Chương 9 – PHƯƠNG PHÁP ĐÀO TUẦN TỰ (SEM)

9.1 GIỚI THIỆU

Phương pháp đào tuần tự (Sequential Excavation Method – SEM), còn thường được gọi là Phương pháp đào hầm mới của Áo (New Austrian Tunneling Method – NATM), là một khái niệm dựa trên sự hiểu biết về ứng xử của đất đá khi phản ứng với việc tạo ra một khoảng mở ngầm. Ở dạng kinh điển, SEM/NATM cố gắng huy động khả năng tự chống đỡ của đất đá đến mức tối ưu, nhờ đó đạt được hiệu quả kinh tế trong công tác chống đỡ nền đất đá. Dựa trên ý tưởng này, việc quản lý rủi ro thực tế và các yêu cầu an toàn không cho phép giảm bớt quá mức hệ chống đỡ hầm cần thiết. Ban đầu, NATM được hình thành để áp dụng cho đào hầm trong đá vào đầu thập niên 1960; sau đó, NATM đã được ứng dụng trong nền đất mềm tại các hầm đô thị từ cuối thập niên 1960 và kể từ đó được sử dụng rộng rãi trên thế giới, cả ở khu vực nông thôn lẫn đô thị.

Nhiều hầm trên thế giới đã được xây dựng bằng một phương pháp thi công thường được gọi chung là NATM. Trong nhiều năm thảo luận và áp dụng NATM, nhiều thuật ngữ khác nhau đã được dùng cho cùng một phương pháp thi công này. Các thuật ngữ đó chủ yếu nhằm mô tả phương pháp thi công hơn là vùng xuất xứ của nó. Trong thập niên 1970 và đầu thập niên 1980, thuật ngữ “Shotcrete Method” thường được dùng ở Đức và Thụy Sĩ. Bên cạnh NATM, các phát triển ở Vương quốc Anh vào cuối thập niên 1990 dẫn đến việc sử dụng thuật ngữ “Sprayed Concrete Lining” hay SCL. Ngoài ra, “Conventional Tunneling Method” được dùng ở Áo và Đức. Vì NATM chủ yếu dựa trên cách tiếp cận quan trắc, thuật ngữ “Observational Method” cũng được giới thiệu và sử dụng ở nhiều quốc gia. Thuật ngữ “Conventional”, để phân biệt với các hầm đào bằng TBM, gần đây đã được đưa vào các ấn phẩm của Hiệp hội Đường hầm Quốc tế (ITA), Nhóm công tác 19. Ở các nước nói tiếng Đức tại châu Âu, cụ thể là Áo và Đức, các tiêu chuẩn và quy chuẩn rất gần đây sử dụng thuật ngữ “Cyclic Tunneling Method”.

Tại Hoa Kỳ, nơi NATM lần đầu được áp dụng có hệ thống vào cuối thập niên 1970 và đầu thập niên 1980 trong xây dựng hầm Mount Lebanon ở Pittsburgh, các hầm Redline và ga Wheaton của hệ thống tàu điện ngầm Washington, DC, thuật ngữ được sử dụng là NATM. Tuy nhiên, dần dần thuật ngữ này đã và đang bị loại bỏ ở Hoa Kỳ, thay bằng Sequential Excavation Method hoặc SEM. Hiện nay, SEM ngày càng phổ biến tại Hoa Kỳ trong xây dựng hầm, các đường nối ngang, nhà ga, giếng đứng và các kết cấu ngầm khác (Gildner và cộng sự, 2004).

SEM có tính linh hoạt về hình học, cho phép áp dụng cho hầu như mọi kích thước khoảng mở. Mặt cắt hầm thông thường có dạng gần oval nhằm tạo điều kiện phân bố lại ứng suất một cách trơn tru hơn trong khối đất đá xung quanh khoảng mở mới tạo. Bằng cách điều chỉnh trình tự thi công, chủ yếu thể hiện qua chiều dài bước đào, thời điểm lắp đặt chống đỡ và loại chống đỡ, SEM cho phép đào hầm qua đá (Chương 6), đất mềm (Chương 7) và nhiều điều kiện nền khó khăn khác (Chương 8). Tùy thuộc vào kích thước khoảng mở và chất lượng đất đá, một mặt cắt hầm có thể được chia thành nhiều phần đào nhỏ.

Việc áp dụng SEM đòi hỏi kinh nghiệm thực tế, kiến thức về đất, các ngành khoa học kỹ thuật và năng lực thi công thành thạo. Quy trình đào hầm theo SEM bao gồm:

• Phân loại nền đất đá, đào và chống đỡ dựa trên khảo sát nền đất đá kỹ lưỡng.
• Xác định các cấp đào và chống đỡ theo:
  • Chiều dài bước đào, tức chiều dài đào tối đa chưa có chống đỡ.
  • Biện pháp chống đỡ, gồm vỏ shotcrete và cốt gia cường, gia cố nền bằng neo hoặc chốt trong đá.
  • Chia mặt cắt hầm thành nhiều phần đào hoặc gương đào khi cần, như top heading, bench, invert, các phần đào thành bên.
  • Yêu cầu khép kín vòng chống đỡ.
  • Thời điểm lắp đặt chống đỡ, thường sau mỗi bước đào.
  • Chống đỡ trước bằng spiling, fore poling và pipe arch canopy.
  • Chống đỡ ban đầu bổ sung cục bộ bằng chốt, neo, spile, nêm chống đỡ gương và shotcrete.
• Thiết bị đo đạc và quan trắc.
• Các biện pháp cải thiện nền trước khi đào hầm.

Một yếu tố chống đỡ quan trọng là shotcrete, chủ yếu nhờ khả năng tạo ra hệ chống đỡ liên kết và liên tục cho nền đất đá. Việc áp dụng các biện pháp cải thiện nền như hạ mực nước ngầm, bơm phụt, đóng băng nền và các biện pháp khác, cùng với các biện pháp chống đỡ trước dưới nhiều dạng spiling, đã mở rộng phạm vi ứng dụng SEM, đặc biệt trong đào hầm đô thị. Các biện pháp này được quy định nhằm nâng cao chất lượng nền đất đá trước và trong quá trình đào hầm.

SEM thường có mặt cắt vỏ hầm hai lớp, trong đó màng chống thấm được đặt giữa lớp shotcrete ban đầu và lớp vỏ hầm cuối cùng, thường là bê tông đổ tại chỗ, như đã trình bày ở Chương 10 về vỏ hầm. Một yếu tố quan trọng của đào hầm theo SEM là quan trắc biến dạng của hầm và nền đất xung quanh (Chương 15). Việc đánh giá kết quả quan trắc cho phép kiểm chứng các giả định thiết kế hoặc điều chỉnh quá trình đào hầm.

Cuối cùng, vì đào hầm theo SEM cho phép điều chỉnh theo điều kiện nền gặp thực tế ngoài hiện trường, phương pháp này có lợi khi áp dụng hình thức hợp đồng đơn giá. Các báo cáo nền địa kỹ thuật (GBR) như trình bày ở Chương 4 và Báo cáo tóm tắt thiết kế địa kỹ thuật (GDSR) giúp hỗ trợ quá trình điều chỉnh và phân chia rủi ro giữa chủ đầu tư và nhà thầu. Công tác khảo sát địa kỹ thuật được trình bày ở Chương 3.

9.2 BỐI CẢNH VÀ CÁC KHÁI NIỆM

Nguồn gốc của NATM nằm trong kỹ thuật đào hầm vùng núi Alps vào đầu thập niên 1960. Năm 1948, Ladislaus von Rabcewicz đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho việc sử dụng hệ vỏ hầm hai lớp, trong đó lớp vỏ ban đầu được phép biến dạng. NATM dựa trên triết lý rằng khối đất đá xung quanh hầm được sử dụng như một phần tích hợp của hệ chống đỡ hầm. Lớp vỏ shotcrete ban đầu có khả năng biến dạng cho phép khống chế chuyển vị của nền đất đá, nhằm huy động sức kháng cắt vốn có trong nền và tránh phân bố lại tải trọng quá lớn. Yếu tố then chốt để sử dụng thành công một lớp vỏ tương đối mỏng, thi công trực tiếp lên bề mặt đào, là tạo hình dạng hầm trơn đều để tránh tập trung ứng suất, đồng thời bảo đảm tiếp xúc chặt giữa lớp vỏ shotcrete và nền đất đá xung quanh, tạo ra sự tương tác mạnh giữa hệ chống đỡ và nền. Để tăng cường khả năng chống đỡ của lớp vỏ ban đầu, gia cường đá được sử dụng tùy theo điều kiện khối đá. Gia cường đá giúp tránh phát triển phá hoại dạng nêm, tức keystone, và tạo ra một vòng khối đá xung quanh khoảng mở có đặc tính cường độ được cải thiện đáng kể.

Các bề mặt đào trơn, được bo cong lõm vào trong, tạo ra lực ép giữ và hạn chế lực uốn cũng như lực kéo trong vỏ hầm và trong nền đất đá lân cận khoảng mở hầm. Điều này đặc biệt quan trọng khi đào hầm trong nền có thời gian tự đứng hạn chế, nơi các khe nứt và quá trình phong hóa làm giảm sức kháng cắt tự nhiên của nền.

NATM là khái niệm đầu tiên trong đó nền đất đá và cường độ của nó được sử dụng như một vật liệu xây dựng và trở thành một phần tích hợp của hệ chống đỡ hầm. Thay vì dùng các cấu kiện chống đỡ cứng, vốn thu hút tải trọng lớn để chống lại biến dạng của nền, lớp vỏ shotcrete mềm dẻo nhưng đủ mạnh sẽ cùng làm việc với nền và phân bố lại tải trọng vào nền thông qua chính biến dạng của nó.

Rabcewicz đã tóm tắt triết lý của NATM trong bằng sáng chế năm 1948 của ông (Rabcewicz, 1948) như sau: “NATM dựa trên nguyên tắc rằng cần tận dụng tối đa khả năng tự chống đỡ của đá, bằng cách kiểm soát cẩn thận và có chủ đích các lực trong quá trình điều chỉnh lại diễn ra trong khối đá xung quanh sau khi tạo hốc đào, đồng thời điều chỉnh hệ chống đỡ tương ứng.” Việc xem xét ngắn gọn trạng thái ứng suất xung quanh một hốc đào mới hình thành và sự tương tác giữa nền đất đá với yêu cầu chống đỡ sẽ làm rõ cách tiếp cận nguyên lý được áp dụng trong thiết kế hầm theo NATM (Rabcewicz và cộng sự, 1973).

Trạng thái ứng suất xung quanh một hốc đào theo Kastner được trình bày dạng sơ đồ trong Hình 9-1. Ứng suất chính σ₀ trong nền đất đá xung quanh trước khi tạo hốc đào phụ thuộc chủ yếu vào chiều cao lớp phủ, trọng lượng đơn vị và các ứng suất kiến tạo σₛ. Sau khi đào hầm, ứng suất tiếp tuyến sẽ tăng lên gần chu vi hầm, thể hiện bằng đường liền σₜ⁰. Nếu các ứng suất tiếp tuyến và ứng suất hướng tâm phát sinh, lần lượt là σₜ và σᵣ, xung quanh khoảng mở hầm vượt quá cường độ của nền đất đá xung quanh, hiện tượng chảy dẻo sẽ xảy ra. Sự chảy dẻo này tạo thành một vùng dẻo lan vào trong nền đến một khoảng cách R nhất định tính từ chu vi hầm, thể hiện bằng đường nét đứt R.

Một minh họa sơ đồ về mối quan hệ giữa ứng suất hướng tâm \(\sigma_r\), biến dạng của cửa hầm \(\Delta r\), áp lực chống đỡ ngoài và trong yêu cầu \(p_i^a\) và \(p_i^I\), tương ứng, và thời điểm lắp đặt chống đỡ T được trình bày trong Hình 9-2. Theo Rabcewicz, chống đỡ ngoài hay vòm ngoài (\(p_i^a\)) bao gồm chính khối đất đá, phần gia cường bằng rock bolts và mọi chống đỡ được lắp đặt cho chính cửa hầm, từ shotcrete bịt kín bề mặt (flashcrete) đến lớp vỏ ban đầu có tính kết cấu gồm shotcrete cốt thép hoặc bê tông và sườn thép. Chống đỡ trong gồm lớp vỏ thứ cấp, được thi công sau khi cửa hầm đã đạt trạng thái cân bằng nhờ sự hỗ trợ của vòm ngoài. Đường cong \(\sigma_r / \Delta r\), thường được gọi là đường cong phản ứng của đất đá, mô tả sơ đồ quan hệ giữa biến dạng của cửa hầm và chống đỡ hầm do vòm ngoài cung cấp. Tại bất kỳ điểm giao nào giữa đường cong chống đỡ \(p_i\) và đường cong \(\sigma_r\), trạng thái cân bằng đạt được đối với hệ chống đỡ tương ứng.

Đặc trưng của NATM là điểm giao giữa đường cong chống đỡ và đường cong \(\sigma_r\) nằm ở nhánh đi xuống của đường cong. Sự nới lỏng bất lợi của đất đá bắt đầu tại điểm B trên đường cong \(\sigma_r\) nếu không cung cấp mức chống đỡ tối thiểu \(p_i\) min. Trong nhánh đi lên của đường cong \(\sigma_r\), đất đá đã mất cường độ và do đó mất khả năng tự chống đỡ liên tục, vì vậy cần tăng cường chống đỡ hầm để chống đỡ thụ động tải trọng phủ bên trên.

Việc xem xét các đường cong trong Hình 9-1 và Hình 9-2 minh họa mối quan hệ giữa thời điểm lắp đặt chống đỡ, sự chảy dẻo của đất đá và lượng chống đỡ cần thiết. Mức chống đỡ tối thiểu cần được cung cấp tại điểm B để ngăn sự nới lỏng và mất cường độ của đất đá xung quanh. Điều này sẽ dẫn đến biến dạng lớn nhất nhưng là giải pháp chống đỡ hầm kinh tế nhất. Đường cong 1, giao với đường cong \(\sigma_r\) tại điểm A, sẽ cần tăng cường chống đỡ \(p_i^a\) nhưng cho biến dạng Δr nhỏ hơn và hệ số an toàn cao hơn. Việc chọn vòm ngoài cứng hơn trong đường cong 2 sẽ làm tăng tải trọng tác dụng lên hệ chống đỡ, vì đất đá chưa được phép biến dạng và huy động cường độ của nó, do đó dẫn đến giảm hệ số an toàn.

Khả năng chịu lực của vòm trong được lựa chọn để thỏa mãn một hệ số an toàn mong muốn s. Điều này phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể; và với giả định rằng hệ chống đỡ ban đầu của hầm, tức vòm ngoài, sẽ suy giảm theo thời gian, thì \(p_i^a\) có thể được dùng làm cơ sở tham khảo để đạt được hệ số an toàn mong muốn. C và C’ lần lượt biểu thị trạng thái chịu tải và không chịu tải của vòm trong.

Đường cong \(\sigma_r / Δr\) có thể được xấp xỉ bằng mô hình số, sử dụng các đặc trưng biến dạng và cường độ của đất đá, cùng với hình học cụ thể của cửa hầm và trình tự đào dự kiến (Rabcewicz, 1973).

Mặc dù NATM có nguồn gốc từ đào hầm vùng núi Alps trong đá bị nứt nẻ hoặc bị ép dẻo (squeezing rock), phạm vi áp dụng của phương pháp này đã mở rộng đáng kể vào những năm 1970 và các thập niên sau đó. Tính linh hoạt của khái niệm cho phép thích ứng với nhiều điều kiện nền và hình dạng hầm khác nhau, kết hợp với các phát triển quan trọng về vật liệu thi công, kỹ thuật lắp đặt và các phương pháp xử lý nền. Điều này đã dẫn đến sự mở rộng mạnh mẽ từ đào hầm trong đá vùng núi Alps sang đào hầm trong nền đất mềm. Việc áp dụng NATM vì vậy cũng mở rộng từ đào hầm ở nông thôn trong đá sang đào hầm đô thị trong nền đất mềm, đặc biệt ở những khu vực xây dựng dày đặc với các công trình nhạy cảm phía trên tuyến hầm.

Mục tiêu chính trong đào hầm đá ở khu vực nông thôn là tìm được trạng thái cân bằng trong khối đất đá xung quanh với chi phí kinh tế nhất cho hệ chống đỡ ban đầu. Tuy nhiên, trong khu vực đô thị, đặc biệt khi đào ở độ phủ nông trong nền đất mềm, mục tiêu chính là giảm thiểu ảnh hưởng lên bề mặt và các công trình lân cận nhằm hạn chế lún. Như thể hiện ở Hình 9-2, việc lắp đặt chống đỡ muộn sẽ dẫn đến biến dạng cửa hầm Δr lớn hơn và do đó gây lún bề mặt lớn hơn khi đào ở độ sâu nông. Đường cong số 1 thể hiện hệ chống đỡ tương đối “mềm” được lắp muộn hơn so với đường cong số 2, vốn được lắp sớm hơn và “cứng” hơn. Các đường cong cho thấy rằng để giảm lún, cần sử dụng hệ chống đỡ sớm hơn và cứng hơn. Việc giảm chiều dài bước đào và phân chia mặt cắt hầm thành nhiều phần nhỏ sẽ giúp áp dụng chống đỡ sớm hơn, từ đó giảm biến dạng. Độ cứng của hệ chống đỡ có thể được tăng lên bằng cách tăng chiều dày lớp bê tông phun ban đầu và sử dụng bê tông phun có cường độ phát triển sớm và cao.

Trong điều kiện kinh tế xây dựng hầm hiện nay, các phương pháp thi công phải có khả năng cạnh tranh với đào hầm cơ giới hoàn toàn bằng TBM vốn có chi phí đầu tư ban đầu cao, đồng thời phải thích ứng với yêu cầu không gian cụ thể của từng dự án. Phạm vi ứng dụng chính của SEM, ngoài các hầm đường sắt và đường bộ ở nông thôn, là trong xây dựng các công trình hầm có hình dạng phức tạp, các hầm ngắn, các hầm kích thước lớn và hang ngầm trong khu vực đô thị ở độ sâu nông. Đào hầm nông trong nền đất mềm thường gặp nhiều thách thức. Tuy nhiên, với sự hỗ trợ của thiết bị đào tiên tiến, vật liệu xây dựng chất lượng cao (chủ yếu là bê tông phun), các kỹ thuật lắp đặt chống đỡ hiện đại, cùng với triết lý SEM, các công trình ngầm phức tạp và điều kiện nền khó khăn có thể được xây dựng trong hầu hết các loại nền. Một ưu điểm lớn của SEM là tính linh hoạt.

9.3 MẶT CẮT NGANG TIÊU CHUẨN CỦA SEM

9.3.1 Hình học

Hình dạng mặt cắt ngang hầm được thiết kế để tuân thủ các nguyên lý SEM, tức là kích hoạt vòm tự chống đỡ trong khối đất đá xung quanh một cách hiệu quả nhất có thể. Để đáp ứng nguyên lý này, hình học mặt cắt ngang phải là dạng đường cong, gồm các đường cong ghép ở cả vòm hầm và đáy vòm ngược, nếu đáy vòm ngược được thi công trong điều kiện giống như đất yếu. Cần tránh mọi vách thẳng và cạnh sắc trong mặt cắt đào. Vì vậy, hình học mặt cắt đào sẽ cho phép ứng suất trong đất đá xung quanh cửa hầm phân bố trơn tru, giảm thiểu tải trọng tác dụng lên vỏ hầm. Tuy vẫn tuân thủ các nguyên lý này, mặt cắt đào cần được tối ưu hóa về kích thước để đạt hiệu quả kinh tế. Cách bố trí đáy vòm ngược phụ thuộc vào điều kiện đất đá nơi xây dựng hầm. Trong các thành tạo đá tốt, đáy vòm ngược của hầm sẽ phẳng; trong khi ở hầm trong đá yếu và đất mềm, đáy vòm ngược sẽ được bo tròn để tạo điều kiện khép kín vòng kết cấu và ổn định.

