BM: Máy đào hầm dưới lòng đất London

Friday, July 24, 2015

Máy đào hầm dưới lòng đất London

Các cỗ máy khổng lồ đào đường hầm trong dự án đường sắt mới ở London – dự án Crossrail – đang hoàn tất đoạn cuối của đường hầm. Jon Excell tới tham quan một khu vực xây dựng dự án.

Dưới lòng đất London là một nơi ngột ngạt, rối rắm với những đường hầm, cống thoát nước thải, các trụ móng nhà, là hệ thống đường dây điện chằng chịt và các nhà ga tàu điện ngầm bỏ hoang.

Thế nhưng đây đang là nơi có công trình xây dựng 26 dặm (42km) đường hầm mới, là phần chạy ngầm dưới lòng đất của Crossrail, dự án giao thông công cộng 14,8 tỷ bảng, vào loại lớn nhất thế giới.

Một phần đường hầm đang thi công

Trong nhiều năm, những cỗ máy khổng lồ đã thận trọng đào bới. Nay, sau ba năm kể từ ngày khởi công hồi tháng 5/2012, công việc đã gần như hoàn tất, với hai cỗ máy đào (TBM) có tên Victoria và Elizabeth đang cán đích ở khu vực sâu dưới lòng đất tại Đông London.

Khi xong việc, hai cỗ máy này sẽ khép lại quá trình đào bới cần mẫn của toàn bộ tám chiếc TBM ngay giữa trung tâm một trong những thành phố đông đúc nhất thế giới.

Ngay trước khi thông hầm, chúng tôi xuống độ sâu 40m bên dưới các con phố ở trung tâm London, điểm nằm giữa đường Liverpool Street và điểm cuối đường hầm ở Farringdon, để tận mắt chứng kiến hoạt động của cỗ máy đào khổng lồ Elizabeth.

Mỗi cỗ máy đào hầm nặng chừng 1.000 tấn

Trên mặt đất, ta dễ cảm nhận được kích thước khổng lồ của một máy TBM hơn nhiều. Với những răng cào đất khổng lồ, thô kệch, trông nó như những cỗ máy chỉ có trong các phim khoa học viễn tưởng.

Chui vào lòng “quái vật”

Thế nhưng một khi đã chui xuống lòng đất, ta sẽ khó phân biệt được đâu là đường hầm, đâu là cỗ máy.

David Shepherd, quản đốc của Công ty xây dựng Bechtel, dẫn chúng tôi đi vòng vèo, lên xuống các bậc cầu thang, thang máy, rồi có một chuyến đi ngắn trên thứ trông giống như những con tàu một ngày sẽ chạy trên tuyến đường ngầm, rồi bất ngờ thông báo là chúng tôi đang đứng trong bụng của cỗ máy khổng lồ này.

Cỗ máy là "hàng thửa" độc đáo, được sản xuất chỉ phục vụ dự án này, và là sản phẩm của công ty Herrenknecht, Đức - một trong một số ít các nhà sản xuất TBM trên thế giới.

Nó có giá khoảng 10 triệu bảng (15 triệu USD), nặng gần 1.000 tấn, đường kính ngoài là 7,1m và chiều dài từ đầu mũi khoan, đào tới hết máy là 150m.

Chống sập hầm

Bắt tay vào làm việc từ 11/2012, Elizabeth điển hình cho các cỗ máy dùng nguyên lý cân bằng áp suất đất được dùng cho việc đào hầu hết các đoạn đường hầm của dự án Crossrail.

Lần đầu tiên được ứng dụng ở Nhật Bản vào cuối thập niên 1970, đây là kỹ thuật dùng biện pháp nén phần đất vừa được đào sao cho chúng đạt áp suất tương đương với phần đất và nước ngầm xung quanh - do vậy giảm nguy cơ sập hầm trong quá trình máy TBM hoạt động.

Việc duy trì cân bằng áp suất được thợ điều khiển TBM liên tục theo dõi, qua đó điều chỉnh tốc độ khoan, đào của máy và tốc độ của băng chuyền tải phần đất mới được đào ra ngoài.

