nghiên cứu công nghệ thi công hố móng sâu bằng phương pháp đào lộ thiên có sử dụng hệ thống kết cấu chống đỡ

LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu và làm việc nghiêm túc với tất cả nỗ lực của bản thân, tác giả đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp với đề tài ‘‘Nghiên cứu công nghệ thi

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu và làm việc nghiêm túc với tất cả nỗ

lực của bản thân, tác giả đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp với đề tài ‘‘Nghiên cứu

công nghệ thi công hố móng sâu bằng phương pháp đào lộ thiên có sử dụng hệ kết cấu chống đỡ’’ nhằm đóng góp một phần nhỏ vào công tác nghiên cứu, đề xuất

công nghệ thi công hợp lý phù hợp với điều kiện thi công giao thông đô thị

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Nguyễn Hữu Huế đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và động viên tinh thần trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong Trường đại học Thủy lợi, các bạn bè, đồng nghiệp trong quá trình thu thập tài liệu, trao đổi thông tin cũng như kinh nghiệm quý báu trong lý luận và thực tế

Do hạn chế về điều kiện thời gian, tài liệu và trình độ nên luận văn không tránh khỏi những sai sót, khiếm khuyết Tác giả rất mong tiếp tục nhận được sự chỉ bảo của các thầy, cô giáo và ý kiến đóng góp của bạn bè, đồng nghiệp

Hà Nội, tháng 6 năm 2012

Tác giả

Nguyễn Quang Huy

L ỜI CAM KẾT

Tên tôi là: Nguy ễn Quang Huy

Học viên lớp: 17C2

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung

và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất

kỳ công trình khoa học nào

Tác giả luận văn

Nguyễn Quang Huy

MỤC LỤC

Trang MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM KHU VỰC ĐÔ THỊ

1.1 Các đặc điểm của công trình ngầm giao thông đô thị 3

1.1.1 Tổng quan về công trình ngầm đô thị 3

1.1.2 Các phương pháp tính toán công trình ngầm 6

1.2 Các phương pháp cơ bản thi công công trình ngầm 12

1.3 Các dạng kết cấu chống đỡ 15

1.4 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG ĐÀO LỘ THIÊN CÓ SỬ DỤNG HỆ KẾT CẤU CHỐNG ĐỠ TẠM THỜI ĐỐI VỚI HẦM GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ TRONG NÚT GIAO THÔNG ĐÔ THỊ 2.1 Đánh giá mặt bằng và các điều kiện phục vụ thi công các công trình ngầm nội đô thị 20

2.2 Đề xuất những phương án thi công, trình tự thi công công trình phù hợp với điều kiện thi công của các công trình ngầm nội đô thị 21

2.2.1 Các giải pháp bảo vệ thành hố đào 22

2.2.2 Các phương thức thi công 25

2.2.3 Giải pháp khi thi công sát hoặc dưới các công trình kiến trúc 28

2.3 Nghiên cứu công nghệ thi công hệ thống sàn nắp phục vụ giao thông, thi công trong điều kiện giao thông chật hẹp

3T 2.3.1 Khái niệm chung về hệ thống sàn nắp phục vụ thi công 30

2.3.2 Ưu điểm của hệ thống sàn nắp phục vụ giao thông 3T 31

2.3.3 Ứng dụng của hệ thống sàn nắp.3T 31

2.3.4 Cấu tạo của hệ thống sàn nắp (đường tạm) phục vụ thi công.3T 32

2.3.5 Tính toán hệ thống sàn nắp (đường tạm) trong điều kiện giao thông 34

2.3.6 Phương pháp thi công hệ thống sàn nắp (đường tạm) 42

2.4 Nghiên cứu công nghệ thi công tường cọc ván thép giữ ổn định mái đào 2.4.1 Khái niệm chung về cọc ván thép 42

2.4.2 Ưu và nhược điểm của cọc ván thép 44

2.4.3 Các ứng dụng của cọc ván thép 45

2.4.4 Tính toán kết cấu cọc ván thép 47

2.5 Kết luận chương 2 68

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐƯỢC LỰA CHỌN ĐỂ THI CÔNG HẦM GIAO THÔNG NÚT KIM LIÊN – ĐẠI CỒ VIỆT

3.1 Giới thiệu về công trình hầm giao thông Kim Liên – Đại Cồ Việt 70

3.1.1 Giới thiệu chung 70

3.1.2 Hệ thống thoát nước 72

3.1.3 Nền móng 73

3.1.4 Kết cấu 73

3.1.5 Biện pháp thi công 76

3.1.6 Biện pháp chống thấm 76

3.2 Lựa chọn biện pháp thi công hố móng sâu 77

3.2.1 Đánh giá điều kiện địa chất, điều kiện thi công 77

3.2.2 Lựa chọn phương án thi công hố móng sâu 79

3.3 Phân tích, tính toán hệ kết cấu chống đỡ hố móng sâu 82

3.3.1 Điều kiện biên (điều kiện đầu vào) 82

3.3.2 Phân tích, tính toán hệ kết cấu chống đỡ hố móng sâu 83

3.3.3 Đánh giá biện pháp thi công hố móng sâu, so sánh với thực tế: 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

1 Những kết quả đã đạt được 95

2 Những tồn tại trong quá trình thực hiện luận văn 95

3 Những kiến nghị 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: Phân loại theo phương pháp thi công ngầm 13

Hình 1.2: Phân loại theo phương pháp thi công đào và chống giữ 14

Hình 1.3: Thi công chống đỡ bằng tường barret 17

Hình 1.4: Thi công chống đỡ bằng tường cừ thép 18

Hình 1.5: Tường chắn bằng cọc ván bê tông cốt thép 18

Hình 2.1: Các giải pháp bảo vệ thành hào theo điều kiện thi công 24

Hình 2.2: Các phương pháp thi công thành hào nghiêng 26

Hình 2.3: Chu trình thi công bằng phương án tường nóc 27

Hình 2.4: Thi công hở khi gặp nước mặt 28

Hình 2.5: Phương án đón đỡ công trình kiến trúc trên mặt đất 30

Hình 2.6: Cấu tạo hệ khung kết cấu chịu lực 32

Hình 2.7: Ứng suất cục bộ 40

Hình 2.8: Cọc ván thép chữ U 43

Hình 2.9: Cọc ván thép chữ Z 43

Hình 2.10: Cọc ván thép tiết diện phẳng 44

Hình 2.11: Cọc ván thép tiết diện ῼ 44

Hình 2.12: Tường cọc ván tự do 48

Hình 2.13: Tường cọc ván có neo 48

Hình 2.14: Khoảng áp dụng của trạng thái giới hạn cực hạn và trạng thái giới hạn khai thác 50

