Nghiên cứu quản lý rủi ro lún bề mặt khi thi công công trình ngầm bằng máy đào hầm loại nhỏ

Bài viết Nghiên cứu quản lý rủi ro lún bề mặt khi thi công công trình ngầm bằng máy đào hầm loại nhỏ trình bày mối quan hệ giữa thể tích phễu lún với thể tích biến dạng do khe hở kỹ thuật hình thành xung quanh đường hầm.

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ NGHIÊN CỨU QUẢN LÝ RỦI RO LÚN BỀ MẶT KHI THI CƠNG CƠNG TRÌNH NGẦM BẰNG MÁY ĐÀO HẦM LOẠI NHỎ Đặng Trung Thành Trường Đại học Mỏ-Địa Chất Email: dangtrungthanh@khoaxaydung.edu.vn TÓM TẮT Hiện tượng lún bề mặt thi cơng cơng trình ngầm máy đào hầm loại nhỏ cố làm kéo dài thời gian xây dựng tăng giá thành xây dựng cơng trình Hiện tượng lún bề mặt phân làm hai dạng chính: biến dạng lớn biến dạng có tính hệ thống Các biến dạng lớn hình thành chủ yếu dịch chuyển đất đá đào thừa tiết diện Các biến dạng có tính hệ thống xuất khe hở kỹ thuật ống kích đất đá xung quanh cơng trình ngầm Trong thực tế, hai dạng biến dạng gây nhiều cố khác như: sụt lún bề mặt, lực ma sát ống kích đất đá xung quanh tăng nhanh gây vỡ ống kích q trình kích đẩy Chính lý đó, báo tác giả phân tích, đánh giá nguyên nhân gây cố đưa số giải pháp phịng ngừa, khắc phục Từ khóa: Máy đào hầm loại nhỏ, quản lý rủi ro, biến dạng có tính hệ thống ĐẶT VẤN ĐỀ Sự cố lún bề mặt yếu tố quan trọng liên quan đến tiến độ, giá thành thi công xây dựng đường hầm tiết diện nhỏ Nguyên nhân gây lún bề mặt thi cơng cơng trình ngầm (CTN) tiết diện nhỏ thường chia làm dạng: lún với kích thước lớn lún có tính hệ thống Hiện tượng lún bề mặt với kích thước lớn xảy tượng đất đá xung quanh CTN việc khai đào tiết diện Việc lượng đất đá lớn dẫn đến lỗ hổng bên đường hầm xây dựng Ngoài nguyên nhân xảy sụt lún lớn sử dụng phương pháp thi cơng khơng thích hợp, quy trình vận hành khơng theo quy chuẩn điều kiện địa chất thay đổi bất thường Rủi ro dạng giảm thiểu thơng qua việc điều tra chi tiết điều kiện địa kỹ thuật, sử dụng phương tiện phương pháp điều tra thích hợp kết hợp với người có kinh nghiệm vận hành, thi cơng Việc phân tích, đánh giá ngun nhân gây cố đưa số giải pháp phòng ngừa, khắc phục nội dung quan trọng thi cơng cơng trình ngầm NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Xác định đánh giá rủi ro Hiện tượng sụt lún có hệ thống tượng sập đổ khe hở kỹ thuật dẫn đến việc đào thừa tiết diện Khe hở kỹ thuật yếu tố kỹ thuật cần thiết với CTN sử dụng máy đào hầm Khe hở kỹ thuật làm giảm lực ma sát xung quanh hệ thống ống kích với đất đá xung quanh CTN, sử dụng để bơm ép dung dịch làm giảm ma sát dễ dàng điều khiển hướng máy đào Trong sau q trình thi cơng trình ngầm máy đào hầm loại nhỏ (MĐHLN), đất đá xung quanh ống kích sụt, lấp đầy đất có tính trương nở gặp nước tác động lên đường ống, làm đầy khoảng hở tạo nên MĐHLN Quá trình sụt liên tiếp xảy hình thành khoảng trống bề mặt đất phễu lún sụt Sự sụt, lún có tính hệ thống điều chỉnh cách giảm công tác đào tiết diện, bơm ép vữa bentonit q trình thi cơng vữa lấp đầy xung quanh đường ống sau lắp đặt Sự cố sụt lún bề mặt có tính hệ thống giảm: ➢ Theo chiều sâu cơng trình ngầm; ➢ Mức độ đào vượt giới hạn cho phép; ➢ Điều kiện đất đá cải thiện; ➢ Đường kính đường hầm nhỏ 2.1.1 Xác định rủi ro Để xác định cố lún sụt bề mặt xảy gây nguy hại đến các tuyến đường, cơng trình tiện ích hay cơng trình lân cận cần thiết CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2021 25 XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI Độ biến dạng (inch) Biến dạng ngang - tính