CÔNG NGHỆ KHOAN NGẦM KÉO ỐNG VƯỢT SÔNG TRONG XÂY DỰNG HẠ TẦNG KỸ THUẬT

Trong quá trình phát triển hạ tầng kỹ thuật hiện đại, việc xây dựng và mở rộng các tuyến ống cấp nước, thoát nước, ống dẫn dầu khí, đường ống kỹ thuật và tuyến cáp ngầm vượt qua sông, kênh rạch là yêu cầu tất yếu. Tại Việt Nam, với mạng lưới sông ngòi dày đặc và đặc điểm địa chất – thủy văn phức tạp, việc lựa chọn giải pháp thi công vượt sông phù hợp có ý nghĩa quyết định đến chất lượng công trình, hiệu quả đầu tư và mức độ tác động đến môi trường – xã hội. Trong bối cảnh đó, công nghệ khoan ngầm kéo ống vượt sông đã và đang được xem là một giải pháp kỹ thuật tiên tiến, đáp ứng đồng thời các yêu cầu về an toàn, môi trường và hiệu quả kinh tế.

Khoan ngầm kéo ống vượt sông là phương pháp thi công công trình ngầm không đào mở, trong đó tuyến ống được lắp đặt dưới đáy sông hoặc lòng đất bên dưới sông theo quỹ đạo thiết kế sẵn. Phương pháp này cho phép thi công mà không làm gián đoạn dòng chảy, không ảnh hưởng đến giao thông đường thủy, không xâm hại lòng sông và giảm thiểu tối đa tác động đến hệ sinh thái thủy sinh cũng như cảnh quan khu vực. So với các phương pháp truyền thống như đào hở hoặc lắp đặt ống nổi, khoan ngầm vượt sông thể hiện nhiều ưu thế vượt trội về mặt kỹ thuật và môi trường.

Về bản chất, công nghệ khoan ngầm kéo ống vượt sông thường được thực hiện bằng phương pháp khoan định hướng ngang (Horizontal Directional Drilling – HDD) hoặc các biến thể kỹ thuật tương đương, tùy thuộc vào chiều dài tuyến khoan, đường kính ống và điều kiện địa chất. Phương pháp này sử dụng hệ thống máy khoan công suất lớn, mũi khoan định hướng và thiết bị dẫn hướng để tạo lỗ khoan theo quỹ đạo xác định trước, sau đó mở rộng lỗ khoan và kéo ống qua lỗ khoan đã hoàn thiện.

Đặc điểm nổi bật của khoan ngầm kéo ống vượt sông là yêu cầu kiểm soát chặt chẽ quỹ đạo khoan và độ ổn định của địa tầng trong suốt quá trình thi công. Tuyến khoan thường có chiều dài lớn, độ sâu chôn ống đáng kể và phải đi qua các lớp địa chất phức tạp, bao gồm trầm tích sông, cát mịn, bùn, sét mềm hoặc lớp đất bão hòa nước. Do đó, việc duy trì ổn định lỗ khoan và cân bằng áp suất đất – nước ngầm là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn và chất lượng công trình.

Quy trình thi công khoan ngầm kéo ống vượt sông thường bao gồm các giai đoạn chính: khảo sát và thiết kế, chuẩn bị mặt bằng và hố thi công, khoan dẫn hướng, mở rộng lỗ khoan, kéo ống và hoàn trả mặt bằng. Trong giai đoạn khảo sát, công tác địa chất và thủy văn được tiến hành chi tiết nhằm xác định thành phần địa tầng, mực nước ngầm, tốc độ dòng chảy, đặc điểm lòng sông và các yếu tố có thể ảnh hưởng đến quá trình khoan. Kết quả khảo sát là cơ sở để lựa chọn phương án kỹ thuật, thiết bị và thông số thi công phù hợp.

Thiết kế tuyến khoan vượt sông cần đáp ứng các yêu cầu về độ sâu chôn ống, bán kính cong cho phép, khoảng cách an toàn đến đáy sông và các công trình lân cận. Tuyến khoan thường được bố trí đủ sâu để tránh ảnh hưởng của xói lở lòng sông, tải trọng thủy lực và các tác động ngoại lực khác. Việc tính toán chính xác quỹ đạo khoan không chỉ đảm bảo an toàn trong thi công mà còn góp phần nâng cao tuổi thọ và độ ổn định lâu dài của tuyến ống.

