Nghiên cứu sự ảnh hưởng của quá trình thi công công trình ngầm đến các công trình bề mặt bằng cách sử dụng phần mềm Phase2 qua thông số chiều sâu của công trình ngầm

LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Quá trình thi công công trình là một trong những nguyên nhân chính gây ra biến dạng đất đá giữa đường hầm với bề mặt đất, đặc biệt là các đường hầm nằm nông với các đặc điểm như: Công trình có chiều dày tầng đất phủ nhỏ, điều này sẽ làm tăng khả năng ảnh hưởng của việc thi công công trình ngầm tới các công trình bề mặt, công trình ngầm thi công chủ yếu trong vùng đất đá mềm yếu có nguy cơ mất ổn định cao, trong khối đất mềm có tồn tại nhiều các vật thể ngoại lai, trong nhiều trường hợp, những vật thể này có thể là nguyên nhân dẫn tới các sự cố trong quá trình thi công công trình ngầm, trên bề mặt, tồn tại các công trình xây dựng, hạ tầng kỹ thuật nhạy cảm với quá trình thi công công trình ngầm.Do đó gây lún bề mặt đất và làm ảnh hưởng đến sự ổn định của các công trình trên bề mặt, tác động của lún khi thi công các công trình ngầm nằm nông hoặc trong đất đá mềm yếu rất nguy hiểm tới các công trình lân cận như: các tòa nhà, cơ sở hạ tầng và công trình công cộng.Việc nghiên cứu, đánh giá và dự báo trước các ảnh hưởng, tác động của quá trình thi công công trình ngầm tới các công trình trên bề mặt nếu làm được, sẽ giúp cho các công tác thiết kế kỹ thuật, thiết kế thi công các công trình ngầm nằm gần mặt đất được chính xác, giảm thiểu các sự cố, rủi ro khi thi công công trình ngầm và đặc biệt sẽ làm giảm đi các ảnh hưởng của quá trình thi công này tới các công trình bề mặt. Đề tài cứu sự ảnh hưởng của quá trình thi công công trình ngầm đến các công trình bề mặt bằng cách sử dụng phần mềm Phase2 qua thông số chiều sâu của công trình ngầm. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu này vẫn chưa xét được đến các yếu tố khác ảnh hưởng đến độ biến dạng trên bề mặt khi thi công công trình ngầm như yếu tố đường kính công trình ngầm, tính chất cơ lý đất đá thay đổi theo chiều sâu của công trình ngầm, ảnh hưởng của nước ngầm....Điều này cần được khắc phục để có thể đưa ra được chính xác mối ảnh hưởng của quá trình thi công công trình ngầm đến sự biến dạng bề mặt, từ đó làm ảnh hưởng đến các công trình trên bề mặt. Hiện nay, với sự trợ giúp của các phương tiện máy tính với tốc độ xử lý số liệu nhanh mà nhóm các phương pháp số đã và đã chứng minh được sự nhanh chóng và tiện dụng của mình trong các phân tích số. Phase 2 là một phần mềm được xây dựng trên cơ sở phần tử hữu hạn có rất nhiều lợi ích trong quá trình phân tích, tính toán ổn định công trình ngầm. 2. Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài là nghiên cứu, đánh giá và dự báo trước các ảnh hưởng, tác động của quá trình thi công công trình ngầm tới các công trình trên bề mặt nếu làm được, sẽ giúp cho các công tác thiết kế kỹ thuật, thiết kế thi công các công trình ngầm nằm gần mặt đất được chính xác, giảm thiểu các sự cố, rủi ro khi thi công công trình ngầm và đặc biệt sẽ làm giảm đi các ảnh hưởng của quá trình thi công này tới các công trình bề mặt. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Sử dụng phương pháp số, cụ thể bằng chương trình phase2 kết hợp phân tích tham số, nghĩa là tính với sự biến đổi của một hay nhiều tham số (hay các yếu tố ảnh hưởng) trong miền biến thiên nhất định để rút ra được quy luật ảnh hưởng. Do hạn chế về thời gian, và khuôn khổ của đồ án tốt nghiệp nên trong bài chỉ chú ý đến được một số các yếu tố ảnh hưởng (các tham số) sau: Tham số kích thước công trình ngầm; Tham số độ sâu đặt công trình ngầm; Và một số tham số cơ học của đất đá;

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Quá trình thi công công trình là một trong những nguyên nhân chính gây ra biếndạng đất đá giữa đường hầm với bề mặt đất, đặc biệt là các đường hầm nằm nôngvới các đặc điểm như: Công trình có chiều dày tầng đất phủ nhỏ, điều này sẽ làmtăng khả năng ảnh hưởng của việc thi công công trình ngầm tới các công trình bềmặt, công trình ngầm thi công chủ yếu trong vùng đất đá mềm yếu có nguy cơ mất

ổn định cao, trong khối đất mềm có tồn tại nhiều các vật thể ngoại lai, trong nhiềutrường hợp, những vật thể này có thể là nguyên nhân dẫn tới các sự cố trong quátrình thi công công trình ngầm, trên bề mặt, tồn tại các công trình xây dựng, hạ tầng

kỹ thuật nhạy cảm với quá trình thi công công trình ngầm Do đó gây lún bề mặt đất

và làm ảnh hưởng đến sự ổn định của các công trình trên bề mặt, tác động của lúnkhi thi công các công trình ngầm nằm nông hoặc trong đất đá mềm yếu rất nguyhiểm tới các công trình lân cận như: các tòa nhà, cơ sở hạ tầng và công trình côngcộng Việc nghiên cứu, đánh giá và dự báo trước các ảnh hưởng, tác động của quátrình thi công công trình ngầm tới các công trình trên bề mặt nếu làm được, sẽ giúpcho các công tác thiết kế kỹ thuật, thiết kế thi công các công trình ngầm nằm gầnmặt đất được chính xác, giảm thiểu các sự cố, rủi ro khi thi công công trình ngầm vàđặc biệt sẽ làm giảm đi các ảnh hưởng của quá trình thi công này tới các công trình

bề mặt Đề tài cứu sự ảnh hưởng của quá trình thi công công trình ngầm đến cáccông trình bề mặt bằng cách sử dụng phần mềm Phase2 qua thông số chiều sâu củacông trình ngầm Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu này vẫn chưa xét được đến cácyếu tố khác ảnh hưởng đến độ biến dạng trên bề mặt khi thi công công trình ngầmnhư yếu tố đường kính công trình ngầm, tính chất cơ lý đất đá thay đổi theo chiềusâu của công trình ngầm, ảnh hưởng của nước ngầm Điều này cần được khắc phục

để có thể đưa ra được chính xác mối ảnh hưởng của quá trình thi công công trìnhngầm đến sự biến dạng bề mặt, từ đó làm ảnh hưởng đến các công trình trên bề mặt.Hiện nay, với sự trợ giúp của các phương tiện máy tính với tốc độ xử lý số liệunhanh mà nhóm các phương pháp số đã và đã chứng minh được sự nhanh chóng vàtiện dụng của mình trong các phân tích số Phase 2 là một phần mềm được xây dựngtrên cơ sở phần tử hữu hạn có rất nhiều lợi ích trong quá trình phân tích, tính toán

ổn định công trình ngầm

2 Mục đích của đề tài

Mục đích của đề tài là nghiên cứu, đánh giá và dự báo trước các ảnh

hưởng, tác động của quá trình thi công công trình ngầm tới các công trình trên bềmặt nếu làm được, sẽ giúp cho các công tác thiết kế kỹ thuật, thiết kế thi công cáccông trình ngầm nằm gần mặt đất được chính xác, giảm thiểu các sự cố, rủi ro khithi công công trình ngầm và đặc biệt sẽ làm giảm đi các ảnh hưởng của quá trình thicông này tới các công trình bề mặt

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Sử dụng phương pháp số, cụ thể bằng chương trình phase2 kết hợp phân tíchtham số, nghĩa là tính với sự biến đổi của một hay nhiều tham số (hay các yếu tốảnh hưởng) trong miền biến thiên nhất định để rút ra được quy luật ảnh hưởng

Do hạn chế về thời gian, và khuôn khổ của đồ án tốt nghiệp nên trong bài chỉchú ý đến được một số các yếu tố ảnh hưởng (các tham số) sau:

- Tham số kích thước công trình ngầm;

- Tham số độ sâu đặt công trình ngầm;

- Và một số tham số cơ học của đất đá;

4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương phân tích lý thuyết kết hợp với sử dụng phần mềm phase 2 có

chú ý tới sự thay đổi các tham số để tìm hiểu quy luật phân bố, sự thay đổi quy luật

cơ học của ứng suất và biến dạng cũng như vùng biến dạng phá hủy xung quanhkhoảng trống công trình ngầm

5 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về vấn đề xây dựng tàu điện ngầm bố trí ở mức

nông và công tác thiết kế kết cấu chống đỡ

- Đánh giá điều kiện địa cơ học một số khu vực dự kiến bố tríđường tàu điện ngầm Thành phố Hà Nội

Sử dụng phần mềm phương pháp số Phase 2 trên cơ sở có chú ý đến sựthay đổi các tham số khác nhau (tham số kích thước hình dạng, tham số độ sâu đặtđường hầm, một số tham số cơ học đá) phân tích, tìm hiểu quy luật phân bố ứngsuất biến dạng, quy luật biến đổi cơ học xung quanh đường hầm phục vụ công tácnghiên cứu

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học của đề tài : Qua nghiên cứu, đề tài đãphân tích được độ sâu phù hợp cho các đường hầm tàu điện ngầm

bố trí nông cho Thành phố Hà Nội

- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài góp đượcmột phần nhỏ vào định hướng phương án thi công các đường tàuđiện ngầm Hà Nội bố trí nông

7 Cấu trúc của đề tài

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM BỐ TRÍ NÔNG VÀ KẾT

CẤU CHỐNG GIỮ CÔNG TRÌNH NGẦM

1.1 Tổng quan về công trình ngầm.

1.1.1 Khái quát chung

Công trình ngầm (CTN) là một công trình nhân tạo nằm ở dướitrong lòng đất, tùy thuộc vào yêu cầu, mục đích sử dụng của conngười mà công trình ngầm cũng được sử dụng vào các mục đíchkhác nhau trong cuộc sống con người Như công trình ngầm phục

vụ cho công tác khai thác khoảng sản (hầm mỏ), công trình ngầm

sử dụng cho công tác giao thông, thủy lợi, dân sự, quốc phòng…Công trình ngầm được xây dựng dưới nước ngầm trong các lớp đất

đá, điều kiện địa chất khác nhau nên công trình ngầm có mối quan

hệ chặt chẽ với môi trường đất đá xung quanh Trong thực tế thìmôi trường đất đá rất đa dạng Do đó mà tính đa dạng trong tưduy thiết kế và thi công xây dựng công trình ngầm cung hết sứcphong phú và đặt ra rất nhiều câu hỏi khó giải đáp do những yếu

tố không thể biết trước của môi trường đất đá xung quanh côngtrình ngầm Chính vì vậy mà việc xây dựng các công trình ngầmvừa mang tính kỹ thuật và mang tính mỹ thuật cao Công trìnhngầm có thể nằm trong các pha đất đá, nước, không khí,… vị tríđặt các công trình cũng khác nhau Công trình ngầm có thể nằmtrong đá, nằm sâu trong lòng đất cũng có khi công trình ngầmnằm gần mặt đất

1.1.2 Phân loại công trình ngầm

a Theo công dụng

Tùy theo mục đích sử dụng công trình ngầm có thể chia công

trình ngầm ra làm một số nhóm:

- Công trình ngầm khai thác khoảng sản: đây là loại công trình sử

dụng để khai thác tài nguyên khoáng sản như hệ thống các CTN,hầm trạm phục vụ trong các mỏ than hầm lò, các mỏ quặng… Đây

là những công trình có tuổi thọ tùy theo sản lượng của các mỏ và

Theo vị trí thếnằm

có yêu cầu kiến trúc không cao nên người ta chỉ cần bảo đảm an

toàn trong khi sử dụng chứ ít quan tâm đến tính thẫm mỹ của nó

- Công trình ngầm công nghiệp: gồm các công trình ngầm thủy

lợi, thủy điện, kho chứa ngầm Những công trình trong hệ thống

thủy lợi, thủy điện này thường có chiều dài lớn, thường có các giai

đoạn làm việc khác nhau và chế độ làm việc cũng khác nhau đó là

chế độ làm việc khi không có nước chảy bên trong ( khi thi công và

khi sữa chữa) và khi đi vào hoạt động Ngoài áp lực đất đá bên

ngoài tác động vào còn có nước và áp lực nước bên trong nên khi

thiết kế và thi công các công trình ngầm nhóm này cũng có những

đặc điểm và yêu cầu riêng

- Công trình ngầm dân dụng: Những công trình ngầm nhóm này

bao gồm các CTN giao thông (ô tô, tàu hỏa, tàu điện, người đi bộ;

giao thông tĩnh, giao thông động), tầng hầm trong các nhà cao

tầng, các gara để xe ngầm, hệ thống đường hầm kỹ thuật dùng để

đặt ống nước sinh hoạt, nước thải, cáp điện, cáp quang… phục vụ

nhu cầu sinh hoạt của nhân dân Những công trình này có yêu cầu

về kiến trúc cao hơn hẳn những công trình phục khai thác khoáng

sản vì chúng có tuổi thọ và thời gian tồn tại lâu dài

- Công trình ngầm đặc biệt: đây là nhóm công trình ngầm phục

vụ mục đích quân sự, quốc phòng, các nhà máy ngầm… Nhóm

những công trình này có đặc điểm là cần sự kiên cố cao và nằm bí

mật trong lòng đất

5

Phân nhóm công trình ngầm

Tương quan vềkích thước côngtrình ngầm

Theo diện tích sử

dụngTheo công dụng

Công trình ngầm nằm ngang

Công trình ngầm nằm nghiêng

Công trình ngầm thẳng đứng

Công trình ngầm tiết diện nhỏ

Công trình ngầm tiết diện trung bình

Công trình ngầm tiết diện lớn

Các đường hầmkhi chiều dài lớnhơn chiều rộng

 Các hầm trạm khi kích thước

ba chiều khôngchênh lệnh nhau

Hình 1.1 Sơ đồ phân bố nhóm công trình ngầm

b Theo vị trí, thế nằm

Công trình ngầm có thể có những dạng thế nằm khác nhau,

trong xây dựng công trình tùy thuộc vào góc nghiêng của trụccông trình ngầm với phương nằm ngang mà người ta có thể chiara:

- Công trình ngầm nằm ngang (khi góc nghiêng của trục côngtrình ngầm với phương α không quá 5°)

- Công trình ngầm nằm nghiêng (khi góc nghiêng 5° < α < 75°)

- Công trình ngầm thẳng đứng khi góc nghiêng α ≥ 75°

c Theo tiết diện đào

Tùy theo tiết diện gương đào mà người ta cũng có thể chia côngtrình ngầm ra làm 3 nhóm:

- Công trình ngầm tiết diện nhỏ; những công trình ngầm dạng nàythường có tiết diện sử dụng S < 18m2 loại này có thể gặp tại nhữngcông trình ngầm dân dụng, công nghiệp và các đường lò trong cácmỏ

- Công trình ngầm tiết diện trung bình: thường có S = (18÷32) m2yếu là các CTN dẫn nước

- Công trình ngầm tiết diện lớn: khi S > 32 m2 người ta hay gọi làcông trình ngầm có tiết diện lớn đa số chúng là các công trình giaothông và thủy điện trung bình và lớn.

