CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CƠ SỞ
2.1. ĐOẠN TUYẾN LỰA CHỌN THI CÔNG 1. Đặc điểm đoạn tuyến
2.1.4. Lựa chọn chiều sâu đặt hầm và công nghệ thi công 1 Lựa chọn chiều sâu đặt hầm
2.1.4.2. Lựa chọn công nghệ thi công 1. Các phương án thi công
Dựa vào kinh nghiệm thi công hầm và các công trình ngầm của các nước trên thế giới, với điều kiện của Hà Nội có thể vận dụng một số phương pháp thi công sau đây : a/ Phương pháp thi công lộ thiên
Phương án thi công lộ thiên bao gồm các phương pháp sau đây :
− Phương pháp đào hố móng;
− Phương pháp dùng vì kéo di động;
− Phương pháp thi công tường trong đất;
− Phương pháp hạ đoạn.
* Phương pháp đào hố móng
Đầu tiên từ mặt đất tiến hành đào hố móng có vách xiên hoặc thẳng đứng với hệ thống chống vách đến độ sâu cần thiết đặt hầm. Sau đó tiến hành lắp đặt các cấu kiện BTCT định hình sẵn hoặc đổ bêtông toàn khối tại chổ, xây dựng kết cấu chống thấm rồi lấp đất trở lại, khôi phục mặt đất tự nhiên hoặc xây dựng những công trình ngầm trên mặt đất như đường xá vỉa hè… để chống đỡ vách hố móng thẳng đứng dùng cọc cừ hoặc cọc cừ kết hợp với neo.
Phương pháp thi công dùng hố móng đặc trưng bằng việc cơ giới hóa cao quá trình thi công, cho khả năng áp dụng các kết cấu kiểu công nghiệp hóa, các máy làm đất và các thiết bị nâng hạ có công suất lớn. Tuy nhiên trong điều kiện thành phố có công trình xây dựng dày đặc, mật độ giao thông lớn không phải lúc nào cũng áp dụng phương pháp cũng có hiệu quả. Việc đào các hố móng rộng kéo dài trên đoạn 100 m – 150 m sẽ dẫn đến phá hoại giao thông đường phố trong suốt thời kỳ xây dựng, gây khó khăn cho cuộc sống bình thường của đô thị. Khi thi công hầm bằng phương pháp hố móng thường đòi hỏi chi phí lớn về kim loại, gỗ gia cố tạm. Ví dụ để gia cố hố móng sâu 6 m - 7 m rộng 8 m - 10 m sẽ chi phí 250 tấn - 300 tấn thép và 60 m3 -70 m3 gỗ.
* Phương pháp dùng vì kéo di động
Để cơ giới hóa tối đa công tác đào, xúc đất và xây dựng vỏ hầm trong điều kiện thành phố có thể sử dụng vì chống di động bằng kim loại có tiết diện hở. Vì chống di chuyển bằng cách đẩy kích khiên lên vỏ hầm lắp ghép (hoặc vách đào) phía sau. Việc sử dụng vì chống di động cho phép:
− Không cần sử dụng vì chống tạm và giảm nhẹ khó khăn khi xây dựng vì chống tạm;
− Giảm khối lượng công tác đất khi đào hố móng và lấp trở lại sau khi xây dựng xong kết cấu (do giảm khe hở thi công giữa kết cấu và vách hố móng);
− Giảm chiều dài của đoạn thi công có phá hoại do điều kiện bề mặt xuống đến 30 – 40 m;
− Nâng cao mức độ cơ giới hóa, giảm khó khăn trong thi công;
− Nâng cao tốc độ xây dựng hầm;
− Giảm tiếng ồn và chấn động;
− Giảm nguy hiểm do chuyển vị, biến dạng bề mặt, nhà cửa và những công trình dọc theo tuyến hầm.
Việc thi công có sử dụng vì chống di động có thể tiến hành trong bất cứ loại đất không cứng nào, loại trừ bùn và cát chảy. Khi có mực nước ngầm cao phương pháp này cũng có thể áp dụng cùng với việc hạ mực nước ngầm nhân tạo.