Hình 2.15: Áp lực đất tác dụng lên tường conson tự do 53

Hình 2.16: Áp lực đất tác dụng lên tường conson có neo 53

Hình 2.17: Hướng tác dụng lực neo 54

Hình 2.18: Biểu đồ áp lực đất 58

Hình 2.19: Các loại hư hỏng do trượt sâu 62

Hình 2.20: Các loại hư hỏng do chiều sâu cọc không hợp lý 62

Hình 2.21: Phân tích cung tròn sử dụng phương pháp Fellenius 64

Hình 2.22: Phân tích ổn định mái dốc sử dụng phương pháp mặt trượt 66

Hình 3.1: Mặt bằng dự án nút giao thông Kim Liên 71

Hình 3.2: Mặt cắt dọc tuyến đường hầm thuộc dự án nút giao Kim Liên 72

Hình 3.3: Bản vẽ phân khẩu của các đoạn kết cấu dạng U&B 74

Hình 3.4: Bản vẽ hình khối kết cấu đường hầm dạng tường chắn U 75

Hình 3.5: Bản vẽ hình khối kết cấu đường hầm dạng cống hộp 75

Hình 3.6: Mặt cắt địa chất dọc tuyến đường hầm Kim Liên – Đại Cồ Việt 77

Hình 3.7: Gia cố móng hố đào khu vực 1 81

Hình 3.8: Gia cố móng hố đào khu vực 2 81

Hình 3.9: Tương tác đất nền và hệ cọc trong bước 1 83

Hình 3.10: Tương tác đất nền và hệ kết cấu chống đỡ sau khi đào lớp 1 84

Hình 3.11: Tương tác đất nền và hệ kết cấu bước 3 84

Hình 3.12: Tương tác đất nền và hệ kết cấu bước 4 85

Hình 3.13: Tương tác đất nền và hệ kết cấu bước 5 85

Hình 3.14: Tương tác đất nền và hệ kết cấu giai đoạn đào đất lớp cuối (lớp 4) 86

Hình 3.15: Chuyển vị của lớp đất dưới đáy hố móng trong giai đoạn cuối 86

Hình 3.16: Kết quả tính toán nội lực tường cừ thép (bước 6) 87

Hình 3.17: Kết quả tính toán nội lực xà chống ngang 87

Hình 3.18: Kết quả tính toán ổn định hố đào 88

Hình 3.19: Tương tác đất nền và cọc cừ trong bước 1 88

Hình 3.20: Tương tác đất nền và cọc cừ trong giai đoạn đào đất lớp 1 89

Hình 3.21: Tương tác đất nền và cọc cừ trong bước 3 89

Hình 3.22: Tương tác đất nền và hệ kết cấu trong bước 4 90

Hình 3.23: Tương tác đất nền và hệ kết cấu trong bước 5 90

Hình 3.24: Tương tác đất nền và hệ kết cấu trong bước 6 91

Hình 3.25: Chuyển vị của lớp đất dưới đáy hố móng trong giai đoạn cuối 91

Hình 3.26: Kết quả tính toán nội lực tường cừ thép (bước 6) 92

Hình 3.27: Kết quả tính toán ổn định hố đào 92

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Trang Bảng 1.1: Các phương pháp thi công hầm theo cách bóc tách đất đá 13 Bảng 2.1: Điều kiện và khả năng áp dụng các giải pháp bảo vệ cơ bản 24

Bảng 3.1: Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất, đường hầm Kim Liên – Đại Cồ Việt 79

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Với tốc độ đô thị hóa ngày nay, nhất là các đô thị lớn, thì các dạng công trình ngầm là một trong các thành phần chủ yếu của hạ tầng kỹ thuật đô thị Trong xu thế chung của phát triển các đô thị theo hướng hiện đại thì hệ thống công trình ngầm đô thị ngày càng có vị trí quan trọng Công nghệ thi công các loại công trình ngầm theo

xu hướng hiện nay sẽ xuất hiện hàng loạt kiểu đào sâu khác nhau mà để thực hiện được thì phải có các giải pháp chắn giữ để bảo vệ thành vách hố móng và có công nghệ đào thích hợp để vừa đảm bảo thi công an toàn mà vẫn đảm bảo được điều kiện giao thông đi lại

Quá trình thi công công trình ngầm trong khu vực đô thị sẽ gặp nhiều yếu tố

bất lợi như mặt bằng thi công chật hẹp, phải chịu ảnh hưởng lớn của các công trình lân cận, nước ngầm, cấu trúc địa tầng của hố móng… Ngày nay phương pháp thi công đào hố móng sâu bằng phương pháp đào lộ thiên có sử dụng hệ kết cấu chống

đỡ cũng là phương pháp hay dùng để thi công các công trình ngầm trong đô thị Đặc điểm của phương pháp này thích hợp với không gian chật hẹp, gần hố móng thi công tồn tại nhiều công trình đã xây dựng, ổn định và không làm xáo trộn các hoạt đông giao thông khu vực Xuất phát từ ý nghĩa thực tiễn trên học viên lựa chọn đề tài: Nghiên cứu công nghệ thi công hố móng sâu bằng phương pháp đào lộ thiên có

sử dụng hệ kết cấu chống đỡ

2 Mục đích của Đề tài:

Lựa chọn được phương án thi công công trình hợp lý để giải quyết hài hòa các vấn

đề : Thi công nội công trường - giao thông đô thị cắt ngang qua công trình, an toàn cho công trình dân sinh, công trình giao thông gần khu vực do chiều sâu hố đào và

điều kiện địa chất đô thị

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các công trình đường hầm giao thông trong các nút giao thông đô thị

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

- Tiếp cận trực tiếp công trình thực tế, các phương pháp thi công đã có trên thế giới để áp dụng nghiên cứu

- Kế thừa, áp dụng có chọn lọc sản phẩm khoa học và công nghệ tiên tiến hiện có

trong nước và trên thế giới vào phân tích, tính toán

- Nghiên cứu lý thuyết các phương pháp tính toán: phương pháp phần tử hữu hạn,

các phương pháp tính toán khác…

- Kết hợp công cụ tính toán và sử dụng phần mềm để giải, từ đó rút ra kết luận và

đề xuất kiến nghị

Đây là cách mà các nước phát triển trên thế giới đã thực hiện và cho thấy rõ hiệu quả rất cao Tuy nhiên ở các nước này cũng đã xảy ra các hiện tượng ngay trong khi xây dựng hoặc sau một thời gian tồn tại của các công trình ngầm nêu trên trong lòng đất đã gây ra hiện tượng bề mặt đất bị lún làm ảnh hưởng rất lớn đến các công trình đang có trên mặt đất Đặc biệt trong quá trình thi công các công trình ngầm với chiều sâu đặt của nó là không sâu với các công nghệ thi công khác nhau đã gây ra lún không nhỏ trên bề mặt đất, ảnh hưởng nghiêm trọng đến các công trình xây dựng trên mặt đất xung quanh khu vực đó

1.1 Các đặc điểm của công trình ngầm giao thông đô thị

U

1.1.1 Tổng quan về công trình ngầm đô thị

Công trình ngầm đô thị là một công trình đặc biệt Công trình ngầm đô thị có nhiều loại hình khác nhau với những công năng khác nhau và có ý nghĩa kinh tế - xã hội khác nhau Loại hình công trình đa dạng và phức tạp với nhiều công năng khác nhau Theo công năng sử dụng, có thể phân biệt các loại hình sau:

+ Các công trình ngầm cơ sở hạ tầng phục vụ như kho hàng hoá, gara ô tô ngầm, các tầng hầm dưới các nhà và công trình trên mặt khác

+ Các công trình ngầm cơ sở hạ tầng kỹ thuật như các đường ống cấp nước sạch; đường cống thoát nước mưa, nước thải sinh hoạt, công nghiệp; các đường ống cấp khí đốt; các đường cáp thông tin, cáp điện Xu hướng hiện nay cho các đô thị lớn hiện đại là xây dựng hệ thống đường hầm kỹ thuật đa năng (collector) tập trung tất

cả các công trình cơ sở hạ tầng kỹ thuật nói trên

+ Các công trình ngầm phục vụ cho mục đích quân sự, quốc phòng, phòng vệ dân

sự

Công trình ngầm đô thị là một loại công trình đặc biệt:

- Không được chiếu sáng tự nhiên;

- Không được lưu thông không khí tự nhiên;

- Chỉ có một lối thoát duy nhất lên trên mặt đất;

- Tuổi thọ công trình lớn, tính cỡ trăm năm hoặc vĩnh cửu;

- Chịu các tác động trực tiếp của môi trường địa chất như áp lực đất, tác động của nước và các quá trình địa động lực khác;

- Nguy cơ tổn thất về người và vật chất rất lớn khi xảy ra sự cố;

Chính vì vậy, công trình ngầm đô thị phải được quản lý chất lượng đặc biệt liên quan đến công năng, vật liệu, kết cấu, hệ thống kỹ thuật cơ điện nhằm đảm bảo an toàn tối đa cho người làm việc và sinh hoạt trong quá trình thi công, khai thác công trình ngầm với những kịch bản tai biến tự nhiên, nhân tạo khác nhau

Xây dựng công trình ngầm đô thị đã được sử dụng trên rất nhiều nước phát triển trên thế giới nhưng lại là một thách thức lớn về mặt kỹ thuật và kinh tế của một đất nước đang phát triển như nước ta Vấn đề là ở chỗ lựa chọn hướng nghiên cứu theo thứ tự ưu tiên các loại hình công trình ngầm phù hợp với nhu cầu phát triển của đô thị theo từng giai đoạn và phù hợp với điều kiện kỹ thuật, kinh tế của đất nước

5

Giải pháp thi công nào cho công trình ngầm tại Việt Nam?

Các công trình giao thông ngầm đô thị phục vụ giao thông động và tĩnh của đô thị là những công trình không chỉ đòi hỏi kỹ thuật cao mà còn cần huy động một nguồn vốn lớn Do vậy, việc xây dựng chúng cần được hoạch định theo từng bước phù hợp với điều kiện kinh tế - kỹ thuật Vấn đề là cần thi công, khai thác an toàn và có hiệu quả Một số đường ngầm cho người đi bộ đã được xây dựng nhưng hiệu quả sử dụng hiện tại không cao song sẽ có tác dụng lớn trong tương lai gần Nút giao thông ngầm Kim Liên đã phát huy hiệu quả và có thể được xem như là một thí điểm của loại hình công trình ngầm thuộc loại này

Thi công và khai thác công trình ngầm đô thị sẽ gây các ảnh hưởng xấu đến công trình và môi trường xung quanh trong một phạm vi nhất định (theo diện và theo chiều sâu) kể từ vị trí phân bố công trình ngầm Quy mô và phạm vi ảnh hưởng này chủ yếu phụ thuộc vào công nghệ thi công được chọn lựa cho xây dựng Do vậy, công nghệ thi công là yếu tố quan trọng hàng đầu, quyết định sự thành công của một dự án xây dựng công trình ngầm Vấn đề là ở chỗ lựa chọn công nghệ thi công hợp lý (khả thi, chấp nhận được về kinh tế), phù hợp với điều kiện đất nền và hiện trạng công trình, môi trường xung quanh để giảm thiểu đến mức thấp nhất ảnh hưởng bất lợi đến các công trình và môi trường xung quanh

Ví dụ, đối với thi công đào mở, bề mặt đất xung quanh hố đào sẽ bị lún kéo theo sự lún không đều cho nhà và các công trình xây dựng trên mặt đất và cả các công trình ngầm khác hiện hữu, dẫn đến hư hỏng Các sự cố công trình xảy ra khi thi công các

hố móng đào sâu đều xuất phát từ các sai sót về công nghệ, biện pháp thi công, quy trình đảm bảo chất lượng

Cũng như vậy với thi công đào kín Khi thi công đào ngầm các tuyến ngầm, ví dụ các tuyến tàu điện ngầm, sẽ xuất hiện các phễu lún trên mặt đất với đỉnh phễu nằm tại đường thẳng đứng qua tâm hầm

Vấn đề là lựa chọn công nghệ thi công đào ngầm (công nghệ khiên đào TBM khác nhau) có lượng tổn thất đất ít nhất, gây phạm vi và quy mô lún ít nhất và giảm thiểu

1.1.2 Các phương pháp tính toán công trình ngầm

Xây dựng công trình ngầm ngày càng phát triển, nên việc đi sâu nghiên cứu lý thuyết về áp lực và ổn định kết cấu công trình ngầm, lý thuyết thiết kế kết cấu gia

cố công trình ngầm được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm Từ góc độ

cơ học, kết cấu công trình ngầm mất tính ổn định là do ứng suất vượt quá cường độ ứng suất cho phép, tạo ra vùng đứt gãy và trượt liên tục

Hai mươi năm đầu của thế kỷ XX, ổn định kết cấu công trình ngầm chủ yếu dựa vào

lý thuyết áp lực cổ điển, lý thuyết này cho rằng: lực tác dụng lên kết cấu gia có chủ yếu là trọng lượng của đất đá xung quanh công trình Do công trình ngầm ngày càng được thi công sâu trong lòng đất nên lý thuyết trên không còn phù hợp và đã xuất hiện lý thuyết áp lực tự do, lý thuyết này cho rằng sự sụt lở của vùng địa chất xung quanh là do phát sinh áp lực địa tầng Những năm cuối thế kỷ XX, các nhà khoa học bắt đầu áp dụng lý thuyết tính đàn hồi dẻo để nghiên cứu và khi tính toán

đã xét đến sự tương tác giữa kết cấu gia cố và địa chất xung quanh công trình, đồng thời xét đến sự tương tác giữa kết cấu gia cố và địa chất xung quanh công trình, đồng thời xét đến khe nứt, đứt gãy của tầng địa chất

Căn cứ vào phân tích lý thuyết và mô hình toán học các phương pháp phân tích tính toán ổn định 2Tkết cấu2T 2Tcông trình2Tngầm có thể chia thành các loại sau:

2) Phương pháp phân tích trị số

7

những năm 40 của thế kỷ XX, đến nay đã trở nên 2Thoàn thiện2Tvà được sử dụng rộng rãi để tìm nghiệm cho bài toán có tính đàn hồi, tính đàn- dẻo, tính dính - dẻo Ưu điểm của nó là có xét đến tính không liên tục, không đồng nhất của 2Tkết cấu2Tđịa tầng,

có thể giải các bài toán có biên phức tạp, tính ra được trị số của ứng suất- 2Tbiến dạng2T

và phân bố của chúng, dựa vào quy luật phân bố để phân tích cơ chế phá hoại kết cấu 2Tcông trình2Tngầm

mới được phát triển dựa trên cơ sở không liên tục của môi trường địa chất ngoài vỏ

* Lý thuyết ‘Key bock”: lý thuyết ‘Key bock” do Goodman và Shi gen Hua đưa ra

năm 1985 dùng để phân tích ổn định 2Tcông trình2T Điểm mấu chốt của lý thuyết này cho rằng 2Tkết cấu2Tmặt cắt địa chất các tầng đá cứng, nửa cứng rất phức tạp vì khối đá được hình thành từ nhiều nguyên nhân khác nhau Nội dung của lý thuyết ‘Key bock” là chuyển các đặc tính khác nhau cảu các mặt cắt địa chất cũng như các đứt gãy (mặt kết cấu) của khói đá thành đặc tính chung đồng nhất, dựa trên nguyên lý hình học tô pô, phương pháp hình chiếu lập thể và sử dụng phân tích véctơ để tạo ra tất cả loại hình cấu tạo khối có thể có, sau đó dựa trên nguyên lý cơ học để tiến hành phân tích ổn định của các khối dựa trên khối chủ yếu đã chọn Tuy nhiên, do không thể biết chính xác về phân bố hình thái mặt kết cấu của khối đá, hơn nữa độ biến động của chúng tương đối lớn, mặt kết cấu cũng không hoàn toàn là mặt phẳng, vì thế khi tính toán chỉ cần một sơ suất nhỏ có thể sẽ cho ra kết quả không chính xác

* Phương pháp phần tử phân tán: phương pháp này được Cundall đưa ra năm 1971,

được ứng dụng nhiều trong tính toán 2Tcông trình2Tngầm ngày nay Nội dung cơ bản

chuyển vị2Tvà phương trình vật lý đặc trưng của lực- chuyển vị, thông qua sư thay đổi để tìm nghiệm hiển thị quá trình hoạt động của khối đá Một giả thiết cơ bản trong phương pháp là khi khối chuyển động thì động năng sẽ chuyển hoá thành nhiệt và tiêu hao đi, do đó khi tính toán ngay cả vấn đề lực tĩnh cũng phải chuyển đổi dạng lực dính giảm dần để cho hệ thống đạt đến sự cân bằng, chuyển động của các khối dần ổn định Phương pháp này chủ yếu dùng để phân tích tác dụng tương

hỗ của khối đá 2Tnứt2Tnẻ và neo gia cố Nguyên lý tính toán của phương pháp phần tử phân tán đơn giản, nhưng quá trình thực hiện trên máy tính lại vô cùng phức tạp, liên quan đến nhiều vấn đề, đặc biệt việc xác định tham số tính toán hệ số giao động giữa các khối theo thời gian có tính ngẫu nhiên

* Phương pháp phần tử khối: phương pháp này do Ren Qing Wen đưa ra, lấy

2T

chuyển vị2Tvật rắn của các phần tử khối làm ẩn số, căn cứ vào quan hệ 2Tkết cấu2T 2Tvật

liệu2Tđan xen với điều kiện cân bằng 2Tbiến dạng2Tdưới tác dụng của ứng suất mặt hở và ngoại lực tác dụng lên phần tử khối Áp dụng nguyên lý biến phân lập ra phương pháp điều khiển, dùng để xác định trạng tháí ứng suất và chuyển vị của khối Phương pháp này có thể giải bài toán môi trường địa chất không liên tục, giảm được lượng ẩn số, đọ chính xác cao, tốc độ trong tính toán được nâng lên, đặc biệt thích hợp cho việc phân tích ổn định và tính ứng suất- biến dạng của khối đá nhiều 2Tnứt2Tgãy

phương pháp sai phân hữu hạn để đưa ra phương pháp phân tích trị số FLAC Các tác giả Diederich và Kaiser đưa ra mô hình để phân tích ảnh hưởng áp lực nước trong địa tầng đối với tính ổn định của 2Tcông trình2T Phương pháp này có thể giải bài toán xét đến đặc trưng 2Tbiến dạng2T lớn và không liên tục của khối đất đá một cách

2T

hoàn thiện2T, tính toán nhanh hơn Nhưng nhược điểm phương pháp này phân chia mạng phân tử, biên tính toán rất hợp lý

9

* Phương pháp phần tử biên: hay còn gọi là phương pháp phương trình phân tích

phân biên, được học giả Bribbia người Anh sáng lập từ những năm 60 của thế kỷ

XX Ưu điểm của nó là tiến hành phân ly một số phần tử trên biên của vùng tính toán, như thế sẽ bớt được một chiều trong không gian đa chiều tính toán, kết quả tính toán có độ chính xác khá cao, tính được ứng suất và 2Tchuyển vị2T một cách rõ ràng, việc chia lưới phân tử đơn giản, yêu cầu dung lượng bộ nhớ máy tính thấp và công việc tính toán ít; đây là một phương pháp được ứng dụng rất nhiều trong phần mềm phân tích 2Tkết cấu2T 2Tcông trình2T Nhưng phương pháp này tỏ ra khó thích hợp với các bài toán biến hệ số và phi tuyến tính, những bài toán có biên phức tạp, hơn nữa ứng dụng nó còn phụ thuộc vào việc giải phương trình có nghiệm cơ bản hay không

* Phương pháp phân tích phần tử khối- lò xo: năm 1987 Kawai áp dụng đơn giản

hoá khối rắn để mô phỏng mô hình trị số phân tử lò xo thể rắn trong môi trường không liên tục Mô hình này lấy 2Tchuyển vị2Tthể rắn của phân tử trung tâm làm ẩn số chưa biết, chri tính đến quan hệ 2Tkết cấu2T và 2Tbiến dạng2Tcân đối của mặt phân tử tiếp giáp để giải phương trình điều khiển xác định ứng suất và chuyển vị tương đối của mặt tiếp giáp Mô hình này còn có ưu điểm khi phân tích tính ổn định của 2Tnứt2T gãy trong địa tầng, phản ánh được quy luật chuyển động và biến dạng không liên tục của kết cấu 2Tcông trình2T

3) Phương pháp loại suy địa chất công trình

Đây là một trong những phương pháp quan trọng để đánh giá ổn định 2Tkết cấu2T 2Tcông trình2Tngầm, đặc biệt càng phát huy tác dụng trong giai đoạn nghiên cứu khả thi với tài liệu đo đạc ít… Cái mới của phương pháp này là đi từ định tính đến định lượng,

từ đơn chỉ tiêu phát triển thành đa chỉ tiêu, ứng dụng phương pháp đánh giá tổng hợp của lý thuyết toán học mơ hồ, lý thuyết hệ thống màu xám, lý thuyết mạng thần kinh, lý thuyết phân hình… để phân loại kết cấu công trình ngầm ngày càng hợp lý hoá, khoa học hoá

4) Phương pháp thực nghiệm mô hình

mô hình thực nghiệm Do còn tồn tại nhiều thiếu sót và chưa đầy đủ trong phân tích

lý luận, các nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành rất nhiều nghiên cứu thực nghiêm mô hình và rút ra nhiều kết luận có ý nghĩa Phương pháp này thường được dùng nhiều trong những công trình phức tạp và trong trường hợp phương pháp thực

nghiệm hiện trường không thể tiến hành được

5) Phương pháp phân tích hệ thống

Phân tích ổn định 2Tkết cấu2T 2Tcông trình2Tngầm thông thường phân chia một cách chi tiết các yếu tố địa chất, kết cấu vỏ, quá trình gia cố trong khi đào hầm…thông qua phân tích lý thuyết dựng nên mô hình toán Hệ thống 2Txây dựng2Tcông trình ngầm có đặc điểm nhiều lớp, nhiều yếu tố, kết cấu của nó vô cùng phức tạp, đồng thời tổng thể

hệ thống đường hầm được tạo thành từ các bộ phận riêng biệt, cho nên, phân tích cơ học đường hầm hoàn toàn phải có đầy đủ hệ thống khoa học trong nghiên cứu đặc trưng của “hệ thống” Vì thế, phương pháp này chính là mô phỏng toán học sự tác dụng tương hỗ hệ thống địa chất xung quanh và vỏ công trình

6) Vấn đề tồn tại và hướng giải quyết

Thông qua việc phân tích hệ thống của các phương pháp trên, chúng ta có thể thấy các phương pháp phân tích hiện nay còn tồn tại một số nhược điểm như sau:

- Các phương pháp trên đều chưa giải quyết được trọn vẹn các vấn đề thực tiễn của công trình, cần tiếp tục tiến hành đi sâu nghiên cứu phương pháp mô phỏng chân thực, tham só tính toán, mô hình lý thuyết Kết cấu công trình ngầm mất ổn định là một quá trình tương đối phức tạp, thông thường có chuyển vị lớn, tính không liên tục, không đồng đều của biến dạng là một vấn đề khoa học mang tính phi tuyến cao

Do đó, cần phải dựa vào cách giải quyết các bài toán phi tuyến tính đương đại để tiến hành dự đoán và khống chế đối với chuyển động cơ học của nó

- Phương pháp phân loại suy địa chất công trình được áp dụng một cách rộng rãi, nhưng hiện nay trên thế giới có hàng trăm tiêu chuẩn phân loại đánh giá tính ổn

hệ giữa giải bài toán chuyển vị tương đối và tính ổn định của kết cấu công trình ngầm chưa được nghiên cứu đầy đủ

- Hiện nay, khi dùng phương pháp trị số để đánh giá ổn định kết cấu công trình ngầm chủ yếu vẫn dùng phương pháp mô phỏng trị số phần tử hữu hạn, điều này đòi hỏi chúng ta phải đẩy mạnh công tác nghiên cứu các phương pháp khác để có sự

so sánh và đánh giá tốt hơn

- Ngoài ra, rất khó xác định tiêu chuẩn để đánh giá sự mất ổn định, nên trong ứng dụng thực tế chúng ta phải kết hợp với hiện trạng công trình để đưa ra các căn cứ đánh giá mất ổn định một cách hợp lý nhất

- Sự phát triển của mô hình toán và cơ học hiện đại là cơ sở tốt cho chúng ta mở rộng nghiên cứu Cần phải xuất phát từ công trình ngầm thực tế, với khái niệm hệ thống làm chủ đạo, dựa vào sự kiểm nghiệm và phản hồi của các tài liệu quan trắc

mô hình gốc, kết hợp phân tích lý thuyết với phân tích kinh nghiệm, tiếp tục đẩy

1.2 Các phương pháp cơ bản thi công công trình ngầm

Hầm và các không gian ngầm ngày càng có vai trò quan trọng trong một hệ thống

giao thông hiện đại Hầu hết các khu vực đô thị trên thế giới đều phải đối mặt với nhiều vấn đề lớn, đặc biệt là giao thông Kết cấu hạ tầng cũ nhìn chung là lỗi thời, không còn đáp ứng được nhu cầu đi lại và vận chuyển không ngừng gia tăng Trong bối cảnh đó thì không gian giao thông theo hướng trên cao và theo hướng đi ngầm trong lòng đất một lần nữa lại được khám phá Hơn nữa, công trình hầm có những

ưu thế vượt trội so với các loại hình giao thông khác nhờ sự đi lại nhanh chóng, tiện lợi, và an toàn cao, nhất là trong trường hợp thiên tai, chiến sự Có thể nói giao thông ngầm là xu thế phát triển tất yếu của một nền kinh tế hiện đại của thế giới Hiện có rất nhiều phương pháp đào hầm, có thể tạm chia thành 3 nhóm như sau:

- Phương pháp đào và lấp (đào lộ thiên),

- Phương pháp đào kín,

- Phương pháp hầm dìm (khi thi công hầm trong nước)

Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm nhất định và tuỳ từng điều kiện địa chất, hiện trường, khả năng công nghệ cụ thể mà có thể vận dụng hợp lý

Các phân loại phương pháp thi công công trình ngầm có nhiều; ngoài cách phân chia theo nhóm như trên, người ta có thể phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau

Để xây dựng công trình ngầm, các vấn đề kỹ thuật khác nhau được phát triển: Kỹ thuật đào phá (bóc tách) đất đá; Kỹ thuật đúc và lắp đặt các loại vỏ chống; Sơ đồ phân bậc, phân tầng đào trên gương Trên cơ sở của các kỹ thuật đó, cũng có nhiều tác giả đưa ra các cách phân loại khác nhau Nhìn chung, có thể liệt kê một số cách sau đây:

a Cách phân loại theo kỹ thuật phá, bóc tách đất đá:

Độ bền thấp Đất dớnh Đất rời Đất chảy

Phương pháp thi công thông thường Phương pháp thi công bằng máy

Khoan - nổ mìn Máy đào xúc, máy xới Máy đào lò RH Máy khoan hầm TBM Máy khiên đào SM

Hở Có khiên Đào toàn

gương

Đào từng phần gương

Kích ép ống, đào hầm nhỏ

Hỡnh 1.1: Phõn loại theo phương phỏp thi cụng ngầm

c Cỏch phõn loại theo sơ đồ đào và cỏch chống giữ

+ Toàn tiết diện

+ Chia gương + Khoan nổ mìn + Máy đào hầm

+ Nén ép ống (vỏ chống)

Biện pháp thực hiện sau khi đào

+ Các biện pháp gia cố, neo, khiên vòm lưới đào + Sử dụng khiên kín

+ Bê tông phu + Khung gỗ ép + Vỏ bê tông đổ tại chỗ

+ Neo

Hỡnh 1.2: Phõn loại theo phương phỏp thi cụng đào và chống giữ

Để phõn tớch tiếp theo, cú thể đưa ra cỏch phõn loại cỏc phương phỏp đào hầm kớn theo thuật ngữ thường được sử dụng ở Việt nam như sau:

* Phương phỏp khoan nổ truyền thống và NATM

Phương phỏp thi cụng cụng trỡnh ngầm truyền thống hay cũn gọi là phương phỏp

mỏ được sử dụng rộng rói trong lĩnh vực xõy dựng hầm và cụng trỡnh ngầm do khả

năng ỏp dụng cho nhiều loại cụng trỡnh ngầm khỏc nhau như hầm giao thụng, thuỷ điện, tầng ngầm, … với những hỡnh dạng và kớch thước hỡnh học phức tạp, và xõy dựng trong đất đỏ bất kỳ

* Phương phỏp khoan đào (TBM) và phương phỏp Khiờn đào (SM)

Về cơ bản phương phỏp TBM và SM cú rất nhiều điểm giống nhau, sự khỏc nhau với cỏc tổ hợp đào hiờn đại chỉ ở cấu tạo bộ phận cụng tỏc( đào phỏ đất đỏ- khoan đào; tư tưởng chớnh của TBM) và cấu tạo vỏ bảo vệ (vỡ chống- khiờn; tư tưởng chớnh của phương phỏp khiờn)

* Phương phỏp kớch đẩy (pipe jacking)

