ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING © April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department
1
ỨNG DỤNG ROBOT PHUN BÊ TÔNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG
TRÌNH NGẦM VÀ MỎ
Phạm Tiến Vũ
Phòng Công nghệ Xây dựng Công trình Ngầm và Mỏ
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ
ABSTRACT
While shotcrete has evolved as a means and method for ground control, so too have the demands for faster and
safer placement. Spraying manipulators, or robots as they are commonly referred to, have become the rule rather
than the exception both in mining and larger tunnel projects. Even after the capital investment of a robotic shotcrete
machine, the benefits can be measured and returns achieved by:
• Increased production
• Reduction of rebound
• Higher quality shotcrete in-situ
• Improved safety for shotcrete crews
This paper discusses state-of the-art mechanized shotcrete machines and provides case histories describing the
benefits in mining and tunneling.

GIỚI THIỆU


ngày nay như một tiêu chuẩn thiết kế như: các đầu phun với kiểu di chuyển đa dạng, chuyển
ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING © April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department
2
động tám khớp, cần song song có khả năng mở rộng linh hoạt. Những cánh tay được định vị trên
các phương tiện di chuyển và thường là các xe tải và các máy khai đào. Một số tính năng như tự
động di chuyển cần và tay đỡ ống phun được tích hợp với điều khiển từ xa giúp cho người vận
hành có thể điều khiển phun một cách dễ dàng trên những vùng phun một cách tốt hơn.
Vào giữa những năm 1990, với sự phát triển rất mạnh mẽ của công nghệ phun ướt, cách tay máy
phun đã cải tiến để phù hợp với công nghệ này và nó đã trở thành những thiết bị có mặt ở rất
nhiều công trình nơi mà bê tông phun đã trở thành kết cấu chống tạm hay chống cố định, với
mục đích tiết kiệm thời gian và cũng như thế nó tiết kiệm chi phí. Điều này yêu cầu không chỉ
đơn thuần là thiết bị phải có công suất lớn mà còn là tính linh động trong hoạt động đảm bảo
phun được một lượng lớn bê tông được phun với tốc độ nhanh và chính xác giảm bớt lượng rơi
vãi và đặc biệt nó còn có khả năng đảo hướng cần ngay trong lúc phun. Các hệ thống điều khiển
cũng được phát triển từ điều khiển bằng thủy lực sang điều khiển bằng điện qua các cáp điều
khiển, và sau này là các thiết bị điều khiển từ xa bằng sóng radio đã trở thành một tùy chọn tiêu
chuẩn.
Thời kỳ này cũng xuất hiện các thiết bị phun di động tự động. Các phương tiện này được trang bị
đầy đủ các thiết bị cần thiết để phun bê tông với chất lượng cao (xe di chuyển, tay máy đỡ vòi
phun, máy phun, bình cấp liệu, bình nước, máy bơm phun gia, bình chứa phụ gia ). Các tay máy
phun phát triển ra với các loại khác nhau và chuyên dụng hơn tùy theo các vị trí ứng dụng khác
nhau và theo yêu cầu của công trình, và một số lượng lớn của chúng đã có mặt trong các công
trình xây dựng dân dụng, các công trình ngầm kích thước nhỏ, các giếng đứng và thậm chí nó

ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING © April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department
3
Hình 1a. Phun bê tông sử dụng robot phun Hình 1b. Phun bê tông bằng tay

Lợi ích của cơ giới hóa phun bê tông bằng robot phun có thể kể ra thành ba mục sau:
1) Tăng năng suất phun
2) Đem lại chất lượng bê tông phun cao hơn
3) Cải thiện tính an toàn trong thi công

Tăng năng suất phun
Theo TS.Gustav Bracher – Sika Schweiz AG thì “việc phun bê tông hiện đại có sử dụng các
robot phun và đi cùng với nó là là sự xuất hiện của bê tông phun cốt sợi thép trong chống giữ
công trình ngầm là một thành tựu, nó thay thế được lao động thủ công làm việc trong những khu
vực chưa có kết cấu chống giữ và nó giảm được tới 30% thời gian so với việc lắp đặt kết cấu
chống thông thường” (Trích báo cáo về thành tựu bê tông phun trên thế giới của TS.Gustav
Bracher).
Việc sử dụng robot phun bê tông có rất nhiều lí do để tăng nhanh năng suất phun, và hầu hết các
lí do trong đó đều là do việc loại trừ lao động thủ công nặng nhọc.

