Chương 15 – THIẾT BỊ QUAN TRẮC ĐỊA KỸ THUẬT VÀ KẾT CẤU

15.1 GIỚI THIỆU

Trong phạm vi sổ tay này, mục đích chính của thiết bị quan trắc địa kỹ thuật và kết cấu là theo dõi hiệu quả của quá trình thi công công trình ngầm nhằm tránh hoặc giảm thiểu các vấn đề phát sinh. Nếu việc quan trắc cũng phục vụ chức năng khoa học, hoặc dẫn đến những tiến bộ trong quy trình thiết kế, thì đó là lợi ích bổ sung chứ không phải lý do chính để triển khai. Cách đây vài thập kỷ, quan trắc không phải là công việc đặc biệt dễ thực hiện, vì các công cụ còn ít và một số công cụ chưa được phát triển đầy đủ. Việc quan trắc thường được thực hiện thủ công, và quá trình xử lý số liệu thô thành dữ liệu có thể sử dụng thường đòi hỏi nhiều giờ “tính toán số liệu” bằng các máy tính tương đối thô sơ, cùng nhiều giờ vẽ biểu đồ và đồ thị bằng tay.

Thế giới đầu thế kỷ 21 rất khác đối với những người theo đuổi nghệ thuật xác định những gì đang diễn ra trong công trình đang thi công, trong môi trường xung quanh công trình, hoặc thậm chí trong chính công trình. Các loại thiết bị quan trắc tiên tiến hiện có rất nhiều, và điện tử kết hợp với máy tính đã khiến việc quan trắc từ xa, thậm chí từ nửa vòng trái đất, gần như trở thành công việc hằng ngày. Hiện nay, các dự án quy mô vừa thường sử dụng một cơ sở dữ liệu máy tính để chuyển đổi số liệu đọc thô thành dữ liệu có thể sử dụng và có thể báo cáo bất kỳ tổ hợp số liệu thiết bị và biểu đồ dữ liệu nào trong vòng vài phút. Công cụ này cũng có thể thông báo cho các bên quan tâm bất cứ lúc nào, ngày hay đêm, nếu chuyển vị hoặc ứng suất đã đạt đến các mức kích hoạt được thiết lập trước, đòi hỏi một dạng hành động giảm thiểu nào đó. Các khả năng này đã không bị các Chủ đầu tư dự án bỏ qua, và các chương trình thiết bị quan trắc toàn diện đang trở thành thông lệ hơn là ngoại lệ. Điều này có lẽ đặc biệt đúng trong lĩnh vực đào hầm, nơi ngay cả những sai sót nhỏ cũng có thể gây ra hư hỏng dẫn đến kiện tụng hoặc phải ngừng hoạt động.

Người đọc cần lưu ý rằng phần lớn thiết bị quan trắc được mô tả ở đây có thể không phù hợp đặc biệt với các hầm đường bộ nông thôn, nhất là các hầm nằm trong khu vực đồi núi hoặc miền núi, nơi nhu cầu quan trắc có thể bị hạn chế nếu chiều sâu hầm lớn giúp giảm thiểu lún mặt đất tại bề mặt, và nếu việc thiếu các công trình trên mặt đất làm giảm số lượng các bên thứ ba có thể bị ảnh hưởng bởi thi công. Ngoài ra, ngay cả khi một hầm thực sự cần quan trắc vì bất kỳ lý do nào, chiều sâu lớn có thể giảm thiểu khả năng gây hư hỏng cho các công trình trên mặt đất và thúc đẩy các nhà thiết kế hướng nhiều hơn đến các thiết bị lắp đặt trong hầm.

Số lượng rất lớn các loại thiết bị quan trắc hiện có cho người làm hầm khiến chương này chỉ có thể đề cập sơ lược đến chủ đề này. Các loại thiết bị phổ biến nhất và/hoặc hứa hẹn nhất sẽ được trình bày, nhưng người đọc sẽ phải tham khảo các tài liệu tham chiếu để xem còn những gì khác. Một số loại thiết bị sẽ được đề cập ở một mức độ nào đó trong các chương khác; ví dụ, các ô đo áp lực thường được sử dụng bởi những người chuyên về đào hầm theo Phương pháp Đào Tuần tự (SEM) (Chương 9), nhưng không được sử dụng nhiều bởi những người làm các dạng thi công công trình ngầm khác. Mặc dù quan trắc rung động sẽ được trình bày ở đây, quan trắc tiếng ồn sẽ không được đề cập vì thông thường nó được xem là vấn đề môi trường hơn là vấn đề kết cấu hoặc địa kỹ thuật. Một số thiết bị, chẳng hạn như các thiết bị dùng để xác định ứng suất đất tại hiện trường trước khi đào hầm, sẽ không được trình bày vì chúng phù hợp hơn với nhóm thiết bị khảo sát hiện trường. Và cuối cùng, sẽ không thể đi sâu vào lý thuyết vận hành của các loại thiết bị khác nhau được thảo luận, vì vậy người đọc một lần nữa sẽ phải tham khảo các ấn phẩm được viện dẫn để biết thêm chi tiết.

Các mục đầu tiên của chương này sẽ thảo luận về các loại đo đạc thường được thực hiện:

• Chuyển vị đất ra xa hầm
• Chuyển vị công trình đối với các kết cấu nằm trong vùng ảnh hưởng
• Chuyển vị của vỏ hầm đang được thi công hoặc của các hầm liền kề
• Chuyển vị động của nền đất do khoan và nổ mìn
• Chuyển vị và áp lực nước ngầm do sự thay đổi trong quy luật thấm nước

Ba mục đầu tiên bao gồm các thay đổi gần như tĩnh về vị trí, và mục cuối cũng liên quan đến các ảnh hưởng dài hạn. Ngược lại, chuyển vị động của nền đất đề cập đến đáp ứng do rung động gây ra bởi các sóng xung kích sinh ra từ thuốc nổ hoặc do máy xúc va đập vào đá.

Tất cả các nhu cầu quan trắc phải được phối hợp để phù hợp với tiến độ thi công hầm, đồng thời thiết lập các hành động cần thực hiện để ứng phó với các kết quả thu được từ thiết bị quan trắc. Các chủ đề này được thảo luận ở phần cuối của chương này.

15.2 CHUYỂN VỊ ĐẤT – BIẾN DẠNG ĐỨNG VÀ BIẾN DẠNG NGANG

15.2.1 Mục đích quan trắc

Mục đích chính của việc quan trắc chuyển vị đất là phát hiện chúng khi chúng vẫn còn nhỏ, và điều chỉnh quy trình thi công trước khi các chuyển vị trở nên đủ lớn để tạo thành vấn đề thực sự bằng cách ảnh hưởng đến gương đào đang tiến hoặc một công trình hiện hữu lân cận nào đó. Đối với gương đào đang tiến, biện pháp chống đỡ nền đất phải dựa trên các điều kiện gặp phải; việc quan trắc hoặc xác nhận mức độ đầy đủ của biện pháp chống đỡ, hoặc cho thấy có thể cần nhiều chống đỡ hơn hoặc loại chống đỡ khác. Các công trình hiện hữu có thể nằm ở mặt đất — đường bộ, đường sắt, nhà cửa và các công trình tương tự — hoặc có thể nằm dưới mặt đất dưới dạng các tuyến tiện ích hoặc các hầm giao thông khác, chẳng hạn như tàu điện ngầm. Tuyến phòng thủ đầu tiên chống lại các chuyển vị có khả năng gây hư hỏng là phát hiện chúng ở độ sâu trong nền đất ngay xung quanh gương đào đang tiến, và thực hiện hành động giảm thiểu trước khi các chuyển vị đó có thể “lan truyền” lên bề mặt. Loại quan trắc này có thể cung cấp chỉ báo về việc xử lý nền, chẳng hạn như phun vữa, có đang hạn chế hiệu quả các chuyển vị có thể dẫn đến lún gây phiền toái hay không. Tất nhiên, nền đất chuyển vị theo hướng lên cũng như hướng xuống, dưới dạng trồi từ các điều kiện nền không thoát nước có xu hướng dâng vào hầm đang thi công, và dưới dạng các chuyển vị ngang, cũng có khả năng gây hư hỏng, khi nền đất dịch chuyển về phía hố đào để bù vào phần thiếu hụt. Ngoài việc giúp kiểm soát nền đất, dữ liệu thu được cũng có thể được lưu trữ và dữ liệu này có thể được xem như một phần của tất cả công tác quan trắc được thảo luận trong các đoạn tiếp theo để kiểm chứng các giả định thiết kế và đánh giá các khiếu nại của nhà thầu thi công và các bên thứ ba liên quan.

15.2.2 Thiết bị, ứng dụng, hạn chế

Một số loại thiết bị quan trắc được sử dụng để theo dõi chuyển vị đất:

• Mốc chuẩn đặt sâu (Deep Benchmarks)
• Điểm quan trắc đo đạc (Survey Points)
• Điểm Borros (Borros Points)
• Thiết bị đo giãn kiểu đầu dò (Probe Extensometers)
• Thiết bị đo giãn cố định, được đo từ bề mặt hoặc trong quá trình hầm tiến
• Thiết bị quan trắc mái hầm (Telltales hoặc Roof Monitors)
• Thiết bị đo trồi (Heave Gages)
• Thiết bị đo nghiêng thông thường (Conventional Inclinometers)
• Thiết bị đo nghiêng lắp đặt tại chỗ (In-place Inclinometers)
• Thiết bị đo hội tụ (Convergence Gages)

15.2.2.1 Mốc chuẩn đặt sâu (Deep Benchmarks)

Mốc chuẩn đặt sâu (Hình 15-1) là các ống thép/ống vỏ thép được khoan vào các tầng ổn định — tốt nhất là đá nền nguyên vẹn — nằm ngoài vùng ảnh hưởng của hầm đang tiến. Chúng được sử dụng khi không có sẵn các mốc chuẩn hiện hữu, chẳng hạn như các mốc do USGS lắp đặt, và khi cần biết chính xác sự thay đổi cao độ của các thiết bị khác dùng để phát hiện chuyển vị.

Nếu được lắp đặt gần khu vực thi công, các mốc chuẩn đặt sâu cần được đặt bên dưới cao độ đáy hầm. Chúng phải hoàn toàn ổn định, bất kể các chuyển vị đang xảy ra trong đất, vì chính các cổ ống ở cao độ mặt đất của những thiết bị này trở thành các điểm cố định để từ đó có thể xác định vị trí và cao độ của các thiết bị khác bằng công tác đo đạc khảo sát.

Một khó khăn lớn trong việc lắp đặt mốc chuẩn là khó đặt chúng tại vị trí và/hoặc độ sâu bảo đảm tuyệt đối không có chuyển vị khi quá trình đào hầm diễn ra. Về mặt này, việc hạ thấp mực nước ngầm trong môi trường đất mềm có thể góp phần gây lún đất nằm ngoài phạm vi trực tiếp của hầm đang tiến, vì vậy thiết bị phải được bố trí để phòng ngừa khả năng này.

Trong trường hợp các dự án rất lớn hoặc các dự án chồng lấn khiến mực nước bị hạ thấp trên một khu vực rộng, các mốc chuẩn đã từng được ghi nhận là bị lún ngay cả khi được đặt trong đá nền, vì một số loại đá có thể phụ thuộc ở một mức độ nhất định vào áp lực nước lỗ rỗng để duy trì khả năng chịu tải.

15.2.2.2 Điểm quan trắc đo đạc (Survey Points)

Các điểm quan trắc đo đạc được sử dụng để phát hiện chuyển vị của đất tại bề mặt hoặc ở độ sâu vài foot dưới mặt đất. Chúng có thể đơn giản chỉ là các cọc gỗ được đóng xuống đất và cao độ của chúng được đo bằng cách ngắm về một mốc chuẩn sâu (Hình 15-2). Cọc cần được đóng sâu ít nhất khoảng một foot để tránh bị bật hoặc dịch chuyển, và phần đỉnh cọc không nên nhô cao đến mức cản trở máy móc di chuyển nếu chúng nằm trong khu vực có cỏ cần được bảo trì thường xuyên.

Một điểm quan trắc đo đạc cũng có thể phức tạp hơn một chút, dưới dạng một thanh thép có đầu chuẩn tròn, được đóng sâu vài foot xuống đất nhằm hạn chế tốt hơn khả năng bị dịch chuyển và các ảnh hưởng bề mặt như hiện tượng trương nở do băng giá (xem Hình 15-3). Loại điểm này cần được bảo vệ tại bề mặt bằng một hộp bảo vệ kiểu hộp kỹ thuật nhỏ, có nắp cố định, để không làm xáo trộn đầu chuẩn tròn.

Đầu chuẩn tròn được xem là tốt nhất vì người đo đạc luôn có thể tìm được điểm cao nhất đã được đo trước đó, giúp bảo đảm tính liên tục của các lần đọc. Do không có liên kết cứng giữa thanh thép và hộp bảo vệ — một bộ phận gần như “nổi” bên trong bộ phận kia — điểm quan trắc đo đạc cũng được bảo vệ khỏi bị ép lún xuống khi có xe nặng đi qua.

Các mối quan ngại chính đối với bất kỳ loại điểm quan trắc đo đạc nào là cần giữ nó tránh khỏi đường đi của những người sử dụng khu vực, đồng thời bảo vệ khỏi hư hỏng có thể cần thay thế và làm mất tính liên tục giữa số đọc mới nhất và chuỗi số đọc đã lấy trong quá khứ.

15.2.2.3 Điểm Borros

Điểm Borros về cơ bản là một neo ở đầu dưới của một ống được đóng xuống đất (xem Hình 15-4). Neo gồm ba ngạnh thép, được đặt trong một đoạn ống thép ngắn với phần mũi đóng hình nón. Việc lắp đặt được thực hiện bằng cách khoan một lỗ trong đất mềm đến cao độ cao hơn vài feet so với độ sâu neo dự kiến, sau đó đưa neo vào bằng cách nối thêm các đoạn ống đứng và ống ngoài.

Khi điểm neo chạm đáy lỗ khoan, nó được đóng sâu hơn bằng cách tác động lên đầu ống ngoài. Sau đó, các ngạnh được bung ra bằng cách tác động lên ống đứng trong khi các ngạnh được nhả ra, và ống ngoài được kéo ngược lên một đoạn ngắn để tạo liên kết neo chắc chắn.

Các thiết bị này dùng để xác định độ lún tại một độ sâu chính xác với độ tin cậy cao hơn so với thanh thép đóng đơn giản đã mô tả ở trên, đồng thời tương đối đơn giản và kinh tế. Lượng chuyển vị của neo được xác định bằng cách khảo sát hoặc đo chuyển vị của ống đứng bên trong tại mặt đất.

Một bất lợi của phương pháp phát hiện chuyển vị này — và điều này cũng có thể áp dụng cho hầu hết các thiết bị có dữ liệu phụ thuộc vào chuyển vị đo tại đầu tham chiếu đặt trên bề mặt — là nếu độ lún đủ lớn để ảnh hưởng đến bề mặt tại thời điểm đọc số liệu, thì toàn bộ thiết bị có thể đang dịch chuyển xuống một lượng nhất định, trong khi neo đang dịch chuyển xuống một lượng lớn hơn. Khi đó, chuyển vị tuyệt đối của neo có thể khó đánh giá, trừ khi tiến hành đo cao độ mặt đất tại thời điểm đó và cộng các thay đổi này vào chuyển vị biểu kiến của neo.

15.2.2.4 Thiết bị đo giãn dài dạng đầu dò (Probe Extensometers)

Thiết bị đo giãn dài dạng đầu dò được dùng để đo sự thay đổi khoảng cách giữa hai hoặc nhiều điểm trong một lỗ khoan ở nền đất yếu, thông qua việc sử dụng một đầu dò di động có chứa bộ chuyển đổi điện. Như thể hiện ở Hình 15-5, đầu dò có chứa công tắc reed được đưa vào một ống chống trong lỗ khoan, nơi các điểm tham chiếu, mỗi điểm có một dãy nam châm dạng thanh, đã được cố định sao cho bao quanh bên ngoài ống chống.

Trong kiểu lắp đặt phổ biến nhất, các điểm tham chiếu được giữ cố định bằng các neo lò xo — lá lò xo — “cắn” vào nền đất. Các điểm này có thể dịch chuyển cùng với nền đất vì ống chống đỡ bên ngoài sẽ được tháo bỏ và thay bằng vữa bơm. Đầu dò phát hiện độ sâu của các điểm tham chiếu để xác định đất tại các độ sâu đó có đang lún do xáo trộn từ quá trình thi công hay không.

Vì vậy, thiết bị đo giãn dài dạng đầu dò có thể đo độ lún tại số lượng độ sâu lớn hơn nhiều so với Borros Point. Các thiết bị này thường được khoan đến độ sâu nằm dưới mọi vùng có khả năng chịu ảnh hưởng gần hầm đào mở rồi lấp hoặc hầm đào ngầm. Điểm tham chiếu dưới cùng khi đó trở thành mốc cố định không dịch chuyển, từ đó đánh giá chuyển vị của các điểm nông hơn.

Trong tình huống điển hình gần một hầm đào ngầm, có khả năng điểm dịch chuyển thấp nhất sẽ có độ lún lớn nhất, và độ lún sẽ giảm dần khi đầu dò di chuyển lên dọc theo ống chống đến vị trí máng lún đang mở rộng. Một vấn đề của thiết bị đo giãn dài dạng đầu dò là việc thu thập dữ liệu có thể phụ thuộc vào độ nhạy của người vận hành, vì người đọc thiết bị phải căng tai để xác định chính xác vị trí của đầu dò tại mỗi độ sâu điểm tham chiếu bằng cách nghe tiếng “bíp” điện tử, nhằm bảo đảm các số đọc được lấy đúng cùng một vị trí qua từng lần đo.

Một vấn đề khác là thời gian cần thiết cho công tác quan trắc, đặc biệt khi đã lắp đặt nhiều điểm tham chiếu, vì đầu dò phải được hạ xuống đáy ống chống rồi sau đó các số đọc được thu thập khi đầu dò được từ từ tời kéo trở lại mặt đất.

15.2.2.5 Thiết bị đo giãn dài lỗ khoan cố định lắp đặt từ mặt đất

Thiết bị đo giãn dài lỗ khoan cố định lắp đặt từ mặt đất có thể được sử dụng trong đất yếu hoặc đá, và có thể là loại một vị trí (SPBX) để đo lún tại một cao độ cụ thể, hoặc loại nhiều vị trí (MPBX) để đo tại nhiều cao độ. Hình 15-6 minh họa sơ đồ của một MPBX. Các neo của thiết bị đo giãn dài lỗ khoan được bơm vữa vào trong đất, thường ở các khoảng cách khác nhau phía trên crown của hầm đang đào, và được nối với các đầu tham chiếu gắn trên mặt đất bằng các thanh đường kính nhỏ bằng thép hoặc sợi thủy tinh.

Bằng cách phát hiện chuyển vị của đầu các thanh tại mặt đất, có thể biết mỗi neo — và do đó phần đất hoặc đá tương ứng — đang chuyển động bao nhiêu do tác động của công tác đào, từ đó có thể thực hiện các biện pháp nhằm giảm thiểu các vấn đề đang phát triển.

Các số đọc thủ công có thể được thực hiện trong vài phút, giả sử không có vấn đề về tiếp cận collar của thiết bị. Tuy nhiên, việc đọc tự động bằng bộ chuyển đổi điện và datalogger — có thể được thu hồi/di chuyển để sử dụng cho các thiết bị khác — tương đối rẻ và có thể cung cấp dữ liệu thời gian thực, truyền trực tiếp và nhanh chóng vào máy tính để phân tích và lưu trữ nhanh.

Mặc dù các thiết bị đo giãn dài bố trí thẳng đứng phía trên crown của hầm đào là dạng lắp đặt phổ biến nhất, hai dạng khác có thể hữu ích trong những tình huống cụ thể:
(a) thiết bị đặt nghiêng hướng vào crown hoặc haunch của hầm từ các lề đường, nơi không thể lắp đặt thẳng đứng do đường có lưu lượng giao thông lớn; và
(b) thiết bị lắp đặt dọc theo sidewalls của hầm đào hoặc hố đào cut-and-cover, nơi việc hiểu rõ thành phần thẳng đứng của chuyển vị nền đất tổng thể có thể có lợi.

Một vấn đề thường gặp với các thiết bị đọc thủ công là độ nhạy phụ thuộc vào người vận hành; nếu có hơn một người đọc số liệu, họ cần thực hành cùng nhau để bảo đảm có thể quan trắc với tính nhất quán tốt. Quan trắc từ xa dẫn đến mối lo ngại rằng người thu thập và phân tích dữ liệu có thể, nếu không trực tiếp theo dõi hoạt động thi công, không nhận biết được loại và lịch trình các hoạt động đang ảnh hưởng đến dữ liệu. Do đó, có thể cần sắp xếp để các báo cáo tiến độ thi công được gửi theo lịch trình chặt chẽ hơn so với thông thường.

15.2.2.6 Thiết bị đo giãn dài lỗ khoan cố định lắp đặt từ các hố đào đang tiến triển

Thiết bị đo giãn dài lỗ khoan cố định lắp đặt từ các hố đào đang tiến triển là nhu cầu khá rõ ràng nếu cần đo chuyển vị sidewall cho hố đào cut-and-cover. Các lắp đặt theo phương ngang như vậy khá phổ biến, và công tác khoan/lắp đặt phải phối hợp với quá trình thi công sao cho hoạt động lớn hơn không bị ảnh hưởng quá nhiều bởi hoạt động có vẻ chỉ là phụ trợ.

Lưu ý: Các lắp đặt “ngang” hiếm khi thật sự nằm ngang, vì việc đặt nghiêng xuống dưới 10 hoặc 15 độ giúp quản lý quá trình bơm vữa cho các neo dễ hơn nhiều.

Việc lắp đặt thiết bị đo giãn dài theo hướng từ thẳng đứng đến nằm ngang — bao gồm tất cả các góc ở giữa — từ bên trong các hầm đá đang đào có thể là bắt buộc do không thể tiếp cận từ mặt đất (Hình 15-7). Nếu có thể, chúng thường được lắp đặt ngay phía sau mặt đào hầm hoặc đuôi khiên của TBM. Ở vị trí này, chúng có thể cung cấp dữ liệu về các hiện tượng sụt rơi đá mới hình thành hoặc các chuyển vị đá tinh vi hơn hướng về phía khoảng mở.

Nếu được lắp đặt tại nơi một hầm nhỏ sẽ được mở rộng thành kích thước lớn hơn sau này, các đầu thiết bị có thể được bố trí lùi vào phía ngoài đường biên đào ban đầu và được giữ lại để sử dụng trong quan trắc hố đào lớn hơn. Bằng cách này, chúng cung cấp một lịch sử gần như đầy đủ về chuyển vị đá từ thời điểm sớm nhất đến thời điểm muộn nhất.

Một cách khác để sử dụng các thiết bị này là lắp đặt chúng từ hầm được đào trước hướng về vị trí của hầm đôi sẽ đào sau. Khi đó, các số đọc cho biết liệu trụ đất/đá giữa hai hầm có đang bị nới lỏng hay không, để có thể thực hiện các biện pháp giảm thiểu vấn đề.

Các vấn đề phức tạp đối với các thiết bị lắp đặt trong hầm này nhiều hơn so với các thiết bị được lắp đặt từ một vị trí nào đó bên ngoài phạm vi đào. Như đã nêu, việc lắp đặt phải được phối hợp với hoạt động thi công, đây là một việc đặc biệt khó trong không gian hạn chế của một hầm đào nhỏ, nơi các khiếu nại của nhà thầu về sự cản trở là rất phổ biến.

Ngay cả việc thu thập dữ liệu, nếu thực hiện thủ công, cũng có thể gây vướng víu, đặc biệt nếu phải tạm dừng đào hầm, sử dụng thang, hoặc cần sự hỗ trợ từ nhân sự của nhà thầu. Quan trắc từ xa cũng có thể thực hiện được, nhưng khi đó cần đi dây điện vào hầm và phải tìm vị trí đặt datalogger sao cho không vướng.

Dù các thiết bị trong hầm được quan trắc bằng phương pháp nào, các đầu tham chiếu cần được bảo vệ, thường bằng cách đặt chìm chúng vào vách hầm và có thể lắp thêm nắp bảo vệ. Điều này đặc biệt đúng ở những nơi sẽ nổ mìn gần khu vực đó, nhưng cũng đúng ngay cả khi không nổ mìn. Thợ mỏ thường ít coi trọng những vật mà họ không thấy rõ tầm quan trọng, vì vậy cần phòng tránh phá hoại và mất cắp các phụ kiện của thiết bị.

Cuối cùng, cần lưu ý rằng thiết bị trong hầm hầu như luôn được lắp đặt sau khi khối đất/đá quanh hầm đã bắt đầu giãn ra, nên các số đọc ban đầu hiếm khi là các mốc “không” thực sự để tính toán chuyển vị tiếp diễn. Biện pháp duy nhất của chuyên gia quan trắc là liên tục thúc giục nhà thầu tạo điều kiện tiếp cận để lắp đặt thiết bị vào thời điểm sớm nhất có thể.

15.2.2.7 Telltales hoặc Roof Monitors

Telltales hoặc Roof Monitors (Hình 15-8) là các thiết bị khác có thể được lắp đặt từ bên trong một hầm đá đang đào. Chúng được thiết kế để lắp đặt với các neo trong đá ổn định, nằm ngoài đầu các rock bolts trên nóc hầm, nhằm cung cấp phản hồi nhanh về độ ổn định.

An toàn tức thời của thợ mỏ/công nhân đào hầm là lý do chính để sử dụng thiết bị này. Các thiết bị này được phát triển đầu tiên trong các mỏ than ở Pháp vào thập niên 1970, sau đó được người Anh và các bên khác tiếp tục cải tiến trong những năm sau đó.

Các thiết bị đầu tiên là các thanh thép có một neo đơn và các chỉ thị chuyển vị trực quan trên nóc hầm, để thợ mỏ có thể nhìn thấy khi làm việc. Đơn giản và có thể lắp đặt bởi các đội thi công rock bolt, chúng tỏ ra dễ bị cắt do chuyển động của các khối đá, và cuối cùng được thay thế bằng các dây thép linh hoạt hơn, ít bị hư hỏng hơn.

Các phiên bản hiện đại có thể có đến ba neo và có thể được đấu dây để đọc từ xa bởi một người đã được đào tạo, theo dõi dữ liệu trên máy tính xách tay. Roof monitors được sử dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới và đang dần được chấp nhận tại Hoa Kỳ, nơi chúng xứng đáng được đưa vào nhóm các thiết bị được sử dụng phổ biến.

Hiện nay, chúng được dùng trong cả xây dựng dân dụng lẫn khai thác mỏ, và cũng được dùng trong các loại đá khác ngoài các lớp trầm tích nằm ngang thường gắn với vỉa than. Tại thời điểm viết tài liệu này, yếu tố chính khi xem xét sử dụng roof monitors tại Hoa Kỳ có thể là nhu cầu đào tạo các kỹ sư thiết kế hầm và nhà thầu về hiệu quả và tính dễ sử dụng của chúng.

15.2.2.8 Heave Gages

Heave Gages thường được sử dụng nhất khi đào hở hoặc thi công cut-and-cover trong đất sét mềm, nơi đáy hố đào có khả năng bị phá hoại do trồi lên khi tải trọng phủ bên trên được loại bỏ.

Có một số thiết bị có thể dùng để phát hiện và đo heave, nhưng hầu hết đều thiếu độ chính xác hoặc dễ bị hư hỏng/trục trặc. Đáng chú ý, gage nam châm/công tắc reed được đóng gói như một thiết bị đo giãn dài dạng đầu dò có lẽ là phương án tốt nhất (Hình 15-9). Trong kiểu lắp đặt này, người sử dụng đo khoảng cách tăng dần, thay vì giảm dần, giữa các nam châm dạng spider và một neo đáy cố định.

Với điều kiện bảo đảm neo đáy nằm đủ sâu bên dưới mọi vùng chuyển vị dự kiến, việc lắp đặt được thực hiện bên trong cofferdam trước khi bắt đầu đào. Sau khi lấy các số đọc ban đầu, ống tiếp cận được bịt kín ở độ sâu 5 đến 10 ft dưới mặt đất bằng một nút giãn nở lắp bằng dụng cụ đưa vào, và ống được cắt bằng dụng cụ cắt bên trong ngay phía trên nút.

Vị trí thiết bị được cố định chính xác trên bản vẽ mặt bằng, và ngay trước khi quá trình đào đạt tới nút, ống được xác định vị trí, đọc số liệu, sau đó lại được bịt kín và cắt. Quy trình này được lặp lại cho đến khi hoàn thành đào.

Mối lo ngại với kiểu lắp đặt này — một vấn đề không thể khắc phục bằng các kiểu lắp đặt thay thế — là bất kỳ hố đào lớn nào cũng được thi công bằng thiết bị nặng, và người vận hành thường không quen để ý cũng như bảo vệ những thứ nhỏ như ống của heave gage. Các gage thường bị hư hỏng đến mức không sử dụng được, và việc bảo vệ chúng chỉ có thể được bảo đảm thông qua quản lý thi công nghiêm ngặt, đôi khi kèm theo việc áp dụng phạt đối với các thiết bị bị hư hỏng do sự bất cẩn của nhà thầu.

15.2.2.9 Inclinometer truyền thống

Như thể hiện trong Hình 15-10, inclinometer truyền thống là các ống vách bằng nhôm hoặc nhựa, được khoan lắp thẳng đứng xuống bên dưới cao độ thi công vào một tầng ổn định, và được dùng để xác định liệu nền đất xung quanh, là đá hoặc vật liệu rời chưa cố kết, có đang chuyển vị ngang về phía hố đào hay không.

Mỗi ống vách có các rãnh dẫn để định hướng đầu dò cảm biến song song và vuông góc với trục hố đào. Đầu dò, chứa các cảm biến nghiêng, được hạ xuống bằng cáp có chia vạch đến đáy lỗ khoan rồi kéo lên bằng tời, dừng tại các khoảng cách 2 ft để thu thập dữ liệu độ nghiêng bằng thiết bị đọc tại mặt đất.

Quá trình lặp lại các phép tính độ nghiêng từ đáy ống vách đi lên cho phép vẽ một profile cố định từng gia số đo được của ống vách trong không gian so với hố đào. Một bộ số đọc độ nghiêng ban đầu được lấy trước khi bắt đầu đào, và mỗi bộ số đọc trong quá trình thi công sau đó cung cấp dữ liệu về cách nền đất chuyển động khi người sử dụng vẽ các đường cong chuyển vị mới so với các đường cong ban đầu trước thi công.

Các inclinometer thường được bố trí cách chu vi hố đào vài ft đối với hố đào hở hoặc cut-and-cover, nhưng cũng có thể được lắp đặt ngay bên ngoài hầm đào, nơi dữ liệu chuyển vị ngang có thể được kết hợp với dữ liệu chuyển vị đứng từ các thiết bị đo giãn dài đã thảo luận ở trên.

Thuật ngữ “inclinometer truyền thống” được dùng ở đây để phân biệt thiết bị đọc thủ công với các thiết bị “in-place” được mô tả bên dưới. Vấn đề chính với inclinometer truyền thống là thời gian tiêu tốn trong quá trình quan trắc.

Các số đọc được thực hiện hai lần trong mỗi lượt quan trắc: một lần với đầu dò đặt theo hướng “A” của các rãnh dẫn, sau đó lặp lại với đầu dò theo hướng “B”. Một quy trình “check sum” được thực hiện bằng cách kiểm tra tổng của hai số đọc tại cùng độ sâu, cách nhau 180 độ, để loại bỏ khỏi tính toán mọi độ trôi dài hạn của các transducer.

Thông thường cần khoảng 45 phút để một người đọc thu thập dữ liệu từ một thiết bị sâu 100 ft, với giả định không có dấu hiệu chuyển vị quá mức; nếu phát hiện, có thể cần một bộ số đọc khác để xác nhận rằng các chuyển vị là thật, chứ không phải do lỗi đọc hoặc sự cố thiết bị.

15.2.2.10 Inclinometer in-place

Inclinometer in-place thường được dùng để quan trắc biến dạng dưới mặt đất quanh các hố đào, khi cần quan trắc nhanh hoặc khi các vị trí lắp thiết bị khó tiếp cận để đọc thủ công liên tục.

Các cảm biến là các transducer cảm nhận trọng lực, điều khiển bằng máy tính, được nối thành chuỗi bằng các thanh khớp nối. Chúng có thể được lắp đặt cách đều nhau trong ống vách hoặc tập trung tại các vùng dự kiến có chuyển vị.

Với thiết bị in-place, có thể có đến mười hai cảm biến hoặc ít hơn được đặt trong ống vách và để lại bán cố định tại chỗ. Số lượng cảm biến lớn hơn sẽ khó lắp trong lỗ khoan kích thước tiêu chuẩn, vì mỗi cảm biến có bộ dây tín hiệu riêng chiếm không gian; số lượng cảm biến rất lớn có thể đòi hỏi lỗ khoan có đường kính lớn bất thường.

Tín hiệu được truyền đến datalogger ở mặt đất và có thể được thu thập thường xuyên theo yêu cầu, hoặc thậm chí truyền qua đường dây điện thoại đến máy tính cơ sở dữ liệu để gần như quan trắc theo thời gian thực.

So với thiết bị truyền thống, phần cứng inclinometer in-place đắt và phức tạp hơn. Điều này đôi khi có thể được bù đắp phần nào bằng cách tháo các cảm biến khỏi một thiết bị đã bỏ qua và lắp chúng tại vị trí mới khi hố đào tiến triển.

Một nhược điểm không dễ khắc phục của thiết bị in-place là nếu có độ trôi dài hạn ở bất kỳ cảm biến nào, thì không thể xử lý bằng quy trình “check sum” đã mô tả ở trên. Cũng đúng là số lượng cảm biến khá hạn chế trong một lắp đặt in-place tiêu chuẩn sẽ tạo ra biểu đồ chuyển vị kém mượt hơn so với biểu đồ có thể đạt được bằng inclinometer truyền thống.

15.2.2.11 Convergence Gages

Convergence Gages có thể được dùng để quan trắc sự khép lại của nền đất qua các hố đào hở hoặc hầm đào. Trong trường hợp thứ nhất, chúng thực hiện chức năng tương tự inclinometer, mặc dù có ít điểm dữ liệu hơn nhiều nên khó cung cấp bức tranh đầy đủ về chuyển vị.

Trong chức năng thứ hai, chúng phát hiện sự phân bố lại tải trọng trong và sau khi đào, cũng như mức độ mà tương tác kết cấu/nền đất tạo thành ảnh hưởng đến hình dạng hầm và lining.

Cho đến nay, loại gage điển hình là Tape Extensometer, gồm một thước dây thép có các lỗ đục cách nhau 50 mm (xem Hình 15-12). Các neo xác định các điểm quan trắc gồm các eyelet ở đầu các thanh thép có ren, được khoan cấy vữa và kéo dài vào trong nền đất khoảng 1 ft (Hình 15-13).

Lực căng trong thước dây được kiểm soát bằng lò xo nén, và việc tiêu chuẩn hóa lực căng được thực hiện bằng cách xoay collar cho đến khi các vạch khắc thẳng hàng. Sau khi gắn extensometer vào các neo và tiêu chuẩn hóa lực căng, số đọc khoảng cách được lấy bằng cách cộng số đọc trên đồng hồ chỉ thị vào số đọc trên thước dây.

Trong một hầm đào điển hình, bố trí neo gồm một neo ở mỗi sidewall tại cao độ springline và một neo càng gần tâm crown hầm càng tốt. Ba số đọc được lấy theo dạng hình lều, và kết quả cho biết liệu kết cấu chống đỡ hầm có đang ứng xử theo cách dự đoán được hay không.

Đối với các hầm rất lớn, bố trí có thể giống hình thang hoặc các tam giác chồng lấn hơn, khi đó cần lắp đặt thêm các neo. Các số đọc này chỉ là số đọc tương đối; nếu cần thay đổi cao độ tuyệt đối, việc này thường được thực hiện bằng cách khảo sát vị trí neo nằm tại crown. Việc lắp đặt trực tiếp ở điểm cao nhất của crown hiếm khi thực hiện được do có các tuyến thông gió và các đường ống/dây khác.

Dù hầm được đào bằng phương pháp đào mỏ truyền thống hay bằng TBM, điều quan trọng là phải lắp đặt các neo và bắt đầu đọc số liệu vào thời điểm sớm nhất có thể, trước khi nền đất bắt đầu “làm việc”. Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng thực hiện được, đặc biệt trong hầm TBM, vì ngay cả khi các neo có thể được lắp đặt kịp thời, vẫn có hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm ft thiết bị phụ trợ phía sau khiến việc kéo căng Tape Extensometer gần như không thể thực hiện được.

Điều này có nghĩa là các phép đo có thể chưa bắt đầu cho đến khi máy đã đi qua điểm quan trắc một khoảng khá xa, và không thể có được thông tin về tổng chuyển vị tính từ thời điểm ban đầu. Vì lý do này, có vẻ nhiều khả năng rằng một giải pháp thay thế Tape Extensometer sẽ là lựa chọn tốt cho việc quan trắc convergence của hầm trong tương lai, và giải pháp đó sẽ ở dạng distometer.

Thiết bị này nhỏ, cầm tay, và có thể được dùng để xác định rất chính xác khoảng cách đến mục tiêu bằng cách phát ra tia laser hoặc chùm hồng ngoại phản xạ từ mục tiêu và được chính thiết bị đó thu nhận. Bằng cách lắp đặt các giá đỡ hoặc bu lông có gắn mục tiêu tại những vị trí mà các eyelet của Tape Extensometer thường được bố trí, nhân sự quan trắc có thể phát hiện sự thay đổi hình dạng của hầm mà không cần kéo căng một kết nối vật lý giữa các điểm.

Vẫn còn vấn đề là một vật thể vật lý — chẳng hạn như thiết bị phụ trợ phía sau TBM — nằm giữa các mục tiêu sẽ cản trở đường ngắm của distometer và vẫn không cho phép đo theo dạng hình lều tiêu chuẩn. Bằng cách bố trí hợp lý các giá đỡ và mục tiêu bổ sung tại các mặt cắt quan trắc, có thể thu thập dữ liệu bằng cách làm việc xung quanh thiết bị phụ trợ trong hầm TBM, với các dạng đo giống các hình thang hoặc các tam giác chồng lấn đã nêu ở trên.

15.3 QUAN TRẮC CÁC KẾT CẤU HIỆN HỮU

15.3.1 Mục đích quan trắc

Nếu các bộ phận khác nhau của một kết cấu dịch chuyển đồng đều, dù với độ lớn lớn, hư hại có thể rất nhỏ, thậm chí không xảy ra, ngoại trừ có thể đối với các tuyến tiện ích xuyên qua kết cấu, chẳng hạn như đường ống nước, vốn có thể không tự thích nghi được với các chuyển vị như vậy.

Tuy nhiên, hầu hết các kết cấu chịu ảnh hưởng bởi thi công thường phản ứng bằng cách các bộ phận gần hố đào dịch chuyển nhiều hơn các bộ phận ở xa hơn. Chuyển vị vi sai này là nguyên nhân chính gây hư hại do thi công, vì kết cấu bị ảnh hưởng có thể phải chịu các lực mà nó không được thiết kế để kháng lại.

Ví dụ, một công trình có móng một bên bị lún trong khi phía còn lại không lún sẽ bị nghiêng toàn bộ, và hiện tượng racking sau đó có thể gây nứt hoặc bong tróc một số chi tiết kiến trúc, kẹt cửa đi và cửa sổ, hoặc trong trường hợp xấu nhất là phá hoại một hoặc nhiều cấu kiện chịu lực.

Một cầu có các móng chịu chuyển vị vi sai có thể trải qua các biến dạng kéo dài đến mức gần như xé rách kết cấu. Nhìn chung, phát hiện lún là tuyến phòng vệ đầu tiên trong việc bảo vệ các công trình hiện hữu, dù là trên mặt đất như đường bộ, công trình, cầu, hay dưới mặt đất như tuyến tiện ích, hầm giao thông công cộng hoặc các hầm đường bộ khác.

Việc phát hiện nghiêng cũng có thể hữu ích và ngày càng phổ biến khi các thiết bị quan trắc phát triển theo hướng tự động hóa cao hơn. Hình thức quan trắc đơn giản nhất là phát hiện và theo dõi sự tách khe nối và sự phát triển vết nứt trong bê tông kết cấu hoặc các lớp hoàn thiện kiến trúc. Mục tiêu là phát hiện và giảm thiểu một phần hoặc toàn bộ các chuyển vị này trước khi chúng trở nên nghiêm trọng đến mức gây hư hại lớn hoặc có thể tạo thành nguy cơ mất an toàn.

15.3.2 Thiết bị, ứng dụng, giới hạn

Tương tự như hệ thống thiết bị quan trắc chuyển vị nền đất, có một số lựa chọn về thiết bị quan trắc:

• Điểm quan trắc biến dạng (Deformation Monitoring Points)
• Điểm quan trắc kết cấu (Structural Monitoring Points)
• Máy toàn đạc robot (Robotic Total Stations)
• Tiltmeter
• Điểm quan trắc tuyến tiện ích (Utility Monitoring Points)
• Inclinometer nằm ngang (Utility Monitoring Points)
• Liquid Level Gage
• Cảm biến nghiêng trên dầm (Utility Monitoring Points)
• Crack Gage

15.3.2.1 Điểm quan trắc biến dạng

Các điểm quan trắc biến dạng trên đường bộ, đường phố hoặc pavement có thể đơn giản chỉ là các vạch sơn được khảo sát định kỳ. Tuy nhiên, sơn có nhược điểm là có thể gây mất thẩm mỹ, có thể bị mòn theo thời gian, và có thể không thể hiện một điểm đơn nhất để các khảo sát viên quay lại đo lặp đi lặp lại nhằm bảo đảm tính liên tục tốt của dữ liệu.

Một phương án tốt hơn là một thiết bị nhỏ dạng bu lông, đặt trong sleeve giãn nở, có thể được lắp vào một lỗ nhỏ khoan trong bê tông hoặc asphalt như thể hiện ở Hình 15-14. Điểm này nên có đầu tròn hơi nhô lên, với một điểm cao nhất ổn định, luôn dễ tìm thấy bởi khảo sát viên khi tìm cùng một vị trí không đổi để đặt mia đo.

Điều quan trọng là điểm này không được nhô lên quá nhiều, vì khi đó nó có thể trở thành nguy cơ vấp ngã hoặc dễ bị hư hỏng do thiết bị như máy xúc tuyết. Mặc dù các điểm này không đắt để mua và lắp đặt, chi phí cuối cùng của các điểm quan trắc biến dạng có thể trở nên tương đối cao nếu việc thu thập dữ liệu diễn ra dày đặc, vì nó phụ thuộc vào việc huy động các đội khảo sát.

Ngoài ra, kiểu quan trắc này không phải lúc nào cũng tuyệt đối chắc chắn, vì khảo sát viên không nhất thiết phải chú ý đến nhu cầu đạt độ chính xác cao như các chuyên gia quan trắc mong muốn. Dữ liệu tạo ra theo cách này rất thường thể hiện khá nhiều “flutter”, tức là các chuyển vị lên-xuống biểu kiến không có thật, mà chỉ là kết quả của sự không nhất quán trong quá trình khảo sát.

Những sự không nhất quán này có thể phát sinh từ việc thay đổi nhân sự trong các đội khảo sát, điều thường xảy ra do tính chất của công việc. May mắn là không cần độ chính xác cực cao trong phần lớn quan trắc bề mặt pavement này, nên nếu khảo sát viên có thể phát hiện đáng tin cậy các thay đổi cỡ 1/4 in hoặc tương đương, thì thường là đủ.

15.3.2.2 Điểm quan trắc kết cấu

Điểm quan trắc kết cấu là các điểm khảo sát được đặt trực tiếp lên các kết cấu cần quan tâm, thường được lắp trên tường đứng của công trình hoặc trên một cấu kiện kết cấu của cầu (xem Hình 15-15).

Ngoại trừ công trình nhà, hầu hết các kết cấu đều có thể chấp nhận loại điểm quan trắc phù hợp nhất, và các “điểm” này có thể có nhiều dạng. Đơn giản nhất là một vết khắc rất nhỏ, có thể được đội khảo sát dễ dàng tìm thấy trong mỗi lần quan trắc. Một điểm tương tự là mục tiêu dạng nhãn dán, hơi dễ nhìn thấy hơn nhưng có thể tháo bỏ dễ dàng khi không còn cần thiết.

Một vấn đề với các xử lý bề mặt như vậy là, đặc biệt đối với công trình nhà, điểm quan trắc có thể chỉ nằm trên một lớp hoàn thiện mặt ngoài chuyển vị độc lập với các cấu kiện kết cấu bên dưới, trong khi chính chuyển vị của các cấu kiện này mới là điều quan trọng cần phát hiện. Có thể khắc phục bằng cách lắp đặt một thiết bị dạng bu lông xuyên đến kết cấu bên dưới, để cho chỉ số đúng hơn về các chuyển vị đang xảy ra.

Việc lựa chọn điểm quan trắc thường phụ thuộc vào mong muốn của chủ sở hữu hoặc người quản lý công trình, những người có thể phản đối tính dễ thấy hoặc khả năng gây hư hại của bất kỳ thiết bị nào được lắp đặt. Khả năng hư hại cũng có thể kéo dài đến giai đoạn sau thi công, khi điểm quan trắc phải được tháo bỏ và vá lại — điều mà bên cho phép lắp đặt thường yêu cầu.

Do đó, có thể cần sửa chữa các dấu vết để lại sau khi tháo bỏ, bao gồm dùng dung môi, trám đầy, bả vá, đánh bóng, sơn hoặc thay thế để phục hồi đạt yêu cầu.

Một vấn đề cần đặc biệt lưu ý khi sử dụng các điểm quan trắc kết cấu là việc phải phụ thuộc vào các kỹ sư đo đạc để thu thập dữ liệu. So với đường bộ và vỉa hè, hầu hết các kết cấu có các yêu cầu rất chặt chẽ về chuyển vị cho phép — chuyển vị kích hoạt biện pháp giảm thiểu nhỏ hơn 1/4 inch (không bất thường) — vì vậy công tác đo đạc nhìn chung cần đạt mức độ chính xác cao hơn phần nào, không nhất thiết phải nghiêm ngặt như Class I, nhưng ít nhất phải được thực hiện cẩn thận hơn.

Một cách để đạt được điều này là tổ chức các buổi phổ biến, trong đó nhấn mạnh cho các kỹ sư đo đạc thực hiện công việc thấy tầm quan trọng của độ chính xác cao. Một cách khác (nếu điều kiện kinh tế tại thời điểm đó cho phép) là soạn thảo và thực thi hợp đồng đo đạc sao cho mỗi nhóm kết cấu luôn được quan trắc bởi cùng một tổ đội, sử dụng chính xác cùng một thiết bị. Bằng cách này, “nhiễu” có thể được giảm bớt, từ đó hạn chế nhu cầu để người diễn giải dữ liệu quan trắc phải lấy trung bình các đỉnh và đáy khi xác định liệu lún là thực hay chỉ là biểu kiến.

15.3.2.3 Trạm toàn đạc robot

Trạm toàn đạc robot được sử dụng để thu thập dữ liệu gần như theo thời gian thực về chuyển vị theo ba chiều, khi không khả thi để liên tục điều động các tổ đo đạc thu thập dữ liệu. Nguyên lý hoạt động của thiết bị toàn đạc, còn gọi là theodolite, dựa trên máy đo khoảng cách điện tử (EDM), sử dụng năng lượng điện từ để xác định khoảng cách và góc, với một máy tính nhỏ được tích hợp trực tiếp trong thiết bị.

Độ chính xác nhìn chung cao hơn nhiều so với phương pháp đo quang học cổ điển. Ngoài ra, thiết bị dựa trên EDM có khả năng phát hiện chuyển vị của mục tiêu dọc theo cả ba trục biểu diễn, tức là x, y và z. Các thiết bị toàn đạc dùng trong quan trắc địa kỹ thuật và kết cấu là thiết bị quang-điện tử và sử dụng laser hoặc ánh sáng hồng ngoại làm nguồn phát tín hiệu.

Trạm toàn đạc robot được cấu hình để đặt trên các mô-tơ điện nhỏ và tự quay quanh các trục của nó. Như minh họa ở Hình 15-16, chúng được gắn bán cố định và, theo các khoảng thời gian định trước, tự động “thức dậy” để ngắm vào các dãy lăng kính mục tiêu bằng thủy tinh đặc biệt, có thể cung cấp tín hiệu phản hồi tốt từ nhiều góc khác nhau.

Các lăng kính mục tiêu, có đường kính khoảng 2 đến 3 inch, được lắp trên các kết cấu cần quan trắc, còn thiết bị toàn đạc được lắp trên các kết cấu khác cách xa tới 300 feet. Tốt nhất là lắp thiết bị toàn đạc bên ngoài vùng ảnh hưởng dự kiến để bảo đảm chắc chắn việc đo chuyển vị mục tiêu được chính xác. Tuy nhiên, thông lệ tiêu chuẩn là lắp một số lăng kính cố định bên ngoài vùng ảnh hưởng để chúng trở thành các điểm tham chiếu, từ đó trạm toàn đạc có thể xác định vị trí của chính nó và tính toán vị trí của các lăng kính khác có thể chịu chuyển vị.

Đường ngắm thông thoáng từ trạm toàn đạc đến các lăng kính mục tiêu là yêu cầu bắt buộc, vì vậy cần lập kế hoạch cẩn thận để bố trí đúng vị trí. Dữ liệu được ghi lại bằng máy tính tích hợp của trạm toàn đạc và có thể được truyền về máy tính cơ sở dữ liệu tập trung bằng đường dây điện thoại hoặc tín hiệu vô tuyến.

Một vấn đề lớn khi sử dụng trạm toàn đạc robot là chi phí ban đầu. Tùy theo số lượng mua, chi phí của các lăng kính mục tiêu chất lượng cao có thể dao động từ 80 đến 200 đô la mỗi cái theo giá năm 2009. Bản thân các trạm toàn đạc có thể có giá từ 30 đến 40 nghìn đô la mỗi thiết bị và nhìn chung cần có dịch vụ của chuyên gia để lắp đặt và bảo trì. Tuy nhiên, đối với nhiều dự án mà cần dữ liệu gần như theo thời gian thực về chuyển vị kết cấu, đây có thể là hệ thống quan trắc duy nhất có khả năng đáp ứng mọi yêu cầu.

