Nguyễn Đức Toản, June 2001
Page 1 of 6
Hầm Hồ Treo - Dạng thức mới của phương
pháp đào đá cơ giới hóa
H. Hamrin
Tập đoàn Xây dựng Hầm và Khai mỏ Atlas Copco AB, Thụy Điển
Biên dịch: KS. CN. Nguyễn Đức Toản

Bài đã đăng trên Tạp chí Cầu Đường Việt Nam tháng 6 năm 2001 Tóm tắt:
Công ty Atlas Copco đang có các máy khoan tạo
nên một thế hệ mới của thiết bị khoan đá thủy lực có
khả năng vận hành cao hơn 50%. Cùng với thiết bị
khoan đá mới, các hệ thống kiểm soát tinh tế cũng
được thiết kế gắn với vận hành khoan, nhằm có được
năng suất khoan cao hơn và duy trì tính kinh tế của cả
giàn khoan và các bộ phận cột cần khoan của nó.
Các giàn khoan hiệu suất cao và kiểm soát tự động
là các đặc trưng nổi bật của máy khoan Rocket
Boomer, dùng cho các nhà thầu thi công hầm. Hai
giàn Rocket Boomer đã được sử dụng thành công
trong xây dựng Hầm Hồ Treo (Hanging Lake) tại dự
án mở rộng đường I 70 của Mỹ. Bài viết này sẽ trình
bày các kinh nghiệm về khoan đào đá tại Hồ Treo.
Thói quen truyền thống ở Mỹ từ lâu là hỗ trợ đào
dưới ngầm bằng các vòm thép và kết cấu chống bằng
gỗ. Hồ Treo là một trong những dự án áp dụng
Phương pháp Xây dựng Hầm mới của Áo (NATM -
New Austrian Tunneling Method), một kỹ thuật kết

2.1. Máy khoan Rocket Boomer
Các máy khoan hầm của công ty Atlas Copco có
tên là Boomer. Loại máy khoan Rocket Boomer mới
được giới thiệu cho các nhà thầu xây hầm vào năm
1987. Hai máy Rocket Boomer tại Hồ Treo là những
chiếc đầu tiên làm việc tại Mỹ.
Từ "Rocket" (Tên lửa) ngụ ý một năng lực khoan
cao hơn một máy khoan Boomer bình thường. Rocket
Boomer được trang bị hai búa khoan năng suất cao
loại COP 1440, chúng hoạt động bằng một bộ nguồn
55 kW. Có thể so sánh: loại Boomer thường chỉ có
nguồn 45 kW cho búa khoan COP 1238 mà thôi.
Rocket Boomer
được giới thiệu năm 1987 và từ đó
trở thành một công cụ phổ biến cho các nhà thi công
hầm trên khắp thế giới.
Nguyễn Đức Toản, June 2001
Page 2 of 6
Ban đầu Rocket Boomer được thiết kế để trở thành
một máy khoan 2 cần (dầm/tay với - boom). Người ta
nghĩ rằng năng suất của 2 búa khoan nhanh COP 1440
có thể thỏa mãn được thậm chí các yêu cầu cao nhất
về năng suất. Nhưng không lâu sau, các nhà thầu nhận
thấy rằng, nếu lắp thêm một cần COP 1440 khác có
thể khiến năng suất cao hơn nữa, do đó loại Rocket
Boomer 3 cần khoan trở nên thông dụng hơn. Phiên
b
ản mới nhất của loại Rocket là "Pocket Rocket", một
máy khoan gọn nhẹ năng suất siêu cao.
Hiện nay loại Rocket Boomer 50 đang làm việc tại

rồi phá đá ra từng mảnh.
Việc đập liên hồi tích luỹ công suất tới 1 kW, là
năng lượng khoan của một máy khoan đá nhất định.
Theo định luật vậ
t lý, công suất là một hàm số của
khối lượng piston và vận tốc của nó tại thời điểm va
chạm. Một áp suất thủy lực lớn hơn sẽ làm tăng vận
tốc của piston và do đó tăng cao năng suất khoan đá.
Ngoài ra, tốc độ va đập nhanh hơn cũng làm tăng công
suất kW của máy khoan.

