Lắp đặp ống ngầm bằng công nghệ khoan robot vượt sông

 

ĐÁNH GIÁ RỦI RO VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG KHOAN NGẦM KÉO ỐNG BẰNG KHOAN NGANG ROBOT VƯỢT SÔNG

Nghiên cứu điển hình dự án khoan ngầm lần đầu tại Việt Nam lắp đặt ống DN600 dưới sông Đồng Nai

1. Mở đầu và bối cảnh công nghệ

Trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng cấp nước và hạ tầng kỹ thuật ngầm, việc vượt sông bằng đường ống truyền dẫn luôn là một bài toán kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự cân nhắc đồng thời về an toàn kết cấu, tuổi thọ công trình, chi phí vận hành và mức độ rủi ro lâu dài. Trong nhiều thập kỷ, giải pháp phổ biến tại Việt Nam là treo hoặc đặt ống dẫn nước chính trên các kết cấu cầu vượt sông. Tuy nhiên, giải pháp này bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng khi xét đến tuổi thọ dự kiến của cầu, chi phí bảo trì, nguy cơ hư hỏng do tác động môi trường và tính dễ bị tổn thương trước các hành vi phá hoại.

Khoan ngầm kéo ống bằng công nghệ khoan ngang robot (Horizontal Directional Drilling – HDD) vượt sông, không đào rãnh, có điều khiển chính xác, đã mở ra một hướng tiếp cận mới trong xây dựng tuyến ống truyền dẫn quy mô lớn. Việc ứng dụng công nghệ này lần đầu tiên tại Việt Nam để lắp đặt ống DN600 dưới sông Đồng Nai đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong tư duy thiết kế và thi công công trình vượt sông.

2. Cơ sở hình thành dự án vượt sông Đồng Nai

Trước năm 2012, tuyến ống dẫn nước chính DN600 vượt sông Đồng Nai được bố trí trên một cây cầu thép, đóng vai trò như một tuyến dẫn dài. Khi mực nước sông dâng cao và tiệm cận kết cấu cầu, các điểm yếu của phương án này đã bộc lộ rõ ràng. Về mặt kỹ thuật, sự rung động của cầu, tác động của môi trường nước và khí hậu, cùng với nguy cơ va chạm và phá hoại, làm gia tăng rủi ro mất an toàn cho hệ thống cấp nước. Về mặt kinh tế, chi phí bảo trì dài hạn và nguy cơ gián đoạn cấp nước được đánh giá là không còn phù hợp với yêu cầu phát triển bền vững.

Từ các phân tích trên, phương án di dời tuyến ống ra khỏi cầu và đặt ngầm dưới lòng sông, trong khu vực lân cận cầu, đã được lựa chọn. Đây là tiền đề cho việc áp dụng công nghệ khoan ngầm ngang robot không rãnh, một công nghệ chưa từng được triển khai ở quy mô và điều kiện tương tự tại Việt Nam trước đó.

3. Tổng quan công nghệ khoan ngang robot vượt sông

Khoan ngang robot vượt sông là một dạng phát triển của công nghệ khoan định hướng ngang, trong đó toàn bộ quá trình khoan, mở rộng và kéo ống được điều khiển chính xác trong không gian ba chiều. Công nghệ này cho phép tạo lỗ khoan cong theo quỹ đạo thiết kế, đi sâu dưới lòng sông, vượt qua vùng chịu tác động mạnh của dòng chảy và xói lở.

Điểm khác biệt cốt lõi so với các phương pháp truyền thống là quá trình thi công không yêu cầu đào mở lòng sông, không ảnh hưởng đến dòng chảy, giao thông thủy và môi trường sinh thái. Đối với dự án sông Đồng Nai, công nghệ này cho phép lắp đặt tuyến ống DN600 ở độ sâu an toàn, đảm bảo ổn định lâu dài và tách biệt hoàn toàn khỏi các rủi ro gắn liền với kết cấu cầu.

4. Thông số kỹ thuật chính của dự án

Tuyến ống vượt sông Đồng Nai được thiết kế và thi công với các thông số kỹ thuật chủ yếu như sau:

– Đường kính danh định ống: DN600.
– Vật liệu ống: Ống HDPE kết hợp các đoạn nối và chi tiết gang tại các vị trí đặc biệt.
– Chiều dài tuyến ống lắp đặt: 271 m.
– Tổng chiều dài các lỗ khoan, bao gồm lỗ thí điểm: 113 m.
– Đường kính ngoài của ống qua ống bọc: 742 mm.
– Bán kính cong tuyến khoan được lựa chọn phù hợp với khả năng uốn cho phép của vật liệu ống.
– Độ lệch góc cho phép tại các mối nối: đến 2° cho mỗi kết nối.
– Áp suất vận hành thiết kế của tuyến ống: 32 bar.
– Lực kéo tối đa cho phép đối với ống DN600: 152,5 tấn.

