Báo cáo này sẽ trình bày những vấn đề chung nhất liên quan đến lún mặt đất sụt lún gây bởi các hoạt động đào hầm, cũng như một số khía cạnh về quản lý rủi ro trong quá trình xây dựng đoạ
Trang 1Một số vấn đề về quản lý rủi ro và lún mặt đất cho Dự án tuyến đường sắt đô thị thí điểm
TP Hà Nội
Th.S Nguyễn Đức Toản; TS Lưu Xuân Hùng
Ban Dự án Đường sắt Đô thị Hà Nội
LỜI GIỚI THIỆU CHUNG
Các kỹ sư Việt Nam đã có khá nhiều kinh nghiệm trong phương pháp làm hầm truyền thống trong mấy thập kỷ vừa qua Nhưng kinh nghiệm về làm hầm bằng máy khoan hầm toàn tiết diện, đặc biệt là trong các vùng đô thị, là chưa được như vậy
Trong khi đó, ngành công nghiệp hầm thế giới nói chung đã có những bước phát triển mạnh Những vấn đề lớn như độ bền vững, khả năng phục vụ, tính khả thi về mặt kỹ thuật và tính khả xây dựng hầu như đã có thể được giải quyết Các thành tựu về công nghệ cũng cho phép có được tốc độ đào hầm lớn và thực hiện được những hầm rất dài Đặc biệt, những bước đột phá mới nhất là thuộc về công nghệ xây dựng hầm bằng cơ giới toàn tiết diện Nếu như đánh giá và lựa chọn được một cách đúng đắn các máy khoan hầm (TBM) dùng khiên hiện đại, thì có thể thi công được các đường hầm xuyên qua hầu như bất kỳ loại đất đá nào Ngoài ra, nếu hiểu rõ và áp dụng được các biện pháp
kỹ thuật tiên tiến, thì hầu như có thể hoàn toàn tránh được những sự sụt lún mặt đất lớn
Do đó, các quốc gia đang phát triển như Việt Nam không thể đứng bên lề lâu hơn nữa trước tất cả những sự tiến bộ về công nghệ và chuyển biến về kinh tế đó, khi xét trong bối cảnh toàn cầu hóa, khi mà các nhu cầu phát triển của quốc gia được coi trọng thích đáng
Nước ta có hàng trăm trung tâm đô thị với hơn 20 triệu người sinh sống, đạt 26% trên tổng số dân hơn 83 triệu người Các thành phố lớn nhất như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng đang phải chịu cảnh tắc nghẽn giao thông nghiêm trọng và các hậu quả kéo theo của nó, chất lượng sống bị suy giảm đáng kể Thực tế cho thấy, các nỗ lực đầu tư vào việc nâng cấp hệ thống giao thông trên mặt đất có lẽ là không đủ Rõ ràng là cần phải có các giải pháp khác trong tương lai
Để giải quyết các vấn đề bằng cách tháo gỡ tắc nghẽn và tình trạng đông nghẹt quá mức, và để đảm bảo cho sự phát triển bền vững, cần phải xây dựng các hệ thống giao thông hiệu quả hơn Mạng lưới vận tải công cộng đô thị khối lượng lớn bằng đường sắt
sẽ là một giải pháp căn bản cho các thành phố, trong đó phải xây dựng các hệ thống tàu
điện ngầm (metro) mới Hai thành phố Hà Nội và TP Hồ Chí Minh đang xúc tiến xây
dựng những tuyến metro đầu tiên của mình
Xây dựng các dự án tàu điện ngầm là một vấn đề hoàn toàn mới ở nước ta, có nhiều rủi
ro cần được đánh giá và quản lý tốt
Báo cáo này sẽ trình bày những vấn đề chung nhất liên quan đến lún mặt đất (sụt lún) gây bởi các hoạt động đào hầm, cũng như một số khía cạnh về quản lý rủi ro trong quá trình xây dựng đoạn đi ngầm của Dự án tuyến đường sắt đô thị thí điểm Thành phố Hà
Trang 2Nội, có nhắc sơ lược đến Tuyến vận tải lớn số 2 (UMRT-21), với sự ưu tiên xem xét kỹ hơn về phương án sử dụng máy khoan hầm TBM
1 Giới thiệu về Dự án
Chủ đầu tư của dự án Tuyến đường sắt đô thị thí điểm Thành phố Hà Nội, đoạn Nhổn -
Ga Hà Nội, là Ban Dự án Đường sắt Đô thị Hà Nội (HRB)2, thuộc Ủy ban Nhân dân Thành phố Hà Nội (HPC)