Các cách thức phân loại chỉ mang tính chất tương đối, có thể thayđổi khi năng lực thiết bị thi công, trình độ người thi công thay đổi

c Theo tương quan giữa chiều dài và chiều rộng công

có chiều dài từ vài chục, vài trăm thậm chí hàng chục kilômét

- Các hầm trạm: những công trình ngầm có tương quan chênhlệch giữa chiều dài, chiều rộng và chiều cao không quá lớn, nhữngcông trình ngầm như vậy người ta thường gọi là cá hầm trạm ví dụnhư: các gian máy trong hệ thống nhà máy thủy điện ngầm, cáchầm sữa chữa đề pô tàu điện ngầm, trạm bơm, trạm biến ápngầm,…

1.1.3 Công trình ngầm nằm nông và đặc điểm của công

tác thi công công trình ngầm nằm nông

1.1.3.1 Công trình ngầm nằm nông

Hiện nay có rất nhiều quan điểm khác nhau về độ sâu củacông trình ngầm nằm nông Có quan điểm cho rằng công trìnhngầm nằm nông là công trình có độ sâu đặt công trình H< 2,5B (B– Chiều rộng đường hầm) Quan điểm khác lại cho rằng khi độ sâuđặt công trình ngầm H< 10-12m; H < 2B thì công trình được coi lànằm nông

Nói chung việc phân loại giữa công trình ngầm nằm nông vàcông trình ngầm nằm sâu chỉ mang tính chất tương đối tùy thuộcvào quan điểm mỗi tác giả, mỗi trường phái khác nhau Nhưngchung qui lại thì việc quan điểm tính toán áp lực đất lên công trìnhngầm nông lại tương đối giống nhau, đó là quan điểm không hìnhthành vòm cân bằng tự nhiên

1.1.3.2 Đặc điểm của công tác thi công công trình ngầm nằm nông trong thành phố

- Công trình ngầm nằm nông, chiều dày đất phủ nhỏ;

- Công trình ngầm chủ yếu thi công trong khối đá mềm yếu cónguy cơ mất ổn định cao, nền đất yếu

- Trong khối đá mềm đó tồn tại rất nhiều các vật thể ngoại lai.Trong nhiều trường hợp, những vật thể này là nguyên nhân khởiđầu dẫn tới những sự cố trong quá trình thi công CTN

- Trên bề mặt, tồn tại các công trình xây dựng, hạ tầng kỹ thuậtnhạy cảm với hiện tượng gây lún gây ra bởi quá trình thi công CTN

- Hướng tuyến hệ thống CTN thường bố trí dọc theo các tuyếnđường giao thông trên bề mặt đẻ đáp ứng thuận tiện cho người sửdụng Tuy nhiên, tuyến CTN cũng có thể cắt ngang qua bên dướicác tòa nhà cao tầng, các tuyến đường sắt…

1.2 Tổng quan về phương pháp thi công công trình ngầm.

Nói chung các công nghệ thi công công trình ngầm rất phongphú và đa dạng chúng là tổ hợp khá linh hoạt của nhiều giải pháp

kỹ thuật và sơ đồ công nghệ khác nhau Tên gọi của các phươngpháp thi công công trình ngầm cũng có nhiều xuất xứ khác nhau,

có thể theo nơi đã phát triển công nghệ hay phương pháp, theogiải pháp kỹ thuật phổ biến và nhiều khi là do thói quen Vì vậy đểgiúp cho người thiết kế và thi công có thể linh hoạt lựa chọn cácphương pháp thi công, giải pháp kỹ thuật xử lý các tình huống cóthể xảy ra, trước tiên cần thiết giới thiệu sơ bộ các yếu tố, cáckhâu kỹ thuật quan trọng của công nghệ thi công

Có thể nói, mỗi công nghệ thi công là tổ hợp của các yếu tố,các giải pháp kỹ thuật cơ bản sau ( bảng 1.1):

 Phương pháp và kỹ thuật đào đá hay tách bóc đất đá

 Phương pháp và kỹ thuật bảo vệ (chống tạm) trong khithi công

 Sơ đồ đào hay sơ đồ thi công trên gương

Bảng 1.1 Các yếu tố cấu thành công nghệ thi công

 Đào bằng các máy xúcbốc

 Đào bằng rữa lũa (sứcnước, khí nén)

 Bảo vệ nóccông trìnhngầm

 Giảm sụt lún

 Chống xâmnhập nướcTrước hết, dựa theo không gian thi công có thể phân ra hai nhómchính là:

 Các phương pháp thi công lộ thiên

 Các phương pháp thi công ngầm

Với các phương pháp thi công lộ thiên, toàn bộ hay một bộ

phận của kết cấu CTN được thi công lắp dựng trong điều kiện lộ

nóc Còn bằng các phương pháp thi công ngầm, toàn bộ kết

cấu CTN được thi công lắp dựng trong điều kiện kín nóc hoặc lộnóc nhưng tỷ lệ diện tích phần nóc lộ rất nhỏ so với tổng diện tíchkhối đất đá xung quanh CTN (ví dụ đào giếng)

Bảng 1.2 Các phương pháp thi công đào hầm (tách bóc đất

Máy đào toàn gương ( máy khoan hầm ( TunnelBoring Machine – TBM), máy khiên đào (Shild Machine

- SM)

Máy đào từng phần gương, máy cắt từngphần (Roadheader-RH)

Đào bằng các máy xúc bốc – máy xúc taygầu

Đào bằng rửa lũa( sức nước, khí nén)

Bảng 1.3: Các giải pháp bảo vệ hay chống tạm

Nứt nẻ

ít

Nứtnẻtrung

bình

Nứtnẻmạnh

Nứt nẻmạnhvàgiảmbền

Ván cừ

Ô bảo vệ bằng ống

Ô bảo vệ bằng khoan phun-phun tia

Bảng 1.4: Phạm vi áp dụng của các giải pháp đặc biệt theo

yêu cầu bảo vệ

Yêu

cầu

Các giải pháp

Chống đỡ(ổn định)gương đào

Bảo vệcông trìnhngầm

Giảmthiểu lúnsụt

Chốngxâm nhậpnước

- Phương thức 1: Theo phương thức này, các công trình ngầm

được hoàn công theo trình tự sau: Đầu tiên từ mặt đất tiến hànhđào các hào hay hố thi công, tiếp đó tiến hành lắp dựng kết cấucủa công trình ngầm trên hào, hố đào và sau cùng lấp lại bằng vậtliệu lấp phủ Sơ đồ thi công được thể hiện trên (Hình 1.2) Tùythuộc vào đặc điểm cơ học, địa chất của khối đất, thành hào cóthể nghiêng hoặc thẳng đứng và có thể cần hoặc không cần phảichống giữ Kết cấu chống giữ thành hào được sử dụng có thể là

cọc-ván ép, cọc từ (tường cọc từ - đã được sử dụng rộng rãi ở nước ta), tường khoan nhồi (tường cọc nhồi) hay tường hào nhồi (tường

trong đất) bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép, có thể được gia cố thêm bằng neo, khoan phun ép (khoan phụt) kích chống, giằng…

Cọc cừ được tháo ra để sử dụng tiếp Còn trong trường hợp sửdụng tường cọc nhồi hay tường hào nhồi, kết cấu đáy của côngtrình ngầm thường liên kết với tường tạo thành một bộ phận củakết cấu công trình ngầm (đặc biệt khi gặp nước ngầm) Phương

thức này thường được gọi phương thức tường – nền.

Hình 1.2: Phương thức tường nền

- Phương thức 2: Theo phương thức này, hào thi công không

cần đào hoặc chỉ cần đào đến độ sâu nhất định để tháo dỡ, dichuyển tạm các hệ thống cống rãnh, cáp ngầm (nếu có) Tiếp đó

tiến hành thi công tường cọc nhồi hay tường hào nhồi đến độ sâu

dự định (thông thường đến tầng đất cách nước) Công đoạn tiếptheo à đổ bê tông nóc công trình ngầm (dạng vòm hay nóc phẳng),hoặc lắp ghép bằng các tấm papen đúc sẵn và phủ lớp ngăn cách,chống thấm Các công việc còn lại được thực hiện ngầm trong lòngđất bao gồm đào bốc đất, xây dựng nền công trình ngầm, cũngnhư các công tác kỹ thuật khác Với trình tự đó phương thức này

còn được gọi là phương thức tường – nóc (Hình 1.3)

Hình 1.3 Thi công tường nóc

- Phương thức hạ dần: Theo phương thức này toàn bộ hay từng

đoạn của kết cấu công trình ngầm được lắp dựng hoàn toàn trênmặt đất Sau đó các đoạn kết cấu được hạ dần vào lòng đất song

song với việc đào xúc đất dưới gầm của kết cấu đó (phương thức caisson, hình 1.4) Sau khi kết cấu được hạ tới độ sâu thiết kế, tiến

hành lấp lại hố đào bằng các vật liệu thích hợp, hoàn trả mặt đất

- Phương thức hạ chìm: Các công trình ngầm thi công theo

phương thức này chỉ áp dụng khi thi công hầm vượt sông, hồ.Trước tiên các đốt hầm được đúc tại bãi đúc, tiến hành đào các

hào thi công để dìm các hầm bằng các thiết bị chuyên dùng Sau

đó dùng xà lan và cá tàu chuyên dụng đưa các đốt tới vị trí lắp đặt,tiến hành dìm và liên kết các đốt hầm lại với nhau Cuối cùng lấplại hố đào bằng các vật liệu chọn lọc (Hình 1.5)

- Phương thức hạ chìm: Các công trình ngầm thi công theo

phương thức này chỉ áp dụng khi thi công hầm vượt sông, hồ.Trước tiên các đốt hầm được đúc tại bãi đúc, tiến hành đào cáchào thi công để dìm các hầm bằng các thiết bị chuyên dùng Sau

đó dùng xà lan và cá tàu chuyên dụng đưa các đốt tới vị trí lắp đặt,tiến hành dìm và liên kết các đốt hầm lại với nhau Cuối cùng lấplại hố đào bằng các vật liệu chọn lọc (Hình 1.5)

-Hình 1.4: Phương thức hạ dần

Hình 1.5:

Phương thức hạ chìm

Để xây dựng các công trình ngầm bằng các phương pháp thicông ngầm đã có hàng loạt các phương thức khác nhau được pháptriển theo quan niệm truyền thống theo lịch sử phát triển của lĩnhvực xây dựng công trình ngầm có thể phân ra ba nhóm chính (hình1.6)

 Các phương pháp thông thường (hay thông dụng)

 Các phương pháp thi công bằng máy (hay cơ giới hóa)

 Phương pháp kích ép ống - cống

Hình 1.6: Phân nhóm và cách gọi phương pháp thi công

+ Toàn tiết diện + Khoan nổmìn

PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG XÂY DỰNG

CÔNG TRÌNH NGẦM

Phương pháp khai đào

Sơ đồ đào

+ Chia gương + Máy đàohầm

+ Nén épống (vỏ chống)

+ Các biện pháp gia cố, + Neo

neo, khiên vòm lưỡi dao + Khung gỗ thép

+ Sử dụng khiên kín + Bê tôngphun

+ Vỏ bêtông đổ tại chỗ

+ Phương pháp thi công bằng vòm + Phương pháp thi công

mới của áo

chống lưỡi dao + Phương pháp xây dựng

theovành+ Phương pháp khiên kín khuyên với kết cấu thép.+ Phương pháp Koler + Các phương pháp xâydựng kinh

Điển (nhân đỡ của Đức,

phương pháp đón đỡ của Bỉ, Anh)

Hình 1.7: Sơ đồ tổng quát về các phương pháp thi công

Phương pháp đào và chống tạm trongđất bằng phương thức đào ngầm

Đất rời, không dính kết

Đất rời, không

dính kết

Thời gian tồn tại ổn định đủlớn đến khi lắp kết cấuchống tạm

Thời gian tồn tại ổn

-Vòm lưỡi dao trongđiều kiện áp lựcbình thường

- Khiên hở, khiên cơ

học

Tạo ô bảo vệ bằngphun tia (phun

Hình 1.8: Sờ đồ các phương thức đào và chống tạm bằng

phương pháp ngầm

Bảng 1.5: Các phương pháp thi công ngầm – khả năng áp dụng

Các dấu hiệu về công trình ngầm Môi trường

Kích thước Hình dạng Chiều dàiCTN Chống giữ

Mức

độ chín

h xác cao

Nước ngầm (N)

Nước có áp suất (CA) Tiến

g ồn,dao động

Thải khí, thải bụi

Khả năngbảo

về con ngườ

i

Cố định

Thayđổi

Cố định

Thayđổi Ngắn Dài

1 lớp

2 lớ

p Cao

Không

có biện pháp

xử lý

Có biện pháp

XX

XXX

X

XXX

XXX

OX

XXX

X

-XXX

XX

XXX

XX

XXX

XO

OXX

XO

NXNXNX

OO

CAXCAXCAX

CAXCAX

NhII

II

NhNh

II

II

NhNh

Phương pháp đào

bằng máy

Đá rắn cứng

Máy khoan đào

Máy khiên đào XX OO Tròn OO -- XX XX XX XX NXX

O XX -- O- XX XX XX

Máy đào nhỏ

1.2.2.1 Phương pháp thi công bằng công nghệ thông thường

Sử dụng công nghệ thi công thông thường để thi công xây dựng công trình ngầm trong đất đòi hỏiphải có các biện pháp và sơ đồ đào – chống đỡ phù hợp có thể tiến hành các công việc thi công

Khi điều kiện cho phép, trong đất đá mền yếu bở rời không chứa nước hoặc có thể tách nước bằng cácphương pháp nhân tạo thì có thể tiến hành thi công xây dựng công trình ngầm theo một số phương phápvới hầm dẫn (vòm trước, nhân dỡ, phân mảnh đào toàn tiết diện) và phương pháp đào có gia cố trước

a Thi công với hầm dẫn:

Trong phương pháp này, tùy điều kiện cụ thể có thể tiến hành mở trước trong phạm vi tiết diện côngtrình ngầm một, hai hoặc một số hầm dẫn đồng thời, có thể tai phần vòm, chân tường hay tại một vị tríthuận lợi Sau đó người ta tiến hành các biện pháp chống đỡ tạm thời trong quá trình đào và tiến hành

mở rộng dần các hầm dẫn này đến tiết diện thiết kế Thông thường, người ta cố gắng sao cho sử dụngđược các kết cấu chống tạm trong các hầm dẫn sẽ là một bộ phận của kết cấu chống tạm cho công trìnhngầm, với mục đích giảm thiểu quá trình công nghệ cũng như giảm đáng kể chi phí xây dựng

- Phương pháp vòm trước: phương pháp này đước tiến hành bằng việc mở trước các hầm dẫn tại phần

vòm của công trình ngầm Tiếp đến, người ta tiến hành công tác chống đỡ Trong phương pháp này cóthể sử dụng kết cấu chống tạm là một phần của kết cấu chống cố định cho công trình ngầm Sau khi đã

có lớp vỏ phía nóc bảo vệ cho công trình ngầm thì tiến hành mở rộng các phaafn dưới đồng thời với việcxây dựng vỏ chống đỡ cho các phần này.

- Phương pháp nhân đỡ: Thực chất của phương pháp này là sơ đồ đào tuần tự theo chiều cao vách công

trình ngầm bắt đầu từ phần nền của công trình ngầm và tiến hành các công tác chống đỡ (chống tạmhoặc chống cố định) Tiếp đến là giáp nối các khoảng không gian phần nóc công trình ngầm và sau cùngđào phần lõi công trình ngầm

- Phương pháp phân mảnh đào đồng thời toàn diện công trình ngầm: Trong phương pháp này có thể

tiến hành đồng thời đào toàn tiết diện công trình ngầm bằng việc phân mảnh theo từng khu vực trongtiết diện công trình ngầm

Đồng thời với việc đào các mảnh của tiết diện là kết hợp các biện pháp chống đỡ Đến khi kết thúc quátrình đào các mảnh gương cũng là lúc kết thúc quá trình chống đỡ

Phương pháp này có những ưu điểm là công nghệ thi công đơn giản; kích thước; hình dạng tiết diện vàthế nằm của công trình ngầm bất kỳ; có thể tổ chức thi công hoàn toàn bằng thủ công, chi phí thi côngthấp Song lại có một số nhược điểm là mức độ đảm bảo an toàn trong thi công thấp; khả năng giữ ổnđịnh cho nền đất phía trên công trình ngầm; tính chính xác của biên công trình ngầm theo thiết kếkhông cao; sử dụng nhiều lao động, năng suất lao động thấp, tiến độ thi công chậm

b Các phương pháp đào gia cố trước

Phương pháp này được tiến hành với việc sử dụng các biện pháp gia cố trước khối đất xung quanhcông trình ngầm, nhằm mục đích đưa nền đất về trạng thái bình thường hoặc có thể tự ổn định khi tạo

ra khoảng trống công trình ngầm trong một khoảng thời gian đủ để có thể thực hiện các công việc gia cốtạm hoặc chống cố định Thông thường sử dụng các biện pháp đảm bảo ổn định khoảng trống công trìnhngầm bằng các biện pháp “tường chắn đất tiến trước”, gia cường trước khối đất xung quanh công trình

ngầm bằng “khoan khun” dung dịch xi măng hoặc các loại vật liệu dính kết khác, công nghệ đóng băngnhân tạo.

* Gia cố đồng thời với quá trình đào gương công trình ngầm.

- Phương pháp tường chắn đất tiến trước gương đào

Phương pháp này được tiến hành với việc lắp đặt các kết cấu chống đỡ trước theo chu vi biên côngtrình ngầm trước khi tiến hành đào công trình ngầm Các công việc chống tạm gồm: từ gương công trìnhngầm tiến hành lắp đặt các kết cấu chống tạm xung quanh chu vi biên công trình ngầm với các thanhhoặc cột gỗ, thép, bêtông cốt thép bằng cách ép đẩy hoặc từ việc khoan đặt các ống thép Phương phápnày có thể kết hợp với việc đục lỗ trong ống thép, sau đó tiến hành bơm phụt vữa vào trong ống hoặcnhồi bêtông, BTCT Phương pháp này cho phép đảm bảo sự an toàn trong quá trình đào dương côngtrình ngầm bằng các kết cấu chống đỡ trước Bước của các kết cấu chống đỡ, kích thước các kết cấuđược tính toán trên cơ sở điều kiện địa tầng, khả năng của thiết bị thi công chống đỡ và góc ma sát củađất tại gương đào Thông thường, trong trường hợp địa tầng cho phép, với việc lắp đặt kết cấu dạngBTCT nhồi trong lỗ khoan có thể thi công tường chắn dạng này với chiều dài từ 30-50m và đường kính cóthể đạt từ 153-126mm

Phương pháp này có một số ưu điểm sau: cho phép thi công xây dựng công trình ngầm với hình dạng,kích thước tiết diện và chiều dài thế nằm bất kỳ; có khả năng cơ giới hóa cao khi lựa chọn bước chốngphù hợp; đảm bảo an toàn cho quá trình thi công cũng như độ ổn định cho các công trình kiến trúc kháctrên mặt đất; có thể xử lý được các vật cản (móng cọc các công trình kiến trúc bên trên mặt đất); có thểkết hợp đồng thời được nhiều phương pháp đặc biệt khác khi thi công; khi kết cấu chống bằng cọc phụtcòn có khả năng làm giảm đáng kể nước trong địa tầng vào trong công trình ngầm; tiến độ thi công ổnđịnh; chi phí đầu tư dây chuyền công nghệ thấp do có thể sử dụng các loại thiết bị máy móc thôngthường

Tuy nhiên phương pháp này lại có một số nhược điểm: công tác dẫn hướng khi thi công lắp đặt kếtcấu chống đòi hỏi có độ chính xác; tăng khối lượng công tác đào đất và chống cố định do khoảng trốngcông nghệ; khả năng khống chế khoảng cách giữa các kết cấu chống khó khăn.

Theo phương pháp này, việc thi công cọc tiến trước được thực hiện đồng thời với việc đào công trìnhngầm Thông thường, các thi công cọc tiên trước được tiến hành từ gương công trình ngầm

Khác với thi công bằng phương pháp hở, nếu dùng biện pháp kích ép kết cấu vào trong địa tầng thìhiệu quả của phương pháp trên đây không cao do một số hạn chế sau đây: chiều dài kết cấu chống lớnlàm cho tiến độ đi gương bị chậm do phải chờ đợi thao tác cho công việc này; bộ giá dẫn hướng cho kếtcấu cồng kềnh Do vậy, các kết cấu trong lỗ khoan có nhiều ưu điểm hơn Khi sử dụng phương phápkhoan nhồi cọc thép, ống thép hoặc BTCT, tùy thuộc vào việc lựa chọn đường kính lỗ khoan mà có thểthi công kết cấu có chiều dài sao cho đảm bảo các yêu cầu sau đây: chi phí cho cong tác khoan là thấpnhất; giảm sai số của hướng khoan do lệch tâm vì trọng lượng bản thân của dụng cụ khoan; dễ dàng thicông lắp đặt kết cấu chống; phù hợp với các công tác gia cố ổn định đoạn công trình ngầm đã được đàophía xa gương thi công…

Đồng thời với việc sử dụng kết cấu này, quá trình đào đất trong phạm vi bảo vệ của kết cấu trước,cần tính toán xác định bước đào đồng thời có hỗ trợ bằng các vì chống dọc theo trục công trình ngầmnhằm đảm bảo sự ổn định cho tường chắn trong suốt quá trình thi công Các vì chống này có thể là kếtcấu vì neo trong đất, các vì chống thép, đôi khi sử dụng vì chống lắp ghép hoặc có thể kết hợp vớibêtông phun, bêtông phun với lưới thép

Hình 1.9: Phương pháp vòm bảo vệ

- Phương pháp gia cường khối đất

Bản chất của phương páp này là dùng các chất có khả năng liên kết khi đóng rắn (tự bản thân chúnghoặc kết hợp với môi trường đất nền) để chèn nhét các lỗ rỗng trong đất Chúng vừa làm nhiệm vụ liênkết các phần tử lại tạo thành các khối thống nhất có độ bền cao, chống thấm tố để cải thiện khả năngtái cấu trúc của đất nền, các đặc trưng bền, hệ số ma sát trong và lực dính kết của đất Tùy thuộc theochủng loại dung dịch gắn kết mà người ta chia thành các loại như: dung dịch vữa xi măng – cát, dungdịch vữa xi măng - sét, dung dịch sét, dung dịch bitum, dung dịch silicat,… phù hợp với điều kiện lỗ rỗng

của đất nền Tùy thuộc vào điều kiện địa chất khối đất xung quanh công trình ngầm mà có thể sử dụngthêm một số loại phụ gia làm tăng độ nhớt, tăng khả năng lan tỏa hoặc đông cứng nhanh… trong quátrình sử dụng phương pháp.

Phương pháp này được tiến hành bằng việc khoan, bơm ép vữa gia cường vào sâu trong địa tầng từgương đào công trình ngầm

Chiều dài (độ sâu) lỗ khoan phụt thông thường tối đa không nên lớn hơn 50m, vì khi đó độ lệch hướng

lỗ khoan có thể lên đến 0,3-1m Từ các công thức trên cho ta xác định khả năng bố trí 1, 2 hoặc một sốhàng lỗ khoan gia cường tùy thuộc bề dầy khối đất gia cường

Hình 1.10: Phương pháp gia cường khối đất

* Gia cố trước khi đào phá đất tại gương công trình ngầm

Khi sử dụng phương pháp gia cố trước khi đào công trình ngầm cho phép chúng ta áp dụng một sốphương pháp đặc biệt bằng cách gia cường trước khối đất đá để nâng cao khả năng tự mang tải của khốiđất đá trong quá trình thi công xây dựng công trình ngầm Phương pháp này chỉ có thể áp dụng trongtrường hợp mặt bằng cho phép để tiến hành công việc giữa cường trước khối đất đá từ trên mặt đất hoặc

từ các công trình ngầm đã có trước

Kích thước vùng gia cường phải tính toán đảm bảo đủ khả năng tiến hành các công việc thi công đàocông trình ngầm bằng phương pháp thông thường trên cơ sở gia cường trước bằng công nghệ: đóngbăng nhân tạo, khoan phụt gia cường

Việc gia cường trước khối đất xung quanh công trình ngầm từ trên mặt đất được tiến hành thông quacác lỗ khoan bố trí dọc theo tuyến công trình ngầm Chiều rộng lớp “tường gia cố” tạo ra từ các phươngpháp này được tính toán trên cơ sở “vùng giao thoa” của vùng đóng băng (phương pháp đóng băng) và

sự thẩm thấu vữa phụt (phương pháp phụt dung dịch) Như vậy chiều dày tường gia cố được xác định từviệc xác định bán kính vùng đóng băng hoặc bán kính vùng thẩm thấu với các cách bố trí lỗ khoan nàythỏa mãn các vùng giao thoa được xác định kích thước hình học của nó theo bài toán quỹ tích Trongtrường hợp đất đá phía nền công trình ngầm yếu cần thiết phải gia cường thì có thể phải sử dụngphương pháp phụt dung dịch theo kiểu phân đoạn để gia cường khối nền công trình ngầm Khi gia cườngkhối đất đá xung quanh công trình ngầm trước khi đào công trình ngầm tiến hành từ các công trìnhngầm khác đã có sẵn thì phương pháp gia cường sẽ phức tạp hơn do phải bố trí các lỗ khoan hình rẻquạt với quy trình phụt dung dịch phân đoạn trong lỗ khoan

- Công nghệ đóng băng nhân tạo

Trong địa tầng chứa công trình ngầm bị bão hòa nước, có hệ số thấm trên 5.10-1cm/s, phương phápđóng băng nhân tạo được áp dụng là phù hợp hơn cả Cát bão hòa nước khi đóng băng ở nhiệt độ -10˚C,

- 15˚C cho độ bền nén tương ứng là 1,15MPa và 1,8MPa

Khi công suất làm lạnh càng lớn thì có thể làm giảm số lượng lỗ khoan hoặc đường kính lỗ khoan làmlạnh.

Hình 1.11a: Phương pháp đóng băng nhân tạo

Hình 1.11b: Phương pháp đóng băng nhân tạo

- Công nghệ phun gia cố nền đất

Hình 1.12: Phương pháp phun gia

cố nền đất

ngầm bằng công nghệ kích ép ống – cống

Công nghệ thi công xây dựng côngtrình ngầm bằng phương pháp kích épống – cống được hình thành và phát

triển từ yêu cầu thực tế Khi xây dựng công trình ngầm nằm ngay sát dưới phần nền, móng các côngtrình, hồ ao, sông ngòi, đê đập…thì phương phá kích ép ống – cống là một trong những phương phápthích hợp.

Phương pháp này thi công mang lại hiệu quả đối với các công trình ngầm có tiết diện nhỏ và khôngthay đổi trong một khoảng các nhất định của quá trình kích ép Phạm vi sử dụng của phương pháp nàyrất rộng, có thể kích ép ống – cống có kích thước Φ100mm đến các kết cấu dạng hộp 20x7m cho cáccông trình ngầm khác nhau trong địa tầng trên đất mềm, rời

Ưu điểm: nó cho phép thi công lắp đặt các kết cấu công trình ngầm ngay sát mặt đất, dưới nền, móng

các công trình kiến trúc… mà vẫn có thể bảo toàn sự ổn định phía trên của công trình ngầm, công việcthi công ít liên quan đến các hoạt động khác trên mặt đất; quá trình thi công ít gây ồn ào, ô nhiễm môitrường; cho phép thi công các công trình ngầm có tiết diện nhỏ mà các phương pháp khác khó thựchiện; không cần có các biện pháp chống tạm trong thi công, sử dụng ngay các đoạn ống – cống đượcnén ép vào đất để làm vỏ chống cố định cho công trình ngầm; thi công đào đất trong lòng ống – cốngđược bảo vệ an toàn

Nhược điểm: công tác chuẩn bị mặt bằng, lắp đặt hệ thống trợ giúp, đối tải cho hệ kích ép lớn, phức

tạp, tốn kém; hạn chế các khả năng kéo dài tuyến công trình ngầm, không cho phép thay đổi kích thướchình dạng tiết diện trong tuyến công tình ngầm; khó có khả năng thi công các tuyến công trình ngầmcong; trong địa tầng không được phép có những vật cản bất thường; khó bố trí chọn tuyến công trìnhngầm khi thi công qua các khu nhà ở mà không có đầy đủ các bản vẽ hoàn công phần nền, móng; điềukhiển áp lực các ta kích với sự khống chế độ chính xác cao, chỉ phù hợp đối với các công trình ngầm cótiết diện nhỏ, đặc biệt là các công trình ngầm lắp đặt hệ thống cấp thoát nước, dẫn khí, cáp điện và hệthống cáp thông tin

Hình 1.13: Phương pháp kích ép ống – cống

1.2.2.3 Thi công công trình ngầm bằng công nghệ máy khiên đào

Máy khiên đào đã ra đời rất sớm và được sử dụng lần đầu tiên khi xây dựng tuyến tàu điện ngầm

Central London Railway bắt đầu từ năm 1896 Đặc biệt là trong vòng 25 năm qua máy khiên đào được

sử dụng rộng rãi và có hiệu quả cao trong xây dựng công trình ngầm Những tiến bộ kỹ thuật rõ nét nhấtthể hiện trong việc phá triển và hoàn thiện các máy đào toàn tiết diện Các phạm vi được cải thiện là bộphận đào, phương thức bảo vệ, chống giữ gương hầm, bộ phận vận tải đất đào ra Công tác hoàn thiện

và phát triển đã cho ra đời hàng loạt các máy đào hầm chắc khỏe và tin cậy Các máy đào với đườngkính trên 11,0m trong đất mềm rời dưới lớp đất phủ mỏng, dưới các móng công trình hoặc trong điềukiện áp lực nước lớn được sử dụng không ít

Trong thi công thường gặp khối đất biến động do vậy kỹ thuật vận hành phải phù hợp với điều kiện kỹthuật và phải sử dụng loại máy khiên đào phù hợp Việc lựa chọn máy khiên đào phụ thuộc vào các yếu

tố cơ bản là khối đất bố trí công trình ngầm; dặc điểm của công trình đã thiết kế; yêu cầu bảo vệ môitrường xung quanh

Hình 1.14: Máy khiên đào

Các đặc điểm của khối đất và tác động của chúng liên quan đến công tác thi công được thể hiện trong bảng 1.6

Bảng 1.6: Tác động của các tính chất của khối đất đến các khâu

kỹ thuật, công nghệ thi công.

