Ngành công nghiệp đào hầm dưới lòng đất đang khám phá các giải pháp khác nhau như robot mini, đuốc plasma và chất lỏng quá nhiệt để thay thế các máy khoan khổng lồ hiện đang được sử dụng.
Trong nhiều thập kỷ qua, các kỹ sư trong quá trình tìm cách xây dựng các đường hầm dưới lòng đất đã dựa vào những cỗ máy dạng ống khổng lồ, loại được trang bị một loạt bánh xe cắt để xử lý đất đá ở một đầu. Những cỗ máy khổng lồ này, được gọi là máy khoan hầm, hoặc TBM, rất đắt tiền và thường được chế tạo tùy chỉnh cho từng dự án. Trong tuyến đường sắt Elizabeth Line mới khai trương gần đây của London, các cỗ máy được triển khai nặng hơn 1.000 tấn mỗi chiếc và có thể tạo ra những đường hầm có đường kính hơn 7 mét bên dưới thủ đô của Vương quốc Anh.
Nhưng công ty khởi nghiệp hyperTunnel của Anh lại có những ý tưởng khác. Công ty đề xuất một bối cảnh tương lai trong đó các robot nhỏ hơn nhiều, chỉ dài khoảng 3 mét và có hình dạng như một nửa hình trụ. Chúng sẽ phóng xuống dưới lòng đất thông qua các đường ống có sẵn. Những đường ống này, có đường kính khoảng 25 cm, đặt theo đường viền của các bức tường của đường hầm được đề xuất. Khi vào bên trong chúng, các robot sẽ sử dụng một cánh tay robot có đầu phay để thâm nhập vào vùng đất xung quanh và khoét những khoảng trống nhỏ, thứ sau đó sẽ được lấp đầy bằng bê tông hoặc một số vật liệu chắc chắn khác. Với từng mảnh ghép như thế này, cấu trúc của một đường hầm mới sẽ được tạo ra và kết hợp lại với nhau.
“Chúng tôi đang nói về hàng nghìn con robot giống như vậy”, Patrick Lane-Nott, giám đốc kỹ thuật của hyperTunnel, cho biết. “Giống như một đàn kiến hoặc một đàn mối hoạt động theo bầy đàn”.
Tương lai của chúng ta sẽ đầy những đường hầm.
Công ty đã phát hành một đoạn video 3D minh họa cho ý tưởng của mình. Nhưng nó ngược lại với việc xây dựng các đường hầm thông thường. Với TBM, trước tiên bạn đào hố và sau đó đặt các giá đỡ hoặc tường để giữ phần đất còn lại bao quanh khoảng trống. Còn với công nghệ của hyperTunnel, họ đặt các đường hầm trong lòng đất rồi sau đó mới đào. Khi cấu trúc đã được xây dựng xong, các vật liệu đang lấp đầy khoang của đường hầm có thể được lấy ra.
Ông lập luận rằng một trong các lợi thế nổi bật của cách làm này là sử dụng ít vật liệu xây dựng hơn. Thay vì đặt các phần tiêu chuẩn của tường hầm dọc theo toàn bộ chiều dài của dự án, độ dày bên ngoài của cấu trúc có thể thay đổi để phù hợp với địa chất thực tế và áp lực xung quanh đường hầm tại bất kỳ điểm nào.
Cũng theo các chuyên gia về đào hầm, ngành công nghiệp này đang kêu gọi các giải pháp công nghệ để giảm chi phí và nâng cao hiệu quả. Bởi hiện nay, có thể mất nhiều năm để thiết kế và xây dựng một TBM và sau đó bạn chỉ có thể đào một đường hầm với nó. Một loạt các công ty mới hứa hẹn sẽ làm rung chuyển mọi thứ đang dần xuất hiện, từ Boring Company của Elon Musk đến hyperTunnel và các công ty khác, họ đều đang phát triển các phương pháp mới để phá xuyên qua những tảng đá cứng nhất trên Trái đất.
Các đường ống được khoan vào bề mặt đá (màu xanh), và từ bên trong chúng, vô số robot (màu cam) sẽ xây dựng các bức tường của đường hầm trước khi phần trung tâm được thông.
