CHƯƠNG 1 3 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về các công nghệ xây dựng hầm qua núi. Từ trước đến nay các yếu tố về địa chất, cụ thể là các điều kiện địa chất của khối đá nền luôn đóng vai trò chủ yếu trong việc tính khả thi chung của một dự án công trình ngầm. Bởi vậy, trình độ kỹ thuật trước đây chỉ cho phép xây dựng các công trình ngầm ngắn. Ngày nay, nhờ những tiến bộ về khoa học công nghệ người ta có thể xây dựng được công trình ngầm ở bất kỳ nơi nào khi cần thiết.
Nhiều năm trở lại đây, những lợi ích về chính trị và đặc biệt là môi trường trở thành nhân tố thiết yếu và trong một số trường hợp nó có tầm quan trọng không kém so với các yếu tố về kỹ thuật và địa chất. Việc liên kết công trình ngầm với các mạng lưới giao thông hiện có cũng là yếu tố có tính quyết định. Do những ràng buộc này mà các công trình ngầm thường bố trí đi qua các khu vực đô thị lớn, thường nằm ở các vùng châu thổ địa tầng mềm yếu, việc đào công trình ngầm trong đất mềm yếu luôn có những rủi ro khó lường. Phương pháp thi công công trình ngầm được tổ chức thi công theo hai loại: thi công theo phương pháp dây chuyền; thi công theo chu kỳ.
Phương pháp thi công theo dây chuyền: trong công trình ngầm thể hiện theo quy trình khi gương đào tiến lên thì tất cả các khu vực thi công khác theo sau cũng phải tiến lên với cùng tốc độ để hoàn thành một chu kỳ công tác. Khi ấy, toàn bộ công việc thi công công trình được thực hiện có thể hiểu như một dây chuyền xây dựng thống nhất, đảm bảo sự đồng bộ về tiến bộ như: công tác đào đất, công tác bốc xúc đất, công tác lắp ráp vỏ tuyến ngầm cùng tốc độ với tốc độ tiến lên của gương đào. Nếu một trong các công đoạn kể trên chậm tốc độ sẽ dẫn tới sự gián đoạn của cả dây chuyền. Tốc độ tiến lên của gương đào trong từng khu vực thi công có thể rất khác nhau phụ thuộc vào khả năng của máy chủ và phụ thuộc vào từng phương pháp thi công.
Phương pháp thi công theo chu kỳ thể hiện theo quy trình: sau mỗi một khoảng thời gian nhất định thì một khối lượng công tác xây lắp được thực hiện, các công đoạn xây lắp được lặp đi lặp lại qua mỗi chu kỳ, thời gian thực hiện một chu kỳ phải được tính toán sao cho mỗi một ca (hoặc mỗi một ngày) và công đoạn cuối cùng của một Học viên: Huỳnh Bá Ngọc – Lớp Cao học Cầu hầm K20-1 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT -- Trang 4 -- chu kỳ phải được hoàn thành triệt để và trên cơ sở đó bàn giao cho ca tiếp theo. Đây là giải pháp cho phép tổ chức thi công theo tổ, đội trực ban và tăng tinh thần trách nhiệm của mỗi đội trực ca về chất lượng xây lắp. Có nhiều phương pháp thi công hầm qua núi thường dùng các phương pháp: Phương pháp đào mỏ (phương pháp khoan nổ) gồm: phương pháp đào mỏ truyền thống và NATM. Phương pháp dùng máy đào các loại (TBM).
Phương pháp thi công thường được sử dụng các công trình ngầm qua núi là phương pháp đào mỏ, bởi vì phương pháp này được ứng dụng sớm nhất vào việc đào hầm lò khai thác mỏ. Trong phương pháp đào mỏ, phần lớn các trường hợp đều dùng khoan lỗ mìn nổ phá đất đá nên cũng gọi là phương pháp khoan nổ. Phương pháp khoan nổ vẫn sẽ là phương pháp thường dùng để đào hầm qua núi trong tương lai. Trong phương pháp đào mỏ, phương pháp che chống sau khai đào hầm, có thể phân làm hai loại: che chống bằng kết cấu thép gỗ, che chống bằng neo phun bê tông.
