Dịch vụ khoan ngầm qua đường kéo ống HDPE và ống thép

Dịch vụ khoan ngầm qua đường kéo ống HDPE và ống thép

CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG ĐỊNH HƯỚNG TRONG THI CÔNG ĐƯỜNG ỐNG NGẦM D60–D450 MM

Công nghệ khoan ngang định hướng (Horizontal Directional Drilling – HDD) là phương pháp thi công không đào mở, có khả năng lắp đặt đường ống, cáp kỹ thuật và các tuyến hạ tầng ngầm qua các chướng ngại vật tự nhiên hoặc nhân tạo như đường giao thông, đường sắt, kênh mương, sông nhỏ và khu vực dân cư đông đúc. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi do tính ưu việt về hạn chế xâm lấn bề mặt, giảm tác động môi trường, đảm bảo giao thông thông suốt và đặc biệt phù hợp với các dự án hạ tầng hiện đại yêu cầu độ chính xác cao. Đối với đường ống có đường kính từ D60 đến D450 mm, công nghệ khoan định hướng là giải pháp tối ưu, vừa đảm bảo hiệu quả kỹ thuật vừa đáp ứng tiêu chuẩn an toàn theo quy định chuyên ngành.

Phương pháp HDD bao gồm ba giai đoạn chính: khoan mồi định hướng, khoan mở rộng và kéo ống. Mỗi giai đoạn đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ về các thông số khoan, dung dịch khoan, định vị hướng và lực kéo, nhằm đảm bảo tuyến khoan đạt đúng cao độ và hướng tuyến theo thiết kế. Đặc biệt, khi thi công qua đường hoặc công trình giao thông quan trọng, yêu cầu về độ chính xác và an toàn càng được đặt lên hàng đầu. Việc lựa chọn thiết bị, đầu khoan, búa khoan, dung dịch bentonite và áp lực bơm phải được tính toán phù hợp với đường kính ống và chiều dài tuyến.

1. Công tác chuẩn bị thiết kế và khảo sát địa chất

Trước khi tiến hành thi công khoan ngầm, công tác khảo sát địa chất dọc tuyến là yêu cầu bắt buộc. Việc đánh giá cấu trúc địa tầng gồm lớp đất bề mặt, đất pha cát, sét, bùn, đá phong hóa hoặc đá cứng giúp xác định chính xác phương án lựa chọn đầu khoan, mô men xoắn, momen cắt, lực đẩy và tốc độ khoan phù hợp. Với các tuyến khoan ống D60–D450 mm, lớp đất khoan thường gặp gồm đất yếu, đất cát pha, đất sét hoặc lớp bùn hữu cơ. Trường hợp gặp địa chất phức tạp như đá tảng hoặc sỏi cuội có kích thước lớn, cần sử dụng đầu khoan có chèn hợp kim hoặc đầu khoan phản lực.

Ngoài khảo sát địa chất, việc xác định các công trình ngầm hiện hữu như cáp điện, cáp viễn thông, đường ống cấp thoát nước, ống gas và các hệ thống kỹ thuật khác là yếu tố quan trọng. Việc xác nhận vị trí công trình ngầm giúp tránh rủi ro va chạm trong quá trình khoan và đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống hạ tầng. Tài liệu thiết kế cần thể hiện đầy đủ cao độ đáy ống, chiều dài từng đoạn, bán kính cong cho phép và các thông số kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN, ASTM hoặc các quy chuẩn quốc tế được áp dụng.

2. Thiết bị và công nghệ sử dụng trong khoan HDD

Hệ thống khoan HDD tiêu chuẩn bao gồm giàn khoan định hướng, bộ định vị, hệ thống bơm dung dịch, bồn trộn bentonite và hệ thống thu hồi dung dịch. Công suất máy khoan được lựa chọn tùy theo đường kính ống và chiều dài tuyến. Đối với ống D60–D450 mm, các máy khoan có lực kéo từ 8 tấn đến 45 tấn là phù hợp. Giàn khoan cần đảm bảo khả năng tạo mô men xoắn ổn định và lực đẩy cần thiết để xuyên qua các lớp đất có độ cứng khác nhau.

