3-1 Chương 3.Tổng quan về các phương pháp, công nghệ thi công xây dựng công trình ngầm 3.1 Khái quát Với nhu cầu xây dựng công trình ngầm nói chung và công trình ngầm thành phố nói riêng ngày càng nhiều, đặc biệt là ở các nước công nghiệp phát triển, hàng loạt các giải pháp kỹ thuật đã được hình thành và hoàn thiện tùy theo các điều kiện, yêu cầu thi công và theo trình độ phát triển khoa học kỹ thuật. Với những tiến bộ khoa học kỹ thuật và trình độ công nghệ hiện nay cho phép có thể thi công xây dựng các công trình ngầm hầu như trong mọi điều kiện địa chất và môi trường khác nhau. Nói chung, các công nghệ thi công công trình ngầm rất phong phú và đa dạng, chúng là tổ hợp khá linh hoạt của nhiều giải pháp kỹ thuật và sơ đồ công nghệ khác nhau. Tên gọi của các phương pháp công nghệ thi công công trình ngầm cũng có nhiều xuất xứ khác nhau, có thể theo nơi đã phát triển công nghệ hay phương pháp, theo giải pháp kỹ thuật phổ biến và nhiều khi còn là do thói quen. Vì vậy, người thiết kế và thi công có thể linh hoạt lựa chọn các phương pháp thi công, các giải pháp kỹ thuật xử lý các tình huống có thể xảy ra, trên cơ sở hiểu biết rõ ràng, đầy đủ về các yếu tố, các khâu kỹ thuật quan trọng của công nghệ thi công. Theo vị trí của không gian thi công các kết cấu công trình ngầm có thể phân các phương pháp thi công vào hai nhóm là phương pháp thi công lộ thiên và phương pháp thi công ngầm. Đặc điểm các phương pháp thi công lộ thiên là một phần hay toàn bộ kết cấu của công trình ngầm được thi công xây dựng hay lắp dựng lộ thiên (lộ trên mặt đất). Trong khi đó kết cấu của công trình ngầm, được thi công bằng phương pháp thi công ngầm, được lắp dựng ngầm trong lòng khối đất/đá. 3.2 Phương pháp thi công lộ thiên. Có thể nói rằng, các phương pháp thi công lộ thiên đã được phát triển mạnh và khá hoàn chỉnh về công nghệ, mặc dù ra đời sau các phương pháp thi công ngầm. Các phương pháp thi công lộ thiên khác nhau ở phương thức, tiến trình công việc và có thể phân ra các nhóm khác nhau tùy theo tiêu chí phân nhóm. Chẳng hạn, theo đặc điểm của công nghệ thi công các phương pháp thi công lộ thiên được phân thành ba nhóm là (Hình 3-1): phương pháp thi công hở phương pháp hạ dần và phương pháp hạ chìm
3-2 Phương pháp thi công lộ thiên Phương pháp thi công hở Phương pháp hạ dần Phương pháp hạ chìm Hình 3-1. Các phương pháp thi công lộ thiên Đặc điểm của phương pháp thi công hở là các kết cấu của công trình ngầm được lắp dựng trong các hào, hố được đào hở từng phần hay toàn phần. Phương pháp hạ dần (cũng còn gọi là hạ đoạn) có đặc điểm là toàn bộ kết cấu được lắp dựng tại vị trí thi công và được hạ dần vào trong lòng đất. Bằng phương pháp hạ chìm kết cấu công trình ngầm cũng được lắp dựng trên mặt đất dưới dạng các hộp nổi, sau đó được kéo đẩy ra mặt sông, hồ, biển và được hạ chìm dần vào vị trí thi công đã chuẩn bị sẵn, tạo thành các công trình ngầm nằm trên đáy sông, hồ, biển hoặc ở dạng cầu chìm trong nước. Theo trình tự hay thứ tự thi công các phương pháp trên lại được phân ra ba phương thức khác nhau, cụ thể là: Phương thức 1: Theo phương thức này các công trình ngầm được hoàn công theo trình tự sau: đầu tiên từ mặt đất tiến hành đào các hào hay hố thi công, tiếp đó tiến hành lắp dựng kết cấu của công trình ngầm trên hào, hố đào và sau cùng lấp lại bằng vật liệu lấp phủ. Sơ đồ thi công được thể hiện trên hình 3-2a. Tuỳ thuộc vào đặc điểm cơ học, địa chất của khối đất, thành hào có thể nghiêng hoặc thẳng đứng và có thể cần hoặc không cần phải chống giữ. Tùy theo điều kiện địa chất, địa hình và kích thước công trình, kết cấu chống giữ thành hào được sử dụng có thể là tường cọc-ván ép, tường cọc cừ (tường cừ), tường cọc khoan (tường cọc khoan nhồi) hoặc tường hào (tường hào nhồi) bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép. Các tường bảo vệ đó có thể được gia cố thêm bằng neo, khoan phun ép (khoan phụt), kích chống, văng, giằng... Cọc cừ có thể được tháo rút ra để sử dụng tiếp. Còn trong trường hợp sử dụng tường cọc khoan nhồi hay tường hào nhồi, kết cấu phía đáy của công trình ngầm thường liên kết với tường tạo thành một bộ phận của kết cấu công trình ngầm (đặc biệt khi gặp nước ngầm). Phương thức này thường được gọi là phương thức tường - nền (sau này trong lĩnh vực xây dựng dân dụngở một số nước phát triển tiếpphương thức này trong xây dựng các tầng hầm nhà cao tầng và lấy tên là phương pháp bottom-up hay thi công từ dưới lên).