Jasmin Amberg, giám đốc dự án tại Amberg Engineering, một công ty xây dựng công trình ngầm do ông nội cô thành lập, cho biết: “Có rất nhiều điều đang diễn ra và tôi nghĩ điều đó là tốt, bởi vì ngành công nghiệp đào hầm phải cải thiện”. Trong mắt bà, việc kinh doanh khoan hầm cần phải phát triển nhanh hơn và bền vững hơn.
Và đồng thời, bên ngoài kia cũng đang có rất nhiều dự án đang chờ đợi họ. Trung Quốc gần đây đã hoàn thành một đường hầm đường sắt dài 20 km ở dãy núi Long Môn sau một thập kỷ xây dựng. Ở Anh, dự án đường sắt HS2 sẽ kết nối London với các thị trấn cùng thành phố ở phía bắc, sẽ được thiết lập với hơn 100 km đường hầm dọc theo tuyến đường đã được đề xuất. Và Peter Vesterbacka, người từng làm việc cho Rovio, nhà phát triển game Angry Birds, là người đứng sau một kế hoạch đầy tham vọng là xây dựng một đường hầm dưới biển giữa Phần Lan và Estonia. Đây chỉ là một vài ví dụ điển hình.
Amberg Engineering dự báo nhu cầu về cơ sở hạ tầng ngầm sẽ ngày càng tăng trong tương lai. Và chúng không chỉ là một phương tiện giúp thoát khỏi nhiệt độ tăng cao trên mặt đất do biến đổi khí hậu. “Có lẽ sẽ không tệ lắm nếu có một nơi mà chúng ta có nhiệt độ ổn định hơn,” cô nói.
Đường hầm không chỉ dành cho giao thông vận tải. Troy Helming, người sáng lập và Giám đốc điều hành của công ty khởi nghiệp EarthGrid có trụ sở tại San Francisco, nhấn mạnh sự cần thiết phải đặt các đường dây điện dưới lòng đất. Và đây là điều mà công ty của ông hướng tới. Ông lưu ý rằng phần lớn cáp truyền tải nằm trên mặt đất, khiến chúng tiếp xúc với các trận cuồng phong và các cơn bão, cũng như thảm họa cháy rừng ngày càng tăng.
“Kế hoạch của chúng tôi là tạo ra một siêu lưới điện trên khắp Bắc Mỹ, cung cấp một bản đồ với các đường màu hiển thị lưới điện trải dài từ bờ biển phía đông đến Thái Bình Dương và các trang trại gió ngoài khơi trong tương lai ở phía tây. Đó là một kế hoạch có thể giúp liên kết hệ thống lưới điện bị phân mảnh của Mỹ và có khả năng một ngày nào đó thậm chí sẽ mở rộng đến tận châu Âu, để khai thác tiềm năng gió ngoài khơi khổng lồ ở đó”, Helming nói. “Thật điên rồ và táo bạo.”
Một trở ngại trong việc đào hầm là các loại đá cực kỳ cứng, chẳng hạn như đá granit và đá thạch anh, khiến cho việc khoan truyền thống ở một số khu vực trở nên khó khăn hoặc không thể thực hiện được. Và Helming đang đặt cược vào công nghệ gọi là “ngọn đuốc plasma”, thứ có thể làm nóng đá lên đến khoảng 6.000 độ C, khiến nó nổ tung thành các mảnh thủy tinh. Ông gợi ý rằng điều này có thể cho phép tạo ra các đường hầm trong đá cứng nhanh hơn 100 lần so với công nghệ hiện tại. Công ty EarthGrid đang phát triển một nguyên mẫu robot sử dụng 5 ngọn đuốc plasma, và Helming cho biết sẽ đã sẵn sàng để tiến hành thử nghiệm vào tháng 3 năm 2023. Công ty cũng đặt mục tiêu hoàn thành dự án thương mại quy mô nhỏ đầu tiên vào cuối năm nay.
Tuy nhiên, Helming lưu ý rằng trong trường hợp của EarthGrid, các đường hầm sẽ không có hình tròn mà sẽ là hình móng ngựa truyền thống. Đó là một hình vuông có vòm ở trên, thay vì phần trần phẳng. Ông lập luận rằng điều này giúp việc lắp đặt giá đỡ cáp dễ dàng hơn.
