Chương 10 – VỎ HẦM

10.1 GIỚI THIỆU

Chương này trình bày các vấn đề liên quan đến thiết kế kết cấu, cấu tạo chi tiết và thi công vỏ hầm cho các hầm đường bộ, tập trung vào các hầm đào (mined) hoặc hầm khoan (bored). Vỏ hầm là các hệ kết cấu được lắp đặt sau khi đào nhằm chống đỡ nền đất đá, duy trì khẩu độ hầm, hạn chế dòng nước ngầm chảy vào, đỡ các hạng mục phụ trợ và tạo lớp nền cho bề mặt hoàn thiện cuối cùng của hầm. Vỏ hầm có thể được sử dụng để ổn định ban đầu cho công tác đào, làm chống đỡ nền đất đá lâu dài hoặc kết hợp cả hai chức năng này. Các vật liệu làm vỏ hầm được đề cập trong chương này bao gồm vỏ bê tông đổ tại chỗ (Hình 10-1), vỏ bê tông đúc sẵn dạng phân đoạn (segment) (Hình 10-2), vỏ thép tấm (Hình 10-3) và vỏ bê tông phun (shotcrete) (Hình 10-4). Các nội dung về ứng dụng, quy trình thiết kế, cấu tạo chi tiết và lắp đặt được trình bày trong các phần tiếp theo của chương này. Các lớp hoàn thiện cuối cùng không được đề cập cụ thể.

Hình 10-1 Hầm Cumberland Gap

Vỏ bê tông đổ tại chỗ (cast-in-place concrete lining) thường được lắp đặt sau một khoảng thời gian kể từ khi hoàn thành hệ chống đỡ nền đất đá ban đầu. Vỏ bê tông đổ tại chỗ được sử dụng cho cả hầm trong đất yếu và hầm trong đá cứng, và có thể được thi công bằng bê tông cốt thép hoặc bê tông thường. Vỏ bê tông đổ tại chỗ có thể được tạo thành với bất kỳ hình dạng hình học nào, trong đó hình dạng được quyết định bởi mục đích sử dụng, phương pháp đào và điều kiện nền đất đá.

Vỏ bê tông đúc sẵn (precast concrete lining) được sử dụng làm cả chống đỡ nền đất đá ban đầu và chống đỡ lâu dài (Hình 10-2). Các segment có dạng cung tròn được đúc sẵn và lắp ráp bên trong khiên của máy đào hầm TBM để tạo thành một vòng hầm hoàn chỉnh. Khi cần thiết, chúng có thể được sử dụng trong hệ hai lớp (two-pass system) chỉ với vai trò là chống đỡ nền đất đá ban đầu. Các segment chống đỡ ban đầu trong hệ hai lớp thường được gia cường nhẹ và đúc hoàn thiện thô. Lớp thứ hai, hay lớp vỏ hoàn thiện cuối cùng, thường là bê tông đổ tại chỗ. Vỏ bê tông đúc sẵn cũng có thể được sử dụng trong hệ một lớp (one-pass system), trong đó các segment đảm nhiệm cả chức năng chống đỡ ban đầu và chống đỡ lâu dài. Các vỏ segment bê tông đúc sẵn trong hệ một lớp được chế tạo với dung sai nghiêm ngặt, có lắp gioăng kín nước (gasket) và được liên kết bằng bu lông nhằm giảm lượng nước thấm vào trong hầm.

Vỏ thép tấm (steel plate lining hay liner plate) là một dạng kết cấu phân đoạn, trong đó các tấm thép được chế tạo thành các cung tròn và thường được lắp ráp bên trong khiên của máy đào hầm TBM để tạo thành một vòng hầm hoàn chỉnh. Vỏ thép tấm có thể đóng vai trò là cả chống đỡ nền đất đá ban đầu và chống đỡ lâu dài. Các segment được lắp gioăng kín nước (gasket) nhằm hạn chế dòng nước ngầm chảy vào hầm. Các tấm thép cũng được sử dụng thay cho lớp ván chèn (lagging) trong trường hợp các gân thép (steel ribs) được dùng làm chống đỡ nền đất đá ban đầu. Với sự phát triển của các segment bê tông đúc sẵn, vỏ liner plate hiện nay không còn được sử dụng phổ biến như trước đây.

Như đã trình bày trong Chương 9, bê tông phun (shotcrete) là loại bê tông được phun bằng khí nén và thường được sử dụng làm kết cấu chống đỡ ban đầu. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của công nghệ bê tông phun, vỏ bê tông phun vĩnh cửu hiện nay đã được thiết kế và thi công kết hợp với phương pháp đào tuần tự SEM (Sequential Excavation Method) cho công trình hầm (Chương 9). Một trong những ứng dụng đầu tiên của vỏ bê tông phun hoàn thiện tại Hoa Kỳ là tại hầm Lehigh Tunnel số 2 thuộc tuyến Pennsylvania Turnpike.

Bê tông phun có thể sử dụng nhiều thành phần cấp phối khác nhau như được trình bày trong Chương 9 và Chương 16. Nó có thể được phun trực tiếp lên nền đất đá lộ ra, lên cốt thép, lưới thép hàn hoặc dầm lưới (lattice girder). Khi sử dụng kết hợp với neo đá (rock bolt) và thanh liên kết (dowel), bê tông phun có thể chứa sợi thép hoặc sợi nhựa và có thể được tạo thành từ nhiều loại hỗn hợp khác nhau. Bê tông phun được thi công theo từng lớp để đạt được chiều dày yêu cầu. Chương 16 trình bày việc sử dụng bê tông phun trong sửa chữa vỏ bê tông.

Các lối thông ngang và khu vực trú ẩn thường được đào thủ công sau khi hầm chính đã được đào xong. Do có hình dạng đặc thù và diện tích nhỏ, các khu vực này thường được lót bằng bê tông đổ tại chỗ. Khối lượng vỏ hầm cho các hạng mục này không đủ lớn để việc sử dụng vỏ đúc sẵn trở nên kinh tế.

10.1.1 Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)

Thiết kế vỏ hầm, ngoại trừ các tấm vỏ thép của hầm, không được đề cập trong các quy chuẩn thiết kế tiêu chuẩn. Chương này nhằm thiết lập các quy trình thiết kế vỏ hầm dựa trên Tiêu chuẩn thiết kế cầu LRFD của Hiệp hội Quan chức Đường bộ và Vận tải Hoa Kỳ (AASHTO), phiên bản hiện hành.

LRFD là một triết lý thiết kế có xét đến sự biến thiên trong dự báo tải trọng và sự biến thiên trong ứng xử của các cấu kiện kết cấu. Đây là sự mở rộng của phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng đã được sử dụng trong nhiều năm. Chương này nhằm hỗ trợ người thiết kế áp dụng các tiêu chuẩn LRFD vào thiết kế vỏ hầm và cung cấp cách diễn giải thống nhất về tiêu chuẩn AASHTO LRFD khi áp dụng cho vỏ hầm.

10.2 CÁC VẤN ĐỀ CẦN XEM XÉT TRONG THIẾT KẾ

10.2.1 Độ cứng và biến dạng của vỏ hầm

Vỏ hầm là các hệ kết cấu, nhưng khác với các hệ kết cấu khác ở chỗ sự tương tác giữa chúng với nền đất đá xung quanh là một phần không thể tách rời trong ứng xử, độ ổn định và khả năng chịu tải tổng thể của chúng. Sự mất đi hoặc thiếu hụt khả năng chống đỡ từ nền đất đá xung quanh có thể dẫn đến phá hoại vỏ hầm. Khả năng biến dạng của vỏ hầm dưới tải trọng phụ thuộc vào độ cứng tương đối giữa vỏ hầm và nền đất đá xung quanh. Trong nhiều trường hợp, vỏ hầm mềm dẻo hơn nền đất đá xung quanh. Tính mềm dẻo này cho phép vỏ hầm biến dạng theo sự biến dạng của nền đất đá trong và sau quá trình đào hầm. Sự biến dạng này cho phép nền đất đá xung quanh huy động sức kháng và đạt trạng thái ổn định. Biến dạng của vỏ hầm cho phép các mô men trong vỏ được phân bố lại sao cho tải trọng chủ yếu bên trong vỏ là lực nén vòng hoặc lực dọc trục. Vỏ hầm hiệu quả nhất là loại có tính mềm dẻo và độ dẻo cao.

Vỏ hầm duy trì độ ổn định và khả năng chịu tải thông qua sự tiếp xúc với nền đất đá xung quanh. Khi tải trọng tác dụng lên một phần của vỏ hầm, vỏ bắt đầu biến dạng và do đó phát sinh áp lực bị động tại các phần khác của vỏ. Áp lực bị động này ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định uốn (buckling) hoặc sụp đổ của vỏ. Độ dẻo của vỏ hầm cho phép hình thành các “khớp dẻo” tại những vị trí có mô men lớn nhằm giảm mô men, từ đó tải trọng chủ yếu trở thành lực dọc trục. Đối với bê tông, độ dẻo này đạt được thông qua sự hình thành các vết nứt trong bê tông. Việc thiếu cốt thép hoặc không bố trí cốt thép đều góp phần thúc đẩy sự khởi đầu của các vết nứt này. Các mối nối trong vỏ bê tông segment cũng tạo ra độ dẻo. Đối với vỏ thép tấm, độ cứng chống uốn không đáng kể của các tấm thép cùng với độ dẻo vốn có của thép cho phép hình thành các khớp tương tự.

10.2.2 Các vấn đề về khả năng thi công

Mỗi công trình hầm đều có đặc điểm riêng. Điều kiện nền đất đá, phương tiện và phương pháp đào hầm, điều kiện tải trọng, kích thước hầm và vật liệu xây dựng đều khác nhau giữa các công trình hầm. Mỗi hầm phải được đánh giá dựa trên các đặc điểm riêng của nó để xác định những vấn đề cần được xem xét trong quá trình thiết kế nhằm bảo đảm tính khả thi trong thi công. Một số yếu tố phổ biến cần được xem xét bao gồm:

10.2.3 Độ bền lâu

Các công trình hầm có chi phí rất lớn và được xây dựng để sử dụng lâu dài. Nhiều hầm hiện hữu tại Hoa Kỳ đã được khai thác hơn một trăm năm mà vẫn chưa thấy dấu hiệu kết thúc tuổi thọ sử dụng. Việc phải ngừng khai thác hầm trong thời gian dài có thể gây tổn thất kinh tế rất lớn. Vì vậy, các chi tiết cấu tạo và vật liệu cần được lựa chọn sao cho có thể chịu được các điều kiện gặp phải trong công trình ngầm. Mọi kết cấu, bao gồm cả hầm, đều cần được kiểm tra, bảo trì định kỳ và sửa chữa. Chương 17 trình bày về công tác kiểm tra, bảo trì và phục hồi hầm. Tuy nhiên, cấu tạo chi tiết nên được thiết kế sao cho công tác bảo trì dự kiến được đơn giản hóa và độ bền lâu dài được tối đa hóa.

Hầm đường bộ cũng có thể phải chịu các sự kiện cực đoan như hỏa hoạn do sự cố xảy ra bên trong hầm. Thiết kế vỏ hầm cần xem xét ảnh hưởng của đám cháy lên vỏ hầm. Vỏ hầm phải có khả năng chịu được nhiệt của đám cháy trong một khoảng thời gian nhất định mà không mất tính toàn vẹn kết cấu. Khoảng thời gian yêu cầu này phụ thuộc vào cường độ đám cháy dự kiến và thời gian phản ứng của lực lượng cứu hộ có khả năng chữa cháy. Vỏ hầm cũng cần chịu hư hại ít nhất có thể để hầm có thể được đưa trở lại khai thác sớm nhất. Khả năng bảo vệ chống cháy có thể đạt được thông qua lớp bê tông bảo vệ, lớp hoàn thiện hầm và việc bổ sung sợi nhựa trong cấp phối bê tông.

