Bước đột phá dưới lòng biển
Trung Quốc đã triển khai hệ thống đào hầm bằng khiên sử dụng hỗn hợp ba loại khí đầu tiên thuộc loại này để phục vụ xây dựng đường hầm dưới biển Jintang, tuyến đường sắt dài 16,18 km sẽ trở thành đường hầm đường sắt cao tốc dưới biển dài nhất thế giới. Công nghệ do trong nước phát triển cho phép công nhân làm việc an toàn ở mức áp suất vượt xa giới hạn truyền thống, đánh dấu bước tiến lớn trong kỹ thuật xây dựng công trình ngầm. Hệ thống đã được đưa vào hoạt động tại đoạn hầm phía Chu Sơn, nơi các đội thi công phải đối mặt với những điều kiện khắc nghiệt bậc nhất từng ghi nhận trong xây dựng đường sắt. Bằng cách pha trộn heli, nitơ và oxy theo tỷ lệ chính xác, thiết bị duy trì sự sống và khả năng tỉnh táo của con người trong môi trường có áp lực nước và đất ở mức thường chỉ gặp trong hoạt động thám hiểm biển sâu, chứ không phải đào hầm.
Nội dung
Bên trong đường hầm đường sắt cao tốc dưới biển dài nhất
Đường hầm Jintang sẽ nối Ninh Ba và Chu Sơn, băng qua tuyến đường thủy đông đúc ở tỉnh Chiết Giang, miền đông Trung Quốc. Khi hoàn thành, hành lang dài 16,18 km này sẽ lập kỷ lục thế giới về đường hầm đường sắt cao tốc dưới biển dài nhất, vượt xa các tuyến đường sắt ngầm dưới biển hiện có về chiều dài và độ phức tạp. Dự án là một đoạn trọng yếu trong mạng lưới giao thông lớn hơn, được thiết kế nhằm kết nối đất liền với Chu Sơn chặt chẽ hơn. Thành phố quần đảo này từ lâu gặp nhiều trở ngại về hậu cần do vị trí địa lý biệt lập, ảnh hưởng đến cả người đi lại lẫn vận tải hàng hóa.
Các đội thi công ở phía Chu Sơn phụ trách đoạn đào hầm bằng khiên dài 6.270 mét, đòi hỏi nhiều tháng đào liên tục qua các tầng địa chất khác nhau dưới đáy biển. Máy đào khiên, thường được gọi là máy đào hầm TBM, tạo các đường hầm hình tròn đồng thời lắp đặt kết cấu chống đỡ để ngăn sập. Những cỗ máy khổng lồ này dùng đầu cắt xoay để nghiền đá và trầm tích, nhưng dụng cụ cắt bị mài mòn và cần được kiểm tra hoặc thay thế định kỳ. Việc bảo trì bên trong buồng chịu áp lực sâu dưới mực nước là một trong những công việc nguy hiểm nhất của ngành xây dựng dân dụng.
Vì sao các phương pháp truyền thống chạm ngưỡng
Vận hành buồng áp suất siêu cao là một trong những thách thức khắc nghiệt nhất của ngành đào hầm bằng khiên. Trong nhiều thập kỷ, các đội thi công đã dựa vào hệ thống khí nén để ngăn nước tràn vào buồng đào khi công nhân vào bảo dưỡng đầu cắt. Các kỹ thuật khí nén thông thường có giới hạn áp suất an toàn được công nhận là 0,5 megapascal. Vượt ngưỡng này, nguy cơ mắc bệnh giảm áp và các nguy hiểm sinh lý khác tăng mạnh, khiến việc đưa người vào trở nên quá rủi ro.
Tuy nhiên, đường hầm Jintang vượt qua những giới hạn cũ. Đoạn sâu nhất nằm ở độ sâu 78 mét dưới mực nước biển, nơi áp lực tổng hợp của nước và đất tăng lên 0,85 megapascal. Để hình dung lực này, hãy tưởng tượng có khoảng 30 kg trọng lượng đè lên một diện tích không lớn hơn đồng xu một nhân dân tệ. Với các quy trình khí nén tiêu chuẩn, công nhân không thể chịu được mức áp lực tập trung như vậy. Dự án đòi hỏi một cách tiếp cận hoàn toàn khác về hỗ trợ sự sống và kiểm soát áp suất.
