Bài giảng Công trình ngầm - PGS.TS. Nghiêm Hữu Hạnh

Chia sẻ: Conbongungoc09 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:168

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Công trình Ngầm do PGS.TS. Nghiêm Hữu Hạnh biên soạn cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái quát về công trình ngầm; Tính toán ổn định công trình ngầm; Một số phương pháp pháp thi công công trình ngầm; Quan trắc công trình ngầm. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Công trình ngầm - PGS.TS. Nghiêm Hữu Hạnh

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT BÀI GIẢNG MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM Biên soạn: PGS.TS. Nghiêm Hữu Hạnh HÀ NỘI 2012 1
MỤC LỤC Mục Trang Chương 1 3 Khái quát về công trình ngầm 1.1 Giới thiệu chung 3 1.2 Sơ lược về lịch sử xây dựng công trình ngầm 3 1.3 Một số khái niệm 11 Chương 2 24 Tính toán ổn định công trình ngầm 2.1 Công tác khảo sát dự án 24 2.2 Ổn định của công trình ngầm đào bằng phương pháp đào mở 39 2.3 Ổn đinh của công trình ngầm đào bằng phương pháp đào kín 66 Chương 3 82 Một số phương pháp pháp thi công công trình ngầm 3.1 Thi công công trình ngầm theo phương pháp đào mở 82 3.2 Thi công công trình ngầm theo phương pháp đào kín 115 Chương 4 144 Quan trắc công trình ngầm 4.1 Quan trắc hố đào và công trình lân cận 144 4.2 Quan trắc đánh giá và đo đạc đường hầm 151 Tài liệu tham khảo 167 2
Chương 1 Khái quát về công trình ngầm 1.1 Giới thiệu chung Công trình ngầm là công trình nằm trong lòng đất. Theo mục đích sử dụng, có thể phân chia như sau: Công trình ngầm giao thông: hầm đường sắt, hầm đường ô tô xuyên núi, hầm cho người đi bộ, tầu điện ngầm, hầm vượt sông. Công trình thủy lợi ngầm: hầm công trình thủy điện, hầm dẫn nước tưới tiêu, hầm cấp thoát nước, hầm đường thủy Công trình ngầm đô thị: hầm giao thông đô thị (hầm ở nút giao thông, hầm cho người đi bộ, hầm tầu điện ngầm…) hầm cấp thoát nước, hầm cáp thông tin, năng lượng (collector), gara ngẩm, hầm nhà dân dụng, hầm nhà xưởng, gara ngầm, các công trình công công (cửa hàng, nhà hát, phố ngầm…) Công trình ngầm khai khoáng: hầm chuẩn bị, hầm vận tải, hầm khai thác, hầm thong gió… Công trình đặc biệt: Hầm chứa máy bay, tầu thuyền, kho tàng, nhà máy… Theo kích thước, công trình ngầm có thể được chia ra thành: Công trình ngầm tiết diện nhỏ: bề ngang sử dụng l < 4m, Công trình ngầm tiết diện trung bình: bề ngang sử dụng 4m < l 10m Theo phương pháp thi công có thể chia ra: Công trình ngầm thi công theo phương pháp đào mở, Công trình ngầm thi công theo phương pháp đào kín Công trình ngầm thi công theo phương pháp hạ chìm. 1.2 Sơ lược về lịch sử xây dựng công trình ngầm Từ lâu, trước công nguyên, ở Babilon, Ai cập, Hy Lạp, La Mã các công trình ngầm đã được khai đào với mục đích khai khoáng, xây lăng mộ, nhà thờ, cấp nước, giao thông. Một số công trình còn giữ nguyên được cho đến ngày nay. 3
Công trình ngầm được coi là lâu đời nhất trên thế giới là đường hầm xuyên qua sông Eupharate ở thành phố Babilon được xây dựng vào khoảng năm 2150 trước Công Nguyên. Vào những năm 700 trước Công Nguyên, một đường hầm dẫn nước đã được xây dựng ở đảo Samosaite, HyLạp. Hầu hết các hầm cổ xưa được xây dựng trong nền đá cứng, có dạng vòm giống như các hang động tự nhiên, không cần vỏ chống. Thi công hầm bằng công cụ thô sơ như choòng, xà beng và phương pháp nhiệt đơn giản: đốt nóng gương hầm, sau đó làm lạnh bằng nước. Vào cuối thời kỳ Trung Cổ, việc mở rộng giao thương đã thúc đẩy phát triển các đường hầm giao thông. Hầm đường thủy đầu tiên trên thế giới dài 160m được xây dựng tại Pháp từ năm 1679 đến năm1681. Sự xuất hiện của đường sắt đã thúc đẩy phát triển hầm đường sắt, những hầm đường sắt đầu tiên dài 1190m được xây dựng trong những năm 1826- 1830 trên tuyến đường Liverpool – Manchester ở Anh. Cùng thời gian này người ta cũng