Chương 8 – ĐÀO HẦM TRONG ĐỊA TẦNG KHÓ KHĂN

8.1 GIỚI THIỆU

Các kỹ sư thường muốn làm việc với những vật liệu có các đặc tính xác định, không thay đổi từ vị trí này sang vị trí khác hoặc từ ứng dụng này sang ứng dụng khác. Tuy nhiên, địa chất hiếm khi đáp ứng mong muốn tự nhiên đó; thay vào đó, nó thường tạo ra những điều kiện mới và nhiều thách thức dọc theo chiều dài tuyến hầm. Một số điều kiện gần với trạng thái “lý tưởng” đến mức có thể xử lý theo cách đã trình bày đối với đá và nền đất mềm ở Chương 6 và Chương 7. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, cần áp dụng các biện pháp hoặc bố trí đặc biệt để đào và ổn định hầm một cách an toàn, hiệu quả khi hầm đi qua loại “địa tầng khó khăn” này.

Các yếu tố làm cho việc đào hầm trở nên khó khăn thường liên quan đến sự mất ổn định, gây cản trở việc lắp đặt hoặc duy trì kịp thời hệ chống đỡ đầy đủ tại hoặc phía sau gương đào; tải trọng lớn từ nền đất, gây ra các vấn đề trong thiết kế cũng như trong lắp đặt và duy trì hệ chống đỡ phù hợp; các chướng ngại hoặc ràng buộc tự nhiên và nhân tạo; và các điều kiện vật lý khiến khu vực thi công không thể làm việc được nếu không được cải thiện.

Chương này là bản cập nhật của Chương 8 “Tunneling in Difficult Ground” trong ấn bản thứ 2 của Tunnel Engineering Handbook do Terrence G. McCusker biên soạn (Brickel và nnk., 1996), tập trung vào việc tạo lập và duy trì các không gian mở ổn định bằng phương pháp đào mỏ hoặc đào bằng máy trong địa tầng khó khăn, nơi địa tầng chủ động cản trở các nỗ lực này. Các Chương 6 đến 10 trình bày các khuyến nghị và yêu cầu thiết kế đối với hầm đường bộ đào bằng phương pháp mỏ và đào bằng máy. Phương pháp đào tuần tự dựa trên các nguyên lý SEM được trình bày ở Chương 9. Chương 10 đề cập đến thiết kế các loại vỏ hầm vĩnh cửu khác nhau áp dụng cho hầm trong đá.

8.1.1 Mất ổn định

Mất ổn định có thể phát sinh do: thời gian tự đứng không đủ, như trong cát và sỏi không dính kết (đặc biệt là dưới mực nước ngầm) và đất dính yếu có hàm lượng nước cao, hoặc trong khối đá dạng khối, có nhiều khe nứt; hướng bất lợi của các mặt khe nứt và mặt đứt gãy; hoặc do tác động của nước. Các vấn đề chính trong đào hầm qua gương hỗn hợp cũng có thể được xem là do nguy cơ mất ổn định, và loại hình đào hầm này sẽ được thảo luận trong mục này.

8.1.2 Tải trọng lớn

Khi hầm được đào ở độ sâu lớn trong đá tương đối yếu, có thể gặp nhiều hiện tượng khác nhau, từ ép trồi, bong bật đến phá hoại nổ của khối đá. Tải trọng lớn cũng có thể phát sinh do ảnh hưởng của việc đào hầm trong đất sét trương nở hoặc trong các vật liệu hoạt tính hóa học như anhydrite. Hướng bất lợi của các vùng yếu, chẳng hạn như khe nứt và đứt gãy cắt qua hầm, cũng có thể gây ra tải trọng lớn; tuy nhiên, trường hợp này thường được xử lý như một vấn đề mất ổn định hơn là vấn đề tải trọng. Các tổ hợp hầm song song và hầm giao cắt là trường hợp đặc biệt, trong đó các tải trọng phải được đánh giá cẩn thận.

8.1.3 Chướng ngại và ràng buộc

Các chướng ngại tự nhiên như tầng cuội tảng đi kèm với bột chảy (running silt) và các hang rỗng trong đá vôi chỉ là hai ví dụ về các chướng ngại tự nhiên cần được xem xét đặc biệt khi dự kiến thi công hầm. Trong khu vực đô thị, các móng bị bỏ lại và cọc cũ là các chướng ngại nhân tạo đối với việc đào hầm thẳng tiến.

Trong khi đó, các hệ chống đỡ cho công trình hiện hữu và cho các phát triển trong tương lai lại tạo ra các ràng buộc có thể giới hạn các lựa chọn của đơn vị thi công hầm. Trong môi trường đô thị, xung đột, mâu thuẫn với các tiện ích công cộng và các ràng buộc do nhu cầu hoặc mong muốn đấu nối với các công trình hiện hữu đôi khi dẫn đến việc phải xây dựng các hầm nông. Các hầm này có hàng loạt vấn đề do làm việc trong không gian hạn chế, tránh lún và chịu tải trọng nền không đều cũng như điều kiện chống đỡ không đồng nhất.

8.1.4 Điều kiện vật lý

Ở các khu vực chịu ảnh hưởng của hoạt động kiến tạo tương đối gần đây hoặc hoạt động địa nhiệt đang diễn ra, có thể gặp cả nhiệt độ cao lẫn khí độc, khí nổ hoặc khí gây chết người. Khí độc cũng thường xuất hiện trong đá có nguồn gốc hữu cơ; còn nhiệt độ cao thường đi kèm với đào hầm ở độ sâu lớn. Trong môi trường đô thị, nền đất ô nhiễm có thể gặp phải và sẽ đặc biệt gây khó khăn khi xuất hiện cùng với các điều kiện khó khác.

Khi phù hợp, tài liệu sẽ cung cấp một số thông tin về lý do vì sao điều kiện đang thảo luận gây ra vấn đề cho thi công. Một số ví dụ của từng điều kiện nêu trên được thảo luận ngắn gọn để giúp nhận diện vấn đề và xác định phạm vi các giải pháp có thể áp dụng.

8.2 MẤT ỔN ĐỊNH

8.2.1 Cát và sỏi không dính kết

Tính dính kết trong cát không chỉ phụ thuộc vào thành phần cỡ hạt. Ví dụ, cát có nguồn gốc từ bãi biển thường chứa muối (trừ khi đã bị rửa trôi), yếu tố này giúp cát có tính dính kết nhất định, bất kể cỡ hạt. Khi đó, hàm lượng nước trở thành yếu tố quyết định.

Tuổi và lịch sử địa chất của lớp trầm tích cũng quan trọng, vì cát dune đã được nén chặt với bề mặt hạt “mờ đục” có thể hình thành liên kết thuần túy về mặt cơ học; đồng thời, quá trình rửa trôi và tái lắng đọng khoáng vật từ các tầng phủ phía trên cũng có thể tạo ra liên kết hóa học từ yếu đến mạnh.

Như đã thảo luận ở Chương 7, hàm lượng nước rất thấp, nhỏ hơn mức bão hòa hoàn toàn, sẽ tạo ra lực dính biểu kiến tạm thời khi một bề mặt mới lộ ra trong quá trình đào hầm, do lực mao dẫn hoặc “áp lực nước lỗ rỗng âm”. Hiện tượng này mất đi khi cát khô và bắt đầu rời rạc, sụt lở. Tuy vậy, vẫn có thể có một khoảng thời gian tự đứng ngoài dự kiến. Trong trường hợp này, điều quan trọng là không được đánh giá quá cao độ ổn định của đất. Khi đất khô đi, lực dính sẽ mất đi và không thể khôi phục bằng cách làm ướt lại nền đất.

Nếu nước ngầm thực sự chảy qua gương đào, chỉ một lượng nước bất kỳ cũng có thể đủ để khởi phát hiện tượng chảy đất, phát triển thành sụp đổ hoàn toàn như thể hiện ở Hình 8-1.

Không tồn tại khái niệm “lưu lượng chảy an toàn có thể dự đoán trước” trong cát sạch. Dòng nước không được kiểm soát không chỉ ảnh hưởng đến gương đào. Nếu hệ chống đỡ ban đầu của hầm có tính thấm, nước chảy phía sau gương đào sẽ cuốn các hạt mịn vào trong hầm và có thể tạo ra các hốc rỗng đáng kể — đôi khi đủ lớn để đe dọa tính toàn vẹn của hệ chống đỡ kết cấu. Hiện tượng này đã xảy ra tại Los Angeles, khi một đường ống nước chính bị vỡ gây ra dòng chảy đủ lớn xuyên qua hệ chống đỡ hầm, dẫn đến phá hoại và hình thành một hố sụt lớn trên đường.

Mặc dù các yếu tố như độ chặt hoặc liên kết hóa học có thể cho phép xảy ra một mức độ dòng chảy nhất định mà chưa làm mất ổn định ngay lập tức, nhưng đây không phải là chỉ dấu đáng tin cậy. Các lớp đất hầu như không bao giờ thực sự đồng nhất. Trong các hầm đất mềm đào qua các lớp trầm tích trẻ, đã quan sát thấy rằng chỉ cần có đủ lượng nước tạo thành một màng nước trên gương đào là có thể kích hoạt sự sụp đổ; nghĩa là khi đó không còn áp lực nước lỗ rỗng âm để hỗ trợ ổn định gương đào. Tất nhiên, trong cát hoặc sỏi hạt thô, không bao giờ có thể xem sức căng bề mặt (tác động mao dẫn) là một yếu tố an toàn.

Bùn, có cỡ hạt trung gian giữa cát và sét, có thể ứng xử như vật liệu dính kết hoặc không dính kết. Ở một số khu vực, thường gặp các lớp mỏng bùn cát mịn bão hòa bị kẹp giữa các lớp sét trong trầm tích băng hà. Nói chung, trừ khi các lớp kẹp này dày hơn khoảng 9–12 inch (230–300 mm), khi lớp bùn lộ ra trên thành hố đào, đất sẽ sụt ra từng khoảng, để lại các hốc nông nhỏ giống như cửa hang. Nước dường như thoát đủ nhanh nhờ diện tích bề mặt lộ ra tăng lên, làm cho phần vật liệu còn lại được ổn định.

Vấn đề thường gặp với cát chảy là lún và hình thành hố sụt trên mặt đất, gây hư hại cho các công trình hoặc tiện ích trong khu vực. Nếu nền đất có tính thấm, có thể tiến hành bơm vữa kiểm soát trong khu vực nhạy cảm để ổn định đất trước khi đào hầm. Nếu hạ nước ngầm thành công đến dưới đáy hầm, có thể nhận thấy rằng cát ở trạng thái khô cũng mất ổn định không kém khi ở trạng thái ướt. Phương án sử dụng khí nén là hấp dẫn, với điều kiện áp suất làm việc phải được kiểm soát rất cẩn thận; tuy vậy, ngay cả khi đó, nền đất vẫn có thể bị làm khô quá mức nên không còn ổn định.

Nếu gương đào là toàn bộ gương cát và các vật liệu yếu tương tự, cần sử dụng máy đào kiểu slurry hoặc máy cân bằng áp lực đất. Nhìn chung, máy đào hầm đầu cắt quay dùng cho hầm đất mềm cần các đặc tính vật lý rất tương đồng trên toàn bộ gương đào và dọc theo toàn bộ tuyến. Nếu điều kiện này không thỏa mãn, đất yếu hơn, đặc biệt là cát chảy, phải được ngăn không cho đi vào khiên nhanh hơn mức phù hợp với tốc độ tiến đào. Khiên slurry có khả năng kiểm soát tốt nhất các điều kiện biến đổi khi có cát chảy; tuy nhiên, chúng sẽ khó giữ được tuyến và cao độ trong điều kiện gương hỗn hợp nếu một trong các lớp là sét cứng. Nếu các lớp cát và sét phân bố tương đối đều, ví dụ như sét varved, vấn đề này có thể không phát sinh. Trong các khiên đào kiểu cổ hơn, cả tấm sàn kéo dài lẫn giằng orange peel đều nhìn chung không thành công, do đó hiện nay các máy này hiếm khi được sử dụng.

