Bài giảng Công trình ngầm - Nghiêm Hữu Hạnh

Nội dung text: Bài giảng Công trình ngầm - Nghiêm Hữu Hạnh

1. BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT BÀI GIẢNG MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM Biên soạn: PGS.TS. Nghiêm Hữu Hạnh HÀ NỘI 2012 1
2. MỤC LỤC Mục Trang Chương 1 3 Khái quát về công trình ngầm 1.1 Giới thiệu chung 3 1.2 Sơ lược về lịch sử xây dựng công trình ngầm 3 1.3 Một số khái niệm 11 Chương 2 24 Tính toán ổn định công trình ngầm 2.1 Công tác khảo sát dự án 24 2.2 Ổn định của công trình ngầm đào bằng phương pháp đào mở 39 2.3 Ổn đinh của công trình ngầm đào bằng phương pháp đào kín 66 Chương 3 82 Một số phương pháp pháp thi công công trình ngầm 3.1 Thi công công trình ngầm theo phương pháp đào mở 82 3.2 Thi công công trình ngầm theo phương pháp đào kín 115 Chương 4 144 Quan trắc công trình ngầm 4.1 Quan trắc hố đào và công trình lân cận 144 4.2 Quan trắc đánh giá và đo đạc đường hầm 151 Tài liệu tham khảo 167 2
3. Chương 1 Khái quát về công trình ngầm 1.1 Giới thiệu chung Công trình ngầm là công trình nằm trong lòng đất. Theo mục đích sử dụng, có thể phân chia như sau: Công trình ngầm giao thông: hầm đường sắt, hầm đường ô tô xuyên núi, hầm cho người đi bộ, tầu điện ngầm, hầm vượt sông. Công trình thủy lợi ngầm: hầm công trình thủy điện, hầm dẫn nước tưới tiêu, hầm cấp thoát nước, hầm đường thủy Công trình ngầm đô thị: hầm giao thông đô thị (hầm ở nút giao thông, hầm cho người đi bộ, hầm tầu điện ngầm ) hầm cấp thoát nước, hầm cáp thông tin, năng lượng (collector), gara ngẩm, hầm nhà dân dụng, hầm nhà xưởng, gara ngầm, các công trình công công (cửa hàng, nhà hát, phố ngầm ) Công trình ngầm khai khoáng: hầm chuẩn bị, hầm vận tải, hầm khai thác, hầm thong gió Công trình đặc biệt: Hầm chứa máy bay, tầu thuyền, kho tàng, nhà máy Theo kích thước, công trình ngầm có thể được chia ra thành: Công trình ngầm tiết diện nhỏ: bề ngang sử dụng l 10m Theo phương pháp thi công có thể chia ra: Công trình ngầm thi công theo phương pháp đào mở, Công trình ngầm thi công theo phương pháp đào kín Công trình ngầm thi công theo phương pháp hạ chìm. 1.2 Sơ lược về lịch sử xây dựng công trình ngầm Từ lâu, trước công nguyên, ở Babilon, Ai cập, Hy Lạp, La Mã các công trình ngầm đã được khai đào với mục đích khai khoáng, xây lăng mộ, nhà thờ, cấp nước, giao thông. Một số công trình còn giữ nguyên được cho đến ngày nay. 3
4. Công trình ngầm được coi là lâu đời nhất trên thế giới là đường hầm xuyên qua sông Eupharate ở thành phố Babilon được xây dựng vào khoảng năm 2150 trước Công Nguyên. Vào những năm 700 trước Công Nguyên, một đường hầm dẫn nước đã được xây dựng ở đảo Samosaite, HyLạp. Hầu hết các hầm cổ xưa được xây dựng trong nền đá cứng, có dạng vòm giống như các hang động tự nhiên, không cần vỏ chống. Thi công hầm bằng công cụ thô sơ như choòng, xà beng và phương pháp nhiệt đơn giản: đốt nóng gương hầm, sau đó làm lạnh bằng nước. Vào cuối thời kỳ Trung Cổ, việc mở rộng giao thương đã thúc đẩy phát triển các đường hầm giao thông. Hầm đường thủy đầu tiên trên thế giới dài 160m được xây dựng tại Pháp từ năm 1679 đến năm1681. Sự xuất hiện của đường sắt đã thúc đẩy phát triển hầm đường sắt, những hầm đường sắt đầu tiên dài 1190m được xây dựng trong những năm 1826- 1830 trên tuyến đường Liverpool – Manchester ở Anh. Cùng thời gian này người ta cũng đã xây dựng các hầm đường sắt ở Pháp và các nước Châu Âu khác. Công nghệ khai đào thời kỳ này chủ yếu là khoan tay và thuốc nổ đen. Việc phát minh ra thuốc nổ Dinamite (1866) cùng với áp dụng máy khoan đập xoay đã tạo nên bước ngoặt trong xây dựng công trình ngầm như xây dựng các đường hầm xuyên qua dãy Alpe nối Pháp, Ý và Thụy Sỹ. Trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất, người ta đã xây dựng được 26 đường hầm giao thông có chiều dài lớn hơn 5km, trong đó có hầm dài nhất thế giới là hầm Sinplon, dài 19780m. Vật liệu vỏ hầm chủ yếu là đá hộc vữa vôi hoặc vữa xi măng. Mãi đến những năm 70 của thế kỷ 20 bê tông mới trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng công trình ngầm. Sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, nhịp độ xây dựng hầm giảm đi vì hệ thống đường sắt đã tương đối hoàn chỉnh ở các nước châu Âu. Cùng với hầm xuyên núi, hầm dưới nước cũng được xây dựng với mục đích giao thông đường sắt và đường bộ. Hầm dưới nước được xây dựng băng phương pháp khiên đào kết hợp với khí nén có vỏ hầm là các tấm lắp ghép bằng gang đúc sẵn (vì chống chu bin). Khiên hầm được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1825 trong xây dựng đường hầm qua sông Thames ở Anh. Chỉ riêng ở New York đã có 19 hầm lớn dưới nước. Hầm dưới nước trên tuyến đường sắt đi dưới vịnh Simonosec, Nhật Bản (1936-1941) dài 6330m. Những năm gần đây, người ta đã xây dựng những đường hầm dưới nước xuyên biển dài kỷ lục, như hầm qua 4
5. vịnh Suga Nhật Bản dài 36,2km, hàm qua eo biển Manche nối Anh và Pháp dài gần 40km. Một phương pháp được sử dụng để thi công hầm dưới nước là phương pháp hạ chìm đoạn hầm đã được đúc sãn vào hào ở dưới nước, sau đó lấp đất trở lại. Phương pháp hạ chìm này đã khắc phục được việc sử dụng khí nén ảnh hưởng đến sức khỏe người thợ, hạ giá thanh, rút ngắn thời giant hi công. Tuyến đường tầu điện ngầm ở Luân Đôn, Anh vận hành năm 1853 là tuyến tầu điện ngầm đầu tiên trên thế giới, mở đầu thời ký xây dựng các hệ thống tầu điện ngầm trên các than phố lớn của thế giới. Đến nay đã có trên 100 hệ thống tầu điện ngầm ở trên 30 nước. Từ những năm cuối thế kỷ 20, hầm thủy lợi đã được phát triển với quy mô lớn, đặc biệt là hầm thủy điện. Trên thế giới đã có trên 350 nàh máy thủy điện và thủy tích điện ngầm với công suất trên 40 triệu kw. Ở Liên Xô, Mỹ và nhiều nước khác các gian máy thường có diện tích ngang từ 200m2 đến 500m2, chiều dài từ 40m đến 200m, chiều cao đến 40m-50m. Ở Việt Nam, hầm giao thông thuỷ Rú Cóc được xây dựng năm 1930 ở xã Nam Sơn, huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An, hầm ngầm xuyên qua núi giúp cho thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu xuống hạ lưu sông Lam để tránh đập nước Đô Lương. Một số hầm đường sắt cũng được xây dựng mà điển hình hầm đường sắt Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc địa phận Thừa Thiên -Huế. Trong những năm chiến tranh, chỉ đào một số ít hầm ngắn để làm kho quân trang, quân dụng hoặc hầm trú ẩn cho người và hệ thống kỹ thuật. Điển hình là hệ thống hầm hào gồm các đường hầm ngầm dài hàng km nằm trong lòng đất Vĩnh Mốc, Củ Chi. Một loại hầm được xây dựng phổ biến ở Việt Nam là hầm lò để khai thác Than và Khoáng sản. Vào đầu thế kỷ 20 một số đường hầm đã được xây dựng trên tuyến đường sắt Bắc Nam như hầm Dốc Xây ở Ninh Bình với chiều dài khoảng 100m. trong giao thông đường sắt đã xây dựng được 41 hầm với tổng chiều dài 11,900m. Sự phát triển giao thông, thủy điện đã thúc đẩy việc xây dựng đường hầm ở nước ta trong hơn một thập kỷ gần đây. Tháng 5 năm 2002 hầm A Roàng I dài 453m trên đường Hồ Chí Minh được hoàn thành. Tháng 6 năm 2005 hầm đường bộ Hải Vân có chiều dài 6290m được đưa vào sử dụng đã rút ngắn đoạn đường đèo từ 5
6. 21 km xuống còn 12km so với tuyến đường đèo cũ. Từ dự án hầm đường bộ Hải Vân, công nghệ tiên tiến trong xây dựng hầm của Nhật Bản đã được kỹ sư Việt Nam áp dụng để thiết kế, thi công 495m hầm đường bộ Đèo Ngang rút ngắn tuyến đường đèo từ hơn 7km xuống còn 2,5km. Hình 1.1. Hầm Hải Vân nhìn từ cửa hầm phía Bắc Trong những năm gần đây, vấn đề xây dựng ngầm đô thị cũng đã được chú ý, đặc biệt ở Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh. - Tháng 11 năm 2006 Thủ tướng Chính phủ đã ký Nghị định về Xây dựng ngầm đô thị. Đây là khung pháp lý cho quy hoạch, xây dựng, bảo trì, khai thác và quản lý không gian ngầm đô thị. - Bộ Xây dựng đã ra văn bản trình Thủ tướng Chính phủ về việc bắt buộc phải có thiết kế tầng hầm cho nhà cao tầng ở Hà Nội Trong giai đoạn 1990-2000, phần lớn các nhà cao tầng xây dựng ở khu vực Hà Nội được xây dựng không có tầng ngầm hoặc chỉ với 1-2 tầng ngầm. Các công trình không có tầng ngầm thường là các chung cư được xây dựng ở các khu đô thị mới trong khi các nhà cao tầng xây chen trong khu vực đô thị cũ thường chỉ có 1 tầng ngầm. Trong giai đọan từ năm 2000 đến nay yêu cầu về sử dụng tầng ngầm ngày càng tăng, chủ yếu là để xe 4 bánh cho các văn phòng và dân cư sống trong các nhà cao tầng. Điển hình trong số các công trình có nhiều tầng ngầm là tòa nhà Pacific Place tại 83B Lý Thường Kiệt với 5 tầng ngầm thi công trong điều kiện xây chen và nút giao thông ngầm Kim Liên. Bảng 1.1 giới thiệu một số công trình có trên 2 tầng ngầm được xây dựng ở Hà Nội trong thời gian gần đây. 6
7. Bảng 1.1. Danh mục một số công trình đã xây dựng trong thời gian gần đây ở Hà Nội TT Tên công trình Số tầng hầm Đặc điểm thi công tầng hầm 1 Văn phòng và chung cư 27 2 - Tường barrette Láng Hạ - Đào hở, chống bằng dàn thép 2 Trụ sở kho bạc NN 32 Cát 2 - Tường barrette Linh - Top – down 3 Toà nhà 70-72 Bà Triệu 2 - Tường barrette - Top – down 4 VP và Chung cư 47 Huỳnh 2 - Tường barrette Thúc Kháng - Top – down 5 Toà nhà Vincom 191 Bà 2 - Tường barrette Triệu - Top – down 6 Chung cư cao tầng 25 Láng 2 - Tường barrette hạ - Top – down 7 TT Viễn thông VNPT 57 2 - Tường barrette Huỳnh Thúc Kháng - Không chống 8 Toà nhà tháp đôi HH4 Mỹ 2 - Tường barrette Đình - Đào hở, chống bằng dàn thép 9 Trụ sở văn phòng 59 Quang 2 - Tường barrette Trung - Top – down 10 Ocean Park số 1 Đào Duy Anh - Tường bê tông thường - Cọc xi măng đất 11 Toà nhà Vietcombank 2 - Tường barrette - Neo trong đất 12 Pacific Place 83 Lý Thường 5 - Tường barrette Kiệt - Top – down 13 M5 TOWER 2-5 - Tường barrette - Top – down 14 Tháp BIDV 3 Tường barrette Văng chống thép 15 Hanoi Tower 5 - Tường barrette - Top – down 16 Keangnam 3 - Tường barrette - Neo trong đất 17 Nút giao thông ngầm Kim Cèt ®¸y - Tường cừ Larsen Liên mãng:-13 m - Văng chống thép Trong xây dựng thuỷ điện ở Việt Nam, giải pháp đường hầm được sử dụng ở rất nhiều nhà máy thuỷ điện như Hoà Bình, Sơn La, A Vương, Đại Ninh, Bản Vẽ, Bắc Bình, Đồng Nai, Buôn Kuốp và nhiều nhà máy thuỷ điện khác. Đặc biệt đối với các nhà máy thuỷ điện được xây dựng tại miền Trung thì đường hầm 7
8. được coi là giải pháp tối ưu để đảm bảo cho việc lựa chọn vị trí xây dựng đập dâng và nhà máy. Nhà máy thuỷ điện Hoà Bình được khởi công xây dựng từ năm 1979 khánh thành năm 1984 với 8 tổ máy có tổng công suất 1920MW, cho đến nay vẫn là công trình thuỷ điện lớn nhất Đông Nam Á. Tổ hợp công trình ngầm nhà máy thủy điện Hoà Bình dài 14 200m được bố trí như trên hình 1.4, gồm các hệ thống: - Hầm gian máy với 8 tổ máy, công suất mỗi tổ 240MW, có kích thước rộng 22m, cao 53m (tính đến đáy ống hút), dài 280m. - Hầm máy biến thế cao 20m, rộng 15m bố trí 8 máy biến áp đặt sông sông với gian máy. - Hầm dẫn nước: gồm 8 hầm với đường kính mỗi hầm D=8m, 3 hầm xả nước tổ máy và hệ thống hầm thông gió, hầm cáp điện, hầm phục vụ thi công Danh mực một số công trình thủy điện có công trình ngầm ở nước ta được nêu ở bảng 1.2. 8
9. Hình 1.2. Sơ đồ tổ hợp ngầm nhà máy thủy điện Hoà Bình 9
10. Bảng 1.2. Một số dự án thủy điện có xây dựng công trình ngầm ở nước ta Công suất Chiều dài hầm Đường kính trong Tên công trình Tỉnh (MW) (km) (m) Yaly Gia Lai 720 2x3.85 7.0 Thượng Kon Tum Kontum 250 18 2.6 Bản Vẽ Nghệ An 320 2x0.8 7.5 An Khê -KaNak Gia Lai 163 3.075 4.50 Cửa Đạt Thanh Hoá 90 2x0.625 11.0 Sông Tranh 2 Quảng Nam 190 1.800 8.5 Quảng Trị Quảng Trị 70 5.60 3.0 Sông Ba Hạ Phú Yên 220 2x1.0 7.5 Sêrêpok 3 Đắk Lắk 220 2x0.60 8.0 ĐaMi Lâm Đồng 173 2.30 7.0 Thác Mơ Bình Phước 75 0.80 4.5 A Vương Quảng Nam 210 8.30 5.5 Eakrông Phú Yên 64 1.90 4.5 Đại Ninh Lâm Đồng 300 11.26 45 Buôn Kuốp Đắc Lắc 280 2x4.37 7.0 Huội Quảng Sơn La 540 4.0 7.5 Sêkaman3 Lào 250 7.0 4.0 ZaHưng Quảng Nam 28 1.70 5.0 Đăk Mi1 Quảng Nam 250 10.0 5.0 Bắc Bình Bình Thuận 33 2.50 4.5 Hủa Na Nghệ An 180 4.00 7.0 Ayun thượng 1A Gia Lai 12 3.6 3.25 10