đã xây dựng các hầm đường sắt ở Pháp và các nước Châu Âu khác. Công nghệ khai đào thời kỳ này chủ yếu là khoan tay và thuốc nổ đen. Việc phát minh ra thuốc nổ Dinamite (1866) cùng với áp dụng máy khoan đập xoay đã tạo nên bước ngoặt trong xây dựng công trình ngầm như xây dựng các đường hầm xuyên qua dãy Alpe nối Pháp, Ý và Thụy Sỹ. Trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất, người ta đã xây dựng được 26 đường hầm giao thông có chiều dài lớn hơn 5km, trong đó có hầm dài nhất thế giới là hầm Sinplon, dài 19780m. Vật liệu vỏ hầm chủ yếu là đá hộc vữa vôi hoặc vữa xi măng. Mãi đến những năm 70 của thế kỷ 20 bê tông mới trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng công trình ngầm. Sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, nhịp độ xây dựng hầm giảm đi vì hệ thống đường sắt đã tương đối hoàn chỉnh ở các nước châu Âu. Cùng với hầm xuyên núi, hầm dưới nước cũng được xây dựng với mục đích giao thông đường sắt và đường bộ. Hầm dưới nước được xây dựng băng phương pháp khiên đào kết hợp với khí nén có vỏ hầm là các tấm lắp ghép bằng gang đúc sẵn (vì chống chu bin). Khiên hầm được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1825 trong xây dựng đường hầm qua sông Thames ở Anh. Chỉ riêng ở New York đã có 19 hầm lớn dưới nước. Hầm dưới nước trên tuyến đường sắt đi dưới vịnh Simonosec, Nhật Bản (1936-1941) dài 6330m. Những năm gần đây, người ta đã xây dựng những đường hầm dưới nước xuyên biển dài kỷ lục, như hầm qua 4
vịnh Suga Nhật Bản dài 36,2km, hàm qua eo biển Manche nối Anh và Pháp dài gần 40km. Một phương pháp được sử dụng để thi công hầm dưới nước là phương pháp hạ chìm đoạn hầm đã được đúc sãn vào hào ở dưới nước, sau đó lấp đất trở lại. Phương pháp hạ chìm này đã khắc phục được việc sử dụng khí nén ảnh hưởng đến sức khỏe người thợ, hạ giá thanh, rút ngắn thời giant hi công. Tuyến đường tầu điện ngầm ở Luân Đôn, Anh vận hành năm 1853 là tuyến tầu điện ngầm đầu tiên trên thế giới, mở đầu thời ký xây dựng các hệ thống tầu điện ngầm trên các than phố lớn của thế giới. Đến nay đã có trên 100 hệ thống tầu điện ngầm ở trên 30 nước. Từ những năm cuối thế kỷ 20, hầm thủy lợi đã được phát triển với quy mô lớn, đặc biệt là hầm thủy điện. Trên thế giới đã có trên 350 nàh máy thủy điện và thủy tích điện ngầm với công suất trên 40 triệu kw. Ở Liên Xô, Mỹ và nhiều nước khác các gian máy thường có diện tích ngang từ 200m2 đến 500m2, chiều dài từ 40m đến 200m, chiều cao đến 40m-50m. Ở Việt Nam, hầm giao thông thuỷ Rú Cóc được xây dựng năm 1930 ở xã Nam Sơn, huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An, hầm ngầm xuyên qua núi giúp cho thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu xuống hạ lưu sông Lam để tránh đập nước Đô Lương. Một số hầm đường sắt cũng được xây dựng mà điển hình hầm đường sắt Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc địa phận Thừa Thiên -Huế. Trong những năm chiến tranh, chỉ đào một số ít hầm ngắn để làm kho quân trang, quân dụng hoặc hầm trú ẩn cho người và hệ thống kỹ thuật. Điển hình là hệ thống hầm hào gồm các đường hầm ngầm dài hàng km nằm trong lòng đất Vĩnh Mốc, Củ Chi. Một loại hầm được xây dựng phổ biến ở Việt Nam là hầm lò để khai thác Than và Khoáng sản. Vào đầu thế kỷ 20 một số đường hầm đã được xây dựng trên tuyến đường sắt Bắc Nam như hầm Dốc Xây ở Ninh Bình với chiều dài khoảng 100m. trong giao thông đường sắt đã xây dựng được 41 hầm với tổng chiều dài 11,900m. Sự phát triển giao thông, thủy điện đã thúc đẩy việc xây dựng đường hầm ở nước ta trong hơn một thập kỷ gần đây. Tháng 5 năm 2002 hầm A Roàng I dài 453m trên đường Hồ Chí Minh được hoàn thành. Tháng 6 năm 2005 hầm đường bộ Hải Vân có chiều dài 6290m được đưa vào sử dụng đã rút ngắn đoạn đường đèo từ 5
21 km xuống còn 12km so với tuyến đường đèo cũ. Từ dự án hầm đường bộ Hải Vân, công nghệ tiên tiến trong xây dựng hầm của Nhật Bản đã được kỹ sư Việt Nam áp dụng để thiết kế, thi công 495m hầm đường bộ Đèo Ngang rút ngắn tuyến đường đèo từ hơn 7km xuống còn 2,5km. Hình 1.1. Hầm Hải Vân nhìn từ cửa hầm phía Bắc Trong những năm gần đây, vấn đề xây dựng ngầm đô thị cũng đã được chú ý, đặc biệt ở Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh. - Tháng 11 năm 2006 Thủ tướng Chính phủ đã ký Nghị định về Xây dựng ngầm đô thị. Đây là khung pháp lý cho quy hoạch, xây dựng, bảo trì, khai thác và quản lý không gian ngầm đô thị. - Bộ Xây dựng đã ra văn bản trình Thủ tướng Chính phủ về việc bắt buộc phải có thiết kế tầng hầm cho nhà cao tầng ở Hà Nội Trong giai đoạn 1990-2000, phần lớn các nhà cao tầng xây dựng ở khu vực Hà Nội được xây dựng không có tầng ngầm hoặc chỉ với 1-2 tầng ngầm. Các công trình không có tầng ngầm thường là các chung cư được xây dựng ở các khu đô thị mới trong khi các nhà cao tầng xây chen trong khu vực đô thị cũ thường chỉ có 1 tầng ngầm. Trong giai đọan từ năm 2000 đến nay yêu cầu về sử dụng tầng ngầm ngày càng tăng, chủ yếu là để xe 4 bánh cho các văn phòng và dân cư sống trong các nhà cao tầng. Điển hình trong số các công trình có nhiều tầng ngầm là tòa nhà Pacific Place tại 83B Lý Thường Kiệt với 5 tầng ngầm thi công trong điều kiện xây chen và nút giao thông ngầm Kim Liên. Bảng 1.1 giới thiệu một số công trình có trên 2 tầng ngầm được xây dựng ở Hà Nội trong thời gian gần đây. 6
Bảng 1.1. Danh mục một số công trình đã xây dựng trong thời gian gần đây ở Hà Nội TT Tên công trình Số tầng hầm Đặc điểm thi công tầng hầm 1 Văn phòng và chung cư 27 2 - Tường barrette Láng Hạ - Đào hở, chống bằng dàn thép 2 Trụ sở kho bạc NN 32 Cát 2 - Tường barrette Linh - Top – down 3 Toà nhà 70-72 Bà Triệu 2 - Tường barrette - Top – down 4 VP và Chung cư 47 Huỳnh 2 - Tường barrette Thúc Kháng - Top – down 5 Toà nhà Vincom 191 Bà 2 - Tường barrette Triệu - Top – down 6 Chung cư cao tầng 25 Láng 2 - Tường barrette hạ - Top – down 7 TT Viễn thông VNPT 57 2 - Tường barrette Huỳnh Thúc Kháng - Không chống 8 Toà nhà tháp đôi HH4 Mỹ 2 - Tường barrette Đình - Đào hở, chống bằng dàn thép 9 Trụ sở văn phòng 59 Quang 2 - Tường barrette Trung - Top – down 10 Ocean Park số 1 Đào Duy Anh - Tường bê tông thường - Cọc xi măng đất 11 Toà nhà Vietcombank 2 - Tường barrette - Neo trong đất 12 Pacific Place 83 Lý Thường 5 - Tường barrette Kiệt - Top – down 13 M5 TOWER 2-5 - Tường barrette - Top – down 14 Tháp BIDV 3 Tường barrette Văng chống thép 15 Hanoi Tower 5 - Tường barrette - Top – down 16 Keangnam 3 - Tường barrette - Neo trong đất 17 Nút giao thông ngầm Kim Cèt ®¸y - Tường cừ Larsen Liên mãng:-13 m - Văng chống thép Trong xây dựng thuỷ điện ở Việt Nam, giải pháp đường hầm được sử dụng ở rất nhiều nhà máy thuỷ điện như Hoà Bình, Sơn La, A Vương, Đại Ninh, Bản Vẽ, Bắc Bình, Đồng Nai, Buôn Kuốp và nhiều nhà máy thuỷ điện khác. Đặc biệt đối với các nhà máy thuỷ điện được xây dựng tại miền Trung thì đường hầm 7
được coi là giải pháp tối ưu để đảm bảo cho việc lựa chọn vị trí xây dựng đập dâng và nhà máy. Nhà máy thuỷ điện Hoà Bình được khởi công xây dựng từ năm 1979 khánh thành năm 1984 với 8 tổ máy có tổng công suất 1920MW, cho đến nay vẫn là công trình thuỷ điện lớn nhất Đông Nam Á. Tổ hợp công trình ngầm nhà máy thủy điện Hoà Bình dài 14 200m được bố trí như trên hình 1.4, gồm các hệ thống: - Hầm gian máy với 8 tổ máy, công suất mỗi tổ 240MW, có kích thước rộng 22m, cao 53m (tính đến đáy ống hút), dài 280m. - Hầm máy biến thế cao 20m, rộng 15m bố trí 8 máy biến áp đặt sông sông với gian máy. - Hầm dẫn nước: gồm 8 hầm với đường kính mỗi hầm D=8m, 3 hầm xả nước tổ máy và hệ thống hầm thông gió, hầm cáp điện, hầm phục vụ thi công… Danh mực một số công trình thủy điện có công trình ngầm ở nước ta được nêu ở bảng 1.2. 8
Hình 1.2. Sơ đồ tổ hợp ngầm nhà máy thủy điện Hoà Bình 9
Bảng 1.2. Một số dự án thủy điện có xây dựng công trình ngầm ở nước ta Công suất Chiều dài hầm Đường kính trong Tên công trình Tỉnh (MW) (km) (m) Yaly Gia Lai 720 2x3.85 7.0 Thượng Kon Tum Kontum 250 18 2.6 Bản Vẽ Nghệ An 320 2x0.8 7.5 An Khê -KaNak Gia Lai 163 3.075 4.50 Cửa Đạt Thanh Hoá 90 2x0.625 11.0 Sông Tranh 2 Quảng Nam 190 1.800 8.5 Quảng Trị Quảng Trị 70 5.60 3.0 Sông Ba Hạ Phú Yên 220 2x1.0 7.5 Sêrêpok 3 Đắk Lắk 220 2x0.60 8.0 ĐaMi Lâm Đồng 173 2.30 7.0 Thác Mơ Bình Phước 75 0.80 4.5 A Vương Quảng Nam 210 8.30 5.5 Eakrông Phú Yên 64 1.90 4.5 Đại Ninh Lâm Đồng 300 11.26 45 Buôn Kuốp Đắc Lắc 280 2x4.37 7.0 Huội Quảng Sơn La 540 4.0 7.5 Sêkaman3 Lào 250 7.0 4.0 ZaHưng Quảng Nam 28 1.70 5.0 Đăk Mi1 Quảng Nam 250 10.0 5.0 Bắc Bình Bình Thuận 33 2.50 4.5 Hủa Na Nghệ An 180 4.00 7.0 Ayun thượng 1A Gia Lai 12 3.6 3.25 10
1.3 Một số khái niệm Hiện có rất nhiều phương pháp đào hầm, có thể chia thành 2 nhóm phương pháp chính sau đây: Phương pháp đào và lấp (đào mở) và phương pháp đào kín. Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm nhất định và tuỳ từng điều kiện địa chất, hiện trường, khả năng công nghệ cụ thể mà có thể vận dụng hợp lý. Phương pháp đào mở khá thông dụng song ngày càng trở nên khó chấp nhận đối với việc thi công hầm ở các đô thị có mật độ công trình dày đặc và gây cản trở cho lưu thông xe cộ ở khu vực công trường. Ngoài ra phương pháp đào mở có chi phí khá cao do phải sử dụng hệ thống chống giữ thành hố đào. 1.3.1 Xây dựng công trình ngầm bằng phương pháp đào mở 3.1.1.1. Khái quát Trong phương pháp đào mở, đất được đào lên theo cách lộ thiên từ mặt đất, tạo không gian cho công trình ngầm, sau đó đất được đắp lại (cut - and - cover construction). Phương pháp này thường được dùng để thi công những loại CTN đặt nông (giới hạn trong phạm vi 5 - 15m, có khi đến 20 m từ cốt mặt đất). Thông thường, các đường vượt ngầm ngắn, hệ thống côlectơ để đặt mạng lưới kỹ thuật đô thị (cáp điện, động lực, cáp thông tin, ống cấp khí đốt, ống cấp và thoát nước ...) gara ô tô 1 - 2 tầng ngầm, đường và ga tàu điện nông, các công trình văn hoá giải trí, kho thực phẩm hoặc các mương - ống công nghệ trong công nghiệp... thường thi công trong các hố/hào lộ thiên - đào mở. Trong đô thị, phương pháp đào mở thường chủ yếu được áp dụng cho một số loại hình công trình sau: Các đường ngầm giao thông cơ giới đặt nông Các đường hầm giao thông cơ giới trong các đô thị được dựng để: - Phân nhánh đi lại ở các mức khác nhau tại các nút giao thông hoặc tại các phân nhánh của tuyến đường chính. - Tăng hoặc phân đều khả năng thông thoát của một số đoạn tuyến chính; - Tăng cường cấu trúc quy hoạch của mạng lưới tuyến phố; - Xây dựng các đoạn đường lên xuống, các bến xe và gara ngầm, các trung tâm thương mại, kho, nhà ga, cảng hàng không v.v… Các đường trục ô tô ngầm 11
Các đường ngầm giao thông cơ giới riêng biệt tương đối ngắn đặt nông làm tăng khả năng thông xe của đường trục và tạo được trật tự cho chuyển động của các phương tiện giao thông trên mặt đất ở những vùng lân cận đô thị. Phát triển mạng lưới các đường ngầm đủ dài tạo khả năng đảm bảo phục vụ quá cảnh cho dòng giao thông lớn qua vùng trung tâm đô thị. Tại các lối chính của đường trục ôtô ngầm cũng như qua những khoảng nhất định theo chiều dài, cần phải bố trí lối vào và lối lên mặt đất. Dọc tuyến đường trục ngầm tại các vị trí tiếp nối và giao nhau nên xây dựng các tổ hợp ngầm lớn bao gồm cả bến đỗ và gara. Các bến đỗ ôtô, gara và các tổ hợp ngầm, tầng hầm nhà cao tầng Vì các điểm đỗ xe ngoài trời trên mặt đất chiếm nhiều chỗ nên tốt hơn là xây dựng các bến đỗ nhiều tầng và gara sức chứa lớn. Tuy nhiên, xây dựng các bến đỗ và gara như vậy tại các vùng trung tâm đô thị sẽ gặp những khó khăn nhất định liên quan đến việc thiếu quỹ đất trống hoặc giá thành đất cao. Do đó xây dựng các bến đỗ, gara ngầm và nửa ngầm ngoài phạm vi tuyến phố sẽ rất hiệu quả. Chúng chiếm diện tích giới hạn và giải phóng được phần đất đô thị để xây dựng nhà và các công trình khác. Do tồn tại nhiều dạng bến đỗ và gara khác nhau về công dụng, địa điểm xây dựng chiều sâu chôn ngầm, sức chứa, sơ đồ quy hoạch, số lượng tầng, đặc điểm kết cấu v.v… việc lựa chọn dạng bến đỗ và gara ngầm được quyết định chủ yếu bằng các điều kiện giao thông và xây dựng đô thị cụ thể, cũng như sự luận giải về kinh tế. Ở Tokyo, hầu như các tòa nhà cao tầng đều có 8 tầng ngầm mở rộng liên kết với xung quanh qua các phố tiếp giáp. Các tổ hợp ngầm đang được tạo lập. Một tổ hợp ngầm 5 tầng dài 735m, rộng 44m đã được xây dựng dưới nhà ga đường sắt Tokyo. Tầng hầm đầu tiên dành cho người đi bộ, tầng thứ hai dành cho các trang bị kỹ thuật, các thiết bị thông khí,kiểm soát..., tầng thứ 3 dùng cho các dịch vụ bán vế, tra cứu, cafe, nhà hàng..., tầng thứ tư dùng để phân phối, kết nối cầu thang máy với các tầng khác, tầng thứ 5 bố trí đường sắt. Hàng ngày có trên 200.000 người lui tới tổ hợp này. Ở Tokyo đã xây dựng 5 tuyến phố ngầm dài 640m, đặt sâu 8m dưới mặt đất. Trong không gian ngầm này bố trí các cửa hàng, quán caffe, rạp chiếu phim... Đường ngầm bộ hành 12
Khi giải quyết các vấn đề giao thông trong các đô thị lớn người ta sử dụng cả các biện pháp trật tự hóa giao thông bộ hành, tạo lập những đường đi bộ riêng, tách khỏi các phương tiện giao thông, thuận lợi và dễ dàng cho người đi bộ, đảm bảo sự liên hệ với các trung tâm đô thị lớn. Khi tổ chức hệ thống đường bộ hành trong đô thị tất yếu xuất hiện sự cần thiết cắt qua các đường trục ôtô, đường sắt và các đường giao thông. Mặc dù có nhiều biện pháp đảm bảo điều kiện an toàn trong trường hợp xây dựng đường vượt trên mặt đất (đèn tín hiệu, đường kẻ, hàng rào trên hành lang, đảm bảo an toàn, các chỉ dẫn rõ ràng v.v…), nhưng đường vượt như vậy không thể bảo đảm an toàn tuyệt đối cho người qua đường. Ngoài ra, khi vượt nổi không thể đảm bảo cho chuyển động các phương tiện giao thông liên tục và có tốc độ cao trên đường trục. Do đó, trong các đô thị người ta sử dụng rộng rãi đường vượt bộ hành ngoài phố dạng cầu và dạng đường ngầm. Khi tổng kết việc xây dựng tàu điện ngầm ở Nga từ 1965 đến 1995, A.B.Ivanhưc đã chỉ ra rằng phương pháp đào mở đã chiếm tỷ lệ đáng kể và đã tăng từ 39% (25,3km/63,7km) trong những năm 1965-1970 lên 63% (84,3km/141.6km) trong những năm 1991 - 1995 (xem hình 1.3). Sự tăng trưởng này được giải thích là do công nghệ thi công đào mở phát triển nhanh khả năng cẩu nâng lớn khi lắp các đốt công trình ngầm đúc sẵn. Trong nhiều đô thị ở các nước SNG, nơi việc xây dựng tàu điện ngầm được bắt đầu chưa lâu, người ta chỉ đặt các tuyến nông như ở Tasken, Minxk, Nôvôxibirxk, Nifni, Novgorod, Xamara, Omxk... Tình hình như vậy cũng nhận thấy ở nhiều nước trên thế giới. Ngay như ở những thành phố lớn của Nhật (Tokyo, Osaka...) hệ thống tàu điện ngầm cũng dùng phương pháp đào mở, làm nắp (sàn mái của hầm) để giải quyết giao thông thông suốt trên mặt đất và tiếp tục đào dưới nắp theo các đại lộ lớn của đô thị. Hình 1.3. Tỷ lệ độ dài các truyến đường tàu điện ngầm đặt sâu và nông (phần gạch) 13
Lựa chọn phương pháp thi công công trình ngầm theo phương pháp đào mở hay đào ngầm, chủ yếu dựa trên sự phân tích kỹ lưỡng, thận trọng các yếu tố sau: hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, bảo đảm an toàn về môi trường và khả năng áp dụng công nghệ hiện đại. Kinh nghiệm thế giới đã tổng kết rằng ưu điểm nổi bật của phương pháp đào mở như sau: - Có thể sử dụng máy làm đất và máy thi công khác nhau với mức cơ giới hoá cao, - Có thể thi công hố đào sát tới tường ngoài của công trình ngầm hiện hữu, - Thi công chống thấm cho công trình ngầm đơn giản và có chất lượng. Phương pháp đào mở sẽ có nhiều ưu việt khi công trình ngầm có diện tích lớn trên mặt bằng và không sâu lắm và thường được chọn dùng trong những điều kiện địa chất như : a) Trong nền đất có đá lăn mồ côi, hay trong sỏi sạn; b) Trong đất cát bão hoà nước đến độ sâu 6 - 7m; c) Trong đất có độ ẩm tự nhiên đến độ sâu 10 - 11m; d) Trong đất sét bão hoà nước đến độ sâu 10 - 12m; e) Trong đất sét đến độ sâu 13 - 16m. Những kiến nghị này có tính chất định hướng và trong điều kiện cụ thể, dựa trên độ sâu tối ưu để dùng phương pháp này hay phương pháp khác. Với những phương tiện cơ giới hiện đại trong việc đào và vận chuyển đất đã cho phép trong thời gian ngắn đào được khá sâu và rất rộng. Do đó đôi khi người ta chuyển từ phương pháp thi công đặc biệt (ví dụ như giếng chìm hoặc đào ngầm) sang đào mở nhất là trong đất có độ ẩm tự nhiên thấp. Trong vùng xây mới (nơi chưa có công trình xây dựng nhưng đã có qui hoạch ổn định) phương pháp đào mở là phương pháp thích hợp nhất khi làm các loại công trình ngầm như colectơ, lối vượt ngầm, ga ra ô tô, tàu điện ngầm vv... Phương pháp đào mở cũng có những nhược điểm và hạn chế, nhất là khi thi công trong vùng đô thị có dân cư đông đúc như: - Chiếm đất nhiều, ồn và dễ gây ách tắc giao thông. Có thể hạn chế bớt ảnh hưởng không tốt nói trên khi dùng phương pháp đào của ngành mỏ bằng cách làm các tường vĩnh cửu của công trình ngầm trước, làm nắp của hầm đủ chắc chắn để phương tiện giao thông đi lại trên đó và công tác khác trên mặt đất cũng có thể thực hiện trên nắp công trình ngầm. 14
- Trong đất sét yếu và đất bụi, việc đào hào sẽ bị hạn chế do phải duy trì ổn định vách hố và đáy hố, nên đòi hỏi phải thi công nhanh gấp. - Sự gò bó trong vạch tuyến khi phải bám theo đường phố hiệu hữu, đặc biệt là bán kính cong nhỏ khi mở tuyến tàu điện ngầm. Một số nơi hào đào lấn vào móng công trình hiện hữu làm cho nó kém đi về chịu lực hoặc biến dạng, nên phải gia cường chống đỡ thêm, gây tốn kém. - Tiến độ thi công và giá thành của phương pháp đào - lấp bởi có nhiều việc phải làm thêm do những sai sót khi khảo sát điều tra hoặc đánh dấu vì chúng chỉ được phát hiện lúc đào, di dời hoặc phải đặt lại hệ thống kỹ thuật đô thị hiện đang khai thác (cáp điện, thông tin, ống cấp thoát nước... ) là vấn đề khá phức tạp, kéo dài tiến độ thi công. - Chuyển vị của đất và lún các công trình hiện hữu. Các phương pháp làm giảm sự trồi đáy hay giảm đào lẹm cũng như sự thay đổi dòng chảy và mực nước ngầm... đều dẫn đến những trở ngại trong tiến độ thi công và thay đổi giá thành. Dùng neo đất, thanh chống có lắp kích để căng chỉnh là những giải pháp có hiệu quả đối với công trình nhạy lún hoặc công trình cũ ở lân cận hố đào. - Việc di dân để giải phóng mặt bằng dành chỗ cho công trình cũng như cho sân bãi công trường xây dựng, tổ chức lại các tuyến giao thông, ồn, chấn động, bụi... khi thi công thường là những vấn đề xã hội - kinh tế khó giải quyết nhanh gọn để công trình khởi công đúng hạn. 3.1.1.2 Các kết cấu chắn giữ thành hố đào Dưới đây là một số hệ kết cấu chống giữ thường được sử dụng trong công nghệ đào mở. 1. Đào không cần chống giữ thành. Trong điều kiện đất trống trải và đủ rộng (ví dụ vùng ngoại thành) thì cho phép đào hố với độ dốc tự nhiên mà không cần chống giữ thành hoặc chỉ cần bảo vệ mặt dốc bằng lớp xi măng lưới thép để phòng mất ổn định. Yêu cầu chính là độ nghiêng thành hố đảm bảo được ổn định và độ sâu không vượt qúa độ sâu giới hạn h gh =4c/γ, trong đó c là lực dính và γ là dung trọng của đất. 2. Chống giữ thành bằng trụ đứng -ốp bản (Soldier piles with Lateral laggings). Hệ chống giữ này gồm trụ/cọc (bằng thép hình hoặc bê tông cốt thép đúc sẵn ) khoảng cách giữa các cọc xác định theo tính toán, thường từ 1,0-2,0m, thanh chống /văng chống ngang (có khi thay bằng neo đất ), dầm giữa ở lưng 15
tường và bản cài ngang bằng gỗ dày từ 7-10cm (có khi thay bằng bê tông phun). Loại tường này dùng cho những hố móng không sâu (
