Công trình ngầm thành phố và các giải pháp địa kỹ thuật

Kinh nghiệm trên thế giới cho thấy, hệ thống hạ tầng kỹ thuật ngầm thích hợp là một yếu tố quan trong cho sự phát triển bền vững, thông minh của một thành phố hiện đại. Bài viết tổng hợp và phân tích các giải pháp hiện hữu và cho thấy khái quát phạm vi và khả năng áp dụng cần được chú ý.

Hội thảo Khoa học Quốc tế Phát triển Xây dựng bền vững điều kiện Biến đổi khí hậu khu vực đồng Sơng Cửu Long SCD2021 CƠNG TRÌNH NGẦM THÀNH PHỐ VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐỊA KỸ THUẬT URBAN UNDERGROUND STRUCTURES AND GEOTECHNICAL MEASURES Nguyen Ngoc Long Giang, Nguyen Quang Phich, Nguyen Van Manh, Phạm Văn Kiên, Dao Hong Hai ABSTRACT: Experience in the world shows that a suitable underground technical infrastructure system is an important factor for the sustainable and intelligent development of a modern city However, in order to build urban underground works, it is necessary to plan in advance, make large investments and apply geotechnical solutions rationally, especially in weak and complex soil conditions The article summarizes and analyzes existing solutions and shows the general scope and applicability that must be considered KEYWORDS: Underground Structure, geotechnical measures, cut and cover method, trench wand support methods TÓM TẮT: Kinh nghiệm giới cho thấy, hệ thống hạ tầng kỹ thuật ngầm thích hợp yếu tố quan cho phát triển bền vững, thông minh thành phố đại Tuy nhiên để xây dựng cơng trình ngầm thành phố cần thiết phải quy hoạch trước, đầu tư lớn áp dụng hợp lý giải pháp địa kỹ thuật, điều kiện đất yếu, phức tạp Bài viết tổng hợp phân tích giải pháp hữu cho thấy khái quát phạm vi khả áp dụng cần ý TỪ KHĨA: Cơng trình ngầm, giải pháp địa kỹ thuật, phương pháp thi công hở, bảo vệ thành hố đào, giải pháp đón đỡ Nguyen Ngoc Long Giang Mien Tay Construction University 20B, Pho Co Dieu Street, Ward 3, Vinh Long City, Vinh Long Province Email: longgiang@mtu.edu.vn Nguyen Quang Phich Faculty of Civil engineering, Van Lang university Email: nguyenquangphich@vanlanguni.vn Tel: 0903453885 Nguyen Van Manh Faculty of Civil Engineering, Hanoi University of Mining and Geology 18, Vien Street, Duc Thang Ward, Bac Tu Liem District, Hanoi Email: nguyenvanmanh@humg.edu.vn Tel: 0838449495 133 SCD2021 International Conference on sustainable construction development in the context of climate change in the Mekong Delta Phạm Văn Kiên Faculty of Civil engineering, Van Lang university Email: Kiên.p@vlu.uni.vn Tel: 0903562286 Dao Hong Hai Ho Chi Minh City University of Technology 268 Ly Thuong Kiet Street, 14 Ward, 10 District, Ho Chi Minh City Email: dhhai@hcmut.edu.vn ĐẶT VẤN ĐỀ - INTRODUCTION Các thành phố nước ta xu ngày xây dựng nhiều loại cơng trình ngầm, nhằm đáp ứng yêu cầu mục tiêu sử dụng khác (Hình 1) Nói chung sử dụng hệ thống cơng trình ngầm mang lại cho thành phố hình ảnh hiệu tốt cảnh quan, môi trường, tăng quỹ đất cho cơng trình kiến trúc mặt đất, phát huy tiềm dồi khoảng khơng gian ngầm, góp phần mang lại hiệu kinh tế trước mắt lâu dài Hệ thống cơng trình ngầm thành phố thích hợp góp phần đảm bảo phát triển bền vững thành phố chắn tảng để phát triển thành phố thơng minh Cơng trình ngầm thành phố Cơng trình ngầm Cơng trình ngầm với Cơng trình ngầm với giao thơng chức cung cấp chức tải Đường hầm Cấp điện Nước thải Cấp nước Đường hầm Hơi nóng Thơng tin Nước mưa tơ khí đốt Đường hầm Bưu điện Chất thải Vận chuyển đường ống hàng hóa Cơng trình ngầm cho phương tiện giao thơng Cơng trình ngầm thu gom Cơng trình ngầm tập trung (Collector) "giao thơng tĩnh" Cơng trình ngầm đặc biệt Cơng trình ngầm văn hóa thể thao Cơng trình ngầm thương mại Đường hầm Áp lực Đường ống cơng nghiệp Hình Ví dụ hệ thống cơng trình ngầm thành phố Để xây dựng hợp lý cơng trình ngầm thành phố (cũng cơng trình ngầm khác), có nhiều phương pháp, phương thức thi công giải pháp kỹ thuật phát triển áp dụng Thông thường phương pháp thi cơng phân thành hai nhóm là: • Các phương pháp thi cơng ngầm; • Các phương pháp thi công lộ thiên 134 Phương pháp thi công lộ thiên bao gồm phương pháp hay phương thức hạ dần hay hạ đoạn (còn gọi phương pháp giếng chìm, giếng chìm ép - caisson) phương pháp hạ chìm hay hầm dìm, phương pháp thi cơng hở Có thể nói rằng, điều kiện thông thường, phương pháp hở coi phương pháp kinh tế xây dựng cơng trình ngầm cỡ lớn hầm nhà cao tầng, nhà ga ngầm Hình dáng cơng trình kiến trúc phù hợp với yêu cầu kỹ thuật giao thông, đồng thời cho phép áp dụng giải pháp tối ưu liên kết hệ thống giao thông với đoạn đường kết nối ngắn, liên kết tốt, an toàn điểm đến Chênh lệch độ cao bố trí mức khác tùy theo thực tế yêu cầu Phương pháp thi cơng hở cịn cho phép xây dựng mặt rộng liên kết với công trình thương mại, nhà hàng, cơng trình văn hóa liên kết hợp lý với phương tiện giao thông mặt đất Tuy nhiên áp dụng phương pháp thi cơng hở cần ý điều kiện sau: • Để thi cơng cần thiết phải có mặt tự mặt đất vừa đủ, quảng trường, nút giao thông đường lớn, chẳng hạn sân ga tàu điện ngầm có chiều dài khoảng 120m, tàu tốc hành khoảng 210m; • Do thời gian thi cơng lâu diện tích sử dụng lớn, nên gây ảnh hưởng lớn đến giao thông sinh hoạt mặt đất, thiết phải lựa chọn giải pháp kỹ thuật nhằm giảm ảnh hưởng đến giao thơng, sinh hoạt mặt đất; • Phương pháp xây dựng cần loại trừ mối nguy hiểm cơng trình kiến trúc lân cận, gây lún sụt, dịch chuyển đất; Hội thảo Khoa học Quốc tế Phát triển Xây dựng bền vững điều kiện Biến đổi khí hậu khu vực đồng Sơng Cửu Long Cũng độ sâu thi cơng lớn, ví dụ đến 25m, khoảng cách đến cơng trình kiến trúc khơng xa thiết phải áp dụng biện pháp đặc biệt tường đất (tường cọc nhồi, tường hào nhồi hay tường barrette, tường cọc khoan cao áp); • Áp dụng phương pháp thi cơng hở khó trành khỏi tác động xấu đến môi trường sống, tiếng ồn, bụi bẩn, ảnh hưởng đến việc lại, cần phải có giải pháp hợp lý nhằm giảm thiểu tác động này; • Trong nhiều trường hợp phải có biện pháp bảo vệ cơng trình kiến trúc, đất nước ngầm phải áp dụng giải pháp hạ mực nước ngầm lâu dài diện rộng; • Phải tính đến khả di dời, treo tạm hệ thống cấp thoát nước, lượng…, để đảm bảo hoạt động bình thường, lâu dài Nhằm phát huy lợi ích kinh tế, khắc phục hạn chế phương pháp thi công hở, hàng loạt giải pháp phát triển áp dụng có hiệu giới Trong tham luận hệ thống hóa phương pháp thi cơng giải pháp kỹ thuật sử dụng đà phát triển, có quy hoạch sớm, việc thi cơng với thành hào nghiêng thuận lợi kinh tế Bảo vệ ổn định thành hào trường hợp quan trọng, liên quan đến ổn định cơng trình mặt đất đảm bảo điều kiện thi cơng an tồn, thuận lợi Trên Hình tổng hợp sơ đồ thi công với loại kết cấu bảo vệ hố đào [1, 2, 3, 4] Cũng tùy thuộc vào điều kiện đất nền, vào cơng trình kiến trúc mặt đất cần bảo vệ mà kết cấu bảo vệ thành hào áp dụng đa dạng Kết cấu bảo vệ thành hào thu hồi sau thi cơng kết cấu cơng trình ngầm giữ lại làm phận quan trọng kết cấu cơng trình ngầm Phѭѫng pháp thi công hӣ giҧi pháp bҧo vӋ thành hӕ ÿào Thành hào thҷng ÿӭng Thành hào nghiêng Bӡ dӕc ÿѭӧc gia cӕ Bӡ dӕc tӵ nhiên Tѭӡng cӑc ván Neo, chӕt, văng, bê tông phun Tѭӡng có thӇ thu hӗi Tѭӡng ӯ Tѭӡng sӁ mӝt bӝ phұn cӫa kӃt cҩu cơng trình ngҫm Tѭӡng cӑc khoan nhӗi Tѭӡng cӑc khoan phөt cao áp Tѭӡng hào nhӗi Các giҧi pháp gia cѭӡng, tăng sӭc CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ THÀNH HỐ ĐÀO Hình Giải pháp bảo vệ thành hào theo điều kiện thi công Thi công hở tiến hành đào hào từ mặt đất, xây dựng cơng trình cuối lại phủ đất hay vật liệu lên kết cấu công trình ngầm (cut-and-cover) Thơng thường với phương pháp kết cấu cơng trình ngầm xây dựng từ đáy hào (phương thức tường hay botton-up) trước tiên thi cơng tường kết cấu cơng trình ngầm (phương thức tường hay top-down) sau cơng tác khác tiến hành hồn thiện Điều kiện khẳ áp dụng giải pháp bản, kết hợp với biện pháp neo chốt, gia cường, tăng cứng tổng hợp đánh giá Bảng Thực tế cho thấy giải pháp tường đất cọc khoan nhồi, hào nhồi giải pháp đắt tiền, song hữu hiệu cần thiết phải bảo vệ công trình kiến trúc Tường cọc cừ quen biết nước ta lâu thường thu hồi sau thi công Tuy nhiên nhiều nước sử dụng thép đặc biệt làm ván cừ sau thi công để lại tường cừ thành phận bảo vệ cho kết cấu cơng trình ngầm Lựa chọn tính tốn thiết kế kết cấu bảo vệ thành hào thiết phải ý đến điều kiện mặt bằng, điều kiện đất đặc biệt cơng trình kiên trúc cần bảo vệ Tùy thuộc vào điều kiện mặt thi công, hào để xây dựng kết cấu cơng trình ngầm có thể thi công với thành hào nghiêng thẳng đứng Nói chung thành phố phương án thành hào đứng