CÔNG NGHỆ KHOAN NGẦM BĂNG QUA ĐƯỜNG CAO TỐC BẰNG MÁY KHOAN ROBOT, CÁC RỦI RO KỸ THUẬT VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC TRONG THI CÔNG HDD

Trong quá trình phát triển mạng lưới hạ tầng giao thông hiện đại, đường cao tốc đóng vai trò then chốt trong việc kết nối vùng, thúc đẩy phát triển kinh tế – xã hội. Song song với đó, nhu cầu xây dựng và mở rộng các hệ thống hạ tầng kỹ thuật ngầm như đường ống cấp thoát nước, đường ống dẫn khí, cáp điện và cáp viễn thông băng qua đường cao tốc ngày càng gia tăng. Đặc thù của đường cao tốc là yêu cầu rất cao về an toàn khai thác, tính liên tục của giao thông và độ ổn định lâu dài của nền, mặt đường. Vì vậy, các phương pháp thi công đào mở truyền thống hầu như không còn phù hợp, thay vào đó là các công nghệ không đào, trong đó khoan ngầm định hướng ngang HDD bằng máy khoan robot được xem là giải pháp kỹ thuật tối ưu.

Công nghệ khoan ngầm HDD băng qua đường cao tốc là phương pháp thi công sử dụng máy khoan định hướng có khả năng điều khiển quỹ đạo mũi khoan trong không gian ba chiều, tạo lỗ khoan nằm dưới nền đường ở độ sâu thiết kế, sau đó kéo tuyến ống hoặc ống bảo vệ cáp vào vị trí yêu cầu. Khi được tích hợp với các hệ thống điều khiển, cảm biến và thiết bị định vị hiện đại, quá trình khoan có thể đạt mức độ tự động hóa cao, thường được gọi là khoan ngầm bằng máy khoan robot. Công nghệ này cho phép kiểm soát chính xác quỹ đạo khoan, giảm thiểu sai lệch hình học và hạn chế tối đa tác động đến kết cấu đường cao tốc phía trên.

Về nguyên lý kỹ thuật, khoan ngầm HDD bằng máy khoan robot bao gồm ba giai đoạn chính: khoan dẫn hướng, mở rộng lỗ khoan và kéo ống. Trong giai đoạn khoan dẫn hướng, mũi khoan hoa tiêu được dẫn động theo quỹ đạo thiết kế với sự hỗ trợ của hệ thống định vị, cho phép xác định liên tục vị trí, phương vị và độ nghiêng của mũi khoan. Giai đoạn này có ý nghĩa quyết định đến độ chính xác hình học của toàn bộ tuyến khoan. Sau khi hoàn thành khoan dẫn hướng, lỗ khoan được mở rộng theo từng cấp bằng các thiết bị doa chuyên dụng nhằm đạt đường kính phù hợp với ống thiết kế. Cuối cùng, tuyến ống hoặc ống bảo vệ được kéo qua lỗ khoan bằng lực kéo của máy khoan, kết hợp kiểm soát chặt chẽ lực kéo và dung dịch bôi trơn.

Đối với công trình băng qua đường cao tốc, yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho công nghệ khoan ngầm HDD đặc biệt nghiêm ngặt. Tuyến khoan phải được bố trí ở độ sâu đủ lớn để nằm ngoài vùng ảnh hưởng trực tiếp của tải trọng bánh xe và dao động động lực từ giao thông. Đồng thời, bán kính cong của tuyến khoan phải phù hợp với khả năng chịu uốn của ống và giới hạn làm việc của cần khoan. Bất kỳ sai sót nào trong thiết kế hoặc thi công đều có thể dẫn đến nguy cơ lún sụt nền đường, nứt vỡ kết cấu áo đường hoặc hư hỏng tuyến ống ngầm.

Một trong những ưu điểm nổi bật của khoan ngầm bằng máy khoan robot là khả năng giảm thiểu tối đa tác động đến giao thông đường cao tốc. Toàn bộ quá trình thi công được thực hiện từ hai bên đường, không cần đào mở mặt đường, không làm gián đoạn dòng xe và không ảnh hưởng đến an toàn khai thác. Ngoài ra, việc ứng dụng các hệ thống điều khiển tự động và giám sát thời gian thực giúp nâng cao độ chính xác, giảm phụ thuộc vào kinh nghiệm chủ quan của người vận hành và tăng khả năng kiểm soát rủi ro.

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm nổi trội, thi công khoan ngầm HDD băng qua đường cao tốc cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro kỹ thuật phức tạp. Các rủi ro này có thể phát sinh từ điều kiện địa chất, thủy văn, thiết kế tuyến khoan, vận hành thiết bị hoặc quản lý thi công. Việc nhận diện đầy đủ các rủi ro và xây dựng biện pháp khắc phục phù hợp là yêu cầu bắt buộc đối với mọi dự án khoan ngầm dưới đường cao tốc.

Rủi ro đầu tiên và phổ biến nhất là sai lệch quỹ đạo khoan. Sai lệch có thể xảy ra do điều kiện địa chất không đồng nhất, mũi khoan gặp lớp đất cứng bất thường hoặc do hiệu chuẩn hệ thống định vị không chính xác. Nếu không được phát hiện và điều chỉnh kịp thời, sai lệch quỹ đạo có thể dẫn đến tuyến khoan đi quá gần nền đường cao tốc hoặc xâm phạm các công trình ngầm hiện hữu. Biện pháp khắc phục bao gồm kiểm tra, hiệu chuẩn định kỳ hệ thống định vị, theo dõi liên tục dữ liệu khoan và thực hiện điều chỉnh hướng khoan ngay khi phát hiện sai lệch vượt ngưỡng cho phép.

Rủi ro thứ hai là mất ổn định thành lỗ khoan, thường xảy ra trong các lớp đất yếu, cát bão hòa nước hoặc đất có độ thấm lớn. Hiện tượng này có thể dẫn đến sập lở lỗ khoan, kẹt cần khoan hoặc kẹt ống trong quá trình kéo. Đối với công trình dưới đường cao tốc, mất ổn định thành lỗ còn có thể gây lún sụt bề mặt, ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn giao thông. Biện pháp khắc phục bao gồm lựa chọn và kiểm soát chặt chẽ tính chất dung dịch khoan, đảm bảo áp suất dung dịch đủ để cân bằng áp lực đất – nước, đồng thời thực hiện mở rộng lỗ khoan theo nhiều cấp để giảm xáo trộn địa tầng.

Rủi ro trào dung dịch khoan lên mặt đất hoặc lên mặt đường cao tốc là một trong những sự cố nghiêm trọng nhất trong thi công HDD. Hiện tượng này thường xảy ra khi áp suất dung dịch khoan vượt quá khả năng chịu tải của địa tầng hoặc khi gặp các khe nứt, lớp đất yếu. Trào dung dịch có thể gây ô nhiễm môi trường, làm mất an toàn giao thông và ảnh hưởng đến kết cấu nền đường. Biện pháp khắc phục là kiểm soát nghiêm ngặt áp suất bơm dung dịch, theo dõi lưu lượng dung dịch hồi về và giảm ngay áp suất khi phát hiện dấu hiệu bất thường. Trong trường hợp cần thiết, phải tạm dừng khoan và tiến hành xử lý gia cố địa tầng.

Rủi ro về lực kéo vượt giới hạn cho phép của ống là một vấn đề kỹ thuật quan trọng trong giai đoạn kéo ống. Lực kéo quá lớn có thể gây biến dạng, nứt vỡ ống hoặc hư hỏng mối nối, đặc biệt đối với các tuyến ống dài hoặc có bán kính cong nhỏ. Nguyên nhân có thể do lỗ khoan không đủ đường kính, ma sát lớn hoặc dung dịch bôi trơn không đạt yêu cầu. Biện pháp khắc phục bao gồm thiết kế đường kính lỗ khoan phù hợp, mở rộng lỗ theo nhiều cấp, sử dụng dung dịch bôi trơn hiệu quả và giám sát liên tục lực kéo trong quá trình thi công.

Rủi ro liên quan đến thiết bị và vận hành máy khoan robot cũng cần được xem xét kỹ lưỡng. Sự cố thiết bị như hỏng hệ thống điều khiển, mất tín hiệu định vị hoặc hỏng hóc cơ khí có thể làm gián đoạn thi công và tăng nguy cơ sự cố thứ cấp. Để hạn chế rủi ro này, cần thực hiện bảo dưỡng định kỳ thiết bị, kiểm tra tổng thể trước khi thi công và chuẩn bị phương án dự phòng cho các tình huống khẩn cấp.

