Nghiên cứu công nghệ đào đường hầm a6 thuộc dự án đường cao tốc nội bài lào cai bằng phương pháp natm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN THẾ QUANG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐÀO ĐƯỜNG HẦM A6
THUỘC DỰ ÁN ĐƯỜNG CAO TỐC NỘI BÀI - LÀO
CAI BẰNG PHƯƠNG PHÁP NATM
Chun ngành: Xây dựng cơng trình ngầm, Mỏ và cơng trình đặc biệt
Mã số

: 60.58.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Đào Văn Canh

HÀ NỘI - 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác
Hà Nội, ngày 09 tháng 04 năm 2013
Tác giả luận văn

Nguyễn Thế Quang

MỤC LỤC
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
Mở đầu ......................................................................................................................... 1
Chương 1: Tổng quan về thi công đường hầm theo phương pháp NATM ..... 3
1.1 Các loại cơng trình ngầm và mục đích sử dụng ...................................... 3
1.2 Tổng quan về thi cơng cơng trình ngầm ............................................... 10
1.2.1 Khái quát chung các phương pháp thi công công trình ngầm ....... 10
1.2.2 Phương pháp thi cơng lộ thiên ....................................................... 13
1.2.3 Phương pháp thi công ngầm .......................................................... 16
1.3 Phương pháp đào hầm mới của Áo (NATM) ....................................... 23
1.3.1 Khái quát ........................................................................................ 23
1.3.2 Nguyên lý cơ bản của phương pháp NATM .................................. 26
Chương 2: Đánh giá độ ổn định của đất đá xung quanh đường hầm A6.......31
2.1 Khái quát về đường hầm A6 dự án đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai . 31
2.2 Đánh giá tình hình địa chất tại khu vực đường hầm A6 ....................... 33
Chương 3: Áp dụng công nghệ NATM cho đường hầm A6 .............................36
3.1 Cơ sở tính tốn cho đường hầm A6 ...................................................... 36
3.1.1 Lựa chọn sơ đồ đào: ....................................................................... 36
3.1.2 Công tác khoan nổ mìn .................................................................. 37
3.1.3 Kết cấu chống giữ .......................................................................... 44
3.2 Áp dụng phương pháp NATM cho từng khu vực đất đá ...................... 46
3.2.1 NATM trong đất đá khu vực C ...................................................... 46
3.2.2 NATM trong đất đá khu vực D1 .................................................... 47
3.2.3 NATM trong lớp đất đá khu vực D2.............................................. 49


3.3 Công tác tổ chức thi công ................................................................... 50

3.3.1 Công tác khoan nổ min .................................................................. 53
3.3.2 Cơng tác thơng gió và đưa gương vào trạng thái an toàn .............. 53
3.3.3 Lắp đặt thiết bị quan trắc, quan trắc ứng suất, biến dạng, dịch
chuyển của đất đá .................................................................................... 56
3.3.4 Lắp đặt bu lông neo đá ................................................................... 60
3.3.5 Các phương pháp phun bê tông ..................................................... 62
3.3.6 Công tác thi công vỏ chống cố định............................................... 69
3.3.7 Lắp đặt thêm thiết bị quan trắc, quan trắc ứng suất, biến dạng, dịch
chuyển của đất đá và vỏ chống ............................................................... 72
3.3.8. Các công tác phụ trợ ..................................................................... 73
Kết luận và kiến nghị ...............................................................................................77
Tài liệu tham khảo


DANH MỤC BẢNG BIỂU
TT
Tên bảng
Trang
Bảng 1.1. Cơ sở thiết lập công nghệ thi công hầm ......................................... 11 
Bảng 1.2. Các phương pháp thi cơng đào hầm (tách bóc đất/đá) ................... 11 
Bảng 1.3. Các giải pháp bảo vệ, chống tạm .................................................... 12 
Bảng 1.4. Phạm vi áp dụng của các giải pháp đặc biệt theo yêu cầu bảo vệ .. 12 
Bảng 1.5. Khả năng áp dụng các phương pháp thi công ngầm ...................... 20 
Bảng 2.1. Tính chất cơ lý các loại đá khu vực đường hầm A6 ....................... 33 
Bảng 2.2. Bảng đặc tính tiết diện của hầm A6 trong các loại đá .................... 35 
Bảng 3.1. Bảng xác định hệ số k ..................................................................... 44 
Bảng 3.2. Các thơng số khoan nổ mìn cho đường hầm khu vực C................. 46 
Bảng 3.3. Các thông số cho kết cấu chống giữ đường hầm khu vực C .......... 46 
Bảng 3.4. Các thơng số khoan nổ mìn cho đường hầm khu vực D1 .............. 47 
Bảng 3.5. Các thông số cho kết cấu chống giữ đường hầm khu vực D1 ........ 48 

Bảng 3.6. Các thơng số khoan nổ mìn cho đường hầm khu vực D2 .............. 49 
Bảng 3.7. Các thông số cho kết cấu chống giữ đường hầm khu vực D2 ........ 49 
Bảng 3.8. Các thông số phục vụ thi công đường hầm khu vực C................... 51 
Bảng 3.9. Các thông số phục vụ thi công đường hầm khu vực D1 ................ 52 
Bảng 3.10. Các thông số phục vụ thi công đường hầm khu vực D2 .............. 53 
Bảng 3.11. Thống kê thiết bị quan trắc đường hầm khu vực C ...................... 57 
Bảng 3.12. Thống kê thiết bị quan trắc đường hầm khu vực D1 .................... 57 
Bảng 3.13. Thống kê thiết bị quan trắc chuyển vị biên đường hầm khu vực D2... 58 
Bảng 3.14. Thống kê thiết bị quan trắc ứng suất tác dụng lên kết cấu
chống đường hầm khu vực D2..................................................... 59 
Bảng 3.15. Các yêu cầu Kỹ thuật về Neo Đá IBO .......................................... 61 
Bảng 3.16. Tiêu chuẩn cho vải địa kỹ thuật PVC ........................................... 67 
Bảng 3.17. Tiêu chuẩn cho màng thoát nước EVA ........................................ 67 
Bảng 3.18. Tiêu chuẩn cho vải địa kỹ thuật không dệt ................................... 67 
Bảng 3.19. Sai số cho phép khi thi công đường hầm...................................... 76 


DANH MỤC HÌNH VẼ
TT
Tên hình
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ phân nhóm cơng trình ngầm ................................................... 7
Hình 1.2. Các phương thức thi cơng lộ thiên .................................................. 15
Hình 1.3. Phân nhóm và các phương pháp thi cơng ....................................... 17
Hình 1.4. Sơ đồ tổng qt về các phương pháp thi cơng ngầm ...................... 18
Hình 1.5. Sơ đồ các phương pháp đào và chống tạm ..................................... 19
Hình 1.6. Phương pháp NATM khi dùng khoan nổ mìn ................................ 25
Hình 1.7. Thi cơng trong khối đá bở rời, sử dụng ván thép tạo ô bảo vệ ....... 25
Hình 1.8. Thi cơng chia bậc vịm - nền trong NATM..................................... 26
Hình 3.1. Sơ đồ bố trí lỗ khoan khi thi cơng gương bậc dưới ........................ 37

Hình 3.2. Mặt cắt ngang điển hình đường hầm khu vực C ............................. 47
Hình 3.3. Mặt cắt ngang điển hình đường hầm khu vực D1........................... 48
Hình 3.4. Mặt cắt ngang điển hình đường hầm khu vực D2........................... 50
Hình 3.5. Các kích thước chính phục vụ thi cơng đường hầm khu vực C...... 50
Hình 3.6. Các kích thước chính phục vụ thi cơng đường hầm khu vực D1 ... 51
Hình 3.7. Các kích thước chính phục vụ thi công đường hầm khu vực D2 ... 52
Hình 3.8. Sơ đồ thơng gió đẩy khi chiều dài thi cơng dưới 300m .................. 56
Hình 3.9. Sơ đồ thơng gió hỗn hợp khi chiều dài thi cơng trên 300m ............ 56
Hình 3.10. Bố trí thiết bị quan trắc chuyển vị biên đường hầm khu vực C .... 56
Hình 3.11. Bố trí thiết bị quan trắc chuyển vị biên khu vực D1 .................... 57
Hình 3.12. Bố trí thiết bị quan trắc chuyển vị biên khu vực D2 ..................... 58
Hình 3.13. Bố trí thiết bị quan trắc ứng suất bên tác dụng lên kết cấu
chống đường hầm khu vực D2 ........................................................ 58
Hình 3.14. Thi cơng neo đá cho đường hầm ................................................... 62
Hình 3.15. Sơ đồ khái quát về các phương pháp phun bê tông ...................... 62


Hình 3.16. Phương pháp phun ướt .................................................................. 63
Hình 3.17. Cơng tác phun bê tơng cho đường hầm ........................................ 64
Hình 3.18. Mặt cắt thể hiện kết cấu chống của đường hầm khu vực C .......... 65
Hình 3.19. Mặt cắt thể hiện kết cấu chống đường hầm khu vực D1 .............. 65
Hình 3.20. Mặt cắt thể hiện kết cấu chống đường hầm khu vực D2 .............. 66
Hình 3.21. Thi cơng mối nối lớp phịng nước PVC ........................................ 68
Hình 3.22. Thi cơng vỏ chống cố định sử dụng cốp pha trượt ....................... 70


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Cơng trình ngầm, không gian ngầm là xu hướng phát triển tất yếu của
nhân loại khi mà không gian trên mặt càng ngày càng thu hẹp. Đối với Việt
Nam, một đất nước đang có nhu cầu lớn trong vấn đề phát triển cơ sở hạ tầng,
giao thơng, các tồ nhà, nhà máy và nhiều dự án khác phục vụ cho công cuộc
công nghiệp hố hiện đại hố thì cơng trình ngầm gần như có mặt ở hầu hết
các loại cơng trình trên.
Dự án đường cao tốc Nội Bài - Lào Cai cũng là một dự án đường giao
thông với điểm đầu từ đường vành đai III trên đường Bắc Thăng Long - Nội
Bài (khoảng Km10+450) và điểm cuối tuyến tại xã Kim Quang - huyện Bát
Xát - Tỉnh Lào Cai. Đây sẽ là tuyến đường huyết mạch nối với đường cao tốc
Côn Minh - Hà Khẩu và nằm trong khuôn khổ tuyến đường xuyên Á. Tuyến
cao tốc Nội Bài - Lào cai có hai hạng mục cơng trình ngầm đó là hạng mục
hầm chui qua quốc lộ 2 (gần điểm đầu tuyến) và hạng mục đường hầm giao
thông A6. Đường hầm giao thông A6 là đường hầm đào xuyên qua núi tại xã
Châu Quế Thượng, huyện Văn Yên (tỉnh Yên Bái).
Khác với hạng mục hầm chui được thi công bằng phương pháp lộ thiên,
đường hầm A6 nằm trong khu vực đất đá phức tạp và thuộc loại trung bình
yếu, địi hỏi cấp thiết tìm một biện pháp thi cơng phù hợp nhất giúp đảm bảo
an toàn, tiến độ và đạt hiệu quả kinh tế. Nhất là trong thời điểm kinh tế Việt
Nam đang bị ảnh hưởng bởi khủng hoảng kinh tế thế giới, rất cần sớm có
những cơng trình như đường hầm A6 phục vụ nhu cầu đi lại và vận chuyển
hàng hóa giao thương với các nước trong khu vực được thuận lợi, an tồn
2. Mục đích của đề tài
Trong khn khổ của luận văn, tác giả đi sâu nghiên cứu về công nghệ
đào đường hầm A6 thuộc dự án cao tốc Nội Bài - Lào cai khi qua đất đá trung


2
bình yếu bằng phương pháp NATM có hiệu quả và kinh tế cao
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là đường hầm A6 nằm trong dự án tuyến đường
cao tốc Nội Bài - Lào Cai
4. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về phương pháp thi công hầm theo NATM
- Nghiên cứu đề xuất và thiết lập công nghệ thi công hầm A6 theo NATM
- Áp dụng công nghệ NATM vào thực tế thi công hầm
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài là phương pháp nghiên
cứu tổng hợp: điều tra thu thập tài liệu, nghiên cứu lý thuyết và thiết lập giải
pháp thi công hầm A6 theo NATM
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
* Ý nghĩa khoa học của đề tài: Góp phần làm sáng rõ hơn lý thuyết
NATM khi thi công trong môi trường đất đá tại Việt Nam
* Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Kết quả nghiên cứu của đề tài luận văn
tạo ra hướng mới về công nghệ thi công đường hầm A6, là tài liệu tham khảo
cho các đơn vị thi công hầm
7. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm: Phần mở đầu, 3 chương và phần kết luận được trình bày
trong 78 trang với 30 hình, 26 bảng


3
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM THEO
PHƯƠNG PHÁP NATM
1.1 Các loại cơng trình ngầm và mục đích sử dụng
Cơng trình ngầm là cơng trình được xây dựng trong lòng vỏ quả đất,
hay dưới mặt đất; chúng liên kết trực tiếp với khối đất, đá vây quanh. Trong
xây dựng cơng trình ngầm, khối đất đá, kết cấu cơng trình ngầm và q trình
thi cơng có mối liên quan mật thiết, địi hỏi phải có nhiều kinh nghiệm, lí
thuyết của các lĩnh vực chun mơn khác nhau.

Mối liên hệ mất thiết đó chính là cơ sở thể hiện sự khác nhau giữa cơng
trình ngầm với các cơng trình xây dựng khác. Xây dựng cơng trình trong lịng
đất được coi là lĩnh vực khoa học có nhiều cơ sở lí thuyết và cũng là khoa học
của các kinh nghiệm. Chính khối đất đá vây quanh, chính cơng việc thi cơng
trong khoảng khơng gian chật hẹp và kích thước của các cơng trình ngầm là
những yếu tố tạo nên những khó khăn cơ bản của cơng tác xây dựng. Việc thi
cơng dưới mặt đất khơng phải ai cũng nhìn thấy và do vậy khơng có sự chứng
kiến của cơng chúng, trừ trường hợp xây dựng các cơng trình gần mặt đất. Và
cũng vì vậy các cán bộ kỹ thuật được đào tạo để làm việc trong lĩnh vực này
có thể chưa hề có nhận thức, sự tưởng tượng đáng kể nào trước khi học tập,
nghiên cứu.
Trong xây dựng cơng trình ngầm, khối đất đá vừa làm chức năng nhận
tải (tiếp nhận tác dụng cơ học) vừa là nguyên nhân gây ra các tải trọng, tác
động lên kết cấu cơng trình ngầm. Do chịu nhiều các tác động địa chất và biến
động tự nhiên trong nhiều năm, các khối đất đá nói chung là khơng đồng nhất
và có cấu trúc phức tạp, đòi hỏi sự thận trọng cao trong mọi khâu kỹ thuật: từ
khảo sát, thăm dò, từ các dự án tiền khả thi, dự án khả thi, thiết kế sơ bộ, thiết
kế chi tiết đến công tác thi công, theo dõi, quan trắc và bảo dưỡng cơng trình


4
ngầm. Mỗi sai sót nhỏ, có thể dẫn tới những hậu quả nguy hiểm, thiệt hại lớn
về kinh tế.
Cơng trình ngầm (khơng kể các cơng trình ngầm trong ngành mỏ) được
xây dựng cho những mục đích khác nhau, hoặc hình thành do những yêu cầu
của thực tế:
- Sử dụng quỹ đất ngầm, không gian ngầm nhằm tiết kiệm quỹ đất trên
mặt đất;
- Giải quyết vấn đề giao thơng, phịng vệ, sinh hoạt, thương mại trong
thành phố;

- Vượt sông, biển, đồi núi, vật cản cần bảo vệ duy trì;
- Các kho tàng, bến bãi ngầm, nhà xưởng ngầm;
- Nhà máy thuỷ điện ngầm;
Cho đến nay các cơng trình xây dựng ngầm được triển khai mạnh hầu
khắp thế giới, phục vụ nhiều mục tiêu khác nhau. Và cũng nhờ sự phát triển
đó hàng loạt các giải pháp công nghệ, kỹ thuật đã được phát triển và hồn
thiện, cho phép có thể xây dựng được các cơng trình ngầm ngay cả trong các
điều kiện địa chất rất phức tạp. Các phương pháp thi cơng, các biện pháp bảo
vệ, chống giữ ln phải tính đến khoảng biến động rộng của các tham số địa
chất, các đặc điểm của đất đá ngay trong một dự án xây dựng. Sự phù hợp của
phương pháp thi công cũng như của các giải pháp chống giữ đóng vai trị
quyết định đến tính kinh tế.
Những rủi ro liên quan với vấn đề an toàn do biến động địa chất thường
rất lớn, dẫn đến hậu quả là thời gian xây dựng kéo dài, chi phí xây dựng lên
cao. Tìm hiểu, lựa chọn phương pháp thi cơng hợp lý, thích ứng với những
biến đổi về điều kiện địa chất, biến đổi về hình dạng, tiết diện cơng trình của
người làm cơng tác xây dựng cơng trình ngầm là tiền đề quan trọng cho sự
thành công về kinh tế và kỹ thuật.


5
Do các đặc điểm đó mà xây dựng cơng trình ngầm khác cơ bản với các
lĩnh vực xây dựng như cầu, các cơng trình cơng nghiệp và dân dụng khác.
Trong các lĩnh vực này, các tham số vật liệu cũng như những biến động về tải
trọng mang tính ngẫu nhiên cũng thường biến động trong những phạm vi xác
định. Lí do đơn giản là ngày nay các vật liệu nhân tạo được chế tạo trong điều
kiện quản lí chất lượng chặt chẽ và tải trọng tác dụng lên cơng trình, ví dụ tải
trọng tác dụng lên cầu được tính theo tải trọng lớn nhất của phương tiện giao
thông và biến động ngẫu nhiên cũng được xác định khá chính xác.
Đối với khối đất đá, hình thành và biến động trong điều kiện tự nhiên,

các vấn đề này hoàn toàn khác. Đối với người xây dựng cơng trình ngầm
thường là khơng có gì chắc chắn và xác định phía trước gương đào. Chính vì
vậy, xây dựng cơng trình ngầm là kết quả của sự phối hợp giữa lý thuyết và
kinh nghiệm và đã tạo nên một lĩnh vực nghệ thuật xây dựng đặc biệt. Tùy
thuộc vào mức độ ảnh hưởng của hàng loạt các yếu tố và nhận thức của từng
cá nhân mà trong thực tế có lúc kinh nghiệm đóng vai trị quyết định và có lúc
lý thuyết lại chiếm vị trí quan trọng. Mặc dù xây dựng cơng trình ngầm là một
lĩnh vực xây dựng cũng do cả các cán bộ kỹ thuật xây dựng đảm nhận, nhưng
chỉ riêng các kiến thức về cơ kết cấu, kết cấu công trình sẽ khơng đủ cơ sở
giải quyết các vấn đề xảy ra. Các kiến thức về địa chất, địa cơ học, kỹ thuật
cơ khí và đặc biệt là các cơng nghệ thi cơng xây dựng ngầm có vị trí quan
trọng trong lĩnh vực này. Kỹ thuật thi công trong xây dựng cơng trình ngầm là
một chun mơn năng động, ln chú ý, phân tích sự ảnh hưởng, tác động qua
lại giữa q trình thi cơng đến kết cấu của cơng trình, cũng như liên quan với
việc đánh giá, phân tích thường xuyên các tình huống xây dựng.


6
Phân loại CTN
a. Theo cơng dụng
Tùy theo mục đích sử dụng cơng trình ngầm có thể chia cơng trình
ngầm ra làm một số nhóm:
- Cơng trình ngầm khai thác khống sản: đây là loại cơng trình sử dụng
để khai thác tài nguyên khoáng sản như hệ thống các CTN, hầm trạm phục vụ
trong các mỏ than hầm lò, các mỏ quặng v.v. Đây là những cơng trình có tuổi
thọ tùy theo sản lượng của các mỏ và có yêu cầu kiến trúc không cao nên
người ta chỉ cần bảo đảm an tồn trong khi sử dụng chứ ít quan tâm đến tính
thẩm mỹ của nó.
- Cơng trình ngầm cơng nghiệp: gồm các cơng trình ngầm thủy lợi, thủy
điện, kho chứa ngầm. Những cơng trình ngầm trong hệ thống thuỷ lợi, thuỷ

điện này thường có chiều dài lớn, thường có các giai đoạn làm việc khác nhau
và chế độ làm việc cũng khác nhau đó là chế độ làm việc khi khơng có nước
chảy bên trong (khi thi cơng và khi sửa chữa) và khi đi vào hoạt động. Ngoài
áp lực đất đá bên ngồi tác động cịn có nước và áp lực nước bên trong nên
khi thiết kế và thi cơng các cơng trình ngầm trong nhóm này cũng có những
đặc điểm và u cầu riêng.
- Cơng trình ngầm dân dụng: Những cơng trình ngầm trong nhóm này
bao gồm các CTN giao thông (ô tô, tàu hoả, tàu điện, người đi bộ; giao thông
tĩnh, giao thông động), tầng hầm trong các nhà cao tầng, các gara để xe ngầm,
hệ thống đường hầm kỹ thuật dùng để đặt ống nước sinh hoạt, nước thải, cáp
điện, cáp quang... phục vụ nhu cầu sinh hoạt của nhân dân. Những cơng trình
này có u cầu về kiến trúc cao hơn hẳn những cơng trình phục vụ khai thác
khống sản vì chúng có tuổi thọ cao hơn hẳn và thời gian tồn tại lâu dài.
- Cơng trình ngầm đặc biệt: đây là nhóm những cơng trình ngầm phục
vụ mục đích qn sự, quốc phịng, các nhà máy ngầm... Nhóm những cơng
trình này có đặc điểm là cần sự kiên cố cao và nằm bí mật trong lòng đất.


7
Phân nhóm cơng trình ngầm

Theo cơng dụng

Theo vị trí thế nằm Theo diện tích sử dụng Tương quan giữa chiều dài và
chiều rộng cơng trình ngầm

Theo phương pháp
đào

- Cơng trình ngầm

- Cơng trình nằm

- Cơng trình ngầm

- Các đường hầm

- Thi công bằng

phục vụ khai thác

ngang

tiết diện nhỏ

khi chiều dài lớn

phương pháp lộ

khống sản

- Cơng trình ngầm

- Cơng trình ngầm

hơn chiều rộng

thiên

- Cơng trình cơng

nằm nghiêng

tiết diện trung

nhiều lần

- Thi cơng bằng

nghiệp

- Cơng trình ngầm

bình

- Các hầm trạm

phương pháp

- Cơng trình ngầm

thẳng đứng

- Cơng trình ngầm

khi kích thước ba

ngầm

dân dụng

- Cơng trình ngầm

tiết diện lớn

chiều khơng chênh

- Cơng trình ngầm

nằm gần mặt đất

lệch nhau q

Hình 1.1. Sơ đồ phân nhóm cơng trình ngầm


8

b. Theo vị trí, thế nằm
Cơng trình ngầm có thể có những dạng thế nằm khác nhau, trong xây
dựng cơng trình ngầm tùy thuộc vào góc nghiêng của trục cơng trình ngầm
với phương nằm ngang mà người ta có thể chia ra:
- Cơng trình ngầm nằm ngang (khi góc nghiêng của trục cơng trình
ngầm với phương ngang  khơng q 100)
- Cơng trình ngầm nằm nghiêng( khi góc nghiêng 100< <750)
- Cơng trình ngầm thẳng đứng khi góc nghiêng   750
c. Theo diện tích tiết diện đào
Tùy theo diện tích tiết diện gương đào mà người ta cũng có thể chia
cơng trình ngầm ra làm 3 nhóm:
- Cơng trình ngầm tiết diện nhỏ: những cơng trình ngầm dạng này

thường có tiết diện sử dụng S < 20m2 loại này có thể gặp tại những cơng trình
ngầm dân dụng, cơng nghiệp và các đường lị trong các mỏ.
- Cơng trình ngầm tiết diện trung bình: thường có S = (20  40)m2 chủ
yếu là các CTN dẫn nước;
- Cơng trình ngầm tiết diện lớn: khi S > 40m2 người ta hay gọi là cơng
trình ngầm có tiết diện lớn đa số chúng là các cơng trình giao thơng và thủy
điện trung bình và lớn.
Cách thức phân loại trên chỉ mang tính chất tương đối, có thể thay đổi
khi năng lực thiết bị thi cơng, trình độ người thi cơng thay đổi
d. Theo tương quan giữa chiều dài và chiều rộng cơng trình ngầm
Theo đặc điểm kích thước giữa hai chiều cơng trình ngầm người ta có
thể chia cơng trình ngầm ra làm hai nhóm:
- Khi các cơng trình ngầm có kích thước chiều dài lớn hơn nhiều lần
chiều rộng và chiều cao thì người ta thường gọi chung chúng là các CTN,


9

đường hầm. Những cơng trình ngầm dạng này thì có thể có chiều dài từ vài
chục, vài trăm thậm chí hàng chục kilơmét.
- Các hầm trạm: những cơng trình ngầm có tương quan chênh lệch giữa
chiều dài, chiều rộng và chiều cao khơng q lớn, những cơng trình ngầm như
vậy người ta thường gọi là các hầm trạm ví dụ như: các gian máy trong hệ
thống nhà máy thủy điện ngầm, các hầm sữa chữa đề pô tầu điện ngầm, trạm
bơm, trạm biến áp ngầm, v.v...
Khác với các cơng trình ngầm trong mỏ phục vụ khai thác khoáng sản,
các CTN dân dụng và cơng nghiệp thường có thời gian tồn tại lâu dài (vĩnh
cửu); hình dạng kích thước tiết diện ngang đa dạng phụ thuộc vào mục đích
sử dụng, có thể đào trong đá cứng (qua núi) hoặc trong khối đất mềm (CTN
xây dựng trong đô thị), tiết diện thay đổi từ nhỏ đến lớn (có thể tới hàng trăm

m2) và liên quan đến nó là mức độ ổn định của CTN có những thay đổi đáng
kể; có thể xây dựng trong khu vực có hoặc khơng có dân cư sinh sống dẫn đến
các giải pháp thi công chú ý tới vấn đề bảo vệ môi trường, giảm thiểu tác
động xấu của q trình thi cơng tới mơi trường xung quanh, trong một số
trường hợp, đóng vai trị rất quan trọng đối với sự thành công của dự án; đối
tượng sử dụng có thể là những người có chun mơn hoặc cộng đồng dân cư
khơng có chun mơn về cơng trình ngầm. Chính vì vậy, phương pháp thi
cơng, phá vỡ đất đá, sơ đồ công nghệ đào, thiết bị thi cơng, giải pháp chống
giữ, v.v... cũng có sự khác biệt với thi cơng các cơng trình ngầm phục vụ mục
đích khai thác khoáng sản.
e. Theo phương pháp đào
Dựa theo phương pháp đào có thể phân cơng trình ngầm ra hai nhóm
chính là:
* Cơng trình ngầm thi cơng bằng phương pháp thi cơng lộ thiên: tồn


10

bộ hay một bộ phận của kết cấu CTN được thi cơng lắp dựng trong điều kiện
lộ nóc
* Cơng trình ngầm thi cơng bằng phương pháp thi cơng ngầm: tồn bộ
kết cấu CTN được thi công lắp dựng trong điều kiện kín nóc hoặc lộ nóc
nhưng tỷ lệ diện tích phần nóc lộ rất nhỏ so với diện tích khối đất đá xung
quanh CTN (ví dụ đào giếng)
1.2 Tổng quan về thi cơng cơng trình ngầm
1.2.1 Khái qt chung các phương pháp thi cơng cơng trình ngầm
Nói chung các cơng nghệ thi cơng cơng trình ngầm rất phong phú và
đa dạng, chúng là 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 cơng
trình ngầm cũng có nhiều xuất xứ khác nhau, có thể theo nơi đã phát triển

công nghệ hay phương pháp, theo giải pháp kỹ thuật phổ biến và nhiều khi
còn là do thói quen. Vì vậy để giúp cho người thiết kế và thi cơng 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, trước tiên cần thiết giới thiệu sơ bộ các yếu tố, các
khâu kỹ thuật quan trọng của cơng nghệ thi cơng.
Có thể nói, mỗi cơng nghệ thi cơng là tổ hợp của các yếu tố, các giải
pháp kỹ thuật cơ bản sau (bảng 1.1):
* Phương pháp và kỹ thuật đào hay tách bóc đất đá,
* Phương pháp và kỹ thuật bảo vệ (chống tạm) trong khi thi công;
* Sơ đồ đào hay sơ đồ thi công trên gương


11

Bảng 1.1. Cơ sở thiết lập công nghệ thi công hầm
Sơ đồ đào: phương

Phương pháp đào hay tách

Mục tiêu của phương

thức tách bóc đá trên

bóc đất đá: tách bóc đất, đá ra

pháp bảo vệ hay điều

tiết diện (gương) định khỏi khối đất, đá trong vỏ quả

khiển khối đất đá trong

đào.

khi thi công

đất, tạo nên khoảng không gian
cần đào

* Sơ đồ đào tồn

* Khoan, nổ mìn;

* Chống đỡ bảo vệ thành

gương

* Máy đào hầm, bao gồm máy

hố đào, sườn đường hầm

* Sơ đồ chia gương

đào toàn gương hay toàn tiết

* Chống đỡ, ổn định

diện và máy đào từng phần

gương đào

gương, hay đào từng phần tiết

* Bảo vệ nóc cơng trình

diện;

ngầm

* Đào bằng các máy xúc bốc;

* Giảm sụt lún

Đào bằng rửa lũa (sức nước, khí Chống xâm nhập nước
nén)

Bảng 1.2. Các phương pháp thi cơng đào hầm (tách bóc đất/đá)
Đá rắn cứng
Đá bở rời/đất
Độ bền
Độ bền
Độ bền cao
Đất dính
Đất rời
Đất chảy
trung bình
thấp
Khoan-nổ mìn
Máy đào tồn gương (máy khoan hầm (Tunnel Boring MachineTBM), máy khiên đào (Shild Machine - SM)
Máy đào từng phần gương, máy cắt từng phần
(Roadheader-RH)

Đào bằng các máy xúc bốc- máy xúc tay gầu
Đào bằng rửa lũa (sức
nước, khí nén)


12

Bảng 1.3. Các giải pháp bảo vệ, chống tạm
Đá rắn cứng
Nứt nẻ
ít

Nứt nẻ
trung
bình

Đá bở rời/đất

Nứt nẻ
Nứt nẻ
mạnh
Đất dính
Đất rời
Đất chảy
mạnh và giảm
bền
Bêtơng phun
Lưới bảo vệ
Neo
Khung thép

Ván chèn
Cắm cọc
Ván cừ
Ơ bảo vệ bằng ống
Ô bảo vệ bằng khoan phun-phun tia

Bảng 1.4. Phạm vi áp dụng của các giải pháp đặc biệt theo yêu cầu bảo vệ
Yêu cầu
Các giải pháp
Sơ đồ có nhân đỡ
Neo, cược gương
Cắm cọc
ép ván cừ
Vịm, ơ bảo vệ
bằng ống, phun ép
Gia cố đất
Đóng băng
Sử dụng khí nén

Chống đỡ (ổn

Bảo vệ nóc

định) gương

cơng trình

đào

ngầm

Giảm thiểu

Chống xâm

lún sụt

nhập nước


13

1.2.2 Phương pháp thi cơng lộ thiên
Có thể nói rằng, các phương pháp thi công lộ thiên đã được phát triển
mạnh và khá hồn chỉnh về cơng nghệ. Các phương pháp thi công lộ thiên
khác nhau ở phương thức, tiến trình cơng việc và có thể phân ra các phương
thức sau:
* Phương thức tường nền: Theo phương thức này, các cơng trình
ngầm được hồn cơng theo trình tự sau: Đầu tiên từ mặt đất tiến hành đào các
hào hay hố thi cơng, tiếp đó tiến hành lắp dựng kết cấu của cơng trình ngầm
trên hào, hố đào và sau cùng lấp lại bằng vật liệu lấp phủ. Sơ đồ thi cơng được
thể hiện trên hình 1.2a. 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. Kết cấu chống giữ thành hào được sử dụng có thể là cọc-ván ép,
cọc cừ (tường cọc cừ - đã được sử dụng rộng rãi ở nước ta), tường khoan nhồi
(tường cọc nhồi) hay tường hào nhồi (tường trong đất) bằng bê tông hoặc bê
tông cốt thép, có thể được gia cố thêm bằng neo, khoan phun ép (khoan phụt)
kích chống, giằng... Cọc cừ được tháo ra để sử dụng tiếp. Còn trong trường
hợp sử dụng tường cọc nhồi hay tường hào nhồi, kết cấu đáy của cơng trình
ngầm thường liết kết với tường tạo thành một bộ phận của kết cấu cơng trình

ngầm (đặc biệt khi gặp nước ngầm).
* Phương thức tường nóc: Theo phương thức này, hào thi công không
cần đào 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 cơng tường cọc
nhồi hay tường hào nhồi đến độ sâu dự định (thông thường đến tầng đất cách
nước). Công đoạn tiếp theo là đổ bê tơng nóc cơng trình ngầm (dạng vịm hay
nóc phẳng), hoặc lắp ghép bằng các tấm panen đúc sẵn và phủ lớp ngăn cách,
chống thấm. Các cơng việc cịn lại được thực hiện ngầm trong lòng đất bao
gồm đào bốc đất, xây dựng nền cơng trình ngầm, cũng như các cơng tác kỹ


14

thuật khác. Phương thức thi công này đã được sử dụng rất có hiệu quả trên thế
giới trong trường hợp thi công 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 tấm panen nóc và hồn thiện trạng
thái đường phố, giao thơng trên phố lại có thể hoạt động bình thường khơng
gây ảnh hưởng đến cơng tác thi cơng tiếp theo. Bằng cách này có thể xây
dựng được các cơng trình có nhiều tầng trong lịng đất với thời gian thi cơng
dài mà khơng gây cản trở đến hoạt động bình thường trên mặt đất.
* Phương thức thức hạ dần (Phương thức caisson): Theo phương
thức này tồn bộ hay từng đoạn của kết cấu cơng trình ngầm được lắp dựng
hồn tồn trên mặt đất. Sau đó các đoạn kết cấu được hạ dần vào lịng đất
song song với việc đào xúc đất dưới gầm của kết cấu đó (Hình 1.2 c)
* Phương thức hạ chìm: Theo phương thức này, toàn bộ hay từng
đoạn của kết cấu cơng trình ngầm được lắp dựng hồn tồn trên mặt đất và ở
dạng "hộp nổi", sau đó được kéo đẩy ra mặt sơng, biển và hạ chìm dần vào
hào thi cơng đã được đào bốc sẵn (Hình 1.2 d)
a)Phương thức 1:

Chống đỡ thành hào, hố
Vật liệu lấp đầy

đào

Bê tông nền

Đào, bốc đất
Lắp dựng kết cấu cơng
trình


15

b) Phương thức 2:
ctn

Thi công hào

Thi công tường nhồi Lắp dựng nóc CTN

Đào, đổ bêtơng nền

Phương thức 3:
c) Phương thức hạ dần (caisson)

d) Phương thức hạ chìm

Hào thi cơng
Kết

cấu

xàlan

xàlan

CTN

(caisson)

vỏ hầm

CTN
Buồng cơng tác
(đào, xúc đất, cát)
hào đào trước khi hạ chìm

Hình 1.2. Các phương thức thi công lộ thiên
Tiến bộ kỹ thuật hiện nay cho phép thi công bằng phương pháp lộ thiên
trong mọi điều kiện địa chất cơng trình, địa chất thuỷ văn phức tạp và đến độ
sâu khá lớn. Các tường khoan cọc 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 phụ thuộc
chủ yếu vào ba yếu tố là:


16

- 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
Nói chung, phương pháp thi công lộ thiên là phương pháp thi cơng cần
chi phí thấp hơn, thực hiện đơn giản và ít rủi ro hơn so với phương pháp thi
cơng ngầm. Tuy nhiên, phương án này đòi hỏi hiện trường thi cơng phải trống
vắng; diện tích cơng 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.
1.2.3 Phương pháp thi cơng ngầm
Để xây dựng các cơng trình ngầm bằng các phương pháp thi cơng ngầm
đã có hàng loạt các phương thức khác nhau được phát triển. Theo quan niệm
truyền thống theo lịch sử phát triển của lĩnh vực xây dựng cơng trình ngầm có
thể phân ra ba nhóm chính (hình 1.3):
- Các phương pháp thông thường (hay thông dụng),
- Các phương pháp thi cơng bằng máy (hay cơ giới hố)
- Phương pháp "micrơ"
Nói chung các phương pháp thi công ngầm rất đa dạng về loại hình,
phương thức phối hợp cơng nghệ cũng như những giải pháp riêng biệt theo
kinh nghiệm của từng đất nước, từng khu vực, tuỳ theo khả năng kinh tế và
tiến bộ kỹ thuật. Trên hình 1.4 giới thiệu sơ đồ tổng quát về các phương thức
thi công ngầm và hình 1.5 giới thiệu các phương thức đào và chống tạm áp
dụng phổ biến khi thi công xây dựng các cơng trình ngầm trong đất bằng


17

phương thức ngầm. Trong bảng 1.7 tổng hợp các phương pháp phổ biến nhất
hiện nay đồng thời đánh giá, phân tích về khả năng và điều kiện áp dụng thích
hợp, theo các đặc điểm cụ thể của cơng trình ngầm (hình dạng, kích thước),
loại hình kết cấu chống giữ (kết cấu của cơng trình ngầm: một lớp, hai lớp),
điều kiện địa chất thuỷ văn (nước ngầm, nước có áp), loại khối đất đá (đá rắn
cứng, đá mềm rời, đất) và các khả năng gây ô nhiễm môi trường thi công (thải
bụi, khí độc, khả năng bảo vệ người lao động).

Các phương pháp
thi cơng

Phương pháp thi cơng
thơng thường

khoannổ mìn

máy
đào xúc,
máy xới

máy
đào lị
RH

Phương pháp thi
cơng bằng máy

máy khoan
hầm TBM

hở

có
khiên

máy khiên
đào SM

đào
tồn
gương

Hình 1.3. Phân nhóm và các phương pháp thi cơng

đào từng
phần
gương


18

PHƯƠNG PHÁP NGẦM THI CƠNG XÂY
DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM

Sơ đồ đào

Phương pháp khai đào

+ Toàn tiết diện.
+ Chia gương.

+ Khoan nổ mìn.
+ Máy đào hầm.
+ Nén ép ống (vỏ chống)

PHƯƠNG PHÁP BẢO
VỆ VÀ CHỐNG GIỮ

Biện pháp thực hiện
trước khi đào
+ Các biện pháp gia cố,
neo, khiên vòm lưỡi dao.
+ Sử dụng khiên kín

Biện pháp thực hiện
sau khi đào
+ Neo.
+ Bêtơng phun.
+ Khung gỗ thép.
ổ

ỗ

MỘT SỐ PHƯƠNG
PHÁP HIỆN HÀNH
+ Phương pháp thi cơng bằng vịm
chống lưỡi dao.
+ Phương pháp khiên kín.
+ Phương pháp Koler

+ Phương pháp thi công hầm mới
của áo.
+ Phương pháp xây dựng theo vành
khuyên với kết cấu thép.
+ Các phương pháp xây dựng kinh
điển (nhân đỡ của Đức, phương
pháp đón đỡ của Bỉ, Anh, áo cũ)

Hình 1.4. Sơ đồ tổng quát về các phương pháp thi công ngầm