Các lí do chủ yếu làm tăng năng suất phun có thể được kể đến như sau:
- Tăng đường kính ống phun bê tông: Một số xe phun bê tông di động được trang bị ống
phun có đường kính lên tới 102 mm. Các ống phun đặc trưng cầm tay có đường kính là
51 mm. Trọng lượng của bê tông phun trong đường ống phun 102 mm là khoảng 18,3

Underground and Mining Construction Technology Department
4
Với việc cơ giới hóa phun bê tông bằng robot đem lại sự cải thiện rất đáng kể chất lượng của bê
tông nguyên khối, đó là:
- Loại trừ cao nhất lượng không khí lẫn trong bê tông tạo nên độ đặc chắc tối ưu
- Các cần định vị tự động được giữ ở vị trí song song với trục hầm
- Các khả năng thao tác mới của robot mới cho phép điều chỉnh ống phun một cách tự
động đảm bảo cho góc phun cũng như tư thế phun luôn luôn rất ổn định trong quá trình
phun

Cải thiện tính an toàn trong thi công
Tạo nên một môi trường làm việc an toàn hơn thông qua các robot phun là một việc rất dễ nhận
thấy. Bằng việc sử dụng hệ thống điều khiển từ xa, đội thợ chỉ cần phải đứng từ xa trong những
vùng có kết cấu chống vững chắc trong lúc robot phun đang làm việc trong vùng mới khai đào,
nơi yêu cầu cần phải có kết cấu neo nóc và bê tông phun, đội thợ có thể làm việc rất thuận lợi
trong môi trường an toàn có chống giữ khi một lớp bê tông phun đầu tiên đã được phun như một
kết cấu chống tạm.

CÁC THÀNH TỰU HIỆN NAY TRONG ỨNG DỤNG ROBOT PHUN BÊ TÔNG

Để phun bê tông với chất lượng cao nhất, một tay máy phun tốt nhất phải là một thiết bị hoàn
chỉnh.
Trong các gương thi công xây dựng lớn chẳng hạn như các công trình ngầm, một yêu cầu bức
thiết phải lắp đặt và phun ngay lập tức ngay khi gương hầm đã sẵn sàng cho việc phun bê tông.
Ngay sau khi việc phun được hoàn thành, thiết bị phải di chuyển ngay đi để cho chu kỳ làm việc
được tiếp tục. Thêm vào đó, xu hướng chung là các công việc thông thường diễn ra đồng thời, vì
thế nó đòi hỏi thiết bị phải tự làm việc độc lập hoàn toàn. Ví dụ, một đường ống cấp khí nén

© April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department
5
- Tay máy phun Robojet
- Bơm bê tông phun Potenza cho quy trình phun ướt
- Bộ phận hòa trộn phụ gia Dosa TDC tích hợp
- Bộ phận xử lí dữ liệu hoạt động Meyco Data và bảng thông tin hiệu suất
- Bộ phận nguồn trung tâm
- Thân máy, 4 cầu bánh và chân đỡ ổn định
- Vòng quấn cáp
- Máy nén khí
- Hệ thống ống phun
- Bình dung dịch phụ gia
- Bình chứa nước
- Các đèn làm việc
- Máy bơm nước sạch áp lực cao
- Bơm dầu

Robot phun bê tông Allentown MBS-02E
Hình 3. Robot phun bê tông Allentown MBS-02E của MBT

Các robot phun MBS-02E có hầu hết các tính năng phun bê tông cũng như hình dáng như
Potenza nhưng chúng được thiết kế nhỏ hơn và mạnh hơn để sử dụng cho các đường lò trong mỏ
nhỏ hơn cũng như khắc nghiệt hơn của môi trường mỏ hầm lò khu vực Bắc Mỹ. Một điều quan

