Khảo sát địa chất cho hệ thống cầu cảng: Kỹ thuật khoan dưới nước xác định tầng đá gốc tại Nam Đình Vũ

Trong lĩnh vực xây dựng cảng biển, hệ thống cọc trụ đài (pile‑supported quay) là kết cấu chịu lực chính, truyền tải trọng của cầu tàu, bến cảng xuống các lớp đất sâu, thường là tầng đá gốc hoặc lớp cát chặt có khả năng chịu tải cao. Việc xác định chính xác độ sâu, vị trí và tính chất cơ lý của tầng đá gốc có ý nghĩa sống còn đối với an toàn, tuổi thọ và hiệu quả kinh tế của toàn bộ công trình.

Tại khu vực Nam Đình Vũ (Hải Phòng), nơi đang hình thành một trong những tổ hợp cảng biển nước sâu lớn nhất miền Bắc với tổng cộng 7 cầu tàu trải dài 1,6 km và công suất thiết kế vượt 2 triệu TEUs/năm, bài toán khảo sát địa chất dưới nước càng trở nên thách thức gấp bội.

Khác với khảo sát trên cạn, công tác khoan dưới nước phải đối mặt với:

• Mực nước biến động theo thủy triều (biên độ 2–4m), ảnh hưởng trực tiếp đến độ sâu thực tế của hố khoan và áp lực nước lỗ rỗng.

• Lớp cát san lấp dưới đáy biển rời rạc, dễ sập lở khi khoan.

• Dòng chảy ngầm và sóng gây khó khăn cho việc định vị, giữ ổn định thiết bị.

• Lớp bùn sét Holocen dày 15–22m nằm ngay bên dưới đáy biển, có sức kháng cắt rất thấp (cᵤ = 4–12 kPa), dễ gây trôi mẫu và sập thành hố.

Bài viết này chia sẻ những kinh nghiệm thực tế ACAO đã tích lũy trong quá trình triển khai khảo sát địa chất cho các dự án cầu cảng tại Nam Đình Vũ, tập trung vào kỹ thuật khoan dưới nước và phương pháp xác định tầng đá gốc chính xác.

1. Đặc điểm địa chất khu vực cảng Nam Đình Vũ

1.1. Mặt cắt địa tầng dưới đáy biển

Dựa trên các kết quả khảo sát thực tế tại các dự án bến cảng Nam Đình Vũ, mặt cắt địa chất từ đáy biển xuống dưới thường gồm các lớp chính sau:

Lưu ý: Độ sâu xuất hiện tầng đá gốc tại Nam Đình Vũ không đồng nhất, có thể dao động từ 48m đến 65m tùy vị trí. Do đó, không thể dựa vào số liệu khảo sát của dự án lân cận để thiết kế cọc cho dự án mới – mỗi công trình cần có hệ thống hố khoan khảo sát riêng.

1.2. Thách thức đặc thù khi khoan dưới nước tại Nam Đình Vũ

Khu vực cửa sông – biển Nam Đình Vũ có những đặc điểm riêng khiến công tác khoan dưới nước trở nên phức tạp hơn so với các khu vực khác:

• Nước ngầm có áp, chịu ảnh hưởng của thủy triều: Khi thủy triều lên, áp lực nước tăng, có thể gây hiện tượng “đẩy ngược” dung dịch bentonite lên trên, làm loãng dung dịch và giảm khả năng giữ thành hố.

• Lớp cát chảy (quick sand) ở độ sâu 5–12m: Một số vị trí xuất hiện lớp cát mịn bão hòa nước, khi bị xáo trộn sẽ hóa lỏng và chảy vào lỗ khoan, gây kẹt cần, sập hố.

• Tính không đồng nhất của tầng đá gốc: Tầng đá gốc dưới đáy biển không phẳng, có thể có các hốc đá phong hóa, hang động nhỏ, hoặc xen kẹp các lớp đá yếu, đòi hỏi phải khoan sâu thêm 3–5m vào đá để xác định chiều dày lớp đá lành.

2. Quy trình kỹ thuật khoan dưới nước xác định tầng đá gốc

2.1. Chuẩn bị và định vị vị trí hố khoan trên mặt nước

Trước khi hạ thiết bị khoan xuống nước, cần xác định chính xác tọa độ từng hố khoan theo thiết kế khảo sát.

Các bước thực hiện:

1. Dẫn tuyến bằng máy toàn đạc điện tử (Total Station) hoặc RTK GPS từ các mốc chuẩn trên bờ. Với các hố khoan ở xa bờ (cách 200–500m), RTK GPS là giải pháp tối ưu với độ chính xác ±2–3cm.

2. Thả phao tiêu (buoy) đánh dấu vị trí sau khi đã xác định tọa độ. Phao cần có đối trọng đủ nặng để không bị trôi theo dòng chảy.

3. Đưa xà lan khoan hoặc sà lan nổi đến vị trí, neo giữ bằng hệ thống neo 4 hướng để ổn định trước khi hạ thiết bị. Kinh nghiệm cho thấy cần ít nhất 6 neo (3 mỗi bên) để giữ xà lan ổn định trong điều kiện sóng gió cấp 3–4.

4. Đo độ sâu mực nước tại vị trí khoan bằng máy đo sâu hồi âm hoặc thước dây có quả dọi, ghi nhận cao độ đáy biển để tính toán chiều sâu khoan chính xác.

2.2. Hệ thống thiết bị khoan dưới nước

Đối với khảo sát cầu cảng tại Nam Đình Vũ, ACAO sử dụng các thiết bị chuyên dụng:

2.3. Quy trình khoan qua các lớp địa chất

Bước 1 – Khoan mồi và hạ ống vách lớp mặt

Khi bắt đầu khoan từ đáy biển xuống, lớp cát san lấp phía trên rất dễ sập. Do đó:

• Sử dụng mũi khoan xoay hợp kim đường kính lớn (132–146mm) để khoan mồi xuống độ sâu 5–6m.

• Ngay sau khi khoan mồi, hạ ống vách thép có mũi cắt (cutting shoe) xuyên qua toàn bộ lớp cát rời và ít nhất 1m vào lớp bùn sét bên dưới.

• Ống vách được hạ bằng búa rung (vibro hammer) hoặc ép thủy lực, tùy theo điều kiện. Kinh nghiệm tại Nam Đình Vũ cho thấy ép thủy lực cho kết quả ổn định hơn trong lớp cát rời dưới đáy biển.

Bước 2 – Khoan qua lớp bùn sét yếu (độ sâu 5–22m)

Sau khi ống vách đã được hạ ổn định, tiếp tục khoan xuống lớp bùn sét dẻo chảy:

• Sử dụng mũi khoan xoay răng gầu hoặc mũi khoan thìa (spoon auger) để lấy mẫu đất và mở rộng lỗ khoan.

• Bơm dung dịch bentonite tỷ trọng 1,05–1,10 g/cm³ liên tục trong suốt quá trình khoan, vừa giữ thành hố vừa đưa mùn khoan lên.

• Lấy mẫu đất nguyên dạng định kỳ (cứ 2–3m lấy một mẫu) bằng ống mẫu thành mỏng (thin‑wall tube) kết hợp với piston để giảm xáo trộn mẫu.

Lưu ý đặc biệt: Ở độ sâu 8–12m, một số vị trí tại Nam Đình Vũ xuất hiện thấu kính cát chảy – cát mịn bão hòa nước, dễ gây chảy cát vào lỗ khoan. Khi gặp hiện tượng này, cần tăng tỷ trọng dung dịch bentonite lên 1,10–1,12 g/cm³ và giảm tốc độ khoan xuống còn 0,5–1m/giờ.

Bước 3 – Khoan qua lớp sét pha và cát chặt (độ sâu 22–50m)

Đây là giai đoạn cần kiểm soát tốc độ khoan chặt chẽ để đảm bảo chất lượng mẫu và tránh kẹt cần:

• Chuyển sang mũi khoan xoay răng hợp kim hoặc mũi khoan ba cánh (tri‑cone bit), tùy theo độ cứng của địa tầng.

• Giảm tốc độ quay khi gặp lớp cát chặt (N‑SPT ≥ 30) để tránh mòn mũi khoan và quá nhiệt.

• Bổ sung thí nghiệm SPT (Standard Penetration Test) định kỳ 2–3m/lần để đánh giá sức kháng xuyên và xác định chính xác ranh giới các lớp.

• Tiếp tục duy trì dung dịch bentonite nhưng có thể giảm tỷ trọng xuống 1,05–1,08 g/cm³ khi đã qua lớp bùn sét.

Bước 4 – Xác định và khoan vào tầng đá gốc (độ sâu ≥ 50m)

Đây là bước quan trọng nhất trong khảo sát cầu cảng, vì kết quả xác định độ sâu và chất lượng tầng đá gốc sẽ quyết định thiết kế chiều dài cọc trụ đài.