2.3. Năng lượng lớn hơn cho mũi khoan
Năng lượng máy khoan là nhằm nghi
ền nát đá. Nếu
năng lượng nghiền tăng lên sẽ sản sinh ra tốc độ khoan
nhanh hơn. Khi năng lượng sinh ra bởi cơ cấu va đập
tăng lên, bản thân máy khoan đá, và cột cần khoan sẽ
chịu lực tác dụng ngày càng lớn hơn. Khi năng lượng
truyền được hết qua mũi khoan, mọi sự đều tốt đẹp.
Những cố gắng đầu tiên của việc khoan Rocket
được thự
c hiện với một búa khoan đá COP 1440 có cơ
cấu xung kích được điều chỉnh để tạo công suất 20
kW. Máy khoan này đã đạt được độ xuyên sâu đầy ấn
tượng 3,6 m/ph qua đá cứng sơ khai (kỷ tiền Cambri).
Và trong đá mềm thì nhanh, nhanh hơn rất nhiều.


N¨ng l−îng xung kÝch, kW
Tèc ®é xuyªn, m/ph
Búa khí nén
COP 900
Thủy lực nhẹ
COP 1032
5.0
10.0 15.0
20.0 25.0
Lỗ khoan 45mm,
Granit, 220 MPa
Búa thủy lực Turbo
COP 1440
Thủy lực CS cao
COP 1440
Thủy lực tiêu chuẩn
COP 1238
Nguyễn Đức Toản, June 2001
Page 3 of 6
Tính năng xuyên bị giảm đi chút ít. Nhưng với tốc
độ 2,4 m/ph trong đá 220 MPa, búa COP 1440 khoan
nhanh hơn hầu hết các máy khoan đá đào hầm khác.
Tên của máy khoan vẫn được giữ là Rocket Boomer.
Tuy nhiên, vẫn còn có điều phải nói về cách xử trí
năng lượng xung kích.

2.4. Hệ thống kiểm soát khoan tự động
Nếu mũi khoan không được đặt chặt chắc vào đá,
sóng xung kích sẽ dội lại. Vì năng lượng không thể
triệt tiêu, nó truy

mất mát năng lượng, giảm tốc độ xuyên. Năng lượng
mất mát này gây nóng và mài mòn cho các mối nối
này. Cách duy nhất để chống lỏng ren là duy trì một
mômen xoắn không đổi trên cột cần khoan. Và mômen
này sẽ quyết định áp suất của dòng dầu thủy lực trong
chu trình kín. Hệ thống Kiểm soát Cung cấp Áp lực Quay
(RPCF) sẽ
đảm trách áp lực của dòng dầu thủy lực cấp
cho môtơ quay. Khi khoan vào đá cứng, mỗi xung
động chỉ gây ra một lượng xuyên nhỏ vào đá. Lực
kháng chống lại sự quay của mũi khoan là bé, và được
đảm nhận bởi RPCF. Điều này sẽ làm tăng áp lực lên
mạch cung cấp, ép mũi khoan vào đá mạnh hơn, nâng
cao sự truyền năng lượng. Đồng thời, Kiểm soát Va
đập Áp lực Quay (RPCI) làm tăng cườ
ng áp lực va
đập, do vậy năng lượng của mỗi cú đập sẽ lớn hơn.
Trong các thành hệ đá mềm, mỗi cú đập sẽ xuyên

Hình 4 - Kiểm soát quay, năng lượng va
đập và lực ép
Mômen
xoắn
Lực
é
p

Cần
khoan
Nguyễn Đức Toản, June 2001
Page 4 of 6
bằng điện ECS khá phức tạp và phải giành cho một tài
liệu riêng.

