mở đầu thời kỳ xây dựng các hệ thống tầu điện ngẩm trên các thành phố lớn của thế giới. Đến nay đã có trên 100 hệ thống tầu điện ngầm ở trên 30 nước [11]. Các phương pháp thi công đường hầm phổ biến hiện nay Thi công đường hầm là thuật ngữ gọi chung phương pháp thi công xây dựng, kĩ thuật thi công và quản lý thi công các đường hầm và công trình ngầm. Việc thi công các đường hầm bao gồm hai giai đoạn chính: đào đường hầm (bao gồm xây dựng đường hầm phụ trợ nếu cần thiết), thi công vỏ hầm và lắp đặt 10 thiết bị của đường hầm (hệ thống thông hơi, hệ thống chiếu sáng và an toàn, v.
Trong luận án này chỉ nghiên cứu ở giai đoạn thứ nhất. Dựa vào tình hình tầng đất đá mà đường hầm xuyên qua và sự phát triển phương pháp thi công hầm hiện nay, phương pháp thi công hầm có thể được phân ra 2 nhóm: phương pháp đào mở (đào và lấp) và phương pháp đào kín. Trong luận án chỉ tóm tắt về nhóm đào kín với các phương pháp sau đây: 1. Phương pháp mỏ truyền thống (khoan và nổ mìn truyền thống) Xây dựng hầm bao gồm hai quá trình chính: đào, tức là đào hầm có kèm theo việc dựng vì chống tạm trong trường hợp cần thiết và xây vỏ hầm: xây tường, xây vòm.
Tuỳ thuộc vào đặc điểm của công trình và các điều kiện địa kĩ thuật, các quá trình này được thực hiện theo những trình tự khác nhau và mở các diện thi công dọc theo hầm khác nhau. Nội dung này xác định phương pháp thi công hầm [22]. Tên gọi "Phương pháp mỏ" có quan hệ tương hỗ với công nghiệp khai khoáng, ở đây thường sử dụng phương pháp đào hang truyền thống bằng khoan nổ mìn trong đá cứng cùng với các vì chống tạm rồi xây vỏ hầm vĩnh cửu [26, 22]. Khoan nổ mìn để xây dựng đường hầm có thể được sử dụng trong nhiều điều kiện địa chất, từ đá với cường độ thấp, ví dụ: Marl, Loam, Đất sét, Thạch cao, Phấn, đến các loại đá cứng nhất, chẳng hạn như đá Granit, Gneiss, đá Bazan hoặc Thạch anh.
Do phạm vi có thể sử dụng lớn này, khoan nổ có thể thuận lợi cho các điều kiện nền đất rất thay đổi. Công việc khoan nổ và phạm vi chống đỡ của đường hầm có thể được điều chỉnh với mỗi gương đào nếu được yêu cầu. Ngoài ra, việc đào đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn thường được ưu tiên hơn so với sử dụng TBM hoặc máy đào lò trong một số trường hợp, ví dụ, đường hầm tương đối ngắn khiến cho việc chi phí đầu tư cao cho máy đào hầm là không kinh tế, hoặc khi độ cứng của đất đá rất cao cao đến mức các dụng cụ cắt gọt sẽ bị mòn rất nhanh dẫn đến sử dụng máy không hiệu quả. Khoan nổ còn được sử dụng cho thi công hầm trong trường hợp yêu cầu mặt cắt ngang khác với hình tròn, hoặc khi kích thước đường hầm yêu cầu rất lớn không cho phép áp dụng máy đào hầm vì lý do kinh tế hoặc kỹ thuật.
Như với tất cả các phương pháp đào hầm khác, 11 phương pháp đào hầm sử dụng khoan nổ sẽ là kinh tế khi sử dụng các quy trình làm việc tương tự và liên tục. Do đó, khi lập kế hoạch cho một đường hầm, cách làm có lợi là chia đường hầm thành các phần có thể sử dụng cùng một lược đồ tiến độ và cùng nhịp độ chống đỡ đường hầm. Nhược điểm của phương pháp này là trong quá trình khoan và nổ mìn, các quy trình công việc riêng lẻ chủ yếu được tiến hành tuần tự, điều này dẫn đến tốc độ đào hầm chậm hơn so với đào hầm sử dụng TBM [11]. Phương pháp đào hầm mới của Áo Phương pháp đào hầm mới của Áo (New Austrian Tunnelling Method - NATM) được phát triển bởi các kỹ sư người Áo là Ladislaus von Rabcewicz, Leopold Müller và Franz Pacher trong những năm 1950.
Tên của phương pháp được giới thiệu vào năm 1962 để phân biệt với “Austrian Tunnelling Method”, ngày nay được gọi là “Phương pháp đào hầm cũ của Áo”, một phương pháp khai đào sử dụng gỗ chống tạm tương tự như các phương pháp đường hầm Bỉ, Đức và Anh [40]. Trong phương pháp NATM, việc khai đào đường hầm vẫn thực hiện bằng phương pháp khoan nổ mìn, nhưng kết cấu chống tạm bằng gỗ, thép. được thay bằng kết cấu neo và bê tông phun, hình thành liên kết toàn phần giữa khối đá và kết cấu chống tạm, đồng thời giám sát đo đạc khống chế biến dạng của khối đất đá. Ảnh hưởng của yếu tố thời gian, liên quan với sự phát triển của áp lực và thời gian tồn tại ổn định không chống của khối đá, được hạn chế một cách cơ bản.
Cũng nhờ đó ngay cả trong trường hợp gặp khối đá xấu vẫn có thể thi công đào toàn gương và so với phương pháp truyền thống, đây thực sự là một tiến bộ lớn. Phương pháp NATM đã được áp dụng rộng rãi trong thi công hầm trên thế giới. Phương pháp dùng các loại máy đào hầm Hiện nay có khá nhiều công nghệ trong kỹ thuật đào kín. Theo đó, kỹ thuật đào kín được phân thành 3 nhóm công nghệ chính: (1) khoan đào ngang; (2) kích đẩy; (3) sử dụng các TBM [2].
Nhóm công nghệ khoan đào ngang bao gồm các công nghệ trong đó việc đào hầm được thực hiện nhờ các thiết bị máy móc, không cho công nhân vào bên trong hầm. Nhóm này được chia thành: 12 - Công nghệ khoan guồng xoắn (Auger Boring-AB); - Công nghệ khoan định hướng ngang (Horizontal Directional Drilling-HDD); - Công nghệ đào hầm nhỏ (MicroTunneling-MT); - Công nghệ đóng ống (Pipe Ramming-PR). Cả hai công nghệ kích đẩy (Pipe Jacking-PJ) và sử dụng máy đào hầm TBM (Tunnelling Boring Machine) đều yêu cầu công nhân vào bên trong hầm trong quá trình đào đất và quá trình thi công. Tuy nhiên, công nghệ kích đẩy khác với công nghệ TBM ở kết cấu chống đỡ thành hầm.
Công nghệ kích đẩy sử dụng những đoạn vỏ hầm được chế tạo sẵn, các đoạn vỏ hầm mới được nối tiếp và đẩy vào trong đất nền nhờ hệ thống kích đẩy đặt tại giếng điều khiển kết hợp với đào đất. Trong khi đó công nghệ TBM sử dụng các thiết bị máy đào để đào đất, kết cấu chống đỡ được thi công ngay tại bên trong công trình ngầm [2]. Ngoài cách phân loại các phương pháp thi công nêu trên, người ta còn dùng cách phân loại khác đối với nhóm đào kín, đó là chia thành phương pháp đào hầm thông thường và đào hầm bằng máy đào hầm [55]: - Theo định nghĩa của Hiệp hội xây dựng hầm quốc tế (ITA), công nghệ đào hầm thông thường là xây dựng các đường hầm dưới mọi hình dạng với quy trình xây dựng theo chu kỳ: + Đào đất bằng cách sử dụng phương pháp khoan nổ mìn hoặc dùng máy đào (máy cắt gọt, máy đào gầu xúc, máy cắt thủy lực.); + Dọn dẹp đất đá thải; + Lắp đặt các thành phần kết cấu chống đỡ chính như: khung thép, neo, bê tông phun không hoặc có gia cố lưới thép. - Cũng theo ITA, đào hầm bằng máy là kỹ thuật đào hầm bằng thiết bị có lưỡi cắt cào hoặc đĩa cắt (xoay hoặc không xoay).
Kĩ thuật thi công đường hầm chủ yếu nghiên cứu giải quyết các phương án và biện pháp kĩ thuật cần thiết cho các loại phương pháp thi công đường hầm nói trên (như phương án và biện pháp thi công đào, tiến gương, chống giữ tạm và gia cố, xây vỏ); biện pháp thi công khi đường hầm đi qua các vùng địa chất đặc biệt (như đất trương 13 nở, hang động karst, đất sụt, cát chảy, tầng đất có khí mêtan…); phương pháp và các phương thức thông gió, chống bụi, phòng khí độc, chiếu sáng, cung cấp điện nước và các phương pháp đo đạc, giám sát, khống chế đối với các thay đổi địa chất của hầm. Quản lý, thi công đường hầm chủ yếu giải quyết thiết kế tổ chức thi công (như lựa chọn phương án thi công, biện pháp kĩ thuật thi công, bố trí hiện trường, khống chế tiến độ, cung ứng vật liệu, lao động, máy móc.) và một số vấn đề khác như quản lý kĩ thuật, kế hoạch, chất lượng, kinh tế. Tóm tắt lịch sử ngành xây dựng hầm ở Việt Nam và xu thế phát triển 1. Lịch sử ngành xây dựng hầm ở Việt Nam Lịch sử xây dựng công trình ngầm ở Việt Nam xuất hiện tương đối muộn so với thế giới.
Các đường hầm được biết đến trong giai đoạn người Pháp tiến hành khai thác thuộc địa cuối thế kỷ XIX, đầu thế kỷ XX. Khi đó, các tuyến giao thông đường bộ và đường sắt được xây dựng trên khắp Việt Nam. Tuy nhiên, hầm giao thông chỉ được xây dựng trên các tuyến đường sắt, cụ thể là: - Tuyến đường sắt Bắc - Nam từ Hà Nội vào Sài Gòn được xây dựng từ năm 1888 đến năm 1936 với tổng chiều dài 1. Tổng số hầm trên tuyến là 27 hầm với tổng chiều dài 8.335 m, đánh số thứ tự từ Bắc vào Nam.
Hầm số 1 nằm tại khu gian Ngọc Lâm - Lạc Sơn (tỉnh Quảng Bình) và hầm số 27 (cuối cùng) nằm tại khu gian Lương Sơn - Nha Trang (tỉnh Khánh Hòa). Hầm dài nhất là hầm số 18 có tên gọi hầm Babonneau (còn gọi là hầm Đèo Cả) dài 1. Hầm Liên Chiểu (hầm đầu nam đầu tiên của Hải Vân) dài thứ hai ở Việt Nam (khoảng 945 m) [28]. - Ở phía Bắc tuyến Hà Nội - Lạng Sơn có 8 hầm với tổng chiều dài là 3.
- Tuyến đường sắt Phan Rang - Đà Lạt được người Pháp nghiên cứu từ năm 1898 và khởi công xây dựng năm 1908 theo lệnh của toàn quyền Paul Doumer. Đến năm 1932 chính thức hoàn thành toàn tuyến với chiều dài 89 km. Trên tuyến có 5 đường hầm với tổng chiều dài 1.090 m, dài nhất là hầm số 3 (630 m) trên đoạn Trạm Hành - Cầu Đất. Tuyến này đã bị ngưng hoạt động từ năm 1972 [24].
Trước Cách mạng Tháng Tám còn ghi nhận năm 1930 có xây dựng hầm giao thông thủy Rú Cóc (ở xã Nam Sơn, huyện Anh Sơn, tỉnh Nghệ An), hầm ngầm xuyên 14 qua núi giúp cho thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu xuống hạ lưu sông Lam để tránh đi qua đập nước Đô Lương [11, 26]. Trong thời gian chống Pháp và chống Mỹ, đã có nhiều công trình ngầm được xây dựng phục vụ quốc phòng nhưng không được công bố, ngoài ra còn có một số hầm cũng được xây dựng để khai thác than và khoáng sản [11, 26].