Chương 5 – HẦM ĐÀO HỞ VÀ LẤP LẠI

5.1 GIỚI THIỆU

Chương này trình bày phương pháp thi công và các hệ chống đỡ hố đào cho hầm đường bộ thi công theo phương pháp đào hở và lấp lại, đồng thời mô tả thiết kế kết cấu theo AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (AASHTO, 2008). Mục đích của chương này là đưa ra hướng dẫn về việc diễn giải các quy định trong AASHTO LRFD Specifications nhằm áp dụng bộ tiêu chuẩn này một cách thống nhất hơn, và hướng dẫn thiết kế các hạng mục chưa được đề cập cụ thể trong AASHTO (2008). Các kỹ sư thiết kế phải tuân theo các LRFD Specifications mới nhất. Một ví dụ thiết kế minh họa các khái niệm được trình bày trong chương này có trong Phụ lục C. Các vấn đề khác liên quan đến chống đỡ hố đào, duy trì giao thông và công trình tiện ích, cũng như kiểm soát nước ngầm và ảnh hưởng của chúng đến thiết kế kết cấu cũng được thảo luận.

5.2 PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG

5.2.1 Tổng quát

Trong hầm đào hở (cut and cover tunnel), kết cấu được xây dựng bên trong hố đào và được phủ lại bằng vật liệu đắp sau khi thi công kết cấu hoàn tất.

Phương pháp đào hở được sử dụng khi trắc dọc hầm nằm nông và việc đào từ mặt đất là khả thi, kinh tế và chấp nhận được. Phương pháp này được dùng cho hầm chui, các đoạn tiếp cận của hầm đào ngầm, và các hầm ở địa hình bằng phẳng hoặc tại những nơi có lợi khi xây dựng hầm ở độ sâu nông.

Có hai phương pháp thi công hầm đào hở: từ dưới lên (bottom-up) và từ trên xuống (top-down). Hai phương pháp này được mô tả chi tiết hơn dưới đây. Việc xác định trắc dọc và bình đồ tuyến hầm phù hợp được trình bày trong Chương 1 của sổ tay này.

Hình 5-1 là minh họa thi công hầm đào hở và lấp lại theo phương pháp từ dưới lên và từ trên xuống. Hình 5-1(a) minh họa thi công từ dưới lên, trong đó kết cấu cuối cùng độc lập với hệ chống đỡ thành hố đào. Hình 5-1(b) minh họa thi công từ trên xuống, trong đó mái hầm và trần hầm là các bộ phận kết cấu của hệ chống đỡ thành hố đào.

Đối với độ sâu từ 30 đến 40 ft (khoảng 10 m đến 12 m), phương pháp đào hở thường kinh tế hơn và thực tế hơn so với đào ngầm hoặc đào bằng máy khoan hầm. Hầm đào hở thường được thiết kế dưới dạng kết cấu hộp khung cứng. Ở khu vực đô thị, do không gian sẵn có bị hạn chế, hầm thường được xây dựng trong phạm vi hố đào gọn, sử dụng các tường chống đỡ hố đào có giằng chống hoặc neo giữ. Khi không gian thi công cho phép, ở các khu vực ngoài phạm vi phát triển đô thị, có thể kinh tế hơn nếu áp dụng phương pháp đào mở.

Khi tuyến hầm nằm bên dưới đường phố đô thị, thi công đào hở sẽ gây cản trở giao thông và các hoạt động đô thị khác. Mức độ gián đoạn này có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng hệ sàn che trên hố đào để khôi phục giao thông. Mặc dù hầu hết các hầm đào hở có độ sâu tương đối nông tính đến đáy hầm, độ sâu đến 60 ft (18 m) không phải là hiếm; tuy nhiên, độ sâu hiếm khi vượt quá 100 ft (30 m).

Mặc dù chống đỡ hố đào là một khía cạnh quan trọng của thi công đào hở, thiết kế chống đỡ hố đào, trừ khi là một phần của kết cấu vĩnh cửu, không được đề cập trong chương này.

5.2.2 Thi công truyền thống theo phương pháp từ dưới lên

Như thể hiện trong Hình 5-2, trong phương pháp thi công truyền thống “từ dưới lên”, một rãnh đào được đào từ mặt đất; hầm được thi công bên trong rãnh đào đó, sau đó rãnh được lấp lại và mặt đất được khôi phục. Rãnh đào có thể được tạo bằng phương pháp đào hở, với thành hố đào được đào vát mái và không chống đỡ, hoặc với thành đứng sử dụng hệ chống đỡ hố đào. Trong thi công từ dưới lên, hầm được hoàn thành trước khi được phủ lấp và mặt đất được khôi phục.

Trình tự thi công truyền thống theo phương pháp từ dưới lên trong Hình 5-2(a) thường gồm các bước sau:

Bước 1a: Lắp đặt các tường chống đỡ hố đào tạm thời, chẳng hạn như tường cọc soldier pile và ván chèn, tường cừ ván thép, tường vữa, tường tiếp tuyến hoặc tường cọc cát tuyến.
Bước 1b: Hạ mực nước trong phạm vi rãnh đào nếu cần.
Bước 1c: Đào đất và lắp đặt các cấu kiện chống đỡ tường tạm thời, chẳng hạn như thanh chống ngang hoặc neo giữ.
Bước 2: Thi công kết cấu hầm bằng cách thi công bản đáy.
Bước 3: Hoàn thành thi công tường và bản mái, chống thấm nếu cần.
Bước 4: Lấp đất đến cao độ hoàn thiện và khôi phục mặt đất.

Thi công từ dưới lên có một số ưu điểm:

• Đây là phương pháp thi công truyền thống, được các nhà thầu hiểu rõ.
• Có thể thi công chống thấm ở mặt ngoài của kết cấu.
• Bên trong hố đào dễ tiếp cận cho thiết bị thi công, cũng như cho việc vận chuyển, lưu trữ và bố trí vật liệu.
• Có thể lắp đặt hệ thống thoát nước bên ngoài kết cấu để dẫn nước hoặc chuyển hướng nước ra khỏi kết cấu.

Các nhược điểm của thi công từ dưới lên gồm:

• Cần phạm vi chiếm dụng thi công lớn hơn một chút so với thi công từ trên xuống.
• Mặt đất không thể được khôi phục về trạng thái cuối cùng cho đến khi thi công hoàn tất.
• Cần hệ chống đỡ tạm thời hoặc di dời công trình tiện ích.
• Có thể cần hạ mực nước ngầm, việc này có thể gây ảnh hưởng bất lợi đến hạ tầng xung quanh.

5.2.3 Thi công từ trên xuống

Với thi công từ trên xuống trong Hình 5-2(b), các tường hầm được thi công trước, thường sử dụng tường vữa, mặc dù cũng có thể sử dụng tường cọc cát tuyến. Trong phương pháp này, hệ chống đỡ hố đào thường chính là các tường hầm kết cấu cuối cùng. Các tường hoàn thiện thứ cấp được thi công sau khi hoàn thành kết cấu. Tiếp theo, bản mái được thi công và liên kết với đỉnh các tường chống đỡ hố đào. Sau đó, mặt đất được khôi phục trước khi hoàn thành toàn bộ công trình. Phần còn lại của công tác đào được thực hiện dưới sự bảo vệ của bản mái. Khi đào xong, bản đáy được thi công và liên kết với các tường. Sau đó, các lớp hoàn thiện của hầm được lắp đặt bên trong kết cấu đã hoàn thành. Đối với các hầm rộng hơn, các cọc tạm thời hoặc vĩnh cửu, hoặc các cấu kiện tường, đôi khi được lắp đặt dọc theo tim hầm dự kiến để giảm nhịp của mái và các bản sàn hầm.

Trình tự thi công từ trên xuống thường gồm các bước sau:

Bước 1a: Lắp đặt hệ chống đỡ hố đào/tường kết cấu hầm, chẳng hạn như tường vữa hoặc tường cọc cát tuyến.
Bước 1b: Hạ mực nước trong phạm vi hố đào nếu cần.
Bước 2a: Đào đến cao độ đáy bản mái hầm.
Bước 2b: Thi công và chống thấm bản mái hầm, liên kết bản mái với các tường chống đỡ hố đào.
Bước 3a: Lấp đất trên mái hầm và khôi phục mặt đất.
Bước 3b: Đào phần bên trong hầm; hệ giằng chống cho các tường chống đỡ hố đào được lắp đặt theo yêu cầu trong quá trình đào.
Bước 3c: Thi công bản đáy hầm và liên kết bản đáy với các tường chống đỡ hố đào.
Bước 4: Hoàn thiện các hạng mục bên trong, bao gồm các tường thứ cấp.

Thi công từ trên xuống có một số ưu điểm so với thi công từ dưới lên:

• Cho phép khôi phục sớm mặt đất phía trên hầm.
• Hệ chống đỡ tạm thời của thành hố đào được sử dụng làm các tường kết cấu vĩnh cửu.
• Các bản kết cấu sẽ đóng vai trò hệ giằng chống bên trong cho tường chống đỡ hố đào, nhờ đó giảm số lượng neo giữ cần thiết.
• Cần bề rộng khu vực thi công nhỏ hơn.
• Thi công bản mái dễ hơn vì có thể đổ trên nền đã chuẩn bị sẵn, thay vì phải sử dụng ván khuôn đáy.
• Có thể làm giảm chi phí hầm nhờ loại bỏ phần đào riêng cho các tường bê tông đổ tại chỗ độc lập trong hố đào, đồng thời giảm nhu cầu dùng neo giữ và giằng chống bên trong.
• Có thể rút ngắn thời gian thi công nhờ các hoạt động thi công chồng lấn nhau.

Các nhược điểm của thi công từ trên xuống gồm:

• Không thể lắp đặt chống thấm bên ngoài các tường hầm.
• Các liên kết giữa bản mái, bản đáy và các bản sàn trở nên phức tạp hơn.
• Có khả năng rò rỉ nước tại các mối nối giữa các bản và tường.
• Có nguy cơ các tường ngoài, hoặc cột giữa, vượt quá sai số lắp đặt cho phép và lấn vào phạm vi gọn của không gian bên trong.
• Khả năng tiếp cận hố đào bị hạn chế, chỉ qua các cổng hoặc qua các giếng xuyên qua mái hầm.
• Không gian để đào và thi công bản đáy bị hạn chế.

