Mũi khoan phù hợp cho các điều kiện nền đất mềm, trung bình và cứng

KỸ THUẬT SỬ DỤNG MŨI KHOAN TRONG THI CÔNG KHOAN NGẦM ROBOT VÀ LỰA CHỌN MŨI KHOAN CHO NỀN ĐẤT MỀM – TRUNG BÌNH – CỨNG

Trong công nghệ khoan ngầm định hướng (Horizontal Directional Drilling – HDD), mũi khoan (drill bit) là bộ phận đóng vai trò quan trọng nhất quyết định hướng khoan, tốc độ khoan, độ ổn định của đường khoan, mức tiêu hao năng lượng, rủi ro sập lỗ, và chất lượng cuối cùng của tuyến ống được lắp đặt.

Tùy theo điều kiện địa chất, mỗi loại đất yêu cầu mũi khoan có cấu trúc, vật liệu, hình dạng và cơ chế cắt khác nhau. Việc sử dụng sai mũi khoan thường dẫn đến:

• Khoan chậm, tốn nhiên liệu.
• Mất dung dịch bentonite.
• Sập lỗ khoan.
• Sai lệch hướng dẫn đến không phù hợp tuyến.
• Gãy cần khoan hoặc hư đầu khoan.

Vì vậy, kỹ sư khoan ngầm phải hiểu rõ đặc tính địa chất – cơ học đất, nắm vững chức năng và cấu tạo các loại mũi khoan, cũng như phương pháp sử dụng tối ưu trong từng điều kiện thực tế.

2. Cơ sở lý thuyết về cắt phá đất trong HDD

2.1 Các cơ chế cắt chính của mũi khoan

Trong khoan ngầm HDD, mũi khoan hoạt động theo 3 cơ chế:

1. Cắt (cutting) – dùng lưỡi sắc hoặc răng hợp kim để xé đất.
2. Mài (grinding) – mài mòn đất – đá bằng mặt cắt rộng.
3. Đập / phá (impact / chipping) – tác động lực để phá vỡ vật liệu cứng.

Đất mềm thường cần cơ chế cắt, đất trung bình cần cắt + mài, trong khi đất cứng yêu cầu mũi hợp kim chịu lực + cơ chế phá.

2.2 Vai trò của hệ thống bentonite – polymer

Dù dùng loại mũi khoan nào, dung dịch khoan phải được cung cấp liên tục để:

• Làm mát mũi khoan.
• Bôi trơn đường khoan.
• Vận chuyển đất cắt ra ngoài.
• Giữ ổn định vách lỗ khoan.

Đặc biệt trong đất mềm và cát rời, bentonite có vai trò quyết định giúp ổn định thành vách.

3. Phân loại mũi khoan theo điều kiện nền đất

Các loại mũi khoan HDD phổ biến gồm:

• Mũi khoan đất mềm (Soft Soil Bit).
• Mũi khoan đất pha lẫn (Medium Formation Bit).
• Mũi khoan đá mềm – đá trung bình (Rock Bit – Polycrystalline Diamond Compact – PDC).
• Mũi khoan đá cứng (Tri-cone Roller Bit hoặc Tungsten Carbide Rock Reamer).
• Mũi phá vật cản (Conical Cutter).

Mỗi loại được sản xuất theo vật liệu và cấu trúc khác nhau để đáp ứng yêu cầu cơ học của đất.

Mũi khoan cho nền đất mềm

4.1 Đặc tính nền đất mềm

• Đất sét, sét pha hữu cơ.
• Đất bùn, bùn cát.
• Cát mịn bão hòa nước.
• Đất đắp nhân tạo, đất tơi rời.

Đặc điểm cơ học:

• Dễ cắt nhưng dỄ SẬP LỖ.
• Mất dung dịch nhiều nếu cát rời.
• Cần kiểm soát tốc độ khoan và áp lực cao độ dung dịch.

