12.1 GIỚI THIỆU
Đào hầm bằng hộp kích đẩy (jacked box tunneling) là một phương pháp đào hầm đặc biệt để xây dựng các hầm đường bộ hình chữ nhật, nông, bên dưới các công trình quan trọng như đường sắt đang khai thác, các tuyến đường bộ chính và đường băng sân bay mà không làm gián đoạn các dịch vụ do các công trình mặt đất đó cung cấp, hoặc không phải di dời chúng tạm thời để phục vụ thi công đào hở (cut and cover) (Chương 5). Ban đầu được phát triển từ công nghệ kích đẩy ống, đào hầm bằng hộp kích đẩy thường được sử dụng trong đất mềm, ở chiều sâu nông và cho các đoạn hầm tương đối ngắn, nơi việc đào bằng TBM sẽ không kinh tế hoặc phương pháp cut-and-cover sẽ gây ảnh hưởng quá lớn đến các hoạt động trên mặt đất.
Đào hầm bằng hộp kích đẩy chủ yếu được sử dụng bên ngoài Hoa Kỳ (Taylor et al., 1998) cho đến khi phương pháp này được áp dụng thành công để xây dựng ba hầm ngắn bên dưới mạng lưới đường sắt tại South Station ở trung tâm Boston. Các hầm này được hoàn thành và đưa vào khai thác năm 2003 như một phần của dự án mở rộng xa lộ liên bang I-90 thuộc Dự án Central Artery/Tunnel (CA/T). Hình 12-1 cho thấy lễ thông xe của các hầm I-90 đã hoàn thành. Vì Dự án CA/T là ứng dụng quan trọng nhất của đào hầm bằng hộp kích đẩy tại Hoa Kỳ cho đến nay, dự án này sẽ được dùng để minh họa phương pháp trong suốt chương này.
12.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN
Hình 12-2 minh họa trình tự kích đẩy cơ bản của phương pháp đào hầm bằng hộp kích đẩy bên dưới một tuyến đường sắt hiện hữu. Kết cấu hộp được thi công trên bệ kích trong một hố kích nằm kề một bên của tuyến đường sắt hiện hữu. Một khiên đào hầm được bố trí ở đầu trước của hộp, và các kích thủy lực được bố trí ở phía sau. Hộp được đẩy tiến bằng cách đào đất từ bên trong khiên và kích đẩy hộp tiến vào khoảng trống được tạo ra tại gương đào hầm. Tương tự như kích đẩy ống, các đoạn hầm có chiều dài vượt quá năng lực của các kích đặt ở phía sau kết cấu hộp có thể được đẩy tiến thành công bằng cách chia kết cấu hộp thành các đoạn và bố trí các trạm kích trung gian. Kết cấu hộp trong Hình 12-2 được chia thành hai đoạn, với một trạm kích trung gian đặt giữa chúng.
Để duy trì ổn định cho gương đào hầm, việc đào và kích đẩy thường được thực hiện luân phiên theo các bước nhỏ, thông thường trong khoảng 2 đến 4 ft (0.6 đến 1.2 m). Trong hầu hết trường hợp, nền đất mềm phải được xử lý bằng các kỹ thuật cải thiện nền như đóng băng đất, jet grouting, v.v., như đã trình bày ở Chương 7 về đào hầm trong đất mềm, nhằm tăng thời gian tự đứng của đất. Xem Chương 5 để biết phần thảo luận về các hệ chống đỡ tạm thời cho hố đào.
12.3 DƯ ÁN CENTRAL ARTERY/TUNNEL (CA/T) – CÁC HẦM HỘP KÍCH ĐẨY
Việc sử dụng phương pháp đào hầm bằng hộp kích đẩy trong Dự án CA/T tại Boston được van Dijk và cộng sự (2000) và van Dijk và cộng sự (2001) mô tả. Một hạng mục chính của Dự án CA/T là kéo dài Xa lộ Liên bang I-90 về phía đông đến Sân bay Quốc tế Logan của Boston. Phần kéo dài này đòi hỏi ba đoạn giao cắt bên dưới mạng lưới đường ray dẫn vào South Station, một trung tâm giao thông vùng được Amtrak và Cơ quan Giao thông Vịnh Massachusetts (MBTA) sử dụng cho hàng trăm lượt tàu chạy mỗi ngày. Việc khu vực này đang được sử dụng quan trọng trên mặt đất, các nhịp lớn của các khoảng mở ngầm cần thiết để bố trí đường bộ nhiều làn, chiều sâu lớp phủ tương đối nông do trắc dọc tuyến đường, cùng với điều kiện đất nền kém và mực nước ngầm cao tại hiện trường đã khiến phương pháp hầm kích đẩy được chọn làm phương pháp đào hầm ưu tiên, thay vì cut-and-cover theo từng giai đoạn và các kỹ thuật đào hầm thông thường.
Ba đoạn giao cắt bên dưới đường ray gồm các kết cấu hộp cho các làn xe hướng đông của I-90, các làn xe hướng tây, và nhánh ra hướng tây nối vào Xa lộ Liên bang I-93. Kết cấu hộp cho các làn xe I-90 hướng đông là dài nhất trong ba kết cấu, dài 379 ft (115.5 m). Kết cấu này được thi công thành 3 đoạn, với kích thước mặt cắt ngang cao 36 ft (11.0 m), rộng 79 ft (24.1 m), và tổng trọng lượng khoảng 32,500 tấn. Hai kết cấu hộp còn lại đều cao 38 ft (11.6 m), rộng 78 ft (23.8 m), và mỗi kết cấu được thi công thành hai đoạn. Hầm I-90 hướng tây dài 258 ft (78.6 m) và nặng khoảng 27,000 tấn, trong khi hầm nhánh ra dài 167 ft (50.9 m) và nặng 17,000 tấn.
Điều kiện dưới mặt đất và đóng băng nền:
Như thể hiện trong Hình 12-3, điều kiện địa chất tại khu vực mà ba kết cấu hầm hộp được kích đẩy qua gồm: ở phía trên của mặt cắt dưới mặt đất là một lớp đất đắp hỗn tạp dày 20 đến 25 ft (6.1 đến 7.6 m), chủ yếu là cát bụi chặt vừa. Lớp đất đắp này chứa nhiều vật cản liên quan đến hơn 150 năm sử dụng khu vực cho đường sắt, công nghiệp và hạ tầng ven bờ, bao gồm tường bờ biển bằng khối đá granite, tường crib bằng gỗ lấp đá, móng gạch và đá xây, đường ray bị chôn vùi, và cống hộp gạch bị bỏ hoang.
Bên dưới lớp vật liệu đắp lịch sử này là lớp trầm tích hữu cơ yếu dày 10 đến 15 ft (3.0 đến 4.6 m), gồm bùn hữu cơ lẫn một ít cát mịn và than bùn. Bên dưới lớp hữu cơ là các thấu kính cát bồi tích và các lớp bùn vô cơ, thường dày dưới 5 ft (1.5 m). Phần còn lại của mặt cắt mà các hộp được kích đẩy qua là đất sét biển, gồm đất sét và bùn có trạng thái mềm, ngoại trừ 15 ft (4.6 m) phía trên có phần cứng hơn và ít nén lún hơn. Mực nước ngầm tại hiện trường thường nằm thấp hơn cao độ đường ray từ 6 đến 10 ft (1.8 đến 3.0 m), khiến cao trình đào hầm trong mỗi trường hợp đều bị ngập hoàn toàn.
Sự thành công của công tác kích đẩy hộp phụ thuộc rất lớn vào việc duy trì ổn định của các lớp đất mà hầm đi qua. Với điều kiện hiện hữu là đất yếu nằm dưới mực nước ngầm, lớp phủ nông phía trên các hộp hầm, và các nhịp lớn cần thiết, đã có những lo ngại nghiêm trọng về mất đất tại gương đào, khả năng lún đáng kể của các kết cấu đường ray phía trên, và mất kiểm soát tuyến trong quá trình kích đẩy. Do đó, cần phải cải thiện nền để việc đào hầm có thể được thực hiện hiệu quả và an toàn.
Thiết kế ban đầu cho các hầm yêu cầu xử lý nền bằng tổ hợp các biện pháp: bơm hạ nước và phụt vữa hóa chất trong lớp vật liệu đắp hỗn tạp; jet grouting ngang trong các trầm tích hữu cơ; và đóng đinh đất trong lớp sét biển. Nhà thầu lo ngại về các rủi ro tiềm ẩn liên quan đến việc triển khai tổ hợp các phương pháp ổn định đất này, nên đã đưa ra một đề xuất value engineering để thay thế tất cả các phương pháp bằng biện pháp đóng băng nền. Đề xuất này được chấp thuận, và một chiến dịch đóng băng quy mô lớn đã được thực hiện, bao trùm cả ba tuyến hầm, như được thảo luận thêm ở Mục 12.5 bên dưới.
Box Casting Operation:
Mỗi kết cấu hộp hầm được thi công trong một hố kích nằm ngay sát phía tây mạng lưới đường ray South Station (Hình 12-4). Các hố kích được thi công bằng phương pháp tường vữa, với hệ chống sau bằng tường bên và lớp “strut” đất cải thiện được hình thành bằng jet grouting bên dưới bản đáy nhằm giảm số tầng chống cần thiết, để các hộp có thể được thi công mà không bị cản trở bởi hệ chống ngang băng qua hố. Bản đáy bê tông của từng hố kích được đặt với sai số rất chặt về cao độ, vì nó đóng vai trò là bề mặt đúc cho các kết cấu hộp, đồng thời thiết lập trắc dọc ban đầu để bảo đảm các đốt hầm được kích đẩy theo đúng tuyến yêu cầu.
Sau khi bản đáy của từng hố kích được hoàn thành, một loạt cáp thép được lắp đặt dọc theo bản đáy, và các tấm thép phủ toàn bộ phạm vi đáy của các đốt hộp được đặt lên trên các cáp thép này. Các chốt chịu cắt được hàn vào các tấm thép đáy để neo các tấm này vào bản bê tông. Nhờ đó, khi bắt đầu kích đẩy, lực ma sát mà các kích phải thắng để di chuyển kết cấu hộp sẽ là ma sát do các tấm thép trượt trên cáp thép, thay vì bê tông trượt trên bê tông. Hình 12-4 cho thấy quá trình thi công các kết cấu hộp hầm I-90 hướng tây.
Thiết kế kết cấu của các đốt hầm này phải xét đến không chỉ các tải trọng dài hạn từ đất phủ phía trên và tải trọng phụ thêm do đường sắt, mà còn cả các tải trọng thi công trong giai đoạn kích đẩy. Mỗi hầm được thi công theo từng đoạn: 2 đoạn cho hầm nhánh ra I-90 hướng tây và chính hầm I-90 hướng tây, và 3 đoạn cho hầm I-90 hướng đông, nhằm giảm lực kích cần thiết để đưa các hầm đến vị trí cuối cùng bằng các trạm kích trung gian đặt thêm ngoài các kích bố trí ở phía sau. Để ngăn đất đi vào khe hở giữa các đoạn hộp liền kề, một hệ các tấm thép “bridge” chồng mí trượt liên tục theo phương ngang đã được sử dụng. Sau khi kích đẩy hoàn tất, các kích được tháo bỏ và các khu vực trạm kích trung gian được lấp đầy bằng bê tông.
Không thể chống thấm các bề mặt ngoài của kết cấu hộp vì vật liệu chống thấm sẽ bị xé rách trong quá trình kích đẩy. Việc kiểm soát thấm nước được thực hiện bằng cách sử dụng cấp phối bê tông có độ thấm thấp để thi công các hộp, và phụt vữa tại mặt tiếp xúc giữa các hộp với đất xung quanh thông qua các cổng phụt vữa được đúc sẵn trong tường và bản mái sau khi công tác đào hầm và kích đẩy hoàn thành.
Một khiên bê tông dạng ô ngăn được thi công ở phía trước mỗi đốt hộp dẫn đầu để hỗ trợ công tác đào bằng cách tạo nhiều điểm tiếp cận đến gương đào, có thể đóng lại nếu xuất hiện vấn đề ổn định. Một lưỡi cắt thép vát mép được bố trí quanh chu vi của khiên, hơi loe ra ngoài để bảo đảm khoảng mở mà kết cấu hộp hầm sẽ được kích đẩy vào có thể được kiểm soát chặt chẽ, nhưng vẫn được đào đủ lớn để tránh các hộp bị kẹt khi được đẩy về phía trước.
Đào hầm:
Công tác đào trong nền đất đóng băng tại gương đào, với cường độ kháng nén một trục ước tính trong khoảng từ 700 đến 1400 psi (4.8 đến 9.7 MPa), chủ yếu được thực hiện bằng máy roadheader hoạt động tại hai cao độ bên trong khiên đào. Hình 12-5 cho thấy một hình ảnh điển hình của công tác đào bằng roadheader.
Các roadheader cũng tỏ ra hiệu quả trong việc loại bỏ nhiều cọc gỗ gặp phải. Để loại bỏ các vật cản bằng khối xây, vốn bị giữ chặt trong khối đất đóng băng, người ta sử dụng búa thủy lực. Vật liệu đào rơi xuống đáy khiên trong quá trình đào, tại đó vật liệu được thu gom bằng máy Gradall và máy xúc lật. Một xe xúc bánh lốp dạng scoop tram được sử dụng để vận chuyển vật liệu ra phía sau kết cấu hầm hộp và đổ vào thùng skip, sau đó thùng này được cần trục hố kích nâng ra ngoài và tập kết để chất lên xe tải vận chuyển.
Dựa trên năng suất đào điển hình, thời gian tự đứng của nền đất đóng băng không chống đỡ, khối lượng vật liệu đào cần xử lý, thiết kế của hệ kích đẩy và lịch làm việc theo ca, Nhà thầu xác định rằng bước đào tiến tối ưu để công tác kích đẩy tiến triển hiệu quả và ổn định là khoảng 3 ft (0.9 m). Tùy thuộc vào số lượng vật cản gặp phải trong từng đợt đào, tốc độ tiến đạt được thường là từ một đến hai đợt mỗi ngày, tương đương 3 đến 6 ft (0.9 đến 1.8 m). Sau khi hoàn thành mỗi bước đào, Nhà thầu phải kiểm tra chu vi của khiên đào để bảo đảm mọi vật cản, bao gồm cả các ống đóng băng bị bỏ lại, đều được cắt lùi đủ xa để không vướng vào hộp hầm.
Anti-Drag System (Hệ thống giảm ma sát):
Như đã thảo luận trước đó, một hệ thống chống kéo theo được lắp đặt phía trên và phía dưới kết cấu hộp hầm để giảm lực cản ma sát giữa kết cấu hộp và đất xung quanh.
Hệ thống này có tác dụng làm phân bố đều lực ma sát trên các bề mặt bản mái và bản đáy của hộp, góp phần kiểm soát tuyến trong quá trình kích đẩy, đồng thời giảm khả năng lún và chuyển vị ngang của lớp đất phủ nông phía trên hầm bằng cách tách mặt tiếp xúc giữa bê tông hộp và đất.
Điều này được thực hiện bằng cách lắp đặt một loạt cáp thép đường kính 3/4 inch (19 mm), được bôi mỡ và neo vào hố kích. Các cáp này được luồn qua các khe trong khiên đào vào bên trong kết cấu hộp hầm, nơi chúng được lưu giữ trên các giá treo gắn vào mặt dưới của bản mái và trên các cuộn đặt bên trong hầm.
Hệ thống được bố trí sao cho khi hầm tiến về phía trước, các cáp thép được kéo ra từ các bộ phận lưu giữ để phủ lên phần bề mặt trên và dưới của kết cấu hộp nằm trong đất ngoài hố đẩy. Phần thảo luận thêm về Anti-Drag System (ADS) được trình bày trong Mục 12.4.1.
Tunnel Jacking Operation (Vận hành kích đẩy hầm):
Khi hoàn thành mỗi đợt đào, các kết cấu hầm được kích đẩy vào khoảng trống vừa tạo ra tại gương đào. Việc này được thực hiện bằng một nhóm 25 kích thủy lực bố trí ở cao độ bản đáy tại phía sau hộp hầm, và các nhóm bổ sung gồm 26 đến 32 kích đặt tại các trạm kích trung gian.
Mỗi kích có sức làm việc 533 tấn tại áp lực làm việc 6100 psi (42.1 MPa), và có thể tạo lực đẩy tối đa 889 tấn tại áp lực 10200 psi (70.3 MPa). Hành trình tối đa của các kích phía sau là 42 inch (1.07 m), trong khi hành trình của các kích tại trạm trung gian bị giới hạn ở 16.5 inch (419 mm).
Tại mỗi trạm kích, các kích riêng lẻ được nối thành từng cụm từ 2 đến 4 kích. Cách này giúp đơn giản hóa việc điều khiển thủy lực, đồng thời cho phép một mức độ điều chỉnh hướng ngang thông qua vận hành thay đổi giữa các cụm kích.
Phản lực kích cần thiết được truyền vào một tường khối bê tông cốt thép nặng ở phía sau hố kích thông qua một loạt đoạn ống thép, được gọi trong dự án là “packers”. Các tải trọng tác dụng lên tường phản lực này sau đó được truyền vào nền đất xung quanh thông qua bản đáy và tường sau của hố kích. Phần thảo luận thêm về công tác kích đẩy được trình bày trong Mục 12.4.2.
12.4 CÁC VẤN ĐỀ VỀ TẢI TRỌNG VÀ KẾT CẤU
Về hầu hết các khía cạnh, tải trọng kết cấu và các vấn đề thiết kế đối với hầm hộp kích đẩy tương tự như đối với hầm cut-and-cover đổ tại chỗ, như đã thảo luận trong Chương 5. Người đọc được dẫn chiếu đến Mục 5.3 để xem thảo luận chi tiết về hệ khung kết cấu, thiết kế, lực nổi, chống thấm, v.v., và Mục 5.4 về tải trọng và tổ hợp tải trọng. Mục 5.5 trình bày các quy trình và vấn đề thiết kế kết cấu cho hầm hộp.
Tuy nhiên, ngoài các tải trọng thiết kế điển hình đã thảo luận trong Mục 5.4, thiết kế hầm hộp kích đẩy có thể bị chi phối bởi hai loại tải trọng đặc thù trong quá trình thi công: tải trọng lực kích đẩy và tải trọng ma sát tại mặt tiếp xúc.
12.4.1 Tải trọng ma sát của đất và hệ thống giảm ma sát (ADS)
Tải trọng ma sát của đất, phát sinh từ áp lực tiếp xúc giữa đất và kết cấu hộp, được tính toán bằng cách nhân với các hệ số ma sát thích hợp, và được dùng để ước tính tải trọng ma sát tại các mặt tiếp xúc ma sát. Một giá trị dính bám phù hợp được sử dụng tại mặt tiếp xúc giữa hộp và nền đất dính. Các giả thiết đơn giản hóa được đưa ra khi xây dựng tải trọng ADS và mô hình tương tác hộp/ADS/đất; tính hợp lý của các giả thiết này được kiểm chứng bằng phân tích ngược từ các tải trọng và dữ liệu lịch sử khác. Để giảm tải trọng ma sát rất lớn này, hệ thống giảm ma sát (Anti-Drag System, ADS) được sử dụng để tách bề mặt ngoài của hộp khỏi nền đất kề bên trong quá trình kích đẩy hầm.
Như đã mô tả ở Mục 12.3, các hầm CA/T sử dụng một hệ ADS gồm một dãy cáp thép đặt sát nhau, ban đầu được lưu giữ bên trong hộp, với một đầu của mỗi cáp được neo tại hố kích. Khi hộp tiến lên, các cáp được kéo dần ra qua các lỗ dẫn hướng trong khiên đào và tạo thành một lớp ngăn cách gần như đứng yên giữa hộp đang di chuyển và nền đất kề bên. Các lực ma sát được ADS hấp thụ và truyền ngược về hố kích. Bằng cách này, nền đất được cách ly khỏi các lực ma sát và hầu như không bị xáo trộn. Người đọc cũng được dẫn chiếu đến Ropkins 1998 để biết thêm về các ứng dụng ADS khác.
12.4.2 Tải trọng kích đẩy
Áp lực chịu tải tới hạn trên các hệ chống gương đào và trên chu vi khiên đào được sử dụng để tính toán tải trọng kích đẩy cần thiết nhằm đẩy khiên tiến lên. Lưu ý rằng áp lực tại gương đào phải được phân tích bằng các đặc tính của đất đã xử lý. Ngoài ra, tải trọng kích đẩy còn bao gồm các tải trọng ADS như đã thảo luận ở trên.
Lực kích đẩy được tạo ra bằng thiết bị kích thủy lực công suất lớn, được chế tạo chuyên dụng. Các kích có sức nâng 500 tấn (4,448 kN) hoặc lớn hơn có thể được sử dụng cho các hầm lớn. Như đã thảo luận ở Mục 12.3, các kích có sức nâng 533 tấn tại áp lực làm việc 6100 psi (42 MPa) đã được sử dụng trong các hầm I-90 (Hình 12-7). Để kích đẩy một kết cấu hầm kích thước lớn, cần dùng nhiều kích để cung cấp đủ lực kích nhằm kháng lại áp lực gương đào. Ngoài ra, việc sử dụng nhiều kích cũng tạo ra một mức độ kiểm soát hướng, đồng thời cung cấp khả năng dự phòng trong trường hợp tải trọng kích đẩy yêu cầu bị đánh giá thấp.
Phản lực đối với lực kích đẩy được tạo ra bởi bệ kích hoặc tường chịu lực đẩy, tùy thuộc vào địa hình hiện trường và cao độ tương đối của hầm. Một ví dụ về khối chịu lực đẩy bằng bê tông cốt thép nặng cũng được thể hiện trong Hình 12-7. Các kết cấu tạm này lần lượt truyền lực đẩy vào một khối đất ổn định lân cận. Tường chịu lực đẩy thường được ổn định bởi áp lực đất bị động. Khi phát triển phản lực này, tường có thể dịch chuyển vào trong đất, và chuyển vị này phải được xét đến khi thiết kế hệ kích đẩy. Khi tường chịu lực đẩy được sử dụng trong hố kích có vách đứng, cần cẩn trọng để bảo đảm chuyển vị của tường chịu lực đẩy dưới tải không gây mất ổn định ở các vị trí khác trong hố.
Khi hộp hầm và các kích dần được đẩy ra xa tường phản lực, Nhà thầu cần đưa ra một phương pháp để tiếp tục truyền phản lực kích đẩy ngược về tường khối phản lực. Việc này được thực hiện bằng cách lắp đặt một loạt đoạn ống thép đường kính 3 ft, tức packer, để bắc qua khoảng hở giữa piston kích và tường khối phản lực. Hình 12-7 cũng thể hiện các đoạn packer ngắn ban đầu được lắp đặt sau khi kết cấu hộp hầm đã được kích đẩy ra khỏi khối phản lực sau một khoảng lớn hơn hành trình tối đa của các kích.
Các packer được liên kết với nhau bằng các tấm ngăn dày 1 in, được neo vào bản đáy trong hố kích. Ba góc nhìn của việc lắp đặt packer được thể hiện trong Hình 12-7, Hình 12-8 và Hình 12-9.
Bệ kích thường được ổn định bằng tương tác chống cắt với nền đất bên dưới và ở hai bên. Khi mặt tiếp xúc có ma sát, tương tác này có thể được tăng cường bằng cách gia tải thêm cho bệ kích bằng neo đất dự ứng lực hoặc đất hầm được đầm chặt. Bệ kích cũng được ổn định bởi cả ADS phía trên và phía dưới được neo vào nó.
12.5 KIỂM SOÁT NỀN ĐẤT
Như đã thảo luận trước đó, nền đất mềm nhiều khả năng cần được xử lý trước để có đủ thời gian tự đứng trong quá trình đào hầm bằng hộp kích đẩy. Ngoài ra, nền đất có thể cần được ổn định trước nhằm kiểm soát lún bề mặt khi kích đẩy hầm ở chiều sâu nông như vậy.
Các kỹ thuật ổn định nền đất cho hầm hộp kích đẩy bao gồm: phụt vữa, hạ nước bằng wellpoint và đóng băng nền, được trình bày trong các Mục 7.6.5 “Phương pháp phụt vữa – Grouting Methods”, 7.6.6 “Đóng băng nền – Ground Freezing”, và 7.6.7 “Hạ nước – Dewatering”. Phần dưới đây trình bày về đóng băng nền để minh họa cách một biện pháp kiểm soát nền đất được sử dụng cho hầm hộp kích đẩy.
12.5.1 Đóng băng nền cho các hầm kích đẩy thuộc Dự án CA/T
Như đã thảo luận ở Mục 12.3 bên trên, Nhà thầu đã đưa ra một đề xuất value engineering để thay thế các phương pháp ổn định đất khác nhau nêu trong Hợp đồng bằng biện pháp đóng băng nền. Phương án thay thế này có một số ưu điểm, bao gồm khả năng ổn định hoàn toàn khối đất mà các kết cấu hộp hầm sẽ được kích đẩy qua. Ngược lại, các phương pháp jet grouting ngang và đóng đinh đất trong thiết kế ban đầu sẽ phải được thực hiện định kỳ trong quá trình kích đẩy hầm để cho phép lắp đặt các biện pháp cải thiện nền từ gương đào.
Đóng băng nền cũng mang lại các ưu điểm: 1) cải thiện ổn định gương đào, nhờ đó không cần đóng các khoang của shield bằng ván chặn; 2) bao bọc tốt hơn các vật cản, vì nếu không các vật cản này có khả năng đột ngột rơi/trượt vào gương đào khi bị lộ ra; và 3) tránh các “cửa sổ” đất chưa được xử lý.
Hệ thống đóng băng được lắp đặt hoàn toàn từ mặt đất phía trên từng tuyến hầm, bên trong mạng lưới đường ray. Nhà thầu chọn hệ thống đóng băng nước muối truyền thống, với trạm amoniac cung cấp lạnh. Trong trạm đóng băng, khí amoniac được nén để ngưng tụ thành chất lỏng, sau đó bay hơi để làm lạnh dung dịch nước muối đến khoảng nhiệt độ trung bình từ -25°C đến -30°C. Dung dịch nước muối dùng để làm lạnh và cuối cùng đóng băng nền đất được tuần hoàn qua các mạch ống đóng băng thẳng đứng, như thể hiện sơ đồ trong Hình 12-10.
Mỗi ống đóng băng riêng lẻ gồm một ống thép đường kính 4.5 inch, đầu ống được bịt kín, bên trong đặt một ống nhựa đường kính 2 inch, đầu dưới để hở. Như thể hiện trong Hình 12-11, nước muối lạnh được bơm từ đường ống cấp chính vào ống bên trong; tại đây nước muối thoát ra ở đáy ống và dâng lên trong khoảng không hình vành khuyên giữa ống trong và ống ngoài, đồng thời làm lạnh phần đất xung quanh. Tại đầu trên của ống, nước muối được đưa sang ống đóng băng kế tiếp để tuần hoàn làm lạnh, như một phần của mạch gồm 4 đến 7 ống. Sau khi đi qua tất cả các ống trong mạch, nước muối được bơm trở lại trạm đóng băng để làm lạnh lại thông qua đường ống hồi chính. Nước muối được tuần hoàn liên tục theo cách này qua tất cả các mạch tạo thành vùng đóng băng trong một hệ kín. Nhiệt độ của khối đất được hạ dần trong thời gian 4 đến 5 tháng cho đến khi đất đóng băng và đạt nhiệt độ mục tiêu trung bình là -10°C.
Các ống đóng băng được lắp đặt trong khu vực đường ray bằng giàn khoan sonic. Giàn khoan này sử dụng mũi khoan lấy lõi kiểu rung để tạo lỗ mồi xuyên qua lớp vật liệu đắp hỗn tạp và các vật cản nằm trong đó, sau đó rung ống thép đóng băng bên ngoài vào đúng vị trí bằng quy trình khoan khô, làm dịch chuyển các trầm tích hữu cơ và lớp sét biển nằm bên dưới.
Giàn khoan được lắp trên một bàn xoay ở phía sau xe tải chạy được cả trên đường bộ và đường ray, tạo sự linh hoạt trong việc bố trí các ống giữa các ray và bên ngoài tà vẹt gỗ, cũng như tránh thiết bị chuyển hướng ray và tín hiệu.
Phần lớn công tác khoan được thực hiện vào ban đêm, thông qua một chuỗi các đợt phong tỏa đường ray được phối hợp cẩn thận với đơn vị đường sắt. Phương pháp khoan sonic tỏ ra rất hiệu quả trong việc lắp đặt nhanh các ống đóng băng, với lượng đất thải khoan sinh ra tương đối ít. Hình 12-12 cho thấy hệ thống đang vận hành, trong khi các tuyến máy tính tiếp tục chạy qua khu vực đóng băng. Tổng cộng gần 1800 ống đóng băng đã được sử dụng trong dự án để đóng băng hơn 3.5 triệu ft³ (khoảng 99,100 m³) đất.
Phương pháp đóng băng nền đất rất hiệu quả trong việc tạo ra gương đào ổn định trên toàn bộ diện tích mặt cắt ngang hầm, như thể hiện trong Hình 12-13. Nhược điểm đáng kể duy nhất của phương pháp này là sự giãn nở của nước khi đóng băng làm cho khu vực đường ray bên trên bị trồi lên. Mức độ trồi thay đổi đáng kể theo tim hầm, tùy thuộc vào sự thay đổi độ ẩm của địa tầng đất bên dưới. Thông thường, biến dạng lớn nhất, được theo dõi hằng ngày bằng các đợt khảo sát chi tiết cao độ ray, nằm trong khoảng 4 đến 7 inch. Hiện tượng trồi làm tăng cao độ mặt đất ban đầu, kéo dài theo phương ngang từ tim hầm đến các khoảng cách xấp xỉ 50 đến 70 ft vượt ra ngoài mép kết cấu hộp hầm. Độ lớn của biến dạng này đòi hỏi phải định kỳ hiệu chỉnh lại biên dạng đường ray bởi đơn vị đường sắt, nhằm bảo đảm duy trì các yêu cầu hình học đường ray cho việc vận hành tàu an toàn.
Nhiệt độ của khối đất đóng băng được theo dõi bằng một loạt đầu dò nhiệt độ lắp đặt tại mỗi vị trí đóng băng. Sau khi đạt nhiệt độ mục tiêu, hệ thống đóng băng được điều chỉnh để duy trì nhiệt độ đó, qua đó kiểm soát ổn định của đất tại gương đào hầm. Khi công tác đào tiến triển cho từng hầm, các mạch đóng băng được ngừng hoạt động và các ống nước muối cùng ống trong bằng nhựa được tháo ra khỏi các ống thép, trong khi các ống thép được để lại tại chỗ. Việc ngừng dần và tháo dỡ hệ thống đóng băng này được căn thời điểm nhằm tránh làm ấm đáng kể một phần khối đất trước khi phần đó lộ ra tại đầu đào hầm. Khi gặp các ống thép đóng băng đã bỏ lại, chúng được cắt ra bằng mỏ cắt.
Kỹ sư thiết kế hầm cần bảo đảm rằng các biện pháp xử lý nền đất không tự chúng gây ra mức độ xáo trộn nền đất và chuyển vị bề mặt không thể chấp nhận được.
12.5.2 Mất đất tại gương đào
Thiết kế cũng cần bao gồm các biện pháp kiểm soát mất đất tại gương đào, xảy ra khi đất phía trước khiên dịch chuyển về phía hầm do áp lực ngang trong đất tại gương đào hầm bị giảm. Khi xảy ra mất đất tại gương đào, trong quá trình hầm tiến lên, thể tích đất được đào sẽ lớn hơn thể tích lý thuyết bị chiếm chỗ do quá trình tiến hầm.
Trong đất dính, mất đất tại gương đào được kiểm soát bằng cách luôn chống đỡ gương đào bằng một khiên đào hầm được thiết kế riêng và bằng cách kiểm soát cẩn thận cả công tác đào gương lẫn quá trình tiến hộp. Khiên thường được chia thành các ô bởi các vách và sàn bên trong, được ép chặt vào gương đào. Thông thường, 0.5 ft (150 mm) đất được xén khỏi gương đào, sau đó hộp được kích đẩy tiến thêm 0.5 ft (150 mm). Trình tự này được lặp lại cho đến khi hoàn tất thi công hầm, nhờ đó duy trì sự chống đỡ cần thiết cho gương đào.
12.5.3 Đào vượt biên (over-cut)
Thiết kế cũng cần bao gồm các biện pháp kiểm soát đào vượt biên (over-cut) trong đất mềm, bằng cách bảo đảm rằng chu vi khiên được giữ chôn trong đất và cắt đất theo biên dạng yêu cầu. Tuy nhiên, cần có một mức độ đào vượt biên (over-cut) tại mái và hai bên vượt ra ngoài kích thước danh định của hộp vì ba lý do:
- Lỗ mà hộp đi qua phải đủ lớn để phù hợp với các bất thường trên bề mặt ngoài của hộp.
- Cần giảm áp lực tiếp xúc giữa đất và hộp để giảm lực cản.
- Có thể cần đào vượt biên (overcutting) để loại bỏ hoàn toàn các vật cản tại chu vi của khiên.
Lượng đào vượt biên (over-cut) cần thiết nên được giảm thiểu nhằm tránh xáo trộn nền đất không cần thiết và lún bề mặt. Điều này đòi hỏi các bề mặt bên ngoài của hộp phải được tạo hình chính xác nhất có thể. Dung sai tạo hình điển hình là: ±0.4 in (10 mm) ở đáy và ±0.6 in (15 mm) ở tường và mái.
12.6 CÁC VẤN ĐỀ KHÁC CẦN XEM XÉT
12.6.1 Quan trắc
Quá trình thi công hầm hộp kích đẩy phải được quan trắc và kiểm soát cẩn thận để bảo đảm hiệu quả thi công và an toàn. Trong suốt quá trình thi công hầm, chuyển vị mặt đất trong khu vực chịu ảnh hưởng của hoạt động thi công, lực kích và tim tuyến đứng, tim tuyến ngang của hộp đều được quan trắc thường xuyên và so sánh với các giá trị dự báo hoặc giá trị quy định.
Chương 15 trình bày nhiều loại thiết bị có thể sử dụng để quan trắc chuyển vị mặt đất. Mục 15.7 thảo luận các vấn đề tổng thể về quản lý hệ thống quan trắc. Daugherty (1998) cũng cung cấp các thảo luận chi tiết về thiết kế hệ thống quan trắc cho các hầm CA/T C09A4.
12.6.2 Tim tuyến đứng
Thiết kế cũng cần bao gồm các biện pháp kiểm soát tim tuyến đứng. Một hộp dài có ổn định hướng nhờ tỷ số chiều dài trên chiều sâu lớn. Trong các giai đoạn đầu lắp đặt, hộp được dẫn hướng bởi chính trọng lượng của nó tác dụng lên bệ kích. Vượt ra ngoài bệ kích, các “rãnh” ADS ở đáy giữ hộp đi theo đúng tim tuyến đứng. Do áp lực đất dưới các “rãnh” thường nhỏ hơn hoặc tương đương với áp lực có sẵn trong đất, và do xáo trộn cục bộ của đất được loại bỏ, nên không xảy ra lún đường ray. Nhờ đó, xu hướng hộp chúi xuống được ngăn chặn.
Trong trường hợp hộp ngắn hoặc một chuỗi các hộp ngắn, cần lái từng hộp bằng cách thay đổi cao độ của lực kích. Việc này được thực hiện bằng cách bố trí các nhóm kích tại mỗi trạm kích ở các cao độ khác nhau trong chiều cao của hộp và cô lập có chọn lọc từng nhóm riêng lẻ. Quá trình kích trở nên phức tạp do cần kiểm tra tim tuyến của tất cả các đơn vị hộp ở từng giai đoạn thi công và, nếu cần, áp dụng phản ứng lái phù hợp tại tất cả các trạm kích.
12.6.3 Tim tuyến ngang
Thiết kế cũng cần bao gồm các biện pháp kiểm soát tim tuyến ngang. Như đã thảo luận trước đó trong phần tim tuyến đứng, một hộp dài có mức độ ổn định hướng nhất định nhờ tỷ số chiều dài trên chiều rộng lớn, và trong các giai đoạn đầu lắp đặt thường được dẫn hướng bằng các tường dẫn cố định đặt trên bệ kích dọc theo hai bên hộp. Khi thích hợp, cũng có thể sử dụng biện pháp lái hướng, thường được thực hiện bằng cách cô lập có chọn lọc một hoặc nhiều nhóm kích đẩy nằm ngang qua phía sau hộp. Tùy theo điều kiện nền đất, cũng có thể điều chỉnh phần nào vị trí ngang bằng cách kiểm soát lượng đào thiếu biên/đào vượt biên (undercut/overcut) của phần đào ở một bên đầu đào so với bên còn lại.
Trong trường hợp hộp ngắn hoặc chuỗi các hộp ngắn, các tường dẫn bên cố định vẫn phù hợp, nhưng cần phụ thuộc nhiều hơn vào việc điều khiển hướng (steerage).
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.