Ngoài các rủi ro kỹ thuật trực tiếp, thi công khoan ngầm HDD dưới đường cao tốc còn tiềm ẩn rủi ro về an toàn lao động và an toàn giao thông. Khu vực thi công tại hai đầu tuyến khoan thường nằm gần đường đang khai thác, do đó việc tổ chức mặt bằng, rào chắn, biển báo và điều tiết giao thông phải được thực hiện nghiêm ngặt. Mọi hoạt động vận chuyển thiết bị, cẩu lắp và vận hành máy móc đều phải tuân thủ quy trình an toàn đã được phê duyệt.

Trong bối cảnh đó, việc xây dựng và áp dụng các biện pháp khắc phục sự cố trong thi công khoan ngầm HDD là yêu cầu bắt buộc. Các biện pháp này cần được tích hợp ngay từ giai đoạn thiết kế và lập biện pháp thi công, bao gồm phương án xử lý sai lệch quỹ đạo, phương án xử lý mất ổn định lỗ khoan, phương án ứng phó trào dung dịch và phương án xử lý sự cố thiết bị. Đồng thời, đội ngũ thi công cần được đào tạo đầy đủ về quy trình vận hành, nhận diện rủi ro và xử lý tình huống khẩn cấp.

Từ góc độ quản lý dự án, công nghệ khoan ngầm băng qua đường cao tốc bằng máy khoan robot không chỉ là một giải pháp kỹ thuật mà còn là một công cụ quản lý rủi ro hiệu quả. Việc ứng dụng các hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu và phân tích theo thời gian thực giúp nâng cao khả năng kiểm soát chất lượng và an toàn trong suốt quá trình thi công. Đồng thời, việc tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu kỹ thuật và biện pháp khắc phục sự cố là cơ sở để đảm bảo công trình đạt được mục tiêu về an toàn, chất lượng và tuổi thọ khai thác.

Tóm lại, công nghệ khoan ngầm HDD băng qua đường cao tốc bằng máy khoan robot là một giải pháp thi công tiên tiến, đáp ứng hiệu quả các yêu cầu khắt khe về an toàn giao thông, bảo vệ môi trường và chất lượng công trình. Tuy nhiên, cùng với những ưu điểm vượt trội, công nghệ này cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro kỹ thuật phức tạp. Việc nhận diện đầy đủ các rủi ro, xây dựng biện pháp khắc phục phù hợp và tổ chức thi công theo đúng quy trình kỹ thuật là điều kiện tiên quyết để đảm bảo thành công và hiệu quả lâu dài của các dự án khoan ngầm dưới đường cao tốc trong điều kiện phát triển hạ tầng hiện đại.

Ứng dụng công nghệ khoan ngầm băng qua đường cao tốc

Các chính sách về công nghệ khoan ngầm robot tiện ích cho các tuyến ống băng qua đường cao tốc không thay đổi đáng kể kể từ khi nghiên cứu trước đó của Dự án khoan ngầm "đi ngầm của đường ống qua lòng đường cao tốc," được chuẩn bị bời nhà thầu thi công khoan ngầm. Tuy nhiên, có vẻ như nhận thức ngày càng tăng và chấp nhận thực tế rằng đi ngầm đường ống cho các đường giao nhau trên đường cao tốc không phải lúc nào cũng là giải pháp thay thế tốt nhất để bảo vệ đường ống hoặc đường cao tốc. Các cơ quan quản lí đường cao tốc của đơn vị quản lý tỏ ra thuận lợi hơn khi cho phép các đường cao tốc băng qua đường mà không có rào chắn. Nghiên cứu gần đây về các đường ống tiện ích của đường sắt đã áp dụng cho các giao cắt đường cao tốc trong việc sử dụng các giải pháp thay thế cho các giao cắt được đi ngầm. Những sự cố thảm khốc gần đây của đường ống tại các điểm giao cắt với đường cao tốc làm nổi bật những vấn đề tiềm ẩn của đường ống được bọc kín đi ngầm qua đường cao tốc.

Trong khi những phát triển này đang diễn ra, không có hướng dẫn nào sẵn có để hỗ trợ. Nhân viên cơ quan đường cao tốc trong việc phê duyệt đề xuất giao cắt đường ống của đường cao tốc. Dự án nghiên cứu này đã phát triển các hướng dẫn dựa trên thực tiễn hiện tại và thông tin sẵn có liên quan đến đường ống giao cắt của đường cao tốc. Các hướng dẫn này sẽ hỗ trợ nhân viên cơ quan quản lý đường cao tốc trong việc phê duyệt các giao cắt đường ống được đề xuất của đường cao tốc bởi các công ty tiện ích. Các yếu tố được trình bày để xem xét trong hướng dẫn là:

· Vị trí dọc và ngang của đường ống khảo sát định vị tuyến ống đi ngầm qua đường.

· Biện pháp thi công khoan ngầm robot cho phép.

· Sơ đồ tổ chức thi công khoan ngầm bắt buộc.

· Đánh giá hậu quả của sự cố đường ống trong quá trình khoan ngầm và khi đi vào sử dụng.

· Chống ăn mòn cho đường ống ngầm.

· Thiết kế đường ống ngầm và ống lồng chôn ngầm.

· Mở rộng và xây dựng đường cao tốc trong tương lai.

Gia cố đường ống ngầm khoan qua lòng đường cao tốc: Nghiên cứu kết luận rằng các đường ống trong quyền ưu tiên của đường cao tốc và đường sắt nên được bảo vệ ở mức độ cao hơn so với đường ống bình thường. Các điều kiện địa phương phải được tính đến để lựa chọn một phương pháp kéo ống ngầm băng qua đường cao tốc bao gồm bản chất của công trình bị băng qua, bản chất của đường ống đi qua, bản chất của đất mà đường ống đi qua, dân số của các khu vực liền kề với quyền và các tác động của sự cố đường ống.

Việc bọc hoặc đặt ống bọc được chứng minh là thích hợp trong một số trường hợp, nhưng ống bọc không thành công trong việc tạo thuận lợi cho việc tháo ống mang và có thể gây trở ngại cho các thiết bị bảo vệ. Trong khi sự an toàn của đường cao tốc sử dụng công và chủ sở hữu tiện ích là điều tối quan trọng, khả năng tiết kiệm chi phí là rất lớn nếu có thể thực hiện một số cài đặt nhất định mà không cần đi ngầm. Các vấn đề như: hiệu quả của việc bảo vệ chống ăn mòn đã biết; thiếu dữ liệu về tỷ lệ hỏng hóc và hậu quả của hỏng hóc; bảo trì không xác định chi phí lắp đặt; và tác động của các loại vật liệu được vận chuyển đều đã được nêu ra.

Các đơn vị quản lý thường có mạng lưới đường ống dẫn khí đốt tự nhiên hoặc dầu khí rộng lớn. Do đó, các đơn vị quản lý này có nhiều kinh nghiệm hơn về vấn đề đường ống dẫn vật liệu nguy hiểm băng qua đường cao tốc. Các câu trả lời của các nhà thầu khoan ngầm đối với các yêu cầu cung cấp thông tin bao gồm những nội dung sau: sử dụng cầu vượt ống thép bọc bê tông bằng cách nói rằng khoảng 120 chiếc đã được lắp đặt với kích thước từ 10 inch đến 36 inch mà không có vấn đề nào được biết sau gần 15 nhiều năm phục vụ. Một vấn đề tiềm ẩn đối với phương pháp khoan kéo ống ngầm này đã được lưu ý là cần có quy trình thực địa để áp dụng lớp phủ bê tông nếu đường mở rộng xảy ra. Đối với các vỏ thép hiện có yêu cầu mở rộng đường, có thể đặt các vỏ tách rời xung quanh tàu sân bay và hàn vào vỏ hiện có để tạo ra một đường xuyên được đi ngầm liên tục. Nhà thầu khoan ngầm cho phép tất cả các loại đường ống được đặt trên đường cao tốc mà không có vỏ bọc khi đường được đặt theo phương pháp rãnh mở trước khi xây dựng đường cao tốc.

