Tổng hợp công nghệ dùng khảo sát xây dựng đường sắt Metro

Để khảo sát và xây dựng tuyến đường sắt Metro một cách chuyên sâu, cần áp dụng các công nghệ tiên tiến và phương pháp kỹ thuật phức tạp, đảm bảo độ chính xác cao, an toàn và bền vững. Bài viết dưới đây Đất Hợp sẽ phân tích chi tiết hơn.

Đường sắt Metro là gì?

Công trình đường sắt Metro hay còn gọi là hệ thống tàu điện ngầm hoặc tàu cao tốc đô thị là một loại hình hệ thống giao thông công cộng khối lượng lớn, chủ yếu hoạt động trong các khu vực đô thị, nhằm giảm thiểu ùn tắc giao thông và cung cấp phương tiện di chuyển nhanh chóng, an toàn và hiệu quả cho người dân. Hệ thống đường sắt đô thị có thể được chạy trên các tuyến riêng biệt, có thể ngầm dưới lòng đất, trên cao hoặc ở mặt đất, được thiết kế để vận chuyển hành khách với tần suất cao và tốc độ lớn.

Ưu điểm của loại hình giao thông này là:

• Giảm ùn tắc giao thông đô thị, giảm thiểu tình trạng thải ra khí độc gây hiệu ứng nhà kính và các ảnh hưởng tiêu cực khác đến môi trường.
• Cung cấp phương tiện di chuyển nhanh, an toàn và thân thiện với môi trường.
• Kết nối các khu vực trung tâm với vùng ngoại ô, thúc đẩy phát triển mô hình đô thị theo định hướng phát triển giao thông công cộng TOD – Transit Oriented Development.

Có thể dùng công nghệ nào để khảo sát xây dựng tuyến đường sắt Metro?

Để khảo sát và xây dựng tuyến đường sắt Metro một cách chuyên sâu, cần áp dụng các công nghệ tiên tiến và phương pháp kỹ thuật phức tạp, đảm bảo độ chính xác cao, an toàn và bền vững. Dưới đây là phân tích chi tiết theo từng giai đoạn:

– Khảo sát địa hình và địa chất tuyến đường sắt Metro:

Khảo sát địa hình:

Công nghệ khảo sát địa hình hiện nay đã có nhiều bước tiến vượt bậc, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc thu thập, xử lý dữ liệu địa hình. Có thể kể đến một số công nghệ phổ biến đang phát triển hiện nay như:

• Sử dụng các công nghệ khảo sát địa hình truyền thống như sử dụng các thiết bị GNSS, toàn đạc điện tử và thủy bình điện tử.
• Ứng dụng các công nghệ viễn thám tầm thấp như UAV/ Photogrametry hay công nghệ LiDAR đang ngày càng được sử dụng phổ biến.

Việc sử dụng máy bay không người lái (UAV) hoặc các công nghệ quét LiDAR cho phép người dùng có được dữ liệu địa hình một cách chính xác và trực quan, rút ngắn thời gian xây dựng các sản phẩm cần thiết như bản đồ địa hình số 3D, dữ liệu ảnh trực giao rõ nét ngay tại thời điểm khảo sát, đảm bảo sản phẩm đạt chất lượng cao và đáp ứng nhu cầu cao của dự án.

Khảo sát địa chất:

Công tác khảo sát địa chất là một bước quan trọng và không thể thiếu trong quá trình xây dựng công trình, đặc biệt là các dự án có quy mô lớn. Mục tiêu chính của khoan khảo sát địa chất là thu thập thông tin về các điều kiện địa chất của khu vực xây dựng, từ đó giúp các nhà thiết kế và kỹ sư có cơ sở để đưa ra các quyết định về nền móng và kết cấu công trình. Các phương pháp khảo sát địa chất phổ biến hiện nay như:

• Phương pháp địa vật lý: Các phương pháp phổ biến như: Phân tích sóng mặt đa kênh MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) để đo vận tốc sóng mặt để xác định độ cứng và phân tầng đất; Phương pháp thăm dò điện trở ERT (Electrical Resistivity Tomography) để phát hiện hang ngầm, mực nước ngầm, hoặc vùng đất yếu; Phương pháp địa chấn khúc xạ Seismic Reflection/Refraction để phân tích sóng địa chấn để xác định cấu trúc địa tầng sâu (>100m). Ngoài ra, phổ biến hiện nay còn sử dụng phương pháp điện từ Radar xuyên đất (GPR) để phát hiện các cấu trúc dưới bề mặt đất.
• Phương pháp khoan lấy mẫu địa chất: Sử dụng máy khoan để khoan mẫu đất ở các độ sâu khác nhau để thu thập mẫu lõi đất/đá, kết hợp phân tích trong phòng thí nghiệm (ví dụ: thí nghiệm SPT, CPT) sau đó lập báo cáo chi tiết về tình trạng địa chất và các khuyến nghị cho việc thiết kế nền móng.

– Thiết kế kỹ thuật tuyến đường sắt Metro:

Thiết kế kỹ thuật là thiết kế cụ thể hóa thiết kế cơ sở sau khi dự án đầu tư xây dựng công trình được phê duyệt nhằm thể hiện đầy đủ các giải pháp, thông số kỹ thuật và vật liệu sử dụng phù hợp với tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật được áp dụng, là cơ sở để triển khai thiết kế bản vẽ thi công.

Hiện nay, công tác thiết kế kỹ thuật đều được xây dựng trên quy trình công nghệ BIM và công nghệ GIS. Việc tích hợp dữ liệu GIS và BIM cho phép các đơn vị thiết kế và thi công xây dựng thu thập dữ liệu chính xác và có giá trị, phân tích không gian địa lý để tối ưu hóa tuyến đường, tránh khu vực nhạy cảm (di sản, khu dân cư). Kết hợp dữ liệu dân số, giao thông hiện hữu để dự báo lưu lượng dẫn đến thiết kế và quản lý dự án hiệu quả hơn nhiều.

Ngoài thiết kế trên mô hình BIM +GIS, một số dự án còn tích hợp dữ liệu địa chất, kiến trúc, và hệ thống kỹ thuật (đường ray, điện, thông gió) vào một mô hình BIM 4D (3D + thời gian) giúp các nhà thầu theo dõi chính xác, minh bạch về các thông tin kế hoạch, thời gian trong quá trình xây dựng.

Một số phần thiết kế chuyên dụng khác không thể thiếu trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật đó là các phần mềm mô phỏng thân tích kết cấu và động lực học: Phân tích phần tử hữu hạn (FEA – Finite Element Analysis) để mô phỏng ứng suất, biến dạng của hầm và ga ngầm dưới tác động tải trọng động (tàu chạy, động đất).

Ngoài mô phỏng phân tích kết cấu và động lực học, còn có phần mềm mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics) phục vụ cho công tác thiết kế hệ thống thông gió ngầm, đảm bảo an toàn khi xảy ra cháy hoặc khói.

– Công nghệ thi công chuyên dụng:

Công nghệ thi công chuyên dụng cho các dự án metro (tàu điện ngầm) ngày nay chủ yếu sử dụng những phương pháp hiện đại, an toàn và hiệu quả, đặc biệt ở khu vực đô thị đông dân cư. Dưới đây là các công nghệ chủ đạo được áp dụng phổ biến:

Công nghệ thi công đào hầm (Tunneling):

• Công nghệ đào hầm bằng cơ giới TBM (Tunnel Boring Machine): Sử dụng máy đào hầm TBM – “khiên đào hầm” – tự động hóa cao để thi công các hầm xuyên qua các lớp đất, đá. Ba loại máy đào chuyên dụng như sau:

+ Máy TBM EPB Shield (Earth Pressure Balance Shield): Sử dụng áp suất đất ở phía đầu đào để giữ ổn định mặt chắn hầm và ngăn nước, đất tràn vào. Đất đào ra được hòa trộn và vận chuyển qua hệ thống trục vít tải ra ngoài. Phù hợp với đất mềm, áp suất đất cao (ví dụ: đất sét, cát bão hòa nước).

+ Máy TBM Slurry Shield (Bentonite Slurry Shield): Đầu đào của máy TBM được bơm dung dịch bùn bentonite tạo thành môi trường cân bằng áp lực, ổn định mặt đào. Dung dịch bentonite giữ cho đất không sụt trượt, chống nước và vận chuyển vật liệu đào ra ngoài bằng hệ thống bơm/bùn lỏng. Dùng cho địa chất có nước ngầm áp lực lớn.

+ Máy Double Shield TBM: Được thiết kế để thi công trong khu vực địa chất đá cứng (granite, bazan…), kết hợp đào và lắp vỏ hầm (segment) đồng thời bằng hai “khiên” (một để bám vào đá, một để đẩy tiến).

• Công nghệ đào hầm theo phương pháp NATM (New Austrian Tunneling Method): Đây là phương pháp đào hầm theo nguyên lý “đào – gia cố ngay”, sử dụng vòm bê tông phun (shotcrete), khung thép và neo đất (rock bolts) cho địa chất không ổn định.
• Công nghệ tấm chắn (Shield Tunneling): Tương tự như TBM nhưng là các máy đào với khiên bảo vệ phía trước, phía sau là các máy lắp các tấm vỏ hầm (thường dùng trong đất yếu, dưới mực nước ngầm).
• Công nghệ Cut & Cover (Đào mở): Đây là phương pháp đào hào sâu từ mặt đất, xây dựng kết cấu hầm, rồi lấp trả lại mặt đất. Chủ yếu áp dụng cho các đoạn hầm nông, gần mặt đất, ví dụ như nhà ga ngầm.

Công nghệ thi công gia cố nền móng: Hai phương pháp gia cố nền móng hiện đại, thường sử dụng trong thi công hầm metro và các công trình ngầm lớn hiện nay là Jet Grouting và Soil Freezing.

• Phương pháp Jet Grouting: Sử dụng máy chuyên dụng khoan xuống vị trí cần gia cố. Phun vữa xi măng (hoặc hóa chất khác) vào nền đất dưới áp lực cực lớn (cao áp), làm phá vỡ, trộn lẫn đất và xi măng tạo thành các “cột đất–xi măng” (soil–cement column). Các cột này sẽ liên kết lại thành khối, gia cường độ chịu lực nền đất, chống thấm, ổn định khi thi công.
• Phương pháp Soil Freezing: Nguyên lý hoạt động bằng cách đặt các ống thép xung quanh khu vực cần gia cố/ngăn nước (hố ga, đoạn hầm). Sau đó đóng băng đất tạm thời bằng bơm dung dịch nitơ lỏng, áp dụng khi đào qua tầng ngậm nước.

Xây dựng hệ thống quan trắc giám sát thời gian thực:

Việc xây dựng hệ thống quan trắc, giám sát thời gian thực là một yêu cầu bắt buộc và cực kỳ quan trọng trong thi công hầm metro, đặc biệt ở môi trường đô thị phức tạp để bảo đảm an toàn thi công, bảo vệ các công trình lân cận và phát hiện kịp thời nguy cơ sự cố.

Các loại cảm biến & thiết bị sử dụng trong hệ thống bao gồm:

• Cảm biến đo dịch chuyển (Inclinometer, Extensometer): Giám sát chuyển vị ngang, dọc của đất, mái hố đào, vách hầm.
• Gương + Máy toàn đạc tự động độ chính xác cao (Total Station): Giám sát lún/dịch chuyển mặt đất và các công trình xung quanh.
• Hệ thống GNSS: Theo dõi chuyển vị/lún mặt đất–công trình, Giám sát biến động bề mặt đô thị, hỗ trợ đo kiểm tra vị trí máy móc – thiết bị mặt đất, các điểm gốc chuẩn
• Cảm biến gia tốc, rung động: Theo dõi rung động do máy TBM, phương tiện cơ giới.
• Các loại cảm biến IOT như cảm biến đo áp lực nước lỗ rỗng (Piezometer): Đo mực nước ngầm, áp lực nước trong đất. Cảm biến đo ứng suất Strain Gauge: Đo biến dạng nội bộ các kết cấu tạm/thường (vỏ hầm, vách hố đào…). Các cảm biến đo nghiên, đo lún: Theo dõi sự lún của mặt đường, độ nghiên của nhà cửa trong vùng ảnh hưởng. Các cảm biến môi trường: Đo khí độc, nhiệt độ, độ ẩm trong hầm.

Hệ thống quan trắc giám sát thời gian thực là tấm “bảo hiểm an toàn” bắt buộc trong thi công metro ngầm hiện đại, góp phần kiểm soát, cảnh báo sớm và giúp quá trình thi công diễn ra an toàn – hiệu quả.