Một vấn đề đối với mọi dạng thi công bằng khiên là sự chênh lệch đường kính cần thiết giữa khiên và vỏ hầm. Nếu đất không có khả năng tự đứng vào thời điểm lộ ra ở phần trên của hầm, trước khi vỏ hầm sơ cấp giãn nở hoặc trước khi đưa sỏi đậu, hoặc phổ biến hơn là bơm vữa, vào khoảng trống vành khuyên đối với vỏ hầm không giãn nở, thì sẽ xảy ra mất đất. Nếu khoảng trống vành khuyên chưa được lấp đầy trung bình là 1 inch trong hầm đường kính 20 ft (25 mm trong hầm đường kính 6.1 m), lượng đất mất đi chỉ do nguyên nhân này xấp xỉ 1.7%, được nêu trong Bảng 7.2 là thực hành “kém”. Ngay cả khi chỉ xảy ra sụt rời cục bộ, hiện tượng này cũng có thể làm tắc dòng vữa trước khi khoảng trống có thể được lấp đầy bằng vật liệu chèn đỡ liên tục. Sự mất đất này góp phần gây lún.

8.2.2 Sét mềm

Trong phạm vi thảo luận này, sét mềm bao gồm bất kỳ vật liệu dẻo nào sẽ khép lại quanh hầm nếu được đào và để tự do như vậy. Đây sẽ là trường hợp nếu áp lực đất phủ tại cao độ springline vượt quá cường độ cắt của sét khoảng ba lần trở lên. Tuy nhiên, nếu sét nhạy và mất cường độ khi bị xáo trộn, nền đất bị xáo trộn sẽ biểu hiện một phần đặc tính ứng xử của sét trong quá trình thi công. Hiện tượng nhạy cảm này do một số yếu tố chi phối và không thể thảo luận đầy đủ ở đây; nhưng nói chung, tính nhạy có thể xuất hiện ở sét có hàm lượng ẩm cao. Đặc biệt có nguy cơ là các sét biển mà muối đã bị rửa trôi. Sự mất cường độ có thể nằm trong phạm vi rộng; tỷ số giữa cường độ không xáo trộn và cường độ sau khi nhào trộn, gọi là độ nhạy, có thể từ 2 đến 1,000. Độ nhạy từ 2 đến 4 khá phổ biến. Trong quá trình nhào trộn, hệ số rỗng của sét giảm và nước tự do được giải phóng. Khi nước tự do này tiếp cận được đường thoát nước, chẳng hạn tầng cát hoặc chính đường hầm, sẽ xảy ra thay đổi thể tích trong khối đất, dẫn đến lún bề mặt.

Như đã thảo luận trong Chương 7, Phương trình 7-1 được dùng để tính số ổn định (Stability Number) nhằm ước tính ứng xử của nền đất trong đào hầm. Bảng 7-2 tóm tắt ứng xử của đất dính trong quá trình đào. Như thể hiện trong Bảng 7-2, nếu đất dính cần được ổn định để có thể đóng kín quanh lớp lót hầm và duy trì khả năng kiểm soát tuyến và cao độ ổn định, số tới hạn phải được giảm xuống dưới khoảng 5; khi đó có thể kiểm soát tuyến và cao độ ở mức hợp lý. Phương trình 7-1 có thể được viết lại như sau:

\[
P_a = P_z – (N_{crit} \times S_u)\tag{8-1}
\]

trong đó: \(N_{crit}\) là số tới hạn; \(P_z\) là áp lực đất phủ tại cao độ springline của hầm; \(P_a\) là áp lực làm việc trong hầm khí nén hoặc áp lực trung bình tương đương do hệ chống đỡ ban đầu cung cấp; và \(S_u\) là cường độ cắt không thoát nước của đất theo đơn vị tương thích.

Ví dụ, nếu cần duy trì \(N\) bằng 5, áp lực đất phủ là 40 psi và cường độ cắt không thoát nước là 1,000 psf = 7 psi, thì theo Phương trình 8-1, áp lực làm việc cần thiết trong hầm sẽ là: (40 – 5 x 7) = 5 psi. Từ cùng phương trình này có thể thấy rằng nếu cường độ cắt của đất bị giảm do hiện tượng nhào trộn khi khiên đi qua nền đất xuống còn 250 psf, thì áp lực cần thiết để ổn định tăng lên trên 30 psi, biến dự án từ tương đối đơn giản thành khó khăn.

Việc cố gắng tính toán lượng vữa cần bơm vào khoảng rỗng hình khuyên giữa phần đào bằng khiên và lớp lót trong đất sét thường không đem lại nhiều ý nghĩa. Chắc chắn có thể bơm đủ lượng vữa cần thiết, nhưng việc làm cho vữa chảy quanh chu vi hầm thành một lớp đều có thể rất khó. Kết quả tốt nhất đạt được bằng cách thiết lập nhiều điểm bơm đồng thời, cố định vĩnh viễn trong đuôi khiên và xuyên qua các gioăng đuôi khiên. Vữa được bơm trong suốt thời gian khiên chuyển động. Để hệ thống này hoạt động, lớp lót phải là lớp lót phân đoạn có liên kết bulông, với các gioăng gắn sẵn giữa các segment. Cần dự kiến rằng đối với việc bơm đồng thời qua nhiều cổng trong khi khiên đang chuyển động, sẽ cần một giai đoạn học hỏi đáng kể trước khi tất cả các bộ phận của hệ thống vận hành trơn tru để đạt được kết quả mong muốn.

Nhìn chung, rất khó sử dụng thiết bị đào cơ giới trong loại nền đất này, trừ khi dùng khiên dung dịch hoặc máy cân bằng áp lực đất (EPB). Hiện nay, hai loại máy này đang dần có khả năng thay thế lẫn nhau nhờ sự phát triển liên tục của các phụ gia hóa học (conditioners). Khi gặp địa chất thô và/hoặc cần nghiền đá hoặc cuội tảng đến kích thước có thể đi qua máy, khiên dung dịch thường có ưu thế hơn.

EPB được ưa chuộng vì linh hoạt hơn trong điều kiện thay đổi và chi phí thường thấp hơn so với khiên dung dịch. Để kiểm soát áp lực trong buồng áp lực phía sau đầu cắt, cần có băng tải trục vít. Tốc độ quay của trục vít được điều chỉnh phù hợp với tốc độ tiến của máy EPB và áp lực trong buồng được theo dõi bằng cảm biến áp lực. Nếu có khả năng gặp cuội tảng, đặc biệt là những khối lớn hơn khả năng vận chuyển của trục vít, đầu cắt phải được trang bị dao cắt đĩa ngoài các răng đào thông thường của loại máy này. Nội dung này được trình bày chi tiết hơn trong Mục 8.4.1 về xử lý cuội tảng.

8.2.3 Đá khối (Blocky Rock)

Như đã trình bày trong Chương 6, đá về cơ bản là vật liệu có cường độ cao, thường không cần hoặc chỉ cần rất ít hệ chống đỡ kết cấu khi còn nguyên trạng, mặc dù có thể cần bảo vệ khỏi tác động của không khí, nước hoặc dòng chất lỏng vận chuyển trong hầm. Tuy nhiên, khi các khe nứt và mặt nứt mở đủ lớn khiến độ nhám tự nhiên của bề mặt khối không còn ngăn cản được sự dịch chuyển của các khối đá hoặc các mảnh lớn, thì đá được gọi là “đá khối” (blocky). Nếu các khe nứt và mặt nứt chứa vật liệu dạng sét do phong hóa hoặc cắt nhẹ, thì đá được gọi là “đá khối dạng seamy”. Như thể hiện trong Bảng 6-7, điều này có thể làm tăng tải trọng đá lên khoảng ba lần. Trong các vùng mà đá có các nếp uốn nhỏ, nhưng các lớp nằm dọc theo phương của nếp uốn, đá có thể chỉ tự do dịch chuyển theo một hướng. Loại đá này vẫn được xem là đá khối.

Khi đá chịu tác động của chất nổ, khí áp lực cao sẽ chảy vào các khe nứt trong đá trước khi hoàn tất quá trình giãn nở nổ và phá vỡ đá. Ngay cả trong đá granite cứng, việc nổ mìn cũng tạo ra các vi khe nứt lan ra ngoài chu vi thiết kế. Đối với đá khối, hiệu ứng này có thể lan xa hơn một đường kính hầm ra ngoài biên hoàn thiện mong muốn; do đó dễ xảy ra hiện tượng phá quá (overbreak) đáng kể và khả năng nới lỏng cũng như dịch chuyển các khối đá.

Một vấn đề khác với loại đá này là nó rất dễ bị mất ổn định do nước chảy qua hệ khe nứt với năng lượng đủ lớn để lần lượt làm bật rời thêm các khối đá. Tác động này được trình bày đầy đủ hơn ở phần sau. Cuối cùng, khi gặp đá khối trong đào hầm, đặc biệt trong các tầng đá bị uốn nếp mạnh, rất có khả năng tồn tại các vùng mà quá trình phong hóa đã diễn ra đến mức tạo thành vật liệu yếu giống đất, có rất ít khả năng chịu tải hoặc giữ ổn định biên dạng hầm.

Tất cả các điều kiện đá nêu trên đều đòi hỏi hệ chống đỡ sơ cấp được lắp đặt sớm và cẩn thận để duy trì ổn định nền và tạo môi trường làm việc an toàn. Ngay cả trước khi lắp đặt chống đỡ, cần giảm thiểu các tác động bất ngờ bằng cách loại bỏ mọi khối đá rời có thể gây nguy hiểm cho công nhân đang lắp đặt hệ chống đỡ.

Nhiều người vẫn ưa dùng sườn thép và chèn gỗ cho loại đá này. Hệ này tạo chống đỡ chủ động và được lắp đặt nhanh trong các hầm đường kính nhỏ dưới khoảng 5 m. Tuy nhiên, tổ đội vẫn phải làm việc dưới đá chưa chống đỡ để lắp sườn thép và chèn gỗ; chi phí vật liệu cao; gỗ trong hầm cố định có thể dẫn đến tải trọng không đều lên lớp lót vĩnh cửu khi gỗ mục và thép bị ăn mòn; đồng thời tương đối khó bảo đảm tiếp xúc tốt giữa lớp lót bê tông và đá, ngay cả sau khi bơm vữa tiếp xúc.

Vì các lý do này, việc sử dụng bê tông phun và rock bolts đã trở nên phổ biến. Trong đá đã biết là dạng blocky và do đó cần chống đỡ, cần thi công một lớp bê tông phun ban đầu dày khoảng 5 cm càng sớm càng tốt tại phần vòm hầm. Sau đó lắp đặt các rock bolts theo mẫu lắp đặt tức thời, với chiều dài và đường kính chủ yếu phụ thuộc vào đường kính hầm. Xem Chương 6 để biết thêm chi tiết.

8.2.4 Tổ hợp bất lợi của khe nứt và đới cắt

Các hệ khe nứt trong đá hình thành do nhiều nguyên nhân, một số nguyên nhân được nêu ở đây. Đá trầm tích, đặc biệt là đá vôi, thường có ba hệ khe nứt gần như vuông góc với nhau, phát sinh từ quá trình lắng đọng và đông kết tạo đá. Không phải tất cả các khe nứt đều liên tục, nhưng các khe trong cùng một hệ thường song song. Có thể có nhiều hệ khe nứt; hoặc trong đá sa thạch khối yếu chẳng hạn, có thể chỉ có một hoặc hai hệ. Các khe nứt và hệ khe nứt có thể kết hợp làm chia cắt khối đá thành các khối liên kết với nhau, có kích thước và mức độ ổn định khác nhau.

Khi không có bằng chứng trực tiếp cho thấy điều ngược lại, nên giả định rằng các đới cắt và đứt gãy là liên tục trong suốt chiều dài phần giao cắt của chúng với hầm đào. Trong vật liệu dạng phiến, đứt gãy thường đi theo mặt phân phiến đến độ sâu lớn, ngay cả trong vùng khí hậu ôn đới, khi một đới yếu được hình thành do trượt dọc theo mặt phân phiến. Các đứt gãy khác có thể tạo ra các hệ khe nứt phát triển theo bất kỳ hướng nào. Một mặt cắt qua khu vực dự án vuông góc với phương của các bề mặt lộ ra trong vật liệu dạng phiến thường sẽ cho thấy biên dạng răng cưa, trong đó một trong các bề mặt song song với mặt phân phiến. Việc kéo dài mặt phẳng được xác định như vậy đến cao độ hầm sẽ là chỉ báo sơ bộ về sự hiện diện của đá bị cắt xén và phong hóa trong hố đào.

Các khe nứt và đới cắt liên tục có thể tạo thành các khối đá lớn gần như không có gì giữ chúng tại chỗ sau khi đào hầm hoàn tất. Điều quan trọng là phải xác định vị trí các khối có khả năng rơi ra để lắp đặt hệ chống đỡ trong quá trình đào một cách thận trọng. Đối với các hầm đường kính lớn, điều này đặc biệt đòi hỏi phải đánh giá nguy cơ trước khi bắt đầu thi công, lập bản đồ trong quá trình thi công, đồng thời kiểm soát đường kính mũi khoan và chiều dài vòng đào để bảo đảm có thể lộ ra hoàn toàn một khối trong một vòng đào. Người đọc có thể tham khảo Chương 6 để biết thêm chi tiết.

Khó khăn trong việc kiểm soát vị trí chính xác của các sườn thép tại nhiều gương đào làm giảm hiệu quả của loại chống đỡ này. Việc lắp đặt rock bolts, sau đó gia cường bằng bê tông phun, là một cách tiếp cận hợp lý. Trong mọi trường hợp, khi rock bolts phải được bố trí để chịu các tải trọng trực tiếp và có thể dự đoán tương đối rõ, tốt nhất nên lắp đặt chúng trước khi phun bê tông, trong lúc các vị trí khe nứt vẫn còn nhìn thấy được. Nếu không thể sử dụng máy lắp rock bolt cơ giới, tổ đội thi công phải được bảo vệ bằng khung/cage che chắn phía trên.

8.2.5 Đứt gãy và đới biến đổi

Hoạt động kiến tạo, áp suất cao và nhiệt độ cao có thể biến chất đá thành các cấu trúc khác nhau với các kiểu khe nứt khó dự đoán. Sự nâng lên và uốn nếp của đá do hoạt động kiến tạo sẽ gây nứt vỡ vuông góc với trục nếp uốn, cùng với đứt gãy tại nơi khối đá không thể đáp ứng được các chuyển vị liên quan, làm cho các đới cắt phát triển song song với trục nếp uốn. Các loại đứt gãy khác phát sinh khi vỏ Trái Đất thích ứng với sự dịch chuyển của các lực kiến tạo. Đứt gãy hoặc đới cắt có thể mỏng hơn một khe nứt liên tục, hoặc có thể tạo thành các đới cắt rộng hơn một kilômét, trong đó đá bị nghiền nát hoàn toàn nhưng có lẫn các mảnh đá nguyên vẹn, đôi khi có kích thước lớn.

Tất cả các điều kiện được mô tả ngắn gọn ở trên có thể trở nên phức tạp hơn do sự hiện diện của ứng suất khóa, tải trọng đất phủ lớn hoặc nước.

Việc xử lý các điều kiện gặp trong các đới đứt gãy và đới đá xâm nhập bị phong hóa phụ thuộc vào phương pháp đào, chiều sâu dưới mặt đất, cường độ của fault gouge, đá bị cắt hoặc đá bị phong hóa/biến đổi, và điều kiện nước. Các vấn đề về nước được thảo luận chung trong phần tiếp theo, bao gồm việc xem xét các điều kiện nước khó khăn thường gặp cùng với đứt gãy; tuy nhiên, trong phạm vi chúng ảnh hưởng đến việc lựa chọn phương pháp thi công phù hợp khi đi qua đứt gãy, chúng cũng được đề cập tại đây.

Công nghệ hiện nay cung cấp các giải pháp khác, chẳng hạn như sử dụng lớp lót bê tông đúc sẵn trong nền yếu, kèm khả năng kích bổ sung để lớp lót có thể tạo phản lực kích cho lực đẩy của TBM.

Nhìn chung, các đoạn giao cắt đứt gãy tạo ra điều kiện tương tự như đào hầm gương hỗn hợp, và có thể sử dụng các phương pháp tương tự để xử lý. Các điều kiện khác nhau xuất hiện trong các hầm sâu hơn, đặc biệt nếu chúng có đường kính lớn. Các hầm như vậy thường dài và vấn đề hậu cần là rất quan trọng. Độ dài so sánh giữa đới đứt gãy và hầm thông thường quyết định phương pháp thi công có cần hiệu quả đối với đoạn hầm thông thường hay không. Tuy nhiên, cần có đủ tính linh hoạt để cho phép thi công an toàn và hợp lý qua các điều kiện xấu nhất có thể gặp.

Đào khoan nổ vẫn được sử dụng phổ biến trong các hầm như vậy. Rock bolts và bê tông phun sau đó trở thành hệ chống đỡ chính, mặc dù sườn thép cộng chèn gỗ hoặc sườn thép kết hợp bê tông phun cũng vẫn được dùng. Khả năng thành công của TBM trong các điều kiện này thấp. Có hai vấn đề chính: vật liệu rời trong đứt gãy chảy vào các gầu và quanh dao cắt, làm kẹt đầu cắt; nếu đứt gãy chứa vật liệu dính, vật liệu này ép và dính vào đầu cắt cũng như các cửa thoát, khiến kết quả cũng tương tự.

Một giải pháp cho vật liệu rời hoặc bị nới lỏng dạng rã và chảy là tạo một màn vữa phía trước TBM, sau đó duy trì màn này bằng cách tiếp tục chu trình bơm vữa và đào trong toàn bộ phần tuyến bị ảnh hưởng bởi đứt gãy. Ngay cả khi thực hiện bơm vữa cố kết trước khi đào, nếu bơm từ bên trong hầm trong điều kiện tiếp cận hạn chế, thì chỉ khi chương trình được thiết kế và thi công tốt mới đủ ổn định nền để cho phép tiến đào. Cần lưu ý rằng chương trình như vậy sẽ tốn kém và mất thời gian. Vì vậy, khó có khả năng bất kỳ nhà thầu nào tự nguyện thực hiện công tác cần thiết này, trừ khi nó đã được dự kiến rõ trong hợp đồng dưới dạng hạng mục được thanh toán riêng.

Cũng cần nhận thức rằng nếu nước đang chảy vào hầm qua gương đào, cần có một vách ngăn kín để ngăn dòng chảy trong quá trình bơm vữa ban đầu. Bơm vữa vào dòng nước đang chảy là một cách chậm và tốn kém để tạo lớp bịt kín bằng vữa.

Trong phạm vi nhất định, vấn đề ép trồi có thể được xử lý một phần trong đào hầm bằng TBM bằng cách làm thuôn khiên và cho phép điều chỉnh đường kính khiên trong giới hạn nhất định; đồng thời vát nghiêng chính đầu cắt đến mức có thể mà không làm ảnh hưởng đến hiệu suất của các gầu xúc. Các dao gầu có thể mở rộng cũng được sử dụng, nhưng công nghệ này vẫn đang trong quá trình phát triển.

Một trong những vấn đề là có xu hướng xảy ra cắt cục bộ hệ chống đỡ bằng dao cắt, dẫn đến không thể rút dao sau khi đã được mở rộng. Ngoài ra, do các dao này làm việc ở ngoài bán kính của các gầu xúc, vật liệu rơi xuống đáy hầm sẽ không được thu gom mà tạo thành vật cản mà các dao phải liên tục cày qua. Việc này mài vật liệu ngày càng mịn hơn và làm mòn các giá đỡ dao cũng như đĩa cắt. Vì vậy cần có biện pháp tạo chuyển động quay lệch tâm của đầu cắt để phần đáy hầm được quét dọn đúng cách. Không may là hiện tượng ép trồi thường, nếu không muốn nói là đa số trường hợp, biểu hiện rõ hơn ở đáy hầm.

8.2.6 Nước

Theo quan điểm của Terzaghi, những vấn đề nghiêm trọng nhất trong đào hầm có thể quy về sự hiện diện của nước. Trong số các vấn đề này, ông cho rằng rủi ro trôi hạt trong hầm tròn là gấp đôi tải trọng đá thiết kế trên lớp lót hầm khi hầm nằm dưới mực nước ngầm. Bản thân điều này có thể không phải là vấn đề nghiêm trọng, vì hầu hết các lớp lót hầm hiện nay đều bị giới hạn bởi kích thước tối thiểu hơn là bởi vấn đề thiết kế. Tuy nhiên, có nhiều vấn đề khác liên quan đến sự hiện diện của nước. Một số vấn đề sẽ được thảo luận dưới đây, theo thứ tự từ đất sét đến đá, và trong đá thì từ đá yếu, nứt nẻ đến đá cứng, nguyên khối.

8.2.6.1 Sét

Hầu hết các loại sét đều ít nhất có tính nhạy nhẹ. Điều này phát sinh từ vi cấu trúc của đất sét, vốn chủ yếu gồm các khoáng vật sét dạng tấm. Giống như một đống đồng xu, cấu trúc xếp chặt này không hoàn hảo, dù bản thân đất sét tương đối không thấm. Mỗi mảnh đất được giữ tại chỗ bởi sự kết hợp giữa sức kháng ma sát cục bộ, lực hút ion, lực hút hóa học và lực dính mao dẫn tại các điểm tiếp xúc. Các lỗ rỗng trong đất sét nhìn chung chứa nước, có thể có muối hòa tan.

Khi đất sét bị xáo trộn, liên kết bị phá vỡ, nước di chuyển và ít nhất tạm thời làm suy yếu cấu trúc đất sét. Nước tự do sẽ được giải phóng tại mọi mặt biên tạm thời hình thành do cắt trượt. Khi đất sét tái cố kết, nó có khả năng lấy lại cường độ so với trạng thái ban đầu, nhưng quá trình này kéo dài. Ảnh hưởng tức thời, và cũng là ảnh hưởng đến thi công hầm, là sự mất cường độ cắt trong toàn bộ khối đất bị xáo trộn.

Trong đất sét bột hữu cơ, độ nhạy thường khoảng 4, nghĩa là sau khi nhào trộn sẽ xảy ra mất cường độ gấp bốn lần. Điều này liên quan đến hàm lượng nước ban đầu khoảng 60%. Như thể hiện trên Trang 8-4, mất cường độ gấp bốn lần có thể làm tăng áp lực chống đỡ cần thiết lên hơn sáu lần. Tuy nhiên, trong bất kỳ một vật liệu nào, độ nhạy có thể thay đổi rất lớn tùy theo hàm lượng nước. Có thể gặp độ nhạy cao tới 500 đến 1,000 trong một số loại sét, chẳng hạn như các loại sét Leda thường gặp ở các khu vực băng hà trước đây. Sét biển, như loại gặp ở Boston, bị mất muối do khuếch tán khi nằm dưới mực nước ngầm. Các loại sét như vậy thường có tính nhạy cao.

Đào hầm trong sét có độ nhạy trung bình vốn đã đủ khó khăn, vì số tới hạn (Mục 8.2.2) có thể tăng cục bộ gấp bốn lần hoặc hơn. Đối với đào hầm bằng khiên, điều rất quan trọng là tránh các nỗ lực hiệu chỉnh tuyến và cao độ quá mức, vì điều này rất dễ tạo ra tình huống mất kiểm soát.

Một ảnh hưởng khác của việc xáo trộn sét nhạy phụ thuộc trực tiếp vào lượng nước lỗ rỗng bị ép ra khỏi đất sét. Sự thay đổi thể tích này dẫn trực tiếp đến hiện tượng lún nhanh dưới bề mặt. Ngoài ra, đất sét nhanh chóng khép lại quanh lớp lót hầm, dẫn đến độ lún còn lớn hơn nếu không kịp thời bơm đủ vữa bù và/hoặc vữa tiếp xúc.

