Bài giảng thi công ngầm thi công hở +thi công hầm NATM + Phương pháp shield

Phương pháp thi công hở trong xây dựng công trình ngầm thành phố Kỹ Thuật Đào Hầm Trong Đô Thị ( Phương pháp Shield) Phương pháp thi công hở trong xây dựng công trình ngầm thành phố Kỹ Thuật Đào Hầm Trong Đô Thị ( Phương pháp Shield) Phương pháp xây dựng hầm mới của Áo (NATM) Thi công xây dựng công trình ngầm Phương pháp ngầm

Ph−¬ng ph¸p thi c«ng hë

trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm thµnh phè

Nguyễn Quang Phích

C«ng tr×nh ngÇm thµnh phè vµ ph−¬ng ¸n thi c«ng hë

C¸c gi¶i ph¸p b¶o vÖ thµnh hµo thi c«ng

Ph−¬ng thøc thi c«ng hë

Gi¶i ph¸p khi thi c«ng s¸t hoÆc d−íi c¸c c«ng tr×nh kiÕn tróc

Công trình ngầm “giao

thông tĩnh”

Công trình ngầm vớichức năng cung cấp

Công trình ngầm vớichức năng thoát thải

Cấp điệnCấp nước

Hơi nóng khí

đốtThông tin

Vận chuyểnhàng hoá

Các công trìnhngầm đặc biệt

Công trình ngầmvăn hoá thể thao

Công trình ngầmthương mại

Đường hầm áp lực

Đường ống côngnghiệp

ý nghĩa của công trình giao thông ngầm

đường giao thông

ắ Bảo tồn được các khu phố cổ, các di tích lịch sử, các công trình kiến trúc bề mặt

khách

thải, tiếng ồn, tai nạn giao thông, ách tắc giao thông, v v…)

ắ Tạo tiền đề cho sự phát triển bền vững của Thủ đô Hà Nội và TP

Hồ Chí Minh

Phương pháp thi công lộ thiên

Phương pháp thi công hở

(tường nóc, tường nền)

Phương pháp hạ dần

Phương pháp thả chìm

•Đào hào

•Bảo vệ thành hố đào

•Phòng nước

•Xây dựng kết cấu CTN

•Lấp đất, khôi phục trạng

thái ban đầu

•Xây dựng kết cấu

•Đào đất, hạ dần

•Hoàn thiện

Công trình ngầm dưới mặt nước:sông, biển …

Điều kiện và chú ý khi áp dụng phương pháp thi công hở

•Các tác động chung khi hạ mực nước ngầm

•Di dời tạm các hệ thống cống, cáp cấp thoát

nước, năng lượng…

T−êng cã thÓ thu håi

T−êng b¶o vÖ lµ bé phËn cña kÕt

Neo, chèt C¸c gi¶i ph¸p gia c−êng,

t¨ng søc

T−êng cäc-v¸n

KÕt hîp neo vµ

bª t«ng phun

2.2.1 T−êng cäc -v¸n (cäc khoan hoÆc Ðp)

T−êng cäc-v¸n

2.2.2 Tường cừ

Điều kiện:

• Cho phép đóng xuyên cọc

• Môi trường xung quanh không nhạy

cảm với chấn động rung

• Phương pháp ép tĩnh: đắt tiền

Có nhiều loại cọc (ván) cừ, có khóa

và không có khóa.

Thép cừ không khóa-gọi là ván cừ

Hàng cọc sau- có cốt thép

Hàng cọc không có cốt thép

đầu-Khả năng chịu tải cao, có thể thi

công mọi nơi, đắt; vựa là kết cấu

bảo vệ, vừa là một bộ phận của

kết cấu lâu dài

Cọc cắm lồng vào nhau: cách nước tốt, song tốn kém

2.2.3 Tường cọc khoan nhồi

Tường cọc khoan nhồi

Cọc tiếp xúc: vẫn cách nước, khả năng chịu tải cao, nhưng

đòi hỏi cao về độ chính xác khi thi công, đặc biệt khi độ sâu lớn

Cọc cách rời nhau: phun phủ bằng bê tông phun, chú ý hiệu ứng vòm; cách nước kém, khả năng chịu tải kém hơn so với các trường hợp trên

Gàu ngoạm

Máy đặt ống

2.2.4 T−êng hµo nhåi

thÐp

§æ bª t«ng

Tường hào nhồi

Điều kiện:

