Bài giảng Công trình ngầm

Việc phát minh ra thuốc nổ Dinamite 1866 cùng với áp dụng máy khoan đập xoay đã tạo nên bước ngoặt trong xây dựng công trình ngầm như xây dựng các đường hầm xuyên qua dãy Alpe nối Pháp,

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT

Biên soạn: PGS.TS Nghiêm Hữu Hạnh

HÀ N ỘI 2012

Chương 1 Khái quát v ề công trình ngầm

1.1 Gi ới thiệu chung

Công trình ngầm là công trình nằm trong lòng đất

Theo mục đích sử dụng, có thể phân chia như sau:

Công trình ngầm giao thông: hầm đường sắt, hầm đường ô tô xuyên núi,

hầm cho người đi bộ, tầu điện ngầm, hầm vượt sông

Công trình thủy lợi ngầm: hầm công trình thủy điện, hầm dẫn nước tưới tiêu, hầm cấp thoát nước, hầm đường thủy

Công trình ngầm đô thị: hầm giao thông đô thị (hầm ở nút giao thông, hầm cho người đi bộ, hầm tầu điện ngầm…) hầm cấp thoát nước, hầm cáp thông tin, năng lượng (collector), gara ngẩm, hầm nhà dân dụng, hầm nhà xưởng, gara

ngầm, các công trình công công (cửa hàng, nhà hát, phố ngầm…)

Công trình ngầm khai khoáng: hầm chuẩn bị, hầm vận tải, hầm khai thác,

hầm thong gió…

Công trình đặc biệt: Hầm chứa máy bay, tầu thuyền, kho tàng, nhà máy… Theo kích thước, công trình ngầm có thể được chia ra thành:

Công trình ngầm tiết diện nhỏ: bề ngang sử dụng l < 4m,

Công trình ngầm tiết diện trung bình: bề ngang sử dụng 4m < l <10m, Công trình ngầm tiết diện lớn: bề ngang sử dụng l > 10m

Theo phương pháp thi công có thể chia ra:

Công trình ngầm thi công theo phương pháp đào mở,

Công trình ngầm thi công theo phương pháp đào kín

Công trình ngầm thi công theo phương pháp hạ chìm

1.2 Sơ lược về lịch sử xây dựng công trình ngầm

Từ lâu, trước công nguyên, ở Babilon, Ai cập, Hy Lạp, La Mã các công trình ngầm đã được khai đào với mục đích khai khoáng, xây lăng mộ, nhà thờ,

cấp nước, giao thông Một số công trình còn giữ nguyên được cho đến ngày nay

Công trình ngầm được coi là lâu đời nhất trên thế giới là đường hầm xuyên qua sông Eupharate ở thành phố Babilon được xây dựng vào khoảng năm 2150 trước Công Nguyên Vào những năm 700 trước Công Nguyên, một đường hầm dẫn nước đã được xây dựng ở đảo Samosaite, HyLạp Hầu hết các hầm cổ xưa được xây dựng trong nền đá cứng, có dạng vòm giống như các hang động tự nhiên, không cần vỏ chống Thi công hầm bằng công cụ thô sơ như choòng, xà beng và phương pháp nhiệt đơn giản: đốt nóng gương hầm, sau đó làm lạnh bằng nước

Vào cuối thời kỳ Trung Cổ, việc mở rộng giao thương đã thúc đẩy phát triển các đường hầm giao thông Hầm đường thủy đầu tiên trên thế giới dài 160m được xây dựng tại Pháp từ năm 1679 đến năm1681 Sự xuất hiện của đường sắt

đã thúc đẩy phát triển hầm đường sắt, những hầm đường sắt đầu tiên dài 1190m được xây dựng trong những năm 1826- 1830 trên tuyến đường Liverpool – Manchester ở Anh Cùng thời gian này người ta cũng đã xây dựng các hầm đường sắt ở Pháp và các nước Châu Âu khác Công nghệ khai đào thời kỳ này

chủ yếu là khoan tay và thuốc nổ đen Việc phát minh ra thuốc nổ Dinamite (1866) cùng với áp dụng máy khoan đập xoay đã tạo nên bước ngoặt trong xây

dựng công trình ngầm như xây dựng các đường hầm xuyên qua dãy Alpe nối Pháp, Ý và Thụy Sỹ Trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất, người ta đã xây

dựng được 26 đường hầm giao thông có chiều dài lớn hơn 5km, trong đó có hầm dài nhất thế giới là hầm Sinplon, dài 19780m Vật liệu vỏ hầm chủ yếu là đá hộc

vữa vôi hoặc vữa xi măng Mãi đến những năm 70 của thế kỷ 20 bê tông mới trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng công trình ngầm

Sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, nhịp độ xây dựng hầm giảm đi vì hệ

thống đường sắt đã tương đối hoàn chỉnh ở các nước châu Âu

Cùng với hầm xuyên núi, hầm dưới nước cũng được xây dựng với mục đích giao thông đường sắt và đường bộ Hầm dưới nước được xây dựng băng phương pháp khiên đào kết hợp với khí nén có vỏ hầm là các tấm lắp ghép bằng gang đúc sẵn (vì chống chu bin) Khiên hầm được sử dụng lần đầu tiên vào năm

1825 trong xây dựng đường hầm qua sông Thames ở Anh Chỉ riêng ở New York đã có 19 hầm lớn dưới nước Hầm dưới nước trên tuyến đường sắt đi dưới

vịnh Simonosec, Nhật Bản (1936-1941) dài 6330m Những năm gần đây, người

ta đã xây dựng những đường hầm dưới nước xuyên biển dài kỷ lục, như hầm qua

tầu điện ngầm trên các than phố lớn của thế giới Đến nay đã có trên 100 hệ

thống tầu điện ngầm ở trên 30 nước

Từ những năm cuối thế kỷ 20, hầm thủy lợi đã được phát triển với quy mô

lớn, đặc biệt là hầm thủy điện Trên thế giới đã có trên 350 nàh máy thủy điện và

thủy tích điện ngầm với công suất trên 40 triệu kw Ở Liên Xô, Mỹ và nhiều nước khác các gian máy thường có diện tích ngang từ 200m2 đến 500m2, chiều dài từ 40m đến 200m, chiều cao đến 40m-50m

Ở Việt Nam, hầm giao thông thuỷ Rú Cóc được xây dựng năm 1930 ở xã Nam Sơn, huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An, hầm ngầm xuyên qua núi giúp cho thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu xuống hạ lưu sông Lam để tránh đập nước Đô Lương Một số hầm đường sắt cũng được xây dựng mà điển hình hầm đường sắt Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc địa phận Thừa Thiên -Huế

Trong những năm chiến tranh, chỉ đào một số ít hầm ngắn để làm kho quân trang, quân dụng hoặc hầm trú ẩn cho người và hệ thống kỹ thuật Điển hình là hệ thống hầm hào gồm các đường hầm ngầm dài hàng km nằm trong lòng đất Vĩnh Mốc, Củ Chi

Một loại hầm được xây dựng phổ biến ở Việt Nam là hầm lò để khai thác Than và Khoáng sản

Vào đầu thế kỷ 20 một số đường hầm đã được xây dựng trên tuyến đường

sắt Bắc Nam như hầm Dốc Xây ở Ninh Bình với chiều dài khoảng 100m trong giao thông đường sắt đã xây dựng được 41 hầm với tổng chiều dài 11,900m Sự phát triển giao thông, thủy điện đã thúc đẩy việc xây dựng đường hầm ở nước ta trong hơn một thập kỷ gần đây Tháng 5 năm 2002 hầm A Roàng I dài 453m trên đường Hồ Chí Minh được hoàn thành Tháng 6 năm 2005 hầm đường bộ Hải Vân có chiều dài 6290m được đưa vào sử dụng đã rút ngắn đoạn đường đèo từ

21 km xuống còn 12km so với tuyến đường đèo cũ Từ dự án hầm đường bộ Hải Vân, công nghệ tiên tiến trong xây dựng hầm của Nhật Bản đã được kỹ sư Việt Nam áp dụng để thiết kế, thi công 495m hầm đường bộ Đèo Ngang rút ngắn tuyến đường đèo từ hơn 7km xuống còn 2,5km

Hình 1.1 H ầm Hải Vân nhìn từ cửa hầm phía Bắc

Trong những năm gần đây, vấn đề xây dựng ngầm đô thị cũng đã được chú ý, đặc biệt ở Hà Nội và TP Hồ Chí Minh

- Tháng 11 năm 2006 Thủ tướng Chính phủ đã ký Nghị định về Xây dựng ngầm

đô thị Đây là khung pháp lý cho quy hoạch, xây dựng, bảo trì, khai thác và quản

lý không gian ngầm đô thị

- Bộ Xây dựng đã ra văn bản trình Thủ tướng Chính phủ về việc bắt buộc phải có thiết kế tầng hầm cho nhà cao tầng ở Hà Nội