Về phương pháp thi công, người ta quen gọi phương pháp thi công dùng khoan nổ để đào kết hợp che chống bằng cấu kiện thép gỗ là “phương pháp mỏ truyền thống” sau khi đào thì tiến hành chống đỡ để ổn định đất đá thì tiến hành xây dựng vỏ hầm chịu trọng lượng bản thân và áp lực đá, do vậy vỏ hầm phải có kết cấu dày và nặng nề. Nếu dùng phương pháp thi công khoan nổ để đào kết hợp với che chống bằng neo phun thì gọi là “ phương pháp Áo mới" sau khi đào hầm ứng suất làm cho môi trường đá xung quanh hầm biến dạng, khi biến dạng môi trường đá xung quanh hầm đủ lớn thì ta tiến hành chống đỡ.1 Các phương pháp đào kín mỏ truyền thống Phương pháp thi công đào hầm bằng khoan nổ phá, che chống bằng cấu kiện thép hoặc gỗ được coi là phương pháp mỏ truyền thống. Thi công bằng phương pháp mỏ truyền thống có thể thích ứng với điều kiện địa chất không tiện dùng che chống bằng phun neo, dùng để xử lý có hiệu quả rất tốt. Trình tự thi công bằng phương pháp mỏ truyền thống theo hình 1.1 Học viên: Huỳnh Bá Ngọc – Lớp Cao học Cầu hầm K20-1 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT -- Trang 5 -- Chuẩn bị thi công Xác định phương án thi công Đào hầm Che chống tạm thời Kiểm tra xem cần Kiểm tra xem cần gia cố hay không thay thế hay không Xây dựng vỏ hầm Hoàn công Hình 1.1: Sơ đồ trình tự thi công bằng phương pháp mỏ truyền thống Phương pháp mỏ truyền thống là phương pháp phát triển lên trong thực tiễn thi công lâu dài của con người.
Phương pháp này dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm thời, đợi đến khi đường hầm đã hình thành xong thì thay dần hệ thống che chắn tạm thời bằng vỏ xây dày toàn khối có tính vĩnh cửu. Phương pháp thi công bằng phương pháp mỏ truyền thống có hai loại phương pháp là: tường trước vòm sau hoặc vòm trước tường sau. Phương pháp tường trước vòm sau là: phương pháp thuận, đào hầm hình thành xong mới thi công võ hầm từ dưới lên. Việc đào hầm có thể tiến hành đào toàn mặt cắt, đào bậc thang hoặc đào hầm dẫn vượt lên trên trước.
Tốc độ thi công phương pháp này tương đối nhanh. Phương pháp vòm trước tường sau là: phương pháp nghịch, trước tiên đào bộ phận trên của hầm, đổ bê tông vòm xong mới đào tiếp đến bộ phận dưới, tiếp theo là đổ bê tông tường bên. Phương pháp này thi công chậm hơn nhưng an toàn hơn. Trong phương pháp thi công bằng phương pháp mỏ truyền thống, các công đoạn đào, che chống, xây vỏ liên hệ với nhau rất chặt chẽ, vì thế khi chọn phương pháp và trình tự đào, che chắn và xây vỏ cần cân nhắc các nhân tố như điều kiện địa chất, mặt cắt hầm (lớn hay bé), phương thức che chống, chiều dài công đoạn, yêu cầu thời hạn, năng lực thiết bị một cách thận trọng.
