MC Underground đồng hành cùng Stuttgart 21 – Dự án hạ tầng lớn nhất lịch sử CHLB Đức
Stuttgart–Ulm (Stuttgart 21) là một trong những dự án hạ tầng quy mô lớn nhất của Đức, bao gồm tuyến đường sắt mới kết nối Stuttgart và Ulm, cùng nhiều hạng mục đường hầm quan trọng. Đồng hành cùng dự án, MC Underground đã đóng góp đáng kể với năng lực chuyên môn và các giải pháp công nghệ cho đào hầm cơ giới, đáp ứng những yêu cầu khắt khe về kỹ thuật và điều kiện địa chất.
GIỚI THIỆU DỰ ÁN
Dự án Stuttgart–Ulm, còn được biết đến với tên gọi Stuttgart 21 (S21), là một trong những dự án hạ tầng quy mô lớn nhất trong lịch sử gần đây của Cộng hòa Liên bang Đức. Trong tương lai, dự án sẽ kết nối khu vực đô thị Swabia vào tuyến đường sắt cao tốc “Magistrale for Europe”, đồng thời trở thành một đầu mối quan trọng trong Mạng lưới Giao thông xuyên châu Âu (TEN-T) theo các trục Bắc – Nam và Đông – Tây đi qua khu vực Trung Âu.
Việc đào thông hầm Filder vào tháng 9 và hầm Albvorland vào cuối tháng 10/2019 đã đánh dấu một cột mốc quan trọng trong quá trình triển khai dự án Stuttgart 21. Tại lễ đào thông hầm Filder do Deutsche Bahn AG tổ chức, các bên tham gia dự án cùng đại diện chính quyền Đức và EU đã có mặt để ghi nhận cột mốc này. Đây cũng là dấu mốc đáng tự hào đối với MC Underground (MCU), khi kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm trong lĩnh vực đào hầm của đội ngũ MC đã góp phần đáng kể vào thành công của dự án.
SIÊU DỰ ÁN CỦA ĐỨC
Với tổng mức đầu tư khoảng 8 tỷ EUR, dự án phát triển giao thông và đô thị Stuttgart 21 sẽ mang lại những thay đổi lớn cho khu vực, thông qua việc hình thành một đầu mối quan trọng trong mạng lưới đường sắt quốc gia và quốc tế. Hơn 100km đường sắt mới với tốc độ cao, 3 nhà ga mới cùng một hệ thống quản lý giao thông thông minh sẽ thiết lập những tiêu chuẩn mới cho giao thông đường sắt tại Đức và châu Âu trong tương lai. Dự án cũng mang lại những lợi ích đáng kể về quy hoạch đô thị. Khoảng 1km² khu vực đường sắt hiện tại hoặc trước đây ở rìa trung tâm Stuttgart sẽ được tái sử dụng, qua đó mở rộng khu vực trung tâm thành phố khoảng 40%.
Deutsche Bahn là chủ đầu tư và đơn vị phát triển dự án. Chính phủ Liên bang Đức, bang Baden-Württemberg, cơ quan giao thông công cộng tích hợp VRS của Stuttgart, thành phố Stuttgart, công ty sân bay Flughafen Stuttgart GmbH và Liên minh châu Âu cũng tham gia tài trợ cho dự án.
Xét trên tổng thể, S21 bao gồm các hạng mục chính: hạ ngầm nhà ga trung tâm Stuttgart, xây dựng tuyến đường sắt vành đai Stuttgart và xây dựng tuyến đường sắt Stuttgart–Ulm mới, trong đó có nhiều hầm đường sắt. MC đặc biệt tham gia đáng kể vào hai hạng mục sau.
NĂNG LỰC ĐÀO HẦM CƠ GIỚI CỦA MC ĐƯỢC PHÁT HUY
Quá trình đào hầm kết hợp lắp đặt các đốt vỏ hầm được thực hiện bằng máy TBM khiên đào với đầu cắt toàn tiết diện, sử dụng công nghệ cân bằng áp lực đất (EPB) để hỗ trợ gương đào.
Bên cạnh hầm Filder, MC đã từng tham gia nhiều dự án đào hầm cơ giới quy mô lớn trước đó, chẳng hạn như hầm Albvorland và hầm Bossler đi qua khu vực Albaufstieg thuộc vùng cao nguyên Jura của Swabia. Nhiều công nghệ và giải pháp của MC đã được sử dụng trong các dự án này, bao gồm sản phẩm chuyên dụng cho điều hòa và ổn định đất, phụ gia siêu dẻo dùng trong sản xuất đốt vỏ hầm đúc sẵn, hệ thống bơm xử lý kỹ thuật cho hầm và đặc biệt là một loại vữa chèn khe vành khuyên hoàn toàn mới không chứa xi măng – công nghệ được MC phát triển thành công cùng liên danh chuyên trách ARGE ATCOST 21.
Do điều kiện địa chất, hầm Filder được đào bằng máy theo hai đoạn phía trên và phía dưới, mỗi đoạn gồm hai ống hầm có đường kính 10.87m, đi qua lớp đất phủ có chiều dày từ 20 đến 220m. Với tổng chiều dài 9,468m, Filder là hầm đường sắt hai ống dài nhất và là hầm dài thứ ba tại Đức.
THÁCH THỨC
Các lớp đá bao quanh hầm Filder chứa gipskeuper chưa bị rửa trôi, về cơ bản bao gồm khoáng anhydrit có khả năng trương nở. Đá chứa anhydrit xuất hiện ở nhiều khu vực trên thế giới, trong đó có sườn dốc đứng của cao nguyên Filder, phía Nam Stuttgart. Khi tiếp xúc với nước, đá chứa anhydrit có thể tăng thể tích hơn 60%. Điều này tạo ra áp lực trương nở rất lớn, có khả năng làm nâng hầm và lớp đất phía trên, từ đó gây hư hại cho các công trình nằm bên trên.
Đối với đoạn hầm Filder phía dưới, TBM được vận hành với khiên mở, do đó các lớp đá gipskeuper nhạy cảm chủ yếu tiếp xúc với vỏ khiên, đầu cắt và vữa chèn khe vành khuyên. Việc sử dụng nước tại những khu vực tiếp xúc nhạy cảm bị nghiêm cấm. Đối với vỏ khiên và đầu cắt, điều này không gây trở ngại đáng kể, tuy nhiên, Deutsche Bahn yêu cầu một giải pháp đặc biệt cho vữa chèn khe có khả năng loại bỏ nguy cơ trương nở và nâng nền.
GIẢI PHÁP
GIẢI PHÁP VỮA CHÈN KHE VÀNH KHUYÊN ĐẶC BIỆT ĐƯỢC PHÁT TRIỂN RIÊNG CHO S21
Liên danh ATCOST 21, đơn vị chịu trách nhiệm thi công hầm, đã tìm đến MC nhằm cùng phát triển một loại geopolymer được thiết kế riêng cho dự án. Geopolymer là chất kết dính vô cơ không chứa xi măng, được hình thành thông qua phản ứng của aluminosilicate trong môi trường kiềm, tạo nên các polymer vô cơ.
Điểm đặc biệt của giải pháp này là khả năng kết hợp ưu điểm của vữa một thành phần (1C) và vữa hai thành phần (2C) thông qua việc sử dụng linh hoạt chất hoạt hóa. Nền tảng của giải pháp là một loại vữa chèn khe hai thành phần (2C) cải tiến, chứa cốt liệu ban đầu không phản ứng, chủ yếu tồn tại dưới dạng hạt. Xỉ lò cao và tro bay đóng vai trò như chất kết dính, trong khi chất hoạt hóa được bổ sung để khởi động phản ứng đông kết. Đồng thời, vữa còn chứa các phốt-phát phức hợp, giúp kiểm soát cân bằng hòa tan của anhydrite và qua đó hạn chế hiện tượng trương nở. Cơ chế này có thể được giải thích bằng định luật tác dụng khối lượng và đã được chứng minh thông qua các thử nghiệm đánh giá tính phù hợp.
MC và PORR Bau GmbH sau đó đã đăng ký bằng sáng chế cho công nghệ độc đáo này trên toàn cầu. Giải pháp vữa chèn khe vành khuyên được đặt tên là MC-Montan Grout AA 03, có khả năng lấp đầy, tạo lớp đỡ tối ưu và kháng sulfate cao, góp phần đảm bảo độ bền lâu dài cho ống hầm.
ĐƯỢC KIỂM CHỨNG TRONG THỰC TẾ
Do yêu cầu kỹ thuật rất cao và sự quan tâm lớn của truyền thông đối với dự án S21, các viện kiểm định uy tín đã được ATCOST 21 mời tham gia nhằm đánh giá một cách khoa học tính khả thi của giải pháp.
Viện Nghiên cứu Xây dựng thuộc RWTH Aachen University (ibac) thực hiện các nghiên cứu khoáng vật học và thạch học nhằm xác định khả năng xảy ra phản ứng với anhydrite trong khe vành khuyên. Sau đó, Brameshuber & Uebachs Ingenieure GmbH lập báo cáo đánh giá môi trường. Cùng với Khoa Công nghệ Vật liệu Xây dựng thuộc Ruhr University Bochum, các đặc tính công nghệ và vật liệu của vữa cũng được nghiên cứu nhằm đảm bảo khả năng ứng dụng theo các tiêu chuẩn hiện hành.
Mức độ phức tạp của bài toán được thể hiện qua quá trình thử nghiệm kéo dài hơn hai năm, và chỉ được hoàn tất thành công sau các thử nghiệm quy mô lớn trong điều kiện thực tế tại chính công trường. Sau đó, giải pháp được Deutsche Bahn và các đơn vị tư vấn kỹ thuật phê duyệt để sử dụng cho các dự án thuộc S21.
Khi bắt đầu áp dụng vào công tác bơm vữa, đội ngũ thi công nhanh chóng nhận thấy những lợi thế lớn của loại vữa 2C cải tiến này. Mặc dù sử dụng cốt liệu ban đầu dạng hạt, chất hoạt hóa vẫn có thể được bổ sung trước khi vữa đi vào khu vực cần chèn nhờ một khu vực trộn bổ sung, đảm bảo việc lấp đầy khe vành khuyên theo yêu cầu. Việc sử dụng cốt liệu ban đầu không phản ứng còn cho phép thời gian thi công đặc biệt dài, giúp tăng tối đa tính linh hoạt trong vận hành.
Giải pháp vữa chèn khe vành khuyên mới không chứa xi măng đã chứng minh hiệu quả rõ rệt trong siêu dự án S21 và từ đó nhận được sự quan tâm lớn trên toàn thế giới.
ĐÀO HẦM HIỆU QUẢ VỚI GIẢI PHÁP CẢI TẠO ĐẤT TỪ MC
Trên tuyến hầm Filder phía trên, máy TBM chủ yếu đào qua đá sa thạch Stuben, có hàm lượng đất sét dính cao và đá sa thạch cường độ lớn, kéo theo nguy cơ mài mòn nhanh đầu cắt và dụng cụ đào. Một máy TBM khiên kín được sử dụng tại đoạn hầm này, trong đó đất đào được sử dụng để tạo áp lực hỗ trợ gương đào khi TBM tiến về phía trước. Như đã đề cập, phương pháp đào hầm này dựa trên công nghệ EPB, đặc biệt phù hợp với các điều kiện địa chất phức tạp và khu vực đô thị.
Dòng sản phẩm MC-Montan Drive của MC được sử dụng làm chất cải tạo đất cho tất cả các hầm được đào bằng phương pháp cơ giới trên tuyến đường sắt Stuttgart–Ulm mới. Đồng thời, thiết bị tạo bọt MC-Montan Device CT (Cell Tube) được sử dụng để tạo ra bọt chất lượng cao và ổn định một cách hiệu quả, cho phép vận hành liên tục với thời gian gián đoạn và yêu cầu bảo trì tối thiểu, đồng thời tối ưu mức tiêu hao.
Chất cải tạo đất được sử dụng phổ biến nhất là MC-Montan Drive FL 04 (Foam Liquid) – một loại dung dịch cô đặc tạo bọt thân thiện với môi trường, dễ phân hủy sinh học và chứa tỷ lệ phụ gia đất sét được kiểm soát. Sản phẩm đặc biệt phù hợp để xử lý đất trong đào hầm EPB, cũng như trong các tầng đá có hàm lượng đất sét cao và nguy cơ bám dính, gây tắc nghẽn lớn. Nhờ tính kinh tế trong sử dụng, MC-Montan Drive FL 04 giúp ngăn ngừa sự bám dính, vón cục và tăng cường hiệu ứng bôi trơn thông qua việc phân tán các khoáng vật đất sét. Bằng cách hạn chế đất đào bám dính và ngăn vật liệu tích tụ tại đầu cắt, chất cải tạo đất này còn giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng của TBM và giảm hao mòn dụng cụ đào.
Nhờ đó, các giải pháp điều hòa và ổn định đất của MC đã góp phần nâng cao hiệu quả đào hầm trong cả ba dự án trên, đồng thời đáp ứng những yêu cầu nghiêm ngặt về hiệu quả chi phí.