Chương 7 – HẦM TRONG NỀN ĐẤT MỀM

7.1 GIỚI THIỆU

Các Chương 6 đến 10 trình bày các khuyến nghị và yêu cầu thiết kế đối với hầm đường bộ đào bằng phương pháp đào mỏ và khoan đào. Chương 7 đề cập đến các vấn đề phân tích, thiết kế và thi công riêng cho hầm, chủ yếu là hầm khiên đào, trong nền đất mềm, bao gồm đất dính, đất rời và cát pha bột. Chương 10 đề cập đến thiết kế các loại vỏ hầm cố định khác nhau áp dụng cho hầm trong nền đất mềm.

Con người đã đào trong nền đất mềm từ hàng nghìn năm trước. Các cuộc khai quật khảo cổ ở châu Âu và nhiều nơi khác cho thấy tổ tiên chúng ta đã sử dụng đủ loại công cụ để đào đất, chủ yếu để tạo “hang” làm nơi ở: xương, gạc, que gỗ, đá và các vật tương tự. Tuy nhiên, ở châu Âu có những đường hầm do người La Mã xây dựng, đã hơn 2000 năm tuổi và hiện vẫn còn hoạt động để dẫn nước. Khi dân số tăng lên và nhu cầu về dịch vụ giao thông ngày càng lớn, chắc chắn nhu cầu về hầm cũng sẽ tăng. Trong suốt quá trình đó, nghệ thuật thiết kế và thi công hầm cũng sẽ tiếp tục phát triển, nhưng khó có khả năng nghệ thuật này sẽ phát triển thành một khoa học có mức độ tương đương với thiết kế kết cấu. Kỹ sư kết cấu có thể quy định cả hình dạng và các đặc tính với mức độ chi tiết rất cao; còn kỹ sư hầm phải làm việc với các vật liệu tự nhiên hiện hữu, không thể quy định trước, và hơn nữa, chúng luôn thay đổi, thường thay đổi rất mạnh.

Các điều kiện nền đất mềm có vấn đề, như cát chảy và sét rất mềm, được thảo luận trong Chương 8. Việc đào tuần tự trong nền đất mềm dựa trên các nguyên lý của phương pháp đào tuần tự (SEM) được thảo luận trong Chương 9. Dữ liệu cần thiết cho phân tích và thiết kế được thảo luận trong Chương 3. Kết quả phân tích và thiết kế trình bày tại đây thường được đưa vào biên bản ghi nhớ thiết kế địa kỹ thuật (Chương 4) và là cơ sở của Báo cáo Nền tảng Địa kỹ thuật (Chương 4). \begin{aligned} \end{aligned}

7.2 ỨNG XỬ CỦA NỀN

7.2.1 Phân loại nền đất mềm

Ứng xử dự kiến của nền trong hầm đất mềm lần đầu tiên được Terzaghi (1950) xác định thông qua Hệ phân loại nền cho hầm của Tunnelman (Bảng 7-1). Ứng xử này cũng có thể được thảo luận theo nhận dạng đất (theo kích thước hạt) và bằng cách xem xét ứng xử ở phía trên và phía dưới mực nước ngầm, như được tóm tắt dưới đây.

Đất dính và cát pha bột phía trên mực nước ngầm

Đất dính (đất sét) ứng xử như một vật liệu dẻo mềm, dịch chuyển vào khoảng mở hầm theo dạng chảy dẻo liên tục. Theo hướng dẫn của Peck (1969) đối với vật liệu dính (đất sét) hoặc các vật liệu có đủ lực dính hoặc sự gắn kết để lấy mẫu và thí nghiệm cường độ nén không nở hông, có thể ước tính ứng xử của nền trong thi công hầm từ phương trình sau:

\[
N_{crit}=\frac{P_z-P_a}{S_u} \tag{7-1}
\]

Trong đó, \(N_{crit}\) là hệ số ổn định; \(P_z\) là áp lực lớp phủ đất phía trên tính đến tim hầm; \(P_a\) là áp lực trong tương đương phân bố đều tác dụng lên gương đào (ví dụ do chống đỡ gương hoặc khí nén); và \(S_u\) là sức kháng cắt không thoát nước (được định nghĩa cho mục đích này bằng một nửa cường độ nén không hạn chế nở hông).

(cường độ nén không hạn chế nở hông)

“Unconfined compressive strength” là thí nghiệm nén mẫu đất/sét mà không có áp lực bao quanh bên hông mẫu.

Cụ thể:

• Lấy một mẫu đất hình trụ, thường là đất sét dính có thể tự đứng được.
• Đặt mẫu vào máy nén.
• Chỉ nén theo phương thẳng đứng.
• Hai bên hông mẫu để tự do phình ra, không có áp lực confining như trong thí nghiệm ba trục.

Khi tăng tải đến lúc mẫu phá hoại, ứng suất nén lớn nhất đo được là:

cường độ kháng nén không hạn chế hông (unconfined compressive strength, thường ký hiệu \(q_u)\)

Với đất sét bão hòa: \( S_u = \dfrac{q_u}{2} \)

vì trong điều kiện không hạn chế hông:

• ứng suất chính nhỏ \(\sigma_3 = 0\)
• theo tiêu chuẩn Tresca: \( q_u = 2S_u \)

nên sức kháng cắt không thoát nước bằng một nửa cường độ nén không hạn chế hông.

Bảng 7-1. Phân loại nền đất theo Tunnelman

Phân loại		Ứng xử	Loại đất điển hình
Firm: Ổn định/Cứng chắc		Gương đào có thể được tiến hành mà không cần hệ chống đỡ ban đầu, và vỏ hầm hoàn thiện có thể được thi công trước khi nền bắt đầu dịch chuyển.	Đất hoàng thổ phía trên mực nước ngầm; sét cứng, marl, cát và sỏi gắn kết khi không bị quá ứng suất cao.
Raveling: Rơi lở / bong rời	Raveling chậm ——- Raveling nhanh	Các mảng hoặc phiến vật liệu bắt đầu rơi ra khỏi vòm hầm hoặc vách hầm một thời gian sau khi nền đã bị lộ ra, do bị lỏng ra hoặc do quá ứng suất và phá hoại “giòn” (nền tách ra hoặc vỡ dọc theo các bề mặt rõ rệt, trái với nền bị ép chảy). Trong nền raveling nhanh, quá trình này bắt đầu trong vòng vài phút; nếu không, nền được xem là raveling chậm.	Đất tàn tích hoặc cát có lượng nhỏ chất kết dính có thể raveling nhanh bên dưới mực nước ngầm, và raveling chậm phía trên mực nước ngầm. Sét nứt cứng có thể raveling chậm hoặc nhanh tùy theo mức độ quá ứng suất
Squeezing: Ép chảy		Nền bị ép hoặc đùn dẻo vào trong hầm, không thấy nứt vỡ rõ rệt hoặc mất tính liên tục, và không có sự gia tăng đáng kể về hàm lượng nước. Đây là hiện tượng chảy dẻo mềm do quá ứng suất.	Nền có cường độ ma sát thấp. Tốc độ ép chảy phụ thuộc vào mức độ quá ứng suất. Hiện tượng này xảy ra ở độ sâu nông đến trung bình trong sét có độ sệt từ rất mềm đến trung bình. Sét cứng đến rất cứng dưới lớp phủ đất lớn có thể dịch chuyển theo dạng kết hợp giữa raveling tại bề mặt đào và ép chảy ở sâu phía sau bề mặt đào.
Running: Chảy rời	Cohesive-running —– Running	Vật liệu hạt không có lực dính sẽ mất ổn định khi có mái dốc lớn hơn góc nghỉ của chúng, khoảng 30°–35°. Khi bị lộ ra ở mái dốc lớn hơn, chúng sẽ chảy giống như đường hạt hoặc cát dune, cho đến khi mái dốc thoải về bằng góc nghỉ.	Vật liệu hạt sạch, khô. Lực dính biểu kiến trong cát ẩm, hoặc sự gắn kết yếu trong bất kỳ đất hạt nào, có thể cho phép vật liệu đứng ổn định trong một thời gian ngắn theo dạng raveling trước khi mất ổn định và chảy. Ứng xử này gọi là cohesive-running.
Flowing: Chảy lỏng		Hỗn hợp đất và nước chảy vào hầm như một chất lỏng nhớt. Vật liệu có thể đi vào hầm từ đáy hầm, cũng như từ gương đào, vòm hầm và vách hầm; trong một số trường hợp có thể chảy đi xa, lấp đầy hoàn toàn hầm.	Xảy ra bên dưới mực nước ngầm trong đất bột, cát hoặc sỏi không có đủ hàm lượng sét để tạo lực dính và tính dẻo đáng kể. Cũng có thể xảy ra trong đất sét có độ nhạy cao khi vật liệu này bị xáo động.
Swelling: Trương nở		Nền hút nước, tăng thể tích và trương nở chậm vào trong hầm.	Đất sét quá cố kết mạnh với chỉ số dẻo lớn hơn khoảng 30, thường chứa hàm lượng montmorillonite đáng kể.

* Hiệu chỉnh bởi Heuer (1974) từ Terzaghi (1950).

Bảng 7-2 trình bày ứng xử dự kiến của thi công hầm trong đất sét (hiệu chỉnh theo Peck 1969 và Phienweja 1987). Cát pha bột phía trên mực nước ngầm có thể có một số lực dính (biểu kiến), nhưng thường ứng xử theo kiểu phá hoại giòn xung quanh khoảng mở hầm. Việc dự đoán ứng xử của chúng bằng phương trình trên mang tính chủ quan hơn, tuy nhiên vẫn có thể được thực hiện như minh họa trong Bảng 7-2.

Bảng 7-2. Ứng xử của hầm trong đất sét và cát pha bột
(theo Bickel và cộng sự, 1996)

Hệ số ổn định, \(N_{crit}\)	Ứng xử của hầm trong nền đất mềm
Đất dính
1	Ổn định
2–3	Từ biến nhỏ
4–5	Từ biến, thường đủ chậm để cho phép thi công hầm
6	Có thể gây phá hoại cắt tổng thể. Đất sét có khả năng xâm nhập vào không gian đuôi khiên quá nhanh, gây khó xử lý
Cát pha bột phía trên mực nước ngầm (có một phần lực dính biểu kiến)
1/4 – 1/3	Firm: Ổn định
1/3 – 1/2	Raveling chậm
1/2 – 1	Raveling

Đất hạt rời không có lực dính, bao gồm cát pha bột bên dưới mực nước ngầm

Từ góc độ thi công hầm, cát và sỏi khô hoặc bão hòa một phần phía trên mực nước ngầm có thể có một phần lực dính tạm thời do áp lực nước lỗ rỗng âm. Khi vật liệu nằm bên dưới mực nước ngầm, nó không có đủ lực dính hoặc sự gắn kết, và ứng xử trở nên khó dự đoán hơn, đồng thời có thể dễ dàng chảy rời hoặc chảy lỏng vào hố đào. Ứng xử của cát và sỏi trong thi công hầm đã được Terzaghi (1977) tổng hợp, và phần tổng hợp đó vẫn còn phù hợp (Bảng 7-3). Lưu ý rằng cát càng sạch thì càng dễ xảy ra hiện tượng chảy rời hoặc chảy lỏng khi bị lộ ra tại gương đào thẳng đứng không chống đỡ trong quá trình thi công hầm. Chương 8 trình bày chi tiết hơn về cát chảy rời và chảy lỏng.

Đối với cát pha bột bên dưới mực nước ngầm, chúng có thể trở nên nguy hiểm và xảy ra hiện tượng chảy lỏng nếu hệ số đồng đều \(C_u\) không nhỏ hơn 3; và có thể xuất hiện trạng thái từ chảy lỏng đến cohesive-running nếu \(C_u\) nhỏ hơn 6 (Terzaghi 1977).

7.2.2 Sự thay đổi trạng thái cân bằng trong quá trình thi công

Việc đào một khoảng mở hầm trong nền đất mềm và quá trình thi công hệ chống đỡ sau đó làm thay đổi điều kiện ứng suất của hầm và môi trường xung quanh. Những thay đổi này có thể diễn ra liên tục hoặc theo từng giai đoạn. Cần hiểu rõ các biến dạng gắn với những thay đổi này để nắm được ứng xử của hệ chống đỡ hầm.

“Trước khi đào khoang hầm, trạng thái của môi trường đất là trạng thái cân bằng trong trường trọng lực. Quá trình thi công hầm tạo ra các điều kiện cân bằng mới, và các điều kiện này sẽ thay đổi qua các giai đoạn thi công hầm và lắp dựng hệ chống đỡ, cho đến khi đạt trạng thái cân bằng cuối cùng. Ở trạng thái cân bằng cuối cùng này, mọi thay đổi về biến dạng và ứng suất xung quanh khoảng mở hầm dừng lại, và một điều kiện cân bằng mới được thiết lập.”

Bảng 7-3. Ứng xử của hầm: cát và sỏi

Tên gọi	Mức độ chặt	Ứng xử của hầm
		Phía trên mực nước ngầm	Phía dưới mực nước ngầm
Cát sạch rất mịn	Rời, N ≤ 10	Chảy rời có lực dính	Chảy lỏng
	Chặt, N > 30	Raveling nhanh	Chảy lỏng
Cát mịn có chất kết dính sét	Rời, N ≤ 10	Raveling nhanh	Chảy lỏng
	Chặt, N > 30	Ổn định hoặc raveling chậm	Raveling chậm
Cát hoặc sỏi pha cát có chất kết dính sét	Rời, N < 10	Raveling nhanh	Raveling nhanh hoặc chảy lỏng
	Chặt, N > 30	Ổn định	Ổn định hoặc raveling chậm
Sỏi pha cát và cát trung đến thô		Nền chảy rời. Vật liệu đồng đều (Cu < 3) và rời (N<10) có hạt tròn chảy rời tự do hơn nhiều so với vật liệu cấp phối tốt (Cu > 6) và chặt (N>30) có hạt góc cạnh.	Điều kiện chảy lỏng kết hợp với lưu lượng nước thoát ra cực lớn.

\(\\\)

Một vùng ứng suất thay đổi, đặc trưng bởi áp lực thẳng đứng tăng lên, di chuyển phía trước gương đào đang tiến của hầm. Sự thay đổi điều kiện cân bằng cũng được cảm nhận ở một khoảng cách đáng kể phía sau gương đào. Phân bố ứng suất có tính chất ba chiều tại vị trí gần gương đào, nhưng dần tiến đến trạng thái hai chiều khi gương đào tiến lên. Tốc độ đạt đến trạng thái hai chiều chịu ảnh hưởng bởi tốc độ tiến gương đào so với ứng xử phụ thuộc thời gian của môi trường đất.

Các thay đổi liên tục hoặc thường xuyên trong điều kiện cân bằng ứng suất không thể xảy ra nếu không có biến dạng trong môi trường đất. Nếu có sử dụng hệ chống đỡ, các hệ này cũng sẽ biến dạng. Luôn có một đáp ứng biến dạng tức thời khi điều kiện cân bằng thay đổi, và thường có thêm một đáp ứng phụ thuộc thời gian. Trong môi trường chứa nước, việc đào hầm làm thay đổi áp lực nước lỗ rỗng quanh khoảng mở và gây ra dòng thấm. Trong vật liệu hạt mịn có tính thấm thấp, cân bằng thủy tĩnh hoặc thủy động không được thiết lập ngay lập tức. Các thay đổi phụ thuộc thời gian kèm theo trong áp lực hữu hiệu giữa các hạt của môi trường đất sau đó dẫn đến biến dạng phụ thuộc thời gian.

Độ trễ thời gian cũng có thể liên quan đến các hiện tượng đàn nhớt hoặc dẻo nhớt, như từ biến trong bản thân môi trường đất hoặc dọc theo các mặt khe nứt trong môi trường đất. Dù nguyên nhân gây độ trễ thời gian là gì, tác động quan trọng nhất là trạng thái cân bằng cuối cùng đối với một tập hợp điều kiện biên thường chưa kịp đạt được trước khi các thay đổi mới về điều kiện biên xảy ra.

Thi công hầm không chỉ làm thay đổi điều kiện cân bằng, mà trong nhiều trường hợp còn làm thay đổi chính môi trường đất. Nổ mìn thường làm giảm cường độ của đá xung quanh khoảng mở; đào bằng khiên kín hoặc gần kín làm xáo động đất và có thể nhào trộn lại đất. Thật vậy, việc gây xáo động vật liệu ngay gần khoảng mở hầm là điều khó tránh khỏi. Tuy nhiên, khi hầm được đào không dùng nổ mìn trong một môi trường chỉ cần rất ít hoặc không cần hệ chống đỡ tức thời, mức độ xáo động có thể là tối thiểu.

7.2.3 Ảnh hưởng của hệ chống đỡ đến điều kiện cân bằng

Hầu hết các khoảng mở hầm đều được chống đỡ ở một giai đoạn nào đó trong quá trình thi công. Ứng xử của khoảng mở hầm và hệ chống đỡ phụ thuộc vào thời điểm, cách thức lắp đặt hệ chống đỡ, cũng như các đặc tính biến dạng của hệ này.

Có nhiều lý do phải bố trí hệ chống đỡ. Đôi khi, hệ chống đỡ cần thiết để bảo đảm ổn định tức thời cho khoảng mở. Nó thậm chí có thể được bố trí trước khi đào, ví dụ bằng ống thép vượt trước, forepoling hoặc cải tạo nền. Trong các trường hợp này, tương tác giữa môi trường đất và bộ phận chống đỡ bắt đầu trong khi đào hoặc trước khi đào. Khi dùng khiên đào để chống đỡ tức thời, vỏ hầm được lắp dựng bên trong khiên, và khoảng rỗng vành khuyên do đuôi khiên để lại ít nhất được lấp một phần bằng sỏi nhỏ và/hoặc vữa bơm. Vỏ hầm có thể được dùng làm hệ chống đỡ cố định, ví dụ gồm các segment bê tông đúc sẵn. Hoặc vỏ hầm có thể tương đối mềm, trong khi một vỏ hầm cố định cứng hơn sẽ được thi công sau đó. Trong trường hợp này, cần xét ít nhất ba điều kiện cân bằng khác nhau.

Khi cần chống đỡ dài hạn nhưng không cần chống đỡ tức thời, hệ chống đỡ có thể được thi công ở một khoảng cách phía sau gương đào. Khi đó, một phần ứng suất có thể được giải phóng, kèm theo các chuyển vị xảy ra trước khi hệ chống đỡ tương tác với môi trường đất. Thông thường, một lớp vỏ hầm được lắp dựng và mở rộng để tiếp xúc với môi trường đất. Quá trình mở rộng này tạo ra ứng suất trước trong cả vỏ hầm và môi trường đất, đồng thời ảnh hưởng đến các biến dạng sau đó.

Ngay cả khi khoảng mở không có nguy cơ mất ổn định hoặc sụp đổ tức thời, vẫn có thể cần hệ chống đỡ vì nhiều lý do khác nhau, thường là để kiểm soát hoặc hạn chế biến dạng. Biến dạng lớn có thể gây lún mặt đất ngoài ý muốn hoặc ảnh hưởng đến các kết cấu khác. Biến dạng như vậy phải được khống chế ở giai đoạn đủ sớm. Biến dạng của đất hoặc khối đá thường có thể dẫn đến sự suy giảm không mong muốn về cường độ và tính liên kết của môi trường đất. Trong đá có khe nứt hoặc đá yếu, vật liệu phía trên khoảng mở có xu hướng lỏng ra và sớm hay muộn có thể gây tải trọng đáng kể lên hệ chống đỡ. Các tải trọng này sẽ giảm nếu sự lỏng rời được ngăn chặn bằng hệ chống đỡ phù hợp.

Mặc dù ổn định ban đầu có thể đạt yêu cầu, điều kiện có thể khiến trạng thái cân bằng cuối cùng không thể đạt được nếu không có hệ chống đỡ. Điều này có thể xảy ra trong khối đá có khe nứt, khi xảy ra lỏng rời tiến triển; trong vật liệu từ biến hoặc trương nở; và trong các vật liệu có cường độ giảm theo thời gian. Ngoại trừ các vật liệu từ biến như muối, các hiện tượng dài hạn này đều gắn với sự thay đổi thể tích.

Không thể và cũng không nên tránh hoàn toàn biến dạng trong nền đất mềm. Một mức dịch chuyển nhất định là cần thiết để đạt được sự phân bố tải trọng có lợi giữa môi trường đất và hệ chống đỡ. Trong từng trường hợp, kỹ sư phải xác định mức dịch chuyển nào có lợi cho ứng xử của hầm, và đến mức dịch chuyển nào thì các ảnh hưởng bắt đầu trở nên bất lợi. Các kết luận của kỹ sư về những vấn đề này sẽ quyết định việc có cần bố trí các biện pháp khống chế trên vách hầm hay không và bố trí ở đâu. Các kết luận đó cũng xác định đặc điểm và mức độ của các biện pháp khống chế này. Trong hầm đá cứng, các dịch chuyển có lợi diễn ra gần như ngay lập tức, còn các dịch chuyển tiếp theo nhiều khả năng sẽ dẫn đến lỏng rời và phát sinh tải trọng bổ sung. Vì vậy, trong trường hợp này, việc thi công nhanh hệ chống đỡ thường là mong muốn.

Rõ ràng có nhiều yếu tố quyết định khi nào và ở đâu cần thi công hệ chống đỡ, ngoài các lý do kết cấu đơn thuần. Việc lựa chọn cuối cùng về việc có thực sự sử dụng hệ chống đỡ hay không, và sử dụng ở đâu, còn chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố bổ sung như tâm lý an toàn của công nhân, hoặc hiệu quả kinh tế có thể đạt được khi áp dụng một quy trình thi công thống nhất trong cùng một hầm, ngay cả khi đặc tính của môi trường đất thay đổi.

Bất kể lý do sử dụng các biện pháp khống chế là gì, tải trọng mà hệ chống đỡ phải chịu phụ thuộc vào giai đoạn cân bằng đang tồn tại tại thời điểm hệ chống đỡ được đưa vào. Do đó, nếu trạng thái cân bằng cuối cùng đã đạt được trước khi bố trí hệ chống đỡ, hệ chống đỡ có thể không nhận tải từ môi trường đất. Ngược lại, khi hệ chống đỡ được bố trí trước khi trạng thái cân bằng cuối cùng được thiết lập, các điều kiện biên mới sẽ được chồng lên các điều kiện đã tồn tại tại thời điểm thi công hệ chống đỡ. Các điều kiện cuối cùng mới phụ thuộc vào thời điểm bố trí hệ chống đỡ và vào tương tác giữa hệ chống đỡ với môi trường đất. Nếu bằng một quá trình giả định, có thể lắp đặt một hệ chống đỡ cứng trong môi trường đất trước khi đào mà không làm xáo động phần vật liệu còn lại, hệ đó sẽ chịu các ứng suất tương tự như điều kiện tại hiện trường trước khi đào. Tuy nhiên, quá trình đào thực tế, cùng với việc giảm ứng suất hướng tâm xuống áp suất khí quyển hoặc xuống áp suất không khí trong hầm, cũng như nhiều hoạt động khác, thường gây ra các biến dạng trong môi trường đất đến mức các ứng suất cuối cùng tác dụng lên hệ chống đỡ hầm rất ít giống, hoặc không còn giống, các ứng suất ban đầu trong môi trường đất.

Các quy trình phân tích và thiết kế hệ chống đỡ hầm tất yếu phải được đơn giản hóa, nhưng chúng cần dựa trên các xem xét về cân bằng và biến dạng đã được trình bày khái quát ở trên. Ngoài ra, nhiều yếu tố không liên quan trực tiếp đến tương tác giữa hệ chống đỡ và môi trường đất cũng có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế thực tế của hệ chống đỡ. Những yếu tố này, được trình bày trong phần tiếp theo, đôi khi thậm chí còn chi phối hơn cả các xem xét về tương tác kết cấu.” (theo Deere, 1969).

7.3 PHƯƠNG PHÁP ĐÀO

7.3.1 Đào hầm bằng khiên

Nhìn chung, đào hầm trong nền đất mềm chưa trở nên khả thi cho đến khi khiên đào hầm được đưa vào sử dụng — phát minh thường được ghi nhận cho Sir Marc Brunel — ngoại trừ các cửa mở nhỏ đào thủ công trong nền đất mềm và các cửa mở lớn hơn một chút trong đá mềm. Brunel viết: “Vì vậy, desideratum lớn nhất là tìm ra phương pháp hữu hiệu để mở đất theo cách sao cho lượng đất bị dịch chuyển không nhiều hơn phần được thân hoặc vỏ của đường hầm lấp vào, và công việc được thực hiện một cách chắc chắn” (Copperthwaite, 1906). Nói cách khác, không bao giờ mở nhiều hơn mức cần thiết, có thể đào nhanh và được chống đỡ nhanh chóng. Năm 1818, Brunel được cấp bằng sáng chế cho một khiên tròn (Hình 7-1), được Copperthwaite (1906) mô tả là bao quát “mọi phát triển sau đó trong việc chế tạo và vận hành khiên đào hầm.”

Nếu tua nhanh đến giai đoạn sau, ta thấy rằng gần như tất cả các hầm trong đất mềm được đào ở Bắc Mỹ vào thập niên 1960 và đầu thập niên 1970 hầu hết đều có đường kính dưới 10 ft (3 m) và được thi công theo các khái niệm cơ bản của khiên đào hầm Brunel, tức là: chia thành các khoang, chống đỡ gương đào bằng gỗ và sử dụng rất nhiều lao động thủ công.

Trong các điều kiện nền đất đòi hỏi mức độ chống đỡ cao hơn so với khiên Brunel cơ bản, khí nén thường được sử dụng (thực tế là từ giữa những năm 1800 đến tận thập niên 1980). Khi được sử dụng đúng cách, khí nén cung cấp khả năng chống đỡ cần thiết và cho phép hoàn thành nhiều đường hầm mà nếu không có nó thì không thể thi công được. Do yêu cầu giảm áp cùng toàn bộ thiết bị và quy trình liên quan, chưa kể các nguy cơ tiềm ẩn đối với công nhân, ví dụ như bệnh giảm áp hoặc thậm chí tử vong, khí nén phần lớn đã không còn được sử dụng như một biện pháp phụ trợ trong đào hầm.

Bắt đầu từ cuối thập niên 1960 và đầu thập niên 1970, cơ giới hóa bắt đầu được đưa vào bằng cách bố trí các máy đào bên trong khiên tròn, từ đó hình thành thuật ngữ digger shield (Hình 7-2 và 7-3).

Tuy nhiên, các máy digger shield thường cho kết quả kém và thường không đạt yêu cầu vì ba lý do:

1. Mất đất xảy ra phía trước và phía trên khiên khi thu các cửa hoặc các tấm poling plates. Thông thường, các cửa dạng vỏ cam không thể được thu vào đồng bộ với tiến độ tiến về phía trước của khiên. Ngoài ra, khi thu các cửa, thợ mỏ không có lối tiếp cận đến nền đất đang chảy. Do đó, máy lại khuyến khích chuyển vị đất không mong muốn, thay vì kiểm soát nó.
2. Việc duy trì “nút chặn” đất phù hợp ở đáy hầm luôn là vấn đề đau đầu.
3. Việc lắp máy đào ở tâm tạo ra “Catch 22”; nếu chuyển vị đất ở trung tâm trở nên quá mức, cách duy nhất để ngăn lại là ép gầu đào vào gương đào. Tuy nhiên, điều đó lại khiến không thể đào và đưa khiên tiến về phía trước, vì muốn làm vậy thì gầu phải được di chuyển, khiến gương đào bị phá hoại.

Các khiên có máy đào bánh lốp mặt hở là một bước cơ giới hóa ban đầu khác đối với máy đào hầm trong đất mềm, có một số điểm tương đồng với các máy TBM đá cứng cùng thời. Máy đào bánh lốp được sử dụng thành công trong điều kiện nền đất chắc, nhưng không hiệu quả trong điều kiện đất chảy hoặc đất dịch chuyển nhanh. Trong một số điều kiện nền đất, bố trí này chỉ thành công ở mức hạn chế, nhưng nhìn chung không thể luôn kiểm soát lượng đất đi qua bánh đào chỉ bằng đúng lượng được xác định bởi lưỡi cắt của khiên.

Hình 6-11 trình bày các loại máy đào hầm phù hợp với điều kiện đất mềm. Các phương pháp đào hầm bằng khiên thông thường được Zosen (1984) tóm tắt như trong Bảng 7-4. Các mục tiếp theo tập trung vào các máy hiện đại: Earth Pressure Balance (EPB) và Slurry Face Machines (SFM).

7.3.2 Máy đào hầm bằng khiên cân bằng áp lực đất và khiên dung dịch

Như một bước ngoặt trong phát triển thiết bị đào hầm trên thế giới, các khiên đào hầm trong đất mềm được trang bị máy đào bánh lốp đã được xuất khẩu sang Nhật Bản. Trong khi việc phát triển thêm các máy đào hầm đất mềm gần như đình trệ ở Hoa Kỳ trong nhiều năm, Nhật Bản đã tiếp nhận một ý tưởng tốt, đầu tư mạnh vào phát triển thiết bị, và chỉ trong khoảng một thập kỷ đã xuất khẩu trở lại Hoa Kỳ các phương pháp đào hầm được cải tiến vượt bậc dưới dạng các máy đào hầm gương áp lực.

Do đó, trong khi đào hầm đất mềm ở Hoa Kỳ vẫn gắn với đào hầm bằng khiên truyền thống, người Nhật, người châu Âu, đặc biệt là người Đức, người Anh và người Canada, đã phát triển hai loại máy “hiện đại” hơn: máy cân bằng áp lực đất Earth Pressure Balance (EPB) và máy gương dung dịch Slurry Face Machine (SFM), cũng được tóm tắt trong Bảng 7-4 (xem thêm Hình 7-4 đến Hình 7-7).

Thoạt nhìn, các máy này giống nhau ở chỗ cả hai đều có:

1. Một bánh cắt quay.
2. Một vách ngăn kín bên trong, giữ đất đã cắt ép vào gương đào, vì vậy chúng được gọi là máy gương kín; vách này duy trì áp lực đất và nước tổng hợp hữu hiệu, nhờ đó ổn định gương đào.
3. Không có công nhân làm việc tại gương đào; thay vào đó, mọi chức năng được điều khiển bằng cơ giới hóa và máy tính hóa, ngoại trừ công tác lắp dựng segment cho đến nay.
4. Các segment bê tông đúc sẵn được lắp dựng trong đuôi khiên, và máy tiến lên bằng cách kích đẩy vào các segment đó.

Bảng 7-4 Các phương pháp đào hầm bằng khiên trong nền đất mềm
(hiệu chỉnh từ Hitachi Zosen, 1984)

Tuy nhiên, hoạt động thực tế của các máy này có một số khác biệt rõ rệt: trong máy EPB, áp lực được truyền đến mặt đào bằng cơ học, thông qua các hạt đất, và được giảm bằng ma sát dọc theo chiều dài của vít tải. Việc kiểm soát đạt được bằng cách cân bằng thể tích đất bị dịch chuyển do chuyển động tiến của khiên với thể tích đất được lấy ra khỏi mặt đào có áp lực bằng vít tải đó, rồi đổ ra băng tải hoặc xe chở đất đào ở áp suất môi trường.

Rõ ràng, phạm vi điều kiện địa chất tự nhiên có thể tạo ra vật liệu đủ dẻo để truyền áp lực đất đến mặt đào, đồng thời đủ ma sát để hình thành “nút cát” trong vít tải, là khá hạn chế — nói chung chỉ là các tổ hợp của cát mịn và đất bụi.

Ngược lại, máy SFM truyền áp lực đến mặt đào bằng thủy lực thông qua một chất lỏng nhớt, được tạo thành từ vật liệu bị cắt và giữ lại tại mặt đào, rồi trộn với slurry (về cơ bản là bentonite và nước). Trong trường hợp này, áp lực truyền đi có thể được kiểm soát bằng các đồng hồ đo áp và van điều khiển trong hệ thống đường ống.

Nhờ hệ thống này, việc kiểm soát áp lực đạt được chính xác hơn nhiều và ổn định hơn nhiều. Khía cạnh bất lợi của hệ thống này là phải xây dựng và vận hành một trạm tách trên mặt đất để tách slurry khỏi đất đào nhằm thải bỏ đất và cho phép tái sử dụng slurry. Việc tìm một vị trí đặt trạm tách slurry vừa phù hợp cho quá trình vận hành vừa được cộng đồng chấp nhận có thể đặt ra những thách thức đáng kể.

Trong khoảng một thập kỷ trở lại đây, đã có những bước tiến lớn trong việc phát triển các họ chất điều hòa mới có thể sử dụng cho cả hai loại máy mặt đào kín. Các phụ gia này có xu hướng làm mờ đi sự khác biệt đã nêu ở trên và mở rộng phạm vi áp dụng của cả hai loại máy. Thật vậy, chúng tôi dự đoán rằng trong một thập kỷ nữa, người ta sẽ không còn nói về hai loại máy riêng biệt mà thay vào đó là một họ máy mới có thể vận hành hoán đổi linh hoạt và đạt hiệu quả tương đương, vừa như máy đào mặt hở trong nền đất ổn định, vừa như máy mặt đào kín (có sử dụng chất điều hòa) để đào trong bất kỳ loại nền đất mềm nào. Chẳng hạn, Herrenknecht hiện đã đi đầu trong việc phát triển thế hệ máy mới này.

Trong suốt quá trình phát triển đó, vai trò của thợ đào tại mặt hầm đang dần bị giảm bớt. Với bất kỳ máy mặt đào kín nào, thợ đào không còn trực tiếp thực hiện công tác đào hay chống giữ mặt đào nữa. Thay vào đó, người thợ vận hành các máy móc mà đáng tiếc là không phải lúc nào cũng hoạt động đúng như quảng bá. (Theo Hansmire và Monsees, 2005)

7.3.3 Lựa chọn giữa máy cân bằng áp lực đất và máy đào hầm slurry

Việc lựa chọn loại máy đào hầm mặt đào kín và các thiết bị phụ trợ của nó là một quyết định quan trọng trong dự án đào hầm trong nền đất mềm. Quyết định này sẽ được định hướng bởi việc đánh giá kỹ lưỡng các loại đất và điều kiện nền sẽ gặp, cùng nhiều yếu tố khác.

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến lựa chọn bao gồm kinh nghiệm cụ thể của nhà thầu dự án, công tác logistics và cấu hình thi công, cũng như các yêu cầu của hợp đồng nhằm bảo đảm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật tối thiểu của chủ đầu tư. Lựa chọn ban đầu được định hướng dựa trên biểu đồ phạm vi cấp phối của các loại đất sẽ đào. Vì địa chất có khả năng rơi vào nhiều hơn một phạm vi cấp phối, lựa chọn cuối cùng có thể cần một mức độ thỏa hiệp nhất định, hoặc phát triển hệ thống TBM hai chế độ mặt đào hở/mặt đào kín, hoặc hệ thống slurry/EPB kép.

Xem xét các loại nền đất

Trong nhiều đợt đào hầm, điều kiện gặp phải dọc theo tuyến có thể thay đổi đáng kể, dẫn đến nhu cầu phải chỉ định một hệ thống có khả năng xử lý toàn bộ phạm vi điều kiện dự kiến. Các máy đào hầm mặt đào kín có thể được thiết kế và chế tạo để đáp ứng nhiều loại điều kiện nền đất khác nhau. Một số máy có khả năng xử lý nhiều hoặc toàn bộ phạm vi điều kiện dự kiến này chỉ với mức độ cải tạo hoặc tái cấu hình hạn chế để vận hành hiệu quả.

Đã có nhiều nỗ lực nhằm phân loại phạm vi đặc trưng của nền đất mềm tự nhiên theo góc nhìn của kỹ sư đào hầm. Công trình này gần đây nhất được Whitaker và Frith (1990) tổng hợp, và cách phân loại dưới đây được xây dựng một phần dựa trên nghiên cứu của họ. Hệ thống này gồm tám nhóm ứng xử vật lý của nền đất có thể quan sát được trong phạm vi đào hầm nền đất mềm. Các đặc trưng này được tóm tắt trong Bảng 7-5. Mỗi nhóm có thể gắn với các loại đất cụ thể.

Tiêu chí lựa chọn dựa trên phân bố cỡ hạt và tính dẻo

SFM lý tưởng trong đất hạt rời rạc, chứa nước, dễ được tách tại trạm tách. Ngược lại, SFM gặp khó khăn khi xử lý đất sét và một số đất bụi.

Nếu lượng hạt mịn lớn hơn 20% thì việc sử dụng SFM trở nên cần xem xét kỹ, mặc dù không bị loại trừ. Trong tình huống này, khó khăn trong việc tách đất đào khỏi slurry, chứ không phải vận hành TBM, mới là yếu tố có khả năng ảnh hưởng nghiêm trọng đến tiến độ hợp đồng và chi phí vận hành.

Máy EPBM sẽ hoạt động tốt hơn khi nền đất có nhiều hạt bụi và tỷ lệ hạt mịn cao; cả hai yếu tố này hỗ trợ hình thành nút trong vít tải và kiểm soát dòng nước ngầm chảy vào. Hàm lượng hạt mịn dưới 10% có thể không thuận lợi cho việc áp dụng EPBM. Đối với EPBM, chi phí xử lý đất cấp phối kém hoặc không có hạt mịn sẽ nằm ở việc sử dụng nhiều chất điều hòa hơn và, trong các trường hợp cực đoan, có thể phải dùng các thiết bị dịch chuyển cưỡng bức, như bộ cấp liệu quay hoặc bộ xả piston, tại điểm xả của vít tải để duy trì áp lực EPB.

Đất sét có chỉ số dẻo (PI) cao (“đất sét dính”) có thể gây ra vấn đề “balling” và làm tăng khó khăn tại trạm tách đối với SFM. Tương tự, các vật liệu này cũng có thể gây vấn đề cho EPBM, khi cần đặc biệt chú ý lựa chọn chất điều hòa phù hợp nhất.

Bảng 7-5 Đặc trưng nền đất mềm (theo British Tunneling Society, BTS, 1990)

Ground	Description
Firm ground đất ổn định	Đất mà trong đó đường hầm có thể đào tiến an toàn mà không cần chống đỡ trực tiếp tại gương đào trong chu kỳ đào bình thường, và trong đó hệ chống đỡ hoặc lớp lót có thể được lắp đặt trước khi xảy ra các chuyển vị đất đáng kể. Khi ổn định ngắn hạn có thể phát triển do áp lực âm của nước lỗ rỗng trong đất hạt mịn, các chuyển vị đất đáng kể và/hoặc tải trọng tác dụng lên lớp lót hầm có thể xảy ra sau đó. Ví dụ bao gồm đất sét cứng và một số cát bị phong hóa. Có thể không cần máy đào kín trong loại đất này.
Raveling ground Đất rời rạc (dễ rời rạc theo thời gian)	Đất có xu hướng suy giảm theo thời gian thông qua quá trình các hạt riêng lẻ hoặc các khối đất nhỏ rơi ra khỏi bề mặt đào. Ví dụ gồm đất băng tích, cát và sỏi. Trong loại đất này, hệ đào kín có thể cần thiết để cung cấp chống đỡ ngay lập tức.
Running or flowing ground Đất chảy / đất chảy trôi	Đất như cát, bùn và sỏi khi có nước, hoặc một số đất sét nhạy, có xu hướng chảy vào hố đào. Trên mực nước ngầm, đất chảy có thể xuất hiện trong các vật liệu hạt thô như cát và sỏi. Dưới mực nước ngầm, đất chảy trôi có thể xảy ra khi nước thấm qua nền. Vật liệu này còn gọi là đất chảy. Những vật liệu như vậy đôi khi có thể chảy nhanh qua các khe hở nhỏ và có thể lấp đầy hoàn toàn đầu đào trong thời gian ngắn. Trong mọi trường hợp đất chảy hoặc chảy trôi, sẽ có nguy cơ xảy ra sự cố sập hố hoặc đào quá mức. Do đó, máy đào kín thường cần thiết để đảm bảo ổn định an toàn, trừ khi áp dụng các biện pháp ổn định khác.
Squeezing ground Đất ép chảy (biến dạng dẻo)	Đất mà trong đó việc giải phóng ứng suất do đào gây ra làm đất chảy dẻo vào trong hầm. Hiện tượng này thường xuất hiện ở đất sét mềm và đất sét cứng hơn sau một thời gian dài. Có thể cần máy đào kín để chống lại hiện tượng ép chảy, mặc dù trong một số điều kiện có thể rủi ro cho TBM dạng mở.
Swelling ground Đất trương nở	Đất có xu hướng tăng thể tích do hấp thụ nước. Hiện tượng này thường xảy ra trong đất quá cố kết mạnh hoặc đất sét có chứa khoáng vật có khả năng trương nở cao. Máy đào kín có thể hữu ích trong việc chống lại đất trương nở, tuy nhiên tương tự như đất ép chảy, có nguy cơ khiên bị kẹt.
Weak rock đá yếu	Đá yếu có thể được xem như môi trường tương tự đất yếu đối với đào hầm, vì các hệ thống đào dùng cho đất mềm cũng có thể áp dụng cho đá yếu như phấn. Đá yếu thường có xu hướng ép chảy trong ngắn hạn nên có thể không cần máy đào kín. Tuy nhiên, áp lực nước ngầm có thể lớn. Trong các trường hợp này, máy đào kín là giải pháp hiệu quả để chống lại lượng nước lớn xâm nhập, kể cả khi có áp lực thủy tĩnh cao.
Hard rock đá cứng	Máy TBM dạng kín cũng có thể được sử dụng trong điều kiện đá cứng tự ổn định. Lý do chính là để bảo vệ chống lại áp lực nước ngầm và ngăn nước xâm nhập vào đầu đào.
Mixed ground conditions Điều kiện nền hỗn hợp	Đây có thể là tình huống khó khăn nhất đối với đào hầm bằng máy kín, do phải đối phó với sự thay đổi giữa các loại đất khác nhau dọc theo tuyến hoặc thậm chí trong cùng một mặt cắt hầm. Lý tưởng nhất, tuyến hầm nên được tối ưu để tránh điều kiện hỗn hợp càng nhiều càng tốt, nhưng trong đô thị thường khó tránh do các ràng buộc khác. Khi điều kiện đất thay đổi theo phương dọc, máy đào kín có thể phải chuyển đổi từ chế độ áp lực sang chế độ không áp lực làm việc trong đá cứng, hoặc ngược lại. Sự thay đổi này gây thêm ứng suất cho máy. Những thay đổi đột ngột có thể xảy ra khi máy đi vào vùng đất mềm, có khả năng không ổn định. Trong trường hợp nền hỗn hợp tại cùng một gương đào, máy hầu như chắc chắn phải hoạt động ở cấu hình thỏa hiệp. Trong các trường hợp này, cần hết sức cẩn trọng để đảm bảo kiểm soát nền đất hiệu quả. Một vấn đề thường gặp là sự khác biệt về mức đào vượt giữa phần trên và phần dưới của TBM khi làm việc trong khiên nửa ngập: nước có thể làm trôi vật liệu ở phần trên nhưng không kéo được vật liệu ở phần dưới, dẫn đến đào vượt phía trên và lún bề mặt. Các loại đất khác nhau ở hai bên hầm cũng gây mất cân bằng lực. Ví dụ, nếu xảy ra đào vượt, vật liệu chảy hoặc chảy trôi ở một phía có thể xâm nhập vào hầm trong khi phía đối diện là đá cứng không bị đào vượt, làm mất cân bằng áp lực và mất ổn định mặt đào. Một nguy cơ khác là khi đất chảy trôi tồn tại trên nền tốt, việc đào vượt có thể tạo ra các khoảng rỗng phía trên hầm và dưới lớp đất tốt, dẫn đến các vấn đề mất ổn định dài hạn.

\(\\\)

Độ thấm

Theo hướng dẫn chung, điểm lựa chọn giữa hai loại máy là độ thấm của đất khoảng 1×10⁻⁵ m/s: dùng SFM cho đất có độ thấm cao hơn và EPBM cho đất có độ thấm thấp hơn. Tuy nhiên, EPBM cũng có thể được sử dụng ở độ thấm lớn hơn 1×10⁻⁵ m/s bằng cách tăng tỷ lệ phụ gia cải tạo đất trong buồng đào. Việc lựa chọn sẽ xét đến hàm lượng hạt mịn và độ thấm của đất.

Cột nước thủy tĩnh

Cột nước thủy tĩnh cao do áp lực nước ngầm dọc tuyến hầm là một yếu tố quan trọng khi lựa chọn TBM. Khi cột nước thủy tĩnh cao kết hợp với độ thấm lớn hoặc các khe nứt, có thể khó tạo nút chặn thích hợp ở trục vít tải của EPBM. Trong điều kiện này, SFM có thể là lựa chọn phù hợp hơn, đặc biệt vì dung dịch bentonite hỗ trợ bịt kín gương đào trong quá trình can thiệp dưới áp lực nén khí.

Tiêu chí lún

Cả hai loại máy đều hiệu quả trong việc kiểm soát chuyển vị đất và lún bề mặt nếu được vận hành đúng cách. Dù kiểm soát lún có thể không phải là yếu tố quyết định trong lựa chọn loại TBM, các chi phí liên quan đến việc giảm thiểu lún cần được xem xét. Ví dụ, khi dùng EPBM trong đất hạt rời, có thể cần lượng lớn phụ gia cải tạo đất để giảm nguy cơ đào quá mức và kiểm soát lún.

Các cân nhắc cuối cùng

Các yếu tố khác cần xem xét khi lựa chọn giữa SFM và EPBM gồm: sự hiện diện của khí, sự hiện diện của đá tảng, mô-men xoắn và lực đẩy yêu cầu cho từng loại TBM, và cuối cùng là kinh nghiệm trong nước với từng phương pháp. Các yếu tố này cần được xem xét nhưng không nhất thiết quyết định lựa chọn.

Quyết định chính phải dựa trên loại máy nào có khả năng bảo đảm ổn định nền tốt nhất trong quá trình đào, với đầy đủ các biện pháp kiểm soát vận hành phù hợp và đang được sử dụng.

Nếu cả hai loại máy đều có thể bảo đảm ổn định gương đào tối ưu, như thường xảy ra, thì các yếu tố khác như đường kính, chiều dài và tuyến hầm, mức mòn dao cắt tăng thêm khi vận hành EPBM, diện tích và vị trí công trường, cũng như các quy định về xử lý đất thải cần được xét đến.

Việc chọn đúng loại máy nhưng vận hành không đúng quy trình quản lý và kiểm soát cũng tệ như chọn sai loại máy cho dự án.
(Theo British Tunneling Society, BTS, 2005)

7.3.4 Phương pháp đào tuần tự (Sequential Excavation Method – SEM)

Ngoài các phương pháp đào bằng khiên đã trình bày ở trên, các đường hầm trong đất mềm có thể được thi công theo từng bước bằng các hầm nhánh nhỏ và các khoang đào, theo nguyên lý của phương pháp đào tuần tự (SEM), còn gọi là phương pháp đào hầm kiểu Áo mới (NATM) do Giáo sư Rabcewicz (1965) đề xuất.

SEM được định nghĩa là “một phương pháp trong đó khối đá hoặc đất xung quanh đường hầm hay công trình ngầm được tích hợp vào một hệ kết cấu chống đỡ dạng vòng tổng thể”, và cần tuân thủ các nguyên tắc sau:

• Phải xem xét đầy đủ ứng xử địa kỹ thuật của đất/đá.
• Phải tránh các trạng thái bất lợi về ứng suất và biến dạng bằng cách áp dụng các biện pháp chống đỡ thích hợp, kịp thời.
• Khi hoàn thiện, kết cấu dạng vòng nói trên sẽ tạo ra đặc tính chịu lực tương tự một ống (tube).
• Các biện pháp chống đỡ cần/ nên được tối ưu hóa theo biến dạng cho phép.
• Cần thực hiện kiểm soát tổng thể, quan trắc địa kỹ thuật và kiểm tra liên tục việc tối ưu hóa hệ chống đỡ đã thiết kế trước. (Theo ILF, 2004)

Nguyên lý cơ bản của SEM thực chất tương tự như quan điểm do Sir Marc Brunel nêu ra cách đây gần hai thế kỷ:
“Do đó, mục tiêu lớn là tìm ra các phương pháp hiệu quả để mở đất sao cho không có phần đất nào bị dịch chuyển nhiều hơn phần thể tích sẽ được lấp đầy bởi vỏ hầm, và công việc phải được thực hiện một cách chắc chắn.” (Copperthwaite, 1906)

Nói cách khác, chỉ đào vừa đủ, thi công nhanh và chống đỡ kịp thời.

Trong đào hầm đất mềm, SEM nói chung khó cạnh tranh với TBM đối với các hầm dài, nhưng vẫn là phương pháp phù hợp trong các trường hợp:

• Hầm ngắn
• Không gian mở lớn như nhà ga
• Hình dạng đặc biệt hoặc công trình phức tạp như nút giao
• Các đoạn mở rộng (enlargements)

Tham khảo Chương 9 để biết thêm chi tiết về SEM/NATM.

7.4 TẢI TRỌNG ĐẤT VÀ TƯƠNG TÁC ĐẤT – KẾU CẤU CHỐNG ĐỠ

7.4.1 Giới thiệu

Các mục tiêu chính của hệ thống chống đỡ hầm là: (1) ổn định gương đào hầm, (2) giảm thiểu chuyển vị của nền đất, và (3) cho phép hầm vận hành trong suốt tuổi thọ thiết kế. Nhìn chung, hai chức năng đầu được đảm nhiệm bởi hệ chống đỡ ban đầu, trong khi chức năng thứ ba được duy trì bằng vỏ hầm hoàn thiện.

Tải trọng tác dụng lên hệ chống đỡ và sức kháng yêu cầu của hệ này phụ thuộc vào thời điểm và cách thức lắp đặt, cũng như các tải trọng sẽ xuất hiện sau khi lắp đặt. Nếu vỏ hầm hoàn thiện được lắp đặt sau khi hầm đã được ổn định bằng chống đỡ ban đầu, vỏ hầm hoàn thiện sẽ chỉ chịu thêm rất ít tải trọng bổ sung, chẳng hạn như áp lực bơm vữa tiếp xúc, ứng suất nhiệt, áp lực nước ngầm và/hoặc tải trọng phụ thuộc thời gian (từ biến).

Nhìn chung, trong các nghiệm giải tích về đào hầm trong đất, hai loại tải trọng thường được xét đến: tải trọng quá áp và tải trọng do đào. Nếu giả thiết nền đất được cô lập và một áp lực được tác dụng lên mặt trên, thì đó được xem là tải trọng quá áp; khi đó hệ chống đỡ được đặt trong nền đất chưa chịu ứng suất, và tương tác giữa vỏ hầm với nền đất thường được xử lý bằng cách tác dụng áp lực ngang lên nền đất.

Trong thực tế, hệ chống đỡ không bao giờ được đặt trong nền đất chưa chịu ứng suất; thay vào đó, nó được lắp đặt trong khoảng mở sau khi biến dạng ban đầu đã xảy ra và trước khi có thêm biến dạng bổ sung. Biến dạng bổ sung này sẽ gây tải vào hệ chống đỡ. Tải trọng cảm sinh này được gọi là tải trọng do đào.

Tải trọng phát sinh trên hệ chống đỡ, gồm chống đỡ ban đầu và vỏ hầm hoàn thiện, là hàm của độ cứng tương đối của vỏ hầm so với đất, tức tương tác đất–vỏ hầm. Cả nghiệm giải tích và phương pháp số đều thường được các kỹ sư thiết kế sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của độ cứng tương đối của vỏ hầm đến chuyển vị, lực dọc, mô men trong vỏ hầm dưới các cấu hình tải trọng khác nhau. Các phương pháp hiện có được tóm tắt trong mục này. Người đọc nên tham khảo Chương 10 để biết thực hành thiết kế vỏ hầm hoàn thiện.

7.4.2 Tải trọng cho hệ chống đỡ ban đầu của hầm

Mục này trình bày một hệ thống đơn giản hóa để xác định tải trọng tác dụng lên hệ chống đỡ ban đầu cho các hầm tròn và hầm móng ngựa trong nền đất mềm. Các tải trọng được trình bày dựa theo các khuyến nghị ban đầu của Terzaghi (1950), nhưng đã được đơn giản hóa. Trong mọi trường hợp, kinh nghiệm và phán đoán của kỹ sư cũng cần được áp dụng khi lựa chọn tải trọng. Bảng 7-6 trình bày các tải trọng khuyến nghị cho thiết kế hệ chống đỡ hầm ban đầu trong nền đất mềm.

Bảng 7-6. Tải trọng cho hệ chống đỡ ban đầu của hầm trong đất mềm

Địa chất	Hầm tròn	Hầm dạng móng ngựa	Ghi chú
Đất chảy (Running ground)	Giá trị nhỏ hơn giữa tải phủ toàn phần hoặc 1.0 B	Giá trị nhỏ hơn giữa tải phủ toàn phần hoặc 2.0 B	Phần đáy (floor) được xét trong hầm móng ngựa nếu dùng khí nén; nếu không thì bỏ qua khí nén
Đất chảy trong điều kiện không có nước (Flowing ground in air free)	Giá trị nhỏ hơn giữa tải phủ toàn phần hoặc 2.0 B	Giá trị nhỏ hơn giữa tải phủ toàn phần hoặc 4.0 B	Cần đáy cứng (stiff floor) đối với hầm móng ngựa
Đất raveling Trên mực nước ngầm Dưới mực nước ngầm	Giống như đất chảy Giống như đất chảy trôi	Giống như đất chảy Giống như đất chảy trôi	Cần đáy cứng đối với hầm móng ngựa Cần đáy cứng đối với hầm móng ngựa
Đất ép chảy (Squeezing ground)	Chiều sâu đến đường kính ngang hầm (springline)	Chiều sâu đến đường kính ngang hầm (springline)
Đất trương nở (Swelling ground)	Giống như đất raveling	Giống như đất raveling

\(\\\)

Phần lớn các đường hầm trong đất mềm hiện nay được thi công bằng các máy đào hiện đại, do đó có dạng tròn. Tuy nhiên, vẫn có một số hầm được đào thủ công và thường có dạng móng ngựa hoặc móng ngựa biến đổi, ví dụ như các trạm bơm hoặc các đường hầm nối giữa các tuyến giao thông ngầm. Vì vậy, bảng này cũng đưa ra các khuyến nghị về chống đỡ ban đầu cho hầm dạng móng ngựa.

Thuật ngữ lớp lót hầm (tunnel liner) thực chất nên được chia thành hai khái niệm có chức năng riêng biệt nhưng liên quan với nhau. Chống đỡ ban đầu (initial support) là hệ chống đỡ cần thiết để đảm bảo khoang hầm trong đất mềm ổn định và an toàn trong suốt quá trình thi công. Nó bao gồm nhiều biện pháp chống đỡ khác nhau, từ gia cố bằng bơm vữa, đóng băng đất, đến bê tông phun (shotcrete), khung chống (ribs), ván chống (boards), và các segment bê tông đúc sẵn, cùng các giải pháp trung gian khác.

Lớp lót vĩnh cửu (final lining) là lớp bê tông hoặc vật liệu lót khác được thi công nhằm đảm bảo yêu cầu về thẩm mỹ và chức năng của hầm, ví dụ như tạo bề mặt nhẵn cho dòng khí hoặc nước, đồng thời đảm bảo hầm ổn định và an toàn lâu dài trong suốt tuổi thọ thiết kế (có thể 100 năm hoặc hơn).

Mặc dù về mặt kỹ thuật vẫn cần phân biệt hai khái niệm này, nhưng với sự phát triển của TBM và các hệ thống segment bê tông đúc sẵn chất lượng cao (cũng là thành phần cần thiết để máy hoạt động), ranh giới này đang dần trở nên mờ nhạt. Trong nhiều hầm hiện đại, một lớp lót bằng segment bê tông đúc sẵn thường được lắp đặt đồng thời với quá trình đào và đảm nhiệm cả hai chức năng.

7.4.3 Nghiệm giải tích cho tương tác đất–chống đỡ

Trạng thái ứng suất do đào hầm và tương tác giữa hệ chống đỡ đá với nền đất chống đỡ đã được thảo luận trước đó trong Chương 6. Các công thức đàn hồi và biểu đồ tương tác trình bày trong Mục 6.6.2 cũng có giá trị đối với hầm trong nền đất mềm.

Các nghiệm giải tích cho tương tác đất–chống đỡ của hầm trong đất đã có trong tài liệu. Các nghiệm này dựa trên giả thiết hai chiều, biến dạng phẳng, đàn hồi tuyến tính, trong đó vỏ hầm được giả định đặt sâu và tiếp xúc với nền đất, không có khe hở; tức là các nghiệm không cho phép xuất hiện khe hở giữa hệ chống đỡ và nền đất.

Các nghiệm giải tích ban đầu của Burns và Richard (1964), Dar và Bates (1974), và Hoeg (1968) được xây dựng cho tải trọng quá áp, trong khi các nghiệm của Morgan (1961), Muir Wood (1975), Curtis (1976), Rankin, Ghaboussi và Hendron (1978), và Einstein và cộng sự (1980) được xây dựng cho tải trọng do đào. Có các nghiệm cho cả điều kiện trượt hoàn toàn và không trượt tại mặt tiếp xúc đất–vỏ hầm. Phụ lục E trình bày các nghiệm giải tích đã công bố hiện có trong Bảng E-2, cùng với phần cơ sở lý thuyết (trích từ FHWA Tunnel Design Guidelines xuất bản năm 2004). Phụ lục E cũng trình bày một ví dụ phân tích trong Bảng E-3 cho hầm tròn đường kính 22 ft (6.71 m), có vỏ hầm bê tông dày 1.5 ft (0.46 m). Hầm nằm ở độ sâu 105 ft (32.00 m) tính từ mặt đất đến springline, và mực nước ngầm nằm thấp hơn mặt đất 10 ft (3.05 m). Chi tiết các tham số đầu vào được trình bày trong Bảng E-3a. Các tải trọng vỏ hầm tính toán từ các nghiệm giải tích khác nhau được trình bày trong Bảng E-3b. Kết quả phân tích phần tử hữu hạn được thể hiện trong Hình 7-8.

7.4.4 Phương pháp số

Việc áp dụng các nghiệm giải tích bị hạn chế khi độ lớn ứng suất thay đổi đáng kể theo chiều sâu từ đỉnh hầm đến đáy hầm, làm cho các giả thiết trong nghiệm giải tích không còn phù hợp. Khi đó, phương pháp số có thể được sử dụng để mô phỏng tương tác chống đỡ–nền đất.

Mô hình số gần đây được thúc đẩy bởi nhu cầu rõ rệt từ ngành đào hầm. Điều này đã dẫn đến các mô hình số lớn, cồng kềnh và phức tạp. Nếu được thực hiện đúng, mô hình số sẽ giúp kỹ sư suy nghĩ rõ hơn về lý do xây dựng mô hình — vì sao chọn mô hình này thay vì mô hình khác — và cách cải thiện thiết kế để đạt hiệu quả.

Các bước khuyến nghị khi thực hiện phân tích số cho hầm như sau:

Bước 1: Xác định mục tiêu của phân tích số
Bước 2: Chọn cách tiếp cận 2D hoặc 3D và phần mềm số phù hợp
Bước 3: Tạo sơ đồ khái niệm của bố trí phân tích
Bước 4: Tạo hình học và lưới phần tử hữu hạn
Bước 5: Chọn và áp dụng điều kiện biên, điều kiện ban đầu và tải trọng ngoài
Bước 6: Chọn và áp dụng mô hình vật liệu và các đặc trưng vật liệu
Bước 7: Thực hiện mô phỏng theo trình tự thi công đề xuất
Bước 8: Kiểm tra/xác minh kết quả
Bước 9: Diễn giải kết quả

Đối với phân tích đào hầm trong đất, phân tích môi trường liên tục thường được chấp nhận, trong đó miền phân tích có thể được giả định hợp lý là môi trường đồng nhất. Phân tích môi trường liên tục bao gồm Phương pháp Phần tử hữu hạn (FEM), Phương pháp Sai phân hữu hạn (FDM) và Phương pháp Phần tử biên (BEM). Chi tiết các phần mềm phân tích số được trình bày trong Mục 6.6.3.

Ví dụ về tải trọng tác dụng lên vỏ hầm bê tông được tính bằng phân tích phần tử hữu hạn cho một hầm (Phụ lục E) được trình bày trong Hình 7-8. Hình 7-8 minh họa các tải trọng tác dụng lên vỏ hầm bê tông, bao gồm lực dọc trục, mô men uốn và lực cắt, được tính từ phân tích hai chiều trong điều kiện biến dạng phẳng.

7.5 LÚN DO ĐÀO HẦM GÂY RA

7.5.1 Giới thiệu

Lún nền là vấn đề đáng quan tâm hơn đối với hầm trong đất mềm so với hầm trong đá vì hai lý do:

• Độ lún thường lớn hơn nhiều đối với hầm trong đất mềm.
• Thông thường có nhiều công trình dễ bị ảnh hưởng bởi lún nằm gần hầm trong đất mềm hơn so với hầm trong đá.

Với các phương pháp và công nghệ hiện đại, cả kỹ sư thiết kế và nhà thầu hiện nay đều có khả năng tốt hơn trong việc giảm thiểu lún và do đó giảm ảnh hưởng của nó đến các công trình xung quanh.

7.5.2 Nguồn gây lún

Mặc dù có nhiều nguyên nhân gây lún, chúng có thể được chia thành hai nhóm chính:

• Lún do hạ thấp mực nước ngầm
• Lún do mất đất (lost ground)

Hạ thấp mực nước ngầm (Groundwater Depression)

Việc hạ thấp mực nước ngầm có thể xảy ra do chủ động hạ thấp mực nước trong quá trình thi công, hoặc do bản thân đường hầm hay công trình khác đóng vai trò như một hệ thống thoát nước. Khi một trong hai trường hợp này xảy ra, ứng suất hữu hiệu trong đất sẽ tăng lên. Có thể áp dụng các nguyên lý cơ học đất cơ bản để ước tính độ lún do sự gia tăng ứng suất này.

Đối với đường hầm trong đất hạt rời, độ lún do sự gia tăng ứng suất hữu hiệu này thường được xem là một hiện tượng đàn hồi, đòi hỏi phải xác định biến dạng thể tích của đất và tính toán sự thay đổi ứng suất hữu hiệu. Trừ khi đất có chứa bột (silt) hoặc cát rất mịn, độ lún đàn hồi này thường chiếm phần lớn tổng độ lún, nhưng giá trị tuyệt đối của nó thường tương đối nhỏ.

Đối với đất hạt mịn, tình huống phức tạp hơn một chút nhưng vẫn có thể xử lý bằng các phương pháp cơ học đất thông thường. Với đất hạt mịn, các điều kiện gần như đảo ngược. Trong hầu hết các trường hợp, độ lún chủ yếu là do quá trình cố kết gây ra bởi sự thay đổi ứng suất hữu hiệu, và do đó được phân tích theo các lý thuyết cố kết trong cơ học đất.

Trong một số trường hợp, chủ yếu là khi trong đất hạt mịn có các thấu kính cát, cũng có thể có một phần nhỏ độ lún do nén đàn hồi. So với độ lún của đất hạt rời, quá trình cố kết có thể dẫn đến độ lún lớn hơn đáng kể, đặc biệt khi lớp đất cố kết dày và sự thay đổi ứng suất hữu hiệu là lớn.

Mất đất (Lost Ground)

Mất đất có nhiều nguyên nhân gốc (ít nhất là chín) và thường là nguyên nhân gây ra các độ lún làm hư hại công trình phía trên. Theo định nghĩa, mất đất là hiện tượng lấy đi (hoặc làm mất) đất vào quá trình đào hầm nhiều hơn so với thể tích hầm được tạo ra. Do đó, hiện tượng này phản ánh rõ rệt biện pháp và phương pháp thi công. Như sẽ trình bày, các máy đào hiện đại có thể hỗ trợ đáng kể trong việc kiểm soát mất đất, nhưng cuối cùng vẫn phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng thi công.

Trong phạm vi tài liệu này, các nguyên nhân gây mất đất được chia thành ba nhóm: mất đất ở gương đào (face losses), mất đất do khiên (shield losses) và mất đất ở đuôi khiên (tail losses).

• Mất đất ở gương đào (Face losses): xảy ra do chuyển động của đất phía trước và vào trong khiên. Bao gồm các hiện tượng đất chảy (running), chảy lỏng (flowing), sụp lở (caving) và/hoặc ép trồi (squeezing) của chính khối đất, hoặc đơn giản là đào lấy nhiều đất hơn so với thể tích mà máy đào chiếm chỗ.
• Mất đất do khiên (Shield losses): xảy ra trong khoảng không giữa lưỡi cắt (cutting edge) và đuôi khiên. Tất cả các loại khiên đều cần một mức độ che hở nhất định để có thể di chuyển. Ngoài ra, khiên có thể bị lệch hướng (yaw), nghiêng (pitch) hoặc xoay (roll) khi đưa về đúng tuyến. Tự nhiên sẽ lấp đầy khoảng rỗng này và các khối đất xung quanh sẽ giãn nở hoàn toàn hoặc một phần ngay khi chúng được tạo ra. Lưu ý rằng chỉ cần phần đào vượt (overcut) 1 inch cộng với bề mặt cắt (hard facing) 1/8 inch trên một khiên đường kính 20 ft cũng có thể gây ra lượng mất đất gần 2% thể tích hầm được chống đỡ đúng cách [1.125/12 (20) 0.31416 / (10²) ≈ 1.88%].
• Mất đất ở đuôi khiên (Tail losses): tương tự như mất đất do khiên ở chỗ đều do khoảng trống tạo ra bởi đuôi khiên cũng như khoảng không cần thiết giữa đuôi khiên và các cấu kiện chống đỡ hầm để các cấu kiện này có thể lắp dựng mà không bị “kẹt cứng” và giữ chặt đuôi khiên. Tuy nhiên, giống như mất đất do khiên, khoảng trống này sẽ nhanh chóng bị đất lấp đầy nếu không được xử lý bằng bơm vữa (grouting) và/hoặc giãn nở các cấu kiện chống đỡ hầm.

7.5.3 Tính toán độ lún (Settlement Calculations)

Các ước tính độ lún trong đào hầm trong đất yếu chỉ mang tính chất ước tính. Do sự biến động của tự nhiên và quá trình thi công, độ lún trong các hầm đất yếu không thể được ước tính với cùng mức độ tin cậy như, chẳng hạn, độ lún của một dầm chịu tải. Trong đào hầm, chúng ta phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm, có hỗ trợ từ các phân tích. Vì vậy, có hai phương pháp liên quan để tiếp cận bài toán: kinh nghiệm và dữ liệu thực nghiệm.

Kinh nghiệm có thể được sử dụng dựa trên lịch sử thi công hầm và các số liệu đo đạc hiện trường. Một ví dụ là Washington, D.C., nơi các hầm trong đất yếu đã được xây dựng trong điều kiện địa chất được xác định rõ ràng trong hơn 40 năm. Trong khoảng thời gian đó, ngành công nghiệp đã chuyển từ khiên đào kiểu Brunel sang các máy đào hầm kín hiện đại. Đối với trường hợp này, có thể dự kiến rằng một nhà thầu có kinh nghiệm sẽ đạt mức mất đất khoảng 0.5 đến 1.0%. Một nhà thầu thiếu kinh nghiệm có thể đạt mức từ 1.0 đến 2.0%.

Bảng 7-7 Mối quan hệ giữa tỷ lệ mất thể tích (Volume Loss) với thực hành thi công và điều kiện nền đất

Trường hợp	VL (%)
Thi công tốt trong đất chắc; kiểm soát chặt áp lực gương đào bằng máy đào gương kín (closed face machine) trong điều kiện đất rã chậm (slowly raveling ground) hoặc đất ép trồi (squeezing ground)	0.5
Thi công thông thường với máy đào gương kín (closed face machine) trong đất rã chậm (slowly raveling ground) hoặc đất ép trồi (squeezing ground)	1.0
Thi công kém với gương kín (closed face) trong đất rã (raveling ground)	2
Thi công kém với máy đào gương kín (closed face machine) trong đất kém, rã nhanh (poor fast raveling ground)	3
Thi công kém, kiểm soát gương đào yếu trong đất chảy (running ground)	4.0 hoặc lớn hơn

(đất rã – raveling ground là gì?)

Đất rã (raveling ground) là loại đất không tự đứng vững, khi bị đào hoặc lộ ra sẽ:

• tự rơi rụng từng phần nhỏ
• bị “rụng dần” vào hầm theo thời gian
• không sập ngay như “caving”, nhưng mất ổn định từ từ

Hình dung:

• Giống như cát khô hoặc đất rời, bạn đào ra là nó lả tả rơi xuống
• Không “chảy” như bùn (running ground)
• Không “ép trồi” như đất yếu (squeezing ground)

So sánh nhanh (rất quan trọng)

Thuật ngữ	Cơ chế
raveling ground	rơi rụng từng hạt, từng mảng nhỏ
running ground	chảy như chất lỏng
squeezing ground	bị ép trồi do ứng suất

Đặc điểm kỹ thuật

• Thường gặp ở:
  • cát khô
  • đất rời, ít dính
• Không có lực dính đủ để giữ ổn định
• Gây:
  • mất đất (lost ground)
  • lún mặt đất
• Nguy hiểm ở chỗ: xảy ra từ từ nhưng liên tục

(đất kém – poor ground là gì?)

“Đất kém” trong ngữ cảnh bạn đang dịch (FHWA tunneling) không phải là một thuật ngữ kỹ thuật chuẩn, mà là cách dịch rút gọn của “poor ground”.

Đây là cách gọi tổng quát cho các loại đất có điều kiện không thuận lợi cho đào hầm, thường có một hoặc nhiều đặc điểm:

Đặc trưng chính

• kém ổn định (low stability)
• dễ biến dạng (high deformability)
• dễ mất đất (high volume loss)
• khó kiểm soát gương đào

Ví dụ cụ thể của “đất kém”, “Poor ground” thường bao gồm:

• đất rã nhanh (fast raveling ground)
• đất chảy (running ground)
• đất ép trồi (squeezing ground)
• đất yếu bão hòa nước
• cát rời + mực nước ngầm cao

Kết luận “đất kém” = cách gọi chung cho nền đất khó thi công hầm, không phải một loại đất cụ thể

English	Dịch chuẩn
poor ground	điều kiện nền đất bất lợi
bad ground	nền đất kém ổn định
difficult ground	nền đất khó thi công

Khi không có dữ liệu lịch sử để tham chiếu, thiết kế phải hoàn toàn dựa trên số liệu thực nghiệm và đánh giá kỹ thuật về những gì nhà thầu có thể đạt được trong điều kiện không có kinh nghiệm trước đó. Trong trường hợp này, các giá trị đánh giá nêu trên có thể được tăng thêm khoảng 0.5 điểm phần trăm mỗi giá trị như một biện pháp an toàn.

Các máy đào hầm gương kín có áp lực hiện đại (TBM), như EPB và SFM được đề cập trong Mục 7.3.2, giúp giảm thiểu mức độ mất đất. Các máy này kiểm soát sự ổn định của gương đào bằng cách áp dụng áp lực chủ động lên gương, giảm thiểu lượng đào vượt (overcut) và sử dụng bơm vữa lấp khoảng trống phía đuôi khiên một cách tự động nhằm giảm mất đất do khiên. Thông thường, khi đào hầm trong đất yếu bằng công nghệ này, mức mất đất được giới hạn ở khoảng 1.0% hoặc thấp hơn nếu thực hành thi công tốt (áp lực gương phù hợp và bơm vữa lấp khoảng trống phía đuôi khiên kịp thời và hiệu quả).

Thể tích mất đất trong quá trình đào hầm có thể liên hệ với thể tích độ lún dự kiến trên bề mặt đất (Peck, 1969). Đối với một đường hầm đơn trong điều kiện đất yếu, thường giả định rằng thể tích độ lún bề mặt bằng với thể tích đất bị mất. Tuy nhiên, mối quan hệ giữa thể tích mất đất và thể tích lún bề mặt là phức tạp. Sự thay đổi thể tích do nở rời (bulking) hoặc nén chặt (compression) thường không được tính đến trong các tính toán. Mất đất sẽ tạo ra một “máng lún” trên bề mặt, có thể ảnh hưởng đến trạng thái lún của các móng cầu lân cận hoặc phía trên, các công trình xây dựng, hoặc các công trình ngầm (utility) nằm cắt ngang hoặc song song với tim tuyến hầm dự kiến. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy hình dạng của máng lún thường xấp xỉ đường cong Gauss đảo (Hình 7-9).

Hình dạng và độ lớn của máng lún phụ thuộc vào phương pháp thi công, độ sâu hầm, đường kính hầm và điều kiện đất. Trong trường hợp có nhiều hầm song song gần nhau, lún bề mặt thường được giả định là cộng dồn. Hình dạng đường cong lún có thể được biểu diễn bằng các quan hệ toán học sau (Schmidt, 1974).

\[
\text{w} = \text{w}_{max}\exp\left(-\frac{x^2}{2i^2}\right)\tag{7-2}
\]

trong đó:

• \(\text{w}\) = Độ lún; \(x\) là khoảng cách từ tim đường hầm hoặc tim đường ống
• \(i\) = Khoảng cách đến điểm uốn trên máng lún

Khoảng cách máng lún, \(i\), được định nghĩa như sau:

\[
i = KZ_0\tag{7-3}
\]

trong đó:

• \(K\) = Tham số máng lún, phụ thuộc vào loại đất
• \(Z_0\) = Chiều sâu từ mặt đất đến springline của đường hầm

Độ lún lớn nhất, \(w_{max}\), được xác định như sau:

\[
\text{w}_{max}=\frac{V_L\pi\left(\dfrac{D}{2}\right)^2}{2.5i}\tag{7-4}
\]

trong đó:

• \(V_L\) = Thể tích mất đất trong quá trình đào hầm
• \(D\) = Đường kính hầm

Bảng 7-7 tóm tắt các giá trị thể tích mất đất có thể xảy ra dưới dạng phần trăm thể tích đào, phụ thuộc vào sự kết hợp giữa thực hành thi công và điều kiện nền đất.

Đối với các dạng hình học khác ngoài một đường hầm đơn, cần thực hiện các hiệu chỉnh như dưới đây để thu được các ước tính độ lún:

• Đối với các đường hầm song song cách nhau từ ba đường kính trở lên (tính từ tim đến tim), độ lún bề mặt thường có thể được dự đoán hợp lý bằng cách cộng các đường cong hình chuông riêng lẻ của hai đường hầm. Trong điều kiện nền đất tốt và thực hành thi công tốt, cách này thường cho kết quả xấp xỉ chấp nhận được cho đến khi khoảng cách giữa các đường hầm còn hai đường kính. Ở thái cực ngược lại, khi khoảng cách giữa các đường hầm nhỏ hơn một phẩy năm đường kính, thể tích mất đất giả định cho đường hầm thứ hai nên được tăng xấp xỉ một cấp về mức độ nghiêm trọng trong Bảng 7-7 trước khi cộng các đường cong hình chuông. Các điều kiện trung gian có thể được ước tính bằng nội suy.
• Đối với các đường hầm chồng trên nhau, thường khuyến nghị thi công đường hầm phía dưới trước để không làm suy yếu đường hầm phía trên. Tuy nhiên, việc thi công đường hầm phía dưới sẽ gây xáo trộn điều kiện nền đất cho đường hầm phía trên. Ảnh hưởng này có thể được xấp xỉ bằng cách tăng mức độ nghiêm trọng của mất đất đối với đường hầm thứ hai (phía trên) khoảng một cấp trong Bảng 7-7, trước khi cộng hai ước tính độ lún thu được để xấp xỉ tổng độ lún tại bề mặt. (Monsees, 1996)

Như thể hiện trong Hình 7-9, bề rộng của máng lún được đo bằng giá trị \(i\), về mặt lý thuyết là khoảng cách ngang từ vị trí lún lớn nhất đến điểm uốn của đường cong lún. Giá trị lún bề mặt lớn nhất về mặt lý thuyết bằng thể tích lún bề mặt chia cho \(2.5i\). Hình 7-10 minh họa các giả định về giá trị \(i\) (theo bán kính hầm R) dùng để tính bề rộng máng lún trong các điều kiện nền đất khác nhau.

Độ lún nền đất cũng có thể được dự đoán bằng các phương pháp số. Phương pháp số đặc biệt hữu ích khi hình học đường hầm không phải dạng tròn hoặc móng ngựa, do các phương pháp giải tích/thực nghiệm không áp dụng trực tiếp được. Một ví dụ về phân tích lún bằng phương pháp phần tử hữu hạn được trình bày trong Hình 7-11.

7.6 ẢNH HƯỞNG VÀ BẢO VỆ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN MẶT ĐẤT

7.6.1 Đánh giá khả năng chịu lún của kết cấu

Việc đánh giá khả năng chịu lún của kết cấu đòi hỏi phải xác định các dạng hư hại có thể xảy ra đối với công trình. Boscardin và Cording (1989) đã đưa ra ba định nghĩa về hư hại đối với các công trình trên mặt đất do lún gây ra bởi thi công hầm, trong đó độ lún được tính theo Mục 7.5:

1. Hư hại kiến trúc: Hư hại ảnh hưởng đến hình thức bên ngoài nhưng không ảnh hưởng đến chức năng của kết cấu, thường liên quan đến các vết nứt hoặc khe tách trong tường vách, sàn và lớp hoàn thiện. Các vết nứt trên tường trát vữa lớn hơn 1/64 in. và các vết nứt trong tường gạch hoặc bê tông thô lớn hơn 1/32 in. được xem là ngưỡng mà tại đó hư hại bắt đầu được người sử dụng công trình nhận thấy và báo cáo.
2. Hư hại chức năng: Hư hại ảnh hưởng đến việc sử dụng kết cấu hoặc an toàn của người sử dụng, thường liên quan đến cửa đi và cửa sổ bị kẹt, lớp vữa trát bị nứt và bong rơi, tường và sàn bị nghiêng, cùng các hư hại khác cần sửa chữa phi kết cấu để đưa công trình trở lại đầy đủ khả năng phục vụ.
3. Hư hại kết cấu: Hư hại ảnh hưởng đến sự ổn định của kết cấu, thường liên quan đến các vết nứt hoặc biến dạng trong các cấu kiện chịu lực chính như dầm, cột và tường chịu lực.

Đã có nhiều phương pháp được đề xuất và áp dụng để đánh giá ảnh hưởng của độ lún đối với nhà cửa và các công trình khác. Năm 1981, Wahls đã thu thập và nghiên cứu dữ liệu từ các nhà nghiên cứu khác (ví dụ: Skimpton và MacDonald, 1956; Grant, Christian và Vanmarked; Polshin và Tokar) cùng với các quan sát của chính ông (tổng cộng hơn 193 trường hợp). Từ nghiên cứu đó, Wahls đã đề xuất mối tương quan giữa sự nghiêng/vặn tương đối do lún (angular distortion) — tức độ lún chênh lệch tương đối giữa các cột hoặc các điểm đo — và mức độ hư hại công trình như trình bày trong Bảng 7-8.

Là một phương pháp sàng lọc ban đầu thay thế, Rankin (1988) đã đề xuất biểu đồ đánh giá rủi ro hư hại dựa trên độ dốc lớn nhất của công trình và độ lún, như trình bày trong Bảng 7-9.

Bảng 7-8 Giới hạn angular distortion (Wahls, 1981)

Loại hư hại tiềm tàng	Angular distortion (Δ/L)
Nguy hiểm đối với máy móc nhạy cảm với lún	1/750
Nguy hiểm đối với khung có giằng chéo	1/600
Giới hạn an toàn để công trình không bị nứt	1/500
Bắt đầu xuất hiện nứt ở tường panel	1/300
Khó khăn đối với cần trục trên cao	1/300
Độ nghiêng của công trình cao, cứng bắt đầu nhìn thấy được	1/250
Nứt đáng kể ở tường panel và tường gạch	1/150
Nguy cơ hư hại kết cấu đối với công trình thông thường	1/150
Giới hạn an toàn đối với tường gạch mềma	1/150
a Giới hạn an toàn có bao gồm hệ số an toàn.

(Angular distortion là gì?)