15.3.2.4 Thiết bị đo nghiêng (Tiltmeters)

Thiết bị đo nghiêng được dùng để đo sự thay đổi độ nghiêng của các cấu kiện kết cấu như sàn, tường, cột chống, mố và các cấu kiện tương tự, vốn có thể bị nghiêng khi nền đất bên dưới bị mất vào vùng đào đang tiến triển.

Thiết bị đo nghiêng thủ công thường gồm các điểm chuẩn trên các tấm gắn vào bề mặt cần quan tâm và được theo dõi bằng thiết bị đọc cầm tay, hoạt động dựa trên đầu đo gia tốc. Do cách bố trí này có thể phụ thuộc vào người vận hành và việc đọc số khá tốn công, đặc biệt ở những nơi khó tiếp cận liên tục, nên ngày càng phổ biến việc thu thập dữ liệu từ xa bằng các thiết bị đo nghiêng chạy điện. Bộ phận cảm biến của chúng có thể gồm đầu đo gia tốc hoặc đầu đo mực điện tử đặt trong các hộp gắn vào cấu kiện cần theo dõi.

Nếu chỉ dự kiến chuyển vị theo một phương, có thể chọn thiết bị một trục; nhưng nếu có khả năng xảy ra tổ hợp chuyển vị, cần dùng thiết bị hai trục. Hình 15-18 minh họa một thiết bị đo nghiêng hai trục.

Vì thiết bị đo nghiêng chỉ cho biết các thành phần chuyển động quay, dữ liệu phải được kết hợp với dữ liệu từ các thiết bị khác để xác định mức độ lún có thể ảnh hưởng đến kết cấu.

Các vị trí lắp đặt thiết bị đo nghiêng khó khăn nhất là những vị trí yêu cầu lắp trên các cấu kiện kết cấu bên trong một tòa nhà đang có người sử dụng. Ngay cả thiết bị đọc thủ công, với tấm gắn phẳng đường kính 6 đến 8 inch, cũng khá gây chú ý về mặt thị giác và có thể bị người quản lý tòa nhà phản đối.

Thiết bị đo nghiêng đọc từ xa còn dễ gây vướng mắt hơn vì chúng cần được đấu dây cấp điện và kết nối với bộ ghi dữ liệu có nguồn điện, thường phải có kết nối điện thoại nếu cần dữ liệu thời gian thực thực sự.

Trong cộng đồng quan trắc vẫn còn có tranh luận về cao độ lắp đặt tốt nhất cho các thiết bị này: một số người chọn các tầng thấp, trong khi một số khác chọn các tầng cao hơn, nơi chuyển vị tuyệt đối của tường — dù có lẽ không phải độ nghiêng đúng nghĩa — sẽ lớn hơn. Lập luận thường phụ thuộc vào người quản lý tòa nhà, người thường chỉ cho phép lắp đặt các thiết bị này ở tầng hầm để chúng ít gây vướng hơn.

15.3.2.5 Điểm quan trắc công trình tiện ích

Điểm quan trắc công trình tiện ích là các thiết bị rất đơn giản, dùng để xác định liệu một công trình tiện ích hiện hữu, chẳng hạn như đường ống nước, có đang bị lún do hoạt động đào ở gần hoặc bên dưới hay không.

Thiết bị gồm một ống nhỏ, ở đầu có điểm đo đạc bo tròn hoặc bố trí để dùng thước lá đo khe hở. Ống này được đặt bên trong một đoạn ống casing lớn hơn, gắn với hộp trên mặt đường để bảo vệ bề mặt. Đầu dưới của ống nhỏ được gắn vào đỉnh của công trình tiện ích cần quan trắc, và dữ liệu được thu thập bằng cách xác định xem phần đỉnh đó có đang di chuyển xuống dưới hay không.

Tuy nhiên, thiết bị này chỉ hoạt động tốt nếu công trình tiện ích được để lộ trong hào, và ống bên trong của thiết bị được gắn trước khi công trình tiện ích được lấp lại bằng vật liệu đắp. Khi cố lắp đặt thiết bị như vậy cho một công trình tiện ích không được để lộ, có thể xảy ra một trong hai tình huống: (a) do vị trí công trình tiện ích hiếm khi được biết chắc chắn tuyệt đối, có nguy cơ người khoan sẽ xuyên vào công trình tiện ích, dẫn đến một vấn đề lớn hơn cả vấn đề mà đường hầm mới đang thi công có thể gây ra; và (b) trong phạm vi một lỗ khoan nhỏ, việc thực sự gắn ống quan trắc vào đỉnh công trình tiện ích là cực kỳ khó, vì vậy công trình tiện ích vẫn có thể lún mà thiết bị không cho thấy đúng mức độ nghiêm trọng thực sự của chuyển vị.

Trong trường hợp như vậy, phương án dự phòng tốt nhất là lắp đặt một Borros Point (Hình 15-4) hoặc một SPBX ở bên cạnh và tại độ sâu đáy của công trình tiện ích. Nếu chuyển động của đất được quan sát tại vị trí đó, đây có thể là chỉ dấu cho thấy quy trình đào cần được điều chỉnh để kiểm soát vấn đề. Tùy thuộc vào kích thước và độ cứng, công trình tiện ích có thể bắc qua vùng nhiễu động và không gặp nguy hiểm tức thời, nhưng độ lún của nền đất đến một mức nhất định có thể là dấu hiệu cho thấy chuyển vị cần được chặn lại trước khi trở nên nghiêm trọng.

15.3.2.6 Thiết bị đo nghiêng ngang

Thiết bị đo nghiêng ngang đơn giản là các thiết bị đo nghiêng được đặt nằm ngang, và các đầu đo trong đầu dò (thiết bị thông thường) hoặc các cảm biến (thiết bị lắp cố định tại chỗ) được bố trí sao cho các trục nhạy vuông góc với chiều dài của ống (Hình 15-19).

Theo cách này, thiết bị đo nghiêng sẽ đo chuyển vị thẳng đứng thay vì chuyển vị ngang của kết cấu được gắn thiết bị. Một ứng dụng của thiết bị đo nghiêng ngang là xác định độ lún của công trình tiện ích dọc theo một đoạn cần dữ liệu liên tục, điều mà các điểm quan trắc công trình tiện ích hoặc extensometer mô tả ở trên không thể cung cấp.

Do khó tiếp cận liên tục để quan trắc, kiểu lắp đặt thiết bị đo nghiêng như vậy nhiều khả năng sẽ dùng thiết bị lắp cố định tại chỗ có thể đọc từ xa; nhưng ngay cả khi đó, việc tiếp cận vẫn có thể gây ít nhiều khó khăn.

Nếu công trình tiện ích đủ lớn và dòng chảy chứa bên trong có thể kiểm soát được, casing của thiết bị đo nghiêng có thể được luồn qua và gắn vào mái bên trong của kết cấu được quan trắc. Nếu công trình tiện ích quá nhỏ để đi vào hoặc chất lỏng không thể kiểm soát được, thì công trình đó cần được để lộ trong hào để gắn thiết bị vào bên ngoài, rồi lấp lại.

Trong cả hai trường hợp, cần bố trí dây dẫn chạy đến một datalogger để phục vụ quan trắc gần như thời gian thực. Khó khăn trong tiếp cận để lắp đặt là một nhược điểm rõ ràng; tuy nhiên, khi không còn nhu cầu quan trắc, luôn có thể thu hồi các cảm biến đắt tiền để tái sử dụng.

Nếu có thể đi vào công trình tiện ích để lắp đặt, thì cũng có thể thực hiện việc thu hồi. Nếu thiết bị được lắp đặt rồi bị lấp bằng vật liệu đắp, cần bố trí một hố ga nhỏ để tiếp cận đầu tham chiếu và dây dẫn; từ đó có thể tháo các cảm biến và dây dẫn đi.

15.3.2.7 Thiết bị đo mực chất lỏng

Thiết bị đo mực chất lỏng là hệ thống các cảm biến được lắp đặt thành một dãy, đo chiều cao cột nước trong từng thiết bị đo như thể hiện ở Hình 15-20. Các thiết bị đo cảm biến được nối bằng các ống hoặc đường ống nhỏ có đường kính từ 1/4 đến 1 inch với một thiết bị đo tham chiếu nằm ngoài vùng ảnh hưởng. Thiết bị đo tham chiếu thực chất là một bình chứa, trong đó chất lỏng được chứa thường được giữ dưới áp suất để tránh các ảnh hưởng không mong muốn của sự thay đổi áp suất khí quyển.

Chất lỏng lấp đầy hoàn toàn tất cả các ống trong toàn bộ dãy thành phần; không phần chất lỏng nào tiếp xúc với khí quyển bên ngoài, vì vậy hệ thống này được gọi là hệ thống kín có áp. Khi chất lỏng luôn ở cùng một cao độ, độ lún tại các vị trí được quan trắc được biểu thị bằng sự thay đổi chiều cao của các cột nước trong các thiết bị đo so với vỏ thiết bị đo, vốn đang dịch chuyển.

Tín hiệu đầu ra thường được tạo ra bởi LVDT hoặc các đầu đo lực dạng dây rung. Các hệ thống kín này nhỏ và linh hoạt, có thể được cấu hình để phù hợp với các bố trí phức tạp của nhiều kết cấu được quan trắc. Số đọc được thu thập từ xa thông qua hệ thống dây dẫn nối với bộ ghi dữ liệu. Các hệ thống này thường được lắp đặt trong hoặc trên kết cấu, nơi cần đo lún liên tục với độ chính xác vài milimét và nơi việc tiếp cận liên tục để bảo trì không phải là vấn đề lớn.

Việc bảo trì là bắt buộc đối với các hệ thống này, vì vậy vấn đề tiếp cận phải được xem xét nghiêm túc. Trong quá trình lắp đặt, vốn phải được thực hiện rất cẩn thận, hệ thống phải được nạp bằng nước đã khử khí, sau đó được xả để bảo đảm không còn bọt khí bên trong. Đây là một lý do khiến hầu hết các lắp đặt sử dụng một dạng ống nhựa bán trong suốt; nó cho phép phát hiện bọt khí bằng mắt và giúp việc xả khí dễ hơn. Điều này rất quan trọng vì bọt khí sẽ di chuyển đến các điểm cao trong ống hoặc đến chính các cảm biến, và có thể làm cho số đọc rất không chính xác hoặc thậm chí làm ngừng hoạt động toàn bộ hệ thống. Sau đó, trong quá trình vận hành, bọt khí xuất hiện là điều rất phổ biến dù việc lắp đặt đã được thực hiện cẩn thận. Điều này có thể xảy ra do rò rỉ từ bên ngoài, do các lượng khí rất nhỏ thoát ra khỏi dung dịch và tích tụ lại, v.v. Điều thú vị là việc tạo áp cho hệ thống có thể ức chế sự hình thành bọt khí, nhưng không bao giờ ngăn được hoàn toàn. Không có hệ thống kín nào miễn nhiễm với vấn đề này, và các lần bảo trì để xả khí và khử khí có thể cần thực hiện thường xuyên, thậm chí mỗi 6 đến 8 tuần. Đây là lý do việc duy trì khả năng tiếp cận hệ thống được tạo áp khép kín lại quan trọng đến vậy.

Vấn đề bảo trì phần lớn có thể được khắc phục thông qua việc sử dụng hệ thống kênh hở, gồm các cảm biến được nối bằng các ống chỉ được đổ nước đầy một nửa như trong Hình 15-21. Do thông với khí quyển, cả chất lỏng lẫn cảm biến đều không bị ảnh hưởng bởi vấn đề bọt khí. Chúng có thể được lắp đặt với chiều dài lên đến vài nghìn feet, vận hành trong nhiều tháng mà hầu như không cần bảo trì, và vẫn phát hiện được chuyển vị với độ chính xác dưới milimét. Tuy nhiên, các hệ thống như vậy thường lớn, nặng do hệ thống ống, đôi khi khó lắp đặt trong các kết cấu có bố trí phức tạp, và có chi phí ban đầu cao hơn nhiều so với các hệ thống kín nhỏ hơn. Hiện nay, chỉ có một vài hệ thống kênh hở được lắp đặt ở Hoa Kỳ, và chỉ một hoặc hai đơn vị doanh nghiệp có chuyên môn trong việc chế tạo và lắp đặt chúng. Có vẻ như chúng sẽ xuất hiện nhiều hơn trong tương lai nếu việc thu nhỏ các bộ phận có thể làm giảm giá mua và giúp việc lắp đặt nhanh hơn, dễ dàng hơn.

15.3.2.8 Cảm biến nghiêng trên dầm

Cảm biến nghiêng trên dầm, khi được chế tạo để quan trắc thay đổi cao độ thay vì chỉ đo độ nghiêng, bao gồm các cảm biến gắn vào các thanh hoặc dầm kim loại, trong đó các dầm được liên kết với nhau bằng khớp xoay (Hình 15-22). Bằng cách quan trắc sự thay đổi độ nghiêng của từng cảm biến và biết chiều dài của từng dầm dài khoảng ± 5 ft, người sử dụng có thể tính toán thay đổi cao độ của từng khớp xoay so với mốc chuẩn. Cao độ tương đối của từng cảm biến và dầm được thiết lập tại hiện trường, và dữ liệu thay đổi cao độ được xác định bằng cách thực hiện một lần quét số đọc ban đầu, gọi là bộ số liệu tham chiếu, sau đó trừ toán học các số đọc trong lần quét đó khỏi từng lần quét tiếp theo. Tất cả dữ liệu thay đổi cao độ được quy chiếu về một đầu của hệ thống được xác định là mốc chuẩn. Lý tưởng nhất là mốc chuẩn nằm trong một khu vực ổn định, không có khả năng dịch chuyển, và cao độ tuyệt đối của nó thường được xác định bằng một lần đo cao quang học ban đầu. Việc tích hợp dữ liệu là một quá trình lặp, vì độ lún được tính toán từ cảm biến này sang cảm biến khác. Số đọc được thu thập bằng cách kết nối hệ thống với một bộ ghi dữ liệu để quan trắc gần như theo thời gian thực.

Các hệ thống lắp đặt như vậy có thể hoạt động trên cầu, lan can của tòa nhà, tường hoặc lối đi an toàn của các hầm hiện hữu, hoặc thậm chí trên đường ray. Tuy nhiên, chúng phụ thuộc vào việc cảm nhận chuyển động cơ học của một chuỗi các bộ phận, và các bộ phận này cần được bảo vệ khỏi nhiễu càng nhiều càng tốt. Nếu được lắp đặt ở nơi có công nhân hoặc thiết bị di chuyển, chúng phải được bảo vệ bằng cách lắp vỏ kim loại hoặc các nửa ống bằng vỏ nhựa dày. Một vấn đề tiềm ẩn khác xuất phát từ sự thay đổi nhiệt độ, đặc biệt là ngoài trời, nơi có thể tiếp xúc với thời tiết khắc nghiệt hoặc thay đổi rất lớn. Mặc dù các cảm biến có thể hoạt động tốt như trong bất kỳ kiểu lắp đặt nào khác, chẳng hạn trong vỏ tiltmeter, các dầm và khớp xoay là kim loại và chịu ảnh hưởng nhiệt, có khả năng làm sai lệch dữ liệu theo những cách không lường trước. Người dùng cần lưu ý rằng nếu chỉ một cảm biến hoặc tổ hợp cảm biến/dầm bị hỏng vì bất kỳ lý do nào và cần thay thế, thì toàn bộ chuỗi cảm biến và dầm sẽ cần được khởi tạo lại.

15.3.2.9 Thiết bị đo vết nứt

Thiết bị đo vết nứt, đôi khi còn gọi là jointmeter, khi được lắp đặt trên kết cấu, thường được sử dụng để quan trắc các vết nứt trong bê tông hoặc vữa trát, hoặc để xác định liệu chuyển vị qua các khe nối có vượt quá giới hạn thiết kế của kết cấu hay không. Sự xuất hiện đầu tiên của vết nứt có thể là một chỉ số về tình trạng kết cấu bị ảnh hưởng, và sự phát triển của chúng, theo bề rộng hoặc chiều dài, có thể là một chỉ số cho thấy ứng suất đang tăng, tương tự như việc khe co giãn tiếp tục mở rộng. Có một số cách để đo các chuyển vị này; chỉ hai cách phổ biến nhất được trình bày ở đây.

Có một số loại thiết bị đo điện, nhưng phần lớn dựa trên bố trí các chốt được gắn ở hai phía đối diện của khe nối hoặc vết nứt, trong đó các chốt được nối với nhau bằng các thanh nối trượt, và chuyển vị vi sai của chúng được phát hiện bằng một bộ chuyển đổi tích hợp. Bộ chuyển đổi phổ biến nhất là biến áp vi sai tuyến tính (LVDT), gồm một lõi từ di động đi qua một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. Số đọc phụ thuộc vào việc phát hiện và đo sự chênh lệch giữa các điện áp tạo ra trong các cuộn thứ cấp, mà độ lớn của chúng phụ thuộc vào vị trí gần xa của lõi từ di động so với các cuộn thứ cấp. Người dùng có thể ưu tiên thu tín hiệu đo bằng cách sử dụng một bộ phát vô tuyến công suất thấp nhỏ lắp tại vị trí thiết bị, nhằm tránh việc truyền dòng điện xoay chiều qua các dây dẫn dài có thể gây suy giảm tín hiệu đầu ra do ảnh hưởng của cáp.

