Nghiên cứu biện pháp thoát nước tối ưu trong quá trình thi công đường hầm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu các biện pháp thoát nước hiệu quả trong quá trình thi công đường hầm, đảm bảo an toàn và chất lượng công trình.

• Tác giả: Lê Ngọc Đẩu
• Người hướng dẫn: GS. TS Vũ Trọng Hồng
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Biện Pháp Thoát Nước Trong Thời Gian Thi Công Đường Hầm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về công tác thoát nước trong quá trình đào đường hầm

Trong quá trình thi công đường hầm, việc thoát nước là một yếu tố quan trọng nhằm đảm bảo tiến độ và an toàn cho công trình. Lượng nước thấm qua đất đá, nước mưa và nước thải sinh ra trong quá trình thi công có thể gây cản trở, gián đoạn và làm tăng thời gian thi công. Do đó, việc áp dụng các biện pháp thoát nước hợp lý là rất cần thiết. Các phương pháp thi công đường hầm hiện nay được chia thành hai nhóm chính: phương pháp thi công thông thường và phương pháp thi công bằng máy. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật của công trình. Việc lựa chọn phương pháp thi công phù hợp sẽ giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn trong quá trình thi công.

1.1. Tổng quan phương pháp đào hầm

Việc thi công đường hầm có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp khoan nổ, phương pháp đào bằng khiên, và phương pháp TBM. Mỗi phương pháp đều có những ứng dụng cụ thể tùy thuộc vào điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật. Phương pháp khoan nổ thường được sử dụng cho đá cứng, trong khi phương pháp TBM thích hợp cho các hầm có mặt cắt hình tròn và yêu cầu tiến độ nhanh. Việc lựa chọn phương pháp thi công không chỉ dựa vào điều kiện địa chất mà còn phải xem xét đến các yếu tố như kích thước mặt cắt, chiều dài hầm và công năng sử dụng.

1.2. Tổng quan về phương pháp thoát nước

Trong quá trình thi công, việc thoát nước được chia thành nhiều loại, bao gồm nước nhỏ giọt từ vòm và vách hầm, nước cục bộ và nước thải sinh ra trong quá trình thi công. Lượng nước cần thoát có thể lên tới 20 m3/h, gây khó khăn cho công tác thi công. Để xử lý lượng nước này, các biện pháp như rãnh tự chảy và bơm nước được áp dụng. Rãnh tự chảy thường được thiết kế với kích thước chiều rộng từ 0,4 – 0,7m và chiều sâu lên tới 0,7m, giúp nước chảy ra ngoài một cách tự nhiên. Trong trường hợp gặp khó khăn với nước ngầm, cần sử dụng giếng khoan sâu để hạ thấp mực nước ngầm.

II. Xác định lượng nước cần tiêu thoát khi thi công đường hầm

Việc xác định lượng nước cần tiêu thoát là một bước quan trọng trong quá trình thi công đường hầm. Các phương pháp xác định lượng nước bao gồm việc tính toán lưu lượng nước thấm qua đất đá và nước thải sinh ra trong quá trình thi công. Lượng nước này có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện thời tiết và địa chất. Để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong thi công, cần phải có các biện pháp chống sạt trượt do các yếu tố từ nước gây ra. Việc sử dụng phần mềm tính toán cũng giúp xác định chính xác lượng nước cần tiêu thoát và đưa ra các giải pháp hợp lý.

2.1. Phương pháp xác định lượng nước cần tiêu thoát

Phương pháp xác định lượng nước cần tiêu thoát thường dựa vào các yếu tố như lưu lượng nước thấm, lượng nước sử dụng trong quá trình thi công và lượng nước mưa. Các công thức tính toán được áp dụng để xác định tổng lưu lượng nước cần thoát. Việc xác định chính xác lượng nước cần tiêu thoát không chỉ giúp đảm bảo tiến độ thi công mà còn giảm thiểu rủi ro cho công trình.

2.2. Phương pháp chống sạt trượt do các yếu tố từ nước gây ra

Để chống sạt trượt do nước, cần áp dụng các biện pháp như gia cố nền đất, sử dụng các kết cấu chống đỡ tạm thời và thiết kế hệ thống thoát nước hợp lý. Việc sử dụng phần mềm tính toán giúp phân tích và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của công trình, từ đó đưa ra các giải pháp hiệu quả. Các biện pháp này không chỉ giúp bảo vệ công trình mà còn đảm bảo an toàn cho công nhân trong quá trình thi công.

III. Phương pháp tính toán thiết kế và biện pháp bố trí thoát nước

Việc thiết kế hệ thống thoát nước trong quá trình thi công đường hầm là rất quan trọng. Các yêu cầu bố trí hệ thống thoát nước cần được xác định rõ ràng để đảm bảo hiệu quả trong việc tiêu thoát nước. Lựa chọn các công cụ thoát nước phù hợp cũng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế. Phân tích kết quả tính toán giúp đánh giá hiệu quả của các biện pháp thoát nước đã được áp dụng.

3.1. Yêu cầu bố trí hệ thống thoát nước

Hệ thống thoát nước cần được bố trí sao cho đảm bảo hiệu quả trong việc tiêu thoát nước. Các yêu cầu về kích thước, vị trí và độ dốc của hệ thống thoát nước cần được xác định rõ ràng. Việc bố trí hệ thống thoát nước hợp lý sẽ giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn trong quá trình thi công.

3.2. Lựa chọn các công cụ thoát nước

Lựa chọn các công cụ thoát nước phù hợp là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống thoát nước. Các công cụ này cần phải đáp ứng được yêu cầu về lưu lượng nước cần thoát và điều kiện thi công. Việc sử dụng các công cụ hiện đại và hiệu quả sẽ giúp nâng cao hiệu quả của hệ thống thoát nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC THOÁT NƯỚC TRONG QUÁ TRÌNH ĐÀO ĐƯỜNG HẦM 1. Tổng quan phương pháp đào hầm Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nhiều công trình ngầm cũng đã được xây dựng để phục vụ tối đa các mục đích của con người. Từ trước tới nay, nhiều đường hầm đã được thi công tại Việt Nam, tiêu biểu như đường hầm đèo Hải Vân, đường hầm qua nút giao thông ngã tư Kim Liên, hầm Thủ Thiêm qua sông Sài Gòn, đường hầm thủy điện của các nhà máy thủy điện và các đường hầm phục vụ các mục đích khác. Các đường hầm đã và đang thi công tại Việt Nam cũng sử dụng nhiều phương pháp, cụ thể phân thành hai nhóm như sau: + Các phương pháp thi công thông thường: Cho phép tách phá đất đá tạo nên một khoảng trống ngầm có tiết diện với kích thước và hình dạng bất kỳ có các phương pháp thi công: phương pháp khoan nổ mìn, phương pháp đào xúc, máy xới, phương pháp dùng máy đào lò RH.

+ Các phương pháp thi công bằng máy: Cho phép tạo nên các khoảng trống ngầm với tiết diện có dạng xác định (chủ yếu là hình tròn), ít biến động trong quá trình thi công có các phương pháp thi công: Phương pháp sử dụng máy khoan hầm TBM (loại hở và có khiên), phương pháp dùng máy đào lò RH, dùng máy xúc, máy xới, dùng máy khiên đào SM (có đào toàn gương và đào từng phần gương), phương pháp kích ép ống (đào hầm nhỏ).[3] Đường hầm đó là kết cấu công trình ngầm, phục vụ nhiều mục đích khác 4 nhau, được xây dựng bằng những phương pháp thi công công trình ngầm đặc biệt, nhìn chung không làm xáo trộn mặt đất. Dựa trên vị trí xây dựng hầm, có thể chia làm 3 loại chính: - Đường hầm qua đất mềm: Thường loại đường hầm này đặt nông, dùng vào mục đích đường xe điện ngầm, hệ thống cấp nước và đường tiêu nước. Con người đã chế tạo khiên để phục vụ cho đào hầm để đảm bảo khi đào đất (bằng dụng cụ thủ công, búa máy hoặc thiết bị cắt đất), phía gương hầm cũng như nóc hầm được khiên hỗ trợ không cho đất tràn vào khối đào. Trong trường hợp qua đô thị còn dùng phương pháp đào hở rồi lấp lại.

