LUẬN VĂN THẠC SĨ CẦU HẦM METRO NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐÀO MỞ KẾT HỢP VỚI CÔNG NGHỆ TƯỜNG TRONG ĐẤT CHO METRO

tường trong đất cho metro” được thực hiện từ tháng 06/2006 đến tháng 7/2007 với mục đích nghiên cứu đưa ra phương án thi công hầm cho metro bằng phương pháp đào mở kết hợp với công nghệ

PHAN TÔ ANH VŨ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐÀO MỞ KẾT HỢP VỚI CÔNG NGHỆ TƯỜNG TRONG ĐẤT

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

Chuyên ngành: Cầu, tuynen và các công trình xây dựng khác trên đường ôtô và đường sắt MSHV: 00104040

I – TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐÀO MỞ

KẾT HỢP VỚI CÔNG NGHỆ TƯỜNG TRONG ĐẤT CHO METRO

II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐÀO MỞ KẾT HỢP VỚI CÔNG NGHỆ TƯỜNG TRONG ĐẤT CHO METRO

Phần mở đầu: Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Chương 1: Phương pháp đào mở và công nghệ tường trong đất

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp đào mở kết hợp với công nghệ tường trong đất Chương 3: Nghiên cứu chọn chiều sâu đặt tường hợp lý và tính toán nội lực, biến dạng của

tường trong quá trình đào đất

Chương 4: Ap dụng chọn chiều sâu đặt tường và tính toán nội lực, biến dạng cho hệ thống

Metro tại Thành phố Hồ Chí Minh

Phần kết luận và kiến nghị

III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÊ THỊ BÍCH THỦY; TS PHÙNG MẠNH TIẾN

tường trong đất cho metro” được thực hiện từ tháng 06/2006 đến tháng 7/2007 với

mục đích nghiên cứu đưa ra phương án thi công hầm cho metro bằng phương pháp đào mở kết hợp với công nghệ tường trong đất, đề tài cũng đưa ra những lý thuyết

để chọn chiều sâu đặt tường, nội lực, chuyển vị của thân tường trong quá trình đào

mở Luận văn cũng đưa ra ví dụ tính toán tham khảo cho đoạn tuyến Metro tại Thành phố Hồ Chí Minh với địa chất đã được khảo sát

Tôi xin trân trọng cảm ơn Thầy TS Phùng Mạnh Tiến, Cô TS Lê Thị Bích Thủy đã giúp đỡ, tận tình hướng dẫn và cung cấp các thông tin cần thiết để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các Thầy Cô giáo trong Bộ môn Cầu đường và Khoa Sau Đại học của Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên không tránh khỏi những hạn chế

và thiếu sót Tôi rất mong được sự đóng góp của quý Thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn

MỞ KẾT HỢP VỚI CÔNG NGHỆ TƯỜNG TRONG ĐẤT

CHO METRO”

Phần mở đầu: Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Xác định mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu luận văn, nêu được ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận văn

Chương 1: Phương pháp đào mở và công nghệ tường trong đất

Giới thiệu phương pháp đào mở không dùng hệ thống chống đỡ và có dùng

hệ thống chống đỡ tạm bằng nhiều kiểu chống khác nhau Giới thiệu công nghệ tường trong đất, phương pháp đào mở kết hợp với công nghệ tường trong đất

Chương này nêu nội dung của công nghệ thi công tuờng trong đất, nêu các yêu cầu kỹ thuật khi thi công tường trong đất So sánh phương pháp đào mở kết hợp công nghệ tường trong đất với một số phương pháp thi công khác như: NATM, khiên đào, giếng chìm,…

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp đào mở kết hợp với công nghệ tường trong đất

Nêu cơ sở lý thuyết của việc ổn định mái dốc, lý thuyết tải trọng tác động lên kết cấu chắn giữ Nguyên lý áp lực đất chủ động, bị động Lý thuyết tính toán công nghệ tường trong đất, lý thuyết tính kết cấu neo giữ

Chương 3: Nghiên cứu chọn chiều sâu đặt tường hợp lý và tính toán nội lực, biến dạng của tường trong quá trình đào mở

Chương 4: Ap dụng chọn chiều sâu đặt tường và tính toán nội lực, biến dạng cho hệ thống Metro tại Thành phố Hồ Chí Minh

Nghiên cứu khảo sát địa chất khu vực 02 tuyến Metro tại Thành phố Hồ Chí Minh Dùng lý thuyết trình bày trong chương 3 để nghiên cứu chọn chiều sâu đặt tường và tính toán nội lực, biến dạng cho một đoạn tuyến lựa chọn

Phần kết luận và kiến nghị

MỤC LỤC

1.1 Giới thiệu sơ bộ về phương pháp đào mở kết hợp với công nghệ

Chương 1: Phương pháp đào mở kết hợp công nghệ tường trong đất

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp đào mở kết hợp với công nghệ tường trong đất

2.1.2.2 Hệ số an toàn về ổn định của mái đất rời không đồng nhất 45

2.2.1.1.1 Trường hợp đất rời 47

Chương 3: Nghiên cứu chọn chiều sâu đặt tường hợp lý và tính toán nội lực, biến dạng của tường trong quá trình đào đất

3.3 Các vấn đề chung về tính toán áp lực đất lên kết cấu tường chắn 65

3.4.1 Chiều sâu đặt tường dưới ảnh hưởng của sức chịu tải của đất nền 77

Chương 4: Ap dụng tính toán cho hệ thống metro tại Thành phố Hồ Chí Minh

4.4.1 Chọn đoạn tuyến metro 108

4.4.4 Kết quả tính toán chiều sâu đặt tường hợp lý và tính toán nội lực, biến dạng

PHẦN MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Mục tiêu: Giới thiệu những nét chính liên quan đến phương pháp đào mở kết

hợp với công nghệ tường trong đất, qua đó xác định mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu luận văn, nêu được ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận văn

Phương pháp nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích các tài liệu có liên quan Kết quả đạt được: Nêu được tính cấp thiết, ý nghĩa thực tiễn của luận văn

