- Khiên đào từng phần thích hợp với hầm có đờng kính nhỏ do khả năng giữ ổn định mặt gơng của khiên thấp;
4.6. Phân tích ổn định khi thi cơng CTN bằng khiên chất lỏng và khiên cân bằng
áp lực đất
Khi thi công CTN qua vùng đất yếu chứa n-ớc th-ờng yêu cầu phải sử dụng kết cấu chống tạm để duy trì trạng thái ổn định của g-ơng đào. Với máy khiên đào chống giữ g-ơng theo nguyên lý dùng chất lỏng có áp (khiên đào chất lỏng có áp), g-ơng CTN đ-ợc chống giữ bằng dung dịch bentônit. Với máy khiên đào chống giữ g-ơng theo nguyên lý cân bằng áp lực đất (khiên cân bằng áp lực đất), áp lực chống giữ mặt
g-ơng đ-ợc tạo ra nhờ chính khối vật liệu đào ra. Trong những năm gần đây, đã có nhiều dự án CTN trên thế giới đ-ợc thi công thành công bằng các máy khiên đào chất lỏng có áp và khiên cân bằng áp lực đất. Tuy nhiên, trong quá trình áp dụng, trong những điều kiện địa chất khơng thuận lợi vẫn có thể xảy ra nguy cơ mất ổn định. Bài báo nhằm mục đích cung cấp những thơng tin nhằm hiểu rõ hơn các cơ chế mất ổn định g-ơng đào khi thi công trong những điều kiện thi cơng bình th-ờng hoặc trong điều kiện bất lợi không thể tránh khỏi nh- sự thấm nhập của dung dịch vào trong khối đất tr-ớc g-ơng (tr-ờng hợp sử dụng khiên chất lỏng có áp) hoặc xuất hiện dịng n-ớc ngầm chảy vào g-ơng (tr-ờng hợp sử dụng khiên cân bằng áp lực đất). Trong tr-ờng hợp dùng khiên chất lỏng có áp, các phân tích tập trung vào mối liên hệ giữa độ bền kéo và tính thấm của đất, các tham số của dung dịch chất lỏng, áp lực chất lỏng và tham số hình học của CTN, cũng nh- ảnh h-ởng của yếu tố thời gian trong hiện t-ợng thấm nhập dung dịch vào trong khối đất trên mặt g-ơng. Trong tr-ờng hợp dùng khiên cân bằng áp lực đất, những phân tích sẽ chỉ ra sự khác nhau giữa áp suất chất lỏng với áp lực hiệu dụng trong buồng công tác. Mức độ ổn định của g-ơng CTN phụ thuộc vào sự liên hệ giữa hai thơng số này. ở đây cũng trình bày chi tiết tác động gây mất ổn định của áp lực thấm từ phía g-ơng đào. Vì cả áp lực hiệu dụng lẫn áp suất trong buồng công tác không thể điều khiển trục tiếp, vì vậy cơng tác thải đất đào từ buồng cơng tác sẽ đóng vai trị quan trọng.
1. Khái quát chung
Khi thi công CTN trong mơi tr-ờng đất bão hồ, hiện nay chủ yếu sử dụng các máy khiên đào kiểu kín. Cơng nghệ thi cơng này cho phép có thể không cần sử dụng các biện pháp giữ ổn định g-ơng đào thông th-ờng nh- hạ thấp mực n-ớc ngầm, khoan phụt vữa hoặc đóng băng đất. Ngồi ra, chúng còn cho phép kiểm soát độ lún bề mặt, hạn chế các rủi ro tại g-ơng đào nhờ vào sự tồn tại liên tục của áp lực chống giữ trên mặt g-ơng. Trên hình 4-18 cho thấy hiện t-ợng mất ổn định g-ơng đào trong tr-ờng hợp áp lực chống giữ tại g-ơng không đủ và trong một số tr-ờng hợp, hiện t-ợng này còn kéo theo sự phát triển của vùng sụt lở lên tới bề mặt theo những mặt tr-ợt trong đất (hình 4-18b). Quá trình sụt lở phát triển lên tới bề mặt tạo thành các hố sụt thẳng đứng với kích th-ớc
Hình 4-18. Dạng phá huỷ g-ơng đào điển hình
nhỏ hoặc thậm chí tạo thành các phễu sụt trên bề mặt với kích th-ớc lớn. Phá huỷ trong khối đất phía trên CTN dẫn đến sụt lún quá mức gây nguy hiểm cho các cơng trình phía trên. Hiện t-ợng n-ớc thấm, chảy vào trong CTN từ phía mặt g-ơng, ngồi việc gây mất ổn định g-ơng cịn có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng nh- đất giảm thể tích lỗ rỗng dẫn tới sụt lún bề mặt.
Vì vậy, sử dụng khiên kiểu kín (hình 4-19) cho phép đồng thời đạt đ-ợc hai mục đích:
- Tạo ra áp lực chống giữ trên g-ơng;
- Ngăn không cho n-ớc thấm, chảy vào trong CTN từ khối đất tr-ớc g-ơng đào. Với khiên khí nén (hình 4-19a), khí nén trong buồng cơng tác sẽ tạo ra áp lực trực tiếp trên mặt g-ơng. Tuy nhiên, sử dụng khí nén cũng kèm theo nguy cơ rủi ro cao. Nếu xảy ra hiện t-ợng thốt khí đột ngột dẫn tới giảm áp lực chống giữ trên g-ơng. Yêu cầu đặt ra là áp lực khí nén phải ln cân bằng với áp lực n-ớc ngầm lớn nhất tại
g-ơng, cụ thể là áp lực n-ớc tại chân g-ơng đào. Khi đó, trong vùng diện tích trên của g-ơng đào, áp lực khí nén tạo ra lớn hơn so với áp lực n-ớc nên có thể xảy ra nguy cơ thốt khí nén từ g-ơng lên bề mặt đất qua
các lỗ rỗng có trong đất hoặc thậm chí là đẩy trồi tồn bộ khối đất phía trên CTN Nếu cơng trình có kích th-ớc lớn và có chiều dày tầng đất phủ nhỏ.
Với khiên chất lỏng có áp, sử dụng dung dịch bentơnit (hình 4-19b), thơng qua đệm khí nén để tạo ra áp lực phù hợp và ổn định trong khối chất lỏng để chống giữ g-ơng đào. Vì dung trọng của dung dịch chất lỏng lớn hơn không nhiều so với dung trọng của n-ớc nên áp lực sinh ra t-ơng đối đều trên toàn bộ mặt g-ơng. Nói cách khác, áp lực tại vùng nóc g-ơng đào khơng lớn hơn nhiều so với vùng phía d-ới. Cũng vì vậy làm giảm khả năng đẩy trồi khối đất phía trên CTN. Độ nhớt cao của dung dịch chất lỏng
Hình 4-19. Khiên kiểu kín: (a) khiên khí nén; (b) khiên chất lỏng
có áp; (c) khiên cân bằng áp lực đất hạn chế nguy cơ thất thốt chất lỏng khơng kiểm sốt đ-ợc vào những vùng không gian trống xung quanh CTN nh- các lỗ khoan khảo sát tr-ớc đó hoặc những hệ thống đ-ờng ống tồn tại trong khối đất phía tr-ớc mặt g-ơng. Trong điều kiện hoạt động bình th-ờng, dung dịch sẽ tạo thành lớp đệm lọc trên mặt g-ơng làm việc nh- một màng chống thấm. Tuy nhiên, Nếu khối đất có tính thấm q lớn hoặc dung dịch có sức kháng cắt nhỏ, dung dịch bentơnit vẫn có thể thấm nhập vào trong khối đất trên mặt g-ơng ở một mức độ nhất định.
Với khiên dùng cân bằng áp lực đất (hình 4-19c), áp lực chống giữ trên mặt g-ơng đ-ợc duy trì liên tục nhờ vào chính khối vật liệu đất thải sau khi đào từ g-ơng. Khối vật liệu này sẽ đ-ợc chứa đầy trong buồng công tác. Việc điều khiển áp lực chống giữ trên g-ơng thực hiện thông qua việc điều chỉnh thể tích khối đất cắt ra từ g-ơng và thể tích đất thải vận chuyển ra khỏi buồng cơng tác. Tốc độ vận chuyển đất thải ra khỏi buồng công tác đ-ợc điều khiển qua tốc độ của ống băng tải vít và tốc độ tiến g-ơng.
Trong thực tế, khi sử dụng khiên khí nén th-ờng kết hợp với những ph-ơng pháp hỗ trợ khác nh- khoan phụt gia cố, đóng băng nhân tạo, v.v… Vì vậy, trong phạm vi bài báo không đề cập đến loại khiên này khi tính tốn ổn định g-ơng đào.