Theo nghiên cứu của các tác giả Craig và Muir Wood 1978, mức độ tham số gây ra lún bề mặt đất do gương hầm và sự trượt lên của đuôi khiên theo bảng sau: Mức độ mất mát thể tích của đất n
Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Xử lý đất yếu là một thách thức lớn do sự phức tạp trong việc kiểm soát đất đá dưới lòng đất Tại T.p Hồ Chí Minh, các công trình lớn đang được triển khai, trong đó vấn đề xử lý đất yếu luôn được ưu tiên hàng đầu, đặc biệt là đối với các công trình ngầm Với sự phát triển của đường sắt đô thị - metro, việc nghiên cứu và xử lý đất yếu trở nên càng quan trọng hơn.
Thi công hầm bằng máy đào Shield (TBM) trong đất yếu gặp hai vấn đề chính: lún trong quá trình đào hầm và ổn định gương hầm Các công trình lớn như cao ốc và trung tâm thương mại thường nằm dọc theo tuyến hầm, do đó, hiện tượng lún có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến các công trình xung quanh Mặc dù lún là điều khó tránh khỏi khi thi công hầm trong đất yếu, nhưng việc áp dụng các biện pháp xử lý đất yếu trong quá trình đào hầm là cần thiết để hạn chế tác động này.
1.1.1 Lún trong quá trình đào hầm
Phương pháp thi công đào kín bằng máy đào kết hợp với khiên (SHIELD-TBM) là lựa chọn ưu việt nhất Tuy nhiên, trong quá trình thi công công trình ngầm trên nền đất yếu, biến dạng của đất nền là điều không thể tránh khỏi Khi đào, đất nền xung quanh sẽ chuyển vị vào trong do sự phân bố lại ứng suất, dẫn đến việc cần phải đào một kích thước lớn hơn kích thước thực tế Thể tích đất phải đào thêm này được gọi là “mất mát thể tích”.
Khi sử dụng máy đào SHIELD-TBM, quá trình đào đất đá diễn ra liên tục, dẫn đến việc đất đá ở khu vực phía trên và bên hông bị chuyển vị vào trong mặt gương đào Điều này gây ra sự gia tăng mất mát thể tích của mặt gương đào.
Viền lưỡi đào của đầu khiên cắt vào đất tạo ra cơ hội cho đất đá trong khu vực biến dạng hướng tâm Tùy thuộc vào tỷ lệ biến dạng và độ cứng của đất đá, cùng với chiều dài bước đào, đất đá có thể áp sát vào bề mặt của vỏ khiên đào.
Vỏ hầm có kích thước nhỏ hơn một chút so với khiên đào và cần được lắp đặt ngay lập tức Vùng hở phía sau vỏ hầm sẽ được lấp đầy bằng bơm vữa đệm Đất sẽ tiếp tục chuyển vị hướng tâm cho đến khi vữa bơm đủ cường độ để chịu được ứng suất của đất nền Tất cả các chuyển vị này được gọi là chuyển vị “hướng tâm” Tổng thể mất mát thể tích hướng tâm và bề mặt gương đào được gọi là mất mát thể tích trong quá trình thi công, được đo bằng m³ trên 1 mét chiều dài đào.
Việc xác định mối quan hệ giữa kích thước biên đào ban đầu và kích thước biên ngoài của vỏ hầm để giảm thiểu mất mát thể tích là một thách thức lớn Nghiên cứu của Macklin và Field (1999) chỉ ra rằng, trong trường hợp hầm có đường kính D=2,8m trong nền sét mềm, đến 70% giá trị biến dạng bề mặt đất xảy ra trong giai đoạn lắp dựng vỏ lắp ghép và phun vữa phía sau vỏ, sau khi khiên đào đã đi qua.
H.1 Dạng đường cong lún của hầm đôi
Việc chọn máy thi công đào hầm chủ yếu dựa vào khả năng đảm bảo an toàn trong quá trình thi công Trong đất yếu, các thiết bị như máy cân bằng áp lực đất và áp lực vữa sét thường được ưu tiên để giảm thiểu mất mát thể tích bề mặt Đối với đất cứng ổn định, máy dạng ngực trần có thể được sử dụng Biến dạng hướng tâm là điều không thể tránh khỏi; để giảm thiểu, việc bơm ép vữa lỏng vào sau vỏ hầm là cần thiết, và thời điểm bơm vữa càng sớm càng tốt Mặc dù sử dụng khí nén là một giải pháp hiệu quả hơn, nhưng chi phí cao đã hạn chế việc áp dụng phương án này.
Người thiết kế cần xác định mức độ lún của đất nền, nhưng các giá trị này thường chỉ có được từ số liệu khảo sát, mà những số liệu này không phải lúc nào cũng chính xác và không thể phản ánh đầy đủ các yếu tố phức tạp của nền đất Bên cạnh đó, cơ chế hoạt động của máy đào và tay nghề của công nhân cũng ảnh hưởng lớn đến lún bề mặt đất.