1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu sơ bộ về phương pháp đào mở kết hợp với công nghệ tường trong đất

- Phương pháp tường trong đất bắt đầu áp dụng từ sau năm 1940, để xây dựng các màn chống thấm, trong công trình ngầm, công trình đào sâu,

- Phương pháp “tường trong đất” là một trong những phương pháp tiến bộ nhất để xây dựng các công trình ngầm và công trình đào sâu Việc áp dụng phương pháp này cho phép giảm những công việc xây dựng đắt tiền như: công tác cọc, việc

hạ mực nước ngầm,

- Thường được áp dụng trong điều kiện chật hẹp của khu vực công trình xây dựng, khu vực đông dân cư,…

1.2 Giới thiệu sơ bộ về điều kiện Thành phố Hồ Chí Minh

- Thành phố Hồ Chí Minh là trung tâm kinh tế xã hội của đất nước, mật độ xây dựng dày đặc, dân cư đông đúc, phương tiện giao thông hỗn hợp thường xuyên xảy

ra tai nạn, ách tắt giao thông, môi trường ô nhiễm, hệ thống giao thông công cộng yếu kém,…

- Để hạn chế ách tắc giao thông phải xây dựng hệ thống vận tải công cộng,

cụ thể như: Xe buýt, xe điện mặt đất, tàu điện ngầm (Metro) Trong đó quan tâm nhất là hệ thống metro Sau khi xây dựng các tuyến Metro với năng lực vận chuyển

lớn và tốc độ cao sẽ vận chuyển một lưu lượng lớn hành khách góp phần giải quyết tình trạng nêu trên, đồng thời đem lại những lợi ích lâu dài về mặt kinh tế sau này

- Việc xây dựng các tuyến metro của thành phố cũng đang được nghiên cứu cấp bách, một trong những phương án có thể lựa chọn để xây dựng là phương pháp đào mở kết hợp với công nghệ tường trong đất

Do vậy, nội dung nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu ứng dụng phương pháp đào mở kết hợp với công nghệ tường trong đất để xây dựng cho Metro

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Thông qua việc nghiên cứu, so sánh ưu, khuyết điểm của các phương án thi công vỏ hầm trên thế giới sẽ chứng minh tính phù hợp của phương án thi công mở kết hợp với công nghệ tường trong đất để thi công vỏ hầm cho hệ thống Metro, đặc biệt rất thích hợp trong điều kiện Tp Hồ Chí Minh Chính vì vậy mục tiêu luận văn tập trung nghiên cứu công nghệ thi công, lý thuyết tính toán công nghệ đào mở kết hợp tường trong đất Phân tích chọn chiều sâu đặt tường một cách lợp lý, tính toán nội lực, biến dạng trong quá trình đào mở kết hợp với công nghệ tường trong đất Nghiên cứu xem xét ứng dụng cho một đoạn tuyến Metro ở Thành phố Hồ Chí Minh

3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nội dung luận văn chỉ đề cập đến nghiên cứu công nghệ thi công và lý thuyết tính toán của phương pháp đào mở kết hợp với công nghệ tường trong đất để phục vụ trong việc xây dựng Metro, áp dụng tính toán cho đoạn đi ngầm của 02 tuyến metro trong Tp Hồ Chí Minh

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CứU

- Giới thiệu phạm vi áp dụng của phương pháp, giới thiệu các công trình thực

tế đã áp dụng công nghệ này

- So sánh ưu, khuyết điểm với các phương pháp khác

- Giới thiệu cơ sở lý thuyết của phương pháp đào mở và phương pháp đào

mở kết hợp với công nghệ tường trong đất

- Nghiên cứu chọn chiều sâu đặt tường hợp lý và tính toán nội lực, biến dạng của thân tường trong quá trình đào mở

- Tính toán áp dụng tính toán cho một đoạn cụ thể trên 02 tuyến Metro ở Tp

Hồ Chí Minh

5 Ý NGHĨA KHOA HọC VÀ TÍNH THựC TIễN

Giới thiệu được phương pháp mới có khả năng áp dụng trong điều kiện thành phố Nếu Tp Hồ Chí Minh áp dụng phương pháp này để thi công thì có thể giải quyết một số vấn đề sau:

- Thi công được trong điều kiện thành phố chật hẹp, dân cư đông đúc

- Đảm bảo nhu cầu đi lại của người dân trong thành phố, không gây ách tắc giao thông trong suốt quá trình thi công

- Thích hợp trong điều kiện địa chất hiện tại của thành phố

- Giảm kinh phí xây dựng

6 HạN CHẾ CủA LUậN VĂN NGHIÊN CứU

Thời gian có hạn nên không đủ điều kiện để nghiên cứu vấn đề một cách thấu đáo Lần đầu tiên Tp Hồ Chí Minh xây dựng công trình ngầm nên chưa có công trình thực tế để so sánh với lý thuyết và kết quả nghiên cứu

CHƯƠNG 1 PHƯƠNG PHÁP ĐÀO MỞ KẾT HỢP CÔNG NGHỆ TƯỜNG TRONG ĐẤT

Mục tiêu: Nêu được các đặc điểm chính của phương pháp đào mở kết hợp

công nghệ tường trong đất, phạm vi ứng dụng, so sánh ưu khuyết điểm với các phương án thi công khác

Phương pháp nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích các tài liệu có liên quan Kết quả đạt được: Thấy được phạm vi ứng dụng, ưu khuyết điểm và khả

năng áp dụng phương pháp đào hầm bằng phương pháp mở kết hợp công nghệ tường trong đất cho việc thi công tuyến Metro tại Tp Hồ Chí Minh, trình tự và các bước thi công công nghệ tường trong đất

1.1 PHƯƠNG PHÁP ĐÀO MỞ

Hình 1.1 Phương pháp đào mở

Phương pháp thi công công trình ngầm bằng cách đào mở khá phổ biến, đó là phương pháp xây dựng kết cấu công trình ngầm trong hố móng đào lộ thiên trên mặt đất, sau đó lấp đất trở lại để khôi phục hiện trạng như ban đầu (hình 1.1)

Trên các tuyến tàu điện ngầm đặt nông, phương pháp thi công chủ yếu được thực hiện là phương pháp đào mở Bản chất của phương pháp là khi thi công hầm tất cả các thao tác, các công nghệ hoặc phần lớn chúng được thực hiện trực tiếp từ mặt đất, bằng cách đào hầm hoặc hệ thống đường hào kết hợp với việc đắp đất trở lại cho đến khi công trình được hoàn thành

Khi khu vực thi công tồn tại khu đất trống đủ rộng để có thể đào mở và có thể di dời đường trục giao thông hiện tại sang các phố lân cận, hầm được thi công trên đường đáy hầm đào lộ thiên Dựa vào điều kiện địa chất công trình hầm đào, người ta xây dựng các với mái dốc tự nhiên có dùng hệ thống thanh chống hoặc không cần dùng hệ thống chống đỡ

Hình dạng và kích thước hố đào trên mặt bằng và chiều sâu của chúng cũng như hệ thống chống đỡ hố móng phụ thuộc vào kích thước, khuôn khổ của kết cấu ngầm: Điều kiện địa chất công trình, điều kiện xây dựng các công trình trên mặt đất

Phương pháp đào mở phân theo 2 loại: Thi công khi có dùng hệ thống chống đỡ và thi công không dùng hệ chống đỡ

1.1.1 Phương pháp đào mở không cần hệ thống chống đỡ

Trong điều kiện địa tầng ổn định, hầm đặt tương đối nông, mặt bằng đủ rộng, ảnh hưởng môi trường xung quanh tương đối ít Với điều kiện như vậy khi thi công đào hố móng chỉ dựa vào mái dốc thích hợp của đất thì có thể giữ ổn định nên có thể mở hố móng theo mái dốc tự nhiên mà không cần phải dùng một loại hệ thống chống đỡ nào khác (hình 1.2)

3B1

BoB2

- Khó thi công được ở khu vực địa chất có nước mặt, nước ngầm

- Làm ô nhiễm và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh

- Phạm vi chiếm dụng mặt bằng lớn, không áp dụng được trong điều kiện Thành phố Hồ Chí Minh

c.Phạm vi áp dụng

- Địa hình tương đối rộng, ở nơi có ít dân cư qua lại Do vậy, phương pháp này không thích hợp khi thi công trong thành phố, đặc biệt đôí với các thành phố có dân cư đông đúc, mật độ xây dựng dày đặc

- Thích hợp với khu vực địa chất tương đối ổn định

- Thi công ở nơi không có mực nước ngầm

Khi lựa chọn phương pháp thi công và luận cứ công nghệ xây dựng trong giai đoạn hiện nay, đơn giản và kinh tế nhất là phương pháp đào hào với mái dốc tự nhiên Tuy nhiên với mái dốc tự nhiên, diện tích để thi công công trình yêu cầu rất lớn Vì vậy trong điều kiện chật hẹp của khu vực đô thị, người ta xây dựng các hầm đào bằng các biện pháp gia cường khác bằng cách dùng vách thẳng có chống đỡ tạm

1.1.2 Phương pháp đào mở dùng vách thẳng, có chống đỡ tạm

Trong quá trình thi công hầm, phương án đào có chống vách đất được chọn theo các nguyên tắc sau:

- Phải giữ được vách đào ổn định, an toàn trong quá trình thi công

- Phải phù hợp với biện pháp đào đất và công nghệ thi công phần ngầm

- Thi công phải đơn giản, giá thành hạ

- Luôn chú ý đến khả năng sử dụng lại sau khi thi công hoàn thành

Các phương án thi công hầm được lựa chọn:

a Đóng cọc thép hình có dạng chữ I cách nhau từ 0.8m-1.5m, dùng hệ thống ván lát trên chiều sâu công trình trong suốt quá trình thi công.

Ván lát bằng gỗ xẻ

Cọc thép chữ I

Hình 1.3 Dùng cọc thép I kết hợp với ván lát

Các cọc kim loại được thực hiện từ thép I300 đến I500 đóng dọc theo hai biên của đường hầm Bước cọc định hướng dựa vào chiều sâu đào hầm H, góc ma sát trong của đất φ và số lượng thanh chống Để chắn được đất, người ta dùng các tấm ván bằng gỗ xẻ, tấm BTCT hoặc bêtông phun (hình 1.3) Tất cả các chi tiết kỹ thuật ngầm còn lại trong đất (ống kim loại, cáp ,v.v ) tại các vị trí đóng cọc sẵn cần phải được thu dọn, bằng cách mở giếng đào tại các vị trí đó

Trong thành phần thiết bị đóng cọc, người ta sử dụng búa diezen, máy rung hoặc búa rung Các cọc được đóng tới độ sâu 4-5m dưới đáy hầm đào Vì vậy trong phần lớn các trường hợp, chiều dài theo thiết kế vượt chiều dài thép hình và cọc buộc phải nối Để làm điều đó cuối cọc để lại trên mặt đất 1-1,5m để hàn tiếp cho đủ chiều dài và đóng cọc đến cao độ thiết kế

Khoảng cách từ vị trí đóng cọc đến vị trí mạng kỹ thuật đang hoạt động (cáp điện, cấp nước, v.v…) cần ít nhất 3m Trong những trường hợp cần tránh tiếng ồn và rung, người ta không tiến hành hạ cọc vào các lỗ khoan trước và liên kết ở phần dưới (đến cốt đáy hầm) bằng bêtông Khoảng cách giữa các thành hố khoan và cọc được nhồi cát

Phương pháp này được áp dụng khi hố không sâu, áp lực đất nhỏ, không có nước ngầm chảy mạnh

b Đóng ván cừ thép không chống làm việc dưới dạng công-xon

Aùp dụng khi hố đào nông, có nước ngầm Ván cừ thép sẽ được thu hồi bằng máy nhổ cọc hay cần trục tháp sau khi đã gia công Các dạng tường cừ được trình bày trên hình 1.4

d) c) b) a)

