Phát hiện 33 khối bê tông, mỗi khối nặng 80.000 tấn được các kỹ sư Trung Quốc đánh chìm xuống đáy biển, mở đường cho siêu dự án 529.000 tỷ đồng

Nằm tại cửa sông Châu Giang, cầu Hong Kong – Chu Hải – Ma Cao (Hong Kong–Zhuhai–Macao Bridge – HZMB) là tuyến đường kết nối Hồng Kông ở phía Đông với Chu Hải và Ma Cao ở phía Tây, hình thành trục giao thông xuyên biển liên kết ba trung tâm kinh tế quan trọng của Trung Quốc. Với chiều dài khoảng 55 km, đây là rổ hợp công trình cầu vượt biển, đảo nhân tạo và hầm chìm có tổng chiều dài lớn nhất thế giới.

Toàn tuyến dài khoảng 55 km, gồm 12 km đường kết nối phía Hong Kong, 29,6 km cầu chính và 13,4 km đường kết nối phía Chu Hải. Riêng cầu chính được thiết kế kết hợp giữa cầu vượt biển và hầm chìm, trong đó phần cầu dài khoảng 22,9 km, còn đoạn hầm dưới biển dài khoảng 6,7 km.

Được khởi công năm 2011, dự án hoàn thành, bàn giao vào tháng 2/2018 và chính thức thông xe vào tháng 10 cùng năm. Công trình có tổng vốn đầu tư khoảng 20 tỷ USD (tương đương 529.000 tỷ đồng).

Không chỉ tạo thêm tuyến kết nối giữa Hong Kong, Chu Hải và Ma Cao, công trình còn góp phần thúc đẩy giao thương, logistics trong khu vực Vùng Vịnh lớn Quảng Đông – Hong Kong – Ma Cao. Sau khi hoàn thành tuyến đường, thời gian di chuyển từ Chu Hải đến sân bay quốc tế Hong Kong được rút ngắn từ khoảng 4 giờ xuống còn 45 phút.

33 khối bê tông nặng 80.000 tấn được đưa xuống đáy biển

Điểm đặc biệt nhất của HZMB nằm ở đoạn hầm chìm dưới biển. Thay vì đào toàn bộ đường hầm xuyên qua lòng đất dưới đáy biển, các kỹ sư lựa chọn phương án chế tạo những cấu kiện bê tông cốt thép khổng lồ trên bờ, sau đó vận chuyển ra biển và đánh chìm xuống vị trí đã chuẩn bị trước.

Phần hầm chìm gồm 33 cấu kiện và một đoạn nối cuối cùng. Mỗi cấu kiện tiêu chuẩn dài 180 m, rộng 37,95 m, cao 11,4 m, nặng khoảng 80.000 tấn. Thành bê tông của cấu kiện dày khoảng 1,5 m. Mỗi cấu kiện được chia thành những đoạn nhỏ hơn, dài 22,5 m, sau đó liên kết bằng phương pháp dự ứng lực để tạo thành một kết cấu hoàn chỉnh.

Để chế tạo 33 cấu kiện này, nhà thầu xây dựng riêng một tổ hợp sản xuất trên đảo Quý Sơn, gần khu vực thi công. Nhà máy có diện tích khoảng 560.000 m², sử dụng khoảng 1.200 nhân sự, với dây chuyền sản xuất được tổ chức từ khâu lắp đặt cốt thép, dựng ván khuôn đến đổ bê tông.

Mỗi đoạn cấu kiện được đổ bê tông trong một lần, với khối lượng khoảng 3.400 m³. Tổng lượng bê tông sử dụng cho hệ thống cấu kiện hầm chìm xấp xỉ 1 triệu m³.

Với quy mô vật liệu đặc biệt lớn, công tác sản xuất đòi hỏi kiểm soát nghiêm ngặt chất lượng bê tông, nhiệt độ trong quá trình đông kết và nguy cơ xuất hiện vết nứt. Bởi khi đã được đưa xuống đáy biển, việc sửa chữa hoặc thay thế một cấu kiện sẽ vô cùng phức tạp.

Huy động 12 tàu kéo đưa từng cấu kiện xuống đáy biển

Nếu quá trình chế tạo đã phức tạp thì việc vận chuyển và hạ những cấu kiện nặng hàng chục nghìn tấn xuống đáy biển còn đòi hỏi độ chính xác cao hơn.

Sau khi hoàn thiện, từng cấu kiện được đưa ra khỏi ụ chế tạo, tận dụng lực nổi để di chuyển trên mặt nước. Hệ thống tàu kéo chuyên dụng đảm nhiệm việc đưa chúng đến vị trí lắp đặt.

Theo phương án thi công, mỗi cấu kiện được 12 tàu kéo phối hợp vận chuyển. Trong đó, 4 tàu kết nối trực tiếp với cấu kiện, gồm 2 tàu phía trước và 2 tàu phía sau. Tám tàu còn lại di chuyển hai bên, hỗ trợ điều chỉnh hướng đi và vị trí, đặc biệt khi xuất hiện dòng chảy ngang mạnh.

Toàn bộ hoạt động được giám sát bằng hệ thống định vị và điều khiển hàng hải, cập nhật vị trí của cấu kiện cùng các tàu kéo theo thời gian thực. Chỉ huy trưởng có thể theo dõi, điều phối cả 12 tàu để giữ cho khối bê tông khổng lồ di chuyển đúng hướng. Trước khi vận chuyển thực tế, đội ngũ thi công đã tiến hành 4 lần diễn tập kéo cấu kiện bằng sà lan.

Khi đến vị trí thiết kế, cấu kiện được hạ xuống rãnh đã đào sẵn dưới đáy biển. Trước đó, khu vực này đã trải qua quá trình nạo vét, xử lý nền và san phẳng nhằm tạo bề mặt tiếp xúc ổn định.

