Phương pháp khoan qua đường bằng robot

KHOAN NGẦM ROBOT KÉO ỐNG CÁP QUANG VƯỢT SÔNG, VƯỢT ĐƯỜNG THEO CÔNG NGHỆ HDD VÀ CÔNG NGHỆ ROBOT ĐỊNH VỊ TỰ ĐỘNG

Trong bối cảnh phát triển hạ tầng kỹ thuật hiện đại, yêu cầu thi công lắp đặt các tuyến cáp quang và ống ngầm vượt qua sông, đường giao thông, đường sắt và khu vực đô thị mật độ cao ngày càng tăng. Các phương pháp đào hở truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế, đặc biệt về an toàn giao thông, khả năng bảo vệ môi trường, sự ổn định của nền đường và rủi ro đụng chạm các công trình ngầm hiện hữu. Do vậy, công nghệ khoan định hướng ngang (HDD) kết hợp với hệ thống robot khoan ngầm và công nghệ đo đạc – thăm dò trong khi khoan (LWD/MWD) đã trở thành giải pháp chính cho các dự án thi công ngầm vượt chướng ngại. Việc tích hợp robot đào ngầm tự hành, công nghệ viễn thám khi khoan và hệ thống định vị độ chính xác cao giúp đảm bảo hiệu quả thi công, giảm rủi ro và mở ra khả năng thi công trong các điều kiện trước đây gần như không thể thực hiện.

Khoan ngầm robot là công nghệ mới phát triển nhằm bổ sung và nâng cao năng lực của giàn khoan HDD truyền thống. Robot khoan ngầm được thiết kế để hoạt động trực tiếp trong lòng đất, tự động điều chỉnh hướng, tốc độ và lực khoan dựa trên dữ liệu cảm biến. Sự kết hợp giữa khoan điều khiển bằng robot và hệ thống khoan HDD cho phép đạt độ cong nhỏ, quỹ đạo chính xác và độ sâu ổn định, đặc biệt quan trọng khi khoan vượt sông hoặc vượt đường với địa chất thay đổi đột ngột.

Ngày nay, robot đã được phát triển để thực hiện nhiều tác vụ phức tạp trên mặt đất, dưới nước, trên không và thậm chí trong không gian, nhưng robot đào ngầm vẫn là lĩnh vực còn mới. Một số robot tự chôn lấp đã xuất hiện, nhưng đa phần không được thiết kế để di chuyển dài hạn dưới lòng đất. Điều này khá bất ngờ khi xét đến việc nhiều loài động vật có khả năng đào hầm hiệu quả và con người lại thường xuyên cần xây dựng kết cấu dưới bề mặt. Sự ra đời của robot khoan ngầm tự hành là bước tiến để lấp đầy khoảng trống này và tạo ra một hướng đi mới trong thi công ngầm.

Liên minh Châu Âu đã tài trợ cho dự án BADGER, một trong những hệ thống robot đào ngầm tiên tiến nhất. BADGER không chỉ có khả năng khoan và di chuyển dưới lòng đất mà còn có khả năng định vị, lập bản đồ, điều hướng và xây dựng đường ống ngầm tự động. Robot được thiết kế để thực hiện đào ngang, đào sâu và tạo ra mạng lưới hầm kỹ thuật mà không cần con người can thiệp trực tiếp. Điểm đặc biệt là robot có thể bố trí hệ thống tường in 3D ngay bên trong các lỗ khoan nhằm ổn định đường ống dẫn hoặc không gian kỹ thuật mà nó tạo ra. Tính năng này mở ra khả năng thi công ngầm hoàn toàn mới, thay thế các phương pháp khoan lộ thiên hoặc phương pháp HDD truyền thống trong một số trường hợp.