Dự án Tuyến đường sắt đô thị thí điểm Thành phố Hà Nội, đoạn Nhổn - Ga Hà Nội là trục chính theo hướng Đông - Tây của Thành phố Theo kết quả khảo sát vào giờ cao điểm lưu lượng người tham gia giao thông trên đường Kim Mã là 37.600 người/ hai hướng/ giờ, đường Cát Linh là 25.380 người/ hai hướng/giờ Lưu lượng này đã vượt quá khả năng thông qua trên mặt cắt giao thông Tình trạng ùn tắc giao thông sẽ xảy ra rất nghiêm trọng vào những năm tới khi lượng ôtô cá nhân được sử dụng ngày càng tăng
Theo dự báo lưu lượng người tham gia giao thông đến năm 2010 vào giờ cao điểm trên đường Kim Mã sẽ là 50.000 đến 60.000 người/hai hướng/giờ Do vậy, việc đưa vào vận hành Tuyến đường sắt đô thị thí điểm là rất cần thiết, giải quyết cơ bản tình trạng ùn tắc giao thông do quá tải, tình trạng ô nhiễm do khí thải và đặc biệt đảm bảo an toàn cao cho người tham gia giao thông
Tuyến đường sắt đô thị thí điểm đi theo lộ trình sau: điểm đầu Nhổn (theo Quốc lộ 32)
- Cầu Diễn - Mai Dịch - Nút giao với đường Vành đai 3 - Cầu Giấy - Kim Mã - Núi Trúc - Giảng Võ - Cát Linh - Quốc Tử Giám - ga Hà Nội - điểm cuối trên đường Trần Hưng Đạo (trước ga Hà Nội)
Tổng chiều dài tuyến 12,5 Km + 0,2 Km đường dẫn vào Depot tại Nhổn, trong đó: đoạn
đi trên cao dài 9,8 Km (gồm cả 0,2 km đường dẫn), đoạn đi ngầm dài 2,9 Km Giai đoạn 2 của dự án sẽ xây dựng tiếp đoạn đi ngầm từ Ga Hà Nội đến Bác Cổ gần Nhà hát lớn
Tổ hợp Đề-pô của dự án đã được khởi công vào ngày 27/12/2006 Tuyến chính của dự
án dự kiến sẽ hoàn thành thiết kế chi tiết sớm và tiến hành thi công trong năm 2007, nhằm hoàn thành vào năm 2010 nhân dịp đại lễ kỷ niệm một ngàn (1000) năm Thăng Long
2 Quản lý Rủi ro
Nói chung, một hệ thống hoàn chỉnh về các nghiệp vụ quản lý dự án, quản lý tài chính
và hợp đồng là cần thiết cho một dự án giao thông, cơ sở hạ tầng, kỹ thuật, hay xây dựng bất kỳ Cần phải tối đa hóa lợi ích cho các Chủ đầu tư trong khi đó vẫn phải giảm thiếu các rủi ro bất lợi cho họ Trong nhiều giai đoạn của chu trình thực hiện dự án, những nghiệp vụ chuyên môn này có thể bao gồm:
• Cố vấn về thương mại và đánh giá rủi ro trước khi ký kết hợp đồng;
1 Vận tải Đường sắt Đô thị Khối lượng Lớn; cũng gọi là "Dự án Xây dựng Đường sắt Đô thị Thành phố Hà Nội (Tuyến số 2)"
2 Trước đây là Ban Quản lý, Phát triển Vận tải Công cộng và Xe điện Hà Nội (HATD)
Trang 3• Quản lý dự án;
• Quản lý hợp đồng và tài chính;
• Kiểm soát khối lượng;
• Giải quyết tranh chấp khiếu kiện;
• Quản lý thi công; và
• Quản lý nhân sự, đào tạo/huấn luyện và tuyển dụng nhân viên
Ban Dự án Đường sắt Đô thị Hà Nội (HRB) đang nỗ lực tăng cường kinh nghiệm về tất
cả các nghiệp vụ chuyên môn này để quản lý thực hiện tốt tất cả các đoạn tuyến đi trên cao, đi trên mặt đất, và đi dưới ngầm của các dự án vận tải đường sắt đô thị được giao
Về vấn đề quản lý/kiểm soát khối lượng, có lẽ sẽ rất tốt nếu thực hiện được việc nghiên cứu/lập ra một chỉ dẫn về phương pháp xây dựng đơn giá, dự toán và quản lý dự toán trong các giai đoạn quy hoạch, lập chương trình, và tiền xây dựng, nhằm đạt được một
sự nhất quán và chính xác cao giữa việc quy hoạch, lập chương trình và thiết kế cơ sở,
và thiết kế cuối cùng Chỉ dẫn này, nếu có được, sẽ phải khảo sát/cung cấp được các chiến lược, phương pháp, và công cụ thích hợp nhằm thiết lập, theo dõi, và lập hồ sơ cho tất cả các việc xây dựng đơn giá, dự toán mang tính thực tế trong từng giai đoạn của toàn bộ quá trình
Đối với việc xây dựng các đoạn ngầm của Tuyến đường sắt đô thị thí điểm Thành phố
Hà Nội, đang có sự ưu tiên cho việc lựa chọn loại/công nghệ TBM phù hợp, bằng phương thức thuê máy hoặc mua lại máy cũ đã qua tân trang Phần dưới đây sẽ trình bày về quản lý rủi ro cho phương án áp dụng TBM
2.1 Các trường hợp gây khó khăn khi đào hầm bằng TBM trong đất
Sự hoạt động của TBM sẽ chịu ảnh hưởng của chất lượng đất đá, kiểu/loại máy lựa chọn và đường kính hầm Những tiến bộ về công nghệ và tính tin cậy của TBM đã khiến cho nhiều hầm được khoan đào một cách thành công qua các điều kiện địa chất
mà trước đây từng được cho là khó khăn Tuy nhiên, các trường hợp gây khó khăn phát sinh khi tiến hành đào hầm bằng TBM vẫn không hề biến mất hẳn Trong khi khoan đào, tình hình có thể trở nên xấu đi nghiêm trọng tại bất cứ thời điểm nào, theo từng mét chiều dài tiến sâu, và dưới các tình huống đa dạng
Theo giáo sư Kovari (2004), các nhân tố rủi ro cao của đào hầm trong các vùng đô thị bao gồm:
• Lớp đất phủ mỏng: Trong trường hợp đường kính hầm lớn thì có thể phát sinh các chuyển dịch đất (lún) và sập lở lan đến tận trên mặt đất
• Các kết cấu hiện hữu kế bên: Sự nhạy cảm của các công trình kế bên đối với lún mặt đất, và những hư hỏng tiềm tàng gây bởi sập lở, có thể biến động trong một dải rất rộng Ngoài việc theo dõi quan trắc trên mặt đất để kiểm soát các tác động/hậu quả và những hư hại tiềm tàng đối với các công trình nhà cửa, công trình kỹ thuật công cộng và cơ sở hạ tầng hiện hữu, thì còn phải áp dụng các phương pháp phân loại rủi ro hư hỏng phù hợp
• Các chướng ngại vật chưa được biết đến trong lòng đất: Sự có mặt của các vật chướng ngại ẩn dấu dưới lòng đất sẽ gây ra những khó khăn nhất định cho công tác đào hầm đô thị sử dụng TBM
Trang 4• Những bó buộc về bố trí tuyến: Việc lựa chọn tuyến theo cả trắc dọc và trắc ngang nói chung sẽ gặp phải những bó buộc hạn chế nhất định Chi phí giải phóng mặt bằng có thể là rất lớn, và các móng của các công trình cũ có thể gây ra nhiều phức tạp trong quá trình thi công
• Những khó khăn về lối tiếp cận: Ví dụ, việc lựa chọn các vị trí bắt đầu/xuất phát đào hầm (như giếng đặt máy TBM, lối tiếp cận cho TBM), và việc lập kế hoạch vận chuyển vật liệu đến và đi khỏi công trường; các hạn chế về bố trí các lỗ khoan phục vụ thăm dò khảo sát, phục vụ kiểm soát nước ngầm hay gia cố nền đất
• Sự phản đối của công chúng: Có thể xảy ra sự mất lòng tin của công chúng về công nghệ TBM, và sự phản đối mạnh mẽ việc thực hiện các dự án ngầm tiếp theo trong các thành phố, nếu một khi đã để xảy ra hư hại đến các công trình hiện tại và đường sá
Các biện pháp chính để cho phép tiến hành thi công hầm an toàn và kinh tế trong môi trường đất mềm yếu trong các điều kiện đô thị có sử dụng TBM kiểu Cân bằng Áp lực
đất (EPB) hay Vữa bùn tạo áp/Dung dịch khoan (Slurry) để chống đỡ gương đào sẽ bao
gồm:
• Công nghệ TBM hiệu quả
• Thủ tục thiết kế tin cậy
• Các phương pháp xử lý đất đào tiên tiến
• Công nghệ bơm vữa gia cố hiện đại
• Quản lý rủi ro tin cậy
2.2 Quản lý rủi ro cho hầm
Kỹ thuật làm hầm không phải là một công nghệ phi rủi ro Việc chọn được phương pháp thi công "đúng đắn", với các bên tham gia thi công có kinh nghiệm "phù hợp", là rất quan trọng để đảm bảo cho sự thành công
Việc xây dựng hầm và công trình ngầm bị tác động bởi các rủi ro tiềm tàng không chỉ đối với các bên trực tiếp tham gia vào công việc (chủ đầu tư, tư vấn, nhà thầu, nhà cung cấp), mà còn đối với cả công chúng, đặc biệt là ở các khu đô thị Các dự án công trình ngầm ngày nay phải xét tới rất nhiều yếu tố về môi trường và chính trị hậu trường, những yếu tố này góp thêm phần phức tạp tổng thể cho một dự án nhất định Chính điều này tạo nên nhu cầu phải quản lý rủi ro
Theo định nghĩa, rủi ro gồm hai thành phần: xác suất xảy ra w và lượng thiệt hại D Về đánh giá định lượng, tích số của hai yếu tố này sẽ cho ta rủi ro: R = w x D Một rủi ro
ban đầu có thể được giảm đi bằng cách làm giảm xác suất xảy ra và giảm tác động của
nó Rõ ràng, các rủi ro còn lại (rủi ro cuối cùng) là không thể tránh khỏi, và chúng phải được chia sẻ giữa các bên tham gia và phải được kiểm soát một cách có hệ thống bằng các biện pháp đề phòng
Theo Hội Công trình ngầm Quốc tế (ITA, 2004), có một số dạng rủi ro sau đây:
- rủi ro vượt quá vốn đầu tư cho phép
- rủi ro chậm trễ tiến độ công việc
- các rủi ro về môi trường
Trang 5- rủi ro về các vụ sập lở hầm tai tiếng lớn, và các thảm họa khác (khả năng xảy ra các tai nạn quy mô lớn trong quá trình làm hầm)
- rủi ro về thiệt hại đối với một loạt các bên thứ ba về người và tài sản trong các khu đô thị (một mối lo ngại đặc biệt với các tòa nhà được phân loại di sản)
- rủi ro của việc công chúng phản đối, gây bởi các vấn đề xuất phát từ các dự án hầm
"Quản lý rủi ro" là một thuật ngữ tổng quát bao gồm các việc xác định rủi ro, đánh giá rủi ro, phân tích rủi ro, loại trừ rủi ro, giảm nhẹ và kiểm soát rủi ro Quản lý rủi ro cho hầm hiện nay đã là một thông lệ đối với các dự án lớn trên toàn thế giới Lời khuyên là nên áp dụng các kỹ thuật quản lý rủi ro có tính hệ thống cho công tác quản lý rủi ro Thông qua việc áp dụng một Kế hoạch Quản lý Rủi ro (RPM) minh bạch và có hiệu quả, thực hiện ngay từ các giai đoạn thiết kế ban đầu cho đến các giai đoạn xây dựng và vận hành, hầu hết các rủi ro sẽ có thể được quản lý một cách có hiệu quả
Các công cụ quản lý rủi ro có thể bao gồm (theo ITA, 2004):
- Phân tích dạng cấu trúc cây sai lỗi
- Phân tích dạng cấu trúc cây sự kiện
- Phân tích dạng cấu trúc cây quyết định
- Phân tích đa rủi ro
- Mô phỏng Monte Carlo
Một Quy tắc Thực hành về Quản lý Rủi ro các Dự án Hầm, lập trên cơ sở theo từng giai đoạn của dự án, sẽ là rất có ích nhằm đối phó với thách thức ngày càng tăng của các dự
án xây dựng hầm trong tương lai Người ta hy vọng rằng các rủi ro sẽ được chia sẻ một cách công bằng giữa các bên tham gia
Trong giai đoạn đấu thầu hợp đồng thi công được khuyến nghị trong Quy tắc nói trên,
có ba điểm cần được nêu bật: i) sử dụng các mẫu hợp đồng theo Liên đoàn kỹ sư tư vấn quốc tế (FIDIC), Hội kỹ sư dân dụng Anh (ICE), theo mẫu quốc gia hay mẫu khác đã được chứng minh qua thực tế; (ii) sử dụng Báo cáo Cơ sở về Địa kỹ thuật (GBR) trong các tài liệu hợp đồng chính, cũng như trong tài liệu hợp đồng thầu phụ; và (iii) đưa vào trong hợp đồng các điều khoản về rủi ro Rủi ro về các điều kiện địa chất không lường trước (các điều kiện hiện trường thay đổi) và các tranh chấp khiếu kiện về mặt hợp đồng
