Phương pháp đào hầm dưới lòng biển: Khám phá bí mật chinh phục đại dương

Bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào mà người ta có thể xây dựng được những đường hầm kỳ vĩ xuyên qua lòng biển sâu thẳm, kết nối đất liền và hải đảo, hoặc thậm chí là các quốc gia xa xôi? Nghe có vẻ như chuyện khoa học viễn tưởng, nhưng kỹ thuật Phương Pháp đào Hầm Dưới Lòng Biển đã biến điều không thể thành có thể, mở ra những chân trời mới cho giao thông và thương mại toàn cầu. Trong bài viết này, Địa kỹ thuật Hưng Phú sẽ cùng bạn khám phá những bí mật đằng sau công nghệ xây dựng hầm ngầm dưới biển đầy thách thức nhưng vô cùng hấp dẫn này. Chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu xem các kỹ sư tài ba đã sử dụng những phương pháp nào để vượt qua áp lực nước khổng lồ, địa chất phức tạp và muôn vàn khó khăn khác, để tạo nên những công trình thế kỷ.

Lịch sử hình thành và phát triển của kỹ thuật đào hầm dưới biển

Thực ra, ý tưởng xây dựng đường hầm dưới nước không phải là mới mẻ. Ngược dòng lịch sử, ngay từ thế kỷ 19, con người đã bắt đầu mơ về việc chinh phục lòng biển bằng những đường hầm. Dự án hầm đường sắt Thames ở London, Anh Quốc, khởi công năm 1825, được xem là một trong những nỗ lực tiên phong đầu tiên. Dù công nghệ thời đó còn sơ khai, việc hoàn thành hầm Thames đã đánh dấu một bước tiến quan trọng, đặt nền móng cho sự phát triển của kỹ thuật đào hầm trong môi trường khắc nghiệt.

Tuy nhiên, phải đến thế kỷ 20, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực địa kỹ thuật, vật liệu xây dựng và cơ khí, phương pháp đào hầm dưới lòng biển mới thực sự có những bước phát triển đột phá. Các công trình hầm ngầm dưới biển quy mô lớn đầu tiên trên thế giới như hầm dưới eo biển Kanmon (Nhật Bản) hay hầm dưới cảng Antwerp (Bỉ) đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của kỹ thuật này.

Ngày nay, với sự ra đời của các loại máy móc đào hầm hiện đại như TBM (Tunnel Boring Machine) hay công nghệ hầm dìm tiên tiến, việc xây dựng hầm dưới biển đã trở nên phổ biến hơn và đạt được những thành tựu đáng kinh ngạc. Các dự án hầm biển lớn như hầm eo biển Manche nối liền Anh và Pháp, hay hầm Seikan ở Nhật Bản – hầm đường sắt dài nhất thế giới dưới biển – là những minh chứng hùng hồn cho khả năng chinh phục đại dương của con người.

Các phương pháp đào hầm dưới lòng biển phổ biến hiện nay

Vậy, cụ thể thì các kỹ sư đã sử dụng những phương pháp đào hầm dưới lòng biển nào để vượt qua những thách thức to lớn? Hiện nay, có một số phương pháp chính được áp dụng, tùy thuộc vào điều kiện địa chất, độ sâu mực nước, và yêu cầu kỹ thuật của từng dự án.

Phương pháp khiên đào (TBM) – “gặm nhấm” lòng biển

Phương pháp khiên đào, hay còn gọi là TBM (Tunnel Boring Machine), có thể ví như một “con sâu đất” khổng lồ, từ từ “gặm nhấm” lòng đất và tạo ra đường hầm phía sau. Máy TBM là một cỗ máy phức tạp, được trang bị đầu khoan cắt mạnh mẽ, hệ thống chống đỡ vách hầm, và hệ thống vận chuyển đất đá ra ngoài.

Ưu điểm của phương pháp TBM là tốc độ đào nhanh, ít gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, và đảm bảo an toàn cho công nhân. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cho máy TBM khá lớn, và việc vận chuyển, lắp đặt, bảo trì máy móc này cũng đòi hỏi kỹ thuật cao. Phương pháp TBM đặc biệt hiệu quả với các loại địa chất ổn định, ít thấm nước như đá cứng hoặc đất sét cứng.

Để hiểu rõ hơn về các kỹ thuật đào hầm khác, bạn có thể tìm hiểu thêm về Phương pháp đào hầm NATM, một phương pháp phổ biến trong đào hầm trên cạn.

Phương pháp hầm dìm – “xếp hình” dưới đáy biển

Phương pháp hầm dìm (immersed tunnel) lại có cách tiếp cận hoàn toàn khác. Thay vì đào trực tiếp dưới lòng biển, người ta sẽ chế tạo sẵn các đốt hầm (tunnel segment) bằng bê tông cốt thép trên cạn, sau đó kéo ra biển và dìm xuống đáy. Các đốt hầm này sẽ được kết nối với nhau một cách kín khít, tạo thành một đường hầm liên tục.

