Máy đào hầm khổng lồ xây dựng tuyến đường cao tốc dưới biển ở Hong Kong

Xây dựng con đường dưới biển

Ngày 27 tháng 12 năm 2020, Hong Kong đưa vào khai thác một tuyến giao thông mới. Tuyến kết nối phía Bắc Tuen Mun–Chek Lap Kok xuyên qua đáy biển, nối khu Tân Giới phía tây bắc với Sân bay Quốc tế Hong Kong và cầu Hong Kong–Chu Hải–Ma Cao. Trái tim của dự án là máy đào hầm Herrenknecht Mixshield S-880, có tên Qin Liangyu. Với đường kính khiên đào 17,63 mét, cỗ máy vẫn giữ kỷ lục Guinness Thế giới về máy đào hầm có đường kính khiên đào lớn nhất. Máy dài hơn một sân bóng đá, nặng hơn hầu hết tàu thuyền và được chế tạo để hoạt động dưới áp suất có thể nghiền nát các thiết bị thông thường. Đường hầm do máy đào hiện là đường hầm đường bộ dưới nước sâu nhất, dài nhất và rộng nhất Hong Kong, thuộc tuyến đường dài 9 km có chi phí khoảng 18,2 tỷ HKD, tương đương khoảng 2,3 tỷ USD.

Dự án không chỉ nhằm lập kỷ lục. Đây là giải pháp đáp ứng nhu cầu đi lại thuận tiện hơn giữa đất liền, biển và đường hàng không của thành phố. Một đường hầm hai ống, với tổng chiều dài phần ngầm dưới nước khoảng 5 km, phải chạy bên dưới các luồng hàng hải, lớp bùn đáy biển mềm và hệ sinh thái ven biển nhạy cảm. Nếu xây theo các phương pháp cũ, công trình sẽ cần nạo vét quy mô lớn, gây gián đoạn giao thông biển và kéo theo nhiều năm tranh cãi về môi trường. Giải pháp là một cỗ máy do Đức chế tạo, có thể đào đất, gia cố và lắp vỏ hầm ngay trong lúc tiến lên.

Vì sao cỗ máy phải có kích thước lớn đến vậy

Việc chọn khiên đào đường kính 17,63 mét xuất phát từ đặc điểm địa chất, chứ không chỉ từ tham vọng kỹ thuật. Giữa Tuen Mun và Chek Lap Kok, dưới đáy biển là lớp trầm tích biển và đất sét phù sa dày tới 30 mét. Loại đất này rất mềm và bão hòa nước, khiến việc đào hầm thiếu ổn định. Ở một số nơi, đá gốc nằm sâu khoảng 90 mét dưới mực nước biển. Máy đào hầm thông thường sẽ khó chống chọi với nước tràn vào và đất sụt lở. Dự án cần thiết kế Mixshield, loại máy có thể cân bằng áp suất tại gương đào bằng hỗn hợp bùn bentonite và khí nén được kiểm soát.

Kích thước máy còn xuất phát từ nhu cầu giao thông. Đường hầm được thiết kế với đường kính trong 15,6 mét để bố trí hai làn xe cao tốc mỗi chiều, cùng không gian an toàn, ống thông gió, hệ thống điện và lối tiếp cận phục vụ bảo trì. Vì máy đào lắp các đoạn vỏ bê tông đúc sẵn khi tiến lên, đường kính ngoài của đường hầm phải lớn hơn đường kính trong. Khi cộng thêm độ dày các vòng vỏ hầm, vỏ đuôi và đầu cắt, đường kính khiên đào cần đạt 17,63 mét. Kích thước này tương đương chiều cao một tòa nhà sáu tầng đang xoay tròn dưới lòng đất. Qin Liangyu được chế tạo chính xác cho hình dạng đường hầm đó.

Mixshield ngăn đất đáy biển tràn vào như thế nào

Máy đào hầm thường được mô tả như một chiếc máy khoan khổng lồ, nhưng S-880 hoạt động giống một nhà máy tàu ngầm di động hơn. Ở phía trước, đầu cắt xoay gọt đất đá tại gương đào. Phía sau đầu cắt là buồng đào chứa bùn bentonite, một loại chất lỏng đặc như đất sét, cùng một túi khí nén. Bùn tạo áp lực lên gương đào, ngăn nước biển và bùn đất tràn vào máy. Lớp khí nén phía trên bùn giúp người vận hành kiểm soát chính xác áp suất. Khi đầu cắt tiến lên, đất đá đào được hòa vào bùn rồi được bơm qua các đường ống đến nhà máy tách trên mặt đất. Tại đó, máy móc loại bỏ các hạt đất và đưa bentonite đã làm sạch trở lại dưới lòng đất.

Trong khi phần đầu máy giữ đất đá bên ngoài, hệ thống phía sau lắp vỏ hầm. Bộ lắp ghép phân đoạn dạng robot nâng các đoạn bê tông cong vào vị trí, ghép thành những vòng tạo nên thành hầm. Mỗi vòng đỡ nền đất xung quanh và tạo thành ống tròn nhẵn để lắp đường, đèn và hệ thống thông gió. Quy trình đòi hỏi mọi hệ thống phải vận hành đồng bộ: áp suất, bơm, thành phần bùn, lực đẩy thủy lực, cấp các đoạn vỏ hầm và đo đạc. Chỉ cần một khâu chậm lại, toàn bộ hoạt động sẽ dừng. Cách tiếp cận tích hợp này biến một cỗ máy thành cả dây chuyền sản xuất hoàn chỉnh.

Áp suất khủng khiếp khi làm việc dưới biển

Áp suất thủy tĩnh tại gương đào lên tới 5 bar, gấp năm lần áp suất khí quyển ở mực nước biển. Mức này tương đương áp suất thợ lặn cảm nhận ở độ sâu khoảng 50 mét. Một báo cáo chính thức của Dịch vụ Tin tức Chính quyền Hong Kong mô tả điều kiện làm việc như sau:

Đoạn sâu nhất của đường hầm Tuen Mun–Chek Lap Kok nằm ở độ sâu khoảng 60 mét dưới mực nước biển, và các công nhân chuyên trách làm việc trong môi trường áp suất cao phải chịu mức áp suất gần gấp sáu lần trên mặt đất.

Để bảo đảm an toàn cho công nhân trong khi duy trì áp suất ở đầu cắt, S-880 sử dụng các buồng khóa khí. Những khoang kín này cho phép nhân viên chuyển dần từ áp suất khí quyển thông thường sang buồng đào chịu áp suất. Việc bảo trì dụng cụ cắt, kiểm tra và sửa chữa đòi hỏi công nhân được đào tạo vào khu vực chịu áp suất, tuân thủ nghiêm ngặt quy trình y học cao áp và giảm áp từ từ để tránh bệnh giảm áp. Thời gian làm việc trong môi trường này bị giới hạn và phải có giám sát y tế. Điều kiện đó khiến công việc bảo trì đường hầm thông thường trở thành một hoạt động giống như lặn biển.

Thay đổi kích thước mà không cần đưa máy lên mặt đất

Chương đặc biệt nhất của dự án bắt đầu sau 650 mét đào đầu tiên. Kết cấu đường dẫn phía Bắc cần đường hầm đường kính 17,6 mét, vì vậy Qin Liangyu khởi đầu với kích thước tối đa. Sau đoạn chuyển tiếp đó, phần tuyến ngầm dưới nước còn lại có thể được xây với đường kính 14 mét. Thay vì đưa máy lên mặt đất rồi khởi động một máy đào thứ hai, các kỹ sư cải tạo S-880 ngay bên trong đường hầm. Các bộ phận bên ngoài của khiên đào đường kính 17,6 mét được tháo bỏ, hệ thống bên trong được cấu hình lại và một khiên đào 14 mét mới được lắp vào khi máy vẫn nằm dưới đáy biển.

Việc thu nhỏ khiên đào ngay trong đường hầm cực kỳ hiếm gặp. Công việc phải tiến hành dưới áp suất biển, trong không gian chật hẹp và không có lối trực tiếp lên mặt đất. Sau khi cải tạo xong, chính cỗ máy đó tiếp tục đào phần còn lại của đường hầm, phối hợp với một máy Herrenknecht 14 mét thứ hai. Hai máy đào xuyên phá đến điểm nối vào ngày 27 tháng 2 năm 2019. Đoạn đường kính 17,63 mét được đào từ ngày 25 tháng 3 đến ngày 3 tháng 11 năm 2015, trước khi tiến hành cải tạo. Quy trình này được ghi nhận là một bước tiến có thể áp dụng cho các dự án tương lai cần nhiều đường kính hầm khác nhau trong cùng một đợt đào.

Đổi mới trong các đường hầm ngang nối hai ống

Đường hầm đường bộ có hai ống thường cần các đường hầm ngang nối hai ống, tức những hành lang nhỏ để sơ tán và bảo trì giữa hai nhánh hầm chính. Tuyến Tuen Mun–Chek Lap Kok cần 57 đường hầm như vậy, tại các vị trí có áp suất lên tới 5,8 bar, vượt ngưỡng 3,6 bar mà Herrenknecht khuyến nghị sử dụng thợ lặn chuyên nghiệp cho công việc trong buồng chịu áp suất. Một phương pháp thông thường tại một số đường hầm dưới nước là đóng băng đất, giúp gia cố nền bằng cách làm đông nước trong đất. Kỹ thuật đó sẽ chậm và tiềm ẩn rủi ro trong lớp đất sét đáy biển mềm, bão hòa nước.

Thay vào đó, nhóm dự án sử dụng một máy đào hầm bùn nhỏ đường kính 3,6 mét, lần đầu tiên trên thế giới áp dụng để xây dựng đường hầm ngang trong điều kiện áp suất cao như vậy. Máy nhỏ đào xuyên qua vách giữa hai ống hầm chính, trong khi hệ thống bùn xung quanh duy trì áp suất được kiểm soát. Giải pháp này loại bỏ nhu cầu đóng băng đất, rút ngắn thời gian xây dựng và hạn chế rủi ro trong môi trường nguy hiểm do nước biển, đất sét mềm và áp suất cực cao kết hợp với nhau.

Tốc độ, giải thưởng và lợi ích môi trường

Dù phức tạp, S-880 vẫn đào rất nhanh. Tốc độ tiến tối đa trong một ngày đạt 30 mét, còn kỷ lục theo tuần là 167,2 mét. Những con số này phản ánh không chỉ sức mạnh cơ khí mà còn cả sự phối hợp hậu cần cần thiết để cung cấp liên tục các đoạn vỏ bê tông, bentonite và phụ tùng thay thế cho máy. Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Mỹ ghi nhận máy có công suất 5.600 kilowatt và có thể tiến khoảng 30 mét mỗi ngày trong nền đất bão hòa nước và đá.

Năm 2019, dự án nhận Giải thưởng Đào hầm ITA của Hiệp hội Quốc tế về Đào hầm và Không gian ngầm, ghi nhận những đổi mới kỹ thuật được áp dụng trong quá trình xây dựng. Một giải pháp khác từng đoạt giải là hệ thống đê quây dạng sâu đo được dùng tại các kết cấu đường dẫn phía Bắc, thay thế cho tường vây thông thường trong nền đất rất mềm. Lợi ích môi trường cũng quan trọng không kém. Cục Đường cao tốc Hong Kong viết trong một bài chuyên đề kỹ thuật:

Việc dùng máy đào hầm thay cho phương pháp hầm dìm truyền thống đã giảm khối lượng nạo vét và xử lý khoảng 11 triệu mét khối trầm tích biển, tương đương sức chứa của 4.900 bể bơi tiêu chuẩn, đồng thời giúp giảm thiểu tác động đến cá heo trắng Trung Quốc và các sinh vật biển khác.

Ghi chú chính thức cũng cho biết phương pháp này giảm gián đoạn đối với hoạt động hàng hải mật độ cao trên tuyến Urmston Road và không cần chuyển hướng các tuyến cáp điện ngầm hiện có cấp điện cho sân bay. Tuyến kết nối phía Bắc mở cửa cho giao thông ngày 27 tháng 12 năm 2020, trong khi tuyến kết nối phía Nam đã bắt đầu khai thác từ năm 2018, đưa tuyến đường hòa vào mạng lưới cầu Hong Kong–Chu Hải–Ma Cao rộng lớn hơn.

Kỷ lục vẫn định hình một thời đại

S-880 Qin Liangyu hiện không còn là cỗ máy mạnh nhất ở mọi hạng mục kỹ thuật. Những năm gần đây, nhiều máy đào hầm mới của Trung Quốc và quốc tế ra đời với lực đẩy lớn hơn, mức độ tự động hóa cao hơn hoặc thiết kế đầu cắt khác biệt. Tuy nhiên, Guinness vẫn ghi nhận Qin Liangyu giữ kỷ lục về đường kính khiên đào, còn dự án mà máy hoàn thành vẫn vô cùng đặc biệt. Hiếm có cỗ máy nào kết hợp được đường kính lớn như vậy, áp suất dưới nước ở độ sâu lớn đến thế và khả năng thu nhỏ khiên đào ngay trong đường hầm chỉ trong một đợt đào liên tục.

Cỗ máy cũng đại diện cho sự chuyển dịch rộng hơn trong cách các thành phố ven biển xây dựng cơ sở hạ tầng. Khi cảng biển, sân bay và đô thị ngày càng đông đúc, các nhà quy hoạch đang tìm kiếm những tuyến đường mới dưới lòng đất và dưới mặt nước. Những cỗ máy khổng lồ như S-880 cho phép xây dựng các tuyến này với ít gián đoạn trên mặt đất hơn, giảm nạo vét và hạn chế tác động sinh thái so với các phương pháp cũ. Chúng tốn kém, tiêu thụ nhiều năng lượng và đòi hỏi kỹ thuật cao, nhưng mở ra cách tăng năng lực giao thông mà không phải biến thêm đường bờ biển thành công trường.

Qin Liangyu được đặt theo tên một nữ tướng Trung Quốc thời nhà Minh, sinh năm 1574, nổi tiếng với lòng dũng cảm và sự trung thành. Cái tên này tiếp nối truyền thống lâu đời trong ngành kỹ thuật ngầm là đặt tên nữ cho các máy đào hầm lớn, một tập quán có từ thế kỷ XIX. Theo cách đó, cỗ máy đã mang cả lịch sử lẫn tương lai xuyên qua lớp đá bên dưới Hong Kong.

Điểm chính

• Herrenknecht Mixshield S-880 Qin Liangyu giữ kỷ lục Guinness Thế giới về máy đào hầm có đường kính khiên đào lớn nhất, ở mức 17,63 mét.
• Cỗ máy đào đường hầm đôi dưới nước dài 5 km của tuyến Tuen Mun–Chek Lap Kok, khai trương vào tháng 12 năm 2020.
• Dự án tiêu tốn khoảng 18,2 tỷ HKD và tạo nên đường hầm đường bộ dưới nước sâu nhất, dài nhất và rộng nhất Hong Kong.
• Công nghệ Mixshield sử dụng bùn bentonite và khí nén để kiểm soát áp suất trong nền đất đáy biển mềm, bão hòa nước.
• Công việc được tiến hành ở áp suất lên tới 5,8 bar, đòi hỏi tuân thủ quy trình y học cao áp và sử dụng buồng khóa khí cho đội bảo trì.
• Các kỹ sư chuyển đổi máy từ đường kính 17,6 mét xuống 14 mét ngay bên trong đường hầm, một hoạt động thu nhỏ khiên đào rất hiếm gặp.
• Một máy đào hầm bùn nhỏ đường kính 3,6 mét xây dựng 57 đường hầm ngang trong điều kiện áp suất cao, lần đầu tiên trong ngành.
• Dự án giảm khoảng 11 triệu mét khối vật liệu nạo vét, đồng thời hạn chế tác động đến sinh vật biển và các luồng hàng hải.