5.2.4 Lựa chọn

Khó có thể khái quát hóa việc sử dụng một phương pháp thi công cụ thể, vì mỗi dự án đều có tính riêng biệt và có nhiều ràng buộc cũng như biến số cần được đánh giá khi lựa chọn phương pháp thi công. Phần tóm tắt sau đây trình bày các điều kiện có thể khiến một phương pháp thi công trở nên hấp dẫn hơn phương pháp còn lại. Tóm tắt này chỉ nên được sử dụng kết hợp với việc đánh giá cẩn thận tất cả các yếu tố liên quan đến dự án để đưa ra quyết định cuối cùng về phương pháp thi công sẽ được sử dụng.

Các điều kiện thuận lợi cho thi công từ dưới lên:

• Không có hạn chế về quyền sử dụng đất/hành lang tuyến.
• Không yêu cầu hạn chế chuyển vị ngang của tường.
• Không yêu cầu khôi phục vĩnh viễn mặt đất.

Các điều kiện thuận lợi cho thi công từ trên xuống:

• Bề rộng quyền sử dụng đất/hành lang tuyến bị hạn chế.
• Chuyển vị ngang của tường phải được hạn chế để bảo vệ các công trình lân cận.
• Mặt đất phải được khôi phục về điều kiện sử dụng vĩnh viễn càng sớm càng tốt.

5.3 CHỐNG ĐỠ HỐ ĐÀO

5.3.1 Tổng quát

Phạm vi độ sâu thực tế đối với thi công hầm đào hở và lấp lại là từ 30 đến 40 ft (khoảng 10 m đến 12 m). Đôi khi, có thể đạt đến độ sâu 100 ft (30 m). Hố đào phục vụ thi công hầm đào hở và lấp lại phải được thiết kế và thi công để tạo không gian làm việc an toàn, bảo đảm khả năng tiếp cận cho các hoạt động thi công, đồng thời bảo vệ các kết cấu, công trình tiện ích và hạ tầng khác nằm gần hố đào. Thiết kế hệ chống đỡ hố đào đòi hỏi phải xem xét nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống và tác động đến bản thân kết cấu hầm. Các yếu tố này được thảo luận sau đây.

Các hệ chống đỡ hố đào được chia thành ba nhóm chung:

• Đào hở có mái dốc: Phương pháp này được sử dụng ở những khu vực có đủ không gian để đào hở khu vực hầm, với mái dốc lùi về phía sau, đáp ứng góc dốc ổn định của đất liền kề như trong Hình 5-3. Mái dốc phải được thiết kế tương tự như các mái đào thông thường khác, có xét đến góc nghỉ tự nhiên của vật liệu tại chỗ và ổn định tổng thể.
• Tạm thời: Đây là kết cấu được thiết kế để chống đỡ các mặt đào thẳng đứng hoặc gần thẳng đứng ở những khu vực không có đủ không gian để đào hở. Kết cấu này không tham gia vào khả năng chịu tải cuối cùng của kết cấu hầm, và sẽ được bỏ lại tại chỗ hoặc tháo dỡ khi hố đào được lấp lại. Thông thường, hệ này gồm tường cọc soldier pile và ván chèn, tường cừ ván thép, tường vữa, tường cọc cát tuyến hoặc tường cọc tiếp tuyến.
• Vĩnh cửu: Đây là kết cấu được thiết kế để chống đỡ các mặt đào thẳng đứng hoặc gần thẳng đứng ở những khu vực không có đủ không gian để đào hở. Kết cấu này tạo thành một phần của kết cấu hầm vĩnh cửu. Thông thường, hệ này gồm tường vữa, tường cọc cát tuyến hoặc tường cọc tiếp tuyến.

Phần này thảo luận các hệ chống đỡ hố đào tạm thời và vĩnh cửu, đồng thời trình bày các vấn đề và mối quan tâm cần được xem xét trong quá trình xây dựng phương án chống đỡ hố đào. Thiết kế mái dốc đào hở và hệ chống đỡ hố đào không nằm trong phạm vi của sổ tay này. Thông tin về thiết kế mái dốc đất và đá có thể tham khảo lần lượt trong FHWA-NHI-05-123 “Soil Slope and Embankment Design” (FHWA, 2005d) và NHI-99-007 “Rock Slopes” (FHWA, 1999). Hệ chống đỡ hố đào được đề cập trong FHWA-NHI-05-046 “Earth Retaining Structure” (FHWA, 2005e). Nhiều vấn đề được mô tả dưới đây liên quan đến ứng xử của đất nền và nước ngầm cũng có thể áp dụng cho hố đào mái dốc.

5.3.2 Chống đỡ hố đào tạm thời

Các kết cấu chống đỡ hố đào có thể được phân loại là mềm hoặc cứng. Các hệ chống đỡ hố đào mềm bao gồm tường cừ ván thép và tường cọc soldier pile kết hợp ván chèn. Công tác khảo sát hiện trường kỹ lưỡng, giúp hiểu rõ điều kiện dưới bề mặt, là rất cần thiết để xác định đúng hệ chống đỡ. Các hệ chống đỡ hố đào cứng như tường vữa, tường cọc cát tuyến hoặc tường cọc tiếp tuyến cũng được sử dụng làm hệ chống đỡ hố đào tạm thời. Mô tả các hệ này được trình bày trong Mục 5.3.3 — Chống đỡ hố đào vĩnh cửu.

Một tường cừ ván thép gồm một loạt các tấm cừ liên kết khóa với nhau, tạo thành dạng gợn sóng khi nhìn theo mặt bằng của tường. Các tấm cừ được hạ vào đất bằng phương pháp đóng hoặc rung. Các tấm cừ kéo dài xuống thấp hơn đáy hố đào để bảo đảm ổn định. Các tấm cừ này tương đối mềm và chỉ có thể chống đỡ chiều cao đất nhỏ nếu không có giằng chống. Khi quá trình đào tiếp diễn, các thanh chống hoặc neo giữ được lắp đặt tại các khoảng cách quy định. Tường cừ ván thép có thể được lắp đặt nhanh chóng và dễ dàng trong điều kiện đất lý tưởng. Sự hiện diện của đá, tảng lăn, mảnh vụn, công trình tiện ích hoặc vật cản sẽ gây khó khăn cho việc sử dụng tường cừ ván thép, vì các yếu tố này có thể làm hỏng tấm cừ; hoặc trong trường hợp công trình tiện ích, công trình tiện ích có thể bị tấm cừ làm hư hại. Hình 5-4 thể hiện một tường cừ ván thép với hệ giằng chống bên trong nhiều tầng phức tạp.

Một tường cọc soldier pile và ván chèn gồm các cột thép hình kết cấu, được bố trí cách nhau 4 đến 8 ft (khoảng 1.2 đến 2.4 m) và được đóng xuống đất hoặc đặt trong các lỗ khoan trước. Các cọc soldier pile kéo dài xuống thấp hơn đáng kể so với cao độ đáy hố đào để bảo đảm ổn định. Khi quá trình đào tiếp diễn, ván chèn được đặt giữa các cọc soldier pile để giữ đất phía sau tường. Ván chèn có thể là ván gỗ hoặc tấm bê tông. Tường soldier pile tương đối mềm và chỉ có khả năng chống đỡ chiều cao đất vừa phải nếu không có giằng chống. Khi quá trình đào tiếp diễn, giằng chống hoặc neo giữ được lắp đặt tại các khoảng cách quy định.

Cọc soldier pile cũng có thể được lắp đặt trong các điều kiện đất nền khó khăn hơn so với tường cừ ván thép. Khoảng cách giữa các cọc cho phép lắp đặt cọc xung quanh các công trình tiện ích. Kích thước hữu hạn của cọc cho phép khoan lỗ xuyên qua vật cản và vào đá, làm cho tường cọc soldier pile và ván chèn linh hoạt hơn so với tường cừ ván thép. Hình 5-5 thể hiện một tường cọc soldier pile và ván chèn có giằng chống.

Hệ giằng chống cho chống đỡ hố đào có thể gồm các thanh chống ngang bắc qua hố đào đến tường đối diện, thanh chống xiên/knee brace chống tường vào đất nền, và neo giữ gồm neo đá hoặc neo đất để neo tường vào khối đất phía sau tường. Các thanh chống ngang và thanh chống xiên vươn vào khu vực làm việc, tạo ra các vật cản cho việc thi công hầm. Neo giữ không cản trở không gian hố đào, nhưng đôi khi chúng vươn ra ngoài phạm vi quyền sử dụng đất hiện có, đòi hỏi phải có quyền sử dụng ngầm tạm thời. Chúng cũng có thể gặp các vật cản như tảng lăn, công trình tiện ích hoặc móng công trình. Mức độ phù hợp của neo giữ phụ thuộc vào điều kiện đất phía sau tường. Điều kiện hiện trường phải được khảo sát, hiểu rõ và xét đến khi quyết định phương pháp giằng chống thích hợp. Hình 5-6 thể hiện một hố đào được chống bằng neo giữ, để không gian bên trong hố đào thông thoáng cho các hoạt động thi công.

Thiết kế và cấu tạo chi tiết của hệ chống đỡ hố đào phải xét đến trình tự lắp đặt và các điều kiện tải trọng thay đổi sẽ xảy ra khi hệ thống được lắp đặt. Thiết kế hệ chống đỡ hố đào tạm thời không nằm trong phạm vi của sổ tay này. Thông tin trình bày ở đây nhằm giúp kỹ sư thiết kế hầm nhận biết tác động mà hệ chống đỡ hố đào được lựa chọn có thể gây ra đối với thiết kế, khả năng thi công và khả năng khai thác của kết cấu hầm. Hướng dẫn thiết kế hệ chống đỡ hố đào có thể tham khảo trong FHWA-NHI-05-046 “Earth Retaining Structure” (FHWA, 2005e).

Việc sử dụng hệ chống đỡ hố đào tạm thời có ưu điểm là cho phép thi công chống thấm ở mặt ngoài của kết cấu hầm. Điều này có thể được thực hiện bằng cách bố trí mặt tường chống đỡ hố đào lùi ra xa mặt ngoài của kết cấu hầm. Khoảng không gian này tạo chỗ để lắp dựng ván khuôn và cho phép đặt lớp chống thấm trực tiếp lên mặt ngoài hoàn thiện của kết cấu. Ngoài ra, mặt tường chống đỡ hố đào có thể được đặt sát ngay mặt ngoài của kết cấu. Trong trường hợp này, mặt của hệ chống đỡ hố đào được dùng làm ván khuôn cho kết cấu hầm. Lớp chống thấm được lắp đặt áp sát hệ chống đỡ hố đào, và bê tông được đổ áp vào lớp chống thấm. Trong trường hợp này, tường chống đỡ hố đào tạm thời sẽ được bỏ lại tại chỗ.

