Chương 3 – KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT

3.1 GIỚI THIỆU

Để lập kế hoạch, thiết kế và xây dựng thành công một dự án hầm đường bộ, cần sử dụng nhiều loại kỹ thuật khảo sát khác nhau nhằm thu thập một phổ rộng các thông tin và dữ liệu liên quan về địa hình, địa chất, điều kiện dưới mặt đất, địa thủy văn và kết cấu. Mặc dù hầu hết các kỹ thuật và quy trình tương tự như các kỹ thuật áp dụng cho dự án đường bộ và cầu, phạm vi, mục tiêu và trọng tâm cụ thể của công tác khảo sát đối với các dự án hầm và công trình ngầm lại khác đáng kể, và có thể thay đổi lớn theo điều kiện dưới mặt đất và phương pháp đào hầm.

Một chương trình khảo sát địa kỹ thuật cho dự án hầm phải sử dụng các phương tiện và phương pháp phù hợp để thu được các đặc trưng và tính chất cần thiết làm cơ sở cho lập kế hoạch, thiết kế và thi công hầm cũng như các công trình ngầm liên quan; để xác định các rủi ro thi công tiềm ẩn; và để thiết lập ước tính chi phí và tiến độ thực tế. Phạm vi khảo sát phải phù hợp với phạm vi dự án, tức là vị trí, quy mô và ngân sách; mục tiêu dự án, tức là mức chấp nhận rủi ro, hiệu năng dài hạn; và các ràng buộc của dự án, tức là hình học, khả năng thi công, tác động đến bên thứ ba, mỹ quan và tác động môi trường. Điều quan trọng là các bên liên quan phải có hiểu biết chung về cơ sở địa kỹ thuật cho thiết kế, và nhận thức được rủi ro không thể tránh khỏi khi không thể xác định hoàn toàn điều kiện dưới mặt đất hiện hữu hoặc dự đoán đầy đủ ứng xử của nền trong quá trình thi công.

Nhìn chung, một chương trình khảo sát phục vụ lập kế hoạch và thiết kế dự án hầm đường bộ có thể bao gồm các thành phần sau:

• Thu thập và nghiên cứu thông tin hiện có
• Khảo sát và khảo sát thực địa sơ bộ
• Lập bản đồ địa chất
• Khảo sát dưới mặt đất
• Nghiên cứu môi trường
• Địa chấn
• Quản lý dữ liệu không gian địa lý

Việc thảo luận chi tiết từng thành phần nêu trên nằm ngoài phạm vi của sổ tay này. Người đọc được khuyến khích tham khảo các tài liệu FHWA và AASHTO được cung cấp trong Chương này để biết thêm chi tiết. Các công tác khảo sát và quan trắc tương tự thường cũng cần thiết trong và sau quá trình thi công nhằm bảo đảm rằng các vấn đề phát sinh trong quá trình thi công được khắc phục hoặc bù đắp, và các tác động ngắn hạn được phục hồi. Các khảo sát địa kỹ thuật sau thi công không được thảo luận cụ thể trong Chương này.

3.1.1 Phân kỳ công tác khảo sát địa kỹ thuật

Do chi phí cao của một chương trình khảo sát địa kỹ thuật hoàn chỉnh cho các dự án hầm đường bộ, thường chiếm khoảng 3% đến 5% chi phí xây dựng, việc thực hiện khảo sát địa kỹ thuật theo từng giai đoạn sẽ hiệu quả hơn nhằm tập trung nỗ lực vào những khu vực và độ sâu thực sự quan trọng. Đặc biệt đối với các dự án hầm đường bộ đi qua địa hình miền núi hoặc bên dưới vùng nước (Hình 3-1), chi phí cao, thời gian kéo dài, khả năng tiếp cận hạn chế và phạm vi khảo sát hiện trường bị giới hạn có thể đòi hỏi công tác khảo sát phải được thực hiện theo nhiều giai đoạn để thu thập thông tin cần thiết tại mỗi giai đoạn của dự án một cách tiết kiệm chi phí hơn.

Hơn nữa, không hiếm trường hợp một dự án hầm đường bộ mất vài thập kỷ để được hình thành ý tưởng, phát triển, thiết kế và cuối cùng là xây dựng. Như đã thảo luận trong Chương 1, các giai đoạn điển hình của một dự án hầm đường bộ từ khi hình thành ý tưởng đến khi hoàn thành gồm:

• Lập kế hoạch (Planning)
• Nghiên cứu khả thi (Feasibility Study)
• Nghiên cứu hành lang tuyến và các phương án hướng tuyến (Corridor and Alignment Alternative Study)
• Nghiên cứu tác động môi trường (EIS) và thiết kế ý tưởng (Conceptual Design)
• Thiết kế sơ bộ (Preliminary Design)
• Thiết kế cuối cùng (Final Design)
• Thi công (Construction)

Trong suốt quá trình phát triển dự án, hướng tuyến và trắc dọc cuối cùng thường có thể sai lệch so với dự kiến ban đầu. Việc phân kỳ khảo sát địa kỹ thuật cung cấp một cách tiếp cận kinh tế và hợp lý để điều chỉnh theo các thay đổi dự kiến này của dự án.

Các khảo sát ban đầu phục vụ lập kế hoạch và nghiên cứu khả thi có thể chỉ giới hạn ở việc nghiên cứu thông tin hiện có và khảo sát sơ bộ. Lập bản đồ địa chất và khảo sát dưới mặt đất ở mức tối thiểu thường được yêu cầu cho EIS, nghiên cứu phương án và thiết kế ý tưởng. Các nghiên cứu EIS cũng có thể bao gồm khảo sát địa hình và môi trường hạn chế nhằm xác định các “lỗi nghiêm trọng” tiềm ẩn có thể khiến dự án bị dừng lại ở giai đoạn sau.

Một phần đáng kể của nỗ lực khảo sát địa kỹ thuật nên được thực hiện trong Giai đoạn Thiết kế sơ bộ để tinh chỉnh hướng tuyến và trắc dọc hầm sau khi hành lang chung đã được chọn, đồng thời cung cấp thông tin chi tiết cần thiết cho thiết kế. Khi thiết kế cuối cùng tiến triển, có thể cần thêm các lỗ khoan để bao phủ đầy đủ hơn hướng tuyến cuối cùng và các vị trí giếng đứng, cửa hầm đã chọn.

Cuối cùng, tùy thuộc vào phương pháp thi công hầm được lựa chọn, có thể cần thêm các khảo sát bổ sung để xác nhận các giả định thiết kế, hoặc cung cấp thông tin cho thiết kế của nhà thầu đối với các công trình tạm. Hình 3-2 minh họa quy trình các giai đoạn khảo sát.

Chương này thảo luận các kỹ thuật khảo sát dưới mặt đất thường được sử dụng cho việc lập kế hoạch, thiết kế và thi công hầm đường bộ. Thông tin bổ sung về chủ đề này có trong Geotechnical Engineering Circular No. 5 của FHWA (FHWA, 2002a), FHWA Reference Manual for Subsurface Investigations – Geotechnical Site Characterization (FHWA, 2002b), FHWA Reference Manual for Rock Slopes (FHWA, 1999), và AASHTO Manual on Subsurface Investigations (AASHTO, 1988).

3.2 NGHIÊN CỨU THÔNG TIN

3.2.1 Thu thập và rà soát thông tin hiện có

Giai đoạn đầu tiên của một chương trình khảo sát cho dự án hầm đường bộ bắt đầu bằng việc thu thập và rà soát thông tin hiện có, nhằm phát triển hiểu biết tổng thể về điều kiện và các ràng buộc của khu vực dự án với chi phí thấp. Dữ liệu hiện có có thể giúp xác định các điều kiện và đặc điểm hiện hữu có thể ảnh hưởng đến thiết kế và thi công hầm đề xuất, đồng thời có thể hướng dẫn việc lập kế hoạch về phạm vi và mức độ chi tiết của chương trình khảo sát dưới mặt đất để giải quyết các vấn đề này.

Các thông tin đã công bố về địa hình, thủy văn, địa chất, địa kỹ thuật, môi trường, quy hoạch phân vùng và các thông tin khác cần được thu thập, tổ chức và đánh giá. Ở những khu vực mà điều kiện địa chấn có thể chi phối hoặc ảnh hưởng đến dự án, các hồ sơ địa chấn lịch sử được sử dụng để đánh giá nguy cơ động đất. Hồ sơ về các vụ sạt lở đất do động đất gây ra, được USGS và một số Sở Giao thông Tiểu bang ghi nhận, có thể hữu ích để tránh bố trí cửa hầm và giếng đứng tại các khu vực có khả năng mất ổn định này.

Ngoài ra, các hồ sơ trường hợp về công trình ngầm trong khu vực đôi khi có thể có từ các hầm đường bộ, hầm đường sắt và hầm dẫn nước hiện hữu. Các nguồn thông tin địa phương khác có thể bao gồm các mỏ đá, mỏ khai thác hoặc giếng nước gần đó. Các ấn phẩm của trường đại học cũng có thể cung cấp thông tin hữu ích.

Bảng 3-1 trình bày danh sách tóm tắt các nguồn thông tin tiềm năng và loại thông tin thường có.

Ngày nay, dữ liệu hiện có thường có sẵn dưới dạng điện tử, giúp việc truy cập và quản lý chúng trở nên dễ dàng hơn. Phần lớn thông tin hiện có như ảnh hàng không, bản đồ địa hình, v.v. có thể được thu thập ở định dạng GIS với chi phí thấp hoặc không mất chi phí. Một số cơ quan tiểu bang đang phát triển các hệ thống quản lý địa kỹ thuật (GMS) để lưu trữ dữ liệu khoan, lấy mẫu và thí nghiệm trong quá khứ cho các vị trí trong phạm vi tiểu bang của họ. Một hệ thống quản lý dữ liệu tham chiếu địa lý tích hợp, tức là dữ liệu không gian địa lý, sẽ sớm trở nên thiết yếu từ khi bắt đầu dự án đến khi thi công, nhằm lưu trữ và quản lý khối lượng dữ liệu lớn này thay cho hồ sơ giấy. Một hệ thống quản lý dữ liệu điện tử như vậy, sau khi dự án hoàn thành, sẽ tiếp tục có lợi cho mục đích vận hành và bảo trì. Quản lý dữ liệu không gian địa lý được thảo luận trong Mục 3.9.

3.2.2 Dữ liệu địa hình

Bản đồ địa hình và ảnh hàng không, hiện nay có thể thu thập dễ dàng và tiết kiệm, rất hữu ích trong việc thể hiện địa hình và các đặc điểm địa chất, tức là đứt gãy, kênh thoát nước, hố sụt, v.v. Khi chồng lên các bản đồ địa chất đã công bố, chúng thường có thể cho thấy các cấu trúc địa chất thông qua diễn giải. Ảnh hàng không chụp vào các thời điểm khác nhau có thể cho thấy lịch sử khu vực dự án về công tác đất, xói mòn và xói cục bộ, công trình đã xây dựng trước đây, v.v.

Bản đồ địa hình của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), tỷ lệ 1:24.000, với đường đồng mức cách nhau 10 ft hoặc 20 ft, có thể được sử dụng để lựa chọn sơ bộ tuyến. Tuy nhiên, khi hành lang dự án đã được xác định, cần thu thập ảnh hàng không mới và lập bản đồ đo ảnh để hỗ trợ thiết kế cửa hầm và giếng đứng, tiếp cận công trường, quyền sử dụng đất, thoát nước, chiều dày lớp phủ, diễn giải địa chất và các nghiên cứu khác.

3.3 KHẢO SÁT THỰC ĐỊA SƠ BỘ

3.3.1 Khảo sát thực địa sơ bộ

Như đã thảo luận trước đó, các bản đồ đường đồng mức có độ phân giải thấp hiện có do USGS công bố hoặc được lập từ đo ảnh chỉ đủ cho mục đích lập kế hoạch. Tuy nhiên, cần thực hiện khảo sát ban đầu cho giai đoạn phát triển ý tưởng và thiết kế sơ bộ để mở rộng dữ liệu địa hình hiện có, đồng thời bao gồm dữ liệu từ các khảo sát hiện trường và khảo sát thực địa sơ bộ ban đầu.

Các nghiên cứu tại hiện trường ban đầu nên bắt đầu bằng việc khảo sát thực địa cẩn thận dọc theo hướng tuyến hầm, đặc biệt chú ý đến các vị trí cửa hầm và giếng đứng tiềm năng. Các đặc điểm được xác định trên bản đồ và ảnh hàng không cần được kiểm chứng. Các lộ đá, thường lộ ra tại các đoạn đào đường bộ và đường sắt, cung cấp nguồn thông tin về nứt nẻ và thế nằm của khối đá, cũng như vị trí ranh giới loại đá, đứt gãy, mạch đá và các đặc điểm địa chất khác. Các đặc điểm được xác định trong quá trình khảo sát thực địa sơ bộ cần được chụp ảnh, ghi chép và nếu khả thi thì định vị bằng thiết bị GPS cầm tay.

Bảng 3-1 Nguồn dữ liệu thông tin (theo FHWA, 2002a)

Nguồn	Công dụng chức năng	Nơi tìm	Ví dụ
Ảnh hàng không	* Xác định các công trình nhân tạo * Cung cấp thông tin địa chất và thủy văn có thể dùng làm cơ sở cho đi thực địa * Theo dõi các thay đổi của khu vực theo thời gian	Cơ quan Bảo tồn Đất địa phương, Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), thư viện địa phương, và các công ty khảo sát ảnh hàng không quốc gia	Đánh giá một chuỗi ảnh hàng không có thể cho thấy một khu vực trong phạm vi công trường đã được đắp lấp trong giai đoạn được xem xét
Bản đồ địa hình	* Cung cấp bản đồ chỉ mục tốt của khu vực * Cho phép ước tính địa hình khu vực * Xác định các đặc điểm và công trình vật lý * Có thể dùng để đánh giá các hạn chế tiếp cận * Bản đồ của nhiều thời điểm khác nhau cho biết sự thay đổi trong sử dụng đất	USGS và Cơ quan Khảo sát Địa chất bang	Kỹ sư xác định các khu vực/vướng mắc tiếp cận, xác định các khu vực có khả năng mất ổn định mái dốc, và có thể ước tính khả năng đào/đắp trước khi đến khảo sát hiện trường
Bản đồ và báo cáo địa chất	* Cung cấp thông tin về loại và đặc tính đất/đá tại địa phương; các vấn đề địa chất thủy văn; các vấn đề môi trường	USGS và Cơ quan Khảo sát Địa chất bang	Một báo cáo địa chất khu vực từ 20 năm trước xác định loại đá, khe nứt và phương vị, cùng các dạng dòng chảy nước ngầm
Báo cáo khảo sát dưới mặt đất trước đây	Cung cấp thông tin về loại đất/đá tại địa phương; các tham số cường độ; các vấn đề địa chất thủy văn; các loại móng đã được sử dụng trước đây; các vấn đề môi trường	Sở GTVT các bang, USGS, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA)	Một báo cáo 5 năm tuổi cho dự án mở rộng đường bộ gần đó cung cấp thông tin địa chất, địa chất thủy văn và địa kỹ thuật cho khu vực, qua đó giảm phạm vi khảo sát cần thực hiện
Hồ sơ thi công công trình ngầm và móng trước đây	* Cung cấp thông tin về loại đất/đá tại địa phương; các tham số cường độ; các vấn đề địa chất thủy văn; các vấn đề môi trường; phương pháp thi công hầm và các vấn đề đã gặp	Sở GTVT các bang, US EPA, các đơn vị quản lý công trình tiện ích, đường sắt	Hồ sơ thi công của một hầm đường sắt gần đó đã cảnh báo người thiết kế về hiện tượng đá bị ép trồi tại vùng đới cắt
Nhật ký giếng nước	* Cung cấp địa tầng của khu vực công trường và/hoặc khu vực lân cận * Lưu lượng và tính thấm * Mực nước ngầm	Cơ quan Khảo sát Địa chất bang; chính quyền địa phương; các ủy ban nước	Nhật ký khoan của một giếng cấp nước cách tuyến hầm đề xuất hai dặm cho thấy địa tầng, hỗ trợ diễn giải địa chất khu vực
Bản đồ bảo hiểm lũ	* Xác định các vùng ngập lũ chu kỳ 100 đến 500 năm gần các thủy thể * Có thể ngăn cản việc xây dựng trong vùng ngập lũ * Cung cấp thông tin để đánh giá tiềm năng xói	Cơ quan Quản lý Khẩn cấp Liên bang (FEMA), USGS, các cơ quan bang/địa phương	Trước khi khảo sát, bản đồ lũ cho thấy công trường nằm trong vùng ngập lũ 100 năm và vị trí công trình đề xuất được chuyển sang vị trí mới
Bản đồ bảo hiểm cháy Sanborn	* Hữu ích trong khu vực đô thị * Đối với nhiều thành phố, cung cấp hồ sơ liên tục trong hơn 100 năm * Xác định vị trí và loại hình công trình xây dựng * Xác định loại hình kinh doanh tại một địa điểm (ví dụ: nhà máy hóa chất) * Có thể chỉ ra các vấn đề môi trường tiềm tàng tại khu vực đô thị	Thư viện bang/Công ty Sanborn (www.Sanborncompany.com)	Bản đồ Sanborn năm 1929 của St. Louis cho thấy một nhà máy luyện chì đã tồn tại tại khu đất trong 10 năm. Thông tin này giúp nhận diện một khu vực ô nhiễm cục bộ.