Phương phỏp kớch đẩy (hỡnh 10) là một kĩ thuật đào ngầm được sử dụng cho cỏc cụng trỡnh ngầm chủ yếu loại đường ống kĩ thuật, thi cụng bằng cỏch đẩy cỏc đoạn ống cú chiều dài nhất định với đường kớnh giới hạn Phương phỏp này được sử dụng chủ yếu cho cỏc đường hầm cú đường kớnh nhỏ đặt ở chiều sõu khụng lớn lắm và xõy dựng tại những nơi mà phương phỏp đào hở khụng thớch hợp Phương phỏp kớch đẩy- về bản chất, đú là “phương phỏp hạ giếng ngang” Cựng cơ sở như nhau cũng cú thể gọi nú là phương phỏp “khiờn đào mini”

15

* Các phương pháp đặc biệt (Phương pháp làm lạnh, Phương pháp nổ ép,…)

* Đánh giá khả năng áp dụng các phương pháp trên trong xây dựng các công trình ngầm đô thị

Một phương pháp thi công hợp lý bao hàm nhiều yếu tố khác nhau, vấn đề cơ bản là chọn được phương pháp đào, sơ đồ đào và sơ đồ thi công

Phương pháp thi công bao gồm các công việc cơ bản là trình tự đào, chống đỡ hầm

và bốc xúc vận chuyển, chúng cần được bố trí theo một chu trình hợp lý (chu kỳ công tác- chu kỳ khoan nổ ) Một phương pháp thi công hợp lý đảm bảo: đào đều đặn và kinh tế trong toàn bộ dự án, hạn chế được hiện tượng giảm bền cho khối đá, giảm thiểu các loại ảnh hưởng cơ học và môi trường cho khu dân cư…Các yếu tố

cơ bản chi phối việc lựa chọn phương pháp thi công gồm: phương thức đào và chống giữ; Tiết diện, chiều dài và độ dốc hầm, các tính chất cơ lý của đá liên quan tới công cụ đào; Điều kiện địa chất, thủy văn, tiến độ

Trong mỗi phương pháp thi công được lựa chọn cần khẳng định rõ: phương thức đào phá đất đá, phương pháp chống tạm và giữ ổn định cho khối đá; phương pháp thoát nước, loại trang thiết bị và tính đồng bộ và khả năng cung ứng, phương thức

và công tác quan trắc, đo đạc

Phương pháp thi công phụ thuộc theo các điều kiện địa chất, đặc điểm của hầm và môi trường

1.3 Các dạng kết cấu chống đỡ

Như đã biết điều kiện của địa chất là nhân tố để xác định kiểu, kích thước kết cấu gia cố và hiệu quả kinh tế kỹ thuật trong quá trình thi công Nhiệm vụ của chống đỡ tạm trong thi công đảm bảo cho hầm và hố đào không bị phá hoại trước khi xây đúc công trình, bảo vệ nhân công, thiết bị khỏi sự nghuy hiểm do sụt lở đất…

Tùy theo điều kiện địa chất, địa chất thủy văn, thời gian xây lắp để quyết định cách chống đỡ như thế nào cho phù hợp hoặc không phải chống đỡ Để chọn đúng đắn kết cấu của vì chống, cừ chống, kích thước khoảng cách cần thiết phải có đầy đủ các

số liệu về địa chất công trình và các chỉ tiêu cơ lý của đất đá, các số liệu về áp lực địa tầng, kích thước sụt lở

sự biến dạng tăng dẫn đến áp lực tăng, ảnh hưởng thi công như nổ mìn, vận chuyển thi công, nhiệt độ, mực nước ngầm…Nhiệm vụ của các thiết bị chống phải thỏa mãn tất cả các yêu cầu về kỹ thuật an toàn đồng thời phải bảo đảm công nghệ thi công toàn bộ công trình với giá thành hợp lý nhất

Các yêu cầu về kỹ thuật gồm: Độ bền cao, tính ổn định của vì chống phải tiếp nhận

với độ an toàn nhất định với các tải trọng có thể xảy ra; tính đơn giản thi công lắp

ghép dễ dàng; tính chống cháy nổ…

Các yêu cầu kinh tế gồm: Trọng lượng không lớn, vật liệu phổ thông, có khả năng luân chuyển, giá thành vừa phải…

Các yêu cầu về công nghệ; Đơn giản, dễ sản xuất, lắp đặt, khả năng luân chuyển tốt,

dễ dùng cơ giới hóa trong lắp đặt và thi công các phần việc khác, không cồng kênh,

ít chiếm không gian…

a Phương pháp đào kín

* Chống đỡ bằng gỗ: Phương pháp chống đỡ bằng gỗ được sử dụng trong khai khoáng Ưu điểm của phương pháp này là vật liệu dễ kiếm, giá thành rẻ thích hợp với loại đường hầm nhỏ, loại đất cứng vừa, có thể sử dụng hoàn toàn bằng thủ công

* Gia cố bằng vì chống kim loại: Được sử dụng trong điều kiện địa chất phức tạp, đất mềm yếu Vòm thép cấu tạo như một khung thép tựa sát vào vách đào hai thành

và vòm; các khung được nối với nhau bởi các thanh giằng Ưu điểm của phương pháp này là có khả năng chịu tải cao, sử dụng nhiều lần, vận chuyển dễ dàng, dễ chế tạo…

* Gia cố anke (neo): Có tác dụng đưa toàn bộ khối đá xung quanh khoang đào tham gia chịu lực Phương pháp này lợi dụng khả năng tự cân bằng của khối đất đá trong đường hầm, huy động khả năng cao nhất chịu lực của khối đá

* Gia cố bằng bê tông phun: Trong vùng khoang đào có địa chất yếu, nứt nẻ dùng

bê tông phun để tạo ra vòm chống

ổn định cho các công trình lân cận khi thi công chen trong thành phố

Hình 1.3: Thi công chống đỡ bằng tường barret

* Tường cừ cọc ván

Cừ ván thép hay còn gọi là cọc ván thép cừ thép, cừ Larssen, cọc bản, là một cấu kiện dạng tấm có các rãnh khoá (me cừ) để hợp thành một tường chắn khép kín Nhằm mục đích ngăn nước và chắn đất trong hầu hết các trường hợp ứng dụng

Cừ ván bê tông cốt thép hay còn gọi là cọc ván bê tông cốt thép hay tường cọc ván

là một dạng đặt biệt của tường chắn đất, thường được sử dụng để bảo vệ các công trình ven sông kết hợp với việc chống xói lở bờ sông

Hình 1.5: Tường chắn bằng cọc ván bê tông cốt thép

* Tường chắn bởi hệ thống cọc khoan nhồi

* Tường chắn bằng cọc xi măng trong đất

Cọc xi măng đất là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và dịch chuyển lên

Qua chương 1 đã trình bày một cách tổng quan về công nghệ thi công công trình ngầm khu vực đô thị

Thông qua tổng quan có thể nắm bắt được các công trình ngầm đô thị về đặc điểm,

về phương pháp thi công cũng như các phương pháp để tính toán các loại công trình này

20

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG ĐÀO LỘ THIÊN CÓ

SỬ DỤNG HỆ KẾT CẤU CHỐNG ĐỠ TẠM THỜI ĐỐI VỚI HẦM GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ TRONG NÚT GIAO THÔNG ĐÔ THỊ

2.1 Đánh giá mặt bằng và các điều kiện phục vụ thi công các công trình ngầm nội đô thị