5.3.3 Chống đỡ hố đào vĩnh cửu

Chống đỡ hố đào vĩnh cửu thường sử dụng các hệ cứng. Các hệ cứng gồm tường vữa, tường cọc soldier pile bê tông đổ bằng ống tremie (SPTC), tường cọc tiếp tuyến, hoặc tường cọc cát tuyến. Tương tự như đối với các hệ chống đỡ hố đào tạm thời, việc khảo sát hiện trường kỹ lưỡng, giúp hiểu rõ điều kiện dưới bề mặt, là rất cần thiết để xác định hệ phù hợp.

Tường vữa được thi công bằng cách đào một rãnh có chiều dày yêu cầu đối với tường kết cấu ngoài của hầm. Tường vữa thường dày từ 30 đến 48 in. (khoảng 760 đến 1220 mm). Rãnh đào được giữ ổn định bằng cách bơm dung dịch bentonite vào rãnh trong quá trình đào. Rãnh thường kéo dài xuống dưới đáy kết cấu hầm một đoạn nhất định để bảo đảm ổn định. Cốt thép được hạ vào rãnh chứa dung dịch vữa, sau đó bê tông được đổ vào rãnh bằng phương pháp ống tremie, thay thế dung dịch vữa. Tường tạo thành cuối cùng sẽ được tích hợp vào kết cấu hầm hoàn chỉnh.

Công tác đào được thực hiện từ mặt đất ban đầu xuống đến đáy bản mái hầm. Sau đó, bản mái hầm được thi công và liên kết với tường vữa. Bản mái hầm tạo giằng chống cho tường vữa. Tùy theo độ sâu của hầm, bản mái có thể là tầng giằng chống đầu tiên hoặc một tầng trung gian. Sau đó, công tác đào sẽ tiếp tục và bổ sung thêm hệ giằng chống khi cần. Tại đáy hố đào, bản đáy hầm được thi công và liên kết với các tường. Hình 5-7 thể hiện một hố đào được chống đỡ bằng tường vữa trong khu vực đô thị.

Tường SPTC được thi công theo cùng trình tự như tường vữa. Tuy nhiên, sau khi rãnh đã được đào, ngoài cốt thép, các dầm thép hoặc dầm chủ cũng được hạ vào trong dung dịch vữa để tăng thêm khả năng chịu lực. Sau đó, việc thi công tường được thực hiện theo cùng trình tự như đã mô tả ở trên đối với tường vữa.

Tường cọc tiếp tuyến hay tường cọc khoan nhồi tiếp tuyến gồm một chuỗi các cọc khoan nhồi được bố trí sao cho các cọc liền kề tiếp xúc với nhau, do đó có tên gọi là tường tiếp tuyến. Các cọc thường có đường kính từ 24 đến 48 in. (khoảng 610 đến 1220 mm) và kéo dài xuống dưới đáy kết cấu hầm để bảo đảm ổn định.

Trình tự thi công điển hình của tường cọc tiếp tuyến bắt đầu bằng việc đào từng cọc khoan nhồi thứ ba. Các lỗ khoan được giữ ổn định bằng ống vách tạm thời nếu cần. Một dầm thép hoặc lồng cốt thép được đặt vào trong lỗ khoan, sau đó lỗ khoan được lấp đầy bằng bê tông. Nếu sử dụng ống vách, ống vách được rút lên khi quá trình đổ bê tông bằng ống tremie diễn ra. Sau khi bê tông trong nhóm cọc thứ nhất đạt đủ cường độ, nhóm từng cọc thứ ba tiếp theo được thi công theo cùng trình tự như nhóm thứ nhất. Cuối cùng, sau khi bê tông trong nhóm thứ hai đã đông cứng, nhóm cọc thứ ba và cũng là nhóm cuối cùng được thi công, hoàn thành tường.

Công tác đào trong phạm vi các tường sau đó được tiến hành, đồng thời lắp đặt giằng chống theo yêu cầu xuống đến đáy hố đào. Bản mái và bản đáy được thi công và liên kết với tường cọc tiếp tuyến. Bản mái và bản đáy đóng vai trò như các tầng giằng chống. Hình 5-8 là sơ đồ thể hiện trình tự thi công nhìn trên mặt bằng. Hình 5-9 thể hiện một tường cọc tiếp tuyến đã hoàn thành.

Tường cọc cát tuyến tương tự như tường cọc tiếp tuyến, ngoại trừ việc các cọc khoan nhồi chồng lấn lên nhau thay vì chỉ tiếp xúc với nhau. Điều này xảy ra vì khoảng cách tim đến tim của các cọc cát tuyến nhỏ hơn đường kính cọc.

Tường cọc cát tuyến cứng hơn tường cọc tiếp tuyến và hiệu quả hơn trong việc ngăn nước ngầm chảy vào hố đào. Chúng được thi công theo cùng trình tự như tường cọc tiếp tuyến. Tuy nhiên, việc lắp đặt các cọc cát tuyến liền kề đòi hỏi phải loại bỏ một phần của cọc đã thi công trước đó, cụ thể là một phần bê tông lấp trong cọc. Hình 5-10 là sơ đồ mặt bằng của một tường cọc cát tuyến đã hoàn thành.

Nhìn chung, các hệ chống đỡ cứng có khả năng chịu tải lớn hơn so với các hệ mềm. Khả năng chịu tải bổ sung này đồng nghĩa với việc chúng cần ít giằng chống hơn. Việc giảm thiểu số lượng giằng chống giúp giảm vật cản bên trong hố đào khi sử dụng thanh chống hoặc thanh chống xiên, nhờ đó các hoạt động thi công dễ thực hiện hơn. Các hệ tường cứng được tích hợp vào kết cấu cuối cùng cũng có thể làm giảm chi phí tổng thể của kết cấu, vì chúng kết hợp chức năng chống đỡ hố đào với kết cấu cuối cùng. Việc chống thấm các tường chống đỡ vĩnh cửu và xử lý chi tiết các liên kết giữa tường và các cấu kiện kết cấu khác là khó khăn. Khó khăn này có thể dẫn đến rò rỉ nước ngầm vào trong hầm. Thiết kế và cấu tạo chi tiết của hệ chống đỡ hố đào phải xét đến trình tự lắp đặt và các điều kiện tải trọng thay đổi sẽ xảy ra khi quá trình đào diễn ra và hệ thống được lắp đặt.

5.3.4 Chuyển vị đất nền và tác động đến các kết cấu lân cận

Một vấn đề quan trọng trong phân tích và thiết kế hầm đào hở và lấp lại là đánh giá và giảm thiểu các tác động thi công đến các kết cấu, công trình và tiện ích lân cận. Do bản chất của các phương pháp được sử dụng, thi công đào hở và lấp lại gây xáo trộn nhiều hơn so với đào hầm khoan. Kỹ sư thiết kế cần nắm rõ các khía cạnh phân tích khi đánh giá chuyển vị đất do hố đào gây ra, cũng như các tác động có thể xảy ra đối với các công trình và tiện ích hiện hữu tại công trường. Chuyển vị đất có thể do chuyển vị của tường chống đỡ hố đào và do cố kết:

• Chuyển vị của tường chống đỡ hố đào: Tường sẽ chuyển vị vào phía trong hố đào khi quá trình đào diễn ra, trước khi lắp đặt từng tầng thanh chống hoặc neo giữ đỡ tường. Chuyển vị này lớn hơn đối với các hệ chống đỡ mềm so với các hệ cứng. Các chuyển vị này không phục hồi được và có tính tích lũy.
• Cố kết do hạ mực nước ngầm: Trong các hố đào có mực nước ngầm cao, thường cần hạ mực nước bên trong hố đào để tránh mất ổn định. Việc hạ mực nước bên trong hố đào có thể dẫn đến giảm áp lực thủy tĩnh bên ngoài hố đào. Tùy thuộc vào địa tầng đất, điều này có thể gây cố kết và lún đất.

Các công trình và cơ sở hiện hữu phải được đánh giá đối với chuyển vị đất ước tính xảy ra do chuyển vị của tường chống đỡ trong quá trình đào. Việc đánh giá này phụ thuộc vào loại kết cấu hiện hữu, khoảng cách và hướng tương đối so với hố đào, điều kiện đất, loại móng của kết cấu, và các tham số khác. Phân tích này mang tính đặc thù theo từng hiện trường và có thể rất phức tạp. Các phương pháp thực nghiệm và công cụ sàng lọc hiện có có thể được dùng để mô tả khái quát hơn các tác động tiềm tàng.

Các công trình và cơ sở hiện hữu nằm trong vùng ảnh hưởng phải được khảo sát, như đã nêu trong Chương 3, và được quan trắc như đã thảo luận trong Chương 15 — Quan trắc Địa kỹ thuật và Kết cấu.

Các biện pháp để xử lý vấn đề này bao gồm:

• Thiết kế các tường chống đỡ hố đào cứng hơn và kín nước hơn.
• Bố trí các thanh chống hố đào và/hoặc neo giữ cứng hơn, với khoảng cách gần hơn.
• Sử dụng cải thiện đất trước khi đào.
• Chống đỡ bên dưới móng các kết cấu hiện hữu.
• Thực hiện chương trình quan trắc và thiết bị đo trong quá trình đào.
• Thiết lập yêu cầu về các phương án giảm thiểu nếu chuyển vị tiến gần đến giới hạn cho phép.

5.3.5 Ổn định đáy hố đào

Đất yếu bên dưới đáy hố đào có thể đòi hỏi kết cấu chống đỡ hố đào phải được kéo dài xuống đến một tầng đất có năng lực chịu tải tốt hơn, nhằm bảo đảm ổn định đáy của kết cấu. Điều này có thể phụ thuộc vào việc áp lực đất tác dụng lên tường, cùng với trọng lượng bản thân của tường, có thể được truyền vào đất xung quanh thông qua sự kết hợp giữa lực dính bám (ma sát bên) và sức chịu mũi hay không.