Hình 1.6. Cấu tạo cọc BTCT thường của tường cừ Hình 1.7. Một số hình dạng mặt cắt ngang cọc bản BTCT ứng suất trước b) Tường chắn bằng cọc cừ bản thép (steel sheet piles). Thường có 4 loại cừ bản thép sau đây: Cừ thép bản phẳng: Ký hiệu SP-1, loại cừ này có mô men kháng uốn không lớn, chiều dài chế tạo 8 - 22m; cừ máng thép : Ký hiệu SP-2, chiều dài chế tạo 8 - 22m thường sử dụng cho các loại kết cấu chống thấm (đê quai, móng đập) công trình xây dựng; cừ thép chữ Z : Ký hiệu SK-1, SK-2, SĐ- 5; cừ Larssen: Thường chế tạo 4 loại cừ: IV, V, VI, VII có chiều dài từ 8 - 22m với liên kết móc rắn chắc, tạo ra mô men kháng uốn lớn, đây là loại cừ đang được sử dụng phổ biến hiện nay. Để ổn định tường cọc cừ bản thép, tuỳ theo bề rộng hố đào,mặt bằng và điều kiện hiện trường mà dùng thanh chống ngang hoặc neo đất. c) Tường chắn bằng cọc bản vật liệu nhựa composite. Trong những hố đào nông dùng cho công trình ngầm đặt nông như colectơ, đường cấp thoát nước phụ vv... hoàn toàn có thể dùng cọc bản nhựa composite để làm tường chắn; do loại cọc này có tính chống xâm thực/ăn mòn tốt trong môi trưòng chua mặn (có thể bền đến 30-50 năm), sản xuất công nghiệp, kiểm soát chất lượng dễ, nhẹ (nhẹ hơn thép 70-75% và nhẹ hơn bê tông 40-50%), thuận tiện trong vận chuyển và bảo quản, tăng mỹ quan cho công trình trong đô thị (tường kè chống xói lở vùng ven biển, tường chắn đất, công trình cầu cảng...). 4. Tường chắn bằng hàng cọc. Như đã biết, cọc nhồi bê tông cốt thép hoặc cọc nhồi bê tông cốt thép kết hợp với cọc xi măng đất có thể dùng để làm tường chắn thành hố đào. Như đã trình bày trên đây, trong một số trường hợp có thể có thể kết hợp cọc xi măng đất để ngăn nước còn cọc nhồi bê tông cốt thép để chịu lực. 17
5. Tường liên tục trong đất. Tường liên tục trong đất có thể thi công bằng phương pháp đổ bê tông tại chỗ hoặc lắp những tấm tường bê tông cốt thép đúc sẵn vào hào đào sẵn. Có 3 giai đoạn cơ bản để thi công tường: làm tường dẫn, đào hào, lắp dựng tấm cốt thép và đổ bê tông (hoặc lắp tấm bê tông cốt thép đúc sẵn ) vào hào. Công nghệ đổ bê tông tường toàn khối quyết định bởi kết cấu của tường, kiểu máy đào hào và những điều kiện địa chất công trình của nơi thi công. Căn cứ vào điều kiện đất nền, trang bị và khả năng kỹ thuật cũng như một số yêu cầu về môi trường và an toàn cao của công trình ở gần để chọn công nghệ làm tường trong đất bằng phương pháp đúc sẵn - lắp ghép - toàn khối hoá (tức vừa có đúc sẵn vừa có đổ bê tông tại chỗ). Có thể kết hợp các tấm tường với trụ đúc sẵn hoặc trụ đổ tại chỗ để liên kết chúng lại với nhau tạo thành tường đúc sẵn kiểu sườn theo công nghệ Panosol (của hãng Soletanche) và công nghệ Prefasil (của hãng Bachy). 6. Kết cấu phụ trợ của tường chắn hố đào. Trong những hố đào nông và nền đất tốt với độ sâu thích hợp thì tường chắn có thể làm việc như dầm con sơn và đủ cứng để tự ổn định, còn ở những hố đào sâu thì cần có kết cấu phụ trợ để giữ tường. Hệ thống chắn giữ thành hố đào sâu do hai bộ phận tạo thành, một là tường chắn hai là thanh chống bên trong hoặc là thanh neo vào đất bên ngoài. Chúng cùng với tường chắn sẽ tăng thêm ổn định tổng thể của kết cấu chẵn giữ, không những có liên quan tới độ an toàn của hố đào và công việc đào đất, mà còn có ảnh hưởng rất lớn tới giá thành và tiến độ của công trình hố đào 1.3.2. Xây dựng công trình ngầm bằng phương pháp đào kín Theo phương pháp đào kín, có những phương pháp thi công hầm như sau:  Phương pháp khoan nổ truyền thống và NATM.  Phương pháp khiên đào (SM).  Phương pháp khoan đào (TBM).  Phương pháp kích đẩy (pipe jacking).  Các phương pháp đặc biệt (phương pháp làm lạnh, phương pháp nổ ép,...) 1.3.2.1 Phương pháp khoan nổ truyền thống và NATM Phương pháp khoan nổ truyền thống hay còn gọi là phương pháp mỏ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng hầm và công trình ngầm do khả năng áp dụng cho nhiều loại công trình ngầm khác nhau như hầm giao thông, thuỷ 18
điện, tầng ngầm, ... với những hình dạng và kích thước hình học phức tạp, và xây dựng trong đất đá cứng và cứng vừa. Đây là phương pháp lâu đời nhất, có lịch sử phát triển cùng với lịch sử phát triển của ngành mỏ và đã đạt được những thành công đáng kể trong thế kỉ 20. Thành công lớn nhất của phương pháp khoan nổ chính là sự ra đời và phát triển của phương pháp thi công hầm mới của Áo – NATM, ra đời trong những năm 60 của thế kỉ 20 và nhanh chóng trở thành một trào lưu trong lĩnh vực xây dựng hầm và công trình ngầm của hầu hết các quốc gia trên thế giới và cho đến nay vẫn chưa mất tính thời sự do các lợi ích của nó mang lại. NATM kết hợp dùng các bulông neo đá và bê tông phun – chủ yếu dùng để đào hầm trong đá cứng, đang được ứng dụng trong thi công hầm đô thị, sau gần 4 thập niên phát triển liên tục và được đúc kết, đã đạt tới độ hoàn thiện đáng tin cậy. Do vậy chỗ đứng của nó được đảm bảo trong giới chuyên môn hầm. 1.3.2.2 Phương pháp đào hầm bằng cơ giới hoá (TBM và SM) Trẻ hơn về tuổi đời, song hành với NATM là sự phát triển mạnh mẽ của phương pháp thi công hầm cơ giới hoá. Những thiết bị cơ giới hoá đào đất để làm hầm khá đa dạng, kể từ loại máy xúc có trang bị răng xới, các thiết bị thuỷ lực và các máy đào hầm đa năng (roadheaders) cho đến các 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. Mặc dầu có nhiều loại phương tiện kỹ thuật đang thịnh hành, song TBM, thiết bị chuyên dùng, có thể cơ giới hoá được toàn bộ các khâu: đào, chống đỡ, thi công áo hầm và chuyển vận đất thải, đã được công nhận là một trong những đột phá quan trọng về công nghệ thi công hầm. 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 đất rất mềm yếu, có ngậm nước như các loại đất trầm tích. 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. 19
Trong công nghệ đào hầm dùng khiên thì lớp vỏ hầm được thi công bằng cách lắp ghép các cấu kiện (segments) chế sẵn. Một số lượng nào đấy các cấu kiện đúc sẵn trong một công xưởng sẽ được vận chuyển và tập kết tạm thời ở một kho bãi gần công trường. Đảm bảo có được một không gian sân bãi như vậy không phải là dễ dàng, thậm chí trong một giai đoạn tạm thời, ở một khu vực có mật độ công trình dày đặc. Đối với các vỏ hầm thi công bằng cấu kiện lắp ghép, những phương pháp thiết kế khác nhau, được đề nghị dùng cho các điều kiện đất đai và nước ngầm khác nhau, đều đảm bảo được cường độ cơ lý của lớp vỏ ở hầu hết các trường hợp. Khả năng phòng nước (warter-stopping) của vỏ hầm được đảm bảo bằng cách dùng các vật liệu hàn và trám kín khe nối giữa các mảnh cấu kiện. Tuy nhiên việc làm kín nước lâu dài khó khăn hơn; nếu thật cần thiết thì phải dùng đến lớp áo thứ cấp (secondary), đôi khi còn phải được gia cường thêm bằng các thanh cốt thép. Một số đánh giá về phương pháp làm vỏ hầm lắp ghép cho rằng giá thành của các mảnh cấu kiện là cao, ngoài ra còn thể phải làm thêm lớp áo thứ cấp, và các chi phí về vận chuyển cấu kiện và thuê sân bãi, nên việc thi công là tốn kém. Trong thập niên vừa qua, giải pháp thay thế vỏ hầm lắp ghép nói trên là công nghệ đổ bê tông vỏ hầm theo kiểu ép đẩy (extruded concrete lining- ECL) đã được phát triển ở châu Âu, đặc biệt là ở Đức. Đây là kỹ thuật thi công vỏ hầm bằng cách bơm đẩy bê tông thường hoặc bê tông cốt sợi thép vào khe hổng giữa bề mặt hang đào và ván khuôn bên trong hầm. 1.3.2.3 Phương pháp kích đẩy (pipe jacking) Phương pháp kích đẩy là một kĩ thuật đào ngầm được sử dụng cho các công trình ngầm là đường ống kĩ thuật, thi công bằng cách đẩy các đoạn ống có chiều dài nhất định. 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. 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 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. 20