Phương pháp khoan định hướng HDD khoan ngầm qua đường sông

Ngày đăng: 04/10/2021

2211 Lượt xem

0 Đánh giá

Phải mất rất nhiều thời gian để một đường ống đi qua con sông chính của hệ thống thoát nước lớn nhất Miền Bắc thông qua khoan định hướng ngang (HDD).

CÔNG NGHỆ KHOAN NGẦM HDD KÉO ỐNG D500 QUA SÔNG

Ứng dụng trong thi công tuyến ống vượt sông bằng công nghệ khoan định hướng ngang

Khoan ngầm định hướng ngang (Horizontal Directional Drilling – HDD) là một trong những công nghệ tiên tiến nhất hiện nay để thi công tuyến ống vượt sông, hồ, kênh rạch mà không phải đào mở lòng sông. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả đối với các dự án cấp nước, thoát nước, viễn thông, năng lượng, đường ống LPG – khí đốt, cũng như các tuyến ống dẫn nước thô hoặc nước muối băng qua các con sông lớn. Trong bối cảnh nhu cầu xây dựng và mở rộng hạ tầng kỹ thuật tại Việt Nam ngày càng tăng, HDD trở thành giải pháp mang tính chiến lược giúp bảo vệ môi trường, giảm thời gian thi công và hạn chế tối đa ảnh hưởng đến dòng chảy tự nhiên cũng như đê bao, hành lang bảo vệ sông.

Việc khoan ngầm kéo ống D500 qua sông có độ khó cao hơn nhiều so với thi công qua đường giao thông hoặc đất liền. Địa chất phức tạp, áp lực nước lớn, độ sâu tuyến khoan và chiều dài khoan thường từ vài trăm mét đến nhiều kilomet đòi hỏi kỹ thuật chính xác, máy móc hiện đại và trình độ thi công cao. Trên thế giới, có những công trình khoan vượt sông dài hàng ngàn feet, như trường hợp lắp đặt đường ống 12 inch băng qua sông Hồng với chiều dài gần 7.700 feet (khoảng 2.350 m), đi xuyên qua hai tuyến đê phòng lũ lớn – một kỳ tích về công nghệ HDD mà chỉ một số công ty chuyên biệt mới thực hiện được.

Câu chuyện về thi công HDD vượt sông không đơn thuần là khoan một đường hầm trong lòng đất. Đó là sự kết hợp giữa khoa học địa chất, công nghệ định vị, vật liệu ống, kỹ thuật xử lý dung dịch khoan, mô hình tính toán lực kéo, phân tích ứng suất – biến dạng ống và quản lý rủi ro. Đặc biệt với ống HDPE D500, các yếu tố về bán kính cong, lực kéo tối đa, ma sát dọc tuyến, kiểm soát áp lực dung dịch (drilling mud pressure) và độ ổn định thành lỗ (borehole stability) trở thành yếu tố quyết định sự thành công của dự án.

Bản chất của HDD là khoan từng bước: khoan dẫn hướng, mở rộng lỗ khoan, sau đó kéo ống vào vị trí. Tuy nhiên khi thi công dưới sông, mỗi bước phải được nâng cấp lên mức độ chuẩn xác và chặt chẽ cao hơn nhiều so với điều kiện đất liền. Đầu tiên là khảo sát địa chất – thủy văn. Sông luôn có các lớp trầm tích không đồng nhất: bùn, cát, sét pha, mùn hữu cơ, thậm chí các lớp cuội – sỏi hoặc đá cứng. Các lớp này ảnh hưởng trực tiếp đến đường đi của mũi khoan, khả năng giữ thành lỗ và tỷ lệ sụt lún. Trong HDD, một sai số nhỏ về hướng dẫn khoan cũng có thể khiến tuyến khoan bị bẻ cong ngoài giới hạn cho phép, gây kẹt đầu khoan hoặc kéo ống không thành công.

Một trong những yêu cầu quan trọng của công nghệ HDD vượt sông là đảm bảo đường khoan có độ sâu đủ lớn để tránh xói lở lòng sông, giảm thiểu tác động đến móng đê và bảo đảm không gây ảnh hưởng đến ổn định địa chất khu vực lân cận. Độ sâu khoan thường từ 12 đến 25 m tùy quy mô con sông. Khi tuyến khoan càng dài, độ cong càng lớn và bán kính cong tối thiểu của ống HDPE D500 (khoảng 25–30 lần đường kính ống) phải được tính toán chính xác theo tiêu chuẩn ISO 4427.

Công nghệ định vị là trái tim của HDD vượt sông. Các hệ thống định vị sử dụng sóng từ, telemetry, gyro hoặc phối hợp nhiều công nghệ để xác định vị trí đầu khoan trong lòng đất. Trong điều kiện vượt sông, nước làm giảm tín hiệu, nên việc sử dụng hệ thống “walk‐over” truyền thống không hiệu quả. Các dự án lớn thường dùng công nghệ “Gyro Steering Tool” hoặc “Wireline Steering Tool”, cho phép định vị chính xác độ sâu và phương hướng ngay cả khi đầu khoan nằm sâu dưới lòng sông hàng chục mét.

Khi đầu khoan hoàn thành đường khoan dẫn hướng, giai đoạn mở rộng lỗ (reaming) bắt đầu. Lỗ khoan phải được mở rộng ít nhất lớn hơn đường kính ống 30–50%, với ống HDPE D500, đường kính lỗ khoan mở rộng thường từ 700–800 mm để đủ khoảng không cho dung dịch bentonite bao phủ quanh thành ống. Dung dịch khoan có vai trò quyết định: nó giữ ổn định thành lỗ, giảm ma sát, điều hòa áp lực trong lòng đất và tránh sập lỗ. Trong khoan vượt sông, chỉ một giây mất kiểm soát dung dịch có thể dẫn đến sự cố “frac-out” – dung dịch trào lên mặt sông, gây nguy cơ ô nhiễm môi trường, mất đường khoan, thậm chí phải dừng thi công.

Nhiệm vụ khó nhất của HDD là kéo ống. Mỗi mét ống HDPE D500 dài hàng ngàn mét có khối lượng lên đến hàng chục tấn. Lực kéo phải được tính toán nhiều lần bằng mô hình phần tử hữu hạn (FEM) hoặc bằng phần mềm chuyên dụng như BoreAid, PipeForce. Các yếu tố gồm trọng lượng ống, trọng lượng dung dịch, lực ma sát thành lỗ, lực ma sát tại các đoạn cong, và độ nhớt dung dịch khoan đều được mô phỏng chi tiết. Nếu lực kéo vượt quá 70% giới hạn cho phép của ống HDPE, ống có thể bị kéo giãn, biến dạng hoặc thậm chí phá hủy cấu trúc phân tử.

Trong những dự án HDD vượt sông quy mô lớn như khoan vượt sông Hồng, đội ngũ kỹ sư phải chuẩn bị bãi tập kết dài tới 2.000–2.500 feet để hàn chuỗi ống dài liên tục trước khi kéo. Tương tự, đối với dự án ống HDPE D500, ống được hàn nhiệt đối đầu bằng máy hàn điều khiển tự động, đảm bảo độ kín tuyệt đối và khả năng chịu kéo cao. Mỗi mối hàn phải được kiểm tra bằng siêu âm hoặc thử kéo để đảm bảo chất lượng trước khi kéo vào lòng đất.

Trong quá trình kéo, tời kéo phải hoạt động đồng bộ với hệ thống bơm dung dịch bentonite. Dung dịch được bơm ngược dọc theo ống trong khi kéo nhằm giảm ma sát, làm mát bề mặt ống, và tăng khả năng trượt. Đầu nối (swivel) giữa dây kéo và ống phải được thiết kế chịu lực xoắn để tránh ống bị xoắn trong lòng đất.

Sau khi kéo hoàn thành, quá trình nghiệm thu bao gồm kiểm tra độ thẳng, kiểm tra biến dạng, camera nội soi (CCTV) và thử áp lực theo tiêu chuẩn ISO 4427 hoặc tiêu chuẩn cấp nước địa phương. Việc bảo vệ môi trường tiếp tục được duy trì cho đến khi dung dịch khoan được thu hồi và tái xử lý.

Thành công của một dự án HDD vượt sông không chỉ nằm ở công nghệ mà còn nằm ở quản trị rủi ro. Mỗi yếu tố phải được mô phỏng trước: địa chất đặc thù, phương án đối phó mất dung dịch, điều kiện thời tiết, chế độ thủy triều, khả năng điều phối giao thông đường thủy, và sự phối hợp chặt chẽ của các bên liên quan. Điều này lý giải vì sao để khoan được một tuyến ống qua sông Hồng mất hàng tháng trời chuẩn bị, hàng nghìn giờ thi công và sự tham gia của nhiều kỹ sư cao cấp.

Khoan ngầm HDD kéo ống D500 qua sông là một bước tiến quan trọng trong hạ tầng kỹ thuật Việt Nam. Phương pháp này giúp:

không phá vỡ đê điều hoặc lòng sông
không gây xáo trộn môi trường
giảm thi công đào mở
tăng độ bền và tuổi thọ tuyến ống
phù hợp xu hướng công nghệ không đào (No‐Dig Technology) của thế giới

Các tỉnh như Long An, Bình Dương, Bắc Giang, Quảng Ninh, Hải Phòng hiện đã ứng dụng rộng rãi HDD cho hệ thống cấp nước, nước thải và cáp điện ngầm. Mỗi dự án thành công đều đóng góp vào tiến trình hiện đại hóa hạ tầng, giảm chi phí duy tu và nâng cao khả năng thích ứng của hệ thống kỹ thuật đô thị trước biến đổi khí hậu.

Nhìn lại, công nghệ khoan ngầm định hướng ngang không chỉ là giải pháp kỹ thuật mà còn là minh chứng cho sự phát triển của ngành xây dựng – công nghiệp nặng. Từ một công trình vượt sông dài hàng ngàn feet của thế giới, đến những tuyến ống HDPE D500 băng qua các con sông, rạch của Việt Nam, HDD đang tạo nên một chuẩn mực mới cho thi công hạ tầng thế kỷ 21: an toàn – bền vững – hiệu quả – thân thiện môi trường.

HDD khoan ngầm qua đường sông

Phải mất rất nhiều thời gian để một đường ống đi qua con sông chính của hệ thống thoát nước lớn nhất Miền Bắc thông qua khoan định hướng ngang (HDD). Để đạt được kỳ tích, chủ sở hữu đường ống nước thải ngầm đã phải điều hướng các vùng nước của địa chất, kỹ thuật, máy móc xây dựng và các cơ quan tỉnh và địa phương.

Nỗ lực tuyệt vời đã dẫn đến việc cài đặt thành công 12-in. đường ống dẫn đường kính kéo dài gần 7.700 ft qua sông Hồng và hai con đê ngăn lũ tỉnh. Việc vượt biển là nền tảng của một đường ống dài 26 dặm để vận chuyển nước muối từ một vòm muối ở trên bờ tây của sông Hồng đến một nhà máy chlor-kiềm mới ở bờ đông đối diện của sông tại phía nam.

Trong khi vượt sông Hồng bằng phương pháp khoan định hướng HDD là một thành tựu đáng kể, thì yếu tố bổ sung là khoan dưới hai con đê ngăn lũ tỉnh đã làm cho dự án này trở thành một thành tựu đặc biệt. Để tăng thêm độ phức tạp cho dự án, hai giàn khoan định hướng ngang HDD đã bắn các lỗ thí điểm từ hai phía đối diện của sông và cắt nhau 165 ft dưới sông.

Kỹ thuật bảo vệ khoan định hướng ngang

Khoan dưới đê là một quá trình xây dựng và kỹ thuật được quy định và chặt chẽ. Trong quá trình thi công khoan định hướng, áp lực dung dịch khoan cần thiết để loại bỏ các hom ra khỏi lỗ khoan có khả năng làm đứt gãy đất, tạo ra một con đường giải phóng dung dịch khoan xuống bề mặt đất thường được gọi là “vô tình quay trở lại dung dịch khoan” (Xem thêm Cách dùng dung dịch khoan cho công trình ngầm). Nếu điều này xảy ra dưới một con đê điều tiết, vết nứt có thể tạo ra khả năng cho nước thấm từ phía lũ và dưới đê sang phía được bảo vệ trong một trận lũ lụt trong tương lai. Đường thấm này có thể dẫn đến xói mòn phá hoại làm ảnh hưởng đến sự ổn định của đê. Một dự án như giao lộ này liên quan đến việc thiết lập một đường dây liên lạc sớm và liên tục với trong suốt quá trình kỹ thuật, cấp phép và xây dựng.

Với tư cách là kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật và khoan định hướng trong dự án, anh Minh đã hoàn thành một nghiên cứu địa chất chi tiết trên máy tính để bàn, một chương trình thăm dò kỹ lưỡng dưới bề mặt và thiết kế khoan định hướng để giảm nguy cơ đứt gãy thủy lực và giải phóng bề mặt của dung dịch khoan. Ngay trong quá trình thiết kế, nghiên cứu trên máy tính đã được hoàn thành để đánh giá các điều kiện đất dự kiến trong khu vực. Nghiên cứu đã xác định khả năng có một lớp cát dày đặc trong khu vực sắp xếp khoan định hướng được đề xuất. Lớp cát, nếu có, sẽ cung cấp một nền đất ổn định để khoan định hướng có thể được thiết kế.

Để mô tả đầy đủ các điều kiện đất dưới bề mặt cho thiết kế khoan định hướng ngang HDD và hoàn thành việc đánh giá khả năng đứt gãy thủy lực, một chương trình thăm dò địa kỹ thuật mở rộng đã được thực hiện. Chương trình này bao gồm khoan bảy borings ở độ sâu lên đến 160 ft và tăng cường sáu thử nghiệm xuyên thấu hình nón (CPT) đến độ sâu lên đến 200 ft. cát pha và cát pha có mật độ trung bình đến rất đặc.

Lớp cát bên dưới cung cấp lớp đất phù hợp để thiết kế đường băng qua sông bằng phương pháp khoan định hướng HDD, nhưng nhóm thiết kế của Anh Minh ’khoan định hướng ngang HDD đã khuyến nghị lắp đặt vỏ bọc xuyên qua lớp bùn và đất sét yếu ở cả hai phía lối vào và lối ra để giảm nguy cơ đứt gãy thủy lực ở các loại đất mềm hơn.

Kỹ thuật một giải pháp

Việc mô hình hóa khả năng đứt gãy thủy lực của quá trình hình thành đất và giải phóng bề mặt dung dịch khoan liên quan đến việc thể hiện các đặc tính của đất, công cụ và đặc tính dung dịch khoan của nhà thầu khoan ngầm HDD. Mô hình dẫn đến việc thiết lập áp suất dung dịch khoan tối đa cho phép trở thành yêu cầu cấp phép và phải được đo trong quá trình thi công. Trong phân tích đứt gãy thủy lực thông thường, áp suất dung dịch khoan tối đa cho phép được tính bằng cách chia áp suất giới hạn hình thành đất cho hệ số an toàn. Đối với dự án này, áp suất giới hạn hình thành được chia cho hệ số an toàn yêu cầu là hai. Hệ số an toàn cố định này dẫn đến một phạm vi thay đổi của áp suất dung dịch khoan cho phép trên toàn bộ khoan định hướng trong đó áp suất dung dịch khoan cho phép thay đổi tương ứng với giới hạn hình thành đất.