Các tính chất của khối đất Các yếu tố kỹ thuật, công nghệ bị tác

động

Các tính chất vật

lý

Phân bố cỡ hạt (đá,các cục đá kẹp)

Độ dẻoHàm lượng nướcDung lượng

Chống đỡ gươngKhả năng khai dàoVận chuyển đất đào raKhả năng phân tách thành các thành phần sau khi đào

Thành phần

khoáng vật Khoáng vật sétCác khoáng vật

cứng

Công cụ, nghiền đá, khảnăng kết dính, độ mài mòn

Các tính chất cơ

học

Độ bền cắt, nénGóc ma sát trongLực dính kết

Mức ổn định của gương hầm

Khả năng khai đàoTính chất biến

Khi sử dụng máy khiên đào chống tạm và chống cố định (kết cấu công trình ngầm – có chống) được thựchiện dưới sự bảo vệ của khiên chống Vỏ chống thường là các cấu kiện lắp ghép Ngoài việc thực hiệnchức năng chống đỡ, vỏ chống còn đóng vai trò là chỗ dựa khi di chuyển đầu máy khiên đào Mối liên kếtchặt chẽ giữa khối đất và vỏ chống được tạo ra nhờ khả năng nén ép liên tục vật liệu liên kết và chốngthấm vào khe hở giữa vỏ chống và khối đất phía đuôi khiên, trừ trường hợp áp dụng hệ thống vỏ chốngnén ép vào khối đất

1.3 Tổng quan về kết cấu chống giữ công trình ngầm

1.2.3 Vật liệu cho kết cấu công trình ngầm

Kết cấu chịu lực thường xuyên của công trình ngầm được dùng để tiếp nhận tất cả các tải trọng cũng

như để bảo vệ công trình khỏi nước ngầm Vật liệu để xây dựng công trình, cần phải có độ bền cao,chống cháy và chống ăn mòn hóa chất và điện hóa Do kết cấu công trình ngầm phức tạp nên thời gian

sử dụng của chúng cần phải tăng hơn so với công trình trên mặt đất và vật liệu để gia công sản xuất kếtcấu cũng phải bền hơn

Các vật liệu thỏa mãn các yêu cầu trên là các loại bê tông, bêtông cốt thép (BTCT), thép, gang Khi thi công kết cấu bê tông, mácbêtông thiết kế theo độ bền không được nhỏ hơn 200 Chiều dày của chi tiết chịu lực không nhỏ hơn 20cm Đối với kết cấu BTCTkhông ứng lực trước, mác bê tông theo độ bền lấy ít nhất 200 đối vói chi tiết đổ tại chỗ, mác bê tông ít nhất 300 đối với chi

tiết lắp ghép, còn chiều dày ít nhất 15cm Đối với BTCT ứng suất trước, mác bê tông ít nhất 300 Mác bêtông chống thấm ít nhất B-6 cho các kết cấu nằm trong đất có độ ẩm tự nhiên.

Trong thực tế xây dựng công trình ngầm, người ta thường sử dụng loại bê tông đặc biệt, đặc trưngbằng trọng lượng riêng nhỏ, độ bền chịu kéo tăng… Trong xây dựng ngầm người ta sử dụng rộng rãi kếtcấu bê tông phun (phun hỗn hợp bêtông nhờ áp lực khí nén) chiều dày phổ biến 3÷5cm, và có thể đạttới 20cm hoặc lớn hơn Bêtông phun còn được kết hợp với lưới thép để tăng hiệu quả chống giữ Ngoài

ra, bêtông phun còn được trộn thêm sợi thép để tăng cường khả năng mang tải

Để xây dựng công trinh ngầm có thể sử dụng polymer bêtông (chất kết dính được thay bằng nhựatổng hợp) Polymer bê tông có độ bền nén cao (70-80 MPa) và độ bền kéo 6,4÷7 MPa lớn hơn bêtôngthường, hệ số bám dính với cốt thép cao (6,5÷8 MPa), không thấm nước khi áp lực tới 2÷2,5 MPa

Trong điều kiện đô thị, các kết cấu bêtông lắp thép được sử dụng hiệu quả nhất sự tồn tại trong đô thị

có nhiều công trình lớn, nhiều công trình ngầm được xây dựng và có diện tích không lớn… là cơ sở chính

để ứng dụng rộng rãi cấu kiện BTCT lắp ghép Kết cấu BTCT lắp ghép có chất lượng cao hơn đổ toan khốitại công trình Kết cấu công nghiệp có thể làm cấu kiện mỏng, nhẹ tạo điều kiện giảm kích thước hố đào

và giảm công tác làm đất Kết cấu lắp ghép có thể có lớp chống thấm gia công sẵn mặt ngoài và xử lýchi tiết bên trong

1.2.4 Kết cấu công trinh ngầm khi thi công bằng phương pháp lộ thiên

a Kết cấu BTCT lắp ghép

Các kết cấu định hình thống nhất được sử dụng rộng rãi để xây dựng đường hầm giao thông đô thị,các chi tiết riêng biệt của chúng có dạng giống nhau cả hình dáng lẫn kích thước Sử dụng chúng trong

các điều kiện địa chất công trình khác nhau với chiều sâu chôn ngầm khác nhau và tải trọng lên kết cấukhông như nhau bằng cách gia cường thép tương ứng cho cả khối.

b Kết cấu đường hầm giao thông BTCT lắp ghép – toàn khối

Khi tuyến đường hầm cong hoặc mặt cắt ngang thay đổi theo chiều dài thì kết cấu BTCT lắp ghép

không sử dụng được Trong những trường hợp này, người ta sử dụng kết cấu BTCT toàn khối hoặc kếthợp lắp ghép – đổ tại chỗ sẽ dễ dàng thích hợp với các điều kiện xây dựng đô thị và địa chất công trìnhkhác nhau

Đường ngầm một nhịp BTCT đổ tại chỗ xây dựng bằng phương pháp lộ thiên là khung kín, cấu tạo từmáng, tường và mái Chiều dày tường thay đổi từ 0,3÷0,5m, máng từ 0,4÷0,8m, còn mái có sườn ≥0,6÷1m Chỗ tiếp xúc tường với máng và mái có các gờ ranh đảm bảo cho các nút có độ cứng cần thiết.Tường và máng thường làm phẳng còn mái phụ thuộc vào nhịp – phẳng hoặc có gân sườn

Kết cấu hình chữ nhật bằng BTCT toàn khối được đặc trưng bằng độ cứng góc cao và làm việc nhưmột khung siêu tinh khép kín Điều này tạo điều kiện giảm phần nào nội lực trong các cấu kiện của kếtcấu so với kết cấu BTCT lắp ghép Đồng thời, những kết cấu như vậy rất nhạy bén vì vậy nên sử dụngchúng ở những vùng đất nền tốt

Trong nền đất yếu và lún nhiều, kết cấu toàn khối tựa lên móng cọc Trong nhiều trường hợp, xâydựng kết cấu hỗn hợp có cấu tạo từ các cấu kiện lắp ghép từng phần và toàn khối là hợp lý

1.2.5 Kết cấu công trình khi thi công bằng phương pháp kín

1.2.5.1 Kết cấu chống tạm

Khi công trình ngầm được thi công với hầm dẫn trước, việc đảm bảo ổn định cho khoảng đào cũng như

không cho phép có sụt lún trên mặt đất của công trình ngầm là yêu cầu quan trọng hàng đầu Các kếtcấu chống được lắp dựng ngay sau khi tạo ra khoảng chống công trình ngầm trong đất

a Kết cấu chống tạm bằng thép

Trong đất yếu tố có hệ số nhỏ hơn 4, người ta có thể sử dụng loại kết cấu chống kim loại Trong các

hố đào mà địa tầng chứa nước ngầm hoặc đất không thoát nước, người ta hay sử dụng kết cấu chốngtạm bằng thép để tạo các tường cừ; trong các đường hầm người ta hay dùng các loại thép hình lòng mỏ,thép chữ I, đôi khi thép được chế tạo từ các chữ U, L ghép lại với nhau hoặc thậm chí từ các cốt thép trơnvới ý tưởng sẽ để lại làm cốt thép trong vỏ chống cố định bê tông cốt thép cho công trình ngầm Khoảngcách lắp dựng các vì thép thường dao động trong khoảng từ 0,3÷1,3m và chen bằng các tấm chen BTCThoặc gỗ Liên kết giữa các đoạn kết cấu của vỉ chống thép có thể sử dụng các gông hoặc bằng lắp ghépbu-lông Trong trường hợp có bùng nền còn sử dụng dạng kết cấu thép vòm ngược Các loại kết cấuchống này có khả năng mang tải, khả năng sử dụng lại cao Đặc biệt chúng còn có khả năng và độ linhhoạt cao; khả năng vận chuyển gọn nhẹ và dễ dàng gia công chế tạo phù hợp theo bất kỳ hình dạngkích thước, chi tiết cấu tạo nào theo yêu cầu

b Kết cấu chống tạm bằng bê-tông, bê-tông cốt thép lắp ghép

Trong trường hợp xuất hiện áp lực lớn, kết cấu chống phải có khả năng tiếp nhận tải trọng ngay saukhi lắp dựng và không được biến dạng Lúc này các loại vỏ chống BTCT lắp ghép sử dụng có hiệu quả