sẽ phải được xem xét cẩn thận; những việc này có thể được quản trị một cách có hiệu quả nhờ một Hội đồng Giải quyết Tranh chấp (DRB)
Các công cụ hữu ích khác gồm có: Phương pháp đánh giá chi phí-rủi ro (ví dụ, Quá trình Thẩm định Dự toán Chi phí - CEVP), và một công cụ giúp ra quyết định trong xây dựng hầm (Trợ giúp Quyết định trong Làm hầm - DAT)
Quá trình Thẩm định Dự toán Chi phí (CEVP) xây dựng một mô hình về chi phí và tiến
độ dựa trên xác suất thống kê nhằm xác định một cách toàn diện và nhất quán các dải giá trị biến thiên có thể có của chi phí và tiến độ cần để hoàn thành mỗi dự án, bằng cách xét đến tất cả các lượng không chắc chắn (sự không chắc chắn bao gồm cả rủi ro lẫn cơ hội có lợi) (Reilly, 2005)
Trợ giúp Quyết định trong Làm hầm (DAT) giúp đưa ra các quyết định hợp lý hơn, đầy
đủ thông tin hơn, và hiệu quả hơn cho việc thiết kế và thi công hầm Yếu tố quan trọng nhất của DAT là khả năng xem xét được nhiều nguồn khác nhau của các thông số biến thiên và những sự không chắc chắn về địa kỹ thuật và thi công
Trang 6Cả Kế hoạch Quản lý Rủi ro (RPM) và Trợ giúp Quyết định trong Làm hầm (DAT) đã được áp dụng một cách thành công trong những năm gần đây cho một loạt các dự án hầm quan trọng có chiều dài và độ sâu lớn, như hầm trên tuyến đường sắt cao tốc California - Mỹ, các hầm đường sắt cao tốc Pajares và Guadarrama ở Tây Ban Nha, hầm tuyến đường sắt cao tốc mới Lyon-Turin nối Pháp và Italia (Grasso, 2001)
Có thể tham khảo kinh nghiệm dưới đây về quản lý rủi ro từ dự án Metro Copenhagen ở Đan Mạch (thông xe lần lượt vào các năm 2002, 2003 và 2007):
◊ Hợp đồng chỉ rõ công tác đánh giá rủi ro trong xây dựng cần được Nhà thầu thực hiện Có những yêu cầu chung cho tất cả các việc đánh giá rủi ro trong thi công cần phải tiến hành cho mọi công trường, và một số yêu cầu kỹ hơn về đánh giá rủi ro trong thi công cho các máy TBM
◊ Việc đánh giá rủi ro trong thi công cho TBM đã phải bắt đầu ngay sau khi ký kết Hợp đồng với một sự đánh giá về bản thiết kế ban đầu, sau đó là một đánh giá về thiết kế chi tiết, nhằm mục đích hoàn thiện việc thiết kế TBM Hơn nữa, đánh giá rủi ro cho hoạt động của TBM cũng đã được tiến hành - nhằm cung cấp dữ liệu đầu vào cho các quy trình vận hành máy
◊ Việc xác định/nhận dạng và quản lý rủi ro:
• Rủi ro về lắp ghép vỏ hầm gây bởi sự xoay của máy TBM
• Áp lực đào tiến của TBM
• Xoắn các bản đệm của kích đẩy khiên
• Sự bó cứng thủy lực của cơ cấu lắp ráp vỏ hầm
• Các điều kiện vận chuyển vỏ hầm và vật liệu
• Trình tự lắp ráp vỏ hầm
• Sự lệch tâm của các kích đẩy khiên
• Các lực kéo bất lợi cho mặt cắt vỏ hầm
2.3 Vài nhận xét mang tính kết luận về quản lý rủi ro
Để đáp ứng các yêu cầu phức tạp của một dự án hầm, việc thiết kế địa kỹ thuật phải được dựa trên một chương trình khảo sát địa kỹ thuật đầy đủ, sau đó đưa đánh giá phân tích số liệu, rồi thiết lập chương trình theo dõi quan trắc
Các máy khoan hầm TBM tính năng cao là rất quan trọng cho việc xây dựng thành công các dự án hầm TBM phải là các cỗ máy được chế tạo theo mục đích cụ thể, sử dụng công nghệ hiện đại đã được kiểm chứng, và được thiết kế một cách đặc thù cho từng dự
án, theo tiêu chuẩn/tham số kỹ thuật ít nhất, nhằm đảm bảo độ tin cậy của chúng về các mặt tính năng làm việc và kiểm soát lún đất Chúng phải được thiết kế sao cho bao quát được hết dải điều kiện địa chất đã dự kiến