Các thông số này cho thấy yêu cầu kỹ thuật không chỉ dừng lại ở khả năng chịu áp suất làm việc của ống, mà còn bao gồm khả năng chịu lực kéo lớn và ứng suất uốn phát sinh trong quá trình khoan ngầm.

5. Cách tiếp cận thiết kế từ góc độ kỹ sư

Từ quan điểm của kỹ sư thiết kế, dự án khoan ngầm vượt sông Đồng Nai là một bài toán tổng hợp giữa cơ học đất, cơ học kết cấu và công nghệ thi công. Tuyến khoan phải được thiết kế sao cho quỹ đạo cong tuân thủ giới hạn uốn của ống HDPE, đồng thời đảm bảo không vượt quá khả năng truyền lực kéo tại các mối nối.

Đặc biệt, các mối nối đóng vai trò kép: vừa cho phép truyền lực kéo lớn từ bộ phận khoan sang toàn bộ tuyến ống, vừa phải đảm bảo kín nước và chịu áp lực vận hành lâu dài. Việc cho phép độ lệch góc đến 2° tại mỗi mối nối là một giải pháp kỹ thuật quan trọng, giúp tuyến ống thích nghi với hình học cong của lỗ khoan mà không phát sinh ứng suất cục bộ vượt ngưỡng.

6. Đánh giá rủi ro trong khoan ngầm vượt sông

6.1 Rủi ro địa chất và thủy văn

Khoan dưới lòng sông Đồng Nai đối mặt với điều kiện địa chất phức tạp, bao gồm các lớp trầm tích bão hòa nước, nguy cơ xói lở và thay đổi áp lực nước theo mùa. Rủi ro lớn nhất là mất ổn định thành lỗ khoan, dẫn đến sập lở hoặc trào dung dịch khoan ra lòng sông.

6.2 Rủi ro về quỹ đạo khoan

Sai lệch quỹ đạo khoan có thể khiến tuyến ống đi vào vùng địa chất không mong muốn hoặc quá nông, làm tăng nguy cơ xói lở và ảnh hưởng đến ổn định lâu dài. Trong khoan vượt sông, việc kiểm soát chính xác độ sâu và bán kính cong là yêu cầu bắt buộc.

6.3 Rủi ro về lực kéo và ứng suất trong ống

Lực kéo phát sinh trong quá trình kéo ống DN600 qua lỗ khoan cong là rất lớn. Nếu vượt quá 152,5 tấn, nguy cơ hư hỏng ống, mối nối hoặc giảm tuổi thọ công trình là rất cao. Do đó, lực kéo phải được giám sát liên tục và so sánh với giá trị cho phép.

6.4 Rủi ro về áp suất vận hành lâu dài

Sau khi hoàn thành lắp đặt, tuyến ống phải vận hành ở áp suất 32 bar. Nếu trong quá trình khoan, ống bị tổn thương vi mô hoặc chịu ứng suất dư lớn, nguy cơ sự cố trong giai đoạn vận hành sẽ gia tăng đáng kể.

7. Biện pháp thi công khoan ngầm ngang robot vượt sông

7.1 Khảo sát và chuẩn bị

Trước khi thi công, khảo sát địa chất – thủy văn chi tiết được thực hiện để xác định cấu trúc trầm tích đáy sông, mực nước ngầm và các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định lỗ khoan. Kết quả khảo sát là cơ sở để lựa chọn dung dịch khoan và thiết kế quỹ đạo khoan.

7.2 Khoan thí điểm

Lỗ khoan thí điểm được thực hiện với hệ thống định vị cho phép theo dõi liên tục vị trí, độ sâu và phương vị mũi khoan. Giai đoạn này đóng vai trò quyết định đến độ chính xác của toàn bộ tuyến khoan.

7.3 Mở rộng lỗ khoan

Sau khi hoàn thành khoan thí điểm, lỗ khoan được mở rộng theo nhiều cấp để đạt đường kính yêu cầu cho ống DN600. Việc mở rộng theo cấp giúp giảm xáo trộn địa tầng và kiểm soát ổn định thành lỗ.

