Dự án truyền tải Badger Coulee dài 289,7km đã vượt qua nhiều thách thức có một không hai (Ảnh st)
Dự án xây dựng đường dây truyền tải 345kV dài 289,7km từ Holmen đến Middleton (bang Wisconsin) là một hành trình nghiên cứu để vượt qua những thách thức vừa độc đáo vừa phức tạp trải dài trên toàn tuyến. Từ lúc khởi động cho đến khi hoàn tất, dự án kéo dài tám năm rưỡi. Một trong những trở ngại lớn nhất là việc thi công đường dây truyền tải dọc theo khoảng 160,9km tuyến cao tốc liên bang chính. Ngoài ra, nhóm thực hiện còn có thách thức phải vượt qua con sông rộng 670,9m, đây là một thách thức không nhỏ về mặt kỹ thuật và tổ chức thi công. Địa hình thay đổi liên tục cũng khiến việc triển khai thêm phần phức tạp: từ vùng đất trũng ở miền Nam-Trung bang Wisconsin đến các vùng thung lũng hiểm trở ở miền Tây bang Wisconsin.
Ngoài ra, dự án còn đòi hỏi phải sử dụng đa dạng các loại móng cột để phù hợp với điều kiện địa hình và kỹ thuật. Trong quá trình thiết kế, đội ngũ kỹ sư đã phải lựa chọn các phương pháp thi công bằng trực thăng có lực nâng lớn để phù hợp với từng đoạn trong hành lang truyền tải. Ngay cả trên tuyến cao tốc liên bang, đơn vị thi công cũng gặp phải nhiều khó khăn đặc thù và buộc phải đưa ra những phương án thi công đặc biệt. Bên cạnh đó, nhiều sự cố bất ngờ cũng phát sinh từ các khu vực không ngờ tới như tình trạng nhiễu tín hiệu đường sắt hay các công trình lắp đặt cáp quang gặp phải điện áp cảm ứng liên quan đến đường truyền tải song song với đường dây.
Cấp phép và Điều phối
Việc thiết kế và xây dựng đường dây truyền tải Badger Coulee bao gồm 8 phân đoạn. Mỗi phân đoạn đều có những thách thức riêng, nhưng các phân đoạn từ 2 đến 6 lại đi dọc theo phần lớn hệ thống đường cao tốc liên bang. Điều này đòi hỏi đơn vị thực hiện phải xin một lượng lớn giấy phép từ sở Giao thông vận tải Mỹ (WisDOT), bao gồm các giấy phép sử dụng hành lang truyền tải, giấy phép bố trí các công trình đường dây truyền tải, giấy phép ngăn đường và lề đường tạm thời, và tiến hành công việc xây dựng. Nhóm kỹ thuật đã chủ động phối hợp sớm với WisDOT để lắng nghe và tích hợp các ý kiến, các mối quan ngại và các dự án đường bộ dự kiến trong tương lai của WisDOT vào thiết kế đường dây truyền tải.
Khi làm việc với các Sở Giao thông vận tải (DOT), các nhóm kỹ thuật cần chuẩn bị một quá trình đánh giá kỹ lưỡng và toàn diện. Các DOT yêu cầu đơn vị thực hiện phải tuân thủ đầy đủ các tiêu chí kỹ thuật và quy định về bố trí các công trình cố định. Trong quá trình phê duyệt giấy phép hành lang tuyền tải, có nhiều yếu tố giữ vai trò then chốt như khoảng hở, kế hoạch mở rộng trong tương lai, công tác bảo trì đường bộ, giải phóng mặt bằng cầu, tốc độ lưu thông và vị trí lắp đặt. Tuy nhiên, các yêu cầu đó mới chỉ là một phần trong tổng thể những gì mà DOT đặt ra.
Bản đồ phân đoạn xây dựng (Ảnh st)
Một thách thức lớn khác là kéo dây dẫn song song và vắt qua tuyến đường cao tốc liên bang. Việc sử dụng trực thăng để thi công tiềm ẩn nguy cơ làm rơi dây cáp hoặc phải hạ cánh khẩn cấp vào làn đường đang có xe lưu thông. Để giúp loại bỏ nguy cơ này, thiết kế của các kết cấu cần thực hiện sao cho các dây dẫn bố trí ở phía không giáp đường càng nhiều càng tốt, từ đó giảm nhu cầu bay trực thăng qua hành lang truyền tải của WisDOT. Trong một số trường hợp, đơn vị thi công cần phải đóng làn dừng khẩn cấp khi có yêu cầu. Tuy nhiên, điều quan trọng vẫn phải là giảm thiểu việc đóng làn đường do lưu lượng giao thông cao và mục đích sử dụng công cộng của tuyến đường.
Việc căng dây dẫn băng qua đường cao tốc liên bang là một hoạt động cần có sự phối hợp chặt chẽ, vì bắt buộc phải đóng các làn xe trong suốt quá trình thi công. Các làn đường này không thể mở lại khi đang căng dây nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người dân. Thiết kế của các kết cấu và kế hoạch kéo dây cần phải tính toán kỹ lưỡng để phù hợp với khung thời gian làm việc của các đội thi công. Tuy nhiên, yếu tố thời gian không phải là thách thức duy nhất, nhất là khi địa hình phức tạp cũng ảnh hưởng đáng kể đến quá trình triển khai.
Sự thay đổi của địa hình
Địa hình là yếu tố then chốt chi phối các quyết định về thiết kế và xây dựng ở từng phân đoạn của dự án. Khu vực phía nam có địa hình thuận lợi hơn, trong khi địa hình phía bắc biến đổi phức tạp hơn nhiều. Sự khác biệt này buộc nhóm thực hiện phải đưa ra các thiết kế kết cấu và giải pháp nền móng khác nhau, đồng thời sử dụng các thiết bị thi công khác nhau để lắp đặt từng hạng mục theo điều kiện thực tế.
Các chiến lược thiết kế và xây dựng ở phần phía nam của dự án sử dụng nhiều phương pháp truyền thống hơn cho nền móng, kết cấu và lắp đặt dây. Phần này sử dụng nền móng bê tông chôn trực tiếp và móng bê tông cốt thép vì có thể dễ dàng tiếp cận các vị trí kết cấu bằng bất kỳ giàn khoan và xe chở bê tông nào. Các kết cấu có thể lắp ráp thông qua các phương pháp cần cẩu truyền thống và có thể căng dây bằng các phương pháp truyền thống.
Ở các phân đoạn phía bắc (phân đoạn năm, bảy và tám) của dự án, nhiều vị trí nền móng và kết cấu không thể tiếp cận bằng cùng một thiết bị đã sử dụng ở các phân đoạn phía nam. Địa hình ở các phân đoạn này thúc đẩy các quyết định về xây dựng và thiết kế như thiết lập các kết cấu bằng trực thăng có lực nâng lớn và sử dụng móng cột siêu nhỏ.
Cấu hình kết cấu
Dự án cần áp dụng nhiều cấu hình kết cấu khác nhau để đáp ứng yêu cầu về hiệu quả kinh tế, các yêu cầu cấp phép và các ràng buộc kỹ thuật cụ thể. Nhóm thực hiện đã chủ động phối hợp để sử dụng thống nhất các cụm phần cứng trên toàn tuyến. Việc sử dụng đồng bộ các cụm phần cứng chữ V, góc và đầu néo trên các cấu hình kết cấu khác nhau giúp giảm nguy cơ lắp đặt sai phần cứng và đơn giản hóa công tác quản lý vật tư trên công trường.
Dùng trực thăng để cắt OPGW (Ảnh st)
Hành lang dài 289,7km chứa nhiều cấu hình mạch lắp song song. Có khoảng 186,7km đường dây mạch đơn, 101,4km đường dây mạch kép và 1,6km đường dây mạch ba. Ngoài ra, có tổng cộng bảy mạch khác nhau mắc vào đường dây chính trên khắp các địa điểm khác nhau của dự án với điện áp dao động từ 69kV đến 345kV. Luật của bang Wisconsin yêu cầu ưu tiên sử dụng các hành lang điện lực có sẵn dùng cho các đường dây truyền tải mới.
Dự án phải sử dụng đoạn đường dây ba mạch tại phân đoạn số 8 vì cùng khu vực này còn có dự án CAPX2020 vốn đang xây dựng một đường dây 345/161kV mạch kép. Do không gian hành lang truyền tải bị hạn chế, các bên đã thống nhất bố trí cả hai tuyến đường dây chạy chung trên một đoạn dài 1,6km.
Ngoài ra, tuyến đường dây của hai dự án còn giao nhau ở hai vị trí. Để tránh việc phải cho đường dây 345kV cắt nhau nhiều lần, các bên đã xây dựng một phương án xử lý phù hợp. Theo đó dự án Badger Coulee sẽ xây dựng đường dây trên phần hành lang đã phê duyệt, sau đó hai dự án sẽ thực hiện việc hoán đổi tài sản tại khu vực giữa hai điểm giao cắt. Cách làm này đã giúp loại bỏ việc phải xây dựng nhiều điểm giao cắt đường dây 345kV, dù trên thực tế hành lang vẫn giao nhau.
Ngoài các cấu hình đa mạch, còn có các cấu hình một cực (đấu tam giác và dọc), khung chữ H và ba cực. Các kết cấu khung chữ H đã giúp giảm nguy cơ chim va chạm với cột điện bằng cách giảm số vùng đường dây từ ba xuống còn hai và các kết cấu thấp hơn đáng kể so với mặt đất.
Đoạn vượt sông khẩu độ dài
Tại phân đoạn hai của dự án, đường dây phải vượt qua Sông Wisconsin với khẩu độ dài 670,6m. Một trong những thách thức chính trong thiết kế là làm sao đảm bảo khoảng cách an toàn cần thiết, đồng thời có thể kiểm soát độ võng và độ dịch chuyển của dây dẫn khi chịu tác động của gió theo tiêu chuẩn thiết kế.
Tuyến đường thủy chính này có thể lưu thông nên thiết kế phải tuân thủ các tiêu chuẩn của NESC (Quy phạm An toàn Điện Mỹ) và Phần 33 của CFR (Quy phạm Liên bang). Tại vị trí băng qua sông, dây dẫn có độ võng 39,6m ở nhiệt độ vận hành tối đa là 100°C. Trong điều kiện gió lớn nhất theo thiết kế, dây dẫn có thể bị thổi lệch tới 40,5m.
Đoạn 2 vượt sông và kết cấu khung chữ H (Ảnh st)
Dự án lựa chọn kết cấu khung chữ H tiếp tuyến cho các kết cấu giao cắt có chiều cao lớn. Để tránh phải sử dụng các kết cấu đầu néo có chi phí cao hơn đáng kể tại vị trí giao cắt này, nhóm thiết kế đã bố trí các kết cấu đầu néo ba cực ở mỗi bên của các kết cấu giao cắt khung chữ H.
Giữa hai điểm néo chỉ có một phân đoạn ba nhịp, nhờ vậy việc lắp đặt và điều chỉnh độ võng dây trở lên dễ dàng hơn, đảm bảo nằm trong phạm vi dung sai cho phép. Thiết kế cuối cùng của các kết cấu khung chữ H tại vị trí giao cắt đạt chiều cao 44,2m mỗi trụ.
Thiết kế và lắp đặt móng
Điều kiện địa chất bên dưới bề mặt thay đổi rất nhiều từ đất mềm và bão hòa đến điều kiện đá. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng móng chôn trực tiếp, móng bê tông cốt thép (loại móng cột chủ yếu) và móng cột siêu nhỏ.
Với các kết cấu tiếp tuyến mạch đơn hoặc góc nhỏ, nếu điều kiện đất cho phép, dự án ưu tiên sử dụng móng cột chôn trực tiếp. Tuy nhiên, việc thi công móng chôn trực tiếp trở nên khó khăn đối với nhà thầu khi phải đào đến độ sâu vượt quá 8,2m.
Kết cấu ba mạch chạy góc trong Phân đoạn 8 (Ảnh st)
Đối với các móng cột bê tông cốt thép, các kỹ sư đã đưa ra một số quyết định thiết kế cùng với các kỹ thuật khoan khác nhau, đóng vai trò lớn trong thành công của dự án. Quyết định chỉ sử dụng hai kích cỡ cốt thép, một kích cỡ duy nhất cho cốt thép dọc (#11) và cốt thép giằng cắt (#5) đã đơn giản hóa việc thiết kế chi tiết lồng cốt thép. Nó cũng hạn chế số lượng kích cỡ cốt thép phải có tại chỗ để xây dựng lồng.
Tại các vị trí cần vỏ thép cố định (do đất bị bong tróc và điều kiện ẩm ướt), nhà thầu móng cột đã liên hệ với nhóm thiết kế. Họ đã xác định các tham số lắp đặt vỏ thép cố định và đã tính đến các vỏ thép trong thiết kế móng cột. Những nơi có vấn đề về tiếp cận thi công đã sử dụng các móng cột siêu nhỏ. Tất cả các thiết bị lắp đặt và vật liệu dùng cho các cột siêu nhỏ có thể vận chuyển trực tiếp đến vị trí kết cấu bằng trực thăng. Móng cột siêu nhỏ dao động từ một nhóm gồm 06 đến 16 cột siêu nhỏ cho mỗi kết cấu tùy thuộc vào tải trọng mà chúng phải chịu và thường được thu nhỏ một góc 2,5°. Người ta thu nhỏ các cột siêu nhỏ ở phía trên cùng bằng một tấm mũ thép, sau đó truyền tải tải trọng lên tấm đế kết cấu thông qua các bu lông neo đường kính 5,7cm.
Xây dựng bằng trực thăng
Các kỹ sư sử dụng xây dựng bằng trực thăng theo nhiều cách khác nhau trong suốt dự án để bố trí các nhóm thi công, kéo dây cáp, treo các vật cách điện, lắp đặt các thanh cách và lắp đặt các thiết bị chuyển hướng chim bay. Ngoài ra, việc thiết lập kết cấu cũng đã sử dụng trực thăng (loại có sức nâng lớn) để thực hiện và hỗ trợ ở những nơi cần cẩu thông thường không thể tiếp cận. Chúng cũng vận chuyển thiết bị và nhân lực đến các địa điểm xa xôi khó tiếp cận và để lắp đặt các móng cột siêu nhỏ (loại có lực nâng trung bình).
Thiết kế kết cấu phải tính đến các giới hạn sức nâng của trực thăng. Thiết kế kết cấu sử dụng trọng lượng tối đa là 9071,8kg, nghĩa là bất kỳ phần nào của kết cấu đều phải có trọng lượng nhỏ hơn giới hạn này.
Các đội đang lắp đặt phần trên cùng của kết cấu mạch kép (Ảnh st)
Cách lắp ráp các kết cấu tại hiện trường là chìa khóa cho cách thiết kế các kết cấu. Việc thiết kế chi tiết các kết cấu bao gồm các hướng dẫn "kim cương" trên từng phần định hướng và cho phép thiết kế các phần của cột dễ dàng hơn, giảm thời gian và thiết bị, đồng thời tăng độ an toàn.
Các kỹ sư cũng kết hợp chi tiết về kết cấu để phù hợp với đội ngũ thợ đường dây thực tế sẽ phụ trách công việc lắp đặt, vì đội ngũ thợ đường dây được đưa đến công trình bằng máy bay cùng với tất cả các dụng cụ và thiết bị cần thiết để hoàn thành công việc lắp đặt.
Thợ đường dây cần phải lên đến đỉnh của mỗi đoạn cột để bắt bu lông đoạn tiếp theo vào đoạn bên dưới. Để thực hiện điều này, nhóm thiết kế đã phát triển các bậc thang loại tháo rời có thể luồn vào các kẹp đã hàn vào mỗi đoạn cột mà các thợ đường dây có thể đứng trên đó trong khi bắt bu lông các đoạn cột lại với nhau.
Thiết kế của các bậc thang này rất tinh tế vì chúng cần đủ lớn để thợ đường dây có thể đứng bên trên một cách an toàn, nhưng lại phải đủ nhỏ để không quá nặng để mang theo cùng với các dụng cụ cần thiết khác. Nhóm thiết kế cũng đã lắp thêm các kẹp bậc đã hàn vào thân cột ngay phía trên các vị trí kẹp bậc để thợ đường dây có thể buộc thiết bị bảo vệ chống ngã từ trên cao.
Yêu cầu của WisDOT về cáp quang truyền thông và nhiễu tín hiệu đường sắt
Trên đoạn dài khoảng 160,9km, tuyến cáp quang chôn ngầm WisDOT chạy song song và đi bên dưới đường dây truyền tải 345kV. Sau đó, Công ty ATC (Mỹ) biết rằng cáp quang này có lớp vỏ bọc kim loại mà trong một số điều kiện nhất định, có thể gây ra điện áp cảm ứng trên lớp vỏ bọc kim loại.
Việc phân tích nhiễu AC cho thấy khi đường dây truyền tải hoạt động ở mức tải ổn định tối đa, mức tăng điện thế đất tính toán trên cáp có thể vượt quá 1.400VAC, cao hơn giới hạn 50V của OSHA đối với các điều kiện vận hành ở trạng thái ổn định. Để giảm thiểu nguy cơ này, dự án đã áp dụng một số giải pháp kỹ thuật như: Liên kết lớp bọc kim loại cáp quang, thêm lớp tiếp địa bổ sung và tiếp địa lớp bọc kim loại cáp quang với các thanh tiếp địa tại các trạm tái tạo và các tòa nhà đầu cuối.
Đường dây truyền tải này cũng song song với Đường sắt Thái Bình Dương Canađa (CP) một đoạn khoảng 64,4km với khoảng cách hướng kính là 304,8m hoặc xa hơn. CP đã báo cáo với ATC rằng họ đang gặp phải các vấn đề về tín hiệu không liên tục. Nhóm này đã gặp đại diện của CP để tìm hiểu về hệ thống tín hiệu này.
Nhóm đã thu thập các phép đo điện áp tại các thử nghiệm “Đường ray so với đất”, “Đường ray so với đường ray”, “Qua mối nối cách điện” (IJ), và điện trở suất của đất. Nhóm đã hoàn thành một nghiên cứu nhiễu AC trạng thái điện ổn định và đã đánh giá hiệu ứng cảm ứng so với các tham số sau:
Biện pháp giảm thiểu bao gồm lắp đặt “bộ lọc Dairyland” tại các vị trí cụ thể của IJ.
Các dự án đường dây truyền tải đường dài đặt ra nhiều thách thức đối với các nhóm thiết kế và xây dựng. Các yêu cầu khắt khe về quy định pháp lý và bảo vệ môi trường có thể buộc phải lựa chọn tuyến đường dây không tối ưu cho công tác thiết kế hoặc xây dựng. Các dự án như vậy đòi hỏi sự chuẩn bị kỹ lưỡng và phối hợp chặt chẽ giữa nhiều bên liên quan. Thành công của dự án phụ thuộc rất lớn vào sự nỗ lực không ngừng nghỉ của những cá nhân tận tâm, những người sẵn sàng làm việc với tinh thần trách nhiệm cao để vượt qua các khó khăn mang tính đặc thù mà dự án đặt ra.
Biên dịch: Hồ Văn Minh
Theo “T&D world”, tháng 2/2025