\(\\\)

Khảo sát thực địa sơ bộ nên bao phủ khu vực lân cận trực tiếp của dự án cũng như một vùng khu vực rộng hơn để có thể xem xét các ảnh hưởng địa chất, thủy văn và địa chấn của khu vực.

Có thể cần một khảo sát khống chế mặt bằng và cao độ sơ bộ để thu thập dữ liệu tổng quát của khu vực phục vụ lựa chọn tuyến và thiết kế. Khảo sát này nên được mở rộng từ các hồ sơ và mốc hiện có dựa trên cùng hệ tọa độ mặt bằng và cao độ sẽ được sử dụng cho thiết kế cuối cùng của công trình. Các mốc tạm thời bổ sung và mốc chuẩn có thể được thiết lập khi cần để hỗ trợ khảo sát hiện trường, lập bản đồ và nghiên cứu môi trường.

3.3.2 Khảo sát địa hình

Khi các phương án được loại bỏ dần, cần lập các bản đồ địa hình, bình đồ và trắc dọc chi tiết để thiết lập khống chế sơ bộ cho thiết kế cuối cùng và thi công, dựa trên khảo sát khống chế mặt bằng và cao độ bậc cao tại hiện trường. Trong hệ thống hầm đường bộ, tim đường và tim hầm thường không trùng nhau do các yêu cầu về khoảng trống cho lối đi bộ và lối thoát hiểm, như đã thảo luận trong Chương 2. Tim hầm được phát triển trong quá trình thiết kế nên gồm các đoạn tiếp tuyến, đoạn cong tròn và đoạn chuyển tiếp dạng xoắn ốc, xấp xỉ tim hầm lý thuyết phức tạp trong phạm vi dung sai quy định (0.25 in.). Tim này nên được đưa vào bản vẽ hợp đồng của hợp đồng hầm, và toàn bộ khống chế hầm phải dựa trên tim này.

Trong quá trình thi công, công tác khảo sát là cần thiết để chuyển tuyến và cao độ từ mặt đất xuống các mốc hầm, khống chế hướng tuyến hầm, định vị và quan trắc thiết bị địa kỹ thuật, đặc biệt trong khu vực đô thị, khảo sát hoàn công, v.v. Lập bản đồ địa hình chính xác cũng cần thiết để hỗ trợ lập bản đồ địa chất bề mặt và bố trí các lỗ khoan thăm dò, dù là lỗ khoan hiện có hay được thực hiện cho dự án. Các kỹ thuật khảo sát chính bao gồm:

• Khảo sát thông thường
• Hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
• Đo khoảng cách điện tử (EDM) bằng toàn đạc
• Viễn thám
• Quét laser

Các kỹ thuật khảo sát hiện đại được thảo luận ngắn gọn dưới đây. Lưu ý rằng độ chính xác và quy trình vận hành của các kỹ thuật này cải thiện theo thời gian, nên người đọc cần tìm thông tin cập nhật khi áp dụng các kỹ thuật này cho các dự án ngầm.

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS)

Sử dụng thời gian truyền tín hiệu từ trạm mặt đất đến các vệ tinh để xác định vị trí tương đối của các mốc trong mạng lưới khống chế. Khảo sát GPS có thể tọa độ hóa các mốc khống chế bố trí cách xa nhau cho các khảo sát phạm vi dài, cũng như các khảo sát phạm vi ngắn hơn. Độ chính xác của phép đo GPS phụ thuộc vào số lượng vệ tinh quan sát được, cấu hình của nhóm vệ tinh quan sát được, thời gian quan sát, chất lượng truyền tín hiệu, loại máy thu GPS và các yếu tố khác, bao gồm thiết kế mạng lưới và kỹ thuật xử lý dữ liệu. Hạn chế của khảo sát GPS là không dùng được ở những khu vực mà ăng-ten GPS không thể thiết lập liên lạc trực tiếp theo đường ngắm với vệ tinh, chẳng hạn như trong hầm, khu trung tâm đô thị, khu vực có rừng, v.v.

Đo khoảng cách điện tử (EDM)

Sử dụng một máy kinh vĩ số có bộ vi xử lý điện tử, gọi là thiết bị “toàn đạc”, để xác định khoảng cách đến một gương phản xạ ở xa bằng cách đo thời gian cần thiết để tia laser hoặc tia hồng ngoại phản xạ trở lại từ mục tiêu. EDM có thể được dùng để khảo sát chính xác các bề mặt ở xa, nơi việc quan trắc bằng các kỹ thuật khảo sát thông thường sẽ khó khăn hoặc không thực tế. EDM có thể được dùng cho các ứng dụng khảo sát thông thường, nhưng đặc biệt hữu ích để quan trắc một cách kinh tế chuyển vị và lún theo thời gian, chẳng hạn như quan trắc chuyển vị và lún của một kết cấu hiện hữu trong quá trình đào hầm.

Viễn thám

Có thể xác định hiệu quả điều kiện địa hình, các thành tạo địa chất, vách dốc, biểu hiện bề mặt của đứt gãy, lòng suối bị chôn vùi, điều kiện tiếp cận công trường và các thành tạo đất, đá nói chung. Dữ liệu viễn thám có thể dễ dàng thu được từ vệ tinh, ví dụ ảnh LANDSAT của NASA, và ảnh hàng không, bao gồm ảnh hồng ngoại và ảnh radar, từ USGS hoặc các nhà địa chất tiểu bang, Công binh Lục quân Hoa Kỳ, và các tổ chức dịch vụ lập bản đồ hàng không thương mại. Ảnh hàng không của Sở Giao thông Tiểu bang, được sử dụng cho khảo sát quyền sử dụng đất và hướng tuyến đường bộ, cầu, cũng có thể có sẵn.

Quét laser

Sử dụng công nghệ laser để tạo ảnh số 3D của các bề mặt. Thiết bị quét laser có thể thiết lập tọa độ x, y và z của hơn một nghìn điểm mỗi giây, với độ phân giải khoảng 0.25 in. trên khoảng cách hơn 150 ft. Quét laser có thể được sử dụng để quét nhanh và ghi nhận số hóa các mái dốc hiện hữu nhằm xác định hình học của các đặc điểm nhìn thấy được và mọi thay đổi theo thời gian. Các dữ liệu này có thể hữu ích trong việc diễn giải dữ liệu lập bản đồ địa chất, đánh giá ổn định của các mái dốc hiện hữu, hoặc thu thập hình học hoàn công cho đào cửa hầm. Trong hầm, quét laser có thể tạo hiệu quả các mặt cắt ngang với khoảng cách rất gần để ghi nhận điều kiện bên trong các hầm hiện hữu, kiểm tra hình học và cung cấp các mặt cắt hoàn công cho hầm mới xây dựng, cũng như theo dõi biến dạng hầm theo thời gian.

3.3.3 Khảo sát thủy đạc

Khảo sát thủy đạc được yêu cầu đối với các hầm dưới nước, bao gồm hầm dìm (Chương 11), hầm khoan nông, hầm hộp kích đẩy, và các đoạn vượt sông thi công bằng cofferdam cut-and-cover, nhằm xác định địa hình đáy của vùng nước, cùng với hướng và vận tốc dòng chảy, dao động mực nước, và chiều sâu xói tiềm năng. Khi lập kế hoạch khảo sát thủy đạc, cần thực hiện khảo sát để xác định sự tồn tại và vị trí của các đường ống ngầm dưới nước, cáp, vật cản tự nhiên và vật cản chìm, riprap, v.v. có thể ảnh hưởng đến thiết kế hoặc thi công hầm dìm hoặc hầm cofferdam cut-and-cover. Có thể cần các khảo sát bổ sung như từ kế, quét địa chấn dưới đáy, khảo sát điện từ, sonar quét sườn, v.v. để phát hiện và định vị các đặc điểm này. Các khảo sát bổ sung này có thể được thực hiện đồng thời hoặc tuần tự với khảo sát thủy đạc cơ bản. Dữ liệu tạo ra từ khảo sát thủy đạc phải dựa trên cùng hệ tọa độ mặt bằng như các khảo sát khống chế của dự án, và phải tương thích với cơ sở dữ liệu GIS của dự án. Mốc cao độ được chọn cho khảo sát thủy đạc phải dựa trên các cao độ mốc chính của dự án, được biểu thị theo National Geodetic Vertical Datum of 1929 (NGVD), Mean Lower Low Water Datum, hoặc mốc dự án đã thiết lập khác.

3.3.4 Khảo sát công trình tiện ích

Thông tin về công trình tiện ích là cần thiết, đặc biệt trong khu vực đô thị, để xác định loại và phạm vi bảo vệ, di dời hoặc cải tạo công trình tiện ích cần thực hiện. Thông tin này được thu thập từ các khảo sát được thực hiện cho dự án và từ các bản đồ công trình tiện ích hiện có, thường có sẵn từ chủ sở hữu các công trình tiện ích như công ty tiện ích, chính quyền đô thị, khu quản lý tiện ích, v.v. Khảo sát công trình tiện ích được thực hiện để thu thập dữ liệu mới, kiểm chứng dữ liệu hiện có, và tổng hợp tất cả dữ liệu vào các bản đồ và báo cáo sẽ được cung cấp cho kỹ sư thiết kế hầm.

Yêu cầu về thông tin công trình tiện ích thay đổi tùy theo phương pháp đào hầm và điều kiện công trường. Thi công hầm cut-and-cover và hầm nông trong nền mềm, đặc biệt tại khu vực đô thị, ảnh hưởng nhiều đến các công trình tiện ích nằm phía trên và lân cận. Các tuyến chính và hệ thống phân phối khí, hơi nước, nước, nước thải, nước mưa, điện, điện thoại, cáp quang và các công trình tiện ích khác có thể cần đào lộ, đổi tuyến, gia cường, cải tạo và/hoặc chống đỡ tạm thời, đồng thời cũng có thể cần quan trắc trong quá trình thi công.

Các bản đồ công trình tiện ích hiện có phần lớn chỉ phục vụ mục đích thông tin, và nói chung không bảo đảm rằng các đặc điểm công trình tiện ích thể hiện thực sự tồn tại, nằm đúng vị trí cụ thể được thể hiện trên bản đồ, hoặc không có các đặc điểm bổ sung chưa được thể hiện. Nhìn chung, các đặc điểm trên mặt như hố ga và hầm kỹ thuật thường được định vị tương đối tốt trên bản đồ công trình tiện ích, nhưng các kết nối ngầm như ống, conduit, cáp, v.v. thường chỉ được thể hiện bằng các đường thẳng nối các đặc điểm trên mặt.

Trong quá trình thi công ban đầu các công trình tiện ích đó, việc đào rãnh có thể đã được thiết kế theo một loạt đường thẳng, nhưng trên thực tế, các vật cản chôn ngầm như tảng đá lớn, đất không ổn định hoặc các công trình tiện ích hiện hữu chưa được lập bản đồ đã buộc phải lệch khỏi hướng tuyến rãnh thiết kế. Trong nhiều trường hợp, khảo sát hoàn công không được thực hiện sau thi công, và bản đồ thiết kế, không có ghi chú nào về thay đổi hướng tuyến đã thi công, trở thành bản đồ duy nhất ghi nhận vị trí của các công trình tiện ích đã xây dựng.

Ở các khu vực phát triển dày đặc, việc cố gắng định vị tất cả công trình tiện ích trong giai đoạn thiết kế của dự án có thể không thực tế nếu không cần khối lượng khảo sát quá lớn, vượt quá giới hạn thời gian và chi phí trong ngân sách của kỹ sư thiết kế. Tuy nhiên, kỹ sư thiết kế phải nỗ lực thẩm tra đầy đủ để giảm thiểu các bất ngờ trong quá trình đào và thi công. Mức độ thẩm tra cần thiết phụ thuộc vào phương pháp đào, như cut-and-cover hoặc hầm đào ngầm, chiều sâu hầm, và số lượng, kích thước cũng như vị trí của các giếng đứng đề xuất.

3.3.5 Xác định các kết cấu ngầm và các chướng ngại khác

Thông thường, đặc biệt trong các khu vực đô thị dày đặc, có thể tồn tại các kết cấu ngầm khác ảnh hưởng đến hướng tuyến và trắc dọc của hầm đường bộ đề xuất, và sẽ chi phối nhu cầu về các biện pháp bảo vệ kết cấu trong quá trình thi công. Các kết cấu ngầm hiện hữu này có thể bao gồm hầm giao thông công cộng và hầm đường sắt, các hầm đường bộ khác, lối đi bộ ngầm, hầm kỹ thuật của công trình, các kết cấu biển hiện hữu hoặc bị bỏ hoang như tường chắn sóng, trụ, v.v., và các móng kết cấu hiện hữu hoặc bị bỏ hoang.

Các chướng ngại ngầm khác có thể bao gồm các hệ chống đỡ tạm thời đã bỏ lại, các khu vực xử lý đất, và neo đất hoặc neo đá đã được dùng để chống đỡ tạm thời hoặc vĩnh viễn cho các kết cấu chắn đất. Do đó, các khảo sát ban đầu của dự án nên bao gồm khảo sát các kết cấu hiện hữu và trước đây bằng tài liệu từ các cơ quan thành phố, tiểu bang và chủ sở hữu công trình. Ngoài ra, cần rà soát bản đồ và hồ sơ lịch sử để đánh giá khả năng tồn tại các kết cấu bị bỏ hoang chôn ngầm.

3.3.6 Khảo sát hiện trạng công trình trước thi công

Các công trình nằm trong vùng ảnh hưởng tiềm năng có thể chịu một mức chuyển vị đứng và chuyển vị ngang nhất định do chuyển động của đất gây ra bởi việc đào và thi công hầm ở gần, ví dụ đào cut-and-cover, đào hầm nông trong nền mềm, v.v. Nếu chuyển vị dự kiến có thể gây hư hại tiềm tàng cho công trình, cần có các biện pháp bảo vệ, và phải thực hiện khảo sát hiện trạng chi tiết của công trình trước thi công. Khảo sát hiện trạng trước thi công phải xác định tất cả các thông tin liên quan về điều kiện hiện hữu trước đó, đồng thời nhận diện các đặc điểm và vị trí để tiếp tục quan trắc. Tham khảo Chương 15 để xem thảo luận chi tiết về thiết bị đo đạc và quan trắc kết cấu.

3.4 LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA CHẤT

Sau khi thu thập và rà soát các bản đồ địa chất hiện có, ảnh hàng không, tài liệu tham khảo và kết quả khảo sát thực địa sơ bộ, việc lập bản đồ địa chất bề mặt đối với các lộ đá hiện có nên được thực hiện bởi một nhà địa chất công trình có kinh nghiệm để thu thập thông tin chi tiết, đặc thù tại hiện trường về chất lượng và cấu trúc đá. Lập bản đồ địa chất thu thập dữ liệu địa chất cục bộ, chi tiết một cách có hệ thống, và được sử dụng để đặc trưng hóa và ghi nhận điều kiện của khối đá hoặc lộ đá phục vụ phân loại khối đá (Chương 6), như:

• Loại mặt gián đoạn (Discontinuity type)
• Phương hướng của mặt gián đoạn (Discontinuity orientation)
• Vật liệu lấp nhét trong mặt gián đoạn (Discontinuity infilling)
• Khoảng cách giữa các mặt gián đoạn (Discontinuity spacing)
• Tính liên tục của mặt gián đoạn (Discontinuity persistence)
• Mức độ phong hóa (Weathering)

Hiệp hội Cơ học Đá Quốc tế (ISRM) (www.isrm.net) đã đề xuất các chỉ tiêu định lượng để mô tả các mặt gián đoạn (ISRM 1981). Hiệp hội này cung cấp các mô tả tiêu chuẩn cho các yếu tố như tính liên tục, độ gồ ghề, cường độ thành khe, độ mở khe, vật liệu lấp nhét, thấm rỉ và kích thước khối. Khi cần thiết, tài liệu này đưa ra các phương pháp đề xuất để đo các tham số này, sao cho mặt gián đoạn có thể được đặc trưng hóa theo cách thống nhất, cho phép so sánh.

Bằng cách diễn giải và ngoại suy tất cả các dữ liệu này, nhà địa chất có thể hiểu rõ hơn về các điều kiện đá có khả năng hiện diện dọc theo hầm đề xuất và tại các vị trí đào cửa hầm, giếng đứng đề xuất. Dữ liệu lập bản đồ đã thu thập có thể được sử dụng trong các phép chiếu lập thể để phân tích thống kê bằng phần mềm máy tính phù hợp, ví dụ DIPS, ngoài dữ liệu thu được từ các khảo sát dưới mặt đất.

(Mặt gián đoạn – Discontinuty là gì?)

Mặt Discontinuty gồm các dạng:

• khe nứt
• mặt phân lớp
• mặt phiến
• đứt gãy
• khe cắt
• mặt tiếp xúc giữa các lớp đá

Ngoài ra, các đặc điểm bề mặt sau đây cũng nên được quan sát và ghi nhận trong chương trình lập bản đồ địa chất:

• Sạt trượt, mới hoặc cũ, đặc biệt tại các khu vực cửa hầm và giếng đứng đề xuất
• Đứt gãy
• Phong hóa đá
• Hố sụt và địa hình karst
• Mạch nước ngầm
• Hoạt động núi lửa
• Anhydrite, gypsum, pyrite, hoặc sét phiến trương nở
• Nứt do giải phóng ứng suất
• Sự hiện diện của talus hoặc tảng lăn
• Nước nóng và khí

Dữ liệu lập bản đồ cũng sẽ hỗ trợ việc định vị các lỗ khoan khảo sát dưới mặt đất và thí nghiệm tại hiện trường trong các khu vực có biến đổi và bất thường được quan sát. Mục 4 của AASHTO Subsurface Investigations Manual (1988) cung cấp chi tiết về các kỹ thuật và quy trình lập bản đồ địa chất hiện trường thường dùng.

Lập bản đồ địa chất trong và sau khi đào hầm được thảo luận ngắn gọn trong Mục 3.8. Để biết chi tiết về lập bản đồ địa chất khu vực xung quanh hầm, tham khảo US Army Corps of Engineers – Engineering Manual EM-1110-1-1804 for Geotechnical Investigations (USACE, bản mới nhất).

3.5 KHẢO SÁT DƯỚI MẶT ĐẤT

3.5.1 Tổng quát

Điều kiện nền đất, bao gồm điều kiện địa chất, địa kỹ thuật và thủy văn, có ảnh hưởng lớn đến công tác lập kế hoạch, thiết kế, thi công và chi phí của hầm đường bộ, đồng thời thường quyết định tính khả thi và hướng tuyến cuối cùng của dự án. Về cơ bản, khảo sát dưới mặt đất là loại khảo sát quan trọng nhất để xác định điều kiện nền đất, vì đây là phương tiện chính để:

• Xác định mặt cắt địa tầng dưới mặt đất, tức là địa tầng, cấu trúc và các loại đất đá chủ yếu (Hình 3-4)
• Xác định các đặc tính vật liệu đất đá và đặc trưng của khối đất đá
• Xác định các bất thường địa chất, đới đứt gãy và các nguy cơ khác như đất squeezing, khí methane, v.v.
• Xác định các điều kiện địa chất thủy văn như mực nước ngầm, tầng chứa nước, áp lực thủy tĩnh, v.v.
• Xác định các rủi ro thi công tiềm tàng như tảng đá lớn, v.v.

Khảo sát dưới mặt đất thường bao gồm khoan khảo sát, lấy mẫu, thí nghiệm tại hiện trường, khảo sát địa vật lý và thí nghiệm vật liệu trong phòng. Các mục đích chính của các kỹ thuật khảo sát này được tóm tắt dưới đây:

• Khoan khảo sát được sử dụng để xác định địa tầng dưới mặt đất, và để thu lấy mẫu bị xáo động và không bị xáo động phục vụ phân loại trực quan và thí nghiệm trong phòng.
• Thí nghiệm tại hiện trường thường được sử dụng để thu được các đặc trưng kỹ thuật hữu ích và các chỉ số bằng cách thí nghiệm vật liệu tại chỗ, nhằm tránh sự xáo động không thể tránh khỏi do lấy mẫu, vận chuyển và xử lý mẫu lấy từ lỗ khoan; thí nghiệm tại hiện trường cũng có thể hỗ trợ xác định địa tầng.
• Thí nghiệm địa vật lý giúp thu được nhanh chóng và tiết kiệm thông tin dưới mặt đất như địa tầng và đặc trưng kỹ thuật tổng quát trên một khu vực rộng, nhằm hỗ trợ xác định địa tầng và lựa chọn vị trí phù hợp để thực hiện khoan khảo sát.
• Thí nghiệm trong phòng cung cấp nhiều đặc trưng kỹ thuật và các chỉ số từ các mẫu đất đại diện và lõi đá thu được từ các lỗ khoan.

Khác với các kết cấu đường bộ khác, nền đất đá xung quanh hầm có thể đóng vai trò như một cơ chế chống đỡ, hoặc cơ chế gây tải, hoặc cả hai, tùy thuộc vào bản chất của nền đất đá, kích thước hầm, phương pháp và trình tự thi công hầm. Do đó, đối với kỹ sư thiết kế và nhà thầu hầm, đá hoặc đất xung quanh hầm là một vật liệu xây dựng, cũng quan trọng như bê tông và thép sử dụng trong công trình. Vì vậy, mặc dù các kỹ thuật khảo sát dưới mặt đất nêu trên tương tự hoặc giống với các kỹ thuật dùng cho thiết kế móng như quy định trong Mục 10 của AASHTO 2006 Interim và phù hợp với các tiêu chuẩn ASTM hoặc AASHTO thích hợp, trọng tâm địa chất và địa kỹ thuật đối với thiết kế và thi công công trình ngầm có thể rất khác nhau.

Ngoài các dữ liệu địa kỹ thuật, địa chất và địa thủy văn điển hình, khảo sát dưới mặt đất cho dự án hầm phải xem xét các nhu cầu riêng của các phương pháp đào hầm khác nhau, tức là cut-and-cover, khoan–nổ, hầm khoan, đào tuần tự và hầm dìm. Bảng 3-2 thể hiện các xem xét đặc biệt khác đối với các phương pháp đào hầm khác nhau.

Như đã thảo luận trong Mục 3.1.1, khảo sát dưới mặt đất phải được thực hiện theo từng giai đoạn để chương trình khảo sát tiết kiệm hơn. Tuy nhiên, chúng chủ yếu được thực hiện trong giai đoạn thiết kế của dự án, với phần lớn công việc thường tập trung trong giai đoạn thiết kế sơ bộ của dự án. Các khảo sát này cung cấp thông tin thực tế về sự phân bố và các đặc trưng kỹ thuật của đất, đá và nước ngầm tại khu vực, cho phép hiểu rõ điều kiện hiện hữu đủ để phát triển một thiết kế kinh tế, xác định ước tính chi phí thi công đáng tin cậy và giảm rủi ro thi công.

Phạm vi cụ thể và mức độ khảo sát phải phù hợp với quy mô dự án và độ phức tạp của điều kiện địa chất hiện hữu; phải xem xét các ràng buộc ngân sách; và phải thống nhất với mức độ rủi ro được chủ đầu tư xem là chấp nhận được. Để bảo đảm dữ liệu thu thập được có thể được phân tích chính xác trong suốt dự án, hệ tọa độ dự án và mốc cao độ phải được thiết lập sớm, và các vị trí khoan, thí nghiệm phải được khảo sát định vị, tối thiểu bằng thiết bị GPS cầm tay. Ảnh chụp các vị trí này cũng nên được lưu giữ.

Vì điều kiện nền đất đá không lường trước thường là nguyên nhân gây chậm trễ tốn kém, khiếu nại và tranh chấp trong quá trình thi công hầm, một dự án có chương trình khảo sát dưới mặt đất kỹ lưỡng hơn nhiều khả năng sẽ gặp ít vấn đề hơn và có chi phí cuối cùng thấp hơn. Do đó, lý tưởng nhất là phạm vi của chương trình thăm dò nên dựa trên các yêu cầu cụ thể của dự án và mức độ phức tạp, thay vì các giới hạn ngân sách nghiêm ngặt. Tuy nhiên, đối với hầu hết các hầm đường bộ, đặc biệt là hầm ở khu vực miền núi hoặc hầm vượt qua vùng nước, chi phí cho một khảo sát dưới mặt đất toàn diện có thể quá lớn.

Thách thức đối với các chuyên gia địa kỹ thuật là phát triển một chương trình khảo sát dưới mặt đất đầy đủ và cẩn trọng, nhằm dự báo điều kiện nền đất đá trong phạm vi ngân sách hợp lý và mức rủi ro chấp nhận được. Điều quan trọng là các bên liên quan phải có hiểu biết chung về những hạn chế của khảo sát địa kỹ thuật và nhận thức được rủi ro không thể tránh khỏi khi không thể xác định hoàn toàn các điều kiện địa chất hiện hữu.

Các xem xét đặc biệt đối với các điều kiện địa chất khác nhau được tóm tắt trong Bảng 3-3 (Bickel và nnk., 1996).

Bảng 3-2 Nhu cầu khảo sát đặc biệt liên quan đến các phương pháp đào hầm (theo Bickel và cộng sự, 1996)

Cut and Cover (Ch 5)	Lập kế hoạch thăm dò để thu thập các tham số thiết kế cho hệ chống đỡ hố đào, và xác định điều kiện đủ chi tiết để có thể xác định một cách tin cậy vị trí tốt nhất và kinh tế nhất để chuyển từ thi công đào hở sang thi công hầm thực thụ.
Drill and Blast (Ch 6)	Cần dữ liệu để dự báo thời gian tự đứng vững tương ứng với kích thước và phương của hầm.
Khoan hầm trong đá (Ch 6)	Dữ liệu cần thiết để xác định chi phí dao cắt và tốc độ xuyên là rất quan trọng. Cần dữ liệu để dự báo thời gian tự đứng vững, để xác định liệu máy kiểu hở có phù hợp hay phải dùng khiên kín hoàn toàn. Ngoài ra, lưu lượng nước chảy vào cũng rất quan trọng.
Roadheader (Ch 6)	Cần dữ liệu về hệ khe nứt để đánh giá liệu roadheader sẽ bứt bật các khối nhỏ theo khe nứt hay phải mài/cắt phá đá. Dữ liệu về độ cứng của đá là thiết yếu để dự báo chi phí dao cắt/răng cắt.
Khoan hầm có khiên trong nền đất mềm (Ch 7)	Thời gian tự đứng vững là yếu tố quan trọng đối với ổn định gương đào và nhu cầu chống đỡ mặt gương, đồng thời để xác định yêu cầu lấp đầy khoảng rỗng đuôi khiên. Cần đặc trưng hóa đầy đủ mọi điều kiện mặt cắt hỗn hợp tiềm tàng.
Khoan hầm cân bằng áp lực gương/áp lực hóa (Ch 7)	Cần ước tính đáng tin cậy về áp lực nước ngầm, cường độ và tính thấm của đất sẽ đào. Cần thiết phải dự báo kích thước, phân bố và số lượng các tảng đá lớn. Các điều kiện mặt cắt hỗn hợp phải được đặc trưng hóa đầy đủ.
Khí nén (Ch 7)	Không được khoan các hố khoan ngay trên tim tuyến, và các hố khoan phải được phụt vữa kín tốt để khí nén không bị thất thoát ngược lên hố khoan cũ trong trường hợp hầm gặp lại hố khoan đó.
Đào hòa tan (Ch 8)	Cần dữ liệu hóa học để ước tính tốc độ hòa tan rửa trôi và cần lõi mẫu không xáo động để thực hiện các thí nghiệm từ biến dài hạn phục vụ phân tích ổn định hang.
Phương pháp đào tuần tự/NATM (Ch 9)	Nhìn chung đòi hỏi dữ liệu và phân tích địa kỹ thuật toàn diện hơn để dự báo ứng xử và phân loại điều kiện nền đất cũng như hệ chống đỡ nền đất thành bốn hoặc năm nhóm dựa trên ứng xử đó.
Hầm dìm (Ch 11)	Cần dữ liệu đất để thiết kế đáng tin cậy mái dốc hố nạo vét và dự báo độ trồi phục hồi của rãnh nạo vét cũng như độ lún của kết cấu hầm dìm sau khi hoàn thành. Thí nghiệm cần nhấn mạnh mô đun phục hồi (đàn hồi và cố kết) cùng các tham số cường độ khi dỡ tải. Độ mềm thông thường của đất gây khó khăn cho việc xác định cường độ đất phục vụ đánh giá mái dốc và sức chịu tải. Cũng cần thăm dò để bảo đảm mọi chướng ngại vật tiềm tàng và/hoặc gờ đá đều được nhận diện, đặc trưng hóa và xác định vị trí. Mọi nền đất ô nhiễm cần được đặc trưng hóa đầy đủ.
Hầm hộp kích đẩy (Ch 12)	Cần dữ liệu để dự báo ma sát vỏ đất và để xác định phương pháp đào cùng hệ chống đỡ cần thiết tại gương đào.
Thi công cửa hầm	Cần dữ liệu đáng tin cậy để xác định vị trí cửa hầm kinh tế nhất và để thiết kế kết cấu cửa hầm tạm thời và lâu dài. Cửa hầm thường nằm trong đất/đá phong hóa và đôi khi trong vùng giải phóng ứng suất.
Giếng thi công	Cần có ít nhất một hố khoan tại mỗi vị trí giếng đề xuất.
Giếng tiếp cận, giếng thông gió, hoặc các giếng lâu dài khác	Cần dữ liệu để thiết kế hệ chống đỡ vĩnh cửu và các biện pháp kiểm soát nước ngầm. Mỗi giếng nên có ít nhất một hố khoan.

\(\\\)

Bảng 3-3 Nhu cầu khảo sát địa kỹ thuật do điều kiện chi phối (hiệu chỉnh theo Bickel và cộng sự, 1996)

Đá cứng hoặc có tính mài mòn cao	Gây khó khăn và tốn kém đối với TBM hoặc roadheader. Cần khảo sát, lấy mẫu và thực hiện thí nghiệm trong phòng để cung cấp các tham số cần thiết nhằm dự báo tốc độ đào và chi phí dao cắt.
Gương đào hỗn hợp	Đặc biệt khó khăn đối với TBM kiểu bánh cắt. Điều kiện đào hầm đặc biệt khó trong cả đất và đá. Cần đặc trưng hóa cẩn thận để xác định bản chất và ứng xử của gương đào hỗn hợp, cũng như chiều dài hầm có khả năng bị ảnh hưởng bởi từng điều kiện gương đào hỗn hợp.
Karst	Có thể tồn tại các hốc rỗng rất lớn dọc theo các khe nứt, đặc biệt tại vị trí giao nhau của các hệ khe nứt chính; có các hang nhỏ nhưng đôi khi cũng có các hang rất lớn và rất dài có thể gây ra dòng nước ngầm vào với lưu lượng không mong muốn.
Thạch cao	Thạch cao dễ hòa tan có thể bị thiếu hụt hoặc bị cuốn mất do sự thay đổi điều kiện nước ngầm trong và sau thi công.
Muối hoặc potash	Đặc tính từ biến, và trong một số trường hợp, đặc tính nhiệt – cơ, là rất quan trọng.
Saprolite	Cần khảo sát cấu trúc tàn dư có thể ảnh hưởng đến ứng xử.Chiều sâu và mức độ phong hóa; đặc biệt quan trọng phải đặc trưng hóa khi đào hầm gần ranh giới đất – đá. Loại đá khác nhau có biểu hiện các mặt cắt phong hóa rất khác nhau.
Ứng suất tại chỗ cao	Có thể ảnh hưởng mạnh đến thời gian tự đứng vững và dạng biến dạng trong cả hầm đất lẫn hầm đá. Cần đánh giá nguy cơ nổ đá hoặc bóc tách đá, đặc biệt trong các hầm sâu.
Ứng suất tại chỗ thấp	Cần khảo sát các khe nứt mở vì chúng làm giảm mạnh cường độ và mô đun của khối đá, đồng thời làm tăng tính thấm. Thường là vấn đề tiềm tàng đối với cửa hầm ở các thung lũng sâu và đặc biệt tại các “mũi” địa hình nơi có thể xuất hiện vùng giải phóng ứng suất đáng kể.Thực hiện thí nghiệm kích nước và thí nghiệm nứt thủy lực.
Đất cứng nứt nẻ hoặc đất sét trượt	Các thí nghiệm trong phòng thường đánh giá quá cao cường độ vật lý của khối đất. Có thể cần thí nghiệm quy mô lớn và/hoặc hố đào thăm dò/hầm thăm dò.
Luôn kiểm tra khí nguy hiểm trong nền đất có khí	Methane (phổ biến) H₂S
Đặc điểm địa chất bất lợi	Đứt gãy * Đứt gãy đã biết hoặc nghi ngờ còn hoạt động. Cần khảo sát để xác định vị trí và ước tính chuyển động nền đất có khả năng xảy ra. * Đứt gãy không hoạt động nhưng vẫn là nguồn gây điều kiện đào hầm khó khăn \(\qquad \) + Đứt gãy đôi khi đóng vai trò như đập chắn, và khi khác lại là đường dẫn thoát nước ngầm \(\qquad \qquad\) – Đất nghiền vụn đứt gãy đôi khi gây vấn đề đối với cường độ và mô đun * Nước ngầm nhiệt độ cao Luôn thu thập mẫu để thí nghiệm hóa học Thành tạo trầm tích * Thường có mật độ khe nứt rất cao * Các khối kết hạch có thể gây vấn đề cho TBM
	* Nước ngầm \(\qquad \) + Nước ngầm là một trong những vấn đề khó kiểm soát và tốn kém nhất. \(\qquad \ \ \ \) Cần khảo sát để dự báo nước ngầm đáng tin cậy nhất có thể. \(\qquad \) + Đặc trưng hiện trường cần khảo sát các dấu hiệu và bản chất của: \(\qquad \qquad \) – Áp lực nước ngầm \(\qquad \qquad \) – Dòng chảy nước ngầm \(\qquad \qquad \) – Áp lực artesian \(\qquad \qquad \) – Nhiều tầng chứa nước \(\qquad \qquad \) – Áp lực cao hơn trong tầng chứa nước sâu hơn \(\qquad \qquad \) – Nước ngầm treo trên lớp không thấm trong điều kiện gương đào hỗn hợp \(\qquad \qquad \) – Các biểu hiện dị thường hoặc đột ngột \(\qquad \) + Nước ngầm xâm thực \(\qquad \qquad \) – Các sulfate hòa tan tấn công bê tông và shotcrete \(\qquad \qquad \) – Pyrit \(\qquad \qquad \) – Tính axit Dung nham hoặc thành tạo núi lửa * Đỉnh và đáy các dòng chảy thường có tính thấm rất cao và là nền đào rất khó * Ống dung nham * Các hố khoan thẳng đứng không bộc lộ được bản chất của hệ khe nứt cột. Cần có hố khoan nghiêng. * Khả năng xuất hiện dòng nước ngầm đáng kể theo hệ khe nứt cột Tảng đá lớn (đôi khi là các ổ tảng) thường nằm ở chân các lớp địa tầng * Cuội và tảng đá lớn không phải lúc nào cũng gặp trong hố khoan, nên có thể gây nhầm lẫn * Cần dự báo kích thước, số lượng và phân bố của tảng đá lớn trên cơ sở các điểm lộ và địa chất khu vực Cát mịn bãi biển và cát mịn * Rất ít lực dính. Cần đánh giá thời gian tự đứng vững. Trầm tích băng hà * Tảng đá lớn thường đi kèm trầm tích băng hà. Phải chủ động khảo sát kích thước, số \( \ \ \) lượng và phân bố của tảng đá lớn. * Một số trầm tích băng hà cứng đến mức giòn vì có nhiều khe nứt, và ứng xử nền đất bị \( \ \ \) chi phối bởi hệ khe nứt cũng như tính chất của vật liệu nền. Băng vĩnh cửu và đất đóng băng * Cần kỹ thuật lấy mẫu đất đặc biệt * Cần xác định các tính chất nhiệt – cơ
Đặc điểm nhân tạo	Nước ngầm/đất ô nhiễm * Kiểm tra sự di chuyển của luồng ô nhiễm do thay đổi chế độ nước ngầm phát sinh từ thi công Các chướng ngại vật hiện hữu * Cọc * Các hầm đã thi công trước đây * Các thanh neo kéo dài ra ngoài tường cừ Các công trình tiện ích hiện hữu * Tuổi thọ và tình trạng của các công trình tiện ích nằm phía trên hoặc lân cận trong vùng ảnh hưởng

\(\\\)

Một cách tiếp cận chung để kiểm soát chi phí khảo sát dưới mặt đất, đồng thời vẫn thu được thông tin cần thiết cho thiết kế và thi công, bao gồm: a) phân kỳ công tác khảo sát, như đã thảo luận trong Mục 3.1.1, để điều chỉnh và giới hạn phạm vi khảo sát phù hợp hơn với nhu cầu cụ thể của từng giai đoạn dự án; và b) sử dụng thông tin hiện có và kết quả lập bản đồ địa chất, thí nghiệm địa vật lý để lựa chọn vị trí khảo sát hiệu quả hơn. Trọng tâm ban đầu có thể đặt vào việc xác định địa chất cục bộ, sau đó tăng dần mức độ chi tiết trong việc đặc trưng hóa điều kiện dưới mặt đất và dự báo ứng xử của nền.

