực cản cắt tại đầu mũi khoan 
Nmặt: Áp lực đất tác dụng lên mặt vát 
Nống: Áp lực đất tác dụng lên thành ống dẫn hướng 
5.2. Bộ truyền động quay cho đầu khoan 
Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ khí lần 6 Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa, 28/03/2015 
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ Khí 2015 6 
Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý bộ truyền bánh răng 
 Các thông số của bộ truyền là: 
- Khoảng cách trục aω1 = 315 mm 
- Modum m1 = 5 mm 
- Chiều rộng vành răng bω1 = 51 mm bω2 =49 mm 
- Tỷ số truyền: u1 = 2,7 
- Số răng z1 = 34, z2 = 92 
- Đường kính vòng 
chia 
d1 = mz1 = 170 (mm) 
d2 = mz2 = 460 (mm) 
- Đường kính vòng 
đỉnh răng 
da1 = d1 + 2m1 = 180 (mm) 
da2 = d2 + 2m1 = 470 (mm) 
- Đường kính vòng 
lăn 
dω1 = 170 (mm) 
dω2 = dω1.u = 470 (mm) 
- Đường kính vòng 
đáy răng 
df1 = d1–2,5.m1 = 157,5 (mm) 
df2 = d2–2,5.m1= 457,5 (mm) 
6. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỤM KÍCH ĐẨY 
Hình 6.1: Sơ đồ nguyên lý cụm kích đẩy 
Ta tính toán lực cắt đất F = 75,7kN, lực đẩy cần thiết của bốn xylanh phải thắng được lực cản cắt đất. 
Theo tiêu chuẩn ISO 6020/1, ta chọn được xylanh có mã hiệu D-250-MF4-40/30-141-D-1-C-H-U-M-A có thông số kỹ 
thuật sau: áp suất làm việc tối đa 250bar, đường kính ngoài 40mm, đường kính cần 30mm, hành trình 141mm, kiểu lắp 
mặt bích tròn ở đế, đầu kiểu ren đuôi kiểu hàn, ren tiêu chuẩn, cần được mạ crom. 
7. THIẾT KẾ, KIỂM NGHIỆM MỘT SỐ CHI TIẾT KHÁC 
7.1. Cụm kích đẩy 
Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ khí lần 6 Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa, 28/03/2015 
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ Khí 2015 7 
Hình 7.1: Mô hình 3D tấm đẩy 
- Kiểm nghiệm bền tấm đẩy bằng phần mềm ANSYS 
Hình7.2: Chuyển vị của tấm đẩy tính bằng phần mềm ANSYS 
Hình 7.3: Ứng suất lớn nhất của tấm đẩy tính bằng ANSYS 
Bằng phần mềm ANSYS, ta tính được chuyển vị lớn nhất của tấm đẩy khi chịu lực đẩy 75,4kN là 1,38mm. 
Ứng suất lớn nhất gây ra cho tấm đẩy 200,55 MPa nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo tấm đẩy. 
=>> Tấm đẩy thiết kế đảm bảo đủ bền, đảm bảo yêu cầu bài toán. 
Hình 7.4: Mô hình 3D cụm kích đẩy và cụm khoan 
7.2. Cụm khung đở máy 
Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ khí lần 6 Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa, 28/03/2015 
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ Khí 2015 8 
Hình 7.5: Mô hình kết cấu khung đỡ máy 
8. HỆ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG 
Hình 8.1: Các bộ phận chính của hệ thống định hướng 
LỜI CÁM ƠN 
Đề tài được tài trợ thực hiện bởi Kinh phí Đề tài NCKH cấp SV năm 2013-2014 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Phạm Hữu Đồng, Hoa Văn Ngũ, Lưu Bá Thuận. Máy làm đất. Nhà xuất bản Xây dựng. Hà Nội – 2004. 
[2]. Trần Thị Hồng, Nguyễn Hồng Ngân. Kỹ thuật rung trong máy xây dựng. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ 
Chí Minh – 2005 . 
[3]. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển. Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí - tập 1. Nhà xuất bản Giáo dục. 
[4]. Nguyễn Hữu Lộc. Cơ sở thiết kế máy. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia. TP. Hồ Chí Minh – 2010 . 
[5]. Vũ Thanh Bình, Nguyễn Đăng Điệm. Truyền động máy xây dựng và xếp dỡ. Nhà xuất bản Giao thông Vận tải. Hà 
Nội – 1999. 
[6]. Đỗ Kiến Quốc, Nguyễn Thị Hiền Lương, Bùi Công Thành, Lê Hoàng Tuấn, Trần Tuấn Quốc. Sức Bền Vật Liệu. 
Nhà xuất bản Đại học Quốc gia. TP. Hồ Chí Minh – 2009. 
[7]. Huỳnh Văn Hoàng, Trần Thị Hồng, Lê Hồng Sơn. Kết cấu thép thiết bị nâng. Nhà xuất bản Đại học quốc gia. TP. 
Hồ Chí Minh – 2005. 
[8]. Michael J.Pinches, John G.Ashby. Power hydraulics. 
[9]. Jason S. Lueke, Chair Samuel T. Ariaratnam Allan Chasey. Pilot Tube Microtunneling: Profile of an Emerging 
Industry by Vamseedhar Gottipati . ARIZONA STATE UNIVERSITY December 2011. 
Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ khí lần 6 Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa, 28/03/2015 
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ thường niên Cơ Khí 2015 9 
HƯỚNG DẪN ĐỊNH DẠNG BÀI BÁO 
1. Font chữ: Time New Roman 
2. Cỡ chữ: - Tiêu đề bài báo: 12 – Tên tác giả: 11 – Các phần còn lại: 10 
3. Page setup 
+ Top: 2 cm + Bottom: 2cm 
+ Left: 2cm + Right: 2 cm 
4. Paper: A4 
5. Lay out: 
+ Headter : 1.27 cm 
 + Footer: 1.27 cm 
6. Paragraph: 
+ Spacing 
- Before: 0 
- After: 0 
- Line spacing: Multiple 
- At: 1.15