Đường hầm dưới nước được xây dựng như thế nào?

Đường hầm được xây dựng bằng nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào loại, mục đích và vật liệu làm đường hầm. Phương pháp phổ biến nhất là xây một đường hầm trên mặt đất rồi đặt nó dưới nước. Điều này được thực hiện bằng cách xây dựng các đoạn đường hầm trên mặt đất và sau đó bịt kín chúng bằng các vách ngăn. Sau đó, các đoạn này được đặt trong một rãnh dài và hẹp đã được nạo vét và phân loại trước khi thi công.

Trong quá khứ, những chuyến du hành trên mặt nước tuy rất thú vị nhưng lại thường có thể nguy hiểm đến tính mạng. Một con tàu hoặc một chiếc phà rất dễ bị thủy triều dâng cao và bão cuồng nộ nuốt chửng. Năm 1954, năm chiếc phà chở du khác vào eo biển Tsugaru, vùng nước nằm giữa đảo Hokkaido và tỉnh Aomori Nhật Bản đã gặp nạn khi đối mặt với một cơn bão.

Và trước hoàn cảnh này, việc xây một cây cầu không được xem là giải pháp thay thế hiệu quả, vì những cơn gió bão vẫn có thể phá hủy nó. Giải pháp thay thế an toàn nhất cũng là giải pháp khó khăn nhất đối với trường hợp này là xây một đường hầm dưới nước.

Có rất nhiều cách để xây đường hầm dưới nước.

Nhưng năm 1998, chính phủ Nhật Bản đã quyết định xây dựng một đường hầm dưới nước và nó được xem là đường hầm sâu nhất và dài nhất vào thời điểm đó.  nằm ở độ sâu 140m dưới đáy biển và trải dài gần 54km! Tất nhiên, câu hỏi đặt ra là làm thế nào mà những tuyệt tác kỹ thuật này lại được xây dựng?

Đường hầm dưới nước đầu tiên trên thế giới được xây dựng dưới dòng sông Thames chảy qua London. Vào đầu thế kỷ 19, London là trung tâm thương mại ở châu Âu và phần lớn phần còn lại của thế giới vào thười điểm đó. Các bến cảng tắc nghẽn với tàu chở than cùng các hàng hóa khác và đường sá tràn ngập xe ngựa đã khiến tình trạng tắc nghẽn ngày càng đáng lo ngại, đặc biệt khi nền công nghiệp đang trên đà phát triển. Bởi vậy, họ cần phải tìm ra một cách để tăng tỷ lệ giao thương và đi lại mà không làm tăng lưu lượng di chuyển.

Hồi đó, ý tưởng xây một đường hầm dưới nước là một điều vô cùng khó khăn, có thể nói nó được coi là thứ xuất hiện trong khoa học viễn tưởng thời bấy giờ. Tuy nhiên, các kỹ sư lại nhận ra rằng đó cũng là giải pháp hiệu quả nhất. Tất nhiên, việc xây dựng một đường hầm dưới nước cũng có những rủi ro, đó là bùn đại dương và áp lực nước tạo ra có thể xuyên qua các kẽ hở và làm sập toàn bộ đường hầm, điều này rõ ràng sẽ là một thảm họa.

Đường hầm dưới nước đầu tiên trên thế giới được xây dựng dưới dòng sông Thames.

Tuy nhiên, vào năm 1818, Marc Brunel, được biết đến như một trong những kỹ sư tài giỏi nhất nước Anh, đã phát triển một thiết bị có thể đào hầm xuyên đáy biển mà không để bùn hay nước thấm vào! Ông đã sử dụng cái mà ngày nay được gọi là "Khiên đào đường hầm - tunnel shield".

Đường hầm Thames giữa Wapping và Rotherhithe không được đào bằng máy khoan lớn mà do con người đục đá và cát theo đúng nghĩa đen. Khi tunnel shield di chuyển về phía trước, những người công nhân ở phía trước sẽ đào hầm, còn những người phía sau sẽ xếp gạch dọc theo đường hầm vừa mới hình thành, sau đó những viên gạch được gia cố bằng bê tông và việc phát triển một đường hầm có khả năng chứa các phương tiện xe ngựa - và sau này là tàu hỏa. Các công nhân phải phát triển hai cửa xả, một để xử lý bùn và cát, và một để lấy nước.