7.4 Kéo ống và kiểm soát lực kéo

Ống HDPE DN600 được kéo vào lỗ khoan với sự hỗ trợ của các mối nối chịu lực kéo lớn. Lực kéo được đo và giám sát liên tục, đảm bảo không vượt quá giá trị cho phép. Đồng thời, dung dịch khoan đóng vai trò bôi trơn, giảm ma sát giữa ống và thành lỗ.

8. Đánh giá tổng thể chất lượng và độ bền hệ thống

Từ các dữ liệu kỹ thuật, có thể thấy rằng ống nước không chỉ phải đáp ứng yêu cầu về áp suất vận hành mà còn phải được đánh giá toàn diện về khả năng chịu lực kéo, ứng suất uốn và độ bền mỏi. Chất lượng và độ bền của ống phải tương thích với chất lượng và độ bền của toàn bộ hệ thống cấp nước, bao gồm cả điều kiện thi công và vận hành dài hạn.

9. Ý nghĩa và bài học kinh nghiệm

Việc triển khai thành công dự án khoan ngầm ngang robot vượt sông Đồng Nai lần đầu tiên tại Việt Nam mang ý nghĩa quan trọng về mặt công nghệ và quản lý rủi ro. Dự án chứng minh rằng với thiết kế phù hợp, lựa chọn vật liệu đúng và kiểm soát chặt chẽ quá trình thi công, khoan ngầm vượt sông có thể trở thành giải pháp bền vững thay thế cho các phương án treo ống trên cầu.

10. Kết luận

Khoan ngầm kéo ống DN600 vượt sông bằng công nghệ khoan ngang robot là một bước tiến lớn trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng ngầm tại Việt Nam. Việc đánh giá rủi ro toàn diện và xây dựng biện pháp thi công khoa học là điều kiện tiên quyết để đảm bảo an toàn, chất lượng và tuổi thọ công trình. Nghiên cứu điển hình sông Đồng Nai cho thấy công nghệ HDD không rãnh, khi được áp dụng đúng cách, có thể đáp ứng các yêu cầu khắt khe nhất về kỹ thuật và vận hành trong các dự án vượt sông quy mô lớn.

Lắp đặp ống ngầm bằng công nghệ khoan robot vượt sông

Ống ngầm DN 600 dưới sông Đồng Nai

 

 

Khoan ngang robot vượt sông được thực hiện lần đầu tiên tại Việt Nam, có điều khiển và không có rãnh để giới thiệu một ống gang DN 600 dưới sông. Đường ống này vượt qua sông Đồng Nai  như một đường dây dẫn đường dài thông qua một cây cầu thép.

Vào năm 2012, khi mực nước sông đạt ngay dưới kết cấu cây cầu, họ đã nêu bật những điểm yếu của giải pháp này. Theo quan điểm của tuổi thọ dự kiến ​​của cây cầu, chi phí bảo trì và tính dễ bị tổn thương trước các hành vi phá hoại, nó đã được quyết định di dời ống dẫn nước chính này ra khỏi cầu và đặt nó dưới sông, trong vùng lân cận của cầu.

Khoan ngầm băng qua sông Đồng Nai giải quyết dự án bằng đường ống dẫn nước dưới sông, được xây dựng bằng công nghệ kỹ thuật khoan ngang và không rãnh, và sự ra đời của ống HDPE DN600 mm. Chiều dài 271 m. Tổng chiều dài của các lỗ, bao gồm cả lỗ thí điểm, là 113 m. Ống ngầm vơi bán kính cong tuân thủ các khả năng kỹ thuật của vật liệu ống, có kết nối với cần khoan và ống dẫn cho phép độ lệch góc lên đến 2 ° của cả hai ống được kết nối và đóng vai trò như một mối nối.

Khi ứng dụng công nghệ khoan ngầm robot này, điều quan trọng là ống HDPE không chỉ truyền dẫn lệch góc cạnh mà còn là lực kéo cao phát sinh từ bộ phận khoan trong quá trình đi qua cái ống. Đối với kích thước ống ngầm DN 600 được sử dụng, lực kéo lên đến 152,5 tấn được phép. Đường kính mặt ngoài của ống qua ống bọc là 742 mm. Đồng thời, kết nối khóa an toàn với các đoạn hàn và gang chịu được áp suất vận hành 32 bar. Từ những dữ liệu này, nó theo sau rằng ống nước không chỉ phải được đánh giá về áp suất vận hành mà còn phải được đánh giá một cách toàn diện, sao cho chất lượng và độ bền của nó tương ứng với chất lượng và độ bền của toàn bộ hệ thống cấp nước.