3. CÁC HẦM TẠI HỒ TREO (HANGING
LAKE)

3.1. Dự án Hanging Lake
Việc đào đá của hai hầm đường bộ là phần việc
chính của dự án xây dựng 13 km đường ở Glenwood
Canyon (Hẽm núi Glenwood), bang Colorado - Mỹ,
một trong những đoạn cuối cùng của dự án I 70. Công
việc đào đá cho hai hầm đường bộ song song có tổng
chiều dài là 1190 m. Cái tên "H
ồ Treo - Hanging
Lake" lấy theo tên của một cái hồ cổ gần đó nằm trên
sườn đá, phía trên hẻm núi.
Dự án Glenwood Canyon được coi là dự án đường
tốn kém nhất từng được biết đến, do vấn đề môi


3.3. Các hầm Đường bộ Hanging Lake
Các hầm đường bộ có một mặt cắt dạng vòm có
chiều rộng 12,2 m và cao 9,8 m. Tuyến hầm lượn qua
núi đá về phía nam của hẽm núi theo một đường cong
mềm mại.
Cả hai hầm đều nổi trên mặt đất một đoạn ngắn tại
nơi mà Suối Quế (Cinnamon Creek)
cắt qua Hẽm núi
Glenwood. Tại đây là nơi đóng trại của nhà thầu. Từ
vị trí được lựa chọn mang tính chiến lược này, bốn
cổng hầm được khai mở.

3.4. NATM, Phương pháp Xây dựng Hầm Mới của
Áo
Khác với truyền thống cũ ở Mỹ, tại dự án Hầm
Hanging Lake người ta không dùng các vòm thép để
chống đỡ hang đào. Thay vào đó, một dạng Mỹ hóa
của NATM (New Austrian Tunnelling Method)
nổi
tiếng đã được áp dụng.
Lý thuyết của NATM có từ những năm 1930, và
hiện nay từ "Mới" là không còn thích hợp nữa. Tuy
nhiên, chúng ta ghi công người Áo vì đã phát minh ra
một kỹ thuật mà nó thích hợp tốt cho bất kỳ loại đá
nào và kích cỡ hầm nào, và hiện nay được ứng dụng
trên khắp thế giới.
NATM lợi dụng cường độ vốn có của khối đá gốc
và nhằm tố
i thiểu hóa chuyển vị ngay sau khi đào. Một

dày lớp bêtông phun, v.v
Tại hầm Hanging Lake, tất cả các thông số được mô
tả tỉ mỉ trong tài liệu hợp đồng, để lại rất ít khoảng
trống cho một sự ứng biến thiếu chuẩn bị.
Các đoạn chủ yếu của đá núi dọc theo hầm
Hanging Lake được phân loại là tốt, 71%, trung bình
20% và chỉ có 9% xấu.
Hai hầm được đào với mặt cắt phân nhỏ, phía trên
được tạ
o lò ngang và có bậc, theo như quy định kỹ
thuật. Lò ngang phía trên được phân tách nhỏ hơn
thành một lò khảo sát và các vệt rạch bên, men về phía
sau với các khoảng cách đều đặn. Bậc thềm tiến sâu
vào phía trong hầm, cũng có hai vệt rạch dọc theo
tường hầm. Mỗi hầm được chia thành 6 gương đào.
Với hơn 90% đá là tốt và trung bình, ai đó có thể
thắc mắc về sự cần thiết của việc chia tách sự
đào hầm
thành 6 gương đào riêng biệt.
Vòm hầm gia cố bằng bulông neo đá, được lắp đặt
theo cách thông thường. Thanh thép Dywidag dài
4,2m được sử dụng làm neo và gắn chặt vào lỗ khoan
bằng vữa ximăng.