Ngoài việc sử dụng các cảm biến địa kỹ thuật kết hợp với hệ thống trắc địa để quan trắc, giám sát, hiện nay có thể sử dụng các phương pháp khác như sử dụng kỹ thuật InSAR kết hợp với công nghệ LiDAR để xây dựng hệ thống cảnh báo sớm sụt lún trong toàn bộ phạm vi xây dựng công trình Metro.

Bên cạnh đó, hiện nay việc tích hợp công nghệ BIM kết hợp Digital Twin cho phép tạo bản sao số (Digital Twin) của công trình để mô phỏng và tối ưu hóa thi công, xây dựng mô hình quản lý rủi ro và dễ dàng tích hợp với phần mềm quản lý dự án tổng thể.

– Công nghệ quản lý dự án (Project Management)

Công trình Metro là công trình phức tạp đòi hỏi bắt buộc phải áp dụng các công nghệ quản lý dự án tân tiến nhất hiện nay trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng lớn như hệ thống phần mềm quản lý tiến độ tích hợp và ứng dụng AI để phân tích các rủi ro. Các phần mềm quản lý tiến độ tích hợp phổ biến hiện nay có thể kể đến như:

• Primavera P6: Là phần mềm quản lý tiến độ chuyên nghiệp hàng đầu thế giới, ứng dụng cho các dự án lớn, nhiều gói thầu.
  + Phần mềm cho phép lập và điều chỉnh lịch trình phức tạp với hàng chục nghìn đầu việc.
  + Quản lý, cập nhật tiến độ thực tế theo phương pháp đường găng (Critical Path Method – CPM), giúp xác định hoạt động trọng yếu ảnh hưởng đến tổng thời gian dự án.
  + Phân chia trách nhiệm, kiểm soát tài nguyên, dự báo tiến độ ở từng mốc cụ thể.
  + Xuất các báo cáo trực quan (Grantt Chart, S-curve)
• Trimble Connect và hệ sinh thái Trimble: Tích hợp CDE Trimble Connect và hệ sinh thái phần mềm Trimble như Trimble Access, Tekla Structures, Trimble Machine Control… cho phép quản lý dữ liệu đa ngành và phối hợp thiết kế–thi công, cập nhật dữ liệu thực tế ngay trên hiện trường.

Phân tích rủi ro bằng AI:

Ứng dụng công nghệ AI vào việc phân tích lượng lớn dữ liệu lịch sử dự án để dự báo các rủi ro: chậm tiến độ, phát sinh chi phí, thiếu vật tư, nguy cơ an toàn, lỗi thiết kế, v.v. Việc sử dụng Machine Learning cho phép dự đoán rủi ro chậm tiến độ, chi phí phát sinh dựa trên dữ liệu lịch sử. Ưu điểm của phương pháp phân tích này là:

• Cảnh báo chủ động cho Ban quản lý dự án, giúp lên phương án dự phòng.
• Cải tiến quy trình điều hành, phân bổ nguồn lực, tối ưu hóa ngân sách.
• Hỗ trợ ra quyết định nhanh hơn và khách quan dựa trên số liệu lớn.

– Các giải pháp bảo vệ môi trường và phát triển bền vững:

Trong quá trình thi công xây dựng và vận hành công trình Metro không tránh khỏi nhưng tác động môi trường. Hiện nay, những giải pháp công nghệ mang ý nghĩa lớn về bảo vệ môi trường và phát triển bền vững phổ biến hiện nay như:

• Công nghệ giảm rung động: Việc áp dụng công nghệ giảm rung động giúp giảm thiểu lan truyền sóng rung, ồn – một vấn đề nhức nhối trong đô thị đông dân. Các công nghệ giảm rung động phổ biến được áp dụng hiện nay như:
  + Floating Slab Track: Sử dụng đường ray đặt trên tấm đệm cao su/bê tông để cách ly rung động.
  + Vibration Barriers: Lắp dựng các tường chắn, rãnh cắt ngang sóng rung bằng vật liệu composite, cao su tái chế, polymer hoặc panel bê tông có lõi đặc biệt bên hông hầm hoặc dưới đáy ray để hấp thụ, làm suy giảm sóng rung truyền ra ngoài
• Công nghệ tái sử dụng đất đào: Là quá trình tối ưu hóa, tái sử dụng nguồn tài nguyên (đất đào) góp phần giảm khối lượng rác thải, tiết kiệm tài nguyên, giảm chi phí và cải thiện sinh thái đô thị. Đất có thể được tái sử dụng bằng cách xử lý đất nhiễm bẩn bằng công nghệ Bioremediation (xử lý sinh học) hoặc Soil Washing (rửa đất bằng dung dịch hóa chất)