Do chiều dài của khoan định hướng dưới sông Hồng và cả hai con đê là gần 7.700 ft, nên áp suất dung dịch khoan dự kiến cần thiết để loại bỏ các hom ra khỏi lỗ khoan đã tăng cao hơn áp suất dung dịch khoan cho phép trước khi đến điểm thoát. Do đó, việc lắp đặt khoan định hướng được thiết kế để sử dụng phương pháp khoan lỗ giao nhau. Điều này yêu cầu khoan định hướng phải được khoan từ cả hai phía của căn chỉnh và giao nhau trong khi các yếu tố an toàn cao hơn yêu cầu của .

Thông qua quá trình cấp phép, đã xem xét kế hoạch thiết kế và xây dựng của kỹ thuật khoan ngang HDD, bao gồm cả việc lắp đặt vỏ và sử dụng phương pháp giao cắt lỗ thí điểm để giảm nguy cơ gãy thủy lực dưới đê yêu cầu tài liệu toàn thời gian về các hoạt động xây dựng và giám sát áp suất hình khuyên của lỗ xuống.

Điểm nổi bật về xây dựng

Vào ngày 15 tháng 1 năm 2013, Minh Phương Corp bắt đầu xây dựng khoan định hướng bằng cách cài đặt 16-in. đường kính ống vách ở cả hai phía lối vào và lối ra. Để lắp đặt vỏ, công ty Minh Phương đã khoan lỗ thí điểm một khoảng cách xác định, doa lỗ phụt, sau đó xoay vỏ vào vị trí bằng máy khoan ngang HDD. Các vỏ bọc được lắp đặt ở độ sâu từ 65 đến 70 ft dưới mặt đất xuyên qua lớp đất sét mềm và vào lớp cát dày đặc. Vỏ ở phía lối vào dài khoảng 278 ft và dài khoảng 259 ft ở phía lối ra.

Sau khi lắp đặt vỏ, các hoạt động lỗ thí điểm bắt đầu từ cả hai phía đầu vào và lối ra. Các áp suất hình khuyên lỗ quan sát được duy trì dưới áp suất dung dịch khoan cho phép theo quy định của giấy phép . Kiểm lâm đã khoan khoảng 3.848 ft từ phía lối vào và 3.830 ft từ phía lối ra và hoàn thành lỗ thí điểm giao nhau dưới sông Hồng - trong khoảng 50 ft nước và khoảng 115 ft dưới đường bùn của sông. Công ty Minh Phương sử dụng hai sà lan neo ở sông Hồng để định vị các dây cuộn khảo sát thứ cấp, được sử dụng để xác định vị trí hai bit lỗ hoa tiêu cho lỗ hoa tiêu giao nhau.

Làm việc theo nhóm giúp hoàn thành dự án thành công

Sau khi hoàn thành lỗ thí điểm giao nhau, Công ty Minh Phương kéo thành công 12-in. đường kính ống với lớp lót PVC được lắp đặt sẵn xuyên qua lỗ đã khoan, hoàn thành việc lắp đặt khoan định hướng đầu tiên dưới sông Hồng và hai con đê . Cuối cùng, đường ống dài 7.678 ft băng qua sông Hồng đã thành công. Làm việc theo nhóm là chìa khóa để thực hiện dự án đầy thử thách này. Anh Minh lãnh đạo kỹ thuật thiết kế phương án khoan ngang HDD trong khi các thành viên khác trong nhóm bao gồm: Tuấn, Hùng, Dũng, Đông; Dung dịch chất lỏng DCS; Anh Minh; Kỹ thuật khoan định hướng; Công nghệ khoan ngang. Tất cả các thành viên trong nhóm muốn gửi lời cảm ơn đến sự hỗ trợ kỹ thuật chuyên nghiệp từ Quận Đống Đa.