Đất sét mềm bên dưới hố đào đặc biệt dễ bị chảy dẻo, làm đáy hố đào bị trồi lên, có khả năng gây lún tại mặt đất, hoặc nghiêm trọng hơn là gây phụt đáy. Mực nước ngầm cao bên ngoài hố đào cũng có thể dẫn đến mất ổn định đáy. Các biện pháp phân tích điều kiện dưới mặt đất và bảo đảm đủ ổn định đáy phải được kỹ sư địa kỹ thuật và/hoặc kỹ sư thiết kế hầm xem xét. Người đọc có thể tham khảo FHWA-NHI-05-046 “Earth Retaining Structures” (FHWA, 2005e) để biết thêm chi tiết.

5.4 HỆ KẾT CẤU

5.4.1 Tổng quát

Một nghiên cứu về hệ thống kết cấu thường được lập để xác định các phương án kết cấu phù hợp nhất cho việc xây dựng hầm đào hở. Việc này bao gồm xác định mặt cắt hầm đề xuất như đã trình bày trong Chương 2, hệ thống chống đỡ hố đào, hệ kết cấu hầm, phương pháp thi công (từ trên xuống so với từ dưới lên), và hệ thống chống thấm. Mỗi yếu tố này phụ thuộc lẫn nhau. Các phương án cho từng yếu tố được thảo luận dưới đây. Nghiên cứu hệ thống cần xem xét tất cả các phương án khả thi theo cách tiếp cận tổng thể, có tính đến ảnh hưởng của một phương án đối với các yếu tố khác.

5.4.1.1 Xác định kích thước cấu kiện kết cấu

Như đã mô tả trong Chương 1, hình dạng của hầm đào hở thường là hình chữ nhật. Kích thước của hộp chữ nhật phải đủ để đáp ứng các yêu cầu về tĩnh không (Chương 2). Thông tin kích thước cần thiết cho việc xác định kích thước kết cấu bao gồm chiều cao tường và chiều dài nhịp của bản mái. Chiều dày tường hầm cộng với yêu cầu bề rộng không gian thông thủy sẽ quyết định bề rộng đào cuối cùng cần thiết để xây dựng hầm. Để giảm thiểu bề rộng ngang của hố đào, hệ chống đỡ hố đào có thể được tích hợp như một phần của kết cấu hoàn thiện.

Tuy nhiên, điều này có thể gây ảnh hưởng bất lợi đến khả năng kín nước của kết cấu. Một số lý do cần giảm thiểu bề rộng ngoài-ngoài của hố đào là:

• Quyền sử dụng đất theo phương ngang bị hạn chế. Trong khu vực đô thị, nơi hầm được xây dựng dọc theo các đường phố đã phát triển, việc có thêm quyền sử dụng đất có thể không thực tế. Có thể có móng các công trình hiện hữu nằm kề hầm hoặc các công trình tiện ích không thể di dời một cách thực tế.
• Có thể tồn tại các đặc điểm tự nhiên khiến hố đào rộng hơn trở nên không mong muốn hoặc không khả thi, chẳng hạn như đá hoặc các khối nước.

Chiều dày bản mái và bản đáy kết hợp với các yêu cầu về tĩnh không sẽ xác định chiều cao thẳng đứng của kết cấu hầm, chiều sâu đào cần thiết, và chiều cao của hệ chống đỡ hố đào tương ứng. Khuyến nghị trong thi công hầm đào hở là chiều sâu hầm cần được giảm thiểu để giảm tổng chi phí, bao gồm cả các chi phí vượt ra ngoài chi phí của riêng kết cấu hầm. Trắc dọc nông hơn cũng có thể tạo ra các đoạn tiếp cận ngắn hơn và độ dốc tiếp cận thuận lợi hơn cho đặc tính vận hành của các phương tiện sử dụng hầm, nhờ đó làm giảm chi phí cho người sử dụng hầm.

5.4.2 Hệ khung kết cấu

Mô hình khung của hầm sẽ khác nhau tùy theo việc các tường chống đỡ hố đào là bộ phận tạm thời (không tích hợp) hay bộ phận vĩnh cửu (tích hợp) của kết cấu hoàn thiện. Với tường chống đỡ hố đào tạm thời, mặt cắt hầm sẽ được xem là một khung có các nút liên kết ngàm. Khi các tường chống đỡ hố đào được dùng để tạo thành một phần của kết cấu hầm, các liên kết ngàm giữa tường chống đỡ hố đào và phần còn lại của kết cấu có thể khó đạt được trong thực tế; có thể đạt được liên kết ngàm một phần, nhưng mức độ ngàm đến đâu có thể khó xác định. Do đó, có thể cần xét một phạm vi mức độ ngàm trong phân tích thiết kế.

Các góc của hầm chữ nhật thường có cấu tạo vút để tăng khả năng chịu cắt của cấu kiện gần gối tựa, về thực chất tạo ra dạng gần giống vòm hơn. Dạng vòm thật sự là một giải pháp hiệu quả cho bản mái hầm nhưng thường tạo ra các vấn đề khác. Vòm dẹt tạo ra tải trọng ngang tại đường khởi vòm, các tải trọng này phải được tường chống lại. Vòm bán nguyệt loại bỏ các lực này nhưng tạo ra mặt cắt lớn hơn yêu cầu theo phương đứng, làm hạ thấp trắc dọc hầm và làm tăng chi phí. Khi sử dụng tường chống đỡ hố đào tạm thời, mặt cắt hầm được xây dựng hoàn toàn bên trong các tường này, thường với một lớp chống thấm bao kín toàn bộ mặt cắt. Ngược lại, khi các tường chống đỡ hố đào trở thành một phần của kết cấu hoàn thiện, khó đạt được màng chống thấm bao kín. Vì vậy, cần có các biện pháp chồng mí, bao kín và bịt kín các mối nối. Ngoài ra, việc tạo khóa cơ học giữa bản mái và bản đáy kết cấu vào các tường chống đỡ hố đào là cần thiết để truyền mô men và lực cắt.

Một số hầm cũ sử dụng hệ kết cấu gồm các khung thép kết cấu ngang, bố trí cách nhau khoảng 5 ft (1.5 m). Thông thường, các khung này được chôn trong tường bê tông đúc tại chỗ không cốt thép, còn tại phần mái, các khung này lộ ra và đỡ bản mái bê tông đúc tại chỗ. Loại kết cấu này vẫn có thể cạnh tranh khi áp dụng cho các hầm nông, đặc biệt khi cần nhịp mái dài hơn cho các mặt cắt nhiều làn xe. Các chi tiết bổ sung về những vấn đề này được trình bày trong các đoạn sau, trong đó mô tả các vật liệu xây dựng cụ thể.

5.4.3 Vật liệu

Bê tông đúc tại chỗ là vật liệu xây dựng phổ biến nhất được sử dụng trong thi công hầm đào hở; tuy nhiên, các vật liệu khác như bê tông dự ứng lực đúc sẵn, bê tông kéo sau và thép kết cấu cũng được sử dụng. Các vật liệu này và ứng dụng của chúng được thảo luận dưới đây.

5.4.3.1 Bê tông đổ tại chỗ

Bê tông đúc tại chỗ thường được sử dụng trong thi công hầm do có thể dễ dàng thi công các cấu kiện lớn trong không gian làm việc hạn chế. Ván khuôn có thể được đưa vào dưới dạng các bộ phận nhỏ, dễ quản lý và lắp ráp thành khuôn cho các cấu kiện dày, kích thước lớn. Các hình dạng hình học phức tạp có thể dễ dàng được thi công bằng bê tông, mặc dù việc chế tạo ván khuôn có thể khó khăn. Bê tông là vật liệu bền, làm việc tốt trong các điều kiện tồn tại ở công trình ngầm. Khả năng chịu cắt thấp của bê tông có thể được bù lại bằng cách tăng chiều dày bản mái và bản đáy tại các góc như minh họa trong Hình 5-11.

Việc liên kết các cấu kiện bê tông kết cấu với các tường chống đỡ hố đào vĩnh cửu có thể gặp nhiều thách thức. Một liên kết đầu đơn giản có thể được tạo nhanh chóng bằng cách đặt bản bê tông vào các gờ tựa hoặc hốc chờ được tạo sẵn trong tường; tuy nhiên, điều này dẫn đến kết cấu kém hiệu quả hơn với các cấu kiện kết cấu dày hơn. Các liên kết chịu mô men hoàn toàn có thể được tạo bằng cách nối chồng cốt thép nếu có thể bố trí đủ các hốc chờ trong tường. Khi tạo liên kết chịu mô men hoàn toàn, các tường phải được cấu tạo để tiếp nhận mô men truyền vào. Để giảm kích thước hốc chờ cần thiết trong tường, có thể sử dụng nối cơ học hoặc hàn. Việc chống thấm cho liên kết, cũng như phần còn lại của kết cấu, khi sử dụng các tường chống đỡ hố đào vĩnh cửu như một phần của kết cấu là một vấn đề khó khăn.

Việc cấu tạo hợp lý các cấu kiện bê tông và áp dụng đầy đủ các yêu cầu của AASHTO đối với cốt thép là điều thiết yếu để tạo nên một kết cấu bê tông bền vững. Cần lưu ý các yêu cầu tối thiểu đối với cốt thép chống co ngót. Việc sử dụng số lượng lớn các thanh thép nhỏ thay vì số lượng ít các thanh thép lớn sẽ giúp phân bố vết nứt tốt hơn và do đó làm giảm kích thước vết nứt. Thành phần hóa học của nước ngầm cần được khảo sát để bảo đảm rằng các thiết kế cấp phối bê tông phù hợp với điều kiện nước ngầm được sử dụng nhằm giảm khả năng bê tông bị tấn công hóa học.

5.4.3.2 Thép kết cấu

Thép kết cấu có đặc tính rất tốt về tỷ số trọng lượng trên cường độ. Dầm thép kết cấu kết hợp với bản liên hợp có thể được sử dụng để giảm chiều dày bản mái. Điều này có thể làm giảm chiều sâu trắc dọc, kéo theo việc giảm tổng chi phí của hầm nhờ hố đào nông hơn và các đoạn hầm có tường chắn tiếp cận ngắn hơn. Thép kết cấu dễ liên kết với các tường chống đỡ hố đào vĩnh cửu hơn so với bản bê tông. Chỉ cần phá bỏ cục bộ tường vĩnh cửu tại các hốc nhỏ, cô lập để tạo gối đỡ cho dầm thép, hình thành liên kết đầu đơn giản. Nếu sử dụng liên kết đầu đơn giản, phải xét đến chuyển vị của dầm do thay đổi nhiệt độ bên trong hầm. Nếu hệ chống đỡ hố đào sử dụng SPTC, tường cọc tiếp tuyến hoặc tường cọc secant, các lõi thép chôn trong các tường này có thể được để lộ và tạo liên kết chịu mô men hoàn toàn. Liên kết chịu mô men hoàn toàn sẽ không cho phép chuyển vị do nhiệt độ, do đó các hiệu ứng lực phát sinh phải được đánh giá và xử lý trong thiết kế.

Dầm thép kết cấu tốt nhất nên được chế tạo và vận chuyển dưới dạng một cấu kiện nguyên khối. Tuy nhiên, nếu hệ chống đỡ hố đào có hệ giằng chống bên trong phức tạp, có thể không thể vận chuyển và lắp dựng dầm thép bên trong hố đào, khi đó cần nối dầm thép. Các liên kết cũng cần được kiểm tra cẩn thận, làm tăng chi phí bảo trì trong tương lai của hầm nếu các liên kết không được bọc kín. Việc chống thấm các liên kết với tường ngoài có thể khó khăn. Hầm thường tạo ra môi trường ẩm; nếu kết hợp với nguy cơ rò rỉ quanh các liên kết, điều này có thể tạo ra các điều kiện gây ăn mòn mạnh đối với các cấu kiện thép. Cần xem xét biện pháp bảo vệ chống ăn mòn như một phần của hệ kết cấu thép.

Ngoài kết cấu mái đã mô tả ở trên, các khung thép cũng đã được sử dụng trong hầm đường bộ và trong một số trường hợp vẫn có thể phù hợp. Khung bao gồm các cột và dầm mái. Trong các tường chống đỡ vĩnh cửu, các cột sẽ được chôn trong tường. Các cột thép được lắp dựng trên móng thích hợp được đổ tại đáy hố đào, sau đó các dầm được lắp dựng và liên kết với các cột; toàn bộ khung sau đó được bọc trong bê tông với lượng cốt thép danh định. Các dầm mái có thể được bọc kín hoàn toàn hoặc để lộ ra để đỡ một bản mái bê tông mỏng. Nếu để lộ, cần thực hiện công tác kiểm tra và bảo trì.

5.4.3.3 Bê tông ứng suất trước

Bê tông dự ứng lực, bao gồm các dầm dự ứng lực đúc sẵn như dầm AASHTO hoặc loại tương tự, có thể phù hợp cho các nhịp mái lớn khi tĩnh không bị hạn chế và chiều cao tổng thể của mặt cắt phải được giới hạn. Các dầm dự ứng lực đúc sẵn đã được sử dụng cho bản mái, được đỡ trên các tường đúc tại chỗ. Các dầm bê tông đúc sẵn, với số lượng và chiều dài cần thiết cho hầm đào hở, thường không thực tế để nối. Chúng phải được vận chuyển dưới dạng một cấu kiện nguyên khối và phải có khả năng lắp dựng trong không gian sẵn có bên trong hố đào. Vì vậy, loại và cấu hình của hố đào phải được xem xét khi đánh giá việc sử dụng dầm bê tông đúc sẵn.

Việc liên kết với các tường chống đỡ hố đào vĩnh cửu có thể được thực hiện bằng cách tạo các hốc trong tường để đỡ dầm theo sơ đồ gối đơn giản. Gối đơn giản cũng cần có biện pháp cho phép dầm chuyển vị do thay đổi nhiệt độ bên trong hầm. Việc chống thấm liên kết này là khó khăn. Việc tạo liên kết chịu mô men đòi hỏi chi tiết phức tạp hơn tại nút giao giữa tường và dầm để có thể lắp đặt cốt thép cần thiết cho liên kết chịu mô men. Liên kết chịu mô men tại dầm cũng yêu cầu bản thân tường phải có khả năng tiếp nhận mô men do dầm truyền vào. Do đó, cấu tạo chi tiết của tường phải tương thích với hệ kết cấu được lựa chọn. Liên kết chịu mô men hoàn toàn sẽ không cho phép chuyển vị do nhiệt độ, vì vậy các hiệu ứng lực phát sinh phải được đánh giá và xử lý trong thiết kế.

Mặc dù ít gặp, kéo sau vẫn được sử dụng trong hầm đào hở; tuy nhiên, khi xây dựng chiến lược kéo sau, cần xem xét các giai đoạn tải trọng khác nhau và có thể phải thực hiện nhiều giai đoạn kéo sau. Ví dụ, việc đưa lực kéo sau lớn vào các bản hầm trước khi đắp trả sẽ gây ra ứng suất kéo tạm thời lớn ở mặt đối diện của bản. Các ứng suất này có thể giới hạn chiều sâu sử dụng được của các cấu kiện kéo sau, trừ khi một số bó cáp được kéo căng từ bên trong hộp sau khi đắp trả. Sự co ngắn đàn hồi của bản sẽ gây ra lực kháng đối với lực kéo sau thông qua các tường và cần được xét đến. Các mô men bổ sung sinh ra cũng cần được kháng lại. Việc tách bản mái khỏi tường bằng một khe chuyển vị, chẳng hạn như gối neoprene hoặc Teflon, sẽ loại bỏ các nhược điểm nêu trên nhưng đồng thời cũng làm mất các ưu điểm của liên kết chịu mô men; việc chống thấm khe chuyển vị cũng cần được xử lý. Thiết kế phải xác định các yêu cầu về không gian để vận hành kích kéo từ cả hai phía nếu cần. Trong nhiều trường hợp, bó cáp sẽ ngắn hơn 100 ft (30 m), chỉ cần kéo từ một đầu. Thông thường, trong trường hợp đó, các tao cáp xen kẽ sẽ được kéo từ các đầu xen kẽ, đòi hỏi phải có không gian phù hợp ở mỗi phía.

5.4.4 Lực nổi

Lực nổi là một vấn đề quan trọng đối với các hầm nông nằm dưới hoặc một phần nằm trong mực nước ngầm. Lực nổi cần được kiểm tra trong quá trình thiết kế. Hệ kết cấu được lựa chọn phải xét đến khả năng kháng lực nổi bằng chính trọng lượng bản thân hoặc bằng cách áp dụng các biện pháp xử lý lực nổi âm. Trong trường hợp kết cấu và đất đắp không đủ nặng để chống lại lực nổi, hiện tượng nổi kết cấu có thể xảy ra. Các biện pháp chống lại lực nổi phải được bố trí và được xét đến trong thiết kế.

Khả năng chống nổi có thể đạt được bằng nhiều phương pháp khác nhau. Các phương pháp điển hình được sử dụng để tăng trọng lượng hữu hiệu của kết cấu bao gồm:

• Liên kết kết cấu với hệ chống đỡ hố đào, từ đó huy động trọng lượng của hệ này và/hoặc ma sát của nó với đất nền
• Tăng chiều dày các cấu kiện kết cấu vượt quá yêu cầu về cường độ nhằm tạo thêm tĩnh tải để chống lại lực nổi
• Mở rộng bản đáy hầm vượt ra ngoài phạm vi yêu cầu của mặt bằng đáy móng để tạo gờ chống trượt (key) vào đất lân cận, từ đó huy động thêm trọng lượng đất phía trên các phần nhô ra này
• Sử dụng cọc chịu kéo bằng thép hoặc bê tông để kháng lực nhổ liên quan đến lực nổi
• Sử dụng neo giữ xuống vĩnh cửu; trong đất, có thể hợp lý khi thiết kế để các neo chỉ chịu một lực kéo danh định trong điều kiện bình thường và chỉ huy động toàn bộ khả năng chịu lực trong điều kiện cực hạn. Đầu neo được bảo vệ thích hợp có thể được bố trí trong các hốc chừa sẵn trong bản đáy
• Hệ thống giảm áp vĩnh cửu bên dưới đáy kết cấu. Đây là một hệ thống phức tạp nhằm loại bỏ lực nổi bằng cách cho phép nước được thu gom bên dưới bản đáy và thoát ra khỏi hầm. Loại hệ thống này đòi hỏi công tác bảo trì và dự phòng bổ sung bên cạnh các chi phí vòng đời liên quan đến vận hành hệ thống. Nó cũng có thể gây ra hiện tượng hạ thấp mực nước ngầm cục bộ, điều này có thể dẫn đến các hậu quả bất lợi.

Do tuổi thọ thiết kế dài của các công trình ngầm, thiết kế cọc chịu kéo hoặc neo giữ xuống để chống lực nổi phải bao gồm các biện pháp xử lý nguy cơ ăn mòn của các cấu kiện chịu kéo này cũng như xem xét liên kết của chúng với kết cấu hầm. Tương tự, việc sử dụng hệ thống giảm áp dưới bản đáy và hệ thống đắp trả phải bao gồm các biện pháp xử lý rủi ro liên quan đến vận hành và bảo trì dài hạn. Đối với phần lớn các dự án, nhìn chung lực nổi được kháng lại bằng cách tăng tĩnh tải của kết cấu và/hoặc trọng lượng đất đắp phía trên kết cấu.

5.4.5 Khe co giãn và khe co ngót

Nhiều hầm đào hở được xây dựng mà không có khe giãn nở hoặc khe co ngót vĩnh cửu. Mặc dù khe giãn nở có thể không cần thiết, ngoại trừ tại các vị trí gần cửa hầm, khe co ngót được khuyến nghị bố trí dọc theo toàn bộ hầm. Những thay đổi đáng kể về độ cứng gối đỡ hoặc hoạt tải surcharge có thể gây lún lệch. Nếu các mô men và lực cắt phát sinh do hiện tượng này lớn hơn khả năng chịu của mặt cắt, có thể sử dụng các khe giảm ứng suất để xử lý các vấn đề cục bộ. Khe giãn nở thường được bố trí tại vị trí tiếp giáp với nhà thông gió, cửa hầm hoặc các kết cấu cứng khác để cho phép lún lệch và chuyển vị do thay đổi nhiệt độ. Khuyến nghị bố trí khe co ngót với khoảng cách xấp xỉ 30 ft (khoảng 9 m).