11. 1.3 Một số khái niệm Hiện có rất nhiều phương pháp đào hầm, có thể chia thành 2 nhóm phương pháp chính sau đây: Phương pháp đào và lấp (đào mở) và phương pháp đào kín. 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 đào mở khá thông dụng song ngày càng trở nên khó chấp nhận đối với việc thi công hầm ở các đô thị có mật độ công trình dày đặc và gây cản trở cho lưu thông xe cộ ở khu vực công trường. Ngoài ra phương pháp đào mở có chi phí khá cao do phải sử dụng hệ thống chống giữ thành hố đào. 1.3.1 Xây dựng công trình ngầm bằng phương pháp đào mở 3.1.1.1. Khái quát Trong phương pháp đào mở, đất được đào lên theo cách lộ thiên từ mặt đất, tạo không gian cho công trình ngầm, sau đó đất được đắp lại (cut - and - cover construction). Phương pháp này thường được dùng để thi công những loại CTN đặt nông (giới hạn trong phạm vi 5 - 15m, có khi đến 20 m từ cốt mặt đất). Thông thường, các đường vượt ngầm ngắn, hệ thống côlectơ để đặt mạng lưới kỹ thuật đô thị (cáp điện, động lực, cáp thông tin, ống cấp khí đốt, ống cấp và thoát nước ) gara ô tô 1 - 2 tầng ngầm, đường và ga tàu điện nông, các công trình văn hoá giải trí, kho thực phẩm hoặc các mương - ống công nghệ trong công nghiệp thường thi công trong các hố/hào lộ thiên - đào mở. Trong đô thị, phương pháp đào mở thường chủ yếu được áp dụng cho một số loại hình công trình sau: Các đường ngầm giao thông cơ giới đặt nông Các đường hầm giao thông cơ giới trong các đô thị được dựng để: - Phân nhánh đi lại ở các mức khác nhau tại các nút giao thông hoặc tại các phân nhánh của tuyến đường chính. - Tăng hoặc phân đều khả năng thông thoát của một số đoạn tuyến chính; - Tăng cường cấu trúc quy hoạch của mạng lưới tuyến phố; - Xây dựng các đoạn đường lên xuống, các bến xe và gara ngầm, các trung tâm thương mại, kho, nhà ga, cảng hàng không v.v Các đường trục ô tô ngầm 11
12. Các đường ngầm giao thông cơ giới riêng biệt tương đối ngắn đặt nông làm tăng khả năng thông xe của đường trục và tạo được trật tự cho chuyển động của các phương tiện giao thông trên mặt đất ở những vùng lân cận đô thị. Phát triển mạng lưới các đường ngầm đủ dài tạo khả năng đảm bảo phục vụ quá cảnh cho dòng giao thông lớn qua vùng trung tâm đô thị. Tại các lối chính của đường trục ôtô ngầm cũng như qua những khoảng nhất định theo chiều dài, cần phải bố trí lối vào và lối lên mặt đất. Dọc tuyến đường trục ngầm tại các vị trí tiếp nối và giao nhau nên xây dựng các tổ hợp ngầm lớn bao gồm cả bến đỗ và gara. Các bến đỗ ôtô, gara và các tổ hợp ngầm, tầng hầm nhà cao tầng Vì các điểm đỗ xe ngoài trời trên mặt đất chiếm nhiều chỗ nên tốt hơn là xây dựng các bến đỗ nhiều tầng và gara sức chứa lớn. Tuy nhiên, xây dựng các bến đỗ và gara như vậy tại các vùng trung tâm đô thị sẽ gặp những khó khăn nhất định liên quan đến việc thiếu quỹ đất trống hoặc giá thành đất cao. Do đó xây dựng các bến đỗ, gara ngầm và nửa ngầm ngoài phạm vi tuyến phố sẽ rất hiệu quả. Chúng chiếm diện tích giới hạn và giải phóng được phần đất đô thị để xây dựng nhà và các công trình khác. Do tồn tại nhiều dạng bến đỗ và gara khác nhau về công dụng, địa điểm xây dựng chiều sâu chôn ngầm, sức chứa, sơ đồ quy hoạch, số lượng tầng, đặc điểm kết cấu v.v việc lựa chọn dạng bến đỗ và gara ngầm được quyết định chủ yếu bằng các điều kiện giao thông và xây dựng đô thị cụ thể, cũng như sự luận giải về kinh tế. Ở Tokyo, hầu như các tòa nhà cao tầng đều có 8 tầng ngầm mở rộng liên kết với xung quanh qua các phố tiếp giáp. Các tổ hợp ngầm đang được tạo lập. Một tổ hợp ngầm 5 tầng dài 735m, rộng 44m đã được xây dựng dưới nhà ga đường sắt Tokyo. Tầng hầm đầu tiên dành cho người đi bộ, tầng thứ hai dành cho các trang bị kỹ thuật, các thiết bị thông khí,kiểm soát , tầng thứ 3 dùng cho các dịch vụ bán vế, tra cứu, cafe, nhà hàng , tầng thứ tư dùng để phân phối, kết nối cầu thang máy với các tầng khác, tầng thứ 5 bố trí đường sắt. Hàng ngày có trên 200.000 người lui tới tổ hợp này. Ở Tokyo đã xây dựng 5 tuyến phố ngầm dài 640m, đặt sâu 8m dưới mặt đất. Trong không gian ngầm này bố trí các cửa hàng, quán caffe, rạp chiếu phim Đường ngầm bộ hành 12
13. Khi giải quyết các vấn đề giao thông trong các đô thị lớn người ta sử dụng cả các biện pháp trật tự hóa giao thông bộ hành, tạo lập những đường đi bộ riêng, tách khỏi các phương tiện giao thông, thuận lợi và dễ dàng cho người đi bộ, đảm bảo sự liên hệ với các trung tâm đô thị lớn. Khi tổ chức hệ thống đường bộ hành trong đô thị tất yếu xuất hiện sự cần thiết cắt qua các đường trục ôtô, đường sắt và các đường giao thông. Mặc dù có nhiều biện pháp đảm bảo điều kiện an toàn trong trường hợp xây dựng đường vượt trên mặt đất (đèn tín hiệu, đường kẻ, hàng rào trên hành lang, đảm bảo an toàn, các chỉ dẫn rõ ràng v.v ), nhưng đường vượt như vậy không thể bảo đảm an toàn tuyệt đối cho người qua đường. Ngoài ra, khi vượt nổi không thể đảm bảo cho chuyển động các phương tiện giao thông liên tục và có tốc độ cao trên đường trục. Do đó, trong các đô thị người ta sử dụng rộng rãi đường vượt bộ hành ngoài phố dạng cầu và dạng đường ngầm. Khi tổng kết việc xây dựng tàu điện ngầm ở Nga từ 1965 đến 1995, A.B.Ivanhưc đã chỉ ra rằng phương pháp đào mở đã chiếm tỷ lệ đáng kể và đã tăng từ 39% (25,3km/63,7km) trong những năm 1965-1970 lên 63% (84,3km/141.6km) trong những năm 1991 - 1995 (xem hình 1.3). Sự tăng trưởng này được giải thích là do công nghệ thi công đào mở phát triển nhanh khả năng cẩu nâng lớn khi lắp các đốt công trình ngầm đúc sẵn. Trong nhiều đô thị ở các nước SNG, nơi việc xây dựng tàu điện ngầm được bắt đầu chưa lâu, người ta chỉ đặt các tuyến nông như ở Tasken, Minxk, Nôvôxibirxk, Nifni, Novgorod, Xamara, Omxk Tình hình như vậy cũng nhận thấy ở nhiều nước trên thế giới. Ngay như ở những thành phố lớn của Nhật (Tokyo, Osaka ) hệ thống tàu điện ngầm cũng dùng phương pháp đào mở, làm nắp (sàn mái của hầm) để giải quyết giao thông thông suốt trên mặt đất và tiếp tục đào dưới nắp theo các đại lộ lớn của đô thị. Hình 1.3. Tỷ lệ độ dài các truyến đường tàu điện ngầm đặt sâu và nông (phần gạch) 13
14. Lựa chọn phương pháp thi công công trình ngầm theo phương pháp đào mở hay đào ngầm, chủ yếu dựa trên sự phân tích kỹ lưỡng, thận trọng các yếu tố sau: hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, bảo đảm an toàn về môi trường và khả năng áp dụng công nghệ hiện đại. Kinh nghiệm thế giới đã tổng kết rằng ưu điểm nổi bật của phương pháp đào mở như sau: - Có thể sử dụng máy làm đất và máy thi công khác nhau với mức cơ giới hoá cao, - Có thể thi công hố đào sát tới tường ngoài của công trình ngầm hiện hữu, - Thi công chống thấm cho công trình ngầm đơn giản và có chất lượng. Phương pháp đào mở sẽ có nhiều ưu việt khi công trình ngầm có diện tích lớn trên mặt bằng và không sâu lắm và thường được chọn dùng trong những điều kiện địa chất như : a) Trong nền đất có đá lăn mồ côi, hay trong sỏi sạn; b) Trong đất cát bão hoà nước đến độ sâu 6 - 7m; c) Trong đất có độ ẩm tự nhiên đến độ sâu 10 - 11m; d) Trong đất sét bão hoà nước đến độ sâu 10 - 12m; e) Trong đất sét đến độ sâu 13 - 16m. Những kiến nghị này có tính chất định hướng và trong điều kiện cụ thể, dựa trên độ sâu tối ưu để dùng phương pháp này hay phương pháp khác. Với những phương tiện cơ giới hiện đại trong việc đào và vận chuyển đất đã cho phép trong thời gian ngắn đào được khá sâu và rất rộng. Do đó đôi khi người ta chuyển từ phương pháp thi công đặc biệt (ví dụ như giếng chìm hoặc đào ngầm) sang đào mở nhất là trong đất có độ ẩm tự nhiên thấp. Trong vùng xây mới (nơi chưa có công trình xây dựng nhưng đã có qui hoạch ổn định) phương pháp đào mở là phương pháp thích hợp nhất khi làm các loại công trình ngầm như colectơ, lối vượt ngầm, ga ra ô tô, tàu điện ngầm vv Phương pháp đào mở cũng có những nhược điểm và hạn chế, nhất là khi thi công trong vùng đô thị có dân cư đông đúc như: - Chiếm đất nhiều, ồn và dễ gây ách tắc giao thông. Có thể hạn chế bớt ảnh hưởng không tốt nói trên khi dùng phương pháp đào của ngành mỏ bằng cách làm các tường vĩnh cửu của công trình ngầm trước, làm nắp của hầm đủ chắc chắn để phương tiện giao thông đi lại trên đó và công tác khác trên mặt đất cũng có thể thực hiện trên nắp công trình ngầm. 14
15. - Trong đất sét yếu và đất bụi, việc đào hào sẽ bị hạn chế do phải duy trì ổn định vách hố và đáy hố, nên đòi hỏi phải thi công nhanh gấp. - Sự gò bó trong vạch tuyến khi phải bám theo đường phố hiệu hữu, đặc biệt là bán kính cong nhỏ khi mở tuyến tàu điện ngầm. Một số nơi hào đào lấn vào móng công trình hiện hữu làm cho nó kém đi về chịu lực hoặc biến dạng, nên phải gia cường chống đỡ thêm, gây tốn kém. - Tiến độ thi công và giá thành của phương pháp đào - lấp bởi có nhiều việc phải làm thêm do những sai sót khi khảo sát điều tra hoặc đánh dấu vì chúng chỉ được phát hiện lúc đào, di dời hoặc phải đặt lại hệ thống kỹ thuật đô thị hiện đang khai thác (cáp điện, thông tin, ống cấp thoát nước ) là vấn đề khá phức tạp, kéo dài tiến độ thi công. - Chuyển vị của đất và lún các công trình hiện hữu. Các phương pháp làm giảm sự trồi đáy hay giảm đào lẹm cũng như sự thay đổi dòng chảy và mực nước ngầm đều dẫn đến những trở ngại trong tiến độ thi công và thay đổi giá thành. Dùng neo đất, thanh chống có lắp kích để căng chỉnh là những giải pháp có hiệu quả đối với công trình nhạy lún hoặc công trình cũ ở lân cận hố đào. - Việc di dân để giải phóng mặt bằng dành chỗ cho công trình cũng như cho sân bãi công trường xây dựng, tổ chức lại các tuyến giao thông, ồn, chấn động, bụi khi thi công thường là những vấn đề xã hội - kinh tế khó giải quyết nhanh gọn để công trình khởi công đúng hạn. 3.1.1.2 Các kết cấu chắn giữ thành hố đào Dưới đây là một số hệ kết cấu chống giữ thường được sử dụng trong công nghệ đào mở. 1. Đào không cần chống giữ thành. Trong điều kiện đất trống trải và đủ rộng (ví dụ vùng ngoại thành) thì cho phép đào hố với độ dốc tự nhiên mà không cần chống giữ thành hoặc chỉ cần bảo vệ mặt dốc bằng lớp xi măng lưới thép để phòng mất ổn định. Yêu cầu chính là độ nghiêng thành hố đảm bảo được ổn định và độ sâu không vượt qúa độ sâu giới hạn hgh=4c/γ, trong đó c là lực dính và γ là dung trọng của đất. 2. Chống giữ thành bằng trụ đứng -ốp bản (Soldier piles with Lateral laggings). Hệ chống giữ này gồm trụ/cọc (bằng thép hình hoặc bê tông cốt thép đúc sẵn ) khoảng cách giữa các cọc xác định theo tính toán, thường từ 1,0-2,0m, thanh chống /văng chống ngang (có khi thay bằng neo đất ), dầm giữa ở lưng 15
16. tường và bản cài ngang bằng gỗ dày từ 7-10cm (có khi thay bằng bê tông phun). Loại tường này dùng cho những hố móng không sâu (<12m), vùng đất khô ráo hoặc phải hạ mực nước ngầm, thi công đơn giản: đóng hoặc ép các trụ quanh hố đào, đào đất từng lớp dày khoảng 1m, cài bản gỗ ngang giữa các trụ/cọc, độn bằng vật liệu rời sau lưng tường dể tạo phẳng mặt tường phía hố đào và đặt thanh chống hoặc neo theo thiết kế. Trên hình 1.4 trình bày các cấu kiện của loại tường vừa nêu còn trên hình 1.5 trình bày một ví dụ dùng loại tường này cho công trình đường vượt ngầm trong đô thị ở Pháp. Hình 1.5. Ví dụ về hệ tường Hình 1.4. Hệ kết cấu tường chống bằng chắn gồm trụ/cọc đứng với bản cài trụ đứng có bản cài ngang ngang bằng gỗ 3. Tường chắn bằng cọc bản. Các dạng cọc bản thường dùng hiện nay, theo vật liệu có thể chia ra: Cọc bản bằng gỗ (ít dùng nên không trình bày); cọc bản bằng bê tông cốt thép; cọc bản bằng thép; cọc bản bằng chất dẻo PVC. a) Cọc bản BTCT (concrete sheet piles) gồm 2 loại: BTCT không ứng suất trước và BTCT ứng suất trước. Loại cọc bản BTCT không ứng suất trước có cấu tạo như trình bày trên hình 1.6 và loại cọc bản BTCT ứng suất trước xem hình 1.7. Loại tường bằng cọc bản bê tông cốt thép có độ cứng lớn, đầu cọc dịch chuyển nhỏ, không bị ăn mòn nhanh, có thể được dùng như một kết cấu vĩnh cửu. 16
17. Hình 1.6. Cấu tạo cọc BTCT thường của tường cừ Hình 1.7. Một số hình dạng mặt cắt ngang cọc bản BTCT ứng suất trước b) Tường chắn bằng cọc cừ bản thép (steel sheet piles). Thường có 4 loại cừ bản thép sau đây: Cừ thép bản phẳng: Ký hiệu SP-1, loại cừ này có mô men kháng uốn không lớn, chiều dài chế tạo 8 - 22m; cừ máng thép : Ký hiệu SP-2, chiều dài chế tạo 8 - 22m thường sử dụng cho các loại kết cấu chống thấm (đê quai, móng đập) công trình xây dựng; cừ thép chữ Z : Ký hiệu SK-1, SK-2, SĐ- 5; cừ Larssen: Thường chế tạo 4 loại cừ: IV, V, VI, VII có chiều dài từ 8 - 22m với liên kết móc rắn chắc, tạo ra mô men kháng uốn lớn, đây là loại cừ đang được sử dụng phổ biến hiện nay. Để ổn định tường cọc cừ bản thép, tuỳ theo bề rộng hố đào,mặt bằng và điều kiện hiện trường mà dùng thanh chống ngang hoặc neo đất. c) Tường chắn bằng cọc bản vật liệu nhựa composite. Trong những hố đào nông dùng cho công trình ngầm đặt nông như colectơ, đường cấp thoát nước phụ vv hoàn toàn có thể dùng cọc bản nhựa composite để làm tường chắn; do loại cọc này có tính chống xâm thực/ăn mòn tốt trong môi trưòng chua mặn (có thể bền đến 30-50 năm), sản xuất công nghiệp, kiểm soát chất lượng dễ, nhẹ (nhẹ hơn thép 70-75% và nhẹ hơn bê tông 40-50%), thuận tiện trong vận chuyển và bảo quản, tăng mỹ quan cho công trình trong đô thị (tường kè chống xói lở vùng ven biển, tường chắn đất, công trình cầu cảng ). 4. Tường chắn bằng hàng cọc. Như đã biết, cọc nhồi bê tông cốt thép hoặc cọc nhồi bê tông cốt thép kết hợp với cọc xi măng đất có thể dùng để làm tường chắn thành hố đào. Như đã trình bày trên đây, trong một số trường hợp có thể có thể kết hợp cọc xi măng đất để ngăn nước còn cọc nhồi bê tông cốt thép để chịu lực. 17
