Tổng quan về công nghệ khoan ngầm bằng máy móc và robot

Tổng quan về công nghệ khoan ngầm bằng máy móc và robot

Mục tiêu của bài viết này là mô tả các khía cạnh chung của quy trình xây dựng được gọi là "Khoan định hướng ngang" PHD, hay kỹ thuật HDD trong tiếng Anh (Horizontal Directional Drilling). Kỹ thuật này cho phép lắp đặt các đường ống ngầm, ống dẫn và cáp ở hầu hết các đường kính thông thường và chiều dài hơn một km mà không cần phải mở rãnh. Có một loạt các loại máy khoan cho phép nó chuyên dụng trong tất cả các loại công việc, từ khoan trong không gian hạn chế đến đường kính lớn và khoảng cách xa. Hầu hết tất cả các máy khoan ngang đều sử dụng dung dịch khoan. Kỹ thuật này bắt đầu với việc khoan thí điểm có hướng dẫn, sau đó lỗ được mở rộng bằng cách kéo máy bằng doa và sau đó, ống được kéo. Máy móc đã được cải thiện cả về công suất và đường kính lắp đặt sẵn có, hạ giá thành cho đến khi cạnh tranh được với kỹ thuật đào bằng rãnh. Sau khi mô tả chung về kỹ thuật và nguồn gốc lịch sử của nó, các phương pháp xây dựng, máy khoan, mô tả về hệ thống khoan có hỗ trợ chất lỏng, khoan khô, định vị và dẫn hướng, thiết bị phụ trợ và các thiết bị khác.

Công nghệ khoan định hướng ngang (HDD) để đặt các đường ống không rãnh mới phát sinh từ sự kết hợp của các công nghệ được sử dụng trong việc lấy nước và dầu. Thật ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng Leonardo da Vinci đã phát minh ra, vào thế kỷ 15, chiếc máy khoan ngang đầu tiên được sử dụng để giới thiệu các đường ống bằng gỗ. Việc lắp đặt đầu tiên với phương pháp khoan ngầm định hướng ngang PHD được thực hiện vào năm 1971 với một ống thép 180 mm để vượt sông Pajaro gần Watsonville, California. Ngày nay, nó là một kỹ thuật đã trở nên phổ biến để vượt qua các chướng ngại vật như sông, đường và các khu vực khó vượt qua bằng phương pháp đào thông thường. Nó cũng được sử dụng trong các công trình thành phố cho các đường ống dẫn nước uống, khí đốt tự nhiên, sợi quang, hệ thống dây điện, nước thải và những thứ tương tự khi bạn phải băng qua các tòa nhà hoặc đường phố.

Chuyển động khoan thường được thực hiện trên mặt phẳng nằm ngang theo chiều dọc chứa đường khoan, do đầu và dây khoan tạo thành. Ban đầu, với kỹ thuật khoan định hướng ngang PHD đang phát triển, chỉ có các đường ống áp lực và ống dẫn cáp được lắp đặt, không có độ dốc là một thông số quan trọng. Ngày nay các mũi khoan có hệ thống dẫn hướng chính xác cao cho phép đặt các đường ống trọng lực.

Có thể nói công nghệ khoan ngầm định hướng ngang PHD là một kỹ thuật nằm giữa việc khoan nốt ruồi của bộ gõ (tác động moling) và microtunelado. Khoan định hướng PHD cung cấp ngày càng nhiều tùy chọn lắp đặt, vì quỹ đạo khoan có thể được thay đổi bất kỳ lúc nào để tránh các chướng ngại vật trên bề mặt hoặc dưới lòng đất. Các cài đặt điển hình sử dụng đường kính từ 50 đến 1200 mm và chiều dài lên đến 2000 m. Mặc dù Allouche et al. (2000) chỉ ra rằng 72% các đường ống được lắp đặt PHD có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 100 mm. Vật liệu ống thường là polyetylen mật độ cao (HDPE), polyvinyl clorua (PVC), thép và sắt dẻo. Lực kéo được sử dụng để phân loại hệ thống khoan ngầm kéo ống PHD, vì nó liên quan đến kích thước của máy yêu cầu, đường kính của ống dẫn được lắp đặt và chiều dài của khoan. Ariaratnam và Allouche (2000) cung cấp một bản tóm tắt các khuyến nghị và thực hành tốt liên quan đến kỹ thuật này.