Các thủ tục quản lý rủi ro phải được quy định nhằm bao quát được mọi rủi ro có thể; chuẩn bị các biện pháp để đối phó với các rủi ro đó, bao gồm cả việc ước tính chi phí xử
lý tương ứng Các rủi ro phải được xem xét nghiên cứu ngay từ các bước ban đầu của
dự án hầm, trải từ quá trình xây lắp cho đến vận hành công trình Phải quy định và phân
bổ ngân sách cho quản lý rủi ro trong các tài liệu đấu thầu và trong các yêu cầu của hợp đồng
Trang 73 Lún mặt đất do hoạt động đào hầm
3.1 Khái quát
Mọi việc đào dưới ngầm đều gây ra chuyển dịch đất Nói cách khác, chuyển dịch đất là một kết quả không thể tránh khỏi của việc xây dựng một đường hầm Đặc biệt, những chuyển dịch này biểu hiện rõ nhất thành sự biến dạng lún mặt đất
Thể tích đào đất phụ thêm lớn hơn so với thể tích khoảng trống cần thiết để cho hầm chiếm chỗ được gọi là "hao hụt thể tích nền đất" hay "mất mát đất" Nó thường được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm của diện tích thiết diện đào hầm (VL) Một phần của lượng mất mát về đất xung quanh hang hầm này sẽ phát triển lên đến bề mặt, gây ra máng lún (thể tích máng lún trên đơn vị chiều dài theo hướng trục hầm gọi là VS)
Lượng mất mát thể tích đất quanh hang hầm VL sẽ gần tương đương với thể tích thực của máng lún trên bề mặt VS trong đa số điều kiện địa chất Nếu đáp ứng biến đổi của đất trong quá trình đào là theo một thể tích không đổi (ví dụ, điều kiện không thoát nước), thì mối quan hệ nói trên sẽ là chính xác Giả thuyết này sẽ được nghiệm đúng đặc biệt khi nền đất là có tính sét và lớp đất phủ trên nóc hầm là mỏng Nếu không, mối quan hệ giữa chuyển dịch đất tại nóc hầm (Unóc) và độ lún tại bề mặt phía trên tim hầm (Smax) có thể sẽ khác đi
Độ lớn của hao hụt thể tích đất nền VL phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau:
• tốc độ đào tiến hầm
• hình thức chống đỡ tạm và chống đỡ ban đầu
Trước khi có thể dự báo được độ lớn của biến dạng đất, thì cần phải ước lượng giá trị hao hụt thể tích đất dự kiến Ước lượng này sẽ được dựa trên các trường hợp thi công thực tế (số liệu của các công trình đã biết), và phải có một đánh giá phân tích về kỹ thuật có tính đến phương pháp thi công hầm đề xuất và các điều kiện hiện trường
Có hai phương pháp tính toán lún mặt đất: (1) phương pháp bán kinh nghiệm đã được chứng minh tốt qua ứng dụng thực tế, dựa trên các công thức kinh nghiệm được rút ra
từ các kết quả quan trắc tại các công trình cũ; và (2) phương pháp số, mà chủ yếu là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), là phương pháp khá phổ biến hiện nay
3.2 Các cách tiếp cận về kiểm soát lún
Sự có mặt của một công trình trên mặt đất thường làm thay đổi biên dạng lún, do bởi sự tương tác giữa đất nền và kết cấu Nếu các lượng lún không đều (lún lệch) là đủ lớn thì chúng có thể làm hư hại công trình
Sau đây là trình tự xem xét thực thi để giảm thiểu biến dạng lún gây ảnh hưởng cho công trình phía trên hầm:
¾ Tính toán/dự báo biến dạng lún;
¾ Các khảo sát hiện trạng/hư hại công trình cũ; và
Trang 8¾ Các biện pháp sửa chữa công trình cũ
Lún mặt đất gây bởi đào hầm có thể được giảm nhẹ và kiểm soát bằng cách áp dụng các biện pháp bảo vệ sau đây [2]:
• Kỹ thuật thi công hầm tốt (bao gồm: làm việc liên tục, lắp dựng vỏ hầm ngay
sau khi đào đất, và kiểm soát chặt chẽ quá trình thi công hầm nhằm giảm độ lớn của lún);
• Các biện pháp từ gốc (bao gồm mọi hoạt động thực hiện từ bên trong lòng hầm
trong quá trình thi công nhằm giảm độ lớn của chuyển dịch đất phát sinh tại nguồn, chẳng hạn như ổn định hóa gương đào, bơm vữa lấp khoảng trống xung quanh vỏ hầm
tại đuôi khiên, v.v…);
• Các biện pháp xử lý gia cố nền đất (như bơm vữa thâm nhập gia cố, bơm vữa
áp lực, kiểm soát nước ngầm, v.v…);
• Các biện pháp về kết cấu (nhằm giảm tác động gây hại của chuyển động đất
bằng cách gia tăng khả năng chịu lực của tòa nhà hay kết cấu, thường là bao gồm cả kỹ
thuật chống gia cường từ bên dưới móng hoặc kích/chống giằng)
Các khảo sát về hiện trạng/hư hại công trình cũ phải được thực hiện đủ lâu trước khi bắt đầu tiến hành việc xây dựng trong khu vực, nhằm nắm được tình trạng của mọi tài sản ngay trước khi thi công hầm Cần phải áp dụng một hệ thống phân loại hư hỏng đáng tin cậy cho các công trình xây vữa/gạch xây theo quan niệm về hạn chế biến dạng kéo Có thể áp dụng một quá trình đánh giá rủi ro theo giai đoạn, bao gồm đánh giá sơ bộ, đánh giá giai đoạn hai, và đánh giá chi tiết Trong quá trình này, các tòa nhà được loại dần ra khỏi các giai đoạn đánh giá tiếp theo tùy thuộc vào mức độ hư hại tiềm tàng được dự báo
3.3 Tính toán lún
Lún mặt đất sẽ được tính toán dựa trên các thông số về kích thước hình học của hầm, điều kiện địa chất, tính chất của khiên đào, cách phân đoạn cho vòng vỏ hầm lắp ghép,
và vật liệu vỏ hầm, v.v… Những số liệu này sẽ được thu thập chính xác sau nhờ quá trình khảo sát địa chất bổ sung sẽ được Chủ đầu tư tiến hành sớm, và qua quá trình thiết
kế chi tiết được thực hiện đồng thời
Các tính toán có thể dùng phương pháp bán kinh nghiệm/giải tích hoặc phương pháp số, hoặc cả hai
Về phương pháp kinh nghiệm, Peck (1969), O’Reilly & New (1982) đã đưa ra một đường cong Gauss để xấp xỉ hóa hình dạng máng lún ngắn hạn theo chiều ngang cho một hầm đơn trong điều kiện "cánh đồng" (không có nhà cửa hay công trình bên trên, Hình 1), theo công thức sau:
2 maxexp 2
2
y
i
o
i K z= (O’Reilly & New, 1982)
trong đó,
S = độ lún bề mặt lý thuyết (là hàm sai số Gauss, hoặc đường cong xác suất
chuẩn)
Trang 9Hình 1: Máng lún bề mặt (theo Peck, 1969)
Smax = độ lún bề mặt lớn nhất (phía trên trục hầm, tức là, chiều sâu máng lún) exp = hàm số mũ ex, trong đó e gần bằng 2.718 và là cơ số của hàm số lôgarit tự
nhiên
i = độ lệch tiêu chuẩn của đường cong (điểm uốn của đường cong), hoặc gọi là
thông số bề rộng máng lún
K = hằng số thực nghiệm không thứ nguyên, phụ thuộc vào loại đất
Smax, K và i được cho bởi các biểu thức sau (trong số nhiều công thức đề xuất khác):
2 2
L
4
i
π
(New & O'Reilly, 1991 / Mair và nnk, 1996) với D là đường kính hầm
o
i K z=
i = 0.43z 0 + 1.1 [m]; K = 0.4 ÷ 0.5 (cho các đất dính)
i = 0.28z 0 - 0.1 [m]; K = 0.25 ÷ 0.35 (cho các đất không dính)
VL có thể được tính toán theo các phương pháp thi công hầm như sau:
NATM:
Đất sét London → VL = 0.5% - 1.5%
giá trị này tương ứng khá tốt với kỹ thuật đào hầm bằng khiên có kiểm soát
Đào hầm gương hở
Sét cứng → VL = 1% và 2%
Đào hầm gương kín (khiên EPB hoặc Slurry): Có thể đạt được mức độ kiểm soát lún rất tốt
Trong các loại cát → VL < 0.5% (có thể đạt được 0.35% bằng công nghệ đào hầm bằng khiên Slurry và EPB)
Trong các đất sét → VL = 1% - 2% (không kể các lượng lún do cố kết)
Smax
y -y
i Khoảng cách đến tim hầm, y
Trang 10Mặt khác, có thể dùng phương pháp số để mô hình hóa quá trình đào hầm nhằm phân tích ứng xử của kết cấu vỏ hầm và lượng hao hụt thể tích đất nền quanh biên hầm Khi
mô hình hóa và dự báo sự phát triển của lún bề mặt bằng một phần mềm địa cơ học chuyên dụng, cần biết các số liệu đầu vào như: kích thước hình học, tính chất vật liệu của hệ thống chống đỡ Các kết quả đầu ra ngoài biến dạng lún mặt đất còn bao gồm các nội lực trong vỏ hầm (lực dọc và mômen uốn dùng để thiết kế cốt thép cho vỏ hầm),
và các đường ứng suất
Tóm lại, có thể tính toán lún mặt đất gây ra do đào hầm đô thị bằng cách dùng cả phương pháp số và phương pháp kinh nghiệm Có thể dùng kết hợp cả hai phương pháp này để kiểm tra chéo lẫn nhau Phương pháp PTHH là một công cụ mạnh nhưng nó vẫn phụ thuộc vào trình độ của người sử dụng, chưa kể đến các chấp nhận gần đúng và các phép xấp xỉ nhất định Điều rất quan trọng là kết quả đầu ra của phần mềm tính toán số phải được kiểm tra phân tích một cách cẩn thận
Người kỹ sư cần nhớ rằng, phương pháp bán kinh nghiệm phải được sử dụng với sự cẩn trọng tỷ mỷ, và phương pháp PTHH bằng phần mềm địa cơ học phải được sử dụng với
sự hiểu biết thấu đáo theo chiều hướng ngày càng có hiệu quả hơn Sau bước phân tích
về lún mặt đất, luôn cần có bước tiếp theo là phân tích đánh giá rõ ràng về các tác động của việc đào hầm lên các công trình hiện hữu nằm phía trên đường hầm
4 Đánh giá hư hại đối với các công trình hiện hữu
Như đã biết, các loại công trình khác nhau sẽ bị ảnh hưởng theo những cách khác nhau bởi máng lún Như đã nói ở trên, một chiến lược nhằm giảm thiểu hư hại cho các tòa nhà cũ liền kề gây bởi biến dạng lún nền đất do đào hầm sẽ bao gồm các công việc: Tính toán/dự báo biến dạng lún; Theo dõi quan trắc; Các công tác bảo vệ phòng ngừa; Các khảo sát hiện trạng/hư hại công trình cũ; và Các biện pháp sửa chữa công trình cũ Việc khảo sát chi tiết và chỉ dẫn áp dụng về các phương pháp đánh giá hư hại nhà cửa gây ra bởi đào hầm không phải là chủ đề của bài báo này
Tuy nhiên, có thể nói sơ qua rằng, các triết lý thiết kế đã sử dụng các kỹ thuật phân loại công trình cũ theo xác suất của một ngưỡng nhất định về hư hại đang xét Điều này dẫn đến việc áp dụng một Quá trình Đánh giá theo Giai đoạn Các tòa nhà hiện hữu đang xét
sẽ được xếp ra khỏi danh sách cần đánh giá tiếp, nếu thông qua các phép tính toán phân tích ngày càng phức tạp hơn, mà thấy rằng chúng nằm trong phạm vi các mức độ rủi ro
có thể chấp nhận được (Chiriotti, 2006)
Sau đây là một số thông tin mà sẽ có ích cho quá trình đánh giá thực tế các công trình
cũ trong tương lai trong quá trình thực hiện các dự án vận tải đường sắt đô thị tại Hà Nội
Ảnh hưởng của đào hầm đến móng cọc hiện hữu: Các công trình xây dựng cao tầng
(ví dụ hơn 10 tầng) xuất hiện khá nhiều ở Hà Nội trong thời gian gần đây (15 năm trở lại) Số lượng các công trình có độ cao từ 12 đến 27 tầng là vào khoảng 50 Các loại móng sử dụng ở Hà Nội được thể hiện trong Bảng 1 dưới đây
Đa số các công trình xây dựng thấp tầng ở Hà Nội được xây dựng trước những năm
1980 đều sử dụng hình thức đóng cọc tre hoặc xây gạch chân móng trên nền đất phù sa hoặc sét phù sa Vì vậy, các công trình này rất dễ bị ảnh hưởng, tác động và hư hại bởi việc đào móng, đào hầm hoặc độ rung lớn từ công trình xây dựng liền kề