15.4 BIẾN DẠNG HẦM

15.4.1 Mục đích quan trắc

Khi thiết kế hệ chống đỡ kết cấu tạm thời hoặc vĩnh viễn cho hầm, các tính toán được thực hiện để dự đoán các dạng chuyển vị và ứng suất mà hệ chống đỡ có thể chịu một cách an toàn trước khi có nguy cơ phá hoại. Nhiệm vụ của các chuyên gia instrumentation là theo dõi các chuyển vị và ứng suất đó, đồng thời cung cấp hướng dẫn về việc hệ chống đỡ hoặc quá trình thi công có cần được điều chỉnh để bảo đảm an toàn ngắn hạn và ổn định dài hạn của hầm hoàn thiện hay không.

Đối với hố đào có chống, thông lệ tiêu chuẩn là đo tải trọng trên một số cấu kiện chống đỡ, và thường kết hợp các số liệu này với đo độ võng của cấu kiện chống đỡ nếu việc đo chuyển vị nền đất bên ngoài hệ chống đỡ không đủ để cung cấp bức tranh đầy đủ về hiệu quả làm việc của hệ chống đỡ. Cũng có thể quan trắc các hành vi quan trọng liên quan đến hiệu quả làm việc của soldier piles, slurry walls, struts, tiebacks và các bộ phận khác của hố đào mở hoặc hố đào cut-and-cover. Trong hầm đào bằng máy, thường sử dụng đo độ võng như tuyến phòng vệ đầu tiên trước các diễn biến bất lợi, vì độ lệch tâm trong chuyển động của nhiều cấu kiện chống đỡ, chẳng hạn như ribs, khiến việc đo ứng suất và tải trọng phức tạp hơn nhiều và dễ có cách diễn giải khác nhau hơn so với hố đào có chống.

15.4.2 Thiết bị, ứng dụng, hạn chế

Việc quan trắc bản thân hầm tương tự như quan trắc chuyển vị nền đất, sử dụng các thiết bị sau:

• Điểm quan trắc biến dạng
• Inclinometer trong tường vây bùn
• Thiết bị đo biến dạng gắn trên bề mặt
• Load cell
• Thiết bị đo hội tụ
• Máy toàn đạc robot

15.4.2.1 Điểm quan trắc biến dạng

Điểm quan trắc biến dạng (DMP) trên các cấu kiện chống đỡ có nhiều dạng, nhưng đều có một điểm chung: chúng là các điểm bán cố định mà đội khảo sát có thể quay lại đo nhiều lần và chắc chắn rằng đang quan trắc đúng cùng một điểm. Một DMP có thể gồm một bulông ngắn đặt trong ống lồng giãn nở nếu được lắp trong một lỗ nhỏ khoan vào bê tông, chẳng hạn như tường vây bùn; hoặc có thể là đầu của bulông được hàn đính vào bề mặt thép, chẳng hạn đỉnh của soldier pile.

DMP có thể được đo dịch chuyển ngang và đứng để giúp xác định liệu các phần trên của hệ chống đỡ có bị “đá vào trong” hoặc có thể lún xuống khi nền đất dịch chuyển hay không. Nếu được lắp trên bề mặt đứng, đầu bulông phải đủ nhô ra để cho phép đặt mia lên đó. Nếu được lắp trên hoặc trên bề mặt nằm ngang, đầu bulông phải được bo tròn, đặc biệt nếu dùng để xác định chuyển vị đứng, vì cùng lý do mà cần một DMP dạng đầu tròn khi quan trắc đường bộ và đường phố.

Nếu DMP chỉ là một bản phẳng, người cầm mia rất dễ đặt mia tại vị trí hơi khác nhau trong mỗi lần đo, đặc biệt khi cấu kiện chống đỡ được uốn cong vào trong, và điều này có thể gây sai số tích lũy trong các biểu đồ dữ liệu cao độ. Đối với các cấu kiện chống đỡ, nên tiến hành đo cao độ với độ chính xác tối thiểu 1/4 hoặc thậm chí 1/16 inch, và cần cố gắng làm cho việc này dễ dàng nhất có thể cho đội khảo sát.

Vấn đề lớn nhất đối với loại quan trắc này cũng giống như đã thảo luận trước đó về độ chính xác khảo sát: độ khó có thể lớn hơn trong trường hợp này vì đội khảo sát nhiều khả năng phải làm việc giữa khu vực thi công nặng, nên dễ bị vội vàng và/hoặc mất tập trung hơn.

15.4.2.2 Inclinometer trong tường vây bùn

Inclinometer trong tường vây bùn rất giống với các loại đã mô tả trước đó cho lắp đặt trong nền đất, ngoại trừ việc thường không cần khoan (Hình 15-26). Việc lắp đặt được thực hiện bằng cách buộc chặt ống vách thiết bị bên trong lồng thép của tấm tường khi cấu kiện này đang được chế tạo. Khi lồng thép được hạ xuống rãnh tường vây bùn, ống vách inclinometer đi cùng với nó và giữ nguyên tại chỗ khi bùn bị thay thế trong quá trình đổ bê tông.

Vì tường vây bùn thường được thiết kế để xuyên xuống dưới bất kỳ vùng chuyển vị dự kiến nào, đáy của ống vách inclinometer được xem là mốc tham chiếu không chuyển động, từ đó tính toán độ nghiêng của các điểm nông hơn dọc theo ống vách. Công tác quan trắc được thực hiện bằng cách chuyên gia instrumentation hạ đầu dò xuống đáy ống vách và thu thập số đọc khi kéo đầu dò trở lại mặt đất bằng tời.

Vấn đề lớn nhất với inclinometer trong kiểu lắp đặt này là về cơ bản không thể sửa chữa nếu có sự cố nghiêm trọng xảy ra. Ngoài ra, không thể thay thế thiết bị chỉ bằng cách khoan một ống vách mới vào bê tông cốt thép cách đó khoảng một hoặc hai foot. Nếu thiết bị được xem là tuyệt đối cần thiết, có thể khoan một ống mới vào nền đất ngay phía sau tường, nhưng các lỗ khoan dài thường có xu hướng lệch khỏi phương thẳng đứng — có thể theo hướng ra xa tường vây bùn — và nhiều khả năng thiết bị thay thế sẽ không thực sự phản ánh đúng hành vi của chính tường vây bùn.

Khả năng hư hỏng này là một lý do phản đối việc lắp đặt inclinometer tại chỗ trong loại hệ chống đỡ này. Tùy theo mức độ nghiêm trọng và chiều sâu của bất kỳ hư hỏng nào đối với ống vách, một số hoặc phần lớn các cảm biến đắt tiền có thể bị kẹt và không thể thu hồi.

15.4.2.3 Thiết bị đo biến dạng gắn bề mặt

Thiết bị đo biến dạng gắn bề mặt (Surface Mounted Strain Gages) thường được sử dụng để xác định ứng suất và tải trọng trong các thanh chống (strut) của hố đào có chống đỡ. Mặc dù có nhiều loại khác nhau, loại dây rung (vibrating wire) được sử dụng rộng rãi nhất do tín hiệu đầu ra ổn định dưới dạng tần số thay vì biên độ. Hình 15-27 trình bày sơ đồ của thiết bị đo biến dạng kiểu dây rung. Trong cấu tạo của thiết bị này, một đoạn dây thép được kẹp cố định ở hai đầu bên trong một vỏ nhỏ và được kéo căng để có thể dao động ở tần số riêng của nó. Tần số dao động thay đổi theo lực căng, mà lực căng này phụ thuộc vào mức độ nén hoặc kéo giãn của thanh chống được gắn thiết bị bằng hàn điểm hoặc bu lông. Dây được kích thích từ tính bởi thiết bị đọc, và sự thay đổi tần số được đo rồi chuyển đổi thành biến dạng; từ đó tiếp tục chuyển đổi thành ứng suất và tải trọng tác dụng lên cấu kiện được quan trắc thông qua mô đun vật liệu đã biết.

Mục đích của các phép đo là giúp kỹ sư thiết kế xác định tải trọng cho phép trong các thanh chống, đồng thời chuyên gia quan trắc sẽ thu thập dữ liệu để đánh giá liệu các thanh chống có đang tiến gần đến giới hạn thiết kế hay không. Các đầu đo thường được lắp cách đầu thanh chống khoảng 2 đến 3 lần đường kính hoặc bề rộng thanh chống nhằm tránh “hiệu ứng đầu mút” (end effects) làm giảm độ chính xác. Do thanh chống sẽ võng xuống dưới bởi trọng lượng bản thân ngay cả khi chưa chịu tải, gây nén ở phía trên và kéo ở phía dưới, cần phải lắp nhiều đầu đo bố trí quanh trục trung hòa và lấy giá trị trung bình để đạt được xấp xỉ gần đúng nhất của ứng suất lớn nhất.

Có nhiều vấn đề có thể xảy ra với các lắp đặt kiểu này, và việc lắp đặt cần được thực hiện hết sức cẩn thận bởi những người có kinh nghiệm tốt. Tuy nhiên, như đã nêu trong phần mở đầu, vấn đề lớn nhất của các loại quan trắc này có thể nằm ở chương trình nghị sự của các bên khác nhau, những người có thể cần hiểu dữ liệu và có thể thực hiện hành động để giảm thiểu các vấn đề rõ ràng. Các phép đo chuyển vị của nền đất và kết cấu nói chung được hầu hết những người liên quan đến công trình hầm hiểu được. Tuy nhiên, ứng suất và biến dạng đòi hỏi mức độ tinh vi nhất định để hiểu, và ngay cả trong nhóm những người có mức độ tinh vi đó, cách diễn giải ý nghĩa của dữ liệu vẫn có thể rất khác nhau. Việc các nhà thầu và tư vấn của họ cho rằng các thiết bị đo bị lỗi là điều rất thường gặp, rằng dữ liệu chưa được thu thập đúng cách, hoặc dữ liệu chưa được quy đổi đúng về các giá trị kỹ thuật hợp lý nếu việc thực hiện hành động giảm thiểu có thể gây cản trở hoạt động thi công ngoài hiện trường. Cũng như đã lưu ý trước đó, đây là lý do tại sao việc sử dụng thiết bị đo biến dạng có thể gặp nhiều phức tạp nếu dùng trên các sườn thép trong hầm đào mỏ. So với strut trong hố đào có chống, các sườn chịu tải trong uốn theo nhiều cách không thể dự đoán trước, và việc đặt strain gage ở các cấu hình tốt nhất, đúng nơi cần đặt, có thể rất khó khăn.

15.4.2.4 Load Cells

Load Cell nói chung là các cụm strain gage được nhúng trong các vỏ bảo vệ, đặt trong các hầm đang thi công có lắp đặt thiết bị quan trắc, theo cách sao cho lực tác dụng truyền qua các load cell. Vì các lý do đã nêu trong phần mô tả strain gage ở trên, transducer dây rung rất ổn định thường là các phần tử thu nhận dữ liệu làm cơ sở cho hầu hết các cấu hình load cell. Như thể hiện trong Hình 15-28, load cell là một “donut” bằng thép hoặc nhôm, trong đó một số transducer được lắp bên trong theo cách có thể đọc riêng từng transducer và lấy giá trị trung bình trong thiết bị đọc. Các transducer được bố trí sao cho một nửa đo biến dạng tiếp tuyến và một nửa đo biến dạng dọc trục. Việc tích hợp các đầu ra strain riêng lẻ giúp giảm sai số có thể phát sinh do tải trọng bị lệch trục hoặc tác dụng lệch tâm.

Mặc dù load cell có thể được lắp trên rockbolt được căng trong hầm đào mỏ, việc sử dụng chúng phổ biến hơn là trong các hố đào mở không có chống ngang. Ở đây, cell được lắp trên tieback gần mặt đá và được khóa chặt bằng các bản đệm chịu lực dày, vòng đệm và một đai ốc thép lớn. Trong hầu hết các trường hợp, thiết bị sẽ được nối dây để đọc từ xa vì nó sẽ được để lại tại chỗ trong một khoảng thời gian đáng kể, và thường sẽ không thể tiếp cận trực tiếp để thu thập dữ liệu khi hố đào đã vượt xuống dưới cao trình của cell trên tieback. Nếu một load cell có vẻ cho dữ liệu không đáng tin cậy, nguyên nhân có khả năng nhất là thiết bị bị lắp lệch trên trục của tieback. Phần lớn tieback được đặt nghiêng xuống chứ không lắp theo phương ngang; do đó, việc bố trí cẩn thận các bản đệm chịu lực và vòng đệm có chiều dày phù hợp là điều thiết yếu.

15.4.2.5 Convergence Gages

Convergence Gages có thể được sử dụng trên các kết cấu chống đỡ hầm, tương tự như khi dùng để quan trắc nền đất đã đào hầm như mô tả ở mục 15.2.2 phía trên. Trong phần lớn trường hợp, tốt nhất là quan trắc chính bản thân nền đất, vì điều này cho các số đọc chuyển vị ban đầu tốt ngay từ đầu. Tuy nhiên, nếu cần thiết vì bất kỳ lý do nào, các neo tương tự, eyelet, cradle và mốc ngắm cũng có thể được lắp đặt trên kết cấu chống bằng thép, lớp lót shotcrete, và lớp lót bê tông hoàn thiện. Như đã thảo luận trước đó, có vẻ như distometer nên được chọn để thay thế cho các tape extensometer cũ khi đo biến dạng méo.

Trong khai thác mỏ hiện đại, có những tình huống không thuận lợi cho việc đo chuyển vị nền đất từ chính hầm, do phương pháp chống đỡ nền đất được lựa chọn. Trường hợp phổ biến nhất là khi dùng TBM, trong đó các đốt bê tông đúc sẵn được dựng lên sau mỗi lần đẩy, tạo thành thêm 4 hoặc 5 ft vòng hầm hoàn chỉnh ngay phía sau shield. Các vòng tròn hoàn hảo về mặt lý thuyết này có thể bị biến dạng khi tải trọng nền đất hoặc các áp lực khác — giống như trong hầm liên tục vẫn đang thi công — bắt đầu tác dụng lên chúng. Lớp lót hầm có thể “oval” với trục dài thẳng đứng do áp lực bên lớn, hoặc “oval” với trục dài nằm ngang do áp lực thẳng đứng lớn hoặc áp lực bên nhỏ, khi hầm trở lại dạng liên tục.

Hầu hết các chỉ dẫn kỹ thuật quan trắc yêu cầu bắt đầu đo biến dạng càng sớm càng tốt, và thực hiện thường xuyên một hoặc hai lần mỗi ngày lúc đầu; sau đó lịch quan trắc giảm dần khi TBM lùi xa khỏi từng mặt cắt đo riêng lẻ. Tương tự như quan trắc chuyển vị nền đất, vấn đề phổ biến nhất đối với các phép đo biến dạng lớp lót này là khó thiết lập được các đường ngắm tốt ngay phía sau máy để đạt được số đọc ban đầu ứng với chuyển vị bằng không thật sự.

15.4.2.6 Robotic Total Stations

Robotic Total Stations, như đã mô tả đối với các công trình hiện hữu ở mục 15.3.2 phía trên, cũng có thể được dùng để quan trắc phần mở hầm đang thi công. Tuy nhiên, có thể có nhiều hạn chế hơn trong các lắp đặt dưới đất so với các lắp đặt liên quan đến các công trình trên mặt đất như đã trình bày ở trên.

Một thiết bị toàn đạc đặt trong hầm có thể cần được chống đỡ bằng giá đỡ chân rất ngắn, do thiếu không gian; tầm cao ngắm chỉ có thể khoảng 4 feet, và bệ đỡ có thể nhô ra khỏi thành hầm tới 18 inches. Bộ thiết bị này khó phù hợp trong một hầm nhỏ, và luôn nằm trên đường đi của máy móc hầm.

Do đó, nơi hợp lý nhất cho dạng quan trắc này trong thi công đang diễn ra là bên trong một buồng lớn trong mỏ hoặc có thể trong một hố đào hở lớn. Ngay cả ở đó, tầm nhìn có thể bị hạn chế hơn mức rõ ràng ban đầu. Công trường xây dựng trung bình là một môi trường khắc nghiệt, và quyết định lắp đặt một thiết bị đắt tiền như vậy không thể xem nhẹ.

Bụi cũng làm phức tạp việc bố trí quan trắc như vậy để che phủ nhiều target cùng lúc và phải nằm ngoài tầm với của người sử dụng. Ngay cả trong điều kiện ngoài trời, các target prism cũng cần được bảo trì định kỳ vì tín hiệu có thể bị suy giảm nghiêm trọng do bụi tích tụ từ khí quyển. Bên trong công trường xây dựng thì còn tệ hơn; việc bảo trì thiết bị đắt tiền sẽ nặng nề hơn bình thường, và nhiều target prism có thể ở độ cao cần dùng manlift để tiếp cận.

Có vẻ như ứng dụng tốt nhất cho robotic total stations sẽ là trong giai đoạn nâng cao của các công trình xây dựng lớn, khi phần lớn bê tông hoàn thiện đã được hoàn tất và công trình cần được quan trắc gần như theo thời gian thực khi giai đoạn hoàn thiện thi công diễn ra.

15.5 DỊCH CHUYỂN NỀN ĐỘNG – RUNG ĐỘNG

15.5.1 Mục đích quan trắc

Khác với các phép đo đã thảo luận trước đó, vốn liên quan đến các ảnh hưởng dài hạn của việc thi công hầm lên chuyển vị nền đất hoặc công trình liền kề hầm, các phép đo này được thực hiện nhằm xác định tác động tiềm tàng của công tác đào bằng khoan nổ lên các công trình.

Việc sử dụng chất nổ thường gây lo ngại cho các bên liên quan trong khu vực lân cận công tác đào hầm. Ngoài các hình ảnh do nổ mìn tạo ra, còn có mối quan ngại thực sự về chuyển động đột ngột (và đôi khi có thể cảm nhận được) do năng lượng nổ không được sử dụng để phá vỡ đá mà lan truyền ra khỏi khu vực nổ mìn.

Phương pháp thông dụng để quan trắc các chuyển động này dựa trên các nghiên cứu trước đây, trong đó tương quan khả năng gây hư hại do rung động nổ mìn với chuyển động của nền đất.

15.5.2 Thiết bị, ứng dụng, hạn chế

Có hai loại thiết bị chung được sử dụng để quan trắc Dynamic Ground Movement do nổ mìn gây ra:

• Blast Seismographs (máy đo rung chấn nổ mìn)
• Dynamic Strain Gages (cảm biến đo biến dạng động)

Blast seismographs được sử dụng để quan trắc chuyển động nền đất tại các công trình nằm trong vùng ảnh hưởng. Dynamic strain gages được dùng để quan trắc biến dạng thực tế, hay chuyển vị tương đối, của các cấu kiện kết cấu trong các công trình đó. Cả hai loại thiết bị này đều quan trắc dữ liệu trong suốt sự kiện nổ mìn thực tế, mặc dù để thuận tiện, chúng có thể được thiết lập để quan trắc trước khi nổ mìn thực sự diễn ra.

15.5.2.1 Blast Seismographs

Thiết bị quan trắc nổ mìn tiêu chuẩn là blast seismographs. Các thiết bị này đo các sóng rung động sinh ra do nổ mìn, sau đó lan truyền qua nền đất, đất và công trình. Đây là phép đo động của một sóng lan truyền theo thời gian và không gian; do đó không có tổng mức dịch chuyển như trong trường hợp sóng động đất.

Thông qua nhiều năm nghiên cứu, người ta đã phát hiện rằng giá trị mô tả rõ nhất và có thể gắn với khả năng gây hư hại kết cấu là Peak Particle Velocity, hay PPV. Khi sóng rung động do nổ mìn truyền đi, nó tương tự như sóng trên mặt nước. Nếu hình dung một vật nổi trên mặt nước, vận tốc chuyển động của vật nổi khi sóng đi qua chính là vận tốc hạt. Peak particle velocity là giá trị vận tốc lớn nhất trong quá trình sóng truyền qua. Giá trị này thường được biểu thị theo inches per second ở Mỹ.

Blast seismographs đo ba thành phần chuyển động nền đất: phương đứng, phương dọc — phương ngang theo hướng từ vụ nổ — và phương ngang — vuông góc với hướng đó. Giá trị lớn nhất trong ba thành phần này là vector sum của chúng, hoặc thường dùng hơn là vector sum giả. Ngoài ra còn có một kênh micro, dùng để quan trắc áp suất không khí hoặc airblast, nhưng kênh này thường không được sử dụng khi nổ mìn trong hầm, vì không có sự phơi lộ trực tiếp với các công trình trên mặt đất.

Như đã đề cập, các tiêu chí đối với nổ mìn đã được phát triển dựa trên các trường hợp xảy ra hư hại. Phần lớn nghiên cứu được thực hiện tập trung vào các công trình dân dụng khung gỗ điển hình. Vì công trình phản ứng theo nhiều cách khác nhau với rung động tác dụng tại chân công trình, nên trong đa số trường hợp rung động được quan trắc trên nền đất bên ngoài công trình. Khả năng gây hư hại thường được suy ra từ mối liên hệ giữa PPV với khả năng gây hư hại cho một loại công trình cụ thể. Đôi khi tần suất rung động cũng được đưa vào tiêu chí, nhưng không phải lúc nào cũng như vậy. Các tiêu chí thường được điều chỉnh tăng lên khi loại công trình có quy mô lớn hơn hoặc được thiết kế kỹ thuật hơn so với tiêu chí dùng cho công trình dân dụng.

15.5.2.2 Thiết bị đo biến dạng động

Do dữ liệu hư hại tích lũy đối với một số công trình còn rất ít, gần đây một phương pháp quan trắc thay thế, sử dụng thiết bị đo biến dạng động, đã được áp dụng. Đối với các công trình và cấu kiện hạ tầng được thiết kế kỹ thuật, có thể phát triển các tiêu chí hư hại thực tế, độc lập với phương thức kích thích. Trong trường hợp này, có thể biết được một mức biến dạng giới hạn trước khi chuyển động trở thành tiêu chí tránh hư hại.

Biến dạng được định nghĩa là ε = Δl / l, trong đó Δl là sự thay đổi chiều dài của một cấu kiện, và l là chiều dài của cấu kiện đó. Phép đo trên một đoạn ngắn của cấu kiện kết cấu sau đó có thể đại diện cho biến dạng của toàn bộ cấu kiện, khi đã biết cấu hình tổng thể của kết cấu.

Thiết bị đo biến dạng động truyền thống là các cảm biến biến dạng điện trở dạng lá (foil resistance gages) mỏng, được nối với các thiết bị/cảm biến đo (gage) khác trong một mạch cầu Wheatstone. Các gage thay đổi điện trở khi bị biến dạng. Cách bố trí các gage này sẽ tạo ra điện áp đầu ra được quan trắc trong quá trình nổ mìn. Cảm biến biến dạng điện trở dạng lá (Foil gage) đã được sử dụng nhiều năm trong nhiều trường hợp, ban đầu là trong các trường hợp biến dạng tĩnh (static strain events), như đã mô tả ở mục 15.4.2.3 phía trên. Mặc dù đây là công nghệ đã trưởng thành, đôi khi vẫn có vấn đề khi các gage đặt trong môi trường nhiễu điện, hoặc nơi có dao động nhiệt độ.

Mặc dù mới chỉ được sử dụng gần đây, cảm biến đo biến dạng áp điện (piezoelectric strain gages) và cảm biến đo biến dạng sợi quang (fiber optic strain gages) không gặp nhiều vấn đề như foil gages.

Thiết bị đo biến dạng động, vì đo biến dạng trên một cấu kiện cụ thể cần quan tâm, phải được bố trí cẩn thận để thu được các giá trị có thể liên hệ với khả năng hư hỏng tiềm tàng của cấu kiện đó. Việc lắp đặt strain gage phải được lựa chọn cẩn thận tại vị trí đại diện, và phép đo trên bề mặt nền đất như thực hiện với blast seismographs là không phù hợp.

Không có nhiều tài liệu nền tảng liên hệ hư hại với biến dạng do nổ mìn; tuy nhiên, các tiêu chí hư hại cơ bản dựa trên biến dạng đã được sử dụng trong nhiều năm. Việc dùng strain gages chỉ giới hạn ở những nơi có hiểu biết chắc chắn về các giá trị biến dạng giới hạn thực tế có thể được chấp nhận là an toàn, dựa trên tài liệu kỹ thuật.

15.6 ỨNG XỬ CỦA NƯỚC NGẦM

15.6.1 Mục đích quan trắc

Trong một nghiên cứu quan trọng năm 1984 có tên Geotechnical Site Investigations for Underground Projects, Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia đã lập danh mục các vấn đề liên quan đến thi công 84 hầm đào bằng phương pháp đào kín ở Hoa Kỳ và Canada, và kết luận thẳng thắn rằng: “Sự hiện diện của nước, dù trực tiếp hay gián tiếp, là nguyên nhân của phần lớn các vấn đề thi công.”

Vì vậy, ngay cả khi nước ngầm không chảy vào khu vực đào đang tiến triển với lưu lượng lớn đến mức trở thành vấn đề chính, nó vẫn có thể làm thay đổi nền đất theo hướng khiến ứng xử của nền xấu hơn so với bình thường, và do đó trở thành một vấn đề thứ cấp nghiêm trọng.

Ví dụ, khối đá có vẻ rắn chắc có thể bị mất ổn định do nước trong chất lỏng mang theo các hạt liên kết ra khỏi các khe nứt vốn đóng kín, hoặc bôi trơn các mặt khe nứt, làm giảm lực ma sát giữ các khối đá tại chỗ. Nền đất yếu còn trở nên bất lợi hơn khi có nước, vì lực thấm có thể mang vật liệu vào trong hố đào, làm trầm trọng thêm sự mất nền đất, hoặc có thể gây lún phía trên chỉ đơn giản do bơm nước nếu lớp đất phủ phía trên có tính nén lún.

Hầu hết các chuyên gia hầm đều biết rằng nền “chạy” có thể kiểm soát phần nào sẽ trở nên khó kiểm soát hơn nhiều nếu có nước và các ảnh hưởng của nước không được kiểm soát. Rõ ràng là, trong hầu hết các hố đào trong nền đất yếu theo phương pháp đào hầm hoặc đào hở có mực nước ngầm cao, cần phải thực hiện một dạng hạ mực nước ngầm nào đó để giữ cho cột nước ở mức an toàn.

Cũng hiển nhiên rằng, ngay cả khi không thực hiện hạ mực nước ngầm chính thức trước khi thi công, công tác đào có thể vẫn làm giảm mực nước ngầm, vì nước xâm nhập được bơm ra ngoài để tạo điều kiện khô ráo và thi công được. Điều đáng chú ý là ngay cả việc làm khô nền đất để giúp đào hầm dễ hơn cũng có thể gây ra các tác động phụ không mong muốn nếu gần đó có các công trình phụ thuộc vào việc mực nước ngầm được duy trì gần cao trình ban đầu để bảo đảm chức năng của chúng.

15.6.2 Thiết bị, ứng dụng, hạn chế

Ba loại thiết bị tiêu chuẩn được sử dụng để xác định ảnh hưởng của thi công hầm đến chuyển động và áp lực nước ngầm:

• Giếng quan trắc
• Piezometer ống đứng hở
• Piezometer màng ngăn

15.6.2.1 Giếng quan trắc

Giếng quan trắc là thiết bị đơn giản nhất và ít tốn kém nhất trong danh sách các thiết bị dùng để xác định áp lực nước ngầm. Một giếng gồm một đoạn ống đục lỗ gắn với ống đứng, được lắp đặt trong một lỗ khoan lấp bằng vật liệu lọc, thường là cát hoặc sỏi đậu. Lớp lọc này ngăn các hạt mịn di chuyển theo nước vào trong giếng và làm tắc giếng.

Lớp lọc có thể chỉ kéo dài vài feet phía trên đoạn ống đục lỗ, hoặc có thể kéo dài gần đến mặt đất, nhưng giếng phải có lớp bịt kín bằng vữa gần đỉnh ống đứng để ngăn nước chảy tràn trên mặt đi vào lỗ khoan. Ngoài ra, cần có lỗ thông hơi trên nắp đỉnh để nước có thể dâng lên và hạ xuống tự do trong ống.

Cao độ mực nước ngầm thường được đo bằng cách thả đầu dò điện gắn ở cuối dây cáp có chia vạch xuống cho đến khi nó chạm mặt nước. Mạch điện khi đó được khép kín và được báo hiệu bằng đèn chỉ thị hoặc tiếng còi ở đầu trên của dây cáp.

Các giếng như vậy được lắp đặt trong nền đất đào hầm khi giả định rằng nền đất thấm liên tục và áp lực nước ngầm sẽ tăng theo chiều sâu. Các kỹ sư thiết kế hầm cố gắng hiểu chế độ nước ngầm trong quá trình thiết kế, và thường sẽ quy định mức mực nước mà đến đó nước phải được hạ xuống bằng cách dewatering trước khi cho phép thi công tiến quá xa.

Thông thường, yêu cầu dewatering đến cao độ thấp hơn đáy hầm hoàn thiện hoặc đáy hố đào có chống vài feet. Sau đó, một giếng quan trắc có thể được lắp đặt thấp hơn cao độ hạ nước đó khoảng 2 hoặc 3 feet để bảo đảm phát hiện được cao độ mực nước ngầm mới trong quá trình thi công.

Vấn đề phổ biến nhất với giếng quan trắc là chúng có thể không phù hợp với tình huống khi độ phức tạp của phân tầng địa chất lớn hơn dự kiến. Nếu số đọc có vẻ khó giải thích, có thể do mực nước tương ứng với cột nước trong vùng thấm mạnh nhất, chứ không tương quan tuyến tính đơn giản với chiều sâu tính từ mặt đất. Cũng có thể cần bổ sung các thiết bị khác như piezometer cho giếng.

15.6.2.2 Áp kế ống đứng hở

Áp kế ống đứng hở có cấu tạo rất giống với giếng quan trắc, với một khác biệt chính: theo định nghĩa của Dunnicliff, bộ phận lọc xốp được bịt kín bằng vữa bentonite vào một tầng đất đặc biệt có tính thấm, để thiết bị chỉ phản ứng với áp lực nước ngầm tại cao trình đó, chứ không phản ứng với áp lực tại các cao trình khác (Hình 15-30). Một áp kế như vậy có thể được lắp đặt trong các lớp đất hoặc trong đá nền và sẽ hoạt động miễn là các ống thu nước xốp và bộ lọc được đặt trong vùng cho phép nước chảy vào. Trong đất, thiết bị sẽ đo áp lực nước lỗ rỗng; trong đá, nói chung nó sẽ đo áp lực nước trong khe nứt.

Thiết bị cần có rất ít hoặc không có liên kết thủy lực theo phương đứng giữa các tầng, và so với giếng quan trắc đơn giản, số đọc sẽ chính xác hơn. Nếu điều kiện phân tầng khá phức tạp, có thể lắp đặt nhiều áp kế ở các độ sâu khác nhau trong cùng một khu vực nhỏ để tạo ra nhiều hơn một mức áp lực, như trường hợp mực nước perched water table nằm trên một tầng sét có áp lực khác với áp lực trong tầng thấm bên dưới lớp sét đó.

Trong quan trắc thi công, thông thường chỉ lắp đặt các ống thu nước xốp tại các cao trình quan trọng, chẳng hạn ngay dưới cao độ đáy hầm đào mà mực nước cần được hạ xuống. Một vị trí phổ biến khác cho các ống thu nước là tại ranh giới giữa lớp cát phía trên và lớp sét không thấm phía dưới, nơi đáy hố đào kết thúc. Trong tình huống này, nhà thầu hạ mực nước có thể chỉ hạ mực nước xuống vài feet trên lớp sét, và đó chính là cao trình cần được quan trắc.

Việc không có phản ứng dự kiến từ một áp kế ống đứng hở đôi khi là do bộ lọc bị tắc nghẽn bởi dòng nước chảy vào và ra lặp lại. Có thể khắc phục bằng cách súc rửa áp lực cao, việc này dễ thực hiện nếu giàn khoan dùng trong quá trình lắp đặt vẫn còn ở khu vực. Một vấn đề nghiêm trọng hơn sẽ xảy ra khi ống thu nước xốp được lắp trong một tầng bùn hoặc sét tương đối không thấm, do lỗ khoan không được ghi chép đúng trước khi lắp đặt. Khi đó, giải pháp duy nhất có lẽ là lắp đặt một thiết bị khác — có thể là một loại thiết bị khác — tại cùng vị trí mặt bằng, đồng thời chú ý nhiều hơn đến việc ghi chép địa chất và bố trí ống thu nước xốp.