 

 

Về công nghệ khoan robot ( công nghệ khoan định hướng ngầm), cần sử dụng ống luồn dây có bảo vệ cơ học bên ngoài đặc biệt và đồng thời là lớp bảo vệ vững chắc chống ăn mòn. Đối với điều này, các nhà sản xuất của gang dẻo đã phát triển một ống dẫn với lớp lót vữa xi măng bên ngoài OCM / ZMU được gia cố bằng băng lưới nhựa. Rào chắn bê tông trên bề mặt của ống dẫn ngăn ngừa ứng suất và hư hỏng cơ học có thể xảy ra khi sử dụng công nghệ không rãnh.

Các ống bọc của tất cả các kết nối được bảo vệ bằng một miếng đệm cao su hoặc co nhiệt và bởi một cổ áo kim loại tấm, giúp tăng khả năng bảo vệ của ống tay áo và đồng thời, tránh phải tháo lót cao su. Ống được lắp đặt bằng một đầu kéo đặc biệt tương ứng với hình dạng ống tay và có kết nối khóa an toàn với các đoạn hàn và sắt nóng chảy.

Cấu tạo của kết nối khóa hàn DN 600

Một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự thành công của khoan ngang định hướng có kiểm soát là thành phần địa chất của đá tại địa điểm hoạt động. Ở đây, thiên nhiên đã quyết định đủ phức tạp điều kiện: ở phía đầu vào của lỗ khoan cần phải đi qua trầm tích sông, paragnis bị xói mòn nhẹ ở độ sâu khoảng 3 mét và muộn hơn là đá granit. Trên bờ bên trái, nằm dưới bờ phải 2,5 m, có một lượng phù sa bồi tụ 4 ​​m của sông Đồng Nai cát rời và lắng đọng, dưới đó có một lớp đất đá ngầm tương tự như ở rìa sông. Mực nước ngầm ở độ sâu 1,2 m, nhiều hơn hoặc ít hơn. Quy trình khoan ngầm được quy hoạch hướng từ rìa sông qua các thành tạo đá và đến các trầm tích cát khoảng giữa lỗ.

 

 

Công việc bắt đầu vào ngày 13/04/2018, máy khoan ngang GS7000 (với lực kéo tối đa là 15 tấn) tiến hành một lỗ thí điểm với các con lăn và mở rộng lỗ thêm 300 mm với doa với các mũi con lăn. Sau đó, cỗ máy DW JT60 lớn hơn nhiều đã tiếp quản đã dần dần mở rộng lỗ lên 400 mm, 500 mm, 700 mm và cuối cùng là 950 mm giữa 17/4 và vào ngày 23/4. Máy doa kiểu Kodiak được sử dụng để phóng to. Trọng lượng quay lớn của nó giúp các lưỡi dao cacbua xay đều các loại đá tương đối cứng. Doa lớn nhất được sử dụng nó nặng một tấn rưỡi. Theo tính toán, cần mở khoảng 950 mm để đi qua một ống gang dẻo DN600 với đường kính ngoài ống bao là 742 mm. Thể tích của một lỗ khoan với đường kính 950 mm và dài 71 m là 50 m3. Để ống có thể lọt qua lỗ khoan, đất của khối lượng này phải được vận chuyển đến các hố xuất phát và đích. Lỗ Xỏ khuyên nên được làm trống càng nhiều càng tốt trong mỗi lần sau khi xỏ lỗ. Đây là nhiệm vụ chính của bùn bentonit ( dung dịch khoan), về cơ bản chứa bentonit (tức là đất sét với đặc tính đặc biệt) và các chất phụ gia được thêm vào tùy thuộc vào loại đất để cung cấp tốt hơn tài sản vận chuyển. Bùn cũng đảm bảo sự ổn định của lỗ khoan, không nên sụp đổ trong quá trình mở rộng và lắp đặt đường ống. Một số bùn được chuẩn bị đúng cách quyết định phần lớn đến sự thành công của việc đưa ống vào lỗ. Tuy nhiên, nó cũng là về hạng mục đắt nhất của dự án, vì vậy hoạt động này ảnh hưởng quyết định đến kết quả kinh tế của đặt hàng như một toàn thể.

Trong quá trình xây dựng khoan ngang kéo đường ống phụ sông Đồng Nai, thiết bị AMC- đã được sử dụng để trộn bùn. 2000, có thể cung cấp tới 20 mét khối hỗn hợp trong 10 phút. Số tiền này là cần thiết bởi vì máy DitchWitch JT 60 tiêu thụ tới 570 lít hỗn hợp này mỗi phút và không thể ngừng khoan trong mỗi lần vận hành.

Trong quá trình mở rộng dần dần lỗ khoan đến các đường kính 500mm, 700mm và 950mm, nó yêu cầu tổng lượng bùn thải là 350 m3, tạo thành một vấn đề hậu cần nghiêm trọng. Nó là cần thiết để loại bỏ bùn từ công trường xây dựng và lưu trữ tại một trong các bãi chôn lấp. Do đó, trong những công trình kiến ​​trúc lớn này một hệ thống tái chế bùn khoan được sử dụng có khả năng lọc các hạt rắn từ trái đất và trộn đá được vận chuyển từ lỗ khoan đến đập tràn ở đầu và cuối lỗ, và tái sử dụng bùn bentonit. Chất lượng của sự phân tách cũng quan trọng như các hạt đá

Các hạt cát và hạt siêu mịn sẽ làm mòn máy bơm piston trong vòng vài giờ và gây ra thiệt hại tốn kém. Trong trường hợp của chúng tôi, AMC 500 R đã được sử dụng, có khả năng loại bỏ tất cả các hạt có kích thước lớn hơn 50 micron. Việc mở rộng lỗ khoan và xả bùn được hoàn thành vào ngày 23 tháng 4 năm 2018. Sáng ngày hôm sau, ống gang dẻo DN 600 mm bắt đầu được đưa vào lỗ và hoạt động chiều hôm đó. Ống đã được lắp ráp sẵn và lắp vào một mảnh. Trước khi giới thiệu nó, đã thực hiện kiểm tra áp suất để đảm bảo độ kín và lắp đúng các mối nối. Tôi biết gặp khó khăn trong việc chỉ đạo khoan giữa các paragnis mềm, bị xói mòn và đá granit lớn hơn nhiều. cứng, trong năm mét cuối cùng của lỗ, khiến việc đưa ống lớn này vào rất khó khăn.

 

 

Giai đoạn cuối cùng.

Việc triển khai khoan định hướng ngang bằng robot dẫn hướng và tương tự, nếu hoàn thành thành công, luôn giả sử giải pháp cho một bài toán khó cho chủ đầu tư. Trong trường hợp này, một đường ống cấp nước quan trọng đã được đặt dưới lòng đất. Phương pháp không rãnh, loại bỏ một điểm quan trọng trong hệ thống nước. Tuy nhiên, thi công xây dựng khoan ngầm vượt sông cũng quan trọng vì một lý do khác. Mặc dù trong những năm gần đây gang dẻo tương tự được đặt dưới sông ở các nước khác, với công nghệ không rãnh, đây là trường hợp đầu tiên tại Việt Nam. Đó là lý do tại sao điều quan trọng là một nhà đầu tư xuất hiện không ngại chuẩn bị địa điểm việc làm với công nghệ khoan không rãnh và mục tiêu đạt được ngay cả trong những điều kiện khó khăn này.

Ưu điểm của ống HDPE / Vật liệu khác

Cuối cùng, chúng tôi tóm tắt những ưu điểm của việc khoan ngầm vượt sông lắp đặt không rãnh bằng ống hdpe trong quá trình khoan ngang so với đào cổ điển:

- Độ tin cậy hoạt động cao,

- Tuổi thọ dài hơn đã được kiểm chứng của ống dẫn (lên đến 140 năm). Thời hạn sử dụng của các vật liệu khác được sử dụng trong mạng lưới cấp nước là 50 đến 80 năm

- Thời gian lắp đặt ngắn

- Ủy quyền nhanh chóng và phê duyệt hồ sơ dự án và kế hoạch đầu tư

- Khả năng chịu lực kéo của mối nối cao tùy thuộc vào kích thước của DN

- Khả năng chịu tải cao liên quan đến hoạt động,

- giải pháp hiệu quả về chi phí theo quan điểm hoặc công việc khai quật, hoặc vệ sinh các bề mặt lân cận, khả năng lắp đặt dạng vòm (độ lệch đường ống theo DN từ 5 ° đến 1,5 °),

- Tôn trọng môi trường, không gây khó khăn cho phúc lợi của hàng xóm

 

 

Có thể bạn muốn biết:

Lắp đặt ống ngầm trong đường phố

Thi công khoan ngầm vượt qua đường sắt

Yêu cầu đối với các đường ống khoan ngầm dưới đường sắt