3.6. Các máy khoan Rocket Boomer và Boltec
Để khoan hầm nhà thầu Frontier Kemper dã dùng
hai giàn khoan của công ty Atlas Copco loại Rocket
Boomer H245. Cả hai máy khoan được trang bị hai
tay với thủy lực, có cần khoan mạnh loại COP 1440 và
một tay với thứ ba có thùng dụng cụ dùng cho công

Hanging Lake. “Rất dễ học và vận hành”, thợ khoan
Phil Romero nói. Đồng nghiệp củ
a anh ta tán thành:
“Là giàn khoan tốt nhất cho tới nay”.

3.8. Các kết quả: hệ số sử dụng cao, giá thành hạ
Bằng cách đào hầm phân chia gương đào NATM,
rất khó xác định tốc độ tiến lên. Tuy nhiên, nhiều dự
án và công trường đã góp phần vào việc sử dụng rộng
rãi cả hai loại máy khoan Boomer và Boltec. Hợp
đồng sửa chữa cùng với một lịch trình bảo dưỡng đã
giữ cho các thiết bị luôn hoạt động, tớ
i hơn 90%.
Sự tiếp tục bảo trì cẩn thận cho các bộ phận thép
của máy khoan đã được thực hiện. Mục đích là nhằm
so sánh sự tiêu hao thép của cần khoan COP 1440 với
COP 1238.
Kết quả cho thấy giá thành cần khoan của COP
1440 hoàn toàn cạnh tranh với bất kỳ loại máy khoan
thủy lực nào khác. Đã ghi nhận đươc giá trị trung bình
0,48 USD/m khoan (~7.000 VND/m - N.D). Tuổi thọ
của bệ xilanh trung bình khoảng 3.800 mét khoan.
Một con số tương t
ự, 0,40 USD/mkhoan, áp dụng cho
chi phí phụ tùng của Rocket Boomer, bao gồm cả COP
1440.
Không nghi ngờ gì nữa, việc ứng dụng kỹ thuật
NATM tại dự án Hanging Lake là một thành công,
việc đào đá hoàn thành tháng 11/1990 trước thời hạn 4
tháng.

Boomer mang tính hiệu lực chung, vì có một số nhân
tố ảnh hưởng đến kết quả. Nhưng hiển nhiên có những
nhà thầu coi Rocket Boomer là rất đáng bỏ vốn để đầu
tư.
Trong đá cứng cường độ nén 220 Mpa, COP 1440
khoan với tốc độ 2,4 m/ph, so với COP 1238 là
1,6m/ph. Độ xuyên tính toán là cao hơn 50%, nh
ưng
sẽ có sai khác 25% về năng suất thực tế khi áp dụng
vào khoan tại một hầm thật sự.
Theo quy tắc, trong đá cứng, mỗi cần khoan COP
1440 có thể tạo ra 100 m lỗ khoan nổ mìn trong một
giờ, trong khi đó kết quả của cần khoan COP 1238 là
80 m/h.
Loại Rocket Boomer 2 tay với do vậy có khả năng
khoan 200 m/h, trong khi đó loại Boomer thông
thường 2 tay với là 160 m/h. Kết quả cho loại Rocket
Boomer 3 tay với: 300 m/h, loại Boomer thường 3 tay
với: 180 m/h.

4.2. Mỗi giờ tiết kiệm trong một ca làm việc sẽ tích
lũy thành nhiều tháng
Một hầm với giả thiết mặt cắt ngang 60,0 m
2
sẽ có
dạng thức khoan 96 lỗ mìn. Lỗ sâu 5,2 m và và chiều
dài tổng cộng các lỗ khoan nổ mìn là 500 mkhoan.
Rocket Boomer sẽ hoàn tất công việc trong 2,5 giờ, và
loại Boomer thường cần 3,2 giờ. Như vậy Rocket
Boomer tiết kiệm được khoảng 40 phút trong một chu

hiệu quả, hoàn toàn cơ giới hoá và an toàn./.

Nguyễn Đức Toản
Theo "Transportation Facilities through Difficult
Terrain"
ĐC hiện nay: Viện KHCN GTVT
Tel: 091-262 3597
Email: