Máy kích ống là gì và nó hoạt động như thế nào?
A máy kích ống là thiết bị xây dựng không đào rãnh dùng để lắp đặt đường ống ngầm mà không cần đào hào hở dọc theo toàn bộ tuyến đường. Thay vì xé nát đường, vỉa hè hoặc cảnh quan, máy sẽ đẩy - hay "kích" - các đoạn ống xuyên qua mặt đất từ hố phóng đến hố tiếp nhận. Cách tiếp cận này được sử dụng rộng rãi cho các đường cống, đường ống dẫn nước, đường ống dẫn khí và ống dẫn tiện ích chạy bên dưới đường bộ, đường sắt, sông và các khu đô thị đông đúc.
Nguyên lý hoạt động cơ bản bao gồm một khung kích thủy lực mạnh mẽ được đặt bên trong hố phóng. Khung này áp dụng lực đẩy dọc trục có kiểm soát để đẩy phần ống dẫn - thường được gắn đầu cắt hoặc tấm chắn - xuyên qua đất. Khi vật liệu đào được loại bỏ khỏi bề mặt (bằng cơ học hoặc bằng bùn), các phần ống mới được thêm vào phía sau phần cuối cùng và quá trình kích tiếp tục tăng dần cho đến khi chuỗi ống đến hố tiếp nhận ở đầu bên kia.
Các hệ thống kích ống hiện đại hoàn toàn có thể điều khiển được, nghĩa là người vận hành có thể thực hiện các chỉnh sửa theo thời gian thực đối với việc căn chỉnh và cấp độ bằng cách sử dụng hệ thống dẫn hướng bằng laser hoặc con quay hồi chuyển. Độ chính xác này làm cho chúng phù hợp với các dự án có dung sai chặt chẽ, chẳng hạn như lắp đặt hệ thống thoát nước trọng lực yêu cầu độ dốc chính xác.
Các loại máy kích ống chính
Không phải tất cả các thiết bị kích ống đều giống nhau. Loại máy được chọn phụ thuộc vào đường kính ống, điều kiện đất, chiều dài truyền động và ngân sách dự án. Dưới đây là các biến thể được sử dụng phổ biến nhất:
Máy tạo đường hầm vi mô (MTBM)
Máy khoan vi đường hầm được vận hành từ xa và được thiết kế cho các ống có đường kính nhỏ hơn - thường từ 150mm đến 1.500mm. Người vận hành điều khiển máy từ bề mặt bằng cabin điều khiển có nguồn cấp dữ liệu CCTV và hệ thống nhắm mục tiêu bằng laser. Bùn được sử dụng để vận chuyển cành giâm trở lại bề mặt thông qua đường ống hồi lưu chuyên dụng. MTBM có độ chính xác cao và có thể xử lý nhiều loại đất, bao gồm đất sét mềm, sỏi và thậm chí cả đá với cấu hình đầu cắt phù hợp.
Máy kích ống cân bằng áp suất đất (EPB)
Máy EPB sử dụng chính đất đào - được xử lý bằng bọt, bentonite hoặc polyme - để cân bằng áp lực đất ở mặt cắt. Điều này ngăn chặn sự lún xuống của mặt đất và khiến chúng trở nên lý tưởng cho các loại đất mềm, chứa nước hoặc hỗn hợp. Chúng thường được sử dụng trong môi trường đô thị nơi phải giảm thiểu độ lún bề mặt. Giàn khoan kích ống loại EPB hiện có sẵn cho cả đường hầm vi mô đường kính nhỏ và đường hầm có người vào lớn hơn.
Máy kích ống khiên chắn bùn
Những máy này tạo áp lực lên mặt cắt bằng bùn bentonite, có tác dụng hỗ trợ mặt đất đồng thời vận chuyển các cành cắt trở lại bề mặt thông qua một đường ống. Bùn sau đó được xử lý trong một nhà máy tách trên bề mặt, được làm sạch và tuần hoàn. Máy tạo bùn đặc biệt hiệu quả ở những vùng đất không ổn định, cát rời và dưới mực nước ngầm. Chúng có xu hướng nhanh hơn các hệ thống dựa trên máy khoan trên các ổ đĩa dài hơn.
Máy khoan Auger
Khoan bằng máy khoan là một hình thức kích ống đơn giản, tiết kiệm chi phí được sử dụng trên đất khô, ổn định. Một mũi khoan quay bên trong ống vỏ sẽ đưa cành giâm trở lại hố phóng. Những máy này thường được sử dụng cho các bộ truyền động ngắn hơn và đường kính nhỏ hơn. Chúng không thể điều khiển được, điều này hạn chế việc sử dụng chúng cho các dự án mà độ chính xác căn chỉnh ít quan trọng hơn.
Máy đầm ống
Đâm ống sử dụng búa khí nén hoặc thủy lực gắn vào mặt sau của ống vỏ thép. Lực tác động đẩy đường ống xuyên qua mặt đất mà không quay hoặc cắt - đất chỉ bị dịch chuyển hoặc nén lại. Phương pháp này nhanh và hiệu quả, phù hợp để băng qua bên dưới kè, đường bộ và đường sắt trên đất dạng hạt thô. Tuy nhiên, nó không cung cấp khả năng lái và tốt nhất cho những chuyến lái ngắn, thẳng.
Các thành phần chính của hệ thống kích ống
Thiết lập kích ống không chỉ là máy khoan ở phía trước. Toàn bộ hệ thống bao gồm một số thành phần tích hợp hoạt động cùng nhau:
- Khung kích: Máy ép thủy lực chính được lắp đặt trong hố phóng. Nó tác dụng lực đẩy lên dây ống. Khung kích được đánh giá theo khả năng chịu lực đẩy của chúng, thường dao động từ 50 tấn đến hơn 2.000 tấn đối với các bộ truyền động có đường kính lớn.
- Đầu cắt / Khiên: Phần tử dẫn đầu ở phía trước của dây ống đào đất. Thiết kế của nó rất đa dạng - máy cắt đĩa quay dành cho đá, tấm chắn mặt hở dành cho đất mềm hoặc buồng điều áp bùn dành cho đất không ổn định.
- Kích ống: Các ống bê tông, thép hoặc GRP (nhựa gia cố bằng thủy tinh) được thiết kế đặc biệt được chế tạo để chịu được lực kích mà không bị nứt. Chúng thường có các khớp nối được gia công chính xác để đảm bảo sự thẳng hàng và kín nước.
- Trạm kích trung gian (IJS): Trên các bộ truyền động dài hơn, ma sát dọc theo dây ống có thể vượt quá khả năng chịu đựng của khung kích chính. Các thiết bị IJS được lắp đặt cách đều nhau trong chuỗi ống để cung cấp thêm lực đẩy từ bên trong, kéo dài đáng kể chiều dài truyền động có thể đạt được.
- Hệ thống bôi trơn: Bùn bentonite hoặc polymer được bơm qua các cổng trên thành ống để giảm ma sát bề mặt dọc theo khoảng trống hình khuyên giữa đường ống và đất xung quanh. Điều này rất quan trọng đối với các ổ đĩa dài và trên đất sét dính.
- Hệ thống hướng dẫn: Một chùm tia laser chiếu từ hố phóng tới mục tiêu bên trong máy sẽ cung cấp dữ liệu căn chỉnh liên tục. Các dự án phức tạp hơn có thể sử dụng hướng dẫn dựa trên con quay hồi chuyển hoặc máy toàn đạc điện tử để căn chỉnh các đường cong.
- Hệ thống loại bỏ rác: Tùy thuộc vào loại máy, đây có thể là đường ống dẫn bùn, máy khoan, băng tải hoặc hệ thống xe đẩy cho đường hầm có người vào.
Kích ống và đào rãnh hở: So sánh trực tiếp
Đối với nhiều dự án, các kỹ sư phải quyết định giữa việc đào lộ thiên thông thường và kích ống không đào. Đây là cách hai phương pháp kết hợp với các yếu tố chính của dự án:
| Yếu tố | Kích ống | Rãnh cắt mở |
| Sự gián đoạn bề mặt | Tối thiểu - chỉ khu vực hố bị xáo trộn | Toàn bộ chiều dài rãnh được đào |
| Tác động giao thông | Thấp - đường có thể vẫn mở | Cao - thường phải đóng đường |
| Vượt chướng ngại vật | Tuyệt vời - sông, đường bộ, đường sắt | Thường không thể hoặc rất tốn kém |
| Chi phí thiết bị trả trước | Cao hơn | Hạ xuống |
| Tổng chi phí dự án (địa điểm phức tạp) | Thường thấp hơn khi bao gồm chi phí gián tiếp | Có thể leo thang do khôi phục, chậm trễ |
| Độ chính xác của căn chỉnh | Rất cao (được dẫn hướng bằng laser/con quay hồi chuyển) | Phụ thuộc vào khảo sát và chấm điểm thủ công |
| Tác động môi trường | Hạ xuống — less soil disruption | Cao hơn — spoil disposal, dust, noise |
| Độ sâu linh hoạt | Tuyệt vời cho việc cài đặt sâu | Tốn kém và rủi ro ở độ sâu lớn hơn |
Điều kiện đất và lựa chọn máy
Một trong những quyết định quan trọng nhất trong bất kỳ dự án kích ống nào là chọn đúng loại máy phù hợp với điều kiện mặt đất hiện tại. Sử dụng sai loại đầu cắt hoặc tấm chắn có thể dẫn đến mất ổn định bề mặt, kẹt máy, mài mòn quá mức hoặc hỏng dự án. Việc điều tra địa kỹ thuật kỹ lưỡng trước khi bắt đầu công việc không phải là tùy chọn - đó là điều cần thiết.
Đất sét mềm và bùn
Những loại đất này dễ bị nén và nén, đặc biệt là dưới các tuyến đường đô thị hoặc gần các công trình hiện có. Máy EPB có tấm chắn mặt kín hoạt động tốt ở đây vì chúng duy trì khả năng hỗ trợ mặt liên tục và giảm thiểu chuyển động của mặt đất. Đất được điều hòa trong băng tải trục vít hoạt động như một bộ đệm áp lực.
Cát và sỏi dưới mực nước
Đất dạng hạt bão hòa không ổn định và cần có máy trộn bùn hoặc EPB điều áp. Hệ thống bùn đặc biệt hiệu quả ở đây vì huyền phù bentonite nhanh chóng xâm nhập vào các lỗ rỗng để tạo ra bánh lọc ổn định trên mặt đường hầm. Khử nước phải luôn được đánh giá như một biện pháp thay thế hoặc bổ sung.
Điều kiện mặt hỗn hợp
Việc lái xe gặp cả đá và đất mềm trong cùng một mặt cắt là một trong những thách thức lớn nhất. Các máy đa chế độ có khả năng chuyển đổi giữa hoạt động EPB và hoạt động phun bùn, hoặc các đầu cắt đất hỗn hợp được thiết kế chuyên dụng với cả máy cắt đĩa và máy cạp, được sử dụng trong các trường hợp này.
đá
Kích ống bằng đá cứng sử dụng đầu cắt được trang bị dao cắt đĩa cacbua vonfram tương tự như trên TBM toàn mặt. Đá bị sứt mẻ và gãy chứ không phải bị xúc. Tỷ lệ mài mòn cao và cần phải kiểm tra đầu cắt định kỳ, điều này thường có nghĩa là trục tiếp cận có người vào hoặc trục tiếp cận trung gian trên các bộ truyền động rất dài.
Giới hạn độ dài ổ đĩa và cách mở rộng chúng
Một hạn chế cơ bản trong kích ống là chiều dài truyền động tối đa có thể đạt được trước khi lực ma sát trên dây ống vượt quá giới hạn mà khung kích có thể vượt qua. Trong điều kiện bình thường và không được bôi trơn, chiều dài truyền động có thể bị giới hạn ở mức 80–150 mét. Tuy nhiên, với kỹ thuật và thiết bị hiện đại, việc lái xe từ 500 mét trở lên là có thể thực hiện được.
Các chiến lược chính để kéo dài chiều dài ổ đĩa bao gồm:
- Bôi trơn Bentonit: Việc bơm chất bôi trơn qua các cổng trên thành ống làm giảm đáng kể ma sát bề mặt - đôi khi từ 50% trở lên tùy thuộc vào loại đất và khối lượng ứng dụng.
- Trạm kích trung gian: Các vòng IJS thủy lực được lắp đặt theo các khoảng thời gian đã định trong chuỗi ống. Chúng được kích hoạt tuần tự để đẩy các phần của đường ống về phía trước, giảm tải cho bất kỳ điểm nào trong hệ thống.
- Đầu cắt quá khổ: Sử dụng đầu cắt lớn hơn đường kính ngoài của ống một chút (tạo khoảng trống hình khuyên) giúp giảm ma sát tiếp xúc dọc theo toàn bộ bề mặt tiếp xúc giữa ống và đất.
- Khung kích công suất cao: Việc nâng cấp lên khung kích chính lớn hơn sẽ cung cấp thêm khả năng lực đẩy dự trữ để xử lý sự gia tăng ma sát bất ngờ.
Vật liệu ống được sử dụng trong kích ống
Các đường ống được sử dụng trong hoạt động kích được thiết kế có mục đích để chịu đựng cả lực kích trong quá trình lắp đặt và tải trọng dịch vụ trong suốt thời gian vận hành của đường ống. Các vật liệu ống được sử dụng phổ biến nhất là:
- Ống bê tông cốt thép (RCP): Vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất cho cống thoát nước trọng lực và nước mưa. Có sẵn các đường kính từ 300 mm đến 3.000 mm, có vòng đầu bằng thép để truyền lực kích. Cường độ chịu nén cao nhưng cần phải xử lý cẩn thận để tránh bị nứt.
- Ống thép: Được sử dụng cho các đường ống áp lực như đường ống dẫn nước và đường dẫn khí. Có khả năng chịu tải trọng kích cao và có thể được hàn thành từng phần. Thường được phủ bên trong (epoxy) và bên ngoài (lớp phủ polyetylen hoặc liên kết nóng chảy) để chống ăn mòn.
- Nhựa gia cố bằng kính (GRP/RTRP): Nhẹ và chống ăn mòn. Được sử dụng trong môi trường đất hóa học hoặc xâm thực. Ống GRP phải được thiết kế đặc biệt để kích để chịu được lực đẩy nén mà không bị vênh.
- Ống sắt dẻo: Được sử dụng cho đường ống áp suất có đường kính nhỏ hơn. Mạnh mẽ, bền bỉ và chịu được áp lực bên trong. Các mối nối phải được điều chỉnh để kích thích ứng với lực đẩy dọc.
- Ống bê tông polyme (PCP): Vật liệu composite có khả năng kháng hóa chất tuyệt vời và bề mặt bên trong nhẵn. Được sử dụng cho môi trường cống rãnh khắc nghiệt, nơi bê tông tiêu chuẩn sẽ bị ăn mòn theo thời gian.
Các ứng dụng phổ biến của thiết bị kích ống
Máy kích ống được sử dụng trong nhiều lĩnh vực cơ sở hạ tầng. Khả năng làm việc bên dưới các cấu trúc và bề mặt hiện có mà không bị gián đoạn lớn khiến chúng không thể thiếu trong kỹ thuật dân dụng hiện đại:
- Giao cắt đường bộ và đường cao tốc: Lắp đặt cống, ống thoát nước và ống dẫn tiện ích bên dưới các tuyến đường chính và đường cao tốc mà không làm gián đoạn giao thông.
- Đường hầm đường sắt: Hình thành các đường hầm dành cho người đi bộ hoặc các lối giao cắt tiện ích bên dưới các tuyến đường sắt trực tiếp nơi việc đào bề mặt sẽ không thực tế hoặc nguy hiểm.
- Giao cắt sông và nguồn nước: Lắp đặt đường ống bên dưới sông hoặc cửa sông thủy triều nơi ổ cứng HDD hoặc đường cắt hở là không khả thi do hạn chế về môi trường hoặc độ sâu.
- Hệ thống thoát nước đô thị: Đặt cống trọng lực với khả năng kiểm soát cấp độ chính xác trong môi trường thành phố đông đúc, nơi sự gián đoạn bề mặt là không thể chấp nhận được.
- Cơ sở hạ tầng sân bay: Lắp đặt các đường ống thoát nước và tiện ích bên dưới đường cất hạ cánh, đường lăn mà không ảnh hưởng đến hoạt động bay.
- Các khu công nghiệp: Định tuyến đường ống thông qua các nhà máy và cơ sở hiện có, nơi có những hạn chế về phía trên hoặc tính liên tục của quy trình ngăn cản việc đào bề mặt.
Những cân nhắc về sức khỏe, an toàn và môi trường
Mặc dù kích ống vốn đã an toàn hơn so với đào lộ thiên ở nhiều khía cạnh - ít rãnh hở hơn, ít tương tác giao thông hơn, giảm nguy cơ sập - nhưng nó đưa ra một loạt các cân nhắc về an toàn riêng phải được quản lý cẩn thận.
Các hố phóng và tiếp nhận là không gian hạn chế và phải được quản lý theo quy định về không gian hạn chế. Công nhân vào hố phải được trang bị thiết bị phát hiện khí, PPE thích hợp và hệ thống thu hồi khẩn cấp. Khung kích và hệ thống thủy lực hoạt động dưới lực cực cao, đòi hỏi người vận hành thành thạo và kiểm tra thiết bị thường xuyên.
Đối với các hệ thống dựa trên bùn, nhà máy phân tách bentonite tạo ra bùn thải phải được xử lý theo các quy định môi trường của địa phương. Việc đổ nước bị ô nhiễm bentonite vào cống thoát nước mưa hoặc nguồn nước là bất hợp pháp ở hầu hết các khu vực pháp lý. Bể lắng, hệ thống tái chế và tuyến xử lý được cấp phép phù hợp là bắt buộc tại các địa điểm tuân thủ.
Tiếng ồn và độ rung từ hoạt động kích - đặc biệt là đâm vào đường ống - phải được giám sát gần các khu vực nhạy cảm như trường học, bệnh viện và khu dân cư. Giám sát độ rung và hạn chế giờ làm việc thường được áp dụng như các điều kiện cấp phép ở khu vực thành thị.
Cách chọn nhà thầu kích ống phù hợp
Việc lựa chọn nhà thầu phù hợp cho dự án kích ống cũng quan trọng như việc chọn đúng loại máy. Những điều chính cần đánh giá khi đấu thầu hoặc chỉ định một nhà thầu chuyên môn bao gồm:
- Kinh nghiệm đã được chứng minh về các điều kiện đất cụ thể và phạm vi đường kính ống liên quan đến dự án của bạn.
- Hồ sơ về quyền sở hữu và bảo trì đối với thiết bị kích ống sẽ được sử dụng - máy thuê từ bên thứ ba có thể gây ra sự không chắc chắn về khả năng sử dụng.
- Tuyên bố về phương pháp rõ ràng bao gồm thiết kế hố, hỗ trợ mặt đất, quản lý bề mặt, kế hoạch bôi trơn, hệ thống hướng dẫn và dự phòng cho các điều kiện không mong muốn.
- Đề xuất giám sát giải quyết đối với các ổ đĩa đô thị gần các công trình hiện có, với các mức kích hoạt và hành động ứng phó được xác định.
- Tài liệu tham khảo từ các dự án tương đương đã hoàn thành trong vòng 3 đến 5 năm qua, lý tưởng nhất là kèm theo chi tiết liên hệ để xác minh.
- Hồ sơ sức khỏe và an toàn - yêu cầu tỷ lệ sự cố có thể báo cáo RIDDOR của họ và kiểm tra mọi thông báo thực thi gần đây.
Gói thầu rẻ nhất hiếm khi là lựa chọn tốt nhất trong việc kích ống. Một nhà thầu không có kinh nghiệm hoặc thiết bị phù hợp với điều kiện cụ thể của bạn có thể khiến chi phí chậm trễ, khắc phục và yêu cầu bồi thường cao hơn đáng kể so với khoản tiết kiệm ban đầu trên giá hợp đồng.