- Đường hầm qua đá: Thường dùng cho đường sắt, đường cho xe cơ giới xuyên qua núi, hầm thủy điện… Có thể dùng thuốc nổ để phá đá trong lòng núi (phương pháp nổ mìn) hoặc dựa vào máy đào hầm (TBM). - Đường hầm dưới nước: Vỏ đường hầm chế tạo sẵn ở trên bờ từng đoạn rồi đưa đến vị trí hầm, được đánh chìm vào hào đã đào sẵn ở đáy sông hoặc ở vịnh, sau đó ghép lại, bịt kín và bơm nước ra. Như vậy đường hầm có thể xây dựng bằng nhiều cách:[3] - Phương pháp khoan nổ (Drill and Blast) - Phương pháp đào bằng khiên (Shield-có tấm bảo vệ, hoặc khí nén) - Phương pháp đào bằng máy đào (Tunnell boring Machine TBM) - Phương pháp đúc sẵn mặt cắt hầm rồi dùng kích ép vào đất (Jacking Pit) (đường hầm tập trung nước thải dưới rãnh Nhiêu Lộc-Thị Nghè, thành phố Hồ Chí Minh) - Phương pháp đánh chìm hầm (Immersed tubes) - Phương pháp đào hở và lấp lại (Cut and Cover) 5 Việc lựa chọn phương pháp thi công đường hầm chủ yếu dựa vào điều kiện địa chất và địa chất thủy văn, kết hợp với kích thước mặt cắt đường hầm, chiều dài, kiểu vỏ, công năng sử dụng và trình độ kỹ thuật thi công cùng với một số nhân tố khác nghiên cứu cân nhắc tổng hợp lại để quyết định. Trong phạm vi của luận văn tác giả xin được giới thiệu khái quát một số phương pháp thi công hầm như sau: Phương pháp đào hầm bằng khoan-nổ Phương pháp này đã được sử dụng từ thời cổ xưa, hiện nay vẫn dùng rộng rãi để đào đá cứng với mặt cắt hầm có hình dạng bất kỳ và kích thước to nhỏ khác nhau.

Trường hợp có máy đào hầm TBM thì trong một số trường hợp máy không thể hoạt động được hoặc chi phí đắt nên vẫn dùng phương pháp nổ mìn để đào, thí dụ đào hầm có mặt cắt không tròn hoặc cũng mặt cắt hầm tròn nhưng có chiều dài hầm quá ngắn, hoặc khi gặp phải cấu trúc địa chất nứt nẻ nhiều, có đứt gãy hoặc do những điều kiện cụ thể khác như mặt cắt gồm nhiều lớp địa chất khác nhau, đá vò nát, hoặc đá quá cứng thì phương pháp nổ mìn ưu việt hơn hẳn so với máy đào TBM. So với các phương pháp khác thì phương pháp này có ưu điểm là áp dụng cho bất kỳ độ cứng của đá, cho kích thước và hình dạng bất kỳ, áp dụng mọi kết cấu chống đỡ khung chống, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là gây nứt đất đá xung quanh. Các công đoạn thi công hầm theo phương pháp nổ mìn bao gồm các công đoạn sau: - Công tác khoan: Dùng phương pháp nổ mìn lỗ nông, tức là chiều sâu khoan nhỏ hơn 5m. Xác định chiều sâu lỗ mìn L chính là bước tiến của hầm sau một chu kỳ nổ 6 + Đảm bảo các thông số về đường kính, chiều sâu, góc nghiêng theo thiết kế.

+ Đảm bảo đủ số lượng lỗ khoan tương ứng với loại thuốc dự định sẽ sử dụng cũng như phương tiện nổ. - Công tác nổ mìn: + Xác định chiều sâu lỗ mìn. + Bố trí lỗ mìn (lỗ mìn tạo rãnh, lỗ mìn phá, lỗ mìn viền hoặc lỗ mìn sửa). + Nạp thuốc hợp lý: Đối với việc đào đường hầm thường dùng loại thuốc ammonít No-1, nén từng thỏi 36mm, dài 13,5cm, trọng lượng 200gr; loại ammonít No-6 dạng bột, gồm 62% loại dinamit khó bị đóng băng [3] + Nổ mìn.

- Công tác thông gió. - Công tác vận chuyển. - Công tác dựng kết cấu chống đỡ tạm. - Công tác thi công vỏ hầm.

Thi công hầm theo phương pháp nổ mìn tùy thuộc cách bố trí lỗ mìn và trình tự nổ mìn mà có các ứng dụng thi công khác nhau, cụ thể: - Theo cách bố trí lỗ mìn: + Bố trí lỗ mìn tạo rãnh: bố trí giữa gương hầm nhằm tạo mặt thoáng để hiệu quả nổ cao. Có nhiều cách bố trí tùy thuộc hướng tạo mặt thoáng. + Bố trí lỗ mìn phá: bố trí trên toàn bộ gương hầm nhằm phá đá. Do khối lượng thuốc nổ hạn chế để đảm bảo xung quanh không bị nứt, nên các hàng mìn phá được bố trí kíp nổ vi sai.

7 + Bố trí lỗ mìn sửa hoặc lỗ mìn viền, bố trí ở chu vi gương hầm để đảm bảo hình dáng đường viền gương hầm phù hợp thiết kế. -Theo trình tự nổ mìn + Nếu bố trí nổ mìn viền (khi đá quá yếu, nứt nẻ nhiều): nổ mìn viền trước tiên, nổ mình rãnh-nổ mìn phá cuối cùng. + Nếu bố trí nổ mìn sửa: nổ mìn rãnh trước tiên – nổ mìn phá-nổ mìn sửa cuối cùng. Phương pháp đào hầm mới của Áo (NATM) Phương pháp thi công đường hầm mới của Áo (New Austrian Tunneling Method- NATM) do nhà bác học người Áo là Ladislaus von Rabcewicz đề xuất ra đầu tiên vào những năm 40 của thế kỷ trước.

Phương pháp này lấy phun bê tông và neo làm biện pháp che chống chủ yếu, thông qua giám sát đo đạc khống chế biến dạng giới chất, tiện cho việc phát huy phương pháp thi công dùng năng lực tự chịu tải của đất đá.[5] Cơ sở đào: chia mặt cắt hầm thành các đoạn cân đối dạng cong, đào hầm dẫn đỉnh trước rồi mở rộng sang hai bên và xuống dưới. Quá trình thực hiện các công đoạn theo yêu cầu: tiến hành đào theo các phân đoạn đồng thời đo biến dạng đất đá để thiết kế chống đỡ, đo độ đồng quy mặt cắt hầm. Chống đỡ ngang, bê tông phun, lưới thép, neo, khung sườn thép. Phương pháp NATM được áp dụng nhiều trong thi công hầm ở Việt Nam, đặc biệt trong những vùng xen lẫn địa chất xấu.

Ngày nay, thiết bị, kết cấu chống đỡ và các biện pháp phụ trợ đã có nhiều cải tiến và phát triển, các nguyên tắc của phương pháp NATM đã được triển khai và áp dụng cả đối với địa tầng biến dạng nhiều, đất yếu và các đoạn có hình dạng hình học phức tạp. 8 Phương pháp đào bằng Khiên Thi công bằng khiên (Shield Method) là phương pháp thi công cơ giới dùng khiên đào đường hầm. Vỏ khiên (Shield) là ống thép dạng lồng có thể trượt lên nhau. Đoạn đầu ống có thiết bị che chống và đào đất, đoạn giữa của ống được lắp các kích đẩy cho máy tiến lên, đuôi của ống có thể lắp các ống bê tông vỏ hầm đúc sẵn hoặc các vành thép để đổ bê tông vỏ hầm.

Mỗi lần khiên tiến lên cự ly một vòng, thì sẽ lắp đặt một vòng vỏ hầm dưới sự che chống của khiên, đồng thời người ta sẽ ép vữa xi măng cát vào khe hở đằng sau lưng các vòng bê tông để đề phòng hầm và mặt cắt lún xuống. Phản lực đẩy khiên tiến lên do vòng bê tông vỏ hầm chịu đựng. - Công đoạn thi công hầm bằng khiên: Dùng khiên bảo vệ, đá được đào bằng búa khoan hơi, đá đào được băng chuyền đưa ra xe vận chuyển đi, phụt vữa gia cố, tiếp cho lắp ghép các khối bê tông đúc sẵn. Khiên đào đường hầm từng được sử dụng để thi công tuyến đường Xinyi trong hệ thống tàu điện ngầm ở Đài Bắc Đài Loan [11] Phương pháp đào bằng TBM TBM là một khối thiết bị khổng lồ, giá thành cao, có thân là một ống hình trụ, đường kính bằng đường kính hầm, đủ chiều dài để bố trí các thiết bị bên trong như người lái, băng chuyền, hệ thống thông gió, hệ thống điện, các kích thủy lực…TBM không chỉ đào đá mà còn hỗ trợ chống đỡ vách hầm.

- Công đoạn thi công hầm bằng TBM: Cắt đất, chuyển đất đi, chống đỡ ngay, lắp vỏ hầm liên tục. - Điều kiện áp dụng: + Đào với đá cứng, liên tục. + Mặt cắt hầm dạng hình tròn. + Thi công cần tiến độ nhanh.

TBM trong đá cứng ở Hầm thủy điện Đại Ninh [10] Hình 1. TBM trong đá cứng kiểu Roadheader [10] Phương pháp đào-lấp [3] Những đường hầm đặt nông, như đường hầm thoát nước lớn, đường hầm cho xe cơ giới và những đường hầm chuyển qua chỗ có mật độ giao thông đông, thường được thiết kế theo phương pháp đào hở rồi lấp lại. Việc thi công đường hầm đặc trưng theo phương pháp đào-lấp là công trình được xây dựng trong hào đã đào sẵn, được chống đỡ “đào” và cuối cùng sẽ được lấp lại “lấp”. Có 2 phương pháp thi công là thi công từ dưới lên (bottom-up) và thi công từ trên xuống (top-down).