Ngoài ra, các chương trình khảo sát dưới mặt đất cần linh hoạt và nên bao gồm một mức dự phòng kinh phí phù hợp để đánh giá thêm các điều kiện và vấn đề không lường trước có thể xuất hiện trong chương trình đã lập. Việc không giải quyết sớm các vấn đề này có thể dẫn đến thiết kế lại tốn kém hoặc gây chậm trễ, khiếu nại và tranh chấp trong quá trình thi công.

Trừ khi các ràng buộc của khu vực bắt buộc phải theo một hướng tuyến cụ thể, chẳng hạn trong môi trường đô thị chật hẹp, rất ít dự án được xây dựng chính xác theo hướng tuyến đã thiết lập tại thời điểm lập chương trình khoan ban đầu. Điều này cần được xét đến khi lập kế hoạch và dự toán ngân sách cho khảo sát địa kỹ thuật, đồng thời càng cho thấy sự cần thiết của một chương trình khảo sát dưới mặt đất theo từng giai đoạn.

3.5.2 Khoan khảo sát và lấy mẫu

3.5.2.1 Lỗ khoan khảo sát thẳng đứng và nghiêng

Các lỗ khoan khảo sát thẳng đứng và hơi nghiêng (Hình 3-5), cùng với việc lấy mẫu đất/đá, là các thành phần then chốt của mọi khảo sát dưới mặt đất cho các dự án ngầm. Vị trí, chiều sâu, loại mẫu và khoảng cách lấy mẫu cho từng lỗ khoan khảo sát phải được lựa chọn để phù hợp với yêu cầu cụ thể của dự án, địa hình khu vực và các điều kiện địa chất dự kiến.

Các kỹ thuật thí nghiệm hiện trường khác nhau cũng có thể được thực hiện kết hợp với các lỗ khoan khảo sát. Tham khảo FHWA Reference Manual for Subsurface Investigations (FHWA, 2002b) và GEC 5 (FHWA, 2002a) để biết hướng dẫn về lập kế hoạch và thực hiện các chương trình thăm dò dưới mặt đất.

Bảng 3-4 trình bày các hướng dẫn chung của AASHTO (1988) để xác định khoảng cách giữa các hố khoan đối với các dự án hầm:

Bảng 3-4 Hướng dẫn về khoảng cách bố trí
hố khoan thẳng đứng/nghiêng (theo AASHTO, 1988)

Điều kiện nền đất	Khoảng cách hố khoan điển hình
Hầm đào hở (Ch 5)	100ft đến 300ft (30m – 90m)
Đào hầm trong đá (Ch 6)
Điều kiện bất lợi	50ft đến 200ft (15m-60m)
Điều kiện thuận lợi	500ft đến 1000ft (150m-300m)
Đào hầm trong nền đất mềm (Ch 7)
Điều kiện bất lợi	50ft đến 100ft (15m-30m)
Điều kiện thuận lợi	300ft đến 500ft (90m-150m)
Đào hầm gương hỗn hợp (Ch 8)
Điều kiện bất lợi	25ft đến 50ft (7.5m-15m)
Điều kiện thuận lợi	50ft đến 75ft (15m-23m)

Hướng dẫn nêu trên có thể được sử dụng như điểm khởi đầu để xác định số lượng và vị trí các lỗ khoan. Tuy nhiên, đặc biệt đối với hầm dài đi qua khu vực miền núi, bên dưới vùng nước sâu, hoặc trong khu vực đô thị đông dân, việc thực hiện các lỗ khoan theo đúng hướng dẫn có thể không khả thi về mặt kinh tế hoặc không đủ thời gian. Do đó, cần áp dụng đánh giá kỹ thuật của một chuyên gia địa kỹ thuật có giấy phép và kinh nghiệm để điều chỉnh chương trình khảo sát.

Nhìn chung, các lỗ khoan nên được kéo dài xuống ít nhất 1.5 lần đường kính hầm bên dưới invert hầm đề xuất. Tuy nhiên, nếu còn bất định về trắc dọc cuối cùng của hầm, các lỗ khoan nên kéo dài xuống ít nhất hai hoặc ba lần đường kính hầm bên dưới cao độ invert hầm sơ bộ. Các lỗ khoan tại giếng đứng nên kéo dài xuống ít nhất 1.5 lần chiều sâu giếng đứng để phục vụ thiết kế hệ chống đỡ thành giếng và móng giếng, đặc biệt trong đất mềm.

3.5.2.2 Khoan/lấy lõi ngang và khoan định hướng

Các lỗ khoan ngang dọc theo tuyến hầm cung cấp hồ sơ liên tục về điều kiện địa chất và thông tin liên quan trực tiếp đến tuyến hầm. Mặc dù chi phí khoan và lấy mẫu ngang tính theo mỗi foot dài có thể cao hơn nhiều so với khoan thẳng đứng hoặc khoan nghiêng thông thường, khoan ngang có thể kinh tế hơn, đặc biệt khi khảo sát các tuyến hầm xuyên núi sâu.

Đối với một lỗ khoan ngang sâu, cần khoan nghiêng một đoạn qua lớp phủ và các lớp vật liệu phía trên để đạt đến độ sâu của tuyến hầm. Thông thường, đoạn nghiêng này được ổn định bằng dung dịch khoan và ống chống, và không thu được mẫu. Khi lỗ khoan đã đạt đến hướng tuyến ngang, có thể lấy lõi bằng ống lấy lõi ba lớp HQ.

(ống lấy lõi ba lớp cỡ HQ là gì?)

HQ là cỡ đường kính của bộ khoan lấy lõi / ống lấy lõi trong hệ chuẩn wireline dùng cho khoan địa kỹ thuật và khoan địa chất.

Hiểu đơn giản:

• HQ = một size khoan lõi
• thường dùng để chỉ lỗ khoan và lõi khoan có kích thước thuộc cấp HQ

Các cỡ thường gặp:

• BQ nhỏ hơn
• NQ trung bình
• HQ lớn hơn
• PQ lớn hơn nữa

Vì sao dùng HQ:

• lấy được lõi lớn hơn
• lõi thường ít bị phá hỏng hơn
• thuận lợi hơn cho mô tả địa chất và thí nghiệm

3.5.2.3 Lấy mẫu – Đất lớp phủ

Các mẫu đất bằng ống chẻ tiêu chuẩn, tức mẫu bị xáo động, theo ASTM D-1586 thường được lấy với khoảng cách không lớn hơn 5 ft và tại các vị trí thay đổi địa tầng. Nên lấy mẫu liên tục từ vị trí cao hơn nóc hầm một đường kính hầm đến vị trí thấp hơn invert hầm một đường kính hầm, nhằm xác định rõ hơn địa tầng và vật liệu trong vùng này nếu nằm trong đất hoặc vật liệu trung gian.

Ngoài ra, nên lấy mẫu ống không xáo động trong từng lớp đất dính gặp trong các lỗ khoan; khi có lớp đất dính dày, nên lấy mẫu không xáo động với khoảng cách không vượt quá 15 ft. Có thể xem xét các lỗ khoan đường kính lớn hoặc lỗ khoan kiểu rotosonic (Hình 3-7) để thu các mẫu đặc biệt phục vụ phân loại và thí nghiệm.

(Khoan lấy mẫu Rotosonic)

Mẫu rotosonic là mẫu lấy bằng phương pháp khoan rotosonic — một phương pháp khoan kết hợp xoay và dao động tần số cao để đưa ống mẫu xuyên xuống đất.

Hiểu ngắn gọn:

• mũi khoan/ống mẫu vừa quay vừa rung
• nhờ vậy đất đi vào ống mẫu dễ hơn
• mẫu lấy lên thường liên tục và ít bị xáo trộn hơn so với một số phương pháp khoan thông thường, nhất là trong đất rời, cát, bùn, đất pha, vật liệu không đồng nhất

Trong thực tế, phương pháp này hay được dùng khi cần:

• lấy mẫu liên tục
• đi qua các lớp đất khó lấy mẫu bằng cách thông thường
• giảm dùng dung dịch khoan
• thu được mẫu tốt hơn để phân loại địa tầng và làm một số thí nghiệm

Nhưng lưu ý:

• nó không có nghĩa là mẫu hoàn toàn không xáo động
• chất lượng mẫu còn phụ thuộc loại đất, thiết bị, quy trình lấy và bảo quản mẫu

3.5.2.4 Lấy mẫu – Lõi đá

Trong đá, cần lấy lõi đá liên tục bên dưới bề mặt đá, với kích thước lõi tối thiểu NX, đường kính 2.16 in. hoặc 54.7 mm. Nên sử dụng ống lấy lõi hai lớp và ba lớp để thu được lõi đại diện chất lượng cao hơn của đá tại hiện trường. Đối với các lỗ khoan sâu, việc lấy lõi nên được thực hiện bằng thiết bị khoan wire-line để tiếp tục giảm khả năng làm suy giảm chất lượng các mẫu lõi thu được. Chiều dài mỗi hiệp khoan lấy lõi nên được giới hạn tối đa 10 ft trong đá chất lượng từ trung bình đến tốt, và 5 ft trong đá chất lượng kém.

Đá cần được mô tả ghi chép ngay sau khi được lấy ra khỏi ống lấy lõi. Các định nghĩa và thuật ngữ dùng trong ghi chép lõi đá được trình bày trong Phụ lục B. Chủ yếu, khuyến nghị ghi nhận các thông tin sau cho mỗi hiệp khoan lấy lõi trong nhật ký khoan lõi đá:

• Chiều sâu hiệp khoan lấy lõi
• Tỷ lệ thu hồi lõi tính bằng inch và phần trăm
• Chỉ số chất lượng đá (RQD), phần trăm
• Loại đá, bao gồm màu sắc, cấu tạo, mức độ phong hóa và độ cứng
• Đặc điểm của các mặt gián đoạn, khoảng cách khe nứt, phương hướng, độ gồ ghề và mức độ biến đổi
• Bản chất của vật liệu lấp nhét trong khe nứt

Ngoài ra, các thông số khoan như loại thiết bị khoan, kích thước ống lấy lõi và ống chống, tốc độ khoan, và mực nước ngầm được ghi nhận ngoài hiện trường có thể hữu ích trong tương lai. Các mẫu nhật ký khoan lõi đá điển hình phục vụ mục đích thiết kế hầm được trình bày trong Phụ lục B.

3.5.2.5 Bịt kín lỗ khoan

Tất cả các lỗ khoan phải được bịt kín đúng cách sau khi hoàn thành công tác thăm dò hiện trường, nếu không dự kiến sử dụng làm giếng quan trắc. Việc này thường được yêu cầu vì lý do an toàn và để ngăn ngừa nhiễm chéo giữa các tầng đất và nước ngầm. Tuy nhiên, việc bịt kín lỗ khoan đặc biệt quan trọng đối với các dự án hầm, vì một lỗ khoan hở bị lộ ra trong quá trình đào hầm có thể dẫn đến nước chảy vào không kiểm soát, hoặc dung dịch bùn từ TBM khiên bùn hay không khí từ hầm khí nén thoát ra.

Ở nhiều khu vực, các phương pháp dùng để bịt kín lỗ khoan được cơ quan tiểu bang quản lý. FHWA-NHI-035 Workbook for Subsurface Investigation Inspection Qualification (FHWA, 2006a) cung cấp hướng dẫn chung về bịt kín lỗ khoan. Báo cáo NCHRP No. 378 (Lutenegger và nnk., 1995), có tiêu đề Recommended Guidelines for Sealing Geotechnical Holes, chứa nhiều thông tin về bịt kín và bơm vữa lỗ khoan.

Việc lấp lại lỗ khoan thường được thực hiện bằng hỗn hợp vữa, bằng cách bơm hỗn hợp vữa qua cần khoan hoặc các ống khác đưa vào lỗ khoan. Trong các lỗ khoan có nước ngầm hoặc dung dịch khoan, vữa phải được bơm theo phương pháp tremie từ đáy lỗ khoan. Cần có biện pháp thu gom và xử lý toàn bộ dung dịch khoan và vữa thải. Các lỗ trên mặt đường và bản bê tông phải được vá bằng bê tông hoặc bê tông nhựa, tùy trường hợp phù hợp.

3.5.2.6 Hố đào thăm dò

Hố đào thăm dò thường được sử dụng để khảo sát sự hiện diện nông, vị trí và chiều sâu của các công trình tiện ích hiện hữu, móng công trình, cao độ mặt đá và các đặc điểm ngầm khác có thể cản trở hoặc bị ảnh hưởng bởi việc thi công giếng đứng, cửa hầm và hầm cut-and-cover. Chiều sâu và kích thước của hố đào thăm dò sẽ được chi phối bởi chiều sâu và phạm vi của đặc điểm cần làm lộ ra. Ngoại trừ các hố đào rất nông, hố đào thăm dò thường cần có biện pháp chống đỡ và chống vách để tạo sự chống đỡ nền chủ động và bảo đảm an toàn cho người vào trong hố đào, phù hợp với OSHA và các yêu cầu pháp lý khác.

Các điều kiện được làm lộ ra trong hố đào thăm dò, bao gồm vật liệu đất và đá hiện hữu, quan sát nước ngầm, cũng như các phần tử công trình tiện ích và kết cấu, được ghi nhận bằng hồ sơ viết và ảnh chụp; các vật liệu đại diện được lấy mẫu để kiểm tra trực quan và thí nghiệm trong phòng sau này. Sau đó, hố đào thường được lấp lại bằng đất đào, và vật liệu lấp được đầm chặt để tránh lún quá mức trong tương lai. Có thể sử dụng đầm cóc và lu để hỗ trợ việc đầm chặt vật liệu lấp. Sau đó, mặt đất hoặc mặt đường thường được hoàn trả bằng vật liệu và chiều dày phù hợp với các khu vực lân cận.

3.5.3 Nhận dạng và phân loại đất, đá

3.5.3.1 Nhận dạng và phân loại đất

Cần phân biệt giữa nhận dạng bằng mắt và phân loại nhằm giảm thiểu mâu thuẫn giữa việc nhận dạng sơ bộ mẫu đất tại hiện trường với việc đánh giá chính xác hơn trong phòng thí nghiệm dựa trên các thí nghiệm chỉ số. Các mô tả bằng mắt tại hiện trường thường chịu ảnh hưởng của các yếu tố ngoài trời, có thể làm ảnh hưởng đến kết quả. Cần gửi mẫu đất đến phòng thí nghiệm để một nhà địa chất hoặc kỹ thuật viên có kinh nghiệm về đất thực hiện nhận dạng bằng mắt một cách chính xác, vì công việc này sẽ tạo cơ sở cho các thí nghiệm sau này và việc xây dựng mặt cắt địa tầng đất.

Trong quá trình khoan, nhân sự hiện trường cần mô tả mẫu gặp được theo ASTM D 2488, Practice for Description and Identification of Soils (Visual-Manual Procedure), là hệ thống phân loại đất thống nhất cải biên (USCS). Đối với các quy trình nhận dạng hiện trường chi tiết cho mẫu đất, người đọc có thể tham khảo FHWA-NHI-035, “Workbook for Subsurface Investigation Inspection Qualification”.

