Chương 11 – HẦM DÌM

\begin{aligned} \end{aligned}

11.1 GIỚI THIỆU

Chương này mô tả thiết kế kết cấu của hầm dìm theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD. Mục đích của chương này là cung cấp hướng dẫn diễn giải các tiêu chuẩn AASHTO nhằm áp dụng quy định một cách thống nhất hơn, đồng thời hướng dẫn thiết kế các hạng mục chưa được đề cập cụ thể trong AASHTO. Chương này bắt đầu bằng phần mô tả cơ bản về phương pháp thi công hầm dìm.

Hầm dìm gồm các cấu kiện hầm bê tông đúc sẵn rất lớn hoặc cấu kiện hầm thép nhồi bê tông, được chế tạo trong điều kiện khô và lắp đặt dưới nước. Hơn một trăm hầm dìm đã được xây dựng để tạo kết nối đường bộ hoặc đường sắt. Chúng được chế tạo theo các chiều dài thuận tiện trên đường trượt, trong ụ khô hoặc trong bể nổi tạm thời, được bịt kín bằng bulkhead ở mỗi đầu, sau đó được thả nổi. Các cấu kiện hầm có thể đã từng được kéo thành công qua khoảng cách rất xa. Chúng có thể cần được lắp đặt hoàn thiện tại bến gần vị trí cuối cùng. Sau đó, chúng được kéo đến vị trí cuối cùng, dìm xuống, hạ vào rãnh đã chuẩn bị sẵn và nối với các cấu kiện hầm đã được đặt trước đó. Sau khi hoàn thành các công tác nền bổ sung, rãnh xung quanh hầm dìm được đắp trả và đáy nước được khôi phục. Đỉnh hầm tốt nhất nên nằm thấp hơn đáy nước ban đầu ít nhất 5 ft (1,5 m) để có đủ lớp đắp bảo vệ. Tuy nhiên, trong một vài trường hợp khi chế độ thủy lực cho phép, hầm đã được đặt cao hơn đáy nước ban đầu trong một đê bảo vệ dưới nước.

Các cấu kiện hầm dìm thường được thả nổi đến công trường nhờ trạng thái nổi của chính chúng. Tuy nhiên, đôi khi có thể sử dụng thêm các két nổi phụ bên ngoài gắn vào cấu kiện nếu cần. Các đầu cấu kiện hầm được trang bị bulkhead, tức tấm chắn kín nước, ở hai đầu để giữ bên trong khô ráo, đồng thời chỉ cho phép khoảng hở khoảng 6 đến 8 ft (2 đến 2,5 m) giữa các bulkhead của hai cấu kiện liền kề tại mối nối dìm; khoảng không này sẽ được tháo nước sau khi có được lớp kín nước ban đầu trong quá trình nối. Các mối nối thường được lắp gioăng để tạo kín nước với cấu kiện liền kề. Chúng cũng được trang bị các thiết bị điều chỉnh để cho phép đặt cấu kiện đúng tuyến và đúng cao độ. Các cấu kiện hầm được hạ xuống vị trí sau khi bổ sung nước ballast tạm thời hoặc bê tông đổ bằng ống tremie. Hình 11-1 minh họa việc đặt một hầm dìm.

Hình 11-1 Minh họa hầm dìm

11.1.1 Ứng dụng điển hình

Hầm dìm có thể có các ưu điểm đặc biệt so với hầm khoan tại một số vị trí vượt qua vùng nước, vì chúng chỉ nằm cách đáy nước một khoảng ngắn. Do đó, các đoạn đường dẫn có thể tương đối ngắn. So với cầu cao hoặc hầm khoan, tổng chiều dài đoạn vượt qua sẽ ngắn hơn. Hầm có thể được thiết kế phù hợp với bình đồ và trắc dọc tuyến. Chúng có thể được xây dựng trong các loại đất vốn là thách thức lớn đối với kết cấu cầu nhịp dài, và trong các điều kiện như vậy, hầm dìm có thể rất cạnh tranh về chi phí.

Tuy nhiên, hầm dìm có các nhược điểm tiềm tàng về xáo động môi trường đối với đáy vùng nước. Chúng có thể ảnh hưởng đến nơi sinh sống của cá, hệ sinh thái, dòng chảy và độ đục của nước. Ngoài ra, cần xem xét ảnh hưởng đến giao thông thủy trong mọi tuyến đường thủy có thể điều hướng, và thường cần xin cấp phép rộng rãi. Nhiều vùng nước như cảng hoặc luồng tàu có trầm tích bị ô nhiễm, đòi hỏi xử lý đặc biệt. Việc sử dụng kỹ thuật hầm dìm có thể gặp phải nền đất bị ô nhiễm như vậy và cần xử lý thải bỏ theo quy định.

Đối với các đoạn vượt rất dài, nơi giao thông thủy quan trọng, các tổ hợp cầu-hầm có thể là giải pháp kinh tế hơn; các cầu cạn dài kéo dài từ bờ qua vùng nước tương đối nông đến các đảo nhân tạo, tại đó phần chuyển tiếp giữa cầu và hầm được thực hiện, rồi hầm kéo dài qua các luồng tàu. Cầu-Hầm Vịnh Chesapeake tại Norfolk, Virginia, hoàn thành năm 1964, dài hơn 17 dặm và có các hầm dìm tại mỗi trong hai luồng tàu chính, một trong số đó được thể hiện ở Hình 11-2.

11.1.2 Các loại hầm dìm

Hai loại hầm dìm chính đã hình thành, được gọi là hầm thép và hầm bê tông; cách gọi này liên quan đến phương pháp chế tạo. Cả hai loại đều thực hiện cùng một chức năng sau khi lắp đặt.

Hầm thép sử dụng thép kết cấu, thường ở dạng tấm có sườn tăng cứng, làm việc liên hợp với bê tông bên trong như một hệ kết cấu. Hầm bê tông dựa vào thanh cốt thép hoặc cáp dự ứng lực. Các cấu kiện hầm dìm bằng thép thường được chế tạo trong xưởng đóng tàu hoặc ụ khô tương tự như tàu, được hạ thủy xuống nước rồi lắp đặt bê tông khi đang nổi. Các cấu kiện hầm dìm bằng bê tông thường được đúc trong ụ khô hoặc các bể được xây dựng riêng, sau đó ụ/bể được làm ngập nước và các cấu kiện được thả nổi ra ngoài. Hầm thép có thể có mớn nước ban đầu chỉ khoảng 8 ft (khoảng 2,5 m), trong khi hầm bê tông có mớn nước gần như bằng toàn bộ chiều sâu cấu kiện. Mặt cắt ngang hầm có thể có cạnh phẳng hoặc cạnh cong.

Trong lịch sử, hầm bê tông chủ yếu có dạng chữ nhật, đặc biệt phù hợp với đường bộ rộng và hầm kết hợp đường bộ/đường sắt. Ở châu Âu, Đông Nam Á và Úc, hầu như tất cả hầm dìm đều là hầm bê tông. Ở Nhật Bản, số lượng hầm thép và hầm bê tông xấp xỉ nhau. Mặc dù phần lớn hầm ở Bắc Mỹ là hầm thép, cũng có các hầm dìm bằng bê tông.

Hầm thép từng có dạng tròn, dạng cong với đáy phẳng và dạng chữ nhật, đặc biệt ở Nhật Bản; nhưng dạng phổ biến tại Hoa Kỳ là hầm vỏ kép, tức một vỏ tròn nằm trong một hình bát giác. Phần lớn hoặc toàn bộ bê tông trong hầm thép được đổ khi vỏ thép đang nổi, trái ngược trực tiếp với hầm bê tông vốn gần như hoàn thiện trước khi được thả nổi. Trình tự đổ bê tông đối với hầm thép được kiểm soát chặt chẽ để giảm thiểu biến dạng và ứng suất phát sinh. Hầm dìm bằng thép có thể được phân thành ba loại phụ: vỏ đơn, vỏ kép và dạng sandwich.

11.1.3 Hầm thép vỏ đơn

Trong loại này, tấm vỏ kết cấu bên ngoài làm việc liên hợp với bê tông cốt thép bên trong và không có bê tông bên ngoài. Tấm vỏ cần được bảo vệ chống ăn mòn, thường bằng biện pháp bảo vệ catốt. Hầm Cross-Harbour ở Hồng Kông (Hình 11-3 và Hình 11-12) và hầm xuyên vịnh BART ở San Francisco là các ví dụ điển hình của loại này.

Các ví dụ ban đầu của loại vỏ đơn là hầm sông Detroit (1910) và hầm sông Harlem (1914); cả hai đều là hầm đường sắt và là hai hầm dìm giao thông đầu tiên từng được xây dựng, có nhiều điểm tương đồng với hầm vỏ đơn. Trong số tám hầm dìm vỏ đơn hiện hữu trên thế giới, ba hầm là hầm đường sắt ở Tokyo, Nhật Bản, và ba hầm là hầm đường sắt ở Hoa Kỳ. Hai hầm đường bộ đã được xây dựng bằng phương pháp vỏ đơn: hầm Baytown ở Texas, nay đã được tháo dỡ, và hầm Cross Harbour (Hình 11-12) ở Hồng Kông. Hình 11-4 thể hiện hầm BART ở San Francisco, một hầm đường sắt được xây dựng năm 1969. Hầm dài 5800 m và gồm 57 cấu kiện, tất cả đều được hạ thủy từ đầu.

Mớn nước ban đầu của hầm vỏ đơn nhỏ hơn so với các loại hầm dìm khác do loại bỏ vỏ ngoài. Tuy nhiên, các chỗ rò rỉ trong vỏ thép có thể khó nhận biết và khó bịt kín; việc chia bề mặt thành các khoang nhỏ hơn bằng các sườn sẽ tăng khả năng bịt kín chỗ rò rỉ. Cần hết sức cẩn thận và kiểm tra kỹ lưỡng để bảo đảm các mối hàn không có khuyết tật. Rủi ro rò rỉ lâu dài ở hầm dìm vỏ đơn có thể cao hơn so với các loại khác. Để tránh điều này, vỏ thép kết cấu bên ngoài thường cần một dạng bảo vệ chống ăn mòn chắc chắn.

11.1.4 Vỏ kép

Một cấu kiện hầm vỏ kép gồm một vỏ kết cấu bên trong, làm việc liên hợp với bê tông được đổ bên trong vỏ thép. Phần bê tông đỉnh và đáy vòm ngược nằm bên ngoài tấm vỏ kết cấu cũng là bê tông kết cấu. Một vỏ thép thứ hai được chế tạo bên ngoài vỏ thép kết cấu để làm ván khuôn cho bê tông ballast tại hai bên, được đổ bằng ống tremie. Trong cấu hình này, vỏ thép kết cấu bên trong làm việc liên hợp với bê tông cốt thép bên trong, đồng thời được bảo vệ bởi bê tông bên ngoài nằm trong các tấm ván khuôn thép phi kết cấu. Hình 11-5 thể hiện mặt cắt ngang của hầm Second Hampton Roads ở Virginia.