10.2.4 Bê tông mật độ cao

Bê tông mật độ cao được sản xuất bằng cách sử dụng xi măng nghiền rất mịn và/hoặc thay thế một phần xi măng bằng các vật liệu như tro bay hoặc xỉ lò cao. Hàm lượng chất kết dính trong bê tông mật độ cao rất lớn. Hàm lượng xi măng cao làm cho việc thi công trở nên khó khăn ngay cả trong điều kiện lý tưởng. Các cấp phối phức tạp với nhiều loại phụ gia và việc kiểm soát nước cẩn thận là cần thiết để giữ cho bê tông ở trạng thái dẻo đủ lâu để đổ vào ván khuôn. Hàm lượng xi măng cao sẽ dẫn đến nhiệt thủy hóa lớn. Việc bảo dưỡng đúng cách các vật liệu này là điều thiết yếu để tạo ra sản phẩm chất lượng. Bảo dưỡng không đúng cách hoặc không đầy đủ có thể gây ra nứt nghiêm trọng do co ngót. Các vết nứt do co ngót có thể làm giảm hiệu quả của sản phẩm, ảnh hưởng đến độ bền lâu và thậm chí khiến sản phẩm không thể sử dụng được.

Tuy nhiên, bê tông mật độ cao có thể mang lại lợi ích trong nhiều ứng dụng hầm. Nó có thể hạn chế sự thấm nước và cung cấp khả năng chống lại tác động hóa học đáng kể. Bê tông mật độ cao có hệ số dẫn nhiệt thấp, điều này có lợi trong trường hợp hỏa hoạn. Bê tông mật độ cao nên được sử dụng kết hợp với công tác kiểm tra cẩn thận và việc tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu kỹ thuật trong quá trình thi công.

10.2.5 Bảo vệ chống ăn mòn

Ăn mòn thường liên quan đến các sản phẩm thép được chôn trong bê tông hoặc được sử dụng trong các ứng dụng hầm. Nước ngầm, hóa chất trong đất, rò rỉ, khí thải xe cộ, các kim loại khác loại, hóa chất khử băng, nước rửa, chất tẩy rửa, vi khuẩn oxy hóa sắt và dòng điện rò đều là các nguồn gây ăn mòn kim loại. Mỗi yếu tố này, cũng như bất kỳ yếu tố đặc thù nào khác của công trình hầm đang xem xét, đều phải được đánh giá trong giai đoạn thiết kế. Các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn được thiết kế nhằm chống lại nguồn gây ăn mòn cần được tích hợp vào thiết kế.

Bảo vệ chống ăn mòn có thể được thực hiện dưới dạng các lớp phủ như epoxy, sơn tĩnh điện, sơn phủ hoặc mạ kẽm. Có thể lắp đặt lớp cách điện giữa các kim loại khác loại và các nguồn dòng điện rò. Bê tông mật độ cao có thể bảo vệ cốt thép. Các lớp phủ trên bề mặt bê tông có thể làm giảm sự thấm nước, vốn là thành phần của hầu hết các quá trình ăn mòn. Các lớp hoàn thiện hầm cũng có thể bảo vệ các bộ phận kết cấu của hầm khỏi sự tấn công của nhiều nguồn gây ăn mòn khác nhau.

Bảo vệ catốt (cathodic protection) sử dụng vật liệu hy sinh để bảo vệ vật liệu chính khỏi bị ăn mòn. Trong môi trường có tính ăn mòn cao, dòng điện được tạo ra trong vật liệu để buộc quá trình ăn mòn xảy ra tại vật liệu hy sinh. Các hệ thống này rất hiệu quả nếu được thiết kế, lắp đặt và bảo trì đúng cách. Các phần tử hy sinh phải được thay thế và thiết bị cấp điện phải được bảo dưỡng định kỳ. Bảo vệ catốt cũng yêu cầu một nguồn điện lâu dài đáng tin cậy và làm tăng chi phí bảo trì cũng như vận hành hầm.

Tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép là một biện pháp hiệu quả để bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn. Tuy nhiên, việc tăng chiều dày lớp bảo vệ bê tông cũng sẽ làm tăng chiều dày vỏ hầm. Chiều dày tăng thêm sẽ dẫn đến khối lượng đào lớn hơn, từ đó làm tăng tổng chi phí của công trình hầm. Việc sử dụng lớp bê tông bảo vệ tăng cường cần được đánh giá dựa trên tổng chi phí của công trình hầm so với lợi ích đạt được.

10.2.6 Mối nối vỏ hầm

Các mối nối trong vỏ hầm là cần thiết để tạo thuận lợi cho thi công. Vỏ bê tông đổ tại chỗ yêu cầu các mối nối thi công. Các mối nối thi công có thể là mối nối nghiêng hoặc mối nối tạo hình bằng ván khuôn. Vỏ segment được chế tạo từ bê tông hoặc thép có thể sử dụng mối nối liên kết bằng bu lông hoặc không dùng bu lông. Các mối nối không dùng bu lông được sử dụng cho cả segment bê tông có gioăng kín nước và không có gioăng kín nước. Các tấm vỏ thép được liên kết bằng bu lông. Thông tin chi tiết hơn về ưu điểm và nhược điểm của các loại mối nối sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo của chương này.

Các mối nối trong vỏ hầm cũng giúp giảm ứng suất phát sinh do chuyển vị gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ. Vỏ bê tông đổ tại chỗ nên bố trí khe co (contraction joint) cách nhau mỗi 30 ft (9,14 m) và khe giãn (expansion joint) cách nhau mỗi 120 ft (36,58 m). Các khe giãn cũng nên được sử dụng tại vị trí chuyển tiếp giữa đoạn hầm thi công theo phương pháp cut-and-cover và đoạn hầm đào ngầm. Vỏ bê tông segment không yêu cầu khe co và chỉ cần khe giãn tại vị trí tiếp giáp với đoạn cut-and-cover.

10.3 THIẾT KẾ KẾT CẤU

Thiết kế kết cấu sẽ tuân theo phiên bản mới nhất của Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD. Các tiêu chuẩn AASHTO hiện chưa đề cập đến bê tông không cốt thép (structural plain concrete), mặc dù loại vật liệu này thường được sử dụng trong thi công vỏ hầm. Chương này sẽ trình bày các quy trình thiết kế dựa trên các quy định của AASHTO đối với bê tông không cốt thép. Các quy trình này được trình bày trong Mục 10.4 – Bê tông đổ tại chỗ.

10.3.1 Tải trọng

Các loại tải trọng cần xem xét trong thiết kế kết cấu, cùng với cách tổ hợp tải trọng, được quy định trong Mục 3 của Tiêu chuẩn LRFD. Mục 3 của Tiêu chuẩn LRFD chia tải trọng thành hai nhóm: tải trọng thường xuyên (Permanent Loads) và tải trọng tạm thời (Transient Loads).

Khoản 3.3.2 “Tải trọng và ký hiệu tải trọng” (Load and Load Designation) của Tiêu chuẩn LRFD xác định các tải trọng thường xuyên sau đây áp dụng cho thiết kế vỏ hầm đào ngầm:

\(\\\)

Khoản 3.3.2 “Tải trọng và ký hiệu tải trọng” của Tiêu chuẩn LRFD xác định các tải trọng tạm thời sau đây áp dụng cho thiết kế vỏ hầm đào ngầm:

Một số tải trọng được nêu trong Khoản 3.3.2 của Tiêu chuẩn LRFD không được trình bày ở trên vì chúng không áp dụng cho thiết kế hầm đường bộ đào ngầm, như mô tả dưới đây.

Mục 3 của Tiêu chuẩn LRFD cung cấp hướng dẫn về các phương pháp dùng để tính toán các tải trọng này. Ví dụ thiết kế trong Phụ lục G trình bày các tính toán liên quan đến việc xác định các tải trọng này.

10.3.2 Tổ hợp tải trọng

Tiêu chuẩn AASHTO xác định bốn trạng thái giới hạn: sử dụng (service), mỏi và đứt gãy (fatigue and fracture), cường độ (strength) và sự kiện cực đoan (extreme event). Mỗi trạng thái giới hạn này bao gồm một số tổ hợp tải trọng. Các trạng thái giới hạn và tổ hợp tải trọng này được xây dựng cho các tải trọng thường gặp ở cầu đường bộ điển hình. Nhiều tải trọng tác dụng lên cầu không áp dụng cho vỏ hầm. Các tải trọng như gió, dòng chảy, dòng chảy lũ, va chạm tàu thuyền và mỏi không xảy ra trong hầm đào ngầm. Các điều kiện đặc thù mà hầm hoạt động cho phép loại bỏ nhiều điều kiện tải trọng được dùng cho cầu. Hầm nên được thiết kế cho các tổ hợp tải trọng sau đây.

Các tải trọng mô tả ở trên cần được nhân hệ số và tổ hợp theo Tiêu chuẩn LRFD, sau đó áp dụng cho vỏ hầm. Các tổ hợp tải trọng này được nêu trong Bảng 3.4.1-1 của Tiêu chuẩn AASHTO. Các trường hợp tải trọng khuyến nghị cho thiết kế vỏ hầm đường bộ đào ngầm được trình bày trong Bảng 10-1.

Bảng 10-1 Bảng hệ số tải trọng \(\gamma_i\) và tổ hợp tải trọng

Khi xác định các tải trọng tác dụng lên kết cấu, cần xem xét tất cả các tổ hợp hệ số tải trọng có thể xảy ra.

10.3.3 Tiêu chí thiết kế

Trong lịch sử, có ba phương pháp cơ bản được sử dụng trong thiết kế kết cấu:

• Thiết kế theo tải trọng sử dụng hoặc ứng suất cho phép (Service load / Allowable stress design): phương pháp này xem mỗi tải trọng tác dụng lên kết cấu là như nhau xét theo xác suất xuất hiện tại giá trị danh định. Hệ số an toàn của phương pháp này được tích hợp sẵn trong khả năng chịu tải của vật liệu.
• Thiết kế theo hệ số tải trọng (Load factor design): phương pháp này xét đến sự biến thiên tiềm năng của tải trọng bằng cách áp dụng các hệ số tải khác nhau cho từng loại tải. Sức kháng cực hạn của cấu kiện kết cấu được giảm bằng một hệ số giảm sức kháng, và sức kháng tính toán của cấu kiện phải lớn hơn hoặc bằng tải trọng tác dụng.
• Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD): phương pháp này xét đến sự biến thiên thống kê của cả cường độ của cấu kiện kết cấu và độ lớn của tải trọng tác dụng.

Phương trình LRFD cơ bản có thể được tìm thấy tại khoản 1.3.2.1 của tiêu chuẩn AASHTO. Phương trình này là:

Trong phương trình này, \(\eta_i\) là hệ số điều chỉnh tải trọng liên quan đến tính dẻo, tính dư thừa và tầm quan trọng khai thác của bộ phận đang được thiết kế. Hệ số điều chỉnh tải trọng \(\eta_i\) 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. Giá trị của \(\gamma_i\) có thể tìm thấy trong Bảng 10.1 ở trên.

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

\(\phi\) là hệ số sức kháng áp dụng cho sức kháng danh định của cấu kiện \((R_n)\) đang được thiết kế. Các hệ số sức kháng được nêu trong tiêu chuẩn AASHTO LRFD cho từng loại vật liệu được đề cập trong phần tương ứng. Cụ thể, Mục 5 của tiêu chuẩn AASHTO LRFD đề cập đến kết cấu bê tông, và nhìn chung có thể tìm thấy các hệ số sức kháng dùng trong thiết kế bê tông tại đó. Các giá trị này như sau.