thường giải pháp tất yếu, nhiên số thành phố 135 SCD2021 SCD2021 International Conference on sustainable construction development in the context of climate change in the Mekong Delta Bảng Phân tích khả áp dụng biện pháp bảo vệ thành hố đào Phương thức bảo vệ Diện tích sử dụng Khả nhận tải Ổn định lâu dài Mức độ kín nước Gia cường tăng cứng Khả neo chốt Thành Gia cố Tường Tường bê tông cọc hào cừ thép ván nghiêng phun nhiều ít nhiều trung thấp cao cao bình tạm tạm tạm tạm thời thời thời thời không không hạn chế không không không được được được Phương thức Tường bảo vệ hào nhồi Diện tích sử dụng Khả cao nhận tải Ổn định lâu dài lâu dài Mức độ tốt kín nước Gia cường tăng cứng Khả neo chốt tốt Tường cọc khoan nhồi sát giao cắt ít cao cao lâu dài lâu dài hạn chế tốt được được CÁC PHƯƠNG THỨC THI CÔNG VÀ GIẢI PHÁP ĐỊA KỸ THUẬT Nói chung có nhiều phương án hay phương thức thi công phát triển, liên quan đến điều kiện địa chất, cơng trình mặt đất độ sâu thi cơng Nhiều cơng trình nghiên cứu [5,6,7,8] cho phép rút nhận định áp dụng cho thực tiến kỹ thuật Chú ý đến điều kiện địa chất thủy văn thực tế gặp ba trường hợp sau: • Hào thi cơng khơng có nước ngầm hạ mực nước ngầm; 136 • Hào thi cơng có nước ngầm khơng thể hạ mực nước ngầm phải bảo vệ nguồn nước ngầm; • Thi cơng hào điều kiện có nước mặt (kênh dẫn nước, sơng ngịi) Trong trường hợp thứ nhất, thi cơng điều kiện khơng chịu ảnh hưởng nước ngầm xem xét bốn phương án sau: 1) Hào thi cơng với thành hào nghiêng (Hình 3), bảo vệ lưới thép bê tông phun thép bê tơng cốt thép kết hợp neo kết hợp loại kết cấu Độ nghiêng hay độ dốc thành hào phụ thuộc vào loại đất Góc nghiêng thường nhỏ 45o khối đất đất rời dính kết yếu Trong trường hợp đất dính cứng nửa cứng để góc dốc đến 60o trường hợp gặp đá rắn để góc dốc đến 80o 2) Thành hào nhỏ, đào thẳng đứng đến độ sâu định mà không cần chống, sâu áp dụng hệ vách ván chống học, Hình 3) Thành hào thẳng đứng chống giữ tường cọc ván, chiều rộng đáy hào chiều rộng cơng trình ngầm chiều rộng ngồi kết cấu cơng trình ngầm Trong trường hợp cần ý đến trình tự thi cơng yêu cầu phải làm kín nước cho kết cấu cơng trình ngầm (Hình 5.a) 4) Thành hào chống giữ tường cọc ván, chiều rộng đáy hào chiều rộng cơng trình ngầm +2x0,8m Đương nhiên trường hợp khối lượng đất đào lấp phủ sau tăng đáng kể Tuy nhiên lớp phủ kín nước phủ từ phía ngồi cách dễ dàng (Hình 5.b) 5) Tường bảo vệ thành hào tường từ cọc khoan nhồi hay hào nhồi Bê tông tường đổ đển mức đỉnh tường kết cấu cơng trình ngầm Tiếp đất đào đến mức đỉnh tường, lớp bê tông giữ đổ lên nền, cọc cắm đến đỉnh tường sau đổ lắp ghép bê tơng hầm Các công việc tiếp sau thi công bảo vệ tường hầm (Hình 5) Phương án thường gọi phương án tường Hội thảo Khoa học Quốc tế Phát triển Xây dựng bền vững điều kiện Biến đổi khí hậu khu vực đồng Sông Cửu Long nguồn nước ngầm cần bảo vệ, xem xét bốn phương án sau: a) b) c) Hình Ví dụ phương án thi công với thành hào nghiêng 1) Hạ mực nước ngầm khu vực hào thi cơng, sau bơm nước thi cơng kết cấu cơng trình ngầm Trong trường hợp sử dụng tường cọc cừ để bảo vệ thành hào đồng thời áp dụng giải pháp làm kín nước Đương nhiên tường cọc cừ thu hồi để lại, tùy thuộc vào phương án lựa chọn 2) Tường thi cơng kín nước, sau bơm nước thi cơng kết cấu cơng trình ngầm Ở sử dụng tường cọc cừ cọc khoan nhồi, hào nhồi, tường khoan cao áp tùy theo độ cứng cần thiết, liên quan với việc chống lún sụt, bảo vệ cơng trình kiến trúc Sau bê tơng đổ nước Kết cấu cơng trình ngầm thi cơng điều kiện khơng có nước Trong phương án này, cọc cừ thu hồi, cịn tường cọc khoan nhồi hào nhồi trở thành phận kết cấu cuối 3) Tường thi cơng trước, kín nước, sau thi cơng tiếp tục đào chế độ sử dụng khí nén đẩy nước Phương án phức tạp, song ý, cần lấp phủ nhanh mặt đất để hạn chế ách tách giao thông 4) Sử dụng phương pháp hạ dần (giếng chìm ép - caison) Hình Ví dụ quy cách cho rãnh thi công Trường hợp gặp nước mặt phải ý đến khả phải áp dụng phương pháp hạ chìm Tuy nhiên, điều kiện cho phép xem xét phương án dắp đê quai, sử dụng cọc cừ, tạo kênh dẫn nước tạm sau lựa chọn phương án thi cơng thích hợp, tùy theo điều kiện địa chất yêu cầu cần phải bảo vệ khác (Hình 6.) Hình Phương án khơng có a) có khoảng hở b) tường kết cấu cơng trình ngầm Trong điều kiện có nước ngầm, thường gặp cơng trình ngầm nằm sâu, hạ mực nước ngầm nhằm tránh sụt lún mặt đất, Hình Giải pháp địa kỹ thuật gặp nước mặt 137 SCD2021 SCD2021 International Conference on sustainable construction development in the context of climate change in the Mekong Delta GIẢI PHÁP KHI THI CÔNG SÁT HOẶC DƯỚI CÁC CƠNG TRÌNH KIẾN TRÚC Trong thực tế, đặc điểm tuyến cơng trình ngầm gặp hai trường hợp sau: • Cơng trình ngầm nằm sát cơng trình kiến trúc mặt đất, khơng cho phép thi cơng tường bảo vệ thành hào, cần thiết phải tiến hành thi cơng kết cấu đón đỡ Kết cấu đồng thời tường thành hào; • Một phần hay tồn cơng trình ngầm nằm cơng trình kiến trúc mặt Trong trường hợp phần cơng trình kiến trúc cần đón đỡ kết cấu dạng khung Như kết cấu đón đỡ trực tiếp tường, cơng trình ngầm kết cấu cơng trình ngầm thi công bảo vệ kết cấu c) Đón đỡ khoan hóa chất kết hợp neo chốt d) Đón đỡ hệ cột dầm đỡ Có nhiều dạng đón đỡ áp dụng Trong khuôn khổ tham luận liệt kê sơ bộ, khơng thể trình bày chi tiết: • Đón đỡ tường bê tơng bê tơng cốt thép - phương pháp kinh điển; • Đón đỡ phương pháp gia cố đất; • Đón đỡ cọc nhỏ, cắm chéo móng tường; • Đón đỡ tường hào nhồi (cọc baret) cho trường hợp hào thi cơng sâu; • Đón đỡ tường cọc khoan nhồi, khoan nghiêng phía cơng trình kiến trúc; • Đón đỡ phương pháp khoan phụt, với hóa chất áp lực cao Trên Hình minh họa số phương án bảo vệ công trình kiến trúc liền kề mặt đất a) Đón đỡ tường bê tông cốt thép b) gia cố đất 138 e) Đón đỡ để cơng trình tựa lên kết cấu cơng trình ngầm Hình Ví dụ số giải pháp địa kỹ thuật để đón đỡ, bảo vệ cơng trình kiến trúc KẾT LUẬN Phương pháp thi công hở phương pháp thi cơng kinh tế để thi cơng cơng trình ngầm, điều kiện cho phép Nghiên cứu áp dụng hiệu phương pháp sở kinh nghiệm đúc rút ngồi nước góp phần lựa chọn giải pháp kỹ thuật cơng nghệ hợp lý Trong hồn cảnh nay, thành phố xây dựng dày đặc, cần ý xem xét khả bố trí tuyến giao thơng ngầm dọc theo tuyến đường sẵn có, thi cơng phương thức tường - Q trình thi cơng nên thực Hội thảo Khoa học Quốc tế Phát triển Xây dựng bền vững điều kiện Biến đổi khí hậu khu vực đồng Sông Cửu Long theo sơ đồ “cuốn chiếu” để hạn chế ách tắc giao thông Ở thành phố mới, phát triển, cần có quy hoạch sớm cho hệ thơng cơng trình ngầm, ý kinh nghiệm giới, học rủi ro gặp phải, để tránh hậu phải cải tạo mở rộng sau Để bảo vệ thành hào thi công xử lý trường hợp hào thi công sát công trình kiến trúc cần thiết nghiên cứu áp dụng phát triển giải pháp địa kỹ thuật thích hợp, đặc biệt thi công tường đất kết hợp với phương pháp gia cố khối đất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Achim Hettler, Theodoros Triantafyllidis, Anton Weißenbach, Baugruben, Auflage, Published 2018 by Ernst & Sohn GmbH & Co KG [2] EFFC, European Federation of Foundation Contractors, EFFC-Richtlinien für das Risikomanagement, in www.effc.org SCD2021 [3] Gerhard Girmscheid, Baubetrieb und Bauverfahren im Tunnelbau Auflage Gerhard Girmscheid [4] Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co KG, Berlin ISBN 978-3-433-01852-1, 2008 [5] Juergen Grabe, SpundwandHandbuch-Berechnung Makossa Druck und Medien GmbH Pommernstr 17, 45 889 Gelsenkirchen Hamburg, 2007 [6] RMA 2006 RMA Standard “Risiko - und Chancenmanagement”, Risk Management Association e.V., 2006 [7] Werner Striegler, Tunnelbau.Verlag fuer Bauwesen Berlin Muenchen, 1993 [8] Won Taek Oh, Adin Richard, Critical Heights of Sloped Unsupported Trenches in Unsaturated Sand World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Geotechnical and Geological Engineering, 13 (5), 317-324, 2019 [9] Woods P., Sreening of surface waves in soils J Soil Mech Found Div ASCE, 94, pp 951-979, 1968 139 ... Ví dụ hệ thống cơng trình ngầm thành phố Để xây dựng hợp lý cơng trình ngầm thành phố (cũng cơng trình ngầm khác), có nhiều phương pháp, phương thức thi cơng giải pháp kỹ thuật phát triển áp... phần đảm bảo phát triển bền vững thành phố chắn tảng để phát triển thành phố thơng minh Cơng trình ngầm thành phố Cơng trình ngầm Cơng trình ngầm với Cơng trình ngầm với giao thơng chức cung cấp... Đón đỡ để cơng trình tựa lên kết cấu cơng trình ngầm Hình Ví dụ số giải pháp địa kỹ thuật để đón đỡ, bảo vệ cơng trình kiến trúc KẾT LUẬN Phương pháp thi công hở phương pháp thi công kinh tế để