Đặt vấn đề Phát triển phương tiện cá nhân không được kiểm soát cộng với yếu kém về hạ tầng kỹ giao thông đã và đang gây ra hậu quả nghiêm trọng cho nhiệm vụ đáp ứng nhu cầu giao thông đô thị đi kèm với sự phát triển bền vững. Thay đổi suy nghĩ của việc sử dụng các phương tiện cá nhân tham gia giao thông chuyển sang sử dụng các phương tiện giao thông công cộng đang là yêu cầu tất yếu, ở đây giao thông công công bao gồm, xe buýt, xe điện, đường sắt nhẹ, metro.,đang là những phương án lựa chọn cho bài toán đảm bảo nhu cầu giao thông. Đánh giá hiệu quả sử dụng các phương tiện công cộng, đặc biệt là phương tiện vận tải khối lượng lớn đang là ưu tiên số một cho giải pháp lựa chọn, trong đó metro đã và đang được nghiên cứu triển khai. Metro với ưu điểm là hệ thống vận chuyển hành khách khối lượng lớn bằng phương tiện tàu điện, rõ ràng đang chiếm nhiều ưu thế để ưu tiên phát triển.
Nó vừa đáp ứng được nhu cầu vận tải ngày càng cao (80.000khách/chiều/giờ) chiếm dụng diện tích nhỏ và đảm bảo môi trường. Đặc biệt nó phát huy được tối đa hiệu quả với những đô thị đang bị quá tải và thiếu quy hoạch đồng bộ như các thành phố ở nước ta hiện nay. Bảng so sánh các phương tiện sử dụng Giao thông cá nhân Giao thông công cộng Ưu điểm Bất lợi Ưu điểm Bất lợi Thoải mái, Cần không gian, Khả năng chuyên chở cao, Riêng tư, Ô nhiễm, Thời gian chờ đợi, Chi phí thấp, Độc lập, Tiếng ồn, Thời gian chung Nhu cầu không gian thấp, Tiếp cận đa Tắc đường, chuyển, Thoải mái khi tham gia, dạng, Tai nạn, Thời gian đi bộ, Độ an toàn cao, Nhanh, Chi phí cao, Ít riêng tư, Hành trình ngắn,thời gian, Căng thẳng khi Độ linh động thấp. 3 Xây dựng metro ngầm luôn là một thách thức lớn về kinh tế, kỹ thuật và cả môi trường không chỉ riêng nước ta mà còn là thách thức ngay cả các nước đã phát triển và đã có mạng lưới metro ngầm.
Khi xây dựng metro ngầm ở các đô thị ở nước ta cần quan tâm đến các đặc điểm riêng sau đây: 1.1 Vị trí địa lý và điều kiện địa chất thủy văn Các thành phố nước ta đều phân bố trên các đồng bằng ven sông, biển và có điều kiện địa chất phân bố không đồng đều theo diện tích và chiều sâu, phân lớp mỏng, có nhiều lớp và chu yếu là các lớp đất yếu, nước dưới đất phân bố rộng và khá phong phú và thường nằm nông so với mặt đất tự nhiên, trong thành phố có nhiều kênh rạch, sông ngòi chia cắt… Đây là điều kiện khá bất lợi cho việc thi công các tuyến metro ngầm. Một tuyến metro ngầm có thể đi qua nhiều điều kiện đất nền khác nhau và đòi hỏi các công nghệ thi công khác nhau cũng như tác động khác nhau đến môi trường và công trình công cộng xung quanh. Riêng khu vực thành phố Hồ Chí Minh, được hình thành từ 2 mạng lưới sông Đồng Nai và Sông Sài Gòn, khí hậu cận xích đạo nắng và gió quanh năm, lượng mưa trung bình hàng năm rất lớn. Địa chất, địa hình khu vực này có hai kiểu nền đất phổ biến gây nhiều khó khăn cho xây dựng metro ngầm, đó là kiểu đất bùn rất yếu phân bố ngay từ trên mặt và trải xuống sâu tới 30 - 40m hoặc nền đất cấu tạo bởi các đất hạt rời bão hòa nước, xốp, đất cát pha, sét pha rời rạc, mực nước ngầm cao, mạng lưới sông ngòi dày đặc… (trích nguồn: Lập Dự án đầu tư tuyến metro số 1 thành phố Hồ Chí Minh, tuyến Bến Thành-Suối Tiên) 4 Hình 1.1: Bình đồ quy hoạch các Tuyến đường sắt đô thị tp.Hồ Chí Minh theo quyết định 101/QĐ-TT ngày 22/1/2007 1.2 Kinh tế, xã hội Quá trình đô thị hoá tại Việt Nam phát triển nhanh chóng.
