Kỹ thuật khoan ngầm qua đường ray tàu lửa bằng robot

Ngày đăng: 25/03/2021

2337 Lượt xem

0 Đánh giá

Kỹ thuật khoan ngầm robot qua đường ray tàu lửa đặt ống D220–D2000

Tổng quan về nhu cầu và sự phức tạp của khoan ngầm qua đường ray

Đường sắt là một trong những loại công trình có yêu cầu an toàn nghiêm ngặt nhất trong hệ thống hạ tầng giao thông. Mọi tác động đến nền đường, đá ballast, đầm nén, kết cấu ray – tà vẹt đều có thể ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của đoàn tàu, gây ra nguy cơ lún, trượt, rung chấn hoặc sự cố đứt gãy đường ray.

Vì vậy, khi cần lắp đặt các tuyến:

Đường ống thoát nước D400–D2000,
Ống cấp nước sạch,
Ống viễn thông – điện lực,
Tuyến ống kỹ thuật hộp,
Ống bảo vệ ống LPG/Gas,

… xuyên qua nền đường sắt, phương án khoan ngầm robot (Pipe Jacking Robot / Micro Tunneling) được xem là lựa chọn tối ưu và gần như bắt buộc theo quy chuẩn của ngành đường sắt.

Công nghệ này sử dụng robot đào vi mô hoạt động trong đường hầm kín, đào đất theo mặt mở phía trước, hút đất bằng áp lực – thủy lực và kích đẩy ống thép/bê tông đi theo quỹ đạo được kiểm soát bằng laser.

Nguyên lý tổng quát của kỹ thuật khoan ngầm robot

Công nghệ khoan ngầm qua đường ray được thực hiện dựa trên 4 thành phần kỹ thuật chính:

Robot đào (TBM vi mô): đầu khoan được trang bị mũi cắt hợp kim và hệ thống hút đất;
Trạm kích thủy lực: tạo lực đẩy ống, lực ép từ 500–3.000 tấn;
Giếng kích – giếng thu: nơi hạ robot và nhận ống;
Hệ thống dẫn hướng laser: đảm bảo tuyến khoan không sai lệch độ cao, không vượt quá giới hạn cho phép của đường sắt.

◼ Robot đào mặt mở (Open Face Excavation)

Loại robot sử dụng cho đường kính 220–2000 mm thường thuộc nhóm “mặt mở”, với đặc điểm:

Đầu khoan mở phía trước, nhìn trực diện đất;
Dao cắt phá nền đất;
Hệ thống vòi hút chân không/áp lực nước để hút đất đá về giếng kích;
Các cảm biến xác định độ sâu – độ lệch;
Hệ thống xoay điều chỉnh hướng.

◼ Phương pháp kích ống (Pipe Jacking)

Robot đi đến đâu, ống thép/bê tông được kích thủy lực đẩy theo đến đó.
Các đoạn ống được nối kín bằng gioăng EPDM hoặc mối hàn chống thấm.

Đặc điểm kỹ thuật khi khoan qua đường ray tàu lửa

Khoan ngầm dưới đường ray có các yêu cầu đặc biệt, cao hơn nhiều so với khoan ngầm qua đường bộ thông thường.

3.1. Yêu cầu không được gây lún nền đường sắt

Lún cho phép ≤ 3 mm (tùy quy chuẩn từng quốc gia).
Mọi biến dạng phải được theo dõi 24/24 bằng cảm biến đo lún tự động.
Nghiêm cấm khoan khi phát hiện rung lắc bất thường.

3.2. Độ sâu tuyến khoan

Thông thường, đáy ống phải nằm sâu hơn 2,5 – 6 m dưới đáy nền ray, tùy cấp độ kết cấu đường sắt.

3.3. Tải trọng đường ray

Robot phải làm việc trong điều kiện chịu tải từ đoàn tàu:

Tàu hàng 25–30 tấn/trục
Tàu khách 18–22 tấn/trục

Điều này yêu cầu đầu khoan hoạt động ổn định trong môi trường áp lực cao.

3.4. Không gây rung chấn

Do đầu khoan là mặt mở, rung chấn phải cực thấp.
Tốc độ cắt ≤ 10–20 vòng/phút tùy lớp đất.

Quy trình thi công bằng robot

Dưới đây là quy trình tiêu chuẩn áp dụng cho hầu hết các dự án đường sắt.

Bước 1 – Khảo sát địa chất – địa hình

Bao gồm:

Khảo sát xuyên tiêu chuẩn SPT
Khảo sát Radar xuyên đất (GPR)
Dò tìm các tuyến ống ngầm
Đo đạc cao độ hệ đường sắt
Lập mặt cắt địa chất ngang đường ray

Khoan ngầm chỉ được phép thực hiện nếu nền dưới đường ray đủ ổn định.

Bước 2 – Thiết kế tuyến khoan

Bán kính cong tối thiểu R ≥ 300 m
Độ dốc ≤ 1%
Lựa chọn chiều sâu tuyến khoan
Thiết kế giếng kích và giếng thu

Các bản vẽ phải được Cục Đường sắt/Ngành đường sắt địa phương phê duyệt.

Bước 3 – Thi công giếng kích và giếng thu

Giếng thường có:

Kích thước 4×6 m đến 8×10 m tùy đường kính ống
Kết cấu tường cừ thép hoặc bê tông
Nền đáy giếng dày 300–500 mm bê tông

Giếng kích là trung tâm đặt:

Robot
Khung kích
Trạm bơm thủy lực
Bộ phận thu đất
Hệ thống định vị laser

Bước 4 – Hạ robot và tiến hành khoan

Robot được đặt vào ống dẫn đầu tiên, gắn chặt với khung kích.

Quá trình khoan:

Dao cắt phá đất
Hệ thống hút chân không hút đất vào đường ống dẫn về giếng
Robot tiến dần theo hướng laser
Đồng thời nhóm công nhân lắp từng đoạn ống phía sau và kích đẩy

Lực kích

Với ống D600: lực kích 400–600 tấn
Ống D1000: lực kích 800–1500 tấn
Ống D2000: lực kích 2000–3000 tấn

Hệ thống bentonite

Để giảm ma sát, bentonite được bơm quanh thành ống.

Bước 5 – Kiểm soát sai số

Sai số cho phép:

Lệch tim ≤ 20 mm
Lệch cao độ ≤ 10 mm
Lệch phương vị ≤ 0,3°

Hệ thống giám sát gồm:

Laser định vị
Cảm biến áp lực
Cảm biến độ nghiêng
Máy đo rung đường ray

Mọi sai số vượt quá phải dừng khoan ngay.

Bước 6 – Hoàn thiện và kết nối tuyến ống

Robot ra khỏi giếng thu
Ống được vệ sinh bên trong
Kiểm tra độ kín mối nối
Lấp giếng và hoàn trả mặt bằng

Các trường hợp ứng dụng

Công nghệ này thường dùng cho:

5.1. Lắp đặt tuyến cống thoát nước D800–D2000

Đô thị ven đường sắt, khu dân cư cũ, cống hộp thoát nước mưa.

5.2. Tuyến ống cấp nước sạch D300–D1000

Chủ yếu phục vụ đô thị hóa khu vực xung quanh đường sắt.

5.3. Tuyến ống bảo vệ cáp điện – viễn thông D220–D400

Đảm bảo an toàn cho hệ thống cáp khi mở rộng đường sắt.

5.4. Lắp đặt ống bảo vệ ống gas – LPG

Tránh nguy cơ cháy nổ do đường sắt rung chấn.

Ưu điểm vượt trội

6.1. Không ảnh hưởng hoạt động tàu

Thi công ngầm hoàn toàn → tàu hoạt động bình thường.

6.2. Độ chính xác cực cao

Hướng laser giúp tuyến ống thẳng tuyệt đối.

6.3. An toàn với nền đường sắt

Không gây lún, không rung, không xâm thực nền.

6.4. Thi công được mọi loại đất

Đất mềm
Sét
Pha cát
Địa chất yếu
Nền đất có mạch nước ngầm

6.5. Tuổi thọ ống cao

Ống thép/bê tông D500–D2000 có tuổi thọ 50–80 năm.

Những thách thức kỹ thuật cần kiểm soát

7.1. Sai số tuyến khoan khi gặp địa chất phức tạp

Giải pháp: tăng tần suất đo laser, giảm tốc độ đào.

7.2. Áp lực lún đáy ray

Giải pháp: bơm vữa ổn định hoặc hạ ống sâu hơn.

7.3. Kẹt robot

Giải pháp: dùng dung dịch bentonite có độ nhớt cao.

7.4. Nước ngầm áp lực lớn

Giải pháp: robot có khoang chống nước dạng kín.

Công nghệ khoan ngầm robot qua đường ray tàu lửa là một trong những giải pháp hiện đại nhất hiện nay để lắp đặt tuyến ống D220–D2000 mà không ảnh hưởng đến hoạt động của đường sắt. Với khả năng:

Điều khiển chính xác,
An toàn tuyệt đối,
Không gây lún – rung – biến dạng nền,
Khoan được trong mọi địa chất,
Lắp đặt được nhiều loại ống khác nhau,

… robot khoan ngầm đã trở thành tiêu chuẩn kỹ thuật trong các dự án công ích, khu công nghiệp, hạ tầng đô thị và đặc biệt là những công trình giao thông yêu cầu mức an toàn cao.

Kỹ thuật khoan ngầm qua đường ray tàu lửa bằng robot

Cho đến nay, hầu hết các robot hàng đầu, bay, nổi, chìm, ngoài vũ trụ, va chạm trên băng và rất ít máy đào dưới lòng đất đã được phát triển, cũng như chúng chưa được thiết kế để chuyển động dưới mặt đất. EU Badger có thể là người tiên phong.

Dự án BADGER là một hệ thống robot để khoan, điều động, định vị, lập bản đồ và điều hướng các không gian dưới lòng đất. Hệ thống được trang bị các thiết bị phù hợp với việc thi công các đường ống và đường ống ngang và dọc.

Borz di chuyển trên mặt đất ở chế độ tự hành, khoan các lỗ chuột để phát triển các kênh cho dây dẫn. Khi bạn làm việc, bạn điều hướng xung quanh cơ sở hạ tầng hiện có. Nếu cần thiết, nó in dây dẫn theo ba chiều một cách nhanh chóng (in 3D). Công nghệ quay và thẳng được tích hợp để khoan được mở rộng với một công cụ khoan siêu âm hoàn toàn mới. Sau đó là thuận lợi khi phun đá, được thực hiện mà không để lại chướng ngại vật trong lối đi. Máy di chuyển về phía trước với kỹ thuật giống như con sâu (nhu động) lấy cảm hứng từ động vật hoang dã, với ăng-ten radar, tia laser và hệ thống định vị giúp theo dõi và tránh chướng ngại vật.

Kỹ thuật khoan ngầm qua đường ray tàu lửa bằng robot

Công nghệ khoan ngầm qua đường ray tàu lửa bằng robot dựa trên kiểm soát thời gian thực của góc lặn và phương vị để đạt được sự kiểm soát chính xác của lỗ khoan.

Hệ thống bao gồm một thiết bị khoan có thể điều khiển, động cơ lõm, đo lường hệ thống khoan (MWD), lắp ráp cáp kết nối điện mô-đun (MECCA), thanh khoan và bơm bùn.

Hệ thống robot khoan có khả năng khoan định hướng chính xác theo chiều ngang với độ sâu khoan 2000 m và cũng khoan trên cành cây để tăng sự hấp thu của lỗ khoan trong các lớp mục tiêu. Công nghệ khoan định hướng dưới lòng đất có một số ưu điểm, bao gồm khoảng cách thực tế cao, nhiều mặt, hiệu quả khoan cao, thời gian bảo trì lâu dài, niêm phong lỗ khoan được cải thiện, chi phí khoan thấp hơn, v.v. thăm dò và các yêu cầu khoan chính xác khác.

Đường ống ngầm giao cắt

Các lỗ đục ngang được làm bằng bộ đẩy ống

Kỹ thuật khoan ngầm qua đường ray tàu lửa bằng robot này bao gồm việc đặt các đường ống (có đường kính từ 220 mm đến 2000 mm), bằng phương pháp đào với một mặt mở, đồng thời hút sạch vật liệu tạo thành bằng đầu khoan được trang bị một mũi khoan. Máy đẩy ống (kích ống hoặc đâm ống tùy thuộc vào việc lực đẩy có được đảm bảo bằng kích thủy lực hay búa khí nén hay không) là công nghệ không đào (không đào lộ thiên) cho phép khoan ngang không có điều khiển với việc dẫn đường ống tiếp theo.

Chúng tôi sử dụng công nghệ đẩy ống để xây dựng các đường hầm thẳng (có đường kính từ 200 mm đến 3500 mm) cần thiết cho các giao cắt ngang của đường bộ và đường sắt. Sau khi đã thực hiện việc vượt (thông thường bao gồm 2 giếng bằng bê tông cốt thép, một ở thượng lưu và một ở hạ lưu và ở các đầu của ống phản) bên trong ống đối ứng, ống dẫn sẽ được đưa vào.

