Các phương pháp lộ thiên xây dựng công trình ngầm

1

Các công nghệ thi công công trình ngầm (CTN) rất phong phú và đa dạng, đặc trưng bởi các tổ hợp khá linh hoạt của nhiều giải pháp kỹ thuật và sơ đồ công nghệ khác nhau. Tên gọi của các phương pháp công nghệ thi công công trình ngầm cũng có nhiều xuất xứ khác nhau, có thể theo nơi đã phát triển công nghệ, phương pháp thi công, theo giải pháp kỹ thuật phổ biến và nhiều khi còn là do thói quen. Người thiết kế và thi công có thể linh hoạt lựa chọn các phương pháp thi công, các giải pháp kỹ thuật xử lý các tình huống có thể xảy ra, trên cơ sở hiểu biết rõ ràng, đầy đủ về các yếu tố, các khâu kỹ thuật quan trọng của công nghệ thi công.
Theo vị trí của không gian thi công các kết cấu công trình ngầm có thể phân các phương pháp thi công vào hai nhóm là phương pháp thi công lộ thiên và phương pháp thi công ngầm.
Đặc điểm chung của các phương pháp thi công lộ thiên là một phần hay toàn bộ kết cấu của công trình ngầm được thi công xây dựng, hay lắp dựng trên mặt đất, trong các hố đào hở. Trong khi đó kết cấu của công trình ngầm, được thi công bằng phương pháp thi công ngầm, được lắp dựng ngầm, ngay trong lòng khối đất/đá, không thể quan sát trực tiếp từ trên mặt đất (Hình 1).

Hình 1. Xây dựng công trình ngầm bằng phương pháp lộ thiên và ngầm

Trong thực tế, các đường lò trong mỏ hầm lò, thường được thi công bằng phương pháp ngầm, hay phương pháp mỏ. Nhiều công trình dân dụng, như các hầm giao thông, các hố móng sâu như các tầng hầm nhà cao tầng, các đường ống kỹ thuật như đường điện ngầm, đường ống dẫn nước, khí đốt,…, thường được xây dựng bằng phương pháp thi công lộ thiên. Ở đây giới thiệu một cách khái quát về phương pháp thi công lộ thiên và các vấn đề liên quan

PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG LỘ THIÊN

Có thể nói rằng, các phương pháp thi công lộ thiên đã được phát triển mạnh và khá hoàn chỉnh về công nghệ, mặc dù ra đời sau các phương pháp thi công ngầm. Các phương pháp thi công lộ thiên khác nhau ở phương thức, tiến trình công việc và có thể phân ra các nhóm khác nhau, tùy theo tiêu chí phân nhóm.
Chẳng hạn, theo đặc điểm của công nghệ thi công, các phương pháp thi công lộ thiên có thể được phân thành ba nhóm, bao gồm: 1) Phương pháp thi công hở; 2) Phương pháp hạ dần; và 3) Phương pháp hạ chìm hay hầm dìm. Trên hình 2 minh họa các nhóm phương pháp thi công lộ thiên.

Hình 2. Các phương pháp thi công lộ thiên

Trong đó, phương pháp thi công hở có đặc điểm, đó là, các kết cấu của công trình ngầm được lắp dựng trong các hào, hố, được đào hở từng phần, hay toàn phần. Phương pháp hạ dần (cũng còn gọi là hạ đoạn) có đặc điểm là toàn bộ kết cấu được lắp dựng tại vị trí thi công và được “hạ dần” hay “hạ đoạn” vào trong lòng đất. Bằng phương pháp hạ chìm, kết cấu công trình ngầm cũng được lắp dựng trên mặt đất, dưới dạng các hộp nổi, sau đó được kéo đẩy ra mặt sông, hồ, biển và được hạ chìm dần (dìm) vào vị trí thi công đã chuẩn bị sẵn ở đáy sông, biển, tạo thành các công trình ngầm nằm trên đáy sông, hồ, biển, được gọi là “hầm chìm”; hoặc được lắp dựng với các kết cấu khác nằm trong lòng nước ở dạng ‘cầu chìm’ trong nước hay “hẩm nổi”, như minh họa trên Hình 3.

Hình 3. Các dạng công trình ngầm: hầm nổi, hầm chìm và hầm ngầm

Theo trình tự hay thứ tự thi công, các phương pháp trên lại được phân ra ba phương thức khác nhau, thể hiện trong các sơ đồ minh hoạt trên Hình 4.

Hình 4. Các phương thức thi công lộ thiên

Phương thức 1: Theo phương thức này các công trình ngầm được hoàn công theo trình tự sau: đầu tiên từ mặt đất tiến hành đào các hào hay hố thi công, tiếp đó tiến hành lắp dựng kết cấu của công trình ngầm trên hào, hố đào và sau cùng lấp lại bằng vật liệu lấp phủ. Sơ đồ thi công được thể hiện trên hình 2a. Tuỳ thuộc vào đặc điểm cơ học, địa chất của khối đất, thành hào có thể nghiêng hoặc thẳng đứng và có thể cần hoặc không cần phải chống giữ. Tùy theo điều kiện địa chất, địa hình và kích thước công trình, kết cấu chống giữ thành hào được sử dụng có thể là tường cọc-ván ép, tường cọc cừ (tường cừ), tường cọc khoan (tường cọc khoan nhồi) hoặc tường hào (tường hào nhồi) bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép. Các tường bảo vệ đó có thể được gia cố thêm bằng neo, khoan phun ép (khoan phụt), kích chống, giằng… Cọc cừ thường được tháo ra để sử dụng tiếp. Còn trong trường hợp sử dụng tường cọc khoan nhồi hay tường hào nhồi, kết cấu phía đáy của công trình ngầm thường liên kết với tường tạo thành một bộ phận của kết cấu công trình ngầm (đặc biệt khi gặp nước ngầm). Phương thức này thường được gọi là phương thức tường – nền.
Phương thức 2: Theo phương thức này hào thi công không cần đào trước hoặc chỉ cần đào đến độ sâu nhất định để tháo dỡ, di chuyển tạm các hệ thống cống rãnh, cáp ngầm (nếu có). Tiếp đó tiến hành thi công tường cọc khoan nhồi hay tường hào nhồi đến độ sâu dự định (thông thường đến tầng đất cách nước). Công đoạn tiếp theo là đổ bê tông nóc công trình ngầm (dạng vòm hay nóc phẳng), hoặc lắp ghép bằng các tấm panen đúc sẵn và phủ lớp ngăn cách, chống thấm. Các công việc còn lại được thực hiện ngầm trong lòng đất bao gồm đào bốc đất, xây dựng nền công trình ngầm, cũng như các công tác kỹ thuật khác. Phương thức này thường được gọi là phương thức tường – nóc.
Phương thức thi công tường – nóc (Hình 2b0 đã được sử dụng rất có hiệu quả trên thế giới trong trường hợp thi công các đường hầm dọc theo các đường phố chật hẹp và yêu cầu giải tỏa giao thông nhanh, không cho phép để đường phố ở trạng thái bị đào bới kéo dài. Sau khi đã lắp dựng xong các sàn nóc (chẳng hạn các tấm panen nóc) và hoàn thiện trạng thái đường phố, giao thông trên phố lại có thể hoạt động bình thường không gây ảnh hưởng đến công tác thi công tiếp theo. Bằng cách này có thể xây dựng được các công trình có nhiều tầng trong lòng đất với thời gian thi công dài mà không gây cản trở đến hoạt động bình thường trên mặt đất.
Như vậy, cách gọi tường – nóc hay tường – nền cho thấy trình tự chính của công tác thi công. Trong thực tế nhiều công trình ngầmcó thể được xây dựng bằng phương pháp kết hợp tường – nền và tường – nóc (semi top-down), ví dụ nhà ga tàu điện ngầm. Vì quá trình thi công thường phải đào đất/đá và cuối cùng là lấp phủ lại, nên cả hai phương thức này cũng còn được gọi là đào- lấp hay đào-phủ (cut and cover)
Phương thức thứ 3: Theo phương thức này toàn bộ hay từng đoạn của kết cấu công trình ngầm được lắp dựng hoàn toàn trên mặt đất. Sau đó các đoạn kết cấu được hạ dần vào lòng đất song song với việc đào xúc đất dưới gầm của kết cấu đó (phương thức caisson hay hạ dần: Hình 2c) hoặc ở dạng “hộp nổi” được kéo đẩy ra mặt sông, biển và hạ chìm dần vào hào thi công đã được đào bốc sẵn (phương thức hạ chìm: cho hầm chìm Hình 2d) hoặc hầm nổi (hầm trong nước) như trên Hình 3 và Hình 5.