18. 5. Tường liên tục trong đất. Tường liên tục trong đất có thể thi công bằng phương pháp đổ bê tông tại chỗ hoặc lắp những tấm tường bê tông cốt thép đúc sẵn vào hào đào sẵn. Có 3 giai đoạn cơ bản để thi công tường: làm tường dẫn, đào hào, lắp dựng tấm cốt thép và đổ bê tông (hoặc lắp tấm bê tông cốt thép đúc sẵn ) vào hào. Công nghệ đổ bê tông tường toàn khối quyết định bởi kết cấu của tường, kiểu máy đào hào và những điều kiện địa chất công trình của nơi thi công. Căn cứ vào điều kiện đất nền, trang bị và khả năng kỹ thuật cũng như một số yêu cầu về môi trường và an toàn cao của công trình ở gần để chọn công nghệ làm tường trong đất bằng phương pháp đúc sẵn - lắp ghép - toàn khối hoá (tức vừa có đúc sẵn vừa có đổ bê tông tại chỗ). Có thể kết hợp các tấm tường với trụ đúc sẵn hoặc trụ đổ tại chỗ để liên kết chúng lại với nhau tạo thành tường đúc sẵn kiểu sườn theo công nghệ Panosol (của hãng Soletanche) và công nghệ Prefasil (của hãng Bachy). 6. Kết cấu phụ trợ của tường chắn hố đào. Trong những hố đào nông và nền đất tốt với độ sâu thích hợp thì tường chắn có thể làm việc như dầm con sơn và đủ cứng để tự ổn định, còn ở những hố đào sâu thì cần có kết cấu phụ trợ để giữ tường. Hệ thống chắn giữ thành hố đào sâu do hai bộ phận tạo thành, một là tường chắn hai là thanh chống bên trong hoặc là thanh neo vào đất bên ngoài. Chúng cùng với tường chắn sẽ tăng thêm ổn định tổng thể của kết cấu chẵn giữ, không những có liên quan tới độ an toàn của hố đào và công việc đào đất, mà còn có ảnh hưởng rất lớn tới giá thành và tiến độ của công trình hố đào 1.3.2. Xây dựng công trình ngầm bằng phương pháp đào kín Theo phương pháp đào kín, có những phương pháp thi công hầm như sau:  Phương pháp khoan nổ truyền thống và NATM.  Phương pháp khiên đào (SM).  Phương pháp khoan đào (TBM).  Phương pháp kích đẩy (pipe jacking).  Các phương pháp đặc biệt (phương pháp làm lạnh, phương pháp nổ ép, ) 1.3.2.1 Phương pháp khoan nổ truyền thống và NATM Phương pháp khoan nổ truyền thống hay còn gọi là phương pháp mỏ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng hầm và công trình ngầm do khả năng áp dụng cho nhiều loại công trình ngầm khác nhau như hầm giao thông, thuỷ 18
19. điện, tầng ngầm, với những hình dạng và kích thước hình học phức tạp, và xây dựng trong đất đá cứng và cứng vừa. Đây là phương pháp lâu đời nhất, có lịch sử phát triển cùng với lịch sử phát triển của ngành mỏ và đã đạt được những thành công đáng kể trong thế kỉ 20. Thành công lớn nhất của phương pháp khoan nổ chính là sự ra đời và phát triển của phương pháp thi công hầm mới của Áo – NATM, ra đời trong những năm 60 của thế kỉ 20 và nhanh chóng trở thành một trào lưu trong lĩnh vực xây dựng hầm và công trình ngầm của hầu hết các quốc gia trên thế giới và cho đến nay vẫn chưa mất tính thời sự do các lợi ích của nó mang lại. NATM kết hợp dùng các bulông neo đá và bê tông phun – chủ yếu dùng để đào hầm trong đá cứng, đang được ứng dụng trong thi công hầm đô thị, sau gần 4 thập niên phát triển liên tục và được đúc kết, đã đạt tới độ hoàn thiện đáng tin cậy. Do vậy chỗ đứng của nó được đảm bảo trong giới chuyên môn hầm. 1.3.2.2 Phương pháp đào hầm bằng cơ giới hoá (TBM và SM) Trẻ hơn về tuổi đời, song hành với NATM là sự phát triển mạnh mẽ của phương pháp thi công hầm cơ giới hoá. Những thiết bị cơ giới hoá đào đất để làm hầm khá đa dạng, kể từ loại máy xúc có trang bị răng xới, các thiết bị thuỷ lực và các máy đào hầm đa năng (roadheaders) cho đến các TBM có cấu tạo khác nhau. Ngày nay, TBM là phương pháp đào hầm phổ biến nhất. Loại thiết bị đa dụng Roadheader khá hữu ích ở nhiều trường hợp khi sử dụng TBM không có hiệu quả về mặt chi phí. Mặc dầu có nhiều loại phương tiện kỹ thuật đang thịnh hành, song TBM, thiết bị chuyên dùng, có thể cơ giới hoá được toàn bộ các khâu: đào, chống đỡ, thi công áo hầm và chuyển vận đất thải, đã được công nhận là một trong những đột phá quan trọng về công nghệ thi công hầm. Kỹ thuật đào hầm bằng khiên (SM), một biến thể của TBM đã được phát triển theo một chiều hướng mà việc ứng dụng hiện nay cho phép thi công an toàn ngay cả trong điều đất rất mềm yếu, có ngậm nước như các loại đất trầm tích. Khi thi công sẽ có hiện tượng lún bề mặt đáng kể trong các trường hợp mà độ dày tầng đất phủ là nhỏ. Tuy nhiên bằng biện pháp dùng vữa phun được kiểm soát tốt để chèn lấp vào khe hổng sau vỏ hầm (backfill) thì vẫn có thể kiềm chế lún ở mức độ nhỏ, và tránh được những phương hại nghiêm trọng đối với các công trình lân cận. 19
20. Trong công nghệ đào hầm dùng khiên thì lớp vỏ hầm được thi công bằng cách lắp ghép các cấu kiện (segments) chế sẵn. Một số lượng nào đấy các cấu kiện đúc sẵn trong một công xưởng sẽ được vận chuyển và tập kết tạm thời ở một kho bãi gần công trường. Đảm bảo có được một không gian sân bãi như vậy không phải là dễ dàng, thậm chí trong một giai đoạn tạm thời, ở một khu vực có mật độ công trình dày đặc. Đối với các vỏ hầm thi công bằng cấu kiện lắp ghép, những phương pháp thiết kế khác nhau, được đề nghị dùng cho các điều kiện đất đai và nước ngầm khác nhau, đều đảm bảo được cường độ cơ lý của lớp vỏ ở hầu hết các trường hợp. Khả năng phòng nước (warter-stopping) của vỏ hầm được đảm bảo bằng cách dùng các vật liệu hàn và trám kín khe nối giữa các mảnh cấu kiện. Tuy nhiên việc làm kín nước lâu dài khó khăn hơn; nếu thật cần thiết thì phải dùng đến lớp áo thứ cấp (secondary), đôi khi còn phải được gia cường thêm bằng các thanh cốt thép. Một số đánh giá về phương pháp làm vỏ hầm lắp ghép cho rằng giá thành của các mảnh cấu kiện là cao, ngoài ra còn thể phải làm thêm lớp áo thứ cấp, và các chi phí về vận chuyển cấu kiện và thuê sân bãi, nên việc thi công là tốn kém. Trong thập niên vừa qua, giải pháp thay thế vỏ hầm lắp ghép nói trên là công nghệ đổ bê tông vỏ hầm theo kiểu ép đẩy (extruded concrete lining- ECL) đã được phát triển ở châu Âu, đặc biệt là ở Đức. Đây là kỹ thuật thi công vỏ hầm bằng cách bơm đẩy bê tông thường hoặc bê tông cốt sợi thép vào khe hổng giữa bề mặt hang đào và ván khuôn bên trong hầm. 1.3.2.3 Phương pháp kích đẩy (pipe jacking) Phương pháp kích đẩy là một kĩ thuật đào ngầm được sử dụng cho các công trình ngầm là đường ống kĩ thuật, thi công bằng cách đẩy các đoạn ống có chiều dài nhất định. Phương pháp này được sử dụng chủ yếu cho các đường hầm có đường kính nhỏ đặt ở chiều sâu không lớn lắm và xây dựng tại những nơi mà phương pháp đào hở không thích hợp. Bản chất phương pháp là vì chống tubin kín được lắp đặt vòng nọ tiếp vòng kia trong khoang chuyên dùng cách xa gương hầm. Cùng trong khoang đó kích ép vì chống vào gương hầm theo tiến trình đào đất. Để giảm ma sát vì chống với khối đất, không gian phía sau tubin được bơm vữa sét. 20
21. Hình 1.8. Mở đường hầm bằng phương pháp kích đẩy 1. Dao 2. Khoang làm việc 3. Tấm chắn cửa miệng hầm 4. Đơn nguyên mới bố trí 5.Kích Phương pháp kích đẩy còn được sử dụng khi lắp đặt ống qua khối đắp đường sắt và đường ô tô. Khi kích đẩy ống đường kính tới 900mm, để đào đất trong gương sử dụng máy guồng xoắn. Phương pháp xuyên được sử dụng để lắp đặt ống đường kính tới 800mm dưới khối đắp và nền đường. Khác với phương pháp kích đẩy, trong phương pháp này khối đất nằm trong ống xuyên không lấy ra mà bị ép sang bên. Phương pháp xuyên được sử dụng trong 2 phương án: kéo bằng tời (h.8.9a) và kích đẩy (h.8.9b). Lực cần thiết để ép ống đường kính 0,5m trong đất cát- sét và trong đất đắp vào khoảng 150-1500KN phụ thuộc vào độ chặt hoặc độ sệt. Hình 1.9. Lắp đặt ống dưới khối đắp bằng phương pháp xuyên: a- dùng tời kéo, b- kích đẩy 1.3.2.4 Các phương pháp đặc biệt (Phương pháp làm lạnh, Phương pháp nổ ép, ) a. Giếng chìm hơi ép Phương pháp giếng chìm hơi ép được sử dụng khi xây dựng móng sâu dưới thiết bị nặng và trụ cầu, khi mở giếng mỏ, đào hầm ngang. Điểm đặc biệt 21
22. của phương pháp giếng chìm hơi ép là làm kín một phần thể tích nào đó lân cận gương hầm của hầm đào và tạo nên trong đó áp lực khí nén bằng áp lực nước ngầm và ngăn cản nước ngập vào gương hầm, xói mòn đất và cát chảy (hình 1.10). Hình 1.10. Giếng hơi ép a- khi xây dựng móng sâu với sự cơ giới hoá thuỷ lực, b- khi mở giếng đứng có thùng nâng, c- khi mở tuy nen có toa gòong (Ш- cửa cống) b. Đông lạnh đất Phương pháp đông lạnh sơ bộ đất được sử dụng khi đào hầm, hạ giếng, mở lò đứng và tuy nen trong đất cát chảy no nước. ưu điểm của phương pháp là: loại trừ được toàn bộ dòng chảy và nguy cơ cát chảy; nhược điểm- khó khăn trong việc đào đất đông lạnh, giá thành đông lạnh cao, nhiệt độ âm trong gương hầm. Vữa đông lạnh thường sử dụng vữa nước (muối) can xi clo rua độ chặt 1,23 - 1,25g/cm3, nhiệt độ đông lạnh của nó bằng –28 -350C. Muối thực hiện chức năng vận chuyển clo: trong lỗ khoan đông lạnh nó hấp thụ nhiệt ở đất, còn trên trạm đông lạnh nó thải nhiệt tự làm lạnh bản thân. Việc nhận được nhiệt độ thấp trên các trạm đông lạnh là dựa trên nguyên tắc bay hơi nước khi nhiệt độ chất 22
23. lỏng thấp - các chất làm lạnh (amôniac, CO2, phreon). Trên thiết bị đông lạnh chất làm lạnh thường hay dùng hơn cả là amôniac. c. Phun vữa Công tác phun vữa quá trình bơm vữa xi măng (xi măng hoá), vữa sét (sét hoá), bi tum (bi tum hoá) hoặc nhựa tổng hợp (nhựa hoá) để loại trừ tính thấm nước vào đất đá. Ximăng hoá - là biện pháp phun vữa phổ biến nhất. Nó phun hiệu quả cho khoáng chất đá nứt nẻ, sỏi cuội không lẫn sét. Bơm vữa xi măng vào khối đất được tiến hành qua lỗ khoan phun xi măng có trang bị thiết bị bơm. Khoảng cách giữa các lỗ khoan xi măng hoá là 1,5-3 m. d. Thi công công trình ngầm bằng phương pháp nổ ép tạo buồng. Trong đất đá dính như: đất sét, á sét có thể áp dụng phương pháp nổ ép để xây dựng những công trình ngầm theo sơ đồ hình 1.11 Hình 1.11. Thi công hầm ngang bằng nổ ép tạo khoang. Thực chất nổ ép là khoan các giếng khoan và đặt vào đó các lượng thuốc nổ, nút chặt và nổ. Sau khi nổ đất đá bị ép lại tạo thành những khoang sử dụng làm công trình ngầm. Sử dụng các trạm khoan chuyên ngành có thể khoan các giếng khoan thẳng đứng, nằm ngang hoặc nằm nghiêng. 23
24. Chương 2 Tính toán ổn định công trình ngầm 2.1 Công tác khảo sát dự án 2.1.1 Khát quát Khi xây dựng công trình ngầm cần xét đầy đủ tổ hợp các thông số địa kỹ thuật một cách tổng thể và xác định trạng thái địa chất cụ thể. Tính chất của đất đá quyết định công nghệ xây lắp, phương pháp đào và đắp đất, loại gia cố tạm thời và gia cố lâu dài. Đặc điểm tính chất của đất đá cần thiết khi xác định giá trị tải trọng lên kết cấu ngầm, khi lựa chọn sơ đồ tính toán công trình ngầm, khi xác định các thông số gia cố. Theo phương án lựa chọn, người ta tiến hành khảo sát chi tiết địa kỹ thuật - Thăm dò địa kỹ thuật. Mục tiêu chính của công tác thăm dò - nhận được đặc tính định lượng sử dụng khi xác định tải trọng lên kết cấu công trình ngầm, khi lựa chọn sơ đồ tính toán công trình, các phương phá 1.đào đất, các thông số ổn định tạm thời v.v cũng như dự đoán tính động học của sự phát triển các quá trình địa vật lý, các trạng thái ứng suất - biến dạng của khối đất, các chế độ nhiệt và nước ngầm. Trình tự khảo sát được giới thiệu ở bảng 2.1 Bảng 2.1. Trình tự khảo sát ng n ng và ng và ế Thiết kế và khảo ng Khảo sát để ự Khảo sát trong Khảo sát sau sát để lập kế giai đoạn xây chọn tuyến n hoạch thi công ế dựng xây d ự xây khi kết thúc ự u xây u xây d ầ n tuy o sát ọ t đ Trình t kh ả Ch B ắ d ự xây thành Hoàn So sánh các tuy Mục đích Thu thập những số liệu Thu thập các số liệu cơ Dự đoán và xem xét Kiểm tra các vấn đề chính cần thiết để chọn tuyến bản cần thiết cho bản những vấn đề có thể xuất hiện trong khi đường phù hợp nhất về thiết kế gốc, lập kế xảy ra trong khi xây xây dựng và sau khi 24