Đáng chú ý, nền móng của đường hầm được các kỹ sư sử dụng hệ thống cọc gia cố nền, kết hợp lớp đá dăm và lớp đệm sỏi để tạo mặt bằng chịu lực cho những cấu kiện bê tông có tải trọng cực lớn.

Một tàu chuyên dụng được huy động để rải, đầm và san phẳng vật liệu đá dưới nước. Thiết bị sử dụng hệ thống ống thả vật liệu và búa thủy lực, đưa đá xuống đúng vị trí, đồng thời tạo lớp nền có độ đồng đều theo yêu cầu kỹ thuật.

Trong quá trình hạ cấu kiện, các kỹ sư phải tính toán đồng thời ảnh hưởng của thủy triều, dòng chảy, lực nổi và độ lún của nền. Chỉ một sai lệch nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng kết nối giữa các đoạn hầm.

Thách thức còn đến từ điều kiện địa chất và thủy văn tại cửa sông Châu Giang. Rãnh đặt hầm sâu khoảng 30 m, trong khi dòng chảy ở đáy biển có thời điểm mạnh hơn trên mặt nước. Bùn cát cũng có thể nhanh chóng bồi lắng, buộc công tác lắp đặt phải tạm dừng để xử lý lại nền. Theo nghiên cứu của nhóm kỹ sư tham gia dự án, đã có trường hợp một cấu kiện phải quay lại sau khi phát hiện lớp bùn cát dày xuất hiện trên đường vận chuyển.

HZMB còn đặt ra hàng loạt bài toán kỹ thuật về độ bền, khả năng chống thấm và an toàn kết cấu trong môi trường biển.

Các cấu kiện hầm phải chịu áp lực nước, tải trọng của lớp đất đá phủ phía trên và những tác động địa chất trong suốt vòng đời khai thác. Đặc biệt, do tuyến hầm nằm dưới khu vực luồng tàu, lớp trầm tích phía trên có thể được nạo vét trong tương lai để điều chỉnh độ sâu hàng hải.

Để ứng phó, các kỹ sư phát triển kết cấu hầm bán cứng, kết hợp khả năng chịu lực với độ linh hoạt nhất định. Hệ thống liên kết giữa các cấu kiện cũng được thiết kế đặc biệt nhằm kiểm soát chuyển vị và hạn chế nguy cơ rò rỉ nước.

Một trong những hạng mục phức tạp nhất là đoạn nối cuối cùng giữa hai cấu kiện E29 và E30, nằm ở khu vực đáy biển sâu khoảng 27,9 m. Đây là vị trí chịu ảnh hưởng trực tiếp của sóng và dòng chảy, khiến việc kết nối hai đầu hầm đòi hỏi độ chính xác rất cao.

Thay vì sử dụng phương pháp nối truyền thống, nhóm kỹ sư thiết kế một cấu kiện nối có khả năng thay đổi chiều dài trong quá trình lắp đặt. Khi được đưa vào đúng vị trí, cấu kiện này tự giãn theo phương dọc để tiếp xúc với hai đầu hầm liền kề.

Giải pháp đặc biệt này giúp rút ngắn thời gian thi công đoạn nối từ hơn 6 tháng xuống còn 3 ngày.

Chọn phương án hầm chìm để nhường luồng cho tàu hàng 300.000 tấn

Việc lựa chọn phương án hầm chìm thay vì xây dựng cầu vượt biển xuyên suốt xuất phát từ yêu cầu bảo đảm hoạt động hàng hải tại cửa sông Châu Giang.

Đây là tuyến vận tải biển quan trọng, có mật độ tàu thuyền lớn. Nếu xây dựng cầu tại khu vực luồng hàng hải chính, chiều cao thông thuyền phải được tính toán đủ lớn để những tàu trọng tải hàng trăm nghìn tấn có thể đi qua.

Trong khi đó, khu vực phía Đông còn nằm gần sân bay quốc tế Hong Kong, khiến việc xây dựng các trụ và tháp cầu quá cao gặp thêm những hạn chế về không phận.

Vì vậy, các kỹ sư lựa chọn giải pháp đưa tuyến đường xuống dưới đáy biển. Theo tài liệu kỹ thuật, phần hầm chìm được chôn sâu khoảng 20 m dưới đáy biển. Tại vị trí sâu nhất, đỉnh hầm nằm cách mặt nước khoảng 46 m, tạo điều kiện cho tàu hàng trọng tải đến 300.000 tấn lưu thông phía trên.

Hai đầu hầm được kết nối với phần cầu thông qua hai đảo nhân tạo, mỗi đảo có diện tích khoảng 100.000 m². Để hình thành các đảo này, nhà thầu sử dụng hệ thống ống thép khổng lồ, đường kính khoảng 22 m, cao tới 50 m, đóng sâu vào nền đất và liên kết thành tường bao.

Tổng cộng, hai đảo nhân tạo sử dụng khoảng 120 ống thép. Mỗi ống nặng khoảng 550 tấn, đường kính 22 m và cao tối đa 51 m.

Thay vì sử dụng phương pháp đắp đảo truyền thống với khối lượng đào đắp và xử lý nền lớn, hệ thống ống thép tạo thành vành đai ngăn nước, giúp đẩy nhanh quá trình hình thành đảo và giảm thời gian thi công ngoài biển.

Sau khi hoàn thành, hệ thống cầu vượt biển, hai đảo nhân tạo và đường hầm chìm tạo thành tuyến giao thông liên tục dài khoảng 55 km, trở thành một mắt xích quan trọng trong mạng lưới hạ tầng của Vùng Vịnh lớn Quảng Đông – Hong Kong – Ma Cao.