Lựa chọn công nghệ phù hợp khi xây dựng công trình ngầm theo kỹ thuật đào kín. TS. Bùi Đức Chính

Tuyển tập cơng trình Hội nghị khoa học cơng nghệ môi trường năm 2009 Viện Khoa học Công nghệ GTVT Hà Nội, 30/10/2009 Lựa chọn công nghệ phù hợp xây dựng cơng trình ngầm theo kỹ thuật đào kín TS Bùi Đức Chính Viện Khoa học Công nghệ GTVT ThS Phạm Thanh Tùng Công ty CP Cơng trình ngầm Tóm tắt: Kỹ thuật đào kín (Trenchless Technique/No-dig) kỹ thuật áp dụng phổ biến xây dựng cơng trình ngầm Việc lựa chọn cơng nghệ thi cơng phù hợp kỹ thuật đào kín đóng vai trị quan trọng đến thành cơng dự án xây dựng cơng trình ngầm, đặc biệt xây dựng cơng trình ngầm thị Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu ban đầu xây dựng cơng trình ngầm theo kỹ thuật đào kín bao gồm: so sánh ưu nhược điểm kỹ thuật đào hở kỹ thuật đào kín; tóm tắt số công nghệ thường dùng kỹ thuật đào kín; tiêu chuẩn lựa chọn cơng nghệ xây dựng cơng trình ngầm theo kỹ thuật đào kín Abstract: Trenchless technique is a technique which is widely applied in underground structure construction Choosing an appropriate construction technology plays an important role in the success of an underground structure construction project, especially in urban underground structures This article introduces the initial research results on the underground structure construction using trenchless technique, including: comparison of the advantages and disadvantages of trenchless technique and trench technique; summary of some kinds of technologies often used in trenchless technique and standards to choose technology when constructing underground structure by trenchless technology Các cơng nghệ kỹ thuật đào kín 1.1 Các kỹ thuật xây dựng cơng trình ngầm Cho đến có nhiều cơng nghệ thi cơng cơng trình ngầm khác áp dụng, song phân thành hai kỹ thuậ xây dựng : kỹ thuật đào hở, gọi đào lộ thiên/đào lấp (Trench Technique) kỹ thuật đào kín (Trenchless Technique/No-dig) Mỗi kỹ thuật có phạm vi áp dụng thay đổi tuỳ theo nhiều yếu tố [1, 4, 6] 1.2 Kỹ thuật đào hở xây dựng công trình ngầm Kỹ thuật đào hở thuật ngữ cơng nghệ xây dựng cơng trình ngầm mà người ta xây dựng cơng trình ngầm cách đào từ mặt đất tự nhiên đến cao độ đáy công trình ngầm, thi cơng lấp phủ cơng trình ngầm Kỹ thuật có nhược điểm : ™ Kỹ thuật đào hở đòi hỏi khối lượng đào đắp lớn, phá vỡ cảnh quan khu vực xây dựng, đặc biệt cơng trình đặt sâu so với mặt đất; ™ Chiếm đất nhiều, ồn dễ gây ách tắc giao thơng (thực tế chứng minh có nhiều vấn đề nảy sinh thi công hầm chui nút Kim Liên hầm hành nút Ngã Tư Sở: vấn đề ách tắc giao thông, nhà dân sát với cơng trình thi cơng bị nghiêng, nứt…); ™ Trong đất sét yếu đất bùn việc bảo đảm ổn định đất phức tạp; ™ Sự hạn chế vạch tuyến : phải bám theo tuyến phố hữu, đặc biệt bán kính cong nhỏ xây dựng tuyến tàu điện ngầm, cơng trình thi cơng sát với móng cơng trình có phải tiến hành gia cố chống đỡ cơng trình gây tốn kém; 145 ™ Vấn đề giải phóng mặt dành chỗ cho cơng trường xây dựng, tổ chức lại tuyến giao thông, ồn, chấn động…là vấn đề kinh tế-xã hội khó giải nhanh gọn để cơng trình khởi cơng thời hạn 1.3 Kỹ thuật đào kín xây dựng cơng trình ngầm Khác với kỹ thuật đào hở, kỹ thuật đào kín khơng đào từ mặt đất xuống mà đào ngầm lòng đất để tạo hang đào, sau cơng trình ngầm xây dựng hang đào Kỹ thuật tỏ hiệu xây dựng cơng trình ngầm đô thị đặt sâu, đặc biệt xây dựng cơng trình ngầm có mặt cắt ngang trịn hình chữ nhật Tùy theo dạng cơng trình loại trọng lực hay loại áp lực mà lựa chọn công nghệ cho phù hợp Hiện có nhiều cơng nghệ kỹ thuật đào kín Hình giới thiệu cách phân loại công nghệ kỹ thuật đào kín Theo kỹ thuật đào kín phân thành nhóm cơng nghệ : (1) khoan đào ngang, (2) kích đẩy, (3) sử dụng TBM [1, 3] Kỹ thuật đào kín Không ngời Khoan đào ngang Khoan guồng xoắn Có ngời Kích đẩy ống Khoan định hớng Sử dụng TBM Microtunnelling Đóng ống Hỡnh : Phân loại công nghệ kỹ thuật đào kín Nhóm cơng nghệ khoan đào ngang bao gồm cơng nghệ việc đào hang thực nhờ thiết bị máy móc, khơng cho cơng nhân vào bên hang đào Nhóm chia thành [2, 3]: ™ Công nghệ khoan guồng xoắn (Auger Boring-AB); ™ Công nghệ khoan định hướng ngang (Horizontal Directional Drilling-HDD); ™ Công nghệ đào hầm nhỏ (MicroTunneling-MT); ™ Công nghệ đóng ống (Pipe Ramming-PR); Cả hai cơng nghệ kích đẩy (Pipe Jacking-PJ) sử dụng máy đào hầm (Tunnelling Boring Machine-TBM) yêu cầu công nhân vào bên hang đào trình đào đất trình thi cơng Tuy nhiên, cơng nghệ kích đẩy khác với công nghệ TBM kết cấu chống đỡ thành hang đào Cơng nghệ kích đẩy sử dụng đoạn cơng trình ngầm chế tạo sẵn, đoạn cơng trình ngầm nối tiếp đẩy vào đất nhờ hệ thống kích đẩy đặt giếng điều khiển kết hợp với đào đất [1, 3, 5] Trong cơng nghệ TBM sử dụng thiết bị máy đào để đào đất, kết cấu chống đỡ thi cơng bên cơng trình ngầm [4] Một số ưu điểm kỹ thuật đào kín : Theo tổng kết qua nhiều cơng trình kỹ thuật đào kín có nhiều ưu điểm ™ Về phương diện kỹ thuật : ♦ Đảm bảo độ bền vốn có lớp vỏ cơng trình ngầm; 146 ♦ Hạn chế mức tối thiểu việc đào cắt mặt bằng; ♦ Ít rủi ro lún; ♦ Giảm đến tối thiểu việc chỉnh trang lại mặt bằng; ♦ Bề mặt hoàn thiện bên trơn nhẵn tạo đặc tính dịng chảy tốt; ♦ Khơng địi hỏi làm lớp vỏ cơng trình ngầm thứ hai; ♦ Ít mối nối so với cơng trình ngầm lắp ghép; ♦ Ngăn chặn xâm nhập nước ngầm nhờ dùng mối nối mềm kín nước; ♦ Giảm đáng kể chi phí xã hội so với kỹ thuật đào hở khu vực đô thị; ™ Lợi ích an toàn kỹ thuật đào kín : Kỹ thuật đào kín bao gồm cơng nghệ thi cơng ln có tính an tồn cao cho người so với kỹ thuật đào hở Sau nghiên cứu nhiều cơng trình ngầm xây dựng, Cục Sức khoẻ An toàn (Hoa Kỳ) kết luận kỹ thuật đào kín xảy nguy tai nạn so với kỹ thuật đào hở ™ Lợi ích mơi trường : So với kỹ thuật đào hở, việc sử dụng kỹ thuật đào kín đạt nhiều lợi ích thực mơi trường Nhìn chung, kỹ thuật đào kín giảm lượng vật liệu đưa từ nơi khác đến lượng vật liệu cần chuyển Nhờ mà giảm bớt số lượt xe tải qua lại gây nên xáo động cho môi trường Một so sánh hai kỹ thuật nêu bảng Nhưng kỹ thuật đào kín có số nhược điểm : ™ Đòi hỏi đội ngũ thợ lành nghề phải đào tạo; ™ Không thể thay đổi nhanh hướng tuyến cao trình đặt cơng trình ngầm, việc thao tác hiệu chỉnh tốn kém; ™ Giá thành thiết bị TBM cao vận hành liên tục chúng bị hạn chế Bảng 1.Một so sánh kỹ thuật đào hở kỹ thuật đào kín Đặc điểm cơng trình ngầm Đường kính D600, sâu 4m, dài 100m Phương án Đường kính D1200, sâu 4m, dài 100m Đào hở Đào kín Đào hở Đào kín 1400mm 760mm 2350mm 1450mm 1700mm Khơng 2650mm Khơng 6,1 m3 0,5 m3 10,28 m3 1,65 m3 Số lượng cát đá để lấp hào (tính 1m dài) 11,90 Không 18,27 Không Số chuyến chở xe tải 20 tính cho 100m dài (chở đất thải chở đá lấp về) 136 220 21 Bề rộng hố đào khiên đào) (D Bề rộng khơi phục Khối lượng đào 1m cơng trình ngầm Tiêu chuẩn lựa chọn công nghệ kỹ thuật đào kín Có sáu tiêu chuẩn xem xét liên quan đến việc sử dụng công nghệ kỹ thuật 147 đào kín Các tiêu chuẩn bao gồm: điều kiện trường, đường kính cơng trình ngầm, độ sâu đặt cơng trình ngầm, chiều dài thi cơng cơng trình ngầm (từ giếng điều khiển đến giếng nhận), điều kiện địa chất mục đích sử dụng [2, 3] 2.1 Các điều kiện trường Tiêu chuẩn điều kiện trường xem xét để đánh giá mức độ khó khăn (theo kinh nghiệm) kỹ thuật đào hở sử dụng Thí dụ tồn giao cắt cơng trình ngầm sơng suối, đường sắt, đường bộ…có thể trở ngại việc sử dụng kỹ thuật đào hở để thi cơng Trường hợp hướng tuyến cơng trình ngầm cắt ngang qua vùng di tích lịch sử, vùng danh lam thắng cảnh, thi công theo kỹ thuật đào hở việc khơi phục lại trạng ban đầu vùng sau khó khăn tốn Bên cạnh đó, việc đào lấp mặt đường làm giảm tuổi thọ của áo đường, làm tăng chi phí sửa chữa bảo dưỡng mặt đường, ngồi cịn gây khó khăn cho giao thông, sinh hoạt người dân sống xung quanh Một tiến công nghệ kỹ thuật đào kín gây tác động tới hệ thống giao thông bên Hiện vấn đề giao thông trở thành mối quan tâm nhiều thị, nhân tố quan trọng việc lựa chọn cơng nghệ kỹ thuật đào kín Sự phức tạp mạng lưới tiện nghi công cộng ngầm có nên nhìn nhận tiêu chuẩn việc lựa chọn công nghệ kỹ thuật đào kín 2.2 Đường kính cơng trình ngầm Đường kính cơng trình ngầm thi cơng yếu tố để lựa chọn công nghệ kỹ thuật đào kín Thí dụ, khoan guồng xoắn sử dụng để thi cơng cơng trình ngầm có đường kính thay đổi phạm vi từ 200mm đến 1500mm, MicroTunneling áp dụng đường kính cơng trình ngầm thay đổi từ 250mm đến 3000mm Chi tiết xem bảng Bảng 2: Lựa chọn công nghệ theo đường kính cơng trình ngầm Các cơng nghệ đào kín Phạm vi đường kính áp dụng Khoan guồng xoắn (AB) 200-1500mm Khoan định hướng (HDD) 50-1200mm MicroTunneling (MT) 250-3000mm Kích đẩy (PJ) 1070- 4200mm Đóng ống (PR) 100-1500mm Máy đào hầm (TBM) Đến 18000mm 2.3 Độ sâu đặt cơng trình ngầm Tất cơng nghệ kỹ thuật đào kín yêu cầu xây dựng giếng điều khiển giếng nhận (trừ công nghệ khoan định hướng) yếu tố để lựa chọn công nghệ kỹ thuật đào kín Chi tiết xem bảng Bảng 3: Phạm vi độ sâu lắp đặt áp dụng Các cơng nghệ đào kín Phạm vi độ sâu lắp đặt áp dụng Khoan guồng xoắn (AB) Thường thay đổi từ 6m đến 30m Khoan định hướng (HDD) < 50m MicroTunneling (MT) Thường thay đổi từ 6m đến 30m Kích đẩy (PJ) Thường thay đổi từ 6m đến 30m 148 Đóng ống (PR) Thường thay đổi từ 6m đến 30m Máy đào hầm (TBM) Thường thay đổi từ 6m đến 30m 2.4 Chiều dài thi công cơng trình ngầm Thơng thường, chiều dài thi cơng cơng trình ngầm (từ giếng điều khiển đến giếng nhận) tăng kéo theo phức tạp mức độ rủi ro dự án tăng theo Chiều dài lớn xác định dựa vào công suất thiết bị đào, loại đất nền, chiều sâu đặt cơng trình ngầm, đường kính cơng trình ngầm Tuy nhiên, chiều dài thi công nhỏ lại xác định dựa vào yếu tố kinh tế dự án Chiều dài thi công nhỏ không kinh tế giá trị đầu tư công nghệ cao Chiều dài thi công công nghệ khoan guồng xoắn thay đổi từ 12m đến 1800m Chiều dài thi cơng cơng nghệ MicroTunneling thay đổi từ 25m đến 225m Chiều dài thi công công nghệ kích đẩy thơng dụng Hoa Kỳ từ 300m đến 1050m Tuy nhiên, việc lựa chọn chiều dài thi cơng hợp lý cơng nghệ đào kín nên theo bảng Bảng 4: Chiều dài thi công hợp lý cơng nghệ đào kín Các cơng nghệ đào kín Chiều dài thi cơng hợp lý Khoan guồng xoắn (AB) 12-150m Khoan định hướng (HDD) 12-800m MicroTunneling (MT) 25-225m Kích đẩy (PJ) 150-305m Đóng ống (PR) 12-60m Máy đào hầm (TBM) Không hạn chế 2.5 Các điều kiện địa chất Các điều kiện địa chất ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn công nghệ kỹ thuật đào kín Do chất cơng nghệ, cơng nghệ có phạm vi áp dụng phù hợp Trong thông số địa kỹ thuật, giá trị SPT thông tin quan trọng để lựa chọn công nghệ thi công phù hợp Chi tiết xem bảng Bảng 5: Lựa chọn công nghệ phù hợp kỹ thuật đào kín dựa giá trị SPT Loại đất Đất dính (sét) Đất khơng dính (cát bùn) Đá nguyên khối Giá trị SPT (N) AB HDD MT PJ PR TBM N15 (cứng) + + + + + + N30 (chặt) + + + + + + Nước ngầm cao N - + - - +