Hình 5. Hầm nổi (hầm trong nước); (a) vượt sông Messina. Ý (theo Scolari et al., 1989), (b) Vượt Hogsjord, Na Uy (theo Skorpa, 2001), (c) vượt Sulafjord, Na Uy (theo Jakobsen et al, 2009)

PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG HỞ

Gần gũi nhất với các phương pháp thi công ngầm là phương pháp thi công hở. Trong ngành khai thác khoáng sản, các lò bằng dọc sườn núi cũng có thể xây dựng bằng phương pháp này, tùy theo điều kiện thực tế yêu cầu. Nhiều đường hầm giao thông xây dựng bên sườn núi cũng đã sử dụng phương pháp đào hở (Hình 6). Tùy thuộc vào điều kiện địa chất, địa chất thủy văn (có hay không có nước ngầm), điều kiện địa hình, đã hình thành nhiều giải pháp kỹ thuật thi công cụ thể. Kết hợp các phương thức thi công và các giải pháp kỹ thuật dẫn đến nhiều tổ hợp phương pháp thi công khác nhau trong phương pháp đào hở.
Trong phương pháp thi công hở có hai yếu tố quan trọng là: a) Hào hay hố đào với các giải pháp và phương tiện bảo vệ; b) Kết cấu của công trình ngầm.
Thành hào hay hố đào có thể được bảo vệ bằng các phương tiện và giải pháp khác nhau, tuỳ thuộc vào điều kiện thi công cụ thể. Trên Hình 7 là sơ đồ tổng hợp các phương thức bảo vệ, hay giữ ổn định thành hố hào, tương ứng với đặc điểm thi công hố đào.

Hình 6. Các đường hầm thi công bằng đào hở ven sườn núi
Hình 7. Các phương án chống giữ, gia cố bảo vệ thành hố đào khi thi công bằng phương pháp đào hở

Tiến bộ kỹ thuật hiện nay cho phép áp dụng phương pháp đào hở trong mọi điều kiện địa chất công trình, địa chất thuỷ văn phức tạp và đến độ sâu khá lớn. Các tường cọc khoan nhồi và tường hào nhồi có thể đạt đến độ sâu >50m, tuy nhiên phổ biến vẫn ở độ sâu trong khoảng 12 đến 20m. Độ sâu giới hạn phụ thuộc tiềm lực kinh tế và kỹ thuật của mỗi nước và bị chi phối chủ yếu bởi ba yếu tố là:
• Chất lượng của vật liệu xây dựng sẵn có;
• Chất lượng và khả năng của các máy thi công có thể có, và
• Giá thành của vật liệu xây dựng và các trang thiết bị kỹ thuật cần thiết.
Khi thi công theo phương pháp hay phương thức hở phải đặc biệt chú ý đến điều kiện đất nền và mực nước ngầm, vì chúng có ảnh hưởng đến độ ổn định của thành hào. Phương thức thi công hở đặc trưng bởi khả năng có thể cơ giới hoá cao quá trình thi công, cho phépáp dụng các kết cấu kiểu công nghiệp hoá, các máy làm đất và các thiết bị nâng hạ có công suất lớn. Tuy nhiên, việc đào hào (hố móng) trên đoạn dài sẽ gây ách tắc, gián đoạn giao thông, các hoạt động bình thường của khu vực lân cận, trong thời gian thi công. Do đó, trong giai đoạn thiết kế cần phải đề xuất được giải pháp thi công đồng bộ, hiệu quả, rút ngắn thời gian thi công, giảm giá thành để tăng tính khả thi của phương pháp.

NHẬN XÉT

Trong lĩnh vực Xây dựng công trình ngầm, khai thác khoáng sản, nhóm phương pháp thi công lộ thiên cũng đã và đang được áp dụng rộng rãi, tùy theo điều kiện thi công và các yêu cầu kỹ thuật, kinh tế. Tuy nhiên ở Việt nam, các phương pháp chưa được hệ thống hóa để có thể dễ phân biệt với các phương pháp thi công ngầm.
Nói chung phương pháp thi công hở thường là phương pháp thi công cần chi phí thấp hơn, thực hiện đơn giản và ít rủi ro hơn so với phương pháp thi công ngầm. Các phương pháp hạ dần hay hạ đoạn và hạ chìm có nhứng đặc điểm riêng, được áp dụng trong nhiều lính vực xây dựng khác nhau.
Phương pháp thi công hở thường đòi hỏi hiện trường thi công phải trống vắng; diện tích công trường phải đủ rộng (đặc biệt khi có điều kiện áp dụng phương thức 1 và với thành hào không cần chống, bờ dốc nghiêng); phải thực hiện các công việc tháo dỡ, chuyển dời, lắp dựng lại các hệ thống cống rãnh, cáp, gây ảnh hưởng đến sinh hoạt bình thường; gây ách tắc giao thông khi thi công dọc đường phố; gây ô nhiễm môi trường, liên quan với việc đào bốc đất đá, vận chuyển đổ thải tạm; làm thay đổi động thái nước ngầm, thậm chí gây nhiễm bẩn. Đó là các vấn đề cần phải được quan tâm nghiên cứu thận trọng, đề xuất được các biện pháp hợp lý để nhằm loại trừ hoặc hạn chế tối đá các tác động xấu trong quá trình thi công và vận hành sau này.

Nguyễn Quang Phích

Trường Đại học Văn lang.

E-mail: nqphichhumg@gmail.com.com

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Wickham, G. E. and H. R. Tiedemann (1976) Cut and Cover Tunneling, Earth Support Systems and Retaining Structures, Pile Buck Inc.
[2] Wilton, J.L. (1996) Cut and Cover Tunnel Structures, Tunnel Engng Handbook, Second Edition, Chapman & Hall [3] Ingerslev, C. (2010) Immersed and floating tunnels. Procedia Engineering 4 (2010) 51–59.
[4] Ravi Chopra, Pulkit Sharma, Hemant. (2018) Review Paper on Submerged Floating Tunnels. International Journal of Engineering Technology Science and Research (IJETSR). Volume 5, Issue 4 April 2018. ISSN 2394 – 3386. P.345-349.
[5] SFC Group. Daniil Popov Fahad Pervaiz Mazen Alqadi Nauman Raza Sung-Soo Lim. (2018) Feasibility Study of Submerged Floating Crossing. CIE4061-09 Multidisciplinary Project at Delft University of Technology13th June 2018.
[6] Giulio Martire. The development of submerged floating tunnels as an innovative solution for waterway crossings. Dottorato di Ricerca in Ingegneria delle Costruzioni. Università degli Studi di Napoli Federico II Facoltà di Ingegneria
[7] Nguyễn Quang Phích. (1999). Xây dựng công trình ngầm dân dụng và công nghiệp. Đại học Mỏ-Địa chất 1999.
[8] Nguyễn Quang Phích &Vũ Văn Tính (2008). Phương pháp thi công hở-các phương án và kinh nghiệm áp dụng. Hội thảo “Những bài học kinh nghiệm quốc tế và Việt Nam về công trình ngầm đô thị. TP HCM 22.10.2008. Tr. 96-102
[9] Nguyễn Quang Phích & Dương Khánh Toàn. (2008). Rủi ro và các biện pháp phòng tránh trong xây dựng công trình ngầm thành phố. Hội thảo “Những bài học kinh nghiệm quốc tế và Việt Nam về công trình ngầm đô thị. TP HCM 22.10.2008. Tr. 209-219