từ tâm ống kích (feet) Hình Đồ thị mơ tả mức độ lún sụt bề mặt cho hai trường hợp cơng trình nằm độ sâu feet 10 feet [3] Ghi chú: inch = 2,54 cm; feet = 30,48 cm phải tiến hành nghiên cứu điều tra chi tiết điều kiện địa chất, tài liệu địa chất đặc tính biểu học đất đá khu vực CTN qua Việc nghiên cứu chi tiết làm giảm thiểu rủi ro bất lợi đến bề mặt, dẫn đến cố lớn gây thiệt hại cho nhà đầu tư Các vấn đề tiềm ẩn nguy hiểm đất đá yếu, bị nén ép, đất cát sỏi xếp loại (đặc biệt số lượng lỗ rỗng), mực nước ngầm cao Một yếu tố quan trọng phải xác định đặc trưng biến dạng hay phá hủy bên bên bề mặt CTN lún sụt Việc điều tra khảo sát thực bẳng cách quan sát thực tế với đặc trưng điển hình bề mặt nghiên cứu vẽ kỹ thuật với nhiều dự án khác Những cố tiềm ẩn nguy hiểm lún sụt cơng trình, đường cao tốc, đường ray, tuyến đê cơng trình ngầm khác Dự đốn các rủi ro xảy điều kiện, thời gian Cuối xác định độ sụt lớn cho phép cơng trình Độ sụt lớn trường phải nhỏ độ sụt cho phép để tránh nguy hiểm gây với cơng trình cơng trình lân cận Bảng trình bày tiêu chuẩn (đề xuất) độ lún sụt cho phép [1] Tuy nhiên, giá trị Bảng sơ có tính tham khảo trường hợp cụ thể độ lún cho phép trường phải nhận đồng thuận 26 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2021 chủ đầu tư Bên cạnh điều kiện thực tế thời điểm lún trình khai đào CTN phải xem xét cách thấu đáo Ví dụ, chiều dài CTN thi cơng mơi trường sét nguyên nhân gây lún theo thời gian đặc tính đất Bảng Đề xuất độ lún sụt cho phép cho cơng trình thực tế [1] Tính cơng trình Các cơng trình ngầm kỹ thuật Độ lún sụt cho phép (cm) 2,54 Các đường phố bề mặt 1,27÷2,54 Đường cao tốc 0,63÷1,27 Các đường ống 0,63÷1,27 Các tuyến đê 1,27÷2,54 Các tuyến đường sắt 0,63÷1,27 2.1.2 Đánh giá rủi ro Các cố lún, sụt bề mặt dự đốn, ước lượng, đánh giá Trên sở đề giải pháp hữu ích để đảm bảo an tồn, bảo vệ cơng trình bề mặt Các tính tốn Wallin cộng (2008) [3] nghiên cứu, tính tốn chi tiết Mức độ lún bề mặt phụ thuộc vào điều kiện đất đá, đường kính ngồi ống kích, khe hở kỹ thuật (diện tích phần đào vượt), độ sâu đặt đường hầm Ngoài Wallin thay đổi độ lún bề mặt tính từ từ tâm ống kích sang hai bên cơng trình ngầm miêu tả phễu lún (hình 1) NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI 2.2 Mối quan hệ thể tích phễu lún với thể tích biến dạng khe hở kỹ thuật hình thành xung quanh đường hầm Ba yếu tố có ảnh hưởng đến mức độ biến dạng khe hở kỹ thuật gây nên lan truyền lên đến bề mặt đất là: ➢ Sự tách bóc khối đất MĐHLN; ➢ Độ bền đất; ➢ Dung dịch khoan/dung dịch giảm ma sát quanh ống kích Hiện tượng đất xảy điều kiện lớp đất bị dãn lớp đất chặt lớp đất chặt bị lới lỏng sập đổ vào bên khoảng trống xung quanh ống kích tạo Thể tích đất tăng, thể tích phễu lún giảm gây lún sụt bề mặt bên cơng trình Vịm sập đổ tượng dịch chuyển đất phía hệ thống CTN lan truyền tới bề mặt đất gây lún, sụt Kích thước vịm sập lở phụ thuộc vào điều kiện địa chất, địa chất cơng trình, đường kính CTN thời gian Ví dụ, cơng trình qua lớp bùn có khả bị nén ép nhanh chóng hồn tồn xung quanh đường hầm Tuy nhiên CTN thi công điều kiện đất chặt, cát hạt thô sét cứng có tính ổn định cao có sụt lở nhẹ điều kiện thời gian gây lún sụt nhỏ chậm Tương tự vậy, đường hầm có đường kính lớn đất đá có độ ổn định dẫn tới cố vòm sụt lở bên đường hầm Đường kính đường hầm có ảnh hưởng tới kích thước vịm lún sụt giảm thiểu cách bổ sung dung dịch bơm ép vữa bentonite để thay phần khe hở kỹ thuật đào thừa tiết diện gây Trong điều kiện đất ổn định, dung dịch bentonite bơm vào khe hở kỹ thuật xung quanh CTN q trình kích đẩy Các dung dịch chèn lấp phần đáng kể khoảng trống ngăn chặn dịch chuyển lớp đất bên 2.3 Giảm thiểu rủi ro cố gây nên Nếu độ lún sụt tính tốn vượt q độ lún sụt cho phép u cầu cơng trình cụ thể bề mặt thiết kế kỹ thuật điều chỉnh để giảm thiểu rủi ro trình thi công đường hầm Cách đơn giản để giảm cố XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ lún làm cho đất đá có tính ổn định Ví dụ: độ sâu đặt hầm tăng lên làm giảm độ lún sụt phía đỉnh đường hầm mặt khác mở rộng vùng ảnh hưởng tác động lên bề mặt Điều không mong muốn bề mặt có nhiều cơng trình tiện ích lân cận, gần cơng trình thi cơng bị ảnh hưởng phễu lún mở rộng Việc giảm thiểu đào thừa tiết diện phương án khác để giảm thiểu rủi ro gây lún sụt bề mặt Tuy nhiên, việc giảm khe hở kỹ thuật lại gây số rủi ro khác như: lực kích đẩy tăng lên gây khó khăn vận hành, ống kích dễ bị hư hại q trình kích đẩy Chính lý đo, áp dụng phương án cụ thể để giảm thiểu rủi ro phải xem xét phải đảm bảo cho dự án khả thi trường hợp cụ thể Việc bơm ép vữa sau lắp đặt đường ống có hiệu giảm thiểu rủi ro lún bề mặt ngăn chặn hình thảnh hình vịm sụt lở phía đường hầm Việc bơm ép vữa có hiệu vị trí đất đá xung quanh CTN có độ cứng tốt, giữ khoảng hở hình vành khuyên việc thi cơng đường hầm hồn thành Công tác bơm ép vữa phải thực sau đường hầm thi công đem lại hiệu tốt Ngồi ra, cơng tác bơm ép vữa giúp tránh rò rỉ, chống thấm cho đường hầm qua sông thân đê 2.4 Khảo sát, giám sát kiểm tra trước thi cơng Trước thi cơng CTN MĐHLN phải nghiên cứu, quan sát cơng trình mặt xung quanh khu vực xây dựng dự án Việc khảo sát cho phép chủ đầu tư nhà thầu thi cơng đánh giá sơ rủi ro xảy bề mặt có lún sụt bề mặt xảy trình thi cơng Từ đó, chủ đầu tư nhà thầu thi cơng đưa biện pháp phòng ngừa khắc phục cố, thiệt hại gây trước q trình thi cơng bắt đầu Để giám sát trường, đặc điểm trường ghi lại video với camera tĩnh có mốc thời gian, ngày giờ, địa điểm ghi nhận cụ thể Một vài điểm giám sát sử dụng để theo dõi lún sụt, bao gồm: CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2021 27 XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ Các điểm giám sát bề mặt; Các điểm giám sát bên ngoài; Các thiết bị đo độ nghiêng; Các thiết bị đo dịch chuyển lỗ khoan Phương pháp đơn giản để quan sát dịch chuyển bề mặt đặt mia phương pháp khơng có độ tin cậy việc cảnh báo lún H.2 cung cấp phương pháp quan sát dịch chuyển bề mặt có giá thành rẻ, đáng tin cậy dễ dàng phát sụt lún trước khoảng trống bên lan truyền lên đến mặt đất Bằng việc giám sát dịch chuyển thành đất xung quanh lỗ khoan, lỗ khoan khoan vị trí xác định trước NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI Điều đảm bảo khơng có rủi ro lún sụt bề mặt xảy Các số liệu đo trước xây dựng sử dụng tiêu chuẩn để thiết lập sở liệu xác định độ lún sau Các vị trí quan sát dịch chuyển lắp đặt gần vị trí cơng trình thi cơng Các nhà thầu nộp hồ sơ thi cơng phải u cầu mơ tả quy trình thi cơng, biện pháp phịng ngừa khắc phục cố lún sụt xảy trình xây dựng Các kế hoạch dự phòng cần phải đưa để chủ đầu tư đánh giá xem nhà thầu có biện pháp giảm, phịng ngừa rủi ro lún cho cơng trình Ngồi vị trí nhạy cảm, tiềm ẩn nhiều rủi ro xảy lún sụt cần gia cố trước nguy hiểm lớn xảy Cuối cùng, chủ đầu tư, nhà thầu thi công, đội ngũ thiết kế kỹ thuật, thi cơng phải có trách nhiệm làm việc tận tâm, tỉ mỉ chi tiết, có biện pháp phịng ngừa khắc phục cố q trình thi cơng CTN MĐHLN cố đáng tiếc khơng xảy q