3 4 thiết kế bê tông vỏ hầm

Kỹ sư thiết kế xem xét cẩn thận những điều kiện khác nhau để thiết kế bê tông vỏ hầm ví dụ điều kiện đất đá, điều kiện chịu tải, mức độ quan trọng của công trình vì bê tông vỏ hầm phục v

3.4 Thiết kế bê tông vỏ hầm ĐIỀU 57 Đại cương

Kỹ sư thiết kế sẽ thiết kế bê tông vỏ hầm để hoàn thành tốt mục đích dự

định về sử dụng đường hầm, đảm bảo sự an toàn và tính lâu bền

[Giải thích]

Kỹ sư thiết kế phải xem xét kỹ lưỡng độ bền của bê tông vỏ hầm để tránh sửa chữa sau này vì nói chung rất khó sửa chữa bê tông vỏ hầm khi đang sử dụng đường hầm Kỹ sư thiết kế xem xét cẩn thận những điều kiện khác nhau để thiết kế bê tông vỏ hầm (ví dụ điều kiện đất đá, điều kiện chịu tải, mức độ quan trọng của công trình) vì bê tông vỏ hầm phục vụ những mục đích sau:

(1) Khả năng sử dụng

i) Giảm rò rỉ nước (ví dụ nước ngầm) và tăng độ kín nước

ii) Cải thiện hiệu quả công việc kiểm tra và bảo dưỡng các đường hầm đang sử dụng

iii) Cải thiện hệ số độ nhám và hiệu quả sử dụng các đường hầm dẫn nước

iv) Đỡ các đường dây, đèn chiếu sáng và thiết bị thông gió ở cao trên đầu

(2) Đặc điểm về cường độ

i) Yêu cầu áp dụng lực hạn chế để cho đường hầm ổn định trong những trường hợp lớp bê tông vỏ hầm chưa ổn định được xây dựng với sự biến dạng

ii) Trong những trường hợp mà ngoại lực phát sinh do áp lực thủy lực hoặc do tải trọng sau khi xây lớp bê tông vỏ hầm, ngoại lực này sẽ do lớp bê tông vỏ hầm chống đỡ

iii) Tăng yếu tố an toàn cấu trúc khi có những yếu tố không biết chắc như tính không đồng nhất địa chất, chất lượng không đồng đều về khả năng chống đỡ của đất đá và neo đá bị ăn mòn

iv) Cải thiện độ bền cấu trúc do ngoại lực thay đổi, sự hủy hoại đất đá và vật liệu chống đỡ đường hầm đang sử dụng

Bê tông vỏ hầm có thể hoặc không thể cung cấp chức năng thiết kế động lực Khi bê tông vỏ hầm không cung cấp chức năng động lực thì bê tông vỏ hầm

được xây dựng để đạt được khả năng sử dụng như vừa nêu trên Thường xác định bề dày thiết kế tiêu chuẩn của bê tông vỏ hầm trong các đường hầm xuyên núi với giả thiết rằng ngoại lực phải phân bố

Bê tông vỏ hầm phân bố ngoại lực trong những trường hợp sau:

i) Khi tin rằng áp lực của đất và áp lực thủy lực tác dụng lên bê tông vỏ hầm

ii) Khi rung động do giao thông và tải trọng do thay đổi các điều kiện môi trường (ví dụ đào, đổ lấp) tác động lên đường hầm trong tương lai

iii) Khi cần phải xây bê tông vỏ hầm trước khi chuyển dịch của đất đá ổn định giống như ở đá trương nở

iv) Khi lập kế hoạch xây dựng một cặp đường hầm hoặc xây dựng ở vùng kế cận

Khi bê tông vỏ hầm cung cấp chức năng động lực thì bề dày, cường độ và số lượng bê tông cốt thép làm vỏ hầm thường được xác định bằng phép phân tích khung dựa trên phương pháp ứng suất cho phép và kỹ thuật thiết kế của phương pháp phần tử hữu hạn

Cần phải cải thiện chức năng của cấu trúc chống đỡ dựa vào sự gia cố bằng bê

tông cốt thép hoặc bê tông sợi thép, hoặc tạo mặt cắt ngang hầm kín bằng đổ bê tông vòm ngược, như vậy lớp bê tông vỏ hầm ở đó có cường độ cao để chống đỡ áp lực cao của đất đá (ví dụ do đất đá trương nở, áp lực của nước ngầm, áp lực không đối xứng của đất, v v )

