Trong vài năm gần đây, khái niệm mô hình thông tin số (digital twin) đã trở nên quen thuộc với nhiều anh em làm hạ tầng mặt đất. Nhưng khi mang tư duy đó xuống lòng đất – đặc biệt cho các dự án hầm, công trình ngầm – chúng ta không chỉ đơn giản “số hóa mô hình địa chất”, mà đang chuyển hẳn từ mô hình tĩnh sang một “hệ thống sống”, liên tục cập nhật theo dữ liệu khảo sát và quá trình thi công, vận hành. Bài viết này chia sẻ cách digital twin ngầm đang thay đổi cách chúng ta thiết kế, đánh giá và quản lý rủi ro địa chất, cùng một ví dụ thực tế từ mạng lưới hầm của Ý.

Chuyển dịch từ mô hình số tĩnh sang hệ sinh thái digital twin ngầm

Trong nhiều dự án hạ tầng, chúng ta vẫn quen với mô hình địa chất hoặc mô hình kết cấu dạng “snapshot” – được xây dựng tại một thời điểm, rồi dần dần lỗi thời khi có thêm khảo sát, đo đạc mới. Với công trình ngầm, cách tiếp cận đó bộc lộ nhiều hạn chế: địa chất phức tạp, điều kiện nước ngầm thay đổi, quá trình đào hầm sinh ra biến dạng mới liên tục.

Digital twin ngầm thay đổi hoàn toàn tư duy này. Thay vì một file mô hình “chết”, chúng ta có một môi trường số sống động, nơi tất cả dữ liệu khoan, đo lún, quan trắc biến dạng, camera TV trong lỗ khoan, quan trắc kết cấu, v.v… được gom về một nơi, liên tục cập nhật. Mỗi khi có dữ liệu mới, twin được “nuôi sống” và phản ánh tốt hơn thực tế dưới chân chúng ta.

Cách làm đa ngành này mở ra “cuộc đối thoại” thật sự giữa địa chất, địa kỹ thuật, kết cấu, thiết kế, thi công: giữa dữ liệu và diễn giải, giữa những gì chúng ta đã biết và những gì đang dần phát hiện. Chính cuộc đối thoại đó tạo nên bước ngoặt: từ mô hình hóa để “vẽ lại hiện trường” sang digital twin để “đồng hành cùng hiện trường” suốt vòng đời công trình.

Câu chuyện Ý: “hồi sinh” mạng lưới hầm bằng digital twin

Để thấy rõ tác động thực tế, hãy nhìn vào mạng lưới hầm đường bộ – đường sắt của Ý. Đây là hệ thống khoảng 2.500 km, chủ yếu xây dựng từ những năm 1960–1970, hiện là huyết mạch giao thông quốc gia. Sau hàng chục năm khai thác, các hầm này đối mặt với hàng loạt thách thức: tiêu chuẩn an toàn mới, xuống cấp vật liệu, yêu cầu nâng cấp, mở rộng.

Đơn vị Tecne Systra đã tiếp cận bài toán này không đơn thuần bằng việc “số hóa quy trình cũ”, mà tái thiết kế toàn bộ cách khảo sát, đánh giá và thiết kế cải tạo hầm trong kỷ nguyên số. Điểm khởi đầu không còn là việc từng bộ môn làm riêng lẻ rồi “bàn giao hồ sơ” cho nhau, mà là thu thập dữ liệu tích hợp ngay từ đầu.

Camera TV trong lỗ khoan, thử flat jack, khoan lấy mẫu lõi, thí nghiệm hiện trường và phòng thí nghiệm cùng nhiều kỹ thuật khảo sát khác đều được đưa vào một môi trường chung – digital twin của hầm. Trên đó, địa chất, kỹ sư địa kỹ thuật, thiết kế hầm và nhóm thi công cùng làm việc trên cùng một “bức tranh ngầm” được cập nhật liên tục.

Kết quả định lượng rất đáng chú ý đối với bất kỳ dự án hạ tầng nào:

• Thời gian mô hình hóa giảm khoảng 25%.
• Tiến độ tổng thể của dự án tăng tốc khoảng 21,5%.
• Khả năng diễn giải, hiểu đúng dữ liệu khảo sát tăng khoảng 30%.
• Thời gian kiểm tra va chạm (clash detection) giảm khoảng 30%.

Nhưng phía sau những con số đó là một thay đổi sâu sắc hơn: dữ liệu khảo sát không còn dừng lại ở giai đoạn tiền khả thi hay thiết kế cơ sở mà được gắn vào một “chuỗi số” liên tục – từ khảo sát, thiết kế chi tiết, thi công cho đến vận hành, bảo trì hầm.

Ana Emiliano dos Reis, người dẫn dắt triển khai BIM tại Tecne Systra cho dự án này, chia sẻ rằng việc đi theo hướng số hóa tích hợp đã làm thay đổi hoàn toàn cách họ thu thập và đánh giá dữ liệu khảo sát. Từ đó, đội ngũ có thêm năng lực mới để hỗ trợ ra quyết định về phương án kết cấu, gia cố, tiến độ thi công và kế hoạch can thiệp trong giai đoạn vận hành.

Nếu chỉ nhìn vào tiết kiệm chi phí và thời gian, chúng ta đã thấy digital twin rất thuyết phục. Nhưng lợi ích sâu xa hơn lại nằm ở những “sự cố không xảy ra” – những rủi ro được nhận diện sớm và xử lý ngay trong giai đoạn thiết kế, chưa kịp trở thành sự cố ngoài hiện trường nên thường không xuất hiện trong báo cáo.

Xem video giới thiệu quy trình Tecne Systra

Quản lý rủi ro địa chất: từ “ẩn số hoàn toàn” đến “bất định có thể kiểm soát”

Trong thực tế hợp đồng xây dựng, rủi ro địa chất thường được “xử lý” bằng cách phân bổ qua điều khoản hợp đồng, dự phòng chi phí hoặc chia sẻ rủi ro giữa chủ đầu tư và nhà thầu. Cách làm này phần lớn mang tính tài chính – pháp lý, chứ chưa thực sự giảm được rủi ro kỹ thuật trên hiện trường.

Tiếp cận đa ngành trên nền digital twin cho phép chúng ta làm được điều quan trọng hơn nhiều: chuyển từ “những điều không biết là mình không biết” (unknown unknowns) sang “những bất định đã được nhận diện” (known uncertainties).

Khi cả nhóm dự án có thể trực quan hóa trên twin các vùng địa chất phức tạp, khu vực thiếu dữ liệu, phạm vi nghi ngờ có đứt gãy, túi karst hoặc vùng đá phong hóa mạnh, họ có thể:

• Đầu tư bổ sung khảo sát đúng chỗ, đúng lúc thay vì dàn trải.
• Thiết kế các phương án thi công hoặc gia cố dự phòng cho từng kịch bản địa chất.
• Xây dựng chiến lược quan trắc trong thi công tập trung vào vùng rủi ro cao.
• Giảm nhu cầu “cộng biên độ an toàn vô tội vạ” trong thiết kế và dự toán.

Pat McLarin, phụ trách chiến lược hạ tầng giao thông tại Seequent (Bentley Subsurface Company), đã tóm lược khá ngắn gọn: digital twin có thể chỉ ra những khu vực được dự báo là địa chất xấu, hoặc nơi điều kiện nền đất còn mơ hồ, nhưng đặt trong bối cảnh của phương án thiết kế. Nhờ bối cảnh đó, câu chuyện rủi ro không còn là “đẩy về hợp đồng” mà trở thành “cùng nhau quản lý” giữa chủ đầu tư, tư vấn, nhà thầu và nhà khai thác.

Giảm phát thải carbon nhờ thiết kế và thi công chính xác hơn

Đối với các anh em làm hạ tầng, yêu cầu giảm phát thải CO₂ và đáp ứng tiêu chí ESG ngày càng rõ ràng. Với dự án hầm, dấu chân carbon không chỉ nằm ở công trình hoàn thành, mà chủ yếu xuất phát từ khai thác, chế biến, vận chuyển và xử lý vật liệu đào và vật liệu xây dựng.

Một digital twin ngầm được xây dựng tốt cho phép đội ngũ kỹ sư mô phỏng ứng xử nền đất – kết cấu với độ tin cậy cao hơn. Điều đó mở ra hàng loạt cơ hội kỹ thuật để “bóp nhỏ” phát thải:

• Tối ưu hình dạng và kích thước hầm, giảm khối lượng đào và bê tông lót, bê tông vỏ hầm.
• Thiết kế hệ thống chống đỡ hợp lý hơn, tránh tình trạng “quá an toàn” dẫn đến lãng phí thép, bê tông phun, neo, khung.
• Lập phương án xử lý nền, thoát nước, gia cố đúng chỗ, tránh phải “khai quật” vượt quá phạm vi cần thiết.
• Lên kế hoạch tái sử dụng vật liệu đào (làm nền đường, đắp bờ, vật liệu san lấp) trên cơ sở hiểu rõ đặc tính địa chất từng đoạn.

Như Pat McLarin chia sẻ, nếu chúng ta tối ưu được khối lượng đất đá phải di chuyển và tỷ lệ vật liệu có thể tái sử dụng, thì tính bền vững không còn là khẩu hiệu marketing mà trở thành kết quả trực tiếp của “kỹ thuật chính xác” (precision engineering). Digital twin chính là nền tảng giúp đạt được mức độ chính xác đó một cách có hệ thống.

Digital twin như bộ khuếch đại “trí tuệ tập thể” cho đội dự án

Bên cạnh các chỉ số đo được về thời gian, chi phí, carbon, còn một lợi ích khó định lượng nhưng rất mạnh: digital twin tạo ra một không gian chung, nơi kiến thức và kinh nghiệm của từng bộ môn được kết nối, bổ trợ lẫn nhau.

Khi địa chất, địa kỹ thuật, thiết kế hầm, cầu đường, MEP, vận hành và thi công cùng nhìn vào một mô hình ngầm trực quan, cập nhật thời gian gần thực, ranh giới chuyên môn trở nên “mềm” hơn. Những câu hỏi được đặt ra ngày càng sắc sảo: “Nếu thay đổi trình tự đào ở đoạn địa chất xấu này thì biến dạng phía trên sẽ thế nào?”, “Nếu giảm bề dày vỏ hầm ở đoạn đá tốt thì tải trọng chuyển sang đoạn tiếp giáp ra sao?”, “Kết quả đo lún này nói gì về giả thiết ban đầu trong mô hình địa kỹ thuật?”

McLarin nhận xét rằng khi tất cả mọi người thực sự hiểu điều gì đang diễn ra dưới bề mặt, chất lượng quyết định sẽ cải thiện rõ rệt. Không chỉ là quyết định “đúng hay sai”, mà là cách ra quyết định – có thêm nhiều đầu vào, nhiều góc nhìn, và sự hiểu biết sâu hơn về mối liên hệ giữa các hạng mục công trình.

Digital twin, theo cách đó, hoạt động như một bộ khuếch đại trí tuệ tập thể cho cả dự án: những hiểu biết nhỏ lẻ được gom lại, được kiểm chứng, đối chiếu liên tục bằng dữ liệu thực, giúp đội ngũ ra những quyết định an toàn hơn, kinh tế hơn và bền vững hơn cho cả vòng đời công trình ngầm.

Trong các phần tiếp theo của chuỗi nội dung này, trọng tâm sẽ chuyển sang những bước đi cụ thể để từng tổ chức, đơn vị tư vấn, nhà thầu hoặc chủ đầu tư có thể triển khai digital twin cho công trình ngầm: từ việc chuẩn hóa dữ liệu khảo sát, lựa chọn nền tảng phần mềm, đến xây dựng quy trình phối hợp đa ngành. Đây chính là lúc chuyển từ “nhận thức” sang “hành động” để chuẩn bị cho tương lai xây dựng dưới lòng đất.

Để tìm hiểu thêm về các giải pháp phần mềm hỗ trợ thiết kế và quản lý hầm theo hướng digital twin như OpenTunnel Designer và các công cụ Bentley đang được dùng trong những dự án tương tự Tecne Systra, đội ngũ hạ tầng tại Việt Nam hoàn toàn có thể tham khảo thêm và tùy biến quy trình cho điều kiện trong nước.

Nếu anh em đang triển khai hoặc chuẩn bị đầu tư dự án hầm, metro, hạ tầng ngầm và muốn rút ngắn thời gian mô hình hóa, cải thiện chất lượng diễn giải khảo sát cũng như kiểm soát tốt hơn rủi ro địa chất, đã đến lúc cân nhắc nghiêm túc cách tiếp cận digital twin. Đội ngũ MICAD sẵn sàng đồng hành cùng đơn vị anh em trong việc tư vấn giải pháp phần mềm, xây dựng quy trình số và đào tạo vận hành phù hợp thực tế Việt Nam. Hãy để lại thông tin hoặc yêu cầu báo giá chi tiết tại đây: https://micad.vn/bao-gia/ để chúng tôi tư vấn đúng nhu cầu và quy mô dự án của bạn.