Công tác chuẩn bị mặt bằng và hố thi công bao gồm việc xây dựng hố xuất phát và hố tiếp nhận tại hai bờ sông hoặc tại các vị trí phù hợp theo thiết kế. Các hố này được gia cố bằng kết cấu tạm hoặc vĩnh cửu nhằm đảm bảo ổn định trong suốt quá trình thi công. Hố xuất phát là nơi lắp đặt máy khoan, hệ thống dẫn hướng, trạm bơm dung dịch khoan và các thiết bị phụ trợ. Hố tiếp nhận có chức năng thu hồi đầu khoan và hỗ trợ quá trình kéo ống sau khi hoàn thành khoan.

Giai đoạn khoan dẫn hướng là bước quan trọng quyết định độ chính xác của toàn bộ tuyến khoan. Máy khoan sử dụng mũi khoan có khả năng điều chỉnh hướng kết hợp với hệ thống dẫn hướng để tạo lỗ khoan ban đầu theo quỹ đạo thiết kế. Trong quá trình khoan, các thông số như phương vị, độ nghiêng và độ sâu của mũi khoan được theo dõi và điều chỉnh liên tục nhằm đảm bảo sai số nằm trong giới hạn cho phép. Việc kiểm soát tốt giai đoạn này giúp giảm thiểu rủi ro lệch tuyến và các sự cố phát sinh ở các bước tiếp theo.

Sau khi hoàn thành khoan dẫn hướng, lỗ khoan được mở rộng dần bằng các đầu doa chuyên dụng. Quá trình mở rộng lỗ khoan được thực hiện theo nhiều cấp, với đường kính tăng dần đến kích thước phù hợp với đường kính ống thiết kế. Việc mở rộng từng bước giúp giảm lực kéo trong giai đoạn kéo ống, hạn chế xáo trộn địa tầng và đảm bảo độ ổn định của thành lỗ khoan, đặc biệt trong điều kiện đất yếu hoặc bão hòa nước.

Dung dịch khoan đóng vai trò quan trọng trong toàn bộ quá trình khoan ngầm kéo ống vượt sông. Dung dịch khoan có chức năng làm mát mũi khoan, vận chuyển mùn khoan ra ngoài, bôi trơn thành lỗ và duy trì áp suất ổn định tại mặt đào. Việc lựa chọn thành phần dung dịch khoan cần căn cứ vào điều kiện địa chất và yêu cầu môi trường, đảm bảo vừa đạt hiệu quả kỹ thuật vừa hạn chế nguy cơ gây ô nhiễm nguồn nước sông.

Giai đoạn kéo ống được thực hiện sau khi lỗ khoan đạt đường kính yêu cầu. Tuyến ống được lắp ráp hoàn chỉnh trên mặt bằng, kiểm tra chất lượng mối nối và liên kết với đầu kéo. Quá trình kéo ống được thực hiện một cách liên tục, với việc kiểm soát chặt chẽ lực kéo, tốc độ và sự ổn định của ống nhằm tránh hiện tượng biến dạng, kẹt ống hoặc hư hỏng lớp bảo vệ. Trong nhiều trường hợp, việc sử dụng dung dịch bôi trơn bổ sung trong lỗ khoan giúp giảm lực kéo và tăng độ an toàn cho quá trình thi công.

Sau khi hoàn thành kéo ống, các thiết bị khoan và phụ trợ được thu hồi, hố thi công được hoàn trả theo yêu cầu kỹ thuật và môi trường. Công tác hoàn trả bao gồm việc tháo dỡ kết cấu tạm, san lấp, phục hồi mặt bằng và đảm bảo không gây ảnh hưởng đến bờ sông, dòng chảy cũng như các công trình lân cận. Đây là bước quan trọng nhằm đảm bảo dự án đáp ứng các yêu cầu về bảo vệ môi trường và cảnh quan.

Tại Việt Nam, việc áp dụng công nghệ khoan ngầm kéo ống vượt sông chịu ảnh hưởng lớn từ điều kiện tự nhiên và đặc điểm địa chất – thủy văn. Nhiều tuyến sông có nền đất yếu, trầm tích bùn cát dày và mực nước ngầm cao, đòi hỏi giải pháp kỹ thuật phù hợp và thiết bị có khả năng làm việc ổn định trong điều kiện phức tạp. Do đó, công tác khảo sát, thiết kế và kiểm soát thi công cần được thực hiện nghiêm ngặt theo các tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật hiện hành.