Xem xét đổ bê tông vòm ngược trong những trường hợp sau:

i) Khi điều kiện đất đá xấu,

ii) Khi dự kiến tải trọng sẽ thay đổi trong tương lai,

iii) Khi có khả năng phải bơm nước đục,

iv) Khi các cửa hầm có thể bị tổn hại do áp lực không đối xứng của đất, tải trọng, động đất

Có thể phải dùng loại bê tông kín nước làm bê tông vỏ hầm khi mực nước ngầm có thể thay đổi do việc đào hầm gây ra dòng nước chảy vào và môi trường xung quanh chịu ảnh hưởng bất lợi do lún đất đá trên bề mặt Trong

trường hợp như vậy cần phải thiết kế bê tông vỏ hầm bằng cách xem xét kỹ lưỡng hình dạng, độ bền và các yếu tố khác để cho bê tông vỏ hầm có thể chịu tác dụng của áp lực thủy lực

ĐIỀU 58 Hình dạng của bê tông vỏ hầm

Kỹ sư thiết kế phải xác định hình dạng bê tông vỏ hầm để bảo đảm mặt cắt bên trong cần thiết, sự truyền lực dọc trục không bị gián đoạn và giảm đến tối thiểu sự uốn cong

[Giải thích]

Bê tông vỏ hầm có hình dạng thường gặp là kiểu vòm được đưa vào mặt cắt bên trong tại vị trí khai đào và được thiết kế với khả năng chịu tải phù hợp với tải trọng tác dụng là áp lực của đất

Khi bê tông vỏ hầm có các đường cong gấp hoặc các góc mà các điểm đặt lực dọc trục dịch xa trục của mặt cắt thì sự uốn cong tăng lên Vì vậy, người kỹ sư thiết kế phải xác định hình dạng của bê tông vỏ hầm sao cho các đường tròn, vòm và đường thẳng có cùng một đường tiếp tuyến chung tại các điểm kết nối Hơn nữa, phải tránh những phần thẳng nhưng quá dài, tải trọng tác dụng lên đó làm tăng độ uốn cong Cũng xem xét gia cố những phần nối với đường hầm đang hoạt động hoặc nơi giao nhau vì hình dạng tại đó khác với hình dạng điển hình của mặt cắt ngang H*.3.10 giới thiệu hình dạng của bê tông vỏ hầm theo tính chất

H*.3.10 Hình dạng của bê tông vỏ hầm tùy theo tính chất

Cường độ tổng thể của bê tông vỏ hầm không bị suy giảm tại nơi làm kho chứa hoặc tại một chỗ lõm để đặt thiết bị điện

ĐIỀU 59 Bề dày thiết kế của bê tông vỏ hầm

(1)Bề dày của đường thiết kế cho biết bề dày của bê tông vỏ hầm

(2) Kỹ sư thiết kế phải xác định bề dày của bê tông vỏ hầm tùy theo mục đích dự định của đường hầm có tính đến các điều kiện đất đá, kích thước và hình dạng của mặt cắt ngang, tải trọng tác dụng, vật liệu làm bê tông vỏ hầm, hiệu quả làm việc và các yếu tố khác

[Giải thích]

(1)

Kỹ sư thiết kế phải xác định đường thiết kế bề dày có chú ý đến bề dày

do chức năng của bê tông vỏ hầm, phương pháp xây dựng và các yếu tố khác

(2)

Bề dày thiết kế tiêu biểu thường được chấp nhận là 20 – 40 cm dựa trên kích thước của mặt cắt trong (nhưng trừ những điều kiện như đất đá rất không ổn định và khu vực gần cửa hầm)

Bê tông vỏ hầm có yêu cầu chịu tải lớn để hợp với điều kiện đất đá xấu,

ít đất đá phủ hoặc áp lực không đối xứng Trong những trường hợp như vậy áp lực của đất tăng lên, khi đó bề dày dễ dàng nới ra để cho mặt cắt đào mở rộng Hơn nữa, có thể đề phòng những vết nứt do uốn đơn giản chỉ bằng cách tăng bề dày của bê tông không có cốt thép có cường độ kéo thấp Do đó, người kỹ sư thiết kế sẽ thay đổi bê tông vỏ hầm để đạt được hình dạng có lợi về động lực hoặc chọn bê tông cốt thép hoặc bê tông sợi thép để tăng cường độ uốn

