Hầm Hải Vân – Bước phát triển mới trong công nghệ thiết kế, thi công và khai thác hầm giao thông ở Việt Nam

Với tổng chiều dài 13,938 km trong đó chiều dài đường hầm là 6,280 km, hầm Hải Vân là công trình hầm giao thông đường bộ dài nhất khu vực Đông Nam Á và là 1 trong 30 hầm dài nhất toàn cầu.

Không chỉ là một công trình có quy mô lớn và hiện đại, hầm Hải Vân còn mang đến cho các kỹ sư xây dựng Việt Nam những ý kiến mới, những bài học kinh nghiệm quý báu trong thiết kế, thi công và khai thác công trình hầm nói chung và công trình hầm giao thông đường bộ nói riêng.

Vai trò, ý nghĩa về mặt kinh tế – xã hội của hầm Hải Vân

Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân là công trình giao thông tổng hợp gồm: đường, hầm, cầu và hệ thống trang thiết bị vận hành kèm theo với tổng chiều dài 13,938 km, trong đó chiều dài của đường hầm là 6,280 km. Phía bắc hầm Hải Vân thuộc địa phận tỉnh Thừa Thiên – Huế, phía nam thuộc địa phận tp Đà Nẵng.

Trước khi hầm đường bộ Hải Vân được mang vào khai thác, các phương tiện giao thông trên tuyến huyết quản Bắc – Nam phải qua đèo Hải Vân. Đường đèo dài khoảng 21 km với những nhược điểm cố hữu là hẹp, độ dốc lớn, đường cong bán kính nhỏ, tầm nhìn hạn chế, sương mù, một bên là vực sâu, một bên là vách núi dựng đứng với bao nguy hiểm rình rập trên từng mét đường. Những sự cố, tai nạn giao thông lúc nào cũng có thể xảy ra, nhất là trong mùa mưa lũ. Sụt mái taluy dương, trượt mái taluy âm, một tảng đá lăn, một vụ tai nạn giao thông xảy ra đều có thể làm dòng giao thông huyết quản phải dừng lại vài tiếng đồng hồ, có khi đến vài ngày, tác động không nhỏ đến kinh tế, an ninh quốc phòng. Năm 1999, mưa lũ đã làm cho nhiều điểm trên đèo Hải Vân bị sụt trượt, thậm chí một vài đoạn đường đã bị trượt xuống vực sâu, làm cho giao thông trên Quốc lộ 1A bị trì trệ mấy ngày và phải mất vài tháng với biết bao sức người, sức của mới khôi phục lại được tuyến đường như cũ. Hầm Hải Vân được xây dựng nhằm khắc phục triệt để những khó khăn, nguy hiểm cho người và phương tiện khi tham gia giao thông trên tuyến Quốc lộ 1A đoạn qua đèo Hải Vân thuộc địa phận ranh giới giữa tỉnh Thừa Thiên – Huế và tp Đà Nẵng.

Khi hầm Hải Vân được mang vào hoạt động, những nguy hiểm khi giao thông trên đèo Hải Vân đã đi vào quá khứ. Giao thông qua hầm Hải Vân rút ngắn được gần 1/2 chiều dài, nhưng thời gian chỉ còn 1/4 so với đi đường đèo. Mức độ tiêu hao nhiêu liệu, hao mòn xe, khả năng tai nạn giảm nhiều, tạo động lực phát triển công nghiệp, kinh tế – xã hội, du lịch cho tỉnh Thừa Thiên – Huế, tp Đà Nẵng và cả khu vực miền Trung, đồng thời là cửa ngõ cho trục giao thông Đông – Tây từ Lào, Thái Lan vươn ra biển Đông, đến với toàn cầu.

Công nghệ sử dụng trong xây dựng hầm Hải Vân

Những năm trước đó, ở nước ta và các nước trên toàn cầu vẫn sử dụng phương pháp mỏ để thi công các đường hầm. Các phương pháp tính toán kết cấu vỏ hầm nói chung đều dựa trên lý thuyết vòm cân đối stress và mặt trượt do Protodiakonov mang ra. Kích thước vòm cân đối stress phụ thuộc vào kích thước hầm và tính năng đất đá thông qua hệ số vững chắc ƒ. Trên nền tảng stress đất đá trong phạm vi vòm stress, người kỹ sư thiết kế tính toán, xác nhận kích thước và chiều dày của vỏ hầm cũng như phương thức gia cố đất đá xung quanh vỏ hầm. Trong phương pháp này, việc xác nhận stress địa tầng là vấn đề hết sức phức tạp vì dấu hiệu đất đá mỗi nơi mỗi khác, sự đồng nhất rất ngẫu nhiên nên để đảm bảo an toàn phải coi đất đá là rời rạc và sự khác nhau chỉ trổ tài qua hệ số vững chắc ƒ. Với tư tưởng như vậy, giữa đất đá nền và vỏ hầm sẽ không có sự thúc đẩy tương hỗ nên vỏ hầm thường phải thiết kế dày, gây lãng phí cũng như không thể khắc phục triệt để các vấn đề về gia cố kết cấu vỏ hầm theo thực tiễn hiện trường.

Với tính ưu việt đã được nhiều nước trên toàn cầu thừa nhận, phương pháp NATM New Austria Tunnelling Method lần trước tiên đã được mang vào vận dụng ở nước ta trong thiết kế và thi công công trình hầm Hải Vân.
Phương pháp NATM là thành tích tìm hiểu của tập thể các kỹ sư người Áo qua một thời gian dài thi công hàng nghìn kilômét hầm trong nước và trên toàn cầu. Nó bao gồm các trình tự, biện pháp thi công và xử lý khối đá trên vòm hầm sao cho đá và đất xung quanh hầm được link thành kết cấu vòm chống đỡ, do đó việc link này tự bản thân nó sẽ trở thành một phần kết cấu chống đỡ hầm. Các phép tắc cơ bản của phương pháp là: kết cấu của hầm là tổ hợp của đá núi và hầm. Hầm đa số được chống đỡ bằng khối đá xung quanh. Hệ thống chống đỡ của hầm phải có độ mềm dẻo, thích hợp và phải được thi công kịp thời để ngăn chặn biến dạng bất lợi và duy trì cường độ của khối đá. Mặt cắt của hầm phải có dạng tròn để tránh sự tập trung ứng suất bất lợi. Trong quá trình thi công phải thường xuyên quan trắc biến dạng của khối đá để quyết định kết cấu chống đỡ và phương pháp thi công. Kết cấu tổ hợp của khối đá với kết cấu chống đỡ phải được tạo dựng trước khi thi công lớp bêtông vỏ hầm. Lớp bêtông vỏ hầm chỉ làm tăng thêm hệ số an toàn cho hầm.

Các phép tắc này được mang ra với mục đích hạn chế sự biến dạng tối đa của đất đá xung quanh hầm, duy trì sự ổn định vốn có của nó, từ đó tận dụng được khả năng chống đỡ tự thân của khối đất đá dưới thúc đẩy của trọng lượng đất đá phía trên và trọng lượng bản thân khối đất đá trong quá trình thi công cũng như khai thác. Trong quá trình thiết kế và thi công luôn phải đảm bảo việc tuân thủ các phép tắc này.

Phương pháp NATM đã có những đổi mới trong thiết kế và thi công công trình hầm. Từ đó, có những cải tổ đáng kể về kết cấu vỏ hầm, phương pháp và trình tự gia cố vỏ hầm hợp lý hơn, kích thước kết cấu vỏ hầm giảm hơn so với các phương pháp thông thường và dễ điều chỉnh trong quá trình thi công. Phương pháp này đã tận dụng được thành tích của các công nghệ thi công hầm như: các công nghệ đào phá đá bằng các thiết bị khoan, phương pháp khoan nổ, bê tông phun, neo đá… Ưu thế nổi trội của phương pháp NATM so với các phương pháp thông thường là: có thể ứng dụng trong phạm vi rộng các điều kiện địa chất, thích ứng một cách linh hoạt trong mọi loại hình địa chất, hiệu quả kinh tế cao do sử dụng các biện pháp chống đỡ thích hợp, đơn giản phối phù hợp với phương pháp TBM Tunel Boring Method, đầu tư ít và thu hồi vốn nhanh.

Công nghệ sử dụng trong khai thác, vận hành hầm Hải Vân

Ngoài công nghệ thiết kế và thi công kết cấu công trình hầm, công nghệ thiết kế và thi công các hệ thống phục vụ khai thác hầm Hải Vân cũng thực sự là mới so với các kỹ sư Việt Nam. Hầm Hải Vân là công trình hầm đường bộ trước tiên được trang bị các thiết bị khai thác hiện đại, đang được sử dụng cho nhiều công trình hầm giao thông trên toàn cầu.

Công nghệ sử dụng trong khai thác, vận hành hầm Hải Vân là công nghệ thông tin, công nghệ điều khiển, tự động hoá thông qua hệ thống SCADA Supervisory Control And Data Acquisition: hệ thống kiểm tra và thu nhận dữ liệu.

được đặt tại cửa hầm phía nam, có nhiệm vụ trực 24/24h để theo dõi, điều khiển các thiết bị, hướng dẫn giao thông an toàn qua hầm Hải Vân và ứng cứu, xử lý các tình huống tai nạn hoặc sự cố xảy ra trong hầm. Các thiết bị phục vụ cho công tác duy tu bảo trì hầm và cứu hộ như: xe vệ sinh, xe nâng, xe cứu hộ, xe chữa cháy, xe cứu thương… cũng thường trực 24/24 н tại Trung tâm vận hành. Hai trạm thu phí và kiểm tra được sắp đặt ở 2 đầu đường dẫn vào hầm để thu phí và xác minh phương tiện giao thông trước khi vào hầm.

hầm chính có chiều dài 6,280 ɱ, rộng 11,9 ɱ cao 7,5 ɱ, tĩnh không thông xe 4,95 ɱ. Trong hầm có 2 làn xe bề rộng mỗi làn 3,75 ɱ được phân giới bởi hàng cọc cao su, dải an toàn ở mỗi bên phần xe chạy rộng 1,25 ɱ. Phía tây của hầm có đường đi bộ dành riêng cho người bảo trì hầm cao 1 ɱ, rộng 1 ɱ. Xuôi theo hầm có 18 điểm mở rộng dùng cho mục đích đỗ xe nguy cấp. Hầm phục vụ thoát hiểm rộng 4,7 ɱ, cao 3,8 ɱ chạy song song, nằm về phía đông và cách hầm chính 30 ɱ. Nối giữa hầm chính và hầm thoát hiểm là 15 hầm ngang cách nhau 400 ɱ có kích thước bằng hầm thoát hiểm. Trong trường hợp vận hành bình thường, các hầm ngang được đóng kín bằng cửa kéo, trong trường hợp nguy cấp hoả hoạn khi không thể thoát hiểm theo lối hầm chính, người tham gia giao thông chạy bộ tới hầm ngang, tự kéo cửa để vào hầm thoát hiểm ra ngoài, khi thả cửa kéo thoát hiểm ra thì cửa tự động đóng lại để ngăn khói từ hầm chính lan vào hầm thoát hiểm.

được thiết kế theo tiêu chuẩn an toàn rất cao, nguồn điện lưới 110 kV được phân phối từ 2 nguồn, nối mạch vòng đảm bảo phân phối điện liên tục. Các trạm phân phối điện trong hầm cũng được nối mạch vòng, đảm bảo phân phối điện từ 2 nguồn. Nguồn điện dự trữ gồm 2 máy phát điện công suất lớn tổng công suất 2,5 MVA, hệ thống UPS công suất 1,045 KVA sẽ tự động kích hoạt phân phối cho các phụ tải trong trường hợp mất điện hoặc sự cố lưới điện.

được sắp đặt suốt dọc 2 bên tường hầm nhằm đảm bảo an toàn giao thông. Để giảm sự chênh lệch độ sáng giữa bên trong và bên ngoài hầm, đèn chiếu sáng tại lối vào hầm và lối ra khỏi hầm được tăng cường vào ban ngày và giảm đi vào ban tối. Đoạn giữa của hầm được chiếu sáng không đổi, liên tục suốt ngày đêm. Trong trường hợp mất điện lưới, đèn trong hầm vẫn chiếu sáng bình thường thông qua hệ thống ắc quy và máy phát điện dự trữ. Hệ thống điều khiển chiếu sáng thu thập thông tin về độ rọi ở bên ngoài trời và cửa vào hầm để điều khiển tự động hệ thống đèn nhằm cân đối ánh sáng giữa bên trong và bên ngoài hầm.

hệ thống này được trang bị để thải không khí ô nhiễm bên trong hầm và hút không khí sạch ở bên ngoài vào hầm. Thiết bị thông gió trong hầm Hải Vân gồm có 23 quạt stress được treo trên trần hầm, 3 hầm lọc bụi tĩnh điện sắp đặt xuôi theo hầm và 1 hầm thông gió ở khoảng giữa hầm. Các quạt stress treo trên vòm hầm luôn tạo ra một luồng không khí thổi dọc từ bắc đến nam. Trong trường hợp xảy ra sự cố cháy, các quạt phản lực có thể quay đảo chiều để kiềm chế đám cháy, không cho khói lan theo chiều gió.



– Hệ thống báo cháy tự động với 2 sợi cáp báo cháy được sắp đặt trên vòm và chạy dọc suốt chiều dài hầm. Trong trường hợp xảy ra hoả hoạn, cáp báo cháy sẽ tự động phát tín hiệu báo cháy và vị trí xảy ra cháy về Trung tâm vận hành đặt tại cửa hầm phía nam.

– Hệ thống báo cháy bằng tay gồm các nút bấm báo cháy được sắp đặt trong các hốc thiết bị chữa cháy cách nhau 50 ɱ xuôi theo hầm. Trong trường hợp xảy ra hoả hoạn, người tham gia giao thông có thể nhấp vào nút báo cháy để thông báo cho nhân viên vận hành.

tại các hốc chữa cháy cách nhau 50 ɱ xuôi theo hầm có sắp đặt các vòi chữa cháy và bình chữa cháy. Trong trường hợp xảy ra hoả hoạn, người tham gia giao thông hoặc nhân viên cứu hộ có thể dùng bình chữa cháy hoặc vòi chữa cháy để dập đám cháy càng sớm càng tốt. Cùng thời gian đó các nhân viên vận hành sẽ mang ngay xe chữa cháy và lực lượng chữa cháy tại chỗ trực 24/24 н ngoài cửa hầm vào hầm, đồng thời kêu gọi công an chữa cháy trợ giúp nếu thiết yếu.

gồm 58 camera sắp đặt ở 2 trạm thu phí 2 đầu cửa hầm và trong hầm. Toàn thể các hình ảnh thu được từ camera được truyền về Trung tâm vận hành, hiển thị trên các màn hình xem xét, đồng thời được ghi lại trong “hộp đen” tại Trung tâm vận hành.

gồm hệ thống phát lại các đài radio địa phương trên sóng FM, AM; hệ thống liên lạc vô tuyến trên sóng UHF và VHF phục vụ cho công tác vận hành, phòng cháy chữa cháy, cấp cứu…; hệ thống smartphone nguy cấp được sắp đặt các máy cách nhau 200 ɱ, để người tham gia giao thông có thể liên lạc trực tiếp với Trung tâm vận hành nếu có sự cố xảy ra.



– Hệ thống biển báo – đèn báo giao thông gồm 12 biển báo điện tử hiện chữ có thể thay đổi nội dung; các biển báo có nội dung cố định và hệ thống đèn tín hiệu giao thông.

– Hệ thống vòng cảm ứng giao thông gồm 34 vòng được lắp cách nhau 200 ɱ bên dưới làn xe chạy trong hầm. Dựa trên các vòng cảm ứng này và software xử lý, người điều khiển giao thông hiểu rằng lưu lượng xe chạy, khoảng cách xe chạy, vận tốc xe chạy của dòng xe trong hầm.

– Hệ thống SCADA điều khiển và giám sát giao thông: hiển thị các thông tin về dòng xe trong hầm, tình trạng các đèn báo, biển báo điện tử, tầm nhìn, hàm lượng khí CO, vận tốc gió, chỉ báo cửa thoát hiểm, chỉ báo vị trí smartphone nguy cấp, báo cháy trên màn hình PC và màn hình điều khiển giao thông. Thông qua software điều khiển giao thông, nhân viên vận hành có thể thay đổi tình trạng đèn giao thông, nội dung biển báo hiện chữ để điều khiển dòng xe.

Với các hệ thống thiết bị khai thác trên, người tiêu dùng tuyệt đối có thể thoải mái và yên tâm khi tham gia giao thông trong hầm, nhà cung cấp quản lý hầm có thể đơn giản vận hành và xử lý các tình huống xảy ra.

Như vậy, sau 6 năm thiết kế và thi công, công trình hầm Hải Vân đã được mang vào vận hành, khai thác từ tháng 6.2005 và trở thành công trình có ý nghĩa trọng yếu, mang tính khởi đầu cho các công trình hầm trong tương lai ở nước ta. Với việc ứng dụng các công nghệ xây dựng và vận hành tiên tiến, công trình này đã mang lại cho tất cả chúng ta những ý kiến mới, những kinh nghiệm quý trong thiết kế, thi công và khai thác công trình hầm. Đây thực sự là thành công lớn của dự án.