Trong giai đoạn 1990-2000, phần lớn các nhà cao tầng xây dựng ở khu vực

Hà Nội được xây dựng không có tầng ngầm hoặc chỉ với 1-2 tầng ngầm Các công trình không có tầng ngầm thường là các chung cư được xây dựng ở các khu

đô thị mới trong khi các nhà cao tầng xây chen trong khu vực đô thị cũ thường chỉ có 1 tầng ngầm Trong giai đọan từ năm 2000 đến nay yêu cầu về sử dụng tầng ngầm ngày càng tăng, chủ yếu là để xe 4 bánh cho các văn phòng và dân cư sống trong các nhà cao tầng Điển hình trong số các công trình có nhiều tầng ngầm là tòa nhà Pacific Place tại 83B Lý Thường Kiệt với 5 tầng ngầm thi công trong điều kiện xây chen và nút giao thông ngầm Kim Liên Bảng 1.1 giới thiệu một số công trình có trên 2 tầng ngầm được xây dựng ở Hà Nội trong thời gian gần đây

Bảng 1.1 Danh mục một số công trình đã xây dựng

trong thời gian gần đây ở Hà Nội

TT Tên công trình S ố tầng hầm Đặc điểm thi công tầng hầm

1 Văn phòng và chung cư 27

- T ường cừ Larsen

- V ăng chống thép

Trong xây dựng thuỷ điện ở Việt Nam, giải pháp đường hầm được sử

dụng ở rất nhiều nhà máy thuỷ điện như Hoà Bình, Sơn La, A Vương, Đại Ninh,

Bản Vẽ, Bắc Bình, Đồng Nai, Buôn Kuốp và nhiều nhà máy thuỷ điện khác Đặc

biệt đối với các nhà máy thuỷ điện được xây dựng tại miền Trung thì đường hầm

- Hầm gian máy với 8 tổ máy, công suất mỗi tổ 240MW, có kích thước

rộng 22m, cao 53m (tính đến đáy ống hút), dài 280m

- Hầm máy biến thế cao 20m, rộng 15m bố trí 8 máy biến áp đặt sông sông

với gian máy

- Hầm dẫn nước: gồm 8 hầm với đường kính mỗi hầm D=8m, 3 hầm xả nước tổ máy và hệ thống hầm thông gió, hầm cáp điện, hầm phục vụ thi công…

Danh mực một số công trình thủy điện có công trình ngầm ở nước ta được nêu ở bảng 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ tổ hợp ngầm nhà máy thủy điện Hoà Bình

Bảng 1.2 Một số dự án thủy điện có xây dựng công trình ngầm ở nước ta

Tên công trình Tỉnh Công suất

(MW)

Chiều dài hầm (km)

Đường kính trong (m)

1.3 M ột số khái niệm

Hiện có rất nhiều phương pháp đào hầm, có thể chia thành 2 nhóm phương pháp chính sau đây: Phương pháp đào và lấp (đào mở) và phương pháp đào kín 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

Phương pháp đào mở khá thông dụng song ngày càng trở nên khó chấp nhận đối với việc thi công hầm ở các đô thị có mật độ công trình dày đặc và gây cản trở cho lưu thông xe cộ ở khu vực công trường Ngoài ra phương pháp đào

mở có chi phí khá cao do phải sử dụng hệ thống chống giữ thành hố đào

1.3.1 Xây d ựng công trình ngầm bằng phương pháp đào mở

3.1.1.1 Khái quát

Trong phương pháp đào mở, đất được đào lên theo cách lộ thiên từ mặt đất,

tạo không gian cho công trình ngầm, sau đó đất được đắp lại (cut - and - cover construction) Phương pháp này thường được dùng để thi công những loại CTN đặt nông (giới hạn trong phạm vi 5 - 15m, có khi đến 20 m từ cốt mặt đất) Thông thường, các đường vượt ngầm ngắn, hệ thống côlectơ để đặt mạng lưới kỹ thuật đô thị (cáp điện, động lực, cáp thông tin, ống cấp khí đốt, ống cấp và thoát nước ) gara ô tô 1 - 2 tầng ngầm, đường và ga tàu điện nông, các công trình văn hoá giải trí, kho thực phẩm hoặc các mương - ống công nghệ trong công nghiệp thường thi công trong các hố/hào lộ thiên - đào mở

Trong đô thị, phương pháp đào mở thường chủ yếu được áp dụng cho một

số loại hình công trình sau:

Các đường ngầm giao thông cơ giới đặt nông

Các đường hầm giao thông cơ giới trong các đô thị được dựng để:

- Phân nhánh đi lại ở các mức khác nhau tại các nút giao thông hoặc tại các phân nhánh của tuyến đường chính

- Tăng hoặc phân đều khả năng thông thoát của một số đoạn tuyến chính;

- Tăng cường cấu trúc quy hoạch của mạng lưới tuyến phố;

- Xây dựng các đoạn đường lên xuống, các bến xe và gara ngầm, các trung tâm thương mại, kho, nhà ga, cảng hàng không v.v…

Các đường trục ô tô ngầm

Các đường ngầm giao thông cơ giới riêng biệt tương đối ngắn đặt nông làm tăng khả năng thông xe của đường trục và tạo được trật tự cho chuyển động của các phương tiện giao thông trên mặt đất ở những vùng lân cận đô thị Phát triển

mạng lưới các đường ngầm đủ dài tạo khả năng đảm bảo phục vụ quá cảnh cho dòng giao thông lớn qua vùng trung tâm đô thị

Tại các lối chính của đường trục ôtô ngầm cũng như qua những khoảng

nhất định theo chiều dài, cần phải bố trí lối vào và lối lên mặt đất Dọc tuyến đường trục ngầm tại các vị trí tiếp nối và giao nhau nên xây dựng các tổ hợp

ngầm lớn bao gồm cả bến đỗ và gara

Các b ến đỗ ôtô, gara và các tổ hợp ngầm, tầng hầm nhà cao tầng

Vì các điểm đỗ xe ngoài trời trên mặt đất chiếm nhiều chỗ nên tốt hơn là xây dựng các bến đỗ nhiều tầng và gara sức chứa lớn Tuy nhiên, xây dựng các

bến đỗ và gara như vậy tại các vùng trung tâm đô thị sẽ gặp những khó khăn nhất định liên quan đến việc thiếu quỹ đất trống hoặc giá thành đất cao Do đó xây

dựng các bến đỗ, gara ngầm và nửa ngầm ngoài phạm vi tuyến phố sẽ rất hiệu

quả Chúng chiếm diện tích giới hạn và giải phóng được phần đất đô thị để xây

dựng nhà và các công trình khác

Do tồn tại nhiều dạng bến đỗ và gara khác nhau về công dụng, địa điểm xây

dựng chiều sâu chôn ngầm, sức chứa, sơ đồ quy hoạch, số lượng tầng, đặc điểm

kết cấu v.v… việc lựa chọn dạng bến đỗ và gara ngầm được quyết định chủ yếu

bằng các điều kiện giao thông và xây dựng đô thị cụ thể, cũng như sự luận giải

về kinh tế Ở Tokyo, hầu như các tòa nhà cao tầng đều có 8 tầng ngầm mở rộng liên kết với xung quanh qua các phố tiếp giáp Các tổ hợp ngầm đang được tạo

lập Một tổ hợp ngầm 5 tầng dài 735m, rộng 44m đã được xây dựng dưới nhà ga đường sắt Tokyo Tầng hầm đầu tiên dành cho người đi bộ, tầng thứ hai dành cho các trang bị kỹ thuật, các thiết bị thông khí,kiểm soát , tầng thứ 3 dùng cho các dịch vụ bán vế, tra cứu, cafe, nhà hàng , tầng thứ tư dùng để phân phối, kết

nối cầu thang máy với các tầng khác, tầng thứ 5 bố trí đường sắt Hàng ngày có trên 200.000 người lui tới tổ hợp này Ở Tokyo đã xây dựng 5 tuyến phố ngầm dài 640m, đặt sâu 8m dưới mặt đất Trong không gian ngầm này bố trí các cửa hàng, quán caffe, rạp chiếu phim