9.3.2 Vỏ hầm kép

Mặt cắt ngang tiêu chuẩn của SEM có đặc điểm vỏ hầm kép và bao gồm một lớp vỏ shotcrete ban đầu và một lớp vỏ cuối cùng bằng bê tông đổ tại chỗ hoặc shotcrete. Một hệ thống chống thấm được kẹp giữa lớp vỏ ban đầu và lớp vỏ cuối cùng. Hệ thống chống thấm gồm một màng liên tục, mềm dẻo, thường là PVC. Một mặt cắt ngang tiêu chuẩn được phát triển cho từng hình học hầm: hầm chính, các đoạn mở rộng, hốc, đường ngang nối hầm và các kết cấu phụ khác. Một mặt cắt ngang SEM tiêu chuẩn điển hình cho hầm đường bộ hai làn được thể hiện trong Hình 9-3, phân biệt giữa đáy vòm ngược bo tròn ở bên phải và đáy phẳng ở bên trái. Đáy vòm ngược bo tròn thường gắn với việc đào hầm trong đất yếu, trong khi đáy phẳng được sử dụng trong điều kiện đất tốt, thường là đá. Như đã thảo luận trong Chương 2, mặt cắt ngang hầm được thiết kế quanh khổ giới hạn thông xe của dự án, bao gồm cả dung sai. Hình 9-4 thể hiện một mặt cắt hầm SEM hoàn chỉnh cho hầm đường bộ ba làn, cho thấy các tường hầm bê tông đổ tại chỗ được bo tròn. Tuyến hầm được uốn cong để đáp ứng các yêu cầu về tuyến trong môi trường đô thị. Ở phía trước, hầm SEM tiếp giáp với tường hầm thẳng của một hầm hộp đào hở liền kề. Hình 9-4 cũng thể hiện các hạng mục lắp đặt trong hầm, bao gồm chiếu sáng và quạt phản lực để thông gió hầm.

9.3.3 Lớp vỏ shotcrete ban đầu

Lớp vỏ shotcrete ban đầu là lớp shotcrete được phun để chống đỡ đất đá sau khi đào. Lớp này có chiều dày thường từ 4 đến 16 inch (100 đến 400 mm), chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện đất đá và kích thước cửa hầm. Lớp này được gia cường bằng lưới thép hàn hoặc sợi thép; trong đó sợi thép nhìn chung đã thay thế lưới thép hàn truyền thống trong mười đến mười lăm năm gần đây.

Đôi khi, sợi nhựa kết cấu được sử dụng thay cho sợi thép. Trường hợp này áp dụng khi lớp vỏ shotcrete dự kiến sẽ chịu biến dạng lớn và tính dẻo sau nứt có vai trò quan trọng. Khi lớp vỏ shotcrete dày hơn khoảng 6 inch (150 mm), lớp này còn bao gồm cả dầm giàn. Tùy theo điều kiện tải trọng và mục đích sử dụng, bộ chống thép cán có thể thay thế dầm giàn hoặc được dùng kết hợp với dầm giàn.

9.3.4 Chống thấm

SEM sử dụng các màng mềm dẻo, liên tục để chống thấm cho hầm. Thông thường nhất, màng PVC được sử dụng với chiều dày từ 80 đến 120 mil (2.0 đến 3.0 mm), tùy thuộc vào kích thước hầm. Chỉ trong các trường hợp đặc biệt, ví dụ khi có nước ngầm bị ô nhiễm, mới sử dụng các màng đặc biệt bằng polyolefin kháng hydrocarbon hoặc polyethylene tỷ trọng rất thấp (VLDPE).

Màng không thấm được đỡ phía sau bằng một lớp geotextile, lớp này cũng đóng vai trò là lớp bảo vệ; và trong các hệ thống thoát nước, là lớp thoát nước phía sau màng. Hệ thống chống thấm này được đặt áp sát vào lớp vỏ ban đầu và trước khi lắp đặt lớp vỏ cuối cùng. Trước khi lắp đặt hệ thống chống thấm, mọi biến dạng của hầm phải đã chấm dứt.

Trong các ứng dụng hệ thống thoát nước, nước được thu gom phía sau màng và dẫn đến các ống thoát nước thành bên có đục lỗ, đặt tại cao độ đáy vòm ngược của hầm ở mỗi bên hầm. Từ đó, nước thu gom được dẫn qua các ống ngang không đục lỗ đến rãnh thoát nước chính của phần đường xe chạy trong hầm. Trong các hệ thống không thoát nước, màng và geotextile bao quanh toàn bộ bao hầm và ngăn nước thấm vào trong hầm, do đó làm cho hầm chịu áp lực thủy tĩnh. Nếu rơi vào trường hợp này, hình học đáy vòm ngược và thiết kế kết cấu của hầm phải được điều chỉnh để phù hợp với cột nước thủy tĩnh. Việc sử dụng hệ thống thoát nước so với không thoát nước được thảo luận trong Chương 1.

Trong các thập kỷ qua, một “hệ thống phân khoang” đã được phát triển và hiện nay được dùng bổ sung cho việc lắp đặt các hệ thống chống thấm dựa trên màng mềm dẻo. Mục đích của việc phân khoang này là cung cấp khả năng sửa chữa khi xảy ra rò rỉ. Đặc biệt, khi hầm không được thoát nước và hệ thống chống thấm phải chịu áp lực thủy tĩnh dài hạn, việc lắp đặt các hệ thống này tạo ra một biện pháp dự phòng hiệu quả về chi phí và bảo đảm nội thất hầm luôn khô ráo. Phân khoang là khái niệm chia màng chống thấm thành các vùng riêng biệt dạng lưới kín độc lập, tức các khoang, bằng các dải chắn nước bịt kín ở nền. Các dải chắn nước này được chế tạo chuyên biệt để tạo ra các khoang đó. Chúng có các gờ cao tối thiểu 1.3 inch (30 mm) để liên kết đúng cách vào lớp vỏ cuối cùng, được đổ hoặc phun áp sát vào hệ thống chống thấm. Khi xảy ra rò rỉ nước, nước thấm vào được giới hạn trong từng khoang riêng, nhờ đó ngăn sự di chuyển không kiểm soát của nước trên các khoảng cách dài phía sau lớp vỏ cuối cùng. Trong mỗi khoang có lắp đặt các ống kiểm soát và bơm vữa. Các ống này xuyên qua lớp vỏ cuối cùng và tiếp xúc với màng. Hình 9-5 thể hiện một hệ thống chống thấm PVC đã lắp đặt có các khoang, ống kiểm soát và bơm vữa, cùng các ống mềm trước khi thi công lớp vỏ cuối cùng. Các ống kiểm soát và bơm vữa có hai chức năng: nếu xảy ra rò rỉ, nước sẽ tìm đường đến các ống này và thoát ra tại đó, qua đó báo hiệu có vị trí hư hỏng trong khoang. Sau khi phát hiện, chính các ống này có thể được dùng để bơm các loại vữa có độ nhớt thấp, thường là vữa hoạt hóa nước, vào trong các khoang. Việc bơm vữa chỉ giới hạn trong các khoang bị rò rỉ; sau khi được xử lý, nó tạo ra một lớp chống thấm thứ cấp dưới dạng màng đóng vai trò như lớp chống thấm khắc phục.

9.3.4.1 Tiêu chí độ nhẵn

Để tạo bề mặt phù hợp cho việc lắp đặt hệ thống chống thấm, tất cả các bề mặt shotcrete nơi màng sẽ được đặt lên phải đáp ứng một số tiêu chí về độ nhẵn. Các tiêu chí này được biểu thị bằng độ gợn sóng của bề mặt shotcrete nơi hệ thống chống thấm sẽ được lắp đặt. Độ gợn sóng được đo bằng một thước thẳng đặt trên bề mặt theo phương dọc hầm. Tỷ số chiều sâu lớn nhất so với bước sóng nhìn chung phải là 1:5 hoặc nhẵn hơn. Bề mặt phải được kiểm tra trước khi lắp đặt hệ thống chống thấm, và tất cả các phần nhô ra phải được loại bỏ hoặc phủ bằng một lớp shotcrete trơn bổ sung đáp ứng các tiêu chí về độ nhẵn. Hồ sơ thiết kế SEM sẽ nêu các tiêu chí độ nhẵn yêu cầu và liên hệ các tiêu chí đó với hệ thống chống thấm sẽ sử dụng.

9.3.5 Vỏ hầm hoàn thiện

Vỏ hầm vĩnh cửu hoàn thiện của hầm SEM có thể gồm bê tông đổ tại chỗ hoặc shotcrete. Bê tông đổ tại chỗ có thể không cốt thép hoặc có cốt thép. Shotcrete thường được gia cường bằng sợi. Chương 10 trình bày các thảo luận chung về vỏ hầm vĩnh cửu. Phần sau đề cập đến các xem xét về thiết kế và thi công dành riêng cho ứng dụng SEM.

9.3.5.1 Vỏ hầm hoàn thiện bằng bê tông đổ tại chỗ

Vỏ hầm hoàn thiện truyền thống gồm bê tông đổ tại chỗ, với chiều dày thường là 12 inch đối với hầm đường bộ hai làn. Mặc dù lớp vỏ nói chung có thể không cốt thép, các xem xét thiết kế kết cấu và tiêu chí thiết kế của dự án sẽ quyết định nhu cầu và lượng cốt thép. Các hầm Lehigh (Pennsylvania) và Cumberland Gap (Kentucky/Tennessee) là những hầm đường bộ đầu tiên được xây dựng tại Hoa Kỳ vào cuối thập niên 80 và đầu thập niên 90 bằng phương pháp thi công SEM. Cả hai đều có vỏ hầm hoàn thiện bằng bê tông đổ tại chỗ không cốt thép, dày 12 inch. Hệ chống thấm dùng màng mềm dẻo đặc biệt có lợi trong các ứng dụng vỏ hầm bê tông đổ tại chỗ không cốt thép, vì nó đóng vai trò như một lớp tách dính giữa lớp vỏ ban đầu và vỏ hầm hoàn thiện, nhờ đó giảm nứt do co ngót trong vỏ hầm hoàn thiện.

Để bảo đảm sự tiếp xúc giữa lớp vỏ ban đầu và vỏ hầm hoàn thiện, công tác bơm vữa tiếp xúc được thực hiện ngay khi vỏ hầm hoàn thiện đạt cường độ thiết kế 28 ngày. Nhờ công tác bơm vữa này, sự tiếp xúc được thiết lập giữa lớp vỏ ban đầu và hệ chống đỡ hầm hoàn thiện. Bất kỳ sự suy giảm hay yếu đi nào của hệ chống đỡ ban đầu đều sẽ làm tăng tải trọng lên hệ chống đỡ hoàn thiện, do phần tải trọng tăng thêm không còn được lớp vỏ ban đầu chịu. Các tải trọng có thể được truyền trực tiếp theo phương hướng tâm nhờ tiếp xúc trực tiếp giữa lớp vỏ ban đầu và vỏ hầm hoàn thiện.

Các vỏ hầm bê tông đổ tại chỗ hoàn thiện, tức vòm bê tông đặt trên móng tường bên, thường được thi công theo các đoạn đổ bê tông có chiều dài không vượt quá 30 feet (10 mét). Giới hạn này quan trọng để hạn chế nứt bề mặt nói chung, và trở thành yêu cầu bắt buộc nếu sử dụng vỏ hầm bê tông không cốt thép. Một đoạn dài 30 feet (10 mét) trong hầm đường bộ hai làn điển hình cũng hợp lý xét về lắp dựng ván khuôn, trình tự thi công và thời gian đổ bê tông.

Các đợt đổ bê tông liền kề có các mạch ngừng thi công, đồng thời là các khe tách thực sự của vỏ hầm, được thiết kế như khe co. Mặt trong tại vị trí khe phải được bố trí với dạng khe hình thang. Không nên bố trí cốt thép liên tục qua các mạch ngừng thi công, để cho phép chuyển vị tương đối giữa chúng, đặc biệt đối với các ảnh hưởng biến dạng do nhiệt.

9.3.5.2 Vỏ hầm hoàn thiện bằng bê tông chống thấm

Việc sử dụng vỏ hầm bê tông đổ tại chỗ chống thấm nước như một giải pháp thay thế cho màng chống thấm nhìn chung không được xem xét do yêu cầu rất cao về chất lượng thi công và do chịu tác động của điều kiện đóng băng – tan băng trong khí hậu lạnh. Cần có các biện pháp phức tạp để ngăn ngừa nứt. Đồng thời cần bố trí chi tiết các mạch thi công cũng như thiết kế cấp phối bê tông phức tạp để hạn chế nhiệt thủy hóa quá mức. Công tác bảo dưỡng cũng đòi hỏi các quy trình nghiêm ngặt. Nhìn chung, các yếu tố này khiến bê tông chống thấm không thực sự phù hợp đối với hầm đường bộ. Nếu lựa chọn giải pháp này, các khía cạnh thi công phải được quy định chi tiết trong các chỉ dẫn kỹ thuật và quy trình thi công, đồng thời phải được tuân thủ nghiêm ngặt.

9.3.5.3 Vỏ hầm hoàn thiện bằng bê tông phun (shotcrete)

Shotcrete là một giải pháp thay thế tương đương với vỏ hầm bê tông đổ tại chỗ về mặt kết cấu và chất lượng. Khi shotcrete được sử dụng làm vỏ hầm hoàn thiện trong các ứng dụng vỏ hầm kép, nó sẽ được phun lên màng chống thấm. Chiều dày lớp vỏ thường là 12 inch (300 mm) hoặc lớn hơn, và việc thi công phải được thực hiện theo từng lớp, có thời gian chờ giữa các lớp để shotcrete ninh kết và đông cứng. Hình thức bề mặt của lớp vỏ có thể được điều chỉnh theo mục tiêu mong muốn của dự án. Bề mặt có thể để thô, hoàn thiện kiểu phun, nhưng cũng có thể đạt chất lượng tương đương bề mặt bê tông đổ tại chỗ nếu được quy định. Shotcrete làm vỏ hầm hoàn thiện thường được sử dụng khi gặp các điều kiện sau:

• Hầm có chiều dài tương đối ngắn và mặt cắt ngang tương đối lớn, do đó việc đầu tư ván khuôn là không hợp lý; tức là các hầm dài dưới 100–250 m (300–800 feet) và có đường kính tại springline lớn hơn khoảng 8–12 m (25–40 feet).
• Việc tiếp cận khó khăn, và trình tự lắp dựng ván khuôn cũng như cấp bê tông gặp nhiều trở ngại.
• Hình học hầm phức tạp và sẽ cần ván khuôn tùy chỉnh. Các giao cắt hầm, cũng như các đoạn rẽ nhánh, thuộc trường hợp này. Các đoạn rẽ nhánh thường đi kèm với các đoạn mở rộng hầm; nếu không dùng shotcrete, chúng sẽ phải được thi công dưới dạng cấu hình vỏ hầm giật cấp và làm tăng chi phí vật liệu đào.

Hình 9-6 thể hiện một mặt cắt vỏ hầm hoàn thiện bằng shotcrete điển hình, gồm hệ thống chống thấm, lưới thép hàn (WWF), dầm giàn, các ống bơm vữa để bơm vữa tiếp xúc và lớp shotcrete hoàn thiện có bổ sung sợi PP.

Người đọc được tham khảo Chương 10 để xem thảo luận chi tiết về việc sử dụng shotcrete làm vỏ hầm hoàn thiện.

9.3.5.4 Vỏ hầm thi công một lần

Trong các trường hợp đặc biệt, chỉ riêng lớp vỏ shotcrete ban đầu hoặc có bổ sung thêm một lớp shotcrete được thiết kế để chịu tải dài hạn, có thể được sử dụng làm một lớp vỏ chống đỡ duy nhất trong dài hạn. Mặc dù được gọi là “single pass”, lớp vỏ shotcrete hoàn thiện này có thể được thi công trong nhiều chu kỳ phun shotcrete. Việc sử dụng vỏ hầm thi công một lần nhìn chung sẽ bị giới hạn trong các điều kiện mà dòng nước ngầm chảy vào không phải là vấn đề đáng lo ngại và sự suy giảm chất lượng của sản phẩm shotcrete trong suốt tuổi thọ vỏ hầm có thể được loại trừ hoặc chấp nhận một phần. Trong các ứng dụng nhiều lớp, bề mặt shotcrete nơi các lớp bổ sung sẽ được phun lên phải đủ sạch và không có bất kỳ lớp nào có thể gây tách dính trong dài hạn (Kupfer và nnk., 1990; Hahn, 1999). Cần yêu cầu các mạch thi công được cấu tạo đặc biệt chi tiết và shotcrete chất lượng cao để bảo đảm kín nước và tính toàn vẹn lâu dài.

9.4 PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ VÀ CÁC CẤP ĐÀO, CHỐNG ĐỠ THEO PHƯƠNG PHÁP SEM

9.4.1 Các hệ thống phân loại khối đá

Một loạt các hệ thống phân loại khối đá định tính và định lượng đã được phát triển qua nhiều năm và được áp dụng trong các dự án hầm trên toàn thế giới. Mục 6.3 cung cấp tổng quan về các hệ thống phân loại khối đá thường được sử dụng nhất, bao gồm phân loại định tính của Terzaghi (Bảng 6-1), và các hệ thống định lượng như hệ Q và hệ đánh giá khối đá (RMR).

Các hệ thống phân loại khối đá hỗ trợ việc đánh giá ứng xử của đất đá và cuối cùng dẫn đến việc xác định các biện pháp chống đỡ cần thiết để ổn định khoang đào hầm. Mặc dù các hệ thống phân loại định lượng nêu trên đưa ra một hệ thống đánh giá bằng số, từ đó đưa ra các khuyến nghị về yêu cầu chống đỡ hầm (Mục 6.5), nhưng các hệ thống này không thể thay thế việc thiết kế kỹ lưỡng hệ thống đào và chống đỡ bởi các kỹ sư hầm giàu kinh nghiệm.

9.4.2 Các hệ thống chống đỡ đất đá

Trong những năm đầu sử dụng NATM (SEM) tại Áo, Thụy Sĩ và Đức, các tiêu chuẩn và quy phạm đã dùng các hạng mục mô tả, tức định tính, để xác định các cấp chống đỡ đất đá. Các tiêu chuẩn, quy phạm và hướng dẫn hiện nay được áp dụng tại Áo và Đức sử dụng cách tiếp cận theo quá trình (OGG, 2007). Cách tiếp cận này xác định quá trình sử dụng các tham số liên quan từ công tác khảo sát đất đá để xây dựng phân loại phản ứng của đất đá, sau đó đánh giá nhu cầu chống đỡ hầm. Điều này tạo ra cơ sở khách quan hơn cho tất cả các bên liên quan, đồng thời giúp những người không tham gia quá trình thiết kế hiểu được cơ sở lập luận. Nó cũng cung cấp một nền tảng chung để nhà thầu, chủ đầu tư và kỹ sư thương thảo các thách thức cụ thể của dự án tại hiện trường trong quá trình thi công thực tế.

Điểm chung của tất cả các hệ thống phân loại là chúng phải dựa trên công tác khảo sát và quan sát đất đá kỹ lưỡng. Quá trình từ khảo sát đất đá đến xác định cuối cùng hệ thống chống đỡ đất đá có thể được tóm tắt trong ba mô hình:

• Mô hình địa chất
• Mô hình địa kỹ thuật
• Mô hình chống đỡ hầm

9.4.2.1 Mô hình địa chất

Việc nghiên cứu tại bàn các thông tin địa chất sẵn có cho khu vực dự án là điểm khởi đầu của chương trình khảo sát đất đá. Tài liệu, bản đồ và báo cáo, ví dụ từ Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, là cơ sở cho nghiên cứu tại bàn. Sau đó, phối hợp với các kết quả lập bản đồ hiện trường ban đầu, chương trình khảo sát đất đá được xây dựng và thực hiện. Thông tin địa chất từ khảo sát đất đá, lập bản đồ hiện trường và nghiên cứu tại bàn được tổng hợp trong mô hình địa chất.

9.4.2.2 Mô hình địa kỹ thuật

Với dữ liệu từ mô hình địa chất, kết hợp với kết quả thí nghiệm từ chương trình khảo sát đất đá và thí nghiệm trong phòng, phản ứng của đất đá đối với việc đào hầm được đánh giá. Đánh giá này xét đến phương pháp đào, kích thước và hình dạng hầm, cũng như các tham số khác như chiều cao đất phủ, các vấn đề môi trường và điều kiện nước ngầm. Mô hình địa kỹ thuật hỗ trợ xác định các vùng có phản ứng đất đá tương tự đối với việc đào hầm dọc theo tuyến, và các Cấp phản ứng đất đá (GRC) được xác định. Các GRC này là cơ sở cho điều kiện đất đá dự kiến. Thông thường, phản ứng của đất đá đối với khoang đào hầm không chống đỡ được phân tích để đánh giá yêu cầu chống đỡ nhằm ổn định khoang đào (OGG, 2007).

9.4.2.3 Mô hình chống đỡ hầm

Sau khi đánh giá nhu cầu chống đỡ đất đá, trình tự đào và chống đỡ, việc chia thành nhiều đợt đào, cũng như các biện pháp chống đỡ được xác định. Những nội dung này được kết hợp thành các Cấp đào và chống đỡ (ESC), làm cơ sở để nhà thầu lập giá dự thầu và tiến độ, cũng như thực hiện công tác hầm SEM.