• Phải đảm bảo ổn định tường

• Khả năng tạo hào, hay rãnh không bị hạn chế

• Hiệu quả kinh tế khi chiều dài, độ sâu cũng như các tác

động càng lớn

• ít biến dạng

• Là tường bảo vệ và sau này là một bọ phận của kết cấu

công trình ngầm

Các kỹ thuật thi công tường hào khác nhau

• Thi công rãnh, hay hào cách quãng

• Thi công rãnh kế tiếp

Phương pháp thi công

• Phương pháp một công đoạn: đào và đổ vật liệu đồng

thời⇒chỉ áp dụng cho tường cách nước

• Phương pháp thi công hai công đoạn:

• Công đọan 1: đào rãnh, bảo vệ bằng dung dịch;

• Công đoạn 2: thả cốt và đổ bê tông đồng thời đẩy

dung dịch ra

ống đổ bê tông phải luôn tiếp xúc với khối bê tông

Tường hào nhồi

dụng neo (trong

đất) khoan phun

để giữ ổn định

đào bằng máy xúc

thủy lực 2,5-3m

đào hàohay rãnh

đầu tiên

Xây dựng một

tường dẫn

ổn địnhbằngdung dichbentônít

% chiều cao tường

Khi thi công ít gây chấn

Độ sâu đạt đến 150m Tường dày 0,4 …3m

Đòi hỏi nhiều thiết bị phục vụ thi công

2.2.5 Các phương pháp kết hợp

Ví dụ: kết hợp tường cọc ván với tường khoan cọc nhồi

Điều kiện:

• Cho phép tháo dỡ phần cọc ván, (yêu cầu và kinh

nghiệm:từ 1,75m trở lên phải tháo dỡ)

• Tiếp nối phức tạp

• Phần kết cấu phía dưới chịu tải và cách nước tốt

• Thi công phức tạp, đặc biệt là phạm vi tiếp xúc hai kết cấu

2.3 C¸c hÖ thèng neo, khung, v¨ng gia c−êng

So sánh các phương pháp bảo vệ thành hào

3 Ph−¬ng thøc thi c«ng hë

Ba ®iÒu kiÖn liªn quan ph−¬ng thøc thi c«ng

•Hµo thi c«ng kh«ng cã n−íc ngÇm hoÆc cã thÓ h¹ mùc n−íc ngÇm

•Hµo thi c«ng cã n−íc ngÇm (kh«ng thÓ h¹ mùc n−íc ngÇm, hoÆc ph¶i b¶o vÖ nguån n−íc ngÇm

•Thi c«ng gÆp n−íc mÆt (kªnh, s«ng)

3.1.1 Hµo thi c«ng víi thµnh hµo

nghiªng, gia cè b»ng neo, bª t«ng

phun

3.1 trong ®iÒu kiÖn Kh«ng cã n−íc ngÇm,

hoÆc cã thÓ h¹ mùc n−íc ngÇm

Quy trình thi công điển hình

ắ Đào hào hay hố thi công để bờ dốc nghiêng

ắ Thi công lắp dựng kết cấu CTN trên nền hố đào (chủ yếu sử dung kết cấu đúc sẵn)

ắ Hoàn thiện (ghép nối các đốt vỏ hầm, thi công chống thấm, v v )

ắ Lấp đất phủ bảo vệ

Nh−ợc điểm:

ắ Đòi hỏi mặt bằng thi công lớn

ắ Phải tiến hành tháo dỡ, di chuyển các công trình bề mặt, hệ thống công trình ngầm đang tồn tại

ắ Gây ách tắc giao thông trong suốt thời gian thi công

ắ Nếu độ sâu thi công lớn thì giá thành xây dựng tăng nhanh

3.1.2 Hào thi công với thành hào thẳng đứng,

Chu trỡnh thi cụng bằng phương ỏn tường-núc.

3.1.3 Hào thi công

với thành hào

thẳng đứng, bảo

vệ bằng tường cọc

khoan nhồi hay

tường hào nhồi

CÔNG ĐOẠN 1

Chuẩn bị

Đầu tiên: di dời các đường ống (cấp điện, nước…)

CÔNG ĐOẠN 2: Bắt đầu

thi công một nửa tuyến

đường hầm

Đối với tường giữa của

hầm: dựng cọc thép chữ I,

dài 3m vào các lỗ khoan,

đổ bê tông chân côt ngoài: cọc Tường

khoan nhồi

CÔNG ĐOẠN 3 Chuẩn

bị thi công nóc nửa

CÔNG ĐOẠN 4:

Đổ bê tông nóc

hầm

Thi công ống dẫn nước mới

CÔNG ĐOẠN 5:

Lấp phủ nửa

nóc hầm

Sử dụng cống dẫn mới

Đặt lại các hệ thống cáp

CÔNG ĐOẠN 6: Sau khi thực hiện các công

việc tương tự cho nửa hầm còn lại, tiến

hành đào đất dưới nóc hầm

Vận chuyển đất

CÔNG ĐOẠN 7: Thi công và hoàn thiện đáy hầm và lắp các thiết bị kỹ thuật

3.2 Trong điều kiện có nước ngầm:

Không thể hạ mực nước ngầm,

phải bảo vệ nước ngầm

3.2.1 Hào thi công với thành hào thẳng đứng, bảo vệ bằng tường cọc cừ, hạ mực nước ngầm trong khu vự hào Cọc cừ có thể để lại hoặc thu hồi

1.Đóng,ép cọc cừ,

bắt đầu đào đất

2.Đào đất, lắp văng (tăng đơ), hạ mực nước ngầm

3 Bê tông đệm, lớp bảo

vệ, lớp kín nước, đổ bêtông nền và chân tường, tháo văng dưới

4.Đổ bê tông tường, nóc và lấp phủ

Cut-and-cover tunnel between Tseung Kwan O Station and Hang Hau Station

Tiu Keng Leng Station

Construction of the station

structure in January 2001 Note

the complicated phasing and

sectioning arrangement for this

large structure

Po Lam Station

The station structure in January 2001

Hang Hau Station

Hang Hau Station in December

2000 Top-down technique was employed for the construction of station structures above- and below-ground at the same time

Cut-and-cover tunnel

between Hang Hau Station

and Po Lam Station

3.2.2 Hào thi công với thành hào thẳng

đứng, bảo vệ bằng tường cọc cừ, cọc

khoan nhồi hay hào nhồi tùy theo yêu

cầu chống lún sụt, tải trọng…Tường và

nền được thi công kín nước Bơm nước thi công kết cấu công trình ngầm

Ph−¬ng ¸n sö dông

vµ thu håi cäc cõ

3.2.3 Tường và nóc được thi công trước, kín nước Tiếp tục đào trong điều kiện khí nén (ép

đẩy nước) Thi công kết cấu công trình ngầm

Quy trình thi công điển hình

ắ Đặt các đốt hầm phía trên tuyến dự kiến

bố trí công trình

ắ Sử dụng biện đào trong buồng khí nén hoặc dùng sức nước rửa lũa đất để hạ dần

đốt hầm xuống cao trình thiết kế

ắ Ghép nối các đốt hầm lại với nhau

ắ Khi sử dụng khí nén tại khoang đào gây

ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người lao động

Buồng thi công đào

3.3 Trong điều kiện gặp nước mặt

3.3.1 Phương án thi công hở : cắm cọc cừ, đắp đê

quai, chuyển dòng; bơm nước; thi công kết cấu

công trình ngầm

Quy trình thi công điển hình

ắ Thi công nền hào đặt công trình dưới đáy sông

ắ Sử dụng sà lan hoặc giàn thi công nổi kéo các

đốt hầm chế tạo sẵn tới vị trí thi công

ắ Thả chìm đốt hầm xuống nền hào đã chuẩn bị sẵn dưới đáy sông, biển

ắ Ghép nối các đốt hầm với nhau

ống

thổi

Cát làm nền

4 Gi¶i ph¸p khi thi c«ng s¸t hoÆc d−íi c¸c c«ng tr×nh kiÕn tróc

a) Đón đỡ bằng tường bê tông, bê tông

cốt thép

b) Đón đỡ bằng gia cố đất

c) Đón đỡ bằng khoan phụt hóa chất

d) Đón đỡ bằng hệ cột và tay đỡ

đ) Đón đỡ và để công trình tựa lên kết cấu công trình ngầm

e) Kết cấu khung đón đỡ tách khỏi kết cấu công trình ngầm

g) Kết cấu công trình ngầm là kết cấu đón đỡ

Cảm ơn

đã chú ý theo dõi

ph¸p ngÇm

§¹i häc Má-§Þa chÊt

§¹i häc Má-§Þa chÊt

Các phương pháp tách bóc đất/đá

Đào bằng rửa lũa (sức nước, khí nén)

Máy khiên đào (Shild Machine - SM)

Đào bằng các máy đào xúc, xúc bốc

Máy đào từng phần gương, máy cắt từng phần (Roadheader-RH), máy xới

Máy đào toàn gương, máy khoan hầm (Tunnel Boring Machine)

Độ bền cao

Đá bở rời/đất

Đá rắn cứng

NQP:PPTCN

Các giải pháp bảo vệ hay chống tạm

Ô bảo vệ bằng khoan phụt áp lực cao

Ô bảo vệ bằng ống

Ván thép Cắm cọc

Ván chèn Khung thép

Neo

Lưới bảo vệ Bêtông phun

Đất chảy

Đất rời

Đất dính Nứt nẻ

mạnh và giảm bền

Nứt nẻ mạnh

Nứt nẻ trung bình

Nứt nẻ ít

Đá bở rời/đất

Đá rắn cứng

NQP:PPTCN

Phạm vi áp dụng của các giải pháp đặc biệt tùy theo

yêu cầu bảo vệ riêng

Giảm thiểu sụt lún

Bảo vệ nóc CTN

Chống đỡ (ổn

định) gương đào

Yêu cầu Các giải pháp

Đại học Mỏ-Địa chất

Bộ môn Xây dựng công trình ngầm và mỏ

XDCTN-M

Sơ đồ đào

Đào toàn gương

•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 theo bậc ngắn, sau đó chống tạm

toàn bộ vùng được đào đồng thời, ví dụ khoan nổ mìn, hay đào căt bằng máy từng bậc ngắn

NQP:PPTCN

§¹i häc Má-§Þa chÊt

§¹i häc Má-§Þa chÊt

Bé m«n X©y dùng c«ng tr×nh ngÇm vµ má

XDCTN-M

NQP:PPTCN

Đại học Mỏ-Địa chất

Bộ môn Xây dựng công trình ngầm và mỏ

XDCTN-M

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 lớn, 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 đảm bảo an toàn cho con người.

3 Các trang, thiết bị thi công 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 5m2 Kích

thước nhỏ hơn sẽ cản chở 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.

Cơ sở quyết định đào toàn gương hay chia gương

Khối đá/đất- hình dạng, kích thước tiết diện khoảng trống- trang thiết bị

§¹i häc Má-§Þa chÊt

Bé m«n X©y dùng c«ng tr×nh ngÇm vµ má

XDCTN-M

1 ngµy 1 tuÇn 1 th¸ng 1 n¨m 10 n¨m

NQP:PPTCN

ổn định tróc vỡ tróc lở nén ép nén ép mạnh rời chảy

NQP:PPTCN

Đại học Mỏ-Địa chất

Bộ môn Xây dựng công trình ngầm và mỏ

XDCTN-M

Khái quát về các phương pháp phá vỡ đất/đá

Thủ công

Thông thường

Bằng máy

• Máy khiên đào

Ngoài ra có thể sử dụng khí nén, sức nước vào công tác đào, gom đá trong môi

trường rời (cát, cuội) , khối đá mềm yếu

NQP:PPTCN

Phương pháp thi công

Phương pháp

thông thường

Phương pháp Cơ giới-máy

Phương pháp kích ép ống

Máy khiên

đào -SM

Máy khoan hầm hở - openTBM

Máy khoan hầm có khiên – Shild TBM

Khoan cắt toàn gương

Khoan cắt từng phần gương

Đào bằng gầu xúc

Đại học Mỏ-Địa chất

Bộ môn Xây dựng công trình ngầm và mỏ

XDCTN-M

NQP:PPTCN

Đại học Mỏ-Địa chất

•Không bị hạn chế về hình dạng, kích thước tiết diện đào

•Linh hoạt khi xử lý các điều kiện địa chất bất thường, biến động

•Chi phí không cao, vốn đầu tư không cao

•Tốc độ thi công thấp và trung bình

NQP:PPTCN

Phương pháp thi công bằng máy

•Phá vỡ đá/đất bằng máy khoan hầm (TBM) cho đá rắn cứng, máy

khiên đào (SM) trong khối đất, có và không có nước ngầm Máy khiên đào với các khả năng khoan toàn gương như TBM hoặc bố trí các đầu đào như ở máy đào lò, gầu đào xúc như ở máy đào xúc

