CHương 3 các công nghệ thi công công trình ngầm

Theo phương pháp này khi các đường hầm được thi công trong đá cứng bằng khoan nổ mìn và thường chỉ cần chống đỡ tạm đơn giản.. Thi công theo phương pháp mỏ truyền thống có các công đoạn

Chương 3

các công nghệ thi công CTN

I Tổng quan về các phương pháp thi công công trình ngầm trên thế giới

Dựa theo sự phá vỡ lớp đất đá phía bên trên công trình ngầm, các phương pháp thi công công trình ngầm có thể chia ra thành hai nhóm phương pháp chính:

- Phương pháp thi công đào lộ thiên

- Phương pháp thi công đào chui

Do đặc điểm, yêu cầu đối với các công trình ngầm quân sự nên nội dung nghiên cứu tập trung vào phương pháp thi công đào chui sau:

+ Phương pháp mỏ truyền thống

+ Phương pháp NATM

+ Phương pháp Khiên đào (SM)

+ Phương pháp khoan đào (TBM)

+ Phương pháp kích đẩy (pipe jacking)

1 Phương pháp mỏ truyền thống

Đây là phương pháp thi công phổ biến dùng để thi công hầm lò khai thác khoáng sản Nhiều đường hầm giao thông, thuỷ lợi và quân

sự cũng thi công theo phương pháp này Theo phương pháp này khi các

đường hầm được thi công trong đá cứng bằng khoan nổ mìn và thường chỉ cần chống đỡ tạm đơn giản Trường hợp đường hầm thi công trong

điều kiện địa chất yếu, không ổn định thì sử dụng kết cấu chống tạm hoặc bằng khung gỗ, hoặc bằng vòm thép, khung sườn thép Hệ thống

vỏ cuối cùng của đường hầm là kết cấu bê tông, bê tông cốt thép Đôi khi người ta cũng sử dụng hệ thống neo và bê tông phun làm kết cấu che chống tạm

Quy trình thi công theo phương pháp mỏ truyền thống có thể biểu diễn bằng sơ đồ như trên hình 1.1

Nguyên tắc cơ bản thi công theo phương pháp mỏ truyền thống là:

- Giảm đến mức tối thiểu việc làm xáo động khối đất đá xung quanh đường hầm

- Chống tạm sớm nhằm hạn chế sự mất ổn định của đất đá Quy trình thi công liên tục kiểm tra sự ổn định của kết cấu chống tạm, nếu cần thiết phải gia cường, thay thế

- Khi tháo dỡ hệ thống chống tạm để lắp dựng ván khuôn đổ bê tông vỏ hầm cần thực hiện cẩn thận theo trình tự nhất định nhằm tránh

sự sụt lở đất đá làm mất ổn định Trường hợp sử dụng kết cấu chống tạm bằng thép hoặc bê tông cốt thép có thể không cần phải tháo dỡ để tránh sự nguy hiểm

- Sau khi tháo dỡ chống tạm tiến hành đổ bê tông vỏ hầm ngay

Công tác chuẩn bị

Xây dựng phương án thi công

Thi công đào

Thi công chống tạm

Bổ sung Kiểm tra hệ chống tạm

Thi công vỏ hầm vĩnh cửu

Hoàn thiện công trình

Hoặc thay thế

Hình1 1: Quy trình thi công hầm theo phương pháp mỏ truyền thống

Thi công theo phương pháp mỏ truyền thống có các công đoạn đào, chống tạm, đổ vỏ hầm, liên hệ chặt chẽ với nhau và phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện đất đá, kích thước mặt cắt ngang đường hầm cũng như lực lượng, trang bị thi công

Theo quá trình đào đất đá (đối với đường hầm ngang) có thể phân thành: Đào toàn mặt cắt; đào kiểu bậc thang (trên, dưới); đào hang dẫn (hang dẫn giữa, hang dẫn tường, hang dẫn trên, hang dẫn giữa hoặc kết hợp nhiều hang dẫn )

Theo quá trình thi công vỏ hầm thường có thể chia làm 2 loại: Phương pháp tường trước, vòm sau và phương pháp vòm trước, tường sau