Đường ngầm bộ hành

Khi giải quyết các vấn đề giao thông trong các đô thị lớn người ta sử dụng

cả các biện pháp trật tự hóa giao thông bộ hành, tạo lập những đường đi bộ riêng, tách khỏi các phương tiện giao thông, thuận lợi và dễ dàng cho người đi bộ, đảm

bảo sự liên hệ với các trung tâm đô thị lớn Khi tổ chức hệ thống đường bộ hành trong đô thị tất yếu xuất hiện sự cần thiết cắt qua các đường trục ôtô, đường sắt

và các đường giao thông Mặc dù có nhiều biện pháp đảm bảo điều kiện an toàn trong trường hợp xây dựng đường vượt trên mặt đất (đèn tín hiệu, đường kẻ,

hàng rào trên hành lang, đảm bảo an toàn, các chỉ dẫn rõ ràng v.v…), nhưng đường vượt như vậy không thể bảo đảm an toàn tuyệt đối cho người qua đường Ngoài ra, khi vượt nổi không thể đảm bảo cho chuyển động các phương tiện giao thông liên tục và có tốc độ cao trên đường trục Do đó, trong các đô thị người ta

sử dụng rộng rãi đường vượt bộ hành ngoài phố dạng cầu và dạng đường ngầm

Khi tổng kết việc xây dựng tàu điện ngầm ở Nga từ 1965 đến 1995, A.B.Ivanhưc đã chỉ ra rằng phương pháp đào mở đã chiếm tỷ lệ đáng kể và đã tăng từ 39% (25,3km/63,7km) trong những năm 1965-1970 lên 63% (84,3km/141.6km) trong những năm 1991 - 1995 (xem hình 1.3) Sự tăng trưởng này được giải thích là do công nghệ thi công đào mở phát triển nhanh khả năng cẩu nâng lớn khi lắp các đốt công trình ngầm đúc sẵn Trong nhiều đô thị ở các nước SNG, nơi việc xây dựng tàu điện ngầm được bắt đầu chưa lâu, người ta

chỉ đặt các tuyến nông như ở Tasken, Minxk, Nôvôxibirxk, Nifni, Novgorod, Xamara, Omxk Tình hình như vậy cũng nhận thấy ở nhiều nước trên thế giới Ngay như ở những thành phố lớn của Nhật (Tokyo, Osaka ) hệ thống tàu điện

ngầm cũng dùng phương pháp đào mở, làm nắp (sàn mái của hầm) để giải quyết giao thông thông suốt trên mặt đất và tiếp tục đào dưới nắp theo các đại lộ lớn

của đô thị

Hình 1.3 T ỷ lệ độ dài các truyến đường tàu điện ngầm

đặt sâu và nông (phần gạch)

Lựa chọn phương pháp thi công công trình ngầm theo phương pháp đào

mở hay đào ngầm, chủ yếu dựa trên sự phân tích kỹ lưỡng, thận trọng các yếu tố sau: hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, bảo đảm an toàn về môi trường và khả năng áp

dụng công nghệ hiện đại Kinh nghiệm thế giới đã tổng kết rằng ưu điểm nổi bật

của phương pháp đào mở như sau:

- Có thể sử dụng máy làm đất và máy thi công khác nhau với mức cơ giới hoá cao,

- Có thể thi công hố đào sát tới tường ngoài của công trình ngầm hiện hữu,

- Thi công chống thấm cho công trình ngầm đơn giản và có chất lượng

Phương pháp đào mở sẽ có nhiều ưu việt khi công trình ngầm có diện tích

lớn trên mặt bằng và không sâu lắm và thường được chọn dùng trong những điều

kiện địa chất như :

a) Trong nền đất có đá lăn mồ côi, hay trong sỏi sạn;

b) Trong đất cát bão hoà nước đến độ sâu 6 - 7m;

c) Trong đất có độ ẩm tự nhiên đến độ sâu 10 - 11m;

d) Trong đất sét bão hoà nước đến độ sâu 10 - 12m;

e) Trong đất sét đến độ sâu 13 - 16m

Những kiến nghị này có tính chất định hướng và trong điều kiện cụ thể,

dựa trên độ sâu tối ưu để dùng phương pháp này hay phương pháp khác Với

những phương tiện cơ giới hiện đại trong việc đào và vận chuyển đất đã cho phép trong thời gian ngắn đào được khá sâu và rất rộng Do đó đôi khi người ta chuyển từ phương pháp thi công đặc biệt (ví dụ như giếng chìm hoặc đào ngầm) sang đào mở nhất là trong đất có độ ẩm tự nhiên thấp Trong vùng xây mới (nơi chưa có công trình xây dựng nhưng đã có qui hoạch ổn định) phương pháp đào

mở là phương pháp thích hợp nhất khi làm các loại công trình ngầm như colectơ,

lối vượt ngầm, ga ra ô tô, tàu điện ngầm vv

Phương pháp đào mở cũng có những nhược điểm và hạn chế, nhất là khi thi công trong vùng đô thị có dân cư đông đúc như:

- Chiếm đất nhiều, ồn và dễ gây ách tắc giao thông Có thể hạn chế bớt ảnh hưởng không tốt nói trên khi dùng phương pháp đào của ngành mỏ bằng cách làm các tường vĩnh cửu của công trình ngầm trước, làm nắp của hầm đủ

chắc chắn để phương tiện giao thông đi lại trên đó và công tác khác trên mặt đất cũng có thể thực hiện trên nắp công trình ngầm

- Trong đất sét yếu và đất bụi, việc đào hào sẽ bị hạn chế do phải duy trì

ổn định vách hố và đáy hố, nên đòi hỏi phải thi công nhanh gấp

- Sự gò bó trong vạch tuyến khi phải bám theo đường phố hiệu hữu, đặc

biệt là bán kính cong nhỏ khi mở tuyến tàu điện ngầm Một số nơi hào đào lấn vào móng công trình hiện hữu làm cho nó kém đi về chịu lực hoặc biến dạng, nên phải gia cường chống đỡ thêm, gây tốn kém

- Tiến độ thi công và giá thành của phương pháp đào - lấp bởi có nhiều

việc phải làm thêm do những sai sót khi khảo sát điều tra hoặc đánh dấu vì chúng

chỉ được phát hiện lúc đào, di dời hoặc phải đặt lại hệ thống kỹ thuật đô thị hiện đang khai thác (cáp điện, thông tin, ống cấp thoát nước ) là vấn đề khá phức

tạp, kéo dài tiến độ thi công

- Chuyển vị của đất và lún các công trình hiện hữu Các phương pháp làm

giảm sự trồi đáy hay giảm đào lẹm cũng như sự thay đổi dòng chảy và mực nước

ngầm đều dẫn đến những trở ngại trong tiến độ thi công và thay đổi giá thành Dùng neo đất, thanh chống có lắp kích để căng chỉnh là những giải pháp có hiệu

quả đối với công trình nhạy lún hoặc công trình cũ ở lân cận hố đào

- Việc di dân để giải phóng mặt bằng dành chỗ cho công trình cũng như cho sân bãi công trường xây dựng, tổ chức lại các tuyến giao thông, ồn, chấn động, bụi khi thi công thường là những vấn đề xã hội - kinh tế khó giải quyết nhanh gọn để công trình khởi công đúng hạn

3.1.1.2 Các k ết cấu chắn giữ thành hố đào

Dưới đây là một số hệ kết cấu chống giữ thường được sử dụng trong công nghệ đào mở

1 Đào không cần chống giữ thành Trong điều kiện đất trống trải và đủ

rộng (ví dụ vùng ngoại thành) thì cho phép đào hố với độ dốc tự nhiên mà không

cần chống giữ thành hoặc chỉ cần bảo vệ mặt dốc bằng lớp xi măng lưới thép để phòng mất ổn định Yêu cầu chính là độ nghiêng thành hố đảm bảo được ổn định

và độ sâu không vượt qúa độ sâu giới hạn hgh=4c/γ, trong đó c là lực dính và γ là dung trọng của đất

2 Ch ống giữ thành bằng trụ đứng -ốp bản (Soldier piles with Lateral

laggings) Hệ chống giữ này gồm trụ/cọc (bằng thép hình hoặc bê tông cốt thép đúc sẵn ) khoảng cách giữa các cọc xác định theo tính toán, thường từ 1,0-2,0m, thanh chống /văng chống ngang (có khi thay bằng neo đất ), dầm giữa ở lưng

tường và bản cài ngang bằng gỗ dày từ 7-10cm (có khi thay bằng bê tông phun)

Loại tường này dùng cho những hố móng không sâu (<12m), vùng đất khô ráo

hoặc phải hạ mực nước ngầm, thi công đơn giản: đóng hoặc ép các trụ quanh hố đào, đào đất từng lớp dày khoảng 1m, cài bản gỗ ngang giữa các trụ/cọc, độn

bằng vật liệu rời sau lưng tường dể tạo phẳng mặt tường phía hố đào và đặt thanh

chống hoặc neo theo thiết kế Trên hình 1.4 trình bày các cấu kiện của loại tường

vừa nêu còn trên hình 1.5 trình bày một ví dụ dùng loại tường này cho công trình đường vượt ngầm trong đô thị ở Pháp

3 Tường chắn bằng cọc bản Các dạng cọc bản thường dùng hiện nay,

theo vật liệu có thể chia ra: Cọc bản bằng gỗ (ít dùng nên không trình bày); cọc

bản bằng bê tông cốt thép; cọc bản bằng thép; cọc bản bằng chất dẻo PVC

a) Cọc bản BTCT (concrete sheet piles) gồm 2 loại: BTCT không ứng suất trước và BTCT ứng suất trước Loại cọc bản BTCT không ứng suất trước có cấu

tạo như trình bày trên hình 1.6 và loại cọc bản BTCT ứng suất trước xem hình 1.7 Loại tường bằng cọc bản bê tông cốt thép có độ cứng lớn, đầu cọc dịch chuyển nhỏ, không bị ăn mòn nhanh, có thể được dùng như một kết cấu vĩnh

cửu

b) Tường chắn bằng cọc cừ bản thép (steel sheet piles) Thường có 4 loại

cừ bản thép sau đây: Cừ thép bản phẳng: Ký hiệu SP-1, loại cừ này có mô men kháng uốn không lớn, chiều dài chế tạo 8 - 22m; cừ máng thép : Ký hiệu SP-2, chiều dài chế tạo 8 - 22m thường sử dụng cho các loại kết cấu chống thấm (đê quai, móng đập) công trình xây dựng; cừ thép chữ Z : Ký hiệu SK-1, SK-2, SĐ-5; cừ Larssen: Thường chế tạo 4 loại cừ: IV, V, VI, VII có chiều dài từ 8 - 22m

với liên kết móc rắn chắc, tạo ra mô men kháng uốn lớn, đây là loại cừ đang được sử dụng phổ biến hiện nay

Để ổn định tường cọc cừ bản thép, tuỳ theo bề rộng hố đào,mặt bằng và điều kiện hiện trường mà dùng thanh chống ngang hoặc neo đất

c) Tường chắn bằng cọc bản vật liệu nhựa composite Trong những hố đào nông dùng cho công trình ngầm đặt nông như colectơ, đường cấp thoát nước phụ vv hoàn toàn có thể dùng cọc bản nhựa composite để làm tường chắn; do loại

cọc này có tính chống xâm thực/ăn mòn tốt trong môi trưòng chua mặn (có thể

bền đến 30-50 năm), sản xuất công nghiệp, kiểm soát chất lượng dễ, nhẹ (nhẹ hơn thép 70-75% và nhẹ hơn bê tông 40-50%), thuận tiện trong vận chuyển và

bảo quản, tăng mỹ quan cho công trình trong đô thị (tường kè chống xói lở vùng ven biển, tường chắn đất, công trình cầu cảng )

4 Tường chắn bằng hàng cọc Như đã biết, cọc nhồi bê tông cốt thép hoặc

cọc nhồi bê tông cốt thép kết hợp với cọc xi măng đất có thể dùng để làm tường

chắn thành hố đào Như đã trình bày trên đây, trong một số trường hợp có thể có

thể kết hợp cọc xi măng đất để ngăn nước còn cọc nhồi bê tông cốt thép để chịu

lực

5 Tường liên tục trong đất Tường liên tục trong đất có thể thi công bằng

phương pháp đổ bê tông tại chỗ hoặc lắp những tấm tường bê tông cốt thép đúc

sẵn vào hào đào sẵn Có 3 giai đoạn cơ bản để thi công tường: làm tường dẫn, đào hào, lắp dựng tấm cốt thép và đổ bê tông (hoặc lắp tấm bê tông cốt thép đúc

sẵn ) vào hào Công nghệ đổ bê tông tường toàn khối quyết định bởi kết cấu của tường, kiểu máy đào hào và những điều kiện địa chất công trình của nơi thi công

Căn cứ vào điều kiện đất nền, trang bị và khả năng kỹ thuật cũng như một

số yêu cầu về môi trường và an toàn cao của công trình ở gần để chọn công nghệ làm tường trong đất bằng phương pháp đúc sẵn - lắp ghép - toàn khối hoá (tức

vừa có đúc sẵn vừa có đổ bê tông tại chỗ) Có thể kết hợp các tấm tường với trụ đúc sẵn hoặc trụ đổ tại chỗ để liên kết chúng lại với nhau tạo thành tường đúc

sẵn kiểu sườn theo công nghệ Panosol (của hãng Soletanche) và công nghệ Prefasil (của hãng Bachy)

6 Kết cấu phụ trợ của tường chắn hố đào Trong những hố đào nông và

nền đất tốt với độ sâu thích hợp thì tường chắn có thể làm việc như dầm con sơn

và đủ cứng để tự ổn định, còn ở những hố đào sâu thì cần có kết cấu phụ trợ để

giữ tường Hệ thống chắn giữ thành hố đào sâu do hai bộ phận tạo thành, một là tường chắn hai là thanh chống bên trong hoặc là thanh neo vào đất bên ngoài Chúng cùng với tường chắn sẽ tăng thêm ổn định tổng thể của kết cấu chẵn giữ, không những có liên quan tới độ an toàn của hố đào và công việc đào đất, mà còn có ảnh hưởng rất lớn tới giá thành và tiến độ của công trình hố đào

1.3.2 Xây d ựng công trình ngầm bằng phương pháp đào kín

Theo phương pháp đào kín, có những phương pháp thi công hầm như sau:

 Phương pháp khoan nổ truyền thống và NATM

 Phương pháp khiên đào (SM)

 Phương pháp khoan đào (TBM)

 Phương pháp kích đẩy (pipe jacking)

 Các phương pháp đặc biệt (phương pháp làm lạnh, phương pháp nổ ép, )

1.3.2.1 Phương pháp khoan nổ truyền thống và NATM

Phương pháp khoan nổ truyền thống hay còn gọi là phương pháp mỏ được

sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng hầm và công trình ngầm do khả năng

áp dụng cho nhiều loại công trình ngầm khác nhau như hầm giao thông, thuỷ

1.3.2.2 Phương pháp đào hầm bằng cơ giới hoá (TBM và SM)

Trẻ hơn về tuổi đời, song hành với NATM là sự phát triển mạnh mẽ của phương pháp thi công hầm cơ giới hoá Những thiết bị cơ giới hoá đào đất để làm hầm khá đa dạng, kể từ loại máy xúc có trang bị răng xới, các thiết bị thuỷ lực và các máy đào hầm đa năng (roadheaders) cho đến các TBM có cấu tạo khác nhau Ngày nay, TBM là phương pháp đào hầm phổ biến nhất Loại thiết bị

đa dụng Roadheader khá hữu ích ở nhiều trường hợp khi sử dụng TBM không có hiệu quả về mặt chi phí

Mặc dầu có nhiều loại phương tiện kỹ thuật đang thịnh hành, song TBM,

thiết bị chuyên dùng, có thể cơ giới hoá được toàn bộ các khâu: đào, chống đỡ, thi công áo hầm và chuyển vận đất thải, đã được công nhận là một trong những đột phá quan trọng về công nghệ thi công hầm

Kỹ thuật đào hầm bằng khiên (SM), một biến thể của TBM đã được phát triển theo một chiều hướng mà việc ứng dụng hiện nay cho phép thi công an toàn ngay cả trong điều đất rất mềm yếu, có ngậm nước như các loại đất trầm tích Khi thi công sẽ có hiện tượng lún bề mặt đáng kể trong các trường hợp mà độ dày tầng đất phủ là nhỏ Tuy nhiên bằng biện pháp dùng vữa phun được kiểm soát tốt để chèn lấp vào khe hổng sau vỏ hầm (backfill) thì vẫn có thể kiềm chế lún ở mức độ nhỏ, và tránh được những phương hại nghiêm trọng đối với các công trình lân cận

Trong công nghệ đào hầm dùng khiên thì lớp vỏ hầm được thi công bằng cách lắp ghép các cấu kiện (segments) chế sẵn Một số lượng nào đấy các cấu kiện đúc sẵn trong một công xưởng sẽ được vận chuyển và tập kết tạm thời ở một kho bãi gần công trường Đảm bảo có được một không gian sân bãi như vậy không phải là dễ dàng, thậm chí trong một giai đoạn tạm thời, ở một khu vực có mật độ công trình dày đặc

Đối với các vỏ hầm thi công bằng cấu kiện lắp ghép, những phương pháp thiết kế khác nhau, được đề nghị dùng cho các điều kiện đất đai và nước ngầm khác nhau, đều đảm bảo được cường độ cơ lý của lớp vỏ ở hầu hết các trường hợp Khả năng phòng nước (warter-stopping) của vỏ hầm được đảm bảo bằng cách dùng các vật liệu hàn và trám kín khe nối giữa các mảnh cấu kiện Tuy nhiên việc làm kín nước lâu dài khó khăn hơn; nếu thật cần thiết thì phải dùng đến lớp áo thứ cấp (secondary), đôi khi còn phải được gia cường thêm bằng các thanh cốt thép

Một số đánh giá về phương pháp làm vỏ hầm lắp ghép cho rằng giá thành của các mảnh cấu kiện là cao, ngoài ra còn thể phải làm thêm lớp áo thứ cấp, và các chi phí về vận chuyển cấu kiện và thuê sân bãi, nên việc thi công là tốn kém Trong thập niên vừa qua, giải pháp thay thế vỏ hầm lắp ghép nói trên là công nghệ đổ bê tông vỏ hầm theo kiểu ép đẩy (extruded concrete lining- ECL) đã được phát triển ở châu Âu, đặc biệt là ở Đức Đây là kỹ thuật thi công vỏ hầm bằng cách bơm đẩy bê tông thường hoặc bê tông cốt sợi thép vào khe hổng giữa

bề mặt hang đào và ván khuôn bên trong hầm

1.3.2.3 Phương pháp kích đẩy (pipe jacking)

Phương pháp kích đẩy là một kĩ thuật đào ngầm được sử dụng cho các công trình ngầm là đường ống kĩ thuật, thi công bằng cách đẩy các đoạn ống có chiều dài nhất định Phương pháp này được sử dụng chủ yếu cho các đường hầm

có đường kính nhỏ đặt ở chiều sâu không lớn lắm và xây dựng tại những nơi mà phương pháp đào hở không thích hợp Bản chất phương pháp là vì chống tubin kín được lắp đặt vòng nọ tiếp vòng kia trong khoang chuyên dùng cách xa gương hầm Cùng trong khoang đó kích ép vì chống vào gương hầm theo tiến trình đào đất Để giảm ma sát vì chống với khối đất, không gian phía sau tubin được bơm vữa sét

Hình 1.8 Mở đường hầm bằng phương pháp kích đẩy

1 Dao 2 Khoang làm việc 3 Tấm chắn cửa miệng hầm

4 Đơn nguyên mới bố trí 5.Kích

Phương pháp kích đẩy còn được sử dụng khi lắp đặt ống qua khối đắp đường sắt và đường ô tô Khi kích đẩy ống đường kính tới 900mm, để đào đất trong gương sử dụng máy guồng xoắn

Phương pháp xuyên được sử dụng để lắp đặt ống đường kính tới 800mm dưới khối đắp và nền đường Khác với phương pháp kích đẩy, trong phương pháp này khối đất nằm trong ống xuyên không lấy ra mà bị ép sang bên Phương pháp xuyên được sử dụng trong 2 phương án: kéo bằng tời (h.8.9a) và kích đẩy (h.8.9b) Lực cần thiết để ép ống đường kính 0,5m trong đất cát- sét và trong đất

đắp vào khoảng 150-1500KN phụ thuộc vào độ chặt hoặc độ sệt

Hình 1.9 Lắp đặt ống dưới khối đắp bằng phương pháp xuyên:

a- dùng tời kéo, b- kích đẩy

1.3.2.4 Các phương pháp đặc biệt (Phương pháp làm lạnh, Phương pháp nổ

ép, )

a Giếng chìm hơi ép

Phương pháp giếng chìm hơi ép được sử dụng khi xây dựng móng sâu dưới thiết bị nặng và trụ cầu, khi mở giếng mỏ, đào hầm ngang Điểm đặc biệt

của phương pháp giếng chìm hơi ép là làm kín một phần thể tích nào đó lân cận gương hầm của hầm đào và tạo nên trong đó áp lực khí nén bằng áp lực nước ngầm và ngăn cản nước ngập vào gương hầm, xói mòn đất và cát chảy (hình 1.10)

Hình 1.10 Giếng hơi ép a- khi xây dựng móng sâu với sự cơ giới hoá thuỷ lực, b- khi mở giếng đứng có thùng

nâng, c- khi mở tuy nen có toa gòong (Ш- cửa cống)

b Đông lạnh đất

Phương pháp đông lạnh sơ bộ đất được sử dụng khi đào hầm, hạ giếng,

mở lò đứng và tuy nen trong đất cát chảy no nước ưu điểm của phương pháp là: loại trừ được toàn bộ dòng chảy và nguy cơ cát chảy; nhược điểm- khó khăn trong việc đào đất đông lạnh, giá thành đông lạnh cao, nhiệt độ âm trong gương hầm Vữa đông lạnh thường sử dụng vữa nước (muối) can xi clo rua độ chặt 1,23

- 1,25g/cm3, nhiệt độ đông lạnh của nó bằng –28…-350C Muối thực hiện chức năng vận chuyển clo: trong lỗ khoan đông lạnh nó hấp thụ nhiệt ở đất, còn trên trạm đông lạnh nó thải nhiệt tự làm lạnh bản thân Việc nhận được nhiệt độ thấp trên các trạm đông lạnh là dựa trên nguyên tắc bay hơi nước khi nhiệt độ chất

Ximăng hoá - là biện pháp phun vữa phổ biến nhất Nó phun hiệu quả cho khoáng chất đá nứt nẻ, sỏi cuội không lẫn sét Bơm vữa xi măng vào khối đất được tiến hành qua lỗ khoan phun xi măng có trang bị thiết bị bơm Khoảng cách giữa các lỗ khoan xi măng hoá là 1,5-3 m

d Thi công công trình ngầm bằng phương pháp nổ ép tạo buồng

Trong đất đá dính như: đất sét, á sét có thể áp dụng phương pháp nổ ép

để xây dựng những công trình ngầm theo sơ đồ hình 1.11

Hình 1.11 Thi công h ầm ngang bằng nổ ép tạo khoang

Thực chất nổ ép là khoan các giếng khoan và đặt vào đó các lượng thuốc

nổ, nút chặt và nổ Sau khi nổ đất đá bị ép lại tạo thành những khoang sử dụng làm công trình ngầm Sử dụng các trạm khoan chuyên ngành có thể khoan các

giếng khoan thẳng đứng, nằm ngang hoặc nằm nghiêng

Chương 2 Tính toán ổn định công trình ngầm

2.1 Công tác kh ảo sát dự án

2.1.1 Khát quát

Khi xây dựng công trình ngầm cần xét đầy đủ tổ hợp các thông số địa kỹ thuật một cách tổng thể và xác định trạng thái địa chất cụ thể Tính chất của đất

đá quyết định công nghệ xây lắp, phương pháp đào và đắp đất, loại gia cố tạm

thời và gia cố lâu dài Đặc điểm tính chất của đất đá cần thiết khi xác định giá trị

tải trọng lên kết cấu ngầm, khi lựa chọn sơ đồ tính toán công trình ngầm, khi xác định các thông số gia cố

Theo phương án lựa chọn, người ta tiến hành khảo sát chi tiết địa kỹ thuật - Thăm dò địa kỹ thuật Mục tiêu chính của công tác thăm dò - nhận được đặc tính định lượng sử dụng khi xác định tải trọng lên kết cấu công trình ngầm, khi lựa

chọn sơ đồ tính toán công trình, các phương phá 1.đào đất, các thông số ổn định

tạm thời v.v cũng như dự đoán tính động học của sự phát triển các quá trình địa

vật lý, các trạng thái ứng suất - biến dạng của khối đất, các chế độ nhiệt và nước

Thi ết kế và khảo sát để lập kế

ho ạch thi công

Khảo sát trong giai đoạn xây

d ựng

Khảo sát sau khi k ết thúc

c ủa việc xây dựng và các bi ện pháp xử lý

Kh ảo sát và đo đạc

nh ững vùng xung quanh đường hầm và môi trường chủ yếu để đánh giá những tác động của việc xây

có th ể bị liên lụy

Đường hầm và khu vực được chống đỡ bị ảnh hưởng của việc xây

2.1.2 Kh ảo sát Địa kỹ thuật

Khảo sát địa kỹ thuật cần làm sang tỏ những điều kiện sau:

1 Đất đá đang hoặc có tiềm năng dịch chuyển như trượ lở

2 Đới nứt nẻ, khu vực có cấu trúc uốn nếp;

3 Đất đá yếu, chứa nước;

4 Đất đá bị ép vắt;

5 Đất đá có thể xảy ra hiện tượng đá nổ;

6 Đất đá có nhiệt lượng cao, mạch nước nóng, khí độc, v v ;

7 Đất đá chứa nhiều nước dưới đất

Trong khảo sát cũng cần chú ý đến những điều kiện đặc biệt có lien quan đến môi trường, như:

1 Chiều dày tầng đất đá phủ mỏng;

2 Khu vực đô thị;

3 Dưới mực nước ngầm;

4 Giếng nghiêng hoặc giếng đứng;

5 Cửa hầm;

6 Công trình xây dựng lân cận;

7 Mặt cắt ngang lớn

Trình tự khảo sát địa kỹ thuật nêu ở bảng 2.2

Trong giai đoạn khảo sát sơ bộ cần khảo sát địa hình, địa chất, thủy văn, v v một vùng rộng gồm cả tuyến để so sánh Mục đích khảo sát là để nắm chắc những nét đại cương về điều kiện đất đá của đường hầm và thu thập những số liệu cần thiết cho quá trình chọn tuyến và lập kế hoạch khảo sát tiếp theo Cần

tiến hành khảo sát bằng phương pháp phù hợp với các điều kiện địa chất của khu vực

Khảo sát địa kỹ thuật chi tiết nhằm đáp ứng mục đích là nắm bắt được điều kiện tổng thể về đất đá ở khu vực xây dựng công trình ngàm, thu thập những số liệu cơ bản cần thiết cho thiết kế và lập kế hoạch xây dựng, từng bước nâng cao độ chính xác Trong khảo sát địa kỹ thuật chi tiết, phải chọn các đề mục cần thiết để khảo sát tùy theo mục đích khảo sát, các điều kiện đất đá, v v và phải dùng phương pháp khảo sát phù hợp nhất Đặc điểm của các phương pháp khảo sát địa kỹ thuật nêu ở bảng 2.3

Bảng 2.2 Trình tự khảo sát điều kiện địa kỹ thuật Phương pháp khảo sát, thu thập thông tin

3 Thông tin trên b ản đồ không ph ải bao giờ cũng liên quan đến mục đích nghiên c ứu

Phân tích ảnh

hàng không

1 Đất đá không ổn định quanh c ửa hầm

2 Cấu trúc địa chất, đặc biệt là cấu trúc đặc trưng như đứt gãy

3 Địa chất bề mặt trước khi có thay đổi nhân

t ạo

- Đảm bảo độ chính xác tiêu chu ẩn nhưng cần phải

ki ểm tra lần nữa bằng khảo sát trên m ặt đất

Kh ảo sát địa chất

b ề mặt

1 S ự phân bố, các đặc điểm và sự ổn định địa

ch ất bề mặt

2 S ự phân bố và các đặc điểm đất nền

2 Đánh giá chất lượng an toàn

và kh ả năng xây dựng của địa

ch ất ngoại vi của tuyến

1 B ản đồ địa chất chỉ là một cách trình bày các k ết quả

kh ảo sát, cần kiểm tra

t rong giai đoạn khảo sát sau này

2 B ị ảnh hưởng rất lớn bởi

độ chính xác của bản đồ địa lý

m ềm

4 Nghiên c ứu phân loại đất đá

1 Khi khu v ực có vận tốc

ch ậm là hẹp thì sẽ giảm độ chính xác c ủa phân tích

2 Đánh giá sự phân bố địa

ch ất, mức độ phong hóa và phát tri ển của nứt nẻ phải

k ết hợp với các khảo sát khác và ph ải đánh giá tổng

h ợp

1 Để biết rõ bề dày sườn tích và

l ớp phong hóa

2 Để biết rõ cấu trúc địa chất và các đặc điểm từ điện trở riêng

3 Phát hi ện dải mỏng của đất

m ềm

4 Để biết rõ các tính chất và quy mô c ủa đứt gãy

5 Nghiên c ứu sự phân bố và các tính ch ất của nước ngầm

và t ầng ngậm nước

1 Các tính ch ất địa lý và địa chất ở hiện trường ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác c ủa khảo sát

2 K ết quả không trực tiếp quan h ệ với độ bền cơ học

c ủa đứt gãy, đới nứt

1 Tr ực tiếp khảo sát địa chất để

ki ểm tra chi tiết phân bố và các tính ch ất của đất đá

2 Nghiên c ứu phân loại đất đá, các phương pháp khai đào,

ch ống đỡ và bê tông vỏ hầm, lượng thuốc nổ sử dụng

- Đây là khảo sát chính xác

và c ần kết hợp với trắc địa trên m ặt đất, khảo sát địa

2 L ấy mẫu và phân loại đất

1 Nói chung, không áp

d ụng cho đá và lớp cuội

s ỏi

2 Khi giá tr ị N > 50 thì không phân bi ệt chính xác

- Phân tích bi ến dạng đất đá 1 Ch ọn lựa thiết bị thí

nghi ệm hợp lý đối với các điều kiện địa chất và đường kính lỗ khoan là

c ần thiết

2 Ch ọn lựa vị trí bao gồm các tr ạng thái địa chất đặc trưng bằng đánh giá lõi khoan là c ần thiết

2 Không đo được trong ống vách

2 Điều kiện nước ngầm

1 Th ẩm tra ổn định của gương

h ầm bằng điều kiện của các

n ứt nẻ và đường phương/góc

d ốc của chúng

2 Nghiên c ứu điều kiện dòng

ch ảy của khu vực

- K ết thúc và dọn kỹ lỗ khoan là c ần thiết

Thí nghi ệm

trong phòng

1 Các đặc tính cơ lý của

đá tạo thành: khối lượng riêng, vận tốc sóng đàn hồi, cường độ nén, v v

2 Các đặc tính khoáng

v ật của đá tạo thành:

thành ph ần khoáng vật sét, tính v ỡ vụn, v v

3 Các đặc tính cơ lý của đất tạo thành : thành

ph ần hạt, độ ẩm, cường độ nén, độ sệt, v v

1 Vì m ẫu không có các vết

n ứt gãy nên giá trị không

th ể hiện đặc trưng đại

di ện của đất đá

2 K ết quả thực nghiệm thay đổi rất lớn do độ ẩm

c ủa mẫu đá mềm

3 Thí nghi ệm cơ học có xu hướng bị ảnh hưởng lơn

do xáo tr ộn khi lấy mẫu

Khảo sát địa kỹ thuật chi tiết cần nắm bắt và xem xét những nội dung sau đây:

1 Cấu tạo địa chất tổng thể, sự phân bố và các đặc điểm của mặt cắt

công trình;

2 Phân loại đất đá với sự xem xét kỹ thuật dựa trên kết quả khảo sát;

3 Địa hình và địa chất tại vị trí cửa hầm, những tài liệu tham khảo cơ

bản về các vấn đề này và các biện pháp xử lý;

4 Đánh giá sự ổn định của gương, thiết kế hệ thống chống đỡ, chọn các

phương pháp phụ, các tài liệu tham khảo để chọn các phương pháp khai đào gương và các phương pháp đào hầm;

5 Sự phân bố và các đặc điểm của những điều kiện đất đá đặc biệt, dự

báo những vấn đề và hiện tượng, các tài liệu tham khảo cơ bản về các

biện pháp xử lý

Những đề mục khảo sát địa kỹ thuật liệt kê trong bảng 2.4 Tham khảo

bảng này để chọn các đề mục khảo sát theo điều kiện đất đá của đường hầm và

chọn phương pháp khảo sát phù hợp

Một số lĩnh vực được quan tâm trong khảo sát các điều kiện đất đá đặc biệt và những điều kiện đặc biệt khác ở bảng 2.4 có thể bao gồm:

1 Các loại đất đá đang hoặc có tiềm năng dịch chuyển như trượt lở Phải phân

tích khả năng đất trượt, sụt lở và sập mái dốc ở cửa hầm, ở nơi bề dày tầng đất đá phủ mỏng như các thung lũng và các đường hầm gần mái dốc Phải đánh giá sự

ổn định của đường hầm Cũng cần phải thực hiện các khảo sát để có thể xác định

sự cần thiết về các biện pháp xử lý và thiết kế các trường hợp đó Khi đất trượt, sụt lở với quy mô lớn thì cần phải xem xét khả năng chọn một tuyến tránh sự trượt, sụt lở đó

2 Vùng nứt nẻ / vùng uốn nếp Có thể phát hiện một đứt gãy với một dải

rộng của đới nứt nẻ bằng khảo sát sơ bộ (nghiên cứu tài liệu, ảnh hàng không, khảo sát trên mặt đất, v v ) Có thể ước đoán những đặc điểm của đới nứt nẻ, như cường độ của đới nứt nẻ, bằng phương pháp thăm dò địa chấn, khoan khảo sát, v v

3 Đất đá yếu chứa nước Đất đá yếu, như đất sét, đất cát và đất sỏi tạo

thành tầng sườn tích và một phần của tầng bồi tích, đất đá núi lửa không bền

vững như tro núi lửa hoặc sỏi (đá bọt), là những loại đất đá không bền vững Khi

loại đất đá này tiếp xúc với nước có thể xảy ra những vấn đề: xói lở hoặc sập gương, đất đá lún hoặc sập khi bề dày tầng đất đá phủ mỏng, nước chảy vào nhiều Tầng cát không bền vững hoặc tầng sỏi cát thường có cấu trúc đơn giản vì

vậy việc khảo sát địa chất trên bề mặt, khoan khảo sát, khảo sát địa vật lý trong

lỗ khoan, khảo sát nước ngầm, v v có thể đánh giá các đặc điểm địa chất và khả

năng bị xói lở đến một mức độ khá lớn Thí nghiệm trong phòng lập r a chỉ số xói lở là đặc biệt quan trọng đối với cát mịn có cỡ hạt đồng đều

Bảng 2.4 Quan hệ giữa điều kiện đất đá, các đề mục

khảo sát và phương pháp khảo sát

4 Đất đá trương nở, nén ép (Swelling and squeezing soil and rock) Đây

là vùng đất đá mà mặt cắt ngang bên trong phát triển về phía trong do áp lực đất gia tăng rất lớn khi khai đào đường hầm Hiện tượng này quan sát thấy trong sét kết Neogen, và đá túp, sét tại vùng đứt gãy, vùng vỡ vụn vò nhàu, sét solfataic, secpentinit Hiện tượng này không chỉ phụ thuộc vào loại và các đặc điểm của

đá, mà còn liên quan chặt chẽ đến ứng suất do áp lực tầng đất đá phủ và ứng suất

do cấu tạo địa chất như cấu tạo uốn nếp Thường không thể dự báo phạm vi trương nở chỉ bằng một tiêu chuẩn

5 Đá nổ Hiện tượng này xảy ra khi đá vỡ vụn bay khắp đó đây do khối đá

và đá gần gương hầm thình lình bị vỡ do nổ Quan sát thấy hiện tượng này khi điều kiện ứng suất trong khối đá gần bằng giới hạn biến dạng do áp lực cao của đất và tại chỗ đó đạt đến ứng suất biến dạng phá hoại do khai đào và do xuất hiện

sự giải phóng năng lượng biến dạng đàn hồi một cách bất thình lình

6 Đất đá có nhiệt lượng cao, mạch nước nóng, khí độc, các kim loại nặng

Các kiểu đất đá này nằm trong vùng nhiệt dịch biến đổi, đới vò nhàu, đá xâm nhập và tầng chứa dầu, than hoặc kim loại, v.v… Xác định điều kiện này trong

giai đoạn khảo sát sơ bộ

7 Đất đá chứa nước dưới đất Nước ngầm cách ly do sét ở các đứt gãy,

nước ngầm được giữ lại trong tầng đất đá không bền vững như là vật liệu từ nham thạch núi lửa, nước ở trong khe nứt và đới nứt nẻ, nước trong chỗ rỗng của

đá vôi và dung nham, có thể tạo ra một lượng nước chảy vào rất lớn bất thình lình gây đổ sập hoặc xói lở Việc khảo sát thực hiện chủ yếu bằng phương pháp khoan và khảo sát địa chất thủy văn dựa theo sự tham khảo những đề mục nêu trong vùng nứt nẻ và đất đá yếu chứa nước

Khi xây dựng công trình ngầm cần lưu ý đến những điều kiện đặc biệt sau:

1 Tầng đất đá phủ mỏng Ở tầng đất đá phủ mỏng đất đá thường là đất

mềm hoặc đá mềm vì vậy tác động vòm không dễ xảy ra Đất đá như vậy dễ bị

hư hại do lún đất đá trên mặt hay lún đất do đất đá bị tơi ra Cũng đã có những sự

cố về sự ổn định của gương và thành tường đường hầm Khi có một công trình

trên bề mặt thì phải tiến hành khảo sát để đánh giá độ lún và khu vực bị lún

2 Khi đường hầm xuyên qua khu vực đô thị Các đường hầm xây dựng ở

khu vực đô thị có nhiều hạn chế hơn so với các đường hầm xuyên núi vì các vùng xung quanh và điều kiện đất đá Trước đây, đường hầm xuyên dưới khu đô

thị được xây dựng chủ yếu bằng phương pháp đào mở hoặc phương pháp khiên chống, tuy nhiên gần đây áp dụng phổ biến hơn phương pháp đào hầm xuyên núi Cần phải khảo sát những điều kiện xung quanh như các công trình trên bề

mặt và cấu trúc ngầm dưới đất

3 Khi đường hầm xuyên dưới nước Khi xây dựng đường hầm xuyên dưới

nước như dưới đáy biển, đáy sông sẽ gặp nguy hiểm là ngập nước do một lượng nước khổng lồ chảy vào đường hầm, vì vậy cần khảo sát cẩn thận Các đề mục khảo sát địa chất đối với các đường hầm dưới nước không khác với các đường hầm dưới đất bình thường, nhưng bị hạn chế khi thực hiện do độ sâu của nước và các dòng chảy Không thể kiểm tra trực tiếp, và điều này còn bị ảnh hưởng bởi giao thông đường thủy và các điều kiện môi trường có thể hạn chế phương pháp

và mùa khảo sát

4 Giếng nghiêng và giếng đứng Khảo sát về giếng cũng tương tự như đối

với các bộ phận khác của đường hầm Biện pháp đối phó duy nhất với dòng nước chảy vào là thoát nước cưỡng bức, giếng bị ngập là điều nguy hiểm vì vậy cần

khảo sát tỉ mỉ để ước tính lượng nước chảy vào

5 Cửa hầm Xây dựng cửa hầm là một trong những công việc khó khăn

trong xây dựng đường hầm Điều kiện của cửa hầm trong các đường hầm luôn luôn khác nhau và đòi hỏi phải xem xét từng trường hợp Cần quan tâm đặc biệt đến cửa hầm có khả năng bị trượt lở đất hoặc mất ổn định mái dốc và tham khảo

mục 1) trên đây để khảo sát cẩn thận

6 Trường hợp có công trình xây dựng lân cận

Khi xây dựng công trình ngầm gần những công trình hiện tại cần phải nắm chắc đặc điểm của những công trình đó như điều kiện xây dựng, địa điểm, môi trường, đất đá, xây dựng từ khi nào, v v để đường hầm không ảnh hưởng đến các công trình đó

2.1.3 Khảo sát thủy văn

Mục đích khảo sát thủy văn là dự báo khả năng và lượng nước mặt và nước dưới đất chảy vào công trình ngầm, xem xét và đánh giá các vấn đề kế tiếp trong thiết kế và xây dựng và tác động đến môi trường xung quanh Thực hiện những đề mục khảo sát cần thiết vào những thời điểm thích hợp Khi thi công nếu có dòng nước chảy vào công trình thì những khó khăn trong xây dựng tăng

lên rất nhiều

1 Dự báo dòng nước chảy vào công trình ngầm Dòng nước chảy vào

được phân thành hai loại: dòng nước tập trung khi xây dựng và dòng nước ổn định sau khi xây dựng công trình Việc xác định các loại dòng nước, lượng nước

và khu vực có dòng nước chảy vào chủ yếu dựa vào cấu tạo của tầng chứa nước

và những đặc điểm của tầng đó như tính thấm và hệ số tích trữ, v v

2 Các v ấn đề cho thiết kế và xây dựng Dòng nước chảy vào đường hầm

không chỉ làm đảo lộn việc khai đào mà có thể gây sập gương và những điều tương tự, đây là điều quan trọng theo quan điểm an toàn khi xây dựng đường

hầm và đạt hiệu quả kinh tế Dòng nước chảy vào tập trung gây ra nhiều vấn đề

về thiết kế và xây dựng khi bắt đầu khai đào Cần xem xét các phương pháp phụ đối với thiết bị xây dựng, các phương pháp khai đào và xử lý nước ngầm bằng cách dự báo vị trí và lượng nước chảy vào trong giai đoạn chọn tuyến, thiết kế và

lập kế hoạch xây dựng Đo lượng nước chảy vào trong khi xây dựng, phân tích

và so sánh với giá trị dự báo Cũng cần tiếp tục quan sát sau khi xây dựng xong

để bảo dưỡng đường hầm

Sau đây là những vấn đề dự kiến trong thiết kế và xây dựng đường hầm: i) Sự ổn định của gương, đặc biệt là sập gương, và xói lở cát trong đất

v) An toàn xây dựng: lũ lụt phá hủy nền đường;

vi) Sụt giảm chất lượng và bảo dưỡng; xói lở vật liệu chèn lấp hoặc cát

do nước chảy vào và nước rò Sự xói mòn đất đá phía dưới vòm ngược

hoặc nền đường bê tông Sự phá hủy bê tông do nước axit, mạch nước nóng, v v ảnh hưởng trực tiếp đến công trình do mực nước ngầm thay đổi không bình thường vì mưa nhiều hoặc điều chỉnh chế độ bơm nước

3 Tác động đến môi trường xung quanh Tác động của dòng nước chảy vào

đường hầm đến các công trình nước xung quanh trở thành một vấn đề xã hội

quan trọng về mặt bảo vệ mơi trường Dịng nước chảy vào tập trung gây ra tác động tạm thời, cịn tác động chính đến mơi trường xung quanh là do dịng nước

chảy vào ổn định Vì vậy cần ước tính và đánh giá mức độ của tác động này như

sự thiếu hụt nước trong các giai đoạn chọn tuyến, thiết kế và lập kế hoạch xây

dựng Cần chuẩn bị các biện pháp đối phĩ kể cả việc chuyển đường hầm đi nơi khác Cần xác định sự cân bằng nước vào – nước ra kể cả dịng nước vào đường

hầm trong và sau khi xây dựng Cần làm sáng tỏ mối quan hệ nhân quả giữa việc xây dựng và tác động lên mơi trường xung quanh Nếu cần thiết thì thảo luận và

đưa ra các biện pháp đối phĩ để ngăn ngừa sự gia tăng mức độ của tác động này

Sau đây là những hiện tượng cần xem xét liên quan đến tác động mơi trường:

i) Giảm hoặc thiếu nước; nước sơng, nước ngầm, nước chảy vào, nước tưới;

ii) Lún đất đá; biến dạng các cơng trình, lún bề mặt, lún đất đá;

iii) Thay đổi chất lượng nước; nhiễm bẩn nước mặt hoặc nước ngầm (nhiễm bẩn do phương pháp cách ly nước và thốt nước bên trong đường hầm), nước ngầm bị nhiễm mặn;

iv) Nước lạnh, nơng nghiệp bị hại vì nước lạnh;

v) Gián đoạn dịng nước ngầm; trở ngại do gián đoạn dịng nước ngầm

4 T ừng bước khảo sát thủy văn Các khảo sát thủy văn gồm những hạng

mục khảo sát địa chất thủy văn, khảo sát cân bằng nước vào – nước ra và khảo sát thủy văn mơi trường Một tổng thể gồm việc xem xét kết quả những khảo sát

vừa nêu, nghiên cứu tài liệu và kết quả khảo sát tình huống phải được thực hiện

để đưa ra những dự báo và những đánh giá khác nhau Trong bảng 2.5 giới thiệu

mục đích của các khảo sát khác nhau, nội dung và thời gian khảo sát

Bảng 2.5 Đại cương về khảo sát thủy văn Cạc

hảng

mủc

Mủc âêch cuía

khaío sạt

Đánh giá dòng

chảy và qui mô



Cấu trúc địa

Khoan khảo sát

Thí nghiệm Carota lỗ khoan

Kiểm tra chất lượng nước (hiện trường, trong phòng)



Ο

Ο

Δ Δ

Δ

Δ

Δ

Δ Ο

Thí nghiệm áp suất dòng nước, thí nghiệm phun nước

Thí nghiệm bơm, lỗ ngách ngang

Thí nghiệm theo dõi, hướng dòng và vận tốc

Thí nghiệm giảm độ sâu của nước

Δ

Δ

Δ

Δ Δ

Δ

Δ

Δ

Δ Δ

Δ

Δ

Δ

Δ Δ

Mực nước ngầm:giếng quan trắc, giếng đang tồn tại

Tốc độ bay hơi

Nước chảy vào hầm, ảnh hưởng đến sự thiếu nước

Sử dụng nước: cung cấp và thóat nước, nước công nghiệp và nông nghiệp

Phân tích bằng số



Ο Ο

Δ

Δ

Δ Δ

Ký hiệu:  cần phải thực hiện, Ο Được khuyến khích thực hiện, Δ Thực hiện khi cần thiết

2.1.4 Khảo sât câc điều kiện địa điểm xđy dựng

2.1.4.1 Khảo sât môi trường

Cần thực hiện những khảo sât câc điều kiện cơ bản liín quan đến môi trường tự nhiín, môi trường xê hội, môi trường sống của con người v v trong phạm vi khu vực có thể bị ảnh hưởng do việc xđy dựng vă trong thời kỳ sử dụng sau đó

Nhằm mục đích bảo vệ môi trường vă kiểm soât ô nhiễm, phải tiến hănh khảo sât

để tìm đủ câc biện phâp bảo vệ sao cho việc xđy dựng không gđy tâc động nghiím trọng đến môi trường sống của con người xung quanh địa điểm xđy

dựng Trong việc lập kế hoạch một dự ân, cần đânh giâ tâc động môi trường theo

luật phâp hoặc quy định, phải dự bâo vă đânh giâ tâc động môi trường

Những vấn đề chính về môi trường trong xđy dựng đường hầm lă tiếng ồn,

xây dựng Người kỹ sư phải thực hiện khảo sát môi trường trước khi bắt đầu xây dựng, dự báo và đánh giá mọi tác động có thể có trong khi xây dựng và trong thời gian sử dụng sau đó và áp dụng các biện pháp phù hợp nếu có vấn đề Hơn nữa, người kỹ sư cũng phải tiến hành khảo sát môi trường trong khi xây dựng và trong thời kỳ sử dụng sau đó để hiểu việc xây dựng ảnh hưởng đến môi trường như thế nào

2.1.4.2 Kh ảo sát luật pháp và các quy định điều chỉnh dự án

Khi lập kế hoạch một dự án, phải nghiên cứu trước pháp luật và các quy định điều chỉnh dự án, nội dung của luật và quy định đó, các thủ tục, biện pháp

cần phải áp dụng, v v Tiến hành những nghiên cứu về yêu cầu đền bù để nhận đất cần cho dự án

Cần thực hiện những khảo sát địa hình, địa chất, thời tiết, các điều kiện sử

dụng đất, những tác động đến khu vực xung quanh và những đề mục khác cần để thu thập số liệu cho việc lập kế hoạch thiết bị ở bên ngoài, các khu vực thải đất

đá, v v

2.1.5 Các k ết quả khảo sát

Các kết quả khảo sát được hệ thống sắp xếp theo một hình thức cần thiết

có sự hiểu biết đầy đủ về mục đích, được sắp xếp và lưu trữ để có thể sử dụng trong những giai đoạn khác nhau của dự án Những kết quả khảo sát các điều kiện địa kỹ thuật được đánh giá tổng hợp và xếp hạng theo mức độ quan trọng để

có thể phân loại đất đá một cách đúng đắn theo mục đích sử dụng Cần đánh giá các tính chất của đất đá theo quan điểm địa kỹ thuật, sử dụng các kết quả khảo sát điều kiện dịa kỹ thuật để áp dụng thỏa đáng vào thiết kế và lập kế hoạch xây dựng Các kết quả khảo sát điều kiện địa kỹ thuật được tổ chức thành các mục như sau để dễ sử dụng trong các nghiên cứu về thiết kế và các phương pháp xây dựng:

i) Mục tiêu, địa điểm, phạm vi, phương pháp khảo sát và tên người chịu trách nhiệm;

ii) Mô tả sơ lược địa hình, và địa chất cùng với cấu tạo địa chất;

2.2.2 L ựa chọn kết cấu chắn giữ và kiểm tra chất lượng

Thông thường, có 3 giai đoạn trong thi công công trình ngầm:

a) Giai đoạn chuẩn bị: Xây dựng các công trình tạm để thi công công trình

ngầm, gia cường các móng kế cận và các công tác khác cần thiết để đảm bảo quá trình xây dựng sau đó được thuận lợi,

b) Giai đoạn cơ bản: xây dựng công trình ngầm và tất cả các công trình trên mặt đất cần cho khai thác công trình ngầm,

c) Giai đoạn kết thúc: tiến hành các công tác trang trí và lắp thiết bị, tháo

dỡ công trình và nhà tạm, khôi phục mạng lưới kỹ thuật đô thị và hoàn thổ

Kiểm tra chất lượng thi công công trình ngầm phải theo hồ sơ thiết kế và

gồm các quá trình kiểm tra địa kỹ thuật (địa chất công trình, địa chất thuỷ văn, địa sinh thái) khi xây dựng và kiểm tra chất lượng của vật liệu và kết cấu chống

- Điều kiện và khả năng thi công;

- Điều kiện môi trường, sinh thái, điều kiện khống chế biến dạng công trình lân cận ;

- Mức độ an toàn, thông qua việc chọn hệ số an toàn (tường tạm hay tường vĩnh cửu);

- Các yếu tố kinh tế

Phân tích toàn diện các yếu tố trên (có khi cả yếu tố phụ), dựa vào cấp an toàn của hố đào như nêu ở bảng 2.6, có thể chọn lựa kết cấu chắn giữ theo các nguyên tắc sau:

(1) Trong điều kiện bình thường thì cấu kiện của chắn giữ hố đào (như tường chắn, màn chống thấm và neo) không được vượt ra ngoài phạm vi vùng đất được cấp cho công trình, nếu không, phải có sự đồng ý của các bộ phận chủ

quản sở hữu (Trung ương hoặc địa phương) hoặc của chủ đất kế cận;

(2) Cấu kiện của kết cấu chắn giữ thành hố đào không làm ảnh hưởng đến

việc thi công bình thường các kết cấu chính của công trình