Phần thép của cấu kiện hầm vỏ kép thường được chế tạo tại xưởng đóng tàu. Trước khi hạ thủy, bê tông đáy vòm ngược có thể được đổ để làm cho cấu kiện ổn định hơn trong quá trình kéo nổi và lắp đặt hoàn thiện, đồng thời giằng bên trong các cấu kiện thép. Do cấu hình vỏ kép, cấu kiện này cứng hơn cấu kiện vỏ đơn. Tuy nhiên, do có khả năng gặp điều kiện kéo nổi khắc nghiệt, đặc biệt trong quá trình hạ thủy nếu không được chế tạo trong ụ khô, có thể cần giằng bên trong cho đến khi cấu kiện hầm ở vị trí cuối cùng.

Nhiều khoang hầm được tạo bằng cách liên kết các phần với nhau bằng các vách ngăn ngang. Các vách ngăn ngang cũng giúp tăng cứng vỏ thép. Các vách ngăn được bố trí dọc theo chiều dài cấu kiện hầm. Các sườn tăng cứng dọc dạng tấm hoặc tiết diện chữ T được sử dụng theo phương dọc của cấu kiện giữa các vách ngăn để tăng cứng vỏ. Hình 11-6 là ảnh các cấu kiện hầm vỏ kép được thi công cho hầm Fort McHenry ở Baltimore, Maryland.

(bê tông ballast và ống tremie là gì?)

“Bê tông ballast” là bê tông dùng chủ yếu để tạo trọng lượng cho cấu kiện hầm dìm, giúp cấu kiện:

• chống nổi,
• ổn định khi kéo nổi và hạ chìm,
• giữ đúng vị trí sau khi lắp đặt.

Trong hầm dìm vỏ kép, lớp bê tông ballast thường nằm ở hai bên và phần đáy cấu kiện. Nó không nhất thiết là phần chịu lực chính, mà thiên về tạo khối lượng và ổn định.

“Ống tremie” là ống dùng để đổ bê tông dưới nước mà không làm bê tông bị phân tầng hay bị nước rửa trôi xi măng.Nguyên lý:

• Một đầu ống đặt chìm trong khối bê tông đang đổ.Bê tông được cấp liên tục từ phía trên.Bê tông chảy ra ở đáy ống dưới nước nhưng không tiếp xúc trực tiếp mạnh với nước.

11.1.5 Kết cấu dạng sandwich

Loại kết cấu này gồm một lớp bê tông kết cấu được kẹp giữa hai vỏ thép. Cả vỏ trong và vỏ ngoài đều chịu tải và cùng làm việc liên hợp với lớp bê tông bên trong. Bê tông là bê tông không cốt thép, được thiết kế để không co ngót và có khả năng tự đầm.

Các bề mặt trong của vỏ thép được tăng cứng bằng các tấm thép và sườn chữ L, đồng thời các sườn này cũng tạo liên kết cần thiết để bảo đảm làm việc liên hợp với bê tông bên trong. Sau khi đông cứng, bê tông bên trong chịu tải trọng nén và cũng góp phần tăng cứng các vỏ thép. Các vỏ thép chịu tải trọng kéo. Hình 11-7 thể hiện sơ đồ của loại kết cấu này.

Cũng như các loại khác, các vỏ thép được chế tạo tại xưởng đóng tàu, hạ thủy và kéo đến vị trí hầm. Các vách ngăn bên trong giữa hai lớp vỏ làm tăng độ cứng cho tiết diện, đủ để chống lại các tải trọng phát sinh trong quá trình vận chuyển và trang bị hoàn thiện. Khi đến bến trang bị hoàn thiện, bê tông bên trong được đổ và mớn nước của đốt hầm tăng lên. Sau đó, đốt hầm được kéo đến vị trí của nó dọc theo tuyến hầm, rồi ballast cuối cùng và bê tông kết cấu được đặt vào để có thể hạ chìm vào đúng vị trí.

Kết cấu sandwich bằng thép tạo ra hai lớp bảo vệ chống rò rỉ. Tuy nhiên, đây là một bố trí rất phức tạp, đòi hỏi các quy trình chế tạo và đổ bê tông phải được xác định và thực hiện cẩn thận. Biến dạng của tiết diện trong quá trình hàn và các mối hàn kém chất lượng có thể gây tốn kém cho loại kết cấu này. Một ví dụ gần đây về hầm sử dụng phương pháp này là tuyến vượt Bosphorus ở Istanbul, Thổ Nhĩ Kỳ, trong đó các đoạn đầu của mỗi đốt hầm được chế tạo theo cách này. Hình 11-8 cho thấy hai đốt hầm đang nổi trong khi được trang bị hoàn thiện. Một số hầm loại này hiện có ở Nhật Bản.

11.1.6 Hầm dìm bê tông

Bê tông đổ tại chỗ là một vật liệu linh hoạt và bền vững. Nó có thể dễ dàng được tạo hình theo bất kỳ dạng hoặc cấu hình nào để đáp ứng yêu cầu của một dự án cụ thể. Do bê tông có khối lượng riêng lớn, các phần tử hầm dìm bằng bê tông khi nổi thường có mớn nước rất lớn. Thực tế, chiều cao phần nổi (freeboard) của các phần tử bê tông thường nhỏ hơn 1 ft, khiến gần như toàn bộ phần tử nằm dưới nước khi được lai dắt đến vị trí. Điều này đòi hỏi phải lập kế hoạch cẩn thận khi sử dụng phần tử bê tông. Tuyến đường từ nơi chế tạo đến tuyến hầm phải có độ sâu nước đủ để phần tử đi qua. Vì vậy, các phần tử bê tông thường được đúc trong một bể được xây dựng gần công trường. Có thể cần một kênh đào từ bể này đến tuyến hầm. Sau khi các phần tử bê tông được chế tạo xong, bể sẽ được làm ngập nước và các phần tử được cho nổi ra ngoài. Các phần tử sau đó được lai dắt ra khỏi bể và đến tuyến hầm. Hình 11-9 minh họa việc thi công một hầm dìm bê tông vượt qua kênh Fort Point tại Boston.

Trong những năm gần đây đã có nhiều phát triển đáng kể trong thiết kế và thi công hầm dìm bê tông, đặc biệt là trong việc sử dụng vật liệu và phương pháp thi công nhằm giảm số lượng mạch ngừng thi công. Tỷ lệ nước/xi măng đã được giảm đáng kể, và đã có nhiều nỗ lực nhằm giảm nhiệt thủy hóa; cả hai yếu tố này đều giúp giảm nứt xuyên trong giai đoạn bảo dưỡng bê tông. Việc giảm nứt xuyên là rất quan trọng để đảm bảo các đoạn hầm kín nước. Hình 11-10 trình bày một cơ sở chế tạo trên cạn và một bể chuyển tiếp cho công trình vượt eo biển Øresund ở Đan Mạch.

Chiều dài bê tông được đổ trong một đợt cho một segment (bay) toàn bề rộng của đốt hầm đã tăng từ khoảng 30 ft (10 m) lên khoảng 60 ft (20 m) qua các năm, mặc dù thể tích bê tông cần đổ rất lớn và có hiện tượng giãn nở rồi co ngót xảy ra trong vài ngày đầu do nhiệt thủy hóa.

Để ngăn ngừa nứt do nhiệt thủy hóa, nhiều biện pháp giảm thiểu đã được áp dụng, bao gồm làm mát bê tông bằng các ống lạnh đặt trong bê tông, thiết kế cấp phối, sử dụng xi măng tỏa nhiệt thấp như xi măng lò cao nghiền mịn (ground granulated blast furnace cement), che chắn các đốt hầm và bảo dưỡng thích hợp. Mỗi biện pháp này đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Tất cả các khía cạnh của các biện pháp này cần được hiểu rõ để có thể áp dụng chúng. Ví dụ, tỷ lệ xỉ lò cao cao sẽ làm chậm quá trình đông kết của bê tông; áp lực do chiều cao bổ sung của bê tông lỏng cần được xem xét trong thiết kế ván khuôn.

Thông thường, bản đáy được đổ trước, tiếp theo là tường và sau đó là mái. Các kỹ thuật đã phát triển cho phép tường ngoài, và thậm chí cả bản đáy, được đổ cùng với bản mái, qua đó giảm số lượng mạch ngừng thi công ở mặt ngoài. Vì các mạch ngừng thi công đặc biệt dễ bị rò rỉ, thường do kiềm chế nhiệt, nên việc giảm thiểu số lượng mạch ngừng là rất cần thiết.

Dự ứng lực đã được sử dụng trong một số trường hợp để kháng mô men uốn và giảm nứt. Một số hầm được dự ứng lực theo phương ngang, một số có dự ứng lực dọc danh nghĩa. Việc cấu tạo chi tiết cẩn thận và tay nghề thi công tốt có thể gần như loại bỏ các vết nứt có hại trong bê tông.

11.2 PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG

11.2.1 Tổng quát

Thi công hầm dìm gồm việc đào một hào mở trên đáy vùng nước cần vượt qua. Các đốt hầm được chế tạo ngoài công trường, thường tại xưởng đóng tàu hoặc trong dry dock. Các đốt được chế tạo trên bệ hạ thủy sẽ được hạ thủy tương tự như tàu bằng cách trượt xuống nước. Các đốt được chế tạo trong dry dock sẽ được làm nổi bằng cách cho nước vào dry dock.

Hai đầu của mỗi đốt được đóng kín bằng vách ngăn đầu (bulkhead) để làm cho đốt kín nước. Các vách ngăn đầu được đặt lùi vào trong một khoảng danh định so với đầu đốt, tạo thành một khoảng nhỏ ở hai đầu của các đoạn liền kề; khoảng này sẽ được đổ đầy nước và cần bơm tháo nước sau khi đã nối với đốt trước đó.

Sau khi chế tạo và hạ thủy, các đốt được kéo đến vị trí phía trên hào đào. Sau khi được định vị và gắn vào thiết bị hạ chìm như sà lan đặt hạ, phao nổi, cần cẩu, v.v., ballast được đặt trong hoặc trên đốt để có thể hạ đốt xuống vị trí cuối cùng. Đôi khi việc ballast đốt hầm được thực hiện bằng ballast nước trong các bể tạm bên trong hoặc bằng cách bổ sung bê tông.

Sau khi đặt đốt vào đúng vị trí, mối nối được thực hiện giữa đốt mới đặt và mặt đầu của đốt hoặc kết cấu đã đặt trước đó mà nó sẽ được nối vào. Khi đốt đã ở vị trí cuối cùng, tì sát vào đốt liền kề, nước trong mối nối giữa hai đốt được bơm ra. Sau khi hoàn tất các công tác móng còn lại và vật liệu lấp khóa (locking fill) đã được đặt, mối nối có thể được hoàn thiện và khu vực được làm kín nước. Khi locking fill đã ở đúng vị trí, có thể đặt đốt tiếp theo.

Sau đó, các vách ngăn đầu có thể được tháo bỏ, tạo thành một lỗ mở liên tục cho hầm. Vì lý do an toàn, các vách ngăn đầu tại mối nối với đốt hầm được đặt gần nhất sẽ được giữ lại. Sau đó, hầm được lấp phủ, và nếu cần, một lớp đá bảo vệ được đặt lên phía trên hầm.

Các biến thể trong phương pháp thi công chủ yếu liên quan đến vật liệu và vị trí cơ sở chế tạo nơi các đoạn hầm được chế tạo.

11.2.2 Đào hào

Phương pháp đào phổ biến nhất cho hầm dìm là sử dụng gầu ngoạm clamshell dredger (Hình 11-11). Nên sử dụng gầu kín để giữ vật liệu bị ô nhiễm và/hoặc để giảm độ đục trong các khu vực nhạy cảm về môi trường. Cutter suction dredger cũng đã được sử dụng và có thể loại bỏ hầu hết vật liệu ngoài đá cứng. Có thể cần nổ mìn ở một số khu vực, mặc dù biện pháp này rất bất lợi về mặt môi trường.

Hào hầm cần được nạo vét theo mặt cắt dọc và bề rộng đáy, có xét đến khả năng sạt lở mái dốc và độ chính xác của công tác nạo vét, để có thể duy trì bề rộng đáy và mặt cắt đáy cần thiết trong quá trình hạ đặt các phần tử và đặt vật liệu móng. Các khu vực bị nạo vét quá mức cần được lấp lại bằng vật liệu phù hợp với yêu cầu thiết kế đối với vật liệu móng. Công tác nạo vét nên được thực hiện ít nhất theo hai giai đoạn: loại bỏ khối lượng lớn vật liệu và chỉnh sửa hoàn thiện. Giai đoạn chỉnh sửa hoàn thiện nên loại bỏ ít nhất 3 feet (1.0 m) phía trên cao độ đáy nạo vét cuối cùng. Toàn bộ bùn hoặc vật liệu khác có thể tích tụ ở đáy hào cần được dọn sạch ngay trước khi đặt phần tử. Phương pháp và thiết bị nạo vét cần được thiết kế để hạn chế sự phân tán vật liệu mịn trong nước. Nên sử dụng màn chắn độ đục, màn chắn bùn hoặc các biện pháp khác khi thích hợp. Phương pháp, vật liệu và biện pháp giảm thiểu cần được sử dụng để giảm đến mức chấp nhận được các tác động của quá trình đào, đắp và các hoạt động khác đến môi trường biển.

Đào hào trong bất kỳ vùng nước nào đều là một vấn đề nhạy cảm về môi trường. Sau khi các điều kiện môi trường đã được xác lập thông qua quá trình quy hoạch và cấp phép, cần hết sức cẩn thận để đáp ứng các điều kiện này. Đào hào dưới nước là một quá trình khó khăn và phức tạp, có thể bị phức tạp thêm bởi vật liệu ô nhiễm, thủy triều, bão và các hạn chế thi công trong vùng nước do các quan ngại môi trường liên quan đến đường di cư và tập tính sinh sản của cá, cũng như hệ sinh thái và sinh vật biển. Việc lập tiến độ thi công, các kỹ thuật và thiết bị thi công thân thiện với môi trường, cùng các phương pháp sáng tạo để xử lý chất ô nhiễm phải được xem xét trong thiết kế công tác đào và đắp trả.

Vị trí, cao độ và kích thước của tất cả các tuyến công trình ngầm dưới nước và các kết cấu biển phải được xác định trong khu vực nạo vét, và phải có biện pháp bảo vệ phù hợp nếu cần. Công tác đào phải được đánh giá về ổn định bằng các phương pháp phân tích trạng thái giới hạn phù hợp. Mái dốc tạm ngoài khơi phải được thiết kế với hệ số an toàn tối thiểu là 1.3. Mái dốc biên của hào không được dốc hơn 2 ngang : 1 đứng trong đất, cũng không được dốc hơn 1 ngang : 4 đứng trong đá, với điều kiện đáp ứng hệ số an toàn tối thiểu. Thiết kế cần bảo đảm đáy hào và hào đào ổn định. Thiết kế cần xét đến ổn định đáy đào chống lại hiện tượng trồi đáy trong mọi loại đất dính. Có thể cần các biện pháp xử lý như cải tạo đất để bảo đảm ổn định đáy đào chống trồi đáy.

Các yêu cầu đặc biệt đối với việc xử lý thải bỏ vật liệu nạo vét thường được quy định. Vật liệu ô nhiễm phải được thải bỏ trong các cơ sở xử lý đặc biệt, trong khi vật liệu không ô nhiễm, nếu phù hợp, có thể được tái sử dụng để đắp trả. Vật liệu tái sử dụng phải được lưu giữ tại khu vực nơi nước dư có thể thoát đi. Đối với hầu hết các dự án hầm dìm, nơi cần các cơ sở xử lý đặc biệt, chất lượng và khối lượng vật liệu ướt lớn đến mức các cơ sở hiện có quá nhỏ hoặc không phù hợp. Sự gia tăng mạnh về chi phí nạo vét và thải bỏ trong hai thập kỷ qua, chủ yếu do các hạn chế môi trường ngày càng nghiêm ngặt, đặt ra những thách thức lớn đối với việc thải bỏ vật liệu không mong muốn. Các giải pháp độc đáo đã được phát triển cho nhiều dự án khác nhau, bao gồm sử dụng vật liệu nạo vét để xây dựng đảo nhân tạo, như đối với hầm Second Hampton Road ở Virginia, hoặc để cải tạo một cơ sở xử lý có nắp che (CDF) thành một cảng container hiện đại, như trường hợp hầm Fort McHenry ở Baltimore.

11.2.3 Chuẩn bị nền móng

Sau khi hoàn thành đào hào, việc lắp đặt nền móng cần được bắt đầu. Hai loại nền móng được sử dụng trong thi công hầm dìm gồm: lớp đệm liên tục (continuous bedding – nền san phẳng hoặc nền cát bơm) và các gối đỡ riêng lẻ (individual supports).

Lớp đệm liên tục (Continuous Bedding)

Lớp đệm liên tục phải gồm vật liệu sạch, tốt, cứng và bền, với cấp phối phù hợp điều kiện thi công. Bao gồm áp lực chịu tải cho phép, phương pháp thi công lớp đệm và vật liệu nền bên dưới lớp đệm. Chiều dày nền không được nhỏ hơn 20 inch (500 mm) và tốt nhất không nhỏ hơn 4.5 ft (1.4 m). Khoảng hở giữa đáy phần tử hầm và đáy hào cần được lấp đầy bằng vật liệu nền phù hợp. Nền móng có thể được chuẩn bị trước khi hạ phần tử (san phẳng trước), hoặc hoàn thiện sau khi đặt phần tử lên các gối tạm trong hào (cát bơm); cũng có thể tạo nền sau khi đặt phần tử bằng các phương pháp phun rửa, dòng chảy và bơm grout.

Đối với nền được san phẳng, lớp đệm được tạo phẳng theo tuyến và cao độ yêu cầu để đặt phần tử; hoặc có thể sử dụng lớp đá dăm đặt bằng ống tremie điều khiển bằng máy tính (“grading”). Cần thực hiện phân tích lún cho hầm dìm, xét đến sự nén của lớp đệm dưới các phần tử hầm. Ngoài ra, cần đánh giá độ lún chênh theo phương dọc và phương ngang trong từng phần tử, giữa các phần tử liền kề và tại các đoạn chuyển tiếp ở hai đầu hầm. Cần có biện pháp để tránh chuyển tiếp đột ngột từ nền đất sang nền đá. Có thể đạt được bằng cách thay đổi chiều dày lớp đệm. Ngoài ra, kết cấu hầm có thể được thiết kế để chịu ảnh hưởng của lún không đều tiềm năng của nền.

Gối đỡ riêng lẻ (Individual Supports)

Gối đỡ riêng lẻ thường là móng cọc. Móng cọc phải được thiết kế theo các quy trình và phương pháp phân tích được công nhận rộng rãi. Cọc phải được thiết kế chịu toàn bộ tải trọng nén, lực nhổ và tải trọng ngang, cũng như lực ma sát âm có thể phát sinh từ các lớp đất nén lún. Sức chịu tải, độ lún và chuyển vị ngang cần được đánh giá cho từng cọc hoặc nhóm cọc khi thích hợp. Sức chịu tải của cọc phải được kiểm chứng bằng thí nghiệm tải tĩnh và/hoặc động theo các tiêu chuẩn được công nhận. Cọc và các phần tử hầm thường được cấu tạo để có thể điều chỉnh, nhằm tinh chỉnh vị trí theo phương ngang và phương đứng của hầm. Khi các phần tử hầm đã ở vị trí cuối cùng, các điều chỉnh sẽ được khóa lại và tạo liên kết vĩnh viễn giữa phần tử hầm và cọc. Khoảng trống giữa đáy phần tử hầm và đáy hào phải được lấp bằng vật liệu rời. Quá trình này phải được kiểm soát cẩn thận để không làm xáo trộn đáy hào và bảo đảm lấp đầy hoàn toàn khoảng rỗng. Do trong đa số trường hợp, trọng lượng phần tử hầm nhỏ hơn trọng lượng đất bị thay thế, nên móng cọc hiếm khi được sử dụng.

11.2.4 Chế tạo đốt hầm

Đối với hầm thép, việc chế tạo thường được thực hiện theo các module, mỗi module dài khoảng 15 ft (5 m), kéo dài giữa các vách ngăn. Sau đó, các module được nối và hàn lại với nhau để tạo thành vỏ hoàn chỉnh của đốt hầm.

Không được phép sử dụng hàn electro-slag và electro-gas, và tất cả các mối hàn rãnh và mối hàn giáp mép phải là mối hàn ngấu hoàn toàn. Cần có biện pháp để loại bỏ cong vênh và phồng cục bộ của các tấm thép do quá nhiệt cục bộ trong quá trình hàn. Các mối hàn phải được kiểm tra bằng phương pháp không phá hủy; khuyến nghị bổ sung kiểm tra siêu âm bằng kiểm tra điểm bằng tia X.

Trong một số trường hợp, có thể cần khử ứng suất. Việc đặt bê tông keel cần được thực hiện sao cho tránh mọi ứng suất quá mức hoặc độ võng quá lớn trong bản đáy và các sườn tăng cứng của nó. Tất cả các phép đo chiều dài và góc phục vụ dung sai cần được thực hiện khi kết cấu được che khỏi ánh nắng trực tiếp, nhằm loại bỏ sai số do cong vênh bởi chênh lệch nhiệt độ.

Hình 11-12 cho thấy quá trình chế tạo hoàn thiện một đốt hầm cho hầm Hong Kong Cross Harbor Tunnel, gần như sẵn sàng để hạ thủy bằng phương pháp trượt ngang.

(bê tông keel là gì?)

“Keel concrete” là lớp bê tông ballast hoặc bê tông đáy được đổ vào phần đáy của đốt hầm thép để:
* tăng trọng lượng giúp đốt hầm ổn định khi nổi và khi hạ chìm,
* hạ thấp trọng tâm,
* tăng độ cứng cho bản đáy,
* và đôi khi làm lớp nền cho kết cấu bên trong.

Từ “keel” xuất phát từ sống tàu (keel) của tàu thủy, vì phần bê tông này thường nằm dọc đáy đốt hầm giống như sống tàu. Khi đổ lớp bê tông nặng này vào đáy đốt thép, phải kiểm soát trình tự và tải trọng để tránh:
* hoặc biến dạng các sườn tăng cứng.
* bản đáy thép bị võng,
* ứng suất cục bộ quá lớn,

Các đốt hầm bê tông thường được thi công thành nhiều segment toàn bề rộng để giảm ảnh hưởng của co ngót. Các mối nối segment có thể là mối nối thi công có cốt thép chạy xuyên qua, hoặc có thể là mối nối chuyển vị. Tất cả các mối nối phải kín nước.

Cần kiểm soát chặt chẽ quá trình đổ và bảo dưỡng bê tông để giảm thiểu nứt. Chênh lệch nhiệt thủy hóa có thể được kiểm soát bằng cách dùng tỷ lệ xỉ lò cao cao để thay thế xi măng Portland, hoặc bằng hệ thống làm mát bên trong.

Khi các segment bê tông được đúc với mối nối chuyển vị, chúng được ghép lại với nhau bằng dự ứng lực tạm thời hoặc vĩnh viễn để tạo thành các đốt hoàn chỉnh, ít nhất trong giai đoạn vận chuyển và lắp đặt. Cần chú ý để bảo đảm rằng các chuyển vị dài hạn của các segment ngắn được phép chuyển vị là chấp nhận được.

Các đốt hầm thường được chế tạo với chiều dài khoảng 300 đến 400 ft mỗi đốt. Chiều dài thực tế phụ thuộc vào năng lực của cơ sở chế tạo, các hạn chế dọc theo tuyến đường thủy dùng để kéo nổi các đốt đến công trường, các hạn chế tại hầm, bao gồm việc đáp ứng giao thông thủy trong quá trình thi công, dòng chảy, hình dạng đốt hầm và không gian sẵn có cho bến trang bị hoàn thiện, cũng như năng lực của thiết bị dùng để hạ các đốt vào vị trí.

Tất cả các hatch thi công, lỗ mở, v.v. cần được bịt kín bằng hàn hoặc biện pháp chắc chắn khác sau khi hoàn thành việc đổ bê tông hoặc các công việc khác mà chúng phục vụ. Trước khi hạ thủy hoặc làm nổi các đốt, các vách ngăn đầu, hố ga và cửa, v.v. cần được kiểm tra để bảo đảm chắc chắn và kín nước. Khi không còn cần thiết, mọi hố ga tiếp cận tạm thời xuyên qua kết cấu vĩnh cửu phải được đóng lại và tạo lớp bịt kín vĩnh viễn.

Khi các đốt hầm được lắp đặt, chiều dài hầm thực tế đã lắp và vị trí hầm cần được theo dõi, để có thể điều chỉnh chiều dài tổng thể của các đốt hầm tiếp theo và hướng của các mặt đầu khi cần, nhằm bảo đảm khớp với vị trí khảo sát thực tế của các đốt hầm đã lắp đặt. Điều này đặc biệt quan trọng trước khi chế tạo và đặt đốt closure cuối cùng.

11.2.5 Vận chuyển và thao tác các đốt hầm

Độ ổn định của các đốt hầm phải được bảo đảm ở mọi giai đoạn thi công, đặc biệt là khi đang nổi. Khi kiểm tra ổn định của các đốt hầm trong trạng thái nổi, cần chú ý thích đáng đến ảnh hưởng của sai khác kích thước kết cấu, bao gồm các kết quả do tác động nhiệt và thủy tĩnh. Các nội dung cần xem xét gồm:

• Mạn khô đủ cho các hoạt động hàng hải, để các đốt hầm tương đối không bị ảnh hưởng ngay cả khi sóng tràn qua phía trên. Khuyến nghị có biên độ lực nổi dương vượt quá 1% để phòng ngừa chìm do sai khác kích thước và khối lượng riêng của cả vật liệu hầm lẫn nước xung quanh.

• Ổn định ngang của đốt hầm, sử dụng phân tích đường cong ổn định ngang, phải có hệ số an toàn lớn hơn 1.4 giữa diện tích dưới đường cong mô men phục hồi và đường cong mô men gây nghiêng. Ngoài ra, cũng khuyến nghị có chiều cao metacentric dương vượt quá 8 in. (200 mm) ở trạng thái tĩnh.

Khi có cảnh báo bão, hoặc chiều cao sóng dự báo được cho là vượt quá giới hạn vận hành, mọi hoạt động hàng hải phải tạm thời dừng lại; thiết bị hàng hải và các đốt hầm đang nổi phải được đưa đến vị trí neo tránh bão hoặc nơi trú ẩn được chỉ định. Khuyến nghị xác định sẵn một bến neo khẩn cấp cho các đốt hầm, tốt nhất là nằm trong hoặc gần vị trí đặt hầm. Có thể cần các biện pháp đặc biệt để kiểm soát các đốt hầm trong khu vực có dòng chảy hoặc luồng hàng hải. Hình 11-13 cho thấy việc vận chuyển một đốt hầm đến vị trí cuối cùng.

11.2.6 Hạ chìm và đặt đốt hầm

Sau khi được trang bị hoàn thiện tại điểm đến cuối cùng, các đốt hầm dìm được chuẩn bị để dìm và hạ xuống móng đã chuẩn bị sẵn trong hào ở đáy sông/biển. Thiết bị sử dụng thường có thể được bố trí trên một catamaran (tàu song thân) chế tạo chuyên dụng, đặt vắt qua đốt hầm (Hình 11-14). Các phương pháp khác bao gồm đặt phao nổi lên trên các đốt hầm (Hình 11-13), hoặc đôi khi sử dụng cần cẩu.

Ở Boston, đối với hầm Fort Point Channel, các ống tạo lực nổi thẳng đứng được gắn vào phía trên các đốt hầm, và quá trình dìm được thực hiện bằng cách bổ sung dần ballast nước.

Để hạ một đốt hầm xuống vị trí cuối cùng, thông thường sẽ dùng hệ thống ballast tạm thời, hoặc trọng lượng của bản thân đốt hầm phải đủ để đốt có lực nổi âm thích hợp. Phương pháp dìm phải:

• Duy trì ổn định, bao gồm kiểm soát đốt hầm trong khi hạ xuống vị trí cuối cùng.
• Cho phép tăng lực nổi âm khi cần, để đạt hệ số an toàn tối thiểu chống nổi và lật là 1.025 ngay sau khi hạ.
• Cho phép tăng lực nổi âm để đạt hệ số an toàn tối thiểu chống nổi và lật là 1.04 trong vòng vài giờ sau khi hạ và đặt đốt, không xét đến sự hỗ trợ từ các đốt liền kề.
• Duy trì tải trọng thẳng đứng hướng xuống không nhỏ hơn 112.5 kips (500 kN) trên mỗi gối đỡ tạm dưới đáy biển, nếu có sử dụng, cho đến khi đốt được đặt lên móng cuối cùng.

Việc tính toán hệ số an toàn có thể bao gồm các hạng mục như ballast bên ngoài, ví dụ các khối bê tông, hoặc các bể ballast nước bên trong.

Thiết bị hạ phải được thiết kế để quá trình hạ có thể được kiểm soát hiệu quả từ một điểm điều khiển trung tâm, và tại điểm điều khiển trung tâm đó phải có thông tin chính xác về vị trí của đốt hầm cũng như tải trọng trong các dây hạ và dây giữ.

Các đốt hầm được hạ xuống và tì sát vào các đốt đã đặt trước đó. Sau đó, mối nối giữa chúng được bơm tháo nước. Một mối nối điển hình giữa các đốt bao gồm các vách ngăn kín nước dạng tấm chặn nước (dam plates); các cửa tiếp cận kín nước qua vách ngăn đầu; gioăng và vật liệu làm kín mối nối; thiết bị bơm tháo nước, bao gồm bơm và đường ống; các thiết bị định vị để dẫn hướng đốt theo phương ngang và phương đứng vào đúng vị trí tương đối so với đốt trước; bố trí các shear key theo phương ngang và phương đứng; và các thiết bị điều chỉnh theo phương đứng và phương ngang như nêm, kích và shim.

Các đốt hầm cần được lắp đặt ở cao độ có xét đến phần dự phòng lún, sao cho sau khi hoàn thành công tác móng và toàn bộ việc lấp phủ, chúng dự kiến nằm trong dung sai 2 in. (50 mm) theo phương ngang và phương đứng so với vị trí lý thuyết, hoặc một trị số nhỏ hơn nếu phương pháp thiết kế dựa trên trị số đó. Phần dự phòng lún dùng để xác định cao độ lắp đặt phải được xác định trước khi lắp đặt.

Tuy nhiên, vị trí tương đối theo phương ngang và phương đứng qua bất kỳ mối nối nào không được lớn hơn 1 in. (25 mm). Vị trí tương đối theo phương đứng qua các mối nối đầu cuối với các kết cấu khác không được vượt quá 2 in. (50 mm).

Khi sử dụng các pad móng để đỡ tạm các đốt hầm, cần xác định mọi yêu cầu về gia tải trước và toàn bộ ứng xử tiếp theo của các pad. Cần đánh giá ảnh hưởng của các điểm cứng tiềm tàng bên dưới đốt hầm do các pad móng tạo ra. Độ lún của các pad móng cần được đo từ thời điểm lắp đặt, trong suốt mọi giai đoạn gia tải trước, cho đến khi đốt hầm không còn cần được các pad đỡ nữa.

Cần bố trí các mốc khảo sát cố định bên trong và trên đỉnh mỗi đốt, để tại mọi thời điểm có thể biết được vị trí của đốt so với vị trí tại thời điểm đúc. Cần có các tháp khảo sát hoặc các mốc/hệ thống khác để xác định chính xác vị trí của đốt trong quá trình hạ chìm và đặt vào vị trí.

11.2.7 Đặt đốt hầm

Đặt đốt hầm là công tác tinh tế nhất trong tất cả các hoạt động liên quan đến đốt hầm dìm. Thời lượng cần thiết của các cửa sổ thời tiết phải được xác định, cũng như các điểm dừng kiểm soát “go / no-go”.

Một số hầm gần đây, nơi dòng chảy chủ đạo có thể ảnh hưởng đến công tác đặt đốt, đã sử dụng hệ thống mô hình dự báo thời tiết để dự báo cửa sổ thời tiết cần thiết; việc này có thể yêu cầu theo dõi đồng thời các điều kiện thủy văn và khí tượng để xây dựng mô hình dự báo. Mô hình này cần giúp hiểu được mối quan hệ giữa lưu lượng quan trắc được với các điều kiện khí tượng và thủy văn.

Quyết định “go / no-go” cuối cùng phải dựa trên điều kiện sóng, dòng chảy và các điều kiện vật lý khác thấp hơn các giới hạn trên đã thiết kế, với xác suất thống kê lớn hơn 90%. Trong mọi trường hợp, dòng chảy thực tế tại vị trí đốt hầm phải được kiểm tra ngay trước khi hạ và được quan trắc liên tục trong quá trình hạ và đặt đốt.

Đốt hầm phải có đủ lực nổi âm để duy trì ổn định và kiểm soát đốt hầm trong quá trình dìm, sao cho đốt có thể được hạ an toàn đến vị trí cuối cùng. Thiết kế phải cho phép tăng lực nổi âm, nếu cần, để đạt các hệ số an toàn tối thiểu nêu trong Điều 11.2.6. Hình 11-15 cho thấy việc đặt một đốt hầm bằng sà lan đặt hạ kiểu catamaran.

Các van để bơm tháo nước tại các mối nối hầm dìm phải được vận hành từ bên trong đốt hầm đã đặt trước đó. Không được mở bất kỳ cửa kín nước hoặc hatch kín nước nào cho đến khi xác nhận rằng phía bên kia không có nước.

Phải duy trì khả năng tiếp cận vào bên trong đốt hầm đầu tiên đã đặt, từ thời điểm đốt được đặt cho đến khi hoàn thành lối tiếp cận vĩnh viễn thông qua một trong các mối nối đầu cuối. Khi có áp lực thủy tĩnh tác dụng lên một bulkhead tạm, hai bulkhead tiếp theo phải được giữ nguyên vị trí: một bulkhead ở đầu xa của cùng đốt hầm, và một bulkhead liền kề ngay trong đốt hầm kế tiếp.

Các cửa kín nước trong các bulkhead này phải luôn đóng khi đốt hầm cuối cùng không có người bên trong. Không được mở cửa kín nước cho đến khi đã xác nhận không có nước ở phía xa.

Độ ổn định của các đốt hầm dìm đã lắp đặt trong quá trình tháo ballast tạm và bơm tháo nước mối nối phải được kiểm soát để bảo đảm duy trì các hệ số an toàn cần thiết cho toàn bộ đốt hầm, không chỉ ở hai đầu và hai bên, đồng thời để áp lực truyền xuống móng vẫn xấp xỉ đồng đều.

Sau khi hạ và nối ban đầu mỗi đốt hầm dìm, vị trí của nó phải được khảo sát chính xác trước khi đặt đốt tiếp theo. Cần thực hiện quan trắc lún các đốt hầm bằng các mốc khảo sát lắp bên trong đốt. Cao độ cần được ghi nhận hằng tuần cho đến khi hoàn thành việc lấp phủ đốt tiếp theo, để bảo đảm không cần biện pháp xử lý, và sau đó ghi nhận hằng tháng cho đến khi độ lún trở nên không đáng kể.

11.2.8 Lấp phủ

Thiết kế cần xét đến mức độ phù hợp của vật liệu đào để sử dụng làm vật liệu lấp. Thiết kế phải bảo đảm vật liệu lấp đặt cạnh hầm dìm được bố trí đồng đều ở hai bên kết cấu, nhằm tránh tải trọng ngang mất cân bằng tác dụng lên kết cấu.

Chênh lệch cao độ vật liệu lấp tối đa bên ngoài các kết cấu này, phía trên lớp lấp khóa (locking fill), phải là 3 ft (1 m) cho đến khi phía thấp hơn được lấp đến cao độ cuối cùng. Các đốt hầm có chênh lệch cao độ vật liệu lấp lớn hơn 3 ft (1 m) phải được thiết kế để chịu các tải trọng ngang phát sinh.

Tất cả vật liệu lấp chịu tác động của sóng và dòng chảy phải được thiết kế để ngăn xói cục bộ và xói mòn. Toàn bộ vật liệu lấp dưới nước và vật liệu đá bảo vệ phải được đặt sao cho tránh làm hư hại màng chống thấm, nếu có, hoặc kết cấu do va đập hoặc mài mòn. Vật liệu phải được đặt thành các lớp đều ở hai bên hầm để tránh áp lực ngang không đều lên kết cấu, và nên được đặt bằng gầu hoặc ống tremie.

Trước và trong khi đặt vật liệu lấp, hào đào cần được kiểm tra bùn lắng. Bùn lắng gây bất lợi cho hiệu quả làm việc của vật liệu đang được đặt phải được loại bỏ.

Cần bố trí vật liệu lấp xung quanh hầm. Ở các khu vực động đất có nguy cơ hóa lỏng, móng và vật liệu lấp cần được thiết kế có khả năng thoát nước tự do, nhằm ngăn phát sinh áp lực nước lỗ rỗng dư trong và sau sự kiện động đất. Nếu cần, phải bố trí lớp bảo vệ bằng đá để ngăn mất vật liệu lấp lâu dài ở hai bên và trên đỉnh hầm.

Vật liệu lấp thường bao gồm các loại sau:

• Vật liệu lấp khóa chọn lọc (selected locking fill) để cố định ngang các đốt hầm;
• Vật liệu lấp chung (general backfill) ở hai bên và trên đỉnh kết cấu hầm, đồng thời tạo lớp hấp thụ va đập / phân tán tải trọng phía trên hầm;
• Lớp phủ đá bảo vệ (rock protection blanket), thường bố trí phía trên và liền kề hầm để chống xói;
• Đôi khi bố trí các dải đá lấp nhả neo (rock-fill anchor-release bands) ở hai bên hầm.

11.2.9 Lấp khóa

Vật liệu lấp khóa chọn lọc được đặt trong hào đến cao độ tối thiểu bằng một nửa chiều cao của mỗi đốt hầm, sau khi mối nối với hầm liền kề đã được bơm tháo nước.

Vật liệu lấp khóa phải kéo dài ngang tối thiểu 6 ft (2 m) tính từ đốt hầm trước khi được phép dốc xuống với độ dốc không lớn hơn 1:2. Vật liệu lấp khóa được đặt thành các lớp có chiều dày đồng đều không vượt quá 2 ft (600 mm), sao cho lực ngang và lực đứng tác dụng lên đốt hầm được giảm thiểu và không xảy ra chuyển vị của đốt.

Việc đặt vật liệu lấp khóa bắt đầu từ đầu phía trong, tức đầu đã nối, của các đốt hầm và tiến dần về đầu phía ngoài của các đốt hầm, theo cách tạo ra khối vật liệu lấp có độ chặt đồng đều, ép sát vào chu vi hầm.

Vật liệu lấp khóa phải là vật liệu hạt rời, sạch, tốt, cứng và bền, có khả năng tự đầm chặt tự nhiên và duy trì ổn định trong cả điều kiện không động đất và điều kiện động đất nếu yêu cầu. Vật liệu này có thể bao gồm đá nghiền tốt hoặc sỏi. Cát hạt góc cạnh, cấp phối tốt có thể được sử dụng. Nếu dùng cát lấp, cát phải có khả năng thoát nước tự do.

11.2.10 Vật liệu lấp chung

Vật liệu lấp chung nên được dùng để lấp phần còn lại của hào phía trên lớp lấp khóa chọn lọc đến mặt dưới của lớp bảo vệ, hoặc đến cao độ đáy biển hiện hữu nếu không dùng lớp bảo vệ. Vật liệu lấp chung cần được đặt bằng phương pháp tránh phân tầng hạt hoặc làm dịch chuyển vật liệu lấp.

Các tính chất của vật liệu lấp chung phải phù hợp với thiết kế đề xuất và phương pháp đặt vật liệu. Vật liệu lấp chung có thể gồm vật liệu rời mềm, không dính, nhưng vẫn ổn định. Vật liệu lấp chung phải không chứa các cục đất sét và phải trơ về mặt hóa học. Thường thì vật liệu nạo vét từ hào có thể phù hợp để dùng làm vật liệu lấp chung.

11.2.11 Lớp bảo vệ

Cao độ đỉnh của lớp bảo vệ nên xấp xỉ cao độ đáy biển hiện hữu, trừ khi có chỉ dẫn khác. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, đỉnh hầm có thể nhô cao hơn đáy biển ban đầu trong một embankment dưới nước nếu được phép. Trong trường hợp này, lớp bảo vệ phải được bố trí phía trên vật liệu lấp embankment.

Vật liệu lớp phủ đá bảo vệ phải là vật liệu cứng, trơ, thường là đá tốt, đặc chắc, mới khai thác, có dạng khối góc cạnh sạch và cấp phối tốt trong khoảng 1 in. đến 10 in. (25 mm đến 250 mm). Vật liệu phải bền ít nhất trong suốt tuổi thọ thiết kế của hầm. Phương pháp đặt vật liệu này phải bảo đảm các viên đá kích thước lớn không xuyên vào lớp vật liệu lấp chung và không gây hư hại cho lớp chống thấm của hầm, nếu có. Không được đặt lớp bảo vệ bằng phương pháp đổ đá trực tiếp từ đáy sà lan.

11.2.12 Bảo vệ chống nhả neo

Trong vùng nước có tàu thuyền qua lại, cần bố trí bảo vệ chống nhả neo nếu được yêu cầu và nếu lớp phủ hầm nhô cao hơn đáy. Lớp đá bảo vệ cho các dải chống nhả neo phải là đá tốt, đặc chắc, mới khai thác, dạng khối góc cạnh sạch và cấp phối tốt.

Mục đích của bảo vệ chống nhả neo là đưa neo lên mặt đáy và làm nghẽn khe neo, tức khoảng trống giữa móc neo và cán neo. Kích thước neo cần xét theo các tàu hoạt động trong vùng nước đó. Vật liệu cần bền ít nhất trong suốt tuổi thọ thiết kế của hầm.

11.3 TẢI TRỌNG

11.3.1 Tổng quát

Để đánh giá tải trọng, khối lượng riêng của vật liệu phải dựa trên các phép đo thực tế trên mẫu từ cùng nguồn sẽ dùng cho thi công. Khi thiết kế từng mặt cắt, phải sử dụng trường hợp tải trọng bất lợi nhất. Thiết kế phải xét đến việc khối lượng riêng của nước có thể thay đổi theo chiều sâu, điều kiện thời tiết chủ đạo và mùa. Ảnh hưởng của vật chất lơ lửng cần được xét đến khi xác định khối lượng riêng của nước. Tải trọng thủy tĩnh lớn nhất phải được sử dụng cho tính toán kết cấu. Để bảo đảm phần tử nổi trong quá trình hạ thủy hoặc cho nổi, phải sử dụng khối lượng riêng nước nhỏ nhất có liên quan; và để ngăn nổi sau khi đặt phần tử, phải sử dụng khối lượng riêng nước lớn nhất. Nước có độ mặn cao nhất được sử dụng để xác định khối lượng riêng cũng phải bao gồm các kịch bản triều và dòng chảy đặc biệt dự kiến. Điều này phải bao gồm xem xét vận tốc dòng chảy, chiều sâu, hướng dòng chảy, mọi bề mặt phân cách giữa các dòng chảy ngược chiều và nhiễu loạn phát sinh từ đó.

11.3.2 Tải trọng

Các 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 AASHTO LRFD. Tải trọng được chia thành hai nhóm: tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời.

Khoản 3.3.2 “Tải trọng và ký hiệu tải trọng” của AASHTO LRFD quy định các loại tải trọng thường xuyên áp dụng cho thiết kế hầm dìm như sau:

Khoản 3.3.2 “Tải trọng và ký hiệu tải trọng” của tiêu chuẩn AASHTO LRFD quy định các loại tải trọng tạm thời áp dụng cho thiết kế hầm dìm như sau:

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

Mục 3 của tiêu chuẩn AASHTO LRFD cung cấp hướng dẫn về các phương pháp dùng để tính toán các tải trọng này. Các tải trọng đặc thù của hầm dìm như neo và va chạm tàu được tính như sau.

11.3.3 Neo tàu

Cần xem xét ảnh hưởng của neo va chạm trực tiếp vào kết cấu hầm dưới nước hoặc bị kéo lê ngang qua tuyến hầm. Kết cấu hầm phải được thiết kế để chịu toàn bộ tải trọng do hệ neo thiết kế gây ra, hoặc hệ đắp trả / bảo vệ phải được thiết kế để giảm tải trọng này, khi đó kết cấu hầm được thiết kế cho tải trọng đã giảm.

Không được xảy ra rách màng chống thấm. Neo thiết kế cần được lựa chọn phù hợp với tàu thuyền đang sử dụng hoặc dự kiến sử dụng vùng nước, dựa trên điều khoản liên quan của Lloyd’s Rules.

Cần ước tính chiều sâu xuyên của neo rơi qua vật liệu bảo vệ mái hầm. Các công thức nêu trong CEB Bulletin d’Information No. 187, August 1988, được trình bày lại dưới đây, cung cấp một phương pháp thiết kế tốt để tính chiều sâu xuyên của neo trong vật liệu hạt:

Độ xuyên sâu của neo rơi xuyên qua vật liệu hạt:

\(\qquad \qquad x = 10N_{pen}d_e\)

\(\qquad \qquad N_{pen}=\sqrt{\dfrac{m_w}{E_r d_e^3}}\cdot v_i\)

\(\qquad \qquad d_e=\sqrt{\dfrac{4A}{\pi}}\)

\(\qquad \qquad A=0.6+0.2\dfrac{m_a}{1000}\)

trong đó

\(\qquad \qquad x = \) độ xuyên sâu (m)

\(\qquad \qquad N_{pen} = \) tham số xuyên sâu

\(\qquad \qquad d_e = \) đường kính tương đương của diện tích va chạm của neo (m)

\(\qquad \qquad m_w = \) khối lượng neo sau khi trừ khối lượng nước bị chiếm chỗ (kg)

\(\qquad \qquad m_a = \) khối lượng neo trong không khí (kg)

\(\qquad \qquad E_r = \) mô đun đàn hồi theo phương dọc của lớp vật liệu (N/m²)

\(\qquad \qquad v_i = \) vận tốc va chạm của neo (m/s)

\(\qquad \qquad A = \) diện tích mặt cắt ngang va chạm của neo (m²)

Độ xuyên sâu lớn nhất tính toán không được vượt quá 90% tổng chiều dày của lớp bảo vệ phủ trên hầm, sử dụng giá trị fractile 5% của \(E_r\). Tỷ số hệ số tải trọng động (DLF) giữa tải trọng tương đương tĩnh tác dụng lên hầm mái và tải trọng động hình tam giác trên hầm \(F=m_w v_i/T_d\) có thể lấy từ Hình 11-16 bên dưới, sử dụng thời gian va chạm nhỏ nhất \(T_d=x/v_i\) (trong đó \(x\) được tính với giá trị fractile 95% của \(E_r\)) và chu kỳ riêng \(T_0\) của phần tử bị ảnh hưởng.

11.3.4 Tàu chìm

Trường hợp thiết kế chính do tàu chìm cần được giả định gồm một tàu có kích thước xấp xỉ các tàu dự kiến sử dụng tuyến đường thủy. Tải trọng tác dụng của tàu lên hầm cần được xem là một tải trọng phân bố đều thích hợp trên một diện tích không vượt quá toàn bộ bề rộng hầm nhân với chiều dài đo dọc theo trục dọc của hầm là 100 ft (30 m). Không cần xét tải trọng va chạm.

Nếu phù hợp, cần giả định thêm một trường hợp thiết kế phụ do tàu chìm gồm một tàu nhỏ hơn, chẳng hạn phà hoặc sà lan, bị chìm và va vào kết cấu hầm bằng mũi tàu hoặc sống mũi theo cách tương tự như neo bị rơi. Có thể xét tải trọng tập trung tương đương tĩnh bằng 225 kips (1,000 kN) tác dụng trên diện tích 3.3 × 6.6 ft² (1 × 2 m²) trực tiếp trên mái hầm.

Cường độ tải trọng phân bố đều do tàu chìm cần được xác định bằng các phương pháp như đã nêu trong Chương 6 của State-of-the-Art Report, Ấn bản lần 2, Hiệp hội Đường hầm và Không gian ngầm Quốc tế, Nhóm công tác về hầm nổi và hầm chìm, 1997. Khi không có dữ liệu ngược lại, có thể giả định rằng tàu sẽ gây ra áp lực 1 ksf (50 kN/m²).

11.3.5 Tổ hợp tải trọng

Các tải trọng mô tả ở trên cần được nhân hệ số và tổ hợp theo quy định LRFD và áp dụng cho kết cấu. Mục 12.5.1 đưa ra các trạng thái giới hạn và tổ hợp tải trọng áp dụng cho kết cấu chôn lấp, như Service Limit State Load Combination I và Strength Limit State Load Combinations I và II. Các tổ hợp tải trọng này được nêu trong Bảng 3.4.1-1. Trong một số trường hợp, không có hoạt tải có thể tạo ra trường hợp chi phối. Ví dụ, hoạt tải có thể làm giảm tác động của lực nổi, do đó ngoài các trường hợp tải trọng có xét hoạt tải trong Mục 12 của AASHTO LRFD, cần sử dụng các trường hợp tải trọng cường độ và sử dụng không bao gồm hoạt tải, cụ thể là Strength III và IV và Service IV. Ngoài ra, cần xét các tải trọng do va chạm tàu và động đất, đặc biệt trong thiết kế hầm chìm. Các tải trọng này được bao gồm trong các tổ hợp tải trọng Extreme Event I và II. Việc kết hợp các yêu cầu của Mục 12 và Mục 3 như mô tả ở trên tạo ra đầy đủ các tổ hợp tải trọng có thể xét trong Bảng 11-1 để sử dụng trong thiết kế hầm chìm.

Khi thiết lập các tải trọng cần áp dụng cho kết cấu, cần xây dựng từng tổ hợp tải trọng có thể xảy ra với các hệ số tải trọng. Việc đánh giá có thể được sử dụng để loại bỏ các tổ hợp rõ ràng sẽ không chi phối.

Bảng 11-1 Các tổ hợp tải trọng lâu dài trong giai đoạn khai thác

11.3.6 Tải trọng trong quá trình chế tạo, vận chuyển và đặt lắp

Trong quá trình chế tạo, cần đánh giá các hiệu ứng tải trọng do việc đổ bê tông khi đốt hầm đang nổi, hoặc do lún của nền móng trong trường hợp đốt hầm bê tông, và các hạng mục khác. Một số tải trọng này có thể gây ra ứng suất khóa, cần được xét cùng với ứng suất do tải trọng bên ngoài.

Cần đặc biệt cẩn trọng khi đổ bê tông trong lúc đốt hầm đang nổi để bảo đảm không chỉ các ứng suất nằm trong giới hạn, mà cả độ võng của đốt hầm mới đổ bê tông cũng nằm trong giới hạn cho phép. Khi đốt hầm đang nổi, cần kiểm tra ứng suất do sóng để bảo đảm thỏa mãn tất cả các trạng thái giới hạn, chiều cao và chiều dài sóng sử dụng trong thiết kế cần được quy định cho từng giai đoạn thi công và cho quá trình kéo nổi, để có thể áp dụng các biện pháp di chuyển đốt hầm đến nơi an toàn khi dự báo điều kiện vượt quá giới hạn cho phép. Nếu mạn khô có khả năng làm sóng tràn qua đỉnh đốt hầm, tải trọng này cũng cần được xét.

Trong quá trình vận chuyển và khi neo đậu tại bến hoàn thiện hoặc nơi khác, và ngay cả khi còn ở bãi chế tạo, một đốt hầm có thể chịu tải trọng gió cần được xét.

Đốt hầm có thể được treo bằng móc nâng trong quá trình immersion và có thể được đặt trên các gối đỡ tạm tại vị trí cuối cùng trong khi chờ hoàn thành nền móng. Tất cả các trạng thái giới hạn cần được thỏa mãn. Các gối đỡ tạm, nếu sử dụng, cần được tháo bỏ trước khi đắp lấp.

Khi các đốt hầm được liên kết bằng shear key, các ảnh hưởng do lún chênh lệch tương đối của từng đốt hầm trong quá trình đắp lấp dần dần cũng cần được xét.

Mục 3.4.2 của tiêu chuẩn AASHTO LRFD cung cấp hướng dẫn về các hệ số tải trọng tối thiểu được sử dụng khi kiểm tra các tải trọng xảy ra trong quá trình thi công. Bảng 11-2 sau đây phản ánh các tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng được sử dụng khi đánh giá các đoạn hầm chìm đối với tải trọng thi công.

Bảng 11-2 Tổ hợp tải trọng trong giai đoạn thi công

11.4 THIẾT KẾ KẾT CẤU

11.4.1 Tổng quát

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

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

Phương trình LRFD cơ bản có thể tìm thấy trong Mục 1.3.2.1 của tiêu chuẩn AASHTO. Phương trình này là:

\(\qquad \qquad \qquad \sum \eta_i \gamma_i Q_i \leq \phi R_n = R_r \qquad \) 11-2 (Phương trình AASHTO 1.3.2.1-1)

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

\(\gamma\) là hệ số tải trọng áp dụng cho các hiệu ứng lực \((Q)\) tác dụng lên bộ phận đang được thiết kế. Các giá trị của \(\gamma\) có thể tìm thấy trong Bảng 11-1 ở trên.

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

Đối với kết cấu hộp bê tông cốt thép:

\(\qquad \qquad \qquad \phi = 0.90 \qquad \) cho uốn
\(\qquad \qquad \qquad \phi = 0.85 \qquad \) cho cắt

Do tường, bản đáy và bản mái của các đốt hầm chìm sẽ chịu tải trọng dọc trục, cần xác định hệ số sức kháng cho nén. Giá trị \(\phi\) cho nén có thể tìm thấy trong Mục 5.5.4.2.1 của tiêu chuẩn AASHTO LRFD như sau:

\(\qquad \qquad \qquad \phi = 0.75 \qquad \) cho nén

Các giá trị \(\phi\) cho kết cấu bê tông đúc sẵn cũng được nêu trong Bảng 12.5.5-1. Tuy nhiên, chỉ trong các trường hợp hiếm hoặc đặc biệt mới có thể cho rằng có thể thiết lập bãi đúc với mức độ kiểm soát tương đương nhà máy đúc sẵn. Vì vậy, khuyến nghị sử dụng các giá trị \(\phi\) cho bê tông đổ tại chỗ trong thiết kế hầm chìm.

Thép kết cấu cũng được sử dụng trong xây dựng hầm chìm. Thép kết cấu được đề cập trong Mục 6 của tiêu chuẩn AASHTO LRFD. Mục 6.5.4.2 đưa ra các giá trị sau đây cho hệ số sức kháng của thép:

Đối với cấu kiện thép kết cấu:

\(\qquad \qquad \qquad \phi = 1.00 \qquad \) cho uốn

\(\qquad \qquad \qquad \phi = 1.00 \qquad \) cho cắt

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

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

11.4.2 Phân tích kết cấu

Phân tích kết cấu được đề cập trong Mục 4 của tiêu chuẩn AASHTO LRFD. Mục 4 mô tả một số phương pháp phân tích được phép sử dụng. Khuyến nghị sử dụng các phương pháp lực và chuyển vị cổ điển trong phân tích kết cấu của các đốt hầm dìm bằng bê tông. Các phương pháp khác, như mô tả dưới đây, cũng có thể được sử dụng, nhưng có thể không mang lại kết quả phù hợp với các phương pháp cổ điển. Mô hình cần dựa trên ứng xử đàn hồi của kết cấu theo Mục 4.5.2.1 của AASHTO. Các đốt hầm bằng thép cũng có thể được phân tích bằng cùng một mô hình kết cấu, ngoại trừ việc hiệu quả của bất kỳ độ cong nào của cấu kiện thép sẽ không được tận dụng đầy đủ. Hầu hết các chương trình phân tích kết cấu thông dụng đều có các quy trình dựa trên các nguyên tắc này cho mô hình hai chiều.

Vì tất cả các cấu kiện của một đốt hầm dìm bằng bê tông đều chịu uốn và tải trọng dọc trục, các hiệu ứng thứ cấp của chuyển vị đối với hiệu ứng lực của cấu kiện kết cấu cần được xét trong phân tích. Tiêu chuẩn AASHTO LRFD gọi dạng phân tích này là “lý thuyết biến dạng lớn” (large deflection theory) trong Mục 4.5.3.2. Hầu hết các phần mềm phân tích kết cấu thông dụng đều có chức năng đưa ứng xử này vào phân tích. Nếu ứng xử này được xét trong phân tích thì không cần khuếch đại mô men thêm. Ngoài ra, có thể sử dụng mô hình phần tử hữu hạn. Các mô hình này có thể xác định sự phân phối tải trọng, xét đến các hiệu ứng thứ cấp và nhận diện đường truyền tải trọng.

Các đốt hầm dìm bằng thép là các tổ hợp phức tạp gồm các bản thép có thể cong, các sườn tăng cứng và màng ngăn. Việc đơn giản hóa các hệ thống này để phù hợp với các phương pháp phân tích cổ điển có thể làm giảm hiệu quả sử dụng vật liệu do các đường truyền tải trọng phức tạp. Kết cấu thép rất phù hợp với mô hình máy tính phức tạp như mô hình phần tử hữu hạn. Các mô hình này có thể xác định sự phân phối tải trọng, xét đến các hiệu ứng thứ cấp và nhận diện đường truyền tải trọng. Khuyến nghị sử dụng các mô hình này trong phân tích các đốt hầm dìm bằng thép.

Mục 4.5.1 của tiêu chuẩn AASHTO LRFD quy định rằng mô hình toán học dùng để phân tích kết cấu cần bao gồm “…khi thích hợp, các đặc trưng phản ứng của nền móng”. Nền phản lực của đốt hầm chìm có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng một chuỗi lò xo phi tuyến dọc theo chiều dài đáy của mặt cắt. Các lò xo này được xem là phi tuyến vì chúng chỉ tác dụng theo một chiều, theo hướng thẳng đứng đi xuống. Mô hình này sẽ cung cấp sự phân bố tải trọng thích hợp xuống đáy mô hình và cho người thiết kế biết liệu lực nổi có phải là vấn đề hay không. Dấu hiệu này được quan sát bằng chuyển vị tính toán của kết cấu. Chuyển vị hướng lên tổng thể của toàn bộ kết cấu cho thấy không đủ sức kháng chống nổi.

Các mô hình kết cấu dùng cho phân tích bằng máy tính được xây dựng bằng cách sử dụng trọng tâm của các cấu kiện kết cấu. Do chiều dày của tường và bản của hầm, khi tính toán tải trọng tác dụng, điều quan trọng là phải tính tải tại mặt ngoài của cấu kiện. Sau đó, tải trọng được điều chỉnh theo chiều dài thực tế của cấu kiện được đưa vào mô hình. Ví dụ, nếu bề rộng từ mép ngoài đến mép ngoài đáy của kết cấu hầm là 90 ft (27.4 m) và đáy bản đáy nằm dưới mực nước 15 ft (4.57 m), lực nổi tác dụng lên bản đáy được tính như sau:

62.4 pcf × 15 ft × 1 ft (dọc theo chiều dài hầm) = 936 plf (9.81 kN/m³ × 4.57 m × 1 m = 44.8 kN/m), với tổng tải trọng tác dụng lên đáy hầm là:

936 plf x 90 ft = 84,240 lbs (44.8 kN/m × 27.4 m ≈ 1,227 kN)

Nếu các tường ngoài của hầm dày 4 ft (1.22 m), thì chiều dài của mô hình kết cấu là: 90ft – 4 ft = 86 ft (27.4 m – 1.22 m = 26.2 m)

Khi dùng 86 ft, lực nổi tác dụng là: 936 plf x 86 ft = 80,496 lbs (44.8 kN/m × 26.2 m ≈ 1,173 kN). Cách tính này đánh giá thấp lực nổi 5%. Do hệ số tải trọng cho lực nổi là 1.00, điều này có thể gây ra vấn đề về lực nổi đối với hầm. Giải pháp là áp dụng tải trọng thực tế được tính như sau: 84,240 lbs / 86 ft = 980 plf (1,227 kN / 26.2 m ≈ 46.8 kN/m). Điều này tạo ra ước tính hơi thiên về an toàn đối với tải trọng uốn và cắt, nhưng là ước tính chính xác về hiệu ứng lực nổi, bao gồm cả tải trọng dọc trục trong các tường bên.

Vấn đề này không phổ biến trong mô hình phần tử hữu hạn. Tuy nhiên, người thiết kế vẫn cần cẩn trọng để bảo đảm tải trọng được đưa vào mô hình là đủ, nhằm mô phỏng điều kiện thực tế sát nhất có thể.

11.5 ĐỘ KÍN NƯỚC VÀ MỐI NỐI GIỮA CÁC ĐỐT HẦM

11.5.1 Chống thấm bên ngoài cho hầm

Chống thấm bên ngoài cho các đốt hầm cần được xem xét cho cả hầm thép và hầm bê tông. Lớp chống thấm cần bao bọc mọi phần của đốt hầm tiếp xúc với đất hoặc nước bằng vật liệu không thấm đối với vùng nước xung quanh. Đối với hầm thép, lớp vỏ thép bên ngoài sẽ đóng vai trò như màng chống thấm, trong khi đối với đốt hầm bê tông nên sử dụng màng thép hoặc màng tổng hợp. Đối với màng chống thấm bằng thép dùng cho các đốt hầm bê tông hoặc thép, cần sử dụng hệ thống bảo vệ chống ăn mòn và quan trắc phù hợp để bảo đảm chiều dày thiết kế tối thiểu được duy trì trong suốt tuổi thọ công trình, hoặc cần bố trí chiều dày hy sinh bổ sung. Màng thép không phải kết cấu (nonstructural) không được mỏng hơn 1/4 in (6 mm).

Màng chống thấm cần kín nước. Vật liệu điển hình dùng cho đốt hầm bê tông gồm hai lớp vật liệu epoxy đàn hồi phun phủ; các bản thép, và tấm PVC dẻo chống thấm nước. Chiều dày tối thiểu không được nhỏ hơn 0.06 in (1.5 mm), và được neo vào bê tông bằng các sườn chữ T. Vật liệu của hệ thống chống thấm cần có khả năng kháng các đặc tính ăn mòn cụ thể của nước và đất xung quanh. Vật liệu của hệ thống cần đủ mềm dẻo và bền để bắc qua mọi vết nứt có thể phát triển trong suốt tuổi thọ kết cấu. Không khuyến nghị dùng màng bitum. Hệ thống chống thấm tốt nhất nên bám dính tại mọi điểm với bề mặt được thi công, để nếu bị thủng tại bất kỳ vị trí nào thì nước không thể di chuyển bên dưới màng sang vị trí khác. Các khu vực có dòng nước tự do giữa màng và bê tông bên dưới trong trường hợp rò rỉ cần được giới hạn không quá 100 sf (10 m²). Đối với hầm thép, màng có thể là lớp vỏ thép bên ngoài, miễn là có đủ biện pháp bảo vệ chống ăn mòn bằng bảo vệ cathode hoặc chiều dày hy sinh bổ sung. Các bản thép cần được nối bằng mối nối liên tục hàn đối đầu. Tất cả mối hàn cần được kiểm tra bằng mắt và thử nghiệm về độ nguyên vẹn, đồng thời thử kín nước. Dù có màng chống thấm, bê tông kết cấu bên dưới vẫn cần được thiết kế để kín nước.

Tùy thuộc vào loại chống thấm được sử dụng, có thể cần bảo vệ ở hai bên và phía trên của các đốt hầm để bảo đảm lớp chống thấm không bị hư hại trong mọi thao tác cho đến khi đặt lắp cuối cùng và trong các hoạt động đắp lấp sau đó.

11.5.2 Mối nối

Các mối nối giữa các đốt hầm dìm có thể được phân loại như mô tả dưới đây.

Immersion Joint (hoặc Typical Joint)

Mối nối dìm là mối nối được hình thành khi một đốt hầm được nối với một đốt hầm đã đặt sẵn trên đáy biển. Sau khi đặt đốt hầm mới và nối nó với đốt hầm đã đặt trước đó, khoảng trống giữa các bulkhead (tấm chắn nước) của hai đốt liền kề sẽ được bơm khô. Để bơm khô khoảng không gian này, phải tạo một hệ thống kín nước. Thường sử dụng một gioăng tạm thời có mũi mềm như gioăng Gina (Hình 11-17). Ngoài ra, sau khi bơm khô mối nối, còn bố trí thêm một gioăng omega từ bên trong mối nối.

Đối với các mối nối dìm, gioăng nén chính hoặc gioăng dìm thường được làm từ hợp chất cao su tự nhiên hoặc cao su neoprene. Mặt cắt ngang phổ biến nhất hiện nay là loại “Gina”. Loại này gồm một thân chính có các đặc tính nén khi chịu tải theo thiết kế và một mũi kín nước tích hợp cùng một gờ tựa kín nước. Vật liệu sử dụng phải được chứng minh là có khả năng chống chịu các đặc tính ăn mòn cụ thể của nước và đất, đồng thời có tuổi thọ dự kiến không ngắn hơn tuổi thọ thiết kế của hầm, trừ khi gioăng được xem là tạm thời. Đối với các mối nối mềm, thường cần có gioăng phụ trong trường hợp gioăng chính bị hỏng. Gioăng này thường được chế tạo từ cao su chloroprene với mặt cắt tổng thể tương ứng với loại gọi là “Omega” (Hình 11-18), trong đó vật liệu có khả năng chống chịu đã được chứng minh đối với các đặc tính ăn mòn cụ thể của nước và đất, dầu, nấm, vi sinh vật, oxy, ozon và nhiệt.

Hình 11-19 trình bày một mối nối dìm điển hình. Điều quan trọng là ngay sau khi bơm khô khoang giữa hai bulkhead, cần kiểm tra gioăng chính để có thể khắc phục ngay nếu phát hiện bất kỳ chỗ nào không kín nước. Tương tự, gioăng phụ của mối nối mềm cần được thử áp đến áp lực làm việc lớn nhất dự kiến thông qua ống thử và van, nhằm bảo đảm gioăng này cũng có thể hoạt động theo yêu cầu; sau khi thử nghiệm thành công, khoang giữa các gioăng cần được bơm khô.

Closure hoặc Final Joint:

Khi đốt hầm cuối cùng phải được chèn vào giữa các đốt đã đặt trước đó, thay vì được nối tiếp vào đầu cuối của đốt trước, sẽ tồn tại một khe hở nhỏ ở đầu phụ.

Chiều dài ngắn này của hầm đôi khi được hoàn thiện bằng phương pháp đổ tại chỗ và được gọi là mối nối closure hoặc mối nối cuối cùng.

Dạng của mối nối closure hoặc mối nối cuối phụ thuộc vào trình tự và phương pháp thi công. Các mối nối closure cũng có thể là mối nối immersion, mặc dù các chi tiết có thể cần khác đi. Các phương án khả thi cho mối nối closure bao gồm:

• Đặt đốt cuối cùng vào giữa hai đốt đã đặt trước đó và bơm khô một mối nối giữa đốt mới đặt với một trong các đốt đã đặt trước. Sau đó lắp các tấm ván khuôn closure dưới nước và đổ bê tông tremie quanh mối nối closure để bịt kín. Khi đó có thể bơm khô mối nối và hoàn thiện bê tông bên trong mối nối. Các phương pháp khác như mối nối kéo dài dạng ống lồng và mối nối chêm đã được phát triển để tạo mối nối closure tương tự mối nối immersion.
• Thi công cả hai mối nối đầu cuối trước, đặt các đốt hầm ra ngoài từ hai phía này và hoàn thiện hầm dìm bằng một mối nối closure đặc biệt cuối cùng.
• Thi công một mối nối đầu cuối trước, đặt toàn bộ các đốt hầm dìm ra ngoài từ phía đó và đắp phủ trên đỉnh đốt cuối cùng bằng hỗn hợp đất-xi măng hoặc vật liệu khác tương đối kín nước ở khu vực gần mối nối đầu cuối thứ hai. Thi công các kết cấu tiếp giáp với mối nối đầu cuối thứ hai sau khi hầm dìm hoàn thành.
• Đặt và hoàn thiện hầm dìm có hoặc không có mối nối closure đặc biệt, đồng thời đắp phủ tại các đốt đầu cuối bằng hỗn hợp đất-xi măng hoặc vật liệu khác tương đối kín nước ở khu vực gần cả hai mối nối đầu cuối. Thi công các kết cấu tiếp giáp với cả hai mối nối đầu cuối sau khi hầm dìm hoàn thành.

Earthquake Joint:

Đây có thể là một mối nối immersion có thiết kế đặc biệt để thích ứng với các chuyển vị vi sai lớn theo mọi phương do sự kiện động đất. Thuật ngữ này cũng áp dụng cho mối nối bán cứng hoặc mối nối mềm được tăng cường để chịu tải trọng động đất, và qua đó có thể lắp đặt các cấu kiện dự ứng lực có hoặc không căng trước.

Segment or Dilatation Joint:

Các mối nối đốt có khả năng chuyển vị phải truyền được lực cắt qua mối nối, đồng thời cho phép giãn nở và xoay. Các mối nối này có waterstop cao su-kim loại dạng bơm phun, cũng như gioăng neoprene và gioăng trương nở nước.

11.5.3 Thiết kế mối nối giữa các đốt hầm

Tất cả các mối nối hầm dìm phải kín nước trong suốt tuổi thọ thiết kế, và phải thích ứng được với các chuyển vị dự kiến do chênh lệch nhiệt độ, creep, lún, chuyển động động đất, phương pháp thi công, v.v. Chuyển vị theo bất kỳ phương nào cũng phải được giới hạn để không vượt quá giới hạn kín nước của mối nối. Khả năng chịu cắt của mối nối phải xét đến ảnh hưởng của lực pháp tuyến và mô men uốn đến khả năng chịu cắt của mặt cắt; thiết kế phải xét đến các lực cắt phát sinh khi các mặt của mối nối không vuông góc với trục hầm. Các mối nối phải có đủ độ dẻo để thích ứng với chuyển vị dọc. Có thể dùng các thanh giằng chịu kéo để hạn chế chuyển vị, nhằm tránh mối nối bị rò nước hoặc bị tách mở, đặc biệt trong sự kiện động đất.

Lực nén dọc trục của các đốt hầm và bulkhead do chiều sâu dìm phải được xét đến khi xác định kích thước mối nối tại thời điểm lắp đặt.

Thiết kế các gioăng mềm chính tại mối nối hầm phải xét đến độ lệch lớn nhất của các khung đỡ so với vị trí lý thuyết, độ lệch lớn nhất của các mặt phẳng khung, và mọi sự chùng giãn của gioăng. Gioăng phải có độ nén tối thiểu lớn hơn 3/8 inch (10 mm) so với độ nén cần thiết để duy trì kín nước. Trong trường hợp ban đầu không đạt được kín nước sau khi dìm và nối ghép, ở một số trường hợp nên thiết kế mối nối dìm (immersion join) sao cho có sẵn phương án dự phòng để tạo kín nước ban đầu.

Đối với các mối nối mềm, phải lắp một gioăng phụ omega có khả năng chịu toàn bộ áp lực nước ở phía trong mối nối, đồng thời phải có khả năng được kiểm tra, bảo trì và thay thế. Gioăng này phải có khả năng hấp thụ các chuyển vị dài hạn của mối nối. Các gioăng phụ phải được bố trí hàng rào bảo vệ để tránh hư hại từ bên trong hầm. Tất cả các mối nối trong hầm phải được hoàn thiện để tạo bề mặt nhẵn.

Các chi tiết kim loại trong mối nối phải có tuổi thọ thiết kế đủ để thực hiện chức năng của chúng trong suốt tuổi thọ thiết kế của mối nối. Đai ốc và bu lông của gioăng chính và gioăng phụ phải bằng thép không gỉ. Các liên kết dạng bản giữa các đốt phải được bảo vệ chống ăn mòn để bảo đảm đạt được tuổi thọ thiết kế.

Quy trình lắp đặt hoặc bề mặt lắp đặt cho gioăng chính của mối nối dìm (immersion join) phải cho phép tinh chỉnh và cắt chỉnh tuyến của gioăng để bù cho sai số thi công. Khuyến nghị gioăng được bảo vệ khỏi hư hại ngẫu nhiên cho đến thời điểm dìm. Tất cả các chi tiết chôn sẵn, phụ kiện cố định, bao gồm bu lông và hệ thống bảo vệ chống ăn mòn của chúng, các bề mặt tiếp xúc, thanh kẹp và các phụ kiện cố định khác, phải có tuổi thọ thiết kế ít nhất bằng tuổi thọ của kết cấu hầm. Khi dùng thanh kẹp và các phụ kiện cố định khác cho gioăng phụ, các bộ phận này cần có tuổi thọ thiết kế ít nhất bằng tuổi thọ của gioăng phụ. Cụm gioăng phải có dự phòng cho việc bơm phun trong trường hợp rò rỉ.

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