Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN GIẾNG ĐỨNG 1.1 Giới thiệu tổng quan về khoan giếng đứng trong thực tiễn Ngày nay, những nhu cầu về dân sự như khai thác khoáng sản, giao thông ngầm, công trình ngầm như bãi đỗ xe tự động dưới lòng đất, các công trình ngầm về thoát và xử lý nước thải, các công trình thủy điện,. hay những nhu cầu về quân sự như hầm trú chiến tranh, kho chứa vũ khí, khí tài ngầm dưới lòng đất,. mà không phá hủy cảnh quan môi trường xung quanh vô cùng lớn. Do đó, việc thi công các công trình ngầm luôn được quan tâm và chú trọng.
Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, để đáp ứng nhu cầu cao trong việc gửi và đỗ xe trong đô thị, tháng 02 năm 2017, văn phòng UBND TP Hà Nội đã thông báo kết luận của tập thể lãnh đạo thành phố tại cuộc họp báo về tiến độ triển khai các dự án bãi đỗ xe ngầm trên địa bàn. Theo đó, lãnh đạo Hà Nội nhất trí quy mô dự án bãi đỗ xe ngầm tại công viên Thống Nhất, gồm tầng hầm một có chức năng thương mại, dịch vụ; 04 tầng còn lại để xe. Ngoài dự án bãi xe ngầm tại công viên Thống Nhất, lãnh đạo Hà Nội cũng thống nhất quy mô dự án bãi xe ngầm ở Nhà thi đấu Quần Ngựa, Công viên Nhân Chính.1 Bãi đỗ xe tự động dưới lòng đất – Automated parking systems for urban [1] 5 Trong công nghiệp khai thác khoáng sản ở Việt Nam, mà cụ thể là trong lĩnh vực khai thác than, hiện nay, khi trữ lượng than tại các mỏ lộ thiên đang dần cạn kiệt, đòi hỏi những phương pháp mới để khai thác được những vỉa than có chất lượng cao ở sâu trong lòng đất, đồng thời tăng sản lượng khai thác. Bản đồ quy hoạch về tiêu thụ lượng than nội địa phục vụ cho các ngành công nghiệp như: nhà máy nhiệt điện, nhà máy xi măng, sản xuất giấy, luyện kim màu,… cho thấy nhu cầu tiêu thụ than hàng năm tăng từ 15%÷20%.
Để đáp ứng nhu cầu này, bức thiết cần sử dụng phương pháp khoan đào giếng đứng để xây dựng các lò giếng đứng thay thế cho các đường hầm nghiêng. Hiện tại, ở các mỏ hầm lò Việt Nam có rất ít giếng đứng, công tác mở vỉa chủ yếu bằng lò bằng hoặc giếng nghiêng. Tính tới thời điểm năm 2013, trong ngành mỏ Việt Nam chỉ mới có hai công ty mỏ đang sử dụng giếng đứng là Công ty than Mông Dương (02 giếng) và Công ty than Hà Lầm (03 giếng), tuy nhiên công các đào chống phần nhiều đều do các nhà thầu nước ngoài đảm nhiệm [2]. Bên cạnh việc ứng dụng thi công các giếng đứng trong khai thác than và khoáng sản, việc thi công giếng đứng cũng được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng các giếng điều hòa áp lực tại các nhà máy thủy điện, các công trình giếng đứng phục vụ an ninh quốc gia, phòng thủ dân sự như hầm trú ẩn hay các công trình dân sự khác [3].