Ưu điểm của phương pháp hầm dìm là thi công nhanh, ít phụ thuộc vào điều kiện địa chất dưới đáy biển, và có thể áp dụng cho các khu vực có mực nước không quá sâu. Tuy nhiên, việc chế tạo và vận chuyển các đốt hầm khổng lồ đòi hỏi công nghệ và thiết bị chuyên dụng. Phương pháp hầm dìm thường được sử dụng cho các đường hầm giao thông dưới sông, vịnh, hoặc eo biển có chiều dài vừa phải.

Phương pháp đào hầm trong điều kiện áp suất – “vượt qua” áp lực nước

Đối với những khu vực có địa chất yếu, dễ sụt lún, hoặc mực nước ngầm cao, phương pháp đào hầm dưới lòng biển trong điều kiện áp suất (caisson method) có thể là giải pháp tối ưu. Phương pháp này sử dụng các caisson (giếng chìm) hoặc ống chống bằng thép, tạo ra một môi trường làm việc khô ráo và an toàn dưới lòng đất.

Công nhân làm việc môi trường áp suất hầm biển đảm bảo an toàn

Trong quá trình đào hầm, áp suất không khí bên trong caisson sẽ được duy trì ở mức cao hơn áp suất nước ngầm, ngăn nước xâm nhập vào khu vực thi công. Công nhân sẽ làm việc trong môi trường áp suất này, và đất đá đào lên sẽ được đưa ra ngoài thông qua hệ thống vận chuyển đặc biệt. Phương pháp này đảm bảo an toàn và hiệu quả, nhưng đòi hỏi quy trình thi công phức tạp và chi phí cao hơn.

Quy trình khảo sát và thiết kế đường hầm dưới biển

Trước khi bắt tay vào thi công bất kỳ dự án phương pháp đào hầm dưới lòng biển nào, công tác khảo sát và thiết kế là vô cùng quan trọng. Các kỹ sư cần phải “bắt mạch” địa chất, thủy văn, và môi trường của khu vực xây dựng, để đưa ra giải pháp thiết kế tối ưu và an toàn.

Quy trình khảo sát địa chất thường bao gồm khoan thăm dò, lấy mẫu đất đá, thí nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường. Các thông số địa chất như thành phần đất đá, cường độ, độ thấm nước, mực nước ngầm… sẽ được xác định một cách chi tiết. Bên cạnh đó, các yếu tố thủy văn như dòng chảy, sóng biển, thủy triều… cũng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

Sau khi có đầy đủ thông tin khảo sát, các kỹ sư sẽ tiến hành thiết kế đường hầm. Quá trình thiết kế bao gồm lựa chọn phương pháp đào hầm phù hợp, xác định kích thước và hình dạng hầm, tính toán kết cấu chịu lực, thiết kế hệ thống thông gió, thoát nước, chiếu sáng, và các hệ thống kỹ thuật khác. Để đảm bảo chất lượng và độ bền của công trình, việc tuân thủ Tiêu chuẩn thiết kế và thi công đường hầm là vô cùng quan trọng.

Vật liệu và công nghệ tiên tiến trong xây dựng hầm biển

Để đối phó với môi trường biển khắc nghiệt, việc lựa chọn vật liệu và công nghệ xây dựng phù hợp là yếu tố then chốt. Bê tông chịu nước biển, thép chống ăn mòn, và các loại vật liệu composite tiên tiến thường được ưu tiên sử dụng trong xây dựng hầm biển.

Trong những năm gần đây, công nghệ BIM (Building Information Modeling) đã được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế và thi công hầm biển. BIM cho phép tạo ra mô hình 3D trực quan của công trình, giúp các kỹ sư dễ dàng hình dung, phân tích, và quản lý dự án. Công nghệ cảm biến và giám sát từ xa cũng đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và kiểm soát quá trình thi công, đảm bảo an toàn và chất lượng công trình.

Các yếu tố an toàn và môi trường cần xem xét

An toàn luôn là ưu tiên hàng đầu trong mọi dự án xây dựng, và phương pháp đào hầm dưới lòng biển cũng không ngoại lệ. Các yếu tố an toàn cần được đặc biệt chú trọng bao gồm:

• Áp lực nước: Áp lực nước biển tăng lên theo độ sâu, gây ra những thách thức lớn về kết cấu và khả năng chống thấm của hầm.
• Địa chất phức tạp: Địa chất dưới đáy biển thường rất đa dạng và khó lường, có thể gặp phải các tầng đất yếu, đứt gãy, hoặc hang caster.
• Môi trường làm việc khắc nghiệt: Công nhân phải làm việc trong môi trường kín, thiếu ánh sáng, và có thể phải đối mặt với nguy cơ ngập nước, sập hầm, hoặc tai nạn do máy móc.

Vấn đề môi trường cũng ngày càng được quan tâm trong xây dựng hầm biển. Các dự án cần phải có đánh giá tác động môi trường (ĐTM) chi tiết, và áp dụng các biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển, như bảo vệ rạn san hô, khu vực sinh sản của các loài sinh vật biển, và hạn chế tiếng ồn, chất thải trong quá trình thi công.

Thách thức và giải pháp trong kỹ thuật đào hầm dưới biển

Kỹ thuật phương pháp đào hầm dưới lòng biển đối mặt với vô vàn thách thức, từ điều kiện tự nhiên khắc nghiệt đến yêu cầu kỹ thuật phức tạp. Tuy nhiên, với sự sáng tạo và nỗ lực không ngừng, các kỹ sư đã tìm ra những giải pháp hiệu quả để vượt qua những khó khăn này.

Một trong những thách thức lớn nhất là kiểm soát nước. Nước biển có thể xâm nhập vào hầm qua các khe nứt, lỗ rỗng trong địa chất, hoặc qua các mối nối giữa các đốt hầm. Để giải quyết vấn đề này, các kỹ sư đã phát triển các công nghệ chống thấm tiên tiến, như sử dụng màng chống thấm, vữa đặc biệt, hoặc hệ thống bơm hút nước ngầm.

Thách thức khác là đảm bảo ổn định kết cấu hầm trong môi trường áp lực cao và địa chất yếu. Để tăng cường độ ổn định của hầm, người ta có thể sử dụng các biện pháp gia cố địa chất, như phun vữa xi măng, đóng cọc, hoặc sử dụng các loại vật liệu gia cường. Phân tích động lực học trong thiết kế hầm đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá và đảm bảo an toàn kết cấu hầm dưới tác động của tải trọng và các yếu tố môi trường.

Theo kỹ sư địa kỹ thuật Nguyễn Văn An, một chuyên gia có nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực xây dựng hầm: “Để thành công trong các dự án hầm biển, điều quan trọng là phải có sự kết hợp hài hòa giữa kinh nghiệm thực tế, kiến thức khoa học, và công nghệ tiên tiến. Chúng ta cần liên tục học hỏi, nghiên cứu, và đổi mới để chinh phục những đỉnh cao mới trong kỹ thuật đào hầm.”

Câu hỏi thường gặp (FAQ) về đào hầm dưới lòng biển

1. Phương pháp đào hầm dưới lòng biển nào là phổ biến nhất hiện nay?

Phương pháp khiên đào (TBM) và phương pháp hầm dìm là hai phương pháp phổ biến nhất, tùy thuộc vào điều kiện địa chất và quy mô dự án. TBM thường được dùng cho địa chất ổn định và hầm dài, hầm dìm thích hợp cho mực nước không quá sâu và hầm ngắn hơn.

2. Chi phí xây dựng hầm dưới biển có đắt không?

Chi phí xây dựng hầm dưới biển thường rất cao, do đòi hỏi công nghệ, vật liệu, và thiết bị đặc biệt, cũng như quy trình thi công phức tạp và kéo dài.

3. Thời gian xây dựng một đường hầm dưới biển trung bình là bao lâu?

Thời gian xây dựng hầm dưới biển có thể kéo dài từ vài năm đến hàng chục năm, tùy thuộc vào chiều dài hầm, phương pháp đào, điều kiện địa chất, và các yếu tố khác.

4. Hầm dưới biển có an toàn không?

Các hầm dưới biển hiện đại được thiết kế và xây dựng với các tiêu chuẩn an toàn rất cao, bao gồm hệ thống thông gió, thoát hiểm, cứu hỏa, và giám sát liên tục. Tuy nhiên, rủi ro vẫn có thể xảy ra, và công tác quản lý, vận hành, bảo trì hầm đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn lâu dài.

5. Công nghệ xử lý khí độc trong hầm biển có quan trọng không?

Tuyệt đối quan trọng. Công nghệ xử lý khí độc trong hầm là yếu tố sống còn để đảm bảo môi trường làm việc an toàn cho công nhân trong quá trình thi công và chất lượng không khí cho người sử dụng hầm sau này.

6. Yếu tố môi trường nào cần quan tâm nhất khi xây dựng hầm biển?

Ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển, đặc biệt là các rạn san hô và khu vực sinh sản của sinh vật biển, là yếu tố môi trường cần được quan tâm hàng đầu. Ngoài ra, tiếng ồn, chất thải, và nguy cơ ô nhiễm nguồn nước cũng cần được kiểm soát chặt chẽ.

Kết luận

Phương pháp đào hầm dưới lòng biển là một lĩnh vực kỹ thuật đầy thách thức nhưng cũng vô cùng vinh quang. Những công trình hầm biển không chỉ mang lại lợi ích kinh tế to lớn, mà còn là biểu tượng cho sự sáng tạo, ý chí chinh phục tự nhiên, và khả năng hợp tác quốc tế của con người. Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, chúng ta có thể tin tưởng rằng, trong tương lai, những đường hầm kỳ vĩ dưới lòng biển sẽ tiếp tục được xây dựng, kết nối thế giới và mở ra những cơ hội phát triển mới. Nếu bạn muốn tìm hiểu sâu hơn về lĩnh vực địa kỹ thuật và xây dựng hầm, hãy tiếp tục theo dõi website Địa kỹ thuật Hưng Phú để cập nhật những kiến thức và thông tin mới nhất!