 

 

Quá trình xây dựng công trình bằng phương pháp khoan qua đường

Như với bất kỳ quy trình xây dựng nào, phương pháp khoan qua đường PHD có các giai đoạn lập kế hoạch, thực hiện và kiểm soát. Quá trình lắp đặt đường ống hoặc kênh bằng công nghệ khoan đặt ống ngầm PHD bắt đầu bằng việc nghiên cứu sơ bộ để chọn máy và công cụ tốt nhất cho một trường hợp cụ thể. Địa hình của khu vực và một nghiên cứu địa kỹ thuật được đưa vào để xác định dạng địa hình. Không kém phần quan trọng là phát hiện chính xác các dịch vụ hiện có trong lòng đất bằng cách sử dụng georadar và thậm chí phân tích các tuyến đường thay thế. Tiếp theo, khu vực làm việc phải được điều chỉnh phù hợp với vị trí của thiết bị, cả khi bắt đầu khoan và ở lối ra. Không nên đánh giá thấp việc lập kế hoạch. Mỗi ngày điều tra thực địa nên dành tối thiểu hai ngày lập kế hoạch.

Giai đoạn nghiên cứu sơ bộ nên tập trung vào hai khía cạnh được coi là cơ bản:

• Bản chất bên trong của quá trình thi công khoan ngầm qua đường bao gồm:

1.  Việc cắt thành phần đất và kết hợp chúng vào dung dịch khoan

2.  Bảo trì liên tục và ổn định của các bức tường lỗ khoan

3.  Vận chuyển các mảnh vụn lơ lửng trong hỗn hợp để cho phép lắp đặt đường ống

• Bố trí khoan, cần tập trung vào chướng ngại vật phải vượt qua, đặc biệt là xem xét các điều kiện địa kỹ thuật và thủy văn, cũng như xác định bán kính cong của cần khoan và ứng suất tối đa cho phép.

Việc lắp đặt đường ống hoặc ống dẫn thực tế được thực hiện theo nhiều giai đoạn. Một lỗ thí điểm được khoan trước; sau đó lỗ đã nói được mở rộng đồng tâm theo hướng ngược lại với hướng của lỗ thí điểm. Tại thời điểm đó, máy kéo và đường ống được nối với doa để đặt nó ở vị trí cuối cùng.  

Các khuyến nghị chung đối với việc thực hiện công nghệ khoan ngầm định hướng PHD sẽ thông qua việc tiêu chuẩn hóa các phương pháp làm việc để tăng năng suất và giảm chi phí, thiết lập các hệ thống kiểm soát đảm bảo an toàn và chất lượng của công việc và thiết lập một hệ thống có khả năng loại bỏ, sửa chữa hoặc chấp nhận các sai lệch mà có thể được đưa ra.

Phương pháp cài đặt công nghệ khoan ngầm qua đường

Quy trình thông thường là khoan có chất lỏng hỗ trợ. Trong trường hợp này, đầu được đẩy bởi một dây khoan qua mặt đất. Chất lỏng được bơm qua bên trong ống tạo thành dây khoan và quay trở lại không gian giữa dây và thành khoan, với các mảnh vụn tương ứng, vì vậy nó phải được tái chế để sử dụng lại. Có những máy tự động mang thùng trộn và máy bơm chất lỏng, mặc dù ở những máy khác, chúng là những hệ thống độc lập.

Việc sử dụng khoan bằng bùn khoan là thường xuyên, vì ngoài việc chứa thành, nó cho phép vận chuyển các mảnh vụn lơ lửng ra bên ngoài, ngoài ra còn có tác dụng bôi trơn và làm mát đầu cắt. Họ cũng ổn định lỗ thí điểm cho đến khi nó bắt đầu rộng ra. Chất lỏng khoan thường là hỗn hợp bentonit và nước, mặc dù ngày nay xu hướng sử dụng polyme ngày càng tăng. Trong đất xốp hoặc nứt nẻ, phải thấy trước sự mất mát đáng kể của chất lỏng. Khi nói đến việc khoan trên nền đất cứng và đá, bạn có thể sử dụng BHA (cụm lỗ dưới cùng), là phần dưới cùng của dây khoan kéo dài từ tricone của mũi khoan đến thanh. BHA được cung cấp bởi một mô tơ bùn, sử dụng năng lượng thủy lực của dung dịch khoan.