Nhà thầu thi công khoan ngầm cho phép cắt ngang các tiện ích không phân biệt khi các điều kiện và biện pháp phòng ngừa nhất định được thỏa mãn. Các điều kiện này khác nhau tùy thuộc vào loại đường cao tốc và loại công trình. Mỗi đường ống đi qua đường cao tốc phải được thiết kế riêng bởi cơ quan tiện ích cho vị trí đó và cần có sự chấp thuận của ban quản lý dự án. Một yêu cầu thú vị đối với các giao cắt đường ống khác nhau mà không có vỏ bọc là "một kế hoạch có thể chấp nhận được để sửa chữa hoặc thay thế công trình trong tương lai mà không cần cắt hở vỉa hè hoặc vai" phải được cung cấp với yêu cầu tiện ích để phê duyệt. Trạng thái không gặp bất kỳ sự cố nào với các giao lộ không phân biệt đã được cài đặt. Chúng chỉ được sử dụng trong một thời gian ngắn nhưng do sử dụng loại ống cao cấp hơn hoặc dày hơn nên tuổi thọ có thể vượt quá 100 năm. Việc lắp đặt không bọc ngoài được ghi nhận là ít tốn kém hơn so với lắp đặt có vỏ bọc và mang lại lợi thế dễ dàng hơn trong việc di dời hoặc điều chỉnh nếu cơ sở bị ảnh hưởng bởi xây dựng đường cao tốc.

Các công ty thi công khoan ngầm vẫn cho phép khoan kéo ống ngầm băng qua đường và lưu ý rằng đã có nhiều vấn đề hơn với các đường ống được bọc kín, bao gồm ba vụ nổ đường ống gần đây tại các đường cao tốc. Khi Cục Đường cao tốc đang xây dựng đường cao tốc qua đường ống truyền tải hiện có, công ty tiện ích được yêu cầu xem xét đặt một tấm đệm bảo vệ bằng bê tông cốt thép theo chiều dọc thay vì đặt lớp bao quanh đường ống hiện tại.

Một phương án khác là thay thế đường ống hiện tại bằng đường ống có tường dày hơn trên đường cao tốc được đề xuất.

1. Chỉ có một sự khác biệt nhỏ về tổng số lần hỏng hóc trong các giao cắt có hướng so với không phân định và không xác định được sai hỏng. Tuy nhiên, bảo vệ tốt dường như là nguyên nhân chính gây ra hỏng hóc cho các giao cắt đường ống có vỏ bọc.

Nhà thầu khoan ngầm Minh Phương Corp cho phép đường ống không bị cắt ngang đường cao tốc cho khí đốt tự nhiên khi một số tiêu chí đã được đáp ứng. Nhà nước lưu ý rằng việc tiết kiệm chi phí từ việc sử dụng các đường cắt ngang không lệch cho các đường ống dẫn khí đốt tự nhiên là một lợi ích cho cả các công ty điện nước và tỷ lệ trả công. đơn vị quản lý cũng cho phép các trường hợp ngoại lệ đối với chính sách thông thường của mình yêu cầu bao gồm các nội dung sau:

Dưới các khu vực đơn vị quản lý, nơi không thể hoặc thực tế. Ống đồng hoặc thép có đường kính danh nghĩa 11% in hoặc nhỏ hơn. Ống nhựa, đáp ứng các yêu cầu của ASTM, D25 13, Loại 2306, đường kính danh nghĩa 11/4 inch hoặc nhỏ hơn. Ống thoát nước trọng lực đúc hoặc gang dẻo, cơ học, khớp nối kiểu "đẩy" hoặc mặt bích đáp ứng Thông số kỹ thuật ANSI A21.6, A21.10, A21.11, A21.51 hoặc Thông số kỹ thuật liên bang WW-P-421c và AWWA Thông số kỹ thuật C106, 110, 111, và 151, và thuộc loại độ dày có khả năng chống lại tải trọng sống và chết dự kiến. Ống cống tự chảy bằng nhựa cứng có khả năng chịu tải trọng sống và tải trọng chết.

Ống cống bê tông, tính toan thiết kế khoan ngầm lắp đặt ống của nhà thầu khoan ngầm Minh Phương Corp cho phép giao cắt không nghiêng trong khi yêu cầu các biện pháp bảo vệ bổ sung bao gồm việc sử dụng các yếu tố an toàn cao hơn trong thiết kế, xây dựng và thử nghiệm so với yêu cầu thông thường đối với kết cấu có vỏ bọc. Các đường giao nhau không được lắp đặt thường ít tốn kém hơn để cài đặt và dường như không gặp nhiều rắc rối.