•Tiết diện đào thường là hình tròn, với những phát triển và cải tiến

mới có thể đào các dạng tiết diện khác

•Có thể kết hợp: máy khiên đào nhiều đầu đào, đa chức năng xử lý

•Chi phí cao, vốn đầu tư cao

•Tốc độ thi công trung bình và cao

•Khó khăn khi gặp điều kiện địa chất biến động

Đại học Mỏ-Địa chất

Bộ môn Xây dựng công trình ngầm và mỏ

XDCTN-M

NQP:PPTCN

Phương pháp kích ép ống, đào đường

hầm nhỏ

•Phá vỡ đá/đất như ở phương pháp thi công bằng máy

•Chủ yếu tiết diện tròn, kích thước nhỏ

•Nguyên tắc; kích ép ống đúc sẵn và kết hợp đào, tách bóc đất/đá

•Thi công các đường hầm kỹ thuật, thoát thải trong thành phố,

dưới sân bay, không cần có hào, rãnh

Đại học Mỏ-Địa chất

Bộ môn Xây dựng công trình ngầm và mỏ

XDCTN-M

NQP:PPTCN

§¹i häc Má-§Þa chÊt

Bé m«n X©y dùng c«ng tr×nh ngÇm vµ má

XDCTN-M

NQP:PPTCN

Đại học Mỏ-Địa chất

– Chống tạm hay bảo vệ bằng khung thép

• Phương pháp thi công mới của Aó

– Chống tạm hay bảo vệ cơ bản bằng bê tông phun,

neo, lưới thép, khung thép – Chống trước bằng cọc nhói, cọc ván cừ, cọc khoan

phun, ô ống, khoan phun, khoan phụ tia, đóng băng

NQP:PPTCN

sử dụng lần đầu tại Pháp, khi thi công xây dựng

đường hầm tronquoy 1803 và Pouilly 1824.

Khi gặp khối đá thuộc các nhóm trong phạm vi chuyển từ bị nén ép đến bị nén ép mạnh, tùy thuộc vào kích thước của công trình mà một phương thức

đào được sử dụng có tên gọi là phương thức nhân đỡ, hay phương thức thi công của Đức

NQP:PPTCN

ưu điểm:

•Đường lò đào phía sườn được sử dụng làm đường lò thăm dò Đồng thời các

đường lò này còn có tác dụng làm giảm khả năng chảy nước vào các gương đào

tiếp theo.

•Nhân đỡ với khả năng nhận tải có tác dụng hạn chế sụt lún từ phía nóc và dịch

chuyển từ phía hai bên sườn và từ phía gương đào.

•Gương đào được tựa vào nhân đỡ trong thời gian cần thiết.

•Vỏ chống dạng vòm tựa trên móng rộng chắc chắn sẽ làm hạn chế sụt lún.

•Vì vỏ chống được lắp dựng sau khi đào xong phần vòm có đủ khả năng chịu

ntải, nên phần nhân đỡ được đào nhanh và kinh tế.

Nhược điểm:

•Việc chia gương ra các phần nhỏ trước hết sẽ gây ra các hiện tượng phân bố lại ứng suất nhiều lần và sự chồng chéo của các quá trình đó trong khối đá, dẫn đến hiện tượng tơi rời trong khối đá, vì các vỏ hay vành bảo vệ giao cắt nhau.

•Rủi ro sập lở có thể tăng cao do các bộ phận kết cấu phải thay đổi (thay đổi độ cứng của tòan kết cấu), mặt khác kết cấu nền được lắp dựng chậm.

•Phương thức này đòi hỏi chi phí tương đối cao do sự bố trí các gương nhỏ và gây khó khăn cho việc vận chuyển vật liệu cũng như lắp dựng kết cấu trong điều kiện chật hẹp.

NQP:PPTCN

định, kể cả hóa dẻo

Kết cấu chống tạm phần vòm, sau đó đón đỡ hai bên sườn

Đường lò 1 và 2 tiến

trước

Tuần tự 2,3,4 và V

5,6 và VII theo chu vi

Phương thức này được phát triển và áp dụng lần đầu vào năm 1828 tại đường hầm qua kênh Charleroy ở Bỉ, do vậy cũng còn gọi là phương thức thi công của Bỉ Sau đó phương thức này đã được sử dụng trong thi công hàng loạt các đường hầm tại vùng núi Alp, như Mont- Cenis dài 12,8km và đường hầm St-Gotthard cũ dài 15km trong những năm 1782 đến

1882

áp dụng khi khối đá thuộc vào nhóm tróc lở hoặc bị nén ép

NQP:PPTCN

nêm đỡ gương

NQP:PPTCN

ch©n vßm

èng, cét khoan phun Ðp

NQP:PPTCN

ống khoan phun L=4,0m

ống khoan phun

khung thép hàn tổ hợp

bản đệm phân tải thép dài5xφ 16

lưới thép

nêm gương

neo bê tông cốt thép hoặc ống khoan phun

NQP:PPTCN

Phương pháp thi công cũ của áo

•Thường đào đường lò phía nền trước rồi mở rộng phía nóc

•Các đường lò hai bên sườn được đào khá tùy tiện

•Hay gây sập lở do khoảng trống lớn

áp dụng cho mọi khối

đá, trừ cát chảy và khối đá dẻo

Lò dẫnphía nền cũng

là lò thăm dò.

Đào mở rộng từ trên xuống

Lắp kết cấu chống từ dưới lên

Đường lò 1 phía nền và 3 phía nóc tiến trước, còn lại dọc theo chu vi

NQP:PPTCN