Cừ ván thép

a Cừ Terres-Rouges; b Cừ Rombas ; c Cừ Larsen ; d Cừ beval

Hình 1.4 Dùng tường cừ

c Đóng cọc thép phun vữa bêtông giữ đất

Cọc thép được đóng xuống đất hết chiều sâu thiết kế Đào đến đâu ta tạo ngay mặt vòm giữa các cọc bằng cách phun vữa bêtông lên vách đất tạo thành những vòm nhỏ, chân đạp vào các cọc giữ đất không lở vào hố móng (hình 1.5) Phương án này được áp dụng khi đất rời, không có mực nước ngầm hay đất dẻo

Phương pháp này cũng giống như phương pháp đóng cọc thép có ván gỗ nhưng phần gỗ được thay bằng khối bêtông do đó tiết kiệm gỗ, cọc có thể thu hồi được

Hình 1.5 Dùng cọc thép I kết hợp với phun vữa

d Dùng nhiều cọc khoan nhồi liền nhau tạo thành vách ngăn đất

Theo phương pháp này, trước tiên với khoảng cách từ 1,5-1,8m người ta khoan các lỗ đường kính tới 0,8-1,0m và hạ các ống thép bằng phương pháp rung, sau đó hạ các lồng thép, đổ vữa bêtông trong nước và dần dần rút ống thép lên

Theo công nghệ khác, khoan được tiến hành dưới lớp vữa sét giữ thành hố khoan khỏi sạt lở, còn sau khi khoan lỗ đến cao độ thiết kế, người ta hạ khung thép vào đó và phương pháp chuyển dịch ống theo hướng đứng, vữa bêtông được đổ xuống Nhờ các tấm đệm dọc, trong cọc được để lại các rãnh đứng, tiến hành đào đất trong hầm, người ta chèn các tấm BTCT Từ cọc khoan đóng nằm sát nhau (cọc tiếp xúc) có thể thi công tường BTCT liên tục (hình 1.6)

Biện pháp này áp dụng khi chiều sâu hố đào lớn, áp lực đất lớn Công trình xây dựng cần bảo vệ xung quanh khỏi bị sụt lún Vách chống có thể tham gia chịu lực cùng móng công trình nhưng ít khi sử dụng nó làm tường bao hầm vì khả năng chống thấm của nó không tốt Độ sâu của vách có thể thi công đến chiều sâu cần thiết để không cần có biện pháp chống giữ vách

Hình 1.6 Dùng nhiều cọc khoan nhồi tạo thành vách

a Ưu điểm

- Diện tích mặt bằng thi công chật hẹp, thi công tương đối ổn định

- Thi công tương đối dễ dàng, mức độ cơ giới hóa cao, chất lượng đảm bảo

- Giảm khối lượng công tác đất

b Nhược điểm

- Khối lượng công việc tăng lên đáng kể, giá thành xây dựng tăng

- Phải dùng nhiều máy móc thiết bị để thi công

c.Phạm vi áp dụng

- Khu vực có địa chất yếu

- Trong điều kiện chật hẹp, tuy nhiên không sử dụng được trong thành phố

vì cản trở giao thông

- Aùp dụng được ở nơi có mực nước ngầm

Xây dựng hầm đường tàu điện ngầm bằng phương pháp lộ thiên được tiến hành theo công nghệ tiên tiến phương pháp dây chuyền Trên đoạn dài 100-120m, tiến hành công việc trong trình tự và khối lượng bao trùm toàn bộ chu kỳ – từ đào đất, gia cường hầm đào, thi công và cách nước cho kết cấu đến việc đắp đất trở lại cho công trình và xây dựng mạng công trình tiếp nối Các thao tác công nghệ riêng biệt được thực hiện trên các đoạn chiều dài ít nhất 6m Vùng hoạt động được chuyển dịch theo trục tổ hợp ga từ đầu này đến đầu kia Dẫn đầu dây chuyền xây dựng là các công tác chuẩn bị bao gồm gia cường móng nhà, đặt lại hoặc treo mạng kỹ thuật ngầm và các tuyến giao thông mặt đất, hạ mực nước ngầm nhân tạo hoặc đông cứng đất no nước không ổn định Theo sau công tác chuẩn bị là thực hiện các công việc chính: đào đất và gia cường hầm đào, thi công kết cấu, làm lớp cách nước và đắp đất trở lại, khôi phục mạng lưới giao thông hiện trường

1.2 CÔNG NGHỆ TƯỜNG TRONG ĐẤT

1.2.1 Khái niệm

Phương pháp tường trong đất được áp dụng từ sau năm 1940, để xây dựng các màng chống thấm, xây dựng các công trình ngầm và công trình đào sâu, phương pháp này được phát triển vào khoảng 30-40 năm gần đây Phương pháp tường trong đất là một trong những phương pháp tiến bộ nhất để xây dựng các công trình ngầm và công trình đào sâu Việc áp dụng nó trong thực tế xây dựng trong nhiều trường hợp cho phép loại trừ những công tác xây dựng đắt tiền như: đóng cọc cừ, hạ mực nước ngầm, đóng băng đất Trong vòng hàng chục năm tường trong đất được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới, phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong khi thi công xây dựng các các công trình cũ ở Việt Nam

Công nghệ thi công tường liên tục trong đất dùng các máy đào đặc biệt để đào móng có dung dịch giữ thành mỏng (cũng còn gọi là bùn ổn định như sét bentonite) thành những đoạn hào với độ dài nhất định; sau đó đem lồng cốt thép đã chế tạo sẵn trên mặt đất đặt vào trong móng Dùng ống dẫn bêtông trong nước cho từng đoạn tường, nối các đoạn tường lại với nhau bằng các đầu nối đặc biệt (như ống nối đầu hoặc hộp nối đầu), hình thành một bức tường liên tục trong đất bằng BTCT Tường liên tục trong đất quây lại thành đường khép kín, sau khi đào móng cho thêm hệ thống thanh chống hoặc neo vào sẽ có thể chắn đất, ngăn nước, rất tiện lợi cho việc thi công móng sâu Nếu tường liên tục trong đất được xem như kết cấu chịu lực công trình xây dựng thì hiệu quả kinh tế càng cao hơn

Hình 1.7 Đào hố dùng vữa bentonite Hình 1.8 Hạ lồng thép

Hình 1.9 Đổ bêtông Hình 1.10 Mặt bằng sau khi đổ bêtông

1.2.2 Phạm vi áp dụng

Do độ cứng thân tường của kết cấu lớn, tính chống thấm tốt có thể thích hợp với điều kiện địa chất mềm yếu, thi công ít ảnh hưởng đến kiến trúc lân cận, thi công gây chấn động ít, không gây nhiều tiếng ồn, có thể thi công an toàn tại điều kiện địa hình chật hẹp

Lần đầu tiên vào năm 1950 khi làm tường chống thấm của đập thủy lợi MiLan ở Italia, đã thi công tường liên tục trong đất có dung dịch giữ thành (gọi là phương pháp Milan) Bắt đầu những năm 70, phương pháp này được ứng dụng trong các công trình thủy lợi, bến cảng, công trình xây dựng ở Trung Quốc Trong

10 năm lại đây đã thu được rất nhiều thành tích về chế tạo thiết bị, ứng dụng công trình và nghiên cứu lý luận về tường liên tục trong đất

Ở Việt Nam hiện nay công nghệ này cũng được xây dựng tại nhiều công trình: công trình Sài Gòn Center, tòa nhà Vietcombank ở Việt Nam,

Phương pháp tường trong đất có hàng loạt ưu điểm hơn so với các phương pháp khác, một số trường hợp không thể thay thế bằng các phương pháp khác Đối với trường hợp xây dựng trong thành phố chật hẹp, khu công nghiệp, gần các nhà xây dựng, khi mực nước ngầm cao và chiều sâu của các công trình lớn, hình dạng phức tạp trên mặt bằng hoặc công trình kéo dài, khi mà các công trình hạ đoạn và lộ thiên bị loại trừ cũng như hàng loạt trường hợp khác nữa Tường trong đất không thể áp dụng trong những trường hợp sau đây:

- Trong đất tảng lớn và có kastơ với các lỗ trống và mạch ngầm, khi mà vữa sét chảy mất vào trong đất, vách hào bị phá hoại, tạo vách không được, không đảm bảo độ ổn định của vách hào

- Khi có trong đất các khối cứng tự nhiên (đà mồ côi lớn) hoặc khi có phóng xạ (phá hỏng bêtông và kết cấu bêtông cốt thép, các dầm thép v.v…)

- Trong bùn lỏng và cát chảy trên bề mặt hay khi có trong đất nước áp lực với dòng thấm tốc độ lớn

1.3 PHƯƠNG PHÁP ĐÀO MỞ KẾT HỢP VỚI CÔNG NGHỆ TƯỜNG TRONG ĐẤT

1.3.1 Tổng quan

Xuất phát trên cơ sở đào hố móng không cần sự chống đỡ, đến việc đào hố móng có chống đỡ vì lý do địa chất, lý do mặt bằng xây dựng và một số nguyên nhân khác Người ta đã ứng dụng phương pháp đào mở kết hợp với công nghệ tường trong đất (hình 1.11)

Hình 1.11 Thi công hầm bằng phương pháp đào mở kết hợp công nghệ tường

trong đất

Phương pháp thi công này cũng tương đối đơn giản Trước hết dùng các thiết

bị, máy móc chuyên dụng để đào hào từng phân đoạn với kích thước phù hợp Máy có thể máy đào gầu ngoạm, máy xúc,… Sau đó xây dựng kết cấu tường Có 02 loại tường: tường BTCT đúc sẵn và tường BTCT đổ tại chỗ Đối với tường BTCT đổ tại chỗ thì công việc tiến hành như sau: Đặt lồng cốt thép vào trong hố đào, tiến hành đổ bê tông trong nước Khi bê tông đã đông cứng thì xem như đoạn tường đó là xong Tiến hành đào đất tạo đường hầm theo cách lộ thiên

Kết cấu tường bêtông đúc sẵn

Việc sử dụng tường bêtông đúc sẵn lắp ghép vẫn còn hạn chế chủ yếu do các tấm bêtông lớn, nặng từ 10-30T Đòi hỏi phải có thiết bị nâng và lắp ráp nên giá thành cao Những năm gần đây người ta dùng các kết cấu hỗn hợp tức là phần

tường của tầng hầm của công trình có chiều cao nhỏ hơn 10m là cấu kiện lắp ghép, phần còn lại để chắn nước ngầm vào đáy hố móng là toàn khối (hình1.12)

Tấm tường đúc sãn

Neo

Hình 1.12 Thi công tường đúc sẵn kết hợp với neo

Có hai dạng cơ bản tường trong đất bằng cấu kiện lắp ghép:

Loại cột – tấm: Loại này áp dụng khi tường chịu tải trọng thẳng đứng lớn,

tải trọng này do cột có tiết diện chữ T tiếp nhận Chiều dày của cột bằng chiều dày của hào Những cột này thường chôn sâu xuống dưới đáy hố móng và đến tầng đất chặt có khả năng tiếp nhận tải trọng tính toán Giữa các cọc chữ T có đặt các panel phẳng chỉ làm việc với tải trọng ngang do đất đẩy vào và hạn chế đẩy lên công trình ngầm Trên các cột có các cột giằng hoặc neo gia cố Loại kết cấu này được ứng dụng khi đất ở độ sâu cần thiết, khi mà cọc có thể làm việc hiệu quả như những cột (hình 1.13)

Hình 1.13 Tường dạng cột tấm

Loại tấm phẳng: các panel đặt suốt chiều sâu thiết kế Những tấm này tiếp

nhận tải trọng theo phương đứng và ngang Chúng thường có chiều dài từ 10-12m, rộng 1,5-3m, dày 0,2-0,5m (hình 1.4)

Hình 1.14 Loại tường tấm phẳng

Kết cấu tường bêtông đổ tại chỗ

Khi ở gần các móng của các nhà trong đất không đủ bền, cũng như những trường hợp tiến độ đổ bêtông chậm sau tiến độ đào đất ở trong hào, thì công tác xây hào và đổ bêtông được tiến hành cách một đốt một Trong đất ít ẩm ổn định, người ta đào các đốt hào ngắn không cần vữa sét Trong các đất bão hòa không ổn định, các đốt hào được đào trong vữa sét

Việc xây dựng tường hào trong đất bằng bêtông và bêtông cốt thép toàn khối là một quá trình công nghệ phức tạp, được hình thành từ các quá trình đơn giản liên hệ với nhau Luận văn tập trung nghiên cứu công nghệ thi công và lý

thuyết tính toán của kết cấu tường đổ tại chỗ Nội dung chính của công nghệ thi công được trình bày trong các phần sau

1.3.2 Thiết bị thi công

- Máy đào kiểu quay tròn: Đào đất bằng gầu khoan quay và cắt vào khối đất, đất đào ra đi theo dung dịch sét tuần hoàn chạy lên trên mặt đất Có 2 loại: Loại đào thẳng và loại đào ngang

- Máy đào kiểu xung kích: Máy đào hào kiểu xung kích có nhiều loại hình dạng đầu khoan, xung kích phá vỡ nền đất bằng vận động lên xuống hoặc vận động đổi hướng sau đó nhờ vào dịch sét tuần hoàn để đẩy đất ra ngoài

Hình 1.15 Máy đào gầu ngoạm Hình 1.16 Máy đào trong địa tầng có đá

Hình 1.17 Máy đào kiểu gầu thuận

1.3.2.2 Hệ thống dung dịch sét

Bao gồm 3 bộ phận cơ bản: Chế tạo dịch sét, thiết bị xử lý sét, hệ thống tuần hoàn dịch sét

Chế tạo dịch sét: chế tạo chủ yếu bằng máy trộn dịch sét

Thiết bị xử lý dịch sét: Sau khi dịch sét từ hào chảy tràn ra mặt đất, trước khi chảy vào bể lắng phải qua sàng rung để xử lý, từ sàng rung phân ly ra thành dung dịch sét và bã

Hệ thống tuần hoàn sét: gồm bơm tuần hoàn, bể chứa dịch sét tuần hoàn và thiết bị thải bã dịch sét Dây chuyền chế tạo dịch sét được mô tả trên hình 1.18

P P

P

P P

P

Sàng rung Máy quay

Máng thải bã

Đoạn hào đang đào

Bề chứa dịch sét thải

Bểlắng (bể chứa dịch sét)

Bểlắng bể chứa dịch sét

Bể chứa dịch sét có thể dùng được

Máy trộn

Bể

nước

Kho vật liệu sàn thao tác

(P): Bơm tuần hoàn

Hình 1.18 Dây chuyền chế tạo dịch sét

1.3.2.3 Hệ thống đổ bêtông

Thiết bị gia công và cẩu lắp lồng cốt thép

Đường kính ống dẫn bêtông là 200-300mm để tiện tháo lắp nên dùng loại ống nối tốc độ nhanh, thường là ống vặn ren ốc

1.3.3 Các yêu cầu kỹ thuật khi thi công

1.3.3.1 Phân chia đoạn hào:

Việc lựa chọn độ dài đoạn hào về nguyên tắc trừ khi nhỏ hơn kích thước của máy đào thì không thể thực hiện được, còn mọi độ dài đều có thể thi công được mà lại càng dài càng tốt, vì như vậy sẽ làm giảm mối nối của tường Chiều dài đoạn hào phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Điều kiện địa chất: khi lớp đất không ổn định, để tránh sụt lở thành hào, phải giảm bớt độ dài đoạn hào, nhằm rút ngắn thời gian làm móng

- Tải trọng mặt đất: Nếu xung quanh có công trình xây dựng cao to hoặc có tải trọng mặt đất lớn cũng phải rút ngắn độ dài của đoạn hào

- Khả năng cẩu của cần trục: Căn cứ vào khả năng cẩu của cần trục để dự tính trọng lượng và kích thước của lồng thép, từ đó tính ra độ dài của đoạn hào

- Khả năng cung cấp bêtông trong một đơn vị thời gian thường lấy lượng bêtông đổ trong vòng 4giờ

Độ dài đoạn hào=Lượng cấp Bêtông trong 4giờ / (Bề rộng x bề sâu)

- Dung tích thùng chứa dung dịch sét: Trường hợp bình thường thì dung tích thùng chứa dung dịch sét không nhỏ hơn 2 lần dung tích mỗi đoạn hào

1.3.3.2 Độ dài hào nhỏ nhất của máy đào

Phụ thuộc vào kiểu máy đào, bảng 1 cho giá trị nhỏ nhất của độ dài hào tùy từng loại máy đào

Bảng 1 Chiều dài nhỏ nhất của từng kiểu máy đào

Gầu ngoạm kiểu trọng lực

Gầu ngoạm áp lực thủy lực

Khoan nhiều đầu

Khoan xung kích

2,5-2,8 2,2-3,0 2,0-2,4 1-2 lần độ dày của tường

1.3.3.3 Ổn định thành hào

So sánh áp lực thủy tĩnh của dung dịch sét với áp lực đất theo lý luận rồi từ đó phán đoán sự ổn định của thành đào

1.3.3.4 Những điều cần chú ý khi đào

- Đảm bảo hiện trường bằng phẳng và khả năng chịu lực của lớp đất mặt

- Điều chỉnh và đảm bảo độ thẳng đứng của máy đào

- Kịp thời cung cấp dung dịch sét, có đủ chất lượng

- Khi thi công phải khoan lỗ dẫn hướng trước

- Khi đào trong nền đất quá yếu có thể xét đến việc bơm vữa gia cố để tránh sụt lở thành hố

- Tăng cường việc dọn dịch sét ở đáy hố đào Hiện nay để dọn dịch sét ở đáy hố đào người ta sử dụng 2 phương pháp: lắng đọng và thay đổi