Thiết bị định vị (locator) dựa trên công nghệ từ trường hoặc sóng vô tuyến, cho phép xác định vị trí và hướng khoan trong thời gian thực. Đầu khoan được thiết kế với góc nghiêng giúp điều chỉnh hướng theo tín hiệu điều khiển. Đối với ống D60–D200 mm, đầu khoan thường sử dụng dạng chisel hoặc blade, trong khi đường kính lớn hơn đến D450 mm cần đầu khoan có gắn răng cắt hợp kim cacbua để tăng khả năng phá đất.

Dung dịch khoan là thành phần quan trọng trong công nghệ HDD. Bentonit hoặc polymer được sử dụng để bôi trơn, giảm ma sát, ổn định thành khoan và vận chuyển đất đá ra khỏi lỗ khoan. Việc duy trì độ nhớt dung dịch theo tiêu chuẩn (thường từ 30–45 giây Marsh) là yếu tố then chốt để tránh hiện tượng mất dung dịch (frac-out) hoặc sập thành khoan.

3. Quy trình khoan mồi định hướng

Giai đoạn khoan mồi là bước thiết lập tuyến khoan ban đầu. Đầu khoan được điều khiển bằng cách xoay hoặc không xoay để thay đổi hướng đi. Khi đầu khoan xoay liên tục, hướng tiến là đường thẳng; khi ngừng xoay và đẩy theo hướng nghiêng của mặt khoan, mũi khoan sẽ chuyển hướng theo vị trí mong muốn. Bộ định vị ghi nhận tín hiệu vị trí, độ sâu, góc nghiêng và phương vị để người vận hành điều chỉnh trong suốt quá trình khoan.

Hồ sơ thiết kế thường quy định bán kính cong tối thiểu để đảm bảo không gây gãy ống trong quá trình kéo. Với các loại ống HDPE, bán kính cong tối thiểu khoảng 25–35 lần đường kính ống. Vì vậy, khi thi công tuyến ống D450 mm, tuyến khoan cần có độ cong tối thiểu khoảng 11–15 m. Đối với ống nhỏ D60 mm, bán kính cong có thể nhỏ hơn nhiều, nhưng vẫn phải đảm bảo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật.

Độ sâu khoan mồi phụ thuộc vào yêu cầu vượt chướng ngại vật. Khi khoan qua đường giao thông hoặc đường bê tông, độ sâu tối thiểu từ 1,5–2,5 m tính từ đáy kết cấu mặt đường để bảo đảm an toàn và tránh ảnh hưởng đến kết cấu mặt đường. Trường hợp khoan qua kênh mương hoặc dòng chảy nhỏ, chiều sâu được tính toán để tránh xói lở hoặc ảnh hưởng đến ổn định công trình thủy lợi.

4. Khoan mở rộng và kiểm soát đường kính

Sau khi hoàn thành tuyến khoan mồi, quá trình khoan mở rộng được tiến hành. Đối với đường ống từ D60 đến D450 mm, các đầu khoan mở rộng (reamer) có dạng cánh xoay, dạng barrel hoặc dạng fly cutter được sử dụng tùy theo cấu trúc địa chất. Đường kính mở rộng cần đảm bảo lớn hơn đường kính ống từ 25–40% để giảm ma sát và tạo không gian ổn định cho ống đi qua. Ví dụ: tuyến đặt ống D450 mm cần mở rộng tối thiểu đến 600–650 mm.

Trong quá trình khoan mở rộng, dung dịch bentonite được bơm liên tục để giữ ổn định thành khoan và vận chuyển đất cắt ra ngoài. Áp suất bơm phải được kiểm soát, tránh vượt quá độ bền của đất nền, hạn chế sự cố mất dung dịch gây xâm thực nền đường hoặc sụt lún bề mặt. Tốc độ khoan và tốc độ quay đầu mở rộng cũng cần được điều chỉnh phù hợp với độ chặt và độ ẩm của đất. Đối với đất sét hoặc đất yếu dễ nở, cần tăng tỷ lệ polymer trong dung dịch để cải thiện khả năng ổn định.