Đối với vỏ hầm bê tông cốt thép (Reinforced Concrete Linings):

\(\qquad \qquad \qquad \phi = 0.90\) cho uốn
\(\qquad \qquad \qquad \phi = 0.90\) cho cắt
\(\qquad \qquad \qquad \phi = 0.70\) cho ép mặt (bearing) trên bê tông

Do vỏ hầm chịu tải trọng dọc trục, cần xác định hệ số sức kháng cho nén. Giá trị \(\phi\) cho nén được cho trong Mục 5.5.4.2.1 của tiêu chuẩn AASHTO LRFD như sau:
\(\qquad \qquad \qquad \phi = 0.75\) cho nén dọc trục

Kết cấu thép được đề cập trong Mục 6 của tiêu chuẩn AASHTO LRFD. Đoạn 6.5.4.2 đưa ra các giá trị hệ số sức kháng cho thép như sau:

Đối với các cấu kiện thép (Structural Steel Members):

\(\qquad \qquad \qquad \phi_f = 1.00\) cho uốn
\(\qquad \qquad \qquad \phi_v = 1.00\) cho cắt
\(\qquad \qquad \qquad \phi_c = 0.90\) cho nén dọc trục (áp dụng cho thép thường và cấu kiện liên hợp)

Chương 12 của tiêu chuẩn AASHTO đề cập đến thiết kế vỏ hầm bằng thép tấm. Bảng 12.5.5-1 cung cấp các hệ số sức kháng bổ sung sau đây dùng trong thiết kế thép tấm:

\(\qquad \qquad \qquad \phi = 1.00\) cho diện tích thành tối thiểu và ổn định (buckling)
\(\qquad \qquad \qquad \phi = 1.00\) cho cường độ mối nối dọc tối thiểu

Đối với cấu kiện bê tông không cốt thép (Plain Concrete Members):

Bê tông không cốt thép cũng được gọi là bê tông thường. Tiêu chuẩn AASHTO không đề cập trực tiếp đến bê tông thường. Các quy trình thiết kế sau đây nên được áp dụng cho bê tông không cốt thép trong kết cấu.

Tính khả năng chịu mô men tại mặt chịu nén của vỏ hầm như sau:

\[
\phi M_{nC} = \phi 0.85 f’_c S \tag{10-2}
\]

Trong đó:
\(M_{nC} = \) sức kháng danh định tại mặt chịu nén của bê tông
\(\phi = \) 0.55 đối với bê tông thường
\(f’_c = \) cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông
\(S = \) mô đun chống uốn của tiết diện vỏ hầm, dựa trên tiết diện nguyên chưa nứt

Tính khả năng chịu mô men tại mặt chịu kéo của vỏ hầm như sau:

\[
\phi M_{nT} = \phi 5(f’_c)^{1/2}S \tag{10-3}
\]

Trong đó:
\(M_{nT} = \) sức kháng danh định tại mặt chịu kéo của bê tông
\(\phi = \) 0.55 đối với bê tông thường
\(f’_c = \) cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông
\(S = \) mô đun chống uốn của tiết diện vỏ hầm

Tính cường độ chịu nén của vỏ hầm như sau:

\[
\phi P_c = \phi 0.6 f’_c A\tag{10-4}
\]

Trong đó:
\(P_c = \) sức kháng danh định của vỏ hầm chịu nén
\(\phi = \) 0.55 đối với bê tông thường
\(f’_c = \) cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông
\(A = \) diện tích mặt cắt ngang của tiết diện vỏ hầm

Kiểm tra mặt chịu nén như sau:

\[
\frac{Q_A}{\phi P_C} + \frac{Q_M}{\phi M_{nC}} \leq 1\tag{10-5}
\]

Trong đó:
\(Q_A = \) hiệu ứng lực dọc trục đã được điều chỉnh bằng các hệ số thích hợp
\(Q_M = \) hiệu ứng mô men đã được điều chỉnh bằng các hệ số thích hợp

Tính cường độ chịu kéo của vỏ hầm như sau:

\[
\phi P_T = 5\phi (f’_c)^{1/2}\tag{10-6}
\]

Trong đó:
\(P_T = \) sức kháng danh định của vỏ hầm chịu kéo
\(\phi = \) 0.55 đối với bê tông thường
\(f’_c = \) cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông

Kiểm tra mặt chịu kéo như sau:

\[
\frac{Q_M}{S} – \frac{Q_A}{A} \leq \phi P_T\tag{10-7}
\]

Trong đó, các giá trị của các biến đã được mô tả ở trên.

Cường độ chịu cắt của vỏ hầm được tính như sau:

\[
\phi V_n = \phi 1.33(f’_c)^{1/2} b_w h\tag{10-8}
\]

Trong đó:
\(V_n = \) sức kháng danh định của vỏ hầm chịu cắt
\(\phi = \) 0.55 đối với bê tông thường
\(f’_c = \) cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông
\(b_w = \) chiều dài đoạn vỏ hầm đang thiết kế
\(h = \) chiều dày thiết kế của vỏ hầm

Phương pháp thiết kế này được điều chỉnh cho LRFD từ các quy định về bê tông không cốt thép trong ACI 318 – Building Requirements for Structural Concrete.

10.3.4 Phân tích kết cấu

Phân tích kết cấu vỏ hầm là chủ đề của nhiều bài báo và lý thuyết. Có sự khác biệt lớn về quan điểm liên quan đến độ chính xác và tính hữu dụng của các phân tích này. Tuy nhiên, cần áp dụng một phương pháp hợp lý nào đó để xác định khả năng của vỏ hầm trong việc duy trì khẩu độ đào của hầm. Một số phương pháp được chấp nhận rộng rãi được mô tả trong mục này.

Mô hình dầm-lò xo (Beam Spring Model)

Có thể sử dụng một chương trình phân tích kết cấu tổng quát để mô hình hóa tương tác giữa đất và kết cấu. Phương pháp này được gọi là mô hình dầm-lò xo. Mô hình máy tính được xây dựng bằng cách đặt các nút tại các điểm dọc theo trục trọng tâm của vỏ hầm. Các nút này được nối với nhau bằng các phần tử dầm thẳng, xấp xỉ hình dạng vỏ hầm bằng một chuỗi dây cung. Khi xây dựng loại mô hình này, chiều dài dây cung nên xấp xỉ bằng chiều dày vỏ hầm đối với các bán kính hầm thường gặp trong hầm đường bộ. Các phần tử dây cung quá dài có thể tạo ra mô men giả, còn các phần tử dây cung quá ngắn có thể gây khó khăn tính toán do các góc rất nhỏ được tạo bởi các phần tử ngắn. Kích thước góc chắn khoảng 60/R, trong đó R là bán kính hầm tính bằng ft, nhìn chung sẽ cho kết quả chấp nhận được.

Các đặc trưng như diện tích mặt cắt ngang và mô men quán tính cần được nhập chính xác để mô tả đúng ứng xử thực tế của vỏ hầm. Do lực nén thường đủ lớn để gây nén trên toàn bộ chiều dày vỏ hầm, diện tích và mô men quán tính được tính theo kích thước nguyên, chưa nứt của vỏ hầm. Trong hầm đá, hiện tượng đào lẹm sẽ làm chiều dày vỏ hầm lớn hơn chiều dày thiết kế. Chiều dày thiết kế được sử dụng trong phân tích. Loại mô hình này hữu ích trong phân tích tất cả các hình dạng hình học.

Nền đất đá xung quanh được mô hình hóa bằng cách bố trí một gối lò xo tại mỗi nút. Các lò xo có thể được bố trí theo phương xuyên tâm (radial) và phương tiếp tuyến (tangential). Các lò xo theo phương tiếp tuyến mang lại rất ít giá trị trong phân tích và làm mô hình trở nên phức tạp không cần thiết. Giá trị số của độ cứng lò xo tại mỗi gối được tính từ mô đun phản lực nền của nền đất đá xung quanh nhân với chiều dài ảnh hưởng của vỏ hầm ở mỗi phía của lò xo. Nhiều điều kiện nền đất đá khác nhau có thể xuất hiện trong phạm vi một hầm đơn lẻ. Cần thực hiện các nghiên cứu tham số thay đổi điều kiện nền đất đá và độ cứng lò xo để xác định trường hợp xấu nhất cho vỏ hầm.

Các tải trọng được áp dụng vào mô hình và chuyển vị tại mỗi nút được kiểm tra. Đối với các nút chuyển vị ra xa tâm hầm vào phía nền đất đá, lò xo được giữ hoạt động. Khi chuyển vị nút hướng về phía tâm hầm, lò xo sẽ được loại bỏ hoặc làm mất tác dụng. Quá trình này được lặp lại cho đến khi tất cả các chuyển vị phù hợp với trạng thái của lò xo (đang hoạt động hoặc không hoạt động) tại nút đó. Khi mô hình hội tụ, mô men, lực nén vòng (thrust) và lực cắt được sử dụng để thiết kế vỏ hầm.

Nếu mô hình cho thấy vỏ hầm vượt quá khả năng chịu lực, việc tăng chiều dày hoặc tăng độ cứng của vỏ sẽ không giải quyết được vấn đề. Thực tế, việc làm cứng vỏ hầm sẽ khiến nó thu hút nhiều mô men hơn và có khả năng tiếp tục bị phá hoại. Vỏ hầm cần được làm mềm dẻo hơn. Điều này có thể đạt được bằng cách làm giảm chiều dày vỏ hầm, mặc dù biện pháp này có thể không hiệu quả. Tải trọng chủ yếu tác dụng lên vỏ hầm là lực dọc trục hoặc lực nén vòng. Nếu vỏ hầm đã gần đạt đến khả năng chịu lực dưới dạng tải trọng này thì việc giảm chiều dày sẽ không có tác dụng. Việc mô hình hóa tính mềm dẻo của vỏ sao cho mô men được giải phóng có thể cho thấy vỏ hầm vẫn đủ khả năng chịu lực. Đây chính là hiện tượng xảy ra trong thực tế. Một cách để mô hình hóa hiện tượng này là lắp đặt các khớp toàn phần hoặc khớp bán phần trong vỏ tại các vị trí có mô men lý thuyết lớn. Khớp có thể được mô hình để chịu được lượng mô men tối đa mà vỏ có thể chịu hoặc có thể được mô hình như khớp hoàn toàn không có khả năng chịu mô men. Trong thực tế, ứng xử của vỏ hầm nằm đâu đó giữa hai trạng thái cực hạn này. Phân tích cả hai điều kiện sẽ giúp bao quát ứng xử của vỏ hầm và cung cấp mức độ đảm bảo hợp lý rằng vỏ hầm có thể chịu được tải trọng.

Mô hình ba chiều

Mô hình mô tả ở trên thường là mô hình hai chiều, đại diện cho một đoạn dài 1 ft dọc theo chiều dài hầm. Cần sử dụng các mô hình phức tạp hơn khi phân tích các lỗ mở lớn xuyên qua vỏ hầm hoặc các hầm giao cắt nhau. Để mô hình hóa các điều kiện này, mô hình phần tử hữu hạn ba chiều được sử dụng. Mô hình được xây dựng theo cách tương tự như mô hình hai chiều, với các phần tử hữu hạn được dùng để liên kết các nút và tạo thành mô hình ba chiều. Các thông số mô hình hóa đã mô tả ở trên cũng đúng đối với loại mô hình này. Mô hình cần kéo dài tối thiểu một đường kính hầm vượt ra ngoài hạng mục đang được xem xét ở mỗi phía của hạng mục đó.

Có ý kiến cho rằng mô hình này không xét đến tính phi tuyến của nền đất đá xung quanh, đặc biệt là trong nền đất yếu, cũng như không xét đến sự thay đổi chuyển vị của nền đất theo thời gian. Việc xây dựng cẩn thận các sơ đồ tải trọng và độ cứng lò xo cho mô hình này có thể bao quát được ứng xử thực tế của nền đất đá xung quanh. Điều này sẽ cho kết quả có thể so sánh với các phương pháp phân tích phức tạp hơn. Cần lưu ý rằng phương pháp phân tích này thường đánh giá thiên về lớn đối với mô men uốn trong vỏ hầm.