4.2 Loại mũi khoan phù hợp

Mũi khoan đất mềm dạng lưỡi (Blade Bit)

• Lưỡi rộng, sắc.
• Cắt đất nhanh, quét bề mặt tốt.
• Ít răng hợp kim vì đất mềm không cần phá mạnh.

Mũi khoan dạng “Duckbill”

• Thường dùng nhất trong khoan ngầm.
• Mặt phẳng định hướng tốt → điều khiển hướng chính xác.
• Phù hợp với đất sét, đất pha, đất mềm không có sỏi.

4.3 Kỹ thuật vận hành trong đất mềm

• Giảm mô-men xoắn để tránh “vùi đầu khoan”.
• Tăng lượng bentonite để ổn định vách.
• Khoan từ từ để không gây sập lỗ.
• Định vị liên tục vì đất mềm dễ lệch hướng.

4.4 Rủi ro và biện pháp

Rủi ro	Giải pháp
Sập lỗ khoan	Tăng độ nhớt bentonite
Lệch hướng	Giảm tốc độ khoan, chỉnh góc nhỏ
Bám dính đất vào mũi	Tăng tốc độ xoay để tự làm sạch
Mất dung dịch	Thêm polymer chống mất nước

Mũi khoan cho nền đất trung bình

5.1 Đặc tính nền đất trung bình

• Đất sét lẫn sỏi.
• Cát pha dăm sỏi.
• Đất nện chặt.
• Đá phong hóa mềm.

Những loại đất này:

• Có độ cứng không đồng đều.
• Dễ gây dao động lực lên đầu khoan.
• Có vật cản cục bộ như sỏi lớn.

5.2 Mũi khoan phù hợp

Mũi khoan dạng răng hợp kim (Carbide Tooth Bit)

• Có các răng hợp kim Tungsten carbide.
• Chịu mài mòn tốt hơn lưỡi cắt.
• Có thể vượt qua sỏi và đá vụn.

Mũi khoan hỗn hợp (All-Terrain Bit)

• Dành cho điều kiện thay đổi liên tục.
• Lưỡi cắt + răng hợp kim kết hợp.
• Điều hướng tốt và giữ lực cắt ổn định.

5.3 Kỹ thuật vận hành

• Duy trì mô-men xoắn trung bình.
• Theo dõi rung lắc đầu khoan.
• Tăng lượng bentonite khi gặp tầng cát pha.
• Giảm tốc độ khi gặp sỏi hoặc vật cản.

5.4 Rủi ro và biện pháp

Rủi ro	Giải pháp
Vướng sỏi làm kẹt mũi	Tăng tốc độ xoay + bentonite đặc
Mũi mòn nhanh	Dùng răng hợp kim cao cấp
Mất dung dịch ở tầng cát	Bổ sung polymer
Sai lệch khi gặp vật cản	Điều chỉnh góc định hướng trước khi khoan tiếp

Mũi khoan cho nền đất cứng

6.1 Đặc tính nền đất cứng

• Đá cứng (granite, basalt).
• Đá trung bình – đá phong hóa cấp thấp.
• Cuội kết, sỏi kết.
• Vật cản địa chất như bê tông cũ.

Đây là điều kiện khó nhất trong khoan HDD.

6.2 Mũi khoan phù hợp

Mũi khoan PDC (Polycrystalline Diamond Compact)

• Lưỡi cắt kim cương tổng hợp.
• Cắt đá rất hiệu quả.
• Bền, chống mòn tốt.
• Tốc độ khoan nhanh trong đá mềm – đá trung bình.

Mũi khoan dạng “Tri-cone Roller Bit”

• Ba chóp xoay có gắn răng thép hoặc răng carbide.
• Phù hợp đá cứng, sỏi – cuội to.
• Tạo lực nén + đập để phá vật liệu.

Mũi khoan Rock Reamer

• Dùng khi mở rộng lỗ khoan.
• Có răng carbide lớn.
• Chịu tải trọng và rung lắc rất cao.