trình thi cơng vận hành KẾT LUẬN Hình Chi tiết điểm giám sát bên [2] Các thiết bị đo góc nghiêng lắp đặt để xác định thay đổi độ nghiêng, giám sát bờ dốc dịch chuyển tường chắn Các thiết bị đo dạng có giá thành đắt có tính xác cao, đo vị trí có biến dạng nhỏ Bất kể phương pháp quan sát dịch chuyển sử dụng, phương án phải thực trước, sau CTN hoàn thành 28 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2021 Nguyên nhân gây lún bề mặt thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ gồm hai dạng: lún với kích thước lớn lún có tính hệ thống Mỗi dạng biến dạng hình thành nguyên nhân khác nhau, nhiên xuất chủ yếu q trính thi cơng Trong đó, xuất phát từ thực tế chuyên gia Việt Nam chưa có nhiều kinh nghiệm lĩnh vực thi cơng cơng trình ngầm máy đào hầm loại nhỏ quan quản lý, quan tư vấn thiết kế đơn vị thi công cần thiết tập hợp lực lượng cán chun mơn, tìm hiểu kinh nghiệm thiết kế, thi cơng nước ngồi, chuẩn bị đội ngũ thi cơng đặc biệt phải tìm hiểu kỹ khả dẫn đến cố, chuẩn bị giải pháp kỹ thuật cần thiết để xử lý xảy cốr NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ TÀI LIỆU THAM KHẢO Bennett, D (1998), “Jacking Forces and Ground Deformations Associated with Microtunneling”, Ph.D Thesis, University of Illinois, Urbana, IL, pp 485 Cording, E J., Hansmire, W.H (1975) “Displacements around Soft Ground Tunnels”, Proceedings, 5th Pan American Congress on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Buenos Aires, Argentina Wallin, M., Wallin, K., and Bennett, R.D (2008), “Analysis and Mitigation of Settlement Risks in New Trenchless Installations”, No-Dig 2008 Proceedings, Grapevine, TX RESEACH ON RISK MANAGEMENT OF SURFACE SETTLEMENT DURING TUNNELING BY MICROTUNNEL BORING MACHINES Dang Trung Thanh ABSTRACT The phenomenon of surface settlement in the construction of underground works with a small tunneling machine is one of the problems that prolongs construction time and increases construction costs Settlements associated include two types: large settlements and systematic settlements Large settlements occur primarily because of loss of ground due to over-excavation Systematic settlements associated with trenchless construction are primarily caused by the collapse of the overcut, or annular space, between the new pipe and the excavation Therefore, within study presents risk assessment and management of settlement in order to improve the effectiveness during pipe jacking construction Keywords: Microtunnel boring machines (MTBM), risk management, systematic settlements Ngày nhận bài: 11/02/2021; Ngày gửi phản biện: 15/02/2021; Ngày nhận phản biện: 15/3/2021; Ngày chấp nhận đăng: 28/3/2021 Trách nhiệm pháp lý tác giả báo: Các tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm số liệu, nội dung công bố báo theo Luật Báo chí Việt Nam CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2021 29 ... Giảm thi? ??u rủi ro cố gây nên Nếu độ lún sụt tính tốn vượt q độ lún sụt cho phép yêu cầu cơng trình cụ thể bề mặt thi? ??t kế kỹ thuật điều chỉnh để giảm thi? ??u rủi ro q trình thi cơng đường hầm Cách... cơng Trong đó, xuất phát từ thực tế chuyên gia Việt Nam chưa có nhiều kinh nghiệm lĩnh vực thi cơng cơng trình ngầm máy đào hầm loại nhỏ quan quản lý, quan tư vấn thi? ??t kế đơn vị thi công cần thi? ??t... muốn bề mặt có nhiều cơng trình tiện ích lân cận, gần cơng trình thi cơng bị ảnh hưởng phễu lún mở rộng Việc giảm thi? ??u đào thừa tiết diện phương án khác để giảm thi? ??u rủi ro gây lún sụt bề mặt