Phần lớn việc phân loại đất tại hiện trường cho dự án hầm cũng tương tự như đối với các ứng dụng địa kỹ thuật khác, ngoại trừ việc cần đặc biệt chú ý đến việc xác định và ghi chép chính xác đặc trưng cỡ hạt của đất và các đặc điểm phân lớp, vì các tính chất này có thể ảnh hưởng đến ứng xử của nền đất và nước ngầm trong quá trình đào hầm nhiều hơn so với các loại công trình khác, như móng, nền đắp và đào cắt. Các nội dung đặc biệt quan trọng đối với dự án hầm được liệt kê dưới đây:

• Mực nước ngầm (mực nước chung và mực nước treo), dấu hiệu về tính thấm của đất đá (mất dung dịch khoan; mực nước trong lỗ khoan dâng lên hoặc hạ xuống; v.v.), và dấu hiệu về điều kiện artesian
• Độ sệt và cường độ của đất dính
• Thành phần, cấp phối và độ chặt của đất rời
• Sự hiện diện của các thấu kính và lớp đất có tính thấm cao hơn
• Sự hiện diện của sỏi, cuội và tảng lăn, và khả năng có các tảng lăn lồng nhau
• Kích thước cuội/tảng lăn lớn nhất từ khoan lấy lõi và/hoặc các lỗ khoan đường kính lớn (và cũng dựa trên hiểu biết về địa chất địa phương), cùng với cường độ nén không nở hông của cuội/tảng lăn (từ thí nghiệm chỉ số hiện trường và thí nghiệm trong phòng đối với các mẫu thu hồi)
• Sự hiện diện của đất gắn kết xi măng
• Sự hiện diện của đất hoặc nước ngầm bị ô nhiễm

Tất cả các vấn đề trên sẽ ảnh hưởng lớn đến ứng xử của đất đá và lượng nước ngầm chảy vào trong quá trình thi công, cũng như đến việc lựa chọn thiết bị và phương pháp đào hầm.

3.5.3.2 Nhận dạng và phân loại đá

Đối với đá, đặc trưng của khối đá và các mặt bất liên tục thường có ảnh hưởng đến ứng xử của nền đất đá trong quá trình đào hầm và đến tải trọng tác dụng lên hầm lớn hơn nhiều so với các tính chất của đá nguyên khối. Vì vậy, việc phân loại đá cần tập trung vào các đặc trưng của khối đá, cũng như nguồn gốc và các tính chất của đá nguyên khối dùng cho các ứng dụng móng đường bộ điển hình. Các tính chất đặc biệt của đá nguyên khối có ý nghĩa quan trọng đối với công trình hầm, đặc biệt trong việc lựa chọn đầu cắt đá cho máy TBM và các loại máy đào đá khác, cũng như để dự đoán mức độ mài mòn của đầu cắt.

Các nội dung điển hình khi mô tả thạch học đá tổng quát bao gồm:

• Loại đá tổng quát
• Màu sắc
• Kích thước và hình dạng hạt
• Kiến tạo (phân lớp, foliation, v.v.)
• Thành phần khoáng vật
• Độ cứng
• Tính mài mòn
• Cường độ
• Mức độ phong hóa và biến đổi địa chất

Các mô tả về mặt gián đoạn trong đá thường được ghi nhận trong phân loại đá bao gồm:

• Các hệ khe nứt chủ đạo, kèm theo phương và góc dốc
• Độ nhám của khe nứt
• Tính liên tục của khe nứt
• Khoảng cách khe nứt
• Mức độ phong hóa và vật liệu lấp nhét trong khe nứt

Các thông tin khác thường được ghi nhận trong quá trình khảo sát đá dưới mặt đất bao gồm:

• Sự hiện diện của đứt gãy hoặc đới cắt
• Sự hiện diện của vật liệu xâm nhập, như mạch đá núi lửa và sill
• Sự hiện diện của các hốc rỗng, như hang hòa tan, ống dung nham, v.v.
• Mực nước ngầm và dấu hiệu về tính thấm của khối đá, như mất dung dịch khoan; mực nước trong lỗ khoan dâng lên hoặc hạ xuống; v.v.

Phương pháp mô tả các mặt gián đoạn của khối đá được thực hiện theo “Suggested Method of Quantitative Description of Discontinuities of Rock Masses” của Hiệp hội Cơ học đá Quốc tế (ISRM) (ISRM, 1981), như trình bày trong Phụ lục B. Chương 6 trình bày các giá trị J được gán cho từng điều kiện của mặt gián đoạn trong hệ thống Q (Barton, 2001).

Các tính chất chỉ số thu được từ việc kiểm tra lõi đá thu hồi bao gồm tỷ lệ thu hồi lõi, tức là chiều dài lõi thu hồi được biểu thị bằng phần trăm chiều dài hiệp khoan, và Rock Quality Designation hoặc RQD, tức là tổng chiều dài các đoạn lõi tốt và nguyên vẹn có chiều dài bằng hoặc lớn hơn 4 inch, được biểu thị bằng phần trăm chiều dài hiệp khoan.

Để tìm hiểu chi tiết về nhận dạng và phân loại đá, người đọc có thể tham khảo Mayne và cộng sự (2001) và AASHTO “Manual on Subsurface Investigations” (1988). Một tài liệu hữu ích khác về phân loại đá là “Suggested Methods for the Quantitative Description of Discontinuities in Rock Masses” của Hiệp hội Cơ học đá Quốc tế (1977). Đối với các quy trình nhận dạng hiện trường chi tiết, người đọc có thể tham khảo FHWA-NHI-035 “Workbook for Subsurface Investigation Inspection Qualification” và “Rock and Mineral Identification for Engineer Guide.”

Thông thường, các vật liệu gặp trong quá trình khảo sát dưới mặt đất là vật liệu chuyển tiếp, được hình thành do quá trình phong hóa đá tại hiện trường. Các điều kiện này đôi khi có thể rất phức tạp, không có ranh giới rõ ràng giữa các loại vật liệu gặp phải. Việc đào hầm qua vật liệu trung gian về mặt địa kỹ thuật (IGM), trong một số trường hợp được gọi là điều kiện mặt đào hỗn hợp, có thể cực kỳ khó khăn, đặc biệt khi có nước ngầm.

Tại những khu vực mà tim tuyến hầm phải cắt qua đới chuyển tiếp này, công tác khảo sát dưới mặt đất được thực hiện gần giống như đối với đá; khi có thể, cần thu hồi và phân loại lõi khoan, đồng thời thí nghiệm các mẫu đá nguyên vẹn đại diện. Nội dung thảo luận chi tiết hơn được trình bày trong Chương 8.

(gương đào hỗn hợp (mixed-face))

Gương đào hỗn hợp là cách dịch của mixed face trong đào hầm.

Nó nghĩa là mặt gương hầm không nằm hoàn toàn trong một loại địa chất, mà cùng một lúc đi qua hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau, ví dụ:

• nửa trên là đất, nửa dưới là đá
• một phần là đất mềm, phần khác là đá phong hóa
• một phần khô, phần khác có nước ngầm mạnh
• một phần là vật liệu ổn định, phần khác rất yếu

Ở đây gương đào là mặt trước đang được đào của hầm.
Vì vậy gương đào hỗn hợp = mặt đào có điều kiện địa chất hỗn hợp.

Vì sao nó quan trọng:

• rất khó giữ ổn định gương đào
• máy đào làm việc không đều vì mỗi bên gặp vật liệu khác nhau
• dễ lệch hướng, mất ổn định, nước xâm nhập, hoặc gây lún
• là điều kiện đặc biệt khó đối với TBM

Ví dụ dễ hiểu:

• nếu đầu TBM đang đào mà bên trái gặp đá cứng, bên phải gặp đất mềm, đó là gương đào hỗn hợp.

3.5.4 Các kỹ thuật thí nghiệm hiện trường (trước thi công)

Thí nghiệm hiện trường phục vụ khảo sát dưới mặt đất bao gồm hai nhóm thí nghiệm chính:

a) Thí nghiệm tại hiện trường
b) Thí nghiệm địa vật lý

Các thí nghiệm tại hiện trường được sử dụng để trực tiếp thu được các số đo tại hiện trường về những tính chất kỹ thuật hữu ích của đất và đá. Thí nghiệm địa vật lý, nhóm thí nghiệm hiện trường chính thứ hai, là các phương pháp khảo sát gián tiếp, trong đó sự thay đổi của một số đặc trưng vật lý nhất định như từ tính, khối lượng riêng, điện trở suất, tính đàn hồi, hoặc sự kết hợp của các đặc trưng này được dùng để hỗ trợ xây dựng thông tin dưới mặt đất. Đôi khi, hai phương pháp thí nghiệm có thể được thực hiện bằng cùng một thiết bị, ví dụ sử dụng CPT địa chấn.

3.5.4.1 Thí nghiệm tại hiện trường

Thí nghiệm tại hiện trường được sử dụng để trực tiếp thu được các số đo tại hiện trường về những tính chất kỹ thuật hữu ích của đất và đá. Đối với đất, thí nghiệm tại hiện trường bao gồm cả các thí nghiệm chỉ số, như thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), và các thí nghiệm xác định tính chất vật lý của nền đất, như cường độ kháng cắt từ thí nghiệm xuyên côn (CPT) và đặc tính biến dạng của nền đất từ thí nghiệm áp lực kế (PMT). Các phương pháp thí nghiệm tại hiện trường trong đất thường được sử dụng ở Hoa Kỳ, cùng với ứng dụng và hạn chế của chúng, được tóm tắt trong Bảng 3-5.

Các thí nghiệm tại hiện trường thường dùng trong đá cho công trình hầm được liệt kê trong Bảng 3-6. Một tính chất quan trọng cần quan tâm trong đá là trạng thái ứng suất tại hiện trường. Ứng suất ngang có nguồn gốc địa chất thường bị “khóa” trong khối đá, tạo ra tỷ số ứng suất (K) thường cao hơn giá trị dự đoán theo lý thuyết đàn hồi. Tùy theo kích thước và hướng tuyến của hầm, ứng suất ngang lớn có thể tạo điều kiện nén thuận lợi giúp chống đỡ và giam giữ khối đá, hoặc gây bong tách/lở vỡ trong và sau khi đào. Về cơ bản, hai phương pháp tổng quát thường dùng để đo trạng thái ứng suất tại hiện trường là nứt vỡ thủy lực và khoan giải ứng suất. Lưu ý rằng ứng suất tại hiện trường chỉ có thể đo chính xác trong điều kiện đá từ khá tốt trở lên. Tuy nhiên, do đá yếu không thể duy trì chênh lệch ứng suất lệch lớn, ứng suất ngang và ứng suất đứng có xu hướng cân bằng dần theo thời gian địa chất.

3.5.4.2 Thí nghiệm địa vật lý

Thí nghiệm địa vật lý là các phương pháp khảo sát gián tiếp, trong đó sự thay đổi của một số đặc trưng vật lý nhất định như từ tính, khối lượng riêng, điện trở suất, tính đàn hồi, hoặc sự kết hợp của các đặc trưng này được dùng để hỗ trợ xây dựng thông tin dưới mặt đất. Các phương pháp địa vật lý cung cấp một phương tiện nhanh và kinh tế để bổ sung thông tin thu được từ các phương pháp khảo sát trực tiếp, như lỗ khoan, hố thăm và thí nghiệm tại hiện trường; nhận diện các dị thường cục bộ có thể không được phát hiện bằng các phương pháp khảo sát khác; và xác định ranh giới các lớp đất đá giữa các lỗ khoan bố trí thưa, nhằm dự đoán mặt cắt dưới mặt đất thực tế hơn. Các ứng dụng điển hình của thí nghiệm địa vật lý bao gồm xác định cao độ đỉnh đá gốc, khả năng đào xới của đá, chiều sâu đến mực nước ngầm, giới hạn của các lớp trầm tích hữu cơ, sự hiện diện của hốc rỗng, vị trí và chiều sâu của các công trình tiện ích, vị trí và chiều sâu của các móng hiện hữu, cũng như vị trí và chiều sâu của các vật cản khác. Ngoài ra, thí nghiệm địa vật lý cũng có thể thu được các tính chất độ cứng và tính chất động cần thiết cho phân tích số.

Thí nghiệm địa vật lý có thể được thực hiện trên mặt đất, trong lỗ khoan (theo phương xuống hoặc xuyên ngang giữa các lỗ khoan), hoặc phía trước TBM trong quá trình thi công. Các ứng dụng điển hình của thí nghiệm địa vật lý được trình bày trong Bảng 3-7.

Bảng 3-8 tóm tắt ngắn gọn các quy trình dùng để thực hiện các thí nghiệm địa vật lý này, đồng thời nêu các hạn chế của chúng.

(hydraulic fracturing và overcoring là gì?)

hydraulic fracturing → thường gọi là phá nứt thủy lực
hoặc sát ngữ cảnh thí nghiệm hơn: thí nghiệm phá nứt thủy lực

Đây là phương pháp:

• cô lập một đoạn trong hố khoan
• bơm nước áp lực cao vào đoạn đó
• làm khối đá nứt hoặc mở lại khe nứt có sẵn
• từ áp lực gây nứt, áp lực đóng lại, và phương của khe nứt, suy ra trạng thái ứng suất tại chỗ

Nói ngắn gọn: dùng áp lực nước để làm nứt đá trong hố khoan nhằm xác định ứng suất tại chỗ.

overcoring → thường dịch là khoan giải ứng suất
hoặc phương pháp khoan giải phóng ứng suất

Đây là phương pháp:

• gắn đầu đo biến dạng trong một lỗ khoan nhỏ
• sau đó khoan bao quanh vùng đó bằng mũi khoan lớn hơn
• khi phần đá quanh đầu đo được “tách ra” khỏi khối đá xung quanh, ứng suất được giải phóng
• đo lượng biến dạng phục hồi để suy ra ứng suất ban đầu tại chỗ

Nói ngắn gọn: khoan tách lõi đá chứa đầu đo để giải phóng ứng suất, rồi từ biến dạng phục hồi suy ra ứng suất tại chỗ.

Cách hiểu rất nhanh:

• hydraulic fracturing = đo ứng suất bằng làm nứt đá bằng nước áp lực
• overcoring = đo ứng suất bằng giải phóng ứng suất khi khoan bao lõi

Bảng 3-5 Các phương pháp thí nghiệm tại hiện trường dùng trong đất (theo FHWA, 2002a)

Phương pháp	Quy trình	Loại đất áp dụng	Chỉ tiêu đất áp dụng	Hạn chế / Ghi chú
Thí nghiệm xuyên côn điện (CPT)	Một đầu dò hình trụ được ép thủy lực theo phương thẳng đứng xuyên qua đất, đo sức kháng tại đầu côn của đầu dò và dọc theo cần thép; số đo thường được ghi tại các khoảng 2 đến 5 cm.	Bụi, cát, sét và than bùn	Ước tính loại đất và địa tầng chi tiết Cát: \(\phi’\), \(D_r\), \(\sigma’_{ho}\) Sét: \(s_u, \sigma’_p\)	Không thu được mẫu đất; đầu dò có thể bị hư hại nếu thí nghiệm trong đất chứa sỏi; kết quả không đặc biệt tốt để ước tính các đặc trưng biến dạng.
Thí nghiệm xuyên côn áp điện (CPTu)	Tương tự CPT; ngoài ra, áp lực nước lỗ rỗng thâm nhập được đo bằng đầu đo và phần tử lọc rỗng.	Bụi, cát, sét và than bùn	Giống CPT, cộng thêm: Cát: \(u_0\) / cao độ mực nước ngầm Sét: \(\sigma’_p, c_h, k_h\) OCR	Nếu phần tử lọc và các cổng không bão hòa hoàn toàn, đáp ứng áp lực nước lỗ rỗng có thể gây hiểu nhầm; sự nén ép và mài mòn của phần tử gương đào hỗn hợp (u) sẽ ảnh hưởng đến số đo; kết quả thí nghiệm không đặc biệt tốt để ước tính các đặc trưng biến dạng.
CPTu địa chấn (SCPTu)	Tương tự CPTu; ngoài ra, sóng cắt tạo ra trên mặt đất được ghi bằng một geophone tại các khoảng 1 m dọc theo mặt cắt để tính vận tốc sóng cắt.	Bụi, cát, sét và than bùn	Giống CPTu, cộng thêm: \(V_s, G_{max}, E_{max}\) \(ρ_{tot}, e_o\)	Các khoảng đo đầu tiên cần được dùng để tính vận tốc sóng cắt (nếu dùng thời gian truyền sóng cắt đầu tiên, sai số trong vận tốc sóng cắt sẽ tăng theo chiều sâu).
Dilatometer bản phẳng (DMT)	Một bản phẳng được ép thủy lực hoặc khoan xuyên xuống đất đến độ sâu yêu cầu; tại các khoảng xấp xỉ 20 đến 30 cm, áp lực cần thiết để làm phồng một màng mỏng được ghi nhận. Thường ghi hai đến ba số đo tại mỗi độ sâu.	Bụi, cát, sét và than bùn	Ước tính loại đất và địa tầng Tổng trọng lượng đơn vị thể tích Cát: \(\phi’, E, D_r, m_v\) Sét: \(\phi’_p, K_o, s_u, \) \(m_v, E, c_h, k_h\)	Màng có thể bị biến dạng nếu bị bơm quá mức; màng bị biến dạng sẽ không cho số đọc chính xác; rò rỉ trong các kết nối ống sẽ cho số đọc cao; tốt để ước tính các đặc trưng biến dạng tại biến dạng nhỏ.
Pressure meter khoan trước (PMT)	Một hố khoan được khoan tạo trước và đáy hố được chuẩn bị cẩn thận để lắp thiết bị; áp lực cần thiết để làm giãn màng hình trụ đến một thể tích hoặc biến dạng hướng kính nhất định được ghi nhận.	Sét, bụi và than bùn; có thể áp dụng giới hạn cho một số cát và sỏi	E, G, \(m_v, s_u\)	Chuẩn bị hố khoan là yếu tố quan trọng nhất để có kết quả tốt; thí nghiệm tốt để tính toán các đặc trưng biến dạng ngang.
Pressure meter dịch chuyển toàn phần (PMT)	Một đầu dò hình trụ có gắn pressure meter phía sau đầu côn được ép thủy lực xuyên qua đất và dừng tại các khoảng chọn trước để thí nghiệm; áp lực cần thiết để làm giãn màng hình trụ đến một thể tích hoặc biến dạng hướng kính nhất định được ghi nhận.	Sét, bụi và than bùn	E, G, \(m_v, s_u\)	Sự xáo trộn trong quá trình đưa đầu dò xuống sẽ dẫn đến mô đun ban đầu và mô đun biến dạng nhỏ thấp hơn (\(p_o\)); thí nghiệm tốt để tính toán các đặc trưng biến dạng ngang.
Thí nghiệm cắt cánh (VST)	Một cánh cắt 4 lá được ép thủy lực xuống dưới đáy hố khoan, sau đó quay chậm trong khi mô men xoắn cần thiết để quay cánh được ghi nhận để tính sức kháng cắt không thoát nước đỉnh; sau đó cánh được quay nhanh 10 vòng, và mô men xoắn cần thiết để phá hoại đất được ghi nhận để tính sức kháng cắt không thoát nước sau phá hoại hoàn toàn.	Sét, một số bụi và than bùn nếu có thể giả định điều kiện không thoát nước; không dùng cho đất hạt thô	\(s_u, S_t, \sigma′_p\)	Có thể xảy ra xáo trộn trong sét mềm nhạy, làm giảm sức kháng cắt đo được; có thể xảy ra thoát nước cục bộ trong sét nứt nẻ và vật liệu bụi, dẫn đến sai số trong sức kháng tính toán; cần tính đến ma sát cần theo phương pháp phù hợp; đường kính cánh cắt và khả năng của cờ lê mô men phải được chọn đúng để đo trong các loại trầm tích sét khác nhau.

Ký hiệu dùng trong Bảng 3-5

\(\phi’\)	Góc ma sát hiệu quả	Gmax	Mô đun cắt ở biến dạng nhỏ
Dr	Độ chặt tương đối	G	Mô đun cắt
σ′h0	Ứng suất ngang hữu hiệu tại chỗ	Emax	Mô đun Young ở biến dạng nhỏ
su	Sức kháng cắt không thoát nước	E	Mô đun Young
σ′p	Ứng suất tiền cố kết	ρtot	Khối lượng riêng tổng
ch	Hệ số cố kết theo phương ngang	e0	Hệ số rỗng tại chỗ
kh	Hệ số thấm theo phương ngang	mv	Hệ số nén thể tích
OCR	Tỷ số quá cố kết	K0	Hệ số áp lực đất tại trạng thái nghỉ
Vs	Vận tốc sóng cắt	St	Độ nhạy

\(\\\)

Bảng 3-6 Các phương pháp thí nghiệm tại hiện trường thường dùng cho đá (theo USACE, 1997)

Tham số	Phương pháp thí nghiệm	Quy trình / Hạn chế / Ghi chú
Ứng suất tại chỗ	Phá nứt thủy lực	Thường được thực hiện trong các hố khoan thẳng đứng. Một đoạn ngắn của hố khoan được bịt kín bằng packer kiểu straddle. Sau đó đoạn này được gia áp bằng cách bơm nước vào. Áp lực được tăng dần cho đến khi đá xung quanh hố khoan bị phá hủy do kéo tại một ứng suất tới hạn. Sau khi phá vỡ, áp lực đóng kín sau một khoảng thời gian được gọi là áp lực tại đó khe phá nứt thủy lực khép hoàn toàn dưới tác dụng của ứng suất pháp tác động vuông góc với các khe phá nứt thủy lực. Trong hố khoan thẳng đứng, các khe phá nứt thủy lực được kỳ vọng hình thành theo phương thẳng đứng và vuông góc với ứng suất ngang nhỏ nhất.
	Khoan giải ứng suất	Khoan một hố khoan đường kính nhỏ và lắp đặt vào đó một thiết bị đáp ứng với sự thay đổi đường kính. Ứng suất đá được xác định gián tiếp từ các phép đo sự thay đổi kích thước của hố khoan, xảy ra khi thể tích đá bao quanh hố khoan được tách khỏi các ứng suất trong khối đá chủ.
	Thí nghiệm kích phẳng	Phương pháp này sử dụng kích thủy lực phẳng, gồm hai bản thép hàn quanh mép và có núm để đưa dầu vào khoảng trống giữa chúng. Kích phẳng được đặt vào khe cắt, liên kết cố định tại chỗ, rồi được gia áp. Khi các chốt đã trở lại khoảng cách ban đầu, áp lực trong kích xấp xỉ bằng ứng suất ban đầu pháp với kích.
Mô đun biến dạng	Thí nghiệm bàn nén	Một bề mặt đá tương đối phẳng được đục sửa và làm phẳng bằng vữa để tiếp nhận các bàn nén tròn đường kính 20 đến 40 in. Tải được đặt lên bề mặt đá và theo dõi chuyển vị tương ứng. Việc này khá dễ bố trí trong hầm khảo sát ngầm nếu chọn vị trí cẩn thận để loại trừ đá rời và đá nứt nẻ mạnh.
	Thí nghiệm dilatometer trong hố khoan	Thí nghiệm giãn nở hố khoan được thực hiện bằng một ống lót cao su. Sự giãn nở của hố khoan được đo thông qua lưu lượng dầu hoặc khí đi vào ống lót khi áp lực tăng lên, hoặc bằng các biến áp vi sai điện thế trong ống lót. Một vấn đề của thí nghiệm biến dạng hố khoan là nó chỉ tác động đến một thể tích đá tương đối nhỏ và do đó chỉ chứa một mẫu không đầy đủ của hệ khe nứt.
	Thí nghiệm kích phẳng	Phương pháp này sử dụng kích thủy lực phẳng, gồm hai bản thép hàn quanh mép và có núm để đưa dầu vào khoảng trống giữa chúng. Bố trí các điểm đo trên mặt đá và các điểm neo sâu (điểm tham chiếu). Mô đun biến dạng có thể được tính từ các chuyển vị chốt đo được.
	Thí nghiệm kích hướng kính	Tải được tác dụng lên chu vi của một hầm bằng một loạt kích tỳ vào các cấu kiện thép hình tròn. Thí nghiệm cho phép thay đổi hướng tải theo phương án gia tải của các kích.
	Pressuremeter	Áp lực cần thiết để làm giãn màng hình trụ đến một thể tích hoặc biến dạng hướng kính nhất định được ghi nhận trong hố khoan. Phương pháp này áp dụng cho đá mềm.
	Đo động	Vận tốc truyền sóng ứng suất được đo ngoài hiện trường. Vận tốc sóng có thể được đo bằng cách gõ búa tạ vào một điểm lộ đá và quan sát thời gian truyền đến một geophone đặt trên đá ở khoảng cách tới khoảng 150 ft. Các thí nghiệm ứng suất tải qua khối đá bằng phương pháp này đều ở quy mô nhỏ và khối đá thường khác biệt đáng kể so với vật liệu lý tưởng; do đó, các tính chất đàn hồi tính từ các phương trình thường lớn hơn đáng kể so với các tính chất đàn hồi tính từ thí nghiệm tải tĩnh, đặc biệt trong trường hợp đá nứt nẻ.
Biểu ảnh và các mặt bất liên tục	Quan trắc âm trong hố khoan	Acoustic Televiewers (ATV) tạo ảnh thành hố khoan dựa trên biên độ và thời gian truyền của các tín hiệu âm phản xạ từ thành hố khoan. Một phần năng lượng phản xạ bị mất tại các hốc rỗng hoặc khe nứt, tạo thành các dải tối trên ảnh biên độ. Các phép đo thời gian truyền cho phép tái dựng hình dạng hố khoan, từ đó có thể tạo biểu diễn 3-D của hố khoan.
	Quan trắc video hố khoan	Hệ thống video hố khoan (BVS) được hạ xuống các hố khoan để kiểm tra địa chất và tính toàn vẹn kết cấu. Góc nhìn của camera trong các hố khoan cung cấp các ảnh màu của địa chất.
Tính thấm (Mục 3.5.6)	Thí nghiệm slug	Thí nghiệm slug áp dụng cho nhiều dạng địa chất khác nhau, cũng như đối với các piezometer và giếng quan trắc đường kính nhỏ, và ở những vùng có tính thấm thấp nơi khó thực hiện thí nghiệm bơm nước. Thí nghiệm slug được thực hiện bằng cách bơm vào hoặc rút ra một thể tích nước hay không khí đã biết khỏi giếng và đo phản ứng của tầng chứa nước thông qua tốc độ mực nước trở về cân bằng. Giá trị tính thấm suy ra chủ yếu liên hệ với hệ số thấm theo phương ngang. Thí nghiệm slug có vùng thấm ảnh hưởng nhỏ hơn nhiều so với thí nghiệm bơm nước, vì vậy chỉ phản ánh vùng ở quy mô nhỏ hơn nhiều.
	Thí nghiệm packer	Được thực hiện bằng cách bơm nước với áp lực không đổi vào một đoạn thí nghiệm của hố khoan và đo lưu lượng. Các đoạn hố khoan được bịt kín bằng packer; thí nghiệm dùng một hoặc hai packer là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất. Thí nghiệm này nhanh và đơn giản để thực hiện, và bằng cách thí nghiệm theo từng đoạn dọc toàn bộ chiều dài hố khoan, có thể thu được mặt cắt tính thấm. Hạn chế của thí nghiệm là nó chỉ tác động đến một thể tích môi trường xung quanh tương đối nhỏ, vì tổn thất ma sát trong vùng lân cận trực tiếp của đoạn thí nghiệm thường rất lớn.
	Thí nghiệm bơm nước	Trong thí nghiệm bơm nước, nước được bơm ra khỏi giếng với lưu lượng không đổi trong một khoảng thời gian nhất định, và độ hạ thấp của mực nước hoặc cột nước áp được đo trong giếng và trong các piezometer hoặc giếng quan trắc lân cận. Do thí nghiệm bơm nước liên quan đến thể tích khối đá lớn, chúng có ưu điểm là lấy trung bình được ảnh hưởng của các mặt bất liên tục vốn có. Hầu hết các lời giải cổ điển cho số liệu thí nghiệm bơm nước đều dựa trên giả thiết tầng chứa nước đồng nhất và đẳng hướng, và dòng chảy tuân theo định luật Darcy. Nhược điểm lớn nhất là thời gian cần thiết để thực hiện thí nghiệm. Thời gian thí nghiệm một tuần hoặc lâu hơn không phải là hiếm khi cố gắng tiến tới điều kiện dòng chảy ổn định. Ngoài ra, cần các hố khoan hoặc giếng đường kính lớn vì phần lớn các điều kiện gặp phải đòi hỏi phải sử dụng bơm đặt chìm trong hố khoan.

\(\\\)

Bảng 3-7 Ứng dụng của các phương pháp thí nghiệm địa vật lý (theo AASHTO, 1988)

Điều kiện địa chất cần khảo sát	Các kỹ thuật địa vật lý hữu ích
	TRÊN MẶT ĐẤT	DƯỚI MẶT ĐẤT
Các lớp đá và đất phân lớp (chiều sâu và chiều dày các lớp)	Khúc xạ địa chấn	Lan truyền sóng địa chấn
Chiều sâu đến đá gốc	Khúc xạ địa chấn Điện trở suất Ra-đa xuyên đất	Lan truyền sóng địa chấn
Chiều sâu đến mực nước ngầm	Khúc xạ địa chấn Điện trở suất Ra-đa xuyên đất
Vị trí đá nứt nẻ mạnh và/hoặc đới đứt gãy	Điện trở suất	Camera truyền hình hố khoan
Địa hình đá gốc (rãnh, chóp đá, vách đứng đứt gãy)	Khúc xạ địa chấn Trọng lực
Vị trí các thể xâm nhập magma dạng tấm	Trọng lực, từ tính Khúc xạ địa chấn
Hốc hòa tan	Điện trở suất Ra-đa xuyên đất Trọng lực	Camera truyền hình hố khoan
Các túi cát, sỏi hoặc vật liệu hữu cơ biệt lập	Điện trở suất	Lan truyền sóng địa chấn
Các lớp đá và đất có tính thấm	Điện trở suất	Lan truyền sóng địa chấn
Địa hình đáy hồ, vịnh hoặc sông	Phản xạ địa chấn (đo sâu âm học)
Địa tầng trầm tích đáy hồ, vịnh hoặc sông	Phản xạ địa chấn (đo sâu âm học)
Sự thay đổi theo phương ngang về thạch học của các lớp đá và đất	Khúc xạ địa chấn Điện trở suất

\(\\\)

Bảng 3-8 Các phương pháp thí nghiệm địa vật lý

Phương pháp	Quy trình	Hạn chế / Ghi chú
Khúc xạ địa chấn	Các đầu thu (geophone) được bố trí trên bề mặt đất với khoảng cách tăng dần tính từ nguồn xung địa chấn, cũng đặt trên bề mặt đất. Thời gian cần thiết để xung địa chấn truyền tới từng geophone được ghi nhận.	Khoảng cách giữa geophone gần nhất và xa nhất phải bằng 3 đến 4 lần chiều sâu cần khảo sát. Phản xạ từ lớp cứng có thể ngăn cản việc nhận diện các lớp sâu hơn. Các điều kiện khác ảnh hưởng đến việc diễn giải gồm: độ tương phản khối lượng riêng giữa các lớp không đủ lớn; sự hiện diện của lớp khối lượng riêng thấp; địa hình bề mặt không đều.
Phản xạ địa chấn	Được thực hiện cho các ứng dụng ngoài khơi từ một tàu, sử dụng nguồn phát năng lượng và đầu thu tại mặt nước. Thời gian truyền của sóng địa chấn đến từng đầu thu được ghi nhận và phân tích.	Vị trí và hướng di chuyển của tàu phải được xác định chính xác bằng GPS hoặc phương pháp phù hợp khác. Phản xạ từ lớp cứng có thể ngăn cản việc nhận diện các lớp sâu hơn.
Điện trở suất / Độ dẫn điện	Phương pháp bốn điện cực Wenner là phép thử được dùng phổ biến nhất ở Hoa Kỳ. Bốn điện cực được cắm một phần vào đất, trên một đường thẳng, cách đều nhau. Một dòng điện có cường độ xác định được truyền qua hai điện cực ngoài, và độ sụt điện thế thu được được đo tại hai điện cực trong. Nhiều tuyến đo được sử dụng, và khoảng cách điện cực được thay đổi để xác định tốt hơn sự thay đổi của các lớp trầm tích và phân lớp.	Kết quả có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các chướng ngại vật ngầm như đường ống, bể chứa, v.v.
Lan truyền sóng địa chấn:
Xuyên lỗ khoan (Cross-Hole)	Cần ít nhất 2 hố khoan: một hố khoan nguồn, trong đó xung địa chấn được tạo ra, và một hố khoan đầu thu, trong đó geophone ghi nhận các sóng nén và sóng cắt được tạo ra. Để tăng độ chính xác, có thể dùng thêm các hố khoan đầu thu khác.	Đầu thu phải được định hướng đúng và tiếp xúc chặt với thành hố khoan. Các hố khoan sâu hơn khoảng 30 ft nên được đo đạc bằng inclinometer hoặc thiết bị khác để xác định khoảng cách truyền thực giữa các hố.
Up-Hole hoặc Down-Hole	Được thực hiện trong một hố khoan đơn. Với phương pháp up-hole, cảm biến được đặt tại mặt đất và sóng nén, sóng cắt được tạo ra tại các độ sâu khác nhau trong hố khoan. Với phương pháp down-hole, sóng địa chấn được tạo ra tại mặt đất và một hoặc nhiều cảm biến được đặt tại các độ sâu khác nhau trong hố khoan.	Dữ liệu chỉ giới hạn trong khu vực lân cận trực tiếp của hố khoan.
Địa chấn song song	Được dùng để xác định chiều sâu của các móng hiện hữu. Tại đỉnh móng, một xung sóng được tạo ra, và một cảm biến trong hố khoan lân cận ghi nhận thời điểm sóng ứng suất tới tại các gia số độ sâu khác nhau.	Yêu cầu phải tiếp cận được đỉnh móng.
Ra-đa xuyên đất	Các xung điện từ lặp lại được tạo ra tại mặt đất và thời gian để các xung phản xạ trở về đầu phát được ghi nhận.	Sự hiện diện của một lớp sét có thể che khuất các đặc điểm bên dưới lớp đó.
Trọng lực	Một trọng lực kế nhạy được օգտագործ tại mặt đất để đo các biến thiên trong trường hấp dẫn cục bộ của trái đất do sự thay đổi về khối lượng riêng vật liệu hoặc do các hốc rỗng.	Có thể không nhận diện được các thay đổi nhỏ về khối lượng riêng. Có thể bị ảnh hưởng bởi các đặc điểm gần bề mặt hoặc dưới bề mặt như núi, hốc hòa tan, các thung lũng chôn lấp, v.v. không nằm trực tiếp trong khu vực quan tâm.
Từ tính	Khảo sát từ có thể được thực hiện bằng từ kế đặt trên mặt đất hoặc từ kế gắn trên thiết bị bay. Với thiết bị mặt đất, phép đo sự thay đổi của từ trường trái đất được thực hiện dọc theo một tuyến khảo sát đã được xác lập.	Không nên bố trí các vị trí quan trắc gần các vật thể nhân tạo có thể làm thay đổi từ trường trái đất, như đường ống, công trình xây dựng, v.v. Cần hiệu chỉnh theo dao động ngày đêm của từ trường trái đất.

\(\\\)

Điều quan trọng cần lưu ý là dữ liệu từ thăm dò địa vật lý luôn phải được đối chiếu với thông tin từ các phương pháp thăm dò trực tiếp, cho phép quan sát trực tiếp vật liệu dưới mặt đất, đo trực tiếp mực nước ngầm, và thí nghiệm các mẫu vật lý của đất và đá. Các phương pháp thăm dò trực tiếp cung cấp thông tin có giá trị không chỉ để diễn giải dữ liệu địa vật lý mà còn để ngoại suy các điều kiện nền đất suy đoán đến những khu vực không được khảo sát bằng hố khoan. Ngược lại, dữ liệu địa vật lý có thể giúp xác định các vị trí thích hợp cho hố khoan và hố đào khảo sát để tiếp tục khảo sát các dị thường được phát hiện. Người đọc cũng được dẫn chiếu đến ấn phẩm FHWA “Application of Geophysical Methods to Highway Related Problems” để biết thêm thông tin chi tiết.

3.5.5 Thí nghiệm trong phòng

Cần thực hiện thí nghiệm chi tiết trong phòng để thu được thông tin chính xác phục vụ thiết kế và mô hình hóa.

Thí nghiệm đất

Cần thực hiện thí nghiệm đất chi tiết trong phòng để thu được thông tin chính xác phục vụ thiết kế và mô hình hóa, bao gồm phân loại, các đặc trưng, độ cứng, cường độ, v.v. Thí nghiệm được thực hiện trên các mẫu đại diện được chọn, gồm mẫu xáo động và mẫu nguyên dạng, phù hợp với các tiêu chuẩn ASTM. Bảng 3-9 trình bày các thí nghiệm đất trong phòng thường dùng cho mục đích thiết kế hầm.

Thí nghiệm đá

Các thí nghiệm đá tiêu chuẩn đánh giá các tính chất vật lý của đá, bao gồm khối lượng riêng và khoáng vật học (phân tích lát mỏng). Các tính chất cơ học của lõi đá nguyên vẹn bao gồm cường độ nén một trục, cường độ kéo, các hằng số đàn hồi tĩnh và động, độ cứng, và các chỉ số tính mài mòn.

Ngoài ra, cần thực hiện các thí nghiệm chuyên biệt để đánh giá tốc độ thi công của TBM, bao gồm ba thí nghiệm về khả năng khoan và khả năng đào hầm, cụ thể là Drilling Rate Index (DRI), Bit Wear Index (BWI), và Cutter Life Index (CLI). Bảng 3-9 tóm tắt các thí nghiệm đá trong phòng thường dùng cho mục đích thiết kế hầm.

Nên bảo quản đúng cách các lõi đá thu hồi từ hiện trường trong nhiều năm, cho đến khi công trình hoàn thành và các tranh chấp/khiếu nại được giải quyết. Thông lệ phổ biến là chụp ảnh lõi đá trong hộp lõi, và có thể quét các mẫu lõi để các kỹ sư thiết kế và nhà thầu xem xét. Hình 3-8 cho thấy một thiết bị quét lõi đá và kết quả thu được.

Bảng 3-9 Các thí nghiệm trong phòng thường dùng cho đá (theo USACE, 1997)

Tham số	Phương pháp thí nghiệm
Tính chất chỉ số	Khối lượng riêng Độ rỗng Độ ẩm Độ bền rã mềm Chỉ số trương nở Chỉ số tải trọng điểm Độ cứng Độ mài mòn
Cường độ	Cường độ nén một trục Cường độ nén ba trục Cường độ kéo (Brazilian) Cường độ kháng cắt của khe nứt
Biến dạng	Mô đun Young Hệ số Poisson
Tính phụ thuộc thời gian	Đặc trưng từ biến
Tính thấm	Hệ số thấm
Khoáng vật học và cỡ hạt	Phân tích lát mỏng Phân tích nhiệt vi sai Nhiễu xạ tia X

\(\\\)

3.5.6 Khảo sát nước ngầm

Nước ngầm là yếu tố quan trọng đối với mọi loại dự án, nhưng đối với hầm, nước ngầm là vấn đề đặc biệt then chốt. Nước ngầm không chỉ có thể chiếm tỷ lệ lớn trong tải trọng tác dụng lên vỏ hầm hoàn thiện, mà còn quyết định đáng kể ứng xử và ổn định của nền đất đối với hầm trong đất yếu; lượng nước chảy vào hầm đá; phương pháp và thiết bị được lựa chọn để thi công hầm; và hiệu quả làm việc dài hạn của công trình hoàn thiện.

Do đó, đối với dự án hầm, cần đặc biệt chú ý xác định chế độ nước ngầm, các tầng chứa nước và nguồn nước, mọi điều kiện nước treo hoặc artesian, chất lượng và nhiệt độ nước, chiều sâu đến mực nước ngầm, cũng như tính thấm của các vật liệu khác nhau có thể gặp trong quá trình đào hầm. Các vấn đề liên quan bao gồm ảnh hưởng tiềm tàng của việc hạ thấp mực nước ngầm đến lún của các công trình, tiện ích và cơ sở lân cận; các ảnh hưởng khác của công tác tháo khô đến các công trình hiện hữu, ví dụ sự xuống cấp nhanh của cọc gỗ lộ ra ngoài; khối lượng bơm trong quá trình thi công; các biện pháp khử nhiễm/xử lý nước xả ra từ quá trình bơm; sự di chuyển của các chất ô nhiễm hiện hữu trong đất và nước ngầm do tháo khô; tác động tiềm tàng đến các tầng chứa nước cấp nước; và hiện tượng thấm vào hầm hoàn thiện, chỉ nêu một vài ví dụ.

Khảo sát nước ngầm thường bao gồm hầu hết hoặc toàn bộ các nội dung sau:

• Quan trắc mực nước ngầm trong lỗ khoan
• Đánh giá sự thay đổi độ ẩm của đất trong lỗ khoan
• Lấy mẫu nước ngầm để thí nghiệm môi trường
• Lắp đặt giếng quan trắc nước ngầm và piezometer
• Thí nghiệm thấm trong lỗ khoan, gồm thí nghiệm cột nước dâng, cột nước hạ và cột nước không đổi; thí nghiệm packer; v.v.
• Thí nghiệm địa vật lý, xem Mục 3.5.4
• Thí nghiệm bơm

Trong quá trình khoan khảo sát dưới mặt đất và khoan lấy lõi, thanh tra viên cần đặc biệt ghi nhận và lập hồ sơ mọi quan sát liên quan đến nước ngầm trong khi khoan hoặc trong thời gian tạm dừng công việc, khi lỗ khoan chưa bị xáo động. Ngay cả các quan sát tưởng như nhỏ cũng có thể ảnh hưởng quan trọng đến thiết kế hầm và ứng xử của nền đất trong quá trình thi công.

Giếng quan trắc nước ngầm được sử dụng để xác định và theo dõi mực nước ngầm tĩnh chính xác hơn. Do các giếng quan trắc thường không được cách ly trong một tầng hoặc lớp riêng biệt, chúng chỉ cung cấp chỉ báo chung về mực nước ngầm, và do đó phù hợp hơn với các khu vực có điều kiện dưới mặt đất tương đối đồng nhất. Trong đất phân lớp có từ hai tầng chứa nước trở lên, áp lực nước có thể thay đổi đáng kể theo chiều sâu. Đối với các điều kiện biến đổi như vậy, nhìn chung nên sử dụng piezometer. Piezometer có các lớp bịt kín để cách ly màn lọc hoặc cảm biến trong một đới hoặc lớp cụ thể trong mặt cắt đất, nhờ đó đo được áp lực nước trong đới đó. Người đọc có thể tham khảo Chương 15, Thiết bị quan trắc địa kỹ thuật và kết cấu, để xem các minh họa và mô tả chi tiết về giếng và piezometer.

Giếng quan trắc và piezometer cần được theo dõi định kỳ trong một thời gian dài để cung cấp thông tin về sự biến đổi theo mùa của mực nước ngầm. Quan trắc trong quá trình thi công cung cấp thông tin quan trọng về ảnh hưởng của việc đào hầm đến mực nước ngầm, là một phần thiết yếu của công tác kiểm soát thi công và mọi chương trình bảo vệ các công trình, tiện ích hiện hữu. Các cơ quan quản lý địa phương và tiểu bang có thể đặt ra các yêu cầu cụ thể đối với giếng quan trắc và piezometer cố định, đối với việc lập hồ sơ cho cả hệ thống tạm thời và cố định, cũng như đối với việc đóng các hệ thống này.

3.5.6.1 Thí nghiệm thấm trong lỗ khoan

Thí nghiệm thấm trong lỗ khoan là phương pháp chi phí thấp để đánh giá tính thấm của đất và đá. Các loại thí nghiệm chính gồm thí nghiệm cột nước hạ, cột nước dâng và cột nước không đổi trong đất, và thí nghiệm packer trong đá, như mô tả dưới đây. Thông tin bổ sung về chi tiết và quy trình thực hiện, diễn giải các thí nghiệm thấm trong lỗ khoan được trình bày trong FHWA (2002b).

Thí nghiệm trong lỗ khoan đặc biệt hữu ích đối với cát và sỏi, vì mẫu của các vật liệu này thường quá xáo động để dùng cho thí nghiệm thấm trong phòng. Tuy nhiên, một hạn chế lớn của các thí nghiệm này là chúng chỉ đánh giá điều kiện đất trong phạm vi ngay gần lỗ khoan, và kết quả không phản ánh ảnh hưởng của nguồn bổ cập nước hoặc sự phân lớp đất trên phạm vi rộng hơn.

Thí nghiệm thấm trong lỗ khoan được thực hiện gián đoạn khi lỗ khoan được tiến sâu. Các lỗ khoan dự kiến thực hiện thí nghiệm thấm cần được khoan bằng nước để tránh hình thành lớp màng lọc trên thành lỗ khoan do dung dịch khoan. Ngoài ra, trước khi thực hiện thí nghiệm thấm, lỗ khoan cần được súc rửa bằng nước sạch cho đến khi toàn bộ trầm tích được loại bỏ khỏi lỗ, nhưng không đến mức như khi phát triển giếng nước.

Trong đất, thí nghiệm cột nước dâng hoặc cột nước hạ đều phù hợp nếu tính thấm đủ thấp để cho phép xác định chính xác quan hệ giữa mực nước và thời gian. Trong thí nghiệm cột nước hạ, khi dòng nước chảy từ lỗ khoan ra đất xung quanh, có nguy cơ làm tắc các lỗ rỗng của đất do trầm tích trong nước thí nghiệm. Trong thí nghiệm cột nước dâng, khi nước chảy từ đất xung quanh vào lỗ khoan, có nguy cơ đất dọc theo chiều dài đoạn thí nghiệm bị rời rạc hoặc chuyển sang trạng thái quick nếu gradient thấm quá lớn. Nếu dùng thí nghiệm cột nước dâng, cần đo chiều sâu lỗ khoan tại cuối thí nghiệm để xác định xem lỗ khoan có bị sập hoặc bị đẩy trồi hay không. Nhìn chung, thí nghiệm cột nước dâng là phương pháp được ưu tiên. Tuy nhiên, trong trường hợp tính thấm quá cao khiến không thể đo chính xác mực nước dâng hoặc hạ, cần dùng thí nghiệm cột nước không đổi.

Thí nghiệm áp lực, hay thí nghiệm “packer”, được thực hiện trong đá bằng cách ép nước có áp vào khối đá xung quanh lỗ khoan. Thí nghiệm packer xác định hệ số thấm biểu kiến của khối đá, đồng thời cung cấp đánh giá định tính về chất lượng đá. Các thí nghiệm này cũng có thể được dùng trước và sau khi phụt vữa để đánh giá hiệu quả của công tác phụt vữa đối với tính thấm của đá và cường độ của khối đá. Thí nghiệm được thực hiện bằng cách chọn một đoạn lỗ khoan để thí nghiệm, sau đó bơm phồng một ống cao su hình trụ gọi là “packer” ở phía trên vùng thí nghiệm để cách ly đoạn lỗ khoan đang được thí nghiệm. Vì vậy, thí nghiệm packer có thể được thực hiện gián đoạn khi lỗ khoan được khoan sâu dần. Ngoài ra, có thể thí nghiệm tại nhiều cao độ trong một lỗ khoan hoàn chỉnh bằng hệ thống packer kép, trong đó các packer được đặt và bơm phồng ở cả phía trên và phía dưới vùng cần thí nghiệm, như minh họa trong Hình 3-9. Sau khi packer được bơm phồng để bịt kín đoạn thí nghiệm, nước được bơm có áp vào vùng thí nghiệm, đồng thời ghi lại thời gian và thể tích nước được bơm ở các áp lực khác nhau. Các hướng dẫn thực hiện và đánh giá thí nghiệm packer được trình bày trong Mayne và cộng sự (FHWA, 2002b), và Lowe và Zaccheo (1991).

3.5.6.2 Thí nghiệm bơm

Thí nghiệm bơm liên tục được sử dụng để xác định lưu lượng khai thác của từng giếng và tính thấm của các vật liệu dưới mặt đất trong điều kiện tại hiện trường trên một phạm vi rộng. Dữ liệu này cung cấp thông tin hữu ích để dự đoán lượng nước chảy vào trong quá trình đào hầm; lượng nước cần phải bơm để hạ thấp mực nước ngầm; và bán kính ảnh hưởng của công tác bơm, cùng nhiều nội dung khác.

Thí nghiệm bao gồm việc bơm nước từ một giếng hoặc lỗ khoan và quan trắc ảnh hưởng đến mực nước ngầm theo khoảng cách và thời gian bằng cách đo mực nước trong lỗ đang bơm cũng như trong một mạng các giếng quan trắc bố trí ở nhiều khoảng cách khác nhau quanh giếng bơm. Chiều sâu của giếng thí nghiệm phụ thuộc vào chiều sâu và bề dày của lớp địa tầng đang được khảo sát; số lượng, vị trí và chiều sâu của các giếng quan trắc hoặc piezometer sẽ phụ thuộc vào hình dạng dự kiến của bề mặt nước ngầm sau khi hạ thấp mực nước. Các hướng dẫn thực hiện và đánh giá thí nghiệm bơm được trình bày trong Mayne và cộng sự (FHWA, 2002b).

3.6 CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG

Mặc dù hầm thường được xem là công trình thân thiện với môi trường, một số tác động môi trường ngắn hạn trong quá trình thi công là không thể tránh khỏi. Các tác động dài hạn từ bản thân hầm, từ các cửa hầm, giếng thông gió và đường tiếp cận đến cộng đồng địa phương, di tích lịch sử, vùng đất ngập nước và các khu vực nhạy cảm về thẩm mỹ, môi trường và sinh thái khác phải được xác định và khảo sát kỹ trong giai đoạn lập kế hoạch dự án và nghiên cứu khả thi, đồng thời được xử lý phù hợp trong các nghiên cứu môi trường và thiết kế.

Việc khảo sát và giải quyết sớm các vấn đề môi trường là mục tiêu thiết yếu đối với mọi dự án ngầm, vì các điều kiện không lường trước được phát hiện muộn hơn trong giai đoạn thiết kế hoặc thi công có thể gây nguy hiểm cho dự án.

Dữ liệu môi trường cụ thể cần thiết cho từng dự án ngầm phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa chất, địa lý và yêu cầu chức năng của công trình ngầm. Tuy nhiên, có thể nêu một số vấn đề phổ biến dưới dạng danh mục kiểm tra như dưới đây:

• Hạ tầng hiện hữu, và các chướng ngại ngầm cũng như trên mặt đất
• Các công trình trên mặt đất trong phạm vi ảnh hưởng
• Quyền sở hữu và mục đích sử dụng đất (công cộng và tư nhân)
• Tác động đến môi trường sống của hệ sinh thái
• Đất hoặc nước ngầm bị ô nhiễm
• Tác động dài hạn đến mực nước ngầm, các tầng chứa nước và chất lượng nước
• Kiểm soát dòng chảy tràn và xói mòn trong quá trình thi công
• Nền đất tự nhiên có khí, hoặc nước ngầm có thành phần hóa học gây hại
• Hạn chế tiếp cận đối với các vị trí thi công và tuyến vận chuyển tiềm năng
• Các khu vực vận chuyển và đổ thải vật liệu đào
• Tiếng ồn và rung động từ hoạt động thi công, và từ giao thông trong tương lai tại các đường tiếp cận đến hầm hoàn thiện
• Chất lượng không khí trong quá trình thi công, và tại các cửa hầm, giếng thông gió và đường tiếp cận của hầm hoàn thiện
• Duy trì giao thông xe cơ giới và các tuyến vận tải trong quá trình thi công
• Duy trì hoạt động của các công trình tiện ích và cơ sở hiện hữu khác trong quá trình thi công
• Tiếp cận đến các bất động sản dân cư và thương mại
• Kiểm soát sinh vật gây hại trong quá trình thi công
• Tác động dài hạn đến cộng đồng
• Tác động dài hạn đến giao thông
• Quyền sử dụng tạm thời và vĩnh viễn
• An toàn cháy nổ, an toàn sinh mạng và an ninh hầm
• Các ràng buộc pháp lý và môi trường, được liệt kê trong các báo cáo hoặc tuyên bố môi trường, hoặc ở nơi khác

3.7 ĐỘNG ĐẤT

Sự giải phóng năng lượng từ động đất tạo ra các sóng gia tốc địa chấn truyền qua nền đất. Dạng tải trọng động tức thời này làm tăng ứng suất cắt trong nền đất, đồng thời làm giảm thể tích lỗ rỗng trong vật liệu, dẫn đến tăng áp lực của chất lưu (nước) trong các lỗ rỗng và khe nứt. Do đó, lực cắt tăng lên, còn lực ma sát chống lại chúng giảm xuống. Các yếu tố khác cũng có thể ảnh hưởng đến phản ứng của nền đất trong động đất.