Các thiết bị trên thế giới chỉ thích hợp cho các thuỷ điện cỡ trung và lớn trong khi đó ở Việt Nam, theo thống kê có đến 4000÷5000 các thuỷ điện cỡ nhỏ vẫn phải thi công dựa trên sức người với các búa khoan khí nén cầm tay như PP-30, PP-24, PP-54, PP-63 của Nga, YT-25, YT-27, YL-18, YL-24 của Trung Quốc, PLB-241K của Thụy Sỹ làm chậm tiến độ, chất lượng nổ mìn không cao do lỗ khoan bị sai lệch so với hộ chiếu nổ mìn.2 Jack-hammer trong khoan phá đất đá [4] 6 Nhìn lại lịch sử phát triển của ngành thi công công trình ngầm, công nghệ thi công giếng đứng đã xuất hiện từ rất sớm. Tuy nhiên, cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai bùng nổ vào cuối thế kỉ XIX với sự ra đời của động cơ điện đã tạo tiền đề cho công nghệ thi công giếng đứng thực sự có nhiều bước đột phá nhất định. Năm 1844, thiết bị khoan khí nén cầm tay đầu tiên với tên gọi Jack-hammer được ra đời để đáp ứng cho nhu cầu khai thác mỏ, khai thác đá, khoan đào và thi công các đường hầm [5]. Jack-hammer là một thiết bị sử dụng nguồn động lực từ động cơ khí nén hoặc một động cơ điện, kết hợp giữa búa và đục để khoan phá phần đất đá cần thi công.
Tùy vào kích thước thiết bị, các vấn đề địa chất của đất đá, khi sử dụng cần từ một đến hai công nhân kết hợp vận hành. Khi sử dụng thiết bị khoan cầm tay Jack-hammer, để thi công một giếng đứng có đường kính 8m, sâu 1,8m, cần 50 công nhân thực hiện quá trình khoan lỗ trong vòng 6 giờ. Công việc này đòi hỏi một lượng nhân công lớn, chi phí cho thiết bị khí nén cũng như con người cao, mức ô nhiễm tiếng ồn lớn nhưng lại cho hiệu quả công việc không cao [6]. Để tăng năng suất lao động cũng như hiệu quả khoan phá đất đá tại những nơi đá cứng và rất cứng như đá Biotie, đá xanh, Syenite, Limestone,.
một búa khoan Jack-hammer thủy lực hạng nặng cỡ lớn kết hợp với tay máy xúc (An excavator-mounted hydraulic jack-hammer) được sử dụng như Volvo EC210BLC, Volvo EC360BLC, Komatsu PC200, Hitachi EX200,.3 Thiết bị Volvo EC210BLC Khi thi công sử dụng thiết bị búa khoan Jack-hammer, do đặc trưng của cách vận hành là sử dụng đầu búa kết hợp đầu đục để khoan phá đất đá, âm thanh khi vận hành thường rất lớn, lên tới ngưỡng 100db khi đo ở khoảng cách 2m. Ngoài ảnh 7 hưởng đến thính giác và thần kinh do âm thanh vận hành lớn, do phản lực lớn tác động ngược trở lại người vận hành, việc sử dụng búa khoan Jack-hammer cũng gây ra các vấn đề về thể chất khác cho công nhân. Tuy nhiên, với giá thành thi công tương đối rẻ, sử dụng đơn giản, linh hoạt cùng đặc tính không có mạch điện công suất cao dễ gây tia lửa tạo cháy nổ, nên búa khoan Jack-hammer vẫn thường được sử dụng trong khai thác trong hầm mỏ, khai thác khoáng sản, đào hầm. Mặc dù đã được cải tiến tuy nhiên phương pháp sử dụng búa khoan Jackhammer không cho năng suất và hiệu quả cao trong thi công.