“Bằng cách kiểm soát tốc độ đào đất và phối hợp với việc tải lượng đất đào được ở đầu mũi khoan ra ngoài, chúng tôi duy trì được áp suất ở trong hầm, là thứ lẽ ra bị giảm bởi áp lực dội từ phía trên xuống,” Shepherd nói.

Công nghệ dựng vách hầm

Khi máy đào di chuyển, các tấm bê tông đúc sẵn nặng tới 3.000 kg được băng tải chuyền lên phía trước. Tại đó, các cánh tay thuỷ lực khổng lồ sẽ ghép chúng lại với nhau. Cứ tám tấm như vậy dựng thành một đoạn ống khung vách hầm dài 1,6m. Trong toàn bộ đường hầm, có tới 250.000 tấm bê tông được sử dụng.

Cứ mỗi khi một đoạn ống bê tông được lắp xong, vữa cao áp sẽ được bơm vào xung quanh để cố định các tấm ghép với nhau. Sau đó, piston thuỷ lực sẽ ngàm chặt vào phần đầu của ống bê tông vừa tạo ra rồi đẩy máy đào di chuyển lên phía trước.

Máy đào đất khổng lồ nhích lên từ từ, và để lại đằng sau những đoạn vách hầm được dựng lên phù hợp với tốc độ đào của máy.

Mỗi 'đoạn' vách đường hầm được ghép lại bằng tám tấm bê tông.

Quy trình này được thực hiện không ngơi nghỉ suốt tuần, với các tốp thợ lái thay nhau liên tục, cứ mỗi phiên làm việc 12 giờ gồm 15 phiên đổi ca. Họ chỉ có những khoảng thời gian giải lao ngắn tại chỗ khi muốn uống nước hoặc đi vệ sinh ở toilet đặt ngay trên máy (mà chúng tôi không được “dùng thử”).

Máy đào hầm đạt tốc độ khá ấn tượng. Shepherd, người từng tham gia nhiều dự án như làm đường hầm qua eo biển Manche nối Anh với Pháp, hay đoạn kéo dài tuyến tàu điện ngầm Jubilee Line của London, cho biết thường trong một ca làm việc liên tục thông, họ có thể xây dựng được khoảng 16m đường hầm.

Nếu điều kiện thuận lợi, tiến độ xây dựng có thể nhanh hơn. "Chúng tôi từng có một số ca đạt năng suất kỷ lục… lắp đặt được 20 ống bê tông chỉ trong một ca 12 giờ”, ông nói, "nhưng đó chỉ là trường hợp ngoại lệ, trong một đoạn ngắn, khi nền đất dễ đào, và ca đó toàn các tay thợ lành nghề nhất, họ làm "tới bến" luôn!"

Nhích từng tí

Với tốc độ khoảng một mét một giờ, ta sẽ không mấy cảm giác là mình đang di chuyển trên một “chiếc xe”. Chỉ có tiếng rầm rầm không ngừng của đầu khoan và chuyển động lặng lẽ của những bánh xe nhỏ trên máy đào cho biết bạn đang di chuyển.

Tuy cần hạn chế tối đa việc cho máy nghỉ, nhưng các bộ phận khoan, phá, đào đất lại chỉ có thể làm việc trong một giới hạn nhất định, Shepherd nói, và cứ mỗi khi đào được 1km là lại cần kiểm tra xem đầu mũi khoan phá xem đã cần thay chưa.

Thường thì việc này có thể được thực hiện trong môi trường phi điều áp, nhưng đôi khi có những quan ngại về độ ổn định của nền đất khiến người ta cần thực hiện một tác vụ đặc biệt gọi là can thiệp bội áp.

Trong quá trình này, mà Shepherd nói cũng hiếm khi xảy ra, thợ cơ khí sẽ phải chui vào một túi khí nằm phía đầu máy đào. Sau đó, khí nén sẽ từ từ được bơm vào để cân bằng với áp suất cuối đường hầm, thường khoảng 2 bar, tương tự với áp suất mà một thợ lặn phải chịu ở độ sâu 10m nước.

Sau một thời gian ngắn để thích nghi với áp suất, các thợ cơ khí sẽ chui ra khỏi máy TBM qua một ô cửa nhỏ phía đầu khoan để kiểm tra, thay thế các răng khoan, cắt. Xong việc, họ lại phải chui trở lại và qua một quy trình giảm áp tương tự, tốn nhiều thời gian hơn lúc chui ra, phụ thuộc vào khoảng thời gian họ làm việc ở khu vực tăng áp cuối đường hầm.

Hành trình đào đất của máy TBM được hoạch định đặc biệt cẩn thận. Nền đường trên tuyến đào được khảo sát và lập bản đồ chi tiết. Máy đào cũng được dẫn hướng bằng hệ thống laser hiện đại.

Qua nói chuyện với Shepherd, tôi thấy rõ là không có gì phải lo lắng về chuyện các máy đào có thể đi chệch sơ đồ, dẫn đến việc các tuyến đường hầm không thông kết lại với nhau một cách chính xác.

Tuy vậy, ông nói, vẫn có những thứ không lường trước được hết. Chẳng hạn như đất ở các điểm khác nhau thì độ cứng sẽ ít nhiều có sự khác biệt, nhưng sự khác biệt đó chỉ được biết tới khi máy TBM đào đến. Khi đó, người điều khiển sẽ phải rất quyết đoán để đảm bảo máy không đào chệch quá 50mm so với vị trí thiết kế.

Phần cửa dẫn vào đường hầm ở khu vực Kingsway.

"Có thể gặp nền đất cứng ở một phía khi đào khiến máy đào nghiêng đi," Shepherd giải thích, "hoặc tầng đất bên dưới cứng hơn, khiến máy muốn đào lui lên. Khi đó, người điều khiển phải hành động một cách quyết đoán."

Để làm điều này, thợ lái sẽ chỉnh áp lực riêng biệt trên từng piston đặt vòng quanh máy, là các bộ phận đẩy chiếc TBM về phía trước theo hướng dự định.

Công nghệ bơm vữa cao áp

Với việc tuân thủ đúng lộ trình thiết kế và giám sát chặt chẽ áp suất cân bằng giữa máy và nền đất xung quanh, người thợ lái đóng vai trò then chốt trong việc giảm tới mức tối đa sự dịch chuyển môi trường đất quanh đường hầm, là điều sẽ làm gây tác động tới các đường hầm hoặc cơ sở hạ tầng xung quanh.

Nhưng họ không phải đơn độc lo hết chuyện này.

Sử dụng vữa để trợ giữ ổn định nền đất dọc theo đường hầm là giải pháp được sử dụng rộng rãi trong dự án Crossrail.

Trong phương pháp này, trước tiên người ta đào các giếng sâu 10-20m có đường kính 5m. Các kỹ sư sẽ bơm vữa cao áp vào giếng, rồi từ đó vữa được bơm vào các vị trí cần thiết quanh giếng thông qua hàng loạt các ống có tiết diện nhỏ được gọi là TAM (Tubes-a-Manchette), đặt nằm ngang, tỏa ra từ đáy giếng và có thể dài tới 80m.

Các giếng được đào theo chiều thẳng đứng, không sâu xuống lòng đất như đường hầm nhưng lại khiến người ta phát hiện ra một số vết tích khảo cổ kinh ngạc và rùng rợn trong quá trình thực hiện dự án Crossrail. Chẳng hạn như đã có “hố địa ngục” được tìm thấy ở gần Farringdon, chứa toàn xác các bệnh nhân dịch hạch hồi thế kỷ 14.

Sau gần ba năm, với khoảng 250.000 tấm bê tông được sử dụng và lượng đất đá đào ra đủ để đắp thành một hòn đảo, ống ngầm tạo khung vách đường hầm Crossrail đã gần như hoàn thành. Việc tiếp theo chỉ còn là xây dựng tuyến đường sắt trong đó.

Jon Excell