15.6.2.3 Áp kế màng – Loại chôn vữa toàn bộ

Như đã nêu trước đó, piezometer là một thiết bị được bịt kín trong nền đất để nó chỉ phản ứng với áp lực nước ngầm xung quanh chính nó, chứ không phản ứng với áp lực nước ngầm ở các cao trình khác. Có một số trường hợp cho thấy cần một thiết bị tinh vi hơn so với thiết bị ống đứng hở đơn giản:

1. Cần đo áp lực nước lỗ rỗng hoặc áp lực nước khe nứt trong một tầng có độ thấm rất thấp. Độ trễ thời gian thủy động đối với thiết bị ống đứng hở là lớn, nghĩa là nó phản ứng chậm với các thay đổi của cột nước áp piezometric, vì phải có một thể tích nước đáng kể chảy vào thì mới ghi nhận được sự thay đổi. Điều này không thể xảy ra trong các vật liệu có độ thấm thấp như đất sét hoặc đá nền nguyên khối có ít khe nứt.
2. Trong một số trường hợp, việc có một ống đứng cứng nối lên bề mặt là không mong muốn, đặc biệt là giữa lúc thi công nặng.
3. Dòng nước đảo chiều lặp lại có thể làm tắc bộ lọc bằng cát hoặc sỏi hạt nhỏ.
4. Trong khí hậu rất lạnh, có khả năng xảy ra đóng băng và dẫn đến mất cơ hội thu thập dữ liệu.
5. Có thể cần một số lượng lớn số đọc và/hoặc cần quan trắc gần thời gian thực, nhưng thiết bị ống đứng hở không phù hợp với kiểu thu thập dữ liệu này.

Do đó, có những lúc nhân sự quan trắc buộc phải chọn một loại piezometer gồm một bộ phận được chế tạo sẵn để đặt xen một màng ngăn giữa bộ chuyển đổi tín hiệu và nguồn áp lực. Loại khí nén, điện trở và dây rung là ba loại thiết bị phổ biến nhất. Loại dây rung thường được chọn vì nó hoạt động với độ trễ thời gian ngắn, ít gây cản trở cho thi công, và dây dẫn có thể dễ dàng nối với một thiết bị đọc đặt trên bề mặt hoặc với bộ ghi dữ liệu để quan trắc thời gian thực.

Tuy nhiên, ngay cả các thiết bị này cũng luôn có một nhược điểm lớn: giả định rằng cần đặt các bộ lọc quanh bộ phận cảm biến, đồng thời đặt các lớp bịt kín bằng vữa bentonite/xi măng dạng hạt và vật liệu lấp lại trong lỗ khoan xung quanh và phía trên cao trình được quan trắc. Hiện tượng tạo cầu và độ dính của vật liệu có thể làm cho việc thay thế đúng cách trở nên khó khăn và có thể dẫn đến suy giảm độ chính xác dữ liệu hoặc hư hỏng hoàn toàn thiết bị. Khó khăn trong việc thay thế này đặc biệt làm phức tạp việc lắp đặt nhiều piezometer trong một lỗ khoan; vì vậy, nếu cần số đọc từ nhiều cao trình khác nhau, có thể bắt buộc phải khoan một lỗ riêng cho mỗi cao trình cần đo.

Một cách rõ ràng để vượt qua những khó khăn này dường như là bỏ qua các bộ lọc và bọc kín các piezometer màng cùng các phụ kiện của chúng trong hỗn hợp xi măng-bentonite bịt kín liên tục lên đến mặt đất trong các lắp đặt chôn vữa toàn bộ. Tuy nhiên, trong nhiều năm, quan điểm phổ biến là vữa quanh bộ phận cảm biến có thể có độ thấm cực thấp, khiến thiết bị không thể phản ứng chính xác với các thay đổi áp lực. Nhưng từ các nghiên cứu bắt đầu vào năm 1990, hiện nay đã chứng minh rằng điều này không nhất thiết đúng. Một piezometer màng thường chỉ cần một lưu lượng nhỏ để phản ứng với thay đổi áp lực nước, và vữa có thể truyền thể tích nhỏ này trong khoảng thời gian ngắn giữa bộ phận cảm biến và nền đất trong lỗ khoan kích thước tiêu chuẩn. Phản ứng có thể được cải thiện nếu người lắp đặt giảm thiểu khoảng cách này; điều này có thể thực hiện bằng cách dùng một cụm lắp đặt có khả năng giãn nở để làm giảm khoảng cách giữa cảm biến và thành lỗ khoan, từ đó giảm chiều dày vữa giữa cảm biến và nền đất. Các nghiên cứu đã cho thấy độ chính xác của các phép đo áp lực sẽ tốt không chỉ khi độ thấm của vữa thấp hơn độ thấm của nền đất xung quanh, như đã từng được giả định trước đây, mà còn khi độ thấm của hỗn hợp lớn hơn độ thấm của nền đất xung quanh tới ba bậc độ lớn. Rõ ràng, trong mỗi trường hợp cần phải thực hiện một số công việc để thiết kế hỗn hợp vữa có độ thấm phù hợp nhằm đạt hiệu quả tại vị trí được quan trắc.

Các piezometer chôn vữa toàn bộ có thể được lắp đặt bằng cách gắn lỏng vào một ống nhựa hy sinh, sau đó tháo rời khỏi ống này khi ống được rút lên cùng với bất kỳ ống chống đỡ nào, trong lúc vữa được bơm bằng ống tremie từ đáy lên. Việc lắp đặt nhiều hơn một thiết bị trong cùng một lỗ khoan để đo áp lực nước tại nhiều cao trình là tương đối dễ dàng. Đã có trường hợp lắp đặt thành công tới mười thiết bị trong các lỗ khoan sâu đến 500 ft (152 m).

Kinh nghiệm tốt trong khoảng thời gian hơn 15 năm trước năm 2009 đã cho thấy rằng hầu hết các piezometer màng cần được lắp đặt theo dạng chôn vữa toàn bộ, nhằm tăng tính đơn giản và thu thập được nhiều dữ liệu hơn với chi phí thấp hơn so với các phương pháp cũ.

Việc tiếp tục sử dụng áp kế và giếng quan trắc phụ thuộc vào việc chúng được để lại tại chỗ sau khi thi công hoàn tất, do các ảnh hưởng mà công trình vĩnh cửu có thể gây ra đối với chế độ nước ngầm. Ví dụ, nếu mực nước ngầm vẫn bị hạ thấp do rò rỉ vào các đường hầm mới, việc tiếp tục quan trắc có thể cho biết liệu có cần chú ý đến việc bảo vệ các cọc chống bằng gỗ vẫn còn tiếp xúc với không khí, hoặc đến các giếng hay ao đã bị làm khô hoàn toàn hoặc một phần hay không.

Một vấn đề ngược lại có thể phát sinh từ việc nước ngầm dâng lên, vì gradient bình thường của nó bị gián đoạn bởi sự hiện diện của đường hầm mới; điều này có thể dẫn đến các tình huống như các tầng hầm khô trước đây nay dễ bị ngập. Mặc dù việc để các thiết bị tại chỗ có thể làm tăng chi phí bảo trì, chúng có thể là nguồn dữ liệu có giá trị khi một số vấn đề dài hạn đang được điều tra.

15.7 QUẢN LÝ CÔNG TÁC QUAN TRẮC

15.7.1 Mục tiêu

Như đã nêu trong phần giới thiệu của chương này, chức năng chính của hầu hết các chương trình quan trắc là theo dõi diễn biến của quá trình thi công nhằm tránh hoặc giảm thiểu các vấn đề phát sinh. Tất nhiên, còn có các mục đích liên quan khác, và việc quản lý chương trình đúng cách sẽ bao gồm các quyết định về những nội dung nào dưới đây cần được ưu tiên xem xét và những nội dung nào có thể được xem là ít quan trọng hơn:

1. Ngăn ngừa hoặc giảm thiểu hư hại đối với các công trình hiện hữu và công trình đang thi công bằng cách cung cấp dữ liệu để xác định nguồn gốc và độ lớn của chuyển vị nền đất.
2. Đánh giá an toàn của toàn bộ công tác bằng cách so sánh phản ứng quan trắc được của nền đất và công trình với phản ứng dự báo và các biến dạng cho phép của các mức độ nhiễu động.
3. Xây dựng các biện pháp bảo vệ và phòng ngừa cho các công trình hiện hữu và công trình mới.
4. Lựa chọn các biện pháp khắc phục phù hợp khi cần thiết.
5. Đánh giá các giả định thiết kế quan trọng khi tồn tại mức độ không chắc chắn đáng kể.
6. Xác định mức độ đầy đủ của phương pháp, quy trình và thiết bị của Nhà thầu.
7. Theo dõi hiệu quả của các biện pháp bảo vệ, khắc phục và giảm thiểu.
8. Đánh giá năng lực thực hiện của Nhà thầu, các thay đổi thiết kế do Nhà thầu đề xuất, lệnh thay đổi, điều kiện thay đổi và tranh chấp.
9. Cung cấp phản hồi cho Nhà thầu về năng lực thực hiện của họ.
10. Cung cấp hồ sơ phục vụ đánh giá các hư hại xảy ra đối với các công trình lân cận được cho là do biến dạng nền đất và các hoạt động liên quan đến thi công khác gây ra.
11. Thúc đẩy trình độ kỹ thuật hiện hành bằng cách cung cấp dữ liệu về diễn biến thực tế nhằm giúp cải thiện các thiết kế trong tương lai.

Một yếu tố chi phối khi xem xét điều gì là quan trọng trong công tác quan trắc có thể xuất phát từ các yêu cầu mới do các công ty bảo hiểm và bảo lãnh đặt ra. Ở nhiều khu vực của châu Âu, họ đã có quyền yêu cầu mọi dự án hầm, trước khi thi công, phải trải qua quá trình Risk Analysis hoặc Risk Assessment. Sau đó, trong quá trình thi công, các đợt kiểm toán định kỳ được thực hiện để xác định liệu dự án có đang thực hành Risk Management thành công hay không. Điểm đánh giá thấp ở nội dung này có thể dẫn đến việc hủy bảo hiểm và có khả năng chấm dứt dự án.

Mặc dù chưa đạt đến giai đoạn phát triển cao như vậy, ngành công nghiệp hầm ở Hoa Kỳ đang ngày càng nhận thức rõ sự cần thiết của Risk Analysis và Risk Management, và một chương trình quan trắc tốt có thể giúp giảm khả năng xảy ra các vấn đề lớn. Hầu hết các quan sát viên đều hài lòng rằng một chương trình quan trắc tốt có khả năng tự bù đắp chi phí nhiều lần thông qua khoản tiền tiết kiệm được từ các sự cố đã được ngăn chặn. Nói cách khác, Risk Management được hỗ trợ bởi công tác quan trắc và theo dõi tốt có thể rất hiệu quả về mặt chi phí.

15.7.2 Lập kế hoạch chương trình

Phần lớn nội dung sau đây dựa trên giả định rằng một dự án cụ thể sẽ tuân theo phương thức mua sắm dịch vụ tiêu chuẩn của Hoa Kỳ là Design-Bid-Build. Khi có thể áp dụng một phương thức thay thế như Design-Build, chúng tôi sẽ cố gắng chỉ ra điều này có thể ảnh hưởng như thế nào đến chương trình quan trắc đang được xem xét.

Như Dunnicliff (1988, 1993) đã lưu ý, các bước lập kế hoạch cho một chương trình quan trắc nên được tiến hành theo trình tự sau:

1. Dự báo các cơ chế chi phối ứng xử của môi trường đào hầm.
2. Xác định các câu hỏi địa kỹ thuật cần được trả lời.
3. Xác định mục đích của công tác quan trắc.
4. Lựa chọn các thông số cần quan trắc.
5. Dự báo độ lớn của thay đổi.
6. Đề xuất biện pháp khắc phục.
7. Phân công nhiệm vụ cho các giai đoạn thiết kế, thi công và vận hành.
8. Lựa chọn thiết bị quan trắc.
9. Lựa chọn vị trí đặt thiết bị quan trắc.
10. Lập kế hoạch ghi nhận các yếu tố có thể ảnh hưởng đến dữ liệu đo được.
11. Thiết lập quy trình bảo đảm độ chính xác của số đọc.
12. Liệt kê mục đích cụ thể của từng thiết bị quan trắc.
13. Chuẩn bị ngân sách.
14. Soạn thảo các yêu cầu kỹ thuật mua sắm thiết bị quan trắc.
15. Lập kế hoạch lắp đặt.
16. Lập kế hoạch hiệu chuẩn và bảo trì định kỳ.
17. Lập kế hoạch thu thập, xử lý, trình bày, diễn giải, báo cáo và triển khai dữ liệu.
18. Soạn thảo các thỏa thuận hợp đồng cho dịch vụ quan trắc hiện trường.
19. Cập nhật ngân sách.

Nhiều điểm trong số này sẽ được trình bày chi tiết hơn ở các trang sau, nhưng mục số 2 cần được nhấn mạnh đặc biệt ở đây; Dunnicliff đã phát biểu như sau:

Mỗi thiết bị quan trắc trong một dự án cần được lựa chọn và bố trí nhằm hỗ trợ trả lời một câu hỏi cụ thể; nếu không có câu hỏi nào, thì không nên bố trí thiết bị quan trắc.

Ý cơ bản cũng có thể được diễn đạt là: “Đừng làm điều gì chỉ vì điều đó có thể thực hiện được hoặc vì nó có thể tạo ra điều gì đó hữu ích cần biết.” Việc đi theo hướng này có thể dẫn đến lãng phí tiền bạc và sự gia tăng dữ liệu dư thừa — thậm chí có thể mâu thuẫn nhau — gây ra sự nhầm lẫn.

Công tác lập kế hoạch nghiêm túc cho một chương trình quan trắc có lẽ sẽ không bắt đầu cho đến một thời điểm nào đó sau khi hoàn thành mức thiết kế 30%, vì chỉ khi đó các khía cạnh của dự án như địa chất, tuyến hầm, thiết kế kết cấu và các phương pháp thi công khả dĩ mới bắt đầu được xác định rõ. Việc lập chương trình nên do chuyên gia địa kỹ thuật am hiểu về quan trắc thực hiện, được hỗ trợ khi cần bởi các kỹ sư kết cấu có hiểu biết tốt nhất về cách các công trình mới và hiện hữu có khả năng phản ứng với các lực thay đổi mà chúng sẽ phải chịu.

15.7.3 Hướng dẫn lựa chọn loại, số lượng và vị trí thiết bị quan trắc

Do có rất nhiều tổ hợp và biến thể của các loại hầm đường bộ, kích thước, chiều sâu và điều kiện địa lý/địa chất, sẽ rất khó để liệt kê các hướng dẫn thực sự hữu ích trong phạm vi được dành ở đây. Một số suy nghĩ của các tác giả về chủ đề này có thể được tìm thấy trong các mục trước 15.3 đến 15.6, nhưng ngay cả khoảng 20 trang đó cũng chỉ có thể bắt đầu gợi ý những gì có thể hoặc nên làm.

Tuy nhiên, ngoài giới hạn về dung lượng, cũng có nguy cơ khi liệt kê các hướng dẫn cụ thể trong một tài liệu hướng dẫn như thế này, vì nó có thể khiến người sử dụng xem tài liệu như một “sách nấu ăn”, trong đó lời giải cho hầu hết các vấn đề đã có sẵn và không cần suy nghĩ thêm. Công tác quan trắc và theo dõi là một lĩnh vực quá rộng để xử lý theo kiểu như vậy, và người đọc được khuyến nghị nên tham khảo càng nhiều tài liệu được liệt kê càng tốt, để có thể biên soạn các hướng dẫn riêng cho từng dự án cụ thể phục vụ công việc đang thực hiện. Nhiệm vụ được đề xuất đó được tóm tắt trong các mục 8 và 9 ở phần 15.7.2 ở trên.

15.7.4 Quan trắc từ xa (tự động) so với quan trắc thủ công

Như đã nêu trong phần giới thiệu, việc tự động hóa nhiều loại thiết bị quan trắc, có thể là hầu hết các loại, hiện nay là khả thi và trong một số trường hợp thậm chí tương đối dễ thực hiện. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là lúc nào cũng nên tự động hóa, vì mức độ phức tạp tăng lên cũng có thể làm tăng chi phí ban đầu, chi phí bảo trì và số lượng vấn đề có thể phát sinh. Một số cân nhắc này đã được trình bày ngắn gọn trong các đoạn trước, nhưng chưa có sự khái quát hóa hay hướng dẫn tổng quát nào được đưa ra.

Dễ bỏ qua một trong những ưu điểm của quan trắc thủ công, trực tiếp tại hiện trường, đó là đưa kỹ thuật viên hoặc kỹ sư thu thập dữ liệu đến công trường, nơi họ có thể quan sát các hoạt động thi công đang ảnh hưởng đến số đọc. Đây có thể là lợi thế rất lớn, vì việc diễn giải dữ liệu quan trắc thường đòi hỏi phải so sánh giữa loại thiết bị này với loại thiết bị khác để xác nhận lẫn nhau về tính đúng đắn, và sau đó xem liệu các biểu đồ dữ liệu có phù hợp với các hoạt động thi công đã biết hay không, chẳng hạn như tháo dỡ một thanh chống hoặc tăng chiều sâu hố đào. Nếu không có những thông tin như vậy do nhân sự địa kỹ thuật tại hiện trường cung cấp, người diễn giải dữ liệu quan trắc phải dành thời gian tìm hiểu báo cáo của thanh tra thi công hoặc trao đổi với nhiều người khác nhau có thể biết các sự việc xảy ra hằng ngày tại công trường. Do đó, thời gian quý giá có thể bị mất, cần phải xem xét nghiêm túc các tình huống bất lợi đang phát triển nhanh. Tuy nhiên, nếu người diễn giải dữ liệu phụ thuộc vào nhân sự hiện trường để cung cấp phản hồi, thì những nhân sự đó cần được đào tạo tối thiểu về thuật ngữ thi công và phương pháp thi công. Ví dụ, sẽ không hữu ích nếu nhân sự quan trắc không có vốn từ vựng để ghi nhận liệu họ đang quan sát việc lắp đặt một thanh chống hay một waler.

Sau đây là một số lý do quan trọng nhất để lựa chọn tự động hóa thay cho quan trắc thủ công thiết bị:

1. Khi có yêu cầu dữ liệu phải sẵn có theo thời gian thực hoặc gần thời gian thực.
2. Khi việc tiếp cận dễ dàng và/hoặc liên tục đến vị trí quan trắc không được bảo đảm.
3. Khi có sự không chắc chắn về khả năng luôn có sẵn nhân sự quan trắc.
4. Khi số đọc thủ công dễ bị “nhạy cảm với người vận hành” và không thể luôn bố trí cùng một người hoặc cùng một tổ để quan trắc một thiết bị theo thời gian.
5. Khi quan trắc thủ công sẽ gây cản trở quá mức cho hoạt động thi công.
6. Khi quan trắc thủ công sẽ quá tốn thời gian; ví dụ, việc đọc các inclinometer thông thường nhiều lần mỗi ngày.
7. Khi dữ liệu cần được xử lý nhanh và phân phối cho nhiều bên ở các văn phòng khác nhau.

15.7.5 Thiết lập các mức cảnh báo/hành động

Trước đây, thông thường các nhà thiết kế chương trình quan trắc sẽ soạn thảo các yêu cầu kỹ thuật về loại thiết bị và quy trình lắp đặt, nhưng lại giao cho nhà thầu thi công và các chuyên gia quan trắc hiện trường quyền quyết định liệu các chuyển vị cho phép, hoặc các thông số khác, có sắp bị vượt quá hay đã bị vượt quá hay không. Điều này có thể dẫn đến tranh cãi kéo dài về việc có cần thực hiện hành động giảm thiểu hay không, và liệu Nhà thầu có được thanh toán thêm cho các hành động được chỉ đạo mà họ có thể chưa dự kiến khi nộp hồ sơ dự thầu hay không.

Có thể giảm bớt các vấn đề như vậy đến mức lớn bằng cách quy định trong tài liệu quan trắc các mức số đọc yêu cầu phải thực hiện một số hành động. Tùy theo cách gọi ưa dùng của Chủ đầu tư dự án, các mức kích hoạt hành động có thể được gọi là Instrument Response Levels, gồm Review và Alert Levels, hoặc Response Values, gồm Threshold và Limiting Values.

Các hành động thường được quy định theo cách sau:

A. Nếu đạt đến Review Level/Threshold Value, Nhà thầu phải họp với Quản lý thi công để thảo luận các hành động ứng phó. Nếu Quản lý thi công quyết định như vậy, Nhà thầu phải nộp kế hoạch hành động và thực hiện trong khung thời gian nhất định để không đạt đến Alert Level/Limiting Value. Quản lý thi công cũng có thể yêu cầu lắp đặt thêm thiết bị quan trắc.

B. Nếu, dù đã thực hiện mọi nỗ lực, vẫn đạt đến Alert Level/Limiting Value, Nhà thầu phải dừng công việc và một lần nữa họp với Quản lý thi công. Nếu Quản lý thi công quyết định như vậy, Nhà thầu phải nộp một kế hoạch hành động khác và thực hiện trong khung thời gian nhất định để Alert Level/Limiting Value không bị vượt quá. Một lần nữa, Quản lý thi công cũng có thể yêu cầu lắp đặt thêm thiết bị quan trắc.

Cách diễn đạt như vậy thì dễ, nhưng việc thực sự quyết định loại mức/giá trị nào cần quy định lại đòi hỏi nhiều công sức hơn, vì có thể cần nhiều thời gian phân tích kết cấu và địa kỹ thuật. Không hiếm khi yêu cầu kỹ thuật quy định những hành động cần thực hiện khi chuyển vị của một công trình hiện hữu đạt đến một độ lớn nhất định, hoặc khi rung chấn do nổ mìn vượt quá một vận tốc hạt đỉnh nhất định. Tuy nhiên, còn nhiều thông số khác cũng đáng được chú ý. Sau đây là danh sách một phần những nội dung có thể phù hợp để xem xét đưa vào yêu cầu kỹ thuật:

• Độ sâu mà mực nước ngầm phải được hạ xuống hoặc độ sâu mà mực nước ngầm được phép dâng lên.
• Chuyển vị đứng cho phép của neo hoặc cảm biến đặt ở các độ sâu khác nhau trong nền đất.
• Độ lệch ngang cho phép so với phương thẳng đứng, được nêu theo độ sâu của bất kỳ điểm cảm biến nào trong inclinometer.
• Biến dạng cho phép của nền đất hoặc lớp lót trong đường hầm đang thi công.
• Độ lún cho phép đối với từng công trình hiện hữu riêng lẻ.
• Độ nghiêng cho phép của tường trong từng công trình hiện hữu riêng lẻ.
• Độ lún lệch và biến dạng góc cho phép đối với các công trình hiện hữu.
• Mức tăng chiều rộng vết nứt cho phép tại các vết nứt kết cấu hoặc khe giãn nở.
• Mức tăng tải trọng cho phép trong các thanh chống hố đào có giằng hoặc tieback trong các hố đào không giằng.
• Tốc độ thay đổi của bất kỳ nội dung nào ở trên, ngoài độ lớn tuyệt đối.

Vì lợi ích của Risk Management tốt, khuyến nghị rằng các nhà thiết kế chương trình quan trắc và theo dõi nên đưa vào các thông số mà họ cho là quan trọng nhất trong các mức kích hoạt hành động đã quy định.

Khi thiết lập các mức này, nhà thiết kế cần tránh một cạm bẫy: gán các số đọc vượt quá khả năng cảm biến của thiết bị. Ví dụ, nếu mức kích hoạt hành động thấp hơn là 1/4 inch được quy định cho một điểm lún, thì phải bảo đảm rằng các quy trình khảo sát dùng để thu thập dữ liệu có thể phát hiện đáng tin cậy độ lún đến 1/16 inch; nếu không, các quản lý thi công có thể liên tục phản ứng với các tình huống khẩn cấp biểu kiến không có thật mà chỉ là kết quả của “nhiễu” khảo sát. Tương tự, các mức kích hoạt hành động cao hơn phải được đặt ở khoảng cách thực tế so với các mức thấp hơn để tránh các vấn đề tương tự. Trong ví dụ đã nêu, mức thấp hơn 1/4 inch có lẽ không nên được khớp với mức cao hơn 3/8 inch, vì mức tăng chỉ 1/16 inch này vẫn đang đẩy đến giới hạn độ chính xác khảo sát có thể đạt được. Một lần nữa, người ta có thể sẽ phải ứng phó với các tình huống khẩn cấp biểu kiến không có thật.

15.7.5.1 Tiêu chí

Tài liệu này không nhằm mục đích thiết lập các tiêu chí cho các dự án hầm; tuy nhiên, bất kỳ chương trình quan trắc nào được xây dựng để bảo vệ các công trình lân cận đều phải phù hợp với cả loại phép đo cũng như các giá trị giới hạn thực tế theo thông lệ tiêu chuẩn của ngành.

Các tiêu chí có thể được thiết lập thông qua quy định (Liên bang, Bang và/hoặc địa phương) hoặc thông qua các yêu cầu kỹ thuật.

Hạng mục đo	Thiết bị quan trắc	Loại số đọc	Đơn vị
Chuyển vị nền đất	Điểm khảo sát	Chuyển vị	inch
Chuyển động động của nền đất	Máy đo địa chấn nổ mìn	Vận tốc hạt đỉnh	inch/giây
Chuyển động động của nền đất	Cảm biến biến dạng	Biến dạng	microstrain

15.7.6 Phân chia trách nhiệm

15.7.6.1 Nhiệm vụ hoặc hành động

Các nhiệm vụ hoặc hành động cần thiết cho một chương trình quan trắc và theo dõi có thể được tóm tắt như sau:

1. Bố trí, thiết kế, lập yêu cầu kỹ thuật.
2. Mua sắm/cung cấp.
3. Làm việc với các bên liên quan để xin phép lắp đặt.
4. Lắp đặt.
5. Bảo trì.
6. Quan trắc.
7. Xử lý số liệu.
8. Duy trì cơ sở dữ liệu.
9. Phân phối dữ liệu đã xử lý.
10. Diễn giải/phân tích dữ liệu.
11. Thực hiện các biện pháp giảm thiểu khi cần thiết.
12. Tháo dỡ thiết bị khi không còn nhu cầu sử dụng.

Các đơn vị có thể thực hiện bao gồm bốn bên sau đây; bất kỳ bên nào cũng có thể được hỗ trợ bởi chuyên gia tư vấn hoặc nhà thầu phụ chuyên ngành:

• Chủ đầu tư
• Kỹ sư thiết kế (không phải là một đơn vị riêng trong trường hợp cơ quan nhà nước — tức Chủ đầu tư — cũng đồng thời là đơn vị thiết kế)
• Quản lý thi công
• Nhà thầu thi công

Trong trường hợp hợp đồng Design-Build, gần như chắc chắn rằng Nhà thầu thi công sẽ chịu trách nhiệm cho toàn bộ các nhiệm vụ đã liệt kê. Đơn vị này có thể sẽ được hỗ trợ bởi một công ty tư vấn kỹ thuật để thực hiện công tác thiết kế tổng thể, và bởi một chuyên gia quan trắc để xử lý các vấn đề liên quan đến mua sắm thiết bị, lắp đặt và quan trắc; tuy nhiên, chính Nhà thầu là bên chịu trách nhiệm tổng thể cho dự án.

Trong trường hợp phổ biến hơn ở Hoa Kỳ là hợp đồng Design-Bid-Build, Chủ đầu tư phải quyết định cách phân công các trách nhiệm khác nhau. Lý tưởng nhất, Chủ đầu tư hoặc đơn vị thiết kế của Chủ đầu tư hoặc Quản lý thi công nên chịu trách nhiệm cho tất cả 12 nhiệm vụ được liệt kê, ngoại trừ mục số 3 và 11. Vì Nhà thầu thậm chí còn chưa tham gia vào thời điểm xây dựng chương trình quan trắc, các nhiệm vụ liên quan đến mục số 1 phải do đơn vị thiết kế của dự án thực hiện. Nhà thầu có thể thực hiện mục số 3 và phải là bên thực hiện mục số 11. (Phần tiếp theo sẽ trình bày thêm về nhiệm vụ số 10.)

Trên thực tế, đa số Chủ đầu tư thường muốn giao cho Nhà thầu trách nhiệm cung cấp, lắp đặt, bảo trì và tháo dỡ thiết bị quan trắc, thường vì các công việc này, do được đưa vào quy trình đấu thầu cạnh tranh, dường như sẽ cung cấp thiết bị và dịch vụ với chi phí thấp nhất. Tuy nhiên, khoản tiền có vẻ tiết kiệm được từ quyết định này có thể thấp hơn nhiều so với ấn tượng ban đầu, vì các Nhà thầu bỏ thầu thấp sẽ hiếm khi lựa chọn các thiết bị có chất lượng cao nhất và có thể liên tục thúc đẩy các phương án thay thế cho thiết bị hoặc phương thức quan trắc của chính dự án.

Các trách nhiệm như vậy của Nhà thầu chỉ có thể được xem là chấp nhận được nếu tuân thủ các nguyên tắc sau:
(a) yêu cầu kỹ thuật phải bắt buộc sử dụng dịch vụ của các chuyên gia quan trắc đủ năng lực;
(b) yêu cầu kỹ thuật phải rất chi tiết về yêu cầu đối với phần cứng quan trắc và phương pháp lắp đặt, đặc biệt nếu dự án được chia thành nhiều hợp đồng, trong đó phải bảo đảm tính nhất quán từ hợp đồng này sang hợp đồng khác; và
(c) nhân sự của Quản lý thi công phải nỗ lực tối đa để xem xét kỹ lưỡng hồ sơ trình nộp của Nhà thầu và kiểm tra công tác hiện trường khi quá trình lắp đặt diễn ra.

Nếu các nguyên tắc này được tuân thủ, có thể chấp nhận giao các nhiệm vụ 2, 4, 5 và 12 cho Nhà thầu thi công, nhưng chỉ cần ghi nhớ rằng ưu tiên chính của Nhà thầu là thi công. Các hoạt động liên quan đến quan trắc chỉ là phần phụ đối với công việc đó; tốt nhất, Nhà thầu có thể xem chúng là một phiền toái, và tệ nhất là có thể xem chúng như yếu tố gây bất lợi cho tiến độ. Quản lý thi công cần nhận thức rõ thái độ này và do đó phải thực hiện sự giám sát cần thiết để bảo đảm rằng không có lối tắt không thể chấp nhận nào được thực hiện.

Một khía cạnh khác của công việc thi công theo giá thầu thấp là việc giao các nhiệm vụ này cho Nhà thầu, hoặc ít nhất là cho một chuyên gia nếu không được mong muốn. Khi việc vận chuyển thiết bị quan trắc được thực hiện bởi lực lượng trực tiếp chịu trách nhiệm với Chủ đầu tư, có nhiều trường hợp Nhà thầu sẽ phải hỗ trợ, thậm chí có thể phải dừng hoạt động trong một thời gian ngắn. Điều này có thể dẫn đến mâu thuẫn kéo dài với Quản lý thi công và rất có khả năng phát sinh nhiều yêu cầu thanh toán thêm, vì Nhà thầu cho rằng có quá nhiều sự can thiệp vào quá trình thi công. Có thể tránh được một phần mâu thuẫn này nếu hành động lắp đặt thiết bị và nhân sự lắp đặt hỗ trợ chịu sự kiểm soát nhiều hơn của bên chịu trách nhiệm tiến triển công việc chính của đào và chống đỡ, tức là Nhà thầu.

Tuy nhiên, không bao giờ là chính sách tốt khi chuyển giao việc quan trắc thiết bị, quản lý cơ sở dữ liệu và phân phối dữ liệu cho bên mà các hành động của họ đang được “kiểm soát” thông qua dữ liệu đó. Việc thu thập dữ liệu và các nhiệm vụ liên quan cần thuộc trách nhiệm của một người/bên báo cáo trực tiếp cho Chủ đầu tư, và thông thường đó sẽ là Quản lý thi công. Tuy nhiên, cùng với trách nhiệm quan trắc cũng đi kèm trách nhiệm không chỉ phân phối dữ liệu đã xử lý, mà còn phân phối dữ liệu đó trong một khoảng thời gian hữu ích. Điều này thường có nghĩa là vào buổi sáng sau ngày dữ liệu được thu thập, nhưng trong thế giới hiện đại, thời gian này có thể nhanh hơn nhiều. Với nhiều thiết bị được quan trắc điện tử theo thời gian thực, và dữ liệu được truyền trực tiếp đến máy tính của dự án, phần lớn dữ liệu có thể được gửi đi gần như ngay lập tức; đồng thời cảnh báo có thể được phát đến điện thoại di động và laptop khi có dấu hiệu cho thấy các mức kích hoạt hành động đã đạt đến hoặc bị vượt quá.

Về việc diễn giải dữ liệu quan trắc (nhiệm vụ số 10 nêu trên), lực lượng của Quản lý thi công tất nhiên sẽ phải thực hiện việc này để bảo đảm các hoạt động thi công đang được tiến hành theo đúng yêu cầu kỹ thuật. Tuy nhiên, Quản lý thi công không có trách nhiệm phải lập tức chuyển giao các diễn giải cho Nhà thầu cùng với dữ liệu. Nhà thầu vẫn là bên chịu trách nhiệm chính về an toàn của công việc, và do đó cũng phải có trách nhiệm thực hiện diễn giải độc lập đối với ý nghĩa của dữ liệu quan trắc, đồng thời sẵn sàng theo đuổi bất kỳ biện pháp giảm thiểu nào có vẻ cần thiết. Nếu không, Chủ đầu tư sẽ phải gánh một phần trách nhiệm về an toàn vốn lẽ ra thuộc về bên khác.

15.7.7 Quan trắc và theo dõi cho đào hầm SEM

Như đã thảo luận trong Chương 9, công tác quan trắc và theo dõi là một phần không thể tách rời của đào hầm theo phương pháp SEM, nhằm kiểm chứng các giả định thiết kế được đưa ra về sự tương tác giữa nền đất và kết cấu chống đỡ ban đầu như một phản ứng đối với quá trình đào, thông qua quan trắc tại hiện trường. Công tác này hướng đến việc đo đạc chi tiết và có hệ thống độ võng và ứng suất của lớp lót ban đầu. Dữ liệu quan trắc được thu thập một cách đầy đủ và có hệ thống.

Người đọc được tham khảo Chương 9 “Đào hầm SEM” để xem các thảo luận về quản lý quan trắc cho ứng dụng SEM.

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