được đảm bảo. Các TBM thay đổi rất khác nhau trong trong từng công trình xây dựng cụ thể của
chúng, phụ thuộc môi trường địa chất nơi chúng được áp dụng. Chính điều này cũng làm ảnh
hưởng tới các thiết kế của các tay máy. Không gian chính là điều quan trọng mấu chốt và việc
phục vụ hỗ trợ là rất khó khăn vì thế một tay máy phun phải có sự di chuyển trong khoảng tốt
nhất có thế nhưng không làm ảnh hưởng đến hệ thống. Meyco đã sản xuất ra hai loại tay máy
phun, một loai định vị trượt trên vòng TBM còn một loại thì định vị ở tại trung tâm tùy theo yêu
cầu cụ thể. Những thiết bị này được làm để phù hợp với TBM chúng đi theo nhưng không bao
gồm tất các các phụ kiện chủ yếu cơ bản làm chúng có thể di chuyển, dễ dàng cho thao tác bằng
tay của người vận hành phun. MBT đã chế tạo ra một vòng rộng, nơi mà các tay máy phun có thể
trượt trên đó, tích hợp quanh TBM để để sử dụng trong Công trình Löschberg Transalpino ở Steg
và Raron.
Các hệ thống phun bê tông được tích hợp trên các TBM đào trong đá rắn cứng ngày càng thu
được hiệu quả và trở lên phổ biến hơn. Sự phát triển này bắt đầu với công trình hầm Vereina ở
Thụy Sỹ với bê tông phun theo phương pháp ướt và công trình Manapouri ở New Zealand với
phương pháp phun khô sử dụng kiểu tay máy phun đơn giản. Này nay, người ta chỉ còn sử dụng
phương pháp phun ướt cho các thiết bị này.

Robot phun Shaft Robo
Hình 5. Robot phun bê tông Shaft Robo của MBT
ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING © April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department


© April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department
8
và cấu trúc đơn giản và chúng thay đổi, mỗi model thì tương ứng với các phạm vi phun lớn nhất
khác nhau, tùy theo các kích thước tự nhiên của chúng. Chúng đều có một đầu phun với hai động
cơ bơm cấp thủy lực với khớp động truyền các chuyển động co duỗi theo yêu cầu của ống phun;
các tốc độ được điều chỉnh cho phép định vị ống phun một cách tối ưu.

Nghiên cứu thực tế tại mỏ KIDD CREEK
Hình 8. Các mức khai thác tại Mỏ Kidd Creek, Canada

Mỏ KIDD CREEK nằm tại vùng Timmins, Ontario, Canada, nơi có chứa khoáng đồng-kẽm-bạc
được phát hiện năm 1963. Được sở hữu bởi Công ty TNHH Falconbridge, và nó được đưa vào
khai thác năm 1965 bằng phương pháp lộ thiên, bắt đầu khai đào từ năm 1965-1977. Sau đó,
thân quặng đã được khai thác bằng ba giếng độc lập được biết đến là giếng mỏ số 1, số 2 và số 3.
Trong những năm đó, Kidd Creek đã dùng phương pháp neo kết hợp lưới thép làm kết cấu chống
giữ chính. Bê tông phun khô được sử dụng làm kết cấu gia cường thứ hai nó cũng được dùng để
sửa chữa các đoạn lò cần gia cường. Vào cuối những năm 1990, người bắt đầu nghiên cứu để tìm
ra phương pháp chống giữ nền móng tốt hơn, nhanh hơn và an toàn hơn.
Trong các nỗ lực tiếp cận các phương pháp chống giữ công trình mới, một thách thức đặt ra là
làm sao phải tìm ra một hệ thống phải đảm bảo tính an toàn có tính kinh tế cao sử dụng được
trong các môi trường đường lò phức tạp dưới mức sâu, và nó cũng phải được người công nhân
chấp nhận. Họ cần một phương pháp chống giữ nền móng mới khả thi mà nó có thể giảm được

thử nghiệm với những thành tựu mới nhất với trạm trộn đặt trên mặt đất cấp liệu qua hai lỗ
khoan cơ sở đường kính 200 mm tới độ sâu 1400 m và 1460m tương ứng. Năm thiết bị phun bê
tông ướt di động và bảy xe trộn-chở bê tông được chọn để phục vụ công trình.
Để đáp ứng được mục đích trên mỏ đã chọn các thiết bị phun bê tông MSV được cung cấp từ
Nhà máy sản xuất thiết bị Allentown trực thuộc MBT. Các máy phun MSV được thiết kế đặc
biệt để phục vụ riêng cho môi trường hầm lò. Với tính năng như một thiết bị vận tải cực mạnh và
tận dụng hầu hết các hiệu quả các động cơ hiệu quả có mặt trên thị trường. Nó có một tổng
chiều dài di chuyển chỉ là 7,3 m và chiều cao là 2,28 m. Nó không chỉ có tốc độ dịch chuyển
nhanh hơn và an toàn hơn và nó còn có khả năng đáp ứng được hoạt động trên các gương trong
các gương thi công trong cả một ca làm việc.
Cuối hè năm 2003, Công trình Khu D đã thi công đạt tới mức 2438 m, với hơn 14000 m
3
bê tông
phun đã được sử dụng với thiết bị MSV của MBT. Và với các tính năng cải thiện tính an toàn đã
được chứng minh, nó đã hoạt động rất tốt mà không để xảy ra một vụ tai nạn, thương vòng nào.