So với các phương pháp thi công truyền thống, khoan ngầm kéo ống vượt sông mang lại nhiều lợi ích về mặt môi trường và xã hội. Phương pháp này giúp hạn chế tối đa việc xâm hại lòng sông, giảm nguy cơ xói lở, bảo vệ hệ sinh thái thủy sinh và duy trì hoạt động bình thường của giao thông đường thủy. Đồng thời, việc không đào mở giúp giảm phát sinh chất thải xây dựng, tiếng ồn và ảnh hưởng đến sinh hoạt của cộng đồng dân cư xung quanh.

Về hiệu quả kinh tế, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị và công nghệ khoan ngầm có thể cao hơn so với một số phương pháp khác, nhưng xét trên toàn bộ vòng đời dự án, khoan ngầm kéo ống vượt sông mang lại hiệu quả tổng thể cao. Việc giảm thiểu rủi ro sự cố, hạn chế chi phí hoàn trả và giảm gián đoạn hoạt động kinh tế – xã hội giúp tiết kiệm đáng kể chi phí gián tiếp cho dự án.

Trong bối cảnh yêu cầu phát triển hạ tầng bền vững và bảo vệ môi trường ngày càng được chú trọng, công nghệ khoan ngầm kéo ống vượt sông được xem là giải pháp phù hợp với định hướng phát triển của Việt Nam. Việc ứng dụng rộng rãi công nghệ này không chỉ nâng cao chất lượng và độ an toàn của các công trình hạ tầng mà còn góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường tự nhiên và xã hội.

Trong tương lai, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật, khoan ngầm kéo ống vượt sông sẽ tiếp tục được nghiên cứu, cải tiến và ứng dụng rộng rãi hơn tại Việt Nam. Việc nâng cao năng lực thiết kế, thi công và quản lý dự án trong lĩnh vực này là yếu tố quan trọng nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của các dự án hạ tầng kỹ thuật quy mô lớn và phức tạp.

KHOAN NGẦM KÉO ỐNG QUA SÔNG

KHOAN NGẦM KÉO ỐNG QUA SÔNG

1. Kỹ thuật mở rộng đường khoan.

Sau khi hoàn tất công tác khoan định hướng, đầu khoan và mũi khoan TriHawk sẽ được thay thế bằng đầu phá ngược (reamer). Áp dụng kỹ thuật xoay-kéo đưa đầu phá đi ngược trở về máy khoan theo một tốc độ phù hợp với các tầng địa chất đường khoan đi qua cùng với một lượng dung dịch khoan có hàm lượng tương thích bơm vào để tạo ra đường hầm phục vụ kéo ống thép D114.

Đầu phá ngược có tác dụng mở rộng đường khoan thành một đường hầm có kích thước đủ để kéo thành công đường ống thép D114 (tối thiểu bằng 130% đường kính ống, tương đương D150). Việc vận hành đầu phá phải tuân thủ quy trình được tính toán dựa trên báo cáo địa chất công trình nhằm đảm bảo độ bền vững thành vách của đường hầm để duy trì lượng dung dịch khoan bên trong có chất lượng tốt trong thời gian ít nhất 7 ngày. Việc duy trì độ ổn định của đường hầm và chất lượng dung dịch khoan bên trong đóng vai trò quyết định đến thành công của công đoạn kéo ống thép D114, đặc biệt đối với đường khoan chiều dài lớn hơn 500m.

2. Dung dịch khoan sử dụng cho công trình

1. Chức năng của dung dịch khoan.

Dung dịch khoan là thành phần quan trọng quyết định thành công của công tác khoan. Về cơ bản, dung dịch khoan là một hỗn hợp của nước, bentonite và các chất phụ gia. Lượng bentonite sử dụng được tính toán dựa trên các thông số địa chất công trình và đường kính, chiều dài đường khoan.

Dung dịch khoan có các chức năng sau:  

Ø   Cắt phá, trộn đất, đá, cát trong đường hầm nơi đầu khoan, đầu phá đi qua khi được bơm nén với áp lực cao.

Ø   Thiết lập và duy trì độ ổn định đường hầm (tránh sụp hầm).

Ø   Bôi trơn đầu khoan, đầu phá và cần khoan, giảm tập trung nhiệt trên các dụng cụ này.

Ø   Vận chuyển đất, đá, cát trong đường hầm ra ngoài.