Đối với các đô thị lớn thì nhìn chung mặt bằng thi công là chật hẹp Đối với các công trình giao thông thì do ảnh hưởng của giao thông, ảnh hưởng của khu vực dân

cư đông đúc xung quanh khu vực ảnh hưởng rất lớn đến biện pháp thi công

Các mặt bằng rộng việc tổ chức mặt bằng thi công đảm bảo kinh tế, chất lượng, an toàn, tiến độ trong xây dựng thuận lợi hơn rất nhiều với mặt bằng không thuận lợi Việc đảm bảo mặt bằng thi công lại phải đáp ứng nhu cầu giao thông đòi hỏi biện pháp tổ chức hợp lý

Khi thi công đào công trình ngầm (đào ngầm cũng như đào lộ thiên) sẽ ảnh hưởng đến an toàn ổn định khối đất bên trên và vách đất 2 bên hố đào Nếu không có biện pháp công trình hợp lý sẽ rất dễ dẫn đến mất ổn định Nhà cửa dân cư hai bên công trình sẽ bị hư hỏng do ổn định trượt bị phá hoại, giao thông hai bên đường cũng bị

sự tính toán cẩn thận

Như vậy có thể thấy đối với các công trình ngầm nội đô thị, mặt bằng và điều kiện

đô thị có những điểm thuận lợi cũng như có những điểm bất lợi Trong quá trình đánh giá và lập biện pháp người kỹ sư cần phải có những nhận xét chính xác đưa ra được những biện pháp thi công công trình hợp lý

* Các phương pháp thi công ngầm (đã được trình bày ở Chương 1và không nghiên cứu sâu hơn)

* Các phương pháp thi công lộ thiên

Cùng với các phương pháp hạ dần hay hạ đoạn (caisson) và phương pháp hạ chìm hay hầm dìm, phương pháp thi công hở thuộc vào nhóm các phương pháp thi công

lộ thiên Có thể nói rằng, trong những điều kiện thông thường, phương pháp hở được coi là phương pháp kinh tế nhất trong xây dựng các công trình ngầm cỡ lớn Chẳng hạn hình dáng các công trình có thể kiến trúc phù hợp với các yêu cầu của kỹ thuật giao thông, trong đó các giải pháp tối ưu về liên kết các hệ thống giao thông với đoạn đường chuyển giao ngắn, cũng như liên kết tốt giữa các điểm đi và đến Chênh lệch về độ cao có thể bố trí ở mức nhỏ Phương pháp thi công hở còn cho phép xây dựng các mặt bằng đi bộ rộng liên kết với các công trình thương mại, nhà

hàng, công trình văn hóa và liên kết hợp lý với phương tiện giao thông trên mặt đất Tuy nhiên để áp dụng phương pháp thi công hở cần chú ý các điều kiện sau:

+ Để thi công cần thiết phải có mặt bằng tự do trên mặt đất vừa đủ, như tại các quảng trường, nút giao thông của các đường lớn, chẳng hạn một sân ga tàu điện ngầm có chiều dài khoảng 120m, tàu tốc hành khoảng 210m;

+ Phương pháp xây dựng này cần loại trừ các mối nguy hiểm đối với các công trình kiến trúc lân cận, chẳng hạn do gây lún sụt, dịch chuyển đất Vì vậy khi độ sâu thi công lớn, chẳng hạn 25m, khoảng cách đến các công trình kiến trúc không xa thì nhất thiết phải áp dụng các biện pháp đặc biệt (tường cọc nhồi, tường hào nhồi -tường trong đất);

+ Với phương pháp thi công hở thì các tác động xấu đến môi trường sống, như tiếng

ồn, bụi bẩn, ảnh hưởng đến việc đi lại, là khó tránh khỏi Do vậy cần phải có các giải pháp hợp lý nhằm giảm thiểu các tác động này;

+ Trong nhiều trường hợp phải tính đến các điều kiện của công trình kiến trúc, nền đất và nước ngầm khi phải áp dụng lâu dài và trên diện rộng giải pháp hạ mực nước ngầm;

+ Phải tính đến các khả năng di dời, treo tạm các hệ thống cấp thoát nước, năng lượng…, để đảm bảo hoạt động bình thường, lâu dài

+ Nhằm phát huy lợi ích kinh tế, khắc phục những hạn chế của phương pháp thi công hở, hàng loạt các giải pháp đã được phát triển và áp dụng có hiệu quả trên thế giới Trong luận văn này sẽ hệ thống hóa các phương pháp thi công cũng như một giải pháp kỹ thuật đã và đang được sử dụng hiện nay

2.2.1 Các giải pháp bảo vệ thành hố đào

Thi công hở là tiến hành đào hào từ trên mặt đất, xây dựng công trình và cuối cùng lại phủ đất hay vật liệu lên trên kết cấu công trình ngầm (cut-and-cover) Thông thường với phương pháp này kết cấu công trình ngầm có thể được xây dựng từ đáy hào (phương thức tường nền) hoặc trước tiên thi công tường và nóc của kết cấu công trình ngầm (phương thức tường nóc) và sau đó các công tác khác được tiến hành và hoàn thiện

Tùy thuộc vào điều kiện mặt bằng thi công, hào để xây dựng kết cấu của công trình ngầm có thể có thể được thi công với thành hào nghiêng hoặc thẳng đứng Nói

vệ mà các kết cấu bảo vệ thành hào cũng đã được áp dụng rất đa dạng Kết cấu bảo

vệ thành hào có thể được thu hồi sau khi thi công kết cấu công trình ngầm nhưng cũng có thể được giữ lại làm một bộ phận quan trọng của kết cấu công trình ngầm Dựa vào dạng thành hào, yêu cầu bảo vệ có thể phân các kết cấu bảo vệ thành hào (hình 2.1) Điều kiện và khả năng áp dụng của từng giải pháp cơ bản, kết hợp với các biện pháp neo chốt, gia cường, tăng cứng được tổng hợp và đánh giá (bảng 2.1) Nói chung khi cần thiết phải bảo vệ các công trình kiến trúc thì các giải pháp tường trong đất như bằng cọc khoan nhồi, hoặc hào nhồi là những giải pháp đắt tiền, song hữu hiệu Tường bằng cọc cừ được quen biết ở nước ta khá lâu và thường được thu hồi sau khi thi công Tuy nhiên nhiều nước đã sử dụng thép đặc biệt làm ván cừ và sau khi thi công để lại tường cừ thành bộ phận bảo vệ cho kết cấu công trình ngầm Lựa chọn và tính toán thiết kế các kết cấu bảo vệ thành hào nhất thiết phải chú ý đến điều kiện mặt bằng, điều kiện đất nền và đặc biệt là các công trình kiên trúc cần bảo vệ

24

Hình 2.1: Các giải pháp bảo vệ thành hào theo điều kiện thi công

Bảng 2.1: Điều kiện, khả năng áp dụng của các giải pháp bảo vệ cơ bản

Phương

thức

thi công

Thành hào nghiêng

Bê tông phun

Tường cọc ván

Tường

cừ thép

Tường hào nhồi

Tường cọc khoan nhồi sát

tạm thời

tạm thời

tạm thời

lâu dài lâu dài lâu

dài Mức độ kín

nước

không không hạn chế tốt tốt hạn

chế

tốt

không được

được được được được được

Khả năng

neo chốt

không được

được được được được được được

U

2.2.2 Các phương thức thi công

Nói chung có nhiều phương án hay phương thức thi công đã được phát triển, liên quan đến điều kiện địa chất, các công trình trên mặt đất và độ sâu thi công Chú ý đến điều kiện địa chất thủy văn thực tế có thể gặp ba trường hợp sau:

- Hào thi công khi không có nước ngầm hoặc có thể hạ mực nước ngầm

- Hào thi công khi có nước ngầm nhưng không thể hạ mực nước ngầm hoặc phải bảo vệ nguồn nước ngầm

- Thi công hào trong điều kiện có nước mặt (kênh dẫn nước, sông ngòi)

Trong trường hợp thứ nhất, thi công trong điều kiện không chịu ảnh hưởng của nước ngầm có thể xem xét bốn phương án sau:

1) Hào được thi công vơi thành hào nghiêng (Hình 2.2), được bảo vệ bằng lưới thép và bê tông phun hoặc thép hình cũng như tấm bê tông cốt thép kết hợp neo hoặc kết hợp các loại kết cấu đó Độ nghiêng hay độ dốc của thành hào phụ thuộc vào loại đất nền Góc nghiêng thường nhỏ hơn 45P

3) Thành hào cũng được chống giữ bằng tường cọc ván, nhưng chiều rộng đáy hào bằng chiều rộng công trình ngầm Đương nhiên trong trường hợp này khối lượng đất đào và lấp phủ sau này sẽ tăng đáng kể Tuy nhiên lớp phủ kín nước được phủ

• Khoảng cách giữa các cọc cắm vào lỗ khoan được phủ bằng bê tông, sau này

là bê tông phun

4) Tường bảo vệ thành hào là tường từ cọc khoan nhồi hay hào nhồi Bê tông tường được đổ đến mức đỉnh tường của kết cấu công trình ngầm Tiếp đó đất được đào đến mức đỉnh tường, một lớp bê tông giữ sạch được đổ lên nền, cọc được cắm đến dưới đỉnh tường và sau đó đổ hoặc lắp ghép bê tông nóc hầm Các công việc tiếp

Hình 2.3: Chu trình thi công bằng phương án tường nóc

Trong điều kiện có nước ngầm, nhưng không thể hạ mực nước ngầm, hoặc nguồn nước ngầm cần được bảo vệ, có thể xem xét bốn phương án sau:

1) Hạ mực nước ngầm chỉ trong khu vực hào thi công, sau đó bơm nước và thi công kết cấu công trình ngầm, trong trường hợp này có thể sử dụng tường cọc cừ để bảo

vệ thành hào và đồng thời làm kín nước Đương nhiên tường cọc cừ có thể thu hồi hoặc để lại, tùy thuộc vào phương án lựa chọn

2) Tường và nền được thi công kín nước, sau đó bơm nước và thi công kết cấu công trình ngầm Ở đây có thể sử dụng tường bằng cọc cừ hoặc cọc khoan nhồi, hào nhồi, tùy theo độ cứng cần thiết, liên quan với việc chống lún sụt, bảo vệ công trình kiến

3) Tường và nóc được thi công trước, kín nước, sau đó thi công tiếp tục đào trong chế độ sử dụng khí nén đẩy nước Phương án này khá phức tạp, song được chú ý, nếu như cần lấp phủ nhanh trên mặt đất để hạn chế ách tách giao thông

Hình 2.4: Thi công hở khi gặp nước mặt

U

2.2.3 Giải pháp khi thi công sát hoặc dưới các công trình kiến trúcU

Trong thực tế, do đặc điểm của tuyến công trình ngầm có thể gặp hai trường hợp sau:

• Công trình ngầm nằm sát công trình kiến trúc trên mặt đất, không cho phép thi công tường bảo vệ thành hào, khi đó cần thiết phải tiến hành thi công kết cấu đón đỡ Kết cấu này cũng đồng thời là tường của thành hào;

• Một phần hay toàn bộ công trình ngầm nằm dưới công trình kiến trúc trên mặt Trong trường hợp này phần của công trình kiến trúc cần được đón đỡ bằng kết cấu dạng khung Như vậy kết cấu đón đỡ có thể trực tiếp là tường,

• Đón đỡ bằng cọc nhỏ, cắm chéo nhau dưới móng tường,

• Đón đỡ bằng tường hào nhồi (cọc baret) cho trường hợp hào thi công sâu,

• Đón đỡ bằng tường cọc khoan nhồi, khoan nghiêng về phía công trình kiến trúc,

• Đón đỡ bằng phương pháp khoan phụt, với hóa chất hoặc áp lực cao,

30

Hình 2.5: Phương án đón đỡ công trình kiến trúc trên mặt đất

2.3 Nghiên cứu công nghệ thi công hệ thống khung chịu lực phục vụ giao thông, thi công trong điều kiện giao thông chật hẹp

3TU

2.3.1 Hệ thống khung chịu lực phục vụ thi công

Đối với các dự án hầm tại các nút giao thông đô thị thì việc áp dụng phương pháp thi công đào lộ thiên sẽ gây ảnh hưởng lớn đến giao thông đi lại trên mặt đất Trong

Ngoài ra do điều kiện địa chất của công trình, hố đào sâu trong điều kiện giao thông

đô thị chật hẹp bắt buộc phải sử dụng biện pháp thi công lộ thiên sử dụng tường chắn thẳng đứng bảo vệ hố đào và việc giữ ổn định thành hố không thể lựa chọn giữ

ổn định bằng tường công sơn tự do hay neo giữ mà phải sử dụng các xà chống ngang Chính đó ảnh hưởng đến vận chuyển thi công trong công trường

Phương án vừa đảm bảo giao thông đi lại an toàn vừa giảm giá thành thi công đường tránh thì phương án sử dụng đường giao thông tạm bằng hệ thống chịu lực trong thi công đào hầm lộ thiên là phương án kinh tế và tối ưu nhất Đường giao thông tạm sẽ được xây dựng trên cao cùng với cốt của mặt đường tự nhiên hố đào nên phải sử dụng hệ thống khung đỡ chịu lực Hệ thống đường tạm bằng khung đỡ chịu lực được tạo bởi khung, cột, dầm, lớp mặt đường đảm bảo khả năng chịu các tải trọng động, tải trọng bản thân và các tải trọng khác hình thành một đường giao thông tạm trên không băng qua mặt bằng công trường đảm bảo nhiệm vụ của nó

2.3.3 Ứng dụng của đường giao thông tạm bằng hệ thống khung chịu lực

Đối với biện pháp thi công đào hở các công trình tại nút giao thông đô thị việc đảm bảo hoàn trả giao thông phải tính toán trên căn cứ kinh tế, chất lượng và an toàn giữa phương án đường tránh và phương án đường tạm trực tiếp cắt qua công trình Với hệ thống sàn nắp phục vụ giao thông thì ưu điểm của nó là không phải làm đường tránh mà trực tiếp cho xe cộ đi trên đỉnh của công trường

Trong quá trình thi công không gian của hố đào không cho phép xe cơ giới làm việc thì giải pháp đường tạm thi công là giải pháp tối ưu

Xe cơ giới, máy xây dựng sẽ hoạt động trên đường tạm này để thực hiện việc thi công công trình

32

U

2.3.4 Cấu tạo của hệ thống khung sàn chịu lực (đường tạm) phục vụ thi công

Hệ thống khung sàn được cấu tạo bởi hệ thống cột, dầm chính, dầm phụ, lớp mặt đường