Trong quá trình thi công hầm thì các yếu tố gây ra hiện tượng lún bề mặt có thể kể đến là:
Do sự thay đổi cao độ mực nước ngầm: điều này phụ thuộc vào loại đất và khả năng thấm nước của đất là cao hay thấp;
Do mất mát thể tích đất nền (VS): VS= VL-∆V, trong đó:
V L : Thể tích biến dạng của đất nền (tổng của các biến dạng tức thời xung quanh biên hầm)
∆V: Phần thể tích thay đổi trong nền đất (tăng lên hay giảm đi theo quá trình thi công)
Mang dấu (+) nếu bị kéo giãn, (-) nếu bị nén ép
V S : Thể tích biến dạng lún mặt đất
Theo nghiên cứu của Craig và Muir Wood (1978), mức độ tham số gây ra lún bề mặt đất do gương hầm và sự trượt lên của đuôi khiên được trình bày trong bảng dưới đây.
Tỉ lệ chiếm trong tổng lún (%) Ở gương đào Ở đuôi khiên Đất cát trên mực nước ngầm 30-50 60-80
Cát dưới mực nước ngầm 0-25 50-75
Mức độ mất mát thể tích của đất nền trong quá trình thi công có thể xảy ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
Đặc điểm địa chất , thuỷ văn khu vực hầm;
Phương pháp thi công và tay nghề công nhân;
Kích thước của đường hầm;
Hình dạng của kết cấu chống đỡ
H.2 Ảnh hưởng lún trong các giai đoạn khác nhau
Mức độ biến dạng của đất phụ thuộc vào thời gian, được chia thành hai loại chính: lún ngắn hạn xảy ra trong quá trình thi công và lún dài hạn, bao gồm cố kết và từ biến, xảy ra sau thi công Độ lún dài hạn thường không lớn và phát triển dần dần theo thời gian, tùy thuộc vào loại địa chất khác nhau.
Lún ngắn hạn xảy ra trong khoảng 4 ngày đầu sau khi đào hầm, theo một nghiên cứu về đất sét Thời gian này có thể ngắn hơn hoặc bằng thời gian tiến lên của quá trình đào hầm Báo cáo của Macklin và Field (1999) cho biết biến dạng lún ngắn hạn xảy ra trong khoảng thời gian 24 giờ trước và sau khi khiên đào vượt qua Biến dạng ngắn hạn của đất nền thường xuất hiện và kết thúc ngay khi đầu đào vượt qua.
Lún dài hạn là kết quả của quá trình biến đổi và cố kết của đất nền dưới tác động của tải trọng không đổi Thời gian xảy ra hiện tượng này phụ thuộc vào điều kiện của đất nền, có thể kéo dài từ vài tuần đến vài tháng đối với đất cát và sét mềm, và hàng năm đối với nền sét cứng Giá trị của biến dạng lún dài hạn chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, do đó việc xác định cụ thể là rất khó khăn.
Quá trình làm việc của tổ hợp khoan TBM có thể chia ra theo 05 giai đoạn theo trình tự như sau:
1 Khu vực xa phía sau gương đào (mặt cắt 0-0): khu vực này đất đá vẫn ở trạng thái nguyên sinh và tự ổn định với các thành phần áp lục xung quanh vị trí gương đều là p0=.H (: trọng lượng thể tích đất nền; H: chiều sâu đặt hầm)
2 Tại khu vực ngay phía sau mặt gương đào (mặt cắt 1-1): mất ổn định do sự mất cân bằng áp lực nhất là thi công trong đất yếu vì vậy phải lựa chọn các loại thiết bị có giải pháp cân bằng áp lực bề mặt gương (tạo áp lực cân bằng bằng dung dịch vữa sét, khí nén…) Như vậy mặt cắt này có thể xem xét tương tự như mặt cắt 0-0 khi có áp lực giữ cân bằng đủ đảm bảo không gây ra biến dạng mặt gương
Sự cần thiết của đề tài
Khi thi công hầm bằng phương pháp SHIELD-TBM, đặc biệt ở khu vực đất mềm yếu, có thể xảy ra hiện tượng lún đất trong quá trình thi công và vận hành đường hầm Nếu trị số lún vượt quá mức cho phép, nó sẽ gây ảnh hưởng xấu đến các công trình kiến trúc trên mặt đất và chính bản thân đường hầm Do đó, việc nghiên cứu lún sụt và áp lực chống đỡ gương hầm là rất cần thiết, vì chúng có tác động trực tiếp đến trị số lún của nền đất.
Trong thực tế, một số vị trí hầm có địa tầng rất yếu đến mức cần áp dụng biện pháp xử lý để cải thiện các chỉ tiêu của nền đất Nếu không, việc đào hầm sẽ không thể thực hiện được do nguy cơ sụp đổ trong quá trình thi công.
Cần thiết phải nghiên cứu xử lý đất yếu trong quá trình thi công hầm Metro bằng máy đào SHIELD-TBM Việc này nhằm đưa ra các giải pháp công nghệ phù hợp cho thi công hầm trong vùng đất yếu.
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu chính của đề tài sẽ nghiên cứu các vấn đề sau:
Nghiên cứu các phương pháp xử lý nền đất yếu khi thi công bằng máy đào SHIELD- TBM;
Nghiên cứu kỹ xử lý nền đất yếu bằng phương pháp trộn sâu (jetgrouting);
Đưa ra các giải pháp công nghệ khi thi công hầm trong vùng đất yếu này.
Giới hạn nghiên cứu của đề tài
Để bao quát đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng, bài toán cần áp dụng phương pháp phân tích số trong không gian 3D hoặc 2D, với điều kiện địa chất thủy văn chi tiết và các bước thi công chính xác Mô hình vật liệu có thể là đàn hồi tuyến tính, phi tuyến hoặc đàn-dẻo.
Trong nội dung luận văn này tác giả sẽ giới hạn đề tài của mình trong các nội dung cụ thể như sau:
Điều kiện địa chất: lấy theo tài liệu khảo sát địa chất tuyến metro 3B (Ngã Sáu Cộng Hòa – Hiệp Bình Phước), Tp.HCM;
Công nghệ thi công cho các tuyến metro tại Tp.HCM bao gồm việc khoan hầm bằng máy SHIELD-TBM, sử dụng kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép cho vỏ hầm, và áp dụng phương pháp phun vữa để chèn lấp khe hở giữa vỏ hầm và hang đào khi khiên trượt qua, với thiết bị phun vữa được gắn trực tiếp vào đuôi khiên.
Các bước thi công theo trình tự sau:
1 Đưa khiên vào che chống
2 Đào đất có khiên che chống
3 Lắp đặt vỏ hầm bên trong khiên
4 Trượt dọc khiên, bơm vữa chèn khe.
Chương trình mô phỏng quá trình đào hầm
Phương pháp phần tử hữu hạn là một kỹ thuật số phổ biến để giải quyết vấn đề lún bề mặt trong thi công hầm Theo nghiên cứu của New và O’Reily (1992), phương pháp này đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và dự đoán các hiện tượng lún.
Các vấn đề về đất trong thi công hầm rất khó mô hình hóa bằng phần tử hữu hạn do tính chất phức tạp Thông thường, các thông số không được biết rõ ràng, và việc không mô hình hóa đúng đắn đất nền cùng kết cấu chống đỡ là không thể chấp nhận trong quá trình thi công.
Hiện nay, có nhiều mô hình tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn từ nhiều tác giả, bao gồm cả mô hình phẳng và ba chiều, tập trung vào quá trình thi công hầm Nhiều phần mềm chuyên dụng hiện có cho việc thiết kế hầm và dự đoán ảnh hưởng lún bề mặt đất Trong bài viết này, tác giả sẽ sử dụng phần mềm Plaxis 2D và Plaxis 3D Tunnel để mô hình hóa quá trình đào hầm, đồng thời nghiên cứu các sơ đồ mô hình vật liệu và thông số đầu vào để lựa chọn dữ liệu phù hợp nhằm giải quyết bài toán một cách chính xác nhất.
Phân tích các phương pháp xử lý nền đất yếu
Các loại đất yếu và phương pháp Asaoka để phân biệt đất yếu
2.1.1 Khái niệm về đất yếu
Nền đất yếu không có khả năng chịu tải đủ, thiếu độ bền và dễ biến dạng, do đó không thể được sử dụng làm nền tự nhiên cho các công trình xây dựng.
Khi xây dựng công trình dân dụng và cầu đường, thường gặp phải nền đất yếu Tùy thuộc vào tính chất của lớp đất và đặc điểm cấu tạo của công trình, cần áp dụng phương pháp xử lý nền móng phù hợp Mục tiêu là tăng sức chịu tải của nền đất, giảm độ lún và đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình.
Trong xây dựng, nhiều công trình gặp phải tình trạng lún, sập do xây dựng trên nền đất yếu mà không có biện pháp xử lý thích hợp Việc đánh giá chính xác các tính chất cơ lý của nền đất yếu thông qua thí nghiệm trong phòng và hiện trường là rất quan trọng Điều này không chỉ giúp đưa ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp mà còn giảm thiểu sự cố và hư hỏng công trình Sự kết hợp giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế là cần thiết để giải quyết vấn đề này hiệu quả.
2.1.2 Một số đặc điểm của đất yếu
+ Thuộc loại nền đất yếu thường là đất sét có lẫn nhiều hữu cơ;
+ Sức chịu tải bé (0,5 – 1kG/cm2);
+ Đất có tính nén lún lớn (a> 0,1 cm 2 /kG);
+ Mo đun biến dạng bé (E< 50kG/cm 2 );
+ Khả năng chống cắt bé (, c bé), khả năng thấm nước bé;
+ Hàm lượng nước trong đất cao, độ bão hòa nước G> 0,8, dung trọng bé; …
2.1.3 Các loại đất yếu thường gặp
+ Đất sét mềm: gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp;
Bùn là loại đất hình thành trong môi trường nước, có thành phần hạt rất mịn với kích thước nhỏ hơn 200μm Đặc điểm nổi bật của bùn là luôn ở trạng thái no nước, có hệ số rỗng lớn và rất yếu về khả năng chịu lực.
Than bùn là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong các đầm lầy, với hàm lượng hữu cơ dao động từ 20% đến 80%.
Cát chảy là loại cát mịn với cấu trúc hạt rời rạc, có khả năng bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể, và khi chịu tải trọng động, nó chuyển sang trạng thái chảy Đất bazan cũng được xem là đất yếu, có đặc điểm độ rỗng lớn, trọng lượng khô thấp, khả năng thấm nước cao và dễ bị lún sập.
2.1.4 Phương pháp Asaoka về đất yếu a Lý thuyết asaoka
- Cần trả lời 2 câu hỏi:
Để phân biệt lớp đất sét khó dự đoán với các lớp đất khác, cần xem xét các chỉ số địa chất như độ ẩm, độ dẻo, và khả năng nén Các biện pháp khắc phục có thể áp dụng bao gồm gia cố đất, sử dụng vật liệu thay thế, và cải thiện thoát nước Hiệu quả của những biện pháp này phụ thuộc vào điều kiện địa chất cụ thể và phạm vi ứng dụng của từng phương pháp.
- Hai chỉ số quan trọng của lớp đất sét tự nhiên:
+ Độ nhảy St cho chúng ta biết sự gia tăng thể tích đất lớn như thế nào
Tỉ lệ chỉ số nén \$c = \frac{cc}{ccr}\$ cho thấy sự sụp đổ nhanh chóng của cấu trúc đất Điều này giúp phân biệt rõ ràng giữa các lớp địa chất khó dự báo và những lớp địa chất khác.
Khi c>=1.5 và st >=8.0 thì đất thuộc lớp đất sét khó dự đoán
- Độ nhảy có thể được ước tính từ cường độ kháng cắt không thoát nước cu và chỉ số độ sệt IL
- Đặc biệt tại Sài Gòn đã có nghiên cứu như sau:
- Kết luận: d Ứng dụng lý thuyết Asaoka để kiểm tra địa chất một số lỗ khoan tuyến Metro 3b
B ả ng t ổ ng h ợ p và tính toán các ch ỉ tiêu c ơ lý chính c ủ a các l ớ p đấ t
Giới hạn chảy Chỉ số nở Chỉ số nén
Tỉ lệ chỉ số nén
Cường độ cắt không thoát nước
W L % C cr Cc CCr S t I L Cu(tf/m 2 )
LK01 72.45 0.4372 1.181 2.700 60.000 1.623 1.7589 LK02 67.925 0.4055 1.179 2.908 48.000 1.545 1.4276 LK03 73.38 0.4437 1.3205 2.976 40.000 1.276 1.6825 LK04 64.1 0.3787 0.899 2.374 16.000 1.163 1.0197 LK05 66.3 0.3941 1.068 2.710 46.000 1.333 1.4785
St được xác định từ biểu đồ thông qua cặp giá trị I L và Cu Sau khi có cặp giá trị (C, St), tiến hành vẽ biểu đồ điểm cho các giá trị này.
K ế t lu ậ n: V ớ i 5 l ỗ khoan t ươ ng ứ ng v ớ i 5 đ i ể m trên đề u thu ộ c vùng đị a ch ấ t khó ki ể m soát theo lý thuy ế t Asaoka.
Các vấn đề cần quan tâm khi thi công hầm trong nền đất yếu
Nền đất yếu không đủ sức chịu tải và có độ bền thấp, dẫn đến việc không thể đặt trực tiếp hoặc đào qua cho các công trình hầm Để xây dựng hầm, cần xác định loại nền đất yếu và áp dụng phương pháp xử lý nền móng phù hợp nhằm tăng cường sức chịu tải, giảm độ lún và đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình.
Nhiều công trình hầm gặp phải tình trạng lún sập và hư hỏng khi xây dựng trên nền đất yếu, chủ yếu do việc đánh giá không chính xác các đặc tính của nền đất và áp dụng biện pháp xử lý không phù hợp Vì vậy, việc gia cố đất nền là cần thiết để đảm bảo an toàn và độ bền cho công trình.
Các phương pháp xử lý nền đất yếu
Khi thi công công trình ngầm đô thị trong điều kiện địa chất phức tạp, đặc biệt là trong đất yếu, thấm nước và không ổn định với mực nước ngầm cao hơn đáy hầm, cần thiết phải thực hiện các biện pháp làm khô hoặc gia cường khối đất để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho quá trình xây dựng.
Có nhiều phương pháp ổn định đất, mỗi phương pháp có đặc điểm tác động khác nhau lên khối đất xung quanh Hạ mực nước ngầm nhân tạo và đông cứng chỉ ảnh hưởng đến khối đất trong quá trình xây dựng công trình ngầm, và sau khi hoàn thành, tính chất đất và chế độ nước ngầm sẽ dần được khôi phục Gia cường hóa chất có khả năng biến đổi tính chất cơ lý và tính thấm của đất trong thời gian dài Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào điều kiện địa chất và thủy văn cụ thể, đồng thời cần xem xét các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật.
2.3.1 Hạ mực nước ngầm nhân tạo
Hạ mực nước ngầm nhân tạo là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để làm khô đất và ngăn ngừa nước chảy vào hầm đào Biện pháp này được áp dụng trong xây dựng công trình ngầm bằng các phương pháp như lộ thiên, khiên đào (TBM), kích đẩy, và đào hầm theo giếng đứng, đặc biệt khi mực nước ngầm cao hơn đáy công trình Các lỗ khoan hạ mực nước được bố trí cách nhau từ 0.7 đến 1.5m theo chu tuyến hầm đào.
Việc bơm nước liên tục từ các lỗ khoan sẽ tạo ra bề mặt giảm áp, dẫn đến mực nước ngầm hạ xuống thấp hơn đế móng công trình ngầm Điều này cho phép xây dựng công trình ngầm trong khối đất khô Bán kính và chiều sâu của phễu giảm áp phụ thuộc vào chiều dày lớp nước, hệ số thấm và cường độ bơm.
- Phương pháp này được sử dụng hiệu quả nhất trong đất rời với hệ số thấm từ 0.3- 100m/ngày đêm
Phương pháp hạ mực nước ngầm có nhược điểm lớn là gây lún cho khu vực xung quanh giếng, ảnh hưởng tiêu cực đến các công trình xây dựng lân cận.
2.3.2 Đông cứng đất nhân tạo
Đông cứng nhân tạo là phương pháp hiệu quả trong các điều kiện địa chất công trình khác nhau, đặc biệt khi gặp phải các lớp đất dễ bị trôi không đồng nhất với hệ số thấm nhỏ hơn 10m/ngày đêm Phương pháp này cũng được áp dụng trong các khu vực có đất đá nứt nẻ nằm trên tầng đất cuốn trôi không ổn định, nơi có dòng chảy của nước ngầm lớn hơn 50m³/giờ.
- Ngày nay người ta sử dụng hai phương pháp đông cứng nhân tạo: muối hóa và không muối hóa:
Phương pháp muối hóa đóng băng:
Phương pháp muối hóa bao gồm việc khoan các lỗ có đường kính từ 120-150mm, cách nhau từ 0.8-1.5m, sau đó đặt cọc ống đường kính 114mm và ống cấp đường kính 25-37mm vào các lỗ khoan Muối CaCl2 được sử dụng để làm lạnh đến nhiệt độ 253-248K Ngoài ra, một số muối khác như NaCl, Litiklorit và axit cacbonic cũng có thể được áp dụng trong quá trình này.
Trong quá trình làm lạnh, nước trong các lỗ rỗng của đất xung quanh lỗ khoan sẽ đông lại, hình thành trụ băng có bán kính từ 1 đến 1.5m Các trụ băng này tiếp xúc với nhau, tạo thành một màng lạnh liên tục, hoàn toàn không thấm nước và có độ bền cao, tương tự như một rào chắn bảo vệ cho công tác đào hầm.
Phương pháp muối hóa đông cứng đất yếu đòi hỏi thiết bị phức tạp và không luôn đảm bảo độ liên tục của tường đóng băng Hơn nữa, nhiệt độ làm lạnh không đủ dẫn đến quá trình tạo màng băng kéo dài.
Phương pháp làm lạnh không muối hóa:
Do những khó khăn và nhược điểm của phương pháp làm lạnh muối hóa, ngày càng ít được sử dụng Thay vào đó, phương pháp làm lạnh không muối hóa đang trở nên phổ biến hơn.
Phương pháp làm lạnh này sử dụng sự bốc hơi của khí đốt trực tiếp trong các lỗ khoan, không cần chất làm lạnh trung gian Các chất làm lạnh như nitơ lỏng, propan và amoniac được áp dụng, trong đó nitơ lỏng với nhiệt độ bốc hơi thấp giúp giảm thời gian tạo băng và độ dày của nó một cách hiệu quả.
Phương pháp đông lạnh không muối hóa có nhược điểm là chi phí nitơ lỏng cao, dao động từ 300-1200 l/m³ đất, dẫn đến giá thành lớn Vì vậy, phương pháp này chỉ nên áp dụng trong các điều kiện xây dựng đô thị và địa chất công trình phức tạp.
Khi khối lượng công tác lớn, có thể ban đầu sử dụng phương pháp làm lạnh không muối hóa, sau đó giữ màng băng bằng phương pháp muối hóa
2.3.3 Phương pháp gia cường đất
Xử lý nền đất yếu nhằm tăng cường sức chịu tải và cải thiện các tính chất cơ lý của đất, bao gồm giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, nâng cao trị số mô đun biến dạng, cải thiện độ chống cắt và tăng cường ổn định cho nền đất.
Để gia cường đất, có nhiều phương pháp hiệu quả như bấc thấm kết hợp gia tải thông thường, bấc thấm kết hợp bơm hút chân không, giếng cát kết hợp gia tải thông thường, cọc cát, cọc đất gia cố xi măng, và phun sâu áp lực cao (Jet-grouting) Trong số đó, phương pháp Jet-grouting được ứng dụng phổ biến nhất trong thi công hầm trên nền đất yếu.
- Trong đồ án này tác giả chỉ nghiên cứu về phương pháp Jet-grouting.
Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp trộn sâu (Jet-Grouting)
Tổng quan về phương pháp và công nghệ Jet - Grouting
3.1.1 Bản chất của công tác phụt
Phụt là kỹ thuật đưa hỗn hợp chất lỏng và khí vào đất có khe hở hoặc đá nứt nhằm giảm tính thấm hoặc gia cường độ ổn định và chịu lực của môi trường đất.
Các mục đích phụt được chia thành hai loại thời gian: tạm thời và vĩnh cửu Công nghệ phụt, bao gồm dây chuyền thiết bị trên mặt đất, được sử dụng để tạo ra và đưa chất lưu vào đất đá, trong khi chất lưu với các tính năng đáp ứng các mục đích này được gọi là vữa phụt.
Công tác phụt được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu trong việc xử lý nền móng của các công trình nhân tạo, đồng thời cũng được sử dụng để bảo vệ các cấu trúc lịch sử và tự nhiên khỏi tác động của thời gian, như các thắng cảnh và di tích quan trọng Ngoài ra, phương pháp này còn giúp phòng ngừa và khắc phục hậu quả môi trường do các chất thải độc hại gây ra.
Thi công hầm trong nền đất yếu thì giải pháp phụt vữa là một phương pháp hữu hiệu
3.1.2 Công nghệ phụt ở Việt Nam và Những tiến bộ công nghệ trên thế giới
Từ đầu thế kỷ trước, công nghệ phụt đã được áp dụng trong xử lý nền móng công trình, với hai phương pháp chính là phụt đáy mở và phụt phân đoạn Hơn ba thập niên qua, phụt phân đoạn chủ động, hay còn gọi là phụt ống bọc, đã được hoàn thiện Trong 20 năm gần đây, nhiều công nghệ tiên tiến như phụt dòng quét, phụt siêu áp và phụt nén – rung đã ra đời, không chỉ xử lý móng mà còn tạo ra cọc móng cho công trình Khoan cọc nhồi cũng là một biến thể của công tác phụt Các nước phát triển dẫn đầu về công nghệ phụt, đáp ứng nhu cầu cao về xử lý nền móng cho các công trình lớn và nguy cơ từ chất thải ngầm độc hại.
Công nghệ phụt đáy mở đã được áp dụng tại miền Bắc Việt Nam hơn 40 năm, ban đầu chủ yếu để xử lý các tổ mối rỗng trong thân đê điều Hiện nay, phương pháp phụt phân đoạn thụ động đã trở nên phổ biến với nhiều mục tiêu đa dạng, bao gồm xử lý chống thấm và một phần để xử lý nền.
Trong gần một thập kỷ qua, công nghệ phụt ống bọc và xử lý chống thấm bằng tường hào thẳng đứng đã được công ty Bachy Soletance (Pháp) triển khai thành công và chuyển giao cho một số đơn vị chuyên ngành Gần đây, các thử nghiệm và ứng dụng thực tế của công nghệ này đã bắt đầu được thực hiện.
Công nghệ phụt trên toàn cầu đang phát triển nhanh chóng với nhiều ứng dụng trong chế tạo máy, luyện kim và điện tử-số hóa Dù mức độ hiện đại có phụ thuộc vào điều kiện kinh tế, vữa phụt vẫn giữ vai trò quan trọng và cần được đưa vào môi trường đất đá một cách hiệu quả.
3.1.3 Những vấn đề và giải pháp
Công nghệ phụt và vữa phụt được chuẩn hóa và cải tiến theo các tiêu chuẩn kỹ thuật tại mỗi quốc gia Những tiêu chuẩn này không chỉ được công nhận trong nước mà còn được áp dụng tùy thuộc vào điều kiện kinh tế-chính trị của từng dự án quốc tế.
Tại Việt Nam, công nghệ phụt nói chung còn đang tồn tại nhiều vấn đề cơ bản :
- Công nghệ phụt trong các quy trình và tiêu chuẩn ngành hiện mới dừng ở phụt phân đoạn thụ động;
- Vữa phụt chưa có hệ thống hóa chi tiết về thành phần, thông số và chỉ tiêu cho từng mục đích và công nghệ sử dụng;
Các phương pháp và công nghệ phụt hiện nay chủ yếu dựa trên tiêu chuẩn cũ của Liên Xô, nhưng đã trở nên lỗi thời so với thực trạng của nước Nga ngày nay.
- Cơ quan quản lý chuyên ngành chậm cập nhật những tiến bộ công nghệ và lý thuyết vữa vào các quy định lâu dài và tạm thời;
Các dự án xây dựng lớn và phức tạp ngày càng cần đến công nghệ phụt để xử lý nền móng Tuy nhiên, sự lạc hậu trong quy trình này đang gây khó khăn cho việc đảm bảo chất lượng cũng như kiểm tra, giám sát và đánh giá.
Vữa phụt và chế tạo vữa phụt
3.2.1 Bản chất và vai trò của vữa phụt
Vữa phụt là một chất lưu chủ yếu ở trạng thái lỏng, có thể chứa một phần khí dạng vi bọt tùy thuộc vào từng trường hợp Dù có thành phần nào, vữa phụt cần phải đáp ứng một số thuộc tính bản chất nhất định.
Trong quá trình phụt, chất lưu sẽ chuyển đổi thành trạng thái rắn sau một khoảng thời gian ngắn, thường từ vài đến ba chục ngày Quá trình này xảy ra khi chúng kết hợp với các phần tử trong môi trường hoặc với chính chúng thông qua cơ chế đông kết hoặc gắn kết.
- Khi ổn định ở trạng thái rắn, chúng không được gây ô nhiễm môi trường bằng tác nhân độc hại từ bản thân
- Phải có độ bền tạm thời hoặc vĩnh cửu theo thiết kế và mục đích công trình
Trong trường hợp vữa phụt có độ bền tạm thời, khi bị biến chất theo thời gian và không còn vai trò, nó không được phép trở thành nguyên nhân gây hại cho công trình và môi trường xung quanh.
Vữa phụt nhìn chung có thể phân chia ra các loại gồm hỗn hợp (suspension), huyền phù (emulsion) và hợp chất (solution)
Vữa hỗn hợp là loại vật liệu được tạo thành từ các hạt rắn nhỏ lơ lửng trong dung môi lỏng, bao gồm vữa cement, vữa đất-cement và vữa Bentonite Vữa cement, thường được sử dụng rộng rãi, là hỗn hợp giữa nước và cement với tỷ lệ từ 10:1 đến 2:1 Vữa đất-cement là sự kết hợp giữa đất, cement và nước, trong khi vữa Bentonite được tạo ra từ Bentonite hòa trong nước.
Vữa huyền phù, bao gồm các giọt keo lỏng phân tán trong nước, là thành phần quan trọng trong nhiều loại vữa, trong đó có vữa bitum Để đảm bảo độ keo-nhớt của dung dịch trong quá trình phụt và tính năng bơm của thiết bị, các loại vữa khác cũng cần duy trì một mức độ huyền phù nhất định.
Vữa hợp chất là loại vữa bao gồm các phân tử cùng loại với hai hoặc nhiều phần tố, ví dụ như hợp chất silicat natri và nhựa keo acrylic Chúng thường ở dạng lỏng ban đầu, có khả năng bơm vào đất và sau khi thấm vào khu vực cần thiết, chúng sẽ định hình, quánh lại và cô đặc theo thời gian.
3.2.2 Các tính chất chung của vữa phụt
Loại vữa nào cũng cần có những tính chất phù hợp mục đích và công nghệ thực hiện gồm:
- Tạo hiệu quả phụt tối ưu sau khi đông kết hoặc gắn kết ổn định
- Có tính chất phù hợp của chất lưu về độ nhớt và độ phụt để xâm nhập hiệu quả nhất vào môi trường cần phụt
- Giảm thiểu tối đa tác hại đến thiết bị phụt về tính mài mòn
- Đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn về môi trường và sức khỏe cho người tiếp xúc
Để đảm bảo tính ổn định của các thông số trong quá trình phụt, vữa phụt cần đáp ứng một số chỉ tiêu chính Độ ph ụt (Groutability) là yếu tố quan trọng, thể hiện khả năng của vữa di chuyển đến vị trí cần phụt trong khối đất Vữa cần có độ lỏng cao và đạt mức lơ lửng của hạt vật liệu, với kích thước hạt phù hợp để có thể đi vào các phần rỗng trong khối đất Để đạt được điều này, cần xác định Tỷ số phụt và giá trị tối thiểu của chúng theo công thức.
Tỷ trọng vữa và độ nhớt quyết định đến độ phụt thông qua tỷ lệ vật liệu Độ ổn định của vữa là khả năng duy trì trạng thái lỏng mà không bị phân tách, với vữa sét-cement thường có độ ổn định cao hơn vữa cement Độ nhớt và tính keo dính ở mức độ phân tử ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu này, cùng với thành phần khoáng hóa của dung môi nước và tỷ lệ vật liệu, phụ gia Độ lắng là thời gian vữa lắng thành các khối cement hoặc keo riêng biệt; lắng tách quá sớm có thể làm khó khăn cho việc thấm, trong khi lắng chậm có thể dẫn đến việc vữa bị rửa trôi Cần có biện pháp điều chỉnh thời gian lắng để giữ hỗn hợp ở trạng thái lơ lửng Độ bền cho thấy khả năng của vữa chống lại sự dời chuyển theo thời gian, với vữa cement có độ bền cao hơn vữa Bentonite Cuối cùng, độ độc hại thể hiện khả năng của vữa làm ô nhiễm nước ngầm và ảnh hưởng đến sức khỏe công nhân, do đó cần tránh hóa chất độc hại trong vữa và đảm bảo an toàn trong quá trình thi công.
Còn một số chỉ tiêu khác như độ ăn mòn, lưu biến, chống đóng băng v.v…
Các loại vữa cement sử dụng cho nền đá cần phải điều chỉnh các thông số bằng cách thêm hoặc bớt một lượng sét theo tỷ lệ phù hợp Việc sử dụng các phụ gia cũng giúp kiểm soát quá trình đông kết và ninh kết của cement.