* Phương pháp tường trong đất
Khi bố trí công trình ngầm đặt nông, gần các công trình nhà cửa cũng như trong điều kiện giao thông thành phố dày đặc có thể áp dụng phương pháp tường trong đất.
Đầu tiên ở những chổ sẽ xây dựng tường của công trình ngầm, người ta đào hào và gia cố nó theo từng bước, rộng 0,6 - 0,8 m sâu đến 18 - 20 m trong đó sẽ xây dựng kết cấu tường của công trình ngầm. Sau đó tiến hành đào hố móng đến cao độ nóc công trình rồi đặt tấm trần đã xây xong được bảo vệ bằng phòng nước rồi lấp đất trở lại, khôi phục các công trình trên mặt đất như mặt đường, vỉa hè. Dưới sự bảo vệ của tường và trần đã tiến hành đào đất trong lừi, xõy dựng tấm đỏy và cỏc vỏch ngăn…Việc xõy dựng cỏc kết cấu tường công trình ngầm có thể từ BTCT toàn khối hoặc áp dụng công nghệ tường lắp ghép trong đất tạo điểu kiện giảm bớt khối lượng công tác đất giảm chi phí bêtông cốt thép, giảm thời hạn và giá thành xây dựng.
Phương pháp tường trong đất có ưu điểm hơn phương pháp hố móng là không đòi hỏi dùng tường cừ, đảm bảo ổn định cho nhà cửa và các công trình bên cạnh. Phương pháp này có thể áp dụng trong đất không cứng dạng bất kỳ (kể cả đất rời lẫn đất sét chặt) trừ loại đất bùn chảy, đất có lổ rỗng lớn hoặc có cáctơ.
Phương hơn 5 - 6 m cũng như bố trí công trình ngầm gần sát nhà cửa và các công trình khác.
* Phương pháp hạ đoạn (Kenson Method)
Phương pháp hạ đoạn được áp dụng trong các điều kiện thành phố, điều kiện địa chất công trình và điều kiện thủy văn trong môi trường đất mềm yếu, trong các vùng có chứa nước sâu 6 - 40 m và nó đặc biệt có hiệu quả khi xây dựng hầm trong môi trường đất có phát sinh tình trạng cát chảy, bùn chảy hoặc khi làm đường xe điện, ôtô điện qua đáy Sông, Hồ.
Về nguyên tắc phương pháp này cũng thuộc quy trình thi công đào lộ thiên rồi lấp phủ nhưng để tăng tốc độ làm kết cấu vỏ hầm, hạn chế biến dạng, lún sụt đất ở hai bên tuyến hầm và giảm ảnh hưởng của nước ngầm đối với thời gian xây dựng và chất lượng kết cấu vỏ hầm, người ta đúc sẵn những khoang hầm bằng BTCT rồi dùng hệ thống thiết bị chuyên dùng hạ xuống hố đào.
Phương pháp hạ đoạn đã được các nước trên thế giới áp dụng nhiều. Trong tương lai ở Việt Nam có thể áp dụng để thi công Metro qua Sông Hồng hoặc những công trình ngầm qua những nơi có chiều sâu nước ngầm lớn, đất yếu không ổn định. Gần đây nhất là dự án vượt Sông Sài Gòn bằng đường hầm Hàm Nghi qua Thủ Thiêm do công ty Anh Quốc Maunsell thiết kế đã áp dụng phương pháp hạ đoạn để thi công phần hầm qua Sông.
b/. Phương pháp thi công kín
Phương pháp thi công kín có nhiều phương pháp thi công song ở đây ta chỉ xét phương pháp phổ biến nhất mà các nước trên thế giới đã sử dụng thi công đó là phương pháp khiên đào.
Khiên đào là một máy thi công chuyên dụng để làm đường hầm trong thành phố, khi có yêu cầu phải giữ nguyên hiện trạng kết cấu đô thị (các công trình hạ tầng kỹ thuật và các công trình kiến trúc) ở trên mặt đất. Phương pháp khiên đào áp dụng trong những điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn phức tạp nhất, đất đá mềm yếu, không ổn định, chiều dài công trình lớn, tiết diện ngang không đổi.
Khiên đào là một máy liên hợp được trang bị các hệ thống cơ giới để đào, bốc dỡ đất đá, lắp ghép vỏ hầm đồng thời là vỏ chống tạm vững chắc dưới sự bảo vệ của nó tiến hành tất cả các công việc đào hầm chính. Một số nước trên thế giới như Anh, Pháp, Mỹ, Nhật… áp dụng phương pháp này từ lâu.
Để có thể thi công bằng phương pháp khiên đào, trước hết phải thi công các giếng đứng (giếng thi công) để đưa máy móc thiết bị xuống. Giếng thi công được thi công bằng dàn khoan cơ giới hạng nặng mà các khay khiên đào đất được tiết diện đường kính 800 mm - 6000 mm.
Trong thời gian khiên đào phá theo chiều sâu thì kết hợp hạ các vòm giếng kết cấu BTCT hoặc loại thép đặc biệt. Khi đạt đến độ sâu thiết kế và sau khi gia cố kết cấu thành giếng, tiếp theo là lắp đặt giá đỡ vòng khiên ngang và bắt đầu thi công mở rộng đường hầm. Đồng thời gian với tiến độ dịch chuyển khiên ăn sâu vào lòng đất là vận chuyến các khối BTCT lắp ghép vỏ hầm vào trong miệng giếng thi công. Các khối vỏ hầm lắp ghép được sản xuất hàng loạt trong nhà máy. Sau khi đưa các khối vào trong hầm tiến hành xếp đặt lắp ráp và vị trí liên hoàn giữa giá đế tựa thủy lực bằng vì kéo thép đặc biệt và vòng khiên đào phá, cùng với tác dụng lực ép thủy lực việc vận chuyển của các phay khiên vào lòng đất. Hệ thống liên hoàn vừa đào phá vừa lắp đặt khối BTCT lắp ghép vò hầm vào đường hầm là quá trình làm việc liên tục cho đến khi khiên đào đi hết đoạn đường giữa 2 giếng cụng trường. Việc theo dừi định vị đường đi của khiờn đào hoàn toàn được điều khiển bằng hệ thống tự động trên mặt đất.
Ưu điểm của phương pháp này là có thể áp dụng xây dựng các hệ thống Tuynel kỹ thuật, các hầm đặt sâu trong lòng đất mà không ảnh hường đến kiến trúc ở bên trên, hoặc cải tạo hệ thống cơ sở cho các khu phố cũ mà quy hoạch không cho phép thay đổi kiến trúc, như khu vực trung tâm Hà Nội hoặc các khu di tích lịch sử truyền thống, các công trình an ninh chính trị của đất nước như quận Ba Đình, quận Hoàn Kiếm
2.1.4.2.2. Phân tích đánh giá lựa chọn phương án thi công
Các phương pháp thi công hầm đều có những mặt mạnh, các bất lợi cũng như phạm vi áp dụng riêng của mình. Để lựa chọn một công nghệ phù hợp với điều kiện giao thông ở khu vực công trình, điều kiện địa chất thủy văn, chiều sâu đặt hầm... cần phải tiến hành phân tích so sánh các yếu tố kinh tế kỹ thuật của các phương án. Đã có rất nhiều nghiên cứu phân tích các nhóm công nghệ dựa trên các chỉ tiêu so sánh như đã trình bày ở trên. Khi áp dụng vào một trường hợp cụ thể mới có thể xác định được công nghệ nào phù hợp hơn. Tuy nhiên, xét về mặt tổng quan có thể đưa ra một số so sánh giữa hai phương pháp như bảng dưới đây. Qua các phân tích, so sánh tổng quát trên có
thể thấy rằng các công nghệ đào kín có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp đào hở trong thi công các công trình giao thông trong đô thị. Việc sử dụng các phương pháp đào kín gần như là tất yếu đối với những hầm đặt sâu. Tuy nhiên trong một số trường hợp việc sử dụng các phương pháp đào hở mà phương pháp tường trong đất có nhiều ưu thế là khả thi hơn, ví dụ:
− Các công trình hầm đặt quá nông, lớp đất phủ trên không đủ dày để có thể thi công kín;
− Các công trình có chiều dài ngắn;
− Các đoạn tiếp giáp giữa phần ngầm và phần đi trên cao của các tuyến tàu điện trong khu vực đô thị.
Qua những phân tích và so sánh sau đây. Ta nhận thấy rằng phương pháp thi công kín có nhiều ưu điểm vượt trội và phù hợp với điều kiện khu vực đoạn tuyến thi công.
Tương ứng với vị trí là hầm đặt sâu, đồng thời dựa vào điều kiện địa chất công trình, điều kiện thủy văn và điều kiện xã hội khu vực nơi mà tuyến đi qua; đây là vùng địa chất yếu, khi thi công dễ gây ra sụt lún, ảnh hưởng đến công trình bên trên nên phương án thi công lựa chọn cần đảm bảo ít làm biến dạng vùng đất đá xung quanh hầm, đảm bảo không thay đổi kiến trúc khu vực xây dựng, không ảnh hưởng nhiều đến điều kiện và cuộc sống sinh hoạt xã hội của dân cư khu vực xây dựng. Do đó ta chọn công nghệ thi công bằng tổ hợp máy đào hầm TBM là thích hợp nhất. Trong điều kiện nền đất yếu sử dụng khiên đào để thi công hầm dài là hợp lý, đặc biệt trong điều kiện của các thành phố, nơi mà sự phá huỷ bề mặt trong thời gian thi công hầm cần phải hạn chế một cách tối đa.
BẢNG SO SÁNH CÁC PHƯƠNG ÁN ĐÀO HỞ VÀ ĐÀO KÍN
Yếu tố so
sánh Phương pháp đào hở Phương pháp đào kín
Tuyến
Mặt bằng tuyến của hầm bị hạn chế do các công trình bên trên.
Mặt đứng tuyến hạn chế bởi giá thành xây dựng, phù hợp các hầm đặt nông
Mặt bằng và mặt đựng ít hạn chế hơn và có thể chỉ phu thuộc vào móng công trình, điều kiện địa chất và các công trình tiện ích.
Các công trình công cộng
Cần phải di dời các công trình công cộng; dẫn đến mất nhiều thời gian, tốn kém…
Các công trình công cộng không bị ảnh hưởng trừ các công trình đặt sâu và nhạy cảm.
Điều kiện địa chất
Xây dựng trong mọi điều kiện địa chất.
Cần giảm thiểu độ mất ổn định của gương. Các điều kiện địa chất kém cần xử lý trước.
K
ế t lu ậ n :Hầm được đặt sâu vào trong các lớp đất 4 và 5, chiều sâu đặt hầm khoảng từ 16 - 30 m và sử dụng công nghệ TBM để thi công.
2.1.4.2.3. Khái quát chung về công nghệ TBM
a/ Một số khái niệm cơ bản về công nghệ đào hầm bằng khiên đào
* Khái Niệm: Khiên đào lò (Shiel) là một loại kết cấu kim loại di động, đảm bảo an toàn cho công tác xây dựng đường hầm từ đào đất tới lắp đặt vỏ Tunnel tránh sạt lở vách và gương đào.
Nói theo cách định nghĩa khác thì khiên là thiết bị cơ giới hóa chính trong công tác đào Tunnel và bảo vệ vách hầm khỏi xụt lở trong suốt một chu kỳ đào lò: Từ đào phá đất đá cho tới xây dựng xong vỏ Tunnel. Khiên đào lò là khung chống bằng thép có hình trụ ròn đôi khi là hình chữ nhật, hình elip… nằm theo phương Tunnel cần đào và áp sát vào vách lò. Hình dáng và kích thước của khiên chính là hình dáng và mặt cắt cảu vỏ Tunnel cần xây dựng.
Nói chung máy khoan hầm khiên là một thiết bị đào hầm theo cách thức sao cho vật liệu đất đá cần đào bỏ được phá vỡ bởi sự quay liên tục của một nhóm lưỡi cắt tý sát vào bề mặt nền đất tại gương đào.
Thi công hầm đầu tiên trên thế giới bằng khiên được ứng dụng tại Anh do công trình sư người pháp Brunel lần đầu tiên xây dựng dưới Sông Thames ở London một đường hầm dài toàn bộ 458 m, khiên hình chữ nhật mặt cắt 6,8 x 11,4 m. Năm 1869 Barlow người anh lần đầu tiên đã dùng khiên tròn xây dựng thành công đường hầm đường kính 2,21m dưới đáy Sông Thames.
* Ưu điểm của phương pháp khiên đào trong xây dựng hầm
− Dưới sự che chống của khiên có thể đào và xây vỏ một cách an toàn;
− Tốc độ thi công nhanh. Toàn bộ quá trình hoạt động của khiên như: đào, đưa đất đá ra, lắp ráp vỏ hầm...vv có thể cơ giới hoá, tự động hoá, cường độ lao động nhẹ đi;
− Khi thi công, không ảnh hưởng giao thông và công trình trên mặt đất, xuyên qua Sông không ảnh hưởng giao thông thuỷ;
− Trong thi công không bị ảnh hưởng thời tiết, gió mưa, khí hậu;
− Trong thi công không gây tiếng ồn và chấn động, không cản trở môi trường xung quanh;
− Xây dựng trong đường hầm dài trong vùng đất mềm yếu ngậm nước, hoặc ở dưới
sâu luôn luôn có tính ưu việt về mặt kỹ thuật và kinh tế, vì thế phương pháp thi công bằng khiên thích hợp nhất là xây dựng đường hầm trong địa tầng rời rạc, mềm yếu và có nước, xây dựng đường hầm dưới đáy Sông, trong thành phố (xây dựng Metro) và các loại công trình đô thị khác;
* Nhược điểm của phương pháp khiên đào
Phương pháp thi công bằng khiên thích hợp với đường hầm dài, (có một số tài liệu cho biết thi công các đường hầm ngắn hơn 750m thì không kinh tế). Bởi vì, khiên là một loại cơ giới rất đắt, có tính chuyên dụng rất cao, mỗi loại thích hợp với điều kiện thuỷ văn, địa chất, kích thước mặt kết cấu riêng đã được thiết kế chế tạo đặc biệt, nói chung không thể thay đổi sử dụng một cách giản đơn vào công trình đường hầm khác.
Ngoài ra, nếu đường hầm có bán kính cong quá nhỏ hoặc lớp đất phủ trên hầm quá nông thì gặp rất nhiều khó khăn. Đường hầm dưới đáy nước nếu gặp lớp phủ quá nông thi công sẽ không an toàn. Khi thi công bằng khiên nếu dùng phương pháp hoàn toàn khí nén để làm khô và ổn định địa tầng, thì yêu cần bảo hộ đối với lao động phải rất cao. Khi thi công bằng khiên rất khó tránh lún trong lớp đất phía trên, nhất là chổ tầng đất mềm yếu lại có nước, khi lắp vỏ hầm phải chú ý phun vữa vào sau lưng vỏ hầm, yêu cầu đó rất cao.
Những khuyết điểm nói trên trong thi công bằng khiên đang được nghiên cứu khắc phục.
* Phạm vi áp dụng của khiên đào lò
Phương pháp thi công bằng khiên đã được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng công trình ngầm ở các đô thị: đã có đường hầm dẫn nước bậc trên bậc dưới, đường ngầm dùng cho điện và cáp điện, đường ngầm cho thuỷ lợi, cấp nước, đường hầm ngầm cho Metro, đường hầm ngầm dưới dáy sông cho đường ô tô…vv.
Trong tổng số đường hầm ngầm thi công bằng phương pháp khiên ở các nước khoảng 70 % được xây dựng cho dẫn nước bậc trên bậc dưới, 30 % dùng cho Metro và đường ô tô. Hiện nay đường hầm ngầm dưới đáy Sông được xây dựng bằng phương pháp khiên ở trên thế giới đã có hơn 20 tuyến, và sự nghiệp phát triển giao thông đường bộ, đường hầm ngầm ô tô dưới đáy Sông được xây dựng bằng phương pháp khiên ở các nước sẽ ngày một tăng lên.
* Phân loại khiên đào lò
Khiên có nhiều loại xong có thể phân loại theo các dấu hiệu sau: Theo mức độ cơ giới hoá; theo công dụng của Tunnel; theo phương pháp bảo vệ gương đầo, theo công nghệ đào lò, gia cố vạch hầm và theo tiết diện mặt cắt ngang của Tunnel đào …vv