9.4.3 Cấp đào và chống đỡ (ESC) và chống đỡ ban đầu

Các Cấp đào và chống đỡ (ESC) bao gồm các quy định rõ ràng về chiều dài chu kỳ đào, việc chia thành nhiều drift, chống đỡ ban đầu và các biện pháp chống đỡ trước cần được lắp đặt, cũng như trình tự đào và lắp đặt chống đỡ. Chúng cũng xác định các biện pháp chống đỡ ban đầu bổ sung hoặc chống đỡ cục bộ hay chống đỡ trước để tăng cường cho ESC, nhằm xử lý các điều kiện đất đá cục bộ có thể cần chống đỡ bổ sung.

Trong đào hầm SEM, chống đỡ ban đầu được lắp đặt từ sớm. Trong đất mềm và đá yếu, nó được thực hiện ngay sau khi đào một chu kỳ và được lắp đặt trước khi tiếp tục đào chu kỳ tiếp theo trong trình tự. Trong đào hầm trong đá cứng, chống đỡ ban đầu được lắp đặt gần gương đào. Mục đích là cung cấp chống đỡ kết cấu cho khoang đào mới hình thành và bảo đảm điều kiện đào hầm an toàn. Bố trí chống đỡ ban đầu được quyết định bởi các nguyên lý kỹ thuật, cân nhắc kinh tế và nhu cầu quản lý rủi ro.

Số lượng và thiết kế chống đỡ ban đầu trong lịch sử chủ yếu xuất phát từ mong muốn huy động mức độ tự chống đỡ cao của đất đá, qua đó đạt hiệu quả kinh tế. Điều này có thể thực hiện được ở giai đoạn đầu của các ứng dụng SEM trong điều kiện “green field”, nơi kiểm soát biến dạng chỉ có tầm quan trọng thứ yếu và có thể chấp nhận được miễn là đạt trạng thái cân bằng. Tuy nhiên, ngày nay, các cân nhắc về an toàn, quản lý rủi ro, tính thận trọng và tuổi thọ thiết kế, cùng với nhu cầu giảm thiểu lún trong môi trường đô thị, đã bổ sung các thực tế thi công và cuối cùng quyết định cách bố trí chống đỡ ban đầu.

Chống đỡ ban đầu được thực hiện bằng cách phun một lớp shotcrete để tạo sự liên kết chống đỡ với đất đá. Shotcrete thường được gia cường bằng sợi thép hoặc lưới thép hàn. Sợi nhựa chỉ thỉnh thoảng được sử dụng để gia cường. Khi yêu cầu chống đỡ của đất đá cao hơn và chiều dày shotcrete thường từ 6 inch trở lên, các dầm giàn được chôn trong shotcrete. Đôi khi, nếu có nhu cầu chống đỡ đặc biệt, các bộ chống thép cán được sử dụng thay cho dầm giàn hoặc kết hợp với dầm giàn. Chống đỡ ban đầu cũng bao gồm tất cả các biện pháp gia cường đá trong đào hầm qua đá. Các loại gia cường đá được trình bày trong Mục 9.7.1.

Hình 9-7 và Hình 9-8 lần lượt thể hiện một mặt cắt ngang và mặt cắt dọc ESC nguyên mẫu. Hình 9-7 thể hiện mặt cắt không có đáy vòm ngược khép kín ở bên trái và vòng kết cấu khép kín ở bên phải. Khép kín đáy vòm ngược thường cần thiết trong điều kiện đá yếu và đất đá ép. Hình 9-7 bao gồm các thành phần của chống đỡ ban đầu điển hình, gồm rock bolts/dowels, lớp vỏ shotcrete ban đầu và chống đỡ trước cho hầm. Cách bố trí rock bolts/dowels là điển hình và thay đổi tùy theo đào và chống đỡ. Bảng trong Hình 9-8 cung cấp chi tiết các biện pháp chống đỡ ban đầu cho Cấp ESC IV nguyên mẫu. Theo nghĩa đó, SEM là một phương pháp có tính quy định, xác định rõ ràng và chi tiết các biện pháp đào hầm và chống đỡ ban đầu.

9.4.4 Trắc dọc hầm và phân bố các Cấp Đào và Chống đỡ (ESC)

Các tài liệu hợp đồng SEM bao gồm toàn bộ các Cấp Đào và Chống đỡ (ESC) được phân bổ dọc theo tuyến hầm, phù hợp với các Cấp Phản ứng của Nền (Ground Response Classes – GRC), và được sử dụng làm cơ sở để ước tính khối lượng.

Một trắc dọc tổng hợp theo tuyến hầm thể hiện các điều kiện địa chất dự kiến, các GRC kèm theo mô tả liên quan về phản ứng của nền dự kiến, điều kiện thủy văn và sự phân bố của các ESC. Hình 9-9 minh họa một trắc dọc điển hình có chồng lớp các GRC và các ESC tương ứng, từ đó tạo thành cơ sở (baseline) cho các tài liệu hợp đồng.

“Các dữ liệu địa chất, các Cấp phản ứng của đất đá (Ground Response Classes – GRCs), các Cấp đào và chống đỡ (Excavation and Support Classes – ESCs), hồ sơ địa chất dọc tuyến hầm (Longitudinal Tunnel Profile), cũng như các giả định và phương pháp thiết kế phải được mô tả và trình bày trong các báo cáo, và các báo cáo này trở thành một phần của tài liệu hợp đồng. Khi xác định phạm vi và chiều dài tương ứng của các GRC và ESC, cần hiểu rằng đây là các dự báo và có thể khác với thực tế tại công trường. Do đó, tài liệu hợp đồng thiết lập các phạm vi này làm cơ sở, đồng thời yêu cầu theo dõi phản ứng của đất đá tại hiện trường và điều chỉnh khi cần thiết theo các điều kiện thực tế gặp phải. Các điều kiện thực tế phải được lập bản đồ/ghi chép chính xác tại hiện trường để cho phép so sánh với các giả định cơ sở được thể hiện trong các GRC. Vì mục đích đó, các biểu mẫu tiêu chuẩn đã được xây dựng như mô tả cho công tác lập bản đồ hầm đá thi công bằng phương pháp SEM điển hình trong Mục 9.9.”

9.4.5 Đào hầm, chống đỡ và các biện pháp tiền chống đỡ

Bảng 9-1 và Bảng 9-2 minh họa việc sử dụng các biện pháp chống đỡ ban đầu phổ biến nhất, cùng với trình tự đào và lắp đặt hệ chống đỡ thường được áp dụng cho hầm đường bộ thi công theo phương pháp SEM, tùy thuộc vào loại nền đất đá chủ yếu gặp phải, tương ứng là đá và đất mềm. Các bảng này trình bày các khái niệm cơ bản để xác định các Cấp đào và chống đỡ (Excavation and Support Classes – ESCs) cho các điều kiện nền đất điển hình được mô tả. Các biện pháp chống đỡ và tiền chống đỡ được đề cập trong các bảng sẽ được trình bày chi tiết hơn trong Mục 9.7 “Các phần tử chống đỡ nền đất đá”.

Bảng 9-1 được xây dựng dựa trên hệ thống phân loại khối đá của Terzaghi. Theo hệ phân loại này, có thể phân biệt các chất lượng khối đá sau:

• Đá nguyên khối (Intact Rock)
• Đá phân lớp (Stratified Rock)
• Đá có khe nứt mức độ trung bình (Moderately Jointed Rock)
• Đá dạng khối và nhiều khe mạch (Blocky and Seamy Rock)
• Đá nghiền vụn nhưng chưa bị phong hóa hóa học (Crushed, but Chemically Intact Rock)
• Đá chịu ép biến dạng (Squeezing Rock)
• Đá trương nở (Swelling Rock)

Cột có tiêu đề “Trình tự đào” (Excavation Sequence) trong Bảng 9-1 liệt kê các trình tự đào điển hình được sử dụng cho hầm đường bộ trong các điều kiện nền đất đá đã mô tả. Việc chia nhỏ thêm gương đào thành nhiều hầm dẫn (drift) nhằm phục vụ tổ chức thi công hoặc để xử lý các điều kiện nền đất đặc biệt phức tạp không được đề cập trong nội dung này. Bảng 9-2 mô tả trực tiếp các đặc trưng đất điển hình trong cột 1.

Bảng 9-1. Các thành phần của các Cấp Đào và Chống đỡ (ESC) thường dùng trong đá

Chất lượng khối đá	Trình tự đào	Gia cố đá	Lớp bê tông phun ban đầu	Vị trí lắp đặt	Chống đỡ trước	Lắp đặt chống đỡ ảnh hưởng đến tiến độ	Ghi chú
Đá nguyên khối	Đào toàn mặt hoặc phần đào trên lớn và bench	Neo cục bộ (chốt bơm grout toàn chiều dài, Swellex®)	Các mảng bê tông phun để trám kín bề mặt tại các khu vực nứt nẻ cục bộ	Thường sau gương đào vài bước đào, hoặc ngay gần gương đào để cố định các khối/tấm/nêm đá riêng lẻ	Không	Không
Đá phân lớp	Phần đào trên và bench	Chốt hoặc neo có hệ thống ở vòm hầm, có xét đến hướng phân lớp (chốt bơm grout toàn chiều dài, Swellex®, neo đá)	Lớp vỏ mỏng, thường 4 in (100 mm), có gia cường sợi để liên kết giữa các phần gia cố đá ở phần đào trên; hoặc lưới thép mắt xích; lắp đặt cùng với gia cố đá	Sau gương đào 2 đến 3 bước đào	Không	Không hoặc có thể có
Đá có khe nứt vừa	Phần đào trên và bench	Chốt hoặc neo có hệ thống ở phần đào trên, có xét đến khoảng cách khe nứt (chốt bơm grout toàn chiều dài, Swellex®, neo đá)	Lớp vỏ có hệ thống, gia cường bằng lưới thép hàn hoặc sợi, ở phần đào trên và có thể cả bench; tùy kích thước hầm, chiều dày 6 in (150 mm) đến 8 in (200 mm); lắp đặt cùng với gia cố đá	Sau gương đào 1 đến 2 bước đào	Cục bộ để hạn chế overbreak	Có
Đá khối và có khe	Phần đào trên và bench	Chốt hoặc neo có hệ thống ở phần đào trên và bench, có xét đến khoảng cách khe nứt	Lớp vỏ có hệ thống, gia cường bằng lưới thép hàn hoặc sợi, ở phần đào trên và bench; tùy kích thước hầm, chiều dày 8 in (200 mm) đến 12 in (300 mm)	Tại gương đào hoặc tối đa sau gương đào một bước đào	Spiling có hệ thống trong vòm hầm hoặc một phần vòm hầm	Có
Đá bị nghiền nát nhưng còn nguyên về mặt hóa học	Phần đào trên, bench, invert	Không áp dụng	Lớp vỏ có hệ thống, gia cường bằng lưới thép hàn hoặc sợi, và đóng vòng tại invert; tùy kích thước hầm, chiều dày 12 in (300 mm) trở lên; để ổn định ban đầu và ngăn khô nứt, có thể cần một lớp flashcrete	Sau mỗi bước đào	Spiling bằng ống bơm grout có hệ thống hoặc pipe arch canopy	Việc lắp đặt chống đỡ quyết định tiến độ	Nếu có nước, cần hạ thấp mực nước ngầm hoặc cải thiện nền
Đá bị ép dẻo	Phần đào trên, bench, invert	Chốt hoặc neo có hệ thống ở phần đào trên và bench, có xét đến khoảng cách khe nứt; chiều dài tăng cường	Lớp vỏ có hệ thống, gia cường bằng lưới thép hàn hoặc sợi, và đóng vòng tại invert; tùy kích thước hầm, chiều dày 12 in (300 mm) trở lên; có thể sử dụng các phần tử chịu biến dạng; để ổn định ban đầu và ngăn khô nứt, có thể cần một lớp flashcrete	Sau mỗi bước đào	Spiling bằng ống bơm grout có hệ thống hoặc pipe arch canopy	Việc lắp đặt chống đỡ quyết định tiến độ
Đá trương nở	Phần đào trên, bench, invert	Chốt hoặc neo có hệ thống ở phần đào trên và bench, có xét đến khoảng cách khe nứt; chiều dài tăng cường	Lớp vỏ có hệ thống, gia cường bằng lưới thép hàn hoặc sợi, và đóng vòng tại invert; tùy kích thước hầm, chiều dày 12 in (300 mm) trở lên; có thể sử dụng các phần tử chịu biến dạng	Sau mỗi bước đào	Có thể cần spiling bằng ống bơm grout có hệ thống hoặc pipe arch canopy, tùy mức độ nứt nẻ	Việc lắp đặt chống đỡ quyết định tiến độ	Invert sâu để tăng độ cong

\(\\\)

Bảng 9-2. Các thành phần của các Cấp Đào và Chống đỡ (ESC) thường dùng trong nền đất mềm

Chất lượng khối đất	Trình tự đào	Lớp bê tông phun ban đầu	Vị trí lắp đặt	Chống đỡ trước	Lắp đặt chống đỡ	Ghi chú
Đất dính cứng/rất cứng – trên mực nước ngầm	Phần đào trên, bench và invert; tùy kích thước hầm, có thể cần chia nhỏ thêm thành các drift	Lớp vỏ bê tông phun có gia cường hệ thống bằng lưới thép hàn hoặc sợi, đóng vòng toàn bộ tại invert; tùy kích thước hầm, chiều dày thường 6 in (150 mm) đến 16 in (400 mm); để ổn định ban đầu và ngăn khô nứt, có thể cần một lớp flashcrete	Lắp đặt chống đỡ bê tông phun ngay sau mỗi bước đào. Cần đóng vòng chống đỡ sớm. Đóng vòng tạm thời, ví dụ invert tạm của phần đào trên, hoặc đóng vòng cuối cùng phải được lắp đặt trong phạm vi nhỏ hơn một đường kính hầm phía sau gương đào	Thường không cần; cục bộ có thể dùng pre-spiling để hạn chế overbreak	Việc lắp đặt chống đỡ quyết định tiến độ	Thời gian tự ổn định nhìn chung đủ để lắp đặt chống đỡ mà không cần chống đỡ trước hoặc cải thiện nền
Đất dính cứng/rất cứng – dưới mực nước ngầm	Phần đào trên, bench và invert; tùy cường độ nền, cần các drift nhỏ hơn so với trường hợp trên	Lớp vỏ bê tông phun có gia cường hệ thống bằng lưới thép hàn hoặc sợi, đóng vòng toàn bộ tại invert; tùy kích thước hầm, chiều dày thường 6 in (150 mm) đến 16 in (400 mm); để ổn định ban đầu và ngăn khô nứt, có thể cần một lớp flashcrete; thường cần invert có độ cong lớn hơn trường hợp trên	Lắp đặt chống đỡ bê tông phun ngay sau mỗi bước đào. Cần đóng vòng chống đỡ sớm. Đóng vòng tạm thời, ví dụ invert tạm của phần đào trên, hoặc đóng vòng cuối cùng phải được lắp đặt trong phạm vi nhỏ hơn một đường kính hầm phía sau gương đào; thường cần đóng vòng sớm hơn trường hợp trên	Thường không cần; cục bộ có thể dùng pre-spiling để hạn chế overbreak	Việc lắp đặt chống đỡ quyết định tiến độ	Thời gian tự ổn định đủ để lắp đặt chống đỡ mà không cần chống đỡ trước hoặc cải thiện nền; tùy mức độ bão hòa nước, có thể xảy ra trương nở hoặc ép dẻo
Đất rời kết tốt – trên mực nước ngầm	Phần đào trên, bench và invert; tùy kích thước hầm, có thể cần chia nhỏ thêm thành các drift	Lớp vỏ bê tông phun có gia cường hệ thống bằng lưới thép hàn hoặc sợi, đóng vòng toàn bộ tại invert; tùy kích thước hầm, chiều dày thường 6 in (150 mm) đến 16 in (400 mm); để ổn định ban đầu và ngăn khô nứt, cần một lớp flashcrete	Lắp đặt chống đỡ bê tông phun ngay sau mỗi bước đào. Cần đóng vòng chống đỡ sớm. Đóng vòng tạm thời, ví dụ invert tạm của phần đào trên, hoặc đóng vòng cuối cùng phải được lắp đặt trong phạm vi nhỏ hơn một đường kính hầm phía sau gương đào	Thường cần chống đỡ trước có hệ thống bằng spiling ống bơm grout hoặc pipe arch canopy bơm grout; hoặc cải thiện nền	Việc lắp đặt chống đỡ quyết định tiến độ	Thời gian tự ổn định không đủ để lắp đặt chống đỡ an toàn nếu không có chống đỡ trước hoặc cải thiện nền
Đất rời kết tốt – dưới mực nước ngầm	Phần đào trên, bench và invert; tùy kích thước hầm, có thể cần chia nhỏ thêm thành các drift; có thể cần đào theo ô nhỏ và/hoặc nêm ổn định gương đào	Lớp vỏ bê tông phun có gia cường hệ thống bằng lưới thép hàn hoặc sợi, đóng vòng toàn bộ tại invert; tùy kích thước hầm, chiều dày thường 6 in (150 mm) đến 16 in (400 mm); để ổn định ban đầu và ngăn khô nứt, cần một lớp flashcrete	Lắp đặt chống đỡ bê tông phun ngay sau mỗi bước đào. Cần đóng vòng chống đỡ sớm. Đóng vòng tạm thời, ví dụ invert tạm của phần đào trên, hoặc đóng vòng cuối cùng phải được lắp đặt trong phạm vi nhỏ hơn một đường kính hầm phía sau gương đào	Thường cần chống đỡ trước có hệ thống bằng spiling ống bơm grout hoặc pipe arch canopy bơm grout; hạ thấp mực nước ngầm hoặc cải thiện nền	Việc lắp đặt chống đỡ quyết định tiến độ	Thời gian tự ổn định không đủ để lắp đặt chống đỡ an toàn nếu không có chống đỡ trước hoặc cải thiện nền; có thể xảy ra chảy đất hoặc sôi đất
Đất rời rạc – trên mực nước ngầm	Phần đào trên, bench và invert; tùy kích thước hầm, có thể cần chia nhỏ thêm thành các drift; có thể cần đào theo ô nhỏ và/hoặc nêm ổn định gương đào	Lớp vỏ bê tông phun có gia cường hệ thống bằng lưới thép hàn hoặc sợi, đóng vòng toàn bộ tại invert; tùy kích thước hầm, chiều dày thường 6 in (150 mm) đến 16 in (400 mm); để ổn định ban đầu và ngăn khô nứt, cần một lớp flashcrete	Lắp đặt chống đỡ bê tông phun ngay sau mỗi bước đào. Cần đóng vòng chống đỡ sớm. Đóng vòng tạm thời, ví dụ invert tạm của phần đào trên, hoặc đóng vòng cuối cùng phải được lắp đặt trong phạm vi nhỏ hơn một đường kính hầm phía sau gương đào	Cần chống đỡ trước có hệ thống bằng pipe arch canopy bơm grout; hoặc cải thiện nền	Việc lắp đặt chống đỡ quyết định tiến độ	Thời gian tự ổn định không đủ để lắp đặt chống đỡ an toàn nếu không có chống đỡ trước và/hoặc cải thiện nền
Đất rời rạc – dưới mực nước ngầm	Phần đào trên, bench và invert; tùy kích thước hầm, có thể cần chia nhỏ thêm thành các drift; có thể cần đào theo ô nhỏ và/hoặc nêm ổn định gương đào	Lớp vỏ bê tông phun có gia cường hệ thống bằng lưới thép hàn hoặc sợi, đóng vòng toàn bộ tại invert; tùy kích thước hầm, chiều dày thường 6 in (150 mm) đến 16 in (400 mm); để ổn định ban đầu và ngăn khô nứt, cần một lớp flashcrete	Lắp đặt chống đỡ bê tông phun ngay sau mỗi bước đào. Cần đóng vòng chống đỡ sớm. Đóng vòng tạm thời, ví dụ invert tạm của phần đào trên, hoặc đóng vòng cuối cùng phải được lắp đặt trong phạm vi nhỏ hơn một đường kính hầm phía sau gương đào	Cần chống đỡ trước có hệ thống bằng pipe arch canopy bơm grout, thường kết hợp với cải thiện nền	Việc lắp đặt chống đỡ quyết định tiến độ	Thời gian tự ổn định không đủ để lắp đặt chống đỡ an toàn nếu không có chống đỡ trước hoặc cải thiện nền; có thể xảy ra chảy đất hoặc sôi đất

\(\\\)

9.4.6 Ví dụ về trình tự đào và các cấp chống đỡ theo SEM

Trong khi Mục 9.5.3 đã giới thiệu các cấp đào và chống đỡ trong bối cảnh nguyên mẫu, các bảng sau đây trình bày ví dụ về cách các cấp đào và chống đỡ được áp dụng trong một số dự án chọn lọc, dựa trên phân loại nền. Các ví dụ được chia thành hai nhóm chính: đá và nền đất mềm, lần lượt được trình bày trong Bảng 9-3 và Bảng 9-4.