Phương pháp khoan qua đường bằng robot được cải tiến nhờ khả năng tự điều hướng theo điều kiện thực tế dưới lòng đất. Trong khi các giàn khoan HDD truyền thống phụ thuộc vào điều khiển thủ công và thiết bị định vị sonde để theo dõi hướng khoan, robot khoan ngầm có khả năng tự phát hiện chướng ngại vật như đá cứng, đường ống hiện hữu, rễ cây hoặc cấu trúc ngầm bất thường. Điều này giảm thiểu rủi ro va chạm và tăng độ tin cậy của đường khoan. Trong môi trường đô thị, nơi mạng lưới hạ tầng ngầm rất dày, robot khoan có thể thay đổi đường khoan theo thời gian thực thay vì phải khoan lại toàn bộ nếu gặp chướng ngại vật ngoài dự đoán.

Trong thi công khoan HDD vượt sông, vượt đường, công nghệ thăm dò trong khi khoan đóng vai trò then chốt giúp tăng mức độ an toàn. Công nghệ LWD và MWD được sử dụng để thu thập dữ liệu về địa chất, mật độ đất, độ ẩm, thành phần khoáng, mực nước ngầm và các ranh giới địa chất nằm phía trước đầu khoan. Thiết bị LWD truyền dữ liệu thời gian thực về giao diện máy tính, cho phép điều chỉnh quỹ đạo khoan nhằm tránh các vùng đất yếu hoặc túi bùn, vốn là nguyên nhân gây sập thành lỗ hoặc ngập lụt đường khoan.

Một trong những bước tiến quan trọng là công nghệ thăm dò bằng sóng điện từ phương vị, trong đó thiết bị phát – thu gắn trên robot hoặc đầu khoan có thể phát hiện ranh giới vật chất trong phạm vi hàng chục mét phía trước. Ví dụ, hệ thống EMLA của Schlumberger cho phép phát hiện địa chất phía trước trong khoảng 30 mét. Công nghệ này đặc biệt hữu ích khi khoan qua đường, nơi nền móng công trình, hệ thống cáp điện ngầm, cống thoát nước hoặc móng cầu cạn có thể gây rủi ro lớn nếu không được phát hiện sớm.

Năm 2015, dịch vụ GeoSphere được giới thiệu, cho phép mô tả địa chất và ranh giới vỉa sâu đến 30 mét tính từ đường khoan. Đối với công nghệ khoan ngầm lắp đặt ống cáp quang, GeoSphere giúp nhận biết thay đổi địa chất, xác định túi nước ngầm, lớp đất yếu hoặc đá cứng, qua đó cho phép robot điều hướng theo vùng đất ổn định và giảm thiểu lực kéo khi kéo ống.

Từ năm 2018, công nghệ EarthStar của Halliburton cải thiện phạm vi thăm dò lên đến 61 mét, nâng hiệu quả và an toàn thi công ở những tuyến vượt sông lớn, nơi độ sâu và chiều rộng sông tạo ra thách thức đặc biệt. Khi áp dụng trong thi công HDD, dữ liệu EarthStar cung cấp bản đồ địa chất 3D của khu vực phía trước đầu khoan, thay vì chỉ cung cấp đường cong tuyến tính. Điều này giúp nhà thầu khoan dự đoán được các dị thường như đá nứt, hố sụt, các vỉa đất dốc hoặc các túi bùn có khả năng gây mất dung dịch khoan.

Hệ thống định vị robot trong thi công HDD giúp đảm bảo quỹ đạo khoan đi đúng theo thiết kế. Robot sử dụng cảm biến định vị quán tính, cảm biến từ, radar xuyên đất và đôi khi cả camera nội soi để xác định vị trí theo không gian ba chiều. Khi khoan vượt đường hoặc vượt sông, sai số định vị chỉ vài centimet có thể dẫn tới thay đổi lớn trong quỹ đạo. Do đó, các thuật toán điều khiển và hệ thống tự động hóa đóng vai trò quan trọng giúp robot duy trì ổn định và điều hướng chính xác.

Robot khoan ngầm vượt sông mang theo các cảm biến áp lực, cảm biến rung, cảm biến nhiệt và hệ thống đo độ nghiêng cho phép phát hiện tình trạng bất thường như tăng áp đột ngột, mất dung dịch, hoặc rung động bất thường có thể liên quan đến đá cứng. Khi phát hiện rủi ro, hệ thống tự giảm tốc, tăng áp lực dung dịch hoặc báo động để điều chỉnh phương pháp khoan.

Khi thi công khoan qua đường bằng robot, việc kiểm soát bán kính cong và độ sâu là yếu tố quan trọng để tránh phạm vi móng công trình hoặc các hệ thống cáp ngầm. Các thuật toán điều hướng dựa trên dữ liệu LWD/MWD quyết định góc khoan và tốc độ phù hợp. Với các tuyến dài, việc duy trì độ sâu ổn định dưới mực nước ngầm giúp giảm rủi ro phun bùn hoặc thoát bùn ra mặt đường.

Giai đoạn doa mở rộng trong thi công robot HDD vượt sông đòi hỏi sự kết hợp giữa giàn khoan bề mặt và robot dẫn hướng dưới lòng đất. Mũi doa phải hoạt động ổn định, và thông số áp lực dung dịch được điều chỉnh theo điều kiện địa chất để giảm nguy cơ phá vỡ thành lỗ. Sử dụng dữ liệu thăm dò địa chất trong khi doa giúp phát hiện những biến thiên về độ chặt đất hoặc các vùng đất dễ sập, từ đó điều chỉnh tần suất doa hoặc tốc độ kéo phù hợp.

Kéo ống cáp quang là giai đoạn yêu cầu độ chính xác cao. Các hệ thống robot hiện đại sử dụng cảm biến lực kéo để tối ưu lực kéo, tránh vượt quá giới hạn chịu lực của ống HDPE hoặc ống bảo vệ cáp quang. Robot hỗ trợ định hướng giúp giảm ma sát giữa ống và thành lỗ khoan, đặc biệt trong các đoạn cong sâu dưới lòng sông. Việc duy trì dòng dung dịch khoan liên tục giúp giảm nhiệt, giảm ma sát và hạn chế hiện tượng kẹt ống.

Rủi ro phổ biến khi khoan ngầm vượt sông và vượt đường bao gồm mất dung dịch khoan, sập thành lỗ, lệch tuyến khoan, phun bùn ra bề mặt và kẹt cần. Việc ứng dụng robot khoan ngầm, công nghệ thăm dò khi khoan và các hệ thống định vị nâng cao giúp giảm đáng kể các rủi ro này. Robot có thể phát hiện túi bùn hoặc khe đá nứt trước khi tiếp cận và điều chỉnh đường khoan để giảm nguy cơ sập lỗ. Các hệ thống cảnh báo thông minh dựa trên phân tích dữ liệu thời gian thực giúp nhận biết dấu hiệu sớm của sự cố, cho phép người vận hành có biện pháp xử lý kịp thời.

Sự phát triển của các công nghệ thăm dò trong khi khoan và robot tự động mở ra tiềm năng lớn cho thi công ngầm HDD trong tương lai. Các hệ thống AI phân tích dữ liệu LWD/MWD có thể dự đoán hướng khoan tối ưu, tránh vùng nguy hiểm và tự động điều chỉnh thông số khoan. Những công nghệ này sẽ giảm chi phí thi công, rút ngắn tiến độ và tăng độ tin cậy của các dự án vượt sông, vượt đường.

Khoan ngầm robot kết hợp HDD là bước tiến tất yếu của công nghệ thi công dưới lòng đất, đưa công tác lắp đặt tuyến cáp quang vượt sông, vượt đường đạt đến độ chính xác và an toàn cao hơn. Việc tích hợp công nghệ thăm dò khi khoan, định vị robot và tự động hóa quy trình sẽ tiếp tục định hình tương lai của thi công ngầm tại Việt Nam và trên thế giới, cung cấp một giải pháp hiện đại, hiệu quả và bền vững cho các dự án hạ tầng kỹ thuật.

Phương pháp khoan qua đường bằng robot

Khoan robot

Ngày nay, bạn có thể tìm thấy những con robot có khả năng và tự tin lái xe, bay, bơi, lặn, ngoài không gian và thậm chí là xuyên băng buồn chán. Những gì chúng ta chưa thấy nhiều là các robot được thiết kế để đào dưới lòng đất. Đã có một số robot tự chôn lấp sử dụng việc đào bới để làm lợi thế của chúng, nhưng chúng không được thiết kế để vận chuyển dưới lòng đất. Thành thật mà nói, điều này hơi kỳ lạ khi xem xét có bao nhiêu loài động vật kiếm sống bằng cách đào đường hầm, và cũng xem xét tần suất con người chúng ta cần làm những việc hữu ích dưới lòng đất.

Liên minh châu Âu đã tài trợ cho một dự án chế tạo khoan robot dưới lòng đất thông qua việc phát triển “một hệ thống rô bốt có thể khoan, điều động, xác định vị trí, lập bản đồ và điều hướng trong không gian ngầm và sẽ được trang bị các công cụ để xây dựng ngang và mạng lưới đường ống và lỗ khoan ổn định theo chiều dọc. ” Được gọi là BADGER (roBot cho các tùy chọn hoạt động không rãnh, lập bản đồ và điều hướng của Autonomous nDerGround), nó là một ý tưởng thú vị và sáng tạo và cũng là từ viết tắt kỳ cục nhất mà tôi từng thấy.

Biện pháp thi công khoan qua đường bằng robot

Các công ty xây dựng đã sử dụng nhiều loại máy móc đào để giúp đào dưới đất và lắp đặt đường ống và dây cáp. Nhưng thiết bị này có những hạn chế: Thông thường, phương pháp khoan qua đường này không thể tự phát hiện và điều hướng xung quanh đá, đường ống, rễ cây và các chướng ngại vật khác, vì vậy nó phải dựa vào con người để xác định chính xác vị trí cần đào. Hơn nữa, những chiếc máy này được thiết kế để di chuyển chủ yếu theo đường thẳng và không thể xây dựng một mạng lưới đường hầm phức tạp, quanh co. Chúng cũng tốn kém để vận hành. Do đó, các công ty xây dựng thường kết thúc việc khoan qua đường bằng cách mở các rãnh, lắp đặt các đường ống vào lỗ, và sau đó lấp lại tất cả.

Ngược lại, BADGER sẽ có thể tự đào sâu dưới mặt đất để tạo kênh cho các đường ống, điều hướng xung quanh cơ sở hạ tầng hiện có trong khi làm như vậy. Nó thậm chí có thể sắp xếp các bức tường in 3D cho ống dẫn mà nó tạo ra khi nó đi.

Cơ chế khoan sẽ là sự kết hợp của công nghệ khoan quay và khoan va đập, cùng với công cụ khoan siêu âm ”được thiết kế để“ thúc đẩy quá trình nghiền thành bột của đá.  Tất cả đá nghiền đó sẽ được hút lên và xả ra phía sau của robot để giữ cho đường hầm thông thoáng. Robot sẽ tự đẩy mình thông qua chuyển động nhu động sinh học, giống như một con sâu. Toàn bộ mọi thứ đều là mô-đun và các mô-đun truyền động, mô-đun chung và mô-đun công cụ đều có thể được hoán đổi tùy thuộc vào những gì bạn đang cố gắng hoàn thành. Các mảng ăng-ten radar xuyên đất, cảm biến điều hướng điện tử và laser giúp giữ cho robot đi đúng hướng thông qua SLAM dưới lòng đất trong khi tránh các chướng ngại vật dưới lòng đất như đá, đường ống khác và chuột chũi.

Cuối cùng, ý tưởng là kết thúc với một "hệ thống robot, theo cách tiếp cận và kiến ​​trúc mô-đun cao, đồng thời đảm bảo hoạt động đáng tin cậy và đáng tin cậy trong môi trường ngầm ngoài đời thực cùng với sự kết hợp với các công nghệ thị trường mạnh mẽ hiện có cho các ứng dụng không rãnh."

Xem thêm các bài viết khác