Máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất có thể hoạt động mà không cần bentonite hay không?

Câu hỏi liệu một máy đẩy ống cân bằng áp suất đất việc có thể vận hành mà không cần bentonite là chủ đề thường xuyên gây tranh luận giữa các nhà thầu, kỹ sư dự án và kỹ sư thiết kế đường hầm. Việc bôi trơn bằng bentonite từ lâu đã là một phương pháp tiêu chuẩn trong các hoạt động đẩy ống, giúp giảm ma sát bề mặt dọc theo chuỗi ống và bảo vệ cấu trúc đất xung quanh. Tuy nhiên, trong thực tế tồn tại những tình huống cụ thể mà bentonite khan hiếm, điều kiện địa chất khiến việc sử dụng bentonite trở nên không cần thiết, hoặc các quy định về môi trường hạn chế việc sử dụng bentonite. Để hiểu rõ khi nào và liệu một máy đẩy ống cân bằng áp lực đất có thể hoạt động hiệu quả mà không cần bentonite, cần phân tích rõ nguyên lý làm việc của máy, vai trò của chất bôi trơn cũng như các điều kiện địa chất liên quan.

Một máy đẩy ống cân bằng áp suất đất được thiết kế để duy trì trạng thái cân bằng giữa mặt đào và áp lực đất xung quanh. Đầu cắt và buồng áp lực của máy phối hợp với nhau nhằm kiểm soát dòng đất và ngăn ngừa sập mặt đào hoặc phình mặt đào. Mặc dù chức năng cốt lõi này không phụ thuộc vốn có vào bentonite, hệ thống bôi trơn bao quanh dây ống lại đảm nhiệm một mục đích riêng biệt nhưng không kém phần quan trọng. Việc tách biệt hai chức năng này là điều thiết yếu khi đánh giá tính khả thi của phương pháp đẩy ống theo kiểu khô hoặc ít bôi trơn cho một dự án cụ thể.

Làm thế nào Máy đẩy ống cân bằng áp suất đất Kiểm soát đất mà không cần bentonite

Cơ chế cân bằng áp lực cốt lõi

Phần E máy đẩy ống cân bằng áp lực đất điều khiển mặt đào bằng cách duy trì áp lực đất cân bằng trong buồng cắt của nó. Đất đào được đưa ra ngoài qua băng tải xoắn ốc với tốc độ được kiểm soát, nhằm giữ ổn định áp lực tại mặt đào. Cơ chế này hoàn toàn độc lập với việc bơm vữa bentonite. Trong các loại đất ổn định và dính như đất sét hoặc đất sét pha bùn, máy đẩy ống cân bằng áp lực đất có thể duy trì ổn định mặt đào mà không cần hỗ trợ bentonite tại đầu cắt. Chính bản thân đất cung cấp lực dính tự nhiên giúp điều tiết áp lực.

Lực ma sát dọc theo chuỗi ống

Vấn đề thiếu bentonite trở nên nghiêm trọng không phải ở mặt cắt mà dọc theo bề mặt ngoài của chuỗi ống. Khi máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất tiến vào, toàn bộ cột ống chịu lực ma sát bề mặt tác động lên đất xung quanh. Nếu không bơm chất bôi trơn bentonite qua các cổng vữa vòng (annular grouting ports), lực ma sát này có thể làm tăng lực đẩy đến mức vượt quá khả năng chịu lực cấu trúc của các đoạn ống. Trong các đoạn đẩy ngắn, đất có độ thấm thấp hoặc chuỗi ống rất ngắn, máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất có thể kiểm soát được các lực này mà không cần bentonite. Tuy nhiên, trong các đoạn đẩy dài hơn, đất cát hoặc nền sỏi, sự gia tăng lực ma sát do thiếu chất bôi trơn có thể trở thành một hạn chế vận hành nghiêm trọng.

Các điều kiện mà bentonite có thể không cần thiết

Chiều dài đoạn đẩy ngắn trong đất dính

Các điều kiện đặc thù của dự án ảnh hưởng đáng kể đến việc máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất có cần bôi trơn bằng bentonite hay không. Đối với các đoạn đẩy ngắn, thường dưới 30–40 mét, lực ma sát bề mặt tích lũy có thể vẫn nằm trong giới hạn lực đẩy cho phép ngay cả khi không sử dụng chất bôi trơn. Khi máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất hoạt động trong lớp đất sét dính có độ thấm tự nhiên thấp, đất thường hình thành một vùng vành khuyên ổn định xung quanh ống thay vì sụp đổ vào ống. Hành vi tự nhiên này làm giảm ma sát mà không cần tiêm chất bôi trơn. Các kỹ sư thi công các tuyến hạ tầng đô thị đi ngang qua khu vực chủ yếu là đất sét đã thành công trong việc thực hiện các ca đẩy bằng máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất mà không cần bentonite trong những điều kiện kiểm soát chặt chẽ như trên.

Các ràng buộc về môi trường và quy định

Trong một số môi trường dự án, việc sử dụng bentonite bị hạn chế do lo ngại về ô nhiễm nước ngầm hoặc các quy định liên quan đến xử lý chất thải. Các vùng tầng chứa nước nhạy cảm, vùng đất ngập nước được bảo vệ hoặc hành lang cơ sở hạ tầng gần các nhà máy xử lý nước có thể hạn chế hoặc cấm việc bơm bentonite. Trong những trường hợp này, đội dự án máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất phải đánh giá các chiến lược bôi trơn thay thế hoặc chấp nhận lực đẩy cao hơn bằng cách thiết kế các mối nối ống chịu lực mạnh hơn. Các chất bôi trơn dựa trên polymer đôi khi được sử dụng như một chất thay thế cho bentonite, và trong các đoạn đẩy rất ngắn, máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất có thể tiến hành chỉ với nước hoặc không sử dụng chất bôi trơn khi khả năng chịu lực cấu trúc của ống cho phép.

Các rủi ro và hướng dẫn thực tiễn khi vận hành mà không dùng bentonite

Lực đẩy tăng cao và rủi ro đối với kết cấu ống

Việc vận hành máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất mà không sử dụng bentonite sẽ làm tăng đáng kể lực đẩy, đặc biệt trên các đoạn đẩy dài hơn 40 mét. Lực đẩy cao hơn làm gia tăng nguy cơ hư hỏng khớp nối ống, nứt tại vùng cổ ống và khả năng lệch trục. Máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất cũng có thể chịu mô-men xoắn lớn hơn tại đầu cắt do lực kéo ma sát từ đất xung quanh. Các kỹ sư dự án cần tính toán lực đẩy tối đa cho phép đối với loại vật liệu ống đã chọn và đối chiếu giá trị này với tải trọng ma sát dự báo trước khi quyết định bỏ qua việc sử dụng bentonite. Các ống đẩy bê tông cốt thép được thiết kế để chịu tải cao hơn có độ dung sai lớn hơn, nhưng ngay cả những loại ống này cũng có giới hạn xác định mà máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất không được vượt quá.

Lo ngại về sự xáo trộn mặt đất và độ lún

Không sử dụng bôi trơn vòng quanh, máy đẩy ống cân bằng áp lực đất có thể gây ra sự xáo trộn mặt đất lớn hơn dọc theo tuyến ống. Bentomite lấp đầy khe hở vòng quanh hình thành giữa lòng khoan đã đào và bề mặt ngoài của ống, ngăn chặn hiện tượng di chuyển của đất và giảm độ lún bề mặt. Khi máy đẩy ống cân bằng áp lực đất tiến vào mà không có vật liệu chèn này, khe hở vòng quanh có thể sụp đổ dần dần, dẫn đến hiện tượng lún mặt đất không đều phía trên tuyến đẩy. Trong các môi trường đô thị có các công trình bề mặt nhạy cảm, đường giao thông hoặc hệ thống hạ tầng kỹ thuật ngầm, rủi ro này không thể bỏ qua. Ngay cả khi việc kiểm soát áp lực mặt cắt được thực hiện rất tốt, việc thiếu vật liệu chèn vòng quanh từ bentomite cũng khiến máy đẩy ống cân bằng áp lực đất có thể gây ra các chuyển động mặt đất thứ cấp không liên quan trực tiếp đến việc kiểm soát mặt cắt.

Quyết định dựa trên loại đất và các thông số đẩy

Quyết định cuối cùng về việc có loại bỏ bentonite khỏi quá trình thi công máy đẩy ống cân bằng áp lực đất hay không cần dựa trên đánh giá địa kỹ thuật có hệ thống. Các thông số chính bao gồm chiều dài đoạn đẩy, đường kính ống, phân loại đất, mực nước ngầm và lực đẩy cho phép. Máy đẩy ống cân bằng áp lực đất hoạt động tốt nhất mà không cần bôi trơn trong các đoạn đẩy ngắn qua đất dính có độ thấm thấp và lượng nước ngầm tối thiểu. Việc vận hành mà không sử dụng bentonite tiềm ẩn rủi ro đáng kể trong các đoạn đẩy dài, đất hạt thô hoặc điều kiện mặt cắt hỗn hợp. Một kỹ sư có chuyên môn sẽ xem xét các yếu tố đầu vào này để xác định liệu máy đẩy ống cân bằng áp lực đất có thể tiến hành an toàn với lượng chất bôi trơn giảm hoặc loại bỏ hoàn toàn cho một dự án cụ thể hay không.

Câu hỏi thường gặp

Liệu máy đẩy ống cân bằng áp lực đất có thể duy trì ổn định mặt cắt mà không dùng bentonite?

Đúng vậy. Máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất kiểm soát độ ổn định mặt cắt thông qua buồng áp lực và hệ thống băng tải xoắn của nó, mà không phụ thuộc vào bentonite. Độ ổn định mặt cắt là kết quả của việc cân bằng áp lực đất, chứ không phải do bôi trơn. Vai trò chính của bentonite là giảm ma sát bề mặt dọc theo chuỗi ống, chứ không phải tại mặt cắt đầu khoan.

Chiều dài đẩy tối đa nào thì việc bỏ qua bentonite là hợp lý và an toàn?

Không tồn tại giới hạn chung nào, nhưng nhiều chuyên gia thường xem xét các đoạn đẩy dưới 30–40 mét trong đất dính là những trường hợp có thể giảm hoặc không sử dụng chất bôi trơn khi dùng máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất. Vượt quá khoảng cách này, lực đẩy tích lũy thường đòi hỏi phải sử dụng bentonite hoặc chất bôi trơn thay thế nhằm tránh hư hại ống.

Có giải pháp thay thế nào khác cho bentonite để bôi trơn quá trình đẩy ống của máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất không?

Có. Các hỗn dịch dựa trên polymer và chất bôi trơn có khả năng phân hủy sinh học được sử dụng làm giải pháp thay thế tại các khu vực nhạy cảm về môi trường. Những loại chất lỏng này thực hiện cùng chức năng bôi trơn vòng xuyến như bentonite đối với máy khoan đẩy ống cân bằng áp lực đất, đồng thời đáp ứng các yêu cầu tuân thủ môi trường nghiêm ngặt hơn. Tính phù hợp của chúng phụ thuộc vào loại đất, thành phần hóa học của nước ngầm và khung quy định cụ thể áp dụng tại địa điểm dự án.