Ba ví dụ trong Bảng 9-3 trình bày các công trình hầm trong ba loại khối đá đặc trưng khác nhau, từ đá nguyên khối đến đá nứt nẻ. Các ví dụ có một điểm chung là gia cố đá được dùng như một thành phần của chống đỡ ban đầu, trong khi bê tông phun có hệ thống được dùng trong đá phân lớp và đá nứt nẻ. Mặt cắt ngang hầm thường có hình móng ngựa và không bố trí invert kết cấu.

Đối với hầm Bergen ở New Jersey, khi đào trong đá nguyên khối, phương pháp khoan nổ được sử dụng với chiều dài bước đào lên đến 12 ft (3.7 m). Chống đỡ ban đầu gồm neo cục bộ để giữ các khối và tấm đá rời. Bê tông phun không được sử dụng có hệ thống làm lớp lót ban đầu, mà chỉ dùng để trám kín cục bộ bề mặt đá và làm nhẵn bề mặt trước khi lắp đặt hệ chống thấm. Chống đỡ thường được lắp đặt khi điều kiện hiện trường yêu cầu.

Công trình hầm Zederhaus tại Áo, trong đá phân lớp, yêu cầu chốt đá có hệ thống và lớp bê tông phun ban đầu. Đào được thực hiện bằng phương pháp khoan nổ với chiều dài bước đào thường khoảng 6 ft 6 in (2 m). Lớp bê tông phun ban đầu được lắp đặt sau mỗi bước đào, trong khi việc lắp đặt chốt đá chậm hơn so với bước đào, khoảng 1 đến 2 bước phía sau gương đào. Đào bench được thực hiện cách phần đào trên một khoảng phù hợp với tổ chức thi công hầm.

Khi đào qua đá nứt nẻ tại dự án hầm Devil’s Slide ở California, sau mỗi bước đào, một hệ thống chốt đá dày đặc và lớp bê tông phun ban đầu được lắp đặt. Phương pháp khoan nổ và roadheader được sử dụng để đào tùy theo chất lượng nền. Chiều dài bước đào tối đa ở phần đào trên được giới hạn ở 7 ft 2 in (2.2 m), trong khi chiều dài bước đào bench được giới hạn bằng hai lần chiều dài phần đào trên. Không có giới hạn về khoảng cách giữa thi công phần đào trên và bench.

Ba ví dụ trong Bảng 9-4 được lấy từ các dự án đào hầm trong nền đất mềm điển hình, nơi các kích thước hầm khác nhau được thi công ở các độ phủ khác nhau.

Ba ví dụ này cho thấy hình học hầm điển hình dạng bo tròn, với lớp bê tông phun ban đầu có hệ thống được đóng kín tại invert cong. Chống đỡ được lắp đặt sau mỗi bước đào và trước khi bắt đầu bước đào tiếp theo trong trình tự.

Độ phủ nông, tối đa khoảng 16 ft (5 m), kết hợp với điều kiện nền đất mềm, đòi hỏi phải lắp đặt có hệ thống hệ chống đỡ trước bằng vòm ống thép bơm grout trên toàn bộ chiều dài hầm Fort Canning ở Singapore. Mặt cắt ngang hầm được chia thành phần đào trên, bench và invert, với invert bằng bê tông phun đóng kín. Để cho phép phần đào trên tiến xa hơn trước khi đóng invert cuối cùng, một invert tạm bằng bê tông phun được bố trí ở phần đào trên. Đào được thực hiện theo các bước đào có chiều dài giới hạn 3 ft 4 in (1 m) ở phần đào trên và 6 ft 8 in (2 m) ở bench và invert.

Bảng 9-3. Ví dụ về các Cấp Đào và Chống đỡ (ESC) theo SEM trong đá

\(\\\)

Bảng 9-4 Ví dụ về các cấp đào và chống đỡ theo phương pháp SEM trong nền đất yếu

Các hầm xây dựng cho ga tàu điện ngầm London Bridge, London, Anh, nằm ở độ sâu khoảng 80 ft (25 m) dưới mặt đất, được đào trong đất sét quá cố kết bằng máy đào và road header với chiều dài một chu kỳ đào tối đa lần lượt là 3 ft 4 in (1 m) và 6 ft 8 in (2 m) cho top heading và bench/invert. Trong khi các hầm chạy tàu nhỏ hơn được đào và chống đỡ theo trình tự gương đào toàn phần kiểu so le trong cấu hình top heading và bench/invert, thì khu mở rộng quay đầu rộng 37 ft (11.3 m) được thi công bằng một hầm dẫn bên duy nhất kết hợp với đào top heading, bench và invert theo từng phần. Tường giữa tạm thời cung cấp chống đỡ bên trong giai đoạn đầu thi công. Khi mở rộng đến kích thước hầm hoàn chỉnh, tường giữa tạm thời đã được tháo dỡ.

9.4.7 Phương pháp đào

Trong lịch sử phát triển và ứng dụng của các phương pháp đào hầm SEM/NATM, nhiều điều kiện địa chất khác nhau đã được xử lý. Với sự phát triển và hoàn thiện các biện pháp chống đỡ, phạm vi áp dụng của SEM ngày càng được mở rộng. Từ việc áp dụng ban đầu trong vùng núi với đá “green field” và các hầm đá mềm, trọng tâm dần chuyển sang khu vực đô thị và đào hầm trong đất mềm. Đào hầm trong đá cứng thường được thực hiện bằng phương pháp khoan – nổ mìn (Mục 6.4.1), trong đá trung bình đến đá mềm bằng road header (6.4.3), và trong đất mềm bằng máy đào gầu (backhoe).

Hình 9-10 đến Hình 9-13 minh họa các dạng đào SEM từ đá cứng đến đất mềm. Hình 9-10 cho thấy việc khoan gương trong hầm đá để chuẩn bị cho đào bằng khoan – nổ mìn. Hình chụp cận cảnh hoạt động khoan tại gương được thể hiện ở Hình 9-11, đồng thời cũng cho thấy lớp bê tông phun chống đỡ ban đầu được lắp đặt gần gương. Gương đá đã được xử lý bằng lớp bê tông phun. Hình 9-12 cho thấy cận cảnh cần của road header đang đào trong khối đá trung bình có khe nứt. Hình 9-13 minh họa thi công hầm trong đất mềm theo trình tự đào top heading, bench và invert bằng máy đào gầu. Máy đào gầu nằm ở phía sau gương hầm.

9.5 CÁC THÀNH PHẦN CHỐNG ĐỠ NỀN ĐẤT ĐÁ

Phần này trình bày các vấn đề đặc biệt về chống đỡ nền đất đá và vật liệu, đã phát triển cùng với việc áp dụng phương pháp đào SEM có chống đỡ bằng bê tông phun. Chương 6 cũng trình bày chi tiết về các thành phần gia cường đá.

9.5.1 Bê tông phun (Shotcrete)

Tên gọi ban đầu của bê tông phun là “Gunite”, khi nó được dùng trong công việc nhồi mẫu bằng cách phun vữa lên khung dây tại Hoa Kỳ vào đầu những năm 1900. Trong các ứng dụng ban đầu, vật liệu khô trộn sẵn được phun cũng đã được dùng để cải thiện khả năng chống cháy của các kết cấu chống đỡ bằng gỗ trong mỏ. Trong suốt đầu thập niên 1930, thuật ngữ “Shotcrete” được đưa ra và từ đó được sử dụng rộng rãi. Công nghệ thiết bị phục vụ thi công bê tông phun phát triển nhanh chóng, và việc sử dụng bê tông phun cho mục đích chống đỡ nền đất đá đã lan rộng trên toàn thế giới. Đặc biệt, việc sử dụng NATM/SEM và sự áp dụng rộng rãi bê tông phun đi kèm đã góp phần phát triển bê tông phun; ngày nay, bê tông phun có thể được xem là bê tông được phun, trong đó điểm khác biệt chính giữa bê tông thông thường và bê tông phun chỉ là phương pháp thi công/đổ đặt (Vandewalle, 2005).

9.5.1.1 Tác dụng của bê tông phun

Khi bê tông được phun lên bề mặt nền đất đá gồ ghề, nó lấp đầy các lỗ hở nhỏ, khe nứt và vết nứt; với vai trò chống đỡ ban đầu, nó tạo ra sự chống đỡ tức thời sau khi đào. Bê tông phun làm giảm khả năng chuyển vị tương đối của các khối đá hoặc hạt đất, do đó hạn chế sự nới lỏng của nền đất đá lộ ra xung quanh hầm. Độ bám dính phụ thuộc vào tình trạng bề mặt nền đất đá, độ ẩm, sự hiện diện của nước và thành phần của bê tông phun. Nhìn chung, bề mặt nền đất đá càng gồ ghề thì độ bám dính càng tốt. Bề mặt đá khô phải được làm ẩm đủ trước khi thi công bê tông phun. Bề mặt bụi hoặc bong tróc, nước chảy vào hoặc màng nước trên bề mặt đá, hoặc các chất bẩn khác sẽ làm giảm độ bám dính của bê tông phun.

Các phụ gia hiện đại cải thiện đáng kể “độ dính” của bê tông phun, nhờ đó lượng vật liệu bật ngược được giảm đáng kể. Sợi làm tăng độ bám dính và tính liên kết của bê tông phun mới thi công (“green” shotcrete), nhờ vậy cải thiện chất lượng đắp/phun tích tụ của bê tông phun. Ngược lại, hỗn hợp bê tông phun quá dính, như thường thấy khi dùng phụ gia đông kết nhanh gốc natri silicat, có thể gây tác dụng bất lợi. Bê tông phun quá dính có xu hướng tích tụ quanh các thanh cốt thép, dẫn đến bê tông không được đầm chặt đầy đủ, chất lượng thấp hoặc thậm chí tạo lỗ rỗng hay “vùng khuất” phía sau các thanh cốt thép.

Để ổn định các nêm và tấm đá nhỏ, bê tông phun được thi công cục bộ. Kiểu thi công này không tạo thành một lớp bê tông phun liên tục trên diện rộng để hình thành bộ phận chống đỡ theo nghĩa của một lớp vỏ hoặc vỏ kết cấu. Thay vào đó, các mép và góc tạo ra do sự giao cắt của các mặt gián đoạn được lấp bằng bê tông phun, liên kết các khối lại với nhau và qua đó tạo thành chống đỡ cục bộ.

Flashcrete:

Còn được gọi là bê tông phun bịt kín, được thi công ngay sau khi đào bằng cách phun một lớp bê tông phun mỏng, nếu cần, để bịt kín bề mặt nền đất đá lộ ra. Flashcrete thường được dùng trong điều kiện đá yếu hoặc nền đất mềm, kết hợp với sợi thép để gia cường. Biện pháp này hạn chế hiện tượng khô bề mặt, ảnh hưởng của độ ẩm đối với vật liệu nền nhạy cảm, sự hóa mềm do tiếp xúc với nước, và sự nới lỏng của nền do chuyển vị khác nhau giữa các hạt đất đá. Flashcrete có thể được thi công cục bộ hoặc phủ toàn bộ bề mặt nền đất đá lộ ra sau khi đào. Flashcrete không được xem là chống đỡ chủ động, do đó thường được tiếp nối bằng một lớp vỏ bê tông phun ban đầu được thi công có hệ thống.

Chống đỡ gương đào bằng bê tông phun:

Trong điều kiện nền đất đá yếu, có thể cần chống đỡ gương đào tạm thời để hạn chế nền dịch chuyển vào trong khoang đào. Tùy theo thời gian cần duy trì chống đỡ và điều kiện nền đất đá, chiều dày và cốt gia cường của gương đào được thiết kế tương ứng. Đối với các đoạn hầm cụt, tường chắn đầu hầm vĩnh viễn được thi công bằng bê tông phun. Hình dạng gương đào dạng vòm có ý nghĩa rất quan trọng trong nền yếu để ổn định gương đào thành công.

Kinh nghiệm từ các dự án hầm trong nền đất mềm cho thấy biến dạng của nền, và do đó cả lún bề mặt, tiếp tục diễn ra cho đến khi hình thành một tường chắn đầu hầm dạng vòm hoàn chỉnh, có đủ liên kết với lớp vỏ bê tông phun ban đầu của hầm.

Chống đỡ tạm bằng bê tông phun:

Trong điều kiện nền đất đá yếu hoặc khi thi công các mặt cắt hầm lớn, diện đào thường phải được chia thành nhiều drift. Để tạo chống đỡ tức thời và, nếu cần, khép vòng cho từng drift phụ, người ta sử dụng các vỏ hoặc lớp bê tông phun chống đỡ tạm thời. Chiều dày lớp vỏ tạm được thiết kế dựa trên diện tích mặt cắt của drift cần chống đỡ và thời gian cần duy trì chống đỡ. Lớp vỏ tạm thường được tháo bỏ trong các bước thi công tiếp theo để hoàn thành đào đến toàn bộ tiết diện hầm. Hình 9-14 minh họa một hầm SEM điển hình có tường giữa tạm thời.

Vỏ bê tông phun ban đầu:

Vỏ bê tông phun ban đầu thường bao gồm một lớp bê tông phun dày từ 4 đến 16 in. (100 đến 400 mm), chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện nền đất đá và kích thước khoang hầm, và cung cấp áp lực chống đỡ cho nền đất đá. Nó cũng được gọi là vỏ bê tông phun. Một vòng bê tông phun có thể chịu các tải trọng nền đất đá đáng kể, mặc dù vỏ bê tông phun tạo thành một hệ chống đỡ khá mềm dẻo. Đây là trường hợp vỏ bê tông phun được dự kiến sẽ chịu biến dạng lớn, và do đó tính dẻo sau nứt có vai trò quan trọng. Bằng cách biến dạng, nó cho phép huy động cường độ vốn có và các đặc tính tự chống đỡ của nền đất đá, cũng như chia sẻ và phân bố lại ứng suất giữa vỏ hầm và nền đất xung quanh.

Trong quá trình biến dạng, các ứng suất tác dụng trong vỏ bê tông phun được truyền vào nền đất đá xung quanh. Quá trình này tạo ra phản lực nền đất đá, cung cấp sự chống đỡ cho vỏ. Xét từ quan điểm chống đỡ nền đất đá, thiết kế vỏ bê tông phun chịu sự chi phối bởi các yêu cầu chống đỡ, tức là mức biến dạng nền đất đá được phép và tải trọng nền dự kiến, cũng như các yếu tố kinh tế. Bê tông phun càng đạt cường độ sớm thì hệ chống đỡ càng sớm hạn chế biến dạng của nền đất đá. Tuy nhiên, khi tăng độ cứng, hệ chống đỡ ngày càng thu hút tải trọng. Tùy theo điều kiện nền đất đá và các yêu cầu tại chỗ, cần quy định hệ chống đỡ phải cứng hay mềm dẻo đến mức nào, và do đó cần quy định các yêu cầu về cường độ sớm, chiều dày và cốt gia cường.

Trong các ứng dụng hầm nông và bên dưới các công trình trên mặt đất nhạy cảm với biến dạng như nhà cửa, biến dạng nền đất đá và do đó lún bề mặt phải được giữ trong các giới hạn chấp nhận được. Vì vậy, lợi ích của việc huy động khả năng tự chống đỡ của nền đất đá chỉ có thể được xét đến ở mức rất hạn chế. Ở đây, cường độ sớm của bê tông phun là cần thiết để hệ chống đỡ sớm đạt độ cứng nhằm hạn chế biến dạng nền đất đá. Trong các điều kiện này, vỏ bê tông phun chịu tải trọng nền đáng kể ở giai đoạn sớm, tuy nhiên trong môi trường ứng suất nói chung thấp do chiều dày lớp phủ phía trên nhỏ. Cường độ sớm có thể đạt được bằng phụ gia và các loại xi măng hiện đại.

Ngược lại, đối với các hầm nằm dưới lớp phủ lớn, việc ngăn ngừa biến dạng nền đất đá và lún bề mặt chỉ đóng vai trò thứ yếu. Tải trọng nền quá lớn trong nền bị ép và áp lực kiến tạo tác dụng lên chu vi hầm có thể là các tiêu chí thiết kế đối với hầm sâu. Bằng cách cho phép nền đất đá biến dạng mà không làm nó bị quá ứng suất, khả năng tự chống đỡ của nền, chủ yếu là cường độ kháng cắt, được huy động. Do đó, tải trọng nền tác dụng lên vỏ bê tông phun có thể giảm đáng kể vì nền đất đá đảm nhận một phần chức năng chống đỡ và một phần tải trọng nền được tiêu tán trước khi hệ chống đỡ ban đầu chịu tải. Đối với hầm trong đá có lớp phủ lớn, cường độ sớm không phải là yêu cầu bắt buộc, nhưng cường độ cuối cùng của toàn bộ hệ thống lại quan trọng. Trong các trường hợp đặc biệt, có thể cần tạo các “khe biến dạng” bằng cách sử dụng các cấu kiện chịu chảy đặc biệt, nhằm cho phép nền đất đá biến dạng đáng kể mà không gây ra các vết nứt không kiểm soát trong vỏ bê tông phun, đồng thời vẫn duy trì áp lực chống đỡ xác định trong quá trình biến dạng. Các cấu kiện chịu chảy được thiết kế sao cho cho phép mức biến dạng tối đa đã quy định dưới các tải trọng vỏ hầm xác định (Mục 8.3.3).

Gia cường đá được lắp đặt trong hầm đá làm tăng cường độ của nền đá xung quanh, kiểm soát biến dạng và hạn chế tải trọng nền tác dụng lên vỏ bê tông phun ban đầu. Chống đỡ bằng bê tông phun và gia cường đá được thiết kế để tạo thành một hệ chống đỡ tích hợp, xét đến trình tự đào và chống đỡ. Kỹ sư thiết kế phải xác định các yêu cầu đối với hệ chống đỡ dựa trên việc xem xét kỹ phản ứng dự kiến của nền đất đá.

Tác dụng của bê tông phun phụ thuộc nhiều vào phản lực nền theo phương hướng tâm và phương tiếp tuyến do nền đất đá xung quanh tạo ra. Do đó, hình dạng, chiều dày bê tông phun và thời điểm lắp đặt phải được thiết kế phù hợp với điều kiện nền đất đá, cũng như khả năng của nền đất đá xung quanh và hệ chống đỡ. Nhân sự tại hiện trường cần đánh giá các yêu cầu chống đỡ và, nếu cần, điều chỉnh hệ chống đỡ đã thiết kế dựa trên các quan sát ngoài hiện trường. Mặc dù cần phản ứng theo điều kiện hiện trường, kỹ sư thiết kế phải luôn tham gia vào quá trình ra quyết định trước khi thay đổi bất kỳ biện pháp chống đỡ nào tại hiện trường. Ý đồ và triết lý thiết kế phải được xem xét khi thực hiện các điều chỉnh đối với hệ chống đỡ.

Ma sát giữa nền đất đá và vỏ bê tông phun (phản lực nền theo phương tiếp tuyến) có vai trò then chốt đối với hệ chống đỡ. Ma sát này làm giảm chuyển vị khác nhau của các hạt đất đá tại bề mặt nền và góp phần vào tương tác giữa nền đất đá và kết cấu. Ngay cả vòng bê tông phun chưa khép kín cũng tạo ra sự chống đỡ đáng kể cho nền đất đá, miễn là tiếp xúc chặt giữa bê tông phun và nền đất đá được duy trì.

Yêu cầu khép vòng, dù tạm thời hay vĩnh viễn, được chi phối bởi kích thước khoang ngầm và điều kiện nền đất đá hiện hữu. Trong khối đá chất lượng tốt, không cần khép vòng. Trong nền chất lượng thấp (đá yếu và đất), đã có nhiều trường hợp thời điểm thi công chống đỡ sau khi đào, chiều dài bước đào và khoảng thời gian trễ giữa đào phần top heading và khép invert chi phối biến dạng của nền đất đá và vỏ hầm. Để giảm biến dạng nền đất đá và nguy cơ phá hoại nền/vỏ hầm, trình tự đào và chống đỡ có thể được thiết kế sao cho đạt được việc khép vòng sớm của hệ chống đỡ bê tông phun trong nền mềm. Việc lắp đặt kịp thời, ngay sau khi đào, các bộ phận chống đỡ bằng bê tông phun cũng có tầm quan trọng đặc biệt. Để khép vòng tạm thời sớm và giảm kích thước gương đào, có thể sử dụng các drift từng phần như drift bên, drift giữa và top heading, bench, invert drift. Các drift từng phần này được chống đỡ bằng bê tông phun tạm thời, như tường giữa tạm, chống đỡ invert, v.v.

