Công nghệ khoan ngang định hướng đặt đường ống ngầm

công nghệ khoan ngang định hướng (HDD) – một giải pháp hiện đại trong việc lắp đặt đường ống ngầm mà không cần đào rãnh, được trình bày theo phong cách kỹ thuật – hành chính, không sử dụng emoji hay định dạng nhấn mạnh, phù hợp với hồ sơ kỹ thuật, tài liệu đầu tư, giảng dạy hoặc báo cáo chuyên đề:

CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG ĐỊNH HƯỚNG (HDD) TRONG LẮP ĐẶT ĐƯỜNG ỐNG NGẦM

Trong bối cảnh đô thị hóa và hiện đại hóa hạ tầng kỹ thuật, nhu cầu xây dựng các hệ thống ngầm như cấp thoát nước, viễn thông, điện lực, khí đốt ngày càng tăng. Tuy nhiên, phương pháp truyền thống đào mở (open-cut) để lắp đặt đường ống không còn phù hợp ở nhiều khu vực do ảnh hưởng lớn đến giao thông, môi trường và cảnh quan đô thị. Để khắc phục hạn chế này, công nghệ khoan ngang định hướng (Horizontal Directional Drilling - HDD) đã và đang được áp dụng ngày càng rộng rãi.

Công nghệ HDD là một phương pháp thi công không rãnh (trenchless), cho phép lắp đặt đường ống, cáp ngầm hoặc ống dẫn xuyên qua các chướng ngại vật như đường cao tốc, đường sắt, sông, hồ, đầm lầy hoặc khu vực đô thị đông dân cư, mà không làm gián đoạn hoạt động bề mặt.

II. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG NGHỆ HDD

Khoan định hướng ngang là một quy trình khoan gồm ba bước chính:

1. Khoan dẫn hướng (Pilot Hole):
   Đầu tiên, mũi khoan được điều khiển đi theo một quỹ đạo được thiết kế trước (thường cong) để tạo lỗ dẫn. Hệ thống dẫn hướng sử dụng đầu dò điện từ hoặc con quay hồi chuyển để xác định chính xác vị trí và độ sâu.
2. Khoan mở rộng (Reaming):
   Sau khi lỗ dẫn được tạo xong, mũi khoan mở rộng được kéo ngược lại, đồng thời xoay để mở rộng đường kính của lỗ lên bằng hoặc lớn hơn đường kính của ống sẽ được lắp đặt. Quá trình này có thể được thực hiện nhiều lần tùy theo kích thước ống.
3. Kéo ống (Pull-back):
   Cuối cùng, ống được gắn vào mũi khoan và kéo ngược trở lại qua lỗ khoan vừa mở rộng. Ống có thể là thép, HDPE hoặc vật liệu composite, tùy thuộc vào mục đích sử dụng.

Hệ thống khoan hoạt động dựa vào chất lỏng khoan (bentonite hoặc polymer) để làm mát đầu khoan, bôi trơn thành lỗ, mang đất đá ra ngoài và ổn định cấu trúc địa chất xung quanh.

III. ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ HDD

3.1. Ứng dụng trong hạ tầng kỹ thuật

• Lắp đặt đường ống cấp thoát nước
• Đường ống dẫn khí thiên nhiên
• Cáp điện trung – hạ thế và cáp quang
• Ống dẫn dầu, hóa chất hoặc nước công nghiệp

3.2. Ứng dụng theo khu vực địa lý

• Khu vực đô thị đông đúc: nơi khó thi công mở rãnh do mật độ giao thông và công trình ngầm cao
• Khu vực gần sông, hồ, đầm lầy: hạn chế tác động tới hệ sinh thái thủy sinh
• Qua đường sắt, quốc lộ, cao tốc: không làm gián đoạn hoạt động giao thông
• Vùng đất yếu, nhạy cảm địa chất: giảm thiểu xói mòn và sụt lún

IV. ƯU ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP HDD

Công nghệ khoan ngang định hướng mang lại nhiều lợi ích so với phương pháp đào rãnh truyền thống:

4.1. Hạn chế tối đa ảnh hưởng đến môi trường

Do không cần đào mở bề mặt nên bảo tồn được cây xanh, mặt đường, công trình hiện hữu. Ngoài ra, lượng đất thải ra môi trường cũng được giảm thiểu đáng kể.

4.2. Thi công nhanh, ít làm gián đoạn

Việc thi công được thực hiện dưới lòng đất, giảm thiểu thời gian cắt giao thông, phù hợp với các tuyến đường có mật độ phương tiện lớn hoặc yêu cầu không ngừng hoạt động.

4.3. Độ chính xác cao

Hệ thống định vị hiện đại giúp kiểm soát chính xác quỹ đạo khoan, đảm bảo độ sâu và vị trí ống theo thiết kế.

4.4. Phù hợp với nhiều điều kiện địa chất

Công nghệ HDD có thể hoạt động trong nhiều loại địa hình từ đất sét, cát, đá mềm đến địa hình có nước ngầm, miễn là được khảo sát kỹ lưỡng và lựa chọn mũi khoan phù hợp.

V. CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG HDD

Một hệ thống khoan định hướng thường bao gồm:

• Máy khoan định hướng: gồm khung máy, hệ thống xi lanh, motor kéo và trạm điều khiển
• Đầu khoan và thanh khoan: đầu khoan dẫn hướng, đầu mở rộng và thanh nối dài
• Thiết bị dẫn hướng (locator): sử dụng sóng vô tuyến, cảm biến từ hoặc con quay hồi chuyển
• Bơm bùn và trạm trộn: để cung cấp bentonite cho quá trình khoan
• Máy phát điện và xe chuyên dụng: đảm bảo nguồn điện và vận chuyển thiết bị

VI. QUY TRÌNH THI CÔNG KHOAN NGANG ĐỊNH HƯỚNG

Bước 1: Khảo sát địa chất và lập phương án thi công

Tiến hành khảo sát địa hình, địa chất công trình và các công trình ngầm hiện hữu bằng các thiết bị đo đạc chuyên dụng. Trên cơ sở dữ liệu thu thập được, thiết kế tuyến khoan tối ưu và xác định vị trí đặt trạm khoan, hố khoan đầu và hố thu.

Bước 2: Chuẩn bị thiết bị và mặt bằng

Tập kết thiết bị khoan, bentonite, đầu khoan và dụng cụ phụ trợ. Mặt bằng cần có diện tích phù hợp để đặt máy khoan, bơm bùn và xe vận chuyển.

Bước 3: Khoan dẫn hướng

Đầu khoan được đưa vào mặt đất từ hố đầu, đi theo tuyến cong định hướng. Người vận hành theo dõi liên tục thông số về độ sâu, hướng và góc nghiêng để điều chỉnh quỹ đạo nếu cần.

Bước 4: Mở rộng lỗ khoan

Sau khi đạt đến điểm thu, đầu mở rộng được lắp vào và kéo ngược lại, đồng thời xoay để mở rộng đường kính đến kích thước yêu cầu (thường lớn hơn đường ống khoảng 30%).

Bước 5: Kéo ống

Ống dẫn (HDPE, thép hoặc vật liệu composite) được nối sẵn thành đoạn dài, gắn vào đầu khoan và kéo dần vào trong lỗ khoan. Bentonite tiếp tục được bơm để giảm ma sát và bảo vệ ống.

Bước 6: Kiểm tra, nghiệm thu và hoàn trả mặt bằng

Sau khi hoàn tất kéo ống, tiến hành kiểm tra áp lực, độ thẳng, chống rò rỉ. Sau đó thu dọn thiết bị, hoàn trả mặt bằng như ban đầu.

VII. NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CẦN LƯU Ý

• Kiểm soát quỹ đạo khoan: cần duy trì liên tục tín hiệu định vị, tránh mất điều khiển khi khoan dưới khu vực có nhiễu điện từ hoặc vật liệu từ tính cao
• Quản lý chất lỏng khoan: bentonite phải được xử lý phù hợp để tránh ô nhiễm môi trường và tắc lỗ khoan
• Độ sâu tối ưu: đảm bảo ống không va chạm với công trình ngầm hiện có và chịu được tải trọng bề mặt
• Lựa chọn đầu khoan phù hợp: tuỳ vào điều kiện địa chất cần chọn đầu khoan có khả năng cắt đá, khoan cát hoặc xuyên đất sét

VIII. HIỆU QUẢ KINH TẾ VÀ TÁC ĐỘNG MÔI TRƯỜNG

Công nghệ HDD tuy có chi phí đầu tư thiết bị ban đầu cao nhưng lại mang lại hiệu quả kinh tế lâu dài nhờ:

• Giảm chi phí khôi phục mặt bằng
• Rút ngắn thời gian thi công
• Giảm chi phí nhân công và bảo hiểm thi công
• Giảm thiểu ô nhiễm không khí, bụi và tiếng ồn

Bên cạnh đó, phương pháp này còn phù hợp với định hướng phát triển hạ tầng xanh, bảo vệ môi trường và ứng phó với biến đổi khí hậu.

IX. KẾT LUẬN

Khoan định hướng ngang là một giải pháp tiên tiến, hiệu quả và thân thiện với môi trường cho các dự án hạ tầng kỹ thuật ngầm. Công nghệ này đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng đô thị hiện đại, đặc biệt tại các khu vực đô thị đông đúc, địa hình phức tạp hoặc cần bảo vệ cảnh quan.

Với sự phát triển của các thiết bị định vị chính xác cao, đầu khoan thông minh và vật liệu ống bền nhẹ, HDD sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong quá trình hiện đại hóa kết cấu hạ tầng, góp phần nâng cao chất lượng sống và phát triển đô thị bền vững.

Công nghệ khoan ngang định hướng đặt đường ống ngầm

Khoan định hướng ngang (phương pháp HDD) là một cách để đặt các liên lạc ngầm khác nhau bằng công nghệ không rãnh. Sử dụng phương pháp này, bề mặt cảnh quan vẫn còn nguyên vẹn, bao gồm các đặc điểm làm đẹp, lòng đường, tòa nhà và các công trình. Hiện nay, một số kỹ thuật khoan định hướng ngang đã được kiểm chứng được phát triển và thường xuyên được sử dụng để giảm chi phí liên lạc đặt và bảo quản các vật thể trên mặt đất.

HDD được sử dụng khi nào?

Có một số kiểu đặt đường ống ngầm. Tất cả đều không đứng yên mà không ngừng phát triển và hoàn thiện. Gần đây, Công nghệ khoan ngang định hướng đặt đường ống ngầm đã được đưa vào hoạt động. Nó là một công nghệ đặt ống tại những nơi không thể đào rãnh. Việc đặt đường ống như vậy có thể được sử dụng trong khu vực lân cận của đường sắt, gần đường cao tốc, hồ, đầm lầy và sông. Nó cũng được áp dụng ở các khu vực đông dân cư của các thành phố lớn.

Khoan ngang định hướng đặt đường ống ngầm liên quan đến việc sử dụng các thiết bị đặc biệt cho phép đáp ứng những thách thức lớn nhất. Ngày nay việc đặt ống không có rãnh được sử dụng trong các trường hợp cần lắp đặt đường dây thông tin và hệ thống cáp ở những nơi nghiêm cấm đào. Trước khi HDD bắt đầu hoạt động, quá trình nghiên cứu chất lượng cao về thành phần của nó được thực hiện, tất cả các quyền cần thiết sẽ được cấp, các giai đoạn công việc chính được lên kế hoạch, v.v.

HDD là một cuộc cách mạng công nghệ trong ngành xây dựng

Công nghệ khoan định hướng ngang (HDD) đã được biết đến từ những năm 1980, nhưng họ đã phải trải qua thái độ hoài nghi và không tin tưởng trước khi được công nhận xứng đáng và đạt được danh tiếng về một phương pháp đặt ngầm đáng tin cậy và tiết kiệm.

Ngành công nghiệp HDD đã và đang phát triển ổn định trong suốt những năm gần đây. Công nghệ này đã thực hiện một cuộc cách mạng thực sự trong lĩnh vực lắp đặt các tiện ích ngầm. Sự tăng trưởng của nhu cầu về dịch vụ đô thị, lắp đặt viễn thông, cáp quang, cáp điện và điện thoại, cấp nước và khí đốt, hệ thống thoát nước đã mở ra triển vọng lớn cho phương pháp khoan định hướng ngang. Ngoài ra, HDD được sử dụng để lắp đặt bảo vệ catốt của đường ống khỏi sự ăn mòn và ổn định đất.

Nhiều loại khoan định hướng ngang HDD

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng, các nhà sản xuất đã phát triển và sản xuất nhiều loại thiết bị HDD khác nhau, trong đó sử dụng những thành tựu mới nhất của công nghệ động cơ, thiết bị điện tử và thủy lực: từ giàn nhỏ với lực kéo từ 2 tấn cho các công trình thành phố đến mạnh những chiếc, phát triển lực kéo hơn 500 tấn và có khả năng đặt một đường ống có đường kính lên tới 1200 mm và chiều dài 2000 m cùng một lúc. Cần lưu ý rằng hơn 90% số lượng giàn khoan đang sản xuất và đang hoạt động là giàn khoan nhỏ và trung bình (có lực kéo lên đến 25 tấn).

Ngày nay, các kỹ sư đang tập trung vào việc sản xuất các giàn khoan để đạt được hiệu quả tối đa với kích thước tối thiểu.

Hầu hết các nhà sản xuất thiết bị HDD hàng đầu thế giới đến từ Mỹ, Châu Âu và Trung Quốc.

Khoan định hướng ngang

Khi sử dụng phương pháp khoan đặt ống ngầm HDD, chi phí của các công trình tương tự có thể giảm 2-3 lần. Nếu không thể bố trí thông tin liên lạc về cảnh quan theo cách truyền thống, phương pháp chọc thủng đất được áp dụng.

Phương pháp khoan định hướng ngang được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau:

• Đặt đường ống, đường dẫn khí đốt, cáp điện và các đường dây thông tin liên lạc khác cho các tòa nhà.
• Hình thành các giếng khai thác dầu và khoáng sản.
• Thay thế các thiết bị và thông tin liên lạc cũ.
• Bố trí đường cao tốc ngầm.
• Bên cạnh nhu cầu về công nghệ, khoan HDD mang lại những lợi thế nhất định:
• Sự phá hủy trên bề mặt được giảm thiểu (chỉ cần đào 2 lòng chảo).
• Cần một đội nhỏ 3-5 người để thực hiện công việc.
• Thiết bị khoan di động, dễ dàng giao hàng và lắp đặt tại công trình.

Phương pháp HDD cho phép trang bị thông tin liên lạc nhanh hơn và rẻ hơn, do đó công nghệ này đã trở nên phổ biến rộng rãi ở khắp mọi nơi.

Mô tả chung về công nghệ khoan ngang định hướng đặt đường ống ngầm

Khoan định hướng ngang dựa trên việc sử dụng thiết bị khoan. Công nghệ khoan thủng nói chung bao gồm các thao tác sau: Tài liệu dự án với các tính toán được chuẩn bị để khoan ngang chính xác trong đất.

Các phương pháp HDD khác nhau ở sự hiện diện của các đường ống vỏ, khả năng khoan rửa, khả năng điều khiển.

Sự khác biệt cơ bản của công nghệ khoan định hướng ngang là không có rãnh giữa điểm khoan bắt đầu và kết thúc.

Nhìn chung, công nghệ HDD bao gồm một số giai đoạn:

Khoan lỗ thí điểm. Ở giai đoạn này, định tuyến chính cho liên lạc được thực hiện bằng cách sử dụng một đầu khoan. Ở các giàn khoan tầm trung hiện đại, quá trình này nằm dưới sự điều khiển trực tiếp của người vận hành, người có thể nhận tín hiệu về vị trí của đầu khoan bằng cách sử dụng thiết bị định vị. Người vận hành có thể điều chỉnh hướng chuyển động của đầu khoan, điều này có thể tạo ra điểm kết thúc tại địa điểm dự án.

Mũi doa được kết nối với giàn khoan thay cho đầu khoan đối với doa giếng. Với sự giúp đỡ của nó, giếng tăng đường kính đến kích thước yêu cầu. Đối với đặt đường dây tiện ích theo phương pháp HDD, đường kính giếng tối ưu lớn hơn đường kính ống 30%.

Mô tả trên là ngắn gọn, hiện tại một số loại HDD đã được phát triển. Việc áp dụng một loại khoan ngang nhất định được thực hiện tùy thuộc vào loại đất, đặt đường dây liên lạc và các yếu tố khác.

Các dụng cụ khoan khác nhau được sử dụng trong công nghệ khoan:

Máy khoan.

Nó là một thiết bị công nghiệp chạy bằng nhiên liệu diesel. Hoạt động và di chuyển được thực hiện bởi người vận hành. Việc khoan dựa trên các thành phần chức năng của máy móc như toa xe, trạm thủy lực, bảng điều khiển.

Công cụ phụ kiện. Nhiều công cụ khác nhau được sử dụng để đục và đục đất như ống mềm, doa, máy bơm, các bộ phận vít có ren, v.v. Dựa trên loại và giai đoạn của công việc được thực hiện, nhóm nghiên cứu đặt một công cụ khác nhau trên giàn khoan.

Hệ thống định vị. Điều quan trọng là phải quan sát quỹ đạo của vỏ máy phát (đầu khoan) đi qua, độ chính xác của đầu ra (đầu ra) ở lưu vực thứ hai trong quá trình HDD hoạt động. Để làm điều đó, một đầu dò được gắn vào vỏ máy phát, và các công nhân theo dõi chuyển động của công cụ với sự trợ giúp của bộ định vị.

Mỗi bộ phận của thiết bị công nghiệp HDD đều đảm nhận một vai trò quan trọng, cần có sự xử lý chuyên nghiệp và bảo dưỡng định kỳ.

Các giai đoạn hoạt động của khoan định hướng HDD

Quá trình khoan đòi hỏi thái độ chú ý, kiểm soát và tuân thủ các đặc tính công nghệ ở mọi bước.

Công tác chuẩn bị

• Trước khi hạ ngầm thông tin liên lạc, phải chuẩn bị cảnh quan và trang thiết bị:
• Phát triển mặt bằng cho máy khoan cỡ phổ 10х15m.
• Nếu cần, cung cấp đường vòng cho máy.
• Đặt thiết bị khoan ở vị trí thích hợp của lần phóng thử nghiệm.
• Sửa chữa tất cả các hệ thống cần thiết trước khi hoạt động.
• Điều chỉnh tất cả các dụng cụ khoan cần thiết.
• Điều chỉnh liên lạc vô tuyến giữa các thành viên trong nhóm.
• Nếu cần thiết, hãy xây dựng một dây dẫn bổ sung cho chất lỏng bentonit và nước ngầm.

Ở giai đoạn chuẩn bị, để có thể gây hại cho các đường ống hiện có, điều quan trọng là phải tính toán vị trí của chúng. Cũng cần có khoảng cách 10 m giữa máy chính và hệ thống trộn bùn.

Điều rất quan trọng là phải thăm dò đất của dự án và chọn mũi khoan và mũi khoan thích hợp trước khi khoan thí điểm. Toàn bộ vật thể khoan phải được bảo vệ bằng băng cảnh báo màu vàng.

Quá trình khoan định hướng ngang

Sau khi hoàn thành công việc chuẩn bị, công đoạn tiếp theo là quá trình khoan:

Doa hoa tiêu Yêu cầu:

• Đường kính doa hoa tiêu là 10 cm.
• Điều chỉnh mũi khoan 10 - 20 ° so với đường chân trời;
• Đường mòn thí điểm đang kiểm tra độ dài 3 mét một lần.

Yêu cầu quy trình truyền ngược dòng:

• Mở rộng lỗ thí điểm: mũi khoan được tháo ra và thay thế bằng một mũi doa thích hợp;
• Phần mở rộng hoàn toàn của mũi doa qua kênh đã hình thành với sự điều chỉnh chuyển động liên tục.
• Cần sử dụng bùn khoan trong toàn bộ quá trình khoan. Bùn khoan phải có đủ cường độ gel để giữ cho hom lơ lửng trong quá trình vận chuyển, tạo thành bánh lọc trên thành lỗ khoan có chứa nước bên trong dung dịch khoan và cung cấp chất bôi trơn giữa đường ống và lỗ khoan khi kéo lùi.

Điều quan trọng là phải xem xét khả năng hang động trên đất. Để loại trừ vi phạm công nghệ, cần phải kết nối tin cậy tất cả các bộ phận của đường ống với nhau.

Đặt đường ống.

• Đường kính đặt ống
• Để đặt đường ống không có vật cản, đường kính ống phải nhỏ hơn kích thước giếng một chút.
• Đường kính của các giếng được sản xuất phụ thuộc nhiều vào loại giàn khoan. Đường kính giếng mở rộng dẫn đến rút ngắn đường ống.
• Độ dài tối thiểu và tối đa của quá trình chuyển đổi là bao nhiêu?
• Khả năng khoan định hướng ngang đủ lớn. Chiều dài mũi khoan có thể từ trăm mét đến vài km, tùy thuộc vào đặc tính kỹ thuật của giàn khoan. Khoảng cách lớn nhất được xác định bằng tổng chiều dài của các cần khoan, được sử dụng trong các phương tiện khoan.

Ưu nhược điểm của công nghệ khoan ngang định hướng HDD

Khoan định hướng ngang được phát minh vào năm 1960. Kể từ đó, HDD đã được sử dụng tích cực trên toàn thế giới. Giống như bất kỳ công nghệ nào khác, ổ cứng HDD có những ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm

• Ít lãng phí tài nguyên, tài chính, nhân công và thời gian
• Chi phí cho việc thiết lập thông tin liên lạc giảm do không cần khôi phục môi trường;
• Bạn có thể làm việc ở bất kỳ khu vực nào, kể cả địa điểm lịch sử, trạm cao thế, điều kiện khí hậu không thuận lợi;
• Cấu trúc đất được bảo tồn; các lớp đất màu mỡ không bị xáo trộn;
• Nhịp sống đô thị thường ngày cũng không bị xáo trộn, không cần thiết phải dừng xe trên đường.

Nhược điểm

Nếu cần thiết phải đặt đường ống có chiều dài cao hoặc ở độ sâu lớn thì phương pháp không rãnh sẽ đắt hơn.

Xem thêm về thi công cọc khoan nhồi dưới nước, khoan qua đường bằng robot