Công nghệ thi công hầm dìm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.64 MB, 107 trang )
Luận văn Thạc só
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1.
HẦM
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG
.............................................................................................................. 1
1.1.
TÌNH HÌNH XÂY DỰNG HẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM ..... 1
1.2.
CÁC PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG HẦM .................................................. 1
1.2.1.
Xây dựng hầm bằng phương pháp đào lộ thiên ............................................ 2
1.2.2.
Xây dựng hầm bằng phương pháp đào kín.................................................... 8
1.2.3.
Xây dựng hầm bằng phương pháp hạ dìm..................................................... 9
1.3.
NGUYÊN TẮC XÂY DỰNG HẦM THEO CÔNG NGHỆ DÌM VÀ SỰ
CẦN THIẾT ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ NÀY Ở VIỆT NAM .................................... 10
1.3.1.
Nguyên tắc xây dựng hầm theo công nghệ dìm ......................................... 10
1.3.2.
Tình hình xây dựng hầm theo công nghệ dìm trên thế giới........................ 10
1.3.3.
Sự cần thiết áp dụng công nghệ thi công hầm dìm ở Việt Nam ................ 11
CHƯƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ HẦM THI CÔNG THEO PHƯƠNG
PHÁP HẠ DÌM........................................................................................................... 12
2.1.
ĐẶC ĐIỂM MẶT CẮT NGANG ................................................................ 12
2.2.
MẶT CẮT DỌC ........................................................................................... 14
2.3.
CƠ CHẾ CHỊU LỰC VÀ TẢI TRỌNG CỦA KẾT CẤU HẦM TRONG
CÁC GIAI ĐOẠN THI CÔNG, KHAI THÁC ............................................................. 15
2.4.
HỆ SỐ VƯT TẢI VÀ TỔ HP TẢI TRỌNG ......................................... 16
2.5.
PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NỘI LỰC KẾT CẤU HẦM DÌM............... 17
2.5.1.
Theo phương ngang hầm .............................................................................. 17
2.5.2.
Theo phương dọc hầm .................................................................................. 19
2.6.
PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA ĐỘ ỔN ĐỊNH CHỐNG ĐẨY NỔI ............ 20
2.7.
CƠ SỞ THIẾT KẾ NỀN MÓNG BỂ ĐÚC HẦM ...................................... 21
2.8.
CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NỀN MÓNG CỦA HẦM ............................. 28
2.8.1.
Giới thiệu chung ........................................................................................... 28
2.8.2.
Phương pháp bơm cát ................................................................................... 29
2.8.3.
Phương pháp cát chảy .................................................................................. 32
2.9.
THIẾT KẾ CHỐNG ĐỘNG ĐẤT ............................................................... 39
Học viên: PHAN VĂN DANH
Luận văn Thạc só
2.9.1.
Đặc trưng ảnh hưởng của động đất đến công trình hầm dìm ..................... 39
2.9.2.
Cơ sở thiết kế chống động đất ..................................................................... 41
2.9.3.
Phương pháp hệ số động đất ........................................................................ 44
2.9.4.
Phương pháp biến dạng nền ......................................................................... 44
2.9.5.
Phân tích ảnh hưởng động với hệ khối lượng-lò xo .................................... 47
2.9.6.
Phương pháp phần tử hữu hạn...................................................................... 49
CHƯƠNG 3. MÔ TẢ CHI TIẾT CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT, LAI DẮT, HẠ
DÌM VÀ NỐI GHÉP ĐỐT HẦM .............................................................................. 50
3.1.
SẢN XUẤT .................................................................................................. 50
3.1.1.
Thi công bể đúc và sản xuất đốt hầm ......................................................... 50
3.1.2.
Công nghệ bêtông khối lớn trong sản xuất đốt hầm dìm ........................... 54
3.2.
ĐÀO HÀO DÌM ........................................................................................... 58
3.3.
LAI DẮT ....................................................................................................... 59
3.3.1.
Thả nổi và giữ thăng bằng ........................................................................... 59
3.3.2.
Lai dắt đốt hầm dìm ..................................................................................... 61
3.4.
HẠ DÌM ĐỐT HẦM .................................................................................... 61
3.5.
NỐI CÁC ĐỐT HẦM .................................................................................. 63
3.5.1.
Mối nối mềm sử dụng đệm và gioăng cao su ............................................ 64
3.5.2.
Cáp nối .......................................................................................................... 72
3.5.3.
Chốt chống cắt đứng..................................................................................... 72
3.5.4.
Nối hợp long ................................................................................................. 72
CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU HẦM DÌM
TRONG CÔNG TRÌNH HẦM THỦ THIÊM .......................................................... 74
4.1.
GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HẦM VƯT SÔNG SÀI GÒN ........................... 74
4.2.
KHÁI QUÁT PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG HẦM ÁP DỤNG VÀO ĐOẠN
HẦM CHÍNH CỦA HẦM THỦ THIÊM...................................................................... 75
4.3.
VẤN ĐỀ LÚN NỀN BỂ ĐÚC..................................................................... 77
4.3.1.
Phân tích ứng xử của đất nền và kết cấu hầm môđun đàn hồi của nền .... 78
4.3.2.
Phân tích ứng xử của đất nền và kết cấu hầm khi thay đổi chiều dày lớp
gia cường theo giá trị môđun đàn hồi đất nền .............................................................. 83
4.4.
PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA 4 ĐỐT HẦM DÌM TRONG CÔNG
TRÌNH HẦM THỦ THIÊM .......................................................................................... 86
Học viên: PHAN VĂN DANH
Luận văn Thạc só
4.4.1.
đào lấp
Phương án liên kết các đốt hầm dìm và liên kết đoạn hầm dìm với đốt hầm
86
4.4.2.