Với vùng địa chất nhiễm mặn hoặc độ pH cao, một số thành phần phụ gia được bổ sung để hạn chế sự suy giảm các các chức năng này:

-               Main agent : Aus – Gel

-               Au. Agent : XAN BORE

-               Au. Agent : AMC – Pac - R

Một đặc tính quan trọng khác của dung dịch khoan là có thể tái sử dụng được thông qua việc sử dụng thiết bị tái chế.

2. Nguồn cung cấp dung dịch khoan.   

Công trình này sử dụng dung dịch khoan Baroid – USA là loại hàng đầu và đã được sử dụng thành công trong hầu hết các công trình khoan trên thế giới.

Dung dịch khoan Baroid được cung cấp thông qua công ty Yeochem (S) Pte Ltd. Singapore với thời gian nhập hàng về công trường trong vòng 14 ngày. Số lần Deltatech mua hàng từ Yeochem: 12 lần trong thời gian 2010-2014.

3. Kỹ thuật pha trộn dung dịch khoan

Việc pha trộn dung dịch khoan theo đúng tỷ lệ và chế độ tối ưu để hình thành hỗn hợp phù hợp với các thông số yêu cầu của công trình đòi hỏi phải có kiến thức và kinh nghiệm qua nhiều công trình khoan.

Nhân sự  đã được chuyên gia hãng Baroid trực tiếp đào tạo tại Việt nam vào năm 2010 cả về lý thuyết và thực hành trên công trường. Với hơn 3 năm sử dụng dung dịch khoan của Baroid, đã hoàn thành 100% các công trình được giao đạt  chất lượng theo thiết kế.

Ưu điểm của dung dịch khoan Baroid là dễ dàng đạt được các cơ lý tính cần thiết đồng thời đảm bảo độ ổn định trong thời gian dài.

Nhược điểm chính là giá thành cao.

Áp dụng cho công trình, nhà thầu khoan ngầm có kế hoạch tăng cường thêm những chất phụ gia đặc biệt để có thể giúp giảm tải, chống dính hơn nữa cho đầu khoan đồng thời tăng thêm độ linh hoạt và chống thất thoát dung dịch khoan trong đường hầm. Trường hợp đặc biệt sẽ huy động chuyên gia hãng Baroid tới công trường tham gia giám sát pha trộn dung dịch khoan.

Địa chỉ liên hệ với Baroid USA: Mr. Rob Petrie – Manager www.baroididp.com

Địa chỉ liên hệ với Yeochem (S) Pte Ltd. Singapore: Mr. Vincen Lim www.yeochem.com.sg

II.3. Kéo đường ống thép D114 (pulling back):

1. Kỹ thuật kéo ống ngầm qua sông.

Ống thép được kéo bằng lực truyền từ máy khoan thông qua kết cấu đầu phá ngược gắn với 1 khớp xoay bằng kỹ thuật xoay – kéo cần khoan đưa dần về phía máy khoan. Dung dịch khoan được bơm vào đường hầm với chế độ phù hợp giúp giảm thiểu ma sát lên thân ống, ngăn ngừa khả năng sụp hầm.

Việc kéo ống được tiến hành với biểu thời gian được hoạch định kỹ càng đến từng chi tiết phù hợp với chiều dài đường khoan và phải được tiến hành liên tục, tuyệt đối không có thời gian dừng. Chiều dài khoan càng lớn, sự thay đổi các tầng địa chất càng nhiều dẫn đến nguy cơ tăng tải lên thân ống càng cao. Dung dịch khoan phải được tính toán cẩn thận để luôn đảm bảo chuyển động dọc thân ống giúp bôi trơn, giảm khả năng kẹt trong quá trình kéo ống.

Các thông số quá trình kéo ống thường không ổn định do đó người chịu trách nhiệm kỹ thuật luôn phải tính đến trường hợp tải kéo tăng và dự phòng sẵn phương án thay đổi dung dịch khoan, tốc độ kéo. Trường hợp tải tăng lên trong quá trình kéo nếu không chuyển ngay sang chế độ kéo khác và dừng, giữ nguyên hiện trạng, trong thời gian 1-2h áp suất dư trong đường hầm sẽ giảm xuống, tiết diện đường hầm dần co lại và hiện tượng bó ống xảy ra sẽ làm tăng đột biến sức cản. Trong 7-10h tiếp theo khả năng bó chặt đường ống là 90% và sau 12h từ khi ngừng do không có giải pháp sẽ không thể kéo được ống, bước tiếp theo bắt buộc phải cắt bỏ tuyến ống khoan lại đường khác.

