Tổng quan về thi công công trình Ngầm

công trình ngầm, thi công công trình ngầm, xây dựng công trình ngầm, thi công đào hầm.

3- Chương 3.Tổng quan phương pháp, công nghệ thi công xây dựng công trình ngầm 3.1 Khái quát Với nhu cầu xây dựng công trình ngầm nói chung công trình ngầm thành phố nói riêng ngày nhiều, đặc biệt nước công nghiệp phát triển, hàng loạt giải pháp kỹ thuật hình thành hoàn thiện tùy theo điều kiện, yêu cầu thi công theo trình độ phát triển khoa học kỹ thuật Với tiến khoa học kỹ thuật trình độ công nghệ cho phép thi công xây dựng công trình ngầm điều kiện địa chất môi trường khác Nói chung, công nghệ thi công công trình ngầm phong phú đa dạng, chúng tổ hợp linh hoạt nhiều giải pháp kỹ thuật sơ đồ công nghệ khác Tên gọi phương pháp công nghệ thi công công trình ngầm có nhiều xuất xứ khác nhau, theo nơi phát triển công nghệ hay phương pháp, theo giải pháp kỹ thuật phổ biến nhiều thói quen Vì vậy, người thiết kế thi công linh hoạt lựa chọn phương pháp thi công, giải pháp kỹ thuật xử lý tình xảy ra, sở hiểu biết rõ ràng, đầy đủ yếu tố, khâu kỹ thuật quan trọng công nghệ thi công Theo vị trí không gian thi công kết cấu công trình ngầm phân phương pháp thi công vào hai nhóm phương pháp thi công lộ thiên phương pháp thi công ngầm Đặc điểm phương pháp thi công lộ thiên phần hay toàn kết cấu công trình ngầm thi công xây dựng hay lắp dựng lộ thiên (lộ mặt đất) Trong kết cấu công trình ngầm, thi công phương pháp thi công ngầm, lắp dựng ngầm lòng khối đất/đá 3.2 Phương pháp thi công lộ thiên Có thể nói rằng, phương pháp thi công lộ thiên phát triển mạnh hoàn chỉnh công nghệ, đời sau phương pháp thi công ngầm Các phương pháp thi công lộ thiên khác phương thức, tiến trình công việc phân nhóm khác tùy theo tiêu chí phân nhóm Chẳng hạn, theo đặc điểm công nghệ thi công phương pháp thi công lộ thiên phân thành ba nhóm (Hình 3-1): • phương pháp thi công hở • phương pháp hạ dần • phương pháp hạ chìm NQP/XDCTN/1999 3- Phương pháp thi công lộ thiên Phương pháp thi công hở Phương pháp hạ dần Phương pháp hạ chìm Hình 3-1 Các phương pháp thi công lộ thiên Đặc điểm phương pháp thi công hở kết cấu công trình ngầm lắp dựng hào, hố đào hở phần hay toàn phần Phương pháp hạ dần (cũng gọi hạ đoạn) có đặc điểm toàn kết cấu lắp dựng vị trí thi công ‘hạ dần ‘ vào lòng đất Bằng phương pháp hạ chìm kết cấu công trình ngầm lắp dựng mặt đất dạng hộp nổi, sau kéo đẩy mặt sông, hồ, biển hạ chìm dần vào vị trí thi công chuẩn bị sẵn, tạo thành công trình ngầm nằm đáy sông, hồ, biển dạng ‘cầu chìm’ nước Theo trình tự hay thứ tự thi công phương pháp lại phân ba phương thức khác nhau, cụ thể là: Phương thức 1: Theo phương thức công trình ngầm hoàn công theo trình tự sau: từ mặt đất tiến hành đào hào hay hố thi công, tiếp tiến hành lắp dựng kết cấu công trình ngầm hào, hố đào sau lấp lại vật liệu lấp phủ Sơ đồ thi công thể hình 3-2a Tuỳ thuộc vào đặc điểm học, địa chất khối đất, thành hào nghiêng thẳng đứng cần không cần phải chống giữ Tùy theo điều kiện địa chất, địa hình kích thước công trình, kết cấu chống giữ thành hào sử dụng tường cọc-ván ép, tường cọc cừ (tường cừ), tường cọc khoan (tường cọc khoan nhồi) tường hào (tường hào nhồi) bê tông bê tông cốt thép Các tường bảo vệ gia cố thêm neo, khoan phun ép (khoan phụt), kích chống, văng, giằng Cọc cừ tháo rút để sử dụng tiếp Còn trường hợp sử dụng tường cọc khoan nhồi hay tường hào nhồi, kết cấu phía đáy công trình ngầm thường liên kết với tường tạo thành phận kết cấu công trình ngầm (đặc biệt gặp nước ngầm) Phương thức thường gọi phương thức tường - (sau lĩnh vực xây dựng dân dụngở số nước phát triển tiếpphương thức xây dựng tầng hầm nhà cao tầng lấy tên phương pháp bottom-up hay thi công từ lên) NQP/XDCTN/1999 3- Phương thức 2: Theo phương thức hào thi công không cần đào cần đào đến độ sâu định để tháo dỡ, di chuyển tạm hệ thống cống rãnh, cáp ngầm (nếu có) Tiếp tiến hành thi công tường cọc khoan nhồi hay tường hào nhồi đến độ sâu dự định (thông thường đến tầng đất cách nước) Công đoạn đổ bê tông công trình ngầm (dạng vòm hay phẳng), lắp ghép panen đúc sẵn phủ lớp ngăn cách, chống thấm Các công việc lại thực ngầm lòng đất bao gồm đào bốc đất, xây dựng công trình ngầm, công tác kỹ thuật khác Với trình tự phương thức gọi phương thức tường - (Hình 3-2b) a)Phương thức 1: Chống đỡ thành hào, hố đào Vật liệu lấp đầy Đào, bốc đất Bê tông Lắp dựng kết cấu công trình b) Phương thức 2: CTN Thi công hào Thi công tường nhồi Lắp dựng CTN Phương thức 3: c) Phương thức hạ dần (caisson) Hào thi công Kết cấu CTN (caisson) Đào, đổ bêtông d) Phương thức hạ chìm xàlan xà lan vỏ hầm CTN Buồng công tác (đào, xúc đất, cát) hào đào trước hạ chìm Hình 3-2 Các phương thức thi công lộ thiên NQP/XDCTN/1999 3- Phương thức thi công sử dụng có hiệu giới trường hợp thi công dọc theo đường phố chật hẹp yêu cầu giải tỏa giao thông nhanh, không cho phép để đường phố trạng thái bị đào bới kéo dài Sau lắp dựng xong panen nóc, đổ bê tông hoàn thiện trạng thái đường phố, giao thông phố lại hoạt động bình thường không gây ảnh hưởng đến công tác thi công Bằng cách xây dựng công trình có nhiều tầng lòng đất với thời gian thi công dài mà không gây cản trở đến hoạt động bình thường mặt đất Phương thức gọi topdown xây dựng dân dụng Phương thức thứ 3: Theo phương thức toàn hay đoạn kết cấu công trình ngầm lắp dựng hoàn toàn mặt đất Sau đoạn kết cấu hạ dần vào lòng đất song song với việc đào xúc đất gầm kết cấu ( phương thức caissonhay hạ dần: Hình 32c) dạng " hộp nổi" kéo đẩy mặt sông, biển hạ chìm dần vào hào thi công đào bốc sẵn (phương thức hạ chìm: Hình 32d) Tiến kỹ thuật cho phép thi công phương pháp lộ thiên điều kiện địa chất công trình, địa chất thuỷ văn phức tạp đến độ sâu lớn Các tường cọc khoan nhồi tường hào nhồi đạt đến độ sâu >50m, nhiên phổ biến độ sâu khoảng 12 đến 20m Độ sâu giới hạn phụ thuộc tiềm lực kinh tế kỹ thuật nước bị chi phối chủ yếu ba yếu tố là: • Chất lượng vật liệu xây dựng sẵn có • Chất lượng khả máy thi công có • Giá thành vật liệu xây dựng trang thiết bị kỹ thuật cần thiết Trong nhóm kể đến, phương pháp thi công hở phương pháp sử dụng phổ biến Trong phương pháp thi công hở có hai yếu tố quan trọng là: ƒ Hào hay hố đào với giải pháp phương tiện bảo vệ; ƒ Kết cấu công trình ngầm Thành hào hay hố đào bảo vệ phương tiện giải pháp khác nhau, tuỳ thuộc vào điều kiện thi công cụ thể Dựa vào phương thức bảo vệ, hay giữ ổn định hào phân nhóm phương thức thi công hình 3-2 Khi thi công theo phương thức hở phải đặc biệt ý đến điều kiện đất mực nước ngầm chúng có ảnh hưởng đến độ ổn định thành hào Phương thức thi công hở đặc trưng việc giới hoá cao trình thi công, cho khả áp dụng kết cấu kiểu công nghiệp hoá, máy làm đất thiết bị nâng hạ có công suất lớn Tuy nhiên việc đào hố móng đoạn dài gây gián đoạn giao thông thời NQP/XDCTN/1999 3- gian thi công Do đó, phải đưa giải pháp thi công đồng bộ, hiệu quả, rút ngắn thời gian thi công, giảm giá thành để tăng tính khả thi phương pháp Nói chung, phương pháp thi công lộ thiên phương pháp thi công cần chi phí thấp hơn, thực đơn giản rủi ro so với phương pháp thi công ngầm Tuy nhiên, phương án đòi hỏi trường thi công phải trống vắng; diện tích công trường phải đủ rộng (đặc biệt có điều kiện áp dụng phương thức với thành hào không cần chống, bờ dốc nghiêng); phải thực công việc tháo dỡ, chuyển dời, lắp dựng lại hệ thống cống rãnh, cáp, gây ảnh hưởng đến sinh hoạt bình thường; gây ách tắc giao thông thi công dọc đường phố; gây ô nhiễm môi trường, liên quan với việc đào bốc đất đá, vận chuyển đổ thải tạm, làm thay đổi động thái nước ngầm, chí gây nhiễm bẩn Phương pháp thi công hở Để bờ dốc (thành hào nghiêng) Bờ dốc gia cố Khung chống Thành hào thẳng đứng, có tường bảo vệ Bờ dốc tự nhiên Tường thu hồi Tường cọc-ván Neo, chốt Tường cừ Tường bảo vệ phận kết cấu công trình Tường hào nhồi Tường cọc khoan nhồi Các giải pháp gia cường, tăng sức Hình 3-2: Phương thức đào bảo vệ hào phương pháp hở 3.3 Phương pháp thi công ngầm Để xây dựng công trình ngầm phương pháp thi công ngầm có hàng loạt phương thức khác phát triển, phân loại, xếp nhóm theo tiêu chí khác Có thể nói rằng, công nghệ thi công tổ hợp yếu tố, giải pháp kỹ thuật sau: • Phương pháp kỹ thuật đào hay tách bóc đất đá, NQP/XDCTN/1999 3- • Phương pháp kỹ thuật bảo vệ (chống tạm) thi công; • Sơ đồ đào hay sơ đồ thi công gương Đào hay tách bóc đất đá khâu công tác quan trọng, nhằm tách phần đất đá định khỏi khối nguyên hay vỏ trái đất để có khoảng không gian ngầm theo yêu cầu Cho đến có nhiều phương pháp tách, phá đất/đá phát triển, áp dụng ngày hoàn thiện, với phạm vi áp dụng khác Không kể phương pháp thủ công, tập hợp phân nhóm phương pháp tách phá đất/đá theo loại khối đất/đá bảng 3-1 Bảng 3-1: Các phương pháp thi công đào hầm (tách bóc đất/đá) Đá rắn cứng Đá bở rời/đất Độ bền Độ bền Độ bền Đất dính Đất rời Đất chảy cao trung bình thấp Khoan-nổ mìn Máy đào toàn gương (máy khoan hầm (Tunnel Boring Machine-TBM), Máy đào phần gương, máy cắt phần (Roadheader-RH), máy xới Đào máy đào xúc, xúc bốc, Máy khiên đào (Shild Machine - SM) Đào rửa lũa (sức nước, khí nén) Trong phương pháp đó, phá tách đá khoan-nổ mìn đào máy đào phần gương, máy cắt phần hay máy đào lò (Roadheader-RH), giải pháp sử dụng rộng rãi, gọi phương pháp đào, phá thông thường (Hình 3-3) Tuy nhiên, ngày nhờ tiến lĩnh vực phát triển vật liệu mới, tiến kỹ thuật khí kết nghiên cứu lĩnh vực học đá, nên đời công cụ phương tiện phá vỡ đá tốt hơn, cho phép mở rộng phạm vi ứng dụng phương pháp đào, phá đá Cũng có nhiều dự án nhằm phối hợp phá đá nguyên lí cơ, nhiệt hóa học Khi thi công xây dựng công trình ngầm xảy cố khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện địa chất, địa học cụ thể khối đất/đá khu vực bố trí công trình Trong bảng 3-2 3-3 giới thiệu khả cố xảy giải pháp bảo vệ để ngăn chặn cố NQP/XDCTN/1999 3- Các phương pháp thi công ngầm Phương pháp thi công máy Phương pháp thi công thông thường khoannổ mìn máy đào xúc, máy xới máy đào lò RH máy khoan hầm TBM hở có khiên máy khiên đào SM đào toàn gương đào phần gương Hình 3-3 Phân nhóm cách gọi phương pháp thi công Bảng3-2 Các dạng cố xây dựng công trình ngầm đá Hiện tượng Hậu Giải pháp Sơ đồ cố Tróc vỡ đá Nguy hiểm cho Bêtông phun, lưới người máy thép móc Sập lở khối nứt; vùng phá hủy Áp lực dịch chuyển, biến dạng Áp lực trương nở có sét, anhydrit Thấm, bục nước khe nứt hở Thoát khí Vùi lấp người máy móc Neo hệ thống, vòm bê tông phun, lưới thép bê tông phun; khung chống Thu nhỏ tiết Đào tăng tiết diện, diện hoá tạo khả biến dẻo dạng, kết cấu chống linh hoạt, có khả mang tải cao Thu nhỏ tiết Ngăn cách nước, diện Tăng khả Như mang tải kết cấu chống Giảm khả Bơm, tháo khô; tính chịu cắt đá; toán hệ thống phòng Phá huỷ nước nước Nổ khí, khí Thông gió tốt, nguy hại phương tiện đo, dự báo khí NQP/XDCTN/1999 kích ép ống, đào hầm nhỏ 3- Bảng 3-3: Các dạng cố gặp đào CTN đất Hiện tượng Hậu Giải pháp Sơ đồ Tróc lở đất, Vùi lấp người, Kết cấu khung, đá rời máy móc lưới thép, bê tông phun Mất ổn định Vùi lấp người, Sử dụng gương đào máy móc giải pháp chống đỡ trước Sập lở đến Gây gián đoạn thi Phối hợp giải pháp nêu mặt đất công, tác động đến mặt đất Lắp dựng Lún mặt đất Trên mặt đất: xuất vết nứt; nhanh kết cấu Nhà, tuynen: nứt chống có khả chịu tải nẻ, sập đổ Sử dụng biện Thấu kính Nguy hiểm cho cát người, máy móc; pháp giảm tải, Gây ổn định bêtông phun, khoan phun Gây sụt lún, tác Đóng cọc, ván Phá huỷ động bất lợi đến thép, cọc nhồi nền, phần giai đoạn thi phun tia, chân vòm công sau, sập lở neo chốt phần vòm Nén ép chân Nguy hiểm cho Rút ngắn người, máy móc; độ thi công gây ổn định theo trục hầm Trong bảng 3-4 tổng hợp sơ khả sử dụng loại vật liệu kết cấu chống cho chức bảo vệ thi công công trình ngầm tùy theo điều kiện khối đá Đương nhiên khối đá rắn cứng ý đến mức độ nứt nẻ Có nhiều cách phân loại khối đá cho phép lựa chọn kết cấu bảo vệ ý nhiều yếu tố Tuy nhiên, thực tế, cấu trúc khối đá (đặc trưng có mặt mặt phân cách, mức