6.3 Kỹ thuật vận hành

• Tốc độ khoan thấp để duy trì độ ổn định.
• Mô-men xoắn cao.
• Bentonite đặc hơn để bôi trơn.
• Theo dõi liên tục nhiệt độ mũi khoan.

6.4 Rủi ro và biện pháp

Rủi ro	Giải pháp
Vỡ đầu khoan	Giảm tốc độ khoan, tăng lượng nước làm mát
Gãy cần khoan	Giảm mô-men xoắn khi gặp vật cản
Tắc lỗ do mảnh đá	Tăng áp suất bơm bentonite
Sai lệch hướng	Dùng hệ thống định vị gyro trong đá

So sánh tổng hợp giữa ba nhóm mũi khoan

Điều kiện đất	Loại mũi khoan	Cơ chế cắt chính	Tốc độ khoan	Rủi ro
Đất mềm	Blade bit, Duckbill	Cắt – xé đất	Rất nhanh	Sập lỗ
Đất trung bình	Carbide bit, All-terrain	Cắt + mài	Trung bình	Kẹt sỏi
Đất cứng	PDC, Tri-cone	Mài – phá	Chậm	Gãy đầu khoan

Tiêu chí lựa chọn mũi khoan cho dự án HDD

1. Loại địa chất chiếm ưu thế
   • Đất sét → mũi cắt.
   • Sỏi → mũi hợp kim.
   • Đá → PDC hoặc Tri-cone.
2. Chiều dài tuyến và bán kính cong
   • Tuyến cong cần khả năng điều hướng → duckbill.
   • Tuyến thẳng dài → PDC/roller bit.
3. Đường kính ống cần lắp
   • Lỗ khoan lớn → cần mũi mở rộng có răng carbide.
4. Mức độ rủi ro sập lỗ
   • Đất mềm → tăng bentonite và chọn mũi ít phá.
5. Hiệu quả kinh tế
   • PDC đắt nhưng tốc độ cao trong đá.
   • Duckbill rẻ nhưng không phù hợp đá.

Khuyến nghị sử dụng theo từng điều kiện điển hình tại Việt Nam

9.1 Đồng bằng (TP.HCM, Đồng Tháp, Cần Thơ)

• Nhiều đất sét – bùn.
• Nên dùng duckbill + bentonite đặc.
• Tránh mũi hợp kim vì dễ bị bám bùn.

9.2 Khu vực ven sông (Vĩnh Long, An Giang)

• Đất yếu, dễ sập lỗ.
• Nên dùng mũi cắt rộng kết hợp polymer chống sập.

9.3 Miền Trung – Tây Nguyên

• Đá phong hóa + cát xen kẽ.
• Nên dùng mũi carbide.
• Ở khu vực núi đá → PDC hoặc roller bit.

9.4 Miền Bắc (Hà Nội, Hải Phòng)

• Đất pha sỏi – cát.
• Mũi hợp kim + bentonite có polymer.

Mũi khoan là bộ phận quyết định gần như toàn bộ hiệu quả thi công trong công nghệ khoan ngầm robot HDD. Việc lựa chọn đúng loại mũi khoan theo điều kiện nền đất mềm – trung bình – cứng là yêu cầu bắt buộc nhằm:

• Tối ưu tiến độ.
• Giảm chi phí vận hành.
• Ngăn ngừa sự cố.
• Giữ ổn định đường khoan.
• Tăng tuổi thọ thiết bị.

Tóm lược:

• Đất mềm → mũi cắt rộng, duckbill; chú trọng bentonite.
• Đất trung bình → mũi carbide; điều khiển lực xoay ổn định.
• Đất cứng → mũi PDC hoặc tri-cone; mô-men xoắn cao, bentonite đặc.

Áp dụng đúng phương pháp giúp đảm bảo thi công an toàn, chính xác và đạt chất lượng cao cho mọi dự án HDD.

