Tối ưu hóa công nghệ khoan cọc nhồi cho giàn khoan xoay: Áp dụng các biện pháp mục tiêu dựa trên điều kiện địa chất, vượt qua các nút thắt trong quá trình khoan và nâng cao hiệu quả thi công.

Trong thi công cọc móng cho các dự án cơ sở hạ tầng, giàn khoan xoay đã trở thành thiết bị xây dựng chủ đạo nhờ những ưu điểm như khoan hiệu quả, định vị chính xác và khả năng thích ứng cao. Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều trường hợp khác nhau như đường cao tốc, cầu, nhà cao tầng và móng nhà lắp ghép. Tính hợp lý của quá trình khoan quyết định trực tiếp đến hiệu quả thi công, chất lượng khoan và chi phí công trình, trong khi các đặc tính vật lý và cơ học của các điều kiện địa chất khác nhau (đất mềm, lớp cát, đá cứng, v.v.) thay đổi đáng kể, đặt ra các yêu cầu khác nhau đối với các thông số khoan, lựa chọn dụng cụ khoan và quy trình vận hành của giàn khoan xoay. Hiện nay, một số dự án xây dựng thường gặp phải các vấn đề như khoan chậm, sụp đổ thành lỗ, hiệu suất thấp và tiêu hao vật tư quá mức do thiếu tối ưu hóa công nghệ khoan dựa trên đặc điểm địa chất, điều này hạn chế tiến độ và hiệu quả thi công của dự án. Bài viết này kết hợp bối cảnh hiện tại của ngành xây dựng móng cọc và, dựa trên các loại địa chất khác nhau, đề ra lộ trình tối ưu hóa và kế hoạch nâng cao hiệu quả cho quá trình khoan của giàn khoan xoay, giúp các doanh nghiệp xây dựng khắc phục các nút thắt cổ chai trong quá trình khoan và đạt được hiệu quả, chất lượng cao và chi phí thấp trong xây dựng.

Điều kiện tiên quyết để tối ưu hóa quy trình: Khảo sát địa chất chính xác, tạo nền tảng vững chắc cho việc nâng cao hiệu quả.

Điều kiện tiên quyết cốt lõi để tối ưu hóa quá trình khoan của giàn khoan xoay là phải nắm bắt chính xác điều kiện địa chất của khu vực thi công và tránh tổn thất hiệu quả cũng như các rủi ro về chất lượng do thi công mù quáng. Ở giai đoạn đầu thi công, cần tiến hành khảo sát địa chất toàn diện để làm rõ các thông số cốt lõi như phân tầng địa chất, mật độ, độ ẩm, cường độ nén và phân bố kích thước hạt của từng lớp đất/đá thông qua lấy mẫu khoan, thử nghiệm tại chỗ, v.v. Cần phân chia các mặt cắt địa chất khác nhau như đất mềm, lớp cát, đất dính, đá phong hóa và đá cứng, và cần lập báo cáo khảo sát địa chất chi tiết. Đồng thời, dựa trên... yêu cầu Thông tin về thiết kế kỹ thuật (đường kính lỗ khoan, độ sâu, độ thẳng đứng) giúp dự đoán các vấn đề tiềm ẩn có thể xảy ra trong quá trình thi công (như sạt lở lớp cát, khoan chậm trong đá cứng, co ngót đường kính đất mềm, v.v.), từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn dụng cụ khoan, điều chỉnh thông số và tối ưu hóa quy trình tiếp theo. Nếu khảo sát địa chất không chính xác, dễ dẫn đến sự không phù hợp giữa dụng cụ khoan và địa chất, các thông số khoan không hợp lý, không chỉ làm giảm hiệu quả khoan mà còn có thể gây ra các nguy hiểm về an toàn như sạt lở thành lỗ khoan và chất lượng cọc không đạt tiêu chuẩn, làm tăng chi phí làm lại và rủi ro chậm tiến độ dự án.

Địa chất đất mềm: ngăn ngừa sụt lún, tăng tốc độ, tối ưu hóa tường chắn và các thông số khoan.

Đặc điểm cốt lõi của địa chất đất mềm (như đất phù sa, đất phù sa, đất sét phù sa, v.v.) là hàm lượng nước cao, khả năng chịu tải thấp và độ ổn định kém. Trong quá trình khoan, các vấn đề như sụp đổ thành lỗ, giảm đường kính và khoan bị vùi lấp rất dễ xảy ra. Hơn nữa, tốc độ khoan quá cao có thể dẫn đến hình dạng lỗ không đều, ảnh hưởng đến chất lượng hình thành lỗ khoan. Đối với địa chất đất mềm, việc tối ưu hóa công nghệ khoan tập trung vào bảo vệ thành lỗ và kiểm soát các thông số khoan, nhằm đạt được cả hiệu quả và chất lượng được cải thiện. Về lựa chọn dụng cụ khoan, nên sử dụng cần khoan xoắn dài kết hợp với gầu xúc đáy đôi. Gầu xúc đáy đôi có khả năng làm kín tốt và hiệu quả xả đất cao, giúp giảm lượng đất mềm còn sót lại trong gầu khoan và tránh việc phải làm sạch lại; Đồng thời, trang bị thêm ống chống, tùy theo độ dày và độ sâu chôn vùi của đất mềm, sử dụng thêm ống chống để bảo vệ thành lỗ và ngăn ngừa sụp đổ thành lỗ. Về các thông số khoan, tốc độ khoan nên được kiểm soát ở mức 0,5-1m/phút để tránh khoan tốc độ cao làm ảnh hưởng đến thành lỗ; Điều chỉnh tốc độ giàn khoan ở mức 60-80 vòng/phút và kiểm soát mô-men xoắn trong khoảng 180-220 kN·m để đảm bảo việc đưa vật vào giếng diễn ra suôn sẻ. khoan Đổ bùn vào lớp đất và giảm thiểu sự xáo trộn đất. Ngoài ra, trong quá trình khoan, cần bổ sung kịp thời lớp bảo vệ thành lỗ, kiểm soát mật độ bùn ở mức 1,05-1,10, duy trì độ nhớt ở mức 18-22s, tạo thành lớp màng bảo vệ thành lỗ ổn định và thường xuyên làm sạch cặn trong lỗ để tránh cặn lắng quá mức ảnh hưởng đến hiệu quả khoan và khả năng chịu tải của đáy cọc.

Địa chất lớp cát: kiểm soát thất thoát, ngăn ngừa sụp đổ lỗ khoan, tối ưu hóa việc xả cát và nhịp độ khoan.

Khó khăn cốt lõi của địa chất lớp cát (cát trung bình, cát thô, cát sỏi, v.v.) là tính lưu động mạnh và độ thấm cao của các hạt. Trong quá trình khoan, dễ gây ra hiện tượng sụp đổ thành lỗ và mất cát, dẫn đến khó khăn trong việc tạo lỗ khoan, năng suất thấp. khoan hiệu quả khoan và độ dày trầm tích quá mức. Đối với địa chất lớp cát, việc tối ưu hóa công nghệ khoan tập trung vào việc tăng cường khả năng xả cát, ổn định thành giếng, tối ưu hóa nhịp khoan và các biện pháp bảo vệ thành giếng. Về lựa chọn dụng cụ khoan, nên chọn gầu khoan có thiết bị kiểm soát cát (như gầu xúc cát có khe hở) để tăng hiệu quả làm kín và loại bỏ cát của gầu khoan, và giảm sự thất thoát các hạt cát từ các khe hở trong gầu khoan; Đối với lớp cát sỏi, có thể sử dụng gầu khoan có răng để cải thiện khả năng chống mài mòn và khả năng phá đá của gầu khoan. Về các biện pháp bảo vệ thành giếng, sử dụng bùn chất lượng cao để bảo vệ thành giếng, với mật độ bùn tăng lên 1,10-1,15 và độ nhớt được kiểm soát ở mức 20-25s, tăng cường khả năng lơ lửng và hiệu quả bảo vệ thành giếng của bùn. Nếu cần thiết, có thể sử dụng ống chống để tiếp tục bảo vệ thành giếng, đặc biệt là ở những khu vực có mực nước ngầm cao trong các lớp cát, điều này có thể ngăn chặn hiệu quả sự sụp đổ của thành giếng. Về quy trình khoan, phương pháp “vào chậm, nâng nhanh” được áp dụng, với tốc độ khoan được kiểm soát ở mức 0,3-0,8m/phút. Sau khi gầu khoan đầy cát, nó được nâng lên nhanh chóng để giảm thời gian cát lưu lại trong lỗ khoan; Đồng thời, cứ mỗi 1-2 mét khoan, một thao tác làm sạch lỗ khoan được thực hiện bằng phương pháp tuần hoàn ngược bằng khí nén để nhanh chóng loại bỏ cặn lắng trong lỗ khoan và tránh tích tụ cặn lắng ảnh hưởng đến hiệu quả khoan.

Đặc tính đất nhớt: giảm sức cản, chống kẹt gầu, tối ưu hóa dụng cụ khoan và phương pháp khoan.

Đặc điểm của đất dính (như đất sét, đất sét pha cát, v.v.) là độ dẻo và độ kết dính cao. Trong quá trình khoan, dễ gặp phải các vấn đề như đất bám vào gầu khoan và khó xả đất, dẫn đến tăng sức cản khoan và giảm hiệu quả. Ngoài ra, thành lỗ khoan dễ bị các vấn đề như lớp bùn dày và đường kính bị giảm. Chìa khóa để tối ưu hóa quá trình khoan đất dính là giảm sức cản khoan, ngăn ngừa hiện tượng bám dính của gầu khoan và nâng cao hiệu quả xả đất. Về tối ưu hóa dụng cụ khoan, nên chọn gầu khoan có lưỡi xoắn ốc hoặc gầu khoan hình răng cưa. Lưỡi xoắn ốc có thể tăng khả năng xả đất, trong khi gầu khoan hình răng cưa có thể giảm diện tích tiếp xúc giữa đất sét và thành trong của gầu khoan, do đó giảm nguy cơ bám dính; Đồng thời, thường xuyên làm sạch đất sét trên thành trong của gầu khoan và bôi dầu bôi trơn lên bề mặt gầu khoan để giảm thiểu sự bám dính hơn nữa. Về việc điều chỉnh các thông số khoan, cần tăng tốc độ khoan một cách thích hợp (80-100 vòng/phút) và giảm tốc độ khoan (0,8-1,2 m/phút) để gầu khoan có thể cắt hoàn toàn lớp đất và giảm sự nén chặt, kết dính của đất sét bên trong gầu khoan; Mô-men xoắn được kiểm soát trong khoảng 200-250 kN·m để đảm bảo gầu khoan hoạt động trơn tru và tránh quá tải giàn khoan do lực cản quá lớn. Ngoài ra, trong quá trình khoan, cần bơm nước sạch thường xuyên để pha loãng bùn trong lỗ khoan, giảm độ dày lớp màng bùn và đẩy nhanh tốc độ xả đất để tránh tích tụ đất sét trong lỗ khoan và nâng cao hiệu quả khoan tổng thể.

Địa chất đá phong hóa: nâng và phá vỡ đá, giảm thiểu tổn thất, tối ưu hóa dụng cụ khoan và khớp thông số.

Đặc điểm của địa chất đá phong hóa (đá phong hóa mạnh, đá phong hóa vừa, v.v.) là độ bền đá trung bình, cấu trúc rời rạc, dễ vỡ vụn nhưng khả năng chống mài mòn cao. Trong quá trình khoan, các vấn đề như mài mòn nhanh mũi khoan, tốc độ khoan chậm và khó xả xỉ dễ xảy ra, ảnh hưởng đến hiệu quả thi công. Đối với địa chất đá phong hóa, việc tối ưu hóa công nghệ khoan tập trung vào việc nâng cao khả năng phá đá, giảm hao mòn dụng cụ khoan, tối ưu hóa việc lựa chọn dụng cụ khoan và các thông số khoan. Về việc lựa chọn dụng cụ khoan, ưu tiên sử dụng dao cắt con lăn có răng hoặc dao cắt con lăn. Dao cắt con lăn có răng có khả năng chống mài mòn cao, trong khi dao cắt con lăn có thể nghiền đá bằng cách quay và nghiền, nâng cao hiệu quả phá đá; Đối với đá phong hóa vừa, có thể sử dụng mũi khoan va đập để hỗ trợ phá đá và giảm hao mòn răng khoan. Về các thông số khoan, giảm tốc độ khoan (40-60 vòng/phút), tăng mô-men xoắn (300-400kN·m) và tăng cường khả năng phá đá của gầu khoan; Tốc độ khoan được kiểm soát ở mức 0,2-0,5 m/phút để đảm bảo mũi khoan phá vỡ hoàn toàn đá và tránh mài mòn thêm do tốc độ quá cao. Đồng thời, trong quá trình khoan, việc làm sạch kịp thời các mảnh vụn đá trong lỗ khoan được thực hiện, và việc tuần hoàn bùn được sử dụng để thải xỉ, giảm sự tích tụ mảnh vụn đá trong lỗ khoan và giảm sức cản khoan; Thường xuyên kiểm tra độ mòn của mũi khoan và thay thế kịp thời những mũi khoan bị mòn nghiêm trọng để tránh ảnh hưởng đến hiệu quả khoan và chất lượng lỗ khoan do hư hỏng mũi khoan.

Địa chất đá cứng: vượt qua các rào cản, nâng cao hiệu quả, tối ưu hóa công nghệ khoan hỗn hợp

Những thách thức cốt lõi của địa chất đá cứng (như đá phong hóa nhẹ, đá mới, v.v.) là độ bền đá cao, tính toàn vẹn tốt, sức cản khoan cao, khó phá vỡ đá, hiệu quả cực thấp của các phương pháp khoan thông thường và tổn thất nghiêm trọng dụng cụ khoan, đây là những nút thắt chính của công nghệ khoan bằng giàn khoan xoay. Đối với địa chất đá cứng, cần phải áp dụng công nghệ khoan hỗn hợp, kết hợp nhiều phương pháp khoan, tối ưu hóa dụng cụ và thông số khoan, và đạt được sự cải thiện đáng kể về hiệu quả phá vỡ đá. Về lựa chọn dụng cụ khoan, nên chọn gầu khoan côn lăn chịu mài mòn cường độ cao hoặc gầu khoan răng cắt, kết hợp với giàn khoan xoay công suất cao để tăng cường sức phá vỡ đá; đồng thời, có thể áp dụng chế độ khoan hỗn hợp “khoan xoay + va đập”. Đầu tiên, sử dụng mũi khoan va đập để phá vỡ bề mặt đá, sau đó sử dụng gầu khoan xoay để làm sạch mảnh vụn đá, luân phiên các thao tác để giảm sức cản khoan và nâng cao hiệu quả phá vỡ đá. Về các thông số khoan, tốc độ máy khoan được kiểm soát ở mức 30-50 vòng/phút, và mô-men xoắn được tăng lên trên 400kN·m để đảm bảo đủ lực phá đá; tốc độ khoan nên được kiểm soát ở mức 0,1-0,3m/phút để tránh quá tải dụng cụ khoan và hư hỏng răng khoan do tốc độ quá cao. Ngoài ra, việc bơm dung dịch làm mát trong quá trình khoan giúp giảm nhiệt độ của răng khoan và giảm thiểu mài mòn; thường xuyên kiểm tra mối nối giữa cần khoan và gầu khoan để đảm bảo kết nối chắc chắn và tránh hư hỏng các bộ phận do rung động, có thể ảnh hưởng đến tiến độ thi công.

Các biện pháp tối ưu hóa tổng thể: Tiêu chuẩn bảo trì và vận hành thiết bị để đảm bảo hoạt động khoan hiệu quả.

Bên cạnh việc tối ưu hóa chuyên biệt cho các điều kiện địa chất khác nhau, việc đảm bảo vận hành và bảo dưỡng đúng cách thiết bị khoan quay là biện pháp đảm bảo phổ biến để nâng cao hiệu quả khoan và giảm tổn thất. Về vận hành và bảo dưỡng thiết bị, cần tiến hành kiểm tra toàn diện các bộ phận cốt lõi như động cơ, hệ thống thủy lực, cần khoan và gầu khoan của giàn khoan trước khi thi công để đảm bảo thiết bị hoạt động bình thường; Thường xuyên bôi trơn và chống gỉ cần khoan, kiểm tra độ mòn của gầu khoan và răng gầu, và thay thế các bộ phận dễ hư hỏng kịp thời; Lập kế hoạch vận hành thiết bị hợp lý để tránh hư hỏng thiết bị do vận hành cường độ cao trong thời gian dài và giảm thiểu sự chậm trễ dự án. Về tiêu chuẩn vận hành, người vận hành phải được đào tạo chuyên nghiệp, nắm vững kỹ thuật khoan và cài đặt thông số cho các điều kiện địa chất khác nhau, và tuân thủ nghiêm ngặt quy trình tối ưu hóa trong quá trình thi công; Trong quá trình khoan, cần theo dõi sát sao tình trạng hoạt động của giàn khoan và tình hình bên trong lỗ khoan, điều chỉnh các thông số khoan kịp thời và xử lý nhanh chóng các sự cố (như sụp đổ thành lỗ và khoan bị vùi lấp) để tránh vấn đề lan rộng; Đồng thời, cần lưu giữ hồ sơ thi công đầy đủ, ghi chép chi tiết các thông số khoan, hiệu suất khoan, lượng tiêu hao vật tư và các thông tin khác cho các khu vực địa chất khác nhau, cung cấp dữ liệu hỗ trợ cho việc tối ưu hóa quy trình sau này.

Kiểm chứng hiệu quả tối ưu hóa: giảm chi phí và tăng hiệu quả, cải thiện lợi ích tổng thể của dự án.

Bằng cách tối ưu hóa quy trình khoan cho các điều kiện địa chất khác nhau, điểm nghẽn của khoan xoay có thể được khắc phục hiệu quả, đạt được sự cải thiện kép về hiệu quả thi công và lợi ích kỹ thuật. Dữ liệu thực tế cho thấy sau khi tối ưu hóa, hiệu quả khoan đối với địa chất đất mềm đã tăng từ 20% đến 30%, địa chất lớp cát tăng từ 15% đến 25%, địa chất đá phong hóa tăng từ 30% đến 40%, và địa chất đá cứng tăng hơn 40%; đồng thời, tổn thất dụng cụ khoan đã giảm từ 15% đến 20%, tỷ lệ xảy ra các vấn đề về chất lượng như sụp đổ thành lỗ và giảm đường kính đã giảm hơn 60%, và chi phí làm lại đã giảm khoảng 30%. Ngoài ra, sau khi tối ưu hóa quy trình, chất lượng hình thành lỗ rỗng dễ đáp ứng tiêu chuẩn hơn, khả năng chịu tải của thân cọc được cải thiện, đảm bảo an toàn cho công trình, rút ngắn thời gian thi công, giảm tổng chi phí nhân công, vật tư tiêu hao, vận hành và bảo trì thiết bị, tạo ra lợi ích kinh tế và xã hội cao hơn cho các doanh nghiệp xây dựng.