3-3 Phương thức 2: Theo phương thức này hào thi công không cần đào hoặc chỉ cần đào đến độ sâu nhất định để tháo dỡ, di chuyển tạm các hệ thống cống rãnh, cáp ngầm (nếu có). Tiếp đó tiến hành thi công tường cọc khoan nhồi hay tường hào nhồi đến độ sâu dự định (thông thường đến tầng đất cách nước). Công đoạn tiếp theo là đổ bê tông nóc công trình ngầm (dạng vòm hay nóc phẳng), hoặc lắp ghép bằng các tấm panen đúc sẵn và phủ lớp ngăn cách, chống thấm. Các công việc còn lại được thực hiện ngầm trong lòng đất bao gồm đào bốc đất, xây dựng nền công trình ngầm, cũng như các công tác kỹ thuật khác. Với trình tự đó phương thức này còn được gọi là phương thức tường - nóc (Hình 3-2b). a)phương thức 1: Vật liệu lấp đầy Bê tông nền Chống đỡ thành hào, hố đào Đào, bốc đất Lắp dựng kết cấu công trình b) Phương thức 2: CTN Thi công hào Thi công tường nhồi Lắp dựng nóc CTN Đào, đổ bêtông nền Phương thức 3: c) Phương thức hạ dần (caisson) d) Phương thức hạ chìm Hào thi công xàlan xà lan CTN Kết cấu CTN (caisson) Buồng công tác (đào, xúc đất, cát) vỏ hầm hào đào trước khi hạ chìm Hình 3-2. Các phương thức thi công lộ thiên
3-4 Phương thức thi công này đã được sử dụng rất có hiệu quả trên thế giới trong trường hợp thi công dọc theo các đường phố chật hẹp và yêu cầu giải tỏa giao thông nhanh, không cho phép để đường phố ở trạng thái bị đào bới kéo dài. Sau khi đã lắp dựng xong các tấm panen nóc, hoặc đổ bê tông nóc và hoàn thiện trạng thái đường phố, giao thông trên phố lại có thể hoạt động bình thường không gây ảnh hưởng đến công tác thi công tiếp theo. Bằng cách này có thể xây dựng được các công trình có nhiều tầng trong lòng đất với thời gian thi công dài mà không gây cản trở đến hoạt động bình thường trên mặt đất. Phương thức này được gọi là topdown trong xây dựng dân dụng. Phương thức thứ 3: Theo phương thức này toàn bộ hay từng đoạn của kết cấu công trình ngầm được lắp dựng hoàn toàn trên mặt đất. Sau đó các đoạn kết cấu được hạ dần vào lòng đất song song với việc đào xúc đất dưới gầm của kết cấu đó ( phương thức caissonhay hạ dần: Hình 3-2c) hoặc ở dạng " hộp nổi" được kéo đẩy ra mặt sông, biển và hạ chìm dần vào hào thi công đã được đào bốc sẵn (phương thức hạ chìm: Hình 3-2d). Tiến bộ kỹ thuật hiện nay cho phép thi công bằng phương pháp lộ thiên trong mọi điều kiện địa chất công trình, địa chất thuỷ văn phức tạp và đến độ sâu khá lớn. Các tường cọc khoan nhồi và tường hào nhồi có thể đạt đến độ sâu >50m, tuy nhiên phổ biến vẫn ở độ sâu trong khoảng 12 đến 20m. Độ sâu giới hạn phụ thuộc tiềm lực kinh tế và kỹ thuật của mỗi nước và bị chi phối chủ yếu bởi ba yếu tố là: Chất lượng của vật liệu xây dựng sẵn có Chất lượng và khả năng của các máy thi công có thể có và Giá thành của vật liệu xây dựng và các trang thiết bị kỹ thuật cần thiết Trong các nhóm đã kể đến, phương pháp thi công hở là phương pháp được sử dụng phổ biến. Trong phương pháp thi công hở có hai yếu tố quan trọng là: Hào hay hố đào với các giải pháp và phương tiện bảo vệ; Kết cấu của công trình ngầm. Thành hào hay hố đào có thể được bảo vệ bằng các phương tiện và giải pháp khác nhau, tuỳ thuộc vào điều kiện thi công cụ thể. Dựa vào phương thức bảo vệ, hay giữ ổn định hào có thể phân ra các nhóm phương thức thi công như trên hình 3-2. Khi thi công theo phương thức hở phải đặc biệt chú ý đến điều kiện đất nền và mực nước ngầm vì chúng có ảnh hưởng đến độ ổn định của thành hào. Phương thức thi công hở đặc trưng bằng việc cơ giới hoá cao quá trình thi công, cho khả năng áp dụng các kết cấu kiểu công nghiệp hoá, các máy làm đất và các thiết bị nâng hạ có công suất lớn. Tuy nhiên việc đào hố móng trên đoạn dài sẽ gây gián đoạn giao thông trong thời
3-5 gian thi công. Do đó, phải đưa ra được giải pháp thi công đồng bộ, hiệu quả, rút ngắn thời gian thi công, giảm giá thành để tăng tính khả thi của phương pháp. Nói chung, phương pháp thi công lộ thiên là phương pháp thi công cần chi phí thấp hơn, thực hiện đơn giản và ít rủi ro hơn so với phương pháp thi công ngầm. Tuy nhiên, phương án này đòi hỏi hiện trường thi công phải trống vắng; diện tích công trường phải đủ rộng (đặc biệt khi có điều kiện áp dụng phương thức 1 và với thành hào không cần chống, bờ dốc nghiêng); phải thực hiện các công việc tháo dỡ, chuyển dời, lắp dựng lại các hệ thống cống rãnh, cáp, gây ảnh hưởng đến sinh hoạt bình thường; gây ách tắc giao thông khi thi công dọc đường phố; gây ô nhiễm môi trường, liên quan với việc đào bốc đất đá, vận chuyển đổ thải tạm, làm thay đổi động thái nước ngầm, thậm chí gây nhiễm bẩn. Phương pháp thi công hở Để bờ dốc (thành hào nghiêng) Thành hào thẳng đứng, có tường bảo vệ Bờ dốc được gia cố Bờ dốc tự nhiên Tường có thể thu hồi Tường bảo vệ là bộ phận của kết cấu công trình Khung chống Tường cọc-ván Tường cừ Tường hào nhồi Tường cọc khoan nhồi Neo, chốt Các giải pháp gia cường, tăng sức Hình 3-2: Phương thức đào và bảo vệ hào bằng phương pháp hở 3.3 Phương pháp thi công ngầm Để xây dựng các công trình ngầm bằng các phương pháp thi công ngầm đã có hàng loạt các phương thức khác nhau được phát triển, được phân loại, xếp nhóm theo các tiêu chí khác nhau. Có thể nói rằng, mỗi công nghệ thi công là tổ hợp của các yếu tố, các giải pháp kỹ thuật cơ bản sau: Phương pháp và kỹ thuật đào hay tách bóc đất đá,
3-6 Phương pháp và kỹ thuật bảo vệ (chống tạm) trong khi thi công; Sơ đồ đào hay sơ đồ thi công trên gương Đào hay tách bóc đất đá là một khâu công tác quan trọng, nhằm tách phần đất đá nhất định ra khỏi khối nguyên hay vỏ trái đất để có được khoảng không gian ngầm theo yêu cầu. Cho đến nay đã có nhiều phương pháp tách, phá đất/đá được phát triển, áp dụng và ngày càng hoàn thiện, với nhưng phạm vi áp dụng khác nhau. Không kể các phương pháp thủ công, có thể tập hợp và phân nhóm các phương pháp tách phá đất/đá theo loại khối đất/đá như trong bảng 3-1. Bảng 3-1: Các phương pháp thi công đào hầm (tách bóc đất/đá) Đá rắn cứng Đá bở rời/đất Độ bền Độ bền Độ bền Đất dính Đất rời Đất chảy cao trung bình thấp Khoan-nổ mìn Máy đào toàn gương (máy khoan hầm (Tunnel Boring Machine-TBM), Máy đào từng phần gương, máy cắt từng phần (Roadheader-RH), máy xới Đào bằng các máy đào xúc, xúc bốc, Máy khiên đào (Shild Machine - SM) Đào bằng rửa lũa (sức nước, khí nén) Trong các phương pháp đó, phá tách đá bằng khoan-nổ mìn và đào bằng các máy đào từng phần gương, máy cắt từng phần hay máy đào lò (Roadheader-RH), là các giải pháp được sử dụng rộng rãi, do vậy cũng được gọi là các phương pháp đào, phá thông thường (Hình 3-3). Tuy nhiên, ngày nay nhờ các tiến bộ trong lĩnh vực phát triển vật liệu mới, tiến bộ trong kỹ thuật cơ khí và các kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực cơ học đá, nên đã ra đời các công cụ và phương tiện phá vỡ đá tốt hơn, cho phép có thể mở rộng các phạm vi ứng dụng của các phương pháp đào, phá đá. Cũng đã có nhiều dự án nhằm phối hợp phá đá bằng các nguyên lí cơ, nhiệt và hóa học. Khi thi công xây dựng các công trình ngầm có thể xảy ra các sự cố khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện địa chất, địa cơ học cụ thể của khối đất/đá trong khu vực bố trí công trình. Trong các bảng 3-2 và 3-3 giới thiệu các khả năng sự cố có thể xảy ra và các giải pháp bảo vệ để ngăn chặn các sự cố đó.
3-7 Các phương pháp thi công ngầm Phương pháp thi công thông thường Phương pháp thi công bằng máy khoannổ mìn máy đào xúc, máy xới máy đào lò RH máy khoan hầm TBM hở có khiên máy khiên đào SM đào toàn gương đào từng phần gương kích ép ống, đào hầm nhỏ Hình 3-3. Phân nhóm và cách gọi các phương pháp thi công Bảng3-2.Các dạng sự cố khi xây dựng công trình ngầm trong đá Hiện tượng Hậu quả Giải pháp Sơ đồ sự cố Tróc vỡ đá Nguy hiểm cho người và máy móc Bêtông phun, lưới thép Sập lở các khối nứt; vùng phá hủy Áp lực do dịch chuyển, biến dạng Áp lực trương nở do có sét, anhydrit Thấm, bục nước do các khe nứt hở Thoát khí Vùi lấp người và máy móc Thu nhỏ tiết diện do hoá dẻo Thu nhỏ tiết diện Giảm khả năng chịu cắt của đá; Phá huỷ của nước Nổ khí, khí nguy hại Neo hệ thống, vòm bê tông phun, lưới thép và bê tông phun; khung chống Đào tăng tiết diện, tạo khả năng biến dạng, kết cấu chống linh hoạt, có khả năng mang tải cao Ngăn cách nước, Tăng khả năng mang tải của kết cấu chống Bơm, tháo khô; tính toán hệ thống phòng nước Thông gió tốt, các phương tiện đo, dự báo khí Như trên
3-8 Bảng 3-3: Các dạng sự cố có thể gặp khi đào CTN trong đất Hiện tượng Hậu quả Giải pháp Sơ đồ Tróc lở đất, đá rời Vùi lấp người, máy móc Kết cấu khung, lưới thép, bê Mất ổn định gương đào Sập lở đến mặt đất Lún mặt đất Thấu kính cát Phá huỷ nền, phần chân vòm Nén ép chân nền Vùi lấp người, máy móc Gây gián đoạn thi công, tác động đến mặt đất Trên mặt đất: xuất hiện vết nứt; Nhà, tuynen: nứt nẻ, sập đổ Nguy hiểm cho người, máy móc; Gây mất ổn định tiếp theo Gây sụt lún, tác động bất lợi đến các giai đoạn thi công sau, sập lở phần vòm Nguy hiểm cho người, máy móc; gây mất ổn định tiếp theo tông phun Sử dụng các giải pháp chống đỡ trước Phối hợp các giải pháp nêu trên Lắp dựng nhanh kết cấu chống có khả năng chịu tải ngay Sử dụng biện pháp giảm tải, bêtông phun, khoan phun Đóng cọc, ván thép, cọc nhồi bằng phun tia, neo chốt Rút ngắn khẩu độ thi công theo trục hầm Trong các bảng 3-4 tổng hợp sơ bộ các khả năng sử dụng các loại vật liệu và kết cấu chống cho chức năng bảo vệ khi thi công các công trình ngầm tùy theo điều kiện về khối đá. Đương nhiên đối với khối đá rắn cứng ở đây mới chú ý đến mức độ nứt nẻ. Có nhiều cách phân loại khối đá và cho phép lựa chọn các kết cấu bảo vệ chú ý được nhiều yếu tố hơn. Tuy nhiên, trong thực tế, cấu trúc của khối đá (đặc trưng bởi sự có mặt của các mặt phân cách, cũng như mức độ nứt nẻ), do vậy có thể bằng cách xem xét đơn giản này cũng cho phép có thể có cơ sở lựa chọn sơ bộ loại hình chống tạm, hay bảo vệ. Ngoài ra, các giải pháp khác nhau cũng thường được lựa chọn tùy theo yêu cầu hay mục tiêu riêng, ngoài nhiệm vụ chung, nảy sinh từ điều kiện cụ thể. Bảng 3-5 là ví dụ cho trường hợp này
3-9 Bảng 3-4: Các giải pháp bảo vệ hay chống tạm Đá rắn cứng Đá bở rời/đất Đất dính Đất rời Đất chảy Nứt nẻ ít Nứt nẻ trung bình Các giải pháp Sơ đồ có nhân đỡ Neo, cược gương Cắm cọc Ép ván thép Vòm, ô bảo vệ bằng ống, khoan phun ép Gia cố đất Đóng băng Sử dụng khí nén Nứt nẻ mạnh Nứt nẻ mạnh và giảm bền Bêtông phun Lưới bảo vệ Neo Khung thép Ván/tấm chèn Cắm cọc Ván thép Ô bảo vệ bằng ống thép Ô bảo vệ bằng khoan phun áp lực cao Bảng 3-5: Phạm vi áp dụng của các giải pháp đặc biệt tùy theo yêu cầu bảo vệ riêng, đặc biệt. Yêu cầu Chống đỡ (ổn Bảo vệ nóc Giảm định) gương công trình thiểu lún đào ngầm sụt Chống xâm nhập nước Công nghệ thi công thường được mô tả theo hai yếu tố cơ bản là: sơ đồ đào hay phương thức đào và sơ đồ thi công hay phương thức thi công Nếu như sơ đồ đào phản ánh trình tự hay phương thức khai đào trên gương đào (hay trên mặt cắt ngang của công trình) thì sơ đồ thi công biểu thị phương thức phối hợp các công tác, kỹ thuật được thực hiện dọc theo trục thi công của công trình ngầm (hay trên mặt cắt dọc của công trình). Theo phương thức khai đào trên gương có thể phân ra hai nhóm chính là đào toàn gương và đào chia gương. Đào toàn gương. Nếu như trước đây đào toàn gương được hiểu là đào đồng thời toàn bộ mặt cắt gương trên cùng một mặt phẳng, thì ngày nay được hiểu theo nghĩa rộng hơn, cụ thể là:
3-10 đào đồng thời tòan bộ gương trên cùng một mặt phẳng, như nổ mìn toàn gương, khoan toàn gương bằng máy TBM, máy khiên đào, máy khoan hầm nhỏ (microtunneling) (hình 1-3); đào toàn bộ gương phân bậc ngắn, sau đó chống tạm toàn bộ vùng được đào đồng thời, ví dụ khoan nổ mìn, hay đào cắt bằng máy từng bậc ngắn (hình 1-4) Trường hợp sau thường được áp dụng, khi điều kiện khối đá cho phép đào toàn gương, nhưng khả năng trang thiết bị thi công hạn chế. Đào toàn gương Hình 3-3: Khoan-nổ mìn đồng thời toàn gương Hình 3-4: Đào toàn gương, chia bậc ngắn, chống tạm sau khi đào xong các mảng 1,2,3,4. Đào toàn gương hay toàn tiết diện của công trình ngầm bằng các phương pháp thông thường (khoan-nổ mìn, máy đào lò, máy đào xúc) được quyết định bởi ba yếu tố: 1.Thời gian tồn tại ổn định không chống của khối đá, trong mối liên quan với kích thước và hình dạng của công trình, phải đủ lớn. 2.Nhu cầu về thời gian lắp dựng kết cấu bảo vệ phải phù hợp với thời gian ổn định không chống, theo những nguyên tắc của phương pháp thi công hiện đại. Nếu khối đá có thời gian tồn tại ổn định không chống đủ
3-11 lơn, hay khối đá là rất ổn định, có thể không cần thiết lắp dựng kết cấu chống tạm. Tuy nhiên trong mọi trường hợp cần thiết phải chú ý đảm bảo an toàn cho con người. 3.Các trang, thiết bị như xe khoan hoặc sàn công tác, máy đào lò, máy phá đá cũng như các máy xúc bốc, vận chuyển phải có công suất cũng như khả năng tiếp cận đủ lớn, để đảm bảo trình tự và tốc độ thi công trong các điều kiện đã cho. Hiện nay với các thiết bị hiện đại, kích thước tiết diện đào không nên nhỏ hơn 5m 2. Kích thước nhỏ hơn sẽ cản trở con người và thiết bị và vẫn có thể làm cho chi phí cao, mặc dù khối lượng đào và chống bảo vệ có thể nhỏ. Các ưu điểm cơ bản của sơ đồ đào toàn gương là: Toàn bộ công tác thi công đào cho toàn gương được thực hiện trong một chu kỳ, do đó không gây nên những biến đổi cơ học nhiều lần. Như vậy khối đá được bảo dưỡng tốt hơn; Tại gương đào có khoảng không gian trống, cho phép có thể sử dụng các biện pháp có mức độ cơ giới hóa cao cho quá trình nổ mìn. Mức độ cơ giới hóa cao có thể tạo ra chu trình thi công liên tục, làm giảm thời gian thi công, cũng như bảo vệ khối đá thông qua khả năng hạn chế ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến công tác chống tạm. Thi công toàn gương không gây ra các tác động ảnh hưởng hay chi phối lẫn nhau của các công đọan, do vậy có thể theo dõi bao quát và dễ có thể tổ chức tốt công tác thi công. Đương nhiên bên cạnh các ưu điểm cũng còn có những nhược điểm nhất định: Do mở ra khoảng trống có tiết diện tương đối lớn, thường chưa chống tạm, bảo vệ ngay được, nên sẽ có thể hình thành mối nguy hiểm lớn, trong điều kiện có những biến động đáng kể về điều kiện địa chất, địa cơ học trong biểu hiện của khối đá. Thi công toàn gương với mức độ cơ giới hóa cao cũng có thể làm hạn chế tính linh hoạt của công tác thi công, cụ thể là sẽ rất khó khăn khi phải chuyển sang đào chia gương ngay, trong trường hợp cần thiết. Đào chia gương. Việc chia gương đào, khi gặp các tiết diện lớn, trước kia chủ yếu là do khả năng điều khiển khối đá còn bị hạn chế. Với các loại vật liệu chống tạm thời đó, chủ yếu là khung gỗ hộp hay khung đánh khuôn, chỉ cho phép đào với tiết diện nhỏ. Ngày nay việc chia tiết diện gương chịu quyết định chính bởi việc sử dụng kinh tế các trang thiết bị thi công. Đương nhiên khi đã đào chia gương cũng có nghĩa là công tác chống tạm phải kế tiếp công tác đào. Đặc điểm thi công này đòi hỏi chi phí cao, chịu ảnh hưởng mạnh của khối đá, làm cho các quá trình biến đổi cơ học lại bị thay đổi liên tục, có thể gây nên trạng thái tơi rời và làm tăng áp lực tác dụng lên kết cấu bảo vệ..
3-12 Ba nguyên nhân cơ bản dẫn đến phải đào chia gương là: 1. Thời gian tồn tại ổn định không chống của khối đá không đủ lớn để đào toàn gương. 2.Nhu cầu về thời gian để lắp dựng kết cấu bảo vệ khi đào tòan gương không tương xứng với thời gian ổn định của khối đá (mối quan hệ với thời gian tồn tại, khẩu độ thi công). 3.Các trang thiết bị, như xe khoan hoặc sàn công tác, máy đào lò và máy cắt..., không bao quát được toàn bộ tiết diện (tiết diện đào lớn so với năng lực của thiết bị thi công); máy xúc bốc không có công suất hợp lý cho toàn bộ chu kỳ đào, do vậy phải chia gương. Việc chia gương cũng thường bị chi phối bởi các điều kiện địa chất, địa chất thuỷ văn và địa cơ học. Do tính chất phức tạp và đa dạng của khối đá bố trí công trình nên cho đến nay đã có nhiều phương pháp hay đúng hơn là phương thức thi công được phát triển. Trong xây dựng các công trình ngầm thường nói đến : các phương pháp cổ điển hay kinh điển và các phương pháp hiện đại. Thực tế các phương pháp hiện đại chỉ là sự cải thiện và hoàn chỉnh theo sự phát triển của kỹ thuật và vật liệu hoặc theo kinh nghiệm đúc rút từ thực tế thi công của các kỹ sư. Chẳng hạn trong thời kỳ đầu các vật liệu được sử dụng chủ yếu cho kết cấu chống là gỗ và gạch, đá. Thép và bê tông xuất hiện muộn hơn. Tuy nhiên trên cơ sở các tài liệu kinh điển cho thấy các nguyên lí xây dựng cơ bản của công nghệ xây dựng công trình ngầm ngày nay đã được hình thành rất sớm. Các phương pháp hay phương thức cổ điển thường gắn liền với kết cấu cố định là tường xây. Nhược điểm cơ bản của các phương pháp này thể hiện ở khả năng tiếp xúc với khối đá. Thông thường trong hoặc sau khi thi công tường xây, các khoảng trống giữa khối đá và tường xây được lấp đầy nhiều hay ít (không hoàn toàn). Công việc này được thực thi rất khó khăn trong khoảng không gian chật hẹp. Trong thực tế nhiều khi kết cấu chống tạm không được rỡ bỏ triệt để, hình thành các khoảng trống sau kết cấu cố định. Các khoảng trống đó có thể tích lũy nước ngầm cùng với các vật liệu bị kéo theo từ các khe nứt và gây ra các tác động phá hoại công trình ngầm sau khi xây dựng. Ngoài ra đây cũng là nguyên nhân làm cho khối đá tiếp tục dịch chuyển và tơi rời, tạo nên áp lực đá. Điều này được thể hiện qua các giả thuyết tính toán áp lực vào thời kỳ đó. Khoảng cuối thể kỷ 19, bê tông được sử dụng làm kết cấu bảo vệ và cố định. Cũng nhờ đó các tác động phá hoại do khoảng trống phía nóc phần nào đã được loại trừ. Sự phát triển không ngừng của các trang thiết bị khoan, nổ mìn, xúc bốc, vận chuyển cũng như công tác đo đạc, quan trắc đã góp phần rút ngắn thời gian thi công cần thiết. Nhờ đó dịch chuyển của khối đá được
3-13 hạn chế. Và cùng vì vậy kết cấu bảo vệ cũng giảm được kích thước (nhẹ hơn) và chi phí ít hơn. Với bê tông phun là vật liệu và kết cấu bảo vệ đã tạo nên một bước tiến bộ mới, hình thành liên kết toàn phần giữa khối đá và kết cấu chống tạm. Ảnh hưởng của yếu tố thời gian, liên quan với sự phát triển của áp lực và thời gian tồn tại ổn định không chống của khối đá, được hạn chế một cách cơ bản. Cũng nhờ đó ngay cả trong trường hợp gặp khối đá xấu vẫn có thể thi công đào toàn tiết diện. So với các phương pháp truyền thống, đây thực sự là tiến bộ lớn. Tuy nhiên trong các công đoạn thi công kết cấu khác nhau như chèn chám trước, lắp dựng lớp lưới thép thứ nhất, khung thép, phun, rồi lắp lớp lưới thép thứ hai và phun vẫn còn tiểm ẩn khả năng chưa cho phép hạn chế được ảnh hưởng của yếu tố thời gian. Thêm vào đó là bê tông phun cũng đòi hỏi có thời gian đông cứng của nhất định. Ngay cả khi sử dụng các phụ gia đông cứng nhanh thì phải sau 6 đến 8 giờ độ bền nén của vỏ bê tông phun mới đạt khoảng 5N/mm 2. Với bê tông phun sợi thép, kết hợp với những khả năng tạo độ bền sớm cao, có thể làm giảm ảnh hưởng của yếu tố thời gian. Bê tông phun sợi thép do vậy đã và đang được nghiên cứu áp dụng và chắc chắn cho các dấu hiệu tốt hơn trong xây dựng công trình ngầm. Các phương thức thi công hiện đại đang được áp dụng theo nguyên tắc chia gương là phương pháp thi công hầm mới của áo (NATM New Austrien Tunneling Method), phương pháp đón đỡ của Bỉ, phương pháp nhân dỡ của Đức và phương pháp dầm nóc, phương pháp thi công hầm NaUy. Các phương pháp đào chia gương phổ biến là: a)đào theo trình tự từ trên xuống dưới Theo hình 3-5 đường hầm có tiết diện không lớn; việc đào tách đá được thực hiện theo trình tự từ vòm, xuống thân và đến nền; tuy nhiên sau mỗi mảng đào kết cấu chống bảo vệ bằng bê tông phun kết hợp với lưới thép được thi công ngay. Máy đào hầm di chuyển trên nền hầm đã gia cố và thực hiện công tác đào. Với kết cấu chống tạm là bê tông phun và tạo nhanh vỏ chống kín, nên phương thức này phản ánh đặc điểm điển hình của phương thức hay phương pháp thi công hầm mới của Áo. Khi tiết diện công trình ngầm khá lớn, thường phải thi công chia gương, mặc dù khối đá có thể ổn định. Một trong phương thức quen biết khi thi công đường hầm là chia gương có đường dốc (hình 1-6). Theo phương thức này phần vòm được thi công tiến trước (hoảng 50m đến 100m), do yêu cầu về không gian thi công và gương phần vòm được tiếp cận nhờ đường dốc. Vì kết cấu chống tạm hay bảo vệ của phần vòm phải nhận tải một mình trong khoảng thời gian khá dài, nếu như không có kết cấu nền được lắp dựng sau đó, do vậyphương thức này thường được coi là phương thức đón đỡ, đặc biệt là khi vỏ chống
3-14 tạm phần vòm lại được nới rộng và gia cố phía chân (hình 1-7). Và nếu kế tiếp việc thi công phần vòm là đào các mảng hai bên sườn thì phương thức thi công thực sự tương tự như phương pháp đón đỡ cổ điển của Bỉ (đương nhiên nếu kết cấu chống tạm có bê tông phun và không loe tại chân vòm, nhiều khi vẫn được coi nlà NATM như trên hình 3-6). Đào phần vòm Neo Đào phần thân Đào phần nền Cống thoát nước Bê tông phun Khung thép Bê tông nền Hình 3-5. Thi công đường tàu điện ngầm theo NATM Mặt cắt dọc neo hệ thống Mặt cắt A-A Mặt cắt B-B đường dốc, đổi bên Mặt cắt C-C Hình 3-6. Thi công chia gương có đường dốc
3-15 Hình 3-7: Thi công với kết cấu đón đỡ b) Đào với các đường lò hai bên sườn Trên hình 3-8 cho thấy có thể thi công các đường hầm lớn bắt đầu bằng các đường lò hai bên sườn, có kết cấu bảo vệ bằng bê tông phun. Tiếp đó phần vòm được đào và lắp kết cấu chống bảo vệ. Kết tiếp là đào phần nhân và phần nền, đồng thời dỡ bỏ các kết cấu tường ngăn với các đường lò hai bên sườn. Phương thức thi công này mang đặc điểm tương tự như phương thức thi công cổ điển có nhân đỡ của Đức. Phương thức thi công này cũng có thể được triển khai theo nhiều phương án khác nhau, tùy theo diện tích tiết diện gương và khả năng thi công, cụ thể: khi tiết diện nhỏ, có thể thi công với hai đường lò giao cắt nhau để tạo nên toàn bộ tiết diện đào; có thể thi công đường lò giữa trước tiếp đó là đường lò bên sườn (hình 3-9); khi tiết diện khá lớn có thể thi công với đường lò giữa kết hợp với hai đường lò hai bên (hình 1-9). Hình 3-8: Thi công bắt đầu bằng các đường lò hai bên sườn Hình 3-9. Các phương án thi công có đường lò bên sườn
3-16 c) Đào phối hợp, mở nhiều gương. Phương pháp này thường được áp dụng khi thi công các hầm, trạm tiết diện lớn (hình 3-10). Để đẩy nhanh tiến độ thi công, trong khối đá cứng rắn, ổn định, có thể mở nhiều gương tại các mức thi công khác nhau. Đương nhiên trong trường hợp này cần đặc biệt phân tích ảnh hưởng lẫn nhau của các quá trình thi công tại các gương, không để rủi ro, tai nạn có thể xảy ra. Hình 3-10. Thi công phối hợp tại nhiều mức Như vậy bằng cách phối hợp ba yếu tố là sơ đồ đào, phương pháp phá, tách bóc đất/đá (phương pháp đào) cùng với các phương pháp bảo vệ (bảng 3-6) có thể hình thành nhiều phương pháp thi công khác nhau. Nói chung các phương pháp thi công ngầm rất đa dạng về loại hình, phương thức phối hợp công nghệ cũng như những giải pháp riêng biệt theo kinh nghiệm của từng đất nước, từng khu vực, tuỳ theo khả năng kinh tế và tiến bộ kỹ thuật.
3-17 Bảng 3-6. Các yếu tố cơ bản của các phương pháp thi công Sơ đồ đào: phương thức tách bóc đá trên tiết diện (gương) định đào. Phương pháp đào hay tách bóc đất đá: tách bóc đất, đá ra khỏi khối đất, đá trong vỏ quả đất, tạo nên khoảng không gian cần đào Mục tiêu của phương pháp bảo vệ hay điều khiển khối đất đá trong khi thi công Sơ đồ đào toàn gương Sơ đồ đào chia gương Khoan, nổ mìn; Máy đào hầm, bao gồm máy đào toàn gương hay toàn tiết diện (máy khoan hầm - Tunnel Boring Machine TBM) và máy đào từng phần gương, hay đào từng phần tiết diện (thường gọi là máy đào lò Road Header RH); Đào bằng các máy xúc bốc; Đào bằng rửa lũa (sức nước, khí nén) Chống đỡ bảo vệ thành hố đào, sườn đường hầm, công trình ngầm Chống đỡ, ổn định gương đào, Bảo vệ nóc công trình ngầm Giảm sụt lún Chống xâm nhập nước Trên hình 3-11 giới thiệu sơ đồ tổng thể các phương pháp thi công ngầm để thi công xây dựng các công trình ngầm, hình 3-12 là các phương thức đào và chống tạm áp dụng phổ biến khi thi công xây dựng các công trình ngầm trong đất bằng phương thức ngầm. Trong bảng 3-7 tổng hợp các phương pháp 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 chống giữ (kết cấu của công trình ngầm: một lớp, hai lớp), điều kiện địa chất thuỷ văn (nước ngầm, nước có áp), loại khối đất đá ( đá rắn cứng, đá mềm rời, đất) và các khả năng gây ô nhiễm môi trường thi công (thải bụi, khí độc, khả năng bảo vệ người lao động). Tên của 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 pháp chính là phương thức phá vỡ đá (ví dụ khoan - nổ mìn). Khi thi công trong khối đất mềm, rời, thậm chí ngậm nước thì việc quan trọng là phải ngăn chặn các hiện tượng phá huỷ, sập lở, ụp bùn, nước; tên của phương pháp được gọi theo phương thức chống đỡ khối đất, đá xung quanh cũng như gương đào (ví dụ : phương pháp bê tông phun hay phương pháp đào hầm mới của Áo, phương pháp máy khiên đào...).
3-18 PHƯƠNG PHÁP NGẦM TH CÔNG ÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM Sơ đồ đào Phương pháp khai đào + Toàn tiết diện. + Chia gương. PHƯƠNG PHÁP BẢ VỆ VÀ CHỐNG GỮ + Khoan nổ mìn. + Máy đào hầm. + Nén/kích ép ống ( vỏ chống ) Biện pháp thực hiện trước khi đào Biện pháp thực hiện sau khi đào + Các biện pháp gia cố, neo, ống, ván, khoan phụt, đóng băng +Khiên vòm lưỡi dao. + Sử dụng khiên kín + Neo. + Bêtông phun. + Khung gỗ, thép. + Vỏ bê tông đổ tại chỗ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP HỆN HÀNH + Phương pháp thi công bằng vòm chống lưỡi dao. + Phương pháp khiên kín. + Phương pháp Koler + Phương pháp thi công hầm mới của Áo. + Phương pháp xây dựng theo vành khuyên với kết cấu thép. + Các phương pháp xây dựng kinh điển (nhân đỡ của Đức, phương pháp đón đỡ của Bỉ, Anh, Áo cũ) Hình 3-11: Sơ đồ tổng quát về các phương pháp thi công ngầm
3-19 Phương pháp đào và chống tạm trong đất bằng phương thức đào ngầm Đất rời, không dính kết Đất dính đến cứng Thời gian tồn tại ổn định không chống rất ngắn Thời gian tồn tại ổn định đủ lớn đến khi lắp kết cấu chống tạm Không thể hạ mực nước ngầm Có thể hạ mực nước ngầm Không có nước ngầm Máy khiên đào - Thuỷ lực - Khí nén - Áp lực đất Phương pháp đóng băng - Vòm lưỡi dao trong điều kiện áp lực bình thường - Khiên hở, khiên cơ học Khiên hở sử dụng vỏ tuybing Tạo ô bảo vệ bằng ống thép Phương pháp khoan phun Vỏ chống tuybing Tạo ô bảo vệ bằng phun tia (phun áp lực cao) Chèn nhói, đóng ván, cọc Phương pháp bê tông phun (NATM) có hoặc không có neo, lưới thép, khung thép Hình 3-12: Phương pháp đào và chống tạm bằng phương thức ngầm
3-20 Bảng 3-7: Các phương pháp thi công ngầm-khả năng áp dụng Dấu hiệu xây dựng, môi trường Phương pháp xây dựng Phương pháp đào thông dụng ( thông thường) Đá rắn cứng Khoan+nổ mìn Kích thước Cố Thay định đổi Các đấu hiệu về công trình ngầm Hình dạng Chiều dài Chống giữ CTN Cố Thay định đổi Ngắn Dài Hai Một lớp lớp Mức độ chính xác cao Nước ngầm (N) Nước có áp (CA) Không Có biện biện pháp pháp xử lý xử lý N CA Tiếng ồn, dao động Nh Môi trường Thải khí, thải bụi Nh Khả năng bảo vệ con người Máy đào từng phần RH Phương pháp bê tông phun N N CA CA Nh Phương pháp vòm chống "lưỡi dao" - CA Nh Phương pháp "chống trước - đào sau" CA Nh Đá mềm / đất Phương pháp đào bằng máy Đá rắn cứng Máy khoan hầm TBM Tròn - N CA Nh Máy khiên đào SM Tròn - Nh Kích ép ống, cống Tròn - - Nh Nén ép trước - Nh Đá mềm / đất Máy đào nhỏ (micro) Tròn - Nh Khả năng áp dụng của phương pháp: - phù hợp tố - không phù hợp, không thông dụng Mức độ tác động : - ít, nhỏ Nh- nhiều, lớn Bê tông phun thực chất là một phương thức chống giữ, được sử dụng độc lập hoặc kết hợp với các kết cấu chống khác. Tuy nhiên trong thực tế sử dụng bê tông phun đã trở thành một giải pháp đặc biệt quan trong trong xây dựng các công trình ngầm dân dụng, đặc biệt là trong phương pháp đào hầm mới của Áo. Tuy nhiên, vì khi sử dụng bê tông phun vẫn có thể kết hgợp với các sơ đồ đào cổ điển, nên ngày nay phương pháp thi công có sử dụng bê tông phun được đề nghị gọi là phương pháp bêtông phun. Nói chung phương pháp này cho phép phối, kết hợp được với các phương pháp thi công đào khác khác nhau. 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
