Phương pháp khoan định hướng lắp đặt đường ống dẫn nước ngầm dưới lòng đất

PHƯƠNG PHÁP KHOAN ĐỊNH HƯỚNG NGANG (HDD) TRONG LẮP ĐẶT ĐƯỜNG ỐNG DẪN NƯỚC NGẦM DƯỚI LÒNG ĐẤT

Phương pháp khoan định hướng ngang (Horizontal Directional Drilling – HDD) là giải pháp hiện đại và hiệu quả trong thi công lắp đặt các tuyến ống ngầm, đặc biệt là hệ thống đường ống cấp nước, ống truyền tải nước sạch, ống áp lực, ống chuyển nước giữa các khu vực dân cư – công nghiệp, hoặc đường ống cấp nước xuyên qua các vùng địa hình phức tạp. HDD cho phép lắp đặt đường ống dưới lòng đất mà không cần đào mở, hạn chế ảnh hưởng đến giao thông, môi trường và các công trình hiện hữu.

Trước sự phát triển của đô thị, yêu cầu nâng cấp hệ thống cấp nước sạch và hạ tầng kỹ thuật ngầm, phương pháp HDD ngày càng được phòng thiết kế, nhà thầu và chủ đầu tư lựa chọn trong các dự án hiện đại nhằm đảm bảo các tiêu chí: ổn định tuyến, an toàn vận hành, độ kín nước cao, tuổi thọ dài hạn và chi phí tối ưu.

Bài nghiên cứu này phân tích toàn diện: cơ sở kỹ thuật của phương pháp HDD, cấu tạo thiết bị, nguyên lý vận hành, ứng dụng trong lắp đặt ống dẫn nước, quy trình thi công, phân tích rủi ro và đề xuất giải pháp tối ưu hóa cho các công trình cấp nước ngầm.

Cơ sở lý thuyết và cấu tạo kỹ thuật của hệ thống HDD

2.1 Nguyên lý hoạt động chung

HDD sử dụng một tổ hợp máy khoan điều khiển hướng gồm:

• Máy khoan chính (Rig).
• Đầu khoan có mặt phẳng định hướng.
• Cần khoan nối từng đoạn.
• Hệ thống điều khiển – định vị đầu khoan (sonde/gyro).
• Hệ thống trộn – bơm dung dịch bentonite.
• Bộ mở rộng lỗ (reamer).
• Thiết bị kéo ống.

Quy trình gồm ba giai đoạn chính:

1. Khoan dẫn hướng (Pilot Hole): điều khiển đầu khoan theo tuyến thiết kế.
2. Mở rộng lỗ khoan (Reaming): mở rộng theo nhiều cấp để đạt kích thước phù hợp.
3. Kéo ống (Pullback): kéo ống dẫn nước vào lỗ khoan hoàn chỉnh.

2.2 Đặc thù kỹ thuật của ống dẫn nước ngầm

Ống dẫn nước được sử dụng trong phương pháp HDD chủ yếu gồm:

• Ống HDPE chịu áp lực PN6–PN16.
• Ống thép mạ kẽm hoặc ống thép đen hàn thẳng.
• Ống gang cầu (GI) đối với các tuyến trọng lực dài.

Yêu cầu quan trọng:

• Đảm bảo kín nước tuyệt đối, không rò rỉ.
• Chịu áp lực vận hành của hệ thống cấp nước.
• Đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 6151, TCVN 8491, ISO 4427.
• Bán kính cong tối thiểu theo đặc tính cơ học của ống HDPE hoặc thép.

2.3 Cấu tạo đầu khoan và cơ chế điều hướng

Đầu khoan HDD có:

• Mặt phẳng điều hướng (Steering Face).
• Vòi phun bentonite.
• Răng cắt (tùy địa chất).
• Cảm biến đo nghiêng, đo phương vị.

Cơ chế hướng:

• Khi đầu khoan quay liên tục → tuyến đi thẳng.
• Khi không quay và đẩy theo mặt phẳng nghiêng → đầu khoan đổi hướng.

