Trong những năm gần đây, cùng với quá trình đô thị hóa nhanh, mở rộng hạ tầng giao thông và gia tăng nhu cầu ngầm hóa các hệ thống kỹ thuật, công nghệ khoan ngang định hướng (Horizontal Directional Drilling – HDD) đã được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong xây dựng các công trình ngầm. Kỹ thuật này, đặc biệt khi kết hợp với các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại thường được gọi là khoan ngầm robot, đã trở thành giải pháp chủ đạo để lắp đặt đường ống ngầm, ống dẫn và tuyến cáp phục vụ nhiều mục đích khác nhau như vận chuyển khí, dẫn nước, truyền tải điện năng, cáp viễn thông và tín hiệu điều khiển. Sự phát triển của khoan ngang định hướng không chỉ phản ánh tiến bộ về công nghệ thi công mà còn thể hiện xu hướng chuyển dịch từ các phương pháp đào mở truyền thống sang các giải pháp không đào, nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về an toàn, môi trường và hiệu quả kinh tế.

Khoan ngang định hướng về bản chất là một phương pháp thi công khoan giếng không đào, trong đó lỗ khoan được tạo theo phương ngang hoặc theo quỹ đạo cong có kiểm soát dưới bề mặt địa hình. Khác với các phương pháp đào rãnh truyền thống, HDD cho phép thi công các tuyến ngầm mà không cần phá vỡ mặt đất trên toàn tuyến, chỉ cần bố trí các điểm vào và điểm ra ở hai đầu. Nhờ đó, tác động đến khu vực xung quanh được giảm thiểu đáng kể, đặc biệt tại các khu vực nhạy cảm như đường giao thông đang khai thác, sông ngòi, khu dân cư đông đúc và các khu vực có mật độ công trình hạ tầng cao.

Một trong những lý do chính khiến khoan ngang định hướng ngày càng được ưa chuộng là tính hiệu quả về chi phí và thời gian. Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị và công nghệ HDD có thể cao hơn so với các phương pháp truyền thống, nhưng tổng chi phí vòng đời dự án thường thấp hơn nhờ giảm chi phí hoàn trả mặt bằng, hạn chế gián đoạn giao thông, giảm rủi ro sự cố và rút ngắn thời gian thi công. Trong bối cảnh các dự án hạ tầng ngày càng chịu áp lực về tiến độ và yêu cầu duy trì hoạt động bình thường của đô thị, những lợi thế này trở nên đặc biệt quan trọng.

Về mặt kỹ thuật, khoan ngang định hướng sử dụng hệ thống máy khoan chuyên dụng có khả năng tạo lực đẩy, lực kéo và mô men xoắn lớn, kết hợp với mũi khoan dẫn hướng có thể điều chỉnh phương vị và độ nghiêng. Hệ thống định vị và giám sát cho phép theo dõi liên tục vị trí mũi khoan trong không gian ba chiều, từ đó hiệu chỉnh quỹ đạo khoan theo đúng thiết kế. Khi tích hợp các cảm biến, bộ điều khiển và phần mềm phân tích, quá trình khoan có thể được tự động hóa ở mức độ cao, tạo nên khái niệm khoan ngầm robot trong thực tiễn thi công.

Trong thực tế ứng dụng, khoan ngang định hướng thường được phân thành ba nhóm chính dựa trên điều kiện thi công và mục đích sử dụng. Nhóm thứ nhất là khoan định hướng ngang qua đường giao thông, bao gồm đường đô thị, quốc lộ, cao tốc và đường sắt. Đây là nhóm ứng dụng phổ biến nhất, xuất phát từ nhu cầu lắp đặt các tuyến ống và cáp mà không làm gián đoạn giao thông. Trong các dự án này, yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là kiểm soát độ lún và biến dạng nền đường, đảm bảo không ảnh hưởng đến kết cấu áo đường và an toàn khai thác. Tuyến khoan thường được thiết kế ở độ sâu đủ lớn để nằm ngoài vùng ảnh hưởng trực tiếp của tải trọng giao thông, đồng thời bán kính cong được lựa chọn phù hợp với khả năng chịu uốn của ống và thiết bị khoan.

Nhóm ứng dụng thứ hai là khoan định hướng vượt sông, kênh rạch và các thủy hệ tự nhiên. Đây là lĩnh vực đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật và quản lý môi trường cao hơn so với khoan qua đường. Trong các dự án vượt sông, tuyến khoan phải được đặt sâu dưới lòng sông, trong lớp địa tầng ổn định, nhằm tránh vùng xói lở và ảnh hưởng thủy lực. Công tác khảo sát địa chất và thủy văn đóng vai trò quyết định, bởi các lớp đất bão hòa nước, cát chảy hoặc bùn sét yếu có thể gây mất ổn định thành lỗ khoan và tăng nguy cơ trào dung dịch khoan ra lòng sông. Việc kiểm soát áp suất dung dịch khoan và theo dõi lưu lượng hồi về là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo an toàn môi trường.

Nhóm ứng dụng thứ ba là khoan định hướng lắp đặt tiện ích trong khu vực đô thị phức hợp, bao gồm các giao lộ lớn, khu dân cư đông người và các khu vực có mạng lưới hạ tầng ngầm chồng chéo. Trong các khu vực này, khoan ngang định hướng cho phép lắp đặt các tuyến cáp điện, cáp quang và ống kỹ thuật mà không cần đào mở mặt đường, từ đó giảm thiểu ảnh hưởng đến sinh hoạt của người dân và hoạt động kinh tế. Yêu cầu kỹ thuật quan trọng là độ chính xác cao của quỹ đạo khoan để tránh xung đột với các công trình ngầm hiện hữu, cũng như kiểm soát rung động và tiếng ồn trong quá trình thi công.

Quy trình thi công khoan ngang định hướng, bất kể thuộc nhóm ứng dụng nào, đều tuân theo một cấu trúc kỹ thuật cơ bản gồm ba giai đoạn chính: khoan dẫn hướng, mở rộng lỗ khoan và kéo ống hoặc kéo cáp. Giai đoạn khoan dẫn hướng là bước quan trọng nhất, quyết định độ chính xác hình học của toàn bộ tuyến khoan. Trong giai đoạn này, mũi khoan có đường kính nhỏ được dẫn động theo quỹ đạo thiết kế dưới sự giám sát của hệ thống định vị. Các thông số về độ sâu, phương vị và độ nghiêng được cập nhật liên tục, cho phép hiệu chỉnh kịp thời khi có sai lệch.

Sau khi hoàn thành khoan dẫn hướng, lỗ khoan được mở rộng theo từng cấp bằng các thiết bị doa chuyên dụng. Việc mở rộng theo nhiều cấp giúp giảm lực kéo, hạn chế xáo trộn địa tầng và đảm bảo ổn định thành lỗ khoan. Đường kính lỗ khoan cuối cùng thường lớn hơn đường kính ngoài của ống hoặc bó cáp từ 20 đến 40 phần trăm, nhằm tạo khoảng hở cần thiết cho dung dịch khoan lưu thông và giảm ma sát trong quá trình kéo.

Giai đoạn kéo ống hoặc kéo cáp là bước cuối cùng và có mức độ rủi ro cao nhất. Tuyến ống hoặc ống bảo vệ cáp được lắp ráp hoàn chỉnh trên bề mặt, kiểm tra chất lượng mối nối và liên kết với đầu kéo của máy khoan thông qua khớp xoay nhằm tránh xoắn. Quá trình kéo được thực hiện liên tục với tốc độ ổn định, lực kéo được kiểm soát không vượt quá giới hạn cho phép của vật liệu ống và cáp. Trong trường hợp cần thiết, dung dịch bôi trơn được bổ sung để giảm ma sát và hạn chế xáo trộn địa tầng.

Sự phát triển của khoan ngầm robot trong những năm gần đây đã nâng cao đáng kể độ chính xác và độ an toàn của kỹ thuật khoan ngang định hướng. Các hệ thống điều khiển hiện đại cho phép tự động hóa nhiều công đoạn, giảm phụ thuộc vào kinh nghiệm thủ công của người vận hành. Việc tích hợp các cảm biến, hệ thống đo lường và phần mềm phân tích dữ liệu giúp theo dõi trạng thái thiết bị, điều kiện địa chất và các thông số khoan theo thời gian thực, từ đó nâng cao khả năng dự báo và phòng ngừa sự cố.

Từ góc độ quản lý dự án, việc ứng dụng khoan ngang định hướng và khoan ngầm robot mang lại nhiều lợi ích về tổ chức thi công và kiểm soát rủi ro. Các dự án có thể được triển khai trong điều kiện mặt bằng hạn chế, giảm nhu cầu giải phóng mặt bằng và hạn chế xung đột xã hội. Đồng thời, việc giảm thiểu đào mở giúp giảm tác động môi trường, phù hợp với các yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Trong bối cảnh hiện nay, khoan ngang định hướng không chỉ là một giải pháp kỹ thuật mà còn là một công cụ chiến lược trong phát triển hạ tầng ngầm. Việc áp dụng rộng rãi kỹ thuật này trong lắp đặt đường ống dẫn khí, đường ống nước, cáp điện và cáp quang đã góp phần nâng cao hiệu quả đầu tư, cải thiện chất lượng công trình và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và xã hội. Xu hướng này dự kiến sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai, cùng với sự hoàn thiện của công nghệ khoan ngầm robot và các hệ thống điều khiển thông minh.

Tóm lại, ứng dụng khoan ngang định hướng trong những năm gần đây phản ánh một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng ngầm. Với khả năng thi công không đào, độ chính xác cao và tính linh hoạt trong nhiều điều kiện địa hình, kỹ thuật này đã và đang được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích khác nhau, từ vận chuyển khí, dẫn nước đến truyền tải điện năng và tín hiệu. Việc nghiên cứu, chuẩn hóa và áp dụng đúng quy trình kỹ thuật khoan ngang định hướng là cơ sở quan trọng để đảm bảo an toàn, hiệu quả và bền vững cho các dự án hạ tầng ngầm trong bối cảnh phát triển hiện đại.

Ứng dụng khoan ngang định hướng trong những năm gần đây, khoan định hướng của kỹ thuật khoan ngầm robot đang được sử dụng rộng rãi để lắp đặt đường ống ngầm, ống dẫn và cáp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau (vận chuyển khí, cáp điện, đường ống nước, tín hiệu, v.v.). Lý do tại sao kỹ thuật này thuận tiện là nó tác động tối thiểu đến khu vực xung quanh, nó có hiệu quả về chi phí và nó không tốn thời gian như khai quật truyền thống. Trong thực tế, khoan định hướng là thực hành khoan giếng không đào. Ba nhóm chính thường được xem xét: khoan định hướng ngang qua đường, qua sông, khoan định hướng lắp đặt tiện ích (khoan định hướng ngang hoặc HDD) và bề mặt trong đường phố giao nhau theo chiều ngang hoặc khu dân cư đông người có nhiều đường giao thông phức hợp.

Thiết bị thu phát tín hiệu GPR có thể được sử dụng để theo dõi và kiểm tra hướng chính xác của quá trình khoan cũng như theo dõi sự thẩm thấu của chất lỏng đất sét bentonit được bơm dưới áp lực trong khi khoan đất. Điều này rất quan trọng vì sự xâm nhập cuối cùng của đất sét dưới mặt đường hoặc kết cấu có thể gây ra sự mất ổn định, biến dạng và hư hỏng Mô hình cho thấy sự so sánh giữa hai lần quét radar của cùng một đoạn dưới mặt đường trước và sau khi khoan và định vị cáp. Đặc biệt, hình này đề cập đến một cáp tín hiệu được lắp đặt dưới vỉa hè của khu vực.

Trong khoan định hướng ngang, tập trung vào các vấn đề kỹ thuật hỏng hóc nghiêm trọng khi khoan doa trong bánh kẹp mềm và cứng, chương này thiết lập một mô hình phần tử hữu hạn động lực học phi tuyến bao gồm thực thể mũi doa hình nón có đường kính 601 mm và mũi khoan 3 chiều. Mô hình dựa trên cơ học nhựa đàn hồi và mũi cắt. Sử dụng các hướng dẫn của nhà thầu khoan ngang như một thành phần cấu tạo mũi khoan ngầm, một nghiên cứu so sánh về cường độ dao động bên, trục và xoắn trong hệ tầng cứng-mềm trước đây, cấu tạo cứng-mềm trước đây và hệ thống đồng nhất đã được thực hiện và đưa ra các kết luận và khuyến nghị sau :

(1)Trong quá trình kẹp mềm và kẹp cứng, doa phải trải qua sự rung chuyển nghiêm trọng về bên, đây là nguyên nhân gốc rễ của việc doa bị hỏng sớm; Ngoài ra, dao động bên lớn hơn nhiều so với dao động dọc trục và rung động xoắn về tác dụng phụ của mũi doa.

(2)Trong bánh kẹp mềm và cứng, độ rung bên của đỉnh biên độ, đỉnh gia tốc và gia tốc RMS đạt đến dạng đồng nhất tương ứng là 4,2 lần, 6,6 lần, 7,1 lần và mức độ rung bên là cấp sáu hoặc cao hơn. Điều này không chỉ khiến đường cong đi lạc khỏi mục tiêu đã định, mà còn dẫn đến mài mòn nghiêm trọng mũi doa và thậm chí có thể gây tai nạn hoán đổi côn, từ đó khiến dự án thất bại.

(3)Trong bánh kẹp mềm và cứng, cường độ dao động bên doa tăng lên cùng với sự gia tăng của lực kéo lùi và RPM. Và gia tốc dao động theo bên RMS trong hệ tầng cứng-mềm trước đây đạt tới 5,5 lần độ lớn của hệ tầng cứng-mềm trước đây, điều này cho thấy rằng cấu tạo cứng-mềm trước đây có hại cho mũi doa hơn.

(4)Các thông số doa không hợp lý làm trầm trọng thêm độ rung, và theo tính toán của nghiên cứu, khi mũi doa khoan ở hình dạng mềm-cứng trước đây, lực kéo lùi có thể được đặt là 15-30 tấn và RPM có thể được đặt là 10-15 vòng / phút ; khi mũi doa khoan ở dạng cứng-mềm trước đây, lực kéo ngược tốt nhất là không quá 15 t và RPM có thể được đặt là 10-15 vòng / phút, lúc đó độ rung bên BHA đạt mức 4-5 , trong một khu vực làm việc an toàn.

(5)Trong chương này, một số kết luận đã định hướng cho phân đoạn trong một số dự án kỹ thuật khoan định hướng ngang của Dự án Đường ống dẫn Khí Nam Côn Sơn (bao gồm nhiều loại kẹp mềm và cứng). được kiểm soát trong quá trình thi công, không để xảy ra tình trạng xô lệch bánh răng và tai nạn sập hầm lỗ khoan và công trình đã hoàn thành tốt đẹp.