chương 5, thi công hầm giao thông, NHỮNG CĂN CỨ, ĐỂ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ ,XÂY DỰNG HẦM

chương 5, thi công hầm giao thông, NHỮNG CĂN CỨ, ĐỂ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ ,XÂY DỰNG HẦM

THI CÔNG HẦM GIAO THÔNG

CHƯƠNG 5:

5.1 – NHỮNG CĂN CỨ ĐỂ LỰA CHỌN CÔNG

- Điều kiện địa chất: đất yếu, đất tốt, đá cứng….

- Điều kiện thuỷ lực, thuỷ văn…

5.2 – THI CÔNG HẦM THEO PHƯƠNG PHÁP

MỎ

5.3 – THI CÔNG HẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP

NATM

5.3.1 – LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ THI CÔNG

HẦM THEO PHƯƠNG PHÁP NATM:

- Ý tưởng thi công hầm theo phương pháp Áo mới (New Austrian Tunneling Method - NATM) được đề xuất bởi giáo sư người Áo

từ năm 1948, dựa trên nhiều ý tưởng và sang chế trước đó

- Phát minh ra khiên đào tròn năm 1811, phát minh máy phun bê tông năm 1908…

- Trong những năm 50 của thế kỷ 20 nhiều đường hầm giao

thông, thuỷ điện trong núi đá ở Áo, Vênêzuêla đã bắt đầu được xây dựng theo NATM

- Năm 1954 Bruner đã sử dụng bê tông phun để làm ổn định đất trong quá trình đào hầm,

- Năm 1955 phát triển hệ thống neo trong thi công hầm, năm

1960 Muller đã áp dụng một cách có hệ thống hệ đo đạc thực nghiệm trong thi công hầm

- Năm 1962 tại hội nghị địa cơ học lần thứ XIII ở Áo, công nghệ NATM chính thức được giới thiệu.

- Năm 1964 lần đầu tiên tài liệu về thi công hầm theo NATM

bằng tiếng Anh được xuất bản

- Năm 1969 lần đầu tiên áp dụng NATM trong đất mềm khi thi

công hệ thống đường tàu điện ngầm ở Frankfurt (Đức)

- Công nghệ thi công đường hầm theo NATM còn được biết đến dưới một số cái tên khác như: phương pháp đào liên tục;

phương pháp chống đỡ bằng bê tông phun

- Với tính linh hoạt,dễ áp dụng trong nhiều điều kiện đất đá khác nhau và có chi phí hợp lý nên NATM được phát triển ở nhiều nước trên thế giới

- Theo thống kê, tại Đức có tới hơn 64% các đường hầm giao thông được thi công bằng NATM Ở châu Á, các nước và vùng lãnh thổ sớm áp dụng NATM trong thi công đường hầm là Nhật Bản, Đài Loan, Hàn Quốc, Trung Quốc Cùng theo tiến trình

phát triển đó những nguyên lý và kỹ thuật, kinh nghiệm thi công theo NATM cũng được hoàn thiện, bổ sung thêm

5.3.2 – KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN:

- Việc xác định rõ khái niệm NATM đã thu hút sự quan tâm chú ý của nhiều nhà chuyên môn, nhiều tạp chí kỹ thuật chuyên

ngành Vì vậy, vấn đề này đã được xem xét, định nghĩa lại

nhiều lần

- Theo Rabcevicz (1964): “NATM là một phương pháp mới thi công đường hầm gồm lớp vỏ bê tông phun mỏng, khép vòm bằng vòm ngửa vào thời điểm sớm nhất có thể để tạo thành

vòng kín - được gọi là “vòm bổ trợ” Biến dạng của vòm được

đo đạc theo thời gian cho đến khi trạng thái cân bằng được xác lập” Có 3 điểm mấu chốt của phương pháp: Đầu tiên là sử

dụng lớp vỏ bê tông phun mỏng gia cố trong quá trình đào, thứ hai là khép vòm sớm nhất khi có thể, thứ ba là đo đạc biến

dạng một cách có hệ thống

5.3.2.1 – Khái niệm:

- Uỷ ban quốc gia của Áo về thi công công trình ngầm thuộc hiệp hội thi công hầm quốc tế (ITA) định nghĩa lại vào năm 1980

như sau: “Phương pháp đào hầm Áo mới (NATM) dựa trên cơ

sở đất đá xung quanh khoang hầm có khả năng trở thành một thành phần kết cấu mang tải chủ động giống như vòng đất đá chịu lực”

- Giáo sư G Sauer (1988) đã phát biểu: “NATM là phương pháp xây dựng công trình ngầm bằng các sử dụng tất cả các điều

kiện có thể để khai thác khả năng tự mang tải cao nhất của đất

đá nhằm tạo ra trạng thái ổn định của khoang hầm”

+ Độ bền vốn có của đất đá phạm vi xung quanh đường hầm cần được giữ vững và chủ động huy động đến mức độ tối đa có thể Như vậy kết cấu hầm được coi là tổ hợp giữa đất đá và vỏ hầm.+ Sự huy động độ bền của đất đá phạm vi xung quanh khoang

hầm có thể đạt được bằng kiểm soát (điều chỉnh) biến dạng của đất đá Những biến dạng lớn có thể dẫn đến làm mất khả năng chịu lực hoặc chuyển vị bề mặt lớn cần phải được ngăn ngừa

+ Hệ thống chống đỡ ban đầu chủ yếu được sử dụng gồm hệ

thống neo (neo cơ học hoặc neo dính kết, ma sát) và lớp bê tông phun mỏng linh động (có thể kết hợp với lưới thép tăng cường) nhằm đạt được mục tiêu đã nêu ở phần trên Đôi khi trong trường hợp cần thiết, kết cấu chống đỡ ban đầu bằng các khung vòm

thép, vòm dầm dàn thép cũng được sử dụng Vỏ chống vĩnh cửu

sử dụng lâu dài chỉ được thi công ở giai đoạn sau

+ Việc khép kín vòm cần được điều chỉnh sao cho thích hợp với điều kiện đất đá trong quá trình đào

5.3.2.2 - Các nguyên lý cơ bản:

+ Những thí nghiệm trong phòng cùng sự giám sát ứng suất, biến dạng của hệ chống đỡ và đất đá cần được thực hiện một cách có

hệ thống trong quá trình thi công

+ Chiều dài của nhịp không chống đỡ cần để lại càng ngắn càng tốt

+ Những người tham gia việc thiết kế, thi công, giám sát thi công đường hầm theo NATM cần phải hiểu rõ và chấp thuận những

nguyên lý của NATM đồng thời có phản ứng tích cực hợp tác giải quyết mọi vấn đề xảy ra trong quá trình thực hiện

5.3.3 – CÔNG NGHỆ THI CÔNG HẦM THEO NATM:

5.3.3.1 - Quy trình thi công hầm theo NATM:

- Việc thiết kế quy trình đào và chống đỡ liên tục, nối tiếp nhau trong xây dựng đường hầm là một vấn đề kỹ thuật phức tạp

Người thiết kế cần cân nhắc đến một loạt các yếu tố nhằm lựa chọn được một hệ thống thích hợp nhất Những yếu tố đó có thể gồm:

- Hình dạng, kích thước và đường hầm (mặt bằng, mặt cắt)

- Tính chất và số lượng các bộ phận chống đỡ được sử dụng

-Khảo sát và chẩn đoán trước được những điều kiện địa tầng

-Dự kiến trước được biến động của đất đá trong quá trình khai đào

-Có kế hoạch đầy đủ, chi tiết để tiến hành các công việc

-Chuyển vị cho phép

- Trong đó yếu tố quan trọng nhất là khảo sát xác định, dự báo trước điêu kiện đất đá và sự biến đổi của chúng Vì vậy, sự

hiểu biết vê bản chất của đất đá cũng như những biến đổi có thể xảy ra trong quá trình thi công hầm là rất quan trọng và cần thiết Những điêu kiện đất đá gặp phải trong quá trình thi công cần được đối chiếu với những dự báo về chúng trong bước

thiết kế Điều đó có thể cho phép điêu chỉnh việc đào hầm và

hệ thống chống đỡ, nhằm cải tiến toàn bộ việc đào hầm một

cách tích cực

- Quá trình triển khai thi công hầm theo NATM gồm các bước:

công tác chuẩn bị; lập phương án thi công; thi công đào; chống

đỡ ban đầu; đo đạc giám sát ứng suất, biến dạng; thi công lớp phòng nước; thi công lớp vỏ vĩnh cửu (nếu cần) và một số công tác khác

5.3.3.2 - Quá trình đào, chống đỡ hầm theo NATM:

- Công tác đào, chống đỡ trong xây dựng hầm có vai trò đặc biệt quan trọng và chiếm phần lớn khối lượng công việc thi công hầm Theo NATM quá trình đào, chống đỡ ban đầu là một quá trình liên tục kết hợp, gắn bó chặt chẽ với nhau nhằm huy động được khả năng tự mang tải của khối đất đá xung quanh khoang hầm

-Trong đất đá cứng: Công tác đào hầm thường được tiến hành

bằng việc khoan nổ mìn tương tự như trong phương pháp mỏ

Nguyên tắc hạn chế làm lay động đến khối đất đá xung quanh

được tuân thủ chặt chẽ trong quá trình khoan, nổ

-Khi thi công trong đất đá mềm hơn có thể sử dụng các loại máy đào hầm hoặc các máy đào thông thường kết hợp với đào thủ

công Công tác chống đỡ ban đầu được tiến hành sớm, lớp vỏ

chống ban đầu thường được sử dụng là lớp bê tông phun mỏng kết hợp với hệ neo Việc thi công đào, chống nên sử dụng biện

pháp đào toàn bộ mặt cắt Đối với những hầm có diện tích mặt cắt lớn hoặc điều kiện đất đá yếu có thể chia thành các phần nhỏ với các hang dẫn, bậc đào khác nhau,

- NATM là một phương pháp thi công linh hoạt thể hiện ở chỗ quá trình thi công đào, chống đỡ có thể điều chỉnh phương án đào chống từ dạng này sang sạng dạng khác dựa trên cơ sở các số liệu đo đạc giám sát ứng suất, biến dạng, thí nghiệm địa

kỹ thuật, TN cơ học thu nhận được tại hiện trường Một số ví

dụ về sự điều chỉnh phương án đào đó là:

- Giảm thời gian khép vòm, chẳng hạn như bằng cách thay đổi

từ dạng 5 sang dạng 6 để giảm sự lún bề mặt đến mức tối

thiểu

- Tăng tốc độ thi công bằng cách bỏ đi phần vòm ngược nếu chúng không cần thiết và chuyển từ dạng 3 sang dạng 2.

- Trong đất mềm yếu: quá trình đào, chống đỡ theo NATM phức tạp hơn vàcũng thể hiện được tính linh hoạt của nó Điều đó

mô tả trong các thành phần khác nhau của NATM với các nội dung sau:

Sơ đồ và quy trình đào:

+ Dùng biện pháp đào nhiều hang dẫn (nhằm làm giảm diện tích đào) có thể gồm: hang dẫn bậc trên; đào hạ bậc; đào vòm ngửa (đáy); hang dẫn một nửa bậc trên; hạ bậc phần vòm ngửa; hang dẫn bên cạnh(SD);

+ Áp dụng nhiều hang dẫn có vòm ngược gia

+ Giảm khoảng cách khép vòm, giảm chiều dài chu trình đào;

+ Chia nhỏ mặt cắt ngang thành các vùng: hang dẫn bên (SD); hang dẫn giữa (CD) hoặc nhiều hang dẫn;

+ Đào liên tục, gia cố chống tạm nhanh trong vòng 24h;

Chống đỡ vượt trước:

:+ Khử nước, làm khô ở vùng đào

+ Chống bằng các loại khác nhau như: lưới thép, XM lưới thép + Gia cố bằng các ống phụt vữa, tấm kim loại…;

+ Gia cố bằng hệ vòm ống Barrel (BVM) chiều dài từ 35 - 60m+ Gia cố bằng hệ neo vượt trước khoan phun vữa xi măng chiều dài tối đa khoảng 20m;

- Phun vữa xi măng trên bề mặt gương đào;

Chống đỡ bề mặt:

:+ Gia cố bề mặt bằng cách giữ các mái đất trong quá trình đào;

+ Gia cố bề mặt bằng lớp gia cố tạm bê tông phun mỏng

+ Đào theo biện pháp từng phần nhỏ;

Tăng cường tường bên:

+ Tăng cường bằng cách mở rộng chân đế của phần bê tông

phun;

+ Tận dụng khả năng mang tải ở chân vòm giữa các phần đào bằng phun vữa xi măng, cừ ống thép phun vữa xi măng, xi măng lưới thép;

Khép kín vỏ gia cố:

+ Tăng cường chiều dày của lớp bê tông phun (2);

+ Tăng cường số lượng neo (5) và chiều dài của chúng;

+ Sử dụng vòm ngửa gia cố tạm bằng bê tông phun ở hang dẫn trên;

+ Phun vữa xi măng gia cố toàn bộ bề mặt đất đá xung quanh;

Sự can thiệp khẩn cấp (dự phòng giải quyết các sự cố):

+ Neo thép cường độ cao

+ Dầm thép hoặc gỗ (với các kích cỡ khác nhau để làm trụ

chống)

+ Đá, sỏi vụn (đường kính 8 - 15cm - gia cố lấp bề mặt tạm thời).+ Bê tông khô trộn sẵn đóng gói để sẵn sàng gia cố

5.3.4 – TRANG THIẾT BỊ CẦN THIẾT DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ THI

CÔNG NATM:

- Tùy điều kiện địa chất thủy văn, đặc trưng cơ học của đá tại khu

vực dự kiến xây dựng (đất đá cứng, đất đá mềm, đất rời ) mà có thể cần những thiết bị khác nhau Nếu là đất đá cứng có thể áp dụng đào bằng phương pháp khoan nổ, bằng hệ thống máy đào hoặc kết hợp Nếu là đất đá yếu hoặc rời có thể dùng các dung dịch hóa học

để gia cố vượt trước để đào hầm, hoặc dùng công nghệ đóng băng Nói chung, công nghệ đào hầm theo NATM có những đặc điểm

giống phương pháp truyền thống, tuy nhiên tính đồng bộ đòi hỏi lớn hơn.

5.3.4.1 - Trang thiết bị dùng trong công nghệ đào hầm:

- Các thiết bị đo độ dịch chuyển quanh hầm: đo độ lún của đỉnh vòm,

độ hội tụ của vòm và vách hầm thường được đo bằng các giãn nở

kế thước và dây, nhưng để đó kịp thời và chính xác cần phải dùng

15 thiết bị đo đạc quang học Việc đo độ dịch chuyển trong kiểm soát

kỹ thuật để đánh giá biến dạng công trình và trạng thái đất đá xung quanh là khả thi và phổ biến nhất bởi vì thiết bị đo độ dịch chuyển dễ lắp đặt và dễ đo;

- Các thiết bị đo ứng suất trong đất đá và trong hệ thống kết cấu

chống đỡ: việc đo ứng suất của đất đá (nếu cần thiết) nhằm đánh

giá điều kiện ứng suất ban đầu của khu vực xây dựng công trình Có thể dùng vận tốc sóng địa chấn để đánh giá tình trạng đất dá xung quanh công trình Việc đo ứng suất thường rất khó khăn và mất

nhiều thời gian mới có được các giá trị ứng suất chính xác trong các

hệ thống kết cấu chống đỡ và đất đá xung quanh công trình hầm

Phải tiến hành lắp đặt các thiết bị đo ngay sau khi đào và lắp đặt hệ thống kết cấu chống đỡ, đồng thời phải nhanh chóng xác định các giá trị số liệu đo đạc đầu tiên để làm cơ sở so sánh;

- Các thiết bị đo tải trọng dọc trục của neo đá.

5.3.4.2 - Trang thiết bị dùng trong kiểm soát kĩ thuật:

Chống đỡ lần đầu trong NATM chủ yếu dúng bê tông phun

hoặc bê tông phun kết hợp với neo Các thiết bị cần thiết như đã nói ở quy trình đào và chống đỡ theo NATM

5.3.4.3 - Trang thiết bị dùng trong chống đỡ lần đầu và xây dựng

vỏ hầm vĩnh cửu:

5.3.5 – MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG

NỀN ĐẤT YẾU THEO NATM:

Đất mềm yếu có thời gian ổn định không chống sau khi đào công trình bị hạn chế và thường đòi hỏi phải chống đỡ ngay lập tức sau khi đào Đặc biệt là khi xây dựng công trình ngầm trong

đô thị với mật độ các công trình xây dựng dày đặc bên trên mặt đất Sự biến dạng của đất nền trong quá trình thi công công trình ngầm không chỉ gây ảnh hưởng trực tiếp cho bản thân công trình ngầm mà còn gây hư hỏng các công trình đã được xây dựng trên