Phương pháp thực nghiệm cho nền đất mềm (Empirical Method for Soft Ground)

Đối với hầm tròn trong nền đất mềm, tính hợp lý của mô hình dầm-lò xo đã bị phê bình nhiều. Mô hình dầm-lò xo mô tả ở trên giả định đất là vật liệu đàn hồi đồng nhất, trong khi thực tế đất thường không đồng nhất và ứng xử của đất mang tính dẻo hơn là đàn hồi. Biến dạng dẻo của đất xảy ra và vỏ hầm “biến dạng theo”, tức là độ cứng của vỏ hầm không đủ để chống lại biến dạng của đất. Vì vỏ hầm thường mềm dẻo hơn nền đất xung quanh, vỏ bị biến dạng khi đất chuyển vị, và tính mềm dẻo của vỏ cho phép mô men được giải phóng đến mức vỏ hầu như chỉ chịu nén.

Do vỏ hầm không hoàn toàn mềm dẻo, một phần mô men dư vẫn còn tồn tại trong vỏ. Mô men này được xét đến bằng cách giả định một mức thay đổi bán kính tùy ý và tính toán mô men lý thuyết phát sinh từ sự thay đổi bán kính này. Theo phương pháp này, lực nén vòng trong vỏ hầm được tính bằng công thức:

\[
T = \text{w }R\tag{10-9}
\]

Trong đó:

\(\qquad \qquad T = \)lực nén vòng trong vỏ hầm
\(\qquad \qquad \text{w} = \) áp lực đất tại đường lò xo của hầm do tất cả các nguồn tải trọng gây ra
\(\qquad \qquad R = \) bán kính hầm

Tỷ lệ phần trăm thay đổi bán kính được sử dụng là hàm số phụ thuộc vào loại đất. Các giá trị phần trăm này do Birger Schmidt ước tính được trình bày trong Bảng 10-2.

Bảng 10-2. Phần trăm thay đổi bán kính vỏ hầm trong đất

Loại đất	Khoảng ΔR/R
Sét cứng đến sét rất cứng	0.15 – 0.40%
Sét mềm hoặc bùn	0.25 – 0.75%
Đất chặt hoặc đất dính, hầu hết đất tàn dư	0.05 – 0.25%
Cát rời	0.10 – 0.35%
Ghi chú: 1. Cộng thêm 0.1 đến 0.3 phần trăm đối với hầm thi công trong khí nén, tùy thuộc vào áp suất khí. 2. Cộng thêm biến dạng thích hợp do các ảnh hưởng như hầm lân cận đi qua. 3. Các giá trị giả định biện pháp thi công cẩn thận và phương pháp đào, vỏ hầm tiêu chuẩn.

Mô men uốn phát sinh trong vỏ hầm được tính bằng công thức sau:

\[
M = \dfrac{3EI}{R} \times \dfrac{\Delta R}{R}\tag{10-10}
\]

Trong đó:
\(\qquad \qquad M = \) mô men uốn tính toán
\(\qquad \qquad R = \) bán kính đến trọng tâm của vỏ hầm
\(\qquad \qquad \Delta R = \)thay đổi bán kính hầm
\(\qquad \qquad E = \) mô đun đàn hồi của vật liệu vỏ hầm
\(\qquad \qquad I = \) mô men quán tính hữu hiệu của tiết diện vỏ hầm

Mô men quán tính hữu hiệu có thể được tính cho vỏ hầm segment đúc sẵn bằng công thức sau:

\[
I_e = I_j + \dfrac{I}{4n^2}\tag{10-11}
\]

Trong đó:
\(\qquad \qquad I_e = \) mô men quán tính hữu hiệu
\(\qquad \qquad I_j = \) mô men quán tính của mối nối, lấy bảo thủ bằng 0
\(\qquad \qquad I = \) mô men quán tính của tiết diện nguyên lớp lót
\(\qquad \qquad n = \) số lượng mối nối trong vòng lớp lót

Công thức này do Muir Wood phát triển.

Mô men quán tính của tiết diện chưa nứt nên được dùng cho lớp lót bê tông đổ tại chỗ. Phương pháp này nên được dùng kết hợp với bất kỳ phân tích nào khác đối với hầm tròn trong nền đất mềm để kiểm chứng. Phương pháp mô tả ở trên có thể được sử dụng cho cả lớp lót phân đoạn bằng bê tông và thép. Khuyến nghị rằng bản thép lót hầm cũng cần được kiểm tra theo các quy định của Mục 12.7 trong tiêu chuẩn AASHTO về sức kháng thành và sức kháng mất ổn định.

Phương pháp số (Numerical Methods)

Hiện cũng có phần mềm thương mại để mô hình hóa cả lớp lót và nền đất xung quanh như một môi trường liên tục, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn hai chiều hoặc sai phân hữu hạn. FLAC3D là một chương trình sai phân hữu hạn có thể được dùng để mô hình hóa địa chất xung quanh dạng môi trường đồng nhất được giả định.

Các phần tử kết cấu, gồm phần tử dầm hoặc phần tử vỏ, có thể được dùng để mô hình hóa vỏ hầm. Sử dụng các phần tử tiếp xúc giữa vỏ và nền xung quanh có thể mô phỏng được tương tác nền–kết cấu, bao gồm cả trượt.

Nếu nền có các mặt yếu chiếm ưu thế và các mặt này liên tục, có định hướng bất lợi đối với công tác đào, thì phân tích nên xét đến các đặc trưng riêng của các mặt yếu này. Trong các trường hợp này, các hệ số giảm độ cứng/lực của các khe nứt này có thể khác so với đá nguyên khối. Khi đó, có thể xem xét phương pháp phần tử rời rạc (DEM) để giải bài toán loại này. 3DEC là một chương trình thương mại sẵn có cho loại phân tích này.

Khác với phân tích môi trường liên tục, DEM cho phép phân tích biến dạng lớn và biến dạng hữu hạn của một tập hợp các vật thể biến dạng hoặc cứng tuyệt đối, tức các khối đá nguyên vẹn, tương tác thông qua các tiếp xúc biến dạng được, có ma sát, tức các khe nứt đá.

Việc phân tích dạng môi trường liên tục như FLAC3D hay phân tích rời rạc như 3DEC có phù hợp hay không phụ thuộc rất nhiều vào từng nhiệm vụ. Nếu nền là đất, FLAC3D là phù hợp. Nếu nền là khối đá có khe nứt và các khe nứt là yếu tố chi phối, nên sử dụng 3DEC. Các chương trình này có thể được dùng để hiệu chỉnh và kiểm chứng các mô hình dầm–lò xo, và ngược lại.

10.4 BÊ TÔNG ĐỔ TẠI CHỖ

10.4.1 Mô tả

Vỏ bê tông đổ tại chỗ được sử dụng làm vỏ hoàn thiện trong hệ vỏ hai lớp. Hệ chống đỡ nền đất đá ban đầu được lắp đặt trong hầm trong quá trình đào và có thể có nhiều dạng khác nhau, từ gân thép và ván chèn đến segment bê tông đúc sẵn. Một hệ thống chống thấm hoặc lớp thoát nước dạng blanket thường được bố trí giữa hệ chống đỡ nền đất đá ban đầu và vỏ bê tông đổ tại chỗ.

Hình 10-5 thể hiện mặt cắt điển hình của vỏ bê tông đổ tại chỗ được sử dụng cho hầm Cumberland Gap. Hầm Cumberland Gap là hầm đường bộ được đào trong đá bằng phương pháp khoan nổ. Hệ chống đỡ nền đất đá ban đầu gồm đá không xử lý, bê tông phun và neo đá. Hệ chống đỡ ban đầu thay đổi dọc theo chiều dài hầm do điều kiện nền đất đá thay đổi.

Hình 10-6 là ảnh chụp một hầm đường sắt đô thị hạng nặng ở Washington, DC. Hầm này được đào trong nền đất mềm bằng máy đào hầm. Hầm sử dụng hệ thống hai lớp, gồm các phân đoạn bê tông đúc sẵn lắp ghép thô làm kết cấu chống đỡ ban đầu cho nền đất, và lớp lót cuối cùng bằng bê tông đổ tại chỗ. Một màng chống thấm bằng polyethylene tỷ trọng cao được đặt giữa các phân đoạn bê tông đúc sẵn và lớp lót cuối cùng bằng bê tông đổ tại chỗ.

Ưu điểm của vỏ bê tông đổ tại chỗ như sau:

• Phù hợp sử dụng với mọi phương pháp đào và chống đỡ ban đầu cho nền đất.
• Điều chỉnh các sai lệch trong quá trình đào.
• Có thể thi công theo bất kỳ hình dạng nào.
• Tạo nền liên tục, đều đặn cho các lớp hoàn thiện hầm.
• Tạo kết cấu bền, ít cần bảo trì.

Nhược điểm của vỏ bê tông đổ tại chỗ như sau:

• Việc đổ bê tông, đặc biệt xung quanh cốt thép, có thể khó khăn. Đặc điểm thi công của lớp lót hạn chế khả năng đầm rung bê tông, dẫn đến việc bê tông không được đầm chặt hoàn toàn xung quanh cốt thép.
• Cốt thép khi sử dụng dễ bị ăn mòn và dẫn đến suy giảm chất lượng bê tông. Đây là vấn đề phổ biến với mọi kết cấu bê tông; tuy nhiên, các công trình ngầm còn có thể chịu tác động của các hóa chất ăn mòn trong nước ngầm, làm tăng tốc quá trình suy thoái của cốt thép.
• Nứt cho phép nước thấm vào có thể làm giảm tuổi thọ của lớp lót.
• Sự tấn công hóa học trong một số loại đất có thể làm giảm tuổi thọ lớp lót.
• Thi công yêu cầu một công đoạn thứ hai sau khi đào để hoàn thiện lớp lót.

10.4.2 Các xem xét thiết kế

Để tối đa hóa tính mềm dẻo và độ dẻo, vỏ bê tông đổ tại chỗ nên càng mỏng càng tốt. Tuy nhiên, có các giới hạn thực tế về mức độ mỏng của tiết diện mà vẫn có thể đổ bê tông, bảo đảm đầm chặt đúng cách và lấp đầy hoàn toàn ván khuôn. Chiều dày 10 in. (25 cm) được xem là chiều dày tối thiểu thực tế đối với vỏ bê tông đổ tại chỗ.

Cốt thép trong tiết diện mỏng cũng có thể gây khó khăn. Cốt thép cản trở dòng chảy của bê tông, làm cho việc đầm chặt trở nên khó hơn. Nếu sử dụng hai lớp cốt thép, có thể cần bố trí các thanh thép so le để đạt được lớp bê tông bảo vệ yêu cầu quanh thanh thép. Điều này có thể làm cho ván khuôn trở nên chật chội và việc đổ bê tông khó khăn hơn. Bê tông tự đầm đã được phát triển trong những năm gần đây và đã được sử dụng khá thành công trong các vỏ bê tông không cốt thép ở châu Âu. Bê tông tự đầm có thể hữu ích trong vỏ bê tông cốt thép; tuy nhiên, khuyến nghị đưa chương trình thử nghiệm mở rộng vào các yêu cầu thi công để bảo đảm thực tế đạt được kết quả phù hợp.

Bê tông đổ tại chỗ được sử dụng làm vỏ hoàn thiện. Trong nhiều trường hợp, hệ thống chống thấm được đặt phủ lên hệ chống đỡ nền đất đá ban đầu trước khi đổ vỏ bê tông hoàn thiện. Việc đặt cốt thép lên trên hệ thống chống thấm làm tăng nguy cơ làm hư hại lớp chống thấm. Trong mọi trường hợp có thể thực hiện được, vỏ bê tông đổ tại chỗ nên được thiết kế và thi công bằng bê tông không cốt thép. Sự hiện diện của hệ thống chống thấm loại trừ sự chia sẻ tải trọng giữa vỏ hoàn thiện và hệ chống đỡ nền đất đá ban đầu. Một giả định thiết kế cơ bản là vỏ hoàn thiện chịu các tải trọng đất dài hạn mà không có sự đóng góp của hệ chống đỡ nền đất đá ban đầu.

Cần khảo sát thành phần hóa học của nước ngầm để bảo đảm rằng vỏ bê tông sẽ không bị tấn công hóa học nếu vỏ hầm tiếp xúc với nước ngầm. Nếu đây là vấn đề của dự án, cần áp dụng các biện pháp giảm thiểu để hạn chế ảnh hưởng của tấn công hóa học. Màng chống thấm có thể tạo ra một mức độ bảo vệ nhất định trước vấn đề này. Phụ gia, xi măng kháng sunfat và bê tông mật độ cao đều có thể là các giải pháp tiềm năng. Vấn đề này cần được xem xét theo từng trường hợp cụ thể và giải pháp phù hợp cần được áp dụng dựa trên thực hành tốt nhất của ngành.

Ứng xử của bê tông trong sự kiện hỏa hoạn cũng phải được xem xét. Khi bị nung nóng đến nhiệt độ đủ cao, bê tông có thể bị bong vỡ nổ. Điều này tạo ra tình trạng nguy hiểm cho người lái xe đang cố thoát khỏi hầm và cho lực lượng ứng cứu khẩn cấp đang xử lý sự cố. Hiện tượng bong vỡ này do nước bị giữ trong các lỗ rỗng của bê tông bốc hơi nhưng không thoát ra được. Bong vỡ cũng do sự phá vỡ của cốt liệu và sự suy giảm cường độ của ma trận bê tông tại bề mặt bê tông sau khi tiếp xúc kéo dài với nhiệt độ cao. Cốt thép bị nung nóng cũng sẽ mất cường độ. Bong vỡ và sự suy giảm cường độ cốt thép có thể làm thay đổi hình dạng vỏ hầm, phân bố lại ứng suất trong vỏ và có thể gây phá hoại kết cấu.

Vỏ hầm cần được bảo vệ chống cháy. Có thể sử dụng cả biện pháp bảo vệ bên ngoài và bên trong. Bảo vệ bên ngoài dưới dạng lớp phủ hoặc tấm ốp hiện có bán trên thị trường. Đây là các sản phẩm chuyên dụng, có thể cung cấp mức bảo vệ nhất định đối với các đám cháy có nhiệt độ tương đối thấp. Cần tham khảo nhà sản xuất để xác định chính xác mức độ bảo vệ mà sản phẩm có thể cung cấp. Việc bổ sung sợi polypropylene vào cấp phối bê tông có thể làm giảm sự bốc hơi của nước bị giữ trong bê tông. Các sợi này nóng chảy trong đám cháy và tạo đường thoát cho nước.

10.4.3 Vật liệu

Cấp phối cho bê tông đổ tại chỗ cần được quy định sao cho có độ sụt đủ lớn để thuận lợi cho việc đổ bê tông. Khuyến nghị độ sụt 5 in. (12,7 cm). Không nên sử dụng phụ gia cuốn khí. Môi trường ẩm trong nhiều hầm kết hợp với điều kiện tiếp xúc thời tiết lạnh làm cho việc cuốn khí trở nên quan trọng đối với bê tông bền lâu; khuyến nghị hàm lượng khí cuốn từ 3 đến 5%.

Cường độ chịu nén nên được giữ ở mức tối thiểu. Bê tông cường độ cao đòi hỏi cấp phối phức tạp với nhiều phụ gia và các quy trình đổ bê tông, bảo dưỡng đặc biệt. Vì vỏ bê tông chủ yếu làm việc chịu nén, cường độ chịu nén 28 ngày trong khoảng 3.500 đến 4.500 psi (24 đến 31 MPa) nhìn chung là đủ.

Thanh cốt thép cần phù hợp với các yêu cầu của ASTM A615 cấp 60, và lưới thép hàn, khi sử dụng, cần phù hợp với ASTM A185.

10.4.4 Các xem xét thi công

10.4.4 Các xem xét trong thi công

Bê tông đổ tại chỗ phải đạt cường độ tối thiểu trước khi tháo ván khuôn. Bê tông cũng phải được bảo dưỡng. Việc giữ nguyên ván khuôn có thể đạt được cả hai mục tiêu này, nhưng có thể làm chậm tiến độ thi công. Bê tông cần đạt một cường độ tối thiểu nào đó trước khi tháo ván khuôn. Giá trị này nên được người thiết kế tính toán với giả định rằng hầm được chống đỡ bởi hệ chống đỡ ban đầu, và do đó vỏ hoàn thiện tại thời điểm tháo ván khuôn chỉ chịu trọng lượng bản thân của nó. Cường độ bê tông trong ván khuôn có thể được kiểm tra bằng cách phá hoại các mẫu trụ hiện trường. Điều này cho phép tháo ván khuôn sớm nhất có thể. Việc bảo dưỡng có thể tiếp tục sau khi tháo ván khuôn bằng cách giữ ẩm bê tông hoặc sử dụng hợp chất bảo dưỡng. Chỉ nên sử dụng hợp chất bảo dưỡng nếu bê tông chính là bề mặt hoàn thiện lộ thiên. Hợp chất bảo dưỡng sẽ đóng vai trò như lớp ngăn dính nếu các lớp hoàn thiện như gạch ceramic được dán lên bê tông. Chất bịt kín và lớp phủ cũng sẽ không bám dính lên bề mặt bê tông đã sử dụng hợp chất bảo dưỡng, trừ khi hợp chất này được loại bỏ bằng phun cát hoặc kỹ thuật khác.

Chiều dài mỗi đợt đổ dọc theo tim hầm nên được giới hạn để giảm thiểu co ngót trong bê tông. Ván khuôn vỏ hầm thường được thiết kế để tái sử dụng, vì vậy việc giới hạn chiều dài đợt đổ thường không gây khó khăn đáng kể cho nhà thầu. Mối nối thi công có thể được tạo bằng ván khuôn chặn (bulkhead) hoặc bố trí nghiêng. Mối nối dùng ván khuôn chặn tạo bề mặt đồng đều; tuy nhiên, tùy thuộc vào mức độ không đều của mặt đào, việc thi công ván khuôn chặn có thể khó khăn. Mối nối thi công nghiêng không ảnh hưởng đến khả năng làm việc của vỏ hầm, nhưng có thể kém thẩm mỹ và cần được xoa sửa sau khi tháo ván khuôn.

Việc đổ bê tông theo dạng cong phía trên đầu sẽ để lại một khoảng rỗng tại đỉnh vòm. Khoảng rỗng này được lấp đầy sau khi bê tông đã đông cứng bằng cách bơm vữa vào khoảng rỗng. Các ống bơm vữa được lắp trong ván khuôn trước khi đổ bê tông để thuận tiện cho thao tác này. Khoảng cách giữa các ống bơm vữa dọc theo hầm nên được giới hạn ở 10 ft (3,05 m), và các ống nên được bố trí lệch khỏi đỉnh vòm 15 độ về cả hai phía.

Khi các hạng mục phụ trợ được gắn vào vỏ bê tông hoàn thiện bằng neo dính, việc sử dụng và kiểm tra neo cần tuân theo Khuyến cáo kỹ thuật FHWA T5140.26: Sử dụng và kiểm tra neo dính trong các dự án có vốn liên bang (xem Phụ lục I).

10.5 VỎ SEGMENT ĐÚC SẴN

10.5.1 Mô tả

Vỏ segment đúc sẵn được sử dụng trong các hầm tròn được đào bằng máy đào hầm TBM. Chúng có thể được sử dụng trong cả đất mềm và đá cứng. Một số cấu kiện cong đúc sẵn, hay segment, được lắp ráp bên trong phần đuôi của máy TBM để tạo thành một vòng tròn hoàn chỉnh. Số lượng segment dùng để tạo thành vòng phụ thuộc vào đường kính vòng và, ở một mức độ nhất định, vào yêu cầu của nhà thầu. Các segment này tương đối mỏng, dày 8 đến 12 in. (20 đến 30 cm), và thường rộng 40 đến 60 in. (1 đến 1,5 m) đo dọc theo chiều dài hầm.

Vỏ segment đúc sẵn có thể được sử dụng làm hệ chống đỡ nền đất đá ban đầu, sau đó thi công vỏ bê tông đổ tại chỗ, tức hệ hai lớp, hoặc có thể vừa làm hệ chống đỡ ban đầu vừa làm vỏ hoàn thiện, tức hệ một lớp, ngay phía sau đuôi TBM. Các segment dùng làm vỏ ban đầu thường được gia cường nhẹ, lắp dựng không cần liên kết bu lông với nhau và không có chống thấm. Các segment được lắp dựng bên trong đuôi TBM. TBM đẩy vào các segment để tiến hành đào. Khi khiên TBM đã vượt qua vòng segment hoàn chỉnh, vòng segment được kích tách ra, tức mở rộng, tại đỉnh vòm hoặc gần hai đường springline. Việc kích các segment giúp lấp đầy khoảng không hình vành khuyên do khiên TBM chiếm chỗ. Sau khi kích, có thể bơm vữa tiếp xúc để hoàn tất việc lấp đầy khoảng không vành khuyên và bảo đảm tiếp xúc hoàn toàn giữa các segment với nền đất đá xung quanh. Một màng chống thấm được lắp đặt phủ lên vỏ ban đầu, và vỏ bê tông hoàn thiện được đổ tại chỗ áp sát vào màng chống thấm. Độ cong ngang và đứng trong tuyến hầm được tạo bằng cách sử dụng các vòng segment dạng vát. Đường cong được xấp xỉ bằng một chuỗi dây cung ngắn.

Vỏ segment đúc sẵn được sử dụng đồng thời làm hệ chống đỡ ban đầu và vỏ hoàn thiện được chế tạo với dung sai và chất lượng cao. Chúng thường được gia cường nhiều, lắp gioăng kín nước trên tất cả các mặt để chống thấm và được liên kết bằng bu lông nhằm nén chặt gioăng sau khi vòng segment hoàn chỉnh, nhưng trước khi TBM tiến lên. Khi vòng hoàn chỉnh rời khỏi đuôi khiên TBM, công tác bơm vữa tiếp xúc được thực hiện để lấp đầy khoảng không hình vành khuyên do khiên chiếm chỗ. Việc này tạo ra tiếp xúc liên tục giữa vòng segment và nền đất đá xung quanh, đồng thời ngăn không cho vữa từ vòng phía trước nhỏ xuống khoảng không vành khuyên.

Liên kết bu lông chỉ được thực hiện theo phương vòng. Phần khiên của TBM thường đủ để nén gioăng theo phương dọc hầm. Ma sát giữa nền đất đá và các segment giữ segment tại chỗ, duy trì lực nén trên gioăng. Khi lần đầu được đưa vào sử dụng tại Hoa Kỳ vào giữa những năm 1970, vỏ segment được chế tạo dạng tổ ong, cho phép liên kết bu lông theo cả phương dọc hầm và phương vòng. Hình 10-2 thể hiện vỏ hầm được sử dụng cho Đoạn A của tuyến Baltimore Metro. Sau 30 năm khai thác, vỏ hầm này vẫn đang cung cấp ống dẫn ổn định cho hơn một trăm chuyến tàu mỗi ngày.

Các thiết kế vỏ hầm gần đây đã loại bỏ liên kết bu lông theo phương dọc hầm cũng như các dạng ván khuôn và bố trí cốt thép phức tạp cần thiết để bố trí các bu lông dọc. Các segment hiện nay có bề mặt trong phẳng như thể hiện trong Hình 10-7 và Hình 10-8. Hình 10-8 thể hiện các segment trong bãi đúc sau khi tháo khỏi ván khuôn. Khi đạt đủ cường độ, các segment được lật về đúng vị trí cần thiết để lắp dựng bên trong hầm. Các segment thường được lưu trữ theo dạng xếp chồng, mỗi chồng chứa các segment cần thiết để lắp dựng một vòng hoàn chỉnh bên trong hầm. Tương tự như các segment dùng làm vỏ ban đầu, tuyến hầm theo phương ngang và phương đứng được tạo bằng cách sử dụng các segment dạng vát. Hình 10-8 thể hiện các segment được xếp chồng trong bãi chứa chờ vận chuyển vào hầm.