1.3.4 Trình tự thi công

Bước 1: Làm tường dẫn Dùng gầu đào thích hợp đào đến chiều sâu thiết

kế Đào đến đâu phải cho dung dịch bentonite đến đó Đào phần hố bên cạnh, cách phần hố đầu tiên một dải đất Đào nốt phần còn lại để hoàn thành panel đầu tiên

Bước 2: Hạ lồng cốt thép chế tạo sẵn trong dung dịch bentonite, sau đó đặt

các gioăng chống thấm CWS Đổ bêtông theo phương pháp vữa dâng, thu hồi dung dịch dem về tái xử lý Hoàn thiện panen 1

Bước 3: Thi công panen 2 ở bên cạnh panen thứ nhất

Bước 4: Thi công panen 3 phía bên kia của panen 2

Hình 1.19 Thi công tường dẫn

Hình 1.20 Các bước thi công tường trong đất

1/2 DW thick + 25 to 50mm

1200

Ground Level

350 CL of DW axis 350 Slurry Level

T12 @300c/c

T16

Concrete of Grade 20/20

TYPICAL SECTION OF GUIDE WALL

( Cover to all reinforcement to be 40 mm)

Hình 1.21 Gioăng chống thấm CWS Hình 1.22 Chu trình đào sử dụng

gioăng chống thấm CWS

Cứ tiếp tục như vậy sẽ hoàn thành công trình

1.3.5 Ưu nhược điểm

Phương pháp đào mở kết hợp với công nghệ tường trong đất có những ưu và nhược điểm chính như sau:

a Ưu điểm:

- Thân tường có độ cứng lớn, tính thổng thể tốt, do đó biến dạng của kết cấu và của móng đều rất ít, vừa có thể dùng trong kết cấu quây giữ siêu sâu, lại có thể dùng trong kết cấu lập thể

- Có thể giảm bớt tác hại của môi trường khi thi công công trình: thi công tiếng động ít, không gây ồn, dễ khống chế về biến dạng lún

- Có thể thi công theo phương pháp ngược, sẽ đẩy nhanh được tiến độ, hạ giá thành công trình

- Rất kinh tế khi dùng tường làm kết cấu vỏ hầm sau này

b Nhược điểm:

- Nếu xử lý bùn sẽ làm tăng chi phí cho công trình, nếu xử lý không hoàn hảo sẽ gây ô nhiễm môi trường

- Vấn đề về sụt lở hố móng: Trong đá tảng có Kaster với các lỗ trống và mạch ngầm, khi mà vữa sét chảy mất vào trong đất, vách hào bị phá hoại, tạo vách không được, không đảm bảo độ ổn định của vách hào

- Nếu dùng tường chắn để chắn đất chỉ để làm tường chắn tạm thời thì giá thành cao, không kinh tế

1.4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHÁC

1.4.1 Phương pháp NATM (New Austrian Tunneling Method)

1.4.1.1 Các bước thi công chính

1.4.1.1.1 Đào hầm chính trong đá

Tiến hành khoan và nổ phá được thực hiện trên toàn mặt cắt với góc nghiêng phụ Quan sát các điều kiện địa chất và phân tích các số liệu bằng các thiết bị đo đạc Sau đó dùng xe tải tự đổ vận chuyển đất đá ra khỏi cửa hầm (hình 1.23)

Hình 1.23 Đào hầm 1.4.1.1.2 Chống bằng giá vòm thép

Ngay sau khi đã dọn đất đá vụn xong , các giá vòm sẽ được dựng lên phù hợp với mặt cắt mới đào

Các giá vòm thép được vận chuyển đến với giá xếp để tránh biến dạng khi vận chuyển Móng đá của vòm giá thép phải được chuẩn bị cẩn thận đúng vị trí Để đảm bảo cho các mối nối trên giá vòm thép không trở nên điểm yếu, các giằng phải khá vững chắc (hình 1.24)

Hình 1.24 Lắp giá vòm

1.4.1.1.3 Mạng lưới cốt thép

Mạng lưới thép được lắp đặt đúng vị trí yêu cầu thiết kế Mạng lưới cốt thép sẽ được sử dụng làm sườn cho lớp bêtông phun và sẽ cải thiện sức bền mặt cắt và lực dính của bêtông phun và sẽ cải thiện sức bền mặt cắt và lực dính của bêtông phun cũng như tránh cho đường hầm khỏi bị lõm vào

Mạng lưới cốt thép sẽ được lắp đặt ngay khi thu dọn đất đá và loại bỏ các tảng đá không ổn định hoặc sau khi dựng giá vòm

1.4.1.1.4 Phun bêtông

Phương pháp phun ướt sẽ được sử dụng để tránh gây bụi Bêtông được phun ngay vào mặt đá sau khi đào xong hầm Trước khi phun cần phun nước rửa sạch vật liệu rời ngay trên mặt hầm Trong quá trình phun bêtông vòi phun phải

thẳng góc với bề mặt đá và phải đặt cách mặt đá khoảng 1m để giảm thiểu lượng bêtông bật trở lại và để lớp sau gắn chặt vào lớp trước (hình 1.25)

Hình 1.25 Phun vữa bêtông

1.4.1.1.5 Lắp neo đá

Các neo là phương tiện hữu hiệu để cung cấp một lực tải bằng cách cấu tạo ra một vòm đá và trở thành hệ thống che chống của đường hầm Các kiểu lắp đặt neo đá phải tuân theo yêu cầu kỹ thuật của các bản vẽ thiết kế hoặc theo chỉ dẫn của người kỹ sư Các neo đá phải được lắp đặt ngay sau khi làm xong việc phun bêtông

1.4.1.1.6 Phòng nước cho hầm

Màng phòng nước sẽ được lắp đặt giữa lớp bêtông phun và vỏ hầm bêtông để phòng xâm nhập của nước ngầm vào trong hầm cũng như đề phòng vết nứt trong bêtông

