“Quái vật” nặng gần 5.000 tấn, dài bằng sân bóng đá, đường kính bằng tòa nhà 6 tầng được đưa xuống biển để làm điều đặc biệt

Tuyến đường hầm xuyên biển dài 5 km, vốn đầu tư hơn 152.000 tỷ đồng

Tại Hong Kong, dự án Tuen Mun – Chek Lap Kok Link (TM-CLKL) được triển khai nhằm tạo trục giao thông kết nối khu vực Tuen Mun ở phía Tây Bắc với đảo Lantau, sân bay quốc tế Hong Kong và cảng Hong Kong thuộc cầu Hong Kong – Chu Hải – Macau. Tổng vốn đầu tư  của dự án Tuen Mun – Chek Lap Kok Link khoảng 44,8 tỷ HKD, tương đương hơn 152.000 tỷ đồng. 

Toàn tuyến dài khoảng 9 km, bao gồm cầu cạn, đường dẫn và hầm đường bộ dưới biển. Trong đó, điểm nhấn lớn nhất là đoạn kết nối phía Bắc với đường hầm đôi dài khoảng 5 km, nối Tuen Mun South với cảng Hong Kong của cây cầu xuyên biển Hong Kong – Chu Hải – Macau.

Đây là một trong những hạng mục đường hầm đường bộ dưới biển có quy mô và điều kiện thi công phức tạp nhất tại Hong Kong. Điểm sâu nhất của tuyến hầm nằm khoảng 60 m dưới mực nước biển, đặt ra yêu cầu đặc biệt khắt khe về công nghệ đào, kiểm soát áp lực và bảo đảm an toàn trong quá trình thi công.

Để xây dựng công trình, các kỹ sư phải giải quyết đồng thời nhiều thách thức: địa tầng thay đổi liên tục, áp lực nước biển lớn, nguy cơ mất ổn định gương đào và yêu cầu hạn chế tối đa tác động đến hoạt động hàng hải cũng như hệ thống hạ tầng ngầm hiện hữu.

Thay vì sử dụng phương pháp hầm dìm truyền thống, dự án lựa chọn công nghệ máy đào hầm TBM. Phương án này giúp giảm nhu cầu nạo vét và xử lý khoảng 11 triệu m³ trầm tích biển, tương đương thể tích khoảng 4.900 bể bơi tiêu chuẩn. Đồng thời, công nghệ đào ngầm cũng giúp tránh phải di dời các tuyến cáp điện đang phục vụ sân bay quốc tế Hong Kong.

Với quy mô và điều kiện thi công đặc biệt như vậy, dự án cần đến những cỗ máy đào hầm chuyên dụng có kích thước khổng lồ, tích hợp công nghệ kiểm soát áp lực và khả năng hoạt động trong môi trường địa chất phức tạp. Một trong số đó là Herrenknecht Mixshield S-880 Qin Liangyu – cỗ máy từng được Guinness World Records ghi nhận lập kỷ lục thế giới về kích thước.

Cỗ máy nặng gần 5.000 tấn, đường kính tương đương tòa nhà 6 tầng

Cỗ máy đào hầm khổng lồ Herrenknecht Mixshield S-880 Qin Liangyu do tập đoàn Herrenknecht (Đức) chế tạo, phục vụ dự án đường hầm thuộc tuyến Tuen Mun – Chek Lap Kok Link.

Theo Guinness World Records, Qin Liangyu có đường kính khiên đào 17,63 m, chiều dài tổng thể khoảng 120 m và trọng lượng lên tới 4.850 tấn. Để dễ hình dung, đường kính đầu đào tương đương chiều cao một tòa nhà 6 tầng, trong khi chiều dài toàn bộ thiết bị tương đương một sân bóng đá tiêu chuẩn.

Đây không đơn thuần là một chiếc máy khoan cỡ lớn mà là tổ hợp cơ khí phức tạp, tích hợp đầu cắt khổng lồ, buồng đào, hệ thống bơm và tuần hoàn bùn, thiết bị vận chuyển đất đá, hệ thống điều khiển cùng các bộ phận phục vụ lắp đặt kết cấu vỏ hầm.

Ở phía trước là đầu cắt bằng thép với hàng loạt dao cắt được bố trí dày đặc. Khi vận hành, đầu cắt liên tục xoay để phá vỡ đất đá phía trước, đưa vật liệu vào buồng đào. Đất đá sau đó được trộn với dung dịch bùn và vận chuyển ra ngoài thông qua hệ thống đường ống chuyên dụng.

Điểm đặc biệt của Qin Liangyu là sử dụng công nghệ Mixshield, một dạng máy đào hầm khiên bùn áp lực, được thiết kế để hoạt động trong những khu vực có địa tầng yếu, bão hòa nước hoặc áp lực nước ngầm lớn.

Trong quá trình thi công, hệ thống bùn áp lực duy trì sự cân bằng giữa áp lực bên trong buồng đào với áp lực đất và nước bên ngoài. Nhờ đó, mặt gương đào luôn được giữ ổn định, hạn chế nguy cơ sụt lún, sập đất hoặc nước tràn vào đường hầm.

Theo Guinness, Qin Liangyu bắt đầu đào đoạn hầm có đường kính 17,63 m từ ngày 25/3/2015. Đến ngày 3/11/2015, giai đoạn đào với kích thước lớn này kết thúc. Sau đó, khiên đào được chuyển đổi xuống đường kính 14 m để tiếp tục phục vụ công việc.

Lặn bão hòa 28 ngày, robot tham gia sửa chữa cỗ máy dưới lòng biển

Thách thức lớn nhất trong quá trình vận hành Qin Liangyu không chỉ nằm ở việc đào xuyên qua lòng biển mà còn ở công tác bảo dưỡng thiết bị. Địa tầng tuyến hầm thay đổi liên tục, từ đá granite bị phong hóa đến cát, đất sét và trầm tích biển. Các bộ phận cắt phải làm việc liên tục trong môi trường có tính mài mòn cao, khiến việc kiểm tra và thay thế dao cắt trở thành yêu cầu bắt buộc.

Tại những khu vực sâu, áp suất nước và khí nén lớn khiến việc để công nhân trực tiếp tiếp cận đầu cắt tiềm ẩn nhiều rủi ro, đặc biệt là bệnh giảm áp nếu người lao động thay đổi áp suất quá nhanh.

Giải pháp được các kỹ sư Hong Kong đưa vào dự án là kỹ thuật lặn bão hòa (saturation diving). Thay vì liên tục trải qua các chu kỳ tăng, giảm áp suất theo từng ca làm việc, các chuyên gia được lưu trú trong những khoang sinh hoạt duy trì áp suất cao theo chu kỳ 28 ngày. Khi cần bảo dưỡng, họ được đưa đến khu vực đầu cắt thông qua hệ thống khoang trung chuyển chuyên dụng.

Cách làm này giúp hạn chế việc cơ thể phải liên tục thích nghi với những thay đổi áp suất đột ngột, đồng thời tạo điều kiện để chuyên gia thực hiện các công việc bảo dưỡng phức tạp dưới lòng biển. Đây cũng là lần đầu tiên kỹ thuật lặn bão hòa được ứng dụng tại Hong Kong trong một dự án xây dựng đường hầm.

Bên cạnh kỹ thuật lặn bão hòa, dự án còn ứng dụng các hệ thống robot và tự động hóa nhằm giảm thiểu sự can thiệp trực tiếp của con người tại những khu vực nguy hiểm.

Ba hệ thống hỗ trợ mang tên Mobydic, Snake và Telemach được phát triển để phục vụ công tác giám sát, kiểm tra và bảo dưỡng đầu cắt.

Trong đó, Mobydic hỗ trợ giám sát tình trạng đầu cắt và lập bản đồ địa chất theo thời gian thực, giúp kỹ sư theo dõi hoạt động của thiết bị cũng như đánh giá điều kiện địa tầng trong quá trình đào.

Snake là thiết bị robot điều khiển từ xa, được trang bị camera và hệ thống phun nước áp lực cao, hỗ trợ kiểm tra, làm sạch những khu vực trên đầu cắt mà con người khó tiếp cận.

Đáng chú ý hơn cả là Telemach, hệ thống cánh tay robot được thiết kế để thực hiện các thao tác bảo dưỡng phức tạp. Thiết bị có thể tiếp cận những vị trí cần kiểm tra, hỗ trợ tháo bỏ và thay thế các bộ phận cắt bị hư hỏng trong môi trường áp suất cao.

Theo Dragages Hong Kong, các giải pháp này góp phần giám sát tình trạng đầu cắt, phát hiện hư hỏng và giảm nhu cầu kiểm tra thủ công trong điều kiện khí áp cao. Qua đó, công nghệ không chỉ giúp nâng cao hiệu quả bảo dưỡng, rút ngắn thời gian dừng máy mà còn cải thiện mức độ an toàn cho đội ngũ thi công.

Hoàn thành đường hầm đôi, tiết kiệm 20 phút di chuyển đến sân bay

Trong tổ hợp thi công tuyến Tuen Mun – Chek Lap Kok Link, ngoài Qin Liangyu có đường kính 17,63 m, dự án còn sử dụng hai máy đào hầm Mixshield đường kính 14 m để thi công hai ống hầm chính dưới biển.

Ngày 27/2/2019, hai máy TBM đường kính 14 m đã phá thông tại khu vực cửa hầm phía Nam, đánh dấu việc hoàn thành công tác đào hai ống hầm chính. Đây là cột mốc quan trọng sau nhiều năm thi công trong điều kiện địa chất phức tạp và áp lực nước biển lớn.

Đến ngày 27/12/2020, đoạn kết nối phía Bắc chính thức được đưa vào khai thác. Tuyến hầm dài khoảng 5 km, gồm hai ống hầm đường bộ, mỗi ống bố trí hai làn xe.

Khi đi vào khai thác, tuyến đường giúp rút ngắn khoảng 22 km quãng đường di chuyển từ Tuen Mun South đến sân bay quốc tế Hong Kong, đồng thời tiết kiệm khoảng 20 phút hành trình. Công trình cũng tạo thêm hướng kết nối giữa khu vực Tây Bắc Hong Kong với đảo Lantau, sân bay quốc tế và cầu Hong Kong – Chu Hải – Macau.

Đáng chú ý, để bảo đảm an toàn cho phương tiện lưu thông trong đường hầm đôi, dự án còn xây dựng 57 đường hầm ngang kết nối hai ống hầm chính, bố trí cách nhau khoảng 100 m. Đây là những lối thoát hiểm trong trường hợp xảy ra sự cố.

Việc thi công các đường hầm ngang này cũng đặt ra thách thức lớn bởi chúng nằm dưới biển và chịu áp lực nước cao. Đội ngũ kỹ sư đã sử dụng một máy TBM bùn áp lực cỡ nhỏ, đường kính 3,6 m, kết hợp phương pháp kích ống để xây dựng các đoạn kết nối.

Theo tài liệu chuyên ngành của Hong Kong Engineer, đây là lần đầu tiên trên thế giới giải pháp TBM kích ống cỡ nhỏ được ứng dụng cho hạng mục đường hầm ngang kiểu này.