Bên trong những đường hầm của tương lai

Trong nhiều thập kỷ, các kỹ sư thường xây dựng những đường hầm dưới lòng đất bằng cách sử dụng cỗ máy hình trụ khổng lồ với các lưỡi cắt theo dạng bánh xe ở đầu máy, các vấu cứng đúc bằng hợp kim, lắp đa chiều, có thể nghiền, bào đá cứng. Những cỗ máy khổng lồ này được gọi là máy khoan hầm, hoặc TBM. Chúng vô cùng đắt đỏ, và thường được chế tạo tùy chỉnh cho từng dự án. Chẳng hạn, có thể kể đến các máy TBM đặc thù được sử dụng để khoan hầm cho tuyến tàu điện ngầm Elizabeth mới khai trương gần đây ở London, chúng nặng hơn 1.000 tấn mỗi chiếc và khoan những đường hầm có đường kính hơn 7 mét bên dưới thủ đô của Vương quốc Anh.

Song công ty khởi nghiệp hyperTunnel của Anh đã nảy ra một ý tưởng khác. Họ dự định chế tạo các robot nhỏ hơn nhiều, dài khoảng 3 mét có hình dạng như nửa hình trụ phóng xuống dưới lòng đất thông qua các đường ống có sẵn. Những đường ống này, có đường kính khoảng 250 mm (10 inch), sẽ chạy dọc theo đường viền của các bức tường dự định xây dựng trong đường hầm. Khi vào bên trong ống, các robot sẽ sử dụng một cánh tay robot có đầu phay để đâm thủng vào phần lõi xung quanh, khoét những khoảng trống nhỏ, những khoảng trống này sau đó sẽ được lấp đầy bằng bê tông hoặc một số vật liệu chắc chắn khác. Từng mảnh bê tông sẽ dần kết hợp để tạo ra cấu trúc của một đường hầm mới.

“Có hàng ngàn robot”, Patrick Lane-Nott, giám đốc kỹ thuật của hyperTunnel mô tả. “Hệt như những con kiến hoặc những con mối đang di chuyển, hoạt động theo đàn”.

Các chuyên gia trong lĩnh vực khoan hầm đều nhất trí rằng ngành công nghiệp đang cần các giải pháp công nghệ để giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu quả. “Có rất nhiều công nghệ mới được sinh ra, và tôi nghĩ đó là tín hiệu đáng mừng, bởi vì ngành công nghiệp khoan hầm cần được cải thiện”, bà Jasmin Amberg, quản lý dự án của Amberg Engineering - công ty chuyên về công trình ngầm, cho hay.

Nếu các công nghệ này được triển khai, có rất nhiều công trình đang cần đến nó. Trung Quốc gần đây đã hoàn thành một hầm đường sắt dài 20 km ở dãy núi Long Môn - sau một thập kỷ xây dựng. Ngoài ra, dự án đường sắt cao tốc HS2 ở Anh sẽ nối London với các thị trấn và thành phố ở phía Bắc đất nước; theo kế hoạch, sẽ có hơn 100 km đường hầm chạy dọc theo tuyến đường được đề xuất. Và Peter Vesterbacka, người từng làm việc cho công ty Rovio, đang ấp ủ kế hoạch đầy tham vọng: xây dựng một đường hầm dưới biển nối giữa Phần Lan và Estonia.

Amberg dự báo nhu cầu về cơ sở hạ tầng ngầm ngày càng tăng trong tương lai - đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu đã khiến nhiệt độ trên mặt đất tăng lên đáng kể. “Có lẽ không tệ lắm nếu có một nơi mà chúng ta có thể tận hưởng sự mát mẻ,” cô nói.

Đường hầm không chỉ dành cho phương tiện giao thông vận tải. Troy Helming, nhà sáng lập và Giám đốc điều hành của công ty khởi nghiệp EarthGrid có trụ sở tại San Francisco, nhấn mạnh vai trò của việc lắp đặt các đường dây điện dưới lòng đất - đây cũng là điều mà công ty của ông hướng tới. Ông lưu ý rằng phần lớn cáp truyền tải ở Hoa Kỳ và Canada nằm trên mặt đất, chúng phải phơi mình dưới nắng mưa, “chịu đựng” các trận cuồng phong, các cơn bão lớn nhỏ cũng như cháy rừng.

“Chúng tôi đang lên kế hoạch xây dựng siêu lưới điện trên khắp Bắc Mỹ, phát triển một bản đồ với các đường có màu sắc khác nhau - hiển thị lưới điện trải dài từ biển phía đông đến Thái Bình Dương và các trang trại gió ngoài khơi trong tương lai ở phía tây”, ông tiết lộ. Kế hoạch này có thể giúp liên kết lưới điện bị phân mảnh của Hoa Kỳ - và có khả năng một ngày nào đó thậm chí sẽ mở rộng đến tận châu Âu. “Chúng tôi biết chứ, ý tưởng này thật điên rồ và táo bạo”.

Họ gặp một trở ngại lớn là có nhiều loại đá quá cứng, chẳng hạn như đá granite và đá thạch anh, khiến cho phương pháp khoan hầm truyền thống không phát huy hiệu quả. Helming đang xem xét ứng dụng công nghệ plasma có thể làm nóng đá đến khoảng 6.000 độ C, nó sẽ nổ tung thành các mảnh vụn. Ông khẳng định phương pháp mới sẽ giúp tạo ra các đường hầm xuyên đá cứng nhanh hơn 100 lần so với công nghệ hiện tại. EarthGrid đang phát triển một nguyên mẫu robot cầm năm máy hàn cắt plasma, họ đã sẵn sàng để thử nghiệm robot vào tháng 3/2023. Công ty cũng đặt mục tiêu hoàn thành dự án thương mại quy mô nhỏ đầu tiên vào cuối năm nay.

Helming lưu ý rằng, trong trường hợp của EarthGrid, các đường hầm sẽ không có hình tròn mà là hình móng ngựa truyền thống - bạn hãy tưởng tượng một hình vuông có vòm ở trên, thay vì trần phẳng. Ông lập luận rằng điều này giúp quá trình lắp đặt giá đỡ cáp dễ dàng hơn.

Công ty khởi nghiệp EarthGrid không phải là những người duy nhất nảy ra ý tưởng này. Công ty đối thủ Petra cũng tìm cách khoan xuyên qua đá cứng bằng sức mạnh của nhiệt, song thiết bị cắt nhiệt của họ sử dụng chất lỏng siêu nhiệt thay vì dùng công nghệ plasma.

“Chúng tôi đã hoàn thành một đường hầm dài 34 foot, đường kính 30 inch xuyên qua đá granite vào tuần trước,” giám đốc điều hành kiêm đồng sáng lập Kim Abrams chia sẻ rằng công ty hy vọng sẽ có thể thương mại hoá công nghệ vào năm tới. Bên cạnh đó, cô cho biết công ty cũng đang nghiên cứu một giải pháp riêng để giải quyết phần đất cực kỳ mềm hoặc ngập úng, thường nằm bên dưới và gần các thành phố ven biển.

Song cũng cần lưu ý rằng hiện vẫn chưa chứng minh được hiệu quả của những công nghệ khoan hầm này trên quy mô lớn. Cô nhận định ý tưởng của hyperTunnel rất thú vị, nhưng cô không chắc robot sẽ giải quyết những phần đá siêu cứng hoặc đất ngập nước như thế nào.

Jian Zhao là giáo sư Khoa Xây dựng tại Đại học Monash ở Úc. Ông và các đồng nghiệp đã nghiên cứu công nghệ laser, vi sóng và tia nước áp suất cao để ứng dụng vào khoan đường hầm. Ông nghĩ phương pháp dựa trên nhiệt của Petra sẽ hoạt động hiệu quả trong các dự án khoan hầm lớn, nhưng ông tự hỏi liệu nó có ảnh hưởng đến những máy móc khác trong hầm hay không.

Nhìn chung, các chuyên gia tỏ ra vô cùng lạc quan về tương lai của ngành công nghiệp khoan hầm. “Nguồn tài trợ hạt giống, đầu tư thiên thần có thể giúp thúc đẩy những công nghệ sáng tạo”, Michael Mooney, giáo sư chuyên về xây dựng công trình ngầm tại Trường Mỏ Địa chất Colorado, tỏ ra hào hứng. Ông nghĩ hiện tại “các nhà đầu tư vẫn chưa nắm chắc liệu có công nghệ khoan hầm mới nào có tạo nên tiếng vang, thành công thương mại hoá quy mô lớn hay không”, nhưng ông chắc chắn rằng ngành này luôn chào đón các kỹ thuật nhanh hơn, rẻ hơn.

Ông cũng cho biết Công ty Boring đang phát triển loại TBM riêng biệt có thể phóng thẳng từ ngoài vào lòng đất để khoan hầm (thông thường, đối với những thiết bị khác, bạn sẽ đào một cái hố trước rồi đặt TBM vào đó để tạo hầm). Công ty đang có kế hoạch tiêu chuẩn hóa các thiết bị khoan đường hầm trong những dự án tương lai. “Việc chế tạo một máy khoan hầm mới để phù hợp với đặc thù từng dự án rất phức tạp và tốn kém”, GS. Mooney cho hay.

Không chỉ quá trình xây dựng hầm mới đáng được lưu tâm, Amberg chia sẻ rằng họ nhận thấy rất nhiều đường hầm hiện có trên khắp thế giới hiện đã lỗi thời, cần được bảo trì và sửa chữa. Công nghệ mới của hyperTunnel có thể giải quyết hiệu quả vấn đề này. Lane-Nott tự tin khẳng định các thiết bị của công ty ông sẽ có thể phóng xuống những đường ống để chỉnh sửa cấu trúc bên ngoài của các đường hầm dưới lòng đất mà không cần các nhà điều hành phải cho ngừng hoạt động phương tiện giao thông đường bộ hoặc đường sắt bên trong. Và cuộc cách mạng này đã bắt đầu. Network Rail, công ty sở hữu và vận hành phần lớn mạng lưới đường sắt của Vương quốc Anh, đã hợp tác với HyperTunnel đã hiện thực hoá ý tưởng này.

Nếu nó thành sự thật, chúng ta sẽ có hàng ngàn robot vận hành nhuần nhuyễn nhằm hình thành một cấu trúc khổng lồ dưới lòng đất. Trong tương lai, thế giới của chúng ta sẽ đầy những cơ sở hạ tầng ngầm. Cuộc đua vẫn đang diễn ra, và chúng ta chưa biết rốt cục công nghệ tiên phong nào sẽ bật lên để giành lấy phần thắng.

Theo Wired