Nhà thầu Deltatech đã phải thay đổi dung dịch khoan 5 lần trong thời gian kéo 11h liên tục khi hoàn thành kéo tuyến ống D450 dài 324m qua sông Sài gòn địa chất cát thô, năm 2011. Để có kinh nghiệm thi công trên 60 công trình khoan với tỷ lệ thành công 100%, các chuyên gia Deltatech đã thực hiện theo đúng công nghệ được đối tác Canada đào tạo và hướng dẫn, sử dụng thiết bị khoan Vermeer – USA, dung dịch khoan Baroid – USA.

2. Bố trí hệ thống neo máy khoan, khung sàn đạo.

Việc neo máy khoan chống trượt có vai trò rất quan trọng với quá trình thi công khoan. Máy không ổn định khi khoan sẽ gây tải phụ uốn cong cần khoan, giảm khả năng truyền tải tới đầu khoan / đầu phá, phát sinh nguy cơ tai nạn lao động. Khi sự mất ổn định tăng lên mà không có giải pháp hạn chế phần nền móng đặt máy khoan sẽ bị phá hủy, máy nghiêng quá mức cho phép và bắt buộc phải xử lý lại nền móng, sàn đạo và neo ổn định lại mới có thể tiếp tục thi công. Thời gian và chi phí bỏ ra cho việc xử lý lại này ít nhất gấp 2 lần nếu làm đạt yêu cầu ngay từ đầu.

Như vậy công tác định vị máy khoan đóng vai trò rất quan trọng đối với việc đảm bảo tiến độ thi công, ngăn ngừa tai nạn, sự cố.    

Kinh nghiệm thi công và tính chuyên nghiệp, bài bản của đội thi công đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá thực địa nền móng, đưa ra giải pháp xử lý đúng đắn ngay từ đầu.

Sàn đạo được áp dụng cho trường hợp nền đất yếu và phải được lắp ghép từ thép hình có bản rộng như U200, I700, cừ thép Larsen cùng với cừ tràm kích thước lớn và được ép đạt độ chối bằng máy ép cọc. Để chống rung, chống lún các bao cát được lèn chặt tạo thành mặt bằng vững chắc. Sau khi hoàn thành sàn đạo phải được thử tải và sửa chữa ngay những điểm còn sụt, lún.

Cách đóng cọc cừ thép Larsen gia cố chống trượt đầu máy khoan (Hình ảnh thi công công trình khoan kéo bó ống D1000mm cho Điện Lực Sài Gòn – 2012)

3. Bố trí con lăn đỡ tuyến ống phục vụ kéo.

Để có thể hoàn thành công tác kéo ống không xảy ra sự cố, tai nạn khi tuyến ống chuyển động trên bờ, 1 hệ thống con lăn được bố trí phù hợp với địa hình và khả năng uốn cong thực tế của tuyến ống.

Do địa hình đất vườn mấp mô, mật độ con lăn cần bố trí tối thiểu 4m / 1 con lăn.

Sử dụng con lăn giải quyết được các vấn đề sau:

· Gỉam ma sát lên thân ống khi chuyển động trên bờ giúp giảm tải kéo.

· Định vị tuyến ống đi theo đường kiểm soát tránh gây hư hại công trình lân cận và tai nạn, sự cố.

· Thuận tiện cho việc hàn nối các đoạn ống đã tổ hợp thành tuyến liền trong quá trình kéo.

II.4. PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ GẶP CHƯỚNG NGẠI NGẦM KHI THI CÔNG KHOAN NGẦM NGANG QUA SÔNG

Chướng ngại vật ngầm trong quá trình khoan rất thường gặp với xác suất từ 30-70% tùy địa hình, địa vật hình thành ở địa tầng 3-7m dưới đáy sông. Qua quá trình hình thành từ nhiều năm qua các thời kỳ chiến tranh, dưới lòng sông khu vực ĐBSCL là nơi thi công công trình tồn tại nhiều sắt thép, phương tiện vận tải đường thủy bị đắm, thậm chí vũ khí còn sót lại sau chiến tranh. Nhà thầu Deltatech có thời gian thi công liên tục tại các tỉnh ĐBSCL từ năm 2009 đến nay và đã nhiều lần vượt qua những trở ngại này.