Định vị dưới lòng đất: Cẩm nang toàn cầu về Đào hầm và Khai thác sử dụng Không gian ngầm

Lớp đất đá dưới chân chúng ta ngày càng trở thành một biên giới cho sự đổi mới và phát triển. Khi không gian bề mặt trở nên hạn chế, đặc biệt là ở các khu đô thị đông đúc, việc tận dụng không gian ngầm mang lại các giải pháp cho cơ sở hạ tầng, giao thông, lưu trữ và thậm chí cả sinh hoạt. Lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ này phụ thuộc rất nhiều vào định vị dưới lòng đất chính xác và đáng tin cậy, một ngành khoa học phức tạp đảm bảo các đường hầm được đào đúng cách, cơ sở hạ tầng được đặt chính xác, và không gian ngầm được sử dụng an toàn và hiệu quả.

Cẩm nang này cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện về định vị dưới lòng đất, khám phá các công nghệ, kỹ thuật và thách thức liên quan đến việc lập bản đồ và điều hướng thế giới dưới lòng đất. Từ các phương pháp trắc địa truyền thống đến các hệ thống rô-bốt tiên tiến, chúng ta sẽ đi sâu vào các cách tiếp cận đa dạng được sử dụng trên toàn cầu để chinh phục sự phức tạp của việc xây dựng và sử dụng không gian ngầm.

Tầm quan trọng của Định vị dưới lòng đất chính xác

Định vị chính xác là tối quan trọng vì nhiều lý do:

• An toàn: Các đường hầm bị lệch hoặc cơ sở hạ tầng đặt không đúng vị trí có thể dẫn đến sự cố kết cấu thảm khốc và gây nguy hiểm đến tính mạng.
• Hiệu quả chi phí: Việc sửa chữa các sai sót trong xây dựng ngầm cực kỳ tốn kém và mất thời gian. Định vị chính xác giúp giảm thiểu nguy cơ xảy ra những sai lầm tốn kém như vậy.
• Hiệu quả: Định vị chính xác cho phép xây dựng nhanh hơn và hiệu quả hơn, rút ngắn tiến độ dự án và các chi phí liên quan.
• Khả năng kết nối: Cơ sở hạ tầng ngầm, chẳng hạn như đường hầm giao thông hoặc tiện ích, phải kết nối liền mạch với các mạng lưới hiện có. Định vị chính xác đảm bảo sự thẳng hàng và tích hợp đúng đắn.
• Bảo vệ môi trường: Định vị chính xác giúp giảm thiểu sự xáo trộn đối với môi trường xung quanh, bảo vệ tài nguyên nước ngầm và ngăn ngừa sụt lún.

Các Kỹ thuật Trắc địa Truyền thống

Mặc dù các công nghệ hiện đại ngày càng phổ biến, các kỹ thuật trắc địa truyền thống vẫn đóng một vai trò quan trọng trong định vị dưới lòng đất, đặc biệt là trong các dự án nhỏ hơn hoặc như một hệ thống dự phòng. Các phương pháp này dựa vào các phép đo chính xác về góc và khoảng cách để thiết lập các điểm kiểm soát và hướng dẫn thi công.

Máy Toàn đạc

Máy toàn đạc là các thiết bị điện tử được sử dụng để đo các góc ngang và góc đứng, cũng như khoảng cách, với độ chính xác cao. Trong các ứng dụng dưới lòng đất, máy toàn đạc thường được đặt trên các nền tảng ổn định bên trong đường hầm và được sử dụng để thiết lập một mạng lưới các điểm kiểm soát. Các điểm kiểm soát này đóng vai trò là các vị trí tham chiếu để dẫn hướng máy đào hầm (TBM) hoặc các thiết bị đào khác.

Ví dụ: Trong quá trình xây dựng Hầm đường sắt Gotthard Base ở Thụy Sĩ, các kỹ sư trắc địa đã sử dụng một mạng lưới các máy toàn đạc có độ chính xác cao để duy trì sự thẳng hàng chính xác trong suốt dự án. Đường hầm, dài hơn 57 km, đòi hỏi công tác trắc địa tỉ mỉ để đảm bảo hai đầu hầm gặp nhau chính xác bên dưới dãy Alps.

Khảo sát con quay hồi chuyển

Khảo sát con quay hồi chuyển sử dụng các con quay hồi chuyển để xác định hướng bắc thực, độc lập với các từ trường. Điều này đặc biệt hữu ích trong môi trường dưới lòng đất nơi nhiễu từ có thể làm ảnh hưởng đến độ chính xác của các phép đo dựa trên la bàn. Khảo sát con quay hồi chuyển thường được sử dụng để thiết lập hướng tuyến ban đầu của một đường hầm hoặc để kiểm tra độ chính xác của các phương pháp định vị khác.

Ví dụ: Khảo sát con quay hồi chuyển đã được sử dụng trong quá trình xây dựng Đường hầm eo biển Manche (Chunnel) nối liền Anh và Pháp. Công nghệ này đã giúp duy trì sự thẳng hàng chính xác bất chấp các điều kiện địa chất đầy thách thức và không có các mốc tham chiếu trực tiếp trên bề mặt.

Các Công nghệ Hiện đại cho Định vị dưới lòng đất

Sự ra đời của các công nghệ tiên tiến đã cách mạng hóa lĩnh vực định vị dưới lòng đất, cho phép độ chính xác, hiệu quả và tự động hóa cao hơn. Những công nghệ này cung cấp các giải pháp để định vị trong các điều kiện địa chất phức tạp, các tuyến hầm dài và các môi trường đô thị đầy thách thức.

Hệ thống Vệ tinh Định vị Toàn cầu (GNSS)

Mặc dù tín hiệu GNSS (như GPS, GLONASS, Galileo và BeiDou) không thể xuyên qua bề mặt Trái đất, chúng đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết lập các điểm kiểm soát trên bề mặt, sau đó được truyền xuống lòng đất bằng các giếng thẳng đứng hoặc các điểm tiếp cận khác. Các điểm kiểm soát bề mặt này đóng vai trò là nền tảng cho mạng lưới khảo sát dưới lòng đất.

Ví dụ: Trước khi bắt đầu công việc đào hầm cho một tuyến tàu điện ngầm mới ở Tokyo, các kỹ sư trắc địa sử dụng máy thu GNSS để thiết lập một mạng lưới điểm kiểm soát chính xác trên bề mặt. Các điểm này sau đó được truyền xuống lòng đất để dẫn hướng cho TBM và đảm bảo sự thẳng hàng chính xác.

Hệ thống Định vị Quán tính (INS)

INS sử dụng gia tốc kế và con quay hồi chuyển để đo những thay đổi về vị trí và hướng. Các đơn vị INS có thể được gắn trên TBM hoặc các thiết bị đào khác để cung cấp dữ liệu định vị liên tục, ngay cả khi không có tham chiếu bên ngoài. INS đặc biệt hữu ích trong các tuyến hầm dài nơi việc tiếp cận các điểm kiểm soát bề mặt bị hạn chế.

Ví dụ: Trong quá trình xây dựng một đường hầm dẫn nước dài ở Melbourne, Úc, một hệ thống INS đã được tích hợp vào TBM để cung cấp dữ liệu định vị liên tục. Điều này cho phép TBM duy trì sự thẳng hàng chính xác mặc dù không có tín hiệu GPS dưới lòng đất và các điều kiện địa chất đầy thách thức.

Hệ thống Dẫn hướng Máy đào hầm (TBM)

Các máy TBM hiện đại được trang bị các hệ thống dẫn hướng tinh vi tích hợp nhiều công nghệ định vị khác nhau, chẳng hạn như máy toàn đạc, INS và quét laser. Các hệ thống này cung cấp thông tin thời gian thực về vị trí, hướng và phương vị của TBM, cho phép người vận hành thực hiện các điều chỉnh và duy trì sự thẳng hàng chính xác.

Ví dụ: Dự án Crossrail ở London đã sử dụng các hệ thống dẫn hướng TBM tiên tiến để di chuyển qua một mạng lưới cơ sở hạ tầng ngầm hiện có phức tạp. Các máy TBM được trang bị máy quét laser tạo ra các mô hình 3D của các đường hầm xung quanh, cho phép người vận hành tránh va chạm và duy trì sự thẳng hàng chính xác.

Quét Laser

Quét laser, còn được gọi là LiDAR (Phát hiện và Đo khoảng cách bằng ánh sáng), được sử dụng để tạo ra các mô hình 3D chi tiết của môi trường dưới lòng đất. Máy quét laser phát ra các chùm tia laser bật ra khỏi các bề mặt, và ánh sáng phản xạ được sử dụng để đo khoảng cách và vị trí của vật thể được quét. Các mô hình 3D này có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm khảo sát hoàn công đường hầm, quan trắc biến dạng và phát hiện va chạm.

Ví dụ: Sau khi hoàn thành một nhà ga tàu điện ngầm mới ở Seoul, Hàn Quốc, công nghệ quét laser đã được sử dụng để tạo ra một mô hình 3D chi tiết của nhà ga. Mô hình này sau đó được sử dụng để xác minh rằng nhà ga được xây dựng theo đúng thông số kỹ thuật thiết kế và để xác định bất kỳ mối nguy hiểm tiềm ẩn nào về an toàn.

Định vị và Lập bản đồ Đồng thời (SLAM)

SLAM là một kỹ thuật được rô-bốt sử dụng để đồng thời xây dựng bản đồ môi trường của chúng và tự định vị trong bản đồ đó. Các thuật toán SLAM thường dựa vào các cảm biến như máy ảnh, máy quét laser hoặc cảm biến siêu âm. SLAM ngày càng được sử dụng nhiều trong định vị dưới lòng đất để lập bản đồ đường hầm và các không gian ngầm khác trong thời gian thực.

Ví dụ: Các nhà nghiên cứu đang phát triển các hệ thống rô-bốt dựa trên SLAM để kiểm tra và lập bản đồ các mỏ bỏ hoang ở Ba Lan. Những rô-bốt này có thể di chuyển qua các hầm mỏ tối tăm và nguy hiểm, tạo ra các bản đồ 3D chi tiết có thể được sử dụng để đánh giá sự ổn định của mỏ và xác định các rủi ro tiềm ẩn.

Các phương pháp Địa vật lý

Các phương pháp địa vật lý được sử dụng để khảo sát địa chất dưới bề mặt và xác định các mối nguy tiềm ẩn, chẳng hạn như đứt gãy, hốc rỗng hoặc nước ngầm. Các phương pháp này bao gồm phản xạ địa chấn, radar xuyên đất (GPR), và chụp cắt lớp điện trở suất (ERT). Các cuộc khảo sát địa vật lý thường được tiến hành trước khi công việc đào hầm bắt đầu để cung cấp thông tin quý giá về điều kiện nền đất.

Ví dụ: Trước khi bắt đầu xây dựng một đường hầm đường sắt mới ở Na Uy, các nhà địa vật lý đã tiến hành một cuộc khảo sát phản xạ địa chấn để lập bản đồ địa chất dưới bề mặt. Cuộc khảo sát đã xác định một vùng đá nứt nẻ có thể gây rủi ro cho việc xây dựng đường hầm. Dựa trên thông tin này, các kỹ sư đã điều chỉnh hướng tuyến đường hầm để tránh vùng nứt nẻ.