Ngày nay, tại những quốc gia có nền công nghiệp phát triển và đi đầu như Mỹ, Đức, Anh, Trung Quốc,… công nghệ thi công giếng đứng đã đạt tới trình độ tự động hóa cao với nhiều công nghệ khác nhau. Nổi bật trong đó là công nghệ khoan giếng ngược (Raise boring – hay còn được gọi là “khoan robin” tại Việt Nam), công nghệ khoan sử dụng tổ hợp máy nghiền đất đá cỡ lớn (Vertical shaft sinking) và công nghệ khoan nổ mìn được mô tả trong mục 1.2 Công nghệ thi công Để thi công các công trình giếng đứng, với nền khoa học kỹ thuật phát triển, tùy thuộc vào đặc điểm kỹ thuật và công dụng giếng, hình dạng kích thước giếng, độ sâu giếng, đặc điểm địa chất công trình và một số yếu tố khác, ngày nay có rất nhiều phương pháp thi công khác nhau. Một số phương pháp có thể kể đến như: Nhóm các phương pháp thi công truyền thống (Conventional sinking and lining) bao gồm: phương pháp khoan lỗ nổ mìn (Drilling and blasting) và phương pháp sử dụng các thiết bị đào xúc (Mechanical excavators) Nhóm các phương pháp thi công hiện đại (Alternative methods of shaft construction) bao gồm: phương pháp sử dụng các thiết bị cắt nghiền đất đá cỡ lớn, phương pháp khoan giếng ngược (Raise drilling – hay còn được gọi là “khoan robin” – cách gọi tên theo tên thiết bị Robbins raiseboring machines của hãng The Atlas Copco tại Việt Nam), phương pháp khoan “box-hole” (Box-hole drilling). Trong các phương pháp thi công trên, nổi bật và được ứng dụng phổ biến ngày nay là phương pháp sử dụng các thiết bị cắt nghiền đất đá cỡ lớn, phương pháp khoan robin và phương pháp khoan lỗ nổ mìn.1 Công nghệ thi công khoan giếng ngược Công nghệ khoan giếng ngược, hay còn được gọi là "khoan robin" tại Việt Nam.
Cách gọi tên công nghệ “khoan robin” tại Việt Nam được bắt nguồn từ cách đọc tên thiết bị Robbins raiseboring machines của hãng The Atlas Copco. Từ những năm 1968, trong ngành công nghiệp khai khoáng, phương pháp khoan giếng ngược (thường được biết đến với cái tên Raise boring) đã xuất hiện để thi công những công trình có đường kính từ 0.1m, với độ sâu công trình lên đến 1260m [7,8]. Giải pháp này được mô tả như sau: Ban đầu cần phải đào một đường hầm phụ để lấy đất đá. Sau đó khoan một lỗ dẫn hướng bằng khoan địa chất.
Tiếp theo, sử dụng một đĩa khoan cắt đất đá có kích thước lớn, còn hệ thống dẫn động (raise-boring machine) được đặt ở đỉnh công trình (hình 1.4 mô tả giải pháp khoan giếng ngược). Giải pháp thi công thông thường đĩa khoan được đưa từ dưới lên (Raise boring), đôi khi cũng có thể đĩa khoan được đưa từ trên xuống (Down boring). Quá trình có thể được lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào kích thước của đĩa khoan và đường kính giếng cần thi công [9]. Trong trường hợp này đất đá sẽ thoát qua lỗ dẫn hướng xuống đường hầm.
Sau khi khoan, đất đá sẽ được vận chuyển ra ngoài bằng đường hầm phụ bởi các phương tiện cơ giới hoặc hệ thống vận chuyển. Sau khi thi công xong phải lấp đường hầm phụ.4 Công nghệ khoan giếng ngược 9 Từ năm 1978, công ty Murray & Roberts Cementation đã nghiên cứu phát triển công nghệ này và hiện nay là một trong những đơn vị đi đầu trên thế giới [ 9]. Đến nay, kỹ thuật này đã là một tiêu chuẩn công nghiệp trong lĩnh vực xây dựng các giếng thông gió và đường hầm. Giải pháp thi công này cho hiệu quả kinh tế cao, an toàn trong quá trình thi công và có độ chính xác cao.
Kỹ thuật khoan giếng ngược tạo ra các vách hầm vững chắc hơn nhiều so với vách hầm được thi công bằng phương pháp truyền thống, được sử dụng hiệu quả ở những nơi phải hạn chế chấn động ở mức tối thiểu như khi thi công ở gần các công trình kiến trúc. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm kích thước giếng có giới hạn phụ thuộc vào đường kính đĩa cắt đất, độ mòn lưỡi cắt lớn khi khoan với tốc độ cao, giá thành đầu tư thiết bị ban đầu cao và đòi hỏi địa hình thi công bằng phẳng , dễ di chuyển để vận chuyển các thiết bị phụ trợ siêu trường siêu trọng.