Việc xây dựng các công trình ngầm và cơ sở hạ tầng ngầm được thực hiện ở nhiều vùng khác nhau trong các điều kiện mặt đất khác nhau. Nói chung, đất có thể được phân loại là mềm, trung bình hoặc cứng.

Tùy thuộc vào đặc tính của đất, sự phân loại của đất phụ thuộc vào một số đặc tính kỹ thuật, chẳng hạn như cường độ nén, khả năng chịu lực, kết quả thử nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) và cường độ cắt mà lựa chọn mũi khoan phù hợp cho các điều kiện nền đất mềm, trung bình và cứng.

Điều kiện nền đất yếu thường bao gồm các vật liệu như đất sét và đá vôi mềm. Mặt khác, điều kiện mặt đất trung bình có thể chứa đá phiến cứng và vật liệu loại dolomit. Và cuối cùng, đất cứng thường bao gồm vật liệu giống đá như đá granit.

 

Mặc dù việc xây dựng ngầm có thể được thực hiện trên một số loại điều kiện mặt đất, nhưng việc lựa chọn đúng loại mũi khoan sẽ giúp đảm bảo quá trình khoan hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

Các loại vật liệu mũi khoan khác nhau là gì?

Các mũi khoan được tiếp xúc với các điều kiện cực kỳ khắc nghiệt. Khi mũi khoan xuyên qua đất hoặc đá, nó phải chịu một số lực, bao gồm lực nén, va đập, mô-men xoắn, ma sát và nhiệt. Do đó, các mũi khoan phải được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau để đảm bảo rằng chúng có thể hoạt động hiệu quả trong ứng dụng khoan nhất định.

Mũi khoan răng thép là loại mũi khoan phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng khoan định hướng. Thép là một kim loại linh hoạt cân bằng giữa sức mạnh, độ bền và tính kinh tế. Đối với các điều kiện mặt đất khó khăn hơn, nơi yêu cầu các bit có độ bền cao hơn, các miếng chèn cacbua vonfram thường được sử dụng.

Đối với các điều kiện khắc nghiệt, các bit nén kim cương đa tinh thể (PDC) có thể được sử dụng. Kim cương tổng hợp được gắn vào các miếng chèn cacbua để cung cấp các đặc tính độ bền của mũi khoan gấp 50 lần so với các mũi thép thông thường. Mũi khoan PDC được sử dụng cho các điều kiện mặt đất rất khó khăn, chẳng hạn như các thành tạo đá rắn. Các loại vật liệu tạo mũi khoan khác nhau cũng có sẵn và được chế tạo dựa trên ứng dụng cụ thể.

Việc xác định đúng loại mũi khoan thường yêu cầu điều tra địa chất, báo cáo địa chất toàn diện và tuân thủ nghiêm ngặt thông tin do các nhà địa chất và chuyên gia địa kỹ thuật cung cấp.

Mũi khoan cho điều kiện nền đất yếu

Các mũi kéo hoặc các mũi cắt cố định là lý tưởng cho các dự án có điều kiện nền đất yếu là chủ yếu. Những mũi khoan này được chế tạo từ một miếng thép đặc. Mặc dù chèn cacbua và có thể được sử dụng, nhưng chúng không phải là điều cần thiết. Các mũi khoan này không có bộ phận lăn hoặc vòng bi đi kèm. Như vậy, toàn bộ cụm cắt quay theo dây khoan và cắt xuyên qua mặt đất khi các lưỡi quay quay.

Việc không có vòng bi và các bộ phận lăn có nghĩa là ít khớp chuyển động hơn và do đó, ít khả năng hư hỏng cụm cắt hơn.

 

Không khí hoặc dung dịch khoan cũng có thể được sử dụng trong khi khoan với các mũi kéo để treo và di chuyển hom từ lỗ khoan ra bề mặt làm việc. Ngoài việc giúp mũi khoan tiết kiệm chi phí hơn, cấu tạo bằng thép nguyên khối còn giảm thiểu khả năng bị gãy trong quá trình khoan.

