Những giải pháp hợp lý trong việc xây dựng công trình tàu điện ngầm tại Hà Nội

Những giải pháp hợp lý trong việc xây dựng công trình tàu điện ngầm tại Hà Nội

Công trình tàu điện ngầm có khả năng vận chuyển từ 50.000 đến 70.000 hành khách trong một giờ với tốc độ 40-60km/h, không cản trở giao thông trên tuyến phố. Có thể nói một thành phố văn minh, hiện đại không thể thiếu công trình tàu điện ngầm.

(     GS. TS. Đỗ Như Tráng -  TS. Nguyễn Đức Nguôn

Bộ môn Công trình ngầm đô thị Đại học Kiến Trúc Hà Nội )

Xây dựng công trình tàu điện ngầm tại khu vưc Hà Nội cần xét đến các đặc điểm sau đây:

 - Khu vực Hà Nội đặc trưng bằng các loại đất khá đa dạng, chủ yếu là các loại đất yếu như sét, sét pha và cát pha chịu ảnh hưởng của mực nước sông Hồng. Tại độ sâu trên 35m thường có lớp cát hạt trung lẫn sỏi sạn. Cao độ mực nước ngầm thay đổi tuỳ theo vị trí và phụ thuộc theo mùa.

- Các công trình hiện có trên mặt đất ở khu vực Hà Nội khá dày đặc, bố trí phức tạp.

Theo quy hoạch đứng, các ga và tuyến đường tàu điện ngầm có thể đặt nông hoặc đặt sâu (độ sâu lớn hơn 12m). Chúng thường được bố trí dưới mạng kỹ thuật ngầm, đường bộ vượt ngầm, cửa hàng bách hoá ngầm, ga ra ô tô ngầm.

Công trình tàu điện ngầm đặc trưng bằng ga và đường tàu chạy. Trong đó ga có dạng hình "khối hộp" còn đường chạy có dạng tuyến.

I. