Huy động máy đào hầm TBM nặng gần 5.000 tấn để xây đường hầm xuyên đáy biển, lập kỷ lục Guinness thế giới

Cỗ máy do tập đoàn Herrenknecht của Đức sản xuất, được liên danh Dragages Hong Kong, công ty con của Bouygues Construction (Pháp), vận hành trong dự án đường hầm Tuen Mun-Chek Lap Kok Link. Tuyến kết nối này nối khu Tây Bắc Tân Giới với sân bay quốc tế Hồng Kông và cầu Hồng Kông-Chu Hải-Ma Cao.

Với đường kính khiên đào lên tới 17,63 m, dài khoảng 120 m và nặng 4.850 tấn, đây hiện vẫn là máy đào hầm giữ kỷ lục Guinness thế giới về đường kính lớn nhất từng được chế tạo.

Toàn bộ dự án dài khoảng 9km, trị giá 18,2 tỷ HKD (tương đương khoảng 60.582 tỷ đồng), trong đó có đoạn hầm đôi dưới biển dài 5km. Công trình sau đó trở thành đường hầm đường bộ dưới biển sâu nhất, dài nhất và rộng nhất Hồng Kông.

Tên gọi “Qin Liangyu” được đặt theo nữ tướng Tần Lương Ngọc thời nhà Minh, sinh năm 1574, nổi tiếng vì lòng trung thành và sự quả cảm. Đây cũng là truyền thống lâu đời trong ngành xây dựng hầm ngầm, khi nhiều máy đào hầm khổng lồ thường được đặt theo tên phụ nữ.

Dù hiện nay đã xuất hiện nhiều máy đào hầm mới của Trung Quốc và các nước khác với thông số hiện đại hơn, Qin Liangyu vẫn giữ kỷ lục Guinness về đường kính khiên đào 17,63m.

Thách thức địa chất: Chinh phục lớp phù sa 30m dưới mực nước biển

Theo các kỹ sư, địa chất đáy biển giữa Tuen Mun và Chek Lap Kok là nguyên nhân khiến Hồng Kông buộc phải sử dụng cỗ máy đào hầm khổng lồ này. Khu vực chứa lớp trầm tích biển và đất sét phù sa mềm dày hơn 30 m, ngậm nước mạnh, trong khi nền đá gốc ở một số nơi nằm sâu tới gần 90 m dưới mực nước biển.

Nếu dùng phương pháp đào thông thường, công trình sẽ cực kỳ mất ổn định, nguy hiểm và chậm chạp. Vì vậy, giải pháp được chọn là máy đào hầm Mixshield, công nghệ có khả năng cân bằng áp lực nước, bùn bentonite và lực đào cơ học trong điều kiện đất bão hòa nước.

Công nghệ Mixshield hoạt động bằng cách tạo một khoang đào được nén áp lực, chứa đầy dung dịch bentonite và lớp đệm khí nén để giữ ổn định phần mặt đào phía trước. Khi đầu cắt tiến lên, đất và bùn được trộn với dung dịch rồi bơm ngược lên mặt đất qua hệ thống đường ống.

Trên mặt đất, hệ thống xử lý sẽ tách đất khỏi dung dịch bentonite để tái sử dụng. Toàn bộ quy trình khiến cỗ máy hoạt động như một “nhà máy công nghiệp ngầm di động”, nơi mỗi mét đào đều phải đồng thời kiểm soát áp lực, bơm hút, thủy lực, lắp vỏ bê tông và độ ổn định địa chất.

Để đáp ứng thiết kế đường hầm đôi cho ô tô, đường kính sử dụng bên trong phải đạt 15,6m nhằm chứa làn xe, hệ thống thông gió, cứu hộ và hạ tầng kỹ thuật. Vì máy phải đồng thời lắp các tấm bê tông đúc sẵn ngay trong lúc đào, lớp khiên ngoài buộc phải lớn hơn, nâng tổng đường kính lên 17,63m.

Qin Liangyu được thiết kế chính xác cho yêu cầu này. Kích thước khổng lồ của nó là kết quả từ việc kết hợp hạ tầng giao thông, lớp kết cấu bê tông và điều kiện địa chất dưới biển cực kỳ bất ổn.

Trong quá trình vận hành, “Qin Liangyu” làm việc dưới áp suất thủy tĩnh lên tới 5 bar, tương đương áp lực ở độ sâu khoảng 50m dưới nước, gấp 5 lần áp suất khí quyển thông thường.

Để đảm bảo an toàn cho công nhân, hệ thống buồng khóa khí đặc biệt được lắp đặt nhằm tách biệt khu vực áp suất cao với khu vực áp suất thường. Mỗi khi cần kiểm tra hoặc thay thế đầu cắt, kỹ thuật viên phải đi vào khoang áp lực theo quy trình y học siêu áp nghiêm ngặt, với thời gian làm việc giới hạn và quy trình giảm áp bắt buộc.

Một trong những đột phá lớn nhất của dự án là việc xây dựng 57 đường hầm kết nối giữa hai ống hầm chính dưới áp lực lên tới 5,8 bar. Thay vì dùng kỹ thuật đóng băng đất truyền thống, nhóm kỹ sư triển khai máy đào mini-slurry TBM đường kính 3,6m, đánh dấu lần đầu tiên công nghệ này được sử dụng cho các hầm kết nối dưới biển áp suất cao.

Giải pháp này sau đó được xem là bước đột phá toàn cầu trong xây dựng hầm dưới biển áp suất cao.

Đột phá kỹ thuật: Tự thay đổi kích thước ngay trong lòng đất

Điểm khiến dự án này đặc biệt không chỉ nằm ở kích thước, mà còn ở việc cỗ máy đã thực hiện một thao tác cực hiếm trong ngành đào hầm: tự thay đổi kích thước ngay bên trong đường hầm đang thi công, dưới áp lực nước biển, mà không cần đưa lên mặt đất.

650 m đầu tiên của tuyến yêu cầu đường kính 17,6 m để kết nối với kết cấu phía bắc, nhưng phần còn lại chỉ cần đường kính 14m. Thay vì đưa vào một máy đào mới, các kỹ sư đã tháo bỏ nhiều bộ phận bên ngoài, tái cấu hình hệ thống và lắp khiên đào 14m ngay trong lòng hầm đang thi công.

Quá trình này được xem là một trong những màn “đại phẫu thuật” táo bạo nhất từng thực hiện với máy đào hầm dưới biển.

Trong giai đoạn cao điểm, cỗ máy đạt tốc độ đào tối đa 30 m/ngày và kỷ lục 167,2 m/tuần. Để duy trì tốc độ này, toàn bộ hệ thống phải vận hành liên tục, từ bơm bùn, kiểm soát áp lực, vận chuyển bê tông đến giám sát địa chất phía trên đường hầm.

Các đốt bê tông đúc sẵn được chuyển từ phía sau máy và lắp đặt bằng cánh tay robot ngay khi đường hầm hình thành.

Từ cảm hứng “Qin Liangyu” đến cuộc đua công nghệ ngầm toàn cầu

Năm 2019, dự án Tuen Mun-Chek Lap Kok Link giành giải thưởng ITA Tunnelling Award, giải thưởng danh giá nhất của Hiệp hội Đường hầm và Không gian ngầm quốc tế, nhờ hàng loạt đột phá kỹ thuật trong quá trình thi công.

Trong đó, công nghệ đổi kích thước khiên đào ngay trong hầm và giải pháp mini-slurry TBM cho các đường hầm nối ngang được xem là những cột mốc mới của ngành xây dựng ngầm toàn cầu.

Ngày nay, Qin Liangyu không chỉ còn là cỗ máy đào hầm giữ kỷ lục Guinness. Nó đã trở thành biểu tượng cho kỷ nguyên siêu công trình dưới lòng đất, nơi các thành phố đông đúc, sân bay, cầu và cao tốc ngày càng phụ thuộc vào những “quái vật cơ khí” có thể hoạt động sâu dưới đáy biển.

Cỗ máy của Đức từng đào xuyên lòng biển Hồng Kông cũng được xem là dấu mốc quan trọng mở ra cuộc đua toàn cầu về những đường hầm lớn hơn, sâu hơn và những cỗ máy đào ngày càng khổng lồ hơn trong tương lai.