Tải trọng động đất có thể gây ra các mô men uốn đáng kể trong hầm đào hở. Các khe có thể được sử dụng để giảm mô men và lực cắt vốn sẽ xuất hiện trong các kết cấu cứng liên tục, đặc biệt khi bề rộng — và do đó độ cứng — của kết cấu tăng lên. Các khe cũng có thể cần thiết để xử lý chuyển vị tương đối do động đất tại các vị trí mà đặc trưng mặt cắt ngang thay đổi đáng kể, chẳng hạn như tại nhà thông gió và cửa hầm. Chuyển vị này có thể xảy ra theo cả phương dọc và phương ngang của hầm, gồm phương ngang và phương đứng.

Các khe là những vị trí tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ nước. Do đó, chúng có thể là nguồn gây chi phí bảo trì cao trong suốt tuổi thọ hầm. Số lượng khe cần được giảm thiểu, và cần đặc biệt chú ý đến cấu tạo chi tiết của các khe để bảo đảm kín nước. Loại và khoảng cách bố trí khe cần thiết sẽ phụ thuộc vào hệ kết cấu được yêu cầu và cần được đánh giá trong quyết định tổng thể về loại kết cấu được lựa chọn.

5.4.6 Chống thấm

Sự tồn tại của mực nước ngầm cao hoặc nước thấm xuống từ phía trên đòi hỏi hầm phải được chống thấm. Độ bền được cải thiện khi hầm được chống thấm. Thiết kế chống thấm tốt cũng là yêu cầu bắt buộc để giữ cho hầm khô ráo và giảm công tác bảo trì trong tương lai. Hầm bị rò rỉ nước gây mất mỹ quan và có thể khiến người sử dụng lo ngại. Ở các vùng khí hậu lạnh như vùng Đông Bắc, rò rỉ nước có thể trở nên nguy hiểm do tạo thành các nhũ băng trên trần hoặc các mảng băng trên mặt đường. Chống thấm hầm được thảo luận ngắn gọn trong Chương 10. Hệ thống chống thấm cần được lựa chọn dựa trên hiệu năng yêu cầu và mức độ tương thích với hệ kết cấu.

5.5 TẢI TRỌNG

5.5.1 Tổng quát

Các tải trọng liên quan cần được xem xét trong thiết kế kết cấu hầm đào hở và lấp lại, cùng với cách tổ hợp các tải trọng, được trình bày trong Mục 3 của AASHTO LRFD Specifications. Mục 3 của AASHTO LRFD Specifications chia tải trọng thành hai nhóm: tải trọng thường xuyên và tải trọng tức thời.

Đoạn 3.3.2 “Load and Load Designation” của AASHTO LRFD Specifications xác định các tải trọng thường xuyên sau đây có thể áp dụng cho thiết kế hầm đào hở và lấp lại:

Mục 3.3.2 “Tải trọng và ký hiệu tải trọng” của LRFD Specifications quy định các tải trọng tức thời sau đây áp dụng cho thiết kế kết cấu hầm đào hở và lấp lại:

Một số tải trọng được nêu trong đoạn 3.3.2 của LRFD Specifications không được trình bày ở trên vì chúng không áp dụng cho thiết kế hầm đường bộ đào hở và lấp lại, như mô tả dưới đây.

Mục 3 của các quy định LRFD đưa ra hướng dẫn về các phương pháp được sử dụng trong tính toán các tải trọng này. Ví dụ thiết kế trong Phụ lục C trình bày các tính toán liên quan đến việc xác định các tải trọng này. Trình tự thi công sẽ ảnh hưởng đến tải trọng và các giả định. Ví dụ, trong thi công từ trên xuống, các tường chống đỡ hố đào vĩnh cửu được sử dụng như một phần của kết cấu hoàn thiện sẽ chịu tải trọng gối đỡ lớn hơn, vì bản mái được thi công và chịu tải trước khi bản đáy được xây dựng. Khi quá trình đào tiếp diễn, các tường chống đỡ hố đào vĩnh cửu cũng được giằng bởi bản mái, dẫn đến phân bố áp lực đất ngang khác so với phân bố trong tường đứng tự do của kết cấu bê tông đúc tại chỗ thi công theo phương pháp từ dưới lên. Bản đáy của hầm thi công từ trên xuống đóng vai trò như một bản móng bè để đỡ tải trọng thẳng đứng, nhưng nó chỉ có mặt ở gần cuối quá trình thi công mặt cắt, do đó không thể được sử dụng để kháng mô men từ tường hoặc làm giằng chống cho tường. Các sơ đồ tải trọng điển hình được minh họa tương ứng cho kết cấu thi công từ dưới lên và từ trên xuống trong Hình 5-12 và Hình 5-13.

\(\\\)

\(\\\)

5.5.2 Tổ hợp tải trọng

Các tải trọng mô tả ở trên cần được nhân hệ số và tổ hợp theo LRFD Specifications, sau đó áp dụng lên kết cấu. Kết cấu hầm đào hở và lấp lại được xem là kết cấu chôn, do đó thiết kế được chi phối bởi Mục 12 của AASHTO LRFD Specifications.

Đoạn 12.5.1 đưa ra các trạng thái giới hạn và tổ hợp tải trọng áp dụng cho kết cấu chôn, gồm Tổ hợp tải trọng Trạng thái giới hạn Sử dụng I, và Tổ hợp tải trọng Trạng thái giới hạn Cường độ I và II. Các tổ hợp tải trọng này được trình bày trong Bảng 3.4.1-1 của AASHTO Specifications.

Trong một số trường hợp, việc không có hoạt tải có thể tạo ra trường hợp chi phối. Ví dụ, hoạt tải có thể làm giảm ảnh hưởng của lực nổi. Vì vậy, ngoài các trường hợp tải trọng được quy định trong Mục 12 của AASHTO LRFD Specifications, cần sử dụng thêm các trường hợp tải trọng cường độ và sử dụng không bao gồm hoạt tải, cụ thể là Cường độ III và Sử dụng IV.

Lưu ý rằng trường hợp tải trọng Cường độ IV không bao gồm hoạt tải. Tuy nhiên, khi sử dụng các tải trọng áp dụng cho hầm đào hở và lấp lại, Cường độ III và Cường độ IV thực chất là cùng một trường hợp tải trọng. Việc kết hợp các yêu cầu của Mục 12 và Mục 3 như mô tả ở trên dẫn đến các tổ hợp tải trọng có thể sử dụng sau đây trong thiết kế kết cấu hầm đào hở và lấp lại:

\(\\\)

Bảng 5-1. Bảng tổ hợp tải trọng LRFD cho hầm đào hở và lấp lại

Các hầm đào hở nằm dưới mực nước ngầm cần được đánh giá ảnh hưởng của lực đẩy nổi. Nội dung kiểm tra này được trình bày dưới dạng tổ hợp tải trọng sử dụng trạng thái giới hạn sử dụng IVA trong Bảng 5-1. Cần đánh giá lực đẩy nổi để bảo đảm hiệu ứng tải trọng bản thân tác dụng lớn hơn hiệu ứng lực đẩy nổi. Thông thường, cần tăng kích thước cấu kiện kết cấu để bảo đảm lực đẩy nổi được chống lại hoàn toàn bởi tĩnh tải, hoặc kết cấu phải được neo giữ. Các tính toán lực đẩy nổi phải dựa trên khối lượng riêng đặc trưng nhỏ nhất của vật liệu và mật độ nước lớn nhất. Tác động thuần của áp lực nước lên hầm, tức lực đẩy nổi, là chênh lệch giữa tải trọng thủy tĩnh trên nóc và dưới đáy hầm. Tổng lực nâng bằng trọng lượng phần nước bị chiếm chỗ. Không được tính đến hiệu ứng ma sát của tải trọng lý thuyết của vật liệu phủ trên hầm hoặc của lớp đất đắp tự nhiên phía trên.

Khi xác định các tải trọng tác dụng lên kết cấu, cần xét từng tổ hợp hệ số tải trọng có thể xảy ra. Có thể sử dụng phán đoán kỹ thuật để loại bỏ các tổ hợp tải trọng không chi phối.

Tải trọng sự kiện cực đoan không được quy định cụ thể trong tiêu chuẩn AASHTO LRFD. Tuy nhiên, hầm đào hở có thể chịu các tải trọng sự kiện cực đoan như động đất, hỏa hoạn và nổ. Việc phân tích và thiết kế đối với các tải trọng này rất chuyên sâu và nằm ngoài phạm vi của sổ tay này. Tuy nhiên, khuyến nghị rằng trong giai đoạn quy hoạch hầm, cần thực hiện phân tích rủi ro để xác định xác suất xuất hiện của các tải trọng này, mức độ mà chúng có thể xảy ra, và nhu cầu thiết kế hầm để kháng lại các tải trọng đó.

5.6 THIẾT KẾ KẾT CẤU

5.6.1 Tổng quát

Trong lịch sử, có ba phương pháp cơ bản được sử dụng trong thiết kế kết cấu hầm đào hở và lấp lại:

• Thiết kế theo tải trọng sử dụng hoặc ứng suất cho phép, trong đó mỗi tải trọng tác dụng lên kết cấu được xem xét như nhau về xác suất xuất hiện tại giá trị đã cho. Hệ số an toàn của phương pháp này được đưa vào khả năng chịu tải của vật liệu.
• Thiết kế theo hệ số tải trọng, trong đó xét đến khả năng biến thiên của tải trọng bằng cách áp dụng các hệ số tải trọng khác nhau cho từng loại tải trọng. Khả năng chịu lực của cấu kiện kết cấu được giảm bằng hệ số giảm cường độ, và sức kháng tính toán của cấu kiện kết cấu phải lớn hơn tải trọng tác dụng.
• Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng, trong đó xét đến sự biến thiên thống kê của cả cường độ của cấu kiện kết cấu và độ lớn của các tải trọng tác dụng.

Phương trình LRFD cơ bản có thể được tìm thấy trong mục 1.3.2.1 của AASHTO Specification, tức Phương trình AASHTO 1.3.2.1-1, như sau:

\[
\sum \eta_i \gamma_i Q_i \leq \phi R_n = R_r \tag{5-1}
\]

Trong phương trình này, ηᵢ là hệ số điều chỉnh tải trọng liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng khai thác của bộ phận đang được thiết kế. Hệ số điều chỉnh tải trọng ηᵢ gồm ba thành phần:

\(\gamma_i\) là hệ số tải trọng áp dụng cho các hiệu ứng lực (\(Q_i\)) tác dụng lên cấu kiện đang được thiết kế. Các giá trị của \(\gamma\) có thể được tìm thấy trong Bảng 5-1 ở trên.