Theo các số liệu điều tra, hiện tại dân số trong các thành phố chiếm khoảng 30% tổng số dân cả nước và đến năm 2010 sẽ không dưới 50-60%. Tốc độ tăng trưởng GDP của thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2000-2005 là 11%/năm. Tốc độ tăng trưởng dân số trung bình là 3,6%. Với tốc độ phát triển và gia tăng dân số như vậy thì việc xây dựng công trình ngầm nhằm thỏa mãn nhu cầu giao thông đô thị phù hợp với sự phát triển của thành phố và là một nhu cầu bức thiết.
Một thành phố hiện đại thì không thể thiếu hệ thống giao thông hiện đại nhất là metro.3 Hướng tuyến Khu vực trung tâm Thành phố được hình thành từ lâu đời theo quy hoạch cũ và phát triển kế thừa đến sau này. Trong một thời gian dài việc quy hoạch không được xem xét cẩn thận, cơ sở hạ tầng cũ không đáp ứng được nhu cầu giao thông hiện tạid để lại và thiếu đi sự định hướng chiến lược lâu dài. Sau này, Khi kinh tế phát triển kéo theo quá trình đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ, việc mở rộng đô thị quá mức và quy hoạch không theo kịp nhu cầu phát triển giao thông, dẫn đến quy hoạch tổng thể bị phá vỡ, do đó tốn nhiều công sức, tiền bạc và chi phí để xử lý khắc phục. Việc quá khó khăn để chọn được hướng tuyến do không có quỹ đất và thường cắt qua nhiều khu vực dân cư, với nhiều nhà cao tầng hiện hữu, làm tăng chi phí đền bù giải tỏa, đồng thời khó khăn trong quá trình thi công.4 Tình hình giao thông Một điều dễ nhận thấy nhất ở các đô thị lớn ở nước ta là mật độ tham gia giao thông ở nước ta là rất cao, phương tiện sử dụng chủ yếu là xe máy và các phương tiện cá nhân khác.
Phương tiện giao thông công cộng không được quan tâm đúng mức do đó không thể đáp ứng được nhu cầu. Một đặc điểm khác là các tuyến phố thường nhỏ hẹp nhiều điểm giao cắt đông mức và ngoằn ngoèo. Bất kỳ một sự cố nhỏ nào cũng có thể gây ùn tắc giao thông nghiêm trọng. Điều này rất khó khăn cho việc tổ chức công trường trong khu vực trung tâm thành phố, nhất là thi công metro ngầm qua khu vực này.
Bãi tập kết vật liệu, trạm xử lý trên mặt đất, bãi tập kết máy móc,…Đây là một tiêu chí rất quan trọng để lựa chọn phương án thi công và loại công cụ thi công.5 Xét đến ảnh hưởng đối với công trình xung quanh và ảnh hưởng đến môi trường. Khi xem xét, đánh giá một phương án thi công cụ thể nào đó, ngoài việc xem xét tính ưu việt của một loại máy thi công nào đó còn cần phải xem xét đến tất cả các yếu tố tác động xung quanh. Với mật độ các công trình hiện hữu dày đặc, vẫn phải đảm bảo lưu thông cho các phương tiện, do vậy một phương án thi công có thể tốt về mặt giải pháp nhưng đòi hỏi quá nhiều không gian cho khu vực thi công trên mặt đất cũng không thể là phương án thi công khả thi. Ngoài ra, trong trường hợp thi công trong khu vực nội thành, phải đảm bảo được vấn đề môi trường như: khói, bụi, tiếng ồn…do vậy các phương thức thi công cần phải tính toán đến.