Học hỏi từ biển sâu
Đối mặt với trở ngại cực lớn này, đội ngũ thi công không tìm đến công nghệ khai mỏ thông thường mà hướng sang hoạt động lặn biển sâu. Lặn bão hòa và các hệ thống thở khí hỗn hợp từ lâu đã giúp thợ lặn thương mại làm việc ở độ sâu mà khí nén thông thường có thể gây tử vong. Các quy luật sinh lý tương tự được áp dụng dù người lao động đang sửa chữa hạ tầng trên giàn khoan ngoài khơi hay thay linh kiện bị mòn trên đầu cắt của máy đào hầm nằm sâu hàng trăm mét dưới lòng đất. Các kỹ sư đã điều chỉnh những nguyên tắc hàng hải này để tạo ra hệ thống khí hỗn hợp ba thành phần gồm heli, nitơ và oxy, được thiết kế riêng cho hoạt động đào hầm.
Heli là thành phần tạo nên bước đột phá. Khác với nitơ, chiếm phần lớn trong không khí thông thường, heli có mật độ thấp và khuếch tán nhanh qua các mô. Dưới áp suất cực cao, khí thở thông thường khiến nitơ hòa tan vào máu với lượng nguy hiểm, gây ra tình trạng say nitơ, đôi khi được gọi là “cơn say biển sâu”, làm suy giảm khả năng phán đoán và chậm phản ứng. Một công nhân mất phương hướng ở sâu hàng trăm mét dưới lòng đất sẽ gây nguy hiểm cho bản thân và đồng nghiệp. Bản thân oxy cũng trở nên độc hại nếu được hít thở ở áp suất riêng phần cao trong thời gian dài. Heli tránh được cả hai vấn đề, tạo ra môi trường an toàn hơn, giúp công nhân duy trì sự tỉnh táo và trạng thái sinh lý ổn định khi làm việc trong điều kiện tương tự đáy đại dương sâu.
Việc ứng dụng công nghệ lặn biển vào đào hầm phản ánh xu hướng ngày càng phổ biến trong kỹ thuật hạ tầng: các giải pháp vượt qua ranh giới giữa những lĩnh vực khác nhau. Những gì hiệu quả với thợ lặn trên giàn khoan ngoài khơi, sau khi được điều chỉnh cẩn thận, có thể bảo vệ các đội xây dựng đường sắt ở độ sâu hàng trăm mét dưới lòng đất. Sự kết hợp giữa khoa học biển và kỹ thuật xây dựng dân dụng này có thể định hình thế hệ dự án công trình ngầm tiếp theo tại các khu vực ven biển trên toàn cầu.
Hệ thống khí hỗn hợp ba thành phần hoạt động ra sao
Thiết bị mới không chỉ là một bộ bình khí đặt trên xe đẩy. Hệ thống tích hợp hai mô-đun chính, một mô-đun pha khí và một mô-đun cấp khí, được hỗ trợ bởi 113 mô-đun phụ chuyên dụng, gồm các trung tâm phân phối khí, trung tâm cấp khí và thiết bị thở cá nhân. Kiến trúc mô-đun này cho phép kiểm soát chính xác hỗn hợp khí cấp cho từng công nhân bên trong buồng chịu áp lực.
Hệ thống có thể hỗ trợ hoạt động trong dải áp suất từ 0,5 đến 1 megapascal. Giới hạn trên này vượt cả mức tối đa 0,85 megapascal của đường hầm Jintang, tạo dư địa an toàn cho những dự án còn thách thức hơn trong tương lai. Các thuật toán pha khí điều chỉnh tỷ lệ heli, nitơ và oxy theo thời gian thực để phù hợp với áp suất môi trường tại mặt cắt đào, bảo đảm công nhân nhận được hỗn hợp khí thở tối ưu bất kể đường hầm sâu đến đâu.
Mỗi bộ phận phải chịu được môi trường nước mặn ăn mòn, rung động liên tục từ máy đào và áp lực cơ học trong điều kiện siêu áp. Các kỹ sư thiết kế hệ thống an toàn dự phòng để sự cố ở bất kỳ mô-đun phụ đơn lẻ nào cũng không làm ảnh hưởng đến hệ thống hỗ trợ sự sống của toàn đội. Giám sát từ xa cho phép các đội trên mặt đất theo dõi lưu lượng khí, mức áp suất và các dấu hiệu sinh tồn của từng công nhân mà không cần tự vào buồng.
Bảo vệ công nhân trong điều kiện khắc nghiệt
An toàn luôn là mối quan tâm hàng đầu khi con người vào buồng đào chịu áp lực. Say nitơ là một trong những mối nguy hiểm khó nhận biết nhất trong môi trường áp suất cao. Dưới áp lực, khí trơ này hòa tan vào mô thần kinh, gây ra các triệu chứng tương tự ngộ độc rượu. Công nhân bị say nitơ có thể cảm thấy phấn khích hoặc mất phương hướng, biến công việc bảo trì thường lệ thành canh bạc sinh tử. Heli không gây tác động gây mê này, đó là lý do thợ lặn biển sâu và nay cả công nhân đào hầm sử dụng khí này.
Ngộ độc oxy là một mối nguy khác. Dù oxy thiết yếu cho sự sống, việc hít thở oxy ở áp suất riêng phần cao trong thời gian dài có thể gây tổn thương phổi và hệ thần kinh trung ương. Bằng cách pha loãng oxy với heli và kiểm soát chặt chẽ tỷ lệ thành phần trong hỗn hợp, hệ thống ba thành phần ngăn sự tích tụ ở mức độc hại mà vẫn cung cấp đủ khí để duy trì hoạt động thể lực cường độ cao.
Quy trình giảm áp cũng cần được quản lý cẩn thận. Khi kết thúc ca làm, công nhân phải trải qua một loạt giai đoạn giảm áp để khí hòa tan thoát khỏi cơ thể dần dần. Giảm áp quá nhanh khiến bong bóng hình thành trong máu, gây bệnh giảm áp, một tình trạng đau đớn và có thể gây tử vong. Hệ thống khí hỗn hợp hỗ trợ các lịch trình giảm áp có kiểm soát, được điều chỉnh theo lượng khí cụ thể tích tụ trong mỗi ca làm.
Ý nghĩa đối với hạ tầng toàn cầu
Việc triển khai thành công hệ thống đào hầm bằng khiên sử dụng khí hỗn hợp ba thành phần của Trung Quốc mang lại nhiều bài học cho các dự án hạ tầng trên toàn thế giới. Các thành phố ven biển từ Tokyo đến New York ngày càng chịu áp lực mở rộng mạng lưới giao thông bên dưới các tuyến đường thủy, nhưng nhiều tuyến dự kiến gặp điều kiện địa chất tương tự khu vực hành lang Ninh Ba - Chu Sơn. Khả năng làm việc an toàn ở áp suất lên tới 1 megapascal mở ra những tuyến đường trước đây không thể thực hiện, cho phép các kỹ sư cân nhắc phương án tuyến sâu hơn, trực tiếp hơn, giúp rút ngắn thời gian di chuyển và giảm tác động đến môi trường.
Trong nước, sáng kiến này củng cố vai trò dẫn đầu của các kỹ sư Trung Quốc trong lĩnh vực đào hầm quy mô lớn. Trung Quốc hiện vận hành một số hệ thống giao thông ngầm tham vọng nhất thế giới, và công nghệ này loại bỏ một nút thắt quan trọng vốn hạn chế việc phát triển đường sắt dưới biển. Các lĩnh vực khác cũng có thể hưởng lợi. Khai mỏ dưới lòng đất, lắp đặt cáp dưới biển và khoan thăm dò khoa học đều diễn ra trong môi trường siêu áp, nơi hệ thống hỗ trợ sự sống bằng khí hỗn hợp có thể phát huy giá trị.
Riêng với đường hầm Jintang, hệ thống bảo đảm đoạn Chu Sơn dài 6.270 mét có thể được thi công đúng tiến độ mà không phải đánh đổi an toàn của công nhân để lấy tiến độ. Khi hoàn thành, đường hầm sẽ rút ngắn đáng kể thời gian đi lại giữa đất liền và quần đảo, thúc đẩy hội nhập kinh tế và du lịch khắp tỉnh Chiết Giang.
Kết luận
- Trung Quốc đã đưa vào hoạt động hệ thống đào hầm bằng khiên sử dụng khí hỗn hợp ba thành phần đầu tiên do trong nước phát triển tại dự án đường hầm dưới biển Jintang, tỉnh Chiết Giang.
- Đường hầm dài 16,18 km sẽ trở thành đường hầm đường sắt cao tốc dưới biển dài nhất thế giới, nối Ninh Ba và Chu Sơn.
- Các phương pháp khí nén truyền thống bị giới hạn ở mức 0,5 megapascal, nhưng đoạn sâu nhất của đường hầm Jintang đạt 0,85 megapascal ở độ sâu 78 mét dưới mực nước biển.
- Hệ thống mới pha trộn heli, nitơ và oxy để tạo điều kiện hô hấp an toàn hơn, ngăn say nitơ và ngộ độc oxy trong quá trình vận hành ở áp suất siêu cao.
- Các kỹ sư đã điều chỉnh công nghệ lặn biển sâu để phát triển hệ thống, có thể hỗ trợ hoạt động trong dải áp suất từ 0,5 đến 1 megapascal thông qua 113 mô-đun phụ tích hợp.
