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
2.1. Các phương pháp thi công công trình ngầm
2.1.1. Thi công hầm theo phương pháp ngầm
2.1.1.1. Phương pháp mỏ (phương pháp khoan nổ) và NATM
Phương pháp mỏ truyền thống là phương pháp phát triển lên trong thực tiễn thi công lâu dài của con người. Theo phương pháp này thì việc phá nổ đất đá chủ yếu là khoan nổ mìn, phương pháp này dùng cấu kiện gỗ hay thép làm kết cấu chống tạm, sau đó các kết cấu chống tạm này thường được thay thế bởi kết cấu chống cố định bằng bê tông đổ liền khối hay đúc sẵn.
Phương pháp thi công đường hầm mới của Áo (New Austrian Tunneling Method - NATM). Năm 1948, các nguyên lý của NATM đã được công bố do nhà bác học người Áo L.V.Rabcewicz đề xuất, nội dung là: với một che chống dẻo ban đầu sẽ đạt được một cân bằng mới. Việc ấy được kiểm soát bằng các đo đạc tại chỗ. Sau khi đã đạt được sự cân bằng mới thì một vòm bên trong sẽ được xây dựng.
Vào những năm 1960, NATM, phương pháp làm hầm mới của Châu Âu đã được các kỹ sư hầm của Trung Quốc tiếp nhận và áp dụng. NATM đã trở
thành một phương pháp phổ biến trong việc xây dựng công trình ngầm ở Trung Quốc.
Tại Việt Nam, hầm đường bộ đèo Hải Vân khẩu độ 12,85m cao 11 m dài hơn 6,7km khánh thành vào ngày 02/06/2005 là một trong những dự án giao thông quan trọng áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến - Công nghệ NATM
Phương pháp này thường được sử dụng khá phổ biến trong các điều kiện:
- Địa chất: phù hợp với các loại đá cứng, các lớp địa chất yếu như đới đứt gẫy và ngậm nước.
- Hình dạng và kích thước mặt cắt ngang: về cơ bản hầm có dạng mặt cắt ngang bất kỳ, có thể thay đổi hình dạng và kích thước mặt cắt ngang trong quá trình thi công.
Tuy nhiên phương pháp mỏ có những hạn chế là do tiếng ồn và chấn động nên không phù hợp tại những nơi gần nhà cửa, công trình công cộng bên trên và các công trình quan trọng khác không thể di dời.
Hình 2.1 Hình minh họa thi công theo phương pháp mỏ
Hình 2.2 Hình minh họa thi công theo phương pháp NATM 2.1.1.2 Phương pháp dùng máy đào (TBM, SM, kích đẩy)
Vào những năm 1930 một số nước đã thi công hầm bằng máy đào. Tùy theo sự phát triển của kỹ thuật máy đào và tính năng ngày càng hoàn thiện của nó mà thi công bằng máy đào hầm đã được phát triển hiện đại.
Ở Việt Nam đã dùng máy đào kết hợp nổ phá toàn tiết diện xây dựng hầm đường bộ qua đèo Hải Vân dài 6,7km.
Những thiết bị cơ giới hóa đào đất để làm hầm nói chung khá đa dạng, kể từ loại máy xúc có răng xới, các thiết bị thủy lực và các máy đào hầm đa
hình cho đến TBM có cấu tạo khác nhau. Ngày nay, TBM là phương pháp đào hầm phổ biến nhất, loại thiết bị đa dụng Roadheader khá hữu ích ở nhiều trường hợp khi sử dụng TBM không có hiệu quả về mặt chi phí.
Về cơ bản phương pháp TBM và SM có rất nhiều điểm giống nhau, sự khác nhau với các tổ hợp đào hiện đại chỉ ở cấu tạo bộ phận công tác (đào phá đất đá- khoan đào; tư tưởng chính của TBM) và cấu tạo vỏ bảo vệ (vì chống- khiên; tư tưởng chính của phương pháp khiên)
Mặc dù có nhiều loại phương tiện kỹ thuật đang thịnh hành, song TBM, hay SM và sau này cả kích đẩy (Pipe-Jacking hay mini khiên), thiết bị chuyên dùng, có thể cơ giới hóa được toàn bộ các khâu: đào, chống đỡ, thi công vỏ hầm và vận chuyển đất thải, đã được công nhận là một trong những đột phá quan trọng về công nghệ thi công hầm.
Sơ đồ nguyên lý đào hầm cho các phương pháp TBM, SM (Khiên), hay TBM Mini và kích đẩy (Pipe-Jacking) về cơ bản là như nhau, như trên hình 2.3.
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý công nghệ đào hầm bằng khiên đào 1 – giếng thoát; 2 – gương đào; 3 – khiên; 4 – thiết bị lắp vỏ;
5 – thiết bị bốc xúc; 6 – băng chuyển; 7 – goòng; 8 – sàn công tác;
9 – goòng đã xúc đầy; 10 – phần tử vỏ; 11 – cẩu; 12 – bunke; 13 – ôtô tải
Kỹ thuật đào hầm bằng khiên (SM), một biến thể của TBM đã được phát triển theo một chiều hướng mà việc ứng dụng hiện nay cho phép thi công an toàn ngay cả trong điều kiện đất rất mềm yếu, có ngậm nước như các loại đất trầm tích chẳng hạn. Khi thi công sẽ có hiện tượng lún bề mặt đáng kể trong các trường hợp mà độ dày tầng đất phủ là nhỏ. Tuy nhiên bằng biện pháp dùng vữa phun được kiểm soát tốt để chèn lấp vào khe hổng sau vỏ hầm (backfill) thì vẫn có thể kiềm chế lún ở mức độ nhỏ, và tránh được những phương hại nghiêm trọng đối với các công trình lân cận.
Phạm vi áp dụng:
Phương pháp này được áp dụng để thi công những đường hầm trong môi trường nền đất và đá yếu. Công trình nằm ngầm sâu dưới mặt đất, chui qua dưới những công trình kiến trúc khác đã xây dựng trên mặt đất và chịu tải trọng do trọng lượng của những công trình này hoặc vượt qua sông.
Trong phương pháp dùng khiên đào, đường hầm có tiết diện hình tròn được đào bằng một thiết bị chuyên dụng gọi là khiên đào. Đường hầm đào thành từng đoạn và chống đỡ bằng kết cấu vỏ khiên, đi liền phía sau khiên vỏ hầm được xây ngay bằng kết cấu lắp ghép hoặc ép vữa đúc bê tông tại chỗ tạo thành vành hầm tròn chịu lực.
Trình tự thi công:
Trình tự thi công hầm trong đất yếu bằng khiên-TBM thể hiện qua sơ đồ:
Ưu điểm của phương pháp thi công bằng TBM-SM:
- Thi công đào kín công trình ngầm được tiến hành với sự bảo vệ của khiên, không chịu ảnh hưởng của các điều kiện trên mặt đất và các công trình bên trên mặt đất: giao thông, luồng nước trên sông, vận tải thủy, nước triều, thời tiết, khí hậu, ... có thể đảm bảo thi công an toàn đường hầm một cách kinh tế, tương đối hợp lý.
- Đẩy tiến, thải đất, lắp ghép vỏ bọc hầm,... của khiên có thể thực hiện tự động hóa, và điều khiển từ xa, tin học hóa. Tiến độ khoan tương đối nhanh, cường độ lao động thi công tương đối thấp.
- Không gây tiếng ồn lớn trong quá trình thi công, không cản trở môi trường xung quanh. Cảnh quan tự nhiên trên mặt đất được bảo vệ tốt, môi trường xung quanh không bị đảo lộn do thi công của khiên.
- 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 mêtrô) và các loại công trình đô thị khác.
Nhược điểm:
- Tính kinh tế kém khi thi công tuyến đường hầm ngắn hơn 750m. Đối với đường hầm bán kính cong nhỏ hoặc ở độ sâu tương đối lớn thì độ khó thi công tương đối cao.
- Yêu cầu trình độ thi công cao, cần phải có đội ngũ kỹ thuật lành nghề để có thể vận hành sơ đồ thi công một cách hiệu quả và an toàn.
- Yêu cầu về phối hợp kỹ thuật thi công chế tạo thiết bị, cung ứng thiết bị khí nén, chế tạo sẵn các tấm vỏ hầm, kết cấu chống thấm, phòng nước của vỏ hầm, trắc đạc thi công, chuyển dịch khiên…và sự điều hòa của hệ thống công
trình phức tạp. TBM sử dụng trong đất đá cứng và đất đá yếu được thể hiện trên các hình 2.4a, 2.4b, hình 2.5 và hình 2.6.
Hình 2.4. Phương pháp thi công bằng máy khoan hầm TBM
a) b)
Hình 2.4a: TBM trong đá cứng ở hầm thuỷ điện Đại Ninh a) Thiết bị TBM sử dụng tại thuỷ điện Đại Ninh.
b) Thiết bị thi công hầm TBM sử dụng cho dự án Thuỷ điện Đại Ninh, hầm sau khi đã lắp ghép các tấm bê tông đúc sẵn.
Hình 2.5. TBM trong đá cứng kiểu Roadheader
a) b)
Hình 2.6.TBM trong đất yếu và phạm vi áp dụng
a) Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khiên cân bằng áp lực đất:
1 – đầu cắt; 2 – buồng công tác; 3 – tường ngăn áp lực; 4-trục xoắn ruột gà;
5 – kích đẩy đầu cắt; 6 – đuôi khiên; 7 – vỏ chống lắp ghép; 8 – vữa lấp đầy phía sau vỏ chống.
b) Phạm vi sử dụng của khiên cân bằng áp lực đất và khiên hỗn hợp theo thành phần hạt của đất.
Phương pháp kích đẩy (pipe jacking) Phạm vi áp dụng:
Phương pháp kích đẩy (hình 2.12) là một kỹ thuật đào ngầm được sử dụng cho các công trình ngầm chủ yếu loại đường ống kỹ thuật, thi công bằng cách đẩy các đoạn ống có chiều dài nhất định với đường kính giới hạn.
Phương pháp này được sử dụng chủ yếu cho các đường hầm có đường kính
nhỏ đặt ở chiều sâu không lớn lắm và xây dựng tại những nơi mà phương pháp đào hở không thích hợp. Phương pháp kích đẩy- về bản chất, đó là
“phương pháp hạ giếng ngang”.
Trình tự thi công:
Trình tự công nghệ kích đẩy ống có thể được mô tả tóm tắt trong 14 bước:
- Bước 1: Thi công giếng điều khiển (drive shaft/ pit) và giếng nhận;
- Bước 2: Lắp đặt các bộ phận khung kích và kích thuỷ lực, điều chỉnh kích thủy lực cho đúng với tim tuyến và độ dốc tuyến như thiết kế;
- Bước 3: Lắp đặt hệ dẫn hướng bằng laze (laser guidance system). Khi hệ thống này hoạt động, các tia laze sẽ xác định các điểm được chỉ định theo thiết kế. Trong suốt quá trình thao tác kích đẩy ống, cần liên tục kỉêm tra sự chính xác của tim tuyến đào thực tế dựa vào hệ thống này, các sai lệch cần được điều chỉnh lập tức;
- Bước 4: Lắp đặt thiết bị đào (khiên hoặc máy khoan hầm- TBM) và điều chỉnh nó phù hợp với các yêu cầu thiết kế;
- Bước 5: Liên kết vòng kích đẩy với khiên đào hoặc máy đào hầm;
- Bước 6: Đẩy khiên đào hoặc máy đào hầm qua lỗ đã chuẩn bị trước tại giếng kích đẩy. Bắt đầu quá trình đào và vận chuyển đất đào về phía giếng kích đẩy để đưa lên mặt đất và đẩy về phía trước cho đến khi khiên đào hoặc máy đào hầm được lắp đặt xong. Dịch chuyển của thiết bị kích đẩy được kiểm tra bởi trung tâm điều khiển đặt bên ngoài khiên đào hoặc máy đào hầm, ngược lại trong quá trình đào hoặc khoan đào sẽ được kiểm tra bởi các thiết bị kiểm tra đặt trong khiên đào hoặc máy đào hầm;
- Bước 7: Co các đầu kích lại và đẩy các bản kích để tạo ra một khoảng trống để lắp các đốt ống;
- Bước 8: Lắp đặt đốt ống đầu tiên vào rãnh kích đẩy. Để thao tác khoan được êm thuận, các trạm kích trung gian có thể được lắp sau khiên đào hoặc máy đào hầm;
- Bước 9: Liên kết bản kích đẩy với ống và ống với khiên đào hoặc máy đào hầm;
- Bước 10: Đẩy ống đầu tiên về phía trước, đào, vận chuyển đất ra giếng kích đẩy và đưa lên mặt đất;
- Bước 11: Tiếp tục chu trình như bước 10 với các đốt ống tiếp theo (đẩy ống về phía trước, đào, vận chuyển đất ra giếng kích đẩy và đưa lên mặt đất) cho đến khi tới giếng nhận;
- Bước 12: Di chuyển khiên đào hoặc máy đào hầm ra khỏi giếng;
- Bước 13: Di chuyển thiết bị kích, các trạm kích trung gian và các rãnh kích ra khỏi giếng kích đẩy;
- Bước 14: Dọn dẹp mặt bằng thi công theo quy định.
Cùng cơ sở như nhau cũng có thể gọi nó là phương pháp “khiên đào mini”. Bản chất phương pháp là vì chống tubin kín được lắp đặt vòng nọ tiếp vòng kia trong khoang chuyên dùng cách xa gương hầm. Cùng trong khoang đó, người ta thực hiện kích ép vì chống vào gương hầm theo tiến trình đào đất. Để giảm ma sát vì chống với khối đất, không gian phía sau tubin được bơm vữa sét.
1 – dao; 2 – khoang làm việc;
3 – tấm chắn cửa miệng hầm;
4 – đơn nguyên mới; 5 – kích.
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý mở đường hầm bằng phương pháp kích đẩy
Trên cơ sở các phương pháp đã và đang phát triển đến nay cho thấy rằng khi tiết diện thi công nhỏ có thể sử dụng giải pháp nén ép đất (phương pháp nén xuyên qua) và khi tiết diện thi công lớn hơn phải sử dụng giải pháp tách bóc đất (phương pháp khoan qua hoặc đào qua).
Quá trình thi công được kết hợp với việc cải tạo tính chất làm việc của đất (giảm lực ma sát giữa thành ống và đất đá) bằng các dung dịch không ma sát để tăng khả năng ép đẩy của các đoạn ống. Công nghệ kích đẩy tiên tiến đã được áp dụng nhiều theo các hình 2.8 và 2.9.
Hình 2.8.Hình minh họa phương pháp kích ép ống cống
Hình 2.9. Sơ đồ thi công bằng phương pháp kích đẩy tiên tiến
Hình 2.9a
Hình 2.9b
Hình 2.9c
Ưu điểm:
- Giá thành tương đối rẻ hơn so với khiên đào hay TBM.
- Không làm gián đoạn giao thông, giảm thiểu mặt bằng thi công, giảm thiểu yêu cầu di dời các công trình kỹ thuật hạ tầng, đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận dọc tuyến cống, giảm thiểu khối lượng tái lập mặt đường, hạn chế ùn tắc giao thông…
- Không gây lún bề mặt và vận tốc đào lớn.
Nhược điểm:
Đường kính ống tối thiểu sử dụng trong công nghệ kích đẩy là 1,075m.
Về mặt lí thuyết, không có giới hạn trên về đường kính ống được sử dụng trong công nghệ này. Tuy nhiên trong thực tế, đường kính ống lớn nhất đã được kích đẩy vào khoảng 3,70 m (12ft) vào năm 1995 và hiện nay vào khoảng 4,70m. Đối với dạng mặt cắt chữ nhật đã có công trình với kích thước mặt cắt ( 20x7) m.
Không cho phép thay đổi kích thước hình dạng tiết diện, không cho phép có những vật cản hướng tuyến đi qua, không kích được với tuyến ống dài, đối tải cho hệ lực kích lớn, điều khiển áp lực các tay kích có độ chính xác cao.
Đường kính nhỏ, chỉ thích hợp với các công trình cấp, thoát nước trong đô thị. Là công nghệ mới, chưa ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam nên chưa có các quy định về tiêu chuẩn, quy chuẩn và định mức dự toán cho công nghệ này. Bên cạnh đó, nếu đem so sánh chi phí đầu tư trực tiếp khi áp dụng phương pháp đào mở sẽ thấp hơn phương pháp kích đẩy, nên cũng cần xem xét, nghiên cứu kỹ lưỡng khi tiếp nhận chuyển giao công nghệ này.