Bê tông vỏ hầm sẽ được thiết kế phù hợp với mức độ của những yếu tố như đường hầm có mặt cắt lớn và bằng phẳng, đường hầm ở đô thị hoặc nơi có kế hoạch xây dựng xung quanh đường hầm

ĐIỀU 60 Hỗn hợp bê tông làm bê tông vỏ hầm

Kỹ sư thiết kế sẽ lo liệu để cho hỗn hợp bê tông vỏ hầm đạt cường độ mong muốn, đủ tính lâu bền và hiệu quả làm việc tốt

[Giải thích]

Cường độ mong muốn của bê tông vỏ hầm thay đổi tùy theo những điều kiện như tính chất của đất đá, hình dạng bê tông vỏ hầm, kiểu hệ thống chống đỡ và tải trọng tác dụng lên bê tông vỏ hầm Cường độ quy định của bê tông thường điều chỉnh trong khoảng từ 18 – 24 N/mm2 trừ các trường hợp đặc biệt Thêm vào cường độ mong muốn đã nêu trên, kỹ sư thiết kế sẽ thiết kế hàm lượng đơn vị của xi măng, tỉ số nước – xi măng, độ sụt và các yếu tố khác có tính đến vật liệu sử dụng và điều kiện xây dựng Hơn nữa, nhằm bảo đảm hiệu

quả làm việc tuyệt hảo cần phải có loại hỗn hợp bê tông không thay đổi về khả năng bơm

Khả năng bơm bê tông là do khả năng làm việc và độ sệt chi phối, vì vậy phải thiết kế hỗn hợp bê tông vỏ hầm bằng cách xem xét khả năng tháo bê tông xác định dựa vào các yếu tố này, tỉ số nước – xi măng do cường độ xác định và giảm đến tối thiểu nhiệt tỏa ra do sự hydrat hoá Phải áp dụng những biện pháp đặc biệt chống lại ảnh hưởng bất lợi cho hỗn hợp bê tông do những yếu tố có hại như độ mặn và sinh vật hiện diện trong mạch nước nóng và đất đá gây ra

ĐIỀU 61 Các biện pháp đề phòng vết nứt trong bê tông vỏ hầm

Kỹ sư thiết kế vạch ra những biện pháp đề phòng sự hình thành vết nứt có hại trong bê tông vỏ hầm

[Giải thích]

Dễ dàng tạo ra vết nứt trong bê tông vỏ hầm do biến dạng vì quá tải hoặc

do ứng suất căng do co ngót bê tông (Ứng suất căng do co ngót bê tông được hạn chế chủ yếu bằng bê tông phun)

Các vết nứt trong bê tông vỏ hầm làm giảm mạnh cường độ và độ kín nước của bê tông vỏ hầm, ảnh hưởng bất lợi đến tính lâu bền, sự an toàn và những chức năng gốc của bê tông vỏ hầm do rò rỉ nước, sự hình thành các cột băng nhọn đầu từ nước giọt, sự đóng băng và tan băng

Những yếu tố chính gây ứng suất co ngót bê tông vỏ hầm như sau:

i) Co ngót do giảm nhiệt độ đông cứng bê tông,

ii) Co ngót do giảm nhiệt độ trong đường hầm,

iii) Co ngót khô do độ ẩm thấp trong đường hầm

Các biện pháp đối phó với vết nứt như sau:

i) Cách ly với bê tông phun (giảm co thắt bên ngoài),

ii) Cải thiện chất lượng bê tông và vật liệu (giảm ứng suất co ngót hoặc tăng cường độ kéo),