Một khía cạnh quan trọng của vỏ bê tông phun là thiết kế và thi công các mối nối thi công. Các mối nối này nằm tại vị trí tiếp xúc giữa các đợt thi công bê tông phun theo phương dọc và phương vòng giữa các lớp vỏ ban đầu của từng bước đào và từng drift. Vị trí và hình dạng phù hợp, cũng như việc nối liên tục cốt gia cường qua các mối nối dọc, có tầm quan trọng đặc biệt đối với tính toàn vẹn và khả năng làm việc của hệ chống đỡ. Các mối nối dọc phải được định hướng theo phương hướng tâm, trong khi các mối nối theo phương vòng nên được giữ càng nhám càng tốt. Các thanh nối/kẹp nối và chiều dài chồng nối đủ của lưới thép hàn giúp duy trì tính liên tục của cốt gia cường qua các mối nối. Vật liệu bật ngược, nước thừa, bụi hoặc các vật liệu lạ khác phải được loại bỏ khỏi mọi bề mặt bê tông phun trước khi phun bê tông mới lên đó. Số lượng mối nối thi công nên được giữ ở mức tối thiểu.

Trong trường hợp nước ngầm xâm nhập, nước ngầm phải được thu gom và thoát đi. Cần tránh mọi sự tích tụ áp lực nước ngầm phía sau vỏ bê tông phun vì các lý do sau: áp lực nước ngầm tăng trong các mối nối và lỗ rỗng làm giảm sức kháng cắt trong nền đất đá; tải trọng quá mức có thể truyền lên vỏ bê tông phun, trừ khi vỏ được thiết kế cho trường hợp đó, điều này không phổ biến đối với vỏ bê tông phun ban đầu; nền đất đá phía sau vỏ bị hóa mềm; hiện tượng rửa trôi bê tông phun tăng lên; vỏ bê tông phun sẽ bị tách khỏi nền đất đá.

9.5.2 Gia cường đá

Như đã thảo luận trong Chương 6, gia cường đá và khối đá hoạt động như một hệ tương tác phức tạp, trong đó các phần tử riêng lẻ luôn phải được xem xét trong mối liên hệ giữa chúng và sự phụ thuộc lẫn nhau. Cường độ tổng thể của khối đá được gia cường có hệ khe nứt chịu sự chi phối bởi các đặc trưng của khe nứt như độ gồ ghề, vật liệu lấp nhét, vật liệu đá, phương hướng, và phần đóng góp của các phần tử gia cường. Đối với thiết kế hệ thống gia cường khối đá, việc đánh giá đầy đủ điều kiện nền đất đá dự kiến và kinh nghiệm có tầm quan trọng cơ bản. Người đọc được tham khảo Mục 6.5.2 để có phần thảo luận chi tiết hơn cho từng loại gia cường đá. Phần sau tập trung vào các ứng dụng và vấn đề của SEM.

9.5.2.1 Các loại gia cường đá

Chốt đá (Rock Dowels):

(Hình 6-17), là các phần tử gia cường thụ động, cần có một mức chuyển vị nền đất đá nhất định để được kích hoạt. Trong hầm sâu hoặc trong các điều kiện đào hầm mà biến dạng nền được cho phép hoặc thậm chí mong muốn, gia cường đá thụ động thường được lắp đặt. Điều này áp dụng, ví dụ, cho các trình tự thi công hầm trong đó việc đào và lắp đặt chống đỡ được thực hiện theo từng giai đoạn, ví dụ top heading, bench, invert.

Để tận dụng tốt nhất tác dụng chống đỡ của chốt đá, cần lắp đặt sớm. Phần lớn biến dạng nền phát triển trong quá trình đào và ngay phía sau gương hầm đang tiến triển. Trong đào hầm đá tuần tự sử dụng nhiều drift, biến dạng nền thường dừng lại sau khi đào và chống đỡ top heading, nhưng lại bắt đầu sau một giai đoạn tương đối ổn định trong quá trình đào bench và thi công invert. Do đó, chốt đá nên được lắp đặt ngay sau khi đào hoặc gần gương đào đang tiến triển.

Bu lông đá (Rock Bolts):

(Hình 6-18) chủ động đưa một lực nén vào nền đất đá xung quanh. Lực dọc trục này tác dụng lên các mặt gián đoạn của khối đá, qua đó làm tăng sức kháng cắt của chúng, và được tạo ra bằng cách căng trước neo. Hệ thống này cần một “chiều dài bám dính” để có thể căng neo. Neo đá thường được liên kết bám dính hoàn toàn với nền đất đá xung quanh sau khi căng, nhằm xét đến tải trọng dài hạn.

Rock Bolts không chỉ được lắp đặt trong quá trình thi công. Rock Bolts cũng có thể được sử dụng cho các khoang ngầm hiện hữu, nơi cần hạn chế biến dạng tiếp theo của nền đất đá và/hoặc hệ chống đỡ, hoặc để chống đỡ bổ sung cho các kết cấu hiện hữu sẽ được mở rộng sau này hoặc bị ảnh hưởng bởi việc thi công hầm lân cận.

Đối với các hầm được thi công trong môi trường cần hạn chế biến dạng nền đất đá và lún bề mặt, ví dụ hầm nông trong khu vực đô thị, Rock Bolts hỗ trợ hạn chế chuyển vị nền do đào hầm SEM gây ra. Ngoài ra, trong quá trình thi công các khoang lớn, có thể cần hạn chế biến dạng nền để tránh làm nới lỏng, và do đó làm suy yếu, khối đá. Trong môi trường ứng suất cao, các cấu kiện nén được đặc biệt đã được phát triển, được lắp đặt giữa bề mặt nền/hệ chống đỡ và bản đệm của neo, cho phép một mức chuyển vị nhất định trong khi lực căng của neo được giữ không đổi.

Neo đá (Rock Anchors):

Rock Anchors được sử dụng trong các điều kiện cần tiếp nhận lực neo lớn, thường lớn hơn đáng kể so với, ví dụ, lực của neo đá thường. Chẳng hạn, trong các hầm có nhịp rất lớn, nơi cần tạo ra lực chống đỡ lớn để ổn định nền đất đá, neo thường được sử dụng.

Nhìn chung, có thể nói rằng việc căng trước neo tạo ra một hệ khối đá gia cường cứng hơn sau khi lắp đặt và làm giảm độ lớn của chuyển vị cắt. Việc thiết kế và áp dụng hệ gia cường đá căng trước đòi hỏi hiểu biết rất tốt về điều kiện nền đất đá và ứng xử của nền để tránh căng quá mức trong quá trình chuyển vị của nền. So với hệ chốt đá ban đầu không căng, cuối cùng có thể đạt được cùng cường độ và khả năng chịu lực của khối đá gia cường, tuy nhiên chỉ đi kèm với biến dạng lớn hơn.

Bảng 9-5 tóm tắt các phần tử gia cường đá thường dùng và các lưu ý áp dụng khi lắp đặt như một phần của chống đỡ ban đầu trong đào hầm SEM trong đá.

9.5.2.2 Các vấn đề thực tế

Một số vấn đề thực tế liên quan đến việc lắp đặt chốt đá/bu lông đá ngoài hiện trường được tóm tắt dưới đây dựa trên kinh nghiệm trong đào hầm SEM. Mỗi dự án riêng lẻ có các đặc thù riêng, do đó danh sách này không đầy đủ.

Bố trí sơ đồ gia cường khối đá:

Mặc dù cũng phải tuân theo các xem xét lý thuyết, thiết kế phải tính đến các vấn đề thực tế khi lắp đặt. Do thiết kế thiếu các xem xét thực tế, các hệ gia cường khối đá thường được “điều chỉnh” tại hiện trường cho phù hợp với các khía cạnh thi công, nhưng không xét đến điều kiện nền đất đá và ý đồ thiết kế. Các hệ gia cường đá được lắp đặt như vậy có thể chỉ mang lại lợi ích hạn chế hoặc thậm chí gây tác dụng bất lợi.

Bơm vữa:

Các hệ bơm vữa cho chốt đá/bu lông đá nhằm mục tiêu chôn vùi hoàn toàn chốt đá/bu lông đá trong vữa. Việc chôn vùi hoàn toàn không chỉ bảo đảm liên kết bám dính trên toàn bộ chiều dài chốt/bu lông, mà còn bảo vệ chống ăn mòn. Bất kể phương pháp nào được sử dụng, độ sệt phù hợp của vật liệu vữa là yếu tố quan trọng nhất để đạt được liên kết cần thiết giữa nền đất đá và phần tử gia cường. Điều này đặc biệt áp dụng đối với vật liệu vữa xi măng. Mặc dù đường kính hiện có của các lỗ khoan bơm vữa chi phối độ sệt của vật liệu vữa ở một mức độ nhất định, độ nhớt quá cao có thể dẫn đến liên kết không đủ. Thường có thể quan sát thấy các đội thi công điều chỉnh trạm trộn vữa và bơm, nhưng không kiểm tra trực quan độ sệt của hỗn hợp vữa được tạo ra. Ngay cả khi sử dụng các thiết bị trộn và bơm hiện đại nhất, vẫn cần kiểm tra trực quan hỗn hợp vữa trước khi bắt đầu mỗi thao tác lắp đặt. Tất cả vật liệu lạ phải được loại bỏ trước khi lắp đặt để bảo đảm liên kết thích hợp.

Bảng 9-5 Các phần tử gia cường đá thường dùng và các lưu ý áp dụng trong đào hầm SEM trong đá

No.	Tên	Vật liệu*	Neo giữ	Căng trước	Lắp đặt	Nền**	Ưu điểm	Hạn chế
1	Chốt thép thanh	Thép thanh biến dạng	Dính kết toàn phần bằng vữa xi măng hoặc resin	Không	Thép thanh được đưa vào lỗ khoan trước đã bơm đầy vữa; hoặc đưa thép thanh cùng ống bơm vữa vào lỗ khoan trước rồi bơm vữa sau	Khối đá nguyên khối đến khối đá có nhiều khe nứt	Chi phí thấp; sẵn có; nếu lắp đặt đúng, có hiệu quả cao và chịu tải nặng	Yêu cầu nhân sự lắp đặt có kỹ năng và kinh nghiệm; lỗ khoan sập gây cản trở lắp đặt
2	Chốt sợi thủy tinh	Thanh sợi thủy tinh biến dạng	Dính kết toàn phần bằng vữa xi măng, thường dùng resin hơn	Không	Thanh được đưa vào lỗ khoan trước đã bơm đầy vữa; hoặc đưa thanh cùng ống bơm vữa vào lỗ khoan trước rồi bơm vữa sau	Khối đá nguyên khối đến khối đá có nhiều khe nứt; thường dùng tại các khu vực sẽ được đào sau đó	Hiệu quả cao, chịu tải nặng; có thể dễ dàng phá bỏ trong các bước đào tiếp theo trong khối đá gia cường	Yêu cầu nhân sự lắp đặt có kỹ năng và kinh nghiệm; sức kháng cắt hạn chế; lỗ khoan sập gây cản trở lắp đặt
3	Split Set	Ống thép xẻ dọc	Ma sát trên toàn bộ chiều dài, tạo bởi tác dụng lò xo của ống	Không	Ép vào lỗ khoan trước có đường kính hơi nhỏ hơn đường kính ngoài của Split Set	Khối đá nguyên khối đến khối đá có khe nứt	Tác dụng chống đỡ tức thời; lắp đặt đơn giản; không cần bơm vữa	Sức kháng cắt rất hạn chế; chỉ dùng cho chống đỡ nhẹ; rất nhạy cảm với ăn mòn; không thể dùng trong lỗ khoan bị sập
4	Swellex	Ống thép gấp, có thể bơm phồng	Ma sát trên toàn bộ chiều dài, tạo bởi ống được bơm phồng	Không	Đưa vào lỗ khoan trước và bơm phồng bằng nước áp lực cao	Khối đá nguyên khối đến khối đá có khe nứt	Tác dụng chống đỡ tức thời; có khả năng chịu tải đáng kể	Sức kháng cắt và độ bền hạn chế; không thể căng lại; cần thiết bị chuyên dụng để bơm phồng; chi phí vật liệu cao hơn; lỗ khoan sập gây cản trở lắp đặt
5	Ống bơm vữa	Ống thép đục lỗ	Dính kết toàn phần bằng vữa xi măng hoặc resin	Không	Đưa vào lỗ khoan trước, hoặc đóng vào nền yếu, cùng với ống thép thành dày; sau đó bơm vữa qua ống và các lỗ đục	Đất yếu giống đất, có khe nứt nhiều	Lắp đặt đơn giản; sẵn có; kết quả bao bọc bằng vữa dễ kiểm soát hơn	Sức kháng cắt hạn chế tùy theo chiều dày thành ống; lỗ khoan sập gây cản trở lắp đặt
6	Chốt tự khoan	Ống thép thành dày, hàn kín, có mũi khoan dùng một lần	Dính kết toàn phần bằng vữa xi măng hoặc resin	Không	Phần tử gia cường đồng thời là cần khoan; mũi khoan và chốt vẫn nằm trong nền sau khi khoan và được bơm vữa qua các lỗ xả	Khối đá có khe nứt đến khối đá nứt nẻ mạnh	Các bước lắp đặt chỉ còn hai bước; thi công nhanh; hiệu quả cao, chịu tải nặng	Đắt hơn gia cường bằng thanh; có thể bị kẹt trong lỗ khoan sập vì không có dụng cụ cắt ngược
7	Chốt đóng	Thép thanh hoặc ống thép thành dày	Sức kháng cắt tạo bởi tương tác giữa nền và phần tử gia cường; ma sát, bám dính	Không	Đóng vào nền	Đá phong hóa, đất	Gây xáo trộn nền ít nhất trong quá trình lắp đặt; tác dụng chống đỡ tức thời	Phụ thuộc vào sức kháng cắt giữa nền và phần tử gia cường; cần thiết bị đóng; chỉ phù hợp với điều kiện nền mềm
8	Bu lông thép thanh	Thép thanh biến dạng	a. Neo đầu bằng vữa xi măng hoặc resin; b. Dính kết toàn phần bằng resin hai giai đoạn	Có	a. Bơm vữa phía sau nút bịt vữa qua ống bơm vữa và ống thoát khí; b. Bơm resin với hai thời gian đông kết khác nhau	Khối đá nguyên khối đến khối đá có nhiều khe nứt	Chi phí thấp; sẵn có; nếu lắp đặt đúng, có hiệu quả cao và chịu tải nặng	Yêu cầu nhân sự lắp đặt có kỹ năng và kinh nghiệm; lỗ khoan sập gây cản trở lắp đặt; a. Cần nút bịt vữa; b. Resin đắt hơn vữa xi măng; cần các loại resin khác nhau
9	Bu lông sợi thủy tinh	Thanh sợi thủy tinh biến dạng	a. Neo đầu bằng vữa xi măng hoặc resin; b. Dính kết toàn phần bằng resin hai giai đoạn	Có	a. Bơm vữa phía sau nút bịt vữa qua ống bơm vữa và ống thoát khí; b. Bơm resin với hai thời gian đông kết khác nhau	Khối đá nguyên khối đến khối đá có nhiều khe nứt	Hiệu quả cao, chịu tải nặng; có thể dễ dàng phá bỏ do sức kháng cắt hạn chế	Yêu cầu nhân sự lắp đặt có kỹ năng và kinh nghiệm; lỗ khoan sập gây cản trở lắp đặt; a. Cần nút bịt vữa; b. Resin đắt hơn vữa xi măng; cần các loại resin khác nhau
10	Bu lông vỏ nở	Thép thanh	Neo đầu bằng cơ học	Có	Đưa vào lỗ khoan trước; vỏ ở đầu bu lông được nở ra bằng cách siết chặt bu lông	Khối đá nguyên khối đến khối đá có khe nứt; yêu cầu vật liệu đá có năng lực chịu lực	Tác dụng chống đỡ tức thời; có thể tạo khả năng chống đỡ cao	Tương đối đắt; có thể xảy ra trượt hoặc nghiền vỡ đá; có xu hướng mất lực căng do rung động, nổ mìn và biến dạng nền

* Vật liệu gia cường
** Điều kiện nền được mô tả là các ví dụ điển hình; các phần tử gia cường cũng có thể được sử dụng trong các điều kiện nền khác.

Tiếp xúc:

Thông thường, chốt đá, bản đệm và đai ốc được lắp đặt kịp thời, nhưng đai ốc không được siết chặt hoặc chỉ được siết sau một khoảng thời gian dài và cách xa phía sau gương đào đang tiến. Mặc dù việc căng một chốt đá dính kết toàn phần không có tác dụng đối với tính toàn vẹn của hệ đá – gia cường, nhưng điều quan trọng là phải siết chặt đai ốc để bảo đảm bản đệm ôm sát gương nếu dùng kết hợp với bê tông phun, nhằm tạo tiếp xúc thích hợp giữa bề mặt nền và lớp lót/gương bê tông phun. Nếu không dùng lớp lót bê tông phun, việc siết đai ốc giúp hạn chế biến dạng sớm và sự rời rạc của khối đá gần khoảng mở.

Thí nghiệm và quan trắc:

Thí nghiệm kéo tuột là công cụ quan trọng để bảo đảm bu lông đá có đủ khả năng neo giữ. Mặc dù hữu ích để kiểm tra cường độ liên kết, và do đó khả năng chống đỡ của neo có đoạn dính kết xác định và đoạn tự do, thí nghiệm kéo tuột không còn phù hợp khi dùng để kiểm tra chốt đá dính kết toàn phần, vì không cung cấp thông tin về khả năng làm việc tổng thể của phần tử gia cường đá dính kết toàn phần. Thí nghiệm kéo tuột thông thường, khi dùng cho phần tử gia cường dính kết toàn phần, cung cấp thông tin về khả năng chịu cắt giữa bu lông và vữa cũng như giữa vữa và nền lân cận ở đầu được thí nghiệm của phần tử, nhưng không cho biết liên kết tổng thể dọc theo phần tử gia cường hoặc liệu phần tử đó có được bao bọc hoàn toàn trong vữa hay không.

Tương tự, việc quan trắc lực neo giữa bề mặt nền và bản đệm của chốt đá/bu lông đá dính kết toàn phần không cung cấp thông tin về lực tác dụng trong phần tử gia cường dính kết toàn phần trên toàn bộ chiều dài của nó. Do đó, chỉ các thiết bị quan trắc, ví dụ strain gage, được gắn trực tiếp lên thân phần tử gia cường dọc theo chiều dài của nó mới có thể cung cấp thông tin về khả năng làm việc và ứng suất tác dụng trong phần tử gia cường khi nền biến dạng.

9.5.3 Dầm lưới và khung thép cán

Như đã thảo luận trong Chương 6, dầm lưới (Hình 6-20) là các khung thép ba chiều, nhẹ, thường được chế tạo từ ba thanh chính liên kết với nhau bằng các phần tử tăng cứng. Dầm lưới được sử dụng kết hợp với bê tông phun và, sau khi được lắp đặt, về mặt cục bộ đóng vai trò như cốt gia cường của vỏ bê tông phun. Thiết kế dầm được xác định trong hồ sơ hợp đồng bằng cách quy định tiết diện và kích thước dầm, cũng như các đặc trưng mô men của các thanh chính. Để bảo đảm độ cứng của toàn bộ hệ dầm, các phần tử tăng cứng phải cung cấp tối thiểu 5% tổng mô men quán tính. Tỷ lệ phần trăm này được tính như một giá trị trung bình dọc theo các chiều dài lặp lại của dầm lưới. Cách bố trí các thanh chính và phần tử tăng cứng phải tạo điều kiện cho bê tông phun thâm nhập vào trong và phía sau dầm, qua đó giảm thiểu các “vùng khuất”. Dầm lưới được lắp đặt để:

• Chống đỡ tức thời nền đất đá (ở mức hạn chế do khả năng chịu lực của dầm thấp)
• Kiểm soát hình học hầm (chức năng làm khuôn)
• Đỡ lưới thép hàn (nếu áp dụng)
• Chống đỡ cho các biện pháp pre-support

Trong các trường hợp đặc biệt, ví dụ khi cần chống đỡ tức thời để đặt các ống spiling nặng phục vụ pre-support, việc sử dụng khung thép cán có thể phù hợp. Trong các trường hợp như vậy, khung thép là biện pháp dự phòng. Khung thép tiết diện hình chuông (tiết diện Heintzmann) cũng được sử dụng như các cấu kiện kết cấu trong vách bê tông phun tạm thời khi đào hầm nhiều drift. Mục đích chính của chúng, ngoài khả năng chịu lực lớn hơn so với dầm lưới, là dễ tháo dỡ khi phá bỏ các vách bê tông phun tạm thời trong các ứng dụng đào hầm nhiều drift.

9.5.4 Các biện pháp pre-support và cải thiện nền đất đá

Khi đào hầm trong nền đất đá tốt, nền đất đá xung quanh khoang hầm cung cấp đủ cường độ để bảo đảm thời gian tự đứng cần thiết cho việc lắp đặt các phần tử chống đỡ ban đầu của SEM mà không cần bất kỳ biện pháp pre-support hoặc cải thiện cường độ nền đất đá nào trước khi đào hầm.

