Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công Chương i : Khái niệm chung hầm thiết kế hầm theo công nghệ 1.1 Định nghĩa phân loại hầm 1.1.1 Định nghĩa Hầm công trình nhân tạo nằm lòng đất có lối thông với mặt đất Hầm có nhiều mục đích sử dụng khác nhau, nằm ngang, nằm nghiêng thẳng đứng Theo tiêu chuẩn cho hầm xuyên núi Nhật Bản đường hầm công trình ngầm đất có chiều dài lớn mặt cắt khai đào mặt cắt độ dốc dọc nhỏ 15% Ngày nay, hầm sử dụng phổ biến nhiều lĩnh vực khác kinh tế quốc dân Khi cao độ tuyến đường thấp nhiều so với cao độ mặt đất tự nhiên, xây dựng hầm xuyên qua núi Khi tuyến đường men theo sườn núi có mái dốc lớn, địa chất xấu có đá lăn, đất trượt, người ta dịch tuyến đường vào núi xây dựng đường hầm Khi vượt qua sông lớn, eo biển sâu, việc xây dựng trụ cầu khó khăn cầu cao xây dựng hầm qua sông qua eo biển Trong thành phố đông dân cư, để đảm bảo giao thông nhanh chóng, xây dựng hầm lòng đất cho người, xe cộ tàu điện qua nước ta, trước có số công trình hầm phục vụ giao thông Pháp xây dựng nằm dọc tuyến đường sắt, ngành công nghiệp khai khoáng, quân Ngày nay, việc xây dựng công trình hầm tương đối phát triển nước ta với nhiều thuỷ điện, công trình hầm phục vụ mục đích quân sự, khai thác mỏ Trong năm 2003, hầm đường Hải Vân, thi công theo phương pháp đào hầm kiểu áo (New Austria Tuneling Method) nối thông kỹ thuật thức thông xe vào năm 2005 Hầm Đèo Ngang tiến hành xây dựng với đội ngũ thiết kế, thi công nước Dự án hầm Thủ Thiêm dự án tàu điện ngầm trung tâm thành phố Hồ Chí Minh lên kế hoạch 1.1.2 Phân loại Hầm có nhiều công dụng, cấu tạo, đặc điểm kết cấu phân loại theo tiêu chí sau đây: 1.1.2.1 Theo mục đích sử dụng - Hầm giao thông: bao gồm loại hầm cho đường sắt, xe điện ngầm (metro), ôtô, người bộ, hầm đường thủy, hầm vượt biển - Hầm thuỷ lợi: bao gồm loại hầm phục vụ công tác cấp thoát nước, công tác nông nghiệp (hầm thuỷ nông), hầm thuỷ điện - Hầm bố trí hệ thống kỹ thuật: bao gồm hầm cấp thoát nước, hầm bố trí mạng lưới thông tin liên lạc, mạng điện, hệ thống ống cung cấp hơi, cấp nhiệt - Hầm mỏ: loại hầm phục vụ cho công nghiệp khai khoáng gồm hầm giao thông, hầm thông gió, hầm thoát nước - Hầm có ý nghĩa đặc biệt: công trình hầm phục vơ cho c¸c lÜnh vùc träng u, cã ý Trang Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho líp Giao th«ng C«ng chÝnh nghÜa quan träng cđa nỊn kinh tế quốc dân hầm phục vụ công tác quốc phòng, hầm cho nhà máy điện nguyên tử, nhà máy quốc phòng, phục vụ cho nhu cầu dân sinh thành phố đại 1.1.2.2 Theo tính chất công trình - Hầm tự nhiên: loại hầm tạo yếu tố tự nhiên, không tác động trực tiếp người, bao gồm hang động tự nhiên, hang castơ Hầm nhân tạo: công trình hầm người tạo nhằm thoả mãn mục đích sử dụng định 1.1.2.3 Theo vị trí so với mặt đất - - Hầm nằm ngang: bao gồm loại hầm xuyên núi, hang động, kho tàng, hầm giao thông, hầm nông nghiệp - Hầm đứng: gọi giếng, phận trọng yếu công trình ngầm Hầm đứng phục vụ công tác thông gió, cung cấp không khí, ánh sáng, đặt thiết bị vận chuyển người thiết bị lên xuống vào công trình ngầm Trong thời kỳ xây dựng, có tác dụng để mở rộng khu vực thi công công trình Đóng vai trò quan trọng hệ thống công trình ngầm phục vụ công nghiệp khai khoáng, chủ yếu để vận chuyển khoáng sản, phục vụ lại, thông gió, cung cấp khí - Hầm nghiêng: giống hầm đứng, giai đoạn xây dựng công trình có tác dụng chủ yếu để mở rộng khu vực làm việc, giai đoạn sử dụng dùng để phục vụ công tác thông gió, chiếu sáng tự nhiên, cung cấp khí sạch, đường cho người lại - Là phận kết nối cửa vào mặt đất với nhà ga gầm công trình đường sắt ngầm 1.1.2.4 Theo khu vực xây dựng công trình - Hầm miền núi - Hầm đồng - Hầm dẫn nước - Hầm thành phố 1.1.2.5 Theo kích thước tiết diện công trình - Hầm có tiết diện nhỏ: bề ngang sử dụng công trình nhỏ m - Hầm có tiết diện trung bình: bề ngang sử dụng công trình từ đến 10 m - HÇm cã tiÕt diƯn lín: bỊ ngang sư dơng cđa công trình lớn 10 m có diện tích tiết diện lớn 100 m2 Ngoài phân loại theo hình dạng vỏ hầm, phương pháp thi công 1.2 ưu nhược điểm hầm việc lựa chọn phương án tuyến Có nhiều lựa chọn công tác thiết kế công trình vượt chướng ngại tuyến đường giao thông Đó là: - Cầu - Các công trình thoát nước nhỏ gồm đường tràn, cầu tràn, cống - Tường chắn, kè Trang Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công Hầm Hầm phương tiện có hiệu để mở rộng khả vạch tuyến gặp chướng ngại điều kiện khó khăn Chướng ngại vùng đồi núi, đỉnh phân thuỷ, dòng sông, kênh rạch, vùng biển, công trình, khu vực xây dựng vùng có đặc điểm địa hình, địa chất không đảm bảo cho công tác thiết kế tuyến nằm khu vực trọng yếu, di tích lịch sử, vùng sinh thái đặc biệt - Khi gặp chướng ngại, tuyến đường phải vòng, kéo theo việc tăng chiều dài tuyến, thay đổi độ dốc bố trí công trình vượt qua Điều làm xấu điều kiện khai thác tuyến, làm tăng chi phí, chí không thực Vượt chướng ngại hầm cho phép rút ngắn tuyến cách đáng kể, giảm độ dốc Điều cho phép tăng tải trọng tiêu chuẩn tốc độ xe chạy, tải thiện điều kiện kỹ thuật khai thác cho tuyến Tuy nhiên với hầm thấp, có chiều dài lớn thường yêu cầu vốn đầu tư lớn, công tác thi công yêu cầu kỹ thuật cao Khi vượt chướng ngại nước, chọn lựa cầu hầm So với vượt cầu, việc vượt tuyến hầm có ưu điểm sau: - Không phải bố trí khổ thông thuyền với sông thông thuyền, không ảnh hưởng tới lưu thông tàu thuyền mật độ giao thông tăng lên theo thời gian - Chiều dài giao với chướng ngại ngắn hơn, trường hợp khổ thông thuyền cao, bãi sông rộng - Xây dựng đường dẫn thuận tiện gặp điểm giao với khu vực dân cư, khu vực xây dựng dày đặc, khu vực trọng yếu - Tránh ảnh hưởng gió, mưa, bão, sóng gây - Không làm xáo trộn khung cảnh thiên nhiên khu vực bố trí công trình - Quá trình thi công chịu ảnh hưởng thời tiết, khí hậu Tuy nhiên, giải pháp gặp phải nhiều nhược điểm sau: - Phải đảm báo thoát nước, thông gió, cung cấp khí cho công trình - Thời gian thi công kéo dài diện thi công chật hẹp - Giá thành công trình xây dựng thường cao phải thực khối lượng công tác đất lớn - Công tác thi công yêu cầu trình độ kỹ thuật cao, tương đối mẻ nước ta Hiện nay, giới tiến hành xây dựng công trình hầm vượt biển, tiếng hầm vượt biển Măngsơ nối liền hai nước Pháp Anh Để tăng khả thông xe đường phố, giải điểm giao thông xung đột khu vực dân cư đông đúc, địa bàn chật hẹp, giải cách xây dựng công trình nút giao lập thể (cầu vượt) đường hầm Hoặc người ta tách riêng loại phương tiện giao thông (tàu ®iƯn, ngêi ®i bé, xe cé…) ®Ĩ gi¶m thiĨu xung đột với loại phương tiện giao thông khác cách tách đưa lên cầu vượt đưa vào hầm Phương án hầm thể ưu điểm lớn, là: - Không làm phá hoại cảnh quan môi trường xung quanh - Hạn chế ảnh hưởng trình lưu thông phương tiện giao thông gây khí thải, tiếng ồn, ánh sáng đèn pha đến môi trường xung quanh Trang Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công Riêng với loại hình giao thông đường sắt, việc tách riêng đường sắt đưa xuống hầm, tổ chức dạng xe điện ngầm (metro), tàu ngầm hình thức phổ biến hẳn so với phương án đưa đường sắt lên cao nhiều mẻ 1.3 Các phương pháp thi công hầm Có nhiều phương pháp thi công hầm, phụ thuộc vào nhiều yếu tố chiều sâu đặt hầm, điều kiện địa chất - thuỷ văn tuyến, yếu tố kinh tế, lịch sử công nghệ Việc thi công hầm dù tiến hành theo phương pháp cung phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật sau: - Đảm bảo thời hạn tìm biện pháp tăng tốc độ thi công - Cơ giới hoá cao tiến tới tự động hoá trình thi công - áp dụng phương pháp kỹ thuật thi công tiên tiến - áp dụng tối đa cấu kiện, chi tiết lắp ghép chế tạo sẵn nhà máy - Hạ giá thành công trình - Khối lượng công trình phụ tạm nhỏ Có thể chia phương pháp thi công hầm thành bốn nhóm sau: 1.3.1 Phương pháp đào trần Phương pháp đào trần, hay gọi phương pháp lộ thiên, thường áp dụng cho hầm đặt nông, có mặt đủ rộng cho phép triển khai công tác mặt đất Tuỳ vào đặc điểm công trình, điều kiện địa chất - thuỷ văn mà áp dụng phương pháp cụ thể khác tựu chung lại, trình xây dựng tiến hành với công trình mặt đất, bao gồm bước sau đây: - Đào chống vách - Lắp ghép cấu kiện đổ bêtông vỏ hầm toàn khối - Lắp đặt lớp phòng nước (nếu có) - Lấp lèn đất đá bên xung quanh công trình - Hoàn thiện Một phương pháp thi công hầm vượt chướng ngại nước lộ thiên việc thi công theo công nghệ hầm dìm 1.3.2 Phương pháp đào kín Phương pháp gọi nhiều tên khác phương pháp khoan nổ, phương pháp mỏ, đào moi, đào chui Được áp dụng xây dựng đường hầm có tiết diện ngang dạng bất kỳ, hầu hết điều kiện địa chất - thuỷ văn Quá trình xây dựng đường hầm biện pháp kỹ thuật gần giống trình đào hầm lò khai thác mỏ khoáng sản, thường đào hang dẫn, đào mở rộng, chống đỡ vách hang, đổ vỏ hầm, lắp đặt thiết bị hoàn thiện Đây phương pháp thi công đường hầm không nước ta mà toàn giới Phương pháp mỏ bao gồm việc đào hang toàn tiết diện phận với việc thay phần đất đá đào chống tạm Khi đào toàn tiết diện thường xây vỏ hầm bêtông toàn khối đổ chỗ lắp ghép cấu kiện đúc sẵn Khi đào hang Trang Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công phận đào hay nhiều dang cã tiÕt diƯn nhá vỵt tríc (hang dÉn) råi từ tiến hành mở rộng tới đường biên thiết kế công trình Trong trường hợp này, công tác đào hang tiến hành song song với việc xây dựng vỏ hầm Để vỏ hầm tiếp xúc với đất đá, người ta tiến hành ép vữa ximăng vào sau vỏ hầm Người ta thường áp dụng số phương pháp thi công sau: - Phương pháp vòm tựa: đào đất đá đổ bêtông vỏ tiến hành theo phần với trình tự từ vòm xuống - Phương pháp đào mở rộng toàn gương (đào lần toàn gương): đào thu dọn đất đá thực từ xuống đổ vỏ hầm thực từ lên - Phương pháp nhân đỡ đào đất đá theo chu vi 1.3.3 Phương pháp khiên đào áp dụng điều kiện địa chất - thuỷ văn phức tạp nhất, đất đá mềm yếu, không ổn định, chiều dài công trình lớn, tiết diện ngan không đổi Phương pháp thực chất xem phương pháp đào hầm có sử dụng vỏ chống giới di động - gọi khiên đào, máy liên hợp trang bị hệ thống giới để đào, bốc dỡ đất đá, lắp ghép vỏ hầm Đồng thời, khung chống tạm vững chắc, bảo vệ nó, tiến hành công việc xây lắp Khiên đào có nhiều hình dạng tròn, chữ nhật, elíp, loại giới bán giới Dạng tròn sử dụng rộng rãi xây dựng hầm Loại hình chữ nhật hình thang sử dụng đào đường thông hang dẫn đường hầm có diện tích mặt cắt ngang nhỏ ưu điểm phương pháp không cần chia gương đào thành nhiều phần, không cần chống tạm, chuyển dịch đất đá xung quanh nhất, áp lực đất đá nhỏ 1.3.4 Phương pháp thi công hầm theo công nghệ áo (New Austria Tuneling Method) Quan điểm thiết kế thi công hầm theo phương pháp truyền thống coi đất đá xung quanh gây áp lực tác dụng lên vỏ hầm Vỏ hầm kết cấu chịu lực Vì mà sau khai đào xong, cần nhanh chóng xây dựng kết cấu chống đỡ vỏ hầm để chịu tác động đất đá xung quanh NATM phương pháp thi công hầm bao gồm biện pháp mà việc hình thành đất đá xung quanh hầm liên kết thành kết cấu vòm chống Do đó, việc liên kết tự thân trở thành phần kết cấu chống đỡ Khi đào hầm, cân có nguyên thuỷ lực khối đá chuyển sang tình trạng cân mới, thứ cấp ổn định Điều đạt thông qua giai đoạn trước mặt với tiến trình phân bổ lại ứng suất đa dạng Mục đích NATM kiểm soát tiến trình chuyển đổi cân nhắc mặt kinh tế an toàn Đây phương pháp thi công hầm mới, áp dụng cho công trình hầm đường Hải Vân công trình hầm Đèo Ngang, cã nhiỊu u ®iĨm nh sau: - Sư dơng triệt để chống đỡ tự nhiên đất đá xung quanh - Kích thước mặt cắt ngang lớn so với sử dụng phương pháp truyền thống Tỏ hiệu đất đá cứng Phương pháp thường áp dụng điều kiện đất đá tốt Khi đất đá yếu, rời rạc áp dụng NATM chi phi tốn phải dùng phương pháp phụ trợ - Trang Bài giảng môn "Thiết kế Hầm thành phố" cho lớp Giao thông Công Câu hỏi ôn tập: Trình bày định nghĩa phân loại công trình hầm Khả áp dụng hầm việc lựa chọn phương án tuyến Trình bày phương pháp thi công hầm Nêu ưu, nhược điểm phạm vi áp dụng phương pháp Trang