iii) Đặt các mối nối gây ra nứt (kiểm soát sự hình thành vết nứt),

iv) Cải thiện môi trường đặt bê tông

Phương pháp cách ly bê tông phun và bê tông vỏ hầm được xem là phương pháp hiệu quả nhất Đã dùng phương pháp phun vật liệu cách ly, nhưng phương pháp thường dùng nhất là đặt đệm cách ly hoặc màng chống thấm nước Để cải thiện chất lượng của bê tông cũng sử dụng những phương pháp như thêm phụ gia giãn nở hoặc chất giảm co ngót vào bê tông, giảm hàm lượng đơn vị của xi măng và hàm lượng đơn vị của nước bằng phụ gia siêu dẻo và sử dụng xi măng ít tỏa nhiệt (xi măng pha trộn) Hơn nữa, để cải thiện vật liệu làm bê tông còn sử dụng những phương pháp khác như dùng lưới dây thép hoặc sợi thép hỗn hợp Mối nối gây nứt, đó là biện pháp để kiểm soát vị trí và phương hướng của vết nứt mới hình thành và đặt trước một lớp kết dính vào chỗ quy định để giảm sự hình thành các vết nứt Thêm nữa, có một phương pháp cải thiện môi trường nơi đặt bê tông bằng cách giảm nhiệt độ và kiểm soát độ khô ráo bên trong đường hầm cùng với việc việc giảm nhiệt độ của hỗn hợp bê tông bằng cách làm nguội các cốt liệu Hiện nay không có khả năng thực hiện những biện pháp

xử lý lý tưởng đối với những kiểu vết nứt đặc biệt Vì vậy, cách được ưa chuộng hiện nay là dùng phối hợp những biện pháp hiện có để đạt được một hiệu suất tổng hợp

ĐIỀU 62 Đổ vòm ngược

Vòm ngược sẽ đổ ở vùng gần các cửa hầm, tại mặt cắt đất đá yếu, hoặc ở chỗ dự đoán có tác dụng của áp lực đất không đối xứng hoặc ở nơi nền có khả năng tạo thành bùn lầy

[Giải thích]

Trong đất đá bị tổn hại có thể xảy ra những vấn đề như sự gia tăng áp lực bên hông tác dụng lên đường hầm, tác dụng của áp lực không đối xứng và thiếu khả năng chịu tải ở chân bê tông vỏ hầm Những vấn đề này thỉnh thoảng gây

ra một lực lớn ở mặt cắt và làm biến dạng trong bê tông vỏ hầm Đối với những trường hợp này phải xây dựng vòm ngược càng sớm càng tốt để tạo vòm kín mặt cắt hầm và ổn định cấu trúc của đường hầm

Hơn nữa, sẽ xem xét đổ bê tông vòm ngược trong những trường hợp sau:

ở nơi phải cải thiện khả năng chống động đất trong vùng nứt nẻ, nơi có khả năng cao sự thay đổi địa hình hoặc xây dựng trong vùng lân cận ít đất đá phủ, ở

nơi đường hầm đi qua khu vực đô thị, hoặc ở nơi dự đoán nền bị ngập lụt vì phải dùng các máy móc nặng và lớn để bốc xúc

Người ta cho rằng thường đổ vòm ngược đối với đá pelit trong hầm đường bộ và hầm đường sắt

ĐIỀU 63 Kết cấu vòm ngược

Kỹ sư thiết kế sẽ thiết kế hình dạng và bề dày hợp lý của vòm ngược dựa trên điều kiện đất đá và các yếu tố khác

[Giải thích]

Vòm ngược chống lại ngoại lực từ vòm và tường bên và ổn định toàn bộ bê tông vỏ hầm của đường hầm Thường thiết kế hình dạng và bề dày của bê tông vòm ngược dựa theo kinh nghiệm xây dựng trong quá khứ Tuy nhiên, điều được ưa chuộng là xác định riêng rẽ các yếu tố trên mặt cắt ngang lớn, áp lực của đất đá tác dụng mạnh lên đường hầm, hoặc đất đá không bền vững với ít đất đá phủ như đường hầm qua đô thị

Trong Bảng* 3.11 giới thiệu bề dày tiêu chuẩn của vòm ngược cho hầm đường bộ

Bảng* 3.11.Bề dày tiêu chuẩn của vòm ngược cho hầm đường bộ

Bề dày

(cm)

40 (trường hợp đặc biệt)

theo thiết kế

(Đối với bề rộng khoảng trống bên trong khoảng 10 m)

“Tiêu chuẩn công nghệ cho hầm đường bộ (Chương kết cấu) và giải thích” Hiệp hội Đường bộ Nhật Bản

“Quy tắc thiết kế (Tập 3) Tập đoàn Đường Cao tốc công cộng Nhật Bản