1.4.1.2 Ưu và nhược điểm

a Ưu điểm

- Áp dụng được trong điều kiện khối đá khác nhau

- Dễ dàng và linh hoạt cho các công trình ngầm có hình dạng tiết diện ngang công trình khác nhau

- Tính kinh tế cao do tối ưu được kết cấu chắn giữ

- Yêu cầu vốn đầu tư ban đầu nhỏ, thu hồi vốn nhanh

b Nhược điểm:

- Khi áp dụng trong điều kiện có nước ngầm đòi hỏi phải có khảo sát bổ sung

- Tốc độ tiến gương tương đối nhỏ

- Mức độ đòi hỏi cao về vật liệu và biệp pháp thi công

- Đội ngũ cán bộ kỹ thuật và công nhân phải được đào tạo và trải qua thực tế

- Khả năng tự động hóa các công tác bị hạn chế

c Phạm vi ứng dụng

- Áp dụng trong điều kiện đất đá tương đối ổn định

- Dùng trong các loại hầm giao thông, thủy lợi

- Không thích hợp trong điều kiện thành phố chật hẹp, dân cư đông đúc

1.4.2 Phương pháp khiên đào

Máy khoan hầm kiểu khiên đào có dạng hình trụ, đầu của máy bao trùm toàn bộ mặt cắt ngang của hầm với đầu hoặc bánh cắt Với cả hai loại máy: máy khoan hầm TBM (tunnel boring machine) ứng dụng trong đá cứng; máy đào hầm kiểu khiên SM (shield machine) ứng dụng trong đất mềm đều đảm bảo đào tự động và có hệ thống, đồng thời cung cấp sự bảo vệ có hiệu quả cho bộ phận làm việc phía đầu đào, ổn định nhanh chóng hầm đào qua việc lắp đặt vỏ hầm và vận chuyển kịp thời đất đá đã được đào

Trong thi công hầm, khiên là một tổ hợp đào hầm hình trụ đồng thời là một vì chống kim loại khép kín theo chu vi Dưới sự che chở của vì chống này người ta tiến hành công tác đào đất đá và xây vỏ hầm

Theo phương thức đào đất đá, khiên được chia ra làm khiên không cơ giới hóa, khiên thường và khiên cơ giới hóa

1.4.2.1 Khiên không cơ giới hóa

Việc đào đất của khiên không cơ giới hóa tiến hành thủ công như dùng búa chèn, đôi khi nổ mìn

Việc sử dụng khiên không cơ giới hóa không phù hợp trong điều kiện thi công hầm trong đô thị, do đòi hỏi yêu cầu tiến độ và phải đảm bảo không gây được chấn động các công trình lân cận

1.4.2.2 Khiên thường

Khiên thường là một kết cấu thép dạng hình trụ được cấu tạo từ phần lưới đào, vòng đỡ, đuôi khiên, các vách ngăn và kích khiên (hình 1.26) Vòng lưỡi đào để cắt một phần đất theo chu vi hang đồng thời làm vỏ để bảo vệ cho thợ đào trong gương Vòng đỡ tiếp xúc với vòng lưỡi đào để bố trí các kích thủy lực Nhờ các kích này mà di chuyển được khiên Phần đuôi là một vỏ phẳng Dưới sự che chở của đuôi khiên, tiến hành tổ hợp các vòng vỏ hầm Các vách ngăn đứng và ngăn ngang tựa lên vòng kê và chia khiên thành các ngăn công tác Trên các vách đứng có gắn các kích gương để giữ các chống tạm gương đào trong đất rời và đất không ổn định khác Ngoài ra chúng còn lắp đặt các ống và các thiết bị điều chỉnh hệ thủy lực áp cao và trung bình, các vách ngang để làm sàn công tác cho thợ đào hầm và để bố trí các thiết bị, các công cụ đào Khiên còn được trang

bị các vách di động Những vách di động này có thể dịch chuyển về phía gương một đoạn bằng chiều dài di chuyển của kích Các bản đệm dùng để nối trong phương dọc các chi tiết của khiên trong thời gian lắp ráp khiên Theo kích thước khiên được chia ra làm khiên nhỏ (tiết diện <16m2), khiên trung bình (tiết diện 16-30m2), khiên lớn (tiết diện >30m2)

Hình 1.26 Khiên thường

Có thể nhận thấy việc sử dụng khiên thường trong điều kiện thi công hầm trong đô thị cũng không phù hợp do không đáp ứng được yêu cầu về tiến độ thi công

1.4.2.3 Khiên cơ giới hóa

Điều kiện bắt buộc để gọi là khiên cơ giới hóa là phải cơ giới hóa toàn bộ các công việc chính của một chu trình bao gồm cả việc xây vỏ Mức độ cơ giới hóa từ 90-95% Các loại tổ hợp đào hầm thực chất cũng là khiên cơ giới hóa Toàn bộ quá trình tách đất đá khỏi khối địa tầng (đất sẽ được cắt rời bởi một nhóm các lưỡi cắt quay liên tục xuyên về phía trước) và đưa chúng vào phương tiện vận chuyển được cơ giới hóa

Bộ phận chức năng để đào đất đá gồm các phiến có dạng tia, trên đó có gắn các dụng cụ cắt dạng lưỡi xoắn hoặc dao phẳng tùy thuộc vào độ cứng của loại đất đá phải đào Đất đá từ khiên được đưa ra và rót vào các goòng của đoàn tàu nhờ các băng tải hoặc được bơm dẫn vào các trạm xử lý Trong tổ hợp của khiên có trang bị một thiết bị để lắp ráp vỏ hầm nhờ kích thủy lực và ép chặt vỏ hầm vào địa tầng hoặc các thiết bị nén bêtông, phủ bêtông vỏ hầm Ngoài ra các khiên cơ giới còn được trang bị bộ phận máy xúc, bằng các bộ phận này, công tác đào đất đá được tiến hành theo từng rải của khiên Khi cần đào đá cứng, kết cấu cần xúc có khả năng sử dụng lưỡi cắt hoặc đầu đập khí nén (hình 1.27)