Các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến thi công tuyến ống cấp nước bằng HDD

3.1 Địa chất công trình

Địa chất quyết định lựa chọn:

• Loại đầu khoan.
• Tốc độ khoan.
• Loại dung dịch bentonite.
• Áp lực bơm và phương án mở rộng lỗ.

Các dạng địa chất phổ biến:

• Sét, sét pha cát: dễ khoan nhưng dễ bám dính.
• Cát rời, cát bão hòa: nguy cơ mất dung dịch cao.
• Cuội sỏi, đá phong hóa: cần đầu khoan răng hợp kim và mô-men lớn.
• Bùn hữu cơ: không ổn định, cần polymer tăng độ kết dính.

3.2 Độ sâu tuyến ống

Đối với ống dẫn nước:

• Yêu cầu độ sâu ≥ 1,0–2,0 m dưới đáy móng công trình.
• Khi xuyên đường: ≥ 1,5 m dưới đáy lớp kết cấu đường.
• Khi xuyên sông / kênh: ≥ 3–5 m dưới đáy sông.
• Khi đi qua khu dân cư: sâu hơn nền móng nhà dân ≥ 2 m.

3.3 Bán kính cong tối thiểu

• Với ống HDPE D110–D450: R ≥ 40–60 × OD.
• Với ống thép: R ≥ 100–150 × OD.
• Với ống gang: hạn chế cong, thiên về tuyến thẳng.

3.4 Hệ thống bentonite và áp lực dung dịch

Dung dịch khoan có vai trò:

• Giữ vách lỗ khoan không sập.
• Bôi trơn để kéo ống dễ hơn.
• Vận chuyển đất cắt ra ngoài.

Yêu cầu kỹ thuật:

• Độ nhớt: 45–65 s Marsh.
• Trọng lượng: 1,05–1,15 g/cm³.
• Áp lực bơm phù hợp: 2–15 bar tùy địa chất.

Quy trình thi công khoan định hướng lắp đặt ống dẫn nước ngầm

4.1 Chuẩn bị thi công

• Khảo sát địa chất chi tiết tại 2 đầu tuyến và dọc trục.
• Khảo sát công trình ngầm bằng GPR.
• Xác định điểm vào – điểm ra phù hợp mặt bằng và bán kính cong.
• Lắp đặt máy khoan, đặt bể bentonite, bơm, đường ống cấp nước phục vụ khoan.

4.2 Khoan dẫn hướng (Pilot Hole Drilling)

Kỹ thuật quan trọng nhất:

1. Đặt đầu khoan tại điểm vào với góc nghiêng 8–12 độ.
2. Tăng độ sâu theo đường cong dẫn hướng.
3. Điều chỉnh bằng thiết bị định vị từng 1–2 m.
4. Giữ tốc độ khoan ổn định, không quá nhanh để tránh xé vách.
5. Duy trì bentonite liên tục để ổn định đường khoan.

4.3 Mở rộng lỗ (Reaming)

Tùy đường kính ống:

• Ống D110 → mở 200–250 mm.
• Ống D225 → mở 350–400 mm.
• Ống D400 → mở 600–650 mm.

Quy trình:

• Mở từ nhỏ đến lớn (2–4 cấp).
• Kéo reamer ngược chiều tuyến dẫn hướng.
• Kiểm soát mô-men xoắn để tránh gãy cần khoan.

4.4 Kéo ống (Pull Back)

Ống được hàn thành đoạn:

• Ống HDPE → hàn nhiệt.
• Ống thép → hàn hồ quang + kiểm tra NDT.

Các bước kéo:

1. Gắn swivel (khớp xoay) để chống xoắn.
2. Duy trì bentonite trong lỗ khoan để bôi trơn.
3. Kéo đều, không dừng quá lâu (tránh kẹt ống).
4. Theo dõi lực kéo, không vượt quá giới hạn vật liệu.

4.5 Kiểm tra sau thi công

• Kiểm tra áp lực nước (pressure test).
• Kiểm tra độ kín.
• Camera nội soi (CCTV) đối với tuyến lớn.
• Lập hồ sơ hoàn công tuyến HDD.

Thi công HDD cho ống dẫn nước qua các loại địa hình phức tạp

5.1 Qua đường giao thông lớn

• Tránh phá vỡ kết cấu đường.
• Tính độ sâu để không ảnh hưởng móng đường.
• Kiểm soát bentonite tránh trồi lún.

5.2 Qua sông, kênh

• Sử dụng thiết bị định vị gyro chống nhiễu.
• Làm tuyến cong sâu ≥ 3–5 m dưới đáy sông.
• Bổ sung polymer để tránh xói cát.

5.3 Qua công trình ngầm

• Không đi trong phạm vi 1 m gần cáp điện, cống thoát nước.
• Điều chỉnh tuyến dẫn hướng vòng tránh vật cản.
• Giám sát liên tục độ nghiêng và phương vị.

5.4 Qua khu dân cư

• Đảm bảo độ sâu ≥ 2 m dưới móng nhà dân.
• Hạn chế rung chấn và tiếng ồn.
• Không để tràn bùn khoan.

Rủi ro kỹ thuật và biện pháp kiểm soát

6.1 Mất dung dịch khoan

Nguyên nhân:

• Tầng cát rời hoặc nhiều khe nứt.
• Áp lực bơm quá lớn.

Giải pháp:

• Bổ sung polymer tăng độ kết dính.
• Giảm áp lực bơm.
• Khoan chậm để dung dịch lấp đầy khe.

6.2 Sập vách lỗ khoan

Nguyên nhân:

• Địa chất yếu – bùn nhão.
• Không đủ bentonite.

Giải pháp:

• Tăng độ nhớt dung dịch.
• Khoan xen kẽ kiểm tra vách.

6.3 Lệch tuyến

Nguyên nhân:

• Địa chất thay đổi.
• Vận hành không chính xác.

Giải pháp:

• Điều chỉnh ngay tại hiện trường.
• Tăng khoảng tần suất kiểm tra đầu khoan.

6.4 Kẹt ống khi kéo

Nguyên nhân:

• Lực ma sát lớn.
• Dừng kéo quá lâu.

Giải pháp:

• Bôi trơn bổ sung.
• Kéo liên tục, đều tay.

Ưu điểm của phương pháp HDD trong lắp đặt ống dẫn nước

• Không đào mở → tiết kiệm mặt bằng.
• Không gây gián đoạn giao thông.
• Không phá vỡ địa hình tự nhiên.
• Độ chính xác tuyến cao.
• Áp dụng được cho nhiều loại địa chất.
• Giảm chi phí hoàn trả mặt bằng.
• Tăng tuổi thọ tuyến ống nhờ lắp đặt ổn định.

So sánh HDD và đào mở truyền thống

Tiêu chí	HDD	Đào mở
Ảnh hưởng giao thông	Rất thấp	Cao
Ảnh hưởng môi trường	Thấp	Trung bình – cao
Thời gian thi công	Nhanh	Chậm
Độ sâu linh hoạt	Cao	Hạn chế
Địa hình phức tạp	Thi công tốt	Khó hoặc không thể
Chi phí tổng thể	Trung bình	Lớn (do hoàn trả mặt bằng)

Ứng dụng HDD trong các dự án cấp nước tại Việt Nam

• Tuyến ống cấp nước HDPE D400 qua quốc lộ, tỉnh Đồng Nai.
• Tuyến ống thép D250 cấp nước nhà máy, Bình Dương.
• Tuyến ống HDPE D315 vượt kênh, Long An.
• Tuyến ống dẫn nước sạch đô thị Hà Nội, TPHCM, Cần Thơ.

Phương pháp khoan định hướng ngang (HDD) là giải pháp thi công ưu việt cho hệ thống đường ống dẫn nước ngầm. HDD không chỉ giảm thiểu tác động đến môi trường và công trình hiện hữu, mà còn đảm bảo tính bền vững, độ kín nước và chất lượng lâu dài cho hệ thống cấp nước đô thị và công nghiệp.

Để đạt hiệu quả, cần chú trọng:

• Khảo sát địa chất chi tiết.
• Lập tuyến và bán kính cong hợp lý.
• Điều khiển đầu khoan chính xác.
• Quản lý dung dịch khoan đúng kỹ thuật.
• Kiểm soát lực kéo và chất lượng ống.

