1.1 Các vấn đề chung về công trình ngầm giao thông đô thị
1.2.3 Phương pháp thi công ngầm (kín)
Để xây dựng các công trình ngầm bằng phương pháp thi công ngầm (hay mỏ) đã có hàng loạt các phương thức khác nhau được phát triển.có thể phân ra ba nhóm chính là[4] (Hình 1.15):
Các phương pháp thông thường (hay thông dụng),
Các phương pháp thi công bằng máy (hay cơ giới hóa) và
Phương pháp “micro”
Nói chung các phương pháp thi công ngầm rất đa dạng về loại hình, phương thức phối hợp công nghệ cũng như giải pháp riêng biệt theo kinh nghiệm của từng đất nước, ở đây sẽ giới thiệu những vấn đề tổng quát về bản chất của các phương pháp liên quan với công tác thi công xây dựng trong khối đất sau đây chỉ nhằm có được cơ sở cho việc lựa chọn phương pháp và công nghệ thi công phù hợp khi thi công đường tàu điện ngầm ở Hà Nội.
Hình 1.15: Phân nhóm các phương pháp thi công
Trong Bảng1.2[6] tổng hợp các phương pháp thi công phổ biến nhất hiện nay đồng thời đánh giá, phân tích về khả năng và điều kiện áp dụng thích hợp, theo các đặc điểm cụ thể của công trình ngầm (hình dạng, kích thước), loại hình kết cấu
Máy khiên đào SM
Đào toàn gương
Đào từng phần gương Phương pháp thi công
thông thường
Khoan nổ mìn
Máy đào xúc,
máy xới
Máy đào lò
RH
Phương pháp thi công bằng máy
máy
Máy khoan hầm TBM
Hở Có khiên Các phương pháp
thi công
chống giữ (kết cấu của công trình ngầm: một lớp, hai lớp), (điều kiện địa chất thủy văn nước ngầm, nước có áp), loại khối đất đá(đá rắn cứng, đá mềm) và các khả năng gây ô nhiễm môi trường (thải bụi, khí độc, khả năng bảo vệ người lao động).
Bảng 1.2: Các phương pháp thi công ngầm xây dựng các công trình ngầm
Dấu hiệu xây dựng,môi trường Phương phápxây dựng
Các dấu hiệu về công trình ngầm Môi trường
Kích thước
Hình dạng
Chiều dài CTN
Chống
giữ Mức
độ chính
xác cao
Nước ngầm(N) Nước có áp
(CA) Tiếng
ồn, dao động
Thảikhí, thải bụi
Khả năng bảo vệ
con người Cố
định Thay
đổi Cố định
Thay
đổi Ngắn Dài Hai lớp
Một lớp
Không biện pháp xử lý
Có biện pháp xử lý Phương
pháp thông thường
Đá rắn cứng Khoan + nổ
mìn
X X X X X X X X O NX CAX Nh Nh I
Máy đào
từng phần X X X X X X X X X NX CAX I Nh I
Phương pháp bê tong phun
X X X X X X X X X NX CAX I I I
Phương pháp vòm chống”lưỡi đào”
X O X O - X X X X O CAX I I Nh
Phương pháp
“chống trước – đào sau”
X X X X X X X O O O CAX I I Nh
Đá mềm/
đất Phương pháp đào băng máy Đá rắn
cứng Máy khoan
đào X O tròn O - X X X X Nx CAX I I Nh
Máy khiên
đào X O tròn O - X X X X X X I I Nh
Ép đẩy ống,
cống X O tròn O X - - X X X X I I Nh
Nén ép
trước X O X O X - O X X X X I I Nh
Đá mềm/
đất Máy đào
nhỏ (micro) X O tròn O X O O X X X - I I Nh
Khả năng áp dụng của phương pháp:
X: phù hợp tốt O: không phù hợp - không thông dụng
Tác động: I: ít, nhỏ Nh: nhiều, lớn
Tên các phương pháp này thường được gọi theo một dấu hiệu đặc trưng của phương pháp. Khi thi công trong khối đá rắn cứng thì công việc quan trọng phải thực hiện là phá vỡ đá, tên gọi của phương thức chính là phương thức phá vỡ đá (khoan - nổ mìn). Khi thi công trong khối đất mềm, rời, thậm trí ngậm nước thì việc quan trọng là phải ngăn chặn các hiện tượng phá hủy, sập lở, ụp bùn, nước; tên của phương pháp được gọi theo phương pháp chống đỡ khối đất, đá xung quanh cũng như gương đào (ví dụ: phương pháp bê tông phun hay phương pháp đào mới của Áo, phương pháp máy khiên đào).
Phương pháp bê tông phun thực chất là một phương thức chống giữ. Nó cho phép kết hợp được với các phương pháp thi công đào khác.
Khái niệm “chống trước – đào sau” bao hàm một loạt các phương pháp thi công với việc áp dụng các giải pháp chống đỡ thích hợp, có hệ thống trước khi đào.
Trong nhóm này phải kể đến các phương pháp cổ điển như phương pháp đóng cọc, ván gỗ; các phương pháp gia cố bằng khoan phun xi măng, chất dẻo; phương pháp đóng băng… với những sơ đồ thi công đa dạng. Khoan phun và đóng băng cũng là các giải pháp gia cố trước. Sau khi thực hiện giải pháp này công tác thi công tiếp theo có thể phối hợp với các phương thức khác như phương pháp bê tông phun.
Phương pháp “vòm chống lưỡi dao” có thể xem là một dạng đặc biệt của phương pháp chống trước - đào sau. Đặc điểm của phương pháp là sử dụng một
“vòm chống” bằng thép cấu tạo từ các tấm thép dạng lưỡi dao. Trong quá trình thi công các lưỡi dao được ép trước vào khối đất đá và các công tác đào được thực hiện dưới vòm bảo vệ này.
Nếu như có thể thay đổi kích thước và hình dạng của công trình ngầm một cách tùy ý theo nhu cầu khi thi công bằng các ‘phương pháp thông thường hay thông dụng’ thì khả năng linh hoạt này không có được ở các phương pháp thi công bằng máy. Do đặc tính kỹ thuật thi công nên các máy đào bị hạn chế về tiết diện đào. Vì thế ngày nay cũng đang phát triển các máy đào công trình ngầm tiết diện không tròn (ví dụ như máy đào hầm trong đá cứng của hãng Wirth).Cả phương
pháp “vòm chống lưỡi dao” cũng không cho phép thay đổi hình dạng và kích thước tiết diện đào, bởi lẽ đơn giản là vòm chống có cấu hình xác định.
Phương pháp đào “Micro” hay đào nhỏ về mặt công nghệ là một sự kết hợp giữa phương pháp ép đẩy ống cống và phương pháp máy khiên đào. Phạm vi áp dụng chính là các hệ thống công trình ngầm có khích thước nhỏ, chẳng hạn các cống dẫn nước, các cống đặt cáp ngầm…
Xây dựng công trình ngầm trong các thành phố phải đặc biệt quan tâmđến khả năng lún sụt trên bề mặt, nhất là trong điều kiện địa chất phức tạp như ở Hà Nội;
mặt khác nước ngầm trong khu vực Hà Nội là nguồn tài nguyên vô cùng quý đối với sinh hoạt của thành phố cũng cần phải bảo vệ, tránh gây ô nhiễm. Các kết quả tổng hợp trên (Bảng 1.2) cho thấy, để có thể đáp ứng các đòi hỏi này khi thi công công trình ngầm bằng phương pháp ngầm chỉ có thể áp dụng các phương pháp máy khiên đào, ép đẩy ống, cống cũng như nén ép trước. Các phương pháp ép đẩy ống, cống và nền ép trước chỉ thích hợp cho các công trình có khẩu độ tương đối ngắn, như các đường hầm đi bộ, các hành lang trong ga khi bố trí không sâu. Phương pháp máy khiên đào có thể áp dụng cho các tuyến hầm dài.
Phương pháp thi công hầm bằng khoan nổ mìn:
Phương pháp khoan nổ mìn thường áp dụng trong thi công công trình ngầm đặt trong đá rắn cứng có độ kiên cố lớn và gồm có các chỉ tiêu sau[9].
Mục đích của công tác khoan nổ mìn trong xây dựng công trình ngầm là tạo các lỗ khoan trong khối đá, nạp thuốc nổ, khởi nổ để sử dụng năng lượng thuốc nổ phá vỡ làm tơi đất đá phục vụ công tác tiến gương.
Đặc điểm công tác nổ nìm khi xây dựng công trình ngầm: diện tích gương đào hạn chế, thông thường chỉ có một mặt tự do, không gian thao tác chật hẹp; tính chất đất đá thường xuyên thay đổi; công tác nổ mìn tiến hành trong điều kiện bất lợi, nguy hiểm: có khí nổ, bụi nổ, có nước,…
Yêu cầu của công tác khoan nổ khi xây dựng công trình ngầm:
Hình dạng, kích thước tiết diện ngang của công trình ngầm nổ ra phải phù hợp với thiết kế, hạn chế đến mức thấp nhất khoảng thừa hoặc thiếu tiết diện.
Đất đá nổ ra phải có cỡ hạt đồng đều, phù hợp với các thiết bị xúc bốc, không có đá quá cỡ, đất đá không văng phân tán quá xa tốt nhất là tập trung thành đống trước gượng.
Sử dụng tối đa chiều dài các lỗ khoan;
Nóc, nền, hông và gương hầm bằng phẳng để dễ xúc, dễ chống, dễ khoan tiếp cho chu kỳ sau đồng thời tăng được hệ số sử dụng lỗ mìn η và giảm được hệ số thừa tiết diện à.
Giảm được chấn động do nổ nìn gây ra ảnh hưởng xấu tới khối đá bao quanh đường hầm.
Không ảnh hưởng đến các hạng mục công trình xây dựng ở lân cận như giàn giáo, chống đỡ kể cả lớp vỏ công trình bằng bê tông cốt thép vừa mới thi công xong;
Tổng lượng khí độc sinh ra trong một chu kỳ khoan nổ phải phù hợp với năng lực vận hành của hệ thống thông gió.
An toàn, dễ dàng nhất cho những người thực hiện và ảnh hưởng ô nhiễm môi trường là ít nhất.
Phạm vi luận văn xem xét thi công nghệ thi công đường tàu điện ngầm bố trí nông đặt trong thành phố nên phương pháp khoan nổ nìm thường không được dùng để áp dụng.
Phương pháp thi công hầm bằng máy TBM:
Đào hầm bằng TBM so với phương pháp đào thủ công hoặc khoan nổ mìn có nhiều ưu điểm. Nếu trong phương pháp khoan nổ mìn hoặc đào thủ công tốc độ mở lớn nhất trên 1 gương là 30-100m/tháng cho đường ngầm ôtô 2 luồng, thì cũng trong đất như vậy, TBM có thể đảm bảo tốc độ mở hầm 300-400m/tháng và lớn hơn. Giá thành xây dựng giảm trung bình 20-30%. Đặc biệt sử dụng TBM có hiệu quả khi đào đường hầm kéo dài hơn 1-1,5km.
TBM được trang bị cơ cấu đào đất, gầu và băng tải để chuyển đất lên các phương tiện vận chuyển.
Hình 1.16:Sơ đồ nguyên lý của máy đào hầm a. Đào đất ; b. di chuyển thân bên ngoài
TBM được trang bị cơ cấu đào đất, gầu và băng tải để chuyển đất lên các phương tiện vận chuyển. TBM tác động mang tính lựa chọn được dùng phổ biến.
Bộ phận làm việc của chúng được di chuyển trên cần gắn trên phần thân của máy đào, máy kéo hoặc trên xe tời chuyên dùng. Máy có một hoặc hai đầu cắt - cần lái cho phép tạo nên hầm đào dạng bất kỳ: vòm, chữ nhật, tròn, elip v.v…
Nhược điểm chính của TBM là ở chỗ không thể sử dụng chúng ở điều kiện đất thay đổi trong phạm vi đủ rộng.
Kết luận: TBM thường được sử dụng trong đất đá có độ kiên cố f=4-:-6 nên tại vùng có địa chất yếu như thành phố Hà Nội kiến nghị không sử dụng TBM.
Phương pháp khiên đào:
Khiên mở hầm là hệ chống di động.Trong phương pháp này đất được đào và vỏ hầm cố định được lắp đặt gần như đồng thời.
Các khiên khác nhau về hình dáng, kích thước mặt cắt, khả năng chịu lực, phương pháp đào đất và gia cường mặt gương hầm v.v. Hình dạng mặt cắt ngang của các khiên rất khác nhau: tròn, vòm, chữ nhật, thang, elip v.v. Trong phần lớn các trường hợp, khiên có dạng hình tròn tương ứng với dạng vỏ hầm. Nhưng sử dụng tiết diện đường hầm hiệu quả hơn lại là vò hầm có dạng chữ nhật.
Công nghệ thi công công trình ngầm bằng phương pháp khiên đào thực chất là phương pháp đào hầm có sử dụng vỏ chống cố định hoặc cơ giới.Dưới sự bảo vệ của vỏ khiên đào, người ta tiến hành công tác đào hầm và lắp dựng các kết cấu
chống đỡ hầm, vỏ chống này được gọi là khiên đào.Các công việc đào hầm bằng khiên bao gồm tổ hợp khiên và trang bị cho nó những thiết bị cần thiết.
Tùy thuộc vào loại công trình ngầm, chiều sâu đặt hầm và các điều kiện địa chất công trình, khiên có thể tổ hợp trực tiếp ở cửa hầm, trong các hố đào tự nhiên hay đường đào đào trước cửa, được thả nguyên vẹn qua giếng đứng hay ở trong buồng của giếng chìm hoặc được lắp ráp trong một buồng ngầm chuyên dụng để lắp ráp khiên.Mỗi lần khiên tiến lên cự ly 1 vòng, thì sẽ lắp đặt (hoặc đổ tại chỗ) một vòng vỏ hầm dưới sự che chống của khiên, đồng thời người ta sẽ ép vữa xi măng cát vào khe hở đằng sau lưng các vòng bê tông để đề phòng hầm và mặt đất lún xuống.
Phản lực đẩy khiên tiến lên do vòng bê tông vỏ hầm chịu đựng. Trước lúc thi công bằng khiên cần xây dựng một giếng đứng, lắp ráp khiên cũng tại giếng đứng, đất đá do khiên đào xong được đưa qua giếng đứng ra ngoài mặt đất (Hình 1.17), phương pháp thi công hầm bằng khiên đào.
Hình 1.17: Phương pháp thi công hầm bằng khiên đào
1. Khiên; 2. Kích của khiên; 3.Mạng lưới ô vuông trước mặt khiên; 4.Mâm quay đưa đất đá ra; 5. Băng vận tải đất đá ra; 6. Máy lắp ráp các phiến ống; 7.Phiến ống; 8.Bơm phun vữa; 9.Lỗ phun vữa; 10.Máy chở đất đá ra; 11.Các phiến ống đã được lắp ráp; 12.Phun vữa vào khe hở sau đuôi khiên; 13.Các phiến ống dự trữ sau đuôi khiên; 14. Giếng đứng
Trình tự thi công đường hầm trong đất yếu bằng khiên đào như sau:
Hình 1.18:Sơ đồ trình tự thi công hầm bằng khiên đào
Ưu nhược điểm của biện pháp thi công hầm bằng khiên đào a. Ưu điểm
-Đào và xây dựng vỏ hầm một cách an toàn dưới sự che chống của khiên. Tốc độ thi công nhanh, toàn bộ quá trình thi công đào, đưa đất ra, lắp đặt kết cấu vỏ…
đều có thể cơ giới hóa được, tự động hóa, cường độ lao động nhẹ đi;
Hình 1.19: Thi công đường hầm theo phương pháp khiên không bị ảnh hưởng bởi điều kiện tự nhiên
-Thi công đào ẩn kín công trình ngầm được tiến hành với sự bảo vệ của khiên, không chịu ảnh hưởng của các điều kiện 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.
Hình 1.20: Thi công hầm theo phương pháp khiên có thể bảo vệ mặt đất tự nhiên -Không gây tiếng ồn trong quá trình thi công và ảnh hưởng tới môi trường xung, cảnh quan không bị đảo lộn do thi công của khiên;
-Xây dựng đường hầm dài trong vùng đất 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 có nước, xây dựng đường hầm dưới đáy sông, trong thành phố (metro) và các loại công trình đô thị khác.
b. Nhược điểm
-Chỉ thích hợp cho các công trình hầm có chiều dài lớn (>750m). bởi vì khiên là một loại cơ giới rất đắt tiền, có tính chuyên dụng cao, mỗi loại thích hợp với điều kiện thủy 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;
-Giá chế tạo máy khiên tương đối đắt, công nghệ láp ráp, vận chuyển vỏ hầm và lắp đặt cơ giới, ... tương đối phức tạp. Trong lớp đất xốp mềm bão hòa nước, rủi ro lún sụt mặt đất tương đối lớn.
-Khó khăn khi thi công công trình có đường cong bán kính nhỏ, khi chiều dày tầng đất phủ nhỏ đặc biệt là khi thi công dưới đáy nước;
-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, bố trí công địa, chuyển dịch khiên,... và sự điều hòa của hệ thống công trình phức tạp.
-Khi thi công bằng khiên rất khó tránh lún trong lớp đất phía trên, nhất là chỗ tầng đất yếu lại có nước, khi lắp vỏ hầm phải chú ý phun vữa vào sau lưng vỏ hầm, yêu cầu đó rất cao.