Ban đầu, đường hàm được dự đoán chỉ mất 3 năm để hoàn thành, nhưng trên thực tế quá trình này đã mất khoảng 18 năm mới hoàn toành. Cho tới nay, đường hầm này vẫn là một phần quan trọng của mạng lưới đường sắt trên của London. Trong một khoảng thời gian ngắn, nó đã từng được coi là kỳ quan thứ 8 của thế giới.

Khiên đào đường hầm hay máy đào đường hầm dạng khiên, là một kết cấu bảo vệ, được sử dụng trong đào đường hầm xuyên qua bùn đất mềm hoặc bùn lỏng, nhằm duy trì ổn định vách đất đường hầm trong thời gian cần thiết để thi công kết cấu vách bê tông cốt thép đỡ tuyến đường hầm. Ban đầu nó có chức năng đơn giản như một tấm lá chắn giữ thành đất trong đào đất đường hầm bằng thủ công, về sau cùng với việc cơ giới hóa trong thi công đào đường hầm, nó được cải tiến gắn thêm chức năng đào đất đường hầm và trở thành một dạng máy đào chuyên dụng. Trong thực tế, khiên đào đường hầm phục vụ như là một cấu trúc hỗ trợ tạm thời cho đường hầm trong khi nó đang được đào.

Tuy nhiên, khi khoa học kỹ thuật phát triển hơn, thay vì vừa xây vừa đào đường hầm một các đồng thời, người ra đã chuyển qua việc xây một đường hầm trên mặt đất và sau đó sẽ đặt nó dưới nước.

Một đường hầm như vậy sẽ được xây dựng theo từng đoạn. Các đoạn bê tông được bịt kín bằng vách ngăn sau đó sẽ được nhấn chìm xuống nước và được đặt trong một khoang dài, hẹp chạy dọc theo chiều dài của đường hầm cần xây dựng. Những khoang này được phát triển bằng cách nạo vét và phân loại rãnh trước khi thi công các đoạn. Mỗi đoạn sau đó được nối lại để tạo thành đường hầm.

Ngày nay khi khoa học phát triển hơn, một đường hầm sẽ được xây dựng theo từng đoạn.

Đường hầm Ted Williams, nối phần phía nam của Boston và Sân bay Logan, được xây dựng theo kiểu này. Đường hầm gồm có mười hai đoạn, mỗi đoạn dài 325 feet, được nối lại để tạo thành đường hầm. Điều đáng ngạc nhiên hơn nữa là mỗi phần trong số đó đều có những con đường đã được xây dựng hoàn chỉnh!

Mặc dù kỹ thuật này có hiệu quả về mặt chi phí nhưng nó cũng có nhiều nhược điểm:

• Đầu tiên, các kỹ sư phải cực kỳ cẩn thận khi đánh chìm các phân đoạn, vì ngay cả một sai lệch nhỏ cũng có thể dẫn đến hậu quả tàn khốc.
• Thứ hai, trong khi các đường hầm chìm được xây dựng dưới rãnh, có khả năng một số đoạn hướng ra mặt nước có thể bị lộ ra ngoài. Những khe hở này có thể gây ra tai nạn khủng khiếp nếu bị tàu chìm hoặc neo đâm vào.
• Thứ ba, rõ ràng là những tác động bất lợi của việc đào đất trên lòng kênh, và do đó ảnh hưởng đến môi trường và hệ sinh thái.

Tuy nhiên, phương pháp thuận tiện nhất là sử dụng máy khoan, ngoại trừ việc nó phải rất lớn. Đường hầm Kênh nối Vương quốc Anh và miền bắc nước Pháp được xây dựng bằng những cỗ máy khổng lồ có tên là Máy khoan đường hầm (TBM). Máy TBM, còn được gọi là "mole", là loại máy đào đường hầm bằng cách cắt xuyên qua đá và địa tầng bằng các lưỡi dao quay nhanh.

Quá trình xây dựng đường hầm dưới nước.

Tất nhiên, nhược điểm của phương pháp này lại rất đắt tiền. Hơn nữa, một chiếc máy có giá hàng triệu đô la không đủ để tự xây dựng một đường hầm. Đường hầm Kênh nối Vương quốc Anh và miền bắc nước Pháp cần 11 chiếc để xây dựng. Do đó, có thể nói không có kỹ thuật nào có thể được coi là tốt nhất tuyệt đối.