• Khoảng cách từ nguồn địa chấn đến vị trí dự án.
• Độ lớn của gia tốc địa chấn.
• Thời gian kéo dài của động đất.
• Mặt cắt dưới mặt đất.
• Đặc trưng động và cường độ của các vật liệu bị ảnh hưởng.

Ngoài khoảng cách từ nguồn địa chấn đến vị trí dự án, cũng như lịch sử thời gian thiết kế/dự kiến, thời gian kéo dài và độ lớn của trận động đất nền đá, mặt cắt đất bên dưới có thể ảnh hưởng sâu sắc đến chuyển động nền do động đất, bao gồm cường độ, thành phần tần số và thời gian kéo dài của rung lắc động đất. Sự khuếch đại gia tốc cực đại của nền đá lên hệ số bốn hoặc lớn hơn đã được cho là do phản ứng của mặt cắt đất địa phương đối với chuyển động nền đá (Kavazanjian và cộng sự, 1998).

Chương 13 thảo luận các xem xét về địa chấn trong thiết kế công trình ngầm và các tham số cần thiết.

Gia tốc nền liên quan đến các sự kiện địa chấn có thể gây ra lực quán tính đáng kể, dẫn đến mất ổn định và biến dạng vĩnh viễn theo cả phương đứng và phương ngang của hầm và mái dốc cửa hầm. Ngoài ra, trong quá trình rung lắc mạnh do động đất, đất rời bão hòa có thể bị mất cường độ và độ cứng đột ngột, đôi khi dẫn đến mất sức chịu tải, chuyển vị ngang vĩnh viễn lớn, sạt trượt, và/hoặc lún địa chấn của nền đất.

Hiện tượng hóa lỏng bên dưới và gần mái dốc cửa hầm có thể gây hậu quả nghiêm trọng, vì mất ổn định tổng thể dưới dạng chuyển vị ngang quá mức hoặc phá hoại lan truyền theo phương ngang có thể xảy ra. Người đọc có thể tham khảo ấn phẩm FHWA “Geotechnical Earthquake Engineering” của Kavazanjian và cộng sự (1998) để xem phần thảo luận chi tiết về chủ đề này.

3.8 KHẢO SÁT BỔ SUNG TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG

3.8.1 Tổng quát

Đối với các dự án hầm, nhìn chung cần thực hiện các khảo sát bổ sung dưới mặt đất và đặc trưng hóa nền đất trong quá trình thi công. Các khảo sát trong giai đoạn thi công này phục vụ một số chức năng quan trọng, cung cấp thông tin cho:

• Thiết kế và lắp đặt các công trình tạm của nhà thầu
• Xác định rõ hơn các dị thường và điều kiện không lường trước được phát hiện sau khi bắt đầu thi công
• Ghi chép các điều kiện nền đất hiện hữu để so sánh với điều kiện ban đầu đã xác lập, làm cơ sở cho các điều chỉnh chi phí do điều kiện hiện trường khác biệt
• Đánh giá trước điều kiện nền đất và nước ngầm phía trước gương đào, nhằm giảm rủi ro và nâng cao hiệu quả thi công hầm
• Xác định hệ chống đỡ ban đầu cần lắp đặt và các vị trí có thể thay đổi hệ chống đỡ
• Đánh giá phản ứng của nền đất, các công trình và tiện ích hiện hữu đối với hoạt động đào hầm
• Đánh giá phản ứng của mực nước ngầm đối với công tác tháo khô và đào hầm
• Xác định vị trí và chiều sâu của các tiện ích hiện hữu và các công trình ngầm khác

Một chương trình khảo sát trong giai đoạn thi công điển hình có thể bao gồm một số hoặc toàn bộ các nội dung sau:

• Khoan khảo sát dưới mặt đất và thăm dò từ mặt đất
• Hố thăm
• Bổ sung giếng quan trắc nước ngầm và/hoặc piezometer
• Thí nghiệm bổ sung trong phòng đối với mẫu đất và đá
• Lập bản đồ địa chất mặt đào hở
• Quan trắc địa kỹ thuật
• Thăm dò trước gương đào từ mặt hầm
• Hầm dẫn
• Thí nghiệm môi trường đối với các mẫu đất và nước ngầm nghi ngờ bị ô nhiễm hoặc có hại khác

Một số nội dung khảo sát nêu trên, như quan trắc địa kỹ thuật, có thể được xác định là yêu cầu trong hồ sơ hợp đồng; trong khi các nội dung khác, như khoan thăm dò bổ sung, có thể được để cho nhà thầu quyết định vì lợi ích và sự thuận tiện của họ. Việc lập bản đồ mặt đào và quan trắc nước ngầm trong hầm cần là các nội dung bắt buộc đối với mọi dự án hầm, vì thông tin thu được từ các hồ sơ này sẽ là cơ sở để đánh giá tính hợp lý của các khiếu nại về điều kiện hiện trường tiềm ẩn.

3.8.2 Lập bản đồ địa chất gương đào

Đối với các phương pháp đào hầm gương hở, bao gồm phương pháp đào tuần tự (SEM), đào gương hở trong đất và phương pháp khoan-nổ mìn trong đá, toàn bộ hoặc một phần lớn gương đào hầm sẽ được lộ ra, cho phép đánh giá trực quan các điều kiện nền đất và nước ngầm hiện hữu. Trong các trường hợp này, điều kiện gương đào lộ ra được ghi chép bằng các bản phác thảo mặt cắt ngang, tức là lập bản đồ mặt đào, được thực hiện theo các khoảng cách thường xuyên khi hầm tiến đào.

Thông tin thường được đưa vào các bản đồ mặt đào này gồm: vị trí lý trình của mặt cắt; ngày và thời điểm lập bản đồ mặt đào; tên người lập bản đồ mặt đào; phân loại từng loại vật liệu quan sát được; vị trí ranh giới tiếp xúc giữa các vật liệu; mô tả khe nứt trong đá, bao gồm hướng của các khe nứt chính và mô tả khe nứt; các đới cắt; điều kiện thấm quan sát được và vị trí gần đúng của chúng trên gương đào; ứng xử nền đất quan sát được, đặc biệt là vị trí của vật liệu không ổn định hoặc vật liệu squeezing tại gương đào; vị trí của mọi tảng lăn, cọc hoặc vật cản khác; vị trí của mọi vật liệu phụt vữa hoặc vật liệu gắn kết xi măng; và mọi quan sát quan trọng khác.

Trong hầm đá, khi vành hầm còn lộ ra, có thể lập các bản phác thảo thể hiện thông tin tương tự cho thành hầm và nóc hầm. Tất cả công tác lập bản đồ cần do nhà địa chất hoặc kỹ sư địa chất am hiểu về đào hầm và phân loại đất, đá thực hiện.

Các bản đồ mặt đào có thể được dùng để ghi chép chính xác các điều kiện lộ ra trong quá trình đào hầm và xây dựng mặt cắt chi tiết về điều kiện dưới mặt đất dọc theo tuyến hầm. Tuy nhiên, luôn có các giới hạn và độ không chắc chắn đáng kể khi ngoại suy các điều kiện quan sát được ra ngoài chu vi hầm.

Khi sử dụng kết hợp với dữ liệu khảo sát dưới mặt đất gần đó và hồ sơ quan trắc địa kỹ thuật, các bản đồ mặt đào có thể được dùng để xây dựng mối tương quan tổng quát giữa chuyển vị nền, điều kiện địa chất và các yếu tố khác, như chiều sâu hầm, điều kiện nước ngầm, v.v.

3.8.3 Quan trắc địa kỹ thuật

Quan trắc địa kỹ thuật được sử dụng trong quá trình thi công để theo dõi chuyển vị của nền đất và công trình, lún bề mặt phía trên và gần hầm, biến dạng của hệ chống đỡ ban đầu và vỏ hầm hoàn thiện, mực nước ngầm, tải trọng trong các bộ phận kết cấu của hệ chống đỡ đào, và rung động của nền đất cũng như công trình, cùng nhiều yếu tố khác.

Công tác quan trắc này là yếu tố then chốt trong mọi chương trình bảo trì và bảo vệ các công trình, tiện ích hiện hữu. Ngoài ra, nó cung cấp thông tin định lượng phục vụ đánh giá các quy trình đào hầm trong quá trình thi công, và có thể được dùng để kịp thời điều chỉnh quy trình đào hầm nhằm giảm tác động của thi công.

Quan trắc cũng được sử dụng để theo dõi biến dạng và ổn định của khoảng mở hầm, đánh giá mức độ phù hợp của hệ chống đỡ ban đầu và phương pháp, trình tự đào hầm, đặc biệt đối với các hầm thi công bằng phương pháp đào tuần tự (SEM) và các hầm trong đới cắt hoặc nền squeezing. Chương 16 trình bày thêm về quan trắc địa kỹ thuật cho các dự án hầm.

3.8.4 Thăm dò trước gương đào

Nếu phù hợp, chẳng hạn đối với các dự án hầm thi công bằng SEM và hầm trong đá cứng, thăm dò trước gương đào được sử dụng để xác định trước điều kiện nền đất tổng quát phía trước khi đào, đồng thời nhận diện và giảm áp nước trong mọi đới cục bộ có đất chứa nước hoặc khe nứt trong đá. Đối với hầm thi công bằng SEM, thăm dò cũng cung cấp đánh giá sớm về loại đất gặp phải, có thể hỗ trợ việc lựa chọn các cấp chống đỡ khi tiến đào.

Ưu điểm của thăm dò gồm: giảm rủi ro và nguy hiểm liên quan đến đào hầm; cung cấp dữ liệu khảo sát hiện trường liên tục ngay dọc theo tuyến hầm; cung cấp thông tin trực tiếp phía trước khu vực đào, cho phép tập trung vào các điều kiện nền đất có tác động tức thời nhất đến hoạt động đào hầm; có thể thực hiện nhanh chóng với chi phí tương đối thấp. Tuy nhiên, nhược điểm gồm: nguy cơ bỏ sót các đặc điểm quan trọng do chỉ khoan một số lượng hạn chế lỗ thăm dò từ gương đào; và làm gián đoạn hoạt động đào hầm trong quá trình thăm dò. Thăm dò từ trong hầm phải được xem là phương pháp khảo sát bổ sung, dùng kết hợp với dữ liệu khảo sát dưới mặt đất thu được trong các giai đoạn trước của dự án.

Thăm dò thường bao gồm khoan ngang từ gương hầm bằng phương pháp khoan đập hoặc khoan xoay. Khoan lấy lõi có thể dùng để thăm dò trong đá, nhưng không phổ biến do cần nhiều thời gian hơn để lấy lõi. Mẫu mùn khoan từ lỗ thăm dò được quan sát trực quan và phân loại, đồng thời đánh giá tác động tiềm tàng đến đào hầm và quy trình chống đỡ. Trong đá, camera lỗ khoan có thể được dùng để đánh giá tốt hơn chất lượng đá, hướng của các mặt gián đoạn, và sự hiện diện của đới cắt cũng như các đặc điểm quan trọng khác.

Chiều dài các lỗ thăm dò có thể thay đổi đáng kể, từ chỉ bằng 3 hoặc 4 lần chiều dài của mỗi bước đào đến hàng trăm feet. Các lỗ ngắn hơn có thể được khoan nhanh hơn, cho phép thực hiện như một phần của chu kỳ đào thông thường. Tuy nhiên, các lỗ dài hơn, thực hiện với tần suất ít hơn, có thể gây ít gián đoạn hơn cho hoạt động đào hầm.

3.8.5 Hầm dẫn

Hầm dẫn, và các adit thăm dò ngắn hơn, là các hầm kích thước nhỏ, thường tối thiểu khoảng 6.5 ft × 6.5 ft, đôi khi được sử dụng cho các hầm đá kích thước lớn trong điều kiện địa chất phức tạp. Khi sử dụng, hầm dẫn thường được thực hiện theo một hợp đồng riêng trước hợp đồng hầm chính, nhằm cung cấp cho các nhà thầu dự thầu hiểu biết rõ hơn về điều kiện nền đất sẽ gặp. Mặc dù hầm dẫn là phương pháp thăm dò rất tốn kém, chúng có thể mang lại lợi ích tài chính đáng kể cho chủ đầu tư bằng cách tạo ra các hồ sơ dự thầu cho công trình hầm chính với chi phí dự phòng thấp hơn nhiều, và bằng cách giảm số lượng cũng như mức độ khiếu nại về điều kiện hiện trường khác biệt trong quá trình thi công.

Ngoài việc tạo cơ hội cho các nhà thầu dự thầu trực tiếp quan sát và đánh giá điều kiện đá hiện hữu, hầm dẫn còn có các ưu điểm quan trọng khác, bao gồm: cung cấp thông tin đầy đủ và đáng tin cậy hơn để thiết kế hệ chống đỡ ban đầu và vỏ hầm hoàn thiện; tạo lối tiếp cận để thực hiện thí nghiệm tại hiện trường đối với đá dọc theo tuyến hầm đề xuất; cung cấp thông tin để quy định và lựa chọn các phương pháp thi công và thiết bị đào hầm phù hợp; tạo phương tiện thoát nước trước hiệu quả hơn, đồng thời xác định chắc chắn hơn các biện pháp kiểm soát nước ngầm ngắn hạn và dài hạn; tạo phương tiện hiệu quả để nhận diện và thông hơi điều kiện khí độc; phương tiện để thí nghiệm và đánh giá các phương pháp và thiết bị đào hầm tiềm năng; và tạo lối tiếp cận để lắp đặt một số hệ chống đỡ ban đầu, thường tại vùng vòm của hầm, trước khi đào hầm chính.

Cần cân nhắc việc bố trí hầm dẫn liền kề với hầm đề xuất, sử dụng hầm dẫn để thoát hiểm khẩn cấp, thoát nước hầm, thông gió hầm, hoặc các mục đích khác cho công trình hoàn thiện.

3.9 HỆ THỐNG QUẢN LÝ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN ĐỊA LÝ

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) được thiết kế để quản lý một lượng lớn dữ liệu trong môi trường phức tạp, và là công cụ hữu ích cho việc ra quyết định, lập kế hoạch, thiết kế, thi công và quản lý chương trình. GIS có thể tiếp nhận mọi loại dữ liệu, như dữ liệu số, văn bản, đồ họa, dạng bảng, hình ảnh, v.v., và tổ chức các dữ liệu này thành một chuỗi các lớp liên kết với nhau để dễ truy xuất. Thông tin lưu trong hệ thống có thể được truy xuất chọn lọc, so sánh, chồng ghép lên dữ liệu khác, kết hợp với nhiều lớp dữ liệu khác, cập nhật, xóa bỏ, chỉnh sửa, vẽ biểu đồ, truyền đi, v.v.

GIS có thể cung cấp phương tiện để nhập và nhanh chóng truy xuất nhiều loại thông tin về tiện ích, bao gồm vị trí, cao độ, loại, kích thước, ngày thi công và sửa chữa, quyền sở hữu, quyền sử dụng hành lang, v.v. Thông tin này được lưu trong các lớp dữ liệu riêng biệt và có thể dễ dàng truy cập để hiển thị hoặc vẽ cả thông tin kỹ thuật và thông tin nhân khẩu học.

Thông tin điển hình có thể được nhập vào cơ sở dữ liệu GIS cho một dự án hầm có thể bao gồm lưới đường phố; dữ liệu địa hình; ranh giới thửa đất; giới hạn hành lang tuyến; vị trí công trình hiện hữu, loại kết cấu, chiều cao, cao độ tầng hầm, tình trạng công trình, v.v.; thông tin tuyến và trắc dọc hầm đề xuất; móng bị chôn lấp đã bỏ hoang và các chướng ngại ngầm khác; tim tuyến và cao độ của các hầm hiện hữu; các kết cấu đề xuất, bao gồm cửa hầm, giếng, dốc lên/xuống, công trình, v.v.; sơ đồ bố trí và cao độ các tiện ích; vị trí và chiều sâu hầm kỹ thuật; nhật ký lỗ khoan và các thông tin khảo sát dưới mặt đất khác; dữ liệu địa vật lý; bề mặt suy diễn cho các lớp đất và đá khác nhau; bề mặt nước ngầm ước tính; các khu vực đã xác định có ô nhiễm đất và nước ngầm; và mọi yếu tố vật lý khác thuộc ranh giới quản lý trong phạm vi lân cận dự án.

Hỗ trợ duy trì trang:

Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.

Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.

Qua USD (Buy Me a Coffee)

BIDV • STK: 3101226659 • HOANG HAI HA