đó Một số chuyên gia cho rằng, đối với các loại đất mềm yếu mà còn sử dụng được hệ thống kết cấu chống đỡ trên toàn bộ gương đào trong một chiều dài đào đủ ngắn nào đó thì NATM vẫn còn

thích hợp Khi đó hệ thống kết cấu chống đỡ ban đầu thường phải dùng bê tông phun

5.3.5.1 - Giới thiệu chung:

- Việc xây dựng công trình ngầm trong nền đất mềm yếu theo

NATM gặp phải những rủi ro rất lớn Nhưng nhiều khi NATM vẫn

là giải pháp duy nhất để xây dựng một phần nào đó của công

trình ngầm, do đó khi xây dựng công trình ngầm trong đất mềm yếu theo NATM phải cần chú ý đến các điểm sau đây:

- Mặt cắt ngang của công trình ngầm nên có dạng hình ô van

tránh việc tạo ra ứng suất tập trung;

- Để hạn chế đến mức tối đa biến dạng ban đầu trong khối đá

xung quanh công trình, cần chống đỡ ngay lập tức sau khi đào trên toàn bộ chu vi đào bằng các kết cấu chống đỡ trơn nhẵn và liên tục;

- Cần phải khép kín chu vi đào bằng kết cấu chống đỡ lần thứ nhất bằng bê tông phun càng nhanh càng tốt trong phạm vi

khoảng cách bằng một lần đường kính của công trình tính từ mặt gương;

5.3.5.2 - Một số điều cần chú ý khi xây dựng công trình ngầm trong nền đất mềm yếu theo NATM:

- Thi công các công trình ngầm nên có tính liên tục và mang tính đối xứng theo trục công trình, tránh sử dụng các kết cấu chống

đỡ ban đầu có độ cứng thay đổi trên cùng một mặt cắt Đặc biệt cần sử dụng các kết cấu chống đỡ một cách linh hoạt tranh gây hiện tượng tập trung ứng suất;

- NATM là phương pháp đòi hỏi phải được kiểm soát kỹ thuật

trong quá trình thi công Do đó quan trắc và đánh giá các thay đổi biến dạng của đất và trong công trình cũng như sự thay đổi của ứng suất trong và trên bề mặt lớp bê tông phun (hệ thống kết cấu chống đỡ ban đầu) là rất cần thiết

5.3.6 – ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ NATM:

5.4 – THI CÔNG HẦM BẰNG MÁY KHOAN HẦM LIÊN HỢP (PHƯƠNG PHÁP TBM)

5.4.1 – TỔNG QUAN:

TBM thực chất là một tổ hợp máy đào hầm có thể thực hiện

được các hạng mục thi công hầm gồm có:

- Đào hầm bằng phương pháp nghiền nát đá,

- Bốc xúc và vận chuyển đất đá ra bên ngoài,

- Lắp dựng các kết cấu chống đỡ và lưới thép (nếu có).

- Thi công lớp bêtông phun, lớp hoàn thiện hoặc lắp dựng kết cấu vỏ hầm đúc sẵn.

Quá trinh thi công được thực hiện cơ giới hoá toàn bộ, giúp đẩy nhanh tốc độ thi công công trinh Có thể nói TBM đi đến đâu đường hầm được hoàn thiện ngay đến đó

Yêu cầu về thi công hầm giao thông theo phương pháp TBM: -Đánh giá các điều kiện về đất nền, nước ngầm trong khu vực xây dựng hầm theo các phương pháp được quy định trong tiêu chuẩn

chuyên ngành về khảo sát thiết kế và xây dựng hầm trong môi

-Lập và thực hiện chu trình thi công đào hầm hợp lý và nhanh

nhất, thi cồng hầm không ảnh hướng đến giao thông trên mặt đất.-Kiểm soát được trạng thái ứng suất và biến dạng của kết cấu vỏ hầm, nền đất xung quanh vỏ hầm cũng như lún sụt trên mặt đất khu vực thi công hầm bên dưới

-Chỉ dược vận hành thiết bị TBM về phía trước khi đã thực hiện bơm vữa đủ áp lực thiết kê phía sau vỏ hầm và đất nền xung

quanh