25. các điều kiện địa hoạch xây dựng, dự dựng. hoàn thành. chất/địa lý và các điều toán, v v kiện khác về môi Thay đổi thiết kế. Thu thập số liệu để trường. đền bù và các biện Quản lý xây dựng. pháp đề phòng xuống cấp, hư hỏng. Thu thập số liệu để đền bù trong tương lai. Nội dung Khảo sát tổng quát Khảo sát địa chất chi Đo đạc trong đường Khảo sát và đo đạc tiết. Khảo sát có cân hầm chủ yếu là quan những vùng xung nhắc về môi trường. trắc đất đá, trạng thái quanh đường hầm và của hệ thống chống đỡ. môi trường chủ yếu để Những phương tiện Khảo sát và đo đạc đánh giá những tác khảo sát cần thiết cho những vùng xung động của việc xây việc xây dựng. quanh đường hầm và dựng và các biện pháp môi trường chủ yếu để xử lý. đánh giá các tác động của việc xây dựng và các biện pháp xử lý. Khu vực Khu vực khảo sát rộng Đường hầm và vùng Đường hầm và khu vực Khu vực xung quanh bao gồm tất cả các xung quanh kể cả vị trí được chống đỡ bị ảnh một vị trí có tranh cãi khảo sát tuyến được kiến nghị. có thể bị liên lụy. hưởng của việc xây chịu ảnh hưởng của dựng. việc xây dựng. 2.1.2 Khảo sát Địa kỹ thuật Khảo sát địa kỹ thuật cần làm sang tỏ những điều kiện sau: 1. Đất đá đang hoặc có tiềm năng dịch chuyển như trượ lở 2. Đới nứt nẻ, khu vực có cấu trúc uốn nếp; 3. Đất đá yếu, chứa nước; 4. Đất đá bị ép vắt; 5. Đất đá có thể xảy ra hiện tượng đá nổ; 6. Đất đá có nhiệt lượng cao, mạch nước nóng, khí độc, v v ; 7. Đất đá chứa nhiều nước dưới đất. Trong khảo sát cũng cần chú ý đến những điều kiện đặc biệt có lien quan đến môi trường, như: 1. Chiều dày tầng đất đá phủ mỏng; 2. Khu vực đô thị; 3. Dưới mực nước ngầm; 4. Giếng nghiêng hoặc giếng đứng; 5. Cửa hầm; 25
26. 6. Công trình xây dựng lân cận; 7. Mặt cắt ngang lớn. Trình tự khảo sát địa kỹ thuật nêu ở bảng 2.2 Trong giai đoạn khảo sát sơ bộ cần khảo sát địa hình, địa chất, thủy văn, v v một vùng rộng gồm cả tuyến để so sánh. Mục đích khảo sát là để nắm chắc những nét đại cương về điều kiện đất đá của đường hầm và thu thập những số liệu cần thiết cho quá trình chọn tuyến và lập kế hoạch khảo sát tiếp theo. Cần tiến hành khảo sát bằng phương pháp phù hợp với các điều kiện địa chất của khu vực. Khảo sát địa kỹ thuật chi tiết nhằm đáp ứng mục đích là nắm bắt được điều kiện tổng thể về đất đá ở khu vực xây dựng công trình ngàm, thu thập những số liệu cơ bản cần thiết cho thiết kế và lập kế hoạch xây dựng, từng bước nâng cao độ chính xác. Trong khảo sát địa kỹ thuật chi tiết, phải chọn các đề mục cần thiết để khảo sát tùy theo mục đích khảo sát, các điều kiện đất đá, v v và phải dùng phương pháp khảo sát phù hợp nhất. Đặc điểm của các phương pháp khảo sát địa kỹ thuật nêu ở bảng 2.3. 26
27. Bảng 2.2. Trình tự khảo sát điều kiện địa kỹ thuật Phương pháp khảo sát, thu thập thông tin 27
28. Bảng 2.3. Đặc điểm của các phương pháp khảo sát địa kỹ thuật Phương pháp Các hạng mục để khảo Sử dụng các kết quả để Các khó khăn khi khảo sát sát lập kế hoạch và thiết kế Nghiên cứu tài 1. Điều kiện địa lý, địa 1. Các vấn đề hoặc vùng khó 1. Có thể ở đó không có số liệu chất và thủy văn của khăn được định rõ ở giai liệu hữu ích phụ thuộc vào khu vực định xây dựng. đoạn chọn tuyến từng vùng. 2. Lịch sử các thảm họa 2. Đưa ra vấn đề cần làm rõ khi 2. Nói chung, các bản đồ đã xảy ra và phác thảo khảo sát bề mặt hoặc khảo sát không đủ độ chính xác khả năng xây dựng. tỉ mỉ sau này 3. Thông tin trên bản đồ không phải bao giờ cũng liên quan đến mục đích nghiên cứu. Phân tích ảnh 1. Đất đá không ổn định - Đảm bảo độ chính xác tiêu hàng không quanh cửa hầm chuẩn nhưng cần phải 2. Cấu trúc địa chất, đặc kiểm tra lần nữa bằng khảo biệt là cấu trúc đặc sát trên mặt đất trưng như đứt gãy 3. Địa chất bề mặt trước khi có thay đổi nhân tạo. Khảo sát địa chất 1. Sự phân bố, các đặc 1. Lập bản đồ địa chất cắt ngang 1. Bản đồ địa chất chỉ là một bề mặt điểm và sự ổn định địa và cắt dọc và kiểm tra sự phân cách trình bày các kết quả chất bề mặt bố và đặc điểm của đất đá khảo sát, cần kiểm tra 2. Sự phân bố và các xung quanh tuyến trong giai đoạn khảo sát đặc điểm đất nền 2. Đánh giá chất lượng an toàn sau này 3. Sự phân bố và kiểu và khả năng xây dựng của địa 2. Bị ảnh hưởng rất lớn bởi cấu trúc địa chất. chất ngoại vi của tuyến độ chính xác của bản đồ địa lý Thăm dò 1. Vận tốc sóng đàn hồi 1. Để biết rõ bề dày và đặc điểm 1. Khi khu vực có vận tốc địa chấn của đất đá. các trầm tích không bền chậm là hẹp thì sẽ giảm độ 2. Vị trí, quy mô và vận vững, tầng phong hóa. chính xác của phân tích t lý ậ tốc của đới có vận tốc 2. Để biết rõ điều kiện khối đá ở 2. Đánh giá sự phân bố địa a v ị chậm cao độ khai đào chất, mức độ phong hóa và 3. Để biết rõ vị trí, quy mô, điều phát triển của nứt nẻ phải kiện và tính liên tục của đứt kết hợp với các khảo sát Thăm dò đ Thăm dò gãy, đới nứt nẻ và lớp đất khác và phải đánh giá tổng mềm hợp 4. Nghiên cứu phân loại đất đá 28
29. Thăm dò - Điện trở riêng của đất 1. Để biết rõ bề dày sườn tích và 1. Các tính chất địa lý và điện đá và phân bố điện trở lớp phong hóa. địa chất ở hiện trường ảnh riêng trên mặt cắt 2. Để biết rõ cấu trúc địa chất và hưởng rất lớn đến độ ngang. các đặc điểm từ điện trở chính xác của khảo sát. riêng. 2. Kết quả không trực tiếp 3. Phát hiện dải mỏng của đất quan hệ với độ bền cơ học mềm của đất đá 4. Để biết rõ các tính chất và quy mô của đứt gãy 5. Nghiên cứu sự phân bố và các tính chất của nước ngầm và tầng ngậm nước 1. Sự phân tầng và phân 1. Trực tiếp khảo sát địa chất để - Đây là khảo sát chính xác bố cát và đá. kiểm tra chi tiết phân bố và và cần kết hợp với trắc địa 2. Vị trí, phạm vi, các các tính chất của đất đá trên mặt đất, khảo sát địa Khoan khảo sát tính chất, tính liên tục 2. Nghiên cứu phân loại đất đá, vật lý, v v của đứt gãy, đới nứt các phương pháp khai đào, nẻ, lớp mềm yếu chống đỡ và bê tông vỏ hầm, 3. Loại đá, phong hóa và lượng thuốc nổ sử dụng biến đổi, các tính chất của đới nứt nẻ và của khe nứt 4. Tình trạng nước ngầm, áp suất và lượng dòng chảy Thí 1. Kiểm tra xem xét độ 1. Giá trị N, tính mềm và/hoặc 1. Nói chung, không áp nghiệm ổn định quanh cửa hầm chặt dụng cho đá và lớp cuội xuyên và những nơi mà bề 2. Lấy mẫu và phân loại đất. sỏi. tiêu dày tầng đất đá phủ 2. Khi giá trị N > 50 thì chuẩn mỏng không phân biệt chính xác 2. Để biết rõ độ sâu của đá và lớp chịu tải khoan ỗ Thí - Hệ số biến dạng, hệ số - Phân tích biến dạng đất đá. 1. Chọn lựa thiết bị thí nghiệm đàn hồi. nghiệm hợp lý đối với các o sát l ả tải trọng điều kiện địa chất và Kh trong lỗ đường kính lỗ khoan là khoan cần thiết 2. Chọn lựa vị trí bao gồm các trạng thái địa chất đặc trưng bằng đánh giá lõi khoan là cần thiết 29
30. Thí - Các tính chất thủy văn 1. Đánh giá và dự đoán dòng 1. Giá trị đo được đánh giá nghiệm của đất đá. chảy bất thường và/hoặc ổn thô do vậy cần phải diễn thấm định từ tầng ngậm nước. giải bằng lý thuyết 2. Đánh giá sự ổn định của 2. Chọn thí nghiệm hợp lý gương trong đất đá không bền là cần thiết cho điều kiện vững. đất đá. Thí - Sự phân bố vận tốc đàn 1. Gián tiếp ước tính phân loại 1. Đôi khi không đo được nghiệm hồi thẳng đứng của đất đá/cát hoặc mức độ phong khi không có nước ngầm. vận tốc đá. hóa, biến đổi và phát triển nứt 2. Đôi khi lớp có vận tốc trong nẻ chậm không đo được dưới lỗ khoan 2. Để biết rõ lớp có vận tốc mực nước ngầm. thấp. Thí - Điện trở biểu kiến của 1. Để biết rõ phân bố địa chất 1. Khả năng bị hạn chế ở nghiệm các vách lỗ khoan bằng điện trở riêng dưới mực nước ngầm điện 2. Đánh giá điều kiện nước 2. Không đo được trong ống trong ngầm ở tầng ngậm nước. vách lỡ khoan 1. Điều kiện địa tầng. 1. Thẩm tra ổn định của gương - Kết thúc và dọn kỹ lỗ Truyền Phạm vi, các tính chất hầm bằng điều kiện của các khoan là cần thiết hình và đường phương/góc nứt nẻ và đường phương/góc lỗ khoan dốc của đứt gãy và các dốc của chúng. nứt nẻ . 2. Nghiên cứu điều kiện dòng 2. Điều kiện nước ngầm chảy của khu vực 1. Các đặc tính cơ lý của 1. Để biết rõ mức độ phá hỏng 1. Vì mẫu không có các vết đá tạo thành: khối đá do nứt nẻ nứt gãy nên giá trị không lượng riêng, vận tốc 2. Để biết rõ các đặc tính cơ thể hiện đặc trưng đại Thí nghiệm sóng đàn hồi, cường độ học của đá. diện của đất đá trong phòng nén, v v 3. Đánh giá và dự báo đất đá bị 2. Kết quả thực nghiệm 2. Các đặc tính khoáng ép vắt thay đổi rất lớn do độ ẩm vật của đá tạo thành: 4. Đánh giá sự ổn định của các của mẫu đá mềm thành phần khoáng vật trầm tích không bền vững 3. Thí nghiệm cơ học có xu sét, tính vỡ vụn, v v 5. Đánh giá sự ổn định tự đứng hướng bị ảnh hưởng lơn 3. Các đặc tính cơ lý của vững của gương hầm ở nơi do xáo trộn khi lấy mẫu đất tạo thành : thành đất đá không bền vững phần hạt, độ ẩm, cường độ nén, độ sệt, v v Khảo sát địa kỹ thuật chi tiết cần nắm bắt và xem xét những nội dung sau đây: 1. Cấu tạo địa chất tổng thể, sự phân bố và các đặc điểm của mặt cắt công trình; 2. Phân loại đất đá với sự xem xét kỹ thuật dựa trên kết quả khảo sát; 30
31. 3. Địa hình và địa chất tại vị trí cửa hầm, những tài liệu tham khảo cơ bản về các vấn đề này và các biện pháp xử lý; 4. Đánh giá sự ổn định của gương, thiết kế hệ thống chống đỡ, chọn các phương pháp phụ, các tài liệu tham khảo để chọn các phương pháp khai đào gương và các phương pháp đào hầm; 5. Sự phân bố và các đặc điểm của những điều kiện đất đá đặc biệt, dự báo những vấn đề và hiện tượng, các tài liệu tham khảo cơ bản về các biện pháp xử lý. Những đề mục khảo sát địa kỹ thuật liệt kê trong bảng 2.4. Tham khảo bảng này để chọn các đề mục khảo sát theo điều kiện đất đá của đường hầm và chọn phương pháp khảo sát phù hợp. Một số lĩnh vực được quan tâm trong khảo sát các điều kiện đất đá đặc biệt và những điều kiện đặc biệt khác ở bảng 2.4 có thể bao gồm: 1. Các loại đất đá đang hoặc có tiềm năng dịch chuyển như trượt lở. Phải phân tích khả năng đất trượt, sụt lở và sập mái dốc ở cửa hầm, ở nơi bề dày tầng đất đá phủ mỏng như các thung lũng và các đường hầm gần mái dốc. Phải đánh giá sự ổn định của đường hầm. Cũng cần phải thực hiện các khảo sát để có thể xác định sự cần thiết về các biện pháp xử lý và thiết kế các trường hợp đó. Khi đất trượt, sụt lở với quy mô lớn thì cần phải xem xét khả năng chọn một tuyến tránh sự trượt, sụt lở đó. 2. Vùng nứt nẻ / vùng uốn nếp. Có thể phát hiện một đứt gãy với một dải rộng của đới nứt nẻ bằng khảo sát sơ bộ (nghiên cứu tài liệu, ảnh hàng không, khảo sát trên mặt đất, v v ). Có thể ước đoán những đặc điểm của đới nứt nẻ, như cường độ của đới nứt nẻ, bằng phương pháp thăm dò địa chấn, khoan khảo sát, v v 3. Đất đá yếu chứa nước. Đất đá yếu, như đất sét, đất cát và đất sỏi tạo thành tầng sườn tích và một phần của tầng bồi tích, đất đá núi lửa không bền vững như tro núi lửa hoặc sỏi (đá bọt), là những loại đất đá không bền vững. Khi loại đất đá này tiếp xúc với nước có thể xảy ra những vấn đề: xói lở hoặc sập gương, đất đá lún hoặc sập khi bề dày tầng đất đá phủ mỏng, nước chảy vào nhiều. Tầng cát không bền vững hoặc tầng sỏi cát thường có cấu trúc đơn giản vì vậy việc khảo sát địa chất trên bề mặt, khoan khảo sát, khảo sát địa vật lý trong lỗ khoan, khảo sát nước ngầm, v v có thể đánh giá các đặc điểm địa chất và khả 31
32. năng bị xói lở đến một mức độ khá lớn. Thí nghiệm trong phòng lập r a chỉ số xói lở là đặc biệt quan trọng đối với cát mịn có cỡ hạt đồng đều. Bảng 2.4. Quan hệ giữa điều kiện đất đá, các đề mục khảo sát và phương pháp khảo sát 32
33. 4. Đất đá trương nở, nén ép (Swelling and squeezing soil and rock). Đây là vùng đất đá mà mặt cắt ngang bên trong phát triển về phía trong do áp lực đất gia tăng rất lớn khi khai đào đường hầm. Hiện tượng này quan sát thấy trong sét kết Neogen, và đá túp, sét tại vùng đứt gãy, vùng vỡ vụn vò nhàu, sét solfataic, secpentinit. Hiện tượng này không chỉ phụ thuộc vào loại và các đặc điểm của đá, mà còn liên quan chặt chẽ đến ứng suất do áp lực tầng đất đá phủ và ứng suất do cấu tạo địa chất như cấu tạo uốn nếp. Thường không thể dự báo phạm vi trương nở chỉ bằng một tiêu chuẩn. 5. Đá nổ. Hiện tượng này xảy ra khi đá vỡ vụn bay khắp đó đây do khối đá và đá gần gương hầm thình lình bị vỡ do nổ. Quan sát thấy hiện tượng này khi điều kiện ứng suất trong khối đá gần bằng giới hạn biến dạng do áp lực cao của đất và tại chỗ đó đạt đến ứng suất biến dạng phá hoại do khai đào và do xuất hiện sự giải phóng năng lượng biến dạng đàn hồi một cách bất thình lình. 6. Đất đá có nhiệt lượng cao, mạch nước nóng, khí độc, các kim loại nặng. Các kiểu đất đá này nằm trong vùng nhiệt dịch biến đổi, đới vò nhàu, đá xâm nhập và tầng chứa dầu, than hoặc kim loại, v.v Xác định điều kiện này trong giai đoạn khảo sát sơ bộ. 7. Đất đá chứa nước dưới đất. Nước ngầm cách ly do sét ở các đứt gãy, nước ngầm được giữ lại trong tầng đất đá không bền vững như là vật liệu từ nham thạch núi lửa, nước ở trong khe nứt và đới nứt nẻ, nước trong chỗ rỗng của đá vôi và dung nham, có thể tạo ra một lượng nước chảy vào rất lớn bất thình lình gây đổ sập hoặc xói lở. Việc khảo sát thực hiện chủ yếu bằng phương pháp khoan và khảo sát địa chất thủy văn dựa theo sự tham khảo những đề mục nêu trong vùng nứt nẻ và đất đá yếu chứa nước. Khi xây dựng công trình ngầm cần lưu ý đến những điều kiện đặc biệt sau: 1. Tầng đất đá phủ mỏng. Ở tầng đất đá phủ mỏng đất đá thường là đất mềm hoặc đá mềm vì vậy tác động vòm không dễ xảy ra. Đất đá như vậy dễ bị hư hại do lún đất đá trên mặt hay lún đất do đất đá bị tơi ra. Cũng đã có những sự cố về sự ổn định của gương và thành tường đường hầm. Khi có một công trình trên bề mặt thì phải tiến hành khảo sát để đánh giá độ lún và khu vực bị lún. 2. Khi đường hầm xuyên qua khu vực đô thị. Các đường hầm xây dựng ở khu vực đô thị có nhiều hạn chế hơn so với các đường hầm xuyên núi vì các vùng xung quanh và điều kiện đất đá. Trước đây, đường hầm xuyên dưới khu đô 33
34. thị được xây dựng chủ yếu bằng phương pháp đào mở hoặc phương pháp khiên chống, tuy nhiên gần đây áp dụng phổ biến hơn phương pháp đào hầm xuyên núi. Cần phải khảo sát những điều kiện xung quanh như các công trình trên bề mặt và cấu trúc ngầm dưới đất. 3. Khi đường hầm xuyên dưới nước. Khi xây dựng đường hầm xuyên dưới nước như dưới đáy biển, đáy sông sẽ gặp nguy hiểm là ngập nước do một lượng nước khổng lồ chảy vào đường hầm, vì vậy cần khảo sát cẩn thận. Các đề mục khảo sát địa chất đối với các đường hầm dưới nước không khác với các đường hầm dưới đất bình thường, nhưng bị hạn chế khi thực hiện do độ sâu của nước và các dòng chảy. Không thể kiểm tra trực tiếp, và điều này còn bị ảnh hưởng bởi giao thông đường thủy và các điều kiện môi trường có thể hạn chế phương pháp và mùa khảo sát. 4. Giếng nghiêng và giếng đứng. Khảo sát về giếng cũng tương tự như đối với các bộ phận khác của đường hầm. Biện pháp đối phó duy nhất với dòng nước chảy vào là thoát nước cưỡng bức, giếng bị ngập là điều nguy hiểm vì vậy cần khảo sát tỉ mỉ để ước tính lượng nước chảy vào. 5. Cửa hầm. Xây dựng cửa hầm là một trong những công việc khó khăn trong xây dựng đường hầm. Điều kiện của cửa hầm trong các đường hầm luôn luôn khác nhau và đòi hỏi phải xem xét từng trường hợp. Cần quan tâm đặc biệt đến cửa hầm có khả năng bị trượt lở đất hoặc mất ổn định mái dốc và tham khảo mục 1) trên đây để khảo sát cẩn thận 6. Trường hợp có công trình xây dựng lân cận. Khi xây dựng công trình ngầm gần những công trình hiện tại cần phải nắm chắc đặc điểm của những công trình đó như điều kiện xây dựng, địa điểm, môi trường, đất đá, xây dựng từ khi nào, v v để đường hầm không ảnh hưởng đến các công trình đó. 2.1.3 Khảo sát thủy văn Mục đích khảo sát thủy văn là dự báo khả năng và lượng nước mặt và nước dưới đất chảy vào công trình ngầm, xem xét và đánh giá các vấn đề kế tiếp trong thiết kế và xây dựng và tác động đến môi trường xung quanh. Thực hiện những đề mục khảo sát cần thiết vào những thời điểm thích hợp. Khi thi công nếu có dòng nước chảy vào công trình thì những khó khăn trong xây dựng tăng lên rất nhiều. 34
35. 1. Dự báo dòng nước chảy vào công trình ngầm. Dòng nước chảy vào được phân thành hai loại: dòng nước tập trung khi xây dựng và dòng nước ổn định sau khi xây dựng công trình. Việc xác định các loại dòng nước, lượng nước và khu vực có dòng nước chảy vào chủ yếu dựa vào cấu tạo của tầng chứa nước và những đặc điểm của tầng đó như tính thấm và hệ số tích trữ, v v 2. Các vấn đề cho thiết kế và xây dựng. Dòng nước chảy vào đường hầm không chỉ làm đảo lộn việc khai đào mà có thể gây sập gương và những điều tương tự, đây là điều quan trọng theo quan điểm an toàn khi xây dựng đường hầm và đạt hiệu quả kinh tế. Dòng nước chảy vào tập trung gây ra nhiều vấn đề về thiết kế và xây dựng khi bắt đầu khai đào. Cần xem xét các phương pháp phụ đối với thiết bị xây dựng, các phương pháp khai đào và xử lý nước ngầm bằng cách dự báo vị trí và lượng nước chảy vào trong giai đoạn chọn tuyến, thiết kế và lập kế hoạch xây dựng. Đo lượng nước chảy vào trong khi xây dựng, phân tích và so sánh với giá trị dự báo. Cũng cần tiếp tục quan sát sau khi xây dựng xong để bảo dưỡng đường hầm. Sau đây là những vấn đề dự kiến trong thiết kế và xây dựng đường hầm: i) Sự ổn định của gương, đặc biệt là sập gương, và xói lở cát trong đất đá không bền vững; ii) Áp lực của đất tăng; mở rộng sự hấp thụ nước của đá mềm và trượt lở; iii) Khả năng chống đỡ giảm; bê tông phun hoặc neo đá dính bám không tốt, lún chân hệ thống chống đỡ bằng thép; iv) Xử lý dòng nước chảy vào; ngập đường hầm, bố trí thiết bị xử lý dòng nước chảy vào, bố trí thêm thiết bị thoát nước và/hoặc máy bơm nước trong và sau khi xây dựng; v) An toàn xây dựng: lũ lụt phá hủy nền đường; vi) Sụt giảm chất lượng và bảo dưỡng; xói lở vật liệu chèn lấp hoặc cát do nước chảy vào và nước rò. Sự xói mòn đất đá phía dưới vòm ngược hoặc nền đường bê tông. Sự phá hủy bê tông do nước axit, mạch nước nóng, v v ảnh hưởng trực tiếp đến công trình do mực nước ngầm thay đổi không bình thường vì mưa nhiều hoặc điều chỉnh chế độ bơm nước. 3. Tác động đến môi trường xung quanh. Tác động của dòng nước chảy vào đường hầm đến các công trình nước xung quanh trở thành một vấn đề xã hội 35
36. quan trọng về mặt bảo vệ môi trường. Dòng nước chảy vào tập trung gây ra tác động tạm thời, còn tác động chính đến môi trường xung quanh là do dòng nước chảy vào ổn định. Vì vậy cần ước tính và đánh giá mức độ của tác động này như sự thiếu hụt nước trong các giai đoạn chọn tuyến, thiết kế và lập kế hoạch xây dựng. Cần chuẩn bị các biện pháp đối phó kể cả việc chuyển đường hầm đi nơi khác. Cần xác định sự cân bằng nước vào – nước ra kể cả dòng nước vào đường hầm trong và sau khi xây dựng. Cần làm sáng tỏ mối quan hệ nhân quả giữa việc xây dựng và tác động lên môi trường xung quanh. Nếu cần thiết thì thảo luận và đưa ra các biện pháp đối phó để ngăn ngừa sự gia tăng mức độ của tác động này. Sau đây là những hiện tượng cần xem xét liên quan đến tác động môi trường: i) Giảm hoặc thiếu nước; nước sông, nước ngầm, nước chảy vào, nước tưới; ii) Lún đất đá; biến dạng các công trình, lún bề mặt, lún đất đá; iii) Thay đổi chất lượng nước; nhiễm bẩn nước mặt hoặc nước ngầm (nhiễm bẩn do phương pháp cách ly nước và thoát nước bên trong đường hầm), nước ngầm bị nhiễm mặn; iv) Nước lạnh, nông nghiệp bị hại vì nước lạnh; v) Gián đoạn dòng nước ngầm; trở ngại do gián đoạn dòng nước ngầm. 4. Từng bước khảo sát thủy văn. Các khảo sát thủy văn gồm những hạng mục khảo sát địa chất thủy văn, khảo sát cân bằng nước vào – nước ra và khảo sát thủy văn môi trường. Một tổng thể gồm việc xem xét kết quả những khảo sát vừa nêu, nghiên cứu tài liệu và kết quả khảo sát tình huống phải được thực hiện để đưa ra những dự báo và những đánh giá khác nhau. Trong bảng 2.5 giới thiệu mục đích của các khảo sát khác nhau, nội dung và thời gian khảo sát. Bảng 2.5. Đại cương về khảo sát thủy văn Caïc Muûc âêch cuía Näüi dung Giai âoaûn khaío saït haûng khaío saït muûc kãú Sau khi khi thi Láûp cäng kãút Choün Trong hoüach tuyãún 36
37. Vaûch kãú hoüach Âiãöu kiãûn âëa lyï vaì Δ Δ khaío saït bàòng âëa cháút: cáúu truïc kiãøm tra cáúu âëa cháút thuíy vàn. truïc thuíy vàn, Khê tæåüng thuíy vàn: så bäü âiãöu næåïc mæa, nhiãût âäü kiãûn næåïc ngáöm, vaì caïc Dæî liãûu váún âãö dæû Sæí duûng næåïc ngáöm: âoïan træåïc caïc giãúng, tæåïi næåïc Âaïnh giaï doìng Dæî liãûu tæì caïc dæû Δ Δ chaíy vaì qui mä aïn træåïc: Âëa cháút, giaím/thiãúu täøng læåüng næåïc, næåïc åí háöm dæû caïc âiãöu kiãûn thi kiãún. Kiãøm tra cäng, khu væûc bë aính tênh thêch håüp hæåíng båíi sæû thiãúu cuía caïc phæång næåïc. Caïc biãûn phaïp phaïp khaío saït khàõc phuûc. khaïc nhau Træåìng håüp nghiãn cæïu Cáúu truïc âëa Khaío saït âëa cháút Ο Δ cháút thuíy vàn, bãö màût. caïc tênh cháút Ο Khaío saït âëa váût Ο Δ cuía næåïc ngáöm lyï. âæåüc täøng Ο Ο Δ håüp trong baín Khoan khaío saït. âäö âëa cháút Δ thuíy vàn âãø dæû Thê nghiãûm Carota läù Ο Ο Δ âoïan vë trê khoan. Δ Ο Ο doìng chaíy vaì Kiãøm tra cháút læåüng Loaûi khaío saït thuyí vàn khu væûc thu næåïc (hiãûn træåìng, næåïc. trong phoìng). Caïc hãû säú âäúi Thê nghiãûm tháúm âån Δ Δ Δ våïi næåïc nhæ giaín trong läù khoan tháúm, têch tuû (nhæ thê nghiãûm cäüt âæåüc xaïc næåïc). âënh bàòng caïc Thê nghiãûm aïp suáút lyï thuyãút thuíy Δ Δ Δ doìng næåïc, thê læûc âãø dæû nghiãûm phun næåïc. âoïan læu læåüng Khaío saït âiaû cháút thuyí vàn doìng næåïc vaì Thê nghiãûm båm, läù Ο khu væûc thu ngaïch ngang. Δ Δ Δ næåïc Δ Thê nghiãûm theo doîi, Δ Δ Δ hæåïng doìng vaì váûn Δ täúc. Δ Δ Δ Thê nghiãûm giaím âäü sáu cuía næåïc 37
38. Khê tæåüng thuíy Khê tæåüng thuíy vàn: vàn, täøng doìng næåïc mæa, nhiãût âäü. næåïc màût, khaío Doìng næåïc màût: täøng saït mæûc næåïc læåüng næåïc säng, häö, ngáöm âæåüc bãø næåïc, âáûp, næåïc thæûc hiãûn âãø tæåïi, caïc suäúi. kiãøm tra cán bàòng cuía næåïc Mæûc næåïc ngáöm:giãúng âãø dæû âoïan quan tràõc, giãúng âang haình vi traûng täön taûi. thaïi cuía næåïc Ο Ο Ο Ο Täúc âäü bay håi. ngáöm trong khi thi cäng Næåïc chaíy vaìo háöm, Sæû cán bàòng c uía næåïc aính hæåíng âãún sæû thiãúu næåïc. Âãø kiãøm tra Nguäön næåïc: caïc Ο Ο nguäön næåïc vaì suäúi, säng, häö, sæí duûng næåïc giãúng, bãø chæïa, aính åí khu væûc thu hæåíng cuía mæa. næåïc vaì vuìng Ο Sæí duûng næåïc: cung lán cáûn âãø dæû thuyí vàn cáúp vaì thoïat næåïc, Mäi træåìng âoaïn aính hæåíng næåïc cäng nghiãûp vaì cuía thi cäng. Ο Ο näng nghiãûp. Dæû âoïan læu Vê du sau khi thi cäng Ο Δ Δ læåüng, vë trê Âiãöu kiãûn âëa lyï vaì vaì khu væûc thu Ο âëa cháút thuíy vàn Δ Δ næåïc cuía doìng chaíy vaìo cuía Caïc cäng thæïc thuíy Ο Δ Δ næåïc læûc Phæång phaïp dæû âoaïn Phán têch bàòng säú Δ Δ Kyï hiãûu: cáön phaíi thæûc hiãûn, Ο Âæåüc khuyãún khêch thæûc hiãûn, Δ Thæûc hiãûn khi cáön thiãút 2.1.4 Khảo sát các điều kiện địa điểm xây dựng 2.1.4.1 Khảo sát môi trường Cần thực hiện những khảo sát các điều kiện cơ bản liên quan đến môi trường tự nhiên, môi trường xã hội, môi trường sống của con người v v trong phạm vi khu vực có thể bị ảnh hưởng do việc xây dựng và trong thời kỳ sử dụng sau đó. Nhằm mục đích bảo vệ môi trường và kiểm soát ô nhiễm, phải tiến hành khảo sát để tìm đủ các biện pháp bảo vệ sao cho việc xây dựng không gây tác động nghiêm trọng đến môi trường sống của con người xung quanh địa điểm xây dựng. Trong việc lập kế hoạch một dự án, cần đánh giá tác động môi trường theo luật pháp hoặc quy định, phải dự báo và đánh giá tác động môi trường. Những vấn đề chính về môi trường trong xây dựng đường hầm là tiếng ồn, chấn động, các giếng nước trở nên khô cạn, nước đục và hư hỏng các công trình 38
39. xây dựng. Người kỹ sư phải thực hiện khảo sát môi trường trước khi bắt đầu xây dựng, dự báo và đánh giá mọi tác động có thể có trong khi xây dựng và trong thời gian sử dụng sau đó và áp dụng các biện pháp phù hợp nếu có vấn đề. Hơn nữa, người kỹ sư cũng phải tiến hành khảo sát môi trường trong khi xây dựng và trong thời kỳ sử dụng sau đó để hiểu việc xây dựng ảnh hưởng đến môi trường như thế nào. 2.1.4.2 Khảo sát luật pháp và các quy định điều chỉnh dự án Khi lập kế hoạch một dự án, phải nghiên cứu trước pháp luật và các quy định điều chỉnh dự án, nội dung của luật và quy định đó, các thủ tục, biện pháp cần phải áp dụng, v v Tiến hành những nghiên cứu về yêu cầu đền bù để nhận đất cần cho dự án. Cần thực hiện những khảo sát địa hình, địa chất, thời tiết, các điều kiện sử dụng đất, những tác động đến khu vực xung quanh và những đề mục khác cần để thu thập số liệu cho việc lập kế hoạch thiết bị ở bên ngoài, các khu vực thải đất đá, v v 2.1.5 Các kết quả khảo sát Các kết quả khảo sát được hệ thống sắp xếp theo một hình thức cần thiết có sự hiểu biết đầy đủ về mục đích, được sắp xếp và lưu trữ để có thể sử dụng trong những giai đoạn khác nhau của dự án. Những kết quả khảo sát các điều kiện địa kỹ thuật được đánh giá tổng hợp và xếp hạng theo mức độ quan trọng để có thể phân loại đất đá một cách đúng đắn theo mục đích sử dụng. Cần đánh giá các tính chất của đất đá theo quan điểm địa kỹ thuật, sử dụng các kết quả khảo sát điều kiện dịa kỹ thuật để áp dụng thỏa đáng vào thiết kế và lập kế hoạch xây dựng. Các kết quả khảo sát điều kiện địa kỹ thuật được tổ chức thành các mục như sau để dễ sử dụng trong các nghiên cứu về thiết kế và các phương pháp xây dựng: i) Mục tiêu, địa điểm, phạm vi, phương pháp khảo sát và tên người chịu trách nhiệm; ii) Mô tả sơ lược địa hình, và địa chất cùng với cấu tạo địa chất; iii) Các bản đồ địa chất; iv) Các mặt cắt địa chất ngang; v) Mặt cắt địa chất dọc. 2.2 Ổn định của công trình ngầm đào bằng phương pháp đào mở 39
40. 2.2.2 Lựa chọn kết cấu chắn giữ và kiểm tra chất lượng Thông thường, có 3 giai đoạn trong thi công công trình ngầm: a) Giai đoạn chuẩn bị: Xây dựng các công trình tạm để thi công công trình ngầm, gia cường các móng kế cận và các công tác khác cần thiết để đảm bảo quá trình xây dựng sau đó được thuận lợi, b) Giai đoạn cơ bản: xây dựng công trình ngầm và tất cả các công trình trên mặt đất cần cho khai thác công trình ngầm, c) Giai đoạn kết thúc: tiến hành các công tác trang trí và lắp thiết bị, tháo dỡ công trình và nhà tạm, khôi phục mạng lưới kỹ thuật đô thị và hoàn thổ Kiểm tra chất lượng thi công công trình ngầm phải theo hồ sơ thiết kế và gồm các quá trình kiểm tra địa kỹ thuật (địa chất công trình, địa chất thuỷ văn, địa sinh thái) khi xây dựng và kiểm tra chất lượng của vật liệu và kết cấu chống giữ thành hố đào. Căn cứ để lựa chọn kết cấu tường chắn cho hố đào mở khi thi công CTN là: - Kích thước CTN trên mặt bằng và độ sâu; - Điều kiện ĐCCT và ĐCTV; - Điều kiện và khả năng thi công; - Điều kiện môi trường, sinh thái, điều kiện khống chế biến dạng công trình lân cận ; - Mức độ an toàn, thông qua việc chọn hệ số an toàn (tường tạm hay tường vĩnh cửu); - Các yếu tố kinh tế. Phân tích toàn diện các yếu tố trên (có khi cả yếu tố phụ), dựa vào cấp an toàn của hố đào như nêu ở bảng 2.6, có thể chọn lựa kết cấu chắn giữ theo các nguyên tắc sau: (1) Trong điều kiện bình thường thì cấu kiện của chắn giữ hố đào (như tường chắn, màn chống thấm và neo) không được vượt ra ngoài phạm vi vùng đất được cấp cho công trình, nếu không, phải có sự đồng ý của các bộ phận chủ quản sở hữu (Trung ương hoặc địa phương) hoặc của chủ đất kế cận; (2) Cấu kiện của kết cấu chắn giữ thành hố đào không làm ảnh hưởng đến việc thi công bình thường các kết cấu chính của công trình. Bảng 2.6. Cấp an toàn hố đào và hệ số tầm quan trọng hố đào β 40
41. Cấp an toàn Hậu quả phá hoại β Kết cấu chống giữ bị phá hoại, nền đất mất ổn định hoặc biến Cấp I dạng quá lớn làm cho công trình xung quanh hố đào hoặc việc 1,10 thi công kết cấu ngầm bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Kết cấu chống giữ bị phá hoại, nền đất mất ổn định hoặc biến Cấp II dạng quá lớn làm cho công trình xung quanh hố đào hoặc việc 1,00 thi công kết cấu ngầm bị ảnh hưởng vừa phải. Kết cấu chống giữ bị phá hoại, nền đất mất ổn định hoặc biến Cấp III dạng quá lớn làm cho công trình xung quanh hố đào hoặc việc 0,90 thi công kết cấu ngầm bị ảnh hưởng không nghiêm trọng. Chú ý: Với những công trình đặc biệt cấp an toàn hố đào có thể căn cứ vào tình hình thực tế để xác định. Theo điều kiện đất nền và điều kiện thi công, có thể tham khảo phạm vi áp dụng các loại tường chắn ở bảng 2.7. Bảng 3.7 Ph©n lo¹i theo ph­¬ng ph¸p ®µo hè (A) §µo hè kh«ng §µo th¼ng ®øng §µo cã dèc khi kh«ng cã n­íc ngÇm cã ch¾n §µo cã dèc §µo cã dèc tho¸t n­íc b»ng m¸ng hë gi÷ §µo cã dèc khi h¹ mùc n­íc b»ng giÕng §µo kiÓu con s¬n Cäc b¶n thÐp, cäc èng thÐp (Cã neo kÐo, CÊu thµnh bëi cäc nhåi BTCT (cäc xÕp dµy, cäc xÕp kh«ng cã neo kÐo) th­a), t­êng ch¾n ®Êt tæ hîp bëi mét hµng hoÆc hai hµng - cäc nhåi khoan lç vµ b¬m v÷a hoÆc cäc trén ®Êt v«i, cäc b¬m quay ) T­êng liªn T­êng liªn tôc ngÇm BTCT tôc ngÇm T­êng liªn tôc ngÇm ®Êt v«i cã cèt (SMW) KÕt cÊu ch¾n gi÷ b»ng giÕng ch×m T­êng ch¾n ®Êt kiÓu träng lùc (B) §µo Cäc gi÷ ®Êt cèt cøng hè cã §µo kiÓu kÕt cÊu ch½n gi÷ h×nh vßm ch¾n gi÷ §µo kiÓu ch¾n gi÷ bªn trong (hÖ thèng trong ®­îc t¹o thµnh bëi dÇm ngang däc theo mÆt b»ng, èng thÐp, cäc) bao gåm 1 tÇng chèng, nhiÒu tÇng chèng §µo kiÓu kÕt cÊu ch¾n gi÷ víi neo ®Êt (cäc ch¾n ®Êt, kÕt cÊu neo gi÷ mét tÇng, nhiÒu tÇng, ®inh ®Êt kiÓu thanh neo cã t¹o lùc neo b»ng dù øng lùc vµ kh«ng dù øng lùc ) (C) §µo ph©n ®o¹n hè ®µo - ph­¬ng ph¸p ®µo ph©n ®o¹n hè ®µo 41
42. (KÕt hîp §Çu tiªn ®ãng cäc b¶n - ®µo ë phÇn gi÷a - ®æ bª t«ng CTN ë gi÷a vµ c¸c kÕt ph­¬ng cÊu ngÇm - thanh chèng chÐo vµ chèng ngang - råi l¹i ®µo ®Êt xung quanh thi thøc A.B) c«ng tiÕp (D) §µo b»ng ph­¬ng ph¸p ng­îc vµ b¸n ng­îc (top-down) - Tr­íc tiªn lµm cäc nhåi bª t«ng hoÆc t­êng råi lµm b¶n sµn bª t«ng tõ trªn xuèng, lîi dông nã lµm kÕt cÊu ch¾n gi÷ (E) §µo §µo b¬m v÷a gi÷ thµnh, ®µo cã mµng ho¸ chÊt gi÷ thµnh, ®µo cã xi m¨ng ®Êt cã gia cè l­íi thÐp gi÷ thµnh khèi ®Êt §µo cã ®inh ®Êt gi÷ thµnh (bê thµnh ®Æt thÐp phun bª t«ng) thµnh hè §µo phun neo bª t«ng gi÷ thµnh (hoÆc phun neo cã thanh neo gi÷ thµnh) vµ ®¸y hè §µo víi cäc rÔ c©y d¹ng l­íi gi÷ thµnh §µo gia cè b»ng b¬m v÷a dïng ¸p lùc ®Êt bÞ ®éng ë ®¸y hè (hoÆc kÕt hîp víi cäc ch¾n ®Êt ) (F) §µo gi÷ thµnh b»ng biÖn ph¸p tæng hîp - hè mãng ®­îc ®µo b»ng c¸ch cã mét phÇn ®Ó m¸I dèc, cã mét phÇn gi÷ thµnh Kết cấu tường chắn giữ thành hố đào sâu có thể phân loại theo đặc điểm chịu lực như ở bảng 2.8 và theo chức năng kết cấu như ở bảng 2.9. 42
43. Bảng 2.8. Ph©n lo¹i theo ®Æc ®iÓm chÞu lùc cña kÕt cÊu chèng gi÷ thµnh hè Cäc nhåi BTCT t¹o lç b»ng c«ng nh©n (cã thanh neo) Cäc nhåi BTCT t¹o lç b»ng m¸y Cäc Cäc BTCT ®óc s½n Cäc trén s©u Cäc phun quay KÕt cÊu B¶n B¶n thÐp h×nh ch÷ I/b¶n BTCT ch÷ nhËt, ch÷ C chèng gi÷ B¶n thÐp h×nh lßng m¸ng chÞu lùc bÞ èng Cäc èng thÐp (cã thanh neo) ®éng Cäc BTCT èng thÐp (cã thanh neo) T­êng T­êng trong ®Êt b»ng BTCT (®æ t¹i chç/l¾p ghÐp) T­êng ch¾n kiÓu träng lùc ®Êt xi m¨ng Chèng gi÷ b»ng thÐp Chèng ®ì b»ng thÐp Chèng b»ng BTCT m¸ng Chèng Chèng b»ng gç Chèng ®ì b»ng thÐp I Chèng b»ng chÊt ®èng Chèng b»ng èng thÐp bao c¸t KÕt cÊu Phun neo ®Ó ch¾n gi÷ (bao gåm b¬m v÷a, kÐo neo) chèng gi÷ T­êng b»ng ®inh ®Êt ®Ó ch¾n gi÷ (bao gåm cµi thÐp gia c­êng) chÞu lùc chñ ®éng 43
44. Bảng 2.9. Ph©n lo¹i theo chøc n¨ng t­êng ch¾n 1. Cäc thÐp ch÷ H ch÷ I cã b¶n cµi 2. Cäc nhåi ®Æt th­a phñ lªn mÆt xi m¨ng l­íi thÐp 3. Cäc ®Æt dµy (cäc nhåi, cäc ®óc s½n) KÕt cÊu ch¾n 4. Cäc hai hµng ch¾n ®Êt ®Êt, thÊm n­íc 5. Cäc nhåi kiÓu liªn vßm 6. Cäc t­êng hîp nhÊt, c¸ch lµm ng­îc nhµ ngÇm Bé phËn 7. Ch½n gi÷ b»ng ®inh ®Êt ch¾n ®Êt 8. Ch¾n gi÷ b»ng cµi cèt gia c­êng 1. T­êng liªn tôc trong ®Êt 2. Cäc, t­êng trén xi m¨ng ®Êt d­íi tÇng s©u KÕt cÊu ch¾n 3. Cäc trén xi m¨ng d­íi tÇng s©u, thªm cäc nhåi ®Êt, ng¨n n­íc 4. Gi÷a cäc ®Æt dµy thªm cäc phun xi m¨ng cao ¸p 5. Gi÷a cäc ®Æt dµy thªm cäc b¬m v÷a ho¸ chÊt 6. Cäc b¶n thÐp 7. T­êng vßm cuèn khÐp kÝn 1. KiÓu tù ®øng (cäc c«ng x«n, t­êng) 2. Neo kÐo (dÇm, cäc, neo kÐo) 3. Thanh neo vµo tÇng ®Êt Bé phËn ch¾n gi÷ kiÓu kÐo gi÷ 4. èng thÐp, thÐp h×nh chèng ®ì (chèng ngang) 5. Chèng chÐo 6. HÖ dÇm ®ai chèng ®ì 7. Thi c«ng theo c¸ch lµm ng­îc (top - down) KÕt cÊu ch¾n gi÷ ch¾n KÕt cÊu Phạm vi sử dụng một số loại tường chắn thông thường được nêu ở bảng 2.10. B¶ng 2.10. Ph¹m vi ¸p dông mét sè lo¹i t­êng ch¾n H¹ng môc kh¶o s¸t §iÒu kiÖn ®Êt nÒn H¹n §é lón Hè ®µo 44
45. §Êt §Êt sÐt §Êt c¸t §Êt chÕ ån ®Êt s©u yÕu ngËp vµ chÊn quanh T­êng cõ n­íc ®éng hè ®µo Cäc b¶n thÐp nhÑ x 0 0 x ∆ x X Cäc trô + b¶n ngang ∆ * * x ∆ ∆ ∆ Cäc b¶n thÐp * * * * ∆ 0 0 Cäc b¶n * 0 0 0 ∆ 0 * T­êng liªn tôc b»ng 0 0 ∆ ∆ 0 0 ∆ cäc (NB.1) (NB.2) T­êng xi m¨ng ®Êt * 0 0 0 0 0 0 T­êng liªn tôc + Trô * 0 ∆ * 0 0 0 (NB.1) (NB.2) T­êng BTCT liªn tôc * 0 ∆ * 0 * * (NB.1) (NB.2) Chó thÝch : *: ThÝch hîp ; 0 : trung b×nh; x : kh«ng thÝch hîp; ∆: Ph¶i xem xÐt kü NB.1- H­ háng t­êng trong qu¸ tr×nh ®µo; NB.2- ChÊt l­îng bª t«ng khã kiÓm so¸t khi cã dßng n­íc ngÇm ch¶y víi tèc ®é qu¸ 3m/phót Kết cấu chống giữ hố đào có thể căn cứ vào các điều kiện như công trình xung quanh hố đào, chiều sâu đào, điều kiện địa chất công trình và địa chất thuỷ văn, thiết bị thi công và thời điểm thi công, dựa theo bảng 2.11 để lựa chọn dùng cọc cừ, tường trong đất, tường xi măng đất, tường neo, mái dốc hoặc kết hợp các phương pháp trên. Bảng 2.11 Một số điều kiện lựa chọn kết cấu chống giữ hố đào Cấu tạo kết cấu Điều kiện thích hợp Cọc hàng hoặc tường liên 1. Thích hợp với hố đào có mức an toàn cấp I, II, III tục 2. Trong khu vực đất yếu kết cấu con- xôn không vượt quá 5m 3. Khi mực nước ngầm cao hơn đáy hố móng nên dùng hạ mực nước ngầm, cọc hàng kết hợp vách ngăn nước hoặc tường liên tục. Tường xi măng đất 1. Thích hợp với hố đào mức an toàn cấp II, III 2. Sức chịu tải của đất nền trong phạm vi thi công cọc xi măng đất không nên vượt quá 150kPa 3. Chiều sâu của hố đào không nên vượt quá 6m Tường đinh đất 1. Thích hợp với hố đào có mức an toàn cấp II, III nhưng đất nền không yếu. 2. Chiều sâu của hố đào không nên vượt quá 12m 45
46. 3. Khi cao độ nước ngầm cao hơn cao độ đáy hố, nên dùng các phương pháp hạ mực nước ngầm hoặc chắn nước Tường vòm 1. Thích hợp với hố đào có mức an toàn cấp II, III 2. Không nên dùng cho đất bùn hoặc dạng bùn 3. Tỷ số giữa chiều cao và nhịp vòm không nên nhỏ hơn 1/8 3. Chiều sâu của hố đào không nên vượt quá 12m 4. Khi cao độ nước ngầm cao hơn cao độ đáy hố, nên dùng các phương pháp hạ mực nước ngầm hoặc chắn nước Mái dốc 1. Thích hợp với hố đào có mức an toàn cấp III 2. Hiện trường thi công nên đáp ứng các yêu cầu để tạo mái dốc 3. Có thể dùng độc lập hoặc kết hợp với các phương pháp trên 4. Khi cao độ nước ngầm cao hơn cao độ đáy hố, nên dùng các phương pháp hạ mực nước ngầm 2.2.3. Tính toán ổn định hố đào Trong thi công hố đào mở, người ta quan tâm đến hai trạng thái giới hạn: trạng thái phá huỷ do cắt của đất, trạng thái chuyển vị của đất. Trạng thái phá huỷ cần được kiểm tra trong quá trình thiết kế hố đào đó là: lật của cả hệ thống (overturn), trượt ngang (sliding), mất khả năng chịu tải của móng, tường bị phá hoại do mô men và lực cắt (bending or shear), mất ổn định của nền đất xung quanh kết cấu (shope failure, overall stability, basal stability). Sự mất ổn định của kết cấu có thể xảy ra trong thời gian ngắn hoặc thời gian dài. Chuyển vị của nền đất trong nền và xung quanh hố đào sinh ra do việc thay đổi ứng suất trong đất do việc đào đất gây ra. Bao gồm hai chuyển vị: ngang (cùng chuyển vị của tường), đứng (chuyển vị của đất xung quanh tường cừ, chuyển vị của đáy hố đào). Rất nhiều trường hợp hệ thống tường cừ tồn tại cùng sự giảm của ứng suất tổng, vì thế thường tường được tính toán với ứng suất có hiệu và các thông số sức bền của đất cùng với sự thoát nước hoàn toàn (c’, ϕ’). Tường chắn cũng không bảo đảm an toàn khi bị chuyển vị nhiều. Để khống chế chuyển vị người ta thường tính toán với hệ số an toàn cao (từ 1,5 đến 2,0). Trong thiết kế tường cừ bao gồm việc lựa chọn kiểu tường cừ độ sâu ngàm của tường cừ, kích thước của 46
47. tường cừ, xác định hệ thống chống, neo, dự báo biến dạng của tường, kiểm tra ổn định của hố đào. Trong đó các vấn đề cơ bản phải thực hiện tính toán là: - Áp lực đất, thanh chống, tải trọng neo, mô men uốn của tường. - Chuyển dịch của đất nền xung quanh hố đào. - Ổn định của hệ tường cừ, thành và đáy hố đào 2.2.3.1 Áp lực đất Thông thường có thể chia làm 3 loại: tải trọng thường xuyên, tải trọng thay đổi và tải trọng đặc biệt. Tải trọng tác động lên kết cấu chắn giữ, chủ yếu gồm có: 1. Áp lực đất và áp lực nước dưới đất 2. Tải trọng truyền từ móng qua môi trường đất của công trình xây dựng trong phạm vi vùng ảnh hưởng (ở gần hố móng); 3. Tải trọng thi công: ô tô, cần cẩu, vật liệu xếp trên hiện trường, lực neo giữ tường chắn v.v 4. Nếu vật chắn giữ là một bộ phận của kết cấu chính thì phải kể lực động đất; Tùy theo kết cấu chắn giữ hố móng khác nhau cũng như điều kiện đất nền mà các loại tải trọng sẽ xuất hiện ở các dạng khác nhau: tải trọng cục bộ ở gần hố đào, tải trọng phân bố đều trên một diện hữu hạn, tải trọng hình băng. a. Áp lực đất lên tường chắn 47
48. Hình 2.1. Tải trọng lên công trình ngầm: a) dài hạn b) ngắn hạn Khi tính toán lực tác dụng lên tường chắn người ta tạm chia ra loại tường làm việc trong thời gian ngắn, từ khi thi công xong công trình ngầm thì tháo dỡ hoặc không giữ vai trò gì đối với công trình vĩnh cửu và loại tường chắn phải làm việc lâu hơn do thời gian thi công kéo dài (thường được xem là trên 1 năm) hoặc nó sẽ là một bộ phận của công trình ngầm như tường ngầm của ga tàu điện ngầm, tường của colectơ, tường ngoài của tầng ngầm nhà cao tầng v.v (xem hình 3.1) Pradel (1914) đã phân làm 3 phương pháp xác định áp lực đất: - Các phương pháp dựa vào lý thuyết dẻo (Rankine 1857, Brinch – Hansen 1953, Sokolovski 1960, Chen 1975 ) - Các phương pháp dựa vào điều kiện cực hạn của cung trượt (Coulomb 1773, Fanba 1957, Bang 1985 ) - Các phương pháp dựa vào mô hình nền xây dựng trên cơ sở quan hệ ứng suất - biến dạng của nền đất, sau đó sử dụng kỹ thuật số như sai phân, phần tử hữu hạn để giải. 48
49. Nhìn chung các phương pháp sử dụng để xác định áp lực đất đều phụ thuộc nhiều yếu tố đó là: tính chất cơ lý của đất, thời gian thành tạo của đất, tải trọng tác dụng tương tác giữa tường cừ và đất (phần tử tiếp xúc) và tính chất biến dạng của đất - tường cừ. Việc xác định áp lực đất cần phải làm rõ khi nào thì áp lực đất đạt trạng thái chủ động (active). Theo Bjerrum 1972 đối với đất sét từ dẻo chảy đến dẻo mềm khi chuyển dịch của tường đạt 0,1% ÷ 2% độ sâu hố đào thì áp lực đất đạt trạng thái chủ động. Weissenbach 1985 nghiên cứu đất cát, khi tường có chuyển vị 0,1% độ sâu hố đào thì áp lực đất đạt trạng thái chủ động. Das 1987 chỉ ra khi chuyển vị của tường đạt 5% độ sâu hố đào thì áp lực đất đạt trạng thái bị động (passive). Tuỳ vào hình thức chống, neo giữ, sự phân bố áp lực đất có các hình thức khác nhau, điều này rất khó xác định trong quá trình tính toán. b. Phản lực của thanh chống Để xác định phản lực thanh chống cần đơn giản hoá sơ đồ phân phối áp lực đất xung quanh tường chắn, bố trí các vị trí của thanh chống. Có thể sử dụng các phương pháp đơn giản của Peck 1969, Terzaghi và Peck 1967, Mant 1978, Fang 1991 Để xác định mô men uốn của tường cừ và thiết kế tường cừ có thể căn cứ vào việc lấy tải trọng là giá trị lớn nhất do các thông số sức bền của đất tính ra. Cũng có thể xác định thông qua việc xác định độ ngàm của tường trong tính toán ổn định. Hiện tại việc thiết kế tường chắn đều theo trạng thái giới hạn. Theo tiêu chuẩn của Anh (BS 8002) thì tường ở trạng thái giới hạn sử dụng chỉ được chuyển vị nhỏ hơn 0,5% của độ cao tường, khi dùng ứng suất tổng thì hệ số huy động M không được nhỏ hơn 1,5, khi dùng ứng suất có hiệu thì hệ số M lấy bằng 1,2 và chuyển vị ngang của tường cho phép đến 0,5% độ cao tường. c. Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố áp lực lên tường chắn •. Độ cứng của tường • Ảnh hưởng của chuyển vị tường chắn đối với áp lực đất. Có thể xuất hiện mấy loại tình huống sau đây (hình 2.2): - Khi đỉnh tường cố định, đầu dưới tường dịch chuyển ra phía ngoài, áp lực đất có hình parabol (hình 2.2.a); - Khi hai đầu trên và dưới tường cố định nhưng phần giữa tường vồng ra phía ngoài, áp lực đất có hình yên ngựa (hình 2.2.b); 49
50. - Khi tường dịch chuyển song song ra phía ngoài, áp lực đất có hình parabol (hình 2.2.c); - Khi tường nghiêng ra phía ngoài, quay theo điểm giữa của đoạn dưới tường sẽ gây ra áp lực đất chủ động bình thường (hình 2.2.d); - Chỉ khi tường chắn hoàn toàn không dịch chuyển mới có thể sinh ra áp lực tĩnh (hình 2.2.e). d. Ảnh hưởng của kết cấu chắn giữ. Petros Pxanthakos (Mỹ) nêu ra 4 loại kết cấu chắn giữ có quan hệ với áp lực đất lên tường như: - Không có thanh chống, chân tường ngàm cố định; - Có một tầng thanh chống và chân tường ngàm cố định; - Có một tầng thanh chống, chân tường xem là tự do; - Có nhiều tầng thanh chống. e. Ảnh hưởng của quá trình thi công đào + chống/neo. Áp lực đất lên tường chắn của hố đào có quan hệ đến quá trình thi công đào, chống hoặc neo tường cùng với tính chất của đất và loại hình kết cấu chắn giữ. Khi tiếp tục tăng hoặc giảm lực ở thanh chống thì từ tầng thanh chống thứ 2 trở xuống sẽ phát sinh ra biến dạng tương ứng và sẽ dẫn đến sự thay đổi mới áp lực đất. f. Ảnh hưởng của thời gian. Khi cần nghiên cứu những ảnh hưởng nói trên trong tính toán thường phải thông qua mô hình tương ứng. Hiện nay có rất nhiều phương pháp tính khác nhau (nhờ các phần mềm chuyên dụng) cho phép người thiết kế giải quyết những vấn đề phức tạp gặp phải trong thực tế. Một trong các phần mềm tốt nhất về vấn đề tính toán hố đào là phần mềm PLAXIS 50
51. Hình 2.2. Ảnh hưởng của tường chắn với áp lực đất 2.2.3.2 Tường chắn 1. Tính toán tường chắn như một cấu kiện chịu áp lực đất Sự làm việc của tường chắn như một kết cấu chịu áp lực đất phụ thuộc không những bản thân kết cấu tường mà còn phụ thuộc vào phương pháp thi công hố đào, trình tự thực hiện thi công cũng như chất lượng công tác thi công. Tính toán kết cấutường chắn nhằm đảm bảo yêu cầu cường độ và ổn định bản thân tường dưới tác dụng của áp lực đất trước và sau tường. Sơ đồ làm việc của tường được lựa chọn chủ yếu căn cứ vào theo biện pháp và trình tự thi công. Các phương pháp tính sau đây có thể coi là tiêu biểu. a. Phương pháp cân bằng tĩnh. Phương pháp cân bằng tĩnh áp dụng cho phân tích tường chắn được coi là “ngàm” trong đất dựa vào các phương trình cân bằng tĩnh học áp lực đất hai phía và cân bằng mô men tĩnh đối với đáy tường để xác định chiều sâu tối thiếu đảm bảo ổn định tường. Hệ số áp lực chủ động và bị động, giá trị áp lực đất tương ứng xác định theo công thức Rankine (1857) có dạng: pa= K avσ − 2 cK a (2.1) Và pp= K pvσ + 2 cK p (2.2) Trong đó Ka= hệ số áp lực đất chủ động. ϕ K= tg 20(45 − ) (2.3) a 2 Trong đó Kp= hệ số áp lực đất bị động. ϕ K= tg 20(45 + ) (2.4) p 2 Sơ đồ chuyển vị và biểu đồ áp lực đất lên tường có dạng như trên hình 3.3. a và 3.3.b. Độ sâu ngàm cần thiết, t0, là nghiệm của phương trình bậc 4: ee− EE6 6EyeeE (−+ )42 42+pa11 −aa −β +− =apa11 a t0 8 t022(2 yeetpa1 10) (2.5) β βββ Trong đó: t0, y – xem hình 3.3; Ea = tổng áp lực đất chủ động xác định từ hiệu áp lực đất bị động và áp lực đất bị động và áp lực đất chủ động trên toàn bộ chiều sâu tường; 51
52. ϕϕ βγ=[tan(4520 +−nn ) tan(4520 − )] (2.6) n 22 γ n - Trọng lượng riêng của đất ở lớp thứ n. ϕn - Góc ma sát trong của đất ở lớp thứ n. Mô men uốn trong tường cũng xác định được theo phương pháp kết cấu thông thường. Hình 2.3. Sơ đồ chuyển vị và áp lực đất lên tường trong phân tích cân bằng tĩnh. a, b. theo sơ đồ của Rankine, c. theo đề nghị của Blum b. Phương pháp Blum. Blum đề nghị thay áp lực đất bị động ở phần chân tường phía ngoài bằng lực tập trung tác dụng ở chân tường như trên hình 3.3.c. Việc xác định độ sâu ngàm cần thiết trở nên đơn giản hơn nhờ bậc của phương trình xác định đã giảm xuống bậc 3 có dạng: 3 6Eaa 6( El− a ) tt00−= (2.7) γγ()()KKap−− KK pa Trong đó: l = khoảng cách từ mặt đất đến điểm có áp lực zero, K lh=(1 + a ) (2.8) KKPa− Ka a = Khoảng cách từ mặt đất đến điểm đặ của Ea , ah=(1 + ) KKPa− `c. Phương pháp đường đàn hồi. Phương pháp đường đàn hồi có thể áp dụng cho tường ngàm tự do lẫn tường có chắn cho phép xác định cả chiều sâu cắm tường vào đất dưới đáy hố đào lẫn mô men uốn lớn nhất trong tường. Thực chất của phương pháp đàn hồi và sử dụng đồ họa xác định gần đúng gần độ sâu ngàm cần thiết trên nguyên tắc đa giác lực tác dụng lên tường đóng kín. Việc thực hiện được tiến hành theo các bước sau: 52
53. - Chọn độ sâu ngàm bất kỳ (cho bước thử ban đầu), t0 - Tính áp lực đất lên hai phía tường chia tường theo chiều cao làm nhiều đoạn, thay áp lực đất trên từng đoạn bằng các lực tập trung tác dụng tại trọng tâm biểu đồ áp lực đất vẽ đa giác lực và đa giác dây tương ứng theo tỷ lệ xích chọn thích hợp. Đa giác lực sẽ khép kín thỏa mãn điều kiện cân bằng tĩnh học khi độ sâu ngàm t0 đã chọn đúng. Trường hợp đa giác lực chưa khép chứng tỏ độ sâu t0 chọn ban đầu chưa thích hợp, cần thay đổi và vẽ lại từ bước 2. - Xác định giá trị và điểm đặt của E’p trên đa giác lực đã khép kín cũng như độ sâu ngàm cần thiết xác định mô men uốn lớn nhất và vị trí của nó theo sơ đồ trên đa giác dây với tỷ lệ xích đã chọn. d. Phương pháp Sachipana. Sachipana phân tích tường có nhiều tầng chống thực hiện trong đất dính dựa vào các giả thiết sau: - Thân tường là một kết cấu đàn hồi dài vô hạn - Áp lực đất từ đáy hố đào trở lên phân bố theo luật tam giác, từ đáy hố trở xuống phân bố đều. - Áp lực đất bị động phía trước tường (dưới đáy hố đào) gồm hai vùng phân biệt: vùng cân bằng giới hạn (đã biến dạng dẻo) và vùng đàn hồi. - Vị trí chống không thay đổi, lực trong văng chống không thay đổi Việc tính toán dựa vào hai phương trình cân bằng tĩnh học (cân bằng lực theo phương ngang và cân bằng mô men lấy với chân tường) cho từng giai đoạn đào và đặt văng chống cho đến khi hoàn thành đào hố. e. Phương pháp biến dạng. Phương pháp này lần đầu tiên được áp dụng ở Nhật bản với các giả thiết cơ bản tương tự phương pháp Sachipana với một thay đổi về giả thiết áp lực đất phía bị động: giá trị áp lực đất phía bị động tỷ lệ thuận với dịch chuyển của tường. Giải phương trình đường trục võng đàn hồi của tường ứng với điều kiện biên xuất hiện tại từng giai đoạn thi công, nội lực thân tường và lực nén trong văng chống được xác định được dùng làm căn cứ thiết kế/kiểm tra kết cấu tường và văng chống. f. Phương pháp lý luận cùng biến dạng. Tường trong trạng thái ban đầu chịu áp lực tĩnh cân bằng từ hai phía. Trong quá trinh đào hố móng, tường bị dịch chuyển làm thay đổi áp lực đất từ hai phía dần đạt tới giá trị áp lực đất chủ động nhỏ nhất pa và áp lực đất bị động lớn nhất pp. Giá trị áp lực đất tại một vị trí bất kỳ thay đổi cùng sự biến dạng của tường được xác định theo công thức: 53
54. pp=0 + Kpδ , ap << pp (2.9) Trong đó, p0 = áp lực tĩnh lên tường, p0=K0γz; K0 = hệ số áp lực đất tĩnh. Đối với đất rời, K0 có thể xác định theo góc ma sát trong hữu hiệu theo công thức thực nghiệm của Jaky (1994): K0= 1-sinϕ’ (2.10) hoặc theo công thức của Alpan (1967) đối với đất quá cố kết: a K0,OC= K 0, NC .( OCR ) (2.11) trong đó, K0,NC = hệ số áp lực đất ở trạng thái cố kết bình thường; K0,NC = hệ số áp lực đất tĩnh của đất quá cố kết; OCR = hệ số quá cố kết của đất; P - áp lực đất thực tác dụng lên tường; K - hệ số nền theo phương ngang; δ - dịch chuyển ngang của tường. g. Nhận xét chung. Việc tính toán tường chắn như một cấu kiện độc lập chịu sự tác dụng của áp lực đất xuất hiện trong quá trình thi công hố đào mặc dù có nhiều nghiên cứu cải tiến nhưng rõ ràng không phù hợp với sự làm việc thực tế của công trình trong đó tường và đất xung quanh luôn luôn tồn tại sự tương tác, phụ thuộc lẫn nhau. Hệ quả của việc đơn giản hóa mô hình phân tích là sự an toàn của công trình trong quá trình thi công cũng như ảnh hưởng của việc thi công hố đào đến các công trình lân cận không thể kiểm soát được hoặc phải rất tốn kém. Các phương pháp tính thuộc loại này nói chung chỉ nên áp dụng cho những trường hợp hố đào sâu mà ở đó ít có nguy cơ xảy ra tai biến công trình hoặc việc phân tích phù hợp hơn trong đó có xét đến sự làm việc đồng thời của tường với đất nền không đem lại lợi ích đáng quan tâm. Trong những trường hợp khác, phân tích hố đào coi tường chắn như một cấu kiện độc lập chịu tác dụng của áp lực đất chỉ nên được sử dụng trong phân tích sơ bộ để tìm lời giải xấp xỉ ban đầu. 3.1.2.2. Tính toán tường chắn cùng làm việc đồng thời với đất a. Phương pháp dầm trên nền đàn hồi. Áp lực đất lên tường thực tế phụ thuộc vào mức độ dịch chuyển của tường. Khi đất chuyển từ trạng thái cân bằng đàn hồi (tường không chuyển vị) sang trạng thái chủ động, hướng ứng suất chính không thay đổi, giá trị của nó giảm xuống gây ra biến dạng ngang của đất nhỏ hơn nhiều so với khi chuyển sang trạng thái bị động (hướng ứng suất chính xoay 54
55. một góc 900 trong đó ứng suất theo phương ngang tăng lên nhiều). Chuyển vị của chân tường do đó chưa đạt đến trạng thái giới hạn bị động. Việc áp dụng lý thuyết cân bằng giới hạn một mặt không đảm bảo ổn định của tường (vì áp lực đất bị động ở chân tường chưa đạt tới giá trị tính toán), mặt khác kết cấu bản thân tường lại quá lãng phí (vì được tính với giá trị áp lực lớn). Để giải quyết mâu thuẫn này, mô hình dầm trên nền đàn hồi cục bộ được đề xuất áp dụng trong đó thay nền đất tiếp xúc hai bên tường bằng các lò xo đàn hồi độc lập thoe mô hình Winkler (1867). Tư tưởng của phân tích dầm trên nền đàn hồi chủ yếu như sau: Nền đất được mô phỏng bằng hệ lò xo có độ cứng ks= p/δ trong đó p - tải trọng gây ra chuyển vị δ; ks - độ cứng của lò xo thay thế nền đất còn được gọi là mô đun phản lực nền. Đối với một đoạn tường có bề rộng đơn vị (thường là 1m) và chiều dài di được thay thế bắng lò xo đàn hồi độ cứng Ksi xác định theo công thức: dE dE = = i 0 = = i 0 Ks, i kd si i 2 Ks, i kd si i 2 (2.12) (1−υω0 ) (1−υω0 ) Trong đó, ksi = mô đun phản lực nền tại độ sâu đang xét; E0 = mô đun biến dạng của đất; v0 = hệ số biến dạng ngang của đất; ω = hệ số phụ thuộc tỉ lệ giữa chiều dài di với bề rộng tường. 55
