Máy tạo đường hầm vi mô hoạt động như thế nào và khi nào bạn thực sự cần một chiếc

Máy đào hầm vi mô là gì và nó khác với các thiết bị khoan khác như thế nào?

Máy đào đường hầm siêu nhỏ - thường được viết tắt là MTBM (Máy khoan đường hầm siêu nhỏ) - là một hệ thống kích ống được vận hành từ xa, được thiết kế để lắp đặt đường ống ngầm mà không cần đào lộ thiên. Máy khoan một đường hầm chính xác, được kiểm soát xuyên qua đất hoặc đá đồng thời đẩy các đoạn ống đúc sẵn vào khoảng trống mà nó tạo ra. Toàn bộ hoạt động được chỉ đạo từ cabin điều khiển trên bề mặt, không cần công nhân bên trong đường hầm, khiến đây trở thành một trong những phương pháp lắp đặt không đào rãnh an toàn và chính xác nhất hiện có.

Điều khiến đường hầm vi mô khác biệt với các phương pháp không đào rãnh khác như khoan định hướng ngang (HDD) hoặc kích ống thông thường là mức độ chính xác về vị trí và tính phù hợp của nó đối với đường ống dòng trọng lực. Trong khi HDD kéo ống linh hoạt qua một đường dẫn được khoan trước và chấp nhận một mức độ sai lệch, thì hệ thống vi đường hầm sẽ điều khiển theo thời gian thực bằng cách sử dụng hướng dẫn bằng laze và đầu cắt có thể điều khiển được, đạt được dung sai đường và cấp độ chặt chẽ đến ±25mm. Độ chính xác này làm cho nó trở thành phương pháp được ưu tiên sử dụng cho đường ống thoát nước, nước mưa và đường ống xử lý nơi độ dốc phải được duy trì chính xác.

Các thành phần cốt lõi của hệ thống vi đường hầm

Một hệ thống tạo đường hầm vi mô hoàn chỉnh không chỉ có máy cắt. Đó là một tổ hợp tích hợp các bộ phận hoạt động cùng nhau trên bề mặt và dưới lòng đất để hoàn thiện lỗ khoan một cách an toàn và chính xác. Hiểu từng phần giúp giải thích cách hệ thống đạt được kết quả đáng tin cậy như vậy.

Máy khoan đường hầm siêu nhỏ (MTBM)

Bản thân MTBM là thiết bị cắt ngầm. Nó bao gồm một đầu cắt quay ở phía trước, một buồng chứa vữa ngay phía sau nó và một thân tấm chắn có thể điều khiển được chứa các hệ thống truyền động thủy lực và điện. Đầu cắt được lựa chọn dựa trên điều kiện mặt đất - điều kiện mặt đất mềm và mặt hỗn hợp sử dụng các cấu hình máy cắt khác với các dạng đá cứng. Phía sau tấm chắn, dây ống nối trực tiếp nên máy luôn làm việc ở mặt lỗ khoan trong khi đường ống hoàn thiện mọc ra phía sau.

Khung kích và trục phóng

Tất cả lực đẩy về phía trước đều đến từ khung kích thủy lực được lắp đặt trong trục phóng trên bề mặt. Khung này đẩy vào một bức tường chịu lực và dẫn toàn bộ chuỗi ống - và MTBM ở đầu của nó - xuyên qua mặt đất. Khung kích phải có kích thước để xử lý tải trọng kích dự kiến ​​tối đa cho ổ đĩa, có thể đạt tới vài nghìn kilonewton trên các ổ đĩa dài hoặc khó. Trục phóng cũng đóng vai trò là khu vực dàn dựng, nơi các đoạn ống mới được hạ xuống và thêm vào dây khi quá trình khoan diễn ra.

Nhà máy tách bùn

Hầu hết máy tạo đường hầm vi mô sử dụng hệ thống bùn để loại bỏ vật liệu đào ra khỏi mặt. Bùn được điều áp - thường là hỗn hợp bentonite và nước - được bơm từ bề mặt xuống buồng cắt, nơi nó lơ lửng chất thải và mang chất thải trở lại bề mặt thông qua đường hồi lưu. Ở bề mặt, một nhà máy phân tách xử lý bùn quay trở lại, loại bỏ các hạt đất bằng cách sử dụng thiết bị phân tách lốc xoáy và màn rung, đồng thời xử lý lại bùn sạch để tái sử dụng. Hệ thống vòng kín này kiểm soát áp lực bề mặt, ngăn chặn độ lún của mặt đất và xử lý hiệu quả nhiều loại đất.

Hệ thống điều khiển và hướng dẫn bằng laser

Độ chính xác của tay lái đạt được thông qua hệ thống dẫn đường bằng laser. Một tia laser gắn trên máy kinh vĩ được lắp đặt trong trục phóng, nhắm dọc theo đường lỗ khoan thiết kế vào mục tiêu bên trong MTBM. Bất kỳ sai lệch nào so với căn chỉnh thiết kế đều được phát hiện ngay lập tức và hiển thị trên bảng điều khiển bề mặt. Người vận hành thực hiện các điều chỉnh về lái bằng cách điều chỉnh độ mở rộng của các xi lanh khớp nối trong tấm chắn của MTBM, cho phép máy được điều khiển trở lại đường thẳng và lên dốc liên tục trong suốt quá trình truyền động. Các hệ thống hiện đại cũng kết hợp các cảm biến con quay hồi chuyển để tăng thêm độ chính xác về vị trí trên các ổ đĩa dài hơn hoặc cong hơn.

Các loại máy đào hầm siêu nhỏ theo điều kiện mặt đất

Không có thiết kế đầu cắt nào hoạt động tốt như nhau trên tất cả các loại mặt đất. Lựa chọn thiết bị là một trong những quyết định quan trọng nhất trong việc lập kế hoạch dự án đường hầm vi mô và việc chọn sai máy cho điều kiện mặt đất là nguyên nhân hàng đầu dẫn đến sự chậm trễ của dự án và chi phí vượt mức. Các loại chính là:

Các điều kiện bề mặt hỗn hợp - nơi lỗ khoan xuyên qua cả đất và đá cùng một lúc - là một trong những tình huống thách thức nhất trong việc đào hầm vi mô. Hiện có sẵn các đầu cắt mặt hỗn hợp chuyên dụng có cả mũi kéo và dao cắt đĩa, nhưng chúng yêu cầu quản lý cẩn thận áp lực mặt và tốc độ tiến để tránh mài mòn không đều hoặc máy bị lăn trong lỗ khoan.

Khi đường hầm vi mô là lựa chọn phù hợp thay vì phương pháp cắt mở

Việc đào rãnh hở đơn giản hơn và rẻ hơn trên mỗi mét đường ống được lắp đặt trên các khu đất trống mà không có hạn chế về bề mặt. Đường hầm vi mô trở thành lựa chọn tốt hơn - hoặc là lựa chọn khả thi duy nhất - khi áp dụng bất kỳ điều kiện nào sau đây:

• Giao cắt đường bộ và đường sắt: Lắp đặt đường ống bên dưới đường, đường cao tốc hoặc đường sắt đang hoạt động mà không làm gián đoạn giao thông là một trong những ứng dụng phổ biến nhất đối với thiết bị đào hầm vi mô. Lỗ khoan đi hoàn toàn bên dưới vật cản từ trục này sang trục khác mà không bị xáo trộn bề mặt.
• Các điểm vượt sông, đường thủy: Trong trường hợp ổ cứng HDD có nguy cơ bị hỏng bên dưới dòng nước, máy khoan vi đường hầm hoạt động dưới áp suất bùn được kiểm soát là giải pháp thay thế đáng tin cậy hơn, đặc biệt là tại các điểm giao cắt đường thủy đô thị với không gian làm việc hạn chế trên bờ.
• Cài đặt tiện ích sâu: Hệ thống thoát nước trọng lực thường yêu cầu lắp đặt đường ống ở độ sâu từ 6 đến 15 mét trở lên. Ở những độ sâu này, việc đào lộ thiên đòi hỏi phải có hệ thống chống đỡ, khử nước và quản lý giao thông rộng rãi, vượt xa chi phí cho việc đào hầm vi mô.
• Môi trường bề mặt nhạy cảm: Cảnh quan đường phố di sản, đường băng sân bay, cơ sở công nghiệp đang hoạt động và các khu vực nhạy cảm với môi trường có thể cấm hoàn toàn việc cắt lộ thiên, khiến đường hầm vi mô không đào trở thành phương pháp lắp đặt duy nhất được phép.
• Nước ngầm cao hoặc đất không ổn định: Máy tạo đường hầm vi mô bùn duy trì áp lực bề mặt cân bằng áp lực nước ngầm và đất, ngăn ngừa sự sụp đổ và giảm thiểu chuyển động của mặt đất trong điều kiện mặt đất mềm hoặc ngập nước.

