Làm thế nào để chọn máy khoan đá thủy lực cho thi công hầm? Phương pháp chuyên nghiệp

Chi phí phát sinh do lựa chọn máy khoan xoay (drifter) không phù hợp trong thi công hầm được phản ánh qua một khoản mục kế toán mà hầu hết các quy trình mua sắm đều không theo dõi: thể tích đào thừa trên mỗi vòng đào. Khi máy khoan xoay không tương thích với mặt cắt ngang hầm, đặc điểm địa chất đá hoặc độ sâu lỗ khoan, mẫu nổ tạo ra sẽ có sự phân bố tải trọng không đồng đều — lượng thuốc nổ trên mỗi lỗ phải di chuyển nhiều hơn hoặc ít hơn khối lượng đá đã thiết kế, các lỗ khoan biên tạo thành vách hầm gồ ghề, và khối lượng bê tông hoặc bê tông phun cần đổ để lấp đầy phần đào thừa sẽ được tính chi phí cho từng vòng đào trong suốt thời gian thực hiện dự án. Đối với một hầm đường dài 5 km, trung bình gồm 100 vòng đào, ngay cả khi chỉ tăng thêm 0,1 m³ thể tích đào thừa trên mỗi vòng cũng làm phát sinh thêm 10 m³ bê tông ngoài ngân sách.

Đó chính là rủi ro vận hành đằng sau việc lựa chọn máy khoan xoay cho công tác đào hầm. Các quyết định kỹ thuật liên quan đến độ chính xác của lỗ khoan, tốc độ xuyên ổn định trên các loại địa chất biến đổi và khả năng vận hành đáng tin cậy trong điều kiện làm việc liên tục — chứ không phải chỉ dựa vào các con số năng lượng va đập cực đại ghi trên bảng thông số kỹ thuật.

Cấu hình cần khoan dựa trên mặt cắt ngang đường hầm, từ đó xác định loại máy khoan đá

Điểm xuất phát là mặt cắt ngang đường hầm, chứ không phải loại đá. Mặt cắt ngang quyết định số lượng cần khoan mà máy khoan đường hầm (jumbo) cần trang bị, từ đó xác định các ràng buộc về kích thước cơ học của máy khoan đá (drifter). Đối với các đường hầm nhỏ có diện tích mặt cắt dưới 20 m² (các vòm đào khai thác mỏ hẹp, các đầu đào tiếp cận nhỏ), một máy khoan đơn cần có khả năng khoan tới tất cả các lỗ từ một vị trí đặt máy mà không cần di chuyển lại — do đó máy khoan đá phải đủ nhỏ gọn để phù hợp với hình học cần ngắn, đồng thời không làm giảm năng lượng va đập. Đối với các đường hầm giao thông có diện tích mặt cắt trên 80 m², máy khoan đường hầm hai hoặc ba cần cho phép khoan đồng thời tại nhiều vùng khác nhau trên mặt đào; trong trường hợp này, việc lựa chọn máy khoan đá chủ yếu nhằm đảm bảo cấp năng lượng va đập phù hợp với đặc tính đá, trong khi các cần khoan đảm nhiệm chức năng tiếp cận theo yêu cầu về mặt hình học.

Hệ quả thực tiễn: trong một mặt cắt ngang đường hầm đường sắt có kích thước 6×7 m (42 m²), máy khoan đa cần (twin-boom jumbo) trang bị các cần khoan loại trung bình (80–150 J) thường đạt hiệu suất cao hơn so với hệ thống khoan đơn cần hạng nặng, bởi vì hệ thống khoan đa cần hoàn thành sơ đồ khoan mặt đá gồm 80–120 lỗ nhanh hơn 40–60% mỗi lần thiết lập vị trí. Năng lượng va đập bổ sung của cần khoan hạng nặng sẽ bị lãng phí nếu yếu tố giới hạn là thời gian định vị giữa các lỗ khoan, chứ không phải tốc độ xuyên vào từng lỗ.

Phân loại thành tạo đá để lựa chọn cần khoan cho đào hầm

Địa chất hầm thay đổi liên tục dọc theo tuyến đào—cứng hơn dự kiến tại một số đoạn, mềm và nứt vỡ nhiều hơn tại những đoạn khác. Cần khoan phải hoạt động hiệu quả trên toàn bộ dải địa chất gặp phải, chứ không chỉ ở lớp thành tạo được thiết kế ban đầu. Các dự án lựa chọn cần khoan tối ưu hóa cho địa chất chiếm ưu thế (modal geology), nhưng sau đó lại gặp phải 40 m granite có cường độ nén 180 MPa—trong khi địa chất thiết kế là đá vôi có cường độ nén 100 MPa—sẽ chịu giảm đáng kể tốc độ xuyên, dẫn đến chậm tiến độ toàn bộ dự án.

Tiêu chí lựa chọn thích hợp cho các đường hầm trong điều kiện địa chất biến đổi: chọn loại máy khoan xoay (drifter) dựa trên 20% phần đất đá cứng nhất dự kiến gặp phải, chứ không phải dựa trên mức trung bình. Khoảng dự phòng hiệu suất khi khoan trong đất đá mềm hơn sẽ được bù đắp nhờ tốc độ xuyên thấu cao hơn so với giá trị thiết kế—đây là một vấn đề đáng hoan nghênh. Thiếu hụt hiệu suất khi khoan trong đất đá cứng hơn mức thiết kế sẽ được bù đắp bằng sự chậm trễ.

Ma trận lựa chọn máy khoan xoay (drifter) cho ứng dụng đường hầm

Độ chính xác lỗ khoan: Chỉ số hiệu suất đặc thù cho đào hầm

Trong khoan mặt đất, độ lệch của lỗ khoan ở độ sâu ảnh hưởng đến hình học vụ nổ nhưng thường có thể bù trừ trong thiết kế nạp thuốc. Trong thi công hầm, độ lệch lỗ khoan quyết định việc cắt cháy (burn cut) có hoạt động hiệu quả hay không—các lỗ giảm tải không nạp thuốc, được bố trí sát nhau ở trung tâm mặt đào, phải nằm trong phạm vi sai lệch 20–30 mm so với vị trí thiết kế; nếu vượt quá giới hạn này, chuỗi cắt sẽ không kéo đúng cách, dẫn đến giảm tiến độ đào mỗi vòng. Một vòng đào có phần cắt cháy thất bại chỉ đạt tiến độ 1,5–2 mét thay vì 4–5 mét theo thiết kế và yêu cầu khoan lại toàn bộ mặt đào tiếp theo.

Hệ số nửa lỗ khoan là chỉ tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng khoan tạo hình: tỷ lệ giữa chiều dài các nửa lỗ khoan quan sát được trên mặt đá sau nổ mìn so với tổng chiều dài các lỗ khoan tạo hình. Trong đá nguyên khối có mẫu khoan tốt, hệ số nửa lỗ khoan đạt 50–80% là khả thi. Việc lựa chọn máy khoan không phù hợp—ví dụ như loại quá nhạy cảm với chế độ khoan tự do, kiểm soát lực đẩy không ổn định hoặc chức năng chống kẹt không đủ đối với điều kiện địa chất—sẽ tạo ra các lỗ khoan bị lệch, dẫn đến hệ số nửa lỗ khoan thấp bất kể chất lượng thuốc nổ ra sao. Các giàn khoan điều khiển bằng máy tính có cần khoan thiết kế đảm bảo song song và chức năng tự động xác định vị trí đầu lỗ khoan cho kết quả hệ số nửa lỗ khoan vượt trội đáng kể trong đá đồng nhất so với các giàn khoan thủ công sử dụng cùng loại máy khoan.

Yêu cầu về việc thổi rửa trong môi trường đường hầm

Khoan hầm chủ yếu dựa vào việc xả nước, khác với khoan mặt bằng trên bề mặt, nơi việc xả khí là khả thi. Áp lực nước xả yêu cầu đối với các đường kính lỗ khoan điển hình trong công tác đào hầm (45–76 mm, độ sâu 3–5 m) dao động từ 15–25 bar. Các máy khoan đập (drifter) có khả năng xả áp lực cao hơn (Epiroc COP 1638+ lên tới 25 bar) duy trì hiệu quả loại bỏ mùn khoan khi tốc độ xuyên thấu tăng lên trong các tầng đất mềm đến trung bình; trong khi đó, các máy khoan đập có thông số xả áp lực thấp hơn (20 bar) có thể gặp hiện tượng mùn khoan bị nén chặt nếu tốc độ xuyên thấu cao hơn mức dự kiến.

Việc xả nước cũng tương tác trực tiếp với các gioăng của hộp xả — ranh giới then chốt giữa mạch nước và mạch dầu va đập. Trong các đường hầm nơi chất lượng nước mỏ biến đổi hoặc chứa nhiều khoáng chất, các gioăng xả có lớp lót PTFE có tuổi thọ cao hơn đáng kể so với các gioăng môi tiêu chuẩn. Các khoảng thời gian thay gioăng ngắn trong ứng dụng đường hầm (thường là 350–400 giờ va đập so với 450–500 giờ trên mặt đất) cần được lên kế hoạch ngay từ đầu. HOVOO cung cấp bộ gioăng bằng PU, HNBR và gioăng có lớp lót PTFE cho tất cả các dòng máy khoan đường hầm phổ biến nhất. Tham khảo tại hovooseal.com.