3-21 điển như phương pháp đóng cọc hoặc ván gỗ, đóng cọc hoặc ván thép; các phương pháp gia cố bằng khoan phun xi măng, chất dẻo; phương pháp đóng băng, phương pháp tạo ô ống... với những sơ đồ thi công đa dạng. Khoan phun và đóng băng cũng còn được gọi là các giải pháp gia cố trước, thuộc vào nhóm các phương pháp thi công đặc biệt. Sau khi đã 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 này là sử dụng một "vòm chống" bằng thép, trong đó có luồn các tấm thép dạng lưỡi dao. Trong quá trình thi công các lưỡi dao được ép, đẩy trước vào khối đất đá và công tác đào được thực hiện dưới vòm bảo vệ này. Vòm chống lưỡi dao có cấu tạo như một khiên (hay vỏ) bảo vệ, nên cũng còn được xếp vào nhóm các phương pháp khiên đào. Nếu như có thể thay đổi kích thước và hình dạng của công trình ngầm một cách tuỳ ý theo nhu cầu khi thi công bằng các 'phương pháp thông thường hay thông dụng' thì khả năng linh hoạt này hầu như không 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 dạng tiết diện đào. Vì thế ngày nay cũng đang phát triển các máy đào công trình ngầm tiết diện không tròn (ví dụ máy đào hầm trong đá rắn cứng của hãng Wirth, các dạng máy khiên đào liên kết nhiều đầu khiên hoặc đầu đào không tròn của Nhật). Cả phương pháp "vòm chống lưỡi dao" cũng không cho phép thay đổi hình dạng và kích thước tiết diện đào trong một công trình, 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 hay kích ép ống, cống và phương pháp máy khiên đào. Phạm vi áp dụng chính là các hệ thống công trình ngầm có kích thước nhỏ, chẳng hạn các cống dẫn nước, các cống đặt cáp ngầm... Khi xây dựng công trình ngầm trong các thành phố phải đặc biệt quan tâm đến khả năng lún sụt trên bề mặt; mặt khác nước ngầm trong khu vực các thành phố cũng là nguồn tài nguyên vô cùng qúy đối với sinh hoạt của thành phố cũng cần phải bảo vệ, tránh gây ô nhiễm. Các kết quả tổng hợp trên bảng 3-6 cho thấy, để có thể đáp ứng các đòi hỏi này khi thi công các công trình ngầm bằng phương pháp ngầm trong các thành phố chỉ có thể áp dụng các phương pháp máy khiên đào, chống trước-đào sau, ép đẩy ống, cống cũng như nén ép trước. Các phương pháp ép đẩy ống, cống và nén ép trước thường 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. Tuy nhiên, nhờ những tiến bộ về kỹ thuật điều khiển, bằng phương pháp kích ép cũng đã có thể thi công các công trình ngầm dài hơn. Phương pháp máy khiên đào có thể áp dụng cho các tuyến
3-22 đường hầm dài. Hiện nay trên thế giới xuất hiện nhiều loại máy khiên đào khác nhau tùy thuộc vào đối tượng tác động (đá hay đất) cũng như các điều kiện thi công cụ thể. bê tông phun lưới thép khung thép đóng cọc, ván e tải Máy xúc Máy đào lò neo Máy trộn bê tông e tải Máy xúc hạ nền Máy khoan neo Máy phun bê tông Máy khoan Vữa ép lấp đầy Cẩu- ba lăng Băng tải Kích đẩy Khớp Mâm cắt Toa xe chở vữa ép Toa xe chở tuýp bing Tay lắp tuýp bing Kích điều chỉnh
3-23 Neo, theo yêu cầu Buồng điều khiển Khoan thăm dò Máy phun bê Máy khoan lỗ neo tông tự động Khu vực lắp kết cấu bảo vệ thứ hai Máy bơm vữa Vị trí lắp vỏ Đầu khoan Khu vực cấp liệu tuýp bing Khu vực lắp kết cấu bảo vệ thứ nhất ây dựng công trình ngầm bằng phương pháp lộ thiên Phương pháp hở tường- nóc, sử dụng tường hào nhồi, Đào hào, rãnh Đổ bê tông Đào xúc đến mức nóc công trình, bảo vệ bằng tường cừ tường hào nhồi bentonit lấp đầy bằng cát khe chờ kết cấu nền 9,6 Dựng cốp pha, đặt cốt thép, đổ bê tông Đào xúc bằng thổi hút trong điều kiện khí nén Hoàn thiện công trình 8,4
3-24 Thi công bằng phương pháp tường nóc (top-down) các nhà ga tàu điện ngầm, tầng hầm nhà cao tầng 1) Thi công tường 2) Thi công các cộ chống cơ bản và bê tông phần nóc 3) Đào đất 4) Thi công các cột đỡ của sàn giữa thứ nhất 5) Thi công sàn giữa thứ hai 6) Thi công sàn nền Phương thức tường nền (bottom-up) trong điều kiện có nước ngầm, (hoặc semi-top-down) 1)Thi công tường trong đất; đào xúc đến mực nước ngầm; thi công hệ văng b) Đào đất dưới mực nước ngầm; thi công hệ văng c) Chuẩn bị lớp bê tông nền
3-25 4) Thi công nền 5) Bơm hút nước 6) Thi công hầm