Công nghệ EarthGrid sử dụng các ngọn đuốc plasma.
Một công ty đối thủ là Petra cũng đặt mục tiêu đào xuyên qua đá cứng bằng sức mạnh của nhiệt, nhưng họ đề xuất một thiết bị cắt nhiệt sử dụng hỗn hợp khí và nhiệt thay vì dùng ngọn đuốc plasma. Giám đốc điều hành kiêm đồng sáng lập Kim Abrams cho biết, ý tưởng là vượt qua “cơn ác mộng địa chất” một cách tương đối dễ dàng.
“Chúng tôi đã hoàn thành một đường hầm dài 10 mét, đường kính 76 cm bằng đá granit vào tuần trước”, cô nói và chia sẻ thêm rằng công ty hy vọng sẽ bắt đầu dự án thương mại vào năm tới. Công ty này cũng đang nghiên cứu một giải pháp riêng để giải quyết các trường hợp khó khăn khác, như đào tại các vùng đất cực kỳ mềm hoặc ngập úng ở các thành phố ven biển.
Tất nhiên, những công nghệ đào hầm này vẫn chưa chứng minh được rằng chúng có thể thành công trên quy mô lớn. Jasmin Amberg nhận xét rằng khái niệm của hyperTunnel rất thú vị, nhưng cô không chắc những con robot sẽ giải quyết các khu vực có địa chất cứng hoặc ngập úng ra sao.
Jian Zhao là giáo sư Khoa Xây dựng tại Đại học Monash ở Úc. Ông và các đồng nghiệp đã khám phá việc sử dụng các công nghệ laser, vi sóng và tia nước áp suất cao, cùng một loạt những công nghệ khác, cho các ứng dụng khoan đường hầm. Ông hoài nghi rằng phương pháp dựa trên nhiệt của Petra sẽ đủ cho các dự án đào hầm lớn, nhưng ông tự hỏi liệu nó có thể được sử dụng cùng với việc đào bằng máy móc hay không.
Michael Mooney, Giáo sư về xây dựng và đào hầm tại Trường đào mỏ Colorado, cho biết các nguồn đầu tư đang thúc đẩy sự đổi mới. Và cho dù chưa biết liệu có bất kỳ công nghệ đào hầm mới nào trong số này sẽ đột phá đến thành công thương mại quy mô lớn, nhưng ông nhấn mạnh rằng các kỹ thuật nhanh hơn, rẻ hơn rất được săn đón trong ngành.
Ông cũng lập luận rằng Boring Company, công ty của Elon Musk đang phát triển một loại TBM của riêng mình, thứ có thể kích hoạt từ bề mặt để đào các đường hầm dưới lòng đất cũng là một sự đổi mới. Thông thường, bạn sẽ cần đào một cái hố trước rồi chuyển TBM xuống đó để nó bắt đầu tạo ra đường hầm.
“Việc chế tạo một máy khoan đường hầm mới cho một dự án cụ thể mỗi lần khiến mọi thứ thêm phức tạp và tốn kém”, Mooney giải thích.
Elon Musk đã sớm nhận ra tương lai của đường hầm khi sáng lập Boring Company.
Cuối cùng, Amberg đề cập rằng có rất nhiều đường hầm trên khắp thế giới, hiện đã già cỗi, cần được bảo trì và sửa chữa. Các công nghệ mới cũng được yêu cầu để thực hiện công việc này một cách hiệu quả.
Và một trong số những người nhắm mục tiêu đến các thị trường như vậy là hyperTunnel. Lane-Nott cho biết các robot siêu nhỏ của công ty ông sẽ có thể phóng xuống các đường hầm cũ để củng cố lại cấu trúc bên ngoài mà không cần các nhà điều hành phải dừng hoạt động giao thông đường bộ hoặc đường sắt bên trong.
Tương lai của con người sẽ đầy những đường hầm, đó như một điều tất yếu đã được thừa nhận. Và cuộc đua đang diễn ra để tìm ra ai sẽ đào chúng và bằng cách nào một cách nhanh và hiệu quả nhất.