So với khung vỏ chống bằng kim loại thì khung vỏ chống bằng BTCT đúc sẵn sử dụng thép ít hơn 3÷4lần; chi phí chế tạo vỏ chống này giảm khoảng 15÷25% và có tuổi thọ cao hơn (không bị ăn mòn trongđiều kiện môi trường ẩm ướt dưới ngầm)

Trong xây dựng công trình ngầm hiện nay, thông thường người ta sử dụng khung chống lắp ghép dướidạng các khối đúc sẵn, các tấm chubing và khung chống lắp ghép hình vòm hoặc hình thang Trong điềukiện có hiện tượng bùng nền, người ta có thể sử dụng khung vỏ có kết cấu chống kín

Nhìn chung, khung vỏ chống bê tông lắp ghép không sử dụng phù hợp trong điều kiện địa tầng códịch chuyển lớn Ngoài ra, chúng còn có khả năng luân chuyển Vì vậy, chúng được sử dụng để chốnggiữ cố định các công trình ngầm có tiết diện ngang không thay đổi và tuổi thọ cao

Khung có chống lắp ghép được sử dụng dưới một số dạng: Khung chống lắp ghép hỗn hợp; khungchống BTCT linh hoạt; khung chống BTCT lắp ghép kết cấu nhẹ từ bê tông xỉ silicat và bê tông keramzit Ngày nay người ta đã nghiên cứu và đưa ra ứng dụng loại vỏ chống từ các khối đúc sẵn cho loại kếtcấu này

c Kết cấu chống tạm bằng bê tông phun

Phương pháp này rất lớn do khả năng đạt được năng suất lao động cao; giảm chi phí vật liệu chốnggiữ và giá thành xây dựng

Vỏ bê tông phun có một cố ưu điểm so với các kết cấu vỏ chống thông thường:

- Là loại kết cấu chống giữ có đặc tính vạn năng Ngoài tính năng sử dụng một cách độc lập hoặc liênkết với vì neo-lưới thép của kết cấu chỗng giữ tạm thời hoặc cố định, nó còn cho phép sử dụng để sửachữa cho các dạng công trình ngầm khác nhau

- Dưới áp lực lớn, một phần xi măng và các hạt vật liệu sẽ xâm nhập vào các lỗ rỗng, khe nứt bề mặttạo nên vùng “xi măng hóa” mới Vùng này làm việc trong cùng một hệ thống nhất, kết hợp với bêtôngphun tạo thành kết cấu chống giữ có khả năng mang tải cao Ngoài ra, sau khi tạo ra một bề mặt tươngđối chuẩn xác, bê tông phun đã góp phần “san phẳng” ứng suất tác dụng và nâng cao độ ổn định chocông trình ngầm Nhờ khả năng liên kết cao với khối đất đá, vỏ chống bêtông phun còn loại bỏ được hiệntượng trượt của vỏ chống trên biên công trình Điều này làm giảm đáng kể mômen uốn làm tăng khảnăng mang tải cho vỏ chống

-Vỏ chống bêtông phun có khả năng bảo vệ công trình ngầm chống lại các tác dụng xâm thực, phá hủycủa môi trường ngầm vào khối đất đá; làm cho khối đất đá có khả năng khôi phục và bảo toàn được cáctính chất địa cơ của mình không thay đổi trong suốt thời gian dài.

- Quá trình chuyển động của bêtông phun trong ống dưới áp lực cao sẽ làm gia tăng khả năng phân táncủa xi măng, làm tăng số lượng các hạt xi măng được thủy hóa Điều này cho phép nâng ca độ bền củabêtông phun Ngoài ra, hoạt tính của xi măng sẽ tăng lên do hiện tượng vật liệu luôn luôn bị đẩy néndưới tác dụng của dòng vật liệu bay ra từ vòi phun

-Do bêtông phun có độ bền cơ học cao hơn độ bền của bê tông thông thường, vì vậy nó cho phép giảmchiều dày của vỉ chống xuống khoảng 2 lần Điều này sẽ làm cho độ cứng kết cấu giảm xuống và làmtăng khả năng làm việc cho vỏ chống nhờ hiệu quả sử dụng tốt hơn của phản lực đàn hồi của khối đất đá Vỏ chống bêtông phun có thể làm giảm 10÷25% tiết diện đào công trình ngầm và giảm 30÷50% chiphí chống giữ công trình ngầm

-Mức độ cơ giới hóa chống giữ bằng bêtông phun cao Nó có thể đảm bảo khả năng gia tăng năng suấtlên từ 2÷3 lần; cho phép tạo ra các kết cấu chống có độ đầy mỏng khác nhau

-Vỏ chống bêtông phun có thể dễ dàng thích nghi với sự thay đổi điều kiện địa cơ học bằng phươngpháp thay đổi chiều dầy, thay đổi đặc tính cơ học của vữa phun và sử dụng các cấu kiện gia cường

-Vỏ chống bêtông phun có khả năng cao mức độ an toàn cho công trình ngầm trong quá trình sử dụng.Chúng có khả năng báo trước về mức độ nguy hiểm

-Vật liệu bêtông phun cho phép có thể phun phủ lần lượt nhiều lớp bêtông phun trong cùng một kết cấuthống nhất tùy theo tiến độ đào chống Lớp đầu tiên đóng vai trò như khung chống tạm và là thành phần

của vỏ chống bêtông phun cố định sau này Vỏ chống bêtông phun nhanh chóng làm việc và không chophép đất đá bóc tách lớp.

-Vỏ chống bêtông phun cho phép giảm sức cản khí động học và tăng mức độ an toàn phòng hỏa chocông trình

-Vỏ chống bêtông phun có khả năng chống thấm cho các công trình ngầm chứa nước, dẫn nước Nó cóthể được sử dụng để tạo ra các bức tường cách ly phòng hỏa, chống thấm hoặc ngăn cách gió Vỏ chốngbêtông phun có thể sử dụng một cách có hiệu quả với khung chống kim loại thông qua giải pháp phunlắp đầy khoảng trống công nghệ Trong trường hợp cần phun ép vữa gia cường, vỏ chống bêtông phunđược làm tường phản áp

Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm, vỏ chống bêtông phun còn một số nhược điểm : tỷ lệ rơi vãi lớntrong quá trình thi công (giá trị rơi vãi có thể lên đến 15÷30% tùy thuộc các thiết bị công nghệ và thànhphần cấp phối vật liệu sử dụng); nếu sử dụng bêtông phun dạng vật liệu khô sẽ làm tăng nồng độ bụitrong thi công (ngày nay các thiết bị sử dụng phương pháp phun bêtông ướt đã khắc phục được vấn đềnày); bề mặt lớp bêtông phun khó có thể đạt được độ phẳng, nhẵn như sử dụng các kết cấu bêtông liềnkhối và kết cấu bêtông lắp ghép, điều này làm gia tăng sức cản khí động học, đôi khi làm giảm tínhthẩm mỹ cho vỏ chống và toàn bộ công tình ngầm