Nghiên cứu thực tế tại Công trình hầm dân dụng Bergen
Hiệu quả kinh tế dựa trên năng suất sẽ thay đổi tùy theo kích thước, chu kỳ tiến gương công trình
ngầm và mục đích ứng dụng bê tông phun. Một sự so sánh giữa năng suất khi sử dụng các thiết
bị phun cơ giới hóa đối với sử dụng phương pháp phun tay thủ công đã được thực hiện tại Công
trình Khôi phục Hầm Bergen, NJ và Công trình Khôi phục Hầm Cameron Run, Alexandria, VA
Trong quá trình khôi phục hầm Cameron Run, nhà thầu Merco. Inc đã sử dụng phương pháp
phun tay sử dụng một bơm bê tông Reed B30. Bơm bê tông Reed B30 có năng suất lý thuyết là
22,8 m
3
/h. Khối lượng thi công thực tế đặc cụ thể là 3,6 m
3
/h hay 30,4 m
3
/ca.

10
Meyco Logica là một thế hệ máy mới, nó được thiết kế trên cơ sở máy Robojet, nó được phát
triển với sự hợp tác của các cơ sở sản xuất và các viện nghiên cứu. Tay máy của nó có 8 độ tự do
để chuyển động vòi phun trong các kiểu phun khác nhau, có thể điểu khiển ở ba dạng: điều khiển
hoàn toàn bằng thủ công, bán tự động và tự động hoàn toàn trong khu vực gương thi công. Nó
cũng có khả năng tự động căn khoảng cách so với hộ chiếu hầm do được trang bị các thiết bị
quét lazer.
Trong một kiểu hoạt động, vòi phun có thể có sáu hướng hoạt động được điều khiển bằng các tay
cảm biến Joystick. Sự tính toán chuyển động được thực hiện bởi hệ thống. Các sensor cảm biến
lazer đo lường hình dạng gương và thông tin này được sử dụng để điều khiển tự động cự ly phun
và góc của vòi phun. Mục đích của việc điều khiển này không phải là để tự động hóa toàn bộ
công tác phun mà làm đơn giản hóa công việc và cho phép hoạt động với sử dụng robot như một
công cụ thông minh làm việc theo cách hiệu quả đem lại chất lượng cao nhất.

Bán tự động
Tự động
Bằng tay
Cần điều
khiển 6 chiều
trên bảng điều
khiển
Bảng điều
khiển màn
hình cảm
biến
Hình 10. Các kiểu chế độ làm việc của robot MEYCO
®
Robojet Logica

Hệ thống đã thể hiện việc tăng năng suất trong ứng dụng phun bê tông mà không làm tăng lên

đã thực hiện phun 12.979m
3
bê tông phun các loại với bề dày từ 5-40cm ở cửa hầm phía Nam và
họ đã sử dụng các robot phun hiện đang có (1 robot phun Meyco, 2 robot phun Aliva 500 và 1
robot phun Jacon - Australia) một cách hiệu quả và nó đã chứng minh được khả năng của mình
tại công trình này.
Hình 11. Máy phun Aliva 500 (Cty SĐ 10) sử dụng tại công trình hầm đèo đường bộ Hải Vân
Hình 12. Robot phun bê tông Jacon (Australia) của Cty SĐ 10

ROBOTIC SHOTCRETE APPLICATIONS FOR MINING AND TUNNELING © April 2006 Phạm Tiến Vũ
Underground and Mining Construction Technology Department
12

Hình 13. Hầm Hải Vân – Công trình hầm giao thông đường bộ lớn nhất khu vực Đông Nam Á

KẾT LUẬN

Với việc phát triển các ứng dụng bê tông phun trong các công trình thi công công trình xây dựng