\(R_r\) là sức kháng có hệ số tính toán của cấu kiện hoặc liên kết.

\(\phi\) là hệ số sức kháng được áp dụng cho sức kháng danh định của cấu kiện đang được thiết kế (\(R_n\)). Các hệ số sức kháng được nêu trong AASHTO LRFD Specifications cho từng loại vật liệu trong các mục tương ứng với vật liệu đó. Cụ thể, Mục 5 đề cập đến kết cấu bê tông, và nhìn chung, các hệ số sức kháng dùng trong thiết kế bê tông có thể được tìm thấy trong Mục 5. Tuy nhiên, Mục 12 của AASHTO LRFD Specifications quy định các giá trị sau đây của \(\phi\) được sử dụng trong Bảng 12.5.5-1:

Đối với kết cấu hộp bê tông cốt thép đổ tại chỗ:

\(\qquad \qquad \qquad \phi = 0.90 \text{ cho uốn}\)

\(\qquad \qquad \qquad \phi = 0.85 \text{ cho cắt}\)

Do tường, bản đáy và bản mái của các mặt cắt hầm đào hở và lấp lại sẽ chịu tải trọng dọc trục, cần xác định hệ số sức kháng cho nén. Giá trị \(\phi\) cho nén có thể được tìm thấy trong Mục 5.5.4.2.1 của AASHTO LRFD Specifications, được cho như sau:

\(\qquad \qquad \qquad \phi = 0.75 \text{ cho nén}\)

Các giá trị \(\phi\) cho kết cấu đúc sẵn cũng được nêu trong Bảng 12.5.5-1 của AASHTO LRFD Specifications; tuy nhiên, do kích thước lớn của các cấu kiện trong hầm đường bộ, bê tông đúc sẵn hiếm khi được sử dụng làm vật liệu xây dựng.

Thép kết cấu cũng được sử dụng trong thi công hầm đào hở và lấp lại. Thép kết cấu được đề cập trong Mục 6 của AASHTO LRFD Specifications. Đoạn 6.5.4.2 đưa ra các giá trị sau đây cho hệ số sức kháng của thép:

Đối với cấu kiện thép kết cấu:

\(\qquad \qquad \qquad \phi_f = 1.00 \text{ cho uốn}\)

\(\qquad \qquad \qquad \phi_v = 1.00 \text{ cho cắt}\)

\(\qquad \qquad \qquad \phi_c = 0.90 \) cho nén dọc trục đối với cấu kiện thép thường và cấu kiện liên hợp

5.6.2 Phân tích kết cấu

Phân tích kết cấu được đề cập trong Mục 4 của AASHTO LRFD Specifications. Khuyến nghị sử dụng các phương pháp lực và chuyển vị cổ điển trong phân tích kết cấu hầm đào hở và lấp lại. Có thể sử dụng các phương pháp số khác, nhưng các phương pháp này hiếm khi cho kết quả khác biệt đáng kể so với kết quả thu được từ các phương pháp cổ điển. Mô hình hóa cần dựa trên ứng xử đàn hồi của kết cấu theo đoạn 4.6.2.1 của AASHTO LRFD Specifications.

Vì tất cả các cấu kiện của hầm đào hở và lấp lại, có thể ngoại trừ bản đáy của hầm thi công từ trên xuống, đều chịu uốn và tải trọng dọc trục, nên các hiệu ứng thứ cấp do tải trọng dọc trục gây ra đối với các cấu kiện kết cấu cần được xét đến trong phân tích. AASHTO LRFD Specifications gọi dạng phân tích này là “lý thuyết chuyển vị lớn” trong đoạn 4.6.3.2. Hầu hết các phần mềm phân tích kết cấu thông dụng đều có chức năng đưa ứng xử này vào phân tích. Nếu ứng xử này được xét trong phân tích, thì không cần khuếch đại mômen thêm.

Đoạn 4.5.1 của AASHTO LRFD Specifications nêu rằng thiết kế kết cấu cần bao gồm, khi thích hợp, “các đặc trưng phản ứng của nền móng”. Phản ứng của nền móng đối với kết cấu hầm đào hở và lấp lại có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng một chuỗi lò xo phi tuyến bố trí dọc theo chiều dài bản đáy. Các lò xo này là phi tuyến vì chúng chỉ nên được quy định là tác dụng theo một chiều, tức phương thẳng đứng hướng xuống. Mô hình này sẽ tạo ra sự phân bố tải trọng hợp lý lên bản đáy của mô hình và cho phép kỹ sư thiết kế nhận biết nếu lực nổi là một vấn đề. Dấu hiệu này thể hiện qua các chuyển vị tính toán của kết cấu. Chuyển vị tổng thể hướng lên của toàn bộ kết cấu cho thấy sức kháng chống nổi không đủ.

Các mô hình kết cấu dùng cho phân tích bằng máy tính được xây dựng dựa trên trục trọng tâm của các cấu kiện kết cấu. Do đó, khi tính toán tải trọng tác dụng, điều quan trọng là tải trọng phải được tính tại mặt ngoài của cấu kiện. Sau đó, tải trọng được điều chỉnh theo chiều dài thực tế của cấu kiện khi nhập vào mô hình.

Các phương pháp phân tích số khác cho mặt cắt hầm đào hở và lấp lại bao gồm:

• Phân tích khung với tương tác đất-kết cấu chặt chẽ hơn, bằng cách mô hình hóa các tính chất của đất cùng với hầm. Phân tích khung vẫn tương tự, nhưng bổ sung một chuỗi lò xo một chiều ở mặt dưới để mô hình hóa tác dụng của đất như một dầm trên nền đàn hồi. Các lò xo ngang hoặc lò xo phương ngang có thể được sử dụng kết hợp với các tải trọng đất giả định. Cần bảo đảm rằng các lò xo đất giả định chỉ tác dụng khi có chuyển vị ép vào đất. Điều này có thể đòi hỏi phải lặp nhiều lần các tham số đầu vào cho từng tổ hợp tải trọng. Nhiều chương trình thương mại hiện có sẽ tự động điều chỉnh các giá trị đầu vào và chạy lại phân tích. Phương pháp này cho biểu diễn mô hình tốt hơn về kết cấu và tận dụng được khả năng chống đỡ thực tế hơn của đất dưới bản đáy, thường dẫn đến thiết kế kinh tế hơn. Việc thiết lập mô hình này khó hơn một chút do có các lò xo, và các giá trị phù hợp cho mô đun lò xo khó định lượng. Có thể cần sử dụng một khoảng giá trị và chạy mô hình cho từng giá trị.
• Phân tích phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn. Vật liệu của kết cấu hầm và đất được mô hình hóa như một lưới liên tục gồm các phần tử hình học. Các cấu kiện kết cấu thường được xem là đàn hồi tuyến tính. Có nhiều mô hình toán học khác nhau cho đất. Phương pháp mô hình hóa và phân tích này có thể mô phỏng sát hơn các điều kiện thực tế, đặc biệt nếu sử dụng độ phân giải số tốt hơn ở những khu vực hoặc điều kiện hình học hầm khó khăn, chẳng hạn như các chi tiết khung. Phương pháp này thường phức tạp khi thiết lập và chạy, và kết quả cần được diễn giải cẩn thận.

Như đã nêu ở trên, phân tích mặt cắt hai chiều là đủ đối với hầu hết các điều kiện hầm. Có thể cần mô hình ba chiều khi các mặt cắt hầm thay đổi dọc theo chiều dài hầm hoặc khi có các khối lượng lớn tồn tại trên các mặt cắt ngang, ví dụ tại các nhà thông gió. Mô hình ba chiều tương đối phức tạp và độ không chắc chắn về dữ liệu tải trọng, ứng xử của đất, cũng như tính không đồng nhất vốn có của đất có thể không bảo đảm việc phân tích chi tiết như vậy cho các hầm đường bộ, ngoại trừ tại các vị trí đặc biệt như dốc dẫn, lối thông ngang và các liên kết với các kết cấu khác.

5.7 KIỂM SOÁT NƯỚC NGẦM

5.7.1 Hạ mực nước trong thi công

Khi mực nước ngầm cao hơn cao độ đáy hầm, các hố đào sẽ cần có hệ thống hạ mực nước. Đối với thi công hầm đào hở và lấp lại, hệ thống hạ mực nước sẽ phụ thuộc vào tính thấm của các lớp đất khác nhau bị lộ ra. Việc hạ mực nước bên ngoài hố đào có thể gây lún các kết cấu lân cận, ảnh hưởng đến cây cối, làm khô các giếng hiện hữu và có khả năng làm dịch chuyển các chùm ô nhiễm nếu có. Cần thận trọng khi hạ mực nước ở khu vực bên ngoài phạm vi hố đào. Trong phạm vi hố đào, có thể thực hiện hạ mực nước bằng các tường chống đỡ hố đào không thấm, kéo dài xuống một lớp đất chắc, có tính thấm tương đối thấp để giảm hoặc cắt dòng nước.

Các tường chắn không thấm, chẳng hạn như tường cừ thép liên kết khóa hoặc tường vữa bê tông, có thể được đặt vào các lớp kém thấm sâu hơn, như sét băng tích hoặc đất sét, để giảm dòng nước ngầm trong quá trình thi công và hạn chế hạ thấp mực nước ngầm hiện hữu. Đối với hầu hết các hố đào có giằng chống, việc hạ mực nước bên trong hố đào thường được thực hiện. Đôi khi hố đào được thi công trong điều kiện ướt, sau đó nước được bơm ra ngoài. Sau khi đào, mọi lượng nước xâm nhập sẽ được bơm khỏi rãnh đào bằng cách bố trí các hố thu và máy bơm trong phạm vi hố đào. Ở một số khu vực, có thể cần hệ thống giảm áp bằng bơm để ngăn đáy hố đào bị phồng lên do mất cân bằng áp lực thủy tĩnh.

Có thể sử dụng các giếng bơm để tạm thời hạ thấp mực nước ngầm bên ngoài hệ chống đỡ hố đào trong quá trình thi công; tuy nhiên, việc này có thể gây tác động môi trường hoặc ảnh hưởng bất lợi đến các kết cấu lân cận. Để giảm thiểu việc hạ thấp mực nước ngay bên ngoài hố đào, nước được bơm ra từ hố đào có thể được dùng để bổ cập lại các tầng chứa nước của hệ nước ngầm bằng các giếng ép nước. Cần có quy định về việc thải bỏ lượng nước vượt quá khả năng bổ cập của các giếng ép nước, có thể thông qua các bể lắng thoát ra hệ thống thoát nước mưa.