6 Thêm vào đó còn có vấn đề đảm bảo tránh ảnh hưởng đến các công trình kiến trúc, văn hóa biểu tượng của thành phố. Kiểm soát vấn đề sụt lún bề mặt đòi hỏi phải có những giải pháp thi công tiên tiến, phức tạp về mặt công nghệ cũng như yếu tố chủ quan của con người.2 Phân tích các loại máy khiên đào sử dụng trong thi công metro ngầm. - Lịch sử phát triển khiên đào Cách đây 5000 năm con người đã nghĩ đến việc xây dựng hầm cho nhiều mục đích khác nhau, tuy nhiên thì việc xây dựng chỉ dừng lại ở việc đào những đường hầm trong điều kiện khô ráo, địa chất tốt, trong đá hoặc đất sét cứng và sử dụng các dụng cụ chống đỡ thô sơ như các thanh gỗ. Năm 1806 Brunel đã phát minh ra việc đào hầm chống đỡ bằng khiên để che chắn cho công nhân thi công phía bên trong được đề xuất và mãi cho đến năm 1825 việc đào hầm bằng khiên đầu tiên được sử dụng cho dự án hầm đi ngầm dưới sống Thames, London, với cấu tạo khiên được chia thành nhiều khoang, mỗi công nhân thi công trong một khoang.
Tuy nhiên, với lần đầu tiên sử dụng khiên đào kích thước lớn, việc thi công gặp rất nhiều khó khăn và cho tới năm 1843 mới hoàn thành được tuyến hầm với hơn 5 lần nước tràn vào trong hầm. Năm 1869 Greathead xây dựng 1 tuyến hầm ngầm đi bên dưới lòng sông Thames với khiên đào tiết diện tròn và sau này trở thành mẫu chuẩn cho khiên đào ngày nay. Đến năm 1886 Greathead đã điều chỉnh lại khiên đào và có kết hợp phương pháp khí nén cho dự án công trình ngầm ở London và đến đầu thế kỷ 20 phần lớn các đường hầm trên thế giới được thi công theo phương pháp của Greathead, tuy vậy việc đào hầm chỉ dừng lại bằng phương pháp thủ công. Việc đào hầm bằng máy bắt đầu được phát triển từ phát minh của Bruton năm 1876 có sử dụng các tấm cắt dạng bán nguyệt và dần được hoàn thiện theo thời gian.
Tiếp sau sự phát triển các phương án chống đỡ mặt đào bằng khí nén, phương án dùng vữa để chống đỡ đã được Hagg sử dụng cho máy khiên đào đầu tiên của Đức năm 1896. Cho đến cuối năm 1959 phương pháp này mới thực sự thành công với việc sử dụng vữa bentonite. Năm 1967 máy đào sử dụng lưỡi cắt kết hợp phương pháp chống đỡ bằng dung dịch vữa bentonite được sử dụng ở Nhật. Năm 1963, công ty Sato Kogyo của Nhật đã phát minh ra máy đào TBM cân bằng áp lực đất thi công hầm trong điều kiện đất yếu và nằm dưới mực nước ngầm.
7 Cho đến nay, việc thi công ngầm cho các công trình giao thông cũng như các công trình phục vụ mục đích khác bằng việc áp dụng công nghệ TBM đã trở lên rất phổ biến và thành công ở các hệ thống metro ở Osaka, Nhật bản, metro Thượng hải, Singapore… - Phân loại Khiên đào. - Các loại khiên đào trong đất Các loại Mô tả và phạm vi sử dụng Hình ảnh khiên Thích hợp cho đất mềm, các đường hầm nhỏ trong đất cứng và không bi sụt lở. Được trang bị kích bề mặt để chống đỡ Khiên đất đá phía gương đào đào thủ Trong điều kiện như vậy, máy còn công được trang bị mái trượt và sàn làm việc Đây là một kiểu phát triển của khiên cổ loại do Brunel phát minh.