3.2.3 Những thông số của vữa phụt làm cơ sở cho thiết kế phụt
Các thông số chính của vữa phụt, bao gồm tỷ trọng vữa, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá và đảm bảo chất lượng của sản phẩm Những chỉ tiêu này đã được chuẩn hóa để phục vụ cho việc kiểm tra và cải thiện chất lượng vữa phụt.
Tỷ trọng vữa tối ưu tùy thuộc loại vữa dao động 1.15 - 1.30 T/m 3 Chúng được xác định bằng tỷ trọng kế thích hợp b Độ nhớt
Độ nhớt động tại hiện trường được xác định bằng phễu nón dung tích 0.5 lít theo tiêu chuẩn châu Âu EN 445, với thời gian tự chảy của 0.5 lít vữa dao động từ 15 đến 20 giây, tối đa chấp nhận cho phụt là 25 giây Thời gian tự chảy của nước sạch tương ứng khoảng 13 giây Khi sử dụng phễu Marsh với lỗ 0.2 in, thời gian chảy hết 1 lít vữa sẽ gấp đôi các chỉ số trên, trong khi loại có lỗ 0.4 in sẽ giảm thời gian xuống còn một nửa.
Tỷ lệ phần hỗn hợp lắng tách trong điều kiện tĩnh sau 1-3 giờ được xác định bằng phương pháp đơn giản Cụ thể, cần đổ vữa vào bình thủy tinh có vạch chiều dài, để lắng trong 1-3 giờ, sau đó đo chiều cao cột vật liệu vữa h lắng dưới phần nước trong và tổng chiều cao vữa + nước H Độ tách nước được tính bằng công thức \((H-h)/H\) và dao động tối đa chấp nhận từ 3% đến 5%.
% Độ hụt nước (bleed) chính là khả năng tách nước sau 2 giờ d Cường độ và thời gian đông kết
Khối vữa bắt đầu đông kết sau ít nhất 3 ngày và đạt cường độ tối đa ổn định sau khoảng 15 – 30 ngày Sau một thời gian nhất định, khối vữa sẽ được khoan để lấy mẫu thí nghiệm cường độ Vữa cement thông thường có cường độ cao hơn so với vữa cement-bentonite và cement-đất Cường độ tối thiểu của vữa sau 7 ngày là từ 0.25 đến 0.4 kG/cm² Tính lưu biến của vữa tạo ra dòng chảy đặc thù trong quá trình thấm phụt là kết quả của ảnh hưởng từ quá trình đông kết này.
Chọn vữa phụt phù hợp là bước đầu tiên trong thiết kế công nghệ phụt, dựa trên độ đặc khối và khả năng thấm xuyên của vữa Đặc biệt, nồng độ hỗn hợp vữa nước/cement, với vật liệu chính là cement, đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Trong đó : - độ đặc khối cement
Độ đặc khối tính theo công thức:
Lý thuyết và thực tế cho thấy tỷ lệ W/C = 0.67 – 0.7 tương ứng độ đặc khối 33%, vữa có nồng độ tối ưu và có tính năng lấp kín tốt nhất
3.2.4 Mô hình hóa công tác phụt và đánh giá hiệu quả phụt a Một số tính toán trong công tác phụt
Khi thiết kế phụt, thường phải ấn định ba giới hạn:
- Áp lực vữa tối đa,
- Lượng ăn vữa tối đa,
- Cường độ phụt tối đa
Với công nghệ phụt có yếu tố dời chuyển-thay thế, việc tính toán và giám sát các cơ sở trở nên thuận lợi Tuy nhiên, phụt thấm trong đất và đá gặp nhiều trở ngại cần lưu ý Áp lực vữa tối đa phụ thuộc vào thiết kế áp lực để phụt vữa vào đất, và việc xác định lượng vữa tối đa cũng gặp khó khăn, vì đôi khi phụt vẫn có thể trôi chảy, đòi hỏi phải đưa ra quyết định theo các hướng khác nhau.
- Dừng phụt tạm thời sau đó phụt lại
- Bỏ hố phụt và tạo hố mới
- Hoặc thêm vào vữa một lượng phụ gia đông kết
- Thử thay dụng cụ đo lường khác
Công nghệ thi công của phương pháp Jet - Grouting
Công nghệ Jet-grouting sử dụng máy khoan để đưa ống bơm có vòi phun hợp kim xuống độ sâu cần gia cố Dưới áp lực cao, dung dịch vữa (nước và xi măng) được phun vào nền đất Khi vữa cứng lại, nó sẽ tạo thành cột xi măng đất chắc chắn.
Nguyên lý thiết kế của công nghệ gia cố nền đất yếu nhằm đảm bảo rằng công trình xây dựng đáp ứng các yêu cầu về tính khả thi, kinh tế và độ bền lâu dài Điều này bao gồm khả năng chịu đựng các tác động trong quá trình thi công và sử dụng, đồng thời thỏa mãn các điều kiện về trạng thái giới hạn cực hạn và trạng thái giới hạn sử dụng Việc kiểm tra công nghệ gia cố nền cần được thực hiện cả trên hiện trường và trong phòng thí nghiệm, và nếu cần thiết, công nghệ sẽ được điều chỉnh cho phù hợp.
H.6 Dây chuyền khoan phun vữa áp lực cao từ mặt đất