Trên các giàn khoan nhỏ, bộ gõ có thể được sử dụng để bổ sung lực đẩy và chuyển động quay của đầu khoan, đặc biệt là ở các địa hình không đồng nhất hoặc các vật liệu cứng. Búa có thể nằm trên đầu hoặc trên máy bề mặt. Tuy nhiên, cần phải có các biện pháp phòng ngừa vì hệ thống này có thể làm hỏng dây khoan và thiết bị dẫn hướng điện tử. Chất lỏng áp suất cao (doa tia chất lỏng) cũng có thể được chiếu lên đầu khoan. Có thể phun nước hoặc hỗn hợp dung dịch khoan. Góc tấn cho phép đánh tan địa hình, dẫn đường thuận lợi. Hệ thống này được sử dụng trên đất khá mềm.

Một khả năng khác là khoan khô hoặc với một lượng nhỏ nước hoặc bùn, mặc dù nó được dành cho đường kính vừa phải và điều kiện mặt đất thuận lợi. Máy nhỏ gọn và đơn giản hơn máy chất lỏng. Những chiếc máy khoan này ngoài chức năng đẩy và quay, sử dụng búa khí nén để xuyên và nén chặt mặt đất. Nó là một khái niệm tương tự như một nốt ruồi trên bộ gõ (Hình 6). Tương tự như trong máy chất lỏng, đầu búa được đặt nghiêng để định hướng việc khoan bằng cách dừng quay theo một hướng nhất định.

Độ bền khoan đạt được bằng cách kết hợp hình dạng của mũi cắt, với hiệu ứng “đẩy quay” hoặc “đẩy không quay” và nhờ vào tính linh hoạt của cần khoan, thích ứng với bán kính cong.

Máy khoan ngang và các bộ phận phụ trợ

Hiện nay có rất nhiều loại máy được sử dụng trong kỹ thuật khoan định hướng xuyên ngang ngầm qua đường PHD. Hơn 90% máy có thể được phân loại là nhỏ hoặc trung bình, với lực kéo tối đa là 250 kN. Với những đặc điểm này, có thể đặt đường kính trong khoảng từ 50 mm đến 2200 mm, thậm chí có thể đi được 3 km nếu gặp trường hợp thuận lợi. Mặc dù các máy tiêu chuẩn và đa năng nhất trên thị trường có xu hướng có lực kéo 500 kN, lực kéo lớn nhất khoảng 2000 kN. Ngoài ra, các máy này có nhiều hệ thống dẫn hướng, đầu khoan, đầu mở rộng và các phụ kiện khác.

Các kết nối nhỏ sử dụng máy khoan ngang Mini-PHD trong đó hướng của đầu khoan đạt được nhờ vào vết cắt vát mà bản thân mũi khoan xuất hiện. Hệ thống Maxi-PHD sử dụng ống bọc ngoài uốn cong để làm lệch trục của đầu cắt, cũng như ống rửa ('ống giặt') hoặc ống bọc có đường kính trong lớn, mà dây khoan trượt vào. Hệ thống mô-đun thường là lựa chọn tốt nhất cho thiết bị công suất cao hơn, do tính dễ dàng và tốc độ ghép nối của nó. Đối với các công trình có thể tiếp cận dễ dàng và để thuận tiện cho việc vận chuyển, tốt nhất là bạn nên gắn thiết bị lên xe kéo, nhưng nếu chúng ta gặp vấn đề về di chuyển, sẽ tốt hơn nếu bạn lắp nó trên đường ray.

Hiệu suất của máy khoan ngang PHD phụ thuộc vào loại địa hình, nhưng cũng phụ thuộc vào các khía cạnh quản lý, môi trường hoặc điều kiện của đường ống.

Vì vậy, thuận lợi nhất là đất sét đồng nhất, trong khi các vật liệu dạng hạt có vấn đề về độ ổn định, đặc biệt là mực nước ngầm thấp. Ngoài ra, sỏi có thể làm tăng tốc độ mòn của đầu khoan. Kỹ thuật khoan định hướng xuyên ngang ngầm qua đường PHD trong cát rời hoặc hỗn hợp cát và sỏi, là những loại đất có vấn đề nhất. Trong trường hợp có đá, máy phải có động cơ bùn dẫn động các đầu máy cắt. Thậm chí còn có những máy thanh đôi trong đó ống bên trong quay đầu máy cắt đá và ống bên ngoài cung cấp hướng khoan; tuy nhiên, những máy này có đường kính và chiều dài lỗ nhỏ. Một lựa chọn khác là kết hợp bộ gõ với lực đẩy và xoay.