độ nứt nẻ), cách xem xét đơn giản cho phép có sở lựa chọn sơ loại hình chống tạm, hay bảo vệ Ngoài ra, giải pháp khác thường lựa chọn tùy theo yêu cầu hay mục tiêu riêng, nhiệm vụ chung, nảy sinh từ điều kiện cụ thể Bảng 3-5 ví dụ cho trường hợp NQP/XDCTN/1999 3- Bảng 3-4: Các giải pháp bảo vệ hay chống tạm Đá rắn cứng Đá bở rời/đất Nứt nẻ Nứt nẻ trung bình Nứt nẻ mạnh Nứt nẻ mạnh giảm bền Đất dính Đất rời Đất chảy Bêtông phun Lưới bảo vệ Neo Khung thép Ván/tấm chèn Cắm cọc Ván thép Ô bảo vệ ống thép Ô bảo vệ khoan phun áp lực cao Bảng 3-5: Phạm vi áp dụng giải pháp đặc biệt tùy theo yêu cầu bảo vệ riêng, đặc biệt Yêu cầu Chống đỡ (ổn Bảo vệ Giảm Chống định) gương công trình thiểu lún xâm nhập Các giải pháp đào ngầm sụt nước Sơ đồ có nhân đỡ Neo, cược gương Cắm cọc Ép ván thép Vòm, ô bảo vệ ống, khoan phun ép Gia cố đất Đóng băng Sử dụng khí nén Công nghệ thi công thường mô tả theo hai yếu tố là: • sơ đồ đào hay phương thức đào • sơ đồ thi công hay phương thức thi công Nếu sơ đồ đào phản ánh trình tự hay phương thức khai đào gương đào (hay mặt cắt ngang công trình) sơ đồ thi công biểu thị phương thức phối hợp công tác, kỹ thuật thực dọc theo trục thi công công trình ngầm (hay mặt cắt dọc công trình) Theo phương thức khai đào gương phân hai nhóm đào toàn gương đào chia gương Đào toàn gương Nếu trước đào toàn gương hiểu đào đồng thời toàn mặt cắt gương mặt phẳng, ngày hiểu theo nghĩa rộng hơn, cụ thể là: NQP/XDCTN/1999 3- 10 ¾ đào đồng thời tòan gương mặt phẳng, nổ mìn toàn gương, khoan toàn gương máy TBM, máy khiên đào, máy khoan hầm nhỏ (microtunneling) (hình 1-3); ¾ đào toàn gương phân bậc ngắn, sau chống tạm toàn vùng đào đồng thời, ví dụ khoan nổ mìn, hay đào cắt máy bậc ngắn (hình 1-4) Trường hợp sau thường áp dụng, điều kiện khối đá cho phép đào toàn gương, khả trang thiết bị thi công hạn chế Đào toàn gương Hình 3-3: Khoan-nổ mìn đồng thời toàn gương Hình 3-4: Đào toàn gương, chia bậc ngắn, chống tạm sau đào xong mảng 1,2,3,4 Đào toàn gương hay toàn tiết diện công trình ngầm phương pháp thông thường (khoan-nổ mìn, máy đào lò, máy đào xúc) định ba yếu tố: 1.Thời gian tồn ổn định không chống khối đá, mối liên quan với kích thước hình dạng công trình, phải đủ lớn 2.Nhu cầu thời gian lắp dựng kết cấu bảo vệ phải phù hợp với thời gian ổn định không chống, theo nguyên tắc phương pháp thi công đại Nếu khối đá có thời gian tồn ổn định không chống đủ NQP/XDCTN/1999 3- 11 lơn, hay khối đá ổn định, không cần thiết lắp dựng kết cấu chống tạm Tuy nhiên trường hợp cần thiết phải ý đảm bảo an toàn cho người 3.Các trang, thiết bị xe khoan sàn công tác, máy đào lò, máy phá đá máy xúc bốc, vận chuyển phải có công suất khả tiếp cận đủ lớn, để đảm bảo trình tự tốc độ thi công điều kiện cho Hiện với thiết bị đại, kích thước tiết diện đào không nên nhỏ 5m2 Kích thước nhỏ cản trở người thiết bị làm cho chi phí cao, khối lượng đào chống bảo vệ nhỏ Các ưu điểm sơ đồ đào toàn gương là: • Toàn công tác thi công đào cho toàn gương thực chu kỳ, không gây nên biến đổi học nhiều lần Như khối đá “bảo dưỡng” tốt hơn; • Tại gương đào có khoảng không gian trống, cho phép sử dụng biện pháp có mức độ giới hóa cao cho trình nổ mìn • Mức độ giới hóa cao tạo chu trình thi công liên tục, làm giảm thời gian thi công, bảo vệ khối đá thông qua khả hạn chế ảnh hưởng yếu tố thời gian đến công tác chống tạm • Thi công toàn gương không gây tác động ảnh hưởng hay chi phối lẫn công đọan, theo dõi bao quát dễ tổ chức tốt công tác thi công Đương nhiên bên cạnh ưu điểm có nhược điểm định: • Do mở khoảng trống có tiết diện tương đối lớn, thường chưa chống tạm, bảo vệ được, nên hình thành mối nguy hiểm lớn, điều kiện có biến động đáng kể điều kiện địa chất, địa học biểu khối đá • Thi công toàn gương với mức độ giới hóa cao làm hạn chế tính linh hoạt công tác thi công, cụ thể khó khăn phải chuyển sang đào chia gương ngay, trường hợp cần thiết Đào chia gương Việc chia gương đào, gặp tiết diện lớn, trước chủ yếu khả điều khiển khối đá