Mũi khoan cho điều kiện nền đất vừa và cứng

Để xuyên qua lớp đất dày đặc hơn, các bit phải có đủ sức mạnh và độ bền để phá vỡ thành công vật liệu và di chuyển nó ra khỏi đường đi. Một loại mũi khoan phổ biến để khoan định hướng trên nền đất cứng đến trung bình là mũi cắt cán ba hình nón.

Loại bit này bao gồm ba hình nón quay với các điểm của chúng hướng vào trong về phía trung tâm. Các hình nón quay và mài đất / đá trong khi dây khoan đồng thời quay toàn bộ mũi khoan.

Góc của hình nón quay, hình dạng của nó và vật liệu chèn xác định hiệu quả của đầu cắt và sự phù hợp của chúng đối với các loại đất cụ thể.

Ví dụ, khi góc hình nón cao, hành động xuyên qua của bit trên bề mặt chủ yếu là chuyển động cào hoặc xoắn. Mặt khác, góc thấp hơn mang lại hành động nghiền nát. Mặt đất càng cứng, góc hình nón càng thấp để tránh làm hỏng quá nhiều bit. Ngoài ra, các răng dài và có khoảng cách rộng là lý tưởng cho các nền đất mềm hơn, trong khi các răng ngắn có khoảng cách chặt chẽ phù hợp hơn với các thành tạo đá cứng hơn. (Đọc thêm: Đường hầm siêu nhỏ trong Điều kiện Đá và Các chướng ngại vật khác.)

Việc lựa chọn vật liệu chèn phụ thuộc vào độ cứng của đất nền cần xuyên qua. Các miếng chèn cacbua phù hợp nhất với điều kiện nền đất trung bình, trong khi các miếng kim cương đa tinh thể chủ yếu được sử dụng cho đá rắn.

Tương tự như mũi khoan, mũi cắt cán ba hình nón thường sử dụng dung dịch khoan để treo và loại bỏ chiến lợi phẩm khỏi lỗ khoan.

 

Đo lường hiệu quả của mũi khoan

Hiệu quả của một mũi khoan có thể được xác định bằng tốc độ xuyên qua mặt đất, còn được gọi là tốc độ xuyên qua của nó. Việc lựa chọn mũi khoan tốt nhất cho một ứng dụng cụ thể cuối cùng đòi hỏi sự nghiên cứu và hiểu biết sâu sắc về các đặc tính của các vật liệu làm mũi khoan khác nhau. Trong một số trường hợp hiếm hoi, có thể yêu cầu thử và sai với nhiều bit khác nhau để xác định lựa chọn hiệu quả nhất.

Một yếu tố khác cần được xem xét khi đánh giá hiệu suất của một bit là số lần bit phải được lấy ra khỏi lỗ khoan để được kiểm tra hoặc thay thế. Mỗi khi một mũi khoan bị dừng và đưa ra khỏi hoạt động, dự án sẽ bị chậm tiến độ và chi phí tăng lên. Như vậy, các mũi khoan có khả năng chống mài mòn cao hơn có thể có chi phí ban đầu cao hơn nhưng chi phí vận hành thấp hơn và chi phí dài hạn.

Độ mòn vòng bi là vấn đề cần xem xét cụ thể đối với các mũi dao cắt cán. Phải lựa chọn giữa các ổ trục được làm kín hoặc không được đậy kín, và các ổ lăn hoặc ổ lăn. Mỗi quyết định có ảnh hưởng đến độ bền của bit và cuối cùng là hiệu quả của nó trong ứng dụng nhất định.

 

 

CÔNG TY CP TƯ VẤN ĐẦU TƯ & THIẾT KẾ XÂY DỰNG MINH PHƯƠNG

Địa chỉ: Số 28B Mai Thị Lựu, Phường Đa Kao, Q.1, TPHCM

Hotline:  0903649782 - (028) 3514 6426

Email: nguyenthanhmp156@gmail.com