CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỐNG NGẦM VÀ PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM Công trình ngầm là một trong các loại công trình đặc biệt do được bố trí bên dưới bề mặt đất. Tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất, các yếu tố về địa chất thủy văn cũng như trình độ, khả năng thi công mà phương pháp thi công công trình ngầm được chọn lựa khác nhau. Phân loại cống ngầm và phương pháp xây dựng 1. Phân loại cống ngầm Cống ngầm thường được sử dụng cho các công trình cơ sở hạ tầng, đặc biệt phổ biến cho các khu vực đông dân cư.
Ở các đô thị lớn trên thế giới, các đường dây thông tin, năng lượng, hệ thống cấp thoát nước được xây dựng ngầm dưới đất. Trong đa số các trường hợp, độ sâu công trình ngầm càng lớn thì các tác động do sự có mặt của chúng với các công trình hiện hữu bên trên càng bé, ống ngầm được phân chia thành các nhóm theo các tiêu chuẩn sau [2], [9], [13], [19]. - Theo công dụng, gồm các loại cống: cấp nước, thoát nước, tiêu nước, dẫn nhiệt, tháo nước (dưới đường ôtô và đường sắt), cống trong công trình thủy công, ống dẫn dầu, dẫn hơi. - Theo vật liệu, gồm các loại cống: thép, gang, xi măng amiăng, bê tông, bê tông cốt thép, gạch, sành, chất dẻo và một số vật liệu khác.
- Theo áp lực của chất lỏng chứa trong cống tác động lên thành cống gồm các loại cống: không áp và có áp. - Theo hình dáng mặt cắt ngang, gồm các loại cống hình tròn, hình bầu dục, hình máng, hình vuông, hình chữ nhật. Việc chọn lựa hình dáng mặt cắt ngang của cống phụ thuộc vào điều kiện địa chất công trình, địa hình, biện pháp thi công hay thiết kế kỹ thuật. -6- - Theo cấu tạo gồm các loại cống có thành trơn, thành uốn nếp hay loại cống có đai.
- Theo mối nối giữa các đoạn, gồm các loại cống nối cứng, nối mềm, cống có mối nối cho phép các đoạn xoay tương đối với nhau, cống có mối nối cho phép chuyển vị dọc trục, cống có mối nối đối đầu (âm dương). - Theo cách lắp đặt cống, gồm các loại: cống chôn trong đất đắp là cống đặt ngay trên mặt đất hoặc cống đặt nông so với bề rộng hố đào rồi sau đó được lấp đất lên; cống chôn trong hào sâu là loại cống đặt trong hào hở, hẹp nhưng sâu với hai vách cứng, rồi sau đó được lấp đất; hay cống luồn trong đất bằng cách đào đường hầm kín, lúc này toàn bộ khối đất thiên nhiên kể từ trên mặt đất xuống không bị phá hoại. - Theo cách tựa lên nền, gồm các loại: cống tựa trên mặt nền phẳng, cống tựa trên nền đất tự nhiên hay đất đắp đã được làm lõm theo chu vi mặt cắt ngang cống, cống tựa trên gối như đặt cống trên móng cọc trong điều kiện địa chất yếu. - Theo lý thuyết tính toán kết cấu cũng phân chia thành cống cứng như cống bê tông, bê tông cốt thép và cống mềm như cống PVC, cống CC-GRP (là cống làm từ vật liệu liên hợp gồm nhựa thông, sợi thủy tinh, cát, CaCO3,…).
Việc xây dựng các công trình ngầm và công trình đào sâu khác nhau về ý nghĩa công nghệ và phạm vi áp dụng, về chiều sâu và kích thước trên mặt bằng, có thể được bố trí riêng rẽ hay dưới các công trình hiện hữu phụ thuộc vào điều kiện địa chất, địa hình, thủy văn. Lý luận cơ bản trong thiết kế và thi công công trình ngầm Tổng hợp tất cả các biện pháp và kỹ thuật thi công có thể phân ra làm hai loại lý luận sau [3], [4], [5]. “Lý luận tải trọng rời” xem đất đá có khả năng tự ổn định, không phát sinh tải trọng. Đất đá không ổn định có thể gây ra sụt lở nên cần phải dùng kết cấu để che chống.
Tải trọng tác dụng lên kết cấu chống chính là trọng lực khối đất đá đã bị long rời trong một phạm vi nhất định có khả năng sụt lở. Đây là lý luận truyền -7- thống, đại diện cho trường phái này có Terzaghi, Protodiakonov và một số người khác. Về nguyên lý cơ học, lý luận này xem đất đá vây quanh là khối hạt rời để tính toán tải trọng phân bố lớn hay nhỏ của nó phát sinh đối với kết cấu chống đỡ. Cơ học kết cấu xem hệ chống và vỏ hầm là kết cấu chịu tải để tính toán nội lực.
Lập nên hệ thống cơ học “Tải trọng – Kết cấu” lấy tải trọng bất lợi nhất tổng hợp lại làm tải trọng thiết kế kết cấu. “Lý luận đất đá chịu tải” xem đất đá ổn định hiển nhiên là nhờ bản thân có năng lực chịu tải và tự ổn định; đất đá xung quanh mất ổn định là một quá trình, nếu trong quá trình đó, ta cung cấp một sự hỗ trợ hoặc hạn chế cần thiết thì đất đá xung quanh vẫn có thể trở lại trạng thái ổn định. Đại diện cho trường phái này có K. Rabcewicz, Miler Fecher, Fenner Talobre, H.
Kastener và một số người khác. Nói chung, ở “lý luận tải trọng rời” chú ý đến kết quả và xử lý theo kết quả; còn “lý luận đất đá chịu tải” lại chú trọng đến quá trình và tiến hành khống chế đối với quá trình, tức là lợi dụng đầy đủ năng lực chịu tải của đất đá xung quanh. Trong thực tế thi công, việc lựa chọn phương pháp hay lý luận nào đều phải cân nhắc đến điều kiện thực tế công trình để đánh giá và phân tích, đôi khi kết hợp nhiều phương pháp để đáp ứng yêu cầu thực tế xây dựng. Phương pháp thi công công trình ngầm Có rất nhiều phương pháp thi công công trình ngầm, có thể chia thành 3 nhóm như sau: Phương pháp đào và lấp (đào hở), đào kín, phương pháp hầm dìm (khi thi công hầm trong nước.
Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm nhất định và tuỳ từng điều kiện địa chất, hiện trường, khả năng công nghệ cụ thể mà có thể vận dụng hợp lý. Phương pháp thi công đào hở Thi công hở là tiến hành đào hào từ trên mặt đất, xây dựng công trình và cuối cùng lại phủ đất hay vật liệu lên trên kết cấu công trình ngầm (cut-and-cover). Thông thường với phương pháp này, kết cấu công trình ngầm có thể được xây dựng -8- từ đáy hào (phương thức tường nền) hoặc trước tiên thi công tường và nóc của kết cấu công trình ngầm (phương thức tường nóc) và sau đó các công tác khác được tiến hành và hoàn thiện. Tùy thuộc vào điều kiện mặt bằng thi công, hào của công trình ngầm có thể được thi công với thành hào nghiêng hoặc thẳng đứng.
Trong thành phố phương án thành hào đứng thường là giải pháp tất yếu. Việc bảo vệ ổn định thành hào đóng vai trò quan trọng liên quan đến ổn định của các công trình trên mặt đất cũng như đảm bảo các điều kiện thi công tiếp theo. Tùy thuộc vào điều kiện đất nền và các công trình kiến trúc trên mặt đất cần được bảo vệ mà các kết cấu bảo vệ thành hào được áp dụng rất đa dạng. Kết cấu bảo vệ thành hào có thể được thu hồi sau khi thi công kết cấu công trình ngầm nhưng cũng có thể được giữ lại làm một bộ phận quan trọng của kết cấu công trình ngầm.
Trong những điều kiện cho phép, đây là phương pháp thi công kinh tế nhất để thi công các công trình ngầm, trong hoàn cảnh hiện nay cần chú ý xem xét khả năng bố trí các tuyến ngầm dọc theo các tuyến đường bộ sẵn có. Quá trình thi công nên thực hiện theo sơ đồ “cuốn chiếu” để hạn chế ách tắc giao thông.1 - Thi công và tái lập công trình ngầm theo phương pháp đào hở tại TP. Phương pháp đào kín Hầm và các không gian ngầm ngày càng có vai trò quan trọng trong một hệ thống giao thông hiện đại. Hầu hết các khu vực đô thị trên thế giới đều phải đối mặt với nhiều vấn đề lớn, đặc biệt là giao thông.
Kết cấu hạ tầng cũ nhìn chung là lỗi thời, không còn đáp ứng được nhu cầu sử dụng. Trong bối cảnh đó thì không gian giao thông theo hướng trên cao và theo hướng đi ngầm trong lòng đất được xem xét. Hơn nữa, công trình hầm có những ưu thế vượt trội so với các loại hình giao thông khác nhờ sự đi lại nhanh chóng, tiện lợi và an toàn cao, nhất là trong trường hợp thiên tai, chiến sự. Có thể nói giao thông ngầm là xu thế phát triển tất yếu của một nền kinh tế hiện đại của thế giới.
Phương pháp đào kín chẳng những được áp dụng cho các công trình giao thông mà còn được áp dụng rộng rãi cho các loại hình công trình khác như : Hệ thống cấp, thoát nước. Các yếu tố về địa chất, cụ thể là các điều kiện địa chất của khối nền luôn đóng vai trò chủ yếu trong việc quyết định tính khả thi của một dự án hầm. Trình độ kỹ thuật trước đây chỉ cho phép xây dựng các hầm ngắn. Ngày nay, nhờ những tiến bộ về khoa học và công nghệ người ta có thể xây dựng được hầm ở bất kỳ nơi nào khi cần thiết hoặc có chủ định làm.
Những lợi ích về kinh tế xã hội và đặc biệt là về môi trường trở thành những yếu tố thiết yếu và trong một số trường hợp, có tầm quan trọng không kém so với các yếu tố về kỹ thuật và địa chất. Việc liên kết công trình hầm với các mạng lưới giao thông hiện có cũng là một yếu tố có tính quyết định. Do những ràng buộc này mà các công trình hầm thường phải bố trí trên các tuyến đường đi qua khu vực địa tầng có cấu trúc không phải là lý tưởng, đó là các khu vực đô thị lớn, thường nằm ở các vùng châu thổ (địa tầng mềm yếu). Mặc dù hiện nay những khía cạnh về địa chất được xem là thứ yếu và được kỳ vọng là có thể giải quyết được với công nghệ hiện có.
Song trên thực tế, việc đào hầm trong đất mềm yếu vẫn là một thách đố nan giải đối với giới xây dựng hầm bởi vì luôn có những rủi ro khó lường.2 - Thi công công trình ngầm theo phương pháp đào kín tại TP.HCM Có thể đưa ra cách phân loại các phương pháp đào hầm kín theo thuật ngữ thường được sử dụng ở Việt nam như sau: a) Phương pháp khoan nổ truyền thống và NATM. b) Phương pháp khiên đào (SM) và phương pháp khoan đào (TBM) c) Phương pháp kích đẩy (pipe jacking). d) Các phương pháp đặc biệt (Phương pháp làm lạnh, phương pháp nổ ép) a.