Vật liệu ống được sử dụng với hệ thống đường hầm vi mô

Đường ống được lắp đặt bởi hệ thống đường hầm vi mô không chỉ phải chịu được tải trọng mà nó sẽ mang khi vận hành mà còn chịu được lực kích đáng kể tác dụng trong quá trình lắp đặt. Yêu cầu kép này - độ bền kết cấu và khả năng chống kích - thu hẹp lĩnh vực vật liệu ống phù hợp so với lắp đặt cắt hở. Các tùy chọn được sử dụng phổ biến nhất là:

• Ống bê tông cốt thép (RCP): Loại ống được sử dụng rộng rãi nhất trong đường hầm vi mô cho các ứng dụng thoát nước và nước mưa. Ống kích bê tông được sản xuất với các vòng đầu bằng thép phẳng, được gia công chính xác để phân bổ tải trọng kích đều trên mối nối ống. Có sẵn với đường kính từ khoảng 300mm đến 3000mm và hơn thế nữa.
• Ống đất sét thủy tinh (VCP): Khả năng chống lại sự tấn công hóa học cao và được sử dụng rộng rãi để lắp đặt cống thoát nước trọng lực. Ống kích VCP có đường kính nhỏ hơn và đặc biệt được ưa chuộng trong môi trường cống rãnh ăn mòn nơi bê tông sẽ xuống cấp theo thời gian.
• Ống thép: Được sử dụng cho các ứng dụng đường ống áp lực, dây chuyền xử lý công nghiệp và lắp đặt vỏ. Ống thép có khả năng chịu lực kích tuyệt vời và có thể được lắp đặt trong các bộ truyền động dài hơn, nhưng cần có lớp bảo vệ ca-tốt hoặc lớp lót trong môi trường đất ăn mòn.
• Bê tông polyme và ống GRP: Ống nhựa gia cố bằng thủy tinh (GRP) và ống bê tông polymer có khả năng kháng hóa chất cao và bề mặt bên trong nhẵn giúp tối đa hóa khả năng thủy lực. Chúng nhẹ hơn bê tông nhưng cần phải xử lý cẩn thận để tránh làm hỏng bề mặt kích trong quá trình lắp đặt.

Quản lý lực kích trên các ổ đĩa vi hầm dài

Khi truyền động trong đường hầm vi mô dài hơn, ma sát giữa đường ống được lắp đặt và đất xung quanh sẽ tích tụ và tổng lực kích cần thiết để đẩy máy tăng lên. Trên các truyền động rất dài, lực này có thể vượt quá khả năng kết cấu của đường ống hoặc giới hạn đầu ra của khung kích. Hai kỹ thuật chính được sử dụng để quản lý vấn đề này trên các ổ đĩa mở rộng.

Trạm kích trung gian (IJS)

Trạm kích trung gian là một cụm xi lanh thủy lực được lắp vào dây ống theo các khoảng thời gian chiến lược trong quá trình lắp đặt. Khi tải trọng kích đạt tới công suất tối đa của đường ống, IJS được kích hoạt để đẩy phần phía trước của dây ống và MTBM về phía trước một cách độc lập, trong khi khung kích chính giữ phần phía sau cố định. Điều này chia ổ đĩa thành các phân đoạn ngắn hơn một cách hiệu quả từ góc độ quản lý lực lượng, cho phép các ổ đĩa mà lẽ ra không thể hoàn thành chỉ bằng một lần đẩy. Các khoảng IJS thường được đặt cách nhau 80 đến 150 mét tùy thuộc vào độ ma sát của đất và dung tích đường ống.

Hệ thống phun bôi trơn

Hầu hết micro-tunnel jacking pipes are equipped with annular lubrication ports — small injection points built into the pipe wall. A bentonite slurry is pumped through these ports under pressure, creating a lubricated annular space between the outer pipe surface and the surrounding soil. This dramatically reduces skin friction and can cut jacking forces by 40 to 70 percent on cohesive soil drives. Maintaining consistent lubrication coverage across the entire pipe string is critical; gaps in lubrication can cause localized friction spikes that are difficult to recover from without the risk of pipe damage.

Các thông số chính của dự án ảnh hưởng đến chi phí đào hầm vi mô

Đường hầm vi mô là phương pháp lắp đặt cao cấp và có chi phí trả trước cao hơn so với đào rãnh mở. Việc hiểu các biến số thúc đẩy những chi phí đó giúp người lập kế hoạch dự án đưa ra quyết định tốt hơn trong giai đoạn thiết kế và cho phép lập ngân sách thực tế hơn:

• Chiều dài và đường kính ổ đĩa: Bộ truyền động dài hơn và đường kính ống lớn hơn đòi hỏi thiết bị lớn hơn, mạnh hơn và trục phóng lớn hơn. Chi phí trên mỗi mét thường giảm khi truyền động dài hơn do chi phí huy động được dàn trải trên nhiều đường ống được lắp đặt hơn.
• Kết cấu trục: Trục phóng và trục tiếp nhận là một thành phần chi phí đáng kể, thường chiếm 20–35% tổng chi phí truyền động. Trong môi trường đô thị, việc xây dựng trục đường ở những con phố đông đúc đòi hỏi phải quản lý giao thông, chuyển hướng tiện ích và hệ thống chống đỡ chuyên dụng khiến chi phí tăng thêm đáng kể.
• Điều kiện mặt bằng: Các điều kiện khó khăn — sỏi, đá tảng, bề mặt hỗn hợp hoặc nước ngầm áp suất cao — làm tăng độ mài mòn của máy, giảm tốc độ tiến bộ và có thể yêu cầu các biện pháp can thiệp bổ sung làm tăng thêm chi phí và thời gian cho chương trình.
• Xử lý bùn: Ở những địa điểm nhạy cảm về môi trường hoặc nơi có cơ sở xử lý ở xa, việc xử lý bùn bị ô nhiễm phát sinh trong quá trình khoan có thể tốn một khoản chi phí đáng kể. Một số dự án yêu cầu xử lý bùn tại chỗ trước khi được phép thải bỏ.
• Huy động và vận chuyển thiết bị: Hệ thống đường hầm vi mô là những gói thiết bị lớn, chuyên dụng. Việc huy động từ địa điểm của nhà thầu đến địa điểm - đặc biệt đối với các dự án ở xa hoặc quốc tế - là một chi phí cố định cần được tính vào tính kinh tế của dự án ngay từ đầu.

Yêu cầu khảo sát mặt đất trước khi lựa chọn máy đào hầm vi mô

Việc điều tra mặt đất không đầy đủ là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến thất bại của dự án đường hầm vi mô. Điều kiện mặt đất trực tiếp xác định loại máy nào có thể được sử dụng, áp lực nào sẽ áp dụng, tốc độ hoạt động của máy và những rủi ro nào cần được quản lý. Một cuộc điều tra địa kỹ thuật kỹ lưỡng cho một dự án đường hầm vi mô nên bao gồm:

• Việc khoan lỗ khoan tại các vị trí trục phóng và trục tiếp nhận được đề xuất, và định kỳ dọc theo tuyến truyền động, để ghi lại địa tầng đất và lấy mẫu để thử nghiệm.
• Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm về phân bố kích thước hạt, chỉ số dẻo, cường độ nén không giới hạn (đối với đá) và chỉ số mài mòn để đánh giá khả năng mài mòn của đầu cắt.
• Đo mực nước ngầm và kiểm tra độ thấm để thiết lập chế độ áp lực bề mặt cần thiết để cân bằng nước ngầm trong quá trình khoan.
• Xác định bất kỳ vật cản nào - nền móng bị bỏ hoang, cống cũ, tiện ích hoặc tảng đá - có thể cản trở việc truyền động và yêu cầu lập kế hoạch xử lý trước hoặc dự phòng.
• Đánh giá các cấu trúc và dịch vụ hiện có dọc theo hướng tuyến để đánh giá độ nhạy lún và xác định giới hạn chuyển động mặt đất có thể chấp nhận được mà bộ điều khiển áp lực bề mặt của máy đào hầm vi mô phải tuân thủ.

Những tiến bộ trong công nghệ tạo đường hầm vi mô đáng để biết

Ngành công nghiệp tạo đường hầm vi mô đã phát triển đáng kể trong thập kỷ qua và các hệ thống mới hơn cung cấp những khả năng chưa có ở các thế hệ thiết bị trước đó. Hệ thống giám sát và ghi dữ liệu từ xa hiện cho phép theo dõi thời gian thực các thông số hiệu suất của máy - lực kích, áp suất mặt, tốc độ tiến, mô-men xoắn đầu cắt và vị trí lái - trên nhiều bộ truyền động cùng một lúc. Dữ liệu này ngày càng được sử dụng không chỉ để quản lý dự án mà còn để dự đoán bảo trì, giúp người vận hành xác định các vấn đề đang phát triển của thiết bị trước khi chúng dẫn đến thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến ​​dưới lòng đất.

Khả năng lái cong cũng được cải thiện đáng kể. Trong khi các hệ thống đường hầm vi mô ban đầu phần lớn bị giới hạn ở các bộ truyền động thẳng, thì các MTBM ổn định hiện đại có thể thực hiện các đường cong ngang với bán kính hẹp từ 150 đến 200 mét, mở ra các tùy chọn căn chỉnh mà trước đây cần có trục bổ sung hoặc các phương pháp thay thế. Khả năng này đặc biệt có giá trị trong môi trường đô thị nơi các tuyến đường ống phải di chuyển xung quanh cơ sở hạ tầng ngầm hiện có. Ngoài ra, những tiến bộ trong thiết kế đầu cắt hỗn hợp và công nghệ giám sát mài mòn đã mở rộng phạm vi thực tế của đường hầm vi mô vào các điều kiện mặt đất mà trước đây yêu cầu máy khoan hầm đá toàn mặt hoặc phương pháp đào thủ công.