Khi thực hiện đúng quy trình kỹ thuật, HDD trở thành giải pháp tối ưu, giúp rút ngắn tiến độ, giảm chi phí và nâng cao tuổi thọ hệ thống cấp nước ngầm.

 

Giới thiệu

Việt Nam là quốc gia sản xuất và tiêu thụ rất lớn lượng nước sinh hoạt. Tuy nhiên, hàng năm một số lượng lớn thiên tai thường xuyên xảy ra ở Việt Nam, trong đó thảm họa lũ lụt có tác động đáng kể nhất đến các khía cạnh của xã hội, đặc biết là nước sinh hoạt của người dân. Vì khoan định hướng gần như ngang (HDD) có lợi thế của lỗ khoan sâu và quỹ đạo chính xác, nó đã là chủ đề nghiên cứu chuyên sâu trong hai gần đây nhiều thập kỷ. Với công nghệ khoan định hướng, lỗ khoan sâu có thể được bố trí đồng nhất theo đường nối, và có thể khoan ngầm kéo ống lắp đặt đường ống dẫn nước dưới lòng đất.

Cốt lõi của phương pháp khoan định hướng lắp đặt đường ống dẫn nước trong lòng đất là quá trình khoan ngầm được kiểm soát và thiết bị. Các thiết bị và dụng cụ cho ống nước và địa chất trên mặt đất không phù hợp với ống nước dưới lòng đất vì những điều kiện đặc biệt của nó. Các thiết bị và dụng cụ khoan định hướng được nhập khẩu từ Mỹ, Nhật, Úc trước năm 2007.

Hệ thống khoan định hướng lắp đặt đường ống dẫn nước dưới lòng đất

Hệ thống khoan định hướng lắp đặt đường ống dẫn nước dưới lòng đất bao gồm giàn khoan định hướng, đo lường trong khi thiết bị khoan, dụng cụ khoan chuyên dụng và quy trình khoan. Nó có thể được sử dụng để khoan lỗ khoan để lấy khí đốt, thoát nước, thăm dò nâng cao và chống thấm nước trong tầng đá có hệ số độ cứng nhỏ hơn 8 và vỉa nước có hệ số độ cứng lớn hơn 1,5.

Trong quá trình khoan định hướng lắp đặt đường ống dẫn nước, bit quay để cắt nước, năng lượng của chúng được cung cấp bởi động cơ xả đáy dẫn động bằng chất lỏng áp suất cao. Thông tin đo thời gian thực được truyền qua cáp được cố định trong nướch từ lỗ xuống đến lỗ lên. Sau đó, máy khoan điều chỉnh hướng của động cơ mặt dụng cụ thông qua việc xoay dây khoan để kiểm soát độ nghiêng và phương vị của lỗ.

Phát triển cần khoan độ bền cao với bộ chèn lắp ráp cáp

Trong quá trình khoan ngầm lắp đặt đường ống dẫn nước, cần khoan đã được kéo, ép, uốn cong và xoắn. Xem xét sâu sắc khoan lỗ và xử lý tai nạn, cần khoan phải có đủ độ bền và độ dẻo để chống lại sự cố lớn hơn biến dạng uốn. Để truyền tín hiệu hiệu quả, cụm cáp được làm kín để chống nước và áp lực. Chèn lắp ráp cáp được thiết kế càng nhỏ càng tốt để mở rộng kích thước lỗ cho cần khoan để giảm tổn thất năng lượng của chất lỏng xả. Sức mạnh của chỉ và toàn bộ lực căng và xoắn của cần khoan được đảm bảo bởi vật liệu tối ưu và quy trình tiên tiến. 

 

So với cần khoan phẳng, cần khoan được phát triển có những ưu điểm như sau. Với lỗ thông lớn, giảm động năng của dung dịch khoan. Tín hiệu có thể được truyền từ lỗ xuống tới lỗ lên qua cáp được cố định tập trung với niêm phong nghiêm ngặt. Độ bền kéo 1000 kN có thể đáp ứng yêu cầu khoan định hướng, khoan xoay và giải quyết tai nạn hố sụt. Các ứng dụng trong tôi trong vài năm đã chứng minh hiệu suất của cần khoan.

Phát triển hệ thống khoan ngầm lắp đặt ống nước ngầm

Đo thời gian thực là chìa khóa để khoan theo quỹ đạo đã thiết kế. Hệ thống MWD cho khoan định hướng lắp đặt đường ống dẫn nước dưới lòng đất trong mỏ nước đã được phát triển, bao gồm trên và dưới cần khoan không từ tính, ống đo lường, cần khoan có chèn lắp cáp, xoay, giao tiếp dây cáp, giám sát lỗ khoan, v.v. Hệ thống này có thể khảo sát các thông số khoan chính như độ nghiêng, góc phương vị và góc của mặt dao. Các thông số này có thể được hiển thị trên màn hình của giám sát hố ga, do đó thợ khoan biết về tình hình hố sụt và điều chỉnh hướng khoan.

Sự khác biệt giữa hai hệ thống là kích thước của ống đo lường và màn hình lỗ lên. Thứ nhất, chúng tôi đã áp dụng phương pháp chống rung trong thiết kế màn hình để cải thiện độ tin cậy của màn hình. Chúng tôi cũng đã sử dụng cảm biến gia tốc và thông lượng trong ống đo để giảm nhiệt độ chênh lệch và cải thiện

Độ ổn định và độ chính xác. Màn hình LCD 6 inch và nguồn điện có thể sạc được đã được sử dụng trong màn hình lỗ lên của YHD1-1000 di động. Trên cơ sở độ chính xác cao và thời gian làm việc dài, chiều dài và đường kính của ống trong YHD2-1000 đều nhỏ hơn. Máy tính chống cháy và an toàn về bản chất với màn hình LCD 12 inch màn hình được sử dụng làm màn hình lỗ trên YHD21000. Nguồn 127V từ bộ khởi động được sử dụng để chạy máy tính này, trên đó hệ điều hành Windows XP và phần mềm đo lường và phân tích lỗ khoan được cài đặt để hiển thị và phân tích quỹ đạo khoan. 

 

Phát triển quy trình khoan ngầm lắp đặt đường ống dẫn nước HDD

Tính toán quỹ đạo lỗ khoan là mấu chốt của thiết kế và xây dựng cho lỗ khoan HDD. Mô hình tính toán quỹ đạo lỗ khoan định hướng HDD được thiết lập dựa trên các công nghệ trong lĩnh vực dầu khí và khoan không rãnh, với quỹ đạo ba chiều thu được. Một phần mềm quỹ đạo là phát triển để bố trí thống nhất cụm lỗ khoan trong vỉa nước.

Đường kính lỗ khoan thường là 96 mm đối với tầng đá và vỉa nước có hệ số độ cứng là từ 1 đến 6. Bằng cách kết hợp bộ ổn định với động cơ lỗ xuống, lỗ chính và lỗ nhánh được đã xây dựng. Phương pháp điều khiển quỹ đạo lỗ khoan và công nghệ đa hướng đáy khoan được hình thành.

Triển vọng

Phát triển máy khoan ngầm định hướng mới và công cụ cho 1500 mét lỗ khoan để đáp ứng nhu cầu của mặt đất thống nhất và dẫn ống nước ngầm. Áp dụng công nghệ khoan ngầm định hướng cho các lĩnh vực khác, chẳng hạn như thăm dò địa chất, chống thấm, xây dựng mỏ và khoan cứu hộ. Cải tiến các công cụ, dụng cụ, quy trình và phần mềm khoan định hướng dưới lòng đất cho mở rộng khu vực ứng dụng.

>>> Xem thêm Phương án khoan ngầm lắp đặt cáp viễn thông băng qua đường, Báo giá khoan robot dịch vụ khoan ngầm lắp đặt ống dẫn nước vượt sông

 

CÔNG TY CP TƯ VẤN ĐẦU TƯ & THIẾT KẾ XÂY DỰNG MINH PHƯƠNG

Địa chỉ: Số 28B Mai Thị Lựu, Phường Đa Kao, Q.1, TPHCM

Hotline:  0903649782 - (028) 3514 6426

Email: nguyenthanhmp156@gmail.com