Những thách thức trong Định vị dưới lòng đất

Định vị dưới lòng đất đặt ra một số thách thức đặc thù:

• Hạn chế truy cập tín hiệu GNSS: Bề mặt Trái đất cản trở tín hiệu GNSS, gây khó khăn cho việc thiết lập vị trí chính xác dưới lòng đất.
• Điều kiện địa chất phức tạp: Các loại đất và đá khác nhau, đứt gãy và nước ngầm có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của các hệ thống định vị.
• Nhiễu từ: Môi trường dưới lòng đất thường chứa các từ trường có thể gây nhiễu cho việc định vị dựa trên la bàn.
• Tầm nhìn hạn chế: Điều kiện tối và bụi bặm có thể gây khó khăn cho việc sử dụng các thiết bị trắc địa quang học.
• Thách thức về truyền thông: Việc duy trì liên lạc đáng tin cậy giữa đội ngũ trên mặt đất và dưới lòng đất có thể là một thách thức, đặc biệt là trong các đường hầm sâu.
• Các tiêu chuẩn quy định và an toàn: Xây dựng dưới lòng đất phải tuân theo các tiêu chuẩn quy định và an toàn nghiêm ngặt, có thể khác nhau đáng kể giữa các quốc gia.

Các Phương pháp Tốt nhất cho Định vị dưới lòng đất

Để vượt qua những thách thức của định vị dưới lòng đất, điều cần thiết là phải tuân theo các phương pháp tốt nhất:

• Khảo sát địa kỹ thuật toàn diện: Tiến hành các cuộc điều tra địa kỹ thuật kỹ lưỡng để hiểu điều kiện nền đất và xác định các mối nguy tiềm ẩn.
• Thiết lập Mạng lưới Kiểm soát Trắc địa vững chắc: Thiết lập một mạng lưới các điểm kiểm soát trắc địa dày đặc và chính xác, cả trên bề mặt và dưới lòng đất.
• Sử dụng các Hệ thống Định vị Dự phòng: Sử dụng nhiều hệ thống định vị để cung cấp sự dự phòng và đảm bảo độ chính xác. Ví dụ, kết hợp INS với các phép đo bằng máy toàn đạc.
• Hiệu chuẩn và Kiểm tra Thiết bị Thường xuyên: Thường xuyên hiệu chuẩn và kiểm tra độ chính xác của tất cả các thiết bị trắc địa và định vị.
• Thực hiện Chương trình Kiểm soát Chất lượng Nghiêm ngặt: Thực hiện một chương trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt để xác định và sửa chữa các sai sót sớm trong quá trình xây dựng.
• Đào tạo Nhân sự đầy đủ: Đảm bảo rằng tất cả nhân viên tham gia vào việc định vị dưới lòng đất đều được đào tạo bài bản và có kinh nghiệm.
• Tuân thủ các Quy định và Tiêu chuẩn Liên quan: Tuân thủ tất cả các quy định và tiêu chuẩn an toàn có liên quan.
• Giao thức Truyền thông Hiệu quả: Thiết lập các giao thức truyền thông rõ ràng và đáng tin cậy giữa các đội trên mặt đất và dưới lòng đất.

Các Ví dụ Toàn cầu về Thành công trong Định vị dưới lòng đất

Nhiều dự án trên khắp thế giới đã chứng minh sự ứng dụng thành công của các kỹ thuật định vị dưới lòng đất:

• Hệ thống Thoát nước Hầm sâu của Singapore (DTSS): Dự án khổng lồ này bao gồm việc xây dựng một mạng lưới các đường hầm sâu để thu gom và xử lý nước thải. Định vị chính xác là yếu tố quan trọng để đảm bảo sự thẳng hàng chính xác của các đường hầm và giảm thiểu sự gián đoạn đối với thành phố đông dân cư bên trên.
• Mở rộng Tàu điện ngầm Madrid: Việc mở rộng Tàu điện ngầm Madrid bao gồm việc xây dựng các đường hầm và nhà ga mới bên dưới một môi trường đô thị phức tạp. Các hệ thống dẫn hướng TBM tiên tiến và quét laser đã được sử dụng để di chuyển qua các cơ sở hạ tầng hiện có và đảm bảo sự gián đoạn tối thiểu cho thành phố.
• Dự án Snowy 2.0 (Úc): Dự án lưu trữ năng lượng thủy điện tích năng này bao gồm việc liên kết hai hồ chứa hiện có bằng một loạt đường hầm. Định vị chính xác là yếu tố quan trọng để đảm bảo sự thẳng hàng chính xác của các đường hầm và tối đa hóa hiệu quả của hệ thống lưu trữ năng lượng. Dự án kết hợp một loạt các kỹ thuật định vị đa dạng phù hợp với địa hình đầy thách thức.
• Hầm Seikan của Nhật Bản: Là một trong những đường hầm dưới biển dài nhất thế giới, Hầm Seikan nối liền các đảo Honshu và Hokkaido. Được xây dựng trong điều kiện địa chất đầy thách thức, công tác trắc địa chính xác và các kỹ thuật đào sáng tạo là yếu tố cần thiết cho sự thành công của nó.

Các Xu hướng Tương lai trong Định vị dưới lòng đất

Lĩnh vực định vị dưới lòng đất không ngừng phát triển, được thúc đẩy bởi những tiến bộ công nghệ và nhu cầu ngày càng tăng đối với không gian ngầm. Một số xu hướng chính định hình tương lai của định vị dưới lòng đất bao gồm:

• Tăng cường Tự động hóa: Việc sử dụng ngày càng nhiều rô-bốt và hệ thống tự động cho xây dựng ngầm sẽ thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ định vị tinh vi hơn.
• Trí tuệ Nhân tạo (AI) và Học máy (ML): Các thuật toán AI và ML sẽ được sử dụng để phân tích dữ liệu từ các cảm biến khác nhau và cải thiện độ chính xác và hiệu quả của các hệ thống định vị.
• Thực tế ảo và Thực tế tăng cường (VR/AR): Các công nghệ VR và AR sẽ được sử dụng để hình dung hóa môi trường dưới lòng đất và cung cấp hướng dẫn thời gian thực cho các đội thi công.
• Quản lý Dữ liệu trên nền tảng Đám mây: Các nền tảng dựa trên đám mây sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc chia sẻ và quản lý dữ liệu định vị, cho phép sự hợp tác tốt hơn giữa các bên liên quan của dự án.
• Cảm biến Lượng tử: Các công nghệ cảm biến lượng tử mới nổi hứa hẹn cung cấp dữ liệu định vị chính xác và đáng tin cậy hơn nữa, đặc biệt là trong các môi trường dưới lòng đất đầy thách thức.

Kết luận

Định vị dưới lòng đất là một ngành khoa học quan trọng cho phép khai thác không gian ngầm một cách an toàn, hiệu quả và bền vững. Từ các kỹ thuật trắc địa truyền thống đến các công nghệ tiên tiến, một loạt các phương pháp đa dạng được sử dụng trên toàn cầu để chinh phục sự phức tạp của thế giới dưới lòng đất. Bằng cách hiểu rõ những thách thức và áp dụng các phương pháp tốt nhất, các kỹ sư và chuyên gia xây dựng có thể khai phá tiềm năng to lớn của không gian ngầm và tạo ra một tương lai bền vững hơn.

Khi dân số đô thị tiếp tục tăng và không gian bề mặt ngày càng hạn chế, tầm quan trọng của định vị dưới lòng đất sẽ chỉ càng tăng lên. Bằng cách đón nhận sự đổi mới và hợp tác, chúng ta có thể tiếp tục đẩy xa các giới hạn của những gì có thể và tạo ra một môi trường xây dựng kiên cường và bền vững hơn.