8.2.7 Đào hầm qua gương hỗn hợp

Đào hầm trong điều kiện gương hỗn hợp là một vấn đề thường trực và luôn tiềm ẩn khả năng gây mất đất nghiêm trọng, kéo theo hư hại cho các tiện ích và công trình, cũng như nguy cơ đối với giao thông. Thuật ngữ “gương hỗn hợp” thường chỉ tình huống trong đó phần dưới của gương đào là đá, còn phần trên là đất. Trường hợp ngược lại cũng có thể xảy ra, chẳng hạn như các dòng bazan phủ lên lớp phù sa, đã gặp trong quá trình xây dựng hệ thống tàu điện ngầm Melbourne. Cũng có thể gặp các gờ đá cứng trong một khối nền đá cứng, xen kẽ với đá mềm, đá phân hủy và đá phong hóa; hoặc đất hạt rời không dính kết nằm trên sét cứng, như ở Washington D.C., hoặc trên saprolite, như ở Baltimore. Định nghĩa này cũng có thể mở rộng để bao gồm các tảng lăn nằm trong nền đất mềm, được thảo luận ở phần khác trong chương này, và các thể bao dạng nốt cứng phân bố trong đá mềm, ví dụ các lớp đá lửa trong đá phấn hoặc granat trong đá phiến kết tinh.

Tình huống vấn đề chủ yếu là sự hiện diện của một lớp yếu nằm trên một lớp cứng, như minh họa rõ trong Hình 8-2 đối với việc xây dựng tuyến C dài 2.3 km và tuyến S dài 4 km của dự án Metro Oporto, thuộc hệ thống vận tải công cộng khối lượng lớn của thành phố Porto, Bồ Đào Nha (Babendererde và nnk., 2004). Tính biến đổi cao của đá granite Oporto phong hóa sâu nằm phủ trên đá granite nguyên khối đã tạo ra những thách thức đáng kể cho hai máy TBM EPB đường kính 8.7 m.

Luôn có nước tại mặt tiếp xúc, và nước sẽ chảy vào hầm ngay khi điều kiện gương hỗn hợp bị lộ ra. Điều này làm tăng mức độ nguy hiểm do vật liệu vốn đã có thời gian tự đứng ngắn bị mất ổn định. Vì vậy, việc ổn định đòi hỏi phải kiểm soát nước ngầm, đồng thời phải chống đỡ đầy đủ và liên tục cho vật liệu yếu. Ngoài ra, hệ chống đỡ này phải được bố trí tại những vị trí cần sử dụng các phương pháp mạnh, chẳng hạn như khoan nổ, để loại bỏ vật liệu cứng hơn.

\(\\\)

Cần nhấn mạnh rằng thời điểm tốt nhất để bịt nước ngầm là trước khi nước bắt đầu chảy vào hầm. Khi nước đã chảy, việc ngăn nước từ bên trong hầm là cực kỳ khó, ngoại trừ bằng cách tạo một vách ngăn kín nước.

8.3 TẢI TRỌNG LỚN

8.3.1 Đá ép trồi

Khi một khoảng mở hầm được hình thành, trạng thái ứng suất cục bộ bị thay đổi. Ứng suất hướng tâm giảm về 0, còn ứng suất tiếp tuyến tăng lên đến ba lần tải trọng phủ tại hiện trường, nếu bỏ qua ảnh hưởng của ứng suất bị “khóa” do các hoạt động kiến tạo trước đây chưa được giải phóng. Nếu cường độ nén không nở hông của đá nhỏ hơn ứng suất tiếp tuyến tăng thêm, một dạng phá hoại sẽ bắt đầu, được gọi là “đá ép trồi”. Khi phá hoại đàn hồi xảy ra, kéo theo sự suy giảm khả năng chịu tải của đất đá, tải trọng được truyền bằng cắt bên trong sang vùng đất đá lân cận cho đến khi đạt trạng thái cân bằng. Nếu đất đá phát triển phá hoại giòn và bị bong tách khỏi thành hầm, thì phần đất đá đã phá hoại sẽ không còn cường độ dư để tham gia phân phối lại tải trọng. Nếu đất đá đủ yếu hoặc tải trọng phủ quá lớn, hầm không được chống giữ có thể khép kín hoàn toàn.

8.3.2 Quá trình ép trồi

Cơ chế chi tiết của chuyển vị nền đất rất phức tạp và phụ thuộc vào sự có mặt hoặc không có mặt của nước và khoáng vật trương nở, cũng như các đặc tính vật lý của nền đất. Tuy nhiên, phục vụ cho việc thảo luận, quá trình ép trồi có thể được mô tả như sau.

8.3.2.1 Chuyển vị đàn hồi ban đầu

Khi hầm được đào, sự giải phóng ứng suất cho phép khối đất đá trước đó đang chịu nén phục hồi đàn hồi để giải tỏa ứng suất. Sự giải phóng ứng suất này xảy ra cả phía trước gương đào lẫn xung quanh khoảng mở hầm. Trong các loại đá phân lớp mỏng như đá phiến (schist) và đá phiến sét (phyllite), mô-đun đàn hồi theo phương song song với các mặt phân lớp thường lớn hơn nhiều so với phương vuông góc. Vì vậy, chuyển vị đàn hồi ngay bên ngoài biên đào có thể xảy ra trên một khoảng cách lớn hơn theo phương vuông góc với mặt phân lớp so với phương song song với mặt phân lớp. Ngoài ra, do đá có thể dịch chuyển dễ dàng hơn dọc theo các mặt phân lớp đều đặn so với theo phương vuông góc với chúng, nên có nhiều hơn một yếu tố chi phối sự biến dạng thực tế của hình dạng hầm.

Sự phục hồi đàn hồi xảy ra trong mọi quá trình đào hầm và bản thân nó không hẳn là một phần của hiện tượng ép trồi (squeezing), vốn liên quan đến những thay đổi trong cấu trúc đá. Tuy nhiên, sự gia tăng ứng suất tiếp tuyến trong đá đi kèm với quá trình này sẽ khởi đầu giai đoạn chuyển vị tiếp theo, tức hiện tượng ép trồi, khi đá bị phá hoại.

Khi đá dịch chuyển về phía khoảng mở hầm, chu vi hầm bị rút ngắn lại. Mô-đun và cường độ của đá sẽ giới hạn mức độ quá trình này có thể tiếp diễn trước khi phá hoại đàn hồi bắt đầu. Xét một loại đá có cường độ nén 35 MPa và mô-đun đàn hồi 17,500 MPa. Biến dạng theo chu vi trên một đơn vị chiều dài tại thời điểm phá hoại là 35/17,500 cm/cm, hay 2 mm/m. Do đó, đối với một hầm có bán kính 2 m, việc bán kính bị rút ngắn khoảng 4 mm có thể khởi phát phá hoại đàn hồi tại bề mặt đá lộ ra.

Điều này không có nghĩa là đá đột ngột mất hoàn toàn cường độ, trừ khi nó đủ giòn để bong tách khỏi thành hầm, mà là cường độ dư của nó đã giảm đáng kể. Khi ứng suất cắt tiếp tuyến gia tăng, sẽ đến lúc ứng suất chênh lệch đủ lớn để gây phá hoại cắt bên trong. Hiện tượng này biểu hiện bằng sự hình thành các mặt tách mới, nơi phần đá bị quá ứng suất tách khỏi khối đá lân cận.

8.3.2.2 Giảm cường độ (Strength Reduction)

Khi phần đá còn lại không đủ vững chắc để chịu tải trọng tăng thêm được truyền sang trong quá trình cắt (shearing), nó cũng sẽ tiếp tục bị phá hoại. Trong các loại đá cứng và giòn, sự phá hoại này có thể làm các mảnh đá bật văng đột ngột khỏi bề mặt, một hiện tượng gọi là “nổ đá” (rock bursting). Một dạng nhẹ hơn của cùng hiện tượng này được gọi là “đá nổ lách tách” (popping rock), nhưng vẫn là hiện tượng nguy hiểm. Vì các hiện tượng này thực sự làm đá bị tách khỏi bề mặt, nên phần đá đã phá hoại rõ ràng không còn khả năng chịu tải dư.

Trong đá yếu hơn và ít giòn hơn, vật liệu bị phá hoại vẫn nằm tại chỗ và chuyển sang trạng thái dẻo hoặc đàn hồi–dẻo (elasto-plastic). Mô-đun đàn hồi và cường độ nén không nở hông của nó, tức các thông số đại diện cho khả năng chịu tải, có thể giảm đến hai bậc độ lớn, nhưng vật liệu này vẫn có thể chịu được một phần tải trọng.

Trong khi đó, tải trọng từ phần đá đã phá hoại quanh chu vi khoảng mở hầm sẽ được truyền sâu hơn vào khối đá, nơi có mức độ bó giữ (confinement) cao hơn, nên khả năng chịu tải cuối cùng cũng lớn hơn. Hiện tượng này có thể được mô hình hóa theo từng bước, nhưng thực tế là một quá trình liên tục và chỉ dừng lại khi toàn bộ tải trọng đã được phân phối lại. Tùy thuộc vào phần khả năng chịu tải dư còn lại trong khối đá bị bó giữ một phần quanh chu vi hầm, trạng thái ứng suất có thể bị ảnh hưởng đến phạm vi cách khoảng mở vài lần đường kính hầm.

Góp phần làm tăng ứng suất dẫn đến phá hoại là trạng thái tương tự trong vòm đá phía trước gương đào. Chân của vòm này chính là phần đá đã bị quá ứng suất phía sau gương đào. Vì vậy, vấn đề này có tính ba chiều trong vùng bị ảnh hưởng. Các chuyển vị ban đầu liên quan đến sự giảm cường độ diễn ra khá nhanh; có thể tới 30% tổng mức giảm kích thước hầm cuối cùng xảy ra trong phạm vi từ một đến một rưỡi đường kính hầm phía sau gương đào.

8.3.2.3 Biến dạng từ biến (Creep)

Do mô-đun đàn hồi và cường độ của đá bị suy giảm, thành hầm tiếp tục xuất hiện chuyển vị hướng tâm bổ sung. Trong vùng đá xung quanh hầm, các đặc tính cơ học của đá thay đổi đáng kể. Cụ thể, cả mô-đun đàn hồi và cường độ nén không nở hông đều giảm dần liên tục, dù không theo quan hệ tuyến tính, từ các giá trị ban đầu trong khối đá chưa bị xáo trộn về phía thành hầm.

Đường kính hầm giảm dần khi vật liệu suy yếu từ biến, tức dịch chuyển chậm về phía biên hầm. Tốc độ chuyển vị gần như tỷ lệ với tải trọng tác dụng. Vì vậy, hiện tượng chuyển vị này phụ thuộc vào thời gian, sau giai đoạn giải tỏa ứng suất đàn hồi ban đầu vốn có thể xem là xảy ra gần như tức thời.

Khi nền đất được phép biến dạng, cường độ của hệ chống đỡ cần thiết để hạn chế chuyển vị tiếp theo sẽ giảm xuống. Tuy nhiên, tùy thuộc vào mức độ ép trồi (squeezing), các phá hoại cắt và hiện tượng giãn nở (dilatation) đi kèm với phá hoại có thể dẫn đến trạng thái mất ổn định ở thành và vòm hầm.

Do thời điểm, vị trí và mức độ của các phá hoại này khó xác định chính xác, hệ chống đỡ thường được lắp đặt trước khi toàn bộ lượng chuyển vị tiềm năng xảy ra.

8.3.2.4 Mô hình hóa ứng xử của đá

Do bản chất của cơ chế phá hoại, các mô hình toán học đàn–dẻo (elasto-plastic) và nhớt–đàn–dẻo (visco-elasto-plastic) đã được phát triển để mô tả các chuyển vị phát sinh và đánh giá trạng thái ứng suất quanh hầm trong đá. Các mô hình này không hoàn toàn chính xác, nhưng nhìn chung phù hợp khá tốt với kinh nghiệm thực tế nên vẫn rất hữu ích. Tuy nhiên, đối với từng đường hầm cụ thể, chúng phụ thuộc vào các thông tin chỉ có thể thu được từ kinh nghiệm tại chính công trình đó. Đây là nền tảng của phương pháp quan trắc trong thiết kế chống đỡ hầm, điển hình là Phương pháp đào tuần tự (SEM) được trình bày ở Chương 9.

Từ các nghiên cứu thực nghiệm, người ta ghi nhận rằng tải trọng thực tế xuất hiện tại bề mặt hầm thay đổi theo đường kính hầm dưới dạng hàm lũy thừa. Tải trọng cũng phụ thuộc vào tốc độ tiến đào. Vì vậy, khi gặp các điều kiện như vậy, nên lựa chọn đường kính hầm nhỏ nhất nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu sử dụng. Kinh nghiệm cũng cho thấy hầm tiết diện tròn dễ chống đỡ hơn bất kỳ hình dạng nào khác.

8.3.2.5 Các yếu tố khác

Nếu đá chứa nước lỗ rỗng, áp lực nước lỗ rỗng âm sẽ hình thành khi đá dịch chuyển về phía đường hầm. Điều này tạo ra một phần hỗ trợ ban đầu cho đến khi áp lực nước lỗ rỗng âm bị triệt tiêu. Ngoài ra, gradient áp suất mới hình thành do sự giải phóng áp suất bó giữ (confining pressure) sẽ tạo ra áp lực thấm hướng về phía biên hầm. Tại các khu vực có cột áp thủy tĩnh lớn, tải trọng đá có thể tăng đáng kể.

Người ta cũng cho rằng ngay cả một lượng nhỏ khoáng vật sét trương nở trong đá cũng có thể góp phần đáng kể vào tải trọng đá khi có nước hiện diện. Nước này không nhất thiết phải đang chảy, mà chỉ cần tồn tại trong các lỗ rỗng. Khi tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của khối đá đã được xác định và định lượng, có thể phát triển các mô hình dự báo chính xác hơn cũng như đề xuất các biện pháp mới để kiểm soát và cải thiện ứng xử của nền đất. Trong giai đoạn hiện nay, chúng ta vẫn chủ yếu phải dựa vào các phương pháp xấp xỉ dựa trên kinh nghiệm.

8.3.2.6 Quan trắc

Tốc độ ép trồi (squeezing) và tải trọng đá phụ thuộc phần nào vào kích thước hầm và tốc độ tiến đào. Trong điều kiện đá bị ép, đá trương nở, hoặc ngay cả trong đá dạng khối có nhiều khe nứt và khả năng tự khóa kém, cần thiết lập chương trình lắp đặt các điểm quan trắc độ hội tụ (convergence point) để theo dõi thường xuyên mức độ và tốc độ chuyển vị của thành hầm.

Thông tin thu thập theo thời gian, kết hợp với ứng xử của hệ chống đỡ hầm, sẽ cung cấp dữ liệu cần thiết để dự báo và lắp đặt lượng chống đỡ phù hợp trong quá trình đào hầm tiếp tục diễn ra. Kỹ thuật này là cốt lõi của phương pháp đào hầm SEM trong đá, được trình bày ở Chương 9. Công tác quan trắc địa kỹ thuật được thảo luận ở Chương 15.

8.3.3 Hệ chống đỡ biến dạng (Yielding Supports)

Một cách xử lý đối với nền đá có hiện tượng ép trồi (squeezing rock) là sử dụng hệ chống đỡ biến dạng đơn giản và khả thi, như minh họa ở Hình 8-3. Số lượng các khớp biến dạng có thể được điều chỉnh để phù hợp với điều kiện đá đang đào, vì tất cả các bộ phận đều được chế tạo tại hiện trường. Mỗi khớp cho phép độ co lại tối đa khoảng 22 cm (xem Hình 8-4).

Kinh nghiệm cho thấy cần phun bê tông (shotcrete) lấp các khe hở khi độ co lại gần đạt đến giới hạn cho phép, trước khi các đoạn thép thực sự va chạm vào nhau. Nhiều trường hợp hư hỏng đã xảy ra khi để các đoạn thép chạm trực tiếp như vậy.

Ngoài ra, việc cho phép đáy hầm (invert) trồi tự do trong khoảng 20 đến 30 ngày trước khi thi công đóng kín đáy hầm cũng được ghi nhận là giúp toàn bộ hệ chống đỡ chịu được các tải trọng còn lại, đồng thời vẫn duy trì một phần khả năng dự phòng cho các trường hợp gia tăng tải trọng lâu dài. Các hệ chống đỡ biến dạng phức tạp hơn cũng đã được thiết kế và đưa vào sử dụng.

Tóm lại, hệ thống chống đỡ này tạo ra áp lực chống đỡ ban đầu tương đối thấp và cho phép khối đá giải phóng ứng suất gần như đồng đều, có kiểm soát quanh toàn bộ chu vi đường hầm, đồng thời vẫn ngăn hiện tượng đá bị bong rời (ravelling). Nhờ có các mối nối chịu biến dạng (yielding joints), lớp bê tông phun (shotcrete) không bị hư hại do hiện tượng hội tụ (convergence) và vẫn duy trì được tính toàn vẹn, với điều kiện các khe hở được lấp kín kịp thời.

Sau khi cho phép giải phóng gần như toàn bộ lượng ứng suất cần thiết trong giai đoạn biến dạng đàn hồi–dẻo (elasto-plastic) của khối đá, hệ chống đỡ sẽ được làm cứng lại. Khi đó, nó có thể chịu được áp lực khoảng 3.8 MPa để đối phó với áp lực từ biến (creep pressure) dài hạn.

8.3.3.1 Nêm gỗ và chèn (Timber Wedges and Blocking)

Việc sử dụng các khối chèn được siết chặt vào nền bằng các cặp nêm gập (folding wedges) tạo ra một bộ phận kết cấu có thể được phép phá hoại bằng cách nghiền nát nhằm giải phóng ứng suất. Việc quan sát quá trình hư hỏng tiến triển, kết hợp với kinh nghiệm thực tế, cho thấy cần theo dõi chặt chẽ ứng xử của hệ chống đỡ thép để kịp thời giảm khoảng cách giữa các khung chống hoặc tăng tiết diện thép khi cần thiết.

8.3.3.2 Bản đáy đúc sẵn (Precast Invert)

Khi hiện tượng ép trồi (squeezing) xảy ra đủ nghiêm trọng để gây khó khăn, xu hướng chủ yếu là các thành hầm phía dưới dịch chuyển vào trong và đáy hầm (invert) bị trồi lên (heave). Sự suy giảm cường độ của đá tại phần đáy dẫn đến việc nhanh chóng hình thành các điều kiện bùn lầy và mất ổn định dưới hoạt động vận chuyển trong hầm.

Trong trường hợp này, có thể sử dụng các tấm bản đáy bê tông đúc sẵn đặt sát gương đào thay cho các thanh chống đáy (invert struts). Tại một vị trí xảy ra hiện tượng ép mạnh, các tấm bê tông này đã bị trồi lên và cần phải bảo trì thường xuyên để giữ đường ray đúng cao độ. Tuy nhiên, ngoài vấn đề đó, chúng vẫn tạo ra một bề mặt làm việc tốt và ít xảy ra sự cố.

8.3.4 Đào hầm bằng máy TBM

Do hiện nay có nhiều dự án hầm lớn đang được xem xét sử dụng máy đào hầm (TBM), trong đó điều kiện ép trồi (squeezing conditions) có thể trở thành vấn đề quan trọng, nên phần thảo luận dưới đây được trình bày chi tiết hơn, dù chưa dựa trên nhiều kinh nghiệm thực tế.

(squeezing conditions là gì?)

Trong ngữ cảnh đào hầm, “squeezing conditions” là điều kiện địa chất mà đất đá quanh hầm bị ép dồn và biến dạng chậm vào phía khoảng mở hầm do ứng suất đất đá quá lớn so với khả năng chịu tải của khối đá.

Hiểu đơn giản:

• Sau khi đào hầm, ứng suất quanh hầm bị phân bố lại.
• Nếu đá quá yếu hoặc tải trọng phủ quá lớn, đất đá sẽ không giữ được hình dạng ổn định.
• Thành hầm sẽ từ từ “ép” vào trong, đáy hầm có thể trồi lên, làm biến dạng hệ chống đỡ và thậm chí kẹt TBM.

Nó không phải:

• sụp đổ tức thời như đất chảy,
• cũng không phải chỉ là “áp lực lớn” thông thường,

mà là hiện tượng:

• biến dạng lớn,
• phụ thuộc thời gian,
• thường kèm từ biến (creep),
• và có thể kéo dài liên tục sau khi đào.

Phần lớn các trường hợp hầm trong điều kiện đất đá ép đều liên quan đến việc cắt ngang qua các đứt gãy. Trong tình huống này, TBM thường gặp khó khăn do nước đột ngột tràn vào mang theo cát và đá vụn mịn, hoặc do các khối đá bị kẹt giữa các lưỡi cắt. Vấn đề thứ hai đã được xử lý trong nhiều đường hầm có điều kiện thuận lợi hơn. Giải pháp chính là sử dụng thiết kế cho phép lưỡi cắt chỉ nhô ra một khoảng giới hạn phía trước đầu cắt, nhờ có tấm chắn gương (face shield) đặt phía trước bộ phận chống đỡ kết cấu.

Một bước phát triển tiếp theo là thiết kế cho phép thay thế các lưỡi cắt bị mòn từ bên trong hầm, nhờ đó không cần tiếp cận phía trước đầu cắt. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có giải pháp đơn giản nào cho vấn đề đầu cắt và các gầu xúc bị tắc nghẽn bởi cát và mảnh vụn đá trong khi dòng nước vẫn tiếp tục chảy mạnh. Khi đó, việc làm sạch và tiến đào trở thành quá trình khó khăn và chậm chạp cho đến khi khu vực bị ảnh hưởng được xử lý xong.

Ngoài ra, trong các điều kiện như vậy, việc sử dụng tấm chắn (shield) là rất quan trọng để bảo vệ máy và cung cấp chống đỡ tạm thời cho các vật liệu không có khả năng tự đứng vững (no stand-up time). Trong một số trường hợp, nếu điều kiện này đã được biết trước hoặc có khả năng xảy ra, có thể khoan thăm dò phía trước để xác định vị trí chính xác, từ đó ổn định nền đất bằng bơm vữa (grout injections), đồng thời luôn duy trì một lớp vách ngăn phía trước khu vực đào. Đôi khi có thể cho phép phần lớn nước thoát ra khỏi nền đất, nhưng đây không phải là phương pháp đáng tin cậy để dự đoán điều kiện thi công.

Các máy TBM có tấm chắn (shielded TBM) đã được sử dụng thành công trong những điều kiện như vậy. Tuy nhiên, việc sử dụng tấm chắn dài lại gây bất lợi cho khả năng làm việc hiệu quả trong điều kiện đất đá ép.

Một vấn đề lớn khác, dù có nằm trong đứt gãy hay vùng cắt trượt hay không, là hiện tượng nền đất đá khép kín (co lại) quanh tấm chắn đầu cắt và bất kỳ tấm chắn bảo vệ nào phía sau đầu cắt. Nhiều máy TBM đã bị kẹt cứng do tải trọng tác dụng lên hệ tấm chắn quá lớn, khiến máy không thể tiếp tục tiến lên. Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng tấm chắn ngắn có khả năng thu nhỏ (short shrinkable shield) trên máy.

Không dự đoán rằng việc đào hầm trong điều kiện ép trồi (squeezing ground) hoặc trong các vùng đứt gãy sẽ bao giờ trở thành một công việc đơn giản và mang tính thường quy, do điều kiện địa chất biến đổi thất thường và khó dự đoán. Tuy nhiên, quan điểm hiện nay cho rằng hầu như mọi đường hầm đều có thể được thi công bằng phương pháp TBM nếu điều đó mang lại hiệu quả kinh tế.

Như đã đề cập trước đó, khó khăn trong việc dự đoán ứng xử của đá trong điều kiện ép trồi là một yếu tố quan trọng thúc đẩy sự phát triển của phương pháp quan trắc để xác định yêu cầu chống đỡ đá. Tuy nhiên, nếu lựa chọn đào hầm bằng TBM, một phần tính linh hoạt của phương pháp quan trắc sẽ bị hạn chế, do khó quan sát trực tiếp gương đào hoặc đo đạc chuyển vị. Vì vậy, ngay từ giai đoạn thiết kế TBM, cần đưa ra quyết định về mức độ chuyển vị nền đất có thể dự kiến hoặc cho phép xảy ra, cũng như thiết kế hệ chống đỡ đủ khả năng chịu các tải trọng phát sinh trong các giai đoạn khác nhau của quá trình đào hầm.

Do hiện tượng ép trồi trong đá mềm thường không dẫn đến mất ổn định tức thời, nên về mặt thực tế có thể trì hoãn việc lắp đặt hệ chống đỡ chính cho đến khi phần lớn biến dạng đã xảy ra và tải trọng nền đất đã giảm xuống. Thông thường, khoảng 60–70% tổng chuyển vị của nền đất đã diễn ra trong phạm vi khoảng ba lần đường kính hầm phía sau gương đào. Nếu mức độ ép trồi tổng thể không lớn, có thể không cần thiết, thậm chí không nên, trì hoãn việc lắp đặt chống đỡ quá lâu.

Trong điều kiện lý tưởng, lớp chống đỡ cuối cùng chỉ được lắp đặt khi độ hội tụ giảm xuống dưới 1 mm mỗi tháng. Tải trọng tương ứng với một mức độ hội tụ nhất định phụ thuộc vào các thông số của từng dự án. Ngoài ra, cũng cần xem xét mọi yêu cầu dài hạn liên quan đến khả năng chống thấm nước của hầm. Cuối cùng, cần lưu ý rằng nếu mục tiêu là ngăn hoàn toàn nước ngầm xâm nhập vào hầm, lớp vỏ hầm cuối cùng phải được thiết kế để chịu toàn bộ cột áp thủy tĩnh, trừ khi tầng chứa nước đã được bịt kín hoàn toàn bằng bơm vữa gia cố. Nếu cho phép nước ngầm đi vào, dù theo cách có kiểm soát hay thông qua việc cho phép lớp vỏ hầm xuất hiện các vết nứt cục bộ, thì khi đó chỉ cần xét đến áp lực thấm. Tuy nhiên, đối với nền đất yếu có hiện tượng ép trồi hoặc đá đứt gãy với khả năng trương nở chưa xác định, phương án thứ hai có vẻ không phù hợp.

8.3.5 Hệ thống chống đỡ bằng khung thép (Steel Rib Support System)

Các khung thép đặt sát bề mặt hầm và được chèn chặt vào vách hầm thường được dùng làm hệ chống đỡ ban đầu cho hầm trong đá, đặc biệt là các hầm thi công bằng phương pháp khoan–nổ mìn truyền thống. Gỗ, bê tông hoặc tấm thép có thể được chèn giữa khung thép và khối đá để tạo tiếp xúc chặt; cũng có thể dùng vữa hoặc lưới thép hàn.

Hệ thống tương tự cũng có thể dùng trong hầm thi công bằng TBM, nhưng cần chừa một khe hở nhỏ ban đầu giữa khung thép và nền đá để đoạn khung cuối cùng có thể lắp đặt thuận tiện. Trong điều kiện đào hầm bình thường, khe hở này sau đó được khép kín bằng cách mở rộng khung thép ép sát vào nền đá.

Đặc biệt trong điều kiện nền đá bị ép lấn vào hầm (squeezing ground), khung thép phải được chèn chặt vào khối đá trên toàn bộ chu vi. Khi khối đá tiếp tục dịch chuyển và ép lấn vào hầm, nó vẫn sẽ ép vượt qua các khung thép và không tạo được tác dụng giải phóng ứng suất. Với kiểu lắp đặt này, các khung thép cần có độ cứng lớn nhất có thể để hạn chế chuyển vị và hiện tượng mất ổn định do oằn (buckling).

Biện pháp bảo vệ chính là lắp các thanh giằng thép (steel ties) và thanh chống vòng (collar braces) tại các khoảng cách nhất định quanh khung. Các thanh chống vòng thường là các đoạn ống thép đặt giữa các khung. Sau đó, thanh giằng được luồn qua các lỗ trên bản bụng của tiết diện thép và xuyên qua ống tạo thành thanh chống vòng. Các cấu kiện này cũng có thể bị biến dạng do nền đá ép lấn. Nếu hiện tượng này gây ra vấn đề đáng kể, có thể thay thế bằng các thanh thép góc (angle irons) hàn vào mặt trong của khung thép.

Điểm đáng lưu ý là trong các đường hầm mà khung thép đã bị oằn dưới tải ép do squeezing nhưng vẫn được giữ nguyên tại chỗ, chúng thường vẫn còn đủ khả năng chịu lực để tiếp tục chống đỡ. Tuy nhiên, vấn đề chính là hiện tượng squeezing thường làm đất đá ép lấn vào phạm vi mặt cắt hoàn thiện yêu cầu của hầm.

8.3.6 Các segment bê tông

Vỏ hầm bằng segment bê tông (segmental concrete linings) tồn tại dưới hai dạng khá khác nhau. Dạng truyền thống là vỏ hầm có bu lông liên kết và gioăng kín nước (gasketed), được thiết kế như lớp vỏ hoàn thiện lắp dựng trong một lần thi công.

Trước đây, dạng được sử dụng phổ biến hơn là các segment không bu lông, không gioăng, chỉ có cốt thép nhẹ để thuận tiện cho việc lắp dựng, đóng vai trò như một lớp vỏ sơ cấp “hy sinh”. Loại vỏ này được gọi là “hy sinh” chỉ theo nghĩa là nó được phép xuất hiện các vết nứt do tải kích hoặc do sự phân bố lại ứng suất; tuy nhiên, nó vẫn giữ được phần lớn khả năng chịu tải ban đầu. Bên trong loại vỏ này luôn có thêm một lớp vỏ hoàn thiện; đôi khi chỉ là lớp bê tông không cốt thép có chiều dày danh định, ví dụ khoảng 10 in. (254 mm). Hệ vỏ hầm kết hợp này có thể kinh tế hơn so với hệ lắp dựng một lần và có ưu điểm về tính linh hoạt. Tuy nhiên, các vấn đề thường phát sinh với vỏ hầm bê tông đúc sẵn khi không có đủ không gian lắp dựng để cho phép các sai lệch normal thường gặp trong quá trình đào hầm.

Khi lựa chọn sử dụng vỏ hầm bê tông đúc sẵn, cần quyết định mức độ dịch chuyển nền đất được phép xảy ra cũng như loại vật liệu chèn lấp (backfill) sử dụng giữa vỏ hầm và khối đá. Nếu cho phép nền đất dịch chuyển lớn, có thể phát sinh các vấn đề về ổn định trong quá trình lắp dựng. Khi đó, vỏ hầm cần được chống đỡ tách biệt tại phần đáy vòm ngược (invert), đồng thời cần có thanh giằng ngang hoặc khối chèn để giữ ổn định hình dạng trong và sau khi lắp dựng cho đến khi công tác bơm vữa chèn sau lưng vỏ hầm hoàn tất. Công việc này đòi hỏi thời gian và tay nghề, nhưng không có khó khăn đáng kể.

Công nghệ hiện nay đang có xu hướng sử dụng hệ vỏ hầm segment bê tông lắp dựng một lần. Các segment này được chế tạo bằng bê tông chất lượng cao và thường được liên kết bằng bu lông, có gioăng kín nước tại tất cả các mối nối. Tuy nhiên, hiện nay cũng sử dụng các mối nối chu vi có chốt định vị (doweled circumferential joints). Các vòng hầm cần được đúc và bảo dưỡng trong môi trường nhà máy được kiểm soát, đồng thời phải dùng bê tông cường độ cao để đạt sức kháng lớn và mô đun đàn hồi cao. Trong một số ứng dụng, sợi thép có thể được dùng thay cho cốt thép truyền thống.

Điều quan trọng là nền đất đang dịch chuyển không được tiếp xúc cục bộ với vòng hầm đã hoàn thiện tại một điểm, vì điều này chắc chắn sẽ gây méo dạng và có thể làm giảm khả năng chịu tải của vỏ hầm. Cũng có thể sử dụng vật liệu chèn có khả năng nén trong khoảng rỗng hình vành khăn, miễn là vật liệu đó có đủ sức kháng để huy động phản lực bị động đủ lớn nhằm chống lại sự biến dạng của vỏ hầm. Tối thiểu, cần xem xét cẩn thận cường độ và khả năng biến dạng của bất kỳ vật liệu nén nào được sử dụng.

8.3.7 Hệ thống đào hầm bằng máy đào hầm (TBM)

Các bộ phận chính của máy đào hầm (TBM) chịu ảnh hưởng đáng kể bởi sự khác biệt giữa điều kiện đào hầm trong nền đất đá có hiện tượng ép lấn vào hầm (squeezing ground) và nền đất đá không có hiện tượng này. Những vấn đề đó sẽ được trình bày trong các phần dưới đây. Chương 6 giới thiệu các bộ phận chính và hệ thống phụ trợ của máy đào hầm TBM.

8.3.7.1 Đầu cắt (Cutterhead)

Qua nhiều năm, nhiều dạng đầu cắt khác nhau đã được sử dụng, từ các đầu cắt phẳng đời đầu với nhiều đĩa cắt, đến các đầu cắt dạng vòm, đầu phẳng mép bo tròn và đầu cắt hình nón. Ngày nay, hình học của đầu cắt được lựa chọn dựa trên loại nền đất đá mà máy dự kiến sẽ đào xuyên qua.

Thực tế cho thấy nên bố trí ít nhất các dao cắt biên (gauge cutters) sao cho có thể thay thế từ phía sau; hiện nay, cách bố trí này thường được áp dụng cho tất cả các dao cắt. Thiết kế dạng nan hoa (spoke design) cho phép tiếp cận dễ dàng tới gương đào và giúp đơn giản hóa thiết kế ở một số khía cạnh. Tuy nhiên, loại máy này hỗ trợ rất ít khi gặp nền đất yếu, vì vậy nhìn chung nên sử dụng máy có mặt đào kín (closed face machine). Ngoài ra, để bảo vệ các đĩa cắt và bệ gá dao, thường bố trí một mặt giả (false face) nhẹ để các đĩa cắt chỉ nhô ra một khoảng ngắn.

Trong các thiết kế truyền thống, đầu cắt được trang bị một lớp bảo vệ (shield) riêng như một phần của hệ gầu đầu cắt. Thiết kế này tạo thành một đoạn hình trụ dài khoảng 4 ft. (1.2 m), gần như tiếp xúc với nền đất. Trong điều kiện nền đất đá bị ép lấn vào hầm (squeezing ground), lớp shield này dễ bị ảnh hưởng bởi áp lực do sự dịch chuyển của khối đá gây ra. Vì vậy, tốt hơn là shield nên có đường kính nhỏ hơn đường kính đào và được vuốt thon về phía sau. Các dao cắt biên cần được bố trí nhô ra ngoài thân chính của đầu cắt.

Nếu đầu cắt không tiếp xúc sát với nền đất, cần có biện pháp tạo chống đỡ ổn định thay thế tại vị trí đó. Bộ phận này tương đương với tấm đế (sole plate) dùng để bù đào vượt (overcut compensation) trong các máy cân bằng áp lực đất. Tuy nhiên, để đáp ứng các mức đào vượt khác nhau, hệ chống đỡ này cần được điều khiển bằng thủy lực. Do phải chịu tải cắt đáng kể, thiết kế của nó cần có độ cứng rất lớn.

8.3.7.2 Lực đẩy (Propulsion)

Máy đào hầm (TBM) cần có một điểm tựa phản lực để tự đẩy tiến về phía trước. Phản lực này có thể được tạo ra bằng cách kích trực tiếp vào hệ chống đỡ hầm thông qua các kích bố trí quanh chu vi máy, hoặc bằng cách tạo lực ma sát tỳ lên thành hầm.

Lực đẩy cần thiết để duy trì chuyển động tiến của đầu cắt vào khoảng 25,000 kg cho mỗi dao cắt. Khi nền đất đá yếu, cần hạn chế áp lực tỳ lên thành hầm vì đá yếu có thể bị phá hoại ngay cả dưới tải trọng nhỏ, đặc biệt theo phương vuông góc với hướng phân lớp (foliation). Điều này sẽ làm tăng tốc độ biến dạng ép lấn (squeezing) và có thể làm tăng tổng biến dạng của khối đá.

Đồng thời, cũng nên hạn chế chiều dài chiếm chỗ của các bộ kẹp (grippers) nhằm giảm khoảng cách cần thiết giữa gương đào (working face) và hệ chống đỡ. Điều này có thể đòi hỏi phải bố trí nhiều bộ kẹp bao phủ phần lớn chu vi hầm, nhưng mỗi bộ có chiều dài hạn chế để giảm áp lực phân bố không đều lên bề mặt đá đang bị ép lấn.

8.3.7.3 Khiên đào (Shield)

Nếu cần sử dụng khiên đào, khiên nên có chiều dài ngắn và có khả năng co lại (shrinkable). Nhiều máy TBM đã bị kẹt do đất đá dịch chuyển ép sát vào khiên và tạo ra tải trọng đủ lớn làm máy ngừng hoạt động.

8.3.7.4 Thiết bị lắp dựng (Erector)

Việc có thể linh hoạt hoàn toàn trong lựa chọn vị trí lắp dựng các vòng hầm (ring erection) là rất quan trọng. Vì vậy, thiết bị lắp dựng nên có khả năng di chuyển dọc theo đường hầm và được gắn trên giàn băng tải. Nếu sử dụng vỏ hầm bằng segment bê tông (concrete segmental lining), cũng nên bố trí thiết bị định hình vòng (ring former) để duy trì hình dạng của vòng hầm vừa lắp dựng cho đến khi công tác bơm vữa chèn sau lưng vỏ hầm hoàn tất.

8.3.7.5 Vận chuyển đất đá đào ra (Spoil Removal)

Các hệ thống băng tải kết hợp toa xe ray truyền thống hoặc hệ băng tải đơn được thiết kế phù hợp với kích thước hầm là những giải pháp thích hợp.

8.3.7.6 Hệ thống phụ trợ phía sau (Back-Up System)

Để giữ cho khu vực giữa các bộ kẹp (grippers) và khu vực lắp dựng vòng hầm được thông thoáng nhất có thể, các thiết bị phụ trợ như máy biến áp, bơm thủy lực, v.v. nên được bố trí tránh khỏi khoảng không này ở cao độ đường ray.

8.3.8 Tính linh hoạt trong vận hành (Operational Flexibility)

Hệ thống nêu trên được kỳ vọng có khả năng xử lý cả trường hợp sử dụng khung thép hoặc vỏ hầm segment bê tông đúc sẵn. Nếu các hệ chống đỡ được lắp đặt trực tiếp từ hệ đẩy của TBM, mức độ linh hoạt sẽ thấp hơn so với khi sử dụng hệ gripper. Hệ thống cũng sẽ dễ gặp vấn đề hơn trong các trường hợp tốc độ hội tụ của đất đá lớn hơn đáng kể so với dự kiến.

8.3.9 Hiện tượng trương nở (Swelling)

Hiện tượng trương nở thường gắn liền với đất sét hoặc các loại đá có nguồn gốc từ đất sét. Trong thực tế, rất khó phân biệt giữa nền đất đá bị ép lấn vào hầm (squeezing ground) và nền đất đá trương nở (swelling ground), nhất là khi hai hiện tượng này thường xuất hiện đồng thời.

Tuy nhiên, trừ các điều kiện khắc nghiệt, hiện tượng squeezing hầu như luôn có tính tự giới hạn: sau khi phần vật liệu ép lấn đã được đào bỏ, nó sẽ không tiếp tục diễn ra mạnh, hoặc thậm chí không còn xảy ra. Ngược lại, hiện tượng trương nở có thể tiếp tục kéo dài chừng nào còn nước tự do và các khoáng vật trương nở, đặc biệt khi phần vật liệu ép lấn được dọn đi, làm lộ ra lớp đá mới chưa bị hydrate hóa.

Nhiều đường hầm đường sắt và đường bộ ở châu Âu được xây dựng trong các thành hệ đá dễ xảy ra cả squeezing và swelling. Hầu hết các hầm này có phần tường và mái dạng gần tròn, kết hợp với bản đáy vòm ngược (invert slab) có bán kính cong lớn hơn. Một số hầm vẫn phải sửa chữa định kỳ dù đã xây dựng từ hơn một thế kỷ trước. Thực tế cho thấy, khi các vòm đáy được đào lại và thay thế bằng cấu hình gần tròn hơn, khoảng thời gian giữa các lần sửa chữa tiếp theo sẽ dài hơn.

Đất sét trương nở (expansive clays) thường phổ biến hơn trong các đá sét trẻ, với tỷ lệ dao động từ khoảng 65% trong vật liệu tuổi Pliocene và Miocene xuống chỉ còn khoảng 5% trong vật liệu tuổi Cambrian và Precambrian. Khoáng vật montmorillonite có thể xuất hiện trong đá ở mọi tuổi, dưới dạng các lớp ngăn mỏng hoặc các lớp dày hơn. Natri-montmorillonite có tính trương nở mạnh hơn nhiều so với canxi-montmorillonite.

8.3.10 Cơ chế trương nở (Swelling Mechanism)

Phần lớn hiện tượng trương nở xảy ra do sự tồn tại đồng thời của các khoáng vật sét trương nở chưa bị hydrate hóa và nước tự do. Quá trình thi công hầm thường tạo ra các điều kiện này. Các khoáng vật như montmorillonite tạo thành các tinh thể dạng phiến phân lớp; nước có thể đi vào mạng tinh thể, làm thể tích tăng lên đến khoảng 10 lần so với tinh thể chưa hydrate hóa. Sự dịch chuyển do quá trình tăng thể tích này gây ra áp lực trương nở quan sát được, dù xảy ra trong đất hay trong đá.

Nếu có thể, cần tránh để nước tiếp xúc với đá hoặc đất chứa khoáng vật sét trương nở. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nước từ bê tông mới, hơi nước trong không khí ẩm, hoặc nước lỗ rỗng thoát ra khi đá mất áp lực kìm giữ đều có thể khởi phát quá trình trương nở. Vì trương nở không tự ổn định theo cách mà squeezing thường xảy ra trong đá, hệ chống đỡ hầm phải được thiết kế để chịu áp lực trương nở. Áp lực này có thể được đo trong phòng thí nghiệm, ngay cả khi có thể cho phép trương nở diễn ra phần nào mà không gây ra vấn đề.

8.3.11 Các vấn đề khác của đá (Other Rock Problems)

Đá phiến kết tinh (schist) thường chứa các khoáng vật sét như biotite, mica và chlorite. Tất cả các khoáng vật này đều có dạng phiến và thường sắp xếp song song theo phương foliation. Nếu chúng tồn tại dưới dạng các lớp liên tục, cần xem chúng là các mặt yếu khi đánh giá ổn định khối đá.

(phương foliation là gì?)

Trong địa chất và cơ học đá, foliation là cấu tạo phân lớp hoặc định hướng song song của các khoáng vật dạng phiến trong đá biến chất, đặc biệt là các khoáng vật như mica, biotite, chlorite…

Nói đơn giản, đây là “phương sắp xếp ưu tiên” của các khoáng vật trong đá, tạo thành các mặt hoặc lớp yếu mà đá dễ tách, trượt hoặc phá hoại theo đó.

Ví dụ ở đá phiến (schist), các khoáng vật mica thường nằm song song nhau, tạo thành các “thớ đá”. Những “thớ” này chính là foliation.

Trong ngữ cảnh đào hầm:

• Nếu tải trọng hoặc áp lực tác dụng vuông góc với foliation, đá thường yếu hơn và dễ biến dạng.
• Các mặt foliation thường được xem là mặt yếu cấu trúc khi đánh giá ổn định hầm.

Tương tự, các vật liệu bị phong hóa trong các đới cắt trượt (shears) và đá mylonite chưa phong hóa cũng là dấu hiệu cho thấy sự tồn tại của các mặt yếu trong khối đá.

Anhydrite sẽ chuyển hóa thành thạch cao (gypsum) khi có sự hiện diện của nước, kèm theo sự gia tăng thể tích có thể lên tới 60%. Tuy nhiên, các lớp anhydrite không bị ảnh hưởng theo cách giống như các loại đá bị phân chia nhỏ mịn, vì phản ứng chỉ xảy ra gần bề mặt và không thâm nhập sâu vào bên trong. Nếu anhydrite bị nứt nẻ, quá trình chuyển hóa sẽ diễn ra ngày càng nhanh hơn do phản ứng giãn nở tiếp tục tạo thêm các khe nứt mới.

Mức độ giãn nở thực tế phụ thuộc vào tỷ lệ rỗng (void ratio) của anhydrite. Cũng như các khoáng vật nhạy cảm với nước khác, cần thực hiện mọi biện pháp để ngăn nước tiếp xúc với anhydrite. Đây có thể là một vấn đề đặc biệt nghiêm trọng trong các hầm vận chuyển chất lỏng, vì bất kỳ sự rò rỉ nào cũng có thể gây hư hại lớn cho đường hầm.

8.4 CÁC TRỞ NGẠI VÀ HẠN CHẾ

8.4.1 Đá tảng (Boulders)

Kinh nghiệm thực tế về hiệu quả của các đĩa cắt trên đầu đào (cutterhead disks) trong điều kiện gặp đá tảng lần đầu được ghi nhận tại Warrington, Anh. Ban đầu, một máy đào khiên bùn (slurry shield) được thiết kế để thi công hầm trong đất. Tuy nhiên, do các ràng buộc địa phương, tuyến hầm sau đó phải đổi hướng sang khu vực có khả năng gặp đá tảng và nền đá sa thạch ở phần đáy vòm ngược (invert). Vì thiết bị khi đó đã được chế tạo xong, các đĩa cắt được bổ sung vào đầu đào với hy vọng xử lý được vấn đề phát sinh ngoài dự kiến — và thực tế chúng đã hoạt động hiệu quả.

Các nghiên cứu gần đây tại Nhật Bản từ các mô hình thí nghiệm cho thấy ngay cả đất sét rất mềm cũng có thể giữ các đá tảng đủ ổn định để chúng bị phá vỡ dưới tác động của đĩa cắt. Ngược lại, nhiều loại máy đào đầu quay thông dụng đã không xử lý hiệu quả đá tảng khi chỉ sử dụng các răng xới (drag picks).

Một khó khăn đặc biệt đôi khi xuất hiện khi gặp các tầng đá tảng có chứa bột mịn bão hòa nước trong các khoảng rỗng giữa các đá. Điều này thường gặp nhất ở các khu vực từng chịu tác động của băng hà. Sự mất đất do dòng chảy của các hạt mịn bão hòa vào trong đường hầm thường không gây lún mặt đất, vì các vật liệu khác dịch chuyển vào thay thế thường sẽ nhanh chóng bị kẹt lại và làm nghẽn dòng chảy.

Nếu không xảy ra hiện tượng tự nghẽn này, hoặc nếu không thể để các khoảng rỗng như vậy tồn tại mà không được lấp đầy, có thể áp dụng nhiều biện pháp xử lý khác nhau. Thi công bằng khí nén có thể đẩy nước ra khỏi lớp bột mịn để ổn định nó, với điều kiện tầng đá tảng không bị bao quanh bởi vật liệu không thấm nước. Nếu bị bao kín như vậy thì phương pháp khí nén sẽ không hiệu quả.

Việc sử dụng máy cân bằng áp lực đất (EPB) có trang bị đĩa cắt sẽ hiệu quả nếu áp suất trong buồng công tác (plenum chamber) được duy trì đủ cao để cân bằng cột áp thủy tĩnh trong lớp bột mịn. Khiên bùn (slurry shield) trong cùng điều kiện thường còn hiệu quả hơn, nhưng chi phí cũng cao hơn. Trong trường hợp cuối cùng, có thể phải sử dụng bơm vữa cố kết hoặc bơm vữa thay thế phía sau khiên đào.

Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc nhiều vào yếu tố kinh tế, như thường thấy trong lựa chọn biện pháp thi công. Nếu điều kiện này chỉ xuất hiện trong một đoạn ngắn của đường hầm dài, có thể chọn các giải pháp kém hiệu quả hơn để xử lý tầng đá tảng, kể cả phương pháp đào mở (cut-and-cover), miễn là hầm không quá sâu hoặc mực nước ngầm không quá cao.

Trong mọi trường hợp, nếu các đá tảng không tiếp xúc chặt với nhau thì cần chống đỡ toàn bộ gương đào (full breasting of the face). Có thể hình dung việc bơm vữa vào phía sau gương đào để ép vật liệu đang chảy ra ngoài. Để biện pháp này hiệu quả, cần bơm vữa đồng thời tại nhiều vị trí nhằm tránh hình thành đường thoát ưu tiên cho các hạt mịn. Vữa cũng cần lan rộng ra ngoài chu vi hầm một khoảng đủ lớn để tạo thành “nút chặn” (plug) có thể đào qua mà không gây sự cố phía sau khiên đào. Tuy nhiên, trong các đường hầm nhỏ, việc tiếp cận để thực hiện chương trình xử lý như vậy thường rất khó khăn.

8.4.2 Đá vôi karst (Karstic Limestone)

Đá vôi karst thường chứa rất nhiều hốc hòa tan với kích thước khác nhau. Tùy thuộc vào lịch sử địa chất của khu vực, các hốc nằm phía trước gương đào có thể chứa nước, bùn, sỏi hoặc hỗn hợp của các vật liệu này. Trong nhiều trường hợp, nước chảy có thể xuất hiện với lưu lượng lớn.

Cũng có thể lớp đá tốt tại cao độ đường hầm không đủ dày để tạo nền chống đỡ an toàn cho thiết bị đào hầm. Tất cả các khả năng này cho thấy cần phải khảo sát địa chất thật kỹ trước khi thi công hầm trong đá vôi, đặc biệt tại những khu vực chưa từng có lịch sử xây dựng công trình ngầm hoặc khai thác mỏ.

8.4.3 Móng bị bỏ lại (Abandoned Foundations)

Trong các hầm đô thị, cần dự kiến khả năng gặp các móng cũ hoặc công trình ngầm bị bỏ lại. Ví dụ, trong một dự án xây dựng hầm giao thông công cộng tốc độ cao ở khu đô thị, đã gặp 898 cọc trong quá trình thi công. Con số này cao hơn hơn hai lần so với ước tính lớn nhất ban đầu.

Phần lớn các cọc này không được ghi nhận trong hồ sơ, là tàn tích của các công trình cũ bị bỏ lại sau các trận hỏa hoạn thường xuyên xảy ra vào cuối thế kỷ 19, cũng như sau các đợt cải tạo lấn biển liên tiếp làm đường bờ dịch chuyển ra vịnh vài trăm mét trong nhiều thập kỷ.

Hầu hết các cọc là cọc gỗ, chỉ có hai cọc không phải gỗ. Các cọc gỗ được tháo dỡ bằng cách cắt thành các đoạn ngắn khi chúng lộ ra ở gương khiên, sử dụng cưa xích dạng đuôi hải ly vận hành thủy lực được chế tạo riêng cho công việc này. Hai cọc còn lại gây ra vấn đề khác: một cọc bê tông và một cọc thép. Do hầm được thi công trong khí nén, việc đốt cọc thép và phá cọc bê tông là những công việc không đơn giản. Việc tháo dỡ hai cọc này mất thời gian khoảng 10 lần so với tháo dỡ cọc gỗ.

Với TBM, tương tự, cọc gỗ có thể bị cắt bởi các đĩa cắt, nhưng thời gian xử lý cọc thép và cọc bê tông cũng sẽ tăng đáng kể. Một vấn đề khác là chiều dài cọc còn lại phía trên hầm có xu hướng từ từ trượt xuống, do chúng mang theo trọng lượng đất bám quanh cọc cũng như lớp đất đắp nhân tạo phía trên. Ở một số vị trí, cần gia cường lớp vỏ của các tấm thép lót chế tạo sẵn do tải trọng tập trung từ các cọc này.

Một ví dụ khác là dự án xây dựng hầm thoát nước mưa. Trong một đoạn ngắn gần cửa ra hạ lưu, hầm nằm trong đất; do chiều dài đoạn này ngắn nên được đào không dùng khiên. Vì đất chủ yếu, nếu không muốn nói là hoàn toàn, là đất đắp nên rất khó duy trì hình dạng hầm cho đến khi các khung thép được lắp xen kẽ giữa các vòng tấm lót thép. Người ta biết phía trước có các móng nhà máy cũ, nhưng vị trí của chúng không chắc chắn. Vì vậy, phương án được xem là thận trọng là tiếp tục đào theo cách này cho đến khi gặp đá sa thạch phía trước, ít nhất trong một đoạn ngắn.

Trong quá trình đào, một số móng được phát hiện trong đất. Việc cách ly bê tông đã thành công đến mức đất không chuyển dịch vào hầm khi bê tông được phá bỏ. Ở bước đào tiếp theo theo phương pháp thông thường, các khoảng rỗng nhanh chóng được lấp đầy hoàn toàn và không xâm lấn vào mặt cắt hầm.

Có thể nêu thêm rất nhiều ví dụ tương tự, nhưng điểm mấu chốt của các vấn đề này là phải thu thập tối đa thông tin hiện có, dự kiến kịch bản bất lợi nhất và chuẩn bị xử lý nó như một vấn đề kỹ thuật, chứ không chỉ là một vấn đề kinh tế.

8.4.4 Hầm nông (Shallow Tunnels)

Vấn đề đối với hầm nông là khả năng chống đỡ bên không đáng tin cậy, và tải trọng tác dụng lên hệ chống đỡ khác xa giả định thông thường là tải trọng hướng tâm gần như phân bố đều. Trong khu vực đô thị, hầm nông thường bị hạn chế bởi sự hiện diện của các công trình quan trọng, dù nằm trên mặt đất hay dưới đất.

Bơm vữa cố kết đã được sử dụng khi điều kiện nền đất thuận lợi; bơm vữa đầm chặt cũng đã được dùng thành công để tránh phải hạ thấp mực nước ngầm. Trong các trường hợp khác, có thể dùng bơm vữa tia, ô ống (pipe canopy) hoặc các biện pháp chống trước khác.

Không thể xác định một phạm vi điều kiện cố định để lựa chọn một giải pháp cụ thể, vì mỗi dự án dạng này thường có những đặc điểm riêng. Phương pháp đào tuần tự (Chương 9), phương pháp đào mở (Chương 5) và/hoặc phương pháp kích đẩy hộp (Chương 12) cũng có thể được xem xét.

8.5 ĐIỀU KIỆN VẬT LÝ (Physical Conditions)

8.5.1 Khí methane (Methane)

Methane thường gặp ở những nơi vật chất hữu cơ bị chôn giữ bên dưới hoặc bên trong các trầm tích, dù các trầm tích này đã hóa đá hay chưa. Methane đặc biệt phổ biến trong các lớp đá vôi sét quanh Ngũ Đại Hồ; trong các tích tụ hydrocarbon — như than hoặc dầu — tại Pennsylvania, West Virginia, Colorado hoặc California; và ở nhiều khu vực khác.

Cần lưu ý rằng “methane” thường được dùng để chỉ chung các khí thuộc nhóm ethane có thể hiện diện, mặc dù methane thường là thành phần chính. Methane cũng là khí duy nhất nhẹ hơn không khí đáng kể. Khi trộn với không khí, methane tạo thành hỗn hợp nổ nếu hàm lượng methane chiếm khoảng 5% đến 15% tổng thể tích. Khi gặp với lượng thông thường, methane có thể dễ dàng được pha loãng và thổi ra khỏi hầm bằng hệ thống thông gió.

Các quy định an toàn yêu cầu phải có biện pháp xử lý khi methane xuất hiện ở nồng độ bằng 20% giới hạn nổ dưới. Trong thực tế, giá trị này tương đương nồng độ khoảng 1% theo thể tích. Cần kiểm tra định kỳ để xác định có hay không sự hiện diện của khí dễ nổ. Việc kiểm tra này được thực hiện trong tất cả các hầm được xác định là có khí hoặc có khả năng có khí. Chỉ khi công trình được đánh giá là không có khí thì nhà thầu mới được miễn trách nhiệm kiểm tra; tuy nhiên, ở nhiều nơi vẫn nên tiếp tục kiểm tra theo lịch giảm bớt, ngay cả khi chưa phát hiện khí trong quá trình đào hầm.

8.5.2 Khí hydro sulfide (Hydrogen Sulfide)

Hydro sulfide thường xuất hiện cùng với methane, vì vậy trong các điều kiện có khí, luôn cần nghi ngờ khả năng có mặt của khí này. Ở nồng độ thấp, hydro sulfide dễ được nhận biết nhờ mùi trứng thối đặc trưng.

Đây là chất độc tích lũy và có thể gây chết người ngay cả ở nồng độ thấp; chỉ cần hít phải một luồng khí ở nồng độ 100% thường có thể gây tử vong tức thì. Cũng cần lưu ý rằng khi hydro sulfide xuất hiện ở nồng độ thấp, mũi có thể mất khả năng nhận biết mùi khí này. Ngoài việc kiểm tra và duy trì thông gió lưu lượng lớn, các dấu hiệu phơi nhiễm thường diễn ra theo trình tự: đau đầu, ho, buồn nôn và bất tỉnh. Nồng độ khí cần được giới hạn ở mức 10 ppm hoặc thấp hơn cho ca làm việc 8 giờ, tùy theo quy định địa phương.

Khi có hoặc nghi ngờ có hydro sulfide, cần đặc biệt chú ý đến thông gió, nhất là tại các khu vực làm việc. Tương tự methane, hệ thống thông gió phải duy trì lưu lượng lớn để pha loãng khí liên tục 24 giờ mỗi ngày, 7 ngày mỗi tuần, bất kể có đang thi công hay không.

Dù vậy, không được đi vào bất kỳ giếng đứng, hố, đường hầm hoặc khoảng không dưới mặt đất nào nếu chưa kiểm tra không khí trước. Quy định này đặc biệt quan trọng khi vào để sửa chữa quạt thông gió bị hỏng. Khi có thể, khí nên được thu gom trực tiếp và xả vào hệ thống thông gió, không để đi vào không khí trong hầm.

8.5.3 Nhiệt độ cao (High Temperatures)

Gradient địa nhiệt khác nhau tùy khu vực, với mức chênh lệch có thể vào khoảng 2:1. Theo kinh nghiệm sơ bộ, có thể lấy khoảng 1°C cho mỗi 100 m chiều sâu làm giá trị tham khảo hợp lý. Đối với các hầm tương đối nông, chẳng hạn sâu dưới khoảng 150 m, ảnh hưởng này thường không đáng kể. Trên thực tế, nhiệt độ trong hầm thường xấp xỉ nhiệt độ trung bình quanh năm tại khu vực đó.

Tuy nhiên, đặc biệt ở những khu vực có hoạt động núi lửa, hoạt động địa nhiệt hoặc khí hậu nhiệt đới, nhiệt độ trong các hầm sâu có thể tăng lên bằng hoặc cao hơn thân nhiệt con người. Nếu có dòng nước nóng, hoặc nếu hầm rất ẩm ướt — điều này khá thường gặp — điều kiện làm việc có thể trở nên nguy hiểm vì mồ hôi và sự bay hơi bị hạn chế, dễ dẫn đến sốc nhiệt.

Yếu tố duy nhất có thể kiểm soát trực tiếp là thông gió trong hầm. Bằng cách cấp không khí ở nhiệt độ thấp hơn, điều kiện cục bộ có thể được duy trì ở mức chịu được, đặc biệt khi không khí cấp vào đủ khô để tiếp nhận hơi ẩm bay hơi.

8.5.4 Nhận xét (Observations)

Các tác động đáng kể và các vấn đề thi công phát sinh từ những điều kiện đào hầm khó khăn đã nêu ở trên cho thấy: tất cả các khả năng liên quan đến địa chất và lịch sử khai thác, sử dụng khu vực nơi hầm được xây dựng cần được xem xét đầy đủ, cả từ góc độ thi công lẫn thiết kế, khi lập chương trình khảo sát và thí nghiệm địa kỹ thuật sơ bộ cũng như cuối cùng.

Điều quan trọng là các kỹ sư thiết kế hầm phải hiểu đầy đủ bản chất của các điều kiện nền đất đá ảnh hưởng đến thi công. Khi đó, không chỉ công tác khảo sát hiện trường, mà cả quá trình phát triển thiết kế, hồ sơ kỹ thuật và báo cáo địa kỹ thuật cũng sẽ phản ánh đầy đủ các vấn đề có thể gặp và các hướng xử lý tiềm năng.

Cuối cùng, lợi ích của chủ đầu tư sẽ được bảo đảm tốt nhất bằng việc phân tích kỹ lưỡng, công bố đầy đủ các điều kiện và giải pháp dự kiến, cùng với cách tiếp cận thiết kế làm cơ sở cho chúng, thay vì né tránh việc nhận diện các vấn đề và tác động tiềm tàng của chúng.

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