bị hạn chế Với loại vật liệu chống tạm thời đó, chủ yếu khung gỗ hộp hay khung đánh khuôn, cho phép đào với tiết diện nhỏ Ngày việc chia tiết diện gương chịu định việc sử dụng kinh tế trang thiết bị thi công Đương nhiên đào chia gương có nghĩa công tác chống tạm phải công tác đào Đặc điểm thi công đòi hỏi chi phí cao, chịu ảnh hưởng mạnh khối đá, làm cho trình biến đổi học lại bị thay đổi liên tục, gây nên trạng thái tơi rời làm tăng áp lực tác dụng lên kết cấu bảo vệ NQP/XDCTN/1999 3- 12 Ba nguyên nhân dẫn đến phải đào chia gương là: Thời gian tồn ổn định không chống khối đá không đủ lớn để đào toàn gương 2.Nhu cầu thời gian để lắp dựng kết cấu bảo vệ đào tòan gương không tương xứng với thời gian ổn định khối đá (mối quan hệ với thời gian tồn tại, độ thi công) 3.Các trang thiết bị, xe khoan sàn công tác, máy đào lò máy cắt , không bao quát toàn tiết diện (tiết diện đào lớn so với lực thiết bị thi công); máy xúc bốc công suất hợp lý cho toàn chu kỳ đào, phải chia gương Việc chia gương thường bị chi phối điều kiện địa chất, địa chất thuỷ văn địa học Do tính chất phức tạp đa dạng khối đá bố trí công trình nên có nhiều phương pháp hay phương thức thi công phát triển Trong xây dựng công trình ngầm thường nói đến : • phương pháp cổ điển hay kinh điển • phương pháp đại Thực tế phương pháp đại cải thiện hoàn chỉnh theo phát triển kỹ thuật vật liệu theo kinh nghiệm đúc rút từ thực tế thi công kỹ sư Chẳng hạn thời kỳ đầu vật liệu sử dụng chủ yếu cho kết cấu chống gỗ gạch, đá Thép bê tông xuất muộn Tuy nhiên sở tài liệu kinh điển cho thấy nguyên lí xây dựng công nghệ xây dựng công trình ngầm ngày hình thành sớm Các phương pháp hay phương thức cổ điển thường gắn liền với kết cấu cố định tường xây Nhược điểm phương pháp thể khả tiếp xúc với khối đá Thông thường sau thi công tường xây, khoảng trống khối đá tường xây “lấp đầy” nhiều hay (không hoàn toàn) Công việc thực thi khó khăn khoảng không gian chật hẹp Trong thực tế nhiều kết cấu chống tạm không rỡ bỏ triệt để, hình thành khoảng trống sau kết cấu cố định Các khoảng trống tích lũy nước ngầm với vật liệu bị kéo theo từ khe nứt gây tác động phá hoại công trình ngầm sau xây dựng Ngoài nguyên nhân làm cho khối đá tiếp tục dịch chuyển tơi rời, tạo nên áp lực đá Điều thể qua giả thuyết tính toán áp lực vào thời kỳ Khoảng cuối thể kỷ 19, bê tông sử dụng làm kết cấu bảo vệ cố định Cũng nhờ tác động phá hoại khoảng trống phía phần loại trừ Sự phát triển không ngừng trang thiết bị khoan, nổ mìn, xúc bốc, vận chuyển công tác đo đạc, quan trắc góp phần rút ngắn thời gian thi công cần thiết Nhờ dịch chuyển khối đá NQP/XDCTN/1999 3- 13 hạn chế Và kết cấu bảo vệ giảm kích thước (nhẹ hơn) chi phí Với bê tông phun vật liệu kết cấu bảo vệ tạo nên bước tiến mới, hình thành liên kết toàn phần khối đá kết cấu chống tạm Ảnh hưởng yếu tố thời gian, liên quan với phát triển áp lực thời gian tồn ổn định không chống khối đá, hạn chế cách Cũng nhờ trường hợp gặp khối đá xấu thi công đào toàn tiết diện So với phương pháp truyền thống, thực tiến lớn Tuy nhiên công đoạn thi công kết cấu khác chèn chám trước, lắp dựng lớp lưới thép thứ nhất, khung thép, phun, lắp lớp lưới thép thứ hai phun tiểm ẩn khả chưa cho phép hạn chế ảnh hưởng yếu tố thời gian Thêm vào bê tông phun đòi hỏi có thời gian đông cứng định Ngay sử dụng phụ gia đông cứng nhanh phải sau đến độ bền nén vỏ bê tông phun đạt khoảng 5N/mm2 Với bê tông phun sợi thép, kết hợp với khả tạo độ bền sớm cao, làm giảm ảnh hưởng yếu tố thời gian Bê tông phun sợi thép nghiên cứu áp dụng chắn cho dấu hiệu tốt xây dựng công trình ngầm Các phương thức thi công đại áp dụng theo nguyên tắc chia gương phương pháp thi công hầm áo (NATM New Austrien Tunneling Method), phương pháp đón đỡ Bỉ, phương pháp nhân dỡ Đức phương pháp dầm nóc, phương pháp thi công hầm NaUy Các phương pháp đào chia gương phổ biến là: a)Đào theo trình tự từ xuống • Theo hình 3-5 đường hầm có tiết diện không lớn; việc đào tách đá thực theo trình tự từ vòm, xuống thân đến nền; nhiên sau mảng đào kết cấu chống bảo vệ bê tông phun kết hợp với lưới thép thi công Máy đào hầm di chuyển hầm gia cố thực công tác đào Với kết cấu chống tạm bê tông phun tạo nhanh vỏ chống kín, nên phương thức phản ánh đặc điểm điển hình phương thức hay phương pháp thi công hầm Áo • Khi tiết diện công trình ngầm lớn, thường phải thi công chia gương, khối đá ổn định Một phương thức quen biết thi công đường hầm chia gương có đường dốc (hình 1-6) Theo phương thức phần vòm thi công tiến trước (hoảng 50m đến 100m), yêu cầu không gian thi công gương phần vòm tiếp cận nhờ đường dốc Vì kết cấu chống tạm hay bảo vệ phần vòm phải nhận tải khoảng thời gian dài, kết cấu lắp dựng sau đó, vậyphương thức thường coi phương thức đón đỡ, đặc biệt vỏ chống NQP/XDCTN/1999 3- 14 tạm phần vòm lại nới rộng gia cố phía chân (hình 1-7) Và việc thi công phần vòm đào mảng hai bên sườn phương thức thi công thực tương tự phương pháp đón đỡ cổ điển Bỉ (đương nhiên kết cấu chống tạm có bê tông phun không loe chân vòm, nhiều coi nlà NATM hình 3-6) Đào phần vòm Neo Đào phần thân Đào phần Cống thoát nước Bê tông phun Khung thép Bê tông Hình 3-5 Thi công đường tàu điện ngầm theo NATM neo hệ thống Mặt cắt dọc đường dốc, Mặt cắt B-B Mặt cắt C-C đổi bên Mặt cắt A-A Hình 3-6 Thi công chia gương có đường dốc NQP/XDCTN/1999 3- 15 Hình 3-7: Thi công với kết cấu đón đỡ b) Đào với đường lò hai bên sườn Trên hình 3-8 cho thấy thi công đường hầm lớn bắt đầu đường lò hai bên sườn, có kết cấu bảo vệ bê tông phun Tiếp phần vòm đào lắp kết cấu chống bảo vệ Kết tiếp đào phần nhân phần nền, đồng thời dỡ bỏ kết cấu tường ngăn với đường lò hai bên sườn Phương thức thi công mang đặc điểm tương tự phương thức thi công cổ điển có nhân đỡ Đức Phương thức thi công triển khai theo nhiều phương án khác nhau, tùy theo diện tích tiết diện gương khả thi công, cụ thể: • tiết diện nhỏ, thi công với hai đường lò giao cắt để tạo nên toàn tiết diện đào; • thi công đường lò trước tiếp đường lò bên sườn (hình 3-9); • tiết diện lớn thi công với đường lò kết hợp với hai đường lò hai bên (hình 1-9) Hình 3-8: Thi công bắt đầu đường lò hai bên sườn Hình 3-9 Các phương án thi công có đường lò bên sườn NQP/XDCTN/1999 3- 16 c) Đào phối hợp, mở nhiều gương Phương pháp thường áp dụng thi công hầm, trạm tiết diện lớn (hình 3-10) Để đẩy nhanh tiến độ thi công, khối đá cứng rắn, ổn định, mở nhiều gương mức thi công khác Đương nhiên trường hợp cần đặc biệt phân tích ảnh hưởng lẫn trình thi công gương, không để rủi ro, tai nạn xảy Hình 3-10 Thi công phối hợp nhiều mức Như cách phối hợp ba yếu tố sơ đồ đào, phương pháp phá, tách bóc đất/đá (phương pháp đào) với phương pháp bảo vệ (bảng 3-6) hình thành nhiều phương pháp thi công khác Nói chung phương pháp thi công ngầm đa dạng loại hình, phương thức phối hợp công nghệ giải pháp riêng biệt theo kinh nghiệm đất nước, khu vực, tuỳ theo khả kinh tế tiến kỹ thuật NQP/XDCTN/1999 3- 17 Bảng 3-6 Các yếu tố phương pháp thi công Sơ đồ đào: phương thức tách bóc đá tiết diện (gương) định đào • Sơ đồ đào toàn gương • Sơ đồ đào chia gương Phương pháp đào hay tách bóc đất đá: tách bóc đất, đá khỏi khối đất, đá vỏ đất, tạo nên khoảng không gian cần đào • Khoan, nổ mìn; • Máy đào hầm, bao gồm máy đào toàn gương hay toàn tiết diện (máy khoan hầm Tunnel Boring Machine TBM) máy đào phần gương, hay đào phần tiết diện (thường gọi máy đào lò Road Header RH); • Đào máy xúc bốc; • Đào rửa lũa (sức nước, khí nén) Mục tiêu phương pháp bảo vệ hay điều khiển khối đất đá thi công • Chống đỡ bảo vệ thành hố đào, sườn đường hầm, công trình ngầm • Chống đỡ, ổn định gương đào, • Bảo vệ công trình ngầm • Giảm sụt lún • Chống xâm nhập nước Trên hình 3-11 giới thiệu sơ đồ tổng thể phương pháp thi công ngầm để thi công xây dựng công trình ngầm, hình 3-12 phương thức đào chống tạm áp dụng phổ biến thi công xây dựng công trình ngầm đất phương thức ngầm Trong bảng 3-7 tổng hợp phương pháp phổ biến đồng thời đánh giá, phân tích khả điều kiện áp dụng thích hợp, theo đặc điểm cụ thể công trình ngầm (hình dạng, kích thước), loại hình kết cấu chống giữ (kết cấu công trình ngầm: lớp, hai lớp), điều kiện địa chất thuỷ văn (nước ngầm, nước có áp), loại khối đất đá ( đá rắn cứng, đá mềm rời, đất) khả gây ô nhiễm môi trường thi công (thải bụi, khí độc, khả bảo vệ người lao động) Tên phương pháp thường gọi theo dấu hiệu đặc trưng phương pháp Khi thi công khối đá rắn cứng công việc quan trọng phải thực phá vỡ đá, tên gọi phương pháp phương thức phá vỡ đá (ví dụ khoan - nổ mìn) Khi thi công khối đất mềm, rời, chí ngậm nước việc quan trọng phải ngăn chặn tượng phá huỷ, sập lở, ụp bùn, nước; tên phương pháp gọi theo phương thức chống đỡ khối đất, đá xung quanh gương đào (ví dụ : phương pháp bê tông phun hay phương pháp đào hầm Áo, phương pháp máy khiên đào ) NQP/XDCTN/1999 3- 18 PHƯƠNG PHÁP NGẦM THI CÔNG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM Phương pháp khai đào Sơ đồ đào + Toàn tiết diện + Chia gương + Khoan nổ mìn + Máy đào hầm + Nén/kích ép ống ( vỏ chống ) PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ VÀ CHỐNG GIỮ Biện pháp thực trước đào + Các biện pháp gia cố, neo, ống, ván, khoan phụt, đóng băng +Khiên vòm lưỡi dao + Sử dụng khiên kín Biện pháp thực sau đào + Neo + Bêtông phun + Khung gỗ, thép + Vỏ bê tông đổ chỗ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP HIỆN HÀNH + Phương pháp thi công vòm chống lưỡi dao + Phương pháp khiên kín + Phương pháp Koler + Phương pháp thi công hầm Áo + Phương pháp xây dựng theo vành khuyên với kết cấu thép + Các phương pháp xây dựng kinh điển (nhân đỡ Đức, phương pháp đón đỡ Bỉ, Anh, Áo cũ) Hình 3-11: Sơ đồ tổng quát phương pháp thi công ngầm NQP/XDCTN/1999 3- 19 Phương pháp đào chống tạm đất phương thức đào ngầm Đất rời, không dính kết Đất dính đến cứng Thời gian tồn ổn định không chống ngắn Không thể hạ mực nước ngầm Máy khiên đào - Thuỷ lực - Khí nén - Áp lực đất Phương pháp đóng băng Thời gian tồn ổn định đủ lớn đến lắp kết cấu chống tạm Có thể hạ mực nước ngầm Không có nước ngầm Khiên hở sử dụng vỏ tuybing - Vòm lưỡi dao điều kiện áp lực bình thường - Khiên hở, khiên học Vỏ chống tuybing Phương pháp khoan phun Tạo ô bảo vệ ống thép Tạo ô bảo vệ phun tia (phun áp lực cao) Chèn nhói, đóng ván, cọc Phương pháp bê tông phun (NATM) có neo, lưới thép, khung thép Hình 3-12: Phương pháp đào chống tạm phương thức ngầm NQP/XDCTN/1999 3- 20 Bảng 3-7: Các phương pháp thi công ngầm-khả áp dụng Dấu hiệu xây dựng, môi trường Kích thước Phương pháp xây dựng Cố Thay định đổi Phương pháp đào thông dụng ( thông thường) Đá rắn cứng Khoan+nổ mìn Các đấu hiệu công trình ngầm Chiều dài Chống giữ Mức CTN độ Cố Thay Hai Một xác định đổi Ngắn Dài lớp lớp cao Hình dạng Nước ngầm (N) Nước có áp (CA) Không Có biện biện pháp pháp xử lý xử lý Tiếng ồn, dao động Môi trường Thải Khả khí, thải bảo vệ bụi người X X X X X X X X O NX CAX Nh Nh I X X X X X X X X X NX CAX I Nh I X X X X X X X X X NX CAX I I I Phương pháp vòm chống "lưỡi dao" X O X O - X X X X O CAX I I Nh Phương pháp "chống trước - đào sau" X X X X X X X O O O CAX I I Nh Máy khoan hầm TBM X O Tròn O - X X X X NX CAX I I Nh Máy khiên đào SM X O Tròn O - X X X X X X I I Nh Kích ép ống, cống X O Tròn O X - - X X X X I I Nh Nén ép trước X O X O X - O X X X X I I Nh X O Tròn O X O O X X X - I I Nh Máy đào phần RH Phương pháp bê tông phun Đá mềm / đất Phương pháp đào máy Đá rắn cứng Đá mềm / đất Máy đào nhỏ (micro) Khả áp dụng phương pháp: X - phù hợp tố O- không phù hợp, không thông dụng Mức độ tác động : I - ít, nhỏ Nh- nhiều, lớn Bê tông phun thực chất phương thức chống giữ, sử dụng độc lập kết hợp với kết cấu chống khác Tuy nhiên thực tế sử dụng bê tông phun trở thành giải pháp đặc biệt quan trong xây dựng công trình ngầm dân dụng, đặc biệt phương pháp đào hầm Áo Tuy nhiên, sử dụng bê tông phun kết hgợp với sơ đồ đào cổ điển, nên ngày phương pháp thi công có sử dụng bê tông phun đề nghị gọi phương pháp bêtông phun Nói chung phương pháp cho phép phối, kết hợp với phương pháp thi công đào khác khác Khái niệm "chống trước - đào sau" bao hàm loạt phương pháp thi công với việc áp dụng giải pháp chống đỡ thích hợp, có hệ thống trước đào Trong nhóm phải kể đến phương pháp cổ NQP/XDCTN/1999 3- 21 điển phương pháp đóng cọc ván gỗ, đóng cọc ván thép; phương pháp gia cố khoan phun xi măng, chất dẻo; phương pháp đóng băng, phương pháp tạo ô ống với sơ đồ thi công đa dạng Khoan phun đóng băng gọi giải pháp gia cố trước, thuộc vào nhóm phương pháp thi công đặc biệt Sau thực giải pháp này, công tác thi công phối hợp với phương thức khác phương pháp bê tông phun Phương pháp "vòm chống lưỡi dao" xem dạng đặc biệt phương pháp chống trước -đào sau Đặc điểm phương pháp sử dụng "vòm chống" thép, có luồn thép dạng lưỡi dao Trong trình thi công lưỡi dao ép, đẩy trước vào khối đất đá công tác đào thực vòm bảo vệ Vòm chống lưỡi dao có cấu tạo khiên (hay vỏ) bảo vệ, nên xếp vào nhóm phương pháp khiên đào Nếu thay đổi kích thước hình dạng công trình ngầm cách tuỳ ý theo nhu cầu thi công 'phương pháp thông thường hay thông dụng' khả linh hoạt không phương pháp thi công máy Do đặc tính kỹ thuật thi công nên máy đào bị hạn chế dạng tiết diện đào Vì ngày phát triển máy đào công trình ngầm tiết diện không tròn (ví dụ máy đào hầm đá rắn cứng hãng Wirth, dạng máy khiên đào liên kết nhiều đầu khiên đầu đào không tròn Nhật) Cả phương pháp "vòm chống lưỡi dao" không cho phép thay đổi hình dạng kích thước tiết diện đào công trình, lẽ đơn giản vòm chống có cấu hình xác định Phương pháp đào "micro" hay đào nhỏ mặt công nghệ kết hợp phương pháp ép đẩy hay kích ép ống, cống phương pháp máy khiên đào Phạm vi áp dụng hệ thống công trình ngầm có kích thước nhỏ, chẳng hạn cống dẫn nước, cống đặt cáp ngầm Khi xây dựng công trình ngầm thành phố phải đặc biệt quan tâm đến khả lún sụt bề mặt; mặt khác nước ngầm khu vực thành phố nguồn tài nguyên vô qúy sinh hoạt thành phố cần phải bảo vệ, tránh gây ô nhiễm Các kết tổng hợp bảng 3-6 cho thấy, để đáp ứng đòi hỏi thi công công trình ngầm phương pháp ngầm thành phố áp dụng phương pháp máy khiên đào, chống trước-đào sau, ép đẩy ống, cống nén ép trước Các phương pháp ép đẩy ống, cống nén ép trước thường thích hợp cho công trình có độ tương đối ngắn, đường hầm bộ, hành lang ga bố trí không sâu Tuy nhiên, nhờ tiến kỹ thuật điều khiển, phương pháp kích ép thi công công trình ngầm dài Phương pháp máy khiên đào áp dụng cho tuyến NQP/XDCTN/1999 3- 22 đường hầm dài Hiện giới xuất nhiều loại máy khiên đào khác tùy thuộc vào đối tượng tác động (đá hay đất) điều kiện thi công cụ thể bê tông phun lưới thép khung thép Xe tải đóng cọc, ván Máy xúc Máy đào lò neo Máy trộn bê tông Vữa ép lấp đầy Xe tải Máy xúc hạ Cẩu- ba lăng Toa xe chở vữa ép NQP/XDCTN/1999 Toa xe chở tuýp bing Máy khoan neo Băng tải Máy phun bê tông Máy khoan Kích đẩy Khớp Tay lắp tuýp bing Kích điều chỉnh Mâm cắt 3- 23 Neo, theo yêu cầu Khoan thăm dò Buồng điều khiển Máy phun bê Vị trí lắp vỏ Máy bơm vữa Đầu khoan Máy khoan lỗ neo tông tự động tuýp bing Khu vực cấp liệu Khu vực lắp kết cấu bảo vệ thứ hai Khu vực lắp kết cấu bảo vệ thứ Xây dựng công trình ngầm phương pháp lộ thiên Phương pháp hở tường- nóc, sử dụng tường hào nhồi, Đào hào, rãnh Đổ bê tông bentonit tường hào nhồi Đào xúc đến mức công trình, bảo vệ tường cừ lấp đầy cát khe chờ kết cấu 9,6 Dựng cốp pha, đặt cốt thép, đổ bê tông Đào xúc thổi hút điều kiện khí nén Hoàn thiện công trình 8,4 NQP/XDCTN/1999 3- 24 Thi công phương pháp tường (top-down) nhà ga tàu điện ngầm, tầng hầm nhà cao tầng 2) Thi công cộ chống bê tông phần 1) Thi công tường 4) Thi công cột đỡ sàn thứ 3) Đào đất 5) Thi công sàn thứ hai 6) Thi công sàn Phương thức tường (bottom-up) điều kiện có nước ngầm, (hoặc semi-top-down) 1)Thi công tường đất; đào xúc đến mực nước ngầm; thi công hệ văng NQP/XDCTN/1999 b) Đào đất mực nước ngầm; thi công hệ văng c) Chuẩn bị lớp bê tông 3- 25 4) Thi công NQP/XDCTN/1999 5) Bơm hút nước 6) Thi công hầm