Che chống bằng kết cấu gỗ không bền, thay đổi phức tạp lại không an toàn, Học viên: Huỳnh Bá Ngọc – Lớp Cao học Cầu hầm K20-1 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT -- Trang 6 -- hiện nay ít dùng. Che chống bằng kết cấu thép có ưu điểm bền lâu và chính xác với hình dạng hầm, ít phải thay đổi, rất an toàn. Giới xây dựng Nhật Bản có thói quen gọi là phương pháp mỏ dùng cấu kiện thép làm hệ che chống là “phương pháp bản lưng”. Đào tuyến ngầm với phương pháp mỏ truyền thống có 3 sơ đồ công nghệ [1] 1.1 Mỏ truyền thống kết hợp với máy đào liên hợp combai Đất đá được đào bởi máy đào liên hợp, dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm thời sau đó xây vỏ tuyến ngầm vĩnh cửu.2 Mỏ truyền thống kết hợp khoan nổ mìn Đất đá được đưa ra khỏi gương đào nhờ khoan nổ mìn, dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm thời sau đó xây vỏ tuyến ngầm vĩnh cửu.
Phương pháp này chỉ dùng cho đào tuyến ngầm trên núi, đất có độ cứng trung bình có ít nước.3 Mỏ truyền thống kết hợp đào thủ công Đất đá được đào bởi sức người bằng dụng cụ thủ công, máy khoan cầm tay hoặc búa chèn hơi v.v…, dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm thời, sau đó xây vỏ tuyến ngầm vĩnh cửu. Phương án này được sử dụng khi đào tuyến ngầm qua vùng có điều kiện địa chất ổn định, khó sạt lở, độ cứng từ nhỏ tới trung bình và ít nước ngầm. Trong hai phương pháp: mỏ truyền thống kết hợp với máy đào liên hợp combai và mỏ truyền thống kết hợp khoan nổ mìn phải sử dụng đến cơ giới. Để tăng năng suất và giảm mức độ nặng nhọc trong phương pháp đào ngầm cần phải cơ giới hóa công tác đào đất.
Các phương pháp và phương tiện cơ giới mở hầm được xác định dựa vào công năng, kích thước và hình dạng tiết diện ngang của công trình, các điều kiện địa chất công trình… trên cơ sở kết quả so sánh kinh tế - kỹ thuật các phương án.2 Thi công bằng phương pháp khiên và tổ hợp khiên Lịch sử công nghệ thi công đào tuyến ngầm toàn tiết diện khiên và tổ hợp khiên (Shield method) bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ trước. Trước đó khiên đào hầm đầu tiên được chế tạo bởi kỹ sư Brunel (Pháp) là một khiên thủ công hình chữ nhật có kích thước 6,8 x 11,4 m đã được dùng để thi công tuyến ngầm qua đáy sông Thames ở London vào thế kỷ XIX. Khiên đào hầm (shield) là một loại kết cấu kim loại di động (nhờ kích), có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho công tác xây dựng đường hầm từ đào đất tới lắp đặt vỏ tuyến ngầm tránh sạt lở vách và gương đào. Học viên: Huỳnh Bá Ngọc – Lớp Cao học Cầu hầm K20-1 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT -- Trang 7 -- Thi công bằng phương pháp khiên và tổ hợp khiên có những loại: 1.1 Khiên thủ công kết hợp khoan – nổ mìn Phương án này được sử dụng khi đào tuyến ngầm qua vùng có điều kiện địa chất ổn định, ít nước ngầm.
Bản chất của công nghệ này là khoan tạo lỗ, nổ mìn, bốc xúc đất đá vận chuyển và cuối cùng là thi công vỏ tuyến ngầm liền khối dưới sự che chống của khiên. Điểm khác biệt so với công nghệ nổ mìn trong nền đất đá cứng là có cơ cấu khiên thủ công che chống mà không cần khoan gia cố vách và nóc hầm tạm thời.2 Khiên thủ công kết hợp máy đào liên hợp combain Phương án này được sử dụng khi đào tuyến ngầm qua vùng có điều kiện địa chất ổn định, ít nước ngầm. Đất được đào bởi máy đào liên hợp, dùng khiên thủ công để giữ vách và nóc hầm, trong lòng khiên này sẽ xây vỏ tuyến ngầm vĩnh cửu.