Bài viết này tổng hợp các phân tích chuyên sâu về những thách thức, công nghệ và chiến lược quản lý rủi ro trong việc đào hầm tại các khu vực đô thị bằng máy đào hầm (TBM) trong điều kiện nền đất. Các phân tích được trình bày trong bài giảng "Urban tunnelling in soft ground using TBM's" của ITA.
Việc thi công hầm trong môi trường đô thị phải đối mặt với nhiều khó khăn đặc thù, bao gồm tầng phủ nông, sự có mặt của các công trình trên mặt đất, các vật cản không xác định trong lòng đất, và điều kiện địa chất phức tạp, thay đổi liên tục.
Hai kịch bản rủi ro chính được xác định là sụp đổ hầm lên đến bề mặt và hư hỏng các công trình lân cận do biến dạng nền đất. Để đối phó với những rủi ro này, hai công nghệ TBM chính được sử dụng là Khiên đào Dung dịch Bentonite (Slurry Shield) và Khiên đào Cân bằng Áp lực Đất (EPB Shield). Mỗi công nghệ có nguyên tắc hoạt động riêng để ổn định gương đào, nhưng cũng đi kèm với những thách thức vận hành, đặc biệt là liên quan đến việc kiểm soát áp lực và ảnh hưởng của nước ngầm.
Một giải pháp kỹ thuật then chốt và hiệu quả cao để giảm thiểu rủi ro là việc tạo ra một khối đất gia cố bằng vữa (grouted body). Giải pháp này mang lại bốn lợi ích chính: (1) Tăng cường đáng kể mức độ an toàn chống sụp đổ; (2) Giảm thiểu lún bề mặt, bảo vệ các công trình hiện hữu; (3) Tạo điều kiện an toàn cho việc bảo trì, sửa chữa trong buồng máy TBM; và (4) Giúp kiểm soát và đảm bảo tiến độ thi công. Trong một số điều kiện địa chất nhất định, chẳng hạn như sỏi cát không có hạt mịn, việc áp dụng khối gia cố là yếu tố quyết định để dự án có thể thực hiện được.
Kết luận chung là sự thành công của các dự án đào hầm đô thị trong đất mềm phụ thuộc vào sự kết hợp của năm yếu tố cốt lõi: công nghệ TBM hiệu quả, quy trình thiết kế đáng tin cậy, phương pháp điều hòa đất cải tiến, công nghệ phun vữa tiên tiến, và một hệ thống quản lý rủi ro toàn diện, có hệ thống.
--------------------------------------------------------------------------------
1. Bối Cảnh và Thách Thức Đặc Thù của Việc Đào Hầm Đô Thị
Việc thi công hầm bằng TBM trong môi trường đô thị có những đặc điểm riêng biệt đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng và các giải pháp chuyên biệt.
Môi trường Đô thị Phức tạp
• Lớp phủ nông: Các đường hầm đô thị thường có lớp đất phủ phía trên rất mỏng, đặc biệt khi kết hợp với đường kính hầm lớn, làm tăng nguy cơ ảnh hưởng đến bề mặt. Dự án Hầm đường sắt Zimmerberg ở Zurich với đường kính 12.3 m là một ví dụ điển hình.
• Công trình bề mặt: Sự tồn tại của các tòa nhà, đường bộ, đường sắt và cầu cống đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ biến dạng nền đất để tránh gây hư hỏng. Mức độ nhạy cảm của các công trình này đối với hiện tượng lún là rất khác nhau.
• Vật thể lạ trong lòng đất: Các vật cản ẩn như giếng cổ, neo đất, cọc cừ, các đường ống tiện ích bị bỏ hoang, hoặc thân cây có thể gây ra những khó khăn đột xuất cho TBM.
• Hạn chế về tuyến hầm: Việc lựa chọn hướng tuyến cả theo phương ngang và phương đứng bị giới hạn đáng kể, thường phải đi ngầm dưới các công trình hiện hữu.
• Hạn chế về thi công: Việc lựa chọn vị trí tấn công, lập kế hoạch vận chuyển vật liệu và tiếp cận TBM gặp nhiều khó khăn. Các hoạt động khảo sát, kiểm soát nước ngầm hay gia cố nền đất cũng bị hạn chế tương tự.
• Mức độ chú ý của công chúng: Bất kỳ thiệt hại nào đối với các tòa nhà và đường sá đều được dư luận chú ý cao, dẫn đến tâm lý e ngại rủi ro và có thể gây ra sự phản đối đối với các dự án ngầm trong tương lai.
CÁC KỊCH BẢN RỦI RO CHÍNH
1. Sụt đến bề mặt đất: Đây là rủi ro nghiêm trọng nhất, có thể tạo ra các hố sụt lớn trên mặt đất.
2. Thiệt hại do biến dạng nền đất (lún): Gây ảnh hưởng đến các công trình và cơ sở hạ tầng trên bề mặt.
Điều Kiện Địa Chất Bất Lợi
• Các thành tạo địa chất trẻ, thường là đất yếu.
• Điều kiện địa chất thường xuyên thay đổi do sự hiện diện của các thấu kính, lớp đất khác nhau, tảng lăn, v.v.
• Mực nước ngầm nằm phía trên hoặc cắt ngang qua mặt cắt hầm đòi hỏi sự quan tâm đặc biệt.
• Các đặc tính địa chất quan trọng ảnh hưởng đến việc vận hành TBM bao gồm:
◦ Phân bố thành phần hạt: Yếu tố quyết định khi lựa chọn giữa TBM loại Slurry và EPB.
◦ Cường độ kháng cắt: Lực dính (cohesion) của đất, dù nhỏ, cũng có vai trò quyết định đến sự ổn định của gương đào.
◦ Tính thấm: Rất quan trọng khi có nước ngầm, ảnh hưởng đến sự ổn định và các biện pháp kiểm soát.
◦ Đặc tính của đá và đá yếu: Bao gồm các khe nứt, mức độ phong hóa.
◦ Gương đào hỗn hợp (Mixed face): Sự hiện diện đồng thời của đất và đá gây ra khó khăn lớn cho sự ổn định và việc điều khiển máy.
◦ Hàm lượng thạch anh: Ảnh hưởng đến mức độ mài mòn của dụng cụ cắt.
◦ Cột nước áp lực: Ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định của gương đào và áp suất khí nén cần thiết khi bảo trì.
2. Công Nghệ TBM và Cơ Chế Hoạt Động
Sự ổn định của gương đào là yếu tố quan trọng nhất, được đảm bảo bằng ba phương pháp chính: dung dịch bentonite (slurry), đất đã đào, hoặc khí nén.
Khiên Đào Dung Dịch Bentonite (Slurry Shield)
• Nguyên tắc ổn định: Áp lực dư (∆p) của dung dịch bentonite tạo ra một "lớp màng lọc" (filtercake) trên bề mặt gương đào. Lớp màng này hoạt động như một màng ngăn, không cho dung dịch thấm vào đất và truyền áp lực hỗ trợ lên gương đào.
• Rủi ro:
◦ Thấm nhập: Nếu dung dịch thấm vào đất, hiệu quả hỗ trợ giảm nhanh chóng. Ví dụ, khi dung dịch thấm sâu bằng một nửa đường kính hầm, lực hỗ trợ có thể giảm xuống còn khoảng 40%.
◦ Mất dung dịch đột ngột: Có thể xảy ra khi đi qua vùng đất có tính thấm cao bất ngờ hoặc gặp các vật thể lạ, dẫn đến sụt giảm áp lực trong buồng đào và gây mất ổn định.
Khiên Đào Cân Bằng Áp Lực Đất (EPB Shield)
• Nguyên tắc ổn định: Dựa vào áp lực hiệu quả giữa các hạt đất trong buồng đào để chống lại áp lực đất và nước từ phía trước.
• Ảnh hưởng của nước ngầm:
◦ Chênh lệch cột nước giữa buồng đào và nền đất sẽ tạo ra lực thấm (seepage forces). Các lực này có thể làm giảm đáng kể sự ổn định của gương đào.
◦ Việc duy trì cột nước áp lực cao trong buồng đào (tương đương với bên ngoài) sẽ làm giảm đáng kể áp lực hỗ trợ hiệu quả cần thiết.
• Các vấn đề khi áp lực hỗ trợ hiệu quả cao:
◦ Phân bố áp lực hỗ trợ không kiểm soát được.
◦ Mài mòn dao cắt quá mức và tăng mô-men xoắn của đầu cắt.
◦ Hiện tượng vòm hóa (arching) tại cửa vào của băng tải trục vít, gây tắc nghẽn.
• Biện pháp khắc phục: Điều hòa đất (soil conditioning) bằng các chất phụ gia và/hoặc lắp đặt một máy bơm vật liệu đặc (thick matter pump) ở cuối băng tải trục vít để kiểm soát áp lực.
3. Quản Lý Rủi Ro Hệ Thống
Quản lý rủi ro đòi hỏi một quy trình có hệ thống và cấu trúc tốt, trong đó "Kế hoạch An toàn" là công cụ hiệu quả nhất.
Kế Hoạch An Toàn (Safety Plan)
Đây là một tài liệu trực quan hóa, trình bày một cách có hệ thống các dữ kiện, giả định, kiến thức khoa học và hướng dẫn vận hành cho một đoạn hầm cụ thể. Kế hoạch này bao gồm:
• Dữ liệu: Địa hình, các công trình bề mặt, địa chất, điều kiện nước ngầm, các vật thể lạ.
• Phân tích: Xác định các sự kiện không mong muốn (kịch bản rủi ro), các cơ chế có thể kích hoạt chúng.
• Giải pháp: Đề ra các biện pháp đối phó dự kiến.
• Tính năng động: Kế hoạch phải được cập nhật liên tục theo tình hình thực tế và kiến thức mới.
Các Biện Pháp Giảm Thiểu Rủi Ro
Rủi ro (R) được định nghĩa là tích của xác suất xảy ra (w) và mức độ thiệt hại (D):
R = w x D. Các biện pháp giảm thiểu rủi ro nhắm vào việc giảm một hoặc cả hai yếu tố này. Biện Pháp | Chi Tiết |
Biện pháp Thi công | - Cải tạo nền đất: Phun vữa (grouting) để tăng cường độ và/hoặc giảm tính thấm của đất. - Chuẩn bị trạm dừng TBM: Tạo ra các khu vực đã được gia cố trước để TBM có thể dừng lại bảo trì một cách an toàn mà không cần khí nén. - Phun vữa ổn định khối đá: Giữ các khối đá rời không bị rơi ra trong quá trình cắt. - Xây dựng kết cấu hỗ trợ: Các kết cấu như ô che bằng ống thép (pipe umbrella) hoặc dầm bê tông dự ứng lực trên cọc mini để bảo vệ hầm khi lớp phủ quá mỏng. |
Quan trắc | Giám sát có hệ thống các biến dạng nền đất, lún bề mặt, hành vi của các công trình lân cận, mực nước ngầm và hiệu suất của máy TBM. Đây là một phần không thể thiếu của mọi kế hoạch an toàn. |
Biện pháp Bổ sung | Đóng đường tạm thời hoặc sơ tán các tòa nhà khi đi qua các khu vực đặc biệt nhạy cảm để giảm thiểu mức độ thiệt hại tiềm tàng. |
4. Giải Pháp Then Chốt: Khối Đất Gia Cố Bằng Vữa (Grouted Body)
Trong nhiều trường hợp, khối đất gia cố bằng vữa là một phần không thể thiếu của dự án đào hầm bằng TBM, mang lại nhiều lợi ích về an toàn và vận hành.
Lập Kế Hoạch và Thi Công
• Bố trí: Tùy thuộc vào điều kiện địa chất, khối gia cố có thể chỉ là một lớp khiêm tốn ở nóc hầm hoặc một khối lớn bao quanh một phần hoặc toàn bộ chu vi hầm. Các dạng gia cố ở nóc và hai bên hông là phổ biến nhất.
• Thi công: Việc khoan và phun vữa thường được thực hiện từ bề mặt, từ giếng hoặc từ một hầm phụ trợ song song.
• Công nghệ và yêu cầu: Để đạt được cường độ kháng cắt tối thiểu và độ đồng nhất cần thiết, cần áp dụng các phương pháp ghi nhận và xử lý dữ liệu tiên tiến để theo dõi lượng vữa, áp suất và phân bố.
Phân Tích Thiết Kế và Lợi Ích
• Cơ chế chịu lực: Khối gia cố hoạt động như một "vòm ảo" (virtual arch) ở trạng thái giới hạn, phân phối tải trọng thẳng đứng sang hai bên. Khả năng chịu tải của nó phụ thuộc vào hình dạng hình học (chiều cao, độ dày, nhịp) và cường độ chịu nén đơn trục của vật liệu đã được gia cố.
• Tối ưu hóa thiết kế: Có thể tăng kích thước của khối gia cố để giảm yêu cầu về cường độ vật liệu vữa, mang lại lợi ích kinh tế.
• Giảm áp lực hỗ trợ gương đào: Sự hiện diện của khối gia cố ở nóc hầm giúp loại bỏ tải trọng thẳng đứng tác động lên khối trượt phía trước gương đào. Phân tích cho thấy nó có thể giảm áp lực hỗ trợ cần thiết xuống một nửa trong đất không dính.
• Lợi ích vận hành:
◦ Với Slurry Shield: Ngăn chặn hoặc giảm thiểu sự thấm nhập của dung dịch.
◦ Với EPB Shield: Yêu cầu ít điều hòa đất hơn, giảm mài mòn dụng cụ và mô-men xoắn, và giúp xử lý đất đào dễ dàng hơn.
5. Kết Luận
Việc đào hầm an toàn và kinh tế trong đất mềm dưới các khu vực đô thị có thể được đảm bảo thông qua sự tích hợp của các yếu tố sau:
1. Công nghệ TBM hiệu quả: Lựa chọn và vận hành đúng loại máy TBM (Slurry hoặc EPB).
2. Quy trình thiết kế đáng tin cậy: Dựa trên các mô hình phân tích ổn định và rủi ro chính xác.
3. Phương pháp điều hòa đất cải tiến: Tối ưu hóa các đặc tính của đất đào để hỗ trợ gương đào.
4. Công nghệ phun vữa tiên tiến: Tạo ra các khối gia cố đồng nhất và đáng tin cậy.
5. Quản lý rủi ro đáng tin cậy: Áp dụng một quy trình có hệ thống, như Kế hoạch An toàn, để xác định, phân tích và giảm thiểu rủi ro.
No comments:
Post a Comment