Thiêm
Mô phỏng sự làm việc của các đốt hầm dìm trong công trình hầm Thủ
....................................................................................................................... 89
4.5.
ĐÁNH GIÁ TÍNH HIỆU QUẢ, ĐỘ TIN CẬY CỦA VIỆC ÁP DỤNG
CÔNG NGHỆ HẦM DÌM VÀO ĐOẠN HẦM CHÍNH CỦA CÔNG TRÌNH HẦM
THỦ THIÊM .................................................................................................................. 99
CHƯƠNG 5.
KẾT LUẬN ..................................................................................... 102
TÀI
LIỆU
THAM
KHẢO……………………………………………………………………………….……
……………….………105
PHỤ
LỤC
……….……………………………………………………………………………………
…………………………………………….106
---XW---
Học viên: PHAN VĂN DANH
Luận văn Thạc só
CHƯƠNG 1.
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG
PHÁP XÂY DỰNG HẦM
1.1. TÌNH HÌNH XÂY DỰNG HẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
Hiện nay việc sử dụng công trình hầm rất phổ biến trong nhiều lónh vực
khác nhau của nền kinh tế, tuỳ theo mục đích sử dụng, vị trí xây dựng, phạm vi
và phương pháp thi công mà người ta xây dựng những công trình hầm thích
hợp. Các nước đi đầu về xây dựng hầm có thể kể đến như Liên Xô (cũ) với hệ
thống tàu điện ngầm rất hiện đại ở Maxcơva, hay ở Newyork-Mỹ với tuyến
tàu ngầm gần 400km, Tokyo-Nhật với tuyến tàu ngầm gần 200km,
Anh -
Pháp với hầm qua eo biển Măng Sơ, … và ngày nay Trung Quốc cũng đang
chứng tỏ mình là một trong những quốc gia có khả năng xây dựng nhiều tuyến
hầm hiện đại không kém những nước đi trước với hàng loạt tuyến đường hầm
được xây dựng ở Bắc Kinh, Thượng Hải…
Tại Việt Nam, kể từ thời Pháp thuộc hầm bắt đầu xuất hiện dọc theo
tuyến đường SétBắc Nam. Ngày nay, đứng trước yêu cầu phát triển hạ tầng
giao thông, với sự hỗ trợ của nhiều quốc gia trong đó có Nhật, chúng ta đã xây
dựng được công trình tầm cỡ khu vực là hầm Hải Vân, sắp tới là hầm Thủ
Thiêm, hai tuyến Mêtro ở thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh.
Có thể nhận thấy rằng cùng với sự phát triển của rất nhiều công nghệ thi
công hầm như hiện nay thì ngày càng nhiều những tuyến hầm hiện đại, an
toàn sẽ được xây dựng để đáp ứng nhu cầu lưu thông ngày càng tăng trong khi
quỷ đất ngày càng giảm.
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG HẦM
Theo phương pháp thi công, trên thế giới hiện nay tồn tại 3 phương pháp
xây dựng hầm: lộ thiên, kín và hạ dìm. Nội dung cơ bản của các phương pháp
này được tóm tắt như dưới đây.
Học viên: PHAN VAÊN DANH
Trang 1
Luận văn Thạc só
1.2.1. Xây dựng hầm bằng phương pháp đào lộ thiên
Xây dựng hầm bằng phương pháp đào lộ thiên là phương pháp đào hầm
kinh điển, thường áp dụng cho các hầm đặt tương đối nông. Tuỳ thuộc vào đặc
điểm công trình, những điều kiện địa chất và thuỷ văn mà có thể áp dụng
phương pháp đào hố móng, phương pháp dùng vì chống di động, tường trong
đất.
1.2.1.1. Phương pháp đào hố móng
Xây dựng công trình ngầm trong hố móng đã được đào sẵn rồi lấp lại để
khôi phục mặt đất ban đầu. Sử dụng khi không gian phía trên không bị hạn chế
về giao thông, sinh hoạt…Đầu tiên từ mặt đất tiến hành đào hố móng có vách
xiên hoặc vách thẳng đứng với hệ thống chống vách đến độ sâu cần thiết (có
thể đến 15m). Trong hố móng tiến hành xây dựng kết cấu ngầm rồi lấp đất trở
lại, khôi phục mặt đất tự nhiên hoặc xây dựng những công trình trên mặt như
đường sá, nhà cửa, các công trình hạ tầng kỹ thuật…Để chống đỡ vách hố
móng thẳng đứng dùng cọc cừ hoặc cọc cừ kết hợp với neo. Tuỳ vào điều kiện
địa hình khu vực, phương án đảm bảo giao thông (nếu có) hay địa chất, thuỷ
văn mà ta có các dạng đào hầm thường gặp như:
− Đào hầm theo mái dốc: theo phương pháp này chu vi công trình (2)
được đào theo mái dốc tự nhiên (1) mà không sử dụng bất kỳ biện
pháp hổ trợ nào.
Hình 1.1. Sơ đồ đào hầm không gia cường vách ngầm.
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 2
Luận văn Thạc só
− Đào hầm có gia cố vách: khi hầm sâu, địa tầng xấu thì việc đào theo
chu vi hầm (2) cần thiết phải có kết cấu che chắn (4) để mái dốc tự
nhiên (1) được ổn định.
Hình 1.2. Sơ đồ đào hầm có gia cường vách.
Ngoài ra còn có các phương án đào lộ thiên gia cố vách bằng giằng chống
Hình 1.3. Cọc kè thành hố đào có 1 dãy (a) và 2 dãy (b) giằng chống.
1.cọc; 2.sườn; 3.giằng chống; 4.bản giằng; 5.giá đỡ góc; 6.bêtông
phun; 7.dầm dọc; 8.tấm đệm; 9.nêm; 10.giằng chéo.
Tại thành phố Hồ Chí
Minh, hầm Tân Tạo chui qua
Quốc Lộ 1 (quận Bình Tân) và
hầm Linh Trung vượt xa lộ
Trường Sơn (quận Thủ Đức)
được thi công bằng phương
pháp đào hố móng.
Hình 1.4 Phối cảnh hầm vượt xa lộ Trường Sơn
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 3
Luận văn Thạc só
1.2.1.2. Phương pháp dùng vì chống di động
Để cơ giới hóa tối đa công tác đào, xúc đất và xây vỏ hầm, khi xây dựng
hầm thành phố đặt nông bằng phương pháp lộ thiên người ta sử dụng vì chống
thép tiết diện ngang hở di chuyển được trên vỏ hầm đã tổ hợp hoặc trên tường
(vách) của hang.
Bằng phương pháp vì chống di động có thể không cần chống, đỡ hố
móng; giảm khối lượng đất đào, đất đắp, rút ngắn chiều dài đoạn thi công đến
tối thiểu (30 ÷ 40m).
1.2.1.3. Phương pháp tường trong đất
Khi bố trí công trình ngầm đặt nông, gần các công trình nhà cửa cũng như
trong điều kiện giao thông thành phố dày đặc có thể áp dụng phương pháp thi
công kiểu đào hào với công nghệ “tường trong đất”.
Trước tiên, tại vị trí bố trí tường của hầm tương lai (1), người ta đào và
gia cố các đoạn đường rãnh hẹp trong đất, xen kẻ, lắp lồng cốt thép (2) vào
trong rãnh, đổ bê tông thành một đoạn tường bê tông cốt thép (3), nối liền từng
tấm thành một bức tường liên tục dưới đất (nên được gọi là “tường trong đất”).
Hình 1.5. Sơ đồ trình tự
công tác trong phương
pháp “tường trong đất”
Sau đó, từ mặt đất ta đào phần đất giữa hai bức tường đến cao độ đáy
tấm đỉnh rồi đổ bê tông tấm đỉnh hoặc lắp ghép tấm đỉnh đã được đúc sẵn. Sau
khi tấm đỉnh đạt cường độ yêu cầu thì người ta phủ lớp cách nước, tháo hệ
chống (4) và lấp đất (5), khôi phục lại lớp áo đường trên nóc hầm bộ hành và
duy trì giao thông trên mặt đất bình thường. Dưới sự bảo vệ của “tường trong
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 4
Luận văn Thạc só
đất” và tấm đỉnh, người ta tiến hành đào đất trong hầm, hạ mực nước ngầm
(nếu cần) và thi công đáy hầm một cách dễ dàng mà không ảnh hưởng gì đến
giao thông trên mặt đất.
Hình 1.6. Sơ đồ công nghệ thi công tường hầm trong rãnh chứa vữa sét.
Theo công nghệ thi công tường hầm trong rãnh chứa vữa sét, đầu tiên là
công đoạn đào đất trong vữa sét (7) bằng hệ cẩu (3), cột tháp (2), cần bơm (1),
gầu ngạm (4); hạ vách ngăn (6) trước khi lắp, đặt khung thép (8); tiếp đến đổ
bêtông tường qua dây chuyền bể lắng (9), máy bơm bêtông (10), ống dẫn
bêtông (11) và dỡ tường chắn; phần lõi đất giữa đoạn tường vừa thi công được
đào và công đoạn như trên được lặp lại cho đến hết đường hầm.
Một trong những công trình hầm đang thi công có áp dụng phương pháp
tường trong đất vào thời điểm này là đoạn dẫn hầm Thủ Thiêm, thành phố Hồ
Chí Minh, dạng mặt cắt ngang chữ U và đoạn đào lấp dạng hộp chữ nhật được
thi công bằng phương pháp tường trong đất.
TƯỜNG ĐỨNG ĐƯC THI CÔNG THEO
CÔNG NGHỆ TƯỜNG TRONG ĐẤT
Hình 1.7: Mặt cắt ngang dạng chữ U đoạn dẫn vào hầm Thủ Thiêm
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 5
Luận văn Thạc só
Trình tự thi công đoạn hầm đào lấp đoạn dẫn hầm Thủ Thiêm được mô tả
như sau:
− Bước 1: hình dung giai đoạn hoàn tất để định hướng thi công;
− Bước 2, 3, 4, 5: xây dựng các tường biên và giữa bằng công nghệ tường
trong đất;
Hình 1.8: Trình tự thi công đoạn dẫn vào hầm Thủ Thiêm
−
Bước 6, 7 móc đất đến cao độ đỉnh hầm;
−
Bước 8, 9 đổ và bảo dưỡng bêtông sàn trên của hầm;
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 6
Luận văn Thạc só
−
Bước 10, 11 đổ và bảo dưỡng bêtông phần còn lại của hầm;
Hình 1.9: Trình tự thi công đoạn dẫn vào hầm Thủ Thiêm
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 7
Luận văn Thạc só
1.2.2. Xây dựng hầm bằng phương pháp đào kín
1.2.2.1. Xây dựng hầm bằøng phương pháp đào mỏ
Công nghệ đào hầm được xác định chủ yếu là dựa vào phương pháp mở
tiết diện và hệ vì chống hang trước khi xây dựng vỏ vónh cửu. Phương pháp mở
tiết diện được xác định trên cơ sở các điều kiện địa chất công trình dọc theo
tuyến của công trình và diện tích tiết diện hầm.
Phương pháp đào hầm mới của o (NATM): kết cấu vỏ hầm là tổ hợp
giữa đá núi và vỏ hầm, chủ yếu được chống đỡ bằng khối đá xung quanh. Để
tăng độ cứng cho vỏ hầm người ta phun bêtông và kết hợp với neo trong đá.
Phương pháp này áp dụng cho hầm xuyên qua núi với các khối đá ổn định.
1.2.2.2. Phương pháp thi công hầm bằng khiên đào
Trong thi công hầm, khiên là một tổ hợp đào hầm hình trụ đồng thời là
một vì chống kim loại khép kín theo chu vi. Dưới sự che chở của vì chống này
người ta tiến hành công tác đào đất đá và xây vỏ hầm, lắp đặt vỏ hầm. Có thể
chia ra 2 trường hợp khiên đào đất: không cơ giới và cơ giới hoá.
− Khiên không cơ giới: việc đào đất đá tiến hành thủ công như búa chèn,
đôi khi khoan nổ mìn. Phương pháp này có nhược điểm là tiến độ
chậm và gây chấn động lớn.
− Khiên cơ giới: sử dụng các loại máy đào TBM (ứng dụng trong đá
cứng) và SM (ứng dụng trong đất mềm).
Hình 1.10: Sử dụng máy khoan đường hầm
Học viên: PHAN VAÊN DANH
Trang 8
Luận văn Thạc só
1.2.2.3. Phương pháp kích đẩy
Bản chất của phương pháp này là các cấu kiện riêng biệt của đường
ngầm trong dạng đốt hầm vòng tròn hoặc hình chữ nhật được kích đẩy vào đất
bằng thiết bị kích bố trí trên mặt đất [3].
Hình 1.11. Sơ đồ công nghệ kích đẩy đường hầm.
Với công nghệ kích đẩy, bước đầu phải khoan tường đứng vuông góc trục
hầm, toàn bộ lượng đất trong giai đoạn này cũng như quá trình khoan đường
hầm được vận chuyển theo dây chuyền ôtô tự đổ (1), bunke (2), thùng chứa
đất (3) dùng; thiết bị kích (10) tựa trên trụ bêtông (11) có nhiệm vụ quan trọng
là đẩy tất các các đơn các đơn nguyên đúc sẵn (5) vào đường hầm đã được
khoan tạo ‘gương’ (6,7) bằng máy khoan (8) cho đến hết chiều dài hầm.
1.2.3. Xây dựng hầm bằng phương pháp hạ dìm
1.2.3.1. Phương pháp giếng chìm và giếng chìm hơi ép
Các gara ngầm, các công trình ngầm dạng lớn, các giếng, các công trình
ngầm để thông gió, buồng khiên v.v… thường có kích thước hạn chế trên mặt
bằng và bố trí trong khu xây dựng dày đặc của thành phố, có thể xây dựng
bằng phương pháp hạ giếng. Thực chất của phương pháp này là: người ta xây
kết cấu của công trình ngầm ở trên mặt đất, bằng cách đào đất ở trong phần
lưỡi bảo vệ và hạ kết cấu xuống cao độ thiết kế. Việc hạ kết cấu tiến hành
dưới tác dụng của trọng lượng bản thân kết cấu có tải phụ hay dùng
kích ép {3}.
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 9
Luận văn Thạc só
1.2.3.2. Phương pháp đốt hầm hạ dìm
Khi xây dựng đường ngầm dưới nước bằng phương pháp đốt hầm hạ dìm,
từng cấu kiện được đúc sẵn ở bể đúc, các đốt hầm, đường hầm được chuyển
bằng phao nổi vào tuyến định hướng đường ngầm đào sẵn dưới đáy dòng nước
thành liên kết không thấm nước, sau đó được lấp đất hoặc đá. Sau đó dỡ tấm
bịt mặt 2 đầu tạo thành một đường hầm thông suốt. Đây là nội dung chính của
đề tài sẽ được trình bày chi tiết trong các phần tiếp theo.
1.3. NGUYÊN TẮC XÂY DỰNG HẦM THEO CÔNG NGHỆ DÌM VÀ
SỰ CẦN THIẾT ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ NÀY Ở VIỆT NAM
1.3.1. Nguyên tắc xây dựng hầm theo công nghệ dìm
Tất cả các công việc chính được thực hiện theo sơ đồ dây chuyền: sản
xuất đốt hầm, chuyển tuyến định hướng đường hầm trên phao nổi và được hạ
xuống đáy đường hào hở dưới nước.
1.3.2. Tình hình xây dựng hầm theo công nghệ dìm trên thế giới
Theo thôùng kê mới nhất, hiện nay trên thế giới có hơn 100 hầm dìm đã
được thi công với tổng chiều dài hơn 80km. Trong số này, số hầm dìm được
xây dựng tại Mỹ là nhiều nhất (hầm thép), sau đó là Hà Lan (hầm bê tông cốt
thép) và Nhật.
Hình 1.12: Biểu đồ thống kê số lượng hầm dìm đã được xây dựng trên thế giới
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 10
Luận văn Thạc só
1.3.3. Sự cần thiết áp dụng công nghệ thi công hầm dìm ở Việt Nam
So với tónh không thông thuyền thì chiều sâu thông thuyền yêu cầu nhỏ
hơn nhiều nên chiều dài công trình hầm hạ dìm được rút ngắn, giảm đáng kể
diện tích chiếm chổ công trình, tiết kiệm quỷ đất vốn rất ít ỏi của các thành
phố. Trong quá trình khai thác không làm ảnh hưởng đến không gian phía trên
nên đối với những thành phố có bến cảng, có yêu cầu về an ninh chính trị đặc
biệt thì việc xây dựng hầm dìm qua sông là phương án khả thi nhất.
Một cách tổng quát khi có thêm một công nghệ được đưa vào áp dụng
thực tế chúng ta sẽ có thêm sự chọn lựa để đạt đến mục tiêu là xây dựng được
những công trình có chất lượng được đảm bảo tốt nhất, đẹp nhất, tiết kiệm
nhất với thời gian thi công ngắn nhất. Riêng đối với công nghệ thi công dìm,
do có những ưu điểm đặc biệt của công nghệ mà ngày nay nó đang phát triển
theo bề rộng lẫn chiều sâu.
Về phạm vi áp dụng công nghệ này ở Việt Nam, dọc theo quốc lộ 1A, tại
những đoạn có eo biển, thay vì xây dựng đường bộ, đường hầm xuyên qua núi
thì ta có thể xây dựng những đường hầm dìm đi qua eo biển để rút ngắn đáng
kể khoảng cách và tăng an toàn cho phương tiện lưu thông. Với những thành
phố có sông lớn, tàu bè ra vào nhiều, yêu cầu tónh không được đặc lên hàng
đầu thì phương xây dựng hầm mà đặc biệt là áp dụng công nghệ dìm là một sự
lựa chọn hợp lý. Tuy nhiên, tại Việt Nam cho đến nay công nghệ thi công hầm
dìm lần đầu tiên được áp dụng, đó là công trình hầm Thủ Thiêm. Để có thể
tiếp nhận và chuyển giao công nghệ này, cần phải nghiên cứu làm sáng tỏ
nhiều vấn đề từ có chế chịu lực, đến phương pháp sản xuất, lai dắt và kết nối
đốt hầm v.v. ..tạo điều kiện cho đội ngũ cán bộ, công nhân Việt Nam tiếp
nhận công nghệ này.
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 11
Luận văn Thạc só
CHƯƠNG 2.
ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ HẦM THI CÔNG
THEO PHƯƠNG PHÁP HẠ DÌM
2.1. ĐẶC ĐIỂM MẶT CẮT NGANG
Hình dạng, kích thước bên trong hầm dìm phụ thuộc vào lưu lượng lưu
thông, các kích thước tiêu chuẩn của xe cộ, những tiêu chuẩn thiết kế đường,
đường Sétáp dụng cho thiết kế hầm và có xét đến sai số để bố trí không gian
cho các thiết bị trong hầm và các yếu tố khác.
Để khai thác an toàn hiệu quả trong mặt cắt ngang hầm ngoài việc phải
thiết kế riêng lối thoát hiểm thì hệ thống cơ điện được thiết kế gồm:
− Các thiết bị thông gió: hệ thống quạt hút đẩy, thiết bị lọc bụi…
− Các thiết bị chiếu sáng và điều chỉnh chỉnh ánh sáng.
− Hệ thống thoát nước: các ga thu, bể thu và trạm bơm sơ, thứ cấp.
− Các thiết bị giám sát, điều khiển: hệ thống camera, loa phát thanh, các
thiết bị thu nhận…được nối với phòng điều khiển trung tâm.
− Hệ thống cáp điện: máy phát dự phòng, trạm biến thế.
Các hầm dìm đã được thi công trên thế giới cho đến nay có quy mô mặt
cắt ngang từ 2 đến 6 làn xe thường được thiết kế một trong hai dạng hình chữ
nhật hay hình tròn.
Dạng hình chữ nhật thường là kết cấu bêtông cốt thép, bêtông cốt thép
dự ứng lực. Kết cấu hầm dạng khung chữ nhật bêtông cốt thép có thể được
xem như một khung cứng gồm bản nắp, tường, bản đáy liên kết với nhau. Bề
dày tường và bản trong kết cấu hầm ôtô tối thiểu là 1m. Dưới bản đáy thường
thiết kế thêm tấm bêtông chống lực cắt theo phương ngang đồng thời như một
đối trọng chống đẩy nổi cho hầm. Tại những vị trí giao nhau giữa tường và bản
thường thiết kế những nách khung hầm nhằm tăng khả năng chịu cắt cũng như
chịu uốn. Với thiết kế này không những làm cho công trình thẩm mỹ hơn mà
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 12
Luận văn Thạc só
còn tăng độ ổn định cho từng đốt hầm. Phần lớn hầm dạng chữ nhật bêtông cốt
thép có từ 2 khoan hầm trở lên.
Hình 2.1a Một số mặt cắt ngang dạng hộp chữ nhật 2 khoan đã được xây dựng.
Hình 2.1b Một số mặt cắt ngang dạng hộp chữ nhật 4 khoan đã được xây dựng.
Riêng với mặt cắt dạng hình tròn thì thường sử dụng cho mặt cắt ngang 2
làn xe, hầm đôi 4 làn xe. Kết cấu vỏ hầm thường là bằng thép. Hình 2.2a cho
thấy một mặt cắt ngang hầm đặc
trưng kết cấu thép kép. Kết cấu chính
của hầm là tấm thép bên trong làm
việc đồng thời với lớp bêtông hình
tròn phía trong nó. Bên ngoài cùng là
vỏ thép ngoài hình bát giác bao
quanh. Tấm thép bên trong và vỏ
thép bên ngoài được nối với nhau
bằng những màng thép cách khoảng
từ 4 đến 5m.
Hình 2.2a Cấu tạo hầm thép mặt cắt tròn điển hình.
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 13
Luận văn Thạc só
Hình 2.2b Một số hầm thép mặt cắt tròn điển hình.
Hầm thép tấm đơn có kết cấu đơn giản hơn, mặc dù tiết diện cũng phải
làm việc đến trạng thái giới hạn khi
hạ thuỷ. Để tăng độ cứng và độ ổn
định của đốt hầm giai đoạn hạ thuỷ,
lớp bêtông tròn được đổ tại chổ (hay
lắp ghép) trước khi hạ thuỷ. Dạng
mặt cắt và mặt bằng thi công như
trên hình 2.3a, 2.3b.
Hình 2.3a Mặt cắt hầm thép dạng tròn điển hình
Hình 2.3b Mặt bằng thi công một số hầm thép mặt cắt tròn điển hình.
2.2. MẶT CẮT DỌC
Với hầm dìm được thi công trong một điều kiện tự nhiên không quá phức
tạp thì mặt cắt dọc hầm phụ thuộc vào các yếu tố là độ sâu của sông, biển
cùng với chiều sâu tónh không và độ dốc yêu cầu của xe qua lại. giữa sông,
Học viên: PHAN VAÊN DANH
Trang 14
Luận văn Thạc só
thiết kế mặt cắt dọc hầm phải đảm bảo yêu cầu lưu thông đường thủy trong
tương lai và bề dày lớp đất phủ.
2.3. CƠ CHẾ CHỊU LỰC VÀ TẢI TRỌNG CỦA KẾT CẤU HẦM
TRONG CÁC GIAI ĐOẠN THI CÔNG, KHAI THÁC
Giống như các loại hầm khác thi công theo phương pháp lắp ghép, các
đốt hầm trong kết cấu hầm dìm trước và sau khi được kết nối với nhau sẽ có sơ
đồ chịu tải thay đổi đồng thời chịu nhiều tải trọng khác nhau. Một cách tổng
quát, có thể nói cơ chế chịu sẽ thay đổi trong suốt quá trình thi công-khai thác.
Trong giai đoạn đúc đốt hầm, các tải trọng tác dụng gồm:
− Trọng lượng bản thân: hình thành trong suốt quá trình đổ bêtông, khi
bêtông còn ướt và khi bêtông khô;
− Phản lực nền: thay đổi theo trọng lượng bản thân kết cấu;
− Tải trọng thi công: người, thiết bị….
Trong giai đoạn lai dắt, các đốt hầm chịu các tải trọng sau:
− Trọng lượng bản thân đốt hầm;
− p lực thuỷ tónh (pt): tác dụng vuông góc với bề mặt kết cấu, phân tích
áp lực thành 2 thành phần, thành phần nằm ngang px và thành phần
thẳng đứng pz khi đó
∑p
x
= 0 và
∑p
x
= w.γ = hằng số;
− Các lực gây ra bởi lực kéo của canô, sự thay đổi dòng chảy, sự thay
đổi dung trọng nước….
Trong giai đoạn đánh dìm, ứng xử của các đốt hầm phụ thuộc vào các tải
trọng tác dụng sau:
− Trọng lượng bản thân đốt hầm;
− p lực thuỷ tónh;
− p lực nước tăng lên do lượng nước bơm vào các đốt hầm hay các bể
chứa tạm đặt phía trong;
Học viên: PHAN VAÊN DANH
Trang 15
Luận văn Thạc só
− Các lực gây ra do tời neo, tời kéo trong suốt quá trình điều chỉnh vào
vị trí gối tạm (các gối tạm này sẽ được dỡ bỏ sau khi thi công xong lớp
móng). Do đó, trong giai đoạn này đốt hầm còn chịu phản lực gối tạm.
Đến giai đoạn nối các đốt hầm thì ngoài trọng lượng bản thân đốt hầm;
áp lực thuỷ tónh; đốt hầm còn phải chịu lực kéo vận hành, áp lực thuỷ tónh theo
hướng ép xít các đốt hầm lại gần nhau.
Khi đưa hầm vào khai thác, ngoài trọng lượng bản thân đốt hầm; áp lực
thuỷ tónh, kết cấu hầm chịu nhiều loại tải trọng khác gồm:
− Phản lực đất nền;
− Hoạt tải khai thác;
− p lực thẳng đứng do lớp phủ đỉnh;
− p lực đất đá theo phương ngang hầm;
− Ngoài ra trong suốt quá trình khai thác, hầm có thể chịu các lực bất lợi
khác như: lún lệch, cháy nổ, động đất….
2.4. HỆ SỐ VƯT TẢI VÀ TỔ HP TẢI TRỌNG
Các hệ số tải trọng đã được dùng trong thiết kế một số hầm dìm tại một
số quốc gia được tổng hợp theo bảng 2.1 dưới đây.
Tải trọng
A. Tổ hợp cơ bản
Quốc gia
Mỹ
Nhật
Hà Lan
1.00
1.00
1.50
. Tónh tải
. Đất đắp
. Các loại hoạt tải
. p lực đất ngang
. p lực cột nước trung bình hoặc thấp
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 16
Luận văn Thạc só
B. Tổ hợp cơ bản với một trong số
1.15*
1. Cột nước cao nhất
1.25
-
2. Kéo hoặc thả neo
1.25
-
3. Đắm tàu
1.25
-
4. Nhiệt độ thay đổi
-
-
5. Lún lệch
-
1.00
6. Lún lệch, cột nước cao nhất
-
1.30
7. Nhiệt độ thay đổi và lún lệch
-
1.15
8. Cháy nổ bên trong hầm
-
9. Động đất, lún lệch
-
1.50
-
10. Động đất, lún lệch, thay đổi nhiệt độ
-
1.65
-
11. Sai số chế tạo
-
1.30
-
1.0
Ghi chú: - là trường hợp không bất lợi
*1.4A+1.15B1
Bảng 2.1 Hệ số vượt tải và Tổ hợp tính toán đã áp dụng ở Mỹ, Nhật, Hà Lan.
2.5. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NỘI LỰC KẾT CẤU HẦM DÌM
2.5.1. Theo phương ngang hầm
Sự làm việc của kết cấu hầm theo phương ngang có thể được phân tích
thông qua sơ đồ biến dạng phẳng. Tuy nhiên việc tính toán có những đặc trưng
riêng khi mặt cắt hầm có dạng hình chữ nhật và hình tròn.
2.5.1.1. Mặt cắt ngang hầm hình chữ nhật
Một mặt cắt ngang hầm hình chữ nhật kết cấu bêtông cốt thép có thể
xem như một khung phẳng trên nền đàn hồi.
Tác động phản lực đàn hồi của đất theo tường lên máng vỏ hầm được mô
hình hóa bằng hệ thanh đàn hồi. Sử dụng hệ thanh như sơ đồ có thể xét được
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 17
Luận văn Thạc só
áp lực bên chủ động của đất, thay tải trọng giới hạn bằng lực tập trung đặt tại
vị trí các thanh ngang [3].
p+Pbp
XA
YA
R1 + Q1
p+P
bp
MA
MB
X'A
X'B
R2 + Q2
R3 + Q3
XB
YB
R 1+ Q
XA
YA
1
R 2+ Q 2
M3
M3
R4+ Q4
R5 + Q5
R5 + Q 5
R7
R8
R9
R9
R8
R7
MB
X'A
X' B
AC
XB
YB
BD
βA
βB
β AC
C
βD
R 3+ Q 3
R4 + Q4
R6
MA
R6
Y'C
BD
X'C
MC
YC
X'D
β CD
C
β CD
D
Y'D
MD
YD
Hình 2.4 Hệ cơ bản khung có xét phản lực
Hình 2.5 Hệ cơ bản khung có xét phản lực
đàn hồi trên cả 2 vách bên quan niệm nền
đàn hồi trên cả 2 vách bên quan niệm nền
biến dạng cục bộ (phương pháp thay thế bằng
biến dạng tổng thể (Phương pháp tách vỏ
hệ thanh)
hầm thành từng đốt hầm riêng)
Đối với khung 2 nhịp thì sơ đồ và tính toán cũng tương tự [3]:
Hình 2.6 Sơ đồ tính khung 2 nhịp
Hình 2.7 Hệ cơ bản khung 2 nhịp (hình trái: quan niệm nền biến dạng cục bộ;
hình phải: quan niệm nền biến dạng tổng thể)
2.5.1.2. Mặt cắt ngang hầm có dạng hình tròn
Mặt cắt ngang hầm dạng hình tròn có thể tính toán hầm tròn như vòng
biến dạng tự do (vòng trong môi trường dẻo). Theo giả thuyết này, vỏ hầm
được tính như một vòng kín chịu tải trọng chủ động và phản lực theo phương
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 18
Luận văn Thạc só
thẳng đứng của nền – xác định từ điều kiện cân bằng tónh của kết cấu dưới tác
dụng của các lọai tải trọng thẳng đứng.
Trong trường hợp tổng quát vỏ hầm chịu các tải trọng sau:
− p lực đất theo phương thẳng đứng q xem như phân bố đều;
h
q
P1
q
h
ϕn
M1
H2
P2
M1
H2
h+2r
K
Hình 2.8 Sơ đồ chịu lực hệ cơ bản để tính vòng biến dạng tự do.
− p lực đất theo phương ngang phân bố dạng hình thang với giá trị ở
trên p1 và ở đáy p2;
− Trọng lượng bản thân là g;
− p lực nước ngầm tương ứng với mực nước ngầm ổn định h tác dụng
hướng tâm và phụ thuộc chiều sâu của tiết diện tính toán.
− Phản lực của đất nền hướng từ dưới lên, phân bố điều với giá trị K :
K= q + 3.14g – 1.57r
Trong đó r – bán kính của vỏ hầm dạng tròn.
2.5.2. Theo phương dọc hầm
Theo phương dọc hầm, có thể xem đường hầm như một dầm dài vô hạn
với tiết diện khung, tròn trên nền đàn hồi, dầm này liên kết với đất nền bằng
các gối đàn hồi.
Hình 2.9 Mô hình phân tích hầm làm việc như dầm trên nền đàn hồi.
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 19
Luận văn Thạc só
Trong phương pháp mô phỏng hầm làm việc như dầm trên nền đàn hồi độ
cứng đàn hồi theo phương đứng kv xác định theo Tiêu chuẩn Thiết kế cầu 22
TCN – 272-05 hoặc các tài liệu khác.
Để xác định sự phân bố lực cả trong phương ngang lẫn trong phương dọc,
công trình hạ chìm được tính toán theo sơ đồ khung không gian. Ngày nay cùng
với sự phát triển lớn mạnh của máy tính điện tử, người thiết kế công trình,
trong đó có công trình hầm có thể sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn mà
không ngần ngại về khối lượng phép tính cho bài toán. Do đó ngoài mô hình
phẳng với những phần tử dầm, thanh tương ứng của kết cấu hầm, ta có thể xem
mô hình hoá kết cấu hầm như là kết cấu tường, vỏ hầm trong mô hình không
gian. Tuỳ theo sự làm việc mà phần tử vỏ có thể được coi là phần tử tấm hoặc
màng, nếu phần tử tấm có chiều dày lớn thì nó được xét như loại phần tử tấm
dày. Phần tử tấm vỏ có hai loại là phần tử tứ giác (4 nút) và phần tử tam giác
(3 nút).
Hình 2.10 Mô hình phân tích hầm làm việc như kết cấu không gian trên nền đàn hồi.
2.6. PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA ĐỘ ỔN ĐỊNH CHỐNG ĐẨY NỔI
Kết cấu các đốt hầm đặt trong đất rời no nước cần được kiểm tra độ ổn
định chống đẩy nổi. Đối với các đốt hầm hạ dìm dạng chữ nhật sức kháng
chống nổi ở giai đoạn khai thác tăng lên do khối đẩy trồi được tạo nên và giới
hạn bởi các mặt trượt (hình 2.11). Trong trường hợp đó giá trị lực giữa giới hạn
chống đẩy nổi các đốt hầm trên 1m chiều dài đường hầm có thể xác định theo
công thức do Khrapôv đề xuất [3]:
Tn= G1+G2+F1f1qαsinα+F2pan+F3qofo
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 20
Luận văn Thạc só
Hình 2.11 Sơ đồ tính toán chống nổi đốt hầm hạ dìm
đây G1, G2 – trọng lượng khối đất và trọng lượng đốt hầm hạ dìm có
xét đến “sự treo” trong nước, F1-diện tích mặt trượt nghiêng tổng cộng; f1- hệ
số ma sát theo mặt trượt; qα áp lực pháp tuyến của đất trong mặt trượt; F2diện tích đốt hầm; pa- giá trị áp lực khí quyển; n-hệ số xét đêùn chuyển vị của
đất no nước dưới đáy đốt hầm; F3 – diện tích tổng cộng của mặt bên đốt hầm;
qo-áp lực đất lên thành đốt hầm; fo- hệ số ma sát giữa đất đắp và thành đốt
hầm.
2.7. CƠ SỞ THIẾT KẾ NỀN MÓNG BỂ ĐÚC HẦM
Khi những đốt hầm có thể được sản xuất trên những xưởng đóng tàu có
sẵn thì nền móng nơi này chỉ phải kiểm tra lại và gia cường thêm nếu cần,
nhưng với những công trình phải xây dựng riêng bể đúc thì hạng mục xây dựng
nền móng bể đúc là hạng mục rất quan trọng và thường có nhiều ý kiến khác
nhau về các biện pháp xử lý nền móng.
Trên thực tế thì tuỳ vào điều kiện địa chất, thuỷ văn khu vực, quy mô, số
lượng đốt hầm mà bể đúc hầm mà có thể có nhiều phương án được đề nghị để
xây dựng nền móng cho bể đúc nhưng thông thường là sự so sánh giữa hai
phương án: móng cọc và nền trực tiếp (nền tự nhiên được gia cường với bề dày
hợp lý và phủ lớp đá sỏi phía trên).
So với việc xây dựng móng cọc thì nền trực tiếp có thể rút ngắn được thời
gian thi công. Phương án móng cọc là phương án nền móng có chi phí xây
dựng cao, được sử dụng khi đất nền có khả năng bị lún nhiều và đây cũng là
một phương án đã được đề cập nhiều trong các công trình xây dựng khác nên
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 21
Luận văn Thạc só
trong nội dung nghiên cứu của đề tài này chỉ phân tích phương án nền trực
tiếp xây dựng bể đúc hầm.
Phương án nền trực tiếp xây dựng bể đúc hầm là phương án gia cường
đất nền tự nhiên của đáy bể đúc bằng hỗn hợp vật liệu có độ cứng cao. Hỗn
hợp vật liệu ở đây có thể tạo ra từ phương pháp trộn đất - ximăng hay vật liệu
thích hợp với bề dày được tính toán lý thuyết cũng như qua thí nghiệm hiện
trường, phía trên nền đất gia cường được trải một lớp đá sỏi dày khoảng 50cm
được đầm chặt để nền được cứng hơn và bằng phẳng hơn. Nền đất sau khi
được gia cường phải đủ khả năng chịu được tải trọng của các đốt hầm trong
từng giai đoạn đổ bêtông cho đến khi hoàn thiện (hầm bêtông cốt thép), độ lún
và độ lún lệch không vượt qua giá trị cho phép, đảm bảo cho đốt hầm không
xuất hiện vết nứt do hiện tượng lún lệch gây ra.
Độ lún của nền (chỉ xét độ lún đàn hồi) có thể được phân tích bằng
phương pháp phần tử hữu hạn trong không gian (3D FEM). Kết cấu được mô
phỏng là các tấm liên kết với nhau và đặt trên nền lò xo. Riêng để xác định
khả năng chịu tải của nền có thể dùng những công thức trong TCVN hoặc
tham khảo Tiêu Chuẩn Kỹ Thuật và Diễn Giải Dùng Cho Công Trình Bến
Cảng Của Nhật Bản [14] (Technical Standard and Commentaries For Post And
Harbour Fasilities In Japan). Cách xác định khả năng chịu tải nền được nêu ra
trong Tiêu Chuẩn Kỹ Thuật và Diễn Giải Dùng Cho Công Trình Bến Cảng
Của Nhật Bản như sau:
Khi chiều sâu chôn móng nhỏ hơn cạnh nhỏ nhất của móng thì có thể
xem móng làm việc như móng nông.
Thông thường, khả năng chịu tải của móng là tổng khả năng chịu tải nền
dưới đáy móng và phần ma sát hông. Khả năng chịu tải dưới đáy móng là phản
lực đất nền lên đáy móng khi đất nền chưa bị phá hoại. Ma sát hông của móng
là khả năng dính bám giữa phần hông của móng với đất. Trong móng nông thì
phần ma sát hông là khá nhỏ so với khả năng chịu tải đáy móng và có thể bỏ
qua khi thiết kế. Khả năng chịu tải của đất nền của từng loại đất cát hay sét có
cách xác định riêng.
Học viên: PHAN VĂN DANH
Trang 22
