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 kết cấu 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, mác bêtông 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 BTCT không 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 bê tông 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 trưng bằng trọng lượng riêng nhỏ, độ bền chịu kéo tăng… Trong xây dựng ngầm người ta sử dụng rộng rãi kết cấu bê tông phun (phun hỗn hợp bêtông nhờ áp lực khí nén) chiều dày phổ biến 3÷5cm, và có thể đạt tới 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 nhựa tổng hợp). Polymer bê tông có độ bền nén cao (70-80 MPa) và độ bền kéo 6,4÷7 MPa lớn hơn bêtông thường, 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 khối tại 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 lý chi tiết bên trong.
1.2.4 Kết cấu công trinh ngầm khi thi công bằng phương pháp lộ thiên
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 cấu không 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 kết hợp lắp ghép – đổ tại chỗ sẽ dễ dàng thích hợp với các điều kiện xây dựng đô thị và địa chất công trình khác nhau.
Đường ngầm một nhịp BTCT đổ tại chỗ xây dựng bằng phương pháp lộ thiên là khung kín, cấu tạo từ máng, 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 như một khung siêu tinh khép kín. Điều này tạo điều kiện giảm phần nào nội lực trong các cấu kiện của kết cấu so với kết cấu BTCT lắp ghép. Đồng thời, những kết cấu như vậy rất nhạy bén vì vậy nên sử dụng chúng 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, xây dựng 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 kết cấu 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 chống tạm 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 trơn với ý tưởng sẽ để lại làm cốt thép trong vỏ chống cố định bê tông cốt thép cho công trình ngầm. Khoảng cách lắp dựng các vì thép thường dao động trong khoảng từ 0,3÷1,3m và chen bằng các tấm chen BTCT hoặc gỗ. Liên kết giữa các đoạn kết cấu của vỉ chống thép có thể sử dụng các gông hoặc bằng lắp ghép bu-lông. Trong trường hợp có bùng nền còn sử dụng dạng kết cấu thép vòm ngược. Các loại kết cấu chống này có khả năng mang tải, khả năng sử dụng lại cao. Đặc biệt chúng còn có khả năng và độ linh hoạt cao; khả năng vận chuyển gọn nhẹ và dễ dàng gia công chế tạo phù hợp theo bất kỳ hình dạng kích 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 sau khi 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÷4 lần; chi phí chế tạo vỏ chống này giảm khoảng 15÷25% và có tuổi thọ cao hơn (không bị ăn mòn trong điều kiện môi trường ẩm ướt dưới ngầm).
hình thang. Trong điều kiện 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 có dịch chuyển lớn. Ngoài ra, chúng còn có khả năng luân chuyển. Vì vậy, chúng được sử dụng để chống giữ 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; khung chống 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 kết cấu 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 chống giữ 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 liên kết với vì neo-lưới thép của kết cấu chỗng giữ tạm thời hoặc cố định, nó còn cho phép sử dụng để sửa chữa 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 mặt tạo nên vùng “xi măng hóa” mới. Vùng này làm việc trong cùng một hệ thống nhất, kết hợp với bêtông phun tạo thành kết cấu chống giữ có khả năng mang tải cao. Ngoài ra, sau khi tạo ra một bề mặt tương đối chuẩn xác, bê tông phun đã góp phần “san phẳng” ứng suất tác dụng và nâng cao độ ổn định cho công trình ngầm. Nhờ khả năng liên kết cao với khối đất đá,
vỏ chống bêtông phun còn loại bỏ được hiện tượng trượt của vỏ chống trên biên công trình. Điều này làm giảm đáng kể mômen uốn làm tăng khả năng 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 hủy của môi trường ngầm vào khối đất đá; làm cho khối đất đá có khả năng khôi phục và bảo toàn được các tính 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 tán của xi măng, làm tăng số lượng các hạt xi măng được thủy hóa. Điều này cho phép nâng ca độ bền của bêtông phun. Ngoài ra, hoạt tính của xi măng sẽ tăng lên do hiện tượng vật liệu luôn luôn bị đẩy nén dưới 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 giảm chiều dày của vỉ chống xuống khoảng 2 lần. Điều này sẽ làm cho độ cứng kết cấu giảm xuống và làm tăng 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% chi phí 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 suất lên 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 phương pháp 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 cấu thống 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 cho phép 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 cho công trình.
- Vỏ chống bêtông phun có khả năng chống thấm cho các công trình ngầm chứa nước, dẫn nước. Nó có thể được sử dụng để tạo ra các bức tường cách ly phòng hỏa, chống thấm hoặc ngăn cách gió. Vỏ chống bêtông phun có thể sử dụng một cách có hiệu quả với khung chống kim loại thông qua giải pháp phun lắp đầy khoảng trống công nghệ. Trong trường hợp cần phun ép vữa gia cường, vỏ chống bêtông phun được làm tường phản áp.
Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm, vỏ chống bêtông phun còn một số nhược điểm : tỷ lệ rơi vãi lớn trong quá trình thi công (giá trị rơi vãi có thể lên đến 15÷30% tùy thuộc các thiết bị công nghệ và thành phần cấp phối vật liệu sử dụng); nếu sử dụng bêtông phun dạng vật liệu khô sẽ làm tăng nồng độ bụi trong thi công (ngày nay các thiết bị sử dụng phương pháp phun bêtông ướt đã khắc phục được vấn đề này); bề mặt lớp bêtông phun khó có thể đạt được độ phẳng, nhẵn như sử dụng các kết cấu bêtông liền khối và kết cấu bêtông lắp ghép, điều này làm gia tăng sức cản khí động học, đôi khi làm giảm tính thẩm mỹ cho vỏ chống và toàn bộ công tình ngầm .
d. Kết cấu chống tạm bằng vì neo
Vì neo là loại kết cấu chống giữ công trình ngầm tiên tiến và kinh tế, áp dụng trong điều kiện kỹ thuật rộng rãi. Vì neo thuộc loại kết cấu chống phủ động.
- Nâng cao độ an toàn cho công tác đào chống. Vì neo có thể lắp dựng ngay tại gương đào như khung chống tạm thời.
- Có khả năng cơ giới hóa toàn bộ quá trình chống giữ.
- Có chi phí vật liệu chống và vận chuyển thấp hơn các loại vì chống truyền thống.
- So với khung chống bằng thép, vì neo cho phép giảm tiết diện đào và sức cản khí động học đường lò xuống 18÷25%.
Vì neo có tác dụng liên kết các khối đất đá nứt nẻ với nhau và làm việc cho đến khi xuất hiện khe nứt như một dầm thống nhất; vì neo có tác dụng treo các lớp đất đá phá hủy, neo giữ các khối sụt lở cục bộ tại biên công trình ngầm vào khối đất đá ổn định nằm ngoài cùng phá hủy. Các điều kiện làm việc của vì neo phụ thuộc vào điều kiện liên kết của chúng với khối đất đá thông qua thành neo và độ bền của bản thân thanh neo. Vì neo có thể liên kết chặt với thành lỗ khoan tại một hoặc nhiều điểm hoặc cho phép khóa chặt thanh neo trên thành lỗ khoan. Vấn đề lựa chọn kết cấu thân neo và kết cấu liên kết phụ thuộc vào điều kiện địa chất tại vị trí neo phải đảm nhận.
Các loại vì neo được sử dụng hiện này thông thường là neo bê tông cốt thép, neo chất dẻo cốt thép…
e. Kết cấu khung chống hỗn hợp (sử dụng khả năng mang tải của khối đá)
Dưới áp lực cao của bêtông phun, các hạt nhỏ cốt liệu trong vữa bêtông phun có thể xâm nhập vào trong các khe nứt, lỗ rỗng tạo thành mạch gắn kết giữa các khối đất đá lại với nhau làm cho vỏ bê tông phun có thể làm khả năng mang tải của khối đất đá xung quanh công trình ngầm.
Việc lắp đặt kết cấu chống tạm bằng vì neo, nhờ các liên kết từ sự bám dính các loại vữa liên kết hoặc bản thân ma sát giữa vì neo với khối đất đá đã làm tăng lực dính và góc ma sát trong khối đất đá mặt khác vì neo lại trở thành một loại “cốt” tăng khả năng chịu tải cho khối đất đá.
phần vật chất trong địa tầng. Các hạt vật liệu trong dung dịch bơm phụt, sau quá trình tách nước dưới áp lực cao, ngoài khả năng gắn kết các khối (hoăc hạt) đất đá với nhau có ý nghĩa như một loại vữa gắn kết, còn có ý tác dụng làm giảm mật độ lỗ rỗng trong khối đất đá, tăng tỷ trọng của đất nền, tăng ma sát và khả năng liên kết giữa các hạt đất trong địa tầng. Do đó làm tăng khả năng tự mang tải của địa tầng.
f. Kết cấu chống có thể điều chỉnh khả năng mang tải
Bản chất của phương pháp này là hoàn thiện các loại kết cấu chống giữ truyền thống hoăc chế tạo các khung vỏ chống mới có khả năng thay đổi được các đặc tính cơ học của mình trong quá trình sử dụng (kết cấu chống linh hoạt về hình dạng, kích thước). Việc tăng cường hay bổ sung thêm đặc tính chịu tải của kết cấu chống sẽ làm tăng khả năng ổn định cho công trình ngầm và