56. Hình 2.4. Sơ đồ dầm đàn hồi phân tích tường chắn Sơ đồ thay thế áp lực đất từ hai phía và văng chống bằng các lò xo có độ cứng tương ứng và dầm thay thế tường chắn được thể hiện trên hình 2.4. Trước khi đào, áp lực hai phía cân bằng ở trạng thái tĩnh. Giả sử việc đào đảm bảo được tường hoàn toàn không chuyển dịch, áp lực tĩnh lên tường có dạng như hình 2.4.c chứng tỏ sự mất cân bằng. Sự mất cân bằng áp lực như vậy suất hiện khi đào làm cho tường bị biến dạng và làm thay đổi áp lực đất lên tường dần đến trạng thái cân bằng mới như trên hình 2.4.c. b. Phương pháp số gia. Phương pháp số gia được dùng để phân tích đơn giản tường trong điều kiện thi công có nhiều tầng hoặc nhiều tầng neo có xét đến sự làm việc đồng thời giữa tường, thanh chống/ neo và đất. Trong phương pháp này phần đất chưa đào và hệ văng chống được thay thế bằng các lo xo tương ứng có độ cứng đàn hồi K phụ thuộc độ cứng của đất, của hệ văng chống. Khi việc đào đất được gia tăng theo độ sâu trong quá trình thi công, các lò xo thay thế đất dần bị mất đi, nội lực tương ứng chuyển dần sang hệ văng chống và các lò xo đất còn lại sẽ làm thay đổi chuyển vị của tường cũng như của đất cho đến khi quá trình thi công kết thúc. c. Phương pháp phần tử hữu hạn coi tường như hệ thanh chống. Trong phương pháp này kết cấu chắn (tường, hệ văng/neo) được chia thành các phần tử 56
57. thanh dầm. Áp lực đất phía chủ động đóng vai trò tải trọng lên hệ với giá trị áp lực đất chủ động phân bố tam giác cho phần trên đáy hố đào và phân bố đều cho phần dưới; đất phía bị động thay thế bằng các gối tựa đàn hồi có độ cứng K xác định theo (3.12). Ma trận độ cứng của phần tử thanh dầm xác định theo công thức: (2.13) Trong đó, [K]c - ma trận độ cứng của phần tử; A - diện tích tiết diện ngang tường với bề rộng đơn vị; I - mô men quán tính tương ứng; l - độ dài phần tử (di); E - mô đun đàn hồi của vật liệu tường. Ma trận độ cứng của hệ văng chống hoặc neo có dạng như sau khi coi phân tử chỉ có một bậc tự do: (2.14) Trong đó, E - mô đun đàn hồi của vật liệu chống hoặc neo; A - diện tích tiết diện phần tử; 1- chiều dài phần tử. 57
58. Hình 2.5 : Sơ đồ phân tích tử dầm: nội lực và chuyển vị nút d. Phương pháp phần tử hữu hạn tổng thể hai chiều. Chia vùng ảnh hưởng của việc đào hố bằng các lưới (tam giác hoặc hình chữ nhật) để tạo thành các phần tử. Mỗi phân tử xác định bởi tọa độ các đỉnh gọi là các nút. Chuyển vị của các nut trên phần tử, {q} liên hệ với chuyển vị tại một điểm bất kỳ bên trong phẩn tử bởi phương trình: {u} = [f] {q} (2.15) Trong đó. {u} - vector chuyển vị tại một điểm bất kỳ trong vùng phân tích; [f] - hàm hình dạng chuyển vị; {q} - ma trận chuyển vị nút. Ma trận biến dạng tại một điểm xác định theo biểu thức: {ε }=[d]{u }=[d][f]{ qq }=[B]{ } (2.16) Trong đó, [d] - toán tử vi phân tuyến tính riêng phần; [B] - ma trận liên hệ giữa biến dạng với chuyển vị nút. Theo nguyên lý công khả dĩ, ma trận độ cứng của phần tử xác định theo công thức: T [Ke ]=∫ [B] [D][B]dV (2.17) v Trong đó [D] - ma trận quan hệ ứng suất – biến dạng của phần tử (đất nền, tường chắn, văng chống ) xây dựng theo mô hình nền lựa chọn. Tổ hợp các ma trận độ cứng của các phần tử trong hệ tọa độ tổng thể ta thiết lập được ma trận độ cứng [K] của hệ do đó ma trận chuyển vị nút {q} là nghiệm của phương trình: [K] {q}= {P} (2.18) Trong đó. {P} - ma trận các tải trọng ngoài xuất hiện do đào hố hoặc tải trọng nút tương đương. 58
59. {σ} = [D] {ε} (2.19) e. Nhận xét chung 1. Các phương pháp phân tích tường chắn như dầm trên nền đàn hồi cục bộ dựa vào lời giải phương trình vi phân trục dầm thuận lợi cho trường hợp nền đồng nhất hoặc có mô đun phản lực nền thay đổi tuyến tính, không có hệ thống chống ngang. Lời giải có sẵn của bài toán cọc chịu tải trọng ngang có thể áp dụng trực tiếp hoặc có số hóa. Trường hợp nền nhiều lớp, nhiều hệ văng chống ngang, bài toán trở nên phức tạp hơn và chỉ có thể có được lời giải theo phương pháp số, trình tự thực hiện và nội dung tương tự phương pháp lý luận cùng biến dạng với khả năng mở rộng linh hoạt hơn nhờ quan hệ ứng suất – biến dạng không bị ràng buộc. Trong số đó phương pháp số gia dựa vào quan hệ ứng suất – biến dạng của nền theo mô hình đàn hồi tuyến tính thường kém chính xác, đặc biệt là khi mô tả chuyển vị ngang của đất. 2. Phương pháp PTHH coi tường như hệ thanh trên nền đàn hồi về căn bản tương tự như phương pháp dầm trên nền đàn hồi trong đó tường được phân thành các phân tử có cùng độ cứng, có nút được lựa chọn sao cho chỉ tồn tại sự thay đổi tải trọng, chuyển vị chỉ xảy ra tại nút do đó phần tử trở nên thuần nhất hơn. Việc xuất hiện hệ thống văng chống ngang, neo cũng như trình tự và biện pháp thi công có thể được xử lý một cách thuận lợi trong quá trình phân tích. 3. Tất cả các phương pháp phân tích nêu trên mặc dù đã ngày càng trở nên “tiến bộ”, các yếu tố ảnh hưởng đến kết cấu tường chắn được xem xét nhưng vẫn tồn tại nhược điểm chủ yếu là tách rời hoặc “liên kết” lỏng lẻo giữa tường và môi trường đất xung quanh. Sự khiếm khuyết này làm hạn chế khả năng phân tích, không cho phép mô tả đồng thời hiệu ứng quan trọng của quá trình là sự ổn định chung của hệ thống, ổn định đáy hố đào cũng như chuyển dịch của đất xung quanh hố. Các khiếm khuyết này có thể được khắc phục bằng phương pháp PTHH đầy đủ mô tả toàn bộ hệ tường – đất nền bằng các phân tử có liên hệ trực tiếp với nhau trong đó nền đất được mô tả thông qua các mô hình toán học thích hợp với từng điều kiện địa chất công trình cụ thể. 3.1.3. Chuyển vị của đất xung quanh hố đào 59
60. Chuyển vị của nền đất trong nền và xung quanh hố đào sinh ra do việc thay đổi ứng suất trong đất do việc đào đất gây ra. Chuyển vị nền bao gồm hai chuyển vị: ngang (cùng chuyển vị của tường), đứng (chuyển vị của đất xung quanh tường cừ, chuyển vị của đáy hố đào). a. Chuyển vị ngang Chuyển vị ngang phụ thuộc vào chuyển vị của tường (kiểu chuyển vị của tường phụ thuộc vào hệ thống thanh chống, tính chất của nền và thực tế xây dựng). Độ cứng của hệ thanh chống phụ thuộc vào sức chống ngang của thanh chống hoặc neo, sức chống uốn của tường cừ, hệ chống đứng của hệ tường và neo. Mỗi một hệ thống chống tổ hợp của nhiều thành phần sẽ giải quyết định kiểu biến dạng và chuyển vị của tường cừ. Theo Burland và Hancook 1977 thì 75% ÷ 85%, tổng biến dạng ngang đạt được trong quá trình sử dụng hệ thống thanh chống khi dùng giải pháp tường trong đất. Theo Day (1994) 50% tổng biến dạng ngang đạt được trong quá trình dùng cọc cừ, ván cừ và neo. Chuyển vị ngang sau khi lắp dựng hệ thống chống thì phụ thuộc vào độ cứng của toàn hệ và tải trọng tác dụng vào nền. Trong quá trình lắp dựng hệ thống chống theo từng giai đoạn đào thì chuyển vị của hệ thống phụ thuộc vào độ cứng của nền. Theo Clough và O’ Rourke 1990, độ chuyển vị ngang lớn nhất của tường trong đất sét cứng, cát có thể đạt 0,2% đến 0,5% độ sâu hố đào. b. Lún của nền đất xung quanh tường cừ Xác định độ lún của nền đất xung quanh tường cừ rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến sự an toàn các công trình lân cận. Độ lún của nền thường phát sinh trong quá trình thi công. - Độ lún của nền gây ra do chuyển vị ngang của tường trong quá trình đào. Trong quá trình đào đất do việc tăng áp lực ngang của đất gây ra chuyển vị của tường từ đó gây ra độ lún của nền xung quanh. Độ lớn của độ lún phụ thuộc vào độ cứng và kiểu thanh chống, vị trí trí thanh chống và độ cứng của tường. Clough và O’Rourke 1990 xác định độ chuyển vị ngang của tường gần bằng 0,2% độ sâu đào thì độ lún của nền là 0,15% độ sâu đào. Trong trường hợp tường trong đất hay tường bằng cọc nhồi thì độ lún lớn nhất bằng 75% độ chuyển dịch ngang của tường. Duncan và Bentle 1998 chứng minh rằng tỷ lệ 60
61. giữa độ lún lớn nhất và chuyển vị ngang lớn nhất dao động từ 0.25 - 4 phụ thuộc vào cấu tạo và quá trình xây dựng tường cừ và đào. - Độ lún gây ra trong quá trình thi công tường: Độ lún có thể xuất hiện do quá trình đóng cọc cừ, ép cọc cừ, rung – ép cọc cừ và quá trình khoan tường trong đất. Fujta 1994 cho rằng 50% tổng độ lún gây ra trong quá trình đóng và nhổ cọc cừ Larsen. Trong quá trình thi công tường trong đất, cọc nhồi, độ lún có thể gây ra do quá trình khoan, sự chống đỡ không tốt của bentonite gây ra sập thành hố khoan làm giảm ứng suất ngang của đất (Gumn và Clayton 1992) . Trong quá trình dao động, múc đất cùng gây ra lún nền. Burland và Hancook 1977 cho rằng chuyển vị ngang và đứng trong quá trình thi công tường trong đất, khoan cọc nhồi chiếm xấp xỉ 50% tổng chuyển vị trong đất sét London. Lehar 1993 thấy rằng 60% tổng độ lún gây ra trong quá trình thi công tường trong đất ở đất sét yếu. Clough và O’Rourke 1990 thấy rằng trong quá trình thi công tường trong đất gây ra độ lún từ 5 – 15mm. Wong 1998 thấy rằng độ lún 23.5mm và chuyển vị ngang 45mm của nền gây ra trong quá trình thi công một giếng sâu 55.5m trong đất yếu. - Độ lún gây ra trong quá trình thi công neo. Trong quá trình thi công neo cũng gây ra độ lún. Độ lún này phụ thuộc vào phương pháp khoan, vật liệu chống đỡ tạm thời, cấu tạo neo. Theo Kemplert và Gebreselassie (1999) thì 70% tổng độ lún sinh ra trong quá trình xây dựng neo trong đất sét yếu. - Độ lún gây ra do hạ mực nước ngầm: Schweiger và Bremann (1994) thấy rằng 75% độ lún của nền xảy ra do hạ mực nước ngầm trong quá trình thi công công trình, dùng tường trong đất ở đất sét yếu. Như vậy độ lún của nền xung quanh hố đào gây ra bởi nhiều nguyên nhân. Dự báo độ lún này cần sử dụng phương pháp số cùng mô hình nền (FEM). Tuy nhiên việc xác định sự ảnh hưởng do dao động, do hệ thống chống không phù hợp, các tải trọng do giao thông v.v cạnh hố đào rất khó xác định. Cũng có thể sử dụng các phương pháp thực nghiệm để xác định độ lún (Peck 1969). Có một số tác giả thấy rằng độ lún lớn nhất nhỏ hơn 1% độ sâu hố đào đối với cát, sét mềm đến cứng, lớn hơn 2% độ sâu hố đào đối với sét dẻo chảy đến dẻo mềm. Clough và O’Rourke 1990 chứng minh tỷ lệ độ lún và độ sâu hố đào là 0.15% - 0,2% với đất sét mềm đến nửa cứng, trong khi đó Dusan và Bentler 1998 thấy rằng tỷ lệ này dao động 0.4% - 1.3%. 61
62. Dự báo độ lún đất nền sau tường là rất quan trọng vì nó có ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn của công trình lân cận. Độ lún đất nền sau tường được tạo ra do: tường bị chuyển vị trong quá trình đào, thi công lắp đặt tường chắn, lắp đặt neo tường và hạ mực nước dưới đất. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Plaxis, đầu vào là những thông số đất nền và mô hình hoá chi tiết kỹ thuật thi công cùng sự phù hợp có thể dự báo hợp lý chuyển vị đất nền. Có thể tham khảo kết quả phân tích số liệu chuyển vị ngang của tường chắn và lún bề mặt đất do thi công hố đào sâu trong đất yếu (Cu ≤ 75 – 100 kN/m2) cho 530 trường hợp sử dụng trên thế giới theo phương pháp kinh nghiệm được tổng kết như sau: max + Chuyển vị ngang lớn nhất của tường uh thường nằm trong khoảng 0,5% H – 1,0 % H (H là chiều sâu đào), trung bình là 0,87H . Chuyển vị ngang lớn nhất của tường thường được đo ở độ sâu z = 0,5 H – 1,0 H dưới mặt đất. max + Độ lún lớn nhất ở mặt đất sau tường chắn uv thường nằm trong khoảng 0,1 % H – 10 % H, trung bình là 1,1 % H. Độ lún lớn nhất thường xảy ra ở khoảng cách x ≤ 0,5 H sau tường chắn, nhưng có trường hợp trong đất yếu max max khoảng cách x đến 2,0 H. Tỷ số uv / uh thay đổi trong khoảng 0,5 – 1,0. + Điều kiện đất nền và độ sâu đào là những thông số ảnh hưởng quan trọng nhất. + Chưa chứng minh được ảnh hưởng của các kiểu hệ chống đỡ (neo, vỉ chống, phương pháp top- down) đến chuyển vị của đất nền, tuy nhiên như trông đợi, hệ top – dow có xu thế cho thấy chuyển vị nhỏ nhất. + Tường chắn và chuyển vị đất nền dường như không phụ thuộc nhiều vào độ cứng của tường, từ đó cho thấy nếu tường đủ cứng, chuyển dịch của đất nền bị chi phối bởi các yếu tố liên quan khác và nếu gia tăng thêm độ cứng của tường, kết quả là không phải làm giảm thêm chuyển dịch của tường. c) Đẩy trồi đáy hố đào: Sự đẩy trồi đáy các hố đào là hiện tượng đáy hố đào bị nâng lên cao hơn cao độ đã đào sau khi hố đào đã hoàn tất đạt đến độ sâu thiết kế. Đây là hiện tượng luôn xảy ra khi thi công đào các hố đào, đặc biệt là các hố đào sâu và trực tiếp làm tăng độ lún của công trình xây dựng. Theo kết quả quan trắc tại một số công trình, đáy hố đào có thể trồi lên đến hàng chục cm. Ví dụ kết quả quan trắc thực hiện tại thủ đô Mexico, trong đó độ trồi đàn hồi δ E của một hố đào sâu 4,75 m đạt tới 20 cm. Biến dạng của đáy hố đào có thể phát sinh do nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó các nguyên nhân chủ yếu là sự 62