– Công tác đảm bảo an toàn và giám sát chất lượng:

Để đảm bảo công tác an toàn và chất lượng thi công công trình Metro, bắt buộc phải thực hiện nghiêm ngặt các biện pháp đảm bảo an toàn và giám sát chất lượng khắt khe. Các quy trình công nghệ phổ biến hiện nay như:

• Công nghệ kiểm tra không phá hủy (NDT): Sử dụng sóng siêu âm truyền vào vật liệu, phát hiện khuyết tật như nứt, rỗ, rỗ khí trong mối hàn và kết cấu thép mà không cần phá hủy công trình. Các phương pháp phổ biến như Ultrasonic Testing (UT): Kiểm tra khuyết tật trong mối hàn hoặc kết cấu thép. Và Ground Penetrating Radar (GPR): sử dụng sóng Radar để phát hiện các rỗ rỗng, lớp vật liệu phân lớp, vị trí cốt thép hoặc hạ tầng ngầm, giúp đánh giá các khoảng trống tiềm ẩn, phòng ngừa sụt lún, góp phần an toàn lâu dài cho công trình hầm.
• Hệ thống an toàn thông minh: Sử dụng các cảm biến đeo người như dây đeo, mũ bảo hộ gắn chip, đồng hồ thông minh để theo dõi các chỉ số sức khỏe (nhịp tim, nhiệt độ cơ thể, định vị GPS…), phát hiện nguy cơ tai nạn (ngã, ngạt, tiếp xúc vùng nguy hiểm)

– Giai đoạn vận hành và bảo trì thông minh:

Cuối cùng, một giai đoạn quan trọng trong công tác thi công xây dựng công trình Metro là giai đoạn vận hành và bảo trì. Các công nghệ tiên tiến được áp dụng hiện nay như:

• Hệ thống điều khiển tự động (ATO – Automatic Train Operation): là công nghệ giúp tự động hóa việc điều khiển tàu, từ khởi động, tăng/giảm tốc, dừng đỗ đến điều chỉnh tốc độ tối ưu mà không cần tối thiểu hóa sự can thiệp của con người.
• Tích hợp CBTC (Communication-Based Train Control): CBTC là hệ thống điều khiển tàu dựa trên liên lạc dữ liệu không dây giữa tàu và trung tâm điều khiển. Việc tích hợp CBTC cho phép kiểm soát chính xác vị trí, tốc độ và khoảng cách giữa các đoàn tàu.

Bảo trì thông minh:

• Sử dụng dữ liệu từ cảm biến rung động, nhiệt độ để nhận diện dấu hiệu bất thường hoặc dự đoán nguy cơ hỏng hóc (ví dụ: động cơ, đường ray) giúp chủ động lên lịch bảo trì/trực sửa chữa trước khi sự cố xảy ra, tránh gián đoạn hoạt động.
• Sử dụng giải pháp Trimble GEDO trong bảo trì và quản lý đường ray Metro hiện đại: Trimble GEDO là một bộ giải pháp phần mềm và thiết bị phần cứng do Trimble (Mỹ) phát triển, gồm các hệ thống như Trimble GEDO CE 2.0, GEDO Vorsys, GEDO Scan, v.v. Hệ thống GEDO được tích hợp các cảm biến (laser, GNSS, IMU) gắn trên xe chuyên dụng hoặc xe đẩy tay (trolley), phục vụ cho việc khảo sát, kiểm tra và bảo trì hạ tầng đường sắt/metro hiện đại.

Nếu bạn cần tìm hiểu thêm về các công nghệ được sử dụng trong khảo sát xây dựng tuyến đường sắt Metro, hãy liên hệ ngay Đất Hợp qua HOTLINE 0903 825 125, chúng tôi sẽ tư vấn chi tiết.

>>> Xem thêm: Quan trắc tuyến đường sắt Metro là làm gì? Có cần thiết phải thực hiện?