Các ưu điểm của vỏ segment đúc sẵn bao gồm:

• Cung cấp hệ chống đỡ nền đất đá ổn định hoàn chỉnh, sẵn sàng cho các công tác tiếp theo.
• Vật liệu dễ dàng vận chuyển và thao tác bên trong hầm.
• Không cần các công tác bổ sung như dựng ván khuôn và bảo dưỡng trước khi đưa vào sử dụng.
• Tạo ra bề mặt nền đồng đều và ổn định cho các lớp hoàn thiện hầm.
• Tạo thành kết cấu bền lâu với yêu cầu bảo trì thấp.

Các nhược điểm của vỏ segment đúc sẵn bao gồm:

• Các segment phải được chế tạo với dung sai rất nghiêm ngặt.
• Cốt thép phải được gia công và lắp đặt với dung sai rất nghiêm ngặt.
• Cần có không gian lưu trữ segment tại công trường.
• Segment có thể bị hư hại nếu thao tác không đúng cách.
• Hiện tượng bong vỡ, nứt và sứt mẻ cạnh có thể xảy ra do thao tác sai hoặc kích quá mức.
• Các segment có gioăng phải được lắp đặt với dung sai rất chặt để bảo đảm gioăng làm việc đúng như thiết kế.
• Cốt thép khi được sử dụng có thể bị ăn mòn, dẫn đến suy giảm chất lượng bê tông.
• Các vết nứt cho phép nước thấm vào có thể làm giảm tuổi thọ của vỏ hầm.
• Tấn công hóa học trong một số loại đất có thể làm giảm tuổi thọ của vỏ hầm.

10.5.2 Các xem xét thiết kế

Segment vỏ ban đầu

Các segment được sử dụng làm vỏ chống đỡ ban đầu thường được thiết kế như bê tông không cốt thép. Cốt thép được bố trí trong các segment để hỗ trợ chống lại các tải trọng do thao tác và lưu trữ tác dụng lên segment. Cốt thép thường là lưới thép hàn hoặc các thanh cốt thép nhỏ. Các segment thường được đúc bởi đơn vị đúc sẵn chuyên nghiệp hoặc trong bãi đúc được thiết lập riêng để sản xuất segment.

Hình 10-9 thể hiện các segment được xếp chồng cho hệ vỏ hai lớp. Các segment này được sử dụng làm vỏ ban đầu và không yêu cầu chống thấm. Do đó, không sử dụng gioăng kín nước. Vì không có rãnh đặt gioăng được đúc vào segment, nên cần lưu ý rằng rãnh khóa (keyway) được đúc vào các cạnh của segment để hỗ trợ việc định vị segment và duy trì sự thẳng hàng của các segment theo phương xuyên tâm (radial). Hình 10-10 thể hiện các lồng cốt thép của segment.

Phân tích kết cấu được thực hiện bằng một trong các phương pháp mô tả tại Mục 10.3.4. Khi sử dụng chương trình phân tích kết cấu, mô hình kết cấu nên bao gồm các khớp, tức các điểm không phát sinh mô men uốn, tại vị trí các mối nối trong vòng. Việc sử dụng khớp tại các vị trí mối nối tạo cho vòng segment độ mềm dẻo cần thiết để điều chỉnh theo tải trọng, làm cho tải trọng chủ yếu trở thành lực dọc trục hoặc lực nén vòng (thrust). Đây là sự xấp xỉ ứng xử của vỏ segment, vì trong thực tế các mối nối vẫn truyền một phần mô men. Ứng xử thực tế của vỏ segment có thể được bao bởi các mô hình có độ ngàm bằng không tại mối nối và ngàm hoàn toàn tại mối nối.

Các mối nối xuyên tâm giữa các segment có thể là dạng phẳng hoặc dạng lồi/lõm như thể hiện trong Hình 10-11. Mối nối lồi/lõm tạo điều kiện cho sự xoay tại mối nối, cho phép segment biến dạng và tiêu tán mô men. Mối nối phẳng hiệu quả hơn trong việc truyền tải trọng dọc trục giữa các segment và có thể làm giảm cốt thép đầu segment. Trong cả hai trường hợp, các đầu segment tạo thành mối nối cần được gia cường để tạo điều kiện truyền tải từ segment này sang segment khác mà không gây nứt và bong vỡ. Lượng cốt thép sử dụng cần xét đến loại mối nối và cơ chế truyền tải tương ứng. Việc thao tác và lắp dựng segment cũng là nguồn gây hư hại tại các mối nối. Cốt thép có thể giúp giảm thiểu hư hại này.

Tải trọng chủ yếu do các segment đúc sẵn chịu là tải trọng dọc trục, phát sinh từ lực đất tác dụng quanh chu vi của vòng segment. Tuy nhiên, các tải trọng phát sinh trong quá trình thi công cũng phải được xét đến trong thiết kế. Tải trọng do lực kích của TBM là đáng kể và có thể làm hư hại segment, dẫn đến phải thay thế segment. Các lực này có đặc điểm riêng đối với từng hầm và phụ thuộc vào loại đất cũng như đặc tính vận hành của TBM. Cốt thép dọc theo các mép chịu kích của segment thường cần thiết để chống lại các lực này. Các segment cần được kiểm tra về ép mặt, nén và mất ổn định do tải trọng lực đẩy của TBM.

Việc thao tác, lưu trữ, nâng và lắp dựng segment cũng tạo ra tải trọng. Các segment cần được thiết kế và gia cường để chịu các tải trọng này. Khuyến nghị sử dụng trọng lượng bản thân của segment với hệ số động 2,0 áp dụng cho trọng lượng bản thân đó để thiết kế chống lại các tải trọng này. Khi thiết kế cốt thép cho các tải trọng này, cần áp dụng các quy định của Chương 5 trong Tiêu chuẩn LRFD.

Áp lực bơm vữa cũng có thể tạo tải trọng lên vỏ hầm. Áp lực bơm vữa cần được giới hạn để giảm khả năng gây hư hại cho vòng segment do các tải trọng này. Khuyến nghị giá trị 10 psi (69 kPa) là áp lực bơm vữa cho phép lớn nhất. Áp lực bơm vữa dự kiến cần được cộng vào các hiệu ứng tải trọng do tải trọng đất tác dụng lên vỏ hầm.

Các segment vỏ ban đầu được xem là hệ chống đỡ tạm thời, do đó độ bền lâu dài không được xem xét trong thiết kế vỏ hầm hoặc vật liệu sử dụng.

Segment vỏ hoàn thiện

Các segment được sử dụng làm vỏ hoàn thiện được thiết kế như bê tông cốt thép. Cốt thép hỗ trợ chịu tải và hạn chế nứt trong segment. Việc hạn chế nứt giúp các segment có khả năng chống thấm. Các quy định của Chương 5 trong Tiêu chuẩn AASHTO LRFD nên được sử dụng để thiết kế segment. Các segment được sản xuất bởi đơn vị đúc sẵn hoặc trong bãi đúc được thiết lập riêng để sản xuất segment. Do các segment được đúc và bảo dưỡng trong môi trường được kiểm soát, có thể đạt được dung sai cao hơn so với thi công bê tông đổ tại chỗ.

Phân tích kết cấu được thực hiện bằng một trong các phương pháp mô tả tại Mục 10.3.4. Khi sử dụng chương trình phân tích kết cấu, cần sử dụng mô men quán tính hữu hiệu để xét đến tính mềm dẻo của vòng segment do các mối nối bằng bu lông gây ra. Mô men quán tính hữu hiệu có thể được tính bằng công thức 10-10. Khi sử dụng mô men quán tính hữu hiệu này, không bố trí khớp trong mô hình dầm-lò xo.

Các segment vỏ hoàn thiện có thể được chế tạo với mối nối thẳng hoặc mối nối xiên. Hình 10-12 thể hiện sơ đồ hệ vỏ có mối nối thẳng. Hướng của mối nối cần được xem xét trong thiết kế vỏ để xét đến cơ chế truyền tải qua mối nối giữa các segment. Mối nối xiên sẽ gây uốn theo trục mạnh trong vòng segment, và điều này cần được xét đến trong thiết kế vòng. Dù sử dụng mối nối thẳng hay mối nối xiên, các segment được xoay lệch giữa các vòng để các mối nối không thẳng hàng theo trục dọc hầm. Hình 10-13 là ảnh mô hình thử của một vòng vỏ segment.

Thiết kế mối nối cần xem xét cấu hình của gioăng kín nước. Gioăng có thể làm giảm đáng kể diện tích tiếp xúc chịu ép dùng để truyền tải qua mối nối (xem ví dụ ở Hình 10-11). Các mối nối cần được gia cường đầy đủ để truyền tải qua mối nối mà không bị hư hại.

Tải trọng chủ yếu do các segment đúc sẵn chịu là tải trọng dọc trục, phát sinh từ lực đất, áp lực thủy tĩnh và các lực khác tác dụng quanh chu vi vòng segment. Sự hiện diện của hệ thống chống thấm loại trừ sự chia sẻ tải trọng giữa vỏ hoàn thiện và hệ chống đỡ nền đất đá ban đầu. Một giả định thiết kế cơ bản là vỏ hoàn thiện chịu các tải trọng đất dài hạn mà không có sự đóng góp của hệ chống đỡ nền đất đá ban đầu.

Các tải trọng phát sinh trong quá trình thi công cũng phải được xét đến trong thiết kế. Tải trọng do lực kích của TBM là đáng kể và có thể làm hư hại segment, dẫn đến phải thay thế. Các lực này có đặc điểm riêng đối với từng hầm và phụ thuộc vào loại đất cũng như đặc tính vận hành của TBM. Cốt thép dọc theo các mép chịu kích của segment có thể cần thiết để chống lại các lực này. Các segment cần được kiểm tra ép mặt, nén và mất ổn định do tải trọng lực đẩy của TBM.

Việc nâng và lắp dựng segment cũng tạo ra tải trọng. Các segment cần được thiết kế và gia cường để chịu các tải trọng này. Khuyến nghị sử dụng trọng lượng bản thân của segment với hệ số động 2.0 để thiết kế chống lại các tải trọng này. Khi thiết kế cốt thép cho các tải trọng này, cần sử dụng các quy định của Chương 5 trong Tiêu chuẩn LRFD.

Áp lực bơm vữa cũng có thể tạo tải trọng lên vỏ hầm. Áp lực bơm vữa cần được giới hạn để giảm khả năng gây hư hại cho vòng segment. Khuyến nghị giá trị 10 psi (69 kPa) là áp lực bơm vữa cho phép lớn nhất. Áp lực bơm vữa dự kiến cần được cộng vào hiệu ứng tải trọng do các tải trọng đất sớm nhất tác dụng lên vỏ hầm.

Cần khảo sát thành phần hóa học của nước ngầm để bảo đảm vỏ bê tông không bị tấn công hóa học nếu tiếp xúc với nước ngầm. Nếu đây là vấn đề của dự án, cần áp dụng các biện pháp giảm thiểu để giảm ảnh hưởng của tấn công hóa học. Màng chống thấm có thể tạo ra một mức độ bảo vệ nhất định. Phụ gia, xi măng kháng sunfat và bê tông mật độ cao đều có thể là các giải pháp tiềm năng. Vấn đề này cần được xem xét theo từng trường hợp cụ thể và giải pháp phù hợp cần được áp dụng dựa trên thực hành tốt nhất của ngành.

Ứng xử của bê tông trong sự kiện hỏa hoạn cũng phải được xem xét. Khi bị nung nóng đến nhiệt độ đủ cao, bê tông có thể bị bong vỡ nổ. Điều này tạo ra tình trạng nguy hiểm cho người lái xe đang cố thoát khỏi hầm và cho lực lượng ứng cứu khẩn cấp đang xử lý sự cố. Hiện tượng bong vỡ này do nước bị giữ trong các lỗ rỗng bê tông bốc hơi nhưng không thoát ra được. Bong vỡ cũng do sự phá vỡ của cốt liệu và sự suy giảm cường độ của ma trận bê tông tại bề mặt bê tông sau khi tiếp xúc kéo dài với nhiệt độ cao. Cốt thép bị nung nóng cũng sẽ mất cường độ. Bong vỡ và sự suy giảm cường độ cốt thép có thể làm thay đổi hình dạng vỏ hầm, phân bố lại ứng suất trong vỏ và có thể gây phá hoại kết cấu.

Vỏ hầm cần được bảo vệ chống cháy. Có thể sử dụng cả biện pháp bảo vệ bên ngoài và bên trong. Bảo vệ bên ngoài dưới dạng lớp phủ hoặc tấm ốp hiện có bán trên thị trường. Các sản phẩm này có thể cung cấp một mức độ bảo vệ nhất định đối với các đám cháy có nhiệt độ tương đối thấp. Đây là các sản phẩm chuyên dụng, và cần tham khảo nhà sản xuất để xác định chính xác mức độ bảo vệ mà chúng có thể cung cấp. Việc bổ sung sợi polypropylene vào cấp phối bê tông có thể làm giảm sự bốc hơi của nước bị giữ trong bê tông. Các sợi này nóng chảy trong đám cháy và tạo đường thoát cho nước.

Phụ lục G trình bày một ví dụ tính toán để minh họa quy trình thiết kế vỏ segment đúc sẵn.

10.5.3 Vật liệu

Hỗn hợp bê tông cho segment đúc sẵn dùng làm vỏ ban đầu không yêu cầu thiết kế đặc biệt và nhìn chung có thể phù hợp với các hỗn hợp bê tông được quy định trong hầu hết các tiêu chuẩn thi công của các bang. Cường độ trong khoảng 4.000 đến 5.000 psi (27 đến 35 MPa) nhìn chung là đủ. Các mức cường độ này dễ đạt được trong nhà máy đúc sẵn và bãi đúc. Công tác bảo dưỡng được thực hiện trong các khu vực kín và được kiểm soát tốt. Việc cuốn khí là cần thiết vì segment có thể được lưu trữ ngoài trời trong thời gian dài, và segment vỏ hoàn thiện có thể tiếp xúc với nhiệt độ đóng băng bên trong hầm.

Bê tông cốt sợi thép đã trở thành một chủ đề được thảo luận và nghiên cứu đối với vỏ hầm đúc sẵn. Về lý thuyết, sợi thép có thể được sử dụng thay cho thanh cốt thép. Sợi thép có khả năng loại bỏ nhu cầu gia công các thanh cốt thép với dung sai rất nghiêm ngặt, tạo độ dẻo cho bê tông và làm cho segment dai hơn, ít bị hư hại hơn trong quá trình thi công. Tuy nhiên, hiện chưa có quy chuẩn thiết kế của Hoa Kỳ cho thiết kế bê tông cốt sợi thép. Đã có các bài báo trình bày phương pháp thiết kế và một số quốc gia châu Âu đã phát triển các phương pháp thiết kế. Thực hành khuyến nghị, cho đến khi có thêm nghiên cứu và các quy chuẩn thiết kế được phát triển, là sử dụng sợi thép trong các segment khi thiết kế được thực hiện như trình bày chi tiết trong tài liệu này và vỏ hầm được xem là đủ khả năng chịu lực mà không cần cốt thép. Khi đó, sợi thép có thể được đưa vào bê tông để cải thiện đặc tính thao tác trong quá trình thi công. Chương trình thử nghiệm được yêu cầu trong các quy định kỹ thuật để nhà thầu chứng minh thông qua thử nghiệm hiện trường rằng các segment cốt sợi có thể chịu được các tải trọng thao tác phát sinh trong thi công. Khi đó, sợi có thể được sử dụng thay cho cốt thép vốn được lắp đặt để chịu các tải trọng thao tác.

Thanh cốt thép cần phù hợp với các yêu cầu của ASTM A615 cấp 60, và lưới thép hàn, khi sử dụng, cần phù hợp với ASTM A185.

Hỗn hợp bê tông cho segment vỏ một lớp có cường độ trong khoảng 5.000 đến 7.000 psi (34 đến 48 MPa). Cường độ cao hơn dễ đạt được trong nhà máy đúc sẵn và hỗ trợ chống lại các tải trọng thao tác và lắp dựng.

10.5.4 Các vấn đề thi công

Segment vỏ ban đầu

Cần bố trí lỗ bơm vữa để bơm vữa tiếp xúc. Các lỗ bơm vữa cũng có thể được dùng làm điểm nâng segment. Cần bố trí các lỗ bơm vữa đối xứng để tải trọng truyền vào thiết bị nâng được phân bố đều. Lỗ bơm vữa và thiết bị nâng thường do nhà thầu thiết kế theo các tải trọng và tiêu chí do người thiết kế quy định. Ngành xây dựng hiện đang chuyển sang sử dụng thiết bị lắp dựng và thao tác bằng chân không. Thiết bị này không dựa vào các lỗ bơm vữa để thao tác segment. Một thiết bị dạng này được thể hiện trong Hình 10-7. Thiết bị này dựa vào lực chân không tạo ra giữa mặt segment và thiết bị để tạo phản lực cần thiết khi nâng và lắp dựng segment.

Segment cần được đúc và bảo dưỡng theo các yêu cầu trong tiêu chuẩn kỹ thuật của chủ đầu tư. Nếu không có tiêu chuẩn kỹ thuật riêng, nên sử dụng các yêu cầu của Viện Bê tông Đúc sẵn (Precast Concrete Institute) để xây dựng tiêu chuẩn thi công cho segment đúc sẵn. Segment cần được lưu trữ theo cách không gây hư hại. Vị trí gối đỡ cần được thể hiện trên bản vẽ và chiều cao xếp chồng tối đa cần được quy định.

Segment cần được cấu tạo chi tiết để thuận tiện cho việc kích mở vòng tại đỉnh vòm hoặc gần springline sau khi lắp dựng. Nếu cần, phải chừa khoảng trống để vật liệu dùng tạm thời lấp khe, nhằm ngăn đất lọt vào hầm. Cần đề xuất biện pháp kích segment, và khoảng trống còn lại sau khi kích phải được lấp bằng bê tông và/hoặc bơm vữa tiếp xúc để hoàn thiện vòng. Các đầu segment dùng để kích có thể cần cốt thép bổ sung hoặc tấm thép để bảo vệ khỏi các lực phát sinh do kích.

Số lượng segment trong hệ hai lớp thường được giữ ở mức tối thiểu; các segment thường lớn hơn một chút so với hệ một lớp, và các mối nối trong các vòng sẽ thẳng hàng với mối nối ở các vòng liền kề.

Segment vỏ hoàn thiện (hệ một lớp)

Các xem xét tương tự như đối với segment vỏ ban đầu cũng áp dụng cho segment vỏ hoàn thiện. Tuy nhiên, segment vỏ hoàn thiện không được kích tại đỉnh vòm sau khi lắp dựng. Segment vỏ hoàn thiện cũng phải được cấu tạo để bố trí gioăng cần thiết cho chống thấm. Các segment vỏ hoàn thiện cũng được phủ một lớp chống thấm ở mặt ngoài segment. Lớp phủ chống thấm này nên là vật liệu bền chắc, chẳng hạn epoxy hắc ín than đá, vì segment trượt dọc theo khiên khi TBM tiến lên và lớp phủ có thể bị hư hại.

10.6 VỎ THÉP TẤM

Vỏ thép tấm là một hệ vỏ phân đoạn. Hệ này đôi khi được sử dụng cho hầm tròn trong đất mềm, được đào bằng TBM hoặc các phương pháp khác. Một số cấu kiện thép cong, hay segment, được lắp ráp bên trong hầm hoặc bên trong TBM để tạo thành một vòng tròn hoàn chỉnh. Các segment được chế tạo từ các tấm thép ép theo hình dạng yêu cầu. Các tấm có bản cánh dọc theo cả bốn cạnh. Các bản cánh được dùng để liên kết các segment bằng bu lông theo cả phương dọc hầm và phương vòng. Các vòng liền kề được xoay lệch sao cho các mối nối không thẳng hàng từ vòng này sang vòng khác. Các segment được lắp gioăng dọc theo tất cả các bản cánh; gioăng được nén chặt khi bu lông được siết. Các gioăng này nhằm tạo khả năng chống thấm cho hầm. Tấm vỏ thép được sản xuất với kích thước và chiều rộng tiêu chuẩn 12 in. (25,4 cm) hoặc 24 in. (50,8 cm). Chỉ có bán kính được thay đổi để đáp ứng yêu cầu của dự án. Hình 10-14 thể hiện các chi tiết điển hình của tấm vỏ thép.

Các ưu điểm của vỏ thép tấm bao gồm:

• Cung cấp hệ chống đỡ nền đất đá ổn định hoàn chỉnh, sẵn sàng cho các công tác tiếp theo.
• Vật liệu dễ dàng vận chuyển và thao tác bên trong hầm.
• Không cần các công tác bổ sung như dựng ván khuôn và bảo dưỡng trước khi đưa vào sử dụng.

Các nhược điểm của vỏ thép tấm bao gồm:

• Lực đẩy từ TBM phải được giới hạn theo khả năng chịu lực của tấm thép.
• Thép dễ bị ăn mòn trong môi trường ẩm thường gặp trong hầm.
• Hỏa hoạn có thể làm tấm vỏ bị mất ổn định và/hoặc phá hoại.
• Cần có bê tông đổ tại chỗ để bảo vệ chống cháy.

10.6.1 Các xem xét trong thiết kế

Thiết kế vỏ thép tấm cần tuân theo Chương 12 của Tiêu chuẩn AASHTO LRFD. Các kiểm tra cần thiết cho trạng thái sử dụng được bao gồm trong chương đó. Thông thường, các thông số thiết kế và yêu cầu kích thước tối thiểu được quy định trên bản vẽ. Thông tin trên bản vẽ được xây dựng dựa trên các yêu cầu của AASHTO LRFD. Các nhà sản xuất tấm vỏ có các sản phẩm tiêu chuẩn có thể được lựa chọn để sử dụng cho dự án. Nhà thầu sẽ cung cấp sản phẩm cụ thể dự kiến sử dụng cho dự án cùng với các tính toán chứng minh rằng sản phẩm đáp ứng các yêu cầu tối thiểu thể hiện trên bản vẽ.

Vỏ thép tấm phải được thiết kế để chịu các tải trọng kích do TBM tác dụng. Cần sử dụng vòng kích hoặc một phương pháp phân bố tải trọng khác để truyền tải lên các tấm thép, nhằm tránh làm hư hại các tấm trong quá trình đào hầm. Thông thường, cần bố trí các sườn tăng cứng tại tâm tấm để chịu các tải trọng kích. Các sườn tăng cứng này, cùng với các bản cánh ở mép tấm, chịu phần lớn lực kích. Các sườn tăng cứng và bản cánh được thiết kế như các cột để chịu tải trọng kích dự kiến. Thiết kế vỏ thép tấm cũng phải xét đến các tải trọng khác phát sinh do hoạt động thi công. Nhà thầu cần kiểm tra ứng suất do nâng và lắp dựng.

Độ cong trong tuyến hầm theo phương ngang và phương đứng được xử lý bằng các segment dạng vát, tương tự như segment bê tông.

Vỏ thép tấm cần được bảo vệ chống ăn mòn. Bề mặt ngoài có thể được bảo vệ bằng lớp phủ như epoxy hắc ín than đá. Bề mặt trong có thể được bảo vệ bằng các lớp phủ như sơn hoặc mạ kẽm, nhưng biện pháp bảo vệ hiệu quả nhất là một lớp bê tông không cốt thép. Lớp bê tông này bảo vệ chống ăn mòn và chống hư hại do nhiệt trong trường hợp hỏa hoạn. Lớp bê tông bảo vệ được thi công sau khi hoàn thành công tác đào hầm để tránh hư hại do kích hoặc do khiên gây ra.

Yêu cầu về gioăng đối với vỏ thép tấm tương tự như đối với segment bê tông. Tuy nhiên, vỏ thép tấm có diện tích bề mặt để lắp đặt gioăng nhỏ hơn nhiều so với segment bê tông.

10.7 VỎ BÊ TÔNG PHUN

Như đã trình bày trong Chương 9, bê tông phun là một giải pháp thay thế tương đương về mặt kết cấu và chất lượng cho vỏ bê tông đổ tại chỗ. Bề mặt hoàn thiện của nó có thể được điều chỉnh để đáp ứng các mục tiêu của dự án. Bề mặt có thể giữ dạng thô của bê tông phun, hoặc có thể đạt chất lượng tương đương bê tông đổ tại chỗ khi yêu cầu hoàn thiện bằng xoa mặt. Bê tông phun dùng làm vỏ hoàn thiện thường được sử dụng kết hợp với hệ chống đỡ bê tông phun ban đầu trong các ứng dụng SEM khi gặp các điều kiện sau:

• Hầm có chiều dài tương đối ngắn và mặt cắt tương đối lớn, do đó việc đầu tư hệ ván khuôn là không hợp lý, tức các hầm ngắn hơn khoảng 400–600 ft (150–250 m) và có đường kính springline lớn hơn khoảng 25–35 ft (8–11 m).

• Việc tiếp cận khó khăn và công tác bố trí lắp đặt ván khuôn cũng như cung cấp bê tông gặp nhiều trở ngại.

• Hình học hầm phức tạp và cần ván khuôn chế tạo riêng. Các giao cắt hầm, cũng như các đoạn phân nhánh, đặc biệt phù hợp trong trường hợp này. Các đoạn phân nhánh thường đi kèm với mở rộng hầm và nếu thi công theo phương pháp thông thường sẽ phải sử dụng cấu hình vỏ giật cấp và làm tăng khối lượng đào.

Khi bê tông phun được sử dụng làm vỏ hoàn thiện trong các ứng dụng vỏ bê tông phun kép, nó sẽ được phun áp sát vào màng chống thấm như đã trình bày trong Chương 9. Chiều dày vỏ thường từ 10 đến 12 in. (200 đến 300 mm) hoặc lớn hơn, và việc thi công phải được thực hiện theo từng lớp, có khoảng thời gian chờ giữa các lần phun để bê tông phun ninh kết và đông cứng.

Để bảo đảm vỏ hoàn thiện làm việc gần như nguyên khối về mặt kết cấu, cần giới hạn thời gian chờ giữa các lớp phun và bảo đảm bề mặt bê tông phun mà lớp tiếp theo được phun lên phải sạch, không có bụi bẩn hoặc lớp màng bẩn có thể tạo bề mặt mất dính bám giữa các lớp riêng lẻ. Thông thường, thời gian thi công giữa các lớp được giới hạn trong 24 giờ.

Vỏ bê tông phun hoàn thiện được thi công lên một hệ mang gồm các dầm lưới và lưới thép hàn, được gắn vào dầm lưới về phía màng chống thấm. Hệ mang này cũng đóng vai trò toàn bộ hoặc một phần cốt thép kết cấu của vỏ hoàn thiện. Phần cốt thép kết cấu còn lại có thể được bố trí bằng thanh cốt thép hoặc lưới thép, hoặc bằng sợi thép hay sợi nhựa. Lớp bê tông phun hoàn thiện cho phép bổ sung các sợi polypropylene (PP) siêu nhỏ để tăng khả năng chịu lửa của vỏ hoàn thiện.

Khác với áp lực thủy tĩnh của bê tông đổ tại chỗ trong quá trình thi công, việc phun bê tông không tạo áp lực lên màng chống thấm và vỏ ban đầu. Vì vậy, cần bảo đảm rằng mọi khe hở giữa hệ chống thấm và vỏ bê tông phun ban đầu, cũng như giữa hệ chống thấm và vỏ bê tông phun hoàn thiện, đều được lấp đầy bằng bơm vữa tiếp xúc. Đối với vỏ hoàn thiện, bơm vữa tiếp xúc được thực hiện bằng vữa xi măng, nhưng lượng vữa tiêu thụ thường lớn hơn nhiều. Để bảo đảm bơm vữa đúng cách quanh toàn bộ chu vi vỏ, thông thường sử dụng các ống bơm vữa dọc được bố trí theo phương xuyên tâm quanh chu vi. Hình 10-15 thể hiện một mặt cắt vỏ bê tông phun hoàn thiện điển hình với hệ chống thấm, lưới thép hàn (WWF), dầm lưới, ống bơm vữa để bơm vữa tiếp xúc và lớp bê tông phun hoàn thiện có bổ sung sợi PP.

Có lẽ yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng thi công vỏ bê tông phun hoàn thiện là tay nghề thi công. Mặc dù kỹ năng của thợ phun bê tông, bằng thủ công hoặc robot, là cốt lõi của tay nghề này, nhưng điều quan trọng là phải đề cập tất cả các khía cạnh của quá trình phun bê tông trong một bản thuyết minh biện pháp thi công. Bản thuyết minh biện pháp này trở thành cơ sở cho các quy trình thi công, cũng như chương trình bảo đảm chất lượng/kiểm soát chất lượng (QA/QC) của đơn vị thi công và tư vấn giám sát. Các yêu cầu tối thiểu cần được đề cập trong bản thuyết minh biện pháp bao gồm:

• Thực hiện công việc: lắp đặt cốt thép, trình tự thi công, các phân đoạn phun, thời gian chờ
• Kiểm soát trắc đạc và phương pháp trắc đạc
• Thiết kế hỗn hợp và yêu cầu kỹ thuật
• Quy trình và biểu mẫu QA/QC, tức “phiếu đổ bê tông”
• Thử nghiệm: loại và tần suất
• Năng lực nhân sự
• Quy trình bơm vữa

Xu hướng chung trong ngành hầm cho thấy việc sử dụng bê tông phun làm vỏ hoàn thiện là một giải pháp khả thi thay thế cho thi công bê tông đổ tại chỗ truyền thống. Sản phẩm bê tông phun đáp ứng các yêu cầu kết cấu của bê tông đổ tại chỗ. Công tác thiết kế, kỹ thuật cũng như quy trình thi công có thể được lập kế hoạch để tạo ra sản phẩm chất lượng cao. Chất lượng xuất sắc trong chính quá trình thi công là cần thiết và phải đi đôi với công tác bảo đảm chất lượng trong quá trình thi công.

Chương 9 trình bày chi tiết về bê tông phun dùng làm chống đỡ ban đầu. Chương 16 trình bày chi tiết về việc sử dụng bê tông phun trong sửa chữa bê tông.

10.8 LỰA CHỌN HỆ VỎ HẦM

Mỗi công trình hầm là một dự án riêng biệt và có tổ hợp điều kiện nền đất đá, kích thước khẩu độ, điều kiện nước ngầm, tuyến hầm và kỹ thuật thi công áp dụng riêng. Do phạm vi tổ hợp các biến số này rất rộng, hướng dẫn lựa chọn loại vỏ hầm chỉ có thể được đưa ra dưới dạng khái quát. Hệ vỏ hầm được thiết kế cho một dự án được lựa chọn dựa trên kinh nghiệm và đánh giá tốt nhất của người thiết kế. Sau khi dự án đã được đấu thầu và trao thầu, không hiếm khi nhà thầu yêu cầu thay đổi loại vỏ hầm, phương pháp đào hoặc cả hai. Các đoạn sau đây nêu các điều kiện mà một số loại vỏ hầm nhất định có thể phù hợp, đồng thời đưa ra các lưu ý cần xem xét khi lựa chọn loại vỏ hầm cho dự án.

Bê tông đổ tại chỗ

Bê tông đổ tại chỗ có thể được sử dụng trong bất kỳ hầm nào với bất kỳ phương pháp đào hầm nào. Nó cần một dạng chống đỡ nền đất đá ban đầu để duy trì khẩu độ đào trong khi vỏ được dựng ván khuôn, đổ bê tông và bảo dưỡng. Bê tông đổ tại chỗ thường được sử dụng trong hầm đá cứng đào bằng khoan nổ và hầm trong đất mềm đào bằng phương pháp đào tuần tự. Bê tông đổ tại chỗ có thể được tạo hình theo bất kỳ dạng nào, nhờ đó hình dạng vỏ có thể được tối ưu hóa theo yêu cầu khẩu độ.

Bê tông đổ tại chỗ cũng được sử dụng trong cả hầm đá cứng và hầm trong đất mềm đào bằng TBM. Trong các hầm này, vỏ bê tông đổ tại chỗ là vỏ hoàn thiện, được thi công sau khi hệ chống đỡ nền đất đá ban đầu đã được lắp đặt. Việc sử dụng bê tông đổ tại chỗ, tức hệ hai lớp, trong hầm TBM có thể dẫn đến khẩu độ đào lớn hơn so với khi sử dụng vỏ segment đúc sẵn hệ một lớp.

Vỏ bê tông đổ tại chỗ được đổ áp sát vào màng chống thấm. Màng này có thể bị hư hại trong quá trình đặt cốt thép và ván khuôn. Ván khuôn phải được giữ nguyên tại chỗ cho đến khi vỏ đạt đủ cường độ để tự chống đỡ, và công tác bảo dưỡng phải được thực hiện sau khi tháo ván khuôn.

Vỏ segment đúc sẵn

Vỏ segment đúc sẵn được sử dụng riêng cho các hầm trong đất mềm và đá cứng được đào bằng TBM. Hệ một lớp này cung cấp chống đỡ nền đất đá cần thiết trong quá trình đào và đồng thời tạo thành vỏ hoàn thiện của hầm. Hệ này cần có gioăng trên mỗi cạnh của segment để tạo vỏ kín nước. Các segment phải được chế tạo với dung sai nghiêm ngặt. Các segment cần thiết bị chuyên dụng để thao tác và lắp dựng bên trong hầm. Sau khi được lắp dựng đúng vị trí, hệ vỏ hầm được hoàn thiện.

Vỏ thép tấm

Vỏ thép tấm có thể được sử dụng trong bất kỳ điều kiện nền đất đá nào với bất kỳ phương pháp đào ngầm nào. Sau khi lắp đặt, các tấm thép vừa tạo thành vỏ hoàn thiện vừa làm hệ chống đỡ nền đất đá. Hệ một lớp này cung cấp chống đỡ nền đất đá cần thiết trong quá trình đào và đồng thời tạo thành vỏ hoàn thiện của hầm. Hệ này yêu cầu gioăng trên mỗi cạnh của segment để tạo vỏ kín nước. Các segment phải được chế tạo với dung sai nghiêm ngặt. Các segment cần thiết bị chuyên dụng để thao tác và lắp dựng bên trong hầm.

Các segment thường mỏng và không có độ cứng lớn theo phương dọc hầm. Sự thiếu độ cứng này giới hạn lực đẩy có thể sử dụng để tiến TBM. Các điều kiện nền đất đá khó, đòi hỏi lực đẩy lớn để tiến TBM, có thể khiến vỏ thép tấm không phù hợp. Các vấn đề ăn mòn liên quan đến vỏ thép có thể làm giảm nghiêm trọng tuổi thọ của vỏ hầm.

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