5. Kéo ống và kiểm soát lực kéo

Kéo ống là giai đoạn quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình thi công HDD. Ống được nối thành đoạn liên tục bằng hàn nhiệt (với ống HDPE) hoặc bằng mối nối cơ khí đối với ống thép. Lực kéo được truyền từ giàn khoan qua đầu kéo (pulling head). Bộ swivel được lắp trung gian để tránh truyền mô men xoắn từ giàn khoan vào đường ống.

Trước khi kéo, tuyến khoan phải được làm sạch bằng một đợt quét dung dịch bentonite cuối cùng để tạo lớp màng bôi trơn giúp giảm ma sát. Lực kéo tối đa cho phép được tính theo tiêu chuẩn vật liệu ống. Với ống HDPE, lực kéo cho phép thường dao động từ 0,8–1,5 tấn cho ống nhỏ D60 mm và đến 8–10 tấn đối với ống D450 mm. Việc vượt quá lực kéo cho phép có thể gây biến dạng hoặc xé rách đường ống. Vì vậy, lực kéo thực tế luôn được duy trì thấp hơn ngưỡng giới hạn an toàn tối thiểu 20–30%.

Một yếu tố quan trọng khác là kiểm soát tốc độ kéo. Tốc độ kéo quá nhanh gây tăng ma sát và tăng áp lực lên thành khoan. Tốc độ chuẩn thường từ 3–6 m/phút tùy theo đường kính ống và chiều dài tuyến. Trong trường hợp đất nền có ma sát lớn, cần tăng lượng dung dịch bơm để giảm hệ số ma sát.

6. Xử lý sự cố trong thi công khoan ngầm

Một số sự cố thường gặp trong quá trình khoan HDD bao gồm mất dung dịch khoan, sập thành khoan, kẹt đầu khoan, gãy cần hoặc gặp chướng ngại vật như đá lớn. Khi xảy ra mất dung dịch, cần tăng độ nhớt bentonite và giảm áp lực bơm. Nếu gặp chướng ngại vật cứng, đầu khoan cần được rút về và thay thế đầu khoan có mũi cắt phù hợp. Trường hợp nghiêm trọng có thể cần điều chỉnh lại hướng tuyến hoặc khoan lại theo tuyến mới.

Sự cố kẹt ống khi kéo thường do mở rộng không đủ hoặc tuyến khoan có đoạn cong quá mức. Khi gặp hiện tượng này, cần ngừng kéo, bơm thêm dung dịch làm trơn và điều chỉnh lực kéo trong giới hạn cho phép. Đối với ống lớn D450 mm, việc tính toán chính xác bán kính cong là yêu cầu bắt buộc để tránh biến dạng ống trong khi kéo.

7. Kiểm tra, nghiệm thu và hoàn công

Sau khi hoàn thành quá trình kéo ống, cần tiến hành kiểm tra độ kín và độ đồng nhất của tuyến ống. Các thí nghiệm thường được áp dụng gồm thử áp lực nước, kiểm tra bằng camera nội soi hoặc kiểm tra độ nghiêng dọc tuyến. Hồ sơ hoàn công cần thể hiện đầy đủ các thông số thi công, nhật ký khoan, biên bản định vị và sơ đồ bình đồ – mặt cắt tuyến.

Các công tác hoàn trả mặt bằng, thu dọn vật liệu và xử lý dung dịch khoan thải phải tuân thủ yêu cầu bảo vệ môi trường theo quy định. Bùn khoan chứa bentonite được thu gom về nơi xử lý tập trung và không được xả thải trực tiếp ra hệ thống thoát nước hoặc môi trường tự nhiên.

8. Kết luận

Công nghệ khoan ngang định hướng là phương pháp thi công tiên tiến, có độ chính xác cao, phù hợp đặc biệt với các dự án lắp đặt đường ống D60–D450 mm tại khu vực đô thị, công nghiệp và các vị trí qua đường giao thông. Việc áp dụng đúng quy trình kỹ thuật, lựa chọn thiết bị phù hợp và kiểm soát các thông số khoan theo tiêu chuẩn sẽ đảm bảo chất lượng công trình, an toàn cho hệ thống hạ tầng và đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững. Phương pháp HDD giúp giảm thiểu tác động môi trường, hạn chế phá vỡ mặt đường và rút ngắn thời gian thi công, là giải pháp chiến lược trong xây dựng hạ tầng kỹ thuật hiện đại.