Chương 1: Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Vấn đề xử lý đất yếu là một vấn đề khó bởi sự kiểm soát đất đá trong lòng đất là phức tạp. Ngày nay các công trình lớn đang được xây dựng tại T.p Hồ Chí Minh, trong các công trình đó thì vấn đề xử lý đất yếu luôn được đặt lên hàng đầu. Đặc biệt đối với các công trình ngầm – công trình đặt trong lòng đất thì vấn đề đất yếu được quan tâm đầy đủ.
Đường sắt đô thị - metro đang từng bước được xây dựng, do đó việc xử lý đất yếu cần được quan tâm và nghiên cứu kỹ. Thi công hầm bằng máy đào Shield – TBM trong đất yếu có hai vấn đề lớn cần quan tâm đó là vấn đề lún trong quá trình đào hầm và vấn đề ổn định gương hầm. Dọc theo tuyến hầm thường là các công trình lớn: như cao ốc, khu trung tâm thương mại… Do đó khi xảy ra vấn đề lún sẽ gây ảnh hưởng đến các công trình xung quanh. Thi công hầm trong đất yếu việc lún là khó tránh khỏi, để hạn chế cần có các biện pháp xử lý đất yếu trong quá trình đào hầm.
Lún trong quá trình đào hầm Trong tất cả các phương pháp thi công đào kín thì phương pháp dùng máy đào kết hợp với khiên (SHIELD-TBM) là phương pháp ưu việt hơn cả. Tuy nhiên, biến dạng của đất nền là không thể tránh khỏi khi thi công trình ngầm trong nền đất yếu. Trong thời gian đào, đất nền xung quanh sẽ chuyển vị vào phía trong do sự cân phân bố lại ứng suất. Điều này dẫn đến yêu cầu đào một kích thước lớn hơn kích thước thực tế.
Thể tích phải đào thêm này được gọi là “mất mát thể tích”. Khi đào bằng SHIELD-TBM, trong quá trình đào đất đá phía mặt máy đào được đào phá ra và trong quá trình đào liên tục này đất đá ở khu vực phía trên và bên hông chuyển vị vào phía trong mặt gương đào làm gia tăng sự mất mát thể tích mặt gương đào. Viền lưỡi đào ở đầu khiên cắt vào đất, sau khi nó vượt qua sẽ là cơ hội để đất đá ở khu vực này biến dạng hướng tâm. Tuỳ theo tỷ lệ của biến dạng (độ cứng của đất đá) và chiều dài bước đào mà nó có thể áp sát ngay vào bề mặt của vỏ khiên đào.
Vỏ hầm có kích thước nhỏ hơn một chút so với kích thước của khiên đào cần được lắp đặt ngay lập tức. Vùng hở phía sau vỏ hầm sẽ được lấp đầy bằng bơm vữa đệm phía sau vỏ. Đất tiếp tục chuyển vị hướng tâm cho đến khi vữa bơm phía sau đủ cường độ để chịu được Chuyên ngành: Xây Dựng Cầu Hầm Trang 5 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS. TS Nguyễn Viết Trung ứng suất của đất nền.
Tất cả các chuyển vị đó được gọi là chuyển vị “hướng tâm”. Tổng cộng mất mát thể tích hướng tâm và bề mặt gương đào được gọi là mất mát thể tích trong suốt quá trình thi công ,VL đo bằng m3 trên 1 mét chiều dài đào. Việc xác định mối quan hệ giữa kích thước biên đào ban đầu và kích thước biên ngoài vỏ hầm để giảm mức độ mất mát thể tích là rất khó xác định. Theo nghiên cứu của Macklin và Field (1999) với đường hầm có đường kính D=2,8m trong nền sét mềm thì có đến 70% giá trị biến dạng bề mặt đất xảy ra trong giai đoạn lắp dựng vỏ lắp ghép và phun vữa phía sau vỏ (khi khiên đào đã đi qua).
Dạng đường cong lún của hầm đôi Việc lựa chọn loại máy thi công đào hầm phụ thuộc chủ yếu vào khả năng đảm bảo an toàn trong quá trình đào. Hiện nay, khi lựa chọn thiết bị thi công hầm trong đất yếu người ta thường lựa chọn các loại máy có thể giảm mức độ mất mát thể tích bề mặt gương đào như: máy cân bằng áp lực đất, cân bằng áp lực vữa sét…Còn trong đất cứng tương đối ổn định thì có thể sử dụng các loại máy dạng ngực trần. Biến dạng hướng tâm là không thể tránh khỏi, để giảm bớt biến dạng hướng tâm, sử dụng bơm ép vữa lỏng vào sau vỏ hầm, tuy nhiên nó phụ thuộc rất nhiều vào thời điểm bơm vữa, yêu cầu việc bơm vữa càng sớm càng tốt. Một cách hiệu quả hơn là sử dụng khí nén, tuy nhiên phương án này bị hạn chế sử dụng do quá đắt.
Người thiết kế cần xác định được mức độ lún đất nền. Tuy nhiên, người thiết kế chỉ có được các giá trị này thông các số liệu khảo sát mà các số liệu này thường không chính xác, không thể phản ánh hết được tất cả các yếu tố rất phức tạp của nền đất. Cơ chế làm việc của máy đào công với tay nghề của công nhân cũng là những yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến lún bề mặt đất. Chuyên ngành: Xây Dựng Cầu Hầm Trang 6 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS.
TS Nguyễn Viết Trung Trong quá trình thi công hầm thì các yếu tố gây ra hiện tượng lún bề mặt có thể kể đến là: Do sự thay đổi cao độ mực nước ngầm: điều này phụ thuộc vào loại đất và khả năng thấm nước của đất là cao hay thấp; Do mất mát thể tích đất nền (VS): VS= VL-∆V, trong đó: VL: Thể tích biến dạng của đất nền (tổng của các biến dạng tức thời xung quanh biên hầm). ∆V: Phần thể tích thay đổi trong nền đất (tăng lên hay giảm đi theo quá trình thi công). Mang dấu (+) nếu bị kéo giãn, (-) nếu bị nén ép. VS: Thể tích biến dạng lún mặt đất.
Theo nghiên cứu của các tác giả Craig và Muir Wood (1978), mức độ tham số gây ra lún bề mặt đất do gương hầm và sự trượt lên của đuôi khiên theo bảng sau: Tỉ lệ chiếm trong tổng lún (%) Loại đất Ở gương đào Ở đuôi khiên Đất cát trên mực nước ngầm 30-50 60-80 Sét cứng 30-60 50-75 Cát dưới mực nước ngầm 0-25 50-75 Bùn và sét mềm 0-25 30-50 Mức độ mất mát thể tích của đất nền trong quá trình thi công có thể xảy ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Đặc điểm địa chất , thuỷ văn khu vực hầm; Phương pháp thi công và tay nghề công nhân; Tốc độ thi công; Kích thước của đường hầm; Hình dạng của kết cấu chống đỡ. Chuyên ngành: Xây Dựng Cầu Hầm Trang 7 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS. TS Nguyễn Viết Trung H. Ảnh hưởng lún trong các giai đoạn khác nhau Mức độ biến dạng của đất phụ thuộc vào yếu tố thời gian.
Có thể chia độ lún của bề mặt đất mềm yếu ra làm hai loại chính: lún ngắn hạn (xảy ra trong khoảng thời gian khi thi công) và lún dài hạn (cố kết, từ biến…xảy ra sau thi công). Tuy nhiên, độ lún dài hạn thường là không lớn và nó phát triển dần dần trong một thời gian dài tuỳ thuộc vào loại địa chất khác nhau. Lún ngắn hạn: Theo một tài liệu nghiên cứu trong vùng đất sét thì biến dạng lún ngắn hạn này xảy ra trong khoảng 4 ngày đầu sau khi đào hầm. Thời gian này ngắn hơn hoặc có thể bằng thời gian tiến lên của quá trình đào hầm gây ra biến dạng lún của đất nền.