+ Phương pháp tường trước, vòm sau: một số nơi gọi đây là

phương pháp thuận Phương pháp này phù hợp với điều kiện đất đá ít

ổn định

+ Phương pháp vòm trước, tường sau: một số nơi gọi đây là

phương pháp nghịch, trước tiên đào phần trên của mặt cắt đường hầm, tiến hành xây dựng vỏ sau đó mới đào phần bên dưới rồi mới thi công phần tường hầm Phương pháp này được sử dụng đối với đường hầm tiết điện lớn, điều kiện đất đá ổn định

* ưu nhược điểm của phương pháp

+ ưu điểm:

- áp dụng rộng rãi cho các loại địa chất khác nhau

- áp dụng rộng rãi cho các dạng tiết diện khác nhau của đường hầm

- Có thể áp dụng đối với các điều kiện khác nhau về trang thiết bị cũng như nhân lực

Hoàn thiện công trình

Thi công lớp cách nước

giám sát biến dạng

chống đỡ ban đầu

No

Thi công đào Xây dựng phương án thi công Công tác chuẩn bị

Đo đạc

Thi công lớp vỏ sau cùng

So sánh với tiêu chuẩn

yes

Điều chỉnh kết cấu chống

Điều chỉnh phương pháp đào

No

+ Nhược điểm:

- Không phát huy được khả năng tự chịu tải của môi trường

- Tốc độ thi công phụ thuộc nhiều vào tình trạng trang thiết bị kỹ thuật

2 Một số phương pháp thi công khác

a/ Thi công đường hầm theo công nghệ NATM

Quá trình triển khai thi công hầm theo NATM gồm các bước: Các công tác chuẩn bị; lập phương án thi công; thi công đào; chống đỡ ban

đầu; đo đạc giám sát biến dạng; thi công lớp phòng nước; thi công lớp

vỏ vĩnh cửu (nếu cần) và một số công tác khác Quy trình thi công hầm theo NATM có thể biểu diễn như trong hình 1.2

Hình1 2: Quy trình các bước thi công hầm theo NATM

* ưu nhược điểm của phương pháp

+ ưu điểm:

- áp dụng rộng rãi cho các loại địa chất khác nhau

- Phát huy được khả năng tự chịu tải của đất đá

- Tốc độ thi công tương đối nhanh

+ Nhược điểm:

- Chỉ phát huy được ưu điểm của nguyên lý làm việc đối với tiết diện tròn hoặc gần tròn

- Đòi hỏi phải có nhiều trang thiết bị và trình độ đội ngũ thi công

b/ Thi công hầm bằng phương pháp khiên đào (Shield method -SM)

Điều kiện áp dụng: Phương pháp khiên đào áp dụng trong những

điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn phức tạp nhất, đất đá mềm yếu, không ổn định, chiều dài công trình lớn, tiết diện ngang không đổi Hoặc tại những vị trí không thể thi công bằng phương pháp hở khi đi qua khu di tích, khu dân cư trong đô thị và khu công nghiệp,

*Ưu nhược điểm của phương pháp

+ ưu điểm:

- áp dụng rộng rãi cho các loại địa chất khác nhau, đặc biệt thích hợp thi công trong địa chất yếu

- Tốc độ thi công tương đối nhanh

+ Nhược điểm:

- Chỉ phù hợp cho các đường hầm có tiết diện không thay đổi, tuyến hầm không phức tạp

- Đòi hỏi phải có nhiều trang thiết bị và trình độ đội ngũ thi công

c/ Thiết bị khoan đào hầm (TBM)

TBM là một hệ thống đảm nhiệm các chức năng: đẩy, quay xoắn, giữ ổn định khi luân chuyển, vận chuyển đất đào, lái, thông gió và chống đỡ nền quanh hang đào Trong hầu hết các trường hợp, những chức năng này có thể được thực hiện liên tục trong mỗi chu trình khai

lò Hình 3.1 là phác hoạ một TBM điển hình được thiết kế để vận hành trong đá cứng Bộ phận đầu cắt được cho quay và đẩy vào bề mặt khối

đá, làm cho các đĩa-lưỡi phay bập vào và phá vỡ đá ở mặt gương hầm

Có thể được tăng cường phản lực chống lại (reaction) tác động của các lực đẩy và xoắn bằng cách dùng các trụ chống (thiết bị kẹp) được nới dài (extended) áp vào vách hầm, dùng lực ma sát giữa đầu cắt khiên và vách hầm, hoặc bằng hệ giằng tựa vào bộ phận chống đỡ được lắp đặt phía sau TBM

*Ưu điểm của việc sử dụng TBM bao gồm

+ Ưu điểm:

- Tốc độ đào cao hơn, vận hành liên tục

- Mức độ huỷ hoại khối nền đá ít hơn

- Biên đào nhẵn, giảm thiểu diện tích đào thừa, yêu cầu chống đỡ

ít hơn

- Vụn đất đào thải có tính chất đồng đều

- An toàn nhân lực và bảo vệ môi trường cao hơn

- Có khả năng cơ giới hoá toàn bộ quá trình xây dựng

- Có thể áp dụng tối đa các cấu kiện đúc sẵn

- Có thể điều khiển tự động hoá từ xa

+ Nhược điểm của TBM:

- Dạng hình học thường cố định là tròn

- Công trình ngầm thường đào qua nhiều loại địa chất và địa chất thuỷ văn khác nhau, khi đào bằng TBM mức độ rủi ro cao đòi hỏi

phải có các biện pháp gia cố, sử lý phụ trợ, tính linh hoạt bị hạn chế đối với các điều kiện địa chất phức tạp

- Chi phí đầu tư cao Khó có thể khấu hao hết cho một dự án xây dựng

- Công tác lắp đặt các hệ thống chống giữ ở gương rất khó khăn phức tạp khi thi công bằng TBM gặp phải đất yếu, chảy lỏmg

- TBM đòi hỏi vật tư, phụ tùng thay thế rất đặc chủng, đắt và trong nước chưa sản xuất được

d/ Ngoài ra còn công nghệ thi công hầm theo phương pháp kích đẩy (PipeJacking)

II Thực trạng thi công công trình ngầm ở Việt Nam hiện nay

Trong những năm gần đây, do nhu cầu phát triển kinh tế và hoàn thiện cơ sở hạ tầng cũng như cung cấp điện năng cho nền kinh tế nên nhiều hầm đã được xây dựng Đặc biệt, trong lĩnh vực xây dựng thuỷ

điện, bắt đầu từ nhà máy thuỷ điện Hoà Bình, thuỷ điện Yaly, tiếp sau

đó là một loạt các thuỷ điện được xây dựng như Đại Ninh, Buôn Kuốp,

Sê San, … và các thuỷ điện vừa và nhỏ tại các vùng Tây Bắc, Tây Nguyên, và những lưu vực sông có tiềm năng phát triển thuỷ điện

1 Các công nghệ thi công hầm hiện có ở Việt Nam

Hiện tại, Việt Nam đang có một lực lượng đông đảo trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm - kể cả về quy mô và số lượng Các công nghệ được trang thiết bị trong lĩnh vực xây dựng hầm cũng đã có những bước chuyển biến rõ rệt

- Suốt thời gian dài, Việt Nam là thuộc địa của Pháp, là nơi cung cấp các nguyên vật liệu, hàng nông sản, khoáng sản,…cho nước Pháp

Do vậy, tuyến đường sắt Bắc – Nam được xây dựng vì mục đích chuyên chở hàng hoá cho nước Pháp Một loạt các hầm đường sắt đã

được xây dựng trên tuyến đường sắt này Trong những năm chiến tranh, nhiều hầm đã bị phá huỷ do bom đạn hoặc do yêu cầu phục vụ chiến tranh Sau thống nhất đất nước, các hầm này đã được khôi phục cùng với tuyến đường sắt và trở thành một phần giao thông quan trọng góp phần đáng kể vào việc chuyên chở hành khách, hàng hoá Các hầm

đường sắt này đều được xây dựng thủ công bằng thuốc nổ, choòng, khoan tay,… và lại bị hư hỏng trong chiến tranh nên nhiều hầm bị xuống cấp nghiêm trọng nhất là các hầm đường sắt số 9, 13 tại khu vực

đèo Hải Vân

- Trong những năm 70 (thế kỷ 20) trở về trước, do các tình hình khách quan nên lĩnh vực xây dựng công trình ngầm dân dụng ở Việt Nam hầu như không có gì Chỉ có hai hầm đường sắt trên tuyến Hà Nội – Lạng Sơn được Trung Quốc xây dựng để cung cấp nhu yếu phẩm

và các yêu cầu phục vụ chiến tranh Các hầm đường sắt này hầu hết

đều được xây dựng theo công nghệ khoan nổ truyền thống Sau năm

1978, tuyến đường sắt này không được sử dụng Các thiết bị thi công rất hạn chế

- Khi xây dựng nhà máy thuỷ điện Hoà Bình, Việt Nam mới chỉ có một số lượng hạn chế các máy chuyên dụng trong thi công hầm như máy cào vơ (Liên bang Nga), một số máy khoan sử dụng hơi ép,…Hầu hết các thiết bị này đều có nguồn gốc từ Liên Xô cũ

- Dự án hầm đường bộ qua đèo Hải Vân là dự án có quy mô lớn nhất Việt Nam trong lĩnh vực hầm giao thông áp dụng công nghệ thi công hầm mới của áo (NATM) đầu tiên ở Việt Nam, đã sở hữu một khối lượng đáng kể về thiết bị thi công hầm Điển hình như các máy khoan Boltex, máy phun bê tông Aliva, máy bốc dỡ và các xe vận tải chuyên dụng Ngoài ra, hệ thống khoan thuỷ lực cũng được sử dụng

phổ biến, như khoan thuỷ lực Boomer Bên cạnh đó, các máy quan trắc cho phép đo đạc được mức độ biến dạng của hầm, mức độ chính xác của biên hầm và trắc dọc hầm cũng được trang bị các thiết bị hiện đại

- Thuỷ điện Đại Ninh (Lâm đồng) là công trình đầu tiên ở Việt Nam sử dụng thiết bị khoan hầm (TBM) với đường kính 6.4m để thi công đường hầm dẫn nước – đây cũng là một công nghệ lần đầu tiên

được áp dụng ở Việt Nam cho phép cơ giới hoá thi công một cách tối

đa

- Thuỷ điện Yaly đã sử dụng tổ hợp Robbin để thi công hạng mục giếng đứng

- Một số dự án về hầm giao thông đô thị đã và đang được triển khai như dự án hầm cho người đi bộ tại Ngã tư sở (Hà nội), hầm vượt đường

bộ tại nút giao thông Kim Liên - Đại Cồ việt (Hà nội),…đã sử dụng công nghệ thi công đào và lấp (Cut and cover)

- Dự án thoát nước Nhiêu Lộc - Thị Nghè (Tp Hồ Chí Minh) sử dụng công nghệ thi công kích đẩy (pipe jacking) đầu tiên

- Dự án hầm Thủ Thiêm bắc qua sông Sài gòn (Tp Hồ Chí Minh)

sử dụng công nghệ hầm dìm

- Sắp tới, các dự án Metro ở Hà nội, Tp Hồ Chí Minh sẽ được triển khai xây dựng, các dự án này dự kiến là thi công bằng phương pháp khiên đào (shield method - SM)

Như vậy, có thể thấy rằng Việt Nam đã áp dụng nhiều công nghệ hiện đại trong xây dựng công trình ngầm từ lĩnh vực xây dựng hầm dẫn nước của thuỷ điện và các hầm giao thông, hầm kỹ thuật,…

Việc đầu tư các trang thiết bị trong xây dựng công trình ngầm hoàn toàn phụ thuộc vào tình hình phát triển công nghệ của lĩnh vực này

2 Trang thiết bị thi công công trình ngầm ở Việt Nam

Sơ bộ, có thể kể đến các thiết bị thi công hầm và các tính năng đã

được sử dụng ở Việt Nam như sau:

a/ Thiết bị bốc xúc

- Các máy cào vơ

Hình 1.3: Các máy cào vơ

H×nh 1.4: M¸y xóc

-

Xóc tù lËt

H×nh 1.5:Máy xúc Tôrô

b/ ThiÕt bÞ khoan hÇm

H×nh 1.6:Máy khoan Boomer

H×nh 1.7:Các máy khoan thuỷ lực

H×nh 1.8:Máy khoan neo Boltex

c/ ThiÕt bÞ kh¸c

H×nh 1.9:Máy bơm vữa Aliva

Hinh 1.10: Xe trộn bê tông

d/ Tæ hîp thi c«ng

H ình 1.11: Tổ hợp Robbin