Sau khi thi công hoàn tất, nếu có lo ngại rằng các tường chống đỡ hố đào vĩnh cửu phía trên hầm có thể chặn dòng chảy ngang của nước ngầm, hoặc có thể dâng nước giữa các tường phía trên hầm, kỹ sư thiết kế có thể cần xem xét việc phá mở các tường phía trên hầm tại các khoảng cách nhất định, hoặc hạ thấp chúng đến một cao độ cho phép nước ngầm dịch chuyển. Đất đắp hạt quanh hầm cũng có thể giúp duy trì cột nước thủy tĩnh cân bằng qua các kết cấu ngầm.

5.7.2 Các phương pháp hạ mực nước và ứng dụng điển hình

Nước ngầm có thể được kiểm soát trong quá trình thi công bằng cách sử dụng các tường chắn không thấm, như tường vữa bê tông hoặc tường cọc tiếp tuyến, tường cừ thép liên kết khóa, v.v.; bằng hệ thống well-point để hạ thấp mực nước ngầm; bằng phun hóa chất hoặc bơm vữa vào đất; hoặc bằng cách bơm nước từ bên trong hố đào. Nước ngầm có thể được hạ thấp, khi cần, bằng nhiều tầng well-point. Việc kiểm soát nước ngầm không phù hợp thường là nguyên nhân gây lún và hư hại cho các kết cấu và công trình tiện ích lân cận; do đó, điều quan trọng là phương pháp được lựa chọn phải phù hợp với hố đào dự kiến.

Khi diện tích hố đào không quá lớn, một phương pháp kinh tế để thu nước là sử dụng các rãnh dẫn nước về các hố thu bơm. Cần có biện pháp ngăn hạt mịn thoát vào hệ thống hạ mực nước.

Trong các hố đào lớn hơn trong đất thấm, thường sử dụng well-point hoặc giếng sâu để hạ thấp mực nước ngầm trong cát hoặc trầm tích thô hơn; nhưng chúng không hữu ích trong đất bụi mịn hoặc đất sét do tính thấm thấp. Khuyến nghị lắp đặt các giếng thử nghiệm để kiểm tra hệ thống đề xuất. Trong một số trường hợp, có thể cần nhiều giai đoạn well-point, giếng sâu với máy bơm chìm hoặc hệ thống ejector.

5.7.3 Áp lực nâng và các biện pháp giảm thiểu

Sau khi thi công hoàn tất và việc hạ mực nước dừng lại, cần xem xét áp lực nâng thủy tĩnh hay lực nổi. Các phương án đã được sử dụng để xử lý vấn đề này được nêu trong Mục 5.4.4.

5.7.4 Xói ngầm và ổn định đáy

Trong đất hạt mịn, chẳng hạn như đất bụi hoặc đất bụi sét, chênh lệch áp lực qua tường chống đỡ hố đào có thể tạo ra dòng nước đủ lớn, tức xói ngầm, để cuốn trôi các hạt mịn. Điều này gây mất vật liệu và lún bên ngoài hố đào, đồng thời làm suy giảm tính toàn vẹn của đất bên trong hố đào, khiến đất không phù hợp làm nền móng.

Trong các trường hợp nghiêm trọng, đáy hố đào có thể trở nên mất ổn định, gây phồng đáy và phá hoại hệ chống đỡ hố đào. Tình trạng này có thể được giảm thiểu bằng cách bảo đảm các tường cắt nước đủ sâu, bằng cách ổn định đất bằng bơm vữa hoặc đóng băng, hoặc bằng cách đào dưới nước mà không hạ mực nước, sau đó thi công một bản bê tông đổ bằng ống tremie đủ dày để kháng áp lực nâng trước khi hạ mực nước.

5.7.5 Tác động tiềm tàng của việc hạ mực nước khu vực

Việc hạ mực nước cho một hố đào có thể làm hạ thấp mực nước ngầm bên ngoài hố đào và có thể gây lún. Việc hạ thấp mực nước ngầm bên ngoài có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng tường vữa, tường cọc tiếp tuyến hoặc cọc cát tuyến, hoặc tường cừ ván thép. Các kết cấu lân cận có nguy cơ bị lún do hạ thấp mực nước ngầm có thể cần được chống đỡ bên dưới móng. Ngoài ra, khi việc hạ thấp mực nước ngầm làm cho các cọc gỗ tiếp xúc với không khí, có thể xảy ra hư hại.

5.7.6 Xả nước ngầm và các vấn đề môi trường

Trong hầu hết các trường hợp, nước sẽ cần được thí nghiệm và có thể cần xử lý trước khi được xả thải. Có thể cần các bể lắng, thiết bị tách dầu và xử lý hóa chất trước khi thải bỏ. Các quy định địa phương và yêu cầu cấp phép thường quy định phương pháp thải bỏ.

Bản thân vật liệu đào cũng cần được thí nghiệm trước khi xác định phương pháp thải bỏ. Vật liệu đào dưới nước có thể cần được để trong các ao lắng nhằm cho phép lượng nước dư thoát ra trước khi thải bỏ. Vật liệu bị ô nhiễm có thể cần được đưa vào các cơ sở thải bỏ được kiểm soát.

5.8 DUY TRÌ VÀ BẢO VỆ GIAO THÔNG

Khi hố đào cắt qua các tuyến đường hiện hữu hoặc được thi công bên dưới một tuyến đường hiện hữu, cần bố trí hệ sàn che để duy trì giao thông hiện hữu. Khi cần có hệ sàn che, các tường chống đỡ hố đào phải được thiết kế để chịu các hoạt tải tác dụng. Có thể cần xác định chiều sâu của tường theo sự cần thiết phải truyền tải trọng hệ sàn che xuống tầng đất hoặc đá có năng lực chịu tải tốt. Điều này có thể phụ thuộc vào việc tải trọng tác dụng lên tường, cùng với trọng lượng bản thân của tường, có thể được truyền vào khối đất xung quanh thông qua tổ hợp dính bám hông và sức chịu tải mũi hay không. Các loại tường chống đỡ hố đào dày, như tường vữa, cọc khoan nhồi soldier pile, và cọc tiếp tuyến, có hiệu quả hơn nhiều so với tường mỏng hơn, như cọc ván thép hoặc cọc khoan soldier pile, trong việc truyền hoạt tải xuống tầng chịu lực.

Hệ sàn che thường gồm hệ khung đỡ sàn và mặt sàn đường. Hình 5-14 minh họa bố trí tổng quát điển hình của hệ sàn che đường phố phía trên hố đào cut-and-cover sử dụng sàn gỗ. Các tấm bê tông đúc sẵn cũng được dùng làm hệ sàn che. Dầm ngang kết cấu có thể được bố trí để hoạt động như tầng giằng trên cùng của hệ chống đỡ hố đào. Hệ khung đỡ sàn phải được thiết kế theo tải trọng HL-93 của AASHTO, hoặc theo tải trọng do thiết bị thi công thực tế sẽ vận hành trên sàn, lấy giá trị nào lớn hơn.

5.9.2 Cách tiếp cận chung đối với công trình tiện ích trong quá trình thi công

Việc chuyển hướng các công trình tiện ích ra khỏi hành lang thi công dự kiến là khá phổ biến. Tuy nhiên, việc chuyển hướng không phải lúc nào cũng khả thi, có thể quá tốn kém, hoặc không thể tránh được một tuyến tiện ích cắt ngang; trong các trường hợp đó, cần phải chống đỡ các công trình tiện ích tại chỗ. Cần có sự phối hợp chặt chẽ để bảo đảm không xảy ra xung đột giữa các công trình tiện ích khác nhau và việc thi công có thể được thực hiện trong khi các công trình tiện ích vẫn ở nguyên vị trí. Đôi khi, việc di dời công trình tiện ích được thực hiện theo từng giai đoạn để phù hợp với thi công, đòi hỏi phải di dời cùng một công trình tiện ích nhiều hơn một lần.

Trước khi bắt đầu thi công ngầm, cần khảo sát hiện trạng tất cả các công trình tiện ích nằm trong vùng có khả năng chịu ảnh hưởng của thi công, lập báo cáo chi tiết đối với những công trình có thể phát sinh chuyển vị vượt quá giới hạn cho phép đối với tiện ích đó. Cần xác định tính chất của mọi công việc cần thực hiện đối với từng công trình tiện ích, tức là bảo vệ, chống đỡ hoặc di dời, cũng như thời hạn phải thực hiện các công việc đó. Điều thiết yếu là tất cả các công trình tiện ích cần xử lý phải được xác định đủ sớm để thi công có thể tiến hành theo tiến độ.

Hệ chống đỡ có thể là tạm thời hoặc vĩnh cửu. Tùy thuộc vào mức độ nhạy cảm của công trình tiện ích được chống đỡ, có thể cần bố trí thiết bị đo để quan trắc mọi chuyển vị, nhờ đó có thể thực hiện biện pháp khắc phục trước khi xảy ra hư hại. Các hệ chống đỡ theo phương đứng cần được thiết kế như kết cấu cầu. Hệ chống đỡ ngang có thể được xem xét như tường chắn.

Hầu hết các công trình tiện ích đều cần khả năng tiếp cận để sửa chữa; do đó cần có các biện pháp bảo đảm tiếp cận được các công trình tiện ích đi bên dưới hầm. Trong một số trường hợp, việc di dời công trình tiện ích vào một máng tiện ích hoặc hầm kỹ thuật đã được xem là phù hợp, nơi tất cả các công trình tiện ích có thể được tiếp cận dễ dàng. Trong một số trường hợp, công trình tiện ích không thể nâng lên đủ cao để vượt qua bản mái hầm; khi đó có thể tạo một máng hẹp cắt ngang qua mái hầm để bố trí lại công trình tiện ích. Trong một số tình huống, công trình tiện ích được cho đi xuyên qua hầm bằng cách bố trí một ống dẫn chuyên dụng bên dưới mái hầm. Trong mọi trường hợp, toàn bộ công việc liên quan đến công trình tiện ích phải được phối hợp cẩn thận với chủ sở hữu công trình tiện ích.

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