Báo cáo của Macklin và Field (1999) nói rằng các biến dạng lún ngắn hạn nằm tại vị trí mặt cắt trong khoảng thời gian 24 giờ trước và sau khi khiên đào vượt qua. Thường biến dạng ngắn hạn của đất nền xuất hiện và kết thúc ngay tại thời điểm mà đầu đào vượt qua. Lún dài hạn: là kết quả của các quá trình: từ biến, cố kết, đó là kết quả của sự thay đổi các tính chất của đất nền dưới tác dụng của tải trọng không đổi. Yếu tố thời gian của các hiện tượng này phụ thuộc vào các điều kiện của đất nền, nó có thể là hàng tuần hoặc hàng tháng với đất cát và sét mềm; hàng năm với nền sét cứng.
Giá trị của biến dạng lún dài hạn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và rất khó để xác định cụ thể. Quá trình làm việc của tổ hợp khoan TBM có thể chia ra theo 05 giai đoạn theo trình tự như sau: Chuyên ngành: Xây Dựng Cầu Hầm Trang 8 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS. TS Nguyễn Viết Trung 1. Khu vực xa phía sau gương đào (mặt cắt 0-0): khu vực này đất đá vẫn ở trạng thái nguyên sinh và tự ổn định với các thành phần áp lục xung quanh vị trí gương đều là p0=.
Tại khu vực ngay phía sau mặt gương đào (mặt cắt 1-1): mất ổn định do sự mất cân bằng áp lực nhất là thi công trong đất yếu vì vậy phải lựa chọn các loại thiết bị có giải pháp cân bằng áp lực bề mặt gương (tạo áp lực cân bằng bằng dung dịch vữa sét, khí nén…). Như vậy mặt cắt này có thể xem xét tương tự như mặt cắt 0-0 khi có áp lực giữ cân bằng đủ đảm bảo không gây ra biến dạng mặt gương. Khi phần mũi cắt của máy đào vượt lên phía trước (mặt cắt 2-2): do cấu tạo dạng hình nón của khiên đào (nhằm giảm ma sát xung quanh giúp khiên đào tiến lên dễ dàng) hoặc khi máy đào thi công qua đoạn đường cong bằng đã tạo ra một khoảng trống giữa vỏ khiên và đất nền (u1). Do biến dạng tự do của biên hang đào áp sát vào mặt vỏ khiên, khi đó áp lực đất xung quanh hang đào bị giảm đi.
Khiên đào tiếp tục tiến lên (mặt cắt 3-3): lúc này ở phía đuôi khiên được tiến hành lắp dựng vỏ đúc sẵn bên trong đuôi khiên, vì vậy có thêm một khoảng trống nữa do bề dày của đuôi khiên (u2 = t). Phải có biện pháp lấp đầy khoảng trống đó. Giai đoạn này thường sử dụng phương pháp bơm vữa phía sau vỏ, vật liệu là vữa xi măng (cát); nước xi măng; dung dịch xi măng - vữa sét; xi măng cấp phối hạt… Bơm vữa sau vỏ có thể bơm dọc hoặc bơm ngang. Xu hướng phát triển hiện nay là các loại khiên có thể bơm trực tiếp, liên tục vữa phía sau vỏ và thường là loại bơm vữa dọc.
Và loại mới nhất hiện nay là loại có ống bơm đặt trong vỏ khiên, ví dụ với các khiên có bề dày 45-60mm thì ống bơm đặt bên trong có thể có đường kính 20-25mm. Với loại này thì sau khi vỏ khiên tiến lên khoảng trống do nó để lại sẽ được thay thế ngay vữa bơm. Sơ đồ bơm vữa dọc khiên Chuyên ngành: Xây Dựng Cầu Hầm Trang 9 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS.