Phương pháp khoan ngầm HDD

Phương pháp khoan ngầm HDD phương pháp khoan ngầm kéo ống HDD (Horizontal Directional Drilling), phù hợp sử dụng cho hồ sơ kỹ thuật, thuyết minh biện pháp thi công hoặc tài liệu chuyên ngành

 

 

HDD Drilling Method (Horizontal Directional Drilling) hay còn được dịch ra thành phương pháp khoan ngầm định hướng HDD là phương pháp thi công theo phương ngang, là một trong những phương pháp được sử dụng để chôn các đường ống dẫn khi đường ống bị chôn vùi gặp phải cầu cống, khe suối. Hoặc các con sông, ao hồ lớn, đường cao tốc, ,… cần phải sử dụng phương pháp khoan định hướng ngang của HDD.

Phương pháp khoan định hướng ngang HĐ sử dụng giàn khoan phối hợp với dung dịch khoan ổn định, quá trình khoan định hướng tiến hành khoan trước rồi doa lỗ nhiều lần, sau đó sửa lỗ, sau khi lỗ đủ lớn phù hợp với yêu cầu thiết kế và số lượng đường ống chôn lớn hơn số lượng đường ống chôn lấp thì sử dụng giàn khoan để khoan thông suốt và an toàn.

Qúa trình khoan ngầm kéo ống từ phần cuối của ống dẫn tới hố đẩy, quá trình này được gọi là phương pháp khoan định hướng đặt đường ống ngầm HDD, chỉ với cách này, phương pháp khoan ngầm dẫn hướng HDD mới có thể được sử dụng để chôn đường ống một cách trơn tru và an toàn trong đất, đối với các tiện ích của phân phối cáp hoặc bơm dầu, khí, nước và nước.

1. Hướng dẫn khoan ngầm kéo ống

Các bước cấu tạo khoan định hướng HDD, cấu hình xây dựng khoan ngầm có định hướng

Trước khi thi công khoan ngầm định hướng đặt đường ống ngầm HDD, xác định vị trí đường khoan dẫn hướng, đặt trước hố và đạt được góc khoan của hố.

Phương pháp khoan dẫn hướng HDD có thể được tóm tắt thành các 3 bước xây dựng chính :

• Khoan định hướng lỗ thí điểm
• Doa
• Kéo ngược đường ống

 

 

2. Quy trình thi công khoan định hướng ngang đặt đường ống ngầm HDD

Phần mềm hệ thống hướng dẫn khoan định hướng HDD

(1) Hệ thống Para Tracker II của Prime Horizontal Ltd., Hoa Kỳ

(2) Hệ thống Tensor DDS Tru Tracker của Hoa Kỳ

(3) Hệ thống thanh lọc T.T.

(4) Hệ thống Russell

(5) Hệ thống Winsteer

Hệ thống hướng dẫn kỹ thuật khoan ngang định hướng đặt đường ống ngầm sử dụng phần mềm hệ thống Para Tracker II của Prime Horizontal Ltd. để nhập vào máy tính của phòng điều khiển chính. Màn hình máy tính (Giám sát bề mặt) cần thiết cho máy khoan định hướng sẽ xuất hiện trong phòng điều khiển chính

Máy khoan ngầm định hướng ngang HDD

 

Nguyên tắc hướng dẫn mũi khoan định hướng trong xây dựng khoan ngầm HDD

Khi máy khoan ngầm định hướng đang khoan dưới lòng đất, mũi khoan lắc lư như con rắn hay con sóng, dao động lên xuống, bạn phải điều khiển được nó, biết được vị trí thật của nó, độ sâu ở đâu, đi theo quỹ đạo như thế nào thì tùy thuộc vào nguyên lý của hệ thống định hướng.

Hệ thống hướng dẫn từ tính (Magnetic Guidance System) được sử dụng để theo dõi vị trí chính xác của mũi khoan trong lỗ dưới mặt đất, và thông tin được gửi bởi đầu dò khảo sát tiên tiến và chính xác (thăm dò khảo sát) được sử dụng để tái sử dụng cường độ của từ trường trái đất (Magnetic B.total) còn được gọi là từ trường và trọng lực của trái đất, nó tương ứng với sự phóng điện tương tác của từ trường nhân tạo được tạo ra trong khu vực làm việc, và truyền thông tin từ cảm ứng dưới lòng đất trở lại mặt đất để nhận tín hiệu máy thu kỹ thuật số được đặt trong phòng điều khiển chính.

Thông tin từ trường được đưa vào màn hình máy tính (Giám sát bề mặt) từ công tắc để hiển thị hướng trái đất thực tế, độ lệch góc và độ lệch góc nghiêng của mũi khoan. Máy tính sẽ tính toán vị trí hiện tại của mũi khoan và độ sâu, khoảng cách ngang và độ lệch RL của nó. Độ cong, giá trị sai số DL cho tay khoan định hướng HDD để điều khiển đường dẫn, chỉ huy người vận hành xác định xem ống khoan tiếp theo có cần điều chỉnh góc hay không, để khoan định hướng ngang chính xác các yêu cầu thiết kế gần đúng và hướng dẫn theo kế hoạch khoan định hướng qua bản đồ đường đi để hoàn thành nhiệm vụ.

Hệ thống màn hình nhận thông tin truyền từ đầu dò khảo sát trong ống khoan không nhiễm từ trong lỗ khoan từ bề mặt hoặc vùng lưới. Hệ thống này dẫn đường địa từ từ các điểm đã biết của cuộn dây dưới bề mặt. Đầu dò đo lường cho thấy mối quan hệ giữa vị trí của nó và trường địa từ.

Trước khi xây dựng bằng phương pháp thi công khoan định hướng ngang HDD, đường tâm của hố đẩy và đường tiếp cận của hố khoan được lấy làm đường cơ sở (Đường cơ sở). Đường cơ sở này là mặt chính của từ trường nhân tạo, nó không chỉ được sử dụng để khoan trong lỗ.

Từ trường nhân tạo sử dụng mũi khoan ngang dẫn hướng cảm biến dây nối đất, bất kể là loại phần mềm nào Para Tracker II hoặc Tru Tracker của hệ thống hướng dẫn máy khoan ngang, bất kể nó sử dụng dòng điện một chiều hay dòng điện xoay chiều, khi dòng điện thứ cấp được phóng điện, nó sẽ chảy về phía trước một lần và chảy ngược một lần (thay đổi Cực)

Nguyên tắc ổn định dung dịch khoan

 

 

(1) Khi dung dịch khoan bị thủy phân, nó sẽ tạo thành một diện tích bề mặt giống như tấm một lớp và mở rộng bùn, với trọng lượng riêng từ 1,05 ~ 1,15 và lớn hơn trọng lượng riêng của nước 1,0. Khi nước hoặc lỗ rỗng của đất thâm nhập vào đất, các thành lỗ rỗng tạo thành một lớp màng bảo vệ mỏng - Ngăn nước ngầm thấm vào đất ổn định và bảo vệ thành lỗ giữ ổn định và không bị sập khi lỗ mở rộng trong quá trình khoan ngầm định hướng kéo ống ngầm và khi kéo HDPE lại.

(2) Nguyên lý của tia nước: Trên mũi khoan và mũi doa có hai đến ba bộ vòi phun tia, dùng áp lực thủy lực của dung dịch khoan để cắt và phá hủy cấu trúc đất giống như tia nước tạo thành lỗ.

(3) Dung dịch khoan ( bùn) cũng bôi trơn. Nó kiểm soát các phôi khoan trên thành lỗ để giữ chúng lơ lửng và phát triển cấu trúc xi măng mạnh mẽ một cách nhanh chóng để tăng độ bôi trơn và giảm lực cản khi ống nhựa HDPE được kéo trở lại, và phôi khoan được xả ra khỏi lỗ cùng với dung dịch khoan bên ngoài.

PHƯƠNG PHÁP KHOAN NGẦM KÉO ỐNG HDD (HORIZONTAL DIRECTIONAL DRILLING) – NGUYÊN LÝ, QUY TRÌNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG HẠ TẦNG NGẦM

Trong bối cảnh phát triển hạ tầng kỹ thuật hiện đại, đặc biệt tại các khu vực đô thị, việc thi công các tuyến ống ngầm như cấp nước, thoát nước, ống dẫn dầu khí, cáp điện và viễn thông ngày càng trở nên phức tạp do yêu cầu hạn chế đào mở bề mặt. Phương pháp khoan ngầm kéo ống bằng công nghệ HDD (Horizontal Directional Drilling), hay còn gọi là khoan ngang định hướng, đã trở thành giải pháp tiên tiến, cho phép lắp đặt đường ống ngầm theo phương ngang mà không cần đào rãnh trên toàn tuyến.

Khoan ngầm định hướng HDD là phương pháp thi công sử dụng thiết bị khoan chuyên dụng để tạo ra một lỗ khoan cong dưới lòng đất theo tuyến thiết kế, sau đó kéo đường ống qua lỗ khoan này để hoàn thiện hệ thống. Đây là công nghệ thi công không đào mở (trenchless technology), giúp giảm thiểu tối đa tác động đến môi trường, giao thông và các công trình hiện hữu.

Nguyên lý hoạt động của HDD dựa trên việc điều khiển mũi khoan theo hướng mong muốn thông qua hệ thống định vị và cảm biến. Mũi khoan được gắn vào đầu cần khoan và được điều khiển từ máy khoan đặt trên mặt đất. Khi mũi khoan tiến vào lòng đất, người vận hành có thể thay đổi hướng bằng cách điều chỉnh góc nghiêng và hướng quay của mũi khoan. Hệ thống định vị cho phép theo dõi vị trí, độ sâu và hướng của mũi khoan theo thời gian thực, đảm bảo tuyến khoan đi đúng thiết kế.

Một hệ thống HDD hoàn chỉnh bao gồm nhiều thành phần như máy khoan, cần khoan, mũi khoan, hệ thống định vị, hệ thống bơm dung dịch và các thiết bị phụ trợ. Máy khoan có nhiệm vụ tạo lực đẩy và mô-men xoắn để vận hành hệ thống. Cần khoan truyền lực và dung dịch từ máy đến mũi khoan. Mũi khoan được thiết kế phù hợp với từng loại địa chất, có khả năng cắt đất đá và điều hướng. Hệ thống định vị giúp kiểm soát chính xác tuyến khoan, trong khi dung dịch khoan đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định lỗ khoan và giảm ma sát.

Quy trình thi công HDD kéo ống thường gồm ba giai đoạn chính: khoan dẫn hướng, mở rộng lỗ khoan và kéo ống. Giai đoạn khoan dẫn hướng là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Mũi khoan được đưa vào lòng đất theo góc nghiêng ban đầu, sau đó được điều khiển theo quỹ đạo cong đến điểm thoát. Trong giai đoạn này, việc kiểm soát hướng và độ sâu là yếu tố then chốt, vì bất kỳ sai lệch nào cũng có thể ảnh hưởng đến toàn bộ tuyến ống.

Sau khi hoàn thành khoan dẫn hướng, lỗ khoan được mở rộng bằng các mũi khoan mở rộng (reamer). Quá trình này có thể được thực hiện nhiều lần, mỗi lần tăng đường kính lỗ khoan để đạt kích thước phù hợp với đường ống. Trong quá trình mở rộng, dung dịch khoan được bơm liên tục để ổn định thành lỗ và vận chuyển mùn khoan ra ngoài.

Giai đoạn cuối cùng là kéo ống, trong đó đường ống được lắp vào đầu khoan và kéo ngược qua lỗ khoan. Trước khi kéo, các đoạn ống thường được hàn nối thành một đoạn dài để đảm bảo tính liên tục. Lực kéo phải được kiểm soát chặt chẽ để tránh làm hư hỏng ống hoặc gây kẹt trong lỗ khoan. Sau khi hoàn thành, hệ thống được kiểm tra để đảm bảo độ kín và đúng vị trí.

Dung dịch khoan là một yếu tố không thể thiếu trong công nghệ HDD. Thông thường, dung dịch bentonite hoặc polymer được sử dụng để làm mát mũi khoan, giảm ma sát, ổn định thành lỗ và vận chuyển mùn khoan. Tính chất của dung dịch như độ nhớt, tỷ trọng và khả năng tạo màng phải được điều chỉnh phù hợp với điều kiện địa chất. Ví dụ, trong đất cát cần dung dịch có độ nhớt cao để giữ ổn định, trong khi đất sét cần dung dịch có khả năng chống bám dính.

Điều kiện địa chất là yếu tố ảnh hưởng lớn đến hiệu quả thi công HDD. Trong đất mềm, việc khoan tương đối dễ nhưng cần kiểm soát sụt lún. Trong đất cát, cần chú ý đến nước ngầm và ổn định thành lỗ. Trong đất đá cứng, cần sử dụng thiết bị và mũi khoan chuyên dụng. Do đó, công tác khảo sát địa chất trước khi thi công là rất quan trọng.

Thiết kế tuyến khoan cũng là một bước quan trọng. Tuyến khoan thường có dạng cong, bao gồm đoạn vào, đoạn ngang và đoạn ra. Bán kính cong phải phù hợp với loại ống để tránh gây ứng suất. Độ sâu khoan phải đảm bảo không ảnh hưởng đến các công trình ngầm khác và đủ an toàn cho bề mặt.

Một trong những ứng dụng phổ biến của HDD là khoan ngầm qua đường giao thông, đường sắt, sông suối và các khu vực đô thị đông đúc. Phương pháp này cho phép thi công mà không làm gián đoạn giao thông, giảm chi phí hoàn trả mặt bằng và bảo vệ môi trường.

So với phương pháp đào mở, HDD có nhiều ưu điểm như giảm thiểu đào đắp, giảm thời gian thi công, hạn chế ảnh hưởng đến môi trường và tăng độ chính xác. Tuy nhiên, phương pháp này cũng đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu cao và yêu cầu kỹ thuật phức tạp.

Trong quá trình thi công, các thông số như áp lực khoan, tốc độ quay, lực đẩy và lực kéo cần được theo dõi liên tục. Việc kiểm soát các thông số này giúp đảm bảo hiệu quả và an toàn. Nếu áp lực quá cao có thể gây nứt đất và trào dung dịch, nếu quá thấp có thể làm sập lỗ khoan.

Các rủi ro trong thi công HDD bao gồm kẹt mũi khoan, lệch tuyến, sập lỗ khoan và trào dung dịch. Để giảm thiểu rủi ro, cần có kế hoạch thi công chi tiết, lựa chọn thiết bị phù hợp và đội ngũ vận hành có kinh nghiệm.

Về an toàn lao động, cần đảm bảo người lao động được đào tạo và trang bị đầy đủ bảo hộ. Thiết bị phải được kiểm tra định kỳ và có phương án xử lý sự cố.

Về môi trường, HDD là phương pháp thân thiện hơn so với đào mở, nhưng vẫn cần kiểm soát dung dịch khoan và chất thải.

Trong tương lai, công nghệ HDD sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của tự động hóa và trí tuệ nhân tạo, giúp nâng cao hiệu quả và giảm rủi ro.

Tóm lại, phương pháp khoan ngầm kéo ống HDD là giải pháp hiện đại, hiệu quả và phù hợp với xu thế phát triển hạ tầng. Việc nắm vững kỹ thuật và áp dụng đúng phương pháp sẽ giúp đảm bảo chất lượng công trình, tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường.

Có thể bạn muốn biết:

HDD là gì?

Tổng quan về các phương pháp khoan ngầm

Công nghệ khoan định hướng và khoan đặt đường ống ngầm: bạn có biết tất cả các ứng dụng?