Những ưu điểm nổi bật của kỹ thuật khoan ngầm qua đường ray tàu lửa bằng robot

Kỹ thuật khoan ngầm qua đường ray tàu lửa bằng robot khoan có thể được thực hiện với các hệ thống khác nhau, tùy thuộc vào độ sâu đặt, độ dài của đường ngang, nhưng trong trường hợp ít phức tạp hơn của đường ngang không có rãnh, chúng tôi sử dụng máy khoan đẩy ống. Loại khoan ngang này, không có rãnh (hoặc không đào), làm giảm đáng kể sự xâm lấn của công việc, tạo ra ít chi phí hơn và ít tác động đến môi trường hơn. Bộ đẩy ống đặc biệt thích hợp để giải quyết vấn đề lắp đặt các dịch vụ ngầm, khi cần can thiệp vào khu vực đô thị, nơi cần phá vỡ mặt đường.

Với máy khoan robot, mặt đất được khoan theo chiều ngang ở trục của đường ống, cho phép chèn đường ống chống bảo vệ lớn hơn đường ống và trục bằng nhau. Bên trong này sẽ được chèn bên dưới điếu xì gà, đó là phần đường ống dẫn cần được bảo vệ. Quy trình của công việc với bộ đẩy ống bao gồm việc đào hai lỗ:

Lỗ bắt đầu trong đó trượt, tường đẩy và ống đẩy được định vị
Lỗ đến mà đầu của mũi khoan được thu hồi

Ống đầu tiên được dẫn động được định vị trên khung của bộ đẩy ống với vít bên trong hoạt động như một lưỡi cắt và vật liệu thải. Chúng tôi tiến hành chèn, ghép các đường ống bằng cách hàn chúng lại với nhau. Trong quá trình đẩy, áp suất lực đẩy, tốc độ quay của máy khoan, chiều dài dẫn động hiệu quả và độ đặc cũng như loại vật liệu được đào được theo dõi liên tục. Khi kết thúc quá trình khoan, máy khoan được thu hồi. Khi vật liệu mà khoang đẩy đã được đào không phù hợp hoặc độ sâu lớn, cần phải đảm bảo các khu vực làm việc bằng cách thực hiện các công việc tạm thời trên chu vi.

Việc lắp đặt hệ thống đường ống ngầm băng qua đường ray tàu lửa

Có thể hầu hết các bạn đều đã hình dung được hệ thống đường ống dưới mặt đất, ví dụ đơn giản là đường ống nước. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng trước khi tiến hành lắp đặt hệ thống đường ống ngầm băng qua đường ray tàu lửa, có rất nhiều điều cần được xem xét và lưu ý để quá trình thoát nước có thể chạy tốt.

Hệ thống đường ống ngầm băng qua đường ray tàu lửa

Nói chung, ứng dụng của đường ống ngầm được phân thành hai phần, đó là:

Đường ống cho quá trình.
Đường ống cho các mục đích tiện ích.

Tốt nhất là tránh các đường ống dẫn quy trình đi qua các đường dây ngầm, trong khi các đường ống tiện ích ngầm có thể được làm rõ thành hai phần, cụ thể là:

Đường ống cho dòng chảy dựa trên trọng lực.
Các đường ống có hệ thống dòng chảy điều áp.

Hệ thống dòng chảy trọng lực, phụ thuộc vào trọng tâm, do đó các đường ống phải có độ dốc. Trong trường hợp này, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng tỷ lệ độ dốc là 1: 1000 đối với van đường dây dưới mặt đất.

Sử dụng các đường ống ngầm băng qua đường ray tàu lửa

Đường ống ngầm được sử dụng cho các hệ thống sau:

Thoát nước sạch bao gồm nước mưa, nước vệ sinh và nước chữa cháy.
Quá trình xả, cả nước và dầu, bao gồm xả từ bao hơi và xả từ bơm. Trong hệ thống này, đường dẫn đến phần tách và các hydrocacbon thường được tách ra.
Xử lý kết hợp, là tập hợp tất cả các khí thải (tiện ích) bằng hệ thống đường ống. Nó phải được bay đến một nhà máy tách lớn để thực hiện và kết hợp dòng chảy trong quá trình tách nước khỏi chất hydrocacbon.

Với mục đích xử lý chất thải của con người, đường ống sẽ được dẫn đến một nơi đặc biệt (bể phốt) nằm trong khu vực đó.

Việc xử lý vật liệu ăn mòn được lên kế hoạch như một hệ thống xả riêng biệt từ bên trong một đơn vị. Những vật liệu này có thể ở dạng amin, axit, cacbonat và các dung dịch hóa học khác có thể ăn mòn. Trong mỗi đơn vị, dòng chảy sẽ được thu thập trong một đường ống chính và chảy vào một bể chứa đặc biệt. Sau đó, hồ sẽ được bơm đến nơi cần trung hòa. Các dung dịch đã được trung hòa từ các hợp chất hóa học nếu vẫn còn sử dụng được sẽ được bơm vào khu chứa.

Lập kế hoạch hệ thống đường ống và lựa chọn vật liệu đường ống

Trong các hệ thống đường ống khác nhau, loại vật liệu được sử dụng để xây dựng hệ thống đường ống ngầm chắc chắn sẽ khác nhau. Trong việc lựa chọn vật liệu, phải chú ý đến loại dòng chảy sẽ đi qua đường ống. Khi tiến hành lắp đặt, cũng cần tính cả khoảng cách cao trình từ mặt đất đến đường ống ngầm. Tương tự như vậy, đường kính độ dày của lớp chống gỉ, vỏ bọc và lớp cách nhiệt hoặc các chất bảo vệ đường ống khác. Tính toán cao độ (kích thước ống) phải được đo bắt đầu từ đáy của ống ngầm. Dòng chảy của chất lỏng được xác định bởi độ dốc của hệ hấp dẫn là bao nhiêu hay ít nhất và mối quan hệ này là tương hỗ. Cán bộ quy hoạch cũng cần lưu ý đến cao độ của mặt đường vào ống. Ngoài ra, các nhà quy hoạch cũng cần tính đến các bộ phận cần lắp van chặn.

Tương tự như vậy, tầm quan trọng của việc chọn loại reduser, điều này liên quan đến độ dày và hình dạng của đầu nối. Khi thảo luận về vấn đề của hệ thống xả, các nhà thiết kế và quy hoạch hệ thống đường ống phải biết một số điều, đó là:

Bộ sưu tập khí thải bao gồm một hoặc hai bên, thường được đặt trong đường ống bằng cách lắp đặt một lối vào người (miệng cống) để bảo vệ trong trường hợp hỏa hoạn và hơi xăng.

Đường bên: là đường gom để xử lý từ các hố phụ sau đó sẽ được chảy ra tuyến chính thông qua các hố ga kín.

Sub-laterals: là một dòng thu gom để xả từ nhiều loại khác nhau và được chứa trong một bể chứa bên.

Các nhánh: được thu thập từ các ống khói thải khác nhau hoặc các bể chứa sau đó sẽ được chuyển đến các nhánh phụ.

Ống khói: là các điểm thu gom thường cách bề mặt đã gia công hai inch, đối với ống thép cacbon, việc sử dụng bộ giảm chấn tâm trục 6 inch x 4 inch là phổ biến nhất.

Ao thu gom: được sử dụng để thu gom / chứa chất thải từ ao. Những hồ chứa này thường có kích thước 2 ft² sâu 1-1½ ft và được bao phủ bởi các mạng lưới.

Miệng cống: là trung tâm của hộp thu gom, nơi con người có thể vào để làm vệ sinh bên hoặc cho các mục đích khác. Đường dẫn dòng hồi lưu phải được đóng lại để ngăn chặn sự bắt đầu của đám cháy và sự xuất hiện của dòng chảy ngược của khí.

Việc lựa chọn vật liệu ống cho hệ thống thoát nước và phân phối phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, điện trở, giá vật liệu và chi phí lắp đặt. Nhưng nhìn chung, carbon có cấu trúc chống gỉ được sử dụng rộng rãi trong các dòng ống xả tương tự. Mặc dù về cơ bản là khá khó để xác định việc sử dụng vật liệu ống thực sự hiệu quả, nhưng từ kinh nghiệm lựa chọn vật liệu trước đây, nó có thể là một cân nhắc quan trọng trước khi đưa ra quyết định cuối cùng về loại vật liệu ống sẽ được sử dụng. Một yếu tố quan trọng cần được quan tâm khi lập kế hoạch lắp đặt hệ thống đường ống ngầm băng qua đường ray tàu lửa là tác động đến môi trường, vì có những vật liệu làm đường ống có thể gây ăn mòn đất tại vị trí đặt hệ thống đường ống.

Tìm hiểu thêm về kỹ thuật khoan xuyên đường qua video dưới đây