Dấu hiệu nhận biết sắp gặp tầng đá gốc:

• Tốc độ khoan giảm đột ngột: Khi đang khoan trong cát chặt với tốc độ 2–3m/giờ, tốc độ giảm xuống còn 0,3–0,5m/giờ.

• Tiếng máy khoan thay đổi: Xuất hiện tiếng kêu “ken két” đặc trưng khi mũi khoan tiếp xúc với bề mặt đá.

• Rung động tăng trên cần khoan khi mũi khoan bắt đầu làm việc trên bề mặt đá cứng.

• Mùn khoan có màu sắc và thành phần thay đổi: Từ màu nâu xám của cát/cát pha chuyển sang màu xám trắng hoặc xám xanh của đá phong hóa, lẫn các vụn đá nhỏ có cạnh sắc.

Kỹ thuật khoan lấy lõi đá:

1. Thay thế bộ cần khoan và mũi khoan bằng hệ thống ống mẫu lấy lõi (core barrel) dài 1,5–3m, gắn mũi khoan kim cương (diamond core bit) phù hợp với loại đá dự kiến.

2. Giảm tốc độ quay xuống 300–500 vòng/phút, lực đẩy vừa phải để mũi khoan từ từ cắt vào đá.

3. Khoan từng đoạn 1–1,5m, sau đó rút toàn bộ ống mẫu lên để lấy lõi đá. Ghi lại độ thu hồi lõi (core recovery) và chỉ số RQD (Rock Quality Designation) – hai chỉ số quan trọng đánh giá chất lượng khối đá.

4. Khoan sâu vào đá gốc tối thiểu 3–5m hoặc cho đến khi gặp lớp đá lành (RQD ≥ 50%) để xác định bề dày thực tế của lớp đá phong hóa bên trên.

5. Bảo quản mẫu lõi đá trong hộp mẫu chuyên dụng, đánh dấu chiều sâu và hướng, vận chuyển về phòng thí nghiệm để xác định cường độ kháng nén đơn trục (UCS) và các chỉ tiêu cơ lý khác.

Kinh nghiệm từ thực tế: Tại Nam Đình Vũ, bề mặt đá gốc không phẳng, có thể có các chỗ lồi lõm hoặc lớp đá phong hóa dày 1–2m. Do đó, không nên dừng khoan ngay khi vừa chạm vào đá. Cần khoan sâu thêm ít nhất 3m để xác định chính xác cao độ bề mặt đá lành (fresh rock) – tầng đá có cường độ chịu nén đủ lớn để làm điểm tựa cho cọc trụ đài.

2.4. Kết hợp thí nghiệm hiện trường trong quá trình khoan

Bên cạnh việc lấy mẫu, cần thực hiện đồng thời các thí nghiệm hiện trường để đánh giá nhanh các chỉ tiêu cơ lý của nền đất:

Kết hợp các thí nghiệm hiện trường với thí nghiệm trong phòng (nén oedometer, cắt trực tiếp, nén ba trục…) giúp có được bức tranh địa chất toàn diện và chính xác nhất.

3. Lưu ý đặc biệt khi khoan xác định tầng đá gốc tại Nam Đình Vũ

3.1. Hiện tượng đá giả (false rock) do thấu kính cát kết cứng

Một hiện tượng thường gặp tại Nam Đình Vũ là các thấu kính cát kết cứng (sandstone lens) nằm xen kẹp trong lớp bùn sét hoặc sét pha ở độ sâu 35–45m. Những thấu kính này có độ cứng khá cao (N‑SPT có thể lên đến 50–80 búa), khiến người khoan dễ nhầm lẫn là đã gặp tầng đá gốc.

Cách phân biệt:

• Mùn khoan: Đá gốc cho mùn khoan dạng bột mịn hoặc vụn có cạnh sắc; cát kết cứng cho mùn khoan dạng hạt cát màu sáng, không có tinh thể khoáng vật đặc trưng.

• Tốc độ khoan: Cát kết cứng thường cho tốc độ khoan ổn định (0,5–0,8m/giờ); đá gốc thường có tốc độ chậm hơn và giảm dần khi xuống sâu.

• Mẫu lõi: Lấy mẫu lõi bằng ống mẫu đôi sẽ cho lõi cát kết dễ vỡ, không có cấu trúc tinh thể rõ ràng; lõi đá gốc có cấu trúc đồng nhất, cứng chắc.

Giải pháp: Khi nghi ngờ gặp đá giả, nên khoan sâu thêm ít nhất 2m để xác nhận. Nếu vẫn chỉ gặp cát kết cứng và không có dấu hiệu của đá gốc thực sự, cần tiếp tục khoan xuống cho đến khi gặp đá lành.

3.2. Xử lý sự cố mất dung dịch bentonite khi gặp đá nứt nẻ

Khi khoan vào đá gốc, đặc biệt là đá phong hóa hoặc đá nứt nẻ, dung dịch bentonite có thể bị mất hút (lost circulation) qua các khe nứt, dẫn đến mất áp lực giữ thành hố, gây sập cát từ phía trên xuống.

Cách xử lý:

• Tăng độ nhớt của dung dịch bentonite bằng cách bổ sung thêm polymer hoặc CMC (Carboxymethyl cellulose).

• Bơm vật liệu chống mất dung dịch (lost circulation materials – LCM) như mica, vỏ trấu nghiền, hoặc sợi cellulose để bịt các khe nứt.

• Giảm lưu lượng bơm và tăng tỷ trọng dung dịch để tạo cột áp đủ lớn giữ thành hố.

• Nếu mất dung dịch nghiêm trọng, có thể phải đổ bê tông tạm thời (cement plug) vào đoạn đá nứt nẻ, chờ đông cứng rồi khoan lại.

3.3. Đảm bảo an toàn khi vận hành máy khoan trên xà lan

Làm việc trên xà lan trong điều kiện sóng gió, thủy triều tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn lao động:

• Kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống neo giữ trước mỗi ca khoan. Kinh nghiệm cho thấy cần tối thiểu 6 neo (3 phía đầu xà lan, 3 phía đuôi) để giữ xà lan ổn định.

• Trang bị áo phao cho toàn bộ nhân viên làm việc trên xà lan, bất kể vị trí.

• Lắp đặt lan can an toàn xung quanh khu vực đặt máy khoan và khu vực thao tác ống vách.

• Dự phòng hệ thống bơm hút nước để xử lý khi xà lan bị thủng hoặc nước tràn vào do sóng lớn.

• Theo dõi dự báo thời tiết và thủy triều, tạm dừng thi công khi sóng cấp 4 trở lên hoặc có cảnh báo bão.

3.4. Bảo quản và vận chuyển mẫu lõi đá từ xà lan về phòng thí nghiệm

Mẫu lõi đá sau khi lấy lên cần được bảo quản đúng cách để tránh thay đổi tính chất:

• Đặt lõi đá vào hộp mẫu gỗ hoặc nhựa có rãnh chuyên dụng, lót xốp bảo vệ để tránh va đập trong quá trình vận chuyển.

• Đánh số thứ tự và chiều sâu trên từng thanh lõi, đồng thời ghi lại độ thu hồi lõi và chỉ số RQD ngay tại hiện trường.

• Bọc kín mẫu bằng màng bọc thực phẩm hoặc giấy bạc để giữ độ ẩm tự nhiên, tránh mất nước làm sai lệch kết quả thí nghiệm.

• Vận chuyển mẫu về phòng thí nghiệm trong vòng 24 giờ, ưu tiên vận chuyển bằng xe có bộ phận giảm xóc để hạn chế rung lắc.

4. Giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả khảo sát cầu cảng

4.1. Ứng dụng công nghệ CPTu trong khảo sát dưới nước

CPTu (Cone Penetration Test with pore pressure measurement) là phương pháp xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng, cung cấp dữ liệu liên tục về sức kháng mũi, ma sát thân cọc và áp lực nước lỗ rỗng theo chiều sâu. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc phân định ranh giới các lớp địa chất dưới nước, bao gồm việc phát hiện tầng đá gốc hoặc các lớp cát kết cứng.

Ưu điểm của CPTu trong khảo sát cầu cảng:

• Liên tục và chính xác: Ghi nhận dữ liệu mỗi 1–2cm, cung cấp bức tranh chi tiết về địa tầng.

• Nhanh hơn khoan lấy mẫu truyền thống: Tốc độ xuyên 1–2cm/giây, có thể khảo sát một hố sâu 50m trong vòng 1–2 giờ.

• Phát hiện các lớp đất yếu mỏng mà khoan SPT có thể bỏ sót.

• Dữ liệu áp lực nước lỗ rỗng giúp đánh giá điều kiện thoát nước và cố kết của nền.

Hạn chế: CPTu không lấy được mẫu đất nguyên dạng, do đó vẫn cần kết hợp với khoan lấy mẫu để có đủ mẫu thí nghiệm trong phòng.

4.2. Thiết kế lưới hố khoan tối ưu cho công trình cảng

Theo tiêu chuẩn khảo sát địa chất công trình cảng biển, mật độ và độ sâu hố khoan phụ thuộc vào quy mô, tải trọng và mức độ quan trọng của công trình.

Khuyến nghị cho cầu cảng Nam Đình Vũ:

Đặc biệt lưu ý: Với các khu vực có địa chất phức tạp như Nam Đình Vũ, nên bố trí các hố khoan sâu (deep boreholes) với mật độ 1 hố/100–200m dọc theo tuyến cầu tàu, kết hợp với các hố khoan nông hơn ở giữa để đánh giá sự biến đổi của địa tầng.

4.3. Tích hợp dữ liệu địa vật lý biển (marine geophysics)

Trước khi tiến hành khoan cơ học, có thể triển khai các phương pháp địa vật lý nông dưới đáy biển để:

• Xác định sơ bộ bề dày lớp trầm tích và vị trí có khả năng gặp đá gốc nông hơn.

• Phát hiện các dị thường địa chất như hốc đá, hang động, đứt gãy dưới đáy biển.

• Tối ưu hóa vị trí bố trí hố khoan, tránh khoan vào các vùng có địa chất bất lợi.

Các phương pháp phổ biến bao gồm:

• Sonar quét sườn (side‑scan sonar): Tạo ảnh đáy biển chi tiết, phát hiện các vật cản hoặc địa hình bất thường.

• Máy đo sâu hồi âm phân giải cao (sub‑bottom profiler): Xác định cấu trúc các lớp trầm tích bên dưới đáy biển đến độ sâu 30–50m.

• Khảo sát từ trường (magnetic survey): Phát hiện các khối đá magma xâm nhập hoặc đá gốc ở độ sâu lớn hơn.

5. Kết luận: Khoan dưới nước xác định tầng đá gốc – Yếu tố quyết định thành công của dự án cảng biển

Khảo sát địa chất cho hệ thống cầu cảng, đặc biệt là kỹ thuật khoan dưới nước xác định tầng đá gốc, là một trong những công tác kỹ thuật phức tạp và đòi hỏi kinh nghiệm nhất trong lĩnh vực địa chất công trình. Tại khu vực Nam Đình Vũ – nơi có nền đất yếu dày, mực nước biến động và tầng đá gốc không đồng nhất – mỗi sai sót trong quá trình khảo sát có thể dẫn đến:

• Sai lệch về chiều sâu đá gốc, dẫn đến thiết kế cọc trụ đài không đủ dài, công trình lún sụt sau khi đưa vào khai thác.

• Đánh giá sai chất lượng đá nền, sử dụng cọc không phù hợp, gây mất an toàn kết cấu.

• Chậm tiến độ và phát sinh chi phí do phải khảo sát bổ sung hoặc xử lý sự cố trong quá trình thi công cọc.

Kinh nghiệm thực tế của ACAO tại các dự án cầu cảng Nam Đình Vũ cho thấy: thành công của công tác khảo sát phụ thuộc vào sự kết hợp hài hòa giữa thiết bị hiện đại, quy trình kỹ thuật chặt chẽ và kinh nghiệm xử lý tình huống của đội ngũ kỹ sư, thợ khoan. Từ việc chuẩn bị xà lan, neo giữ vị trí, lựa chọn mũi khoan phù hợp với từng địa tầng, đến kỹ thuật lấy mẫu lõi đá và bảo quản mẫu – tất cả đều góp phần tạo nên một hồ sơ khảo sát địa chất chính xác, đáng tin cậy, làm nền tảng vững chắc cho thiết kế và thi công cọc trụ đài.

Với phương châm “Khoan sâu, hiểu đúng, tư vấn chính xác”, ACAO cam kết đồng hành cùng các chủ đầu tư, nhà thầu trong mọi dự án cảng biển, biến thách thức địa chất thành lợi thế kỹ thuật, xây dựng những công trình bền vững trên vùng đất cửa sông Hải Phòng.

ACAO – Chuyên gia khảo sát địa chất cho mọi công trình

Liên hệ ngay với ACAO để được tư vấn miễn phí và nhận báo giá ưu đãi:

📞 Hotline: 0348288333
📧 Email: acaohanoi@gmail.com
🌐 Website: kodentest.vn
📍 Địa chỉ: 82 Phương Trạch – Vĩnh Thanh – Hà Nội

*ACAO – LAS-XD 990: Chất Lượng Khẳng Định Bằng Công Nghệ Và Uy Tín.