CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI VIỆC LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn phương pháp và công nghệ
2.2.1. Điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn
Trong xây dựng công trình ngầm, các nhân tố địa chất đóng vai trò quyết định trong nhiều vấn đề lớn kể từ việc xác định tính khả thi tới giá thành công trình. Khác với các loại công trình khác, trong công trình ngầm, đất không chỉ chịu tải, mà còn như là môi trường bảo vệ công trình. Khi thi công các hố đào sâu, ngay từ ban đầu, độ bền của đất giữ cho thành hố đào ổn định cho tới khi các biện pháp chống đỡ gia cường được thi công lắp dựng và làm việc. Ngay cả khi thiết kế gia cường, cường độ của đất cũng được tính toán tham gia mang tải góp phần ổn định công trình. Đất đá xung quanh công trình ngầm, về một khía cạnh nào đó, có thể xem như là vật liệu xây dựng tương tự như sắt thép, bê tông trong các dạng công trình khác.Tuỳ theo từng điều kiện địa chất công trình riêng biệt khi xây dựng công trình ngầm, từ đó lựa chọn công nghệ và áp dụng phương pháp thi công hợp lý như hình 2.20.
Độ bền của đá Đá bở rời, đất Độ bền cao Độ bền
trung bình
Độ bền
thấp Đất dính Đất rời Đất chảy Khoan nổ mìn
Máy đào toàn gương, máy khoan hầm (Tunnel, Boring Machine) Máy đào từng phần gương, máy cắt từng phần (Roadheader - RH)
Đào bằng các máy đào, xúc bốc
Đào bằng máy khiên đào (Shild Machine - SM)
Đào bằng máy rửa lũa (sức nước, nén khí) Hình 2.20 – Sự phụ thuộc của công nghệ phá vỡ đất đá vào độ bền của đất đá 2.2.2. Hình dạng và kích thước mặt cắt ngang công trình
Mặt cắt ngang công trình ngầm có rất nhiều loại hình dạng khác nhau tuỳ thuộc mục đích, nhiệm vụ của công trình ngầm, điều kiện địa chất thuỷ văn của nơi xây dựng công trình, phương án thiết kế và thi công. Kích thước mặt cắt ngang bên trong công trình ngầm được xác định căn cứ vào mục đích sử dụng của công trình ngầm. Việc lựa chọn công nghệ đào hầm cũng phụ thuộc vào hình dạng mặt cắt ngang của hầm.
- Nếu mặt cắt ngang là hình vuông, chữ nhật và hình tròn với kích thước nhỏ và chiều dài không lớn thì có thể sử dụng phương pháp kích đẩy ngang.
- Với công nghệ phá vỡ đất đá bằng khoan nổ mìn thì có thể áp dụng với hình dạng và kích thước mặt cắt ngang bất kỳ.
- Với các đường hầm có tiết diện ngang hình tròn phù hợp hơn cả là sử dụng TBM, khiên đào. Trên bảng 2.1 là một số lựa chọn phù hợp các công nghệ phá vỡ đất đá cho các công trình có đường kính khác nhau.
Bảng 2.1: Lựa chọn công nghệ theo đường kính công trình ngầm Các công nghệ đào kín Phạm vi đường kính áp dụng
Khoan guồng xoắn (AB) 200 – 1.500 mm
Khoan định hướng (HDD) 50 – 1.200 mm
Micro Tunneling (MT) 250 – 3.000 mm
Kích đẩy (PJ) 1.070 – 4.200 mm
Đóng ống (PR) 100 – 1.500 mm
Máy đào hầm (TBM) đến 18.000 mm
2.2.3. Độ dốc dọc và độ cong của công trình ngầm
* Dộ dốc dọc công trình ngầm
Độ dốc của công trình cũng ảnh hưởng tới việc lựa chọn các thiết bị thi công và vận tải trong hầm. Với các công trình ngầm có độ dốc lớn hơn 5 0/00
thì không phù hợp với các công nghệ thi công kết hợp với với vận tải bằng đầu tầu điện. Nói chung với các máy móc và thiết bị thi công đều chỉ làm việc được ở những góc dốc nhất định. Ví dụ với xe khoan 1 choòng BFRK-1 của Đức chỉ làm việc được khi gốc dốc làm việc không lớn hơn 180, xe khoan 2 choònng JCH2 -90M của Nhật Đức chỉ làm việc được khi gốc dốc làm việc không lớn hơn 150; những công trình có góc dốc như vậy việc lựa chọn phương tiện vận tải cũng giới hạn.
Trên bảng 2.2 là một số lựa chọn phù hợp các loại phương tiện vận tải, tốc độ và thiết bị thi công đào ngầm với các công trình có độ dốc dọc khác nhau.
Bảng 2.2. Lựa chọn công nghệ và phương tiện vận tải theo độ dốc dọc công trình ngầm
Các công nghệ đào kín Phương tiện vận tải Dộ dốc dọc cho phép Khoan guồng xoắn (AB);
Khoan định hướng (HDD); Micro Tunneling (MT); Kích đẩy (PJ); Máy đào hầm (TBM), (SM);
Khoan nổ mìn
Đường sắt, mêtrô 3 0/00 ≤ i ≤ 5 0/00
NATM; Khoan nổ mìn Đường ôtô 3 0/00 ≤ i ≤ 4 0/0
Khoan nổ mìn Băng tải i ≤ 320/0
* Bán kính cong của công trình ngầm
Bán kính của công trình ảnh hưởng tới việc lựa chọn các thiết bị thi công và vận tải và tốc độ đoàn tàu trong hầm
Trên bảng 2.3 là một số lựa chọn phù hợp các loại phương tiện vận tải và thiết bị thi công đào ngầm với các công trình có bán kính cong khác nhau.
Bảng 2.3: Lựa chọn công nghệ và phương tiện vận tải theo bán kính cong công trình ngầm
Các công nghệ đào kín Phương tiện vận tải Bán kính đường cong cho phép Khoan guồng xoắn (AB);
Khoan định hướng (HDD); Micro Tunneling (MT); Kích đẩy (PJ); Máy đào hầm (TBM), (SM);
Khoan nổ mìn
Đường sắt, mêtrô Rmin = 500 m
NATM; Khoan nổ mìn;
Máy đào hầm (TBM), (SM);
Đường ôtô V=60 km/h Đường ôtô V=80 km/h
Rmin = 125 m Rmin = 250 m
NATM; Khoan nổ mìn Băng tải -
2.2.4. Chiều sâu bố trí công trình
Chiều sâu bố trí công trình ngầm không chỉ ảnh hưởng tới việc lựa chọn phương pháp thi công, mà nó còn ảnh hưởng tới việc lựa chọn máy thi công. Bảng 2.4 chỉ mối quan hệ giữa máy thi công và chiều sâu bố trí công trình.
Bảng 2.4: Lựa chọn công nghệ theo độ sâu lắp đặt áp dụng
Các công 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
Micro Tunneling (MT) Thường thay đổi từ 6m đến 30m
Kích đẩy (PJ) Thường thay đổi từ 6m đến 30m
Đóng ống (PR) Thường thay đổi từ 6m đến 30m
Máy đào hầm (TBM) Thường thay đổi từ 6m đến 30m
2.2.5. Độ ổn định cho công trình trên mặt và công trình liền kề
Khi xây dựng công trình ngầm bằng bất kỳ công nghệ nào thì cũng ít hay nhiều làm thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng tự nhiên của khối đất đá, trong đó có thể xuất hiện sự phá vỡ nền đất, gây dịch chuyển lún trên bề mặt. Những dịch chuyển này, tuỳ thuộc vào mức độ, phạm vi ảnh hưởng, hướng và tốc độ phát triển có thể gây ra tác động xáo trộn trạng thái ổn định các công trình lân cận, kết cấu hạ tầng, mạng lưới các công trình ngầm.
- Khi thi công công trình ngầm mà đòi hỏi phải đảm bảo ổn định và sụt lún của các công trình trên bề mặt như giao thông, siêu thị, công viên, bệnh viện.. thì khó có thể thực hiện bằng phương pháp thi công lộ thiên, trong trường hợp này tốt nhất là sử dụng phương pháp ngầm.
- Khoảng cách từ vị trí thi công đến các công trình cần bảo vệ cũng ảnh hưởng tới việc lựa chọn phương pháp thi công:
+ Để bảo vệ các công trình liền kề tốt nhất là dùng phương pháp phá vỡ đất đá bằng máy đào hầm thiết bị chống cố định đúc sẵn.
+ Phá vỡ đất đá bằng khoan nổ mìn thường gây chấn động tới các công trình liền kề. Khi đó, khoảng cách an toàn từ gương đào tới các công trình cần bảo vệ theo điều kiện an toàn của sóng chấn động khi nổ mìn [8]:
trong đó: Q - lượng thuốc nổ ; kg
k - hệ số phụ thuộc xung lượng, phụ thuộc vào loại đất đá tính truyền nổ; k=320, thường lấy k =7.
Cũng có thể tính k theo công thức:
ở đây: Imax - xung lượng lớn nhất cho phép.
Hệ số k còn phụ thuộc váo các yếu tố sau:
Khi người có ẩn nấp: k=3,3 ;
Khi người không có ẩn nấp: k=5 ;
Các công trình cần được bảo vệ được tính phụ thuộc vào điều kiện địa hình cụ thể.
- Theo điều kiện bảo vệ (mức độ) các công trình được bảo vệ phân ra 6 mức. (Mức 1: tuyệt đối an toàn; mức 2: Các công trình không được xây sát; ...
; mức 6: cho phép tường bị rạn nứt nhỏ).
Để giảm chấn động khi nổ mìn, người ta thường dùng phương pháp nổ vi sai.
Mức độ gây phá huỷ công trình bề mặt và công trình liền kề bao gồm:
+ Gây hư hỏng kiến trúc công trình với các biểu hiện có thể quan sát bằng mắt.
max
24 k I
m Q k
R , (2.1)
+ Phá huỷ làm thay đổi chức năng của công trình.
+ Phá huỷ kết cấu gây mất ổn định công trình.
2.2.6. Mặt bằng tự do trên mặt đất
Mặt bằng tự do trên mặt đất, là một trong những yếu tố quyết định đến việc có thể thi công công trình ngầm bằng phương pháp hở (phương pháp lộ thiên).
- Để thi công cần thiết phải có mặt bằng tự do trên mặt đất vừa đủ, như tại các quảng trường, nút giao thông của các đường lớn, chẳng hạn một sân ga tàu điện ngầm có chiều dài khoảng 120m, tàu tốc hành khoảng 210m;
Do thời gian thi công lâu và diện tích sử dụng lớn, nên gây ảnh hưởng lớn đến giao thông đi lại trên mặt đất. Do vậy nhất thiết phải chú ý đến các giải pháp giảm ảnh hưởng đến giao thông trên mặt đất;
Với phương pháp thi công hở thì các tác động xấu đến môi trường sống, như tiếng ồn, bụi bẩn, ảnh hưởng đến việc đi lại, là khó tránh khỏi. Do vậy cần phải có các giải pháp hợp lý nhằm giảm thiểu các tác động này.
2.2.7. Khả năng tài chính và hiệu quả kinh tế
Kết quả đánh giá chung hiệu quả tài chính và kinh tế của dự án đầu tư công trình ngầm được xác định bởi các chỉ tiêu khối lượng đầu tư cần thiết để thực hiện dự án, độ dài xây dựng, lợi nhuận thanh toán, lợi nhuận thuần, thời gian hoàn vốn đầu tư, thời hạn bảo hành hoàn vốn, tiêu chuẩn thu nhập bộ (tiêu chuẩn lợi nhuận), thu nhập thực tế bảo đảm trong thời gian tính toán, tính sinh lợi của dự án đầu tư (chỉ số thu nhập), nguồn vốn của dự án (các phương tiện riêng, các phương tiện vay, kinh phí ngân sách) và thời hạn hoàn trả vốn vay.
Trong kết luận về hiệu quả kinh tế xây dựng công trình ngầm có các thông tin sau đây: tính hợp lý kinh tế và thương mại đưa dự án vào thực tế;
khả năng kỹ thuật thực tế của nó; các lợi ích về thực hiện dự án (kinh tế và xã
hội); độ ổn định về tài chính của dự án; mức độ tiên tiến của các giải pháp khoa học kỹ thuật, công nghệ, thiết bị được sử dụng trong dự án.
Đồng thời với những vấn đề đó cần lưu ý thêm rằng đối với từng công trình ngầm cần tiến hành cả việc lựa chọn các sơ đồ hiệu quả kinh tế đầu tư , tài chính mua sắm thiết bị xây dựng từ ban đầu như:
- Với công nghệ NATM có tính kinh tế cao do tối ưu hoá kết cấu chống giữ giảm giá thành.
- Với công nghệ máy đào hầm (TBM), (SM) có hiệu kinh tế khi thi công đường hầm phải lớn hơn 750m vì giá thành của loại máy này rất lớn, thi công tuyến đường hầm càng dài thì hiệu quả càng cao. Nhưng khà năng tài chính đầu tư cho thiết bị ban đầu lớn.
- Với công nghệ kích đẩy (PJ) có hiệu quả kinh tế khi thi công những ống có đường kính nhỏ, chỉ thi công được đoạn ngắn dưới 200 m. Nhưng khà năng tài chính đầu tư cho thiết bị ban đầu không lớn.
CHƯƠNG 3
CÁC GIẢI PHÁP THI CÔNG KHẢ THI HẦM GIAO THÔNG TẠI VÒNG XOAY DÂN CHỦ, KHU VỰC QUẬN 3