Với việc sử dụng SEM tăng đáng kể, đặc biệt trong nền mềm và khu vực đô thị trong các thập kỷ qua, các biện pháp truyền thống nhằm tăng thời gian tự đứng đã được điều chỉnh và phát triển thêm để ứng phó với điều kiện nền đất đá yếu và cho phép lắp đặt chống đỡ ban đầu hiệu quả, cũng như đào an toàn.

Các biện pháp này được lắp đặt phía trước gương hầm. Chúng bao gồm các biện pháp cải tạo nền nhằm cải thiện đặc trưng cường độ của nền, bao gồm nhiều hình thức bơm vữa, trộn đất và đóng băng nền, trong đó đóng băng nền dùng cho các điều kiện bất lợi hơn. Thông thường nhất, chúng bao gồm các biện pháp pre-support cơ học, gồm các phương pháp spiling được lắp đặt phía trước gương hầm, thường với khoảng cách lên đến 60 đến 100 ft (18 đến 30 m), được gọi là pipe arch canopies; hoặc ở khoảng cách ngắn hơn, chỉ 12 ft (3.6 m), sử dụng các biện pháp spiling truyền thống như thanh đặc bơm vữa hoặc ống thép đục lỗ bơm vữa. Các biện pháp cải thiện nền và pre-support có thể được sử dụng một cách hệ thống trên các đoạn hầm dài, hoặc chỉ cục bộ khi điều kiện nền đất đá yêu cầu.

9.5.4.1 Các biện pháp pre-support

Các biện pháp pre-support bao gồm spiling hoặc các pipe arch canopies bơm vữa, bắc qua bước đào chưa được chống đỡ. Các phần tử gia cường nền theo phương dọc này được chống đỡ bởi vỏ bê tông phun ban đầu đã lắp đặt trước đó phía sau gương hầm đang hoạt động và bởi nền chưa đào phía trước gương. Các biện pháp pre-support cơ học này thường được sử dụng để:

• Tăng thời gian tự đứng bằng cách ngăn vật liệu nền rơi/rã vào trong khoang hầm, gây ra over-break lớn hoặc mất ổn định hầm
• Hạn chế over-break
• Giảm tải trọng nền tác dụng lên gương hầm tức thời
• Giảm biến dạng nền và do đó giảm lún bề mặt.

Các biện pháp pre-support cơ học thường ít xâm lấn hơn so với cải tạo nền có hệ thống. Chúng dựa vào tác dụng gia cường nền của các phần tử gia cường thụ động như ống/thanh thép hoặc sợi thủy tinh. Tương tự như cốt gia cường bê tông thụ động, các phần tử này phải tương tác trực tiếp với nền đất đá xung quanh thì mới có hiệu quả như một dạng gia cường. Tương tác này chỉ có thể được thiết lập nhờ tiếp xúc chặt giữa phần tử gia cường và nền đất đá. Sự tương tác này có thể đạt được bằng cách bơm vữa đầy đủ cho các phần tử pre-support để khóa phần tử gia cường với nền đất đá, hoặc bằng cách ép/đóng các phần tử gia cường vào nền nếu nền mềm dễ chịu tác động này. Các phần tử lắp đặt lỏng lẻo trong đá mềm hoặc đất sẽ không đạt được chức năng dự kiến, và cần tránh kiểu lắp đặt như vậy. Trong đá nứt nẻ nhưng còn khá tốt, các thanh thép lắp lỏng trong lỗ khoan có thể chấp nhận được, nhưng chỉ nhằm hạn chế over-break. Hình 9-15 thể hiện các thanh spile bằng thép cốt No. 8 đặt sát nhau, bắc qua một bước đào và giữ vật liệu đất mịn mềm, dính tại chỗ. Các spile tựa lên vỏ bê tông phun ban đầu ở phía trước và lên nền chưa đào phía ngoài gương hầm. Khoảng cách hẹp cho phép ngay cả đất rất mềm và đất có ít lực dính cũng có thể bắc cầu giữa từng spile riêng lẻ.

Tác dụng của pre-support cơ học thường bị đánh giá sai. Một mặt, độ cứng của các phần tử thép dùng cho pre-support thường được lấy làm cơ sở để đánh giá sự gia tăng độ cứng tổng thể của nền đất đá xung quanh pre-support. Điều này dễ dẫn đến đánh giá quá cao chức năng của pre-support, vì phải xét đến độ cứng theo phương dọc của toàn bộ hệ thống. Mặt khác, tác dụng theo phương hướng tâm của một vòm pre-support có hệ thống thường bị đánh giá thấp hoặc hoàn toàn không được xét đến.

Tác dụng theo phương dọc của một phần tử pre-support ít bị chi phối bởi độ cứng của phần tử gia cường hơn là bởi sự cải thiện khả năng chịu kéo và chịu cắt của nền đất đá xung quanh nó.

Khi dùng vữa để tạo liên kết giữa phần tử gia cường và nền đất đá, áp lực bơm vữa dùng khi lắp đặt, loại vữa và chiều dài đoạn bơm vữa có ảnh hưởng rất quan trọng đến hiệu quả của pre-support, đặc biệt trong điều kiện nền mềm.

Mặc dù qua vô số ứng dụng đã chứng minh rằng pre-support cơ học có các tác dụng nêu trên, việc lượng hóa tác dụng này bằng các phương pháp phân tích số tỏ ra khó khăn, đòi hỏi nhiều nỗ lực vượt ngoài phạm vi thiết kế thông thường. Do đó, tác dụng của pre-support thường được đánh giá bằng các phương pháp đơn giản, dẫn đến các đánh giá rất thiên về an toàn, tức là đánh giá thấp tác dụng thực tế của pre-support. Trong nhiều trường hợp, tác dụng của pre-support thậm chí bị bỏ qua trong thiết kế, và pre-support chỉ được xem như một yếu tố làm tăng hệ số an toàn, thay vì là một bộ phận của hệ chống đỡ hầm có chức năng hạn chế lún.

Pre-support trong đào hầm đá:

Việc lắp đặt pre-support trong các loại khối đá nứt nẻ nhưng vẫn có chất lượng tốt thường nhằm hạn chế over-break trong và sau khi đào. Pre-spiling bằng thép cốt là một phương pháp thường dùng để giữ các mảnh đá tại chỗ (Mục 6.5.6). Tùy theo mức độ nứt nẻ, thép cốt được lắp vào các lỗ khoan rỗng bố trí quanh chu vi nóc hầm, hoặc các lỗ khoan được bơm đầy vữa xi măng trước khi đưa thép cốt vào. Ngoài ra, có thể dùng các ống thép đục lỗ, được đưa vào lỗ khoan và sau đó bơm vữa. Trong khối đá nứt nẻ nghiêm trọng, nơi lỗ khoan có xu hướng sập, các ống gia cường đá tự khoan được sử dụng. Với các ứng dụng có bơm vữa, vữa có thể xâm nhập vào các khe nứt và vết nứt, tạo ra tác dụng xi măng hóa hạn chế đối với vật liệu xung quanh.

Trong các loại khối đá mềm, nơi hiện tượng nứt nẻ và cường độ vật liệu hạn chế dẫn đến điều kiện có cường độ tổng thể thấp, spiling bằng ống bơm vữa hoặc vòm ống bơm vữa được sử dụng cho pre-support. Nếu cần, các biện pháp pre-support này được kết hợp với hạ thấp mực nước ngầm để giảm áp lực nước trong khe nứt và tăng khả năng ma sát dọc theo các khe nứt.

Bơm vữa thấm vào các mặt gián đoạn được sử dụng để giảm tính thấm của khối đá và tăng cường độ kháng cắt tổng thể bằng cách xi măng hóa các mảnh đá lại với nhau.

Pre-support trong đào hầm đất mềm:

Tương tự như đá mềm, các biện pháp pre-support cơ học có bơm vữa được sử dụng để ổn định trước đất hoặc nền giống đất. Tùy theo khả năng tiếp nhận vữa của đất, các phương pháp pre-support cơ học này được kết hợp với các hệ bơm vữa cho phép vữa thâm nhập vào nền đất, dẫn đến sự xi măng hóa nền xung quanh pre-support. Tính thấm của nền và mục đích dự kiến của pre-support chi phối việc lựa chọn vật liệu bơm vữa. Mặc dù vữa dùng xi măng thông thường có khả năng hạn chế trong việc thâm nhập vào nền chứa cát hoặc các hạt nhỏ hơn, kết quả thâm nhập có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các sản phẩm xi măng vi mịn hoặc siêu mịn, hoặc bơm vữa hóa học (bơm vữa nhựa). Thị trường hiện nay cung cấp các vật liệu bơm vữa nhựa có giá trị độ nhớt gần với nước.

Trong nhiều trường hợp, đặc biệt dưới lớp phủ nông với mực nước ngầm nằm ở phần dưới hoặc bên dưới invert hầm, các biện pháp pre-support cơ học là đủ miễn là các phần tử chống đỡ được khóa chắc vào nền trên toàn bộ chiều dài bằng vật liệu bơm vữa phù hợp. Bất kỳ tác dụng bổ sung nào do vật liệu vữa thâm nhập vào các lỗ rỗng gần khu vực pre-support đã lắp đặt đều được xem là lợi ích bổ sung.

Trong nền rất rời rạc, nhìn chung không có lực dính, có thể cần các biện pháp cải thiện nền để xi măng hóa nền và giảm tính thấm của đất.

Các phần tử pre-support:

Các phần tử pre-support cơ học được sử dụng phổ biến nhất bao gồm spiling bằng ống bơm vữa, thường là ống thép đục lỗ đường kính 2 in. (50 mm), và spiling bằng thép cốt sử dụng thép thanh đặc No. 8 (đường kính 25 mm), như thể hiện trong Hình 9-15. Các phần tử này chủ yếu được lắp đặt ở khu vực nóc hầm và vai hầm, nhưng cũng có thể được lắp đặt ở vách hầm và invert nếu phù hợp và cần thiết. Việc bơm vữa cho các phần tử spiling này tạo ra tiếp xúc chặt giữa phần tử gia cường và nền đất đá xung quanh. Các thanh thép cốt tự khoan và bơm vữa, còn gọi là loại IBO, ISCHEBECK hoặc tương tự, giúp lắp đặt rất hiệu quả các thanh thép đặc có bơm vữa.

Grouted Pipe Arch Canopy (Vòm ống bơm vữa):

Các phương pháp pipe arch canopy bao gồm việc lắp đặt có hệ thống các ống bơm vữa với khoảng cách thường là 12 in. (300 mm) quanh vòm hầm. Việc lắp đặt này thường gồm một hàng ống duy nhất, nhưng trong điều kiện nền đất đá nghiêm trọng và/hoặc khi cần hạn chế lún bề mặt, có thể gồm hai hàng ống. Các ống được lắp với chiều dài thường không vượt quá 15 đến 24 m (50 đến 80 ft) bằng kỹ thuật khoan thông thường, với góc nông hướng ra khỏi hầm và phía trước phần đào hầm. Các hệ thống mũi khoan và ống vách chuyên dụng được sử dụng nhằm hạn chế và kiểm soát chặt chẽ over-cut, tức là khoảng rỗng hình vành khăn giữa ống được lắp vào và nền đất đá xung quanh. Chúng cũng giúp kiểm soát hướng và đạt độ chính xác lắp đặt cao. Các kỹ thuật khoan bao gồm ODEX®, CENTREX®, ALWAG và các phương pháp tương tự.

Các ống thép thường được đục lỗ và có đường kính từ 4.5 in. đến 6 in. (114 mm đến 150 mm). Các ống thép được bơm vữa để tạo điều kiện tiếp xúc giữa ống thép và nền đất đá xung quanh, đồng thời tạo ra hiệu ứng vòm mong muốn quanh khoang hầm trong quá trình đào. Tùy theo mục đích và khả năng tiếp nhận vữa của nền, các ống thép đục lỗ có thể được bơm vữa từ một điểm vào duy nhất tại đầu ống bên trong hầm, hoặc bằng packer hay packer kép. Bơm vữa bằng packer kép cho phép bơm vữa có mục tiêu theo vị trí, hỗn hợp vữa, thể tích bơm và áp lực bơm. Các pipe arch này đã thúc đẩy việc sử dụng các ứng dụng SEM, đặc biệt trong môi trường đô thị dưới lớp phủ nông và cả trong điều kiện nền đất đá khó khăn.

Hình 9-16 thể hiện việc lắp đặt một ống thép cho ứng dụng vòm ống trong một hầm đường bộ 3 làn trong nền mềm. Hình này thể hiện ống thép trên cần khoan của drill jumbo và một ống thép 4.5 in. (114 mm) đang được khoan gần chu vi của vỏ bê tông phun ban đầu. Hình 9-17 thể hiện các ống thép pipe arch đã lắp đặt trước đó, lộ ra trong nền khi mở một bước đào mới.

Face Doweling (Chốt gương đào):

Face Doweling là một dạng pre-support đặc thù. Khác với pre-support cơ học được lắp đặt ở khu vực nóc và vai hầm, pre-support tại gương được lắp trong gương đào để ổn định nền bị ép hoặc rơi rã tại gương trước khi đào. Các phần tử thụ động được lắp đặt trong nền và thường được bơm vữa tại chỗ để tăng cường độ chịu kéo và chịu cắt của vật liệu nền. Vì các phần tử gia cường phải được đào bỏ trong các bước đào tiếp theo, nên thường dùng chốt hoặc ống bằng nhựa gia cường sợi thủy tinh. Các phần tử thép dùng cho chốt gương đào gây cản trở tiến độ đào và trong quá trình đào, việc tháo bỏ chúng truyền lực kéo vào nền, làm xáo động nền phía trước gương hầm đang tiến triển. Face Doweling có thể được kết hợp với các phương pháp bơm vữa để cải thiện cục bộ cường độ tổng thể của nền trong tiết diện hầm và cùng làm việc với các Face Dowels.

Chốt chống đỡ gương thường được làm bằng GFRP (nhựa polyester gia cường sợi thủy tinh) và cung cấp cường độ chịu kéo đáng kể, đồng thời cho phép dễ dàng tháo bỏ trong quá trình đào nhờ thành phần vật liệu và sức kháng cắt thấp.

9.5.4.2 Cải thiện nền đất đá

Các biện pháp cải thiện nền đất đá chủ yếu nhằm thay đổi nền đất đá để tăng cường độ kháng cắt (lực dính) và cường độ chịu nén của nó. Việc tăng độ cứng (mô đun biến dạng) cũng đi kèm với sự cải thiện này. Các biện pháp này thường được thi công từ mặt đất, trước khá lâu so với công tác đào hầm, hoặc được áp dụng từ bên trong hầm, phía trước gương đào. Các biện pháp cải thiện nền bao gồm từ hạ thấp mực nước ngầm hoặc giảm áp lực nước lỗ rỗng/khe nứt đến thay đổi thành phần nền đất đá, như jet grouting, trộn đất hoặc đóng băng nền.

Hạ thấp mực nước ngầm:

Hạ thấp mực nước ngầm làm giảm hoặc loại bỏ dòng nước ngầm chảy vào hầm trong quá trình thi công và làm tăng cường độ kháng cắt hữu hiệu của nền đất đá. Nước ngầm chảy vào khoang hầm trong quá trình thi công không chỉ gây mất an toàn và làm tăng hao mòn thiết bị, mà còn có thể thúc đẩy mất ổn định nền. Việc giảm cột nước thủy tĩnh làm giảm áp lực nước tác dụng trong các mặt gián đoạn và lỗ rỗng đất. Hạ thấp mực nước ngầm có thể được thực hiện từ mặt đất hoặc từ bên trong hầm.

Trong đất hạt mịn (cát mịn, bột, sét), việc giảm áp lực nước lỗ rỗng làm tăng cường độ tổng thể của nền. Khi thoát nước bằng trọng lực không đủ, có thể áp dụng giếng hút chân không hoặc các biện pháp khác như thoát nước bằng thẩm thấu điện.

Bơm vữa thấm:

Bơm vữa thấm thường được sử dụng để xi măng hóa nền đất đá nếu nền đủ thô và đồng đều để đạt được sự thâm nhập vữa đáng tin cậy. Vữa xi măng vi mịn hoặc vữa hóa học (nhựa) được sử dụng cho đất hạt mịn hơn.

Khi đất không đủ đồng đều hoặc không thể bơm vữa, các biện pháp khác như jet grouting hoặc trộn đất được sử dụng. Các phương pháp này chủ động thay đổi cấu trúc nền bằng cách trộn nền với chất kết dính như vữa xi măng hoặc vôi. Jet grouting sử dụng tia hỗn hợp nước–vữa áp lực cao để cắt nền và trộn nền với chất ổn định, tạo ra các cột đất cải thiện có đường kính đáng kể. Người đọc có thể tham khảo Ground Improvement Methods Reference Manual (FHWA 2004) để biết thêm chi tiết.

Đóng băng nền:

Đóng băng nền thường được xem là “giải pháp cuối cùng” do chi phí cao so với các biện pháp cải thiện nền khác. Tuy nhiên, đóng băng nền đạt được độ tin cậy cao trong cải tạo nền. Điều này đặc biệt đúng với các loại đất không đồng nhất. Nền bị đóng băng tạo ra màn chắn nước ngầm, đồng thời các đặc tính cơ học của nó được tăng đủ để cho phép đào và lắp đặt chống đỡ hiệu quả, an toàn dưới sự bảo vệ của khối đất đóng băng. Đóng băng nền đã cung cấp các giải pháp cho đào hầm trong các điều kiện rất phức tạp tại khu vực đô thị.

Người đọc cũng được tham khảo Chương 7 để xem thảo luận về các kỹ thuật cải thiện nền nêu trên. Chương 15 trình bày một ứng dụng đóng băng nền cho hầm hộp kích đẩy.

9.5.5 Cửa hầm

9.5.5.1 Tổng quát

Phần này mô tả bố trí của các kết cấu cửa hầm tạm thời cho hầm đường bộ thường được xây dựng bằng phương pháp đào SEM. Các kết cấu này bảo vệ chống đá rơi và ổn định gương cửa hầm, nơi bắt đầu đào hầm SEM, qua đó tạo điều kiện khởi đầu cho việc đào hầm an toàn.

Các mái che bê tông phun cũng thường được sử dụng như phần kéo dài của hầm và được tích hợp vào kiến trúc cuối cùng của cửa hầm. Vỏ hầm hoàn thiện được đúc dựa vào các mái che bê tông phun này, và do đó hình học bên trong hầm được đồng nhất từ đoạn cut-and-cover (mái che bê tông phun) sang đoạn hầm đào ngầm. Các mái che bê tông phun được lấp đất lại ở trạng thái hoàn thiện cuối cùng.

9.5.5.2 Pre-support và đai cửa hầm

Mức độ phong hóa và nới lỏng của đá gần bề mặt phải được xử lý khi bắt đầu thi công hầm. Ngay cả trong khối đá nhìn chung tốt, hiện tượng phong hóa và nới lỏng gần bề mặt vẫn đòi hỏi phải có pre-support tại cửa hầm.

Sau khi dọn sạch bề mặt và lắp đặt hệ chống đỡ đá cần thiết tại gương cửa hầm, cần lắp đặt một hàng pre-spiling nằm ngang hoặc các ống thép bơm vữa để tạo pre-support cho các bước đào ban đầu của thi công hầm. Tùy theo mức độ và chiều sâu phong hóa, pre-support này thường dài từ 10 ft (3 m) đến 60 ft (18 m), và các phần tử gia cường được bơm vữa cố định tại chỗ. Các phần tử pre-support thường được bố trí với khoảng cách tim 12 in. (0.30 m) quanh khoang hầm tương lai. Pre-support hầm tại cửa hầm như vậy được thể hiện trong Hình 9-18.

Sau khi lắp đặt pre-support, cần thi công một đai bê tông phun cốt thép được liên kết với các phần tử pre-support nhô ra. Đai này phải chạy theo chu vi hầm, kéo dài từ vách bên này sang vách bên kia. Trong nền mềm, đai có thể kéo dài quanh toàn bộ chu vi hầm. Đai này tạo ổn định cho nền đất đá trong vùng lân cận trực tiếp của khoang hầm tương lai và được liên kết kết cấu với vỏ bê tông phun ban đầu cho bước đào hầm đầu tiên.

9.5.5.3 Mái che bê tông phun

Mái che bê tông phun bao gồm bê tông phun cốt thép và dầm lưới. Mái che được đặt trên một móng băng kéo dài suốt toàn bộ chiều dài mái che. Chiều dài mái che phụ thuộc vào yêu cầu bảo vệ chống đá rơi và các điều kiện cục bộ như tải trọng gió, yêu cầu thông gió tạm thời và nhu cầu của kết cấu hầm hoàn thiện.

Mái che cửa hầm phải được thiết kế chịu tải trọng đá rơi và tuyết, tải trọng thi công, tĩnh tải và mọi tải trọng gió theo điều kiện công trường. Mái che cũng đóng vai trò làm ván khuôn phía ngoài để thi công vỏ hầm hoàn thiện trong khu vực cửa hầm. Hình 9-19 thể hiện quá trình thi công mái che bê tông phun, trong đó ba dầm lưới đầu tiên và cốt gia cường đã được đặt, và bê tông phun đang được phun lên tấm kim loại giãn đặt ở mặt ngoài của các dầm lưới.

9.6 CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU

9.6.1 Tương tác nền đất đá – kết cấu

SEM thực hiện đào và chống đỡ theo các giai đoạn riêng biệt, với các giới hạn đặt ra đối với kích thước diện đào và chiều dài bước đào, sau đó là việc áp dụng các biện pháp chống đỡ ban đầu. Đặc biệt, vỏ bê tông phun có chức năng khóa liên kết và tạo ra hệ chống đỡ sớm, liên tục. Để giải quyết đầy đủ phương pháp đào và chống đỡ tuần tự này, thiết kế kết cấu phải dựa trên việc sử dụng các phương pháp số, tức là phương pháp phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn hoặc phần tử rời rạc (xem thêm Chương 6). Các phương pháp số này có khả năng xét đến tương tác nền đất đá – kết cấu. Chúng cho phép mô phỏng nền đất đá, các phần tử kết cấu dùng cho chống đỡ nền ban đầu và cuối cùng, đồng thời cho phép xấp xỉ trình tự thi công.

Các phân tích khung nhúng có những hạn chế trong việc mô tả đầy đủ tương tác nền đất đá – kết cấu. Do đó, và do các phương pháp này không thể mô phỏng trình tự đào, việc sử dụng chúng nên được giới hạn cho các ứng dụng mà hiện tượng tương tác nền đất đá – kết cấu, đặc biệt là sự phát triển của vòm chống đỡ trong nền, chỉ có tầm quan trọng thứ yếu. Ví dụ, đây là trường hợp các mái che bê tông phun thường được dựng tại cửa hầm như các kết cấu vỏ cốt thép đứng tự do hoặc được lấp đất lại, và các vỏ hầm hoàn thiện.

9.6.2 Mô hình số

9.6.2.1 Tính toán hai chiều và ba chiều

Nhìn chung, việc sử dụng các mô hình hai chiều là đủ đối với các kết cấu tuyến. Khi dự kiến có trạng thái ứng suất ba chiều, chẳng hạn tại các nút giao giữa hầm chính và lối ngang, hoặc khi cần khảo sát chi tiết tại gương hầm, ví dụ ứng xử của pre-support dạng pipe arch, thì nên sử dụng mô hình ba chiều.

9.6.2.2 Mô hình vật liệu

Khi mô phỏng nền đất đá, các mô hình kết cấu phải xét đến các đặc trưng của môi trường đào hầm. Các mô hình vật liệu dùng để mô tả ứng xử của nền đất đá phải áp dụng các quan hệ ứng xử phù hợp để xét đến cả miền đàn hồi và không đàn hồi của từng loại vật liệu. Ví dụ, khi đào hầm trong đá, phải xét đến cả đá nguyên khối cũng như cấu trúc khối đá, tức là sự hiện diện của các mặt gián đoạn. Thông thường, tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb hoặc Drucker-Prager được áp dụng để mô phỏng cả vật liệu đá và đất. Các chương trình phần tử hữu hạn ban đầu được phát triển để mô phỏng đào ngầm trong đá, như Phase 2 của Rocscience, Inc., cũng cho phép sử dụng ứng xử vật liệu khối đá theo các tham số khối đá Hoek và Brown (Hoek và Brown, 1980, 2002).

9.6.2.3 Tải trọng nền – Mô phỏng trình tự thi công SEM

Đào hầm gây ra sự xáo trộn trạng thái ứng suất ban đầu trong nền đất đá và tạo ra trạng thái ứng suất ba chiều dưới dạng một vùng dạng củ hành quanh gương hầm đang tiến triển. Trạng thái ứng suất như vậy được minh họa trong Hình 9-20.

Ở xa phía trước gương hầm đang tiến triển, trạng thái ứng suất ban đầu được biểu diễn bằng các quỹ đạo ứng suất thẳng đứng và nằm ngang, lần lượt biểu thị ứng suất chính lớn và ứng suất chính nhỏ, giả định rằng ứng suất thẳng đứng lớn hơn ứng suất nằm ngang trong trường ứng suất địa tĩnh. Tại gương hầm, các ứng suất đi vòng quanh khoang hầm dạng vòm phía trước phần đào hầm và phía sau vào vỏ hầm ban đầu mới thi công theo phương dọc hầm, cũng như sang hai bên khoang hầm theo phương vuông góc với hướng đào hầm. Ở khoảng cách mà hầm không còn bị ảnh hưởng bởi điều kiện ứng suất ba chiều quanh gương hầm đang hoạt động, điều kiện tạo vòm hai chiều được thiết lập.

Phạm vi xáo trộn ứng suất quanh một top heading đang hoạt động phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện nền đất đá, kích thước diện đào và chiều dài bước đào. Xáo trộn này bắt đầu cách gương hầm đang hoạt động khoảng hai đường kính đào, như minh họa trong Hình 9-21. Thiết kế SEM quy định các giới hạn về kích thước diện đào và chiều dài bước đào, đồng thời quy định việc lắp đặt các phần tử chống đỡ ban đầu, thường sau mỗi bước đào riêng lẻ hoặc ngay sau đó. Các yêu cầu này được thể hiện trong từng Cấp đào và chống đỡ riêng biệt (ESC, xem Chương 9.5.3). Do đó, các phần tử chống đỡ ban đầu được lắp đặt trong vùng được che chắn bởi một vòm chịu tải quanh khoang hầm mới tạo, tại khu vực đã xảy ra một phần biến dạng trước đó. Khi quá trình đào hầm tiến triển, bê tông phun đông cứng từ bê tông phun ban đầu còn “non” và bắt đầu chịu tải đầy đủ ở khoảng cách khoảng một đến hai đường kính hầm tính từ gương. Trình tự này, kết hợp với việc lắp đặt chống đỡ sớm, góp phần phát triển khả năng tự chống đỡ của nền đất đá. Nó còn giúp giảm thiểu biến dạng và sự nới lỏng của nền.

Hình 9-21 SEM Tunneling và xáo động nền đất/đá (theo OGG, 2007)

Do đó, điều quan trọng là phải mô phỏng sát trình tự đào và chống đỡ này trong các phân tích số. Đối với đánh giá kết cấu vỏ bê tông phun, cần phân biệt giữa bê tông phun “non” tại thời điểm thi công và khi nó đã đạt cường độ thiết kế 28 ngày. Bê tông phun non thường được mô phỏng với mô đun đàn hồi thấp hơn trong các tính toán. Giá trị xấp xỉ bằng 1/3 mô đun đàn hồi của bê tông phun đã đông cứng thường được sử dụng để xấp xỉ bê tông phun non trong các ứng dụng hai chiều. Trong các mô phỏng ba chiều, bê tông phun có thể được mô hình hóa với các mô đun đàn hồi phù hợp với mức tăng cường độ dự kiến tại từng bước đào mà nó được lắp đặt.

Trình tự đào và lắp đặt chống đỡ có thể được mô phỏng tương đối dễ dàng trong các mô hình ba chiều. Tuy nhiên, trong mô hình hai chiều, phải sử dụng các kỹ thuật phụ trợ. Một phương pháp thường dùng dựa trên việc giảm mô đun nền bên trong chu vi đào trước khi đưa các phần tử vỏ hầm ban đầu vào mô hình. Các kỹ thuật khác bao gồm sử dụng các lực chống đỡ tác dụng lên chu vi khoang hầm. Do được sử dụng phổ biến, phương pháp giảm mô đun nền được dùng để mô tả một trình tự mô hình hóa hai chiều điển hình cho đào và chống đỡ hầm SEM của kết cấu tuyến dưới đây. Một ví dụ tính toán được trình bày trong Mục 9.7.3.7.

• Mô phỏng các ứng suất tại hiện trường, bao gồm trường ứng suất địa tĩnh và tải trọng bề mặt nếu áp dụng.
• Mô phỏng việc đào của bước đào tương ứng bằng cách giảm mô đun đàn hồi của nền nằm trong ranh giới hình học của bước đào xuống khoảng 40%–60% giá trị ban đầu. Mục đích của việc giảm mô đun là tạo ra biến dạng trước của nền trước khi lắp đặt các biện pháp chống đỡ ban đầu. Mức độ giảm mô đun chỉ áp dụng trong khu vực diễn ra đào, tức là một drift như top heading, bench hoặc invert. Đây là một biện pháp quy ước dùng để mô phỏng trong tính toán hai chiều sự phân bố ứng suất ba chiều tại gương hầm, nếu không sẽ không mô phỏng được. Giá trị 40%–60% là mức giảm thường dùng và thể hiện một khoảng điển hình (Mohr và Pierau, 2004; Coulter và Martin, 2004). Mức giảm cao hơn sẽ tạo ra biến dạng lớn hơn, còn mức giảm thấp hơn sẽ tạo ra biến dạng nhỏ hơn của nền đất đá xung quanh. Một phân tích độ nhạy liên quan đến giá trị giảm thực tế thường là một phần của tính toán.
• Kích hoạt các phần tử chống đỡ ban đầu theo giả định thiết kế để mô phỏng việc lắp đặt chống đỡ ban đầu. Vì bê tông phun chưa phát triển đến cường độ thiết kế tại giai đoạn này, các đặc tính đàn hồi giảm của bê tông phun, tức là mô đun, được xét ban đầu với giá trị khoảng 1/3 của bê tông phun đã đông cứng. Trong các giai đoạn mô phỏng tiếp theo, mô đun bê tông phun sau đó được tăng lên đến cường độ thiết kế 28 ngày để mô phỏng vỏ bê tông phun đã đông cứng hoàn toàn.
• Loại bỏ các phần tử nền trong drift tương ứng, qua đó hoàn thành việc đào và chống đỡ trong bước đào đó.
• Lặp lại trình tự này cho đến khi tất cả các drift của hình học tiết diện hầm hoàn thiện đã được đào và chống đỡ.

Sau khi hoàn tất, việc mô hình hóa đào hầm và lắp đặt chống đỡ ban đầu được xem là hoàn thành. Việc lắp đặt vỏ hầm hoàn thiện thường diễn ra sau khi mọi biến dạng của khoang hầm đã chấm dứt. Để xét đến thực tế này, các tính toán thực hiện lắp đặt vỏ hầm hoàn thiện vào trạng thái không chịu ứng suất ban đầu. Khi đó, vỏ hầm hoàn thiện chỉ chịu tải trọng do bất kỳ phần đất đá nào bị nới lỏng hoặc rơi xuống từ hệ chống đỡ ban đầu, ảnh hưởng dài hạn do lưu biến và nước ngầm nếu áp dụng. Mặc dù việc mô hình hóa vỏ hầm hoàn thiện thường được thực hiện bằng các phân tích khung nhúng riêng biệt, như trong Chương 10, việc phân tích trong mô hình số tương tác nền đất đá – kết cấu sẽ phù hợp nhất và có thể trực tiếp theo sau sau khi chống đỡ ban đầu được lắp đặt như sau:

• Kích hoạt các phần tử kết cấu đại diện cho vỏ hầm hoàn thiện.
• Nếu mô hình có sử dụng các phần tử gia cường đá tạm thời không được bảo vệ chống ăn mòn, thì tất cả các phần tử chống đỡ đó sẽ được vô hiệu hóa.
• Nếu nước ngầm nhìn chung có tính xâm thực và có thể giả định rằng vỏ bê tông phun ban đầu sẽ suy giảm chất lượng dài hạn, thì giả định rằng trong tính toán dài hạn không xét bất kỳ chức năng chống đỡ đóng góp nào từ vỏ bê tông phun ban đầu. Điều này đã được giả định truyền thống trong các dự án như Lehigh Tunnel, Cumberland Gap Tunnels và các hầm NATM trên Washington, DC Metro. Washington Metropolitan Area Transit Authority (WMATA) có nhiều kinh nghiệm trong thiết kế và thi công các hầm NATM trong cả nền mềm và đá (Rudolf và nnk., 2007). Đến nay, trên các dự án WMATA thường giả định rằng vỏ bê tông phun ban đầu sẽ suy giảm theo thời gian. Cách tính toán này sẽ tạo ra thiết kế vỏ hầm hoàn thiện thiên về an toàn. Tuy nhiên, do hiện nay chất lượng chế tạo bê tông phun cao, và trong điều kiện nền và nước ngầm không xâm thực đặc biệt, có thể chấp nhận giả định rằng khi vỏ bê tông phun ban đầu dày hơn khoảng 6 in. (150 mm), thì 50% khả năng chịu lực kết cấu của nó có thể được xét trong tính toán vỏ hầm hoàn thiện. Việc loại bỏ kết hợp các phần tử chống đỡ ban đầu, gồm gia cường đá và vỏ bê tông phun ban đầu, sẽ làm tăng tải trọng nền tác dụng lên vỏ hầm hoàn thiện trong dài hạn.
• Ngoài tải trọng nền, vỏ bê tông sẽ chịu tải trọng thủy tĩnh trong các hệ chống thấm không thoát nước hoặc thoát nước một phần. Trường hợp tải trọng này thường xảy ra rất lâu trước khi vỏ hầm hoàn thiện chịu bất kỳ tải trọng nền nào và phải được xét riêng trong tính toán.
• Các tính toán vỏ hầm hoàn thiện xem xét sự tồn tại của hệ chống thấm được đặt giữa vỏ bê tông phun ban đầu và vỏ hầm hoàn thiện. Màng nhựa sẽ đóng vai trò như một lớp tách dính về mặt truyền ứng suất cắt. Do đó, cần sử dụng các kỹ thuật mô phỏng để mô phỏng “lớp trượt” này. Điều này được thực hiện bằng cách chỉ cho phép truyền lực hướng tâm từ vỏ ban đầu sang vỏ hầm hoàn thiện.

9.6.2.4 Ứng suất và biến dạng nền đất đá

Mỗi bước mô phỏng đào và lắp đặt chống đỡ ban đầu cho phép phân tích phản ứng của nền đất đá, được thể hiện qua biến dạng, biến dạng đơn vị và ứng suất. Có thể thu được cả phần biến dạng đơn vị đàn hồi và, nếu đã chảy dẻo, phần biến dạng đơn vị không đàn hồi, để đánh giá trạng thái ứng suất trong nền và khả năng dự trữ sức chịu tải của nền. Ứng suất, biến dạng đơn vị và lực dọc trục có trong các phần tử chống đỡ nền như chốt đá và bu lông đá. Các chương trình tính toán thường cung cấp các thông tin này dưới dạng hiển thị thân thiện với người dùng, bằng định dạng số và đồ họa.

9.6.2.5 Nội lực vỏ hầm

Nội lực tiết diện và ứng suất có thể được lấy cho các phần tử dầm hai chiều hoặc phần tử vỏ ba chiều. Các tổ hợp nội lực tiết diện và mô men được sử dụng để đánh giá khả năng chịu lực của vỏ bê tông phun ban đầu và vỏ bê tông hoàn thiện theo ACI 318 hoặc các tiêu chuẩn thiết kế bê tông được chấp nhận khác. Việc chấp nhận tiêu chuẩn thường do chủ đầu tư quyết định. Ví dụ, WMATA cho phép sử dụng tiêu chuẩn công nghiệp Đức DIN 1045 để thiết kế vỏ bê tông đổ tại chỗ hoàn thiện, không cốt thép.

Dựa trên đánh giá này, kiểm tra sự phù hợp của chiều dày vỏ hầm và cốt gia cường nếu có. Nếu kích thước đã chọn không đủ, mô hình phải được chạy lại với kích thước và/hoặc cốt gia cường tăng lên. Quá trình này là một cách tiếp cận lặp cho đến khi thỏa mãn các tiêu chuẩn thiết kế.

Các tính toán này không phân biệt loại hình thi công vỏ hầm; do đó, vỏ bê tông phun và vỏ hoàn thiện đổ tại chỗ được xử lý theo cùng một cách trong chương trình, sử dụng các đặc tính và đặc trưng vật liệu của bê tông.

9.6.2.6 Các phần tử gia cường nền đất đá

Các phần tử gia cường nền đất đá là bu lông đá và chốt đá. Chúng được kích hoạt trong tính toán phù hợp với thiết kế đào và lắp đặt chống đỡ SEM. Sau khi được đưa vào mô hình và chịu tải trong quá trình mô phỏng đào và chống đỡ, có thể lấy nội lực tiết diện và ứng suất để đánh giá mức độ phù hợp của chúng. Ứng suất và lực được so sánh với khả năng chịu lực của từng chốt đá hoặc bu lông đá.

9.6.2.7 Ví dụ tính toán

Một ví dụ tính toán (Phụ lục F) minh họa việc phân tích đào hầm SEM và thiết kế vỏ hầm cho một hầm đường bộ hai làn điển hình, sử dụng chương trình phần tử hữu hạn Phase2 của Rocscience, Inc. Việc tính toán được thực hiện theo từng giai đoạn và tuân theo phương pháp trình bày trong Mục 9.6.2.3 ở trên; đồng thời đánh giá phản ứng của nền như chỉ ra trong Mục 9.6.2.4 và đánh giá các phần tử chống đỡ như mô tả trong Mục 9.6.2.5 và 9.6.2.6.

9.6.3 Xem xét tải trọng tương lai

Chủ yếu nhờ tính mềm dẻo và khả năng giảm lún bề mặt, thường kết hợp với các biện pháp cải thiện nền, SEM được sử dụng thường xuyên trong xây dựng hầm đường bộ tại khu vực đô thị. Đặc biệt trong các trường hợp như vậy, cần xem xét mọi tải trọng tương lai có thể tác dụng lên hầm mà vỏ hầm hoàn thiện phải được thiết kế để chịu. Các tải trọng đó bao gồm, trong số những tải trọng khác, nhà cửa, móng công trình và các kết cấu ngầm khác phục vụ nhu cầu hạ tầng trong tương lai. Các tải trọng này có thể dễ dàng được đưa vào phương pháp tính toán trình bày ở trên dưới dạng tải trọng mô hình bên ngoài hoặc bên trong.

9.7 QUAN TRẮC VÀ THEO DÕI

9.7.1 Tổng quát

Một phần không thể tách rời của đào hầm SEM là việc kiểm chứng các giả định thiết kế bằng quan trắc tại hiện trường, liên quan đến tương tác giữa nền đất đá và hệ chống đỡ ban đầu như một phản ứng đối với quá trình đào.

Vì mục đích này, một chương trình thiết bị quan trắc và theo dõi riêng được lập ra, bên cạnh các chương trình quan trắc chung liên quan đến toàn bộ công tác đào hầm, tức là quan trắc trên mặt và dưới mặt đất. Hệ thiết bị quan trắc hầm SEM nhằm đo đạc chi tiết và có hệ thống độ võng/chuyển vị của vỏ hầm ban đầu.

Mặc dù quan trắc biến dạng là trọng tâm chính, trước đây ứng suất trong vỏ bê tông phun ban đầu và ứng suất giữa vỏ bê tông phun với nền đất đá cũng từng được quan trắc để ghi nhận trạng thái ứng suất trong vỏ hầm và giữa vỏ hầm với nền. Tuy nhiên, do độ tin cậy của các ô đo ứng suất, độ phức tạp khi lắp đặt và khó khăn trong việc thu được số liệu chính xác, ngày nay trong các ứng dụng đào hầm tiêu chuẩn thường chỉ dựa vào quan trắc biến dạng. Việc sử dụng ô đo ứng suất thường chỉ dành cho các trường hợp cần hiểu biết về điều kiện ứng suất, ví dụ khi tồn tại ứng suất nền tại hiện trường cao và bất thường, hoặc khi có tải trọng bề mặt lớn trong khu vực đô thị.

Dữ liệu quan trắc được thu thập, xử lý và diễn giải để cung cấp các đánh giá sớm về:

• Việc lựa chọn phù hợp loại chống đỡ ban đầu và thời điểm lắp đặt chống đỡ, kết hợp với trình tự đào đã quy định;
• Sự ổn định của nền đất đá xung quanh thông qua hiện tượng vòm nền tự chống đỡ;
• Hiệu quả của công tác thi công về kỹ thuật đào và lắp đặt chống đỡ;
• Các biện pháp an toàn cho lực lượng thi công và cộng đồng;
• Ứng xử ứng suất/lún dài hạn phục vụ đánh giá an toàn cuối cùng;
• Các tham số thiết kế giả định, như đặc trưng cường độ của nền đất đá và ứng suất tại hiện trường dùng trong tính toán thiết kế kết cấu.

Dựa trên các thông tin này, có thể đưa ra các quyết định tức thời tại hiện trường về trình tự đào và chống đỡ ban đầu phù hợp trong phạm vi các cấp phản ứng nền đất đá (GRC) đã cho và theo các cấp đào và chống đỡ (ESC) đã thiết kế.

9.7.2 Thiết bị quan trắc trên và dưới mặt đất

Hệ thiết bị quan trắc chung nên bao gồm các mốc đo lún bề mặt, mốc chuẩn sâu có ống bảo vệ, thiết bị đo lún nông và sâu dưới mặt đất, inclinometer, extensometer nhiều điểm trong lỗ khoan và piezometer.

Vị trí, loại và số lượng các thiết bị này nên được xác định thông qua trao đổi giữa các nhóm thiết kế dân dụng, kết cấu, địa kỹ thuật và SEM, nhằm cung cấp thông tin về lún của các công trình trên mặt và dưới mặt đất, đồng thời bổ sung cho các số liệu quan trắc hầm SEM.

9.7.3 Thiết bị quan trắc trong hầm

Thiết bị đo biến dạng:

Các thiết bị được lắp đặt ở nóc hầm và tại các điểm được chọn dọc theo vách hầm để theo dõi các thành phần biến dạng theo phương đứng, phương ngang và phương dọc hầm. Số lượng điểm đo và vị trí chi tiết phụ thuộc vào kích thước hầm và trình tự đào trong các ứng dụng nhiều drift. Tối thiểu, vách của mỗi drift, kể cả vách tạm, nên được trang bị thiết bị có khả năng đo biến dạng. Thông thường, các tiêu quang học được lắp đặt cho mục đích này. Hình 9-22 thể hiện một loạt mặt cắt quan trắc biến dạng trong hầm SEM sử dụng các tiêu quang học. Các tiêu quang học là các điểm phản xạ màu trắng được bố trí tại nóc hầm và vách bên hầm.

Đo ứng suất:

Nếu cần thông tin về ứng suất, nên đo bằng thiết bị đo trực tiếp, không phụ thuộc vào việc chuyển đổi thêm, chẳng hạn từ biến dạng đơn vị sang ứng suất. Ví dụ, các thiết bị dựa trên nguyên lý strain gage đòi hỏi phải biết mô đun đàn hồi của vật liệu để chuyển đổi biến dạng đơn vị thành ứng suất. Điều này đưa thêm một tham số cần ước tính, từ đó tạo ra một mức bất định thứ cấp.

Việc đo ứng suất trong vỏ bê tông phun thường được thực hiện bằng các ô áp lực thủy lực chứa thủy ngân, trong khi đo ứng suất nền đất đá được thực hiện bằng các ô chứa dầu. Nếu cần quan trắc ứng suất, các ô đo tải trọng nền và ô đo áp lực bê tông nên được bố trí theo từng cặp.

9.7.4 Các mặt cắt quan trắc SEM

Các thiết bị quan trắc được nhóm thành các mặt cắt quan trắc (MCS). Các MCS này được thể hiện cùng với bố trí thiết bị tương ứng, chỉ rõ vị trí và số lượng thiết bị trong từng MCS. Các MCS điển hình được thể hiện trên bản vẽ thiết kế cho từng dạng hình học mặt cắt hầm và trình tự đào riêng biệt. Vị trí của các mặt cắt quan trắc tương ứng được thể hiện trên các bản vẽ quan trắc riêng theo lý trình. Một ví dụ về MCS biến dạng được thể hiện trong Hình 9-23.

Trong quá trình thi công, việc lắp đặt tất cả các MCS (Monitoring and Control Systems – hệ thống quan trắc và kiểm soát) được ghi nhận bằng mô tả chi tiết về điều kiện địa chất và điều kiện thi công hầm tại hiện trường, kèm theo các bản phác thảo thể hiện chính xác vị trí của các thiết bị đo và chiều dày thực tế của lớp lót shotcrete.

Trong quá trình thi công, việc lắp đặt tất cả các MCS được ghi nhận bằng mô tả chi tiết về điều kiện địa chất và điều kiện đào hầm tại hiện trường, sử dụng các bản phác họa thể hiện vị trí chính xác của thiết bị và chiều dày thực tế của vỏ bê tông phun.

9.7.5 Diễn giải kết quả quan trắc

Tất cả số đọc phải được thu thập và ghi chép đầy đủ, có hệ thống. Một kỹ sư hầm SEM có kinh nghiệm, thường là kỹ sư thiết kế hầm SEM, phải đánh giá dữ liệu, đôi khi kết hợp với quan sát trực quan vỏ bê tông phun ban đầu để phát hiện dấu hiệu hư hại, ví dụ như nứt.

Để thiết lập mối quan hệ trực tiếp giữa ứng xử của hầm và nền đất đá khi chúng phản ứng với quá trình đào hầm, nên thể hiện sự phát triển của các giá trị quan trắc theo tiến độ hầm. Việc này bao gồm một biểu đồ kết hợp thể hiện giá trị quan trắc, tức là biến dạng, ứng suất hoặc giá trị khác, theo thời gian; và tiến độ hầm theo thời gian.

Một ví dụ được thể hiện trong Hình 9-24. Trong ví dụ này, biến dạng điển hình của một điểm lún bề mặt nằm phía trên tim hầm được vẽ trên trục tung bên trái theo thời gian trên trục ngang. Cũng trên trục ngang thời gian này, tiến độ đào hầm được thể hiện theo lý trình trên trục tung bên phải. Như có thể thấy từ biểu đồ này, lún bề mặt tăng lên khi gương top heading và sau đó là gương bench/invert tiến đến, rồi đi trực tiếp bên dưới điểm đó và giảm dần khi cả hai gương lại di chuyển ra xa lý trình của điểm lún bề mặt.

Đường cong lún thể hiện ứng xử tiệm cận và trở nên gần như nằm ngang khi các gương đào đủ xa khỏi điểm quan trắc, cho thấy không còn biến dạng thêm liên quan đến đào hầm và lắp đặt chống đỡ trong nền, tức là đạt cân bằng và do đó nền ổn định.

Việc đánh giá kết quả quan trắc, cùng với hiểu biết về điều kiện nền đất đá cục bộ được thể hiện trên các phiếu lập bản đồ gương hầm có hệ thống, là cơ sở để kiểm chứng cấp đào và chống đỡ đã chọn (ESC), hoặc xác định nhu cầu điều chỉnh cấp đó.

(giải thích hinh 9-24)

Hình này đang kết hợp 2 thứ trên cùng một biểu đồ:

1. Độ lún bề mặt theo thời gian (đường màu tím)
2. Vị trí gương đào theo thời gian (đường xanh lá và xanh dương)

Mục đích là để xem: “Khi gương hầm tiến tới dưới điểm quan trắc thì mặt đất lún như thế nào?”

1. Trục của biểu đồ

Trục ngang (dưới cùng) Là thời gian → từ 1/3/06 đến 31/3/06.

Trục đứng bên trái là: → độ lún bề mặt (cm)
* 0 = chưa lún
* 1 cm = lún xuống 1 cm
* 1.5 cm = lún xuống 1.5 cm
Đường màu tím đọc theo trục này.

Trục đứng bên phải là: Excavation Station tức là lý trình của gương đào.
Ví dụ: STA. 223.0, STA. 224.0, STA. 225.0

Hai đường:
* xanh lá = gương top heading
* xanh dương = gương bench/invert
được đọc theo trục này.

2. Ý nghĩa các đường

(A) Đường tím = độ lún bề mặt
Đây là cái quan trọng nhất. Nó cho thấy:
* Ban đầu gần như chưa lún
* Khi gương đào tiến tới gần điểm quan trắc: → độ lún tăng nhanh
* Sau khi gương đào đi qua: → độ lún tăng chậm lại
* Cuối cùng: → gần như ổn định

(B) Đường xanh lá = vị trí gương top heading
Đường này cho biết: mỗi ngày gương top heading đào tới đâu.
Nó tăng dần theo thời gian vì hầm đang đào tiến lên.

(C) Đường xanh dương = vị trí gương bench/invert
Tương tự nhưng là:
* bench
* invert
nên luôn đi phía sau top heading.

3. Chỗ quan trọng nhất của hình
Nhìn đường nét đứt giữa hình: Excavation Faces @ Sta. 223.50
Đây là lúc:
* gương đào đi tới đúng vị trí của điểm quan trắc trên mặt đất.
Tức là:
* hầm đang nằm ngay dưới điểm đo lún.

4. Điều gì xảy ra lúc đó?
Quan sát đường tím:
+ Trước khi gương tới Lún tăng từ từ.
+ Khi gương tới gần Lún tăng rất nhanh.
Đây là giai đoạn:
* nền mất ứng suất mạnh nhất
* biến dạng lớn nhất.

Sau khi gương đi qua
Đường tím gần nằm ngang. Tức là:
* biến dạng đã giảm mạnh
* nền đạt cân bằng mới
* chống đỡ đã làm việc ổn định.
Đây chính là điều SEM muốn đạt được.

5. Ý nghĩa kỹ thuật của hình
Biểu đồ này dùng để kiểm tra:
* ESC chọn có đúng không?
* chống đỡ ban đầu đủ chưa?
* tốc độ lún có nguy hiểm không?
* nền đã ổn định chưa?
* có cần đổi cấp chống đỡ không?

6. Hiểu rất trực quan
Hãy tưởng tượng:
* bạn đứng trên mặt đất
* bên dưới có máy đào hầm tiến tới
Thì:
* Khi hầm còn xa → mặt đất gần như chưa lún.
* Khi hầm tiến tới ngay dưới chân bạn → mặt đất lún nhanh nhất.
* Khi hầm đi qua xa rồi → lún gần dừng lại.
Biểu đồ này chính là mô tả quá trình đó.

9.8 CÁC VẤN ĐỀ HỢP ĐỒNG

Thi công SEM đòi hỏi kinh nghiệm thực tế vững chắc và kỹ năng của nhân sự. Kỹ năng này liên quan đến việc sử dụng thiết bị thi công và xử lý vật liệu để lắp đặt chống đỡ ban đầu, bao gồm bê tông phun, dầm lưới, các biện pháp pre-support và các phần tử gia cường đá; và quan trọng hơn nữa là quan sát và đánh giá nền đất đá khi nền phản ứng với quá trình đào hầm. Do đó, điều quan trọng là phải đưa vào một quy trình đấu thầu xử lý chính thức nhu cầu này bằng cách quy định năng lực và kỹ năng của nhà thầu, cũng như thanh toán theo đơn giá như mô tả dưới đây. Đối với các vấn đề hợp đồng chung, xem Chương 14.

9.8.1 Sơ tuyển nhà thầu

Khuyến nghị rằng các nhà thầu tham gia đấu thầu phải được sơ tuyển để bảo đảm thi công hầm SEM bởi đội ngũ có kỹ năng. Việc sơ tuyển này có thể diễn ra rất sớm trong quá trình phát triển thiết kế, nhưng tối thiểu phải được thực hiện như một bước riêng trước khi mời thầu hầm. Trong các dự án SEM quan trọng, chẳng hạn như hầm NATM tại Russia Wharf ở Boston vào cuối thập niên 1990, chủ đầu tư đã mời các nhà thầu nộp hồ sơ năng lực ngay từ giai đoạn thiết kế sơ bộ. Việc sơ tuyển này tạo ra một nhóm nhà thầu đã được sơ tuyển, được mời góp ý cho thiết kế ở các giai đoạn thiết kế sơ bộ và thiết kế trung gian. Quy trình sớm này bảo đảm rằng các nhà thầu biết về công việc sắp tới và có thể lập kế hoạch trước để tổ chức lực lượng thi công đủ năng lực. Hồ sơ sơ tuyển phải xác định phạm vi công việc và yêu cầu kinh nghiệm tương tự đã có từ các dự án trước của công ty đào hầm và các nhân sự chủ chốt, bao gồm quản lý dự án, kỹ sư hầm và giám sát hầm. Tối thiểu, hồ sơ phải trình bày mô tả điều kiện nền đất đá, kích thước và chiều dài hầm, các chu kỳ đào và chống đỡ, và bất kỳ phương pháp đặc biệt nào dự kiến dùng để cải thiện nền.

9.8.2 Đơn giá

Khuyến nghị rằng đào hầm SEM được thực hiện theo hợp đồng dựa trên đơn giá. Đơn giá phù hợp với tính chất quan sát của đào hầm SEM và nhu cầu lắp đặt chống đỡ ban đầu theo hệ thống phân loại, cũng như khối lượng chống đỡ ban đầu bổ sung hoặc chống đỡ cục bộ theo yêu cầu của điều kiện hiện trường thực tế. Các hạng mục sau phải được đấu thầu trên cơ sở đơn giá:

• Đào và chống đỡ theo chiều dài tuyến tính cho tất cả công tác đào và lắp đặt chống đỡ ban đầu theo từng Cấp đào và chống đỡ (ESC). Hạng mục này phải bao gồm mọi biện pháp phụ trợ cần thiết để hạ mực nước và kiểm soát nước ngầm tại gương đào.
• Các biện pháp chống đỡ cục bộ, bao gồm:
  • Bê tông phun theo mỗi yard khối được thi công.
  • Các biện pháp pre-support như spiling, ống canopy và mọi phương tiện chống đỡ khác như bu lông đá và chốt đá, dầm lưới và chốt gương đào, phải được thanh toán theo từng cái (EA) được lắp đặt.
  • Thiết bị quan trắc và công tác quan trắc phải được thanh toán theo mỗi mặt cắt quan trắc điển hình được lắp đặt, bao gồm tất cả thiết bị, hoặc theo từng thiết bị được lắp đặt. Thanh toán bao gồm cả kết quả quan trắc đã nộp và phần diễn giải kết quả đó.
  • Các biện pháp cải thiện nền theo mỗi đơn vị được thực hiện, ví dụ khối lượng vữa bơm vào, bao gồm toàn bộ nhân công và thiết bị sử dụng.

Hệ chống thấm và vỏ hầm hoàn thiện được lắp đặt để hoàn thành kết cấu hầm SEM hai lớp điển hình có thể được mua sắm theo hình thức trọn gói hoặc theo chiều dài tuyến tính của hầm.

Khối lượng các biện pháp chống đỡ cục bộ, tức là chống đỡ ban đầu bổ sung, phải là một phần của hợp đồng để thiết lập cơ sở dự thầu.

9.9 NHÂN SỰ CÓ KINH NGHIỆM TRONG THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ QUẢN LÝ THI CÔNG

Do SEM dựa vào kinh nghiệm đào hầm, nên bắt buộc phải bố trí nhân sự có kinh nghiệm ngay từ đầu dự án, tức là trong giai đoạn lập kế hoạch và thiết kế. Thiết kế SEM phải được thực hiện bởi một kỹ sư thiết kế có kinh nghiệm. Ở giai đoạn phát triển dự án này, chủ đầu tư có trách nhiệm lựa chọn một nhóm bao gồm kỹ sư thiết kế hầm có kinh nghiệm thiết kế và thi công hầm SEM đã được chứng minh và phù hợp trước đó.

Hồ sơ hợp đồng hầm SEM phải xác định các năng lực tối thiểu của nhà thầu. Trong trường hợp này, việc dự án được thực hiện theo hình thức thiết kế–đấu thầu–xây dựng, thiết kế–xây dựng hay bất kỳ khung hợp đồng nào khác chỉ là vấn đề thứ yếu. Ví dụ, nếu dự án sử dụng hình thức thiết kế–xây dựng, thì bắt buộc nhà thầu xây dựng phải thuê một kỹ sư thiết kế hầm SEM có kinh nghiệm.

Hồ sơ hợp đồng thi công phải nêu rõ năng lực tối thiểu đối với nhân sự của nhà thầu, những người ban đầu sẽ chuẩn bị và sau đó thực hiện công tác hầm SEM. Đây là trường hợp đối với kỹ thuật hiện trường, các vai trò giám sát hiện trường và lực lượng lao động, những người phải có kỹ năng. Hồ sơ hợp đồng SEM yêu cầu kinh nghiệm tối thiểu của các nhân sự đào hầm chủ chốt, tính theo số năm làm việc ngoài hiện trường trong các dự án SEM tương tự. Nhân sự có kinh nghiệm sẽ bao gồm kỹ sư hầm SEM cao cấp, giám sát hầm và đốc công hầm. Tất cả các nhân sự này nên có tối thiểu mười (10) năm kinh nghiệm đào hầm SEM. Các nhân sự này chịu trách nhiệm hướng dẫn công tác đào và lắp đặt chống đỡ, đáp ứng các yêu cầu chính của đào hầm SEM:

• Quan sát nền đất đá;
• Đánh giá ứng xử của nền đất đá khi nền phản ứng với quá trình đào;
• Thực hiện chống đỡ ban đầu “đúng”.

Việc lập bản đồ gương hầm có hiểu biết, thực hiện chương trình thiết bị quan trắc và theo dõi, và diễn giải kết quả quan trắc hỗ trợ việc áp dụng đúng trình tự đào và lắp đặt chống đỡ. Hình 9-24 thể hiện một phiếu lập bản đồ gương hầm điển hình được dùng để ghi nhận điều kiện địa chất gặp tại hiện trường. Mặc dù phiếu này thể hiện việc lập bản đồ đá, việc lập bản đồ điều kiện nền mềm cũng tương tự và trình bày các đặc trưng của điều kiện đất dự kiến. Việc lập bản đồ gương hầm nên được thực hiện cho mỗi bước đào và được ghi nhận chính thức, có chữ ký xác nhận của cả nhà thầu và đại diện của chủ đầu tư.

Kỹ sư hầm SEM cao cấp thường là người có thẩm quyền SEM cao nhất của nhà thầu, và giám sát công tác đào, lắp đặt chống đỡ ban đầu, lắp đặt mọi biện pháp chống đỡ ban đầu cục bộ hoặc bổ sung, cũng như các biện pháp pre-support phù hợp với yêu cầu hợp đồng và được điều chỉnh theo điều kiện nền đất đá gặp tại hiện trường. Do đó, nền gặp phải được phân loại theo hồ sơ hợp đồng thành các cấp phản ứng nền đất đá (GRC) và các cấp đào và chống đỡ (ESC) thích hợp theo cơ sở hợp đồng. Mọi nhu cầu về chống đỡ ban đầu bổ sung và/hoặc các biện pháp pre-support được đánh giá và thực hiện. Nhiệm vụ này được thực hiện hằng ngày, trực tiếp tại gương hầm đang hoạt động, và được thảo luận với đại diện của chủ đầu tư cho từng bước đào. Kết quả của quá trình này sau đó được ghi nhận trên các biểu mẫu, rồi được đại diện của nhà thầu và chủ đầu tư ký xác nhận đồng thuận.

Việc đánh giá thường xuyên điều kiện nền đất đá này giúp duy trì nhận thức liên tục về điều kiện đào hầm, cho phép đánh giá sớm mức độ đầy đủ của các biện pháp chống đỡ và khi cần, triển khai các biện pháp dự phòng có thể vượt ngoài các biện pháp chống đỡ ban đầu bổ sung. Các biện pháp dự phòng như vậy có thể bao gồm pre-support nặng, các biện pháp ổn định gương hầm, hoặc thậm chí các biện pháp cải thiện nền có hệ thống.

Để có thể hỗ trợ quá trình đánh giá liên tục này thay mặt chủ đầu tư, đội quản lý thi công (CM) và kiểm tra cũng phải có kinh nghiệm SEM. Các nhân sự giám sát CM này độc lập với bên thi công, và khuyến nghị rằng đội ngũ này nên bao gồm đại diện của kỹ sư thiết kế. Khi có mặt tại hiện trường, kỹ sư thiết kế có thể kiểm chứng các giả định thiết kế và hỗ trợ việc thực hiện đúng ý đồ thiết kế.

Tuy nhiên, thường xảy ra trường hợp vai trò CM được đảm nhiệm bởi một đơn vị quản lý thi công đã được giao vai trò tổng thể cho một dự án, trong đó công tác đào hầm có thể chỉ là một phần của phạm vi công việc. Nếu đúng như vậy, điều quan trọng là CM phải nắm thật rõ thiết kế hầm SEM và cơ sở thiết kế của nó. Vì mục đích này, khuyến nghị rằng CM tham gia vào quá trình rà soát thiết kế trong giai đoạn phát triển thiết kế từ sớm cho đến khi đấu thầu công tác hầm. Nếu không thể đưa kỹ sư thiết kế hầm vào đội ngũ CM, thì CM nên được tăng cường bằng nhân sự SEM độc lập, có kinh nghiệm của bên thứ ba, khi công tác thi công hầm được thực hiện tại hiện trường.

Yếu tố then chốt để đào hầm SEM an toàn và thành công là hiểu biết vững chắc về các nguyên lý SEM và kinh nghiệm đầy đủ trong việc thực hiện phương pháp này.

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