Đối với vị trí của máy móc, chúng được lắp đặt trên bề mặt, mặc dù đôi khi chúng được cấy vào một cái hố. Những bề mặt di chuyển bằng phương tiện của sâu bướm, mặc dù nếu chúng rất lớn đôi khi cần phải có phương tiện vận chuyển. Tuy nhiên, các cuộc đào nhỏ là cần thiết để kết nối các đầu của các đoạn ống. Máy đặt trong hố thường được sử dụng cho các đoạn thẳng, ngắn, có độ lệch nhẹ. Trường hợp này cũng hạn chế chiều dài của dây khoan.

Máy khoan ngang PHD có hai tính năng phổ biến, một giá đỡ đẩy dây khoan để khoan thí điểm và sau đó kéo nó và ống trong quá trình bùng phát, và một động cơ quay dây khoan, cùng với khoan hoặc mở rộng đầu. Lực đẩy thường là thủy lực và độ nghiêng của giá đỡ nghiêng từ 10º đến 20º so với phương ngang. Nếu máy được đặt trong hố, phản lực cần thiết được cung cấp bởi các mặt của hố đào. Máy bề mặt được neo vào mặt đất để ổn định.

Dây khoan được tạo thành từ các ống chịu ứng suất lớn, cả lực kéo và lực nén bởi lực đẩy và kéo của máy, cũng như bị xoắn bởi mômen quay. Chúng cũng phải linh hoạt để thích ứng với sự thay đổi của hướng khoan và ánh sáng để thuận tiện cho việc vận chuyển. Và tất nhiên, có khả năng chống mài mòn và mài mòn.

Hệ thống định vị

Sự phát triển của công nghệ khoan ngầm định hướng xuyên ngang qua đường PHD chủ yếu dựa trên những đổi mới trong hệ thống định vị và theo dõi khoan. Điều hướng cho phép bạn biết chính xác vị trí của mũi khoan. Để kiểm soát hướng và độ sâu của đầu, một đầu dò được đặt bên trong hoặc bên cạnh nó để phát ra các tín hiệu được thu thập trên bề mặt. Hệ thống vô tuyến này được gọi là 'Walk-over', thậm chí có khả năng thu tín hiệu mà không cần truy cập trực tiếp vào máy phát; Nó là một hệ thống được sử dụng rộng rãi trong khoan ngầm có hướng dẫn PHD, đặc biệt là trong các công việc vừa và nhỏ.

Tuy nhiên, đôi khi rất khó để theo dõi máy phát trên bề mặt, chẳng hạn như ở sông; trong những trường hợp này, cáp kết nối với đầu có thể được sử dụng để dẫn hướng, nó sẽ là hệ thống cáp 'Đường dây', cũng được sử dụng khi yêu cầu độ chính xác cao hơn. Ngoài ra còn có khả năng loại bỏ ảnh hưởng của từ trường và điện trường khi các phần tử cản trở tín hiệu được truyền qua. Các hệ thống khác, được gọi là 'La bàn con quay hồi chuyển', sử dụng từ kế để xác định vị trí; Các con quay hồi chuyển này hoạt động độc lập với từ trường Trái đất và do đó xác định chính xác hướng của trục khoan.

Kết luận

Máy khoan hướng ngang PHD tạo thành một kỹ thuật thể hiện những lợi thế rõ ràng trong việc lắp đặt đường ống, ống dẫn hoặc dây cáp trong môi trường đô thị hoặc để vượt qua các rào cản như đường bộ, sông, v.v. Chi phí của họ hiện đang rất cạnh tranh, đặc biệt là khi tính đến các chi phí gián tiếp do sự bất tiện và gián đoạn của các dịch vụ mà phương pháp đào rãnh truyền thống đặt ra. Có thể có nhiều loại ống có đường kính và chiều dài khoan khác nhau, có thể dễ dàng vượt quá một km. Các quy trình điều hướng và hướng dẫn khoan hiện tại được máy tính hỗ trợ và cho phép độ chính xác cao, thậm chí có khả năng lắp đặt các đường ống vận hành bằng trọng lực, nơi cần kiểm soát độ nghiêng. Tuy nhiên, công nghệ khoan ngang định hướng đặt đường ống ngầm này cần đảm bảo thành công về mặt thời gian, hiệu suất và an toàn, mức độ chuyên môn hóa cao, kể từ khi lựa chọn thiết bị thích hợp, quản lý hệ thống hướng dẫn, bảo trì thiết bị và lập kế hoạch và nghiên cứu Công việc yêu cầu đào tạo và kinh nghiệm.

Xem thêm Biện pháp thi công khoan ống qua đường và xây dựng bản vẽ là gì ?