Định nghĩa chuẩn

\[
\text{angular distortion} = \frac{\Delta}{L}
\]

• \(\Delta\): chênh lệch lún giữa hai điểm
• \(L\): khoảng cách ngang giữa hai điểm

Hiểu đúng bản chất là mức độ biến dạng tương đối của công trình do lún không đều, Nó đo:

• mức “bị bẻ cong” của nền móng
• mức chênh lệch lún giữa các vị trí

Diễn giải trực quan

• Nếu nền lún đều → Δ = 0 → không có angular distortion
• Nếu một phía lún nhiều hơn → xuất hiện biến dạng → công trình:
  • nứt
  • vênh
  • kẹt cửa

Ví dụ nhanh

• Chênh lệch lún: 20 mm
• Khoảng cách: 10 m

\[
\frac{20}{10000} = 1/500
\]

angular distortion = 1/500

Vì sao quan trọng?

Trong thực tế:

• độ lún tuyệt đối ít nguy hiểm
• lún không đều mới gây hư hại

angular distortion là chỉ tiêu chính để:

• đánh giá nứt công trình
• kiểm soát rủi ro lún

Mốc tham khảo (Wahls)

Giá trị	Ý nghĩa
1/500	bắt đầu nứt
1/300	nứt rõ
1/150	có thể hư hại kết cấu

Kết luận

angular distortion = Δ/L = chênh lệch lún / khoảng cách
→ chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá hư hại do lún

\(\\\)

Bảng 7-9 Biểu đồ đánh giá rủi ro hư hại (Rankin, 1988)

Cấp rủi ro	Độ dốc lớn nhất của công trình	Độ lún lớn nhất của công trình (mm)	Mô tả rủi ro
1	Nhỏ hơn 1/500	Nhỏ hơn 10	Không đáng kể: ít có khả năng xảy ra hư hại bề mặt.
2	1/500–1/200	10–50	Nhẹ: có thể xảy ra hư hại bề mặt, nhưng ít có khả năng có ý nghĩa về kết cấu.
3	1/200–1/50	50–75	Trung bình: dự kiến có hư hại bề mặt và có thể có hư hại kết cấu đối với công trình; có thể gây hư hại cho các đường ống tương đối cứng.
4	Lớn hơn 1/50	Lớn hơn 75	Cao: dự kiến có hư hại kết cấu đối với công trình. Dự kiến hư hại đối với các đường ống cứng; có thể hư hại các đường ống khác.

\(\\\)

7.6.2 Giảm thiểu lún

Khi độ lún đang hoặc sẽ do hạ thấp mực nước ngầm gây ra, biện pháp đầu tiên và thường là đơn giản nhất là giảm hoặc loại bỏ các điều kiện gây ra hoặc cho phép việc tháo khô xảy ra. Ví dụ:

• Giảm độ hạ thấp mực nước tại các công trình quan trọng bằng cách bơm hoàn trả nước, sử dụng tường chắn nước không thấm và các biện pháp tương tự.
• Sử dụng máy đào hầm có mặt đào kín, được duy trì áp lực, để không xảy ra hạ thấp mực nước. Áp lực tại mặt đào phải bằng cột áp nước ngầm.
• Bơm vữa vào đất xung quanh hầm để loại bỏ dòng nước chảy vào hầm.

Khi độ lún đang hoặc có thể do mất đất trong quá trình đào hầm gây ra, độ lún gần như luôn có thể được giảm thiểu bằng biện pháp và phương pháp thi công phù hợp. Ví dụ, cần xem xét:

• Yêu cầu sử dụng TBM mặt đào kín, có áp lực cân bằng — EPB hoặc SFM — và duy trì áp lực ít nhất bằng, nếu không lớn hơn, áp lực tổng hợp của đất và nước ngầm tại cao độ hầm.
• Bơm vữa ngay lập tức và đầy đủ vào khoảng rỗng vành khăn giữa vỏ hầm và đất ở phía đuôi máy. Sử dụng hệ thống bơm vữa tự động không cho phép máy tiến lên nếu khoảng rỗng này chưa được bơm vữa đồng thời.
• Kiểm soát vận hành, tức điều khiển hướng, của máy để máy không bị buộc phải chúi/ngóc hoặc lệch hướng nhằm hiệu chỉnh tuyến quá mức. Mỗi 1% hiệu chỉnh tương ứng với khả năng mất đất khoảng 1.5%.
• Sử dụng bơm vữa đầm chặt hoặc bơm vữa bù để “bù lại” phần đất mất trước khi ảnh hưởng đó lan truyền đến công trình.
• Xử lý các khu vực đất rời rạc bằng cố kết hoặc jet grouting trước khi đào hầm vào các khu vực này.

7.6.3 Bảo vệ công trình

Khái niệm và các phương pháp bảo vệ công trình đã được lồng ghép trong các đoạn trước. Trước hết là quy trình đào hầm duy trì áp lực mặt đào và bơm vữa ngay lập tức để lấp đầy khoảng rỗng vành khăn.

Bước tiếp theo là cải tạo đất bằng cố kết hoặc jet grouting, và các biện pháp liên quan chặt chẽ như bơm vữa bù hoặc bơm vữa đầm chặt.

Biện pháp cuối cùng, chỉ áp dụng khi mọi biện pháp khác có vẻ không thành công hoặc không khả thi, là gia cố móng dưới. Giống như việc sử dụng khí nén, phương pháp này hiện nay ít được dùng vì các kỹ thuật đào hầm hiện đại thường khiến nó không cần thiết. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, như gara Pershing Square ở Los Angeles, phương pháp này vẫn có thể áp dụng; nhưng đa số người thực hiện tin rằng khả năng gây hư hại lớn hơn lợi ích có thể đạt được.

Các bước điển hình của phương pháp gia cố móng dưới được tóm tắt như sau:

• Phá dỡ cục bộ và đào thủ công xuống đến hoặc gần đến móng có thể bị ảnh hưởng.
• Lắp đặt cọc hoặc các cấu kiện móng khác đến một tầng chịu lực nằm bên dưới và/hoặc bên ngoài phạm vi móng bị ảnh hưởng và hầm.
• Lắp đặt dầm kim hoặc phương pháp tương tự để truyền tải trọng móng bị ảnh hưởng sang các cấu kiện mới.
• Gia tải trước các cấu kiện mới, tức là chuyển tải móng bị ảnh hưởng sang các cấu kiện mới đó.
• Cắt hoặc giải phóng mọi tải trọng tác dụng lên móng bị ảnh hưởng. Tại thời điểm này, toàn bộ tải trọng được truyền qua các cấu kiện mới đến vị trí/điều kiện chịu lực hoàn toàn độc lập với hoạt động đào hầm và hầm.
• Khi cần thiết, tháo bỏ hoặc giữ nguyên móng ban đầu.

Công tác quan trắc và theo dõi các công trình hiện hữu được trình bày trong Chương 15, Quan trắc địa kỹ thuật và quan trắc kết cấu.

7.7 ỔN ĐỊNH VÀ CẢI TẠO ĐẤT

7.7.1 Mục đích

Cho đến gần đây, hầu như toàn bộ nỗ lực thiết kế hầm trong nền đất yếu là nhằm cung cấp một hoặc nhiều hệ chống đỡ để ổn định đất hiện hữu trong quá trình thi công, sau đó, có thể kèm theo một số điều chỉnh, hệ này sẽ chống đỡ lâu dài cho đất và tạo khoảng không phù hợp cho nhiệm vụ khai thác dài hạn của hầm. Tuy nhiên, trong hai hoặc ba thập kỷ gần đây, tình hình đã thay đổi; trong một số ứng dụng, người ta áp dụng cách tiếp cận kép. Trước hết, các đặc tính của đất được thay đổi bằng biện pháp ổn định và/hoặc cải tạo để đất đóng góp nhiều hơn vào khả năng tự ổn định của chính nó. Sau đó, một hệ chống đỡ/vỏ hầm bổ sung nhưng ít tốn kém hơn được lắp đặt để hầm có thể làm việc trong suốt tuổi thọ thiết kế. Mục này tóm tắt các phương pháp ổn định và cải tạo đất khác nhau. Các tài liệu tham khảo trình bày chi tiết hơn về những phương pháp này cũng được nêu kèm.

7.7.2 Các ứng dụng điển hình

Quyết định sử dụng ổn định hoặc cải tạo đất phải được xem xét riêng cho từng trường hợp. Đôi khi quyết định này khá dễ dàng vì không còn cách nào khác để thi công hầm. Tuy nhiên, thường hơn, quyết định là sự cân nhắc đánh đổi giữa xử lý đất, sử dụng máy móc công nghệ cao, và/hoặc kết hợp cả hai. Với tất cả các khả năng này, có thể nói hiện nay gần như không còn công trường nào là không thể tiếp cận để thi công. Bảng 7-10 tóm tắt các điều kiện đất khó khăn và các phương pháp xử lý tương ứng.

Bảng 7-10 Các phương pháp xử lý nền đất

Điều kiện nền đất khó	Phương pháp xử lý
Đất yếu	* Đầm rung (Vibro Compaction) * Đầm động (Dynamic Compaction) * Bơm vữa đầm chặt (Compaction Grouting) * Bơm vữa thấm nhập (Permeation Grouting) * Phun vữa áp lực cao (Jet grouting)
Nước ngầm	* Hạ nước ngầm (Dewatering) * Đóng băng (Freezing) * Bơm vữa (Grouting)
Gương đào không ổn định	* Đinh đất (Soil Nails) * Spiling * Chốt đất (Soil Doweling) * Cọc siêu nhỏ (Micro Piles)
Chuyển vị đất	* Bơm vữa bù (Compensation Grouting) * Bơm vữa đầm chặt (Compaction Grouting)

(Jet grouting là gì?)

Jet grouting là một phương pháp gia cố nền đất tại hiện trường bằng cách:

phun tia vữa xi măng áp lực rất cao để phá vỡ đất và trộn nó thành một khối đất–xi măng

Nguyên lý hoạt động

1. Khoan một lỗ xuống độ sâu thiết kế
2. Hạ cần khoan có vòi phun xuống
3. Phun tia vữa xi măng áp lực cao (thường 200–600 bar)
4. Tia này:
   • cắt phá cấu trúc đất
   • trộn đất với vữa
5. Khi rút cần lên → tạo thành cột đất–xi măng (soilcrete column)

Kết quả

• Tạo ra các cột gia cố:
  • tăng cường độ
  • giảm thấm
  • ổn định nền

Ứng dụng trong đào hầm

Jet grouting thường dùng để:

• ổn định gương đào
• xử lý đất yếu / đất rã / đất chảy
• tạo màn chống thấm
• bảo vệ công trình phía trên khỏi lún

Các kiểu jet grouting

Loại	Đặc điểm
Single jet	chỉ dùng vữa
Double jet	vữa + khí
Triple jet	vữa + khí + nước

Ưu / Nhược

Ưu điểm

• làm được trong đất yếu, bão hòa nước
• không cần đào mở
• kiểm soát tốt hình dạng vùng gia cố

Nhược điểm

• chi phí cao
• kiểm soát chất lượng khó
• cần thiết bị chuyên dụng

Kết luận

Jet grouting = phun tia vữa áp lực cao để phá và trộn đất → tạo cột đất–xi măng gia cố nền

Cần lưu ý rằng ranh giới giữa các điều kiện nền đất và các phương pháp xử lý không cố định. Ngoài ra, việc sử dụng các kỹ thuật đầm rung hoặc đầm động thường chỉ áp dụng tại hoặc gần các cửa hầm, vì các kỹ thuật này được thực hiện từ mặt đất và không hiệu quả vượt quá chiều sâu khoảng 100 ft đối với đầm rung và 35 ft đối với đầm động. Cả hai phương pháp nhìn chung chỉ hiệu quả trong đất hạt rời.

Người đọc có thể tham khảo Ground Improvement Methods Reference Manual (FHWA, 2004) để có phần thảo luận chi tiết về các kỹ thuật ổn định và cải thiện đất được trình bày dưới đây.

7.7.3 Các phương pháp gia cường

Đinh đất (Soil Nails):

Đinh đất có thể được sử dụng để ổn định mặt gương đào trong đất trong quá trình thi công. Các thanh thép, thanh sợi thủy tinh hoặc đinh được lắp đặt vào mặt gương đào; sau đó, một hoặc nhiều khối đất được gia cường sẽ được phân tích ổn định tương tự như trong phân tích ổn định mái dốc thông thường.

Nhiều phương pháp, như Davis, Davis sửa đổi, German, French, Kinematical, Golder và Caltrans, được sử dụng cho các phân tích này. Walkinshaw (1992) đã nghiên cứu các phương pháp này và kết luận rằng tất cả đều có một số điểm chưa nhất quán, chẳng hạn như:

• Triệt tiêu lực giữa các lát cắt không đúng cách theo phương pháp Davis.
• Áp lực đất ngang không nhất quán với lực trong đinh và phân bố áp lực lên bề mặt gia cường.
• Không phân phối lại lực trong đinh theo trình tự thi công và số liệu quan trắc, ngoại trừ phương pháp Golder.
• Cách xử lý phức tạp và nhấn mạnh không thực tế vào độ cứng của đinh theo phương pháp Kinematical.

Để thảo luận thêm, người đọc có thể tham khảo GEC No. 7 Soil Nail Walls (FHWA, 2003). Tài liệu này cũng khuyến nghị sử dụng chương trình Caltrans SNAIL vì chương trình này có thể xử lý cả đinh đất và neo. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc áp dụng chương trình này hoặc bất kỳ chương trình nào khác phải đi kèm với đánh giá chuyên môn phù hợp, số liệu quan trắc và kinh nghiệm từ các công trình tương tự.

Thanh chốt đất (Soil Doweling):

Soil doweling là việc lắp đặt các cấu kiện gia cường có kích thước lớn hơn so với soil nailing. Các thanh chốt này chịu kéo giống như soil nails, nhưng có tiết diện đủ lớn để phát triển thêm một phần sức kháng cắt tại vị trí chúng đi xuyên qua các mặt trượt.

7.7.4 Micropiles

Khi áp dụng trong đào hầm, micropiles về cơ bản tương tự như chốt đất. Chúng thường là các cọc khoan đường kính từ 2 đến 6 inch, chứa một thanh cốt thép lớn đặt ở giữa lỗ khoan, sau đó lỗ khoan được lấp đầy bằng bê tông. Khác với các cọc pin thường được lắp đặt từ mặt đất và chịu nén, các cọc pin đặt trong hầm thường làm việc chịu kéo và chịu cắt qua các mặt trượt.

Đinh đất, chốt đất và cọc pin thường được lắp đặt tại gương hầm để ổn định gương trong quá trình thi công. Do đó, chúng liên tục được lắp đặt rồi đào bỏ khỏi gương. Trong trường hợp này, thanh sợi thủy tinh thường được dùng vì dễ đào xuyên và cắt bỏ hơn. Ngược lại, spiling thường nhằm gia cường quanh chu vi hầm; do đó thép thường được dùng cho thanh hoặc tấm spiling.

Người đọc cũng có thể tham khảo Micropile Design and Construction Reference Manual (FHWA, 2005f) để biết thêm chi tiết.

7.7.5 Các phương pháp bơm vữa (Grouting Methods)

Tất cả các phương pháp bơm vữa đều bao gồm việc khoan lỗ vào nền đất, đặt ống bơm vữa vào các lỗ khoan và bơm vữa có áp vào nền đất qua các ống đó. Tuy nhiên, chi tiết thao tác của từng phương pháp rất khác nhau. Người đọc có thể tham khảo Ground Improvement Methods Reference Manual (FHWA, 2004) để có phần thảo luận chi tiết hơn về các kỹ thuật bơm vữa được trình bày dưới đây.

Bơm vữa thấm nhập (Permeation Grouting)

Bơm vữa thấm nhập là phương pháp lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt đất, có thể làm dịch chuyển nước. Vữa có thể là hóa chất, thường là natri silicat hoặc polyurethane, hoặc xi măng thường dùng xi măng mịn, siêu mịn hoặc cực mịn, cùng với hóa chất và các phụ gia khác. Sau khi được bơm vào các lỗ rỗng, vữa đông kết và chuyển đất thành vật liệu ổn định, yếu như đá sa thạch. Phương pháp này thường dùng các lỗ bơm vữa cách nhau 3 đến 4 ft, cùng với các lỗ phụ ở khoảng giữa để kiểm tra toàn bộ đất đã được bơm vữa. Khi cần bao phủ toàn bộ, tất cả các lỗ ở khoảng giữa có thể phải được bơm vữa và việc kiểm chứng được thực hiện bằng các lỗ bậc ba.

Bơm vữa đầm chặt (Compaction Grouting)

Bơm vữa đầm chặt sử dụng loại vữa cứng hơn so với bơm vữa thấm nhập. Mục tiêu là tạo thành một chuỗi các bầu vữa hoặc vùng vữa nằm phía trên và xung quanh vòm hầm. Bằng cách bơm vữa cứng dưới áp lực, các bầu vữa này nén chặt đất phía trên hầm và giữa hầm với các công trình phía trên.

Các ống bơm vữa đầm chặt được định vị và khoan đặt sẵn; toàn bộ bơm, ống mềm, ống góp, thiết bị đo và các thiết bị tương tự cũng được bố trí trước khi bắt đầu đào hầm. Thiết bị được đọc khi hầm tiến đến và đi qua công trình; hoạt động bơm vữa được điều chỉnh theo thời gian thực dựa trên số liệu chuyển vị đo được. Trên thực tế, trong phần lớn ứng dụng, có thể tiền xử lý nền bằng bơm vữa hoặc nâng nền trở lại, ít nhất một phần, bằng cách bơm thêm vữa ở áp lực cao hơn.

Bơm vữa bù (Compensation Grouting)

Bơm vữa bù, theo một số khía cạnh, tương tự như bơm vữa đầm chặt. Mục tiêu là theo dõi chuyển vị nền đất, chủ yếu giữa hầm và công trình phía trên. Khi nhận thấy nền đất đang bị mất đi trong quá trình đào hầm, một loại vữa có độ chùng hơi cao hơn so với vữa đầm chặt được bơm vào để thay thế, tức bù lại, lượng đất bị mất. Như đã nêu, sự khác biệt giữa hai phương pháp này tương đối nhỏ: bơm vữa đầm chặt nhằm tái đầm chặt nền bằng cách tạo các bầu vữa, còn bơm vữa bù nhằm lấp lại các khoảng rỗng được tạo ra bởi quá trình đào hầm.

Jet grouting

Jet grouting là phương pháp mới nhất trong các phương pháp bơm vữa và đang nhanh chóng trở thành phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất. Jet grouting sử dụng áp lực cao để phá vỡ đất và thay thế đất đó bằng hỗn hợp đất đào và xi măng, thường được gọi là “soilcrete”. Có nhiều biến thể của jet grouting tùy thuộc vào chi tiết áp dụng, kinh nghiệm và năng lực chuyên môn của cả đơn vị thiết kế lẫn nhà thầu.

Thiết kế cột jet grouting chịu ảnh hưởng của nhiều biến số độc lập liên quan đến điều kiện đất tại hiện trường, vật liệu sử dụng và các thông số vận hành. Bảng 7-11 trình bày tóm tắt các biến số chính của hệ jet grouting và tác động tiềm năng của chúng đến ba khía cạnh thiết kế cơ bản của tường jet grouting: đường kính cột, cường độ và độ thấm. Bảng 7-11 cũng đưa ra các phạm vi điển hình của thông số vận hành và kết quả đạt được bởi ba hệ bơm phun cơ bản của jet grouting. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng áp lực bơm vữa trong bảng này dựa trên một số thiết bị nhất định và có thể thay đổi. Bảng này có thể được sử dụng trong nghiên cứu khả thi và thiết kế sơ bộ các hệ tường jet grouting.

Các thông số vận hành thực tế sử dụng trong thi công thường được xác định từ các thí nghiệm hiện trường ban đầu, được thực hiện khi bắt đầu thi công.

Jet grouting thường được sử dụng như một biện pháp kiểm soát nền đất kết hợp với đào hầm trong đất yếu bằng phương pháp đào tuần tự (Sequential Excavation Method), xem Chương 9.

Bảng 7-11 Tóm tắt các biến số của hệ jet grouting và ảnh hưởng của chúng đến các yếu tố thiết kế cơ bản

Biến số chính	Ảnh hưởng chung của biến số đến các yếu tố thiết kế cơ bản (cường độ, độ thấm và đường kính cột)
(a) Cường độ đất được jet grouting
Mức độ trộn giữa đất và vữa	Cường độ cao hơn và ít biến động hơn khi mức độ trộn cao hơn.
Loại đất và cấp phối	Cát và sỏi thường tạo ra vật liệu có cường độ cao hơn, trong khi sét và bùn (silt) thường tạo ra vật liệu yếu hơn.
Hàm lượng xi măng	Cường độ tăng khi hàm lượng xi măng tăng, tính theo khối lượng xi măng trên một đơn vị thể tích khối đất được jet grouting.
Tỷ lệ nước/xi măng của khối đất được jet grouting	Cường độ của khối đất được jet grouting giảm khi tỷ lệ nước/xi măng tại hiện trường tăng.
Hệ jet grouting	Cường độ của hệ hai lưu chất có thể bị giảm do khí bị giữ lại trong hỗn hợp đất–vữa.
Tuổi của khối đất được jet grouting	Khi khối đất được jet grouting đông cứng, cường độ tăng nhưng thường với tốc độ chậm hơn bê tông.
(b) Độ thấm của tường
Tính liên tục của tường	Độ thấm tổng thể của tường jet grouting gần như phụ thuộc hoàn toàn vào tính liên tục của tường giữa các cột hoặc panel liền kề. Vữa đặc, các bầu vữa chồng lấn hoặc các cột bù sẽ làm giảm độ thấm của tường. Trong trường hợp gặp vật cản như đá tảng, công trình ngầm…, nếu không đạt được sự bao bọc hoàn toàn thì độ thấm tổng thể có thể tăng do rò rỉ dọc theo mặt tiếp xúc giữa vật cản và vữa.
Thành phần vữa	Giả sử tường liên tục hoàn toàn và đất tại hiện trường được thay thế hoàn toàn, độ thấm thấp nhất có thể đạt được là độ thấm của vữa, thường khoảng 10-6 đến 10-7 cm/s. Có thể đạt độ thấm thấp hơn nếu sử dụng bentonite hoặc phụ gia chống thấm tương tự.
Thành phần đất	Nếu đạt được thay thế hoàn toàn, như có thể thực hiện với hệ ba lưu chất, thì thành phần đất không còn quan trọng. Nếu không, khi đạt được trộn đều, đất hạt mịn sẽ tạo ra độ thấm thấp hơn so với đất hạt rời.
(c) Đường kính cột
Hệ jet grouting	Đường kính của cột hoàn thiện tăng khi số lượng lưu chất trong hệ đơn, đôi và ba lưu chất tăng.
Độ chặt và cấp phối của đất	Khi độ chặt tăng, đường kính cột giảm. Đối với đất hạt rời, đường kính tăng khi hệ số đồng đều giảm (D60/D10).
Mức độ trộn giữa đất và vữa	Có thể đạt được đường kính lớn hơn và đồng đều hơn khi mức độ trộn cao hơn.

7.7.6 Đóng băng nền đất

Cũng như nhiều công nghệ đào hầm khác, đóng băng nền đất ban đầu được phát triển trong ngành khai mỏ và có lẽ lần đầu được sử dụng trong các giếng đứng mỏ. Đối với giếng mỏ, khi giếng và mỏ nằm ở những vị trí bắt buộc, cần có các biện pháp để tiếp cận trong điều kiện nền đất bất lợi, tạo chống đỡ khẩn cấp trong nền đất không ổn định bên dưới mực nước ngầm, và duy trì ổn định cho các gương làm việc bên dưới mực nước ngầm; các biện pháp như đóng băng thường có nguồn gốc từ ngành khai mỏ.

Ở dạng đơn giản nhất, đóng băng nền đất là quá trình lấy nhiệt ra khỏi nền đất cho đến khi nước ngầm bị đóng băng. Khi đó, nước ngầm được biến thành tác nhân liên kết, còn nền đất thành “đá sa thạch đóng băng”. Nhiệt được lấy ra bằng cách tuần hoàn chất lỏng làm lạnh, thường là nước muối, trong một hệ thống ống. Mỗi ống thực chất gồm hai ống lồng nhau: chất lỏng chảy xuống ống giữa và đi lên qua khoảng không hình khuyên giữa hai ống. Khi các ống đặt đủ gần nhau và thời gian đủ dài, các trụ đất đóng băng quanh từng ống sẽ dần hợp nhất thành một khối đất đóng băng liên tục. Khối này có thể có dạng vòng hoặc dạng donut khi cần chống đỡ giếng đứng, hoặc dạng khối đặc bất kỳ theo yêu cầu để ổn định gương đào hoặc phần đầu hầm.

Do thiếu dữ liệu kỹ thuật về các đặc tính của đất đóng băng, đặc biệt là đất sét, nên khuyến nghị thực hiện hai bước sớm trong bất kỳ thiết kế đóng băng nền đất nào:

1. Cần thuê một tư vấn có năng lực để tư vấn về thiết kế và thi công dự án. Ý kiến từ chuyên gia này là rất cần thiết cho công việc và sẽ tự bù đắp chi phí nhiều lần.
2. Cần thực hiện các thí nghiệm trong phòng và tại hiện trường đối với đất và điều kiện hiện trường. Chỉ bằng cách này mới có thể xác định các đặc tính có ý nghĩa của đất đóng băng tại khu vực dự án để phục vụ thiết kế khái niệm.

Tuy nhiên, có thể sử dụng một số hướng dẫn tổng quát như sau, theo Xanthakos, 1994:

1. Các ống thường được bố trí cách nhau 3 đến 4 ft.
2. Chọn tỷ số khoảng cách/đường kính ≤ 13, đối với ống có đường kính 120 mm hoặc nhỏ hơn.
3. Sử dụng nhiệt độ nước muối nhỏ hơn -25°C.
4. Cung cấp 0.013 đến 0.025 tấn lạnh cho mỗi foot ống đóng băng.
5. Xác định các đặc tính điển hình của đất đóng băng bằng thí nghiệm trong phòng.

Dòng chảy nước ngầm qua khu vực có thể cần được xem xét đặc biệt, chẳng hạn như giảm khoảng cách ống, bố trí nhiều hàng ống và các biện pháp tương tự. Vận tốc dòng chảy nước ngầm khoảng ≥ 2 m/ngày có thể làm cản trở hoặc ngăn cản quá trình đóng băng. Một số thách thức đặc biệt liên quan đến đóng băng nền đất cần được xem xét trong cả giai đoạn thiết kế và thi công, bao gồm hiện tượng trườn của đất đóng băng, độ nhạy của đặc tính đất đóng băng đối với điều kiện tải trọng, hiện tượng trương nở do đóng băng, lún do tan băng và các vấn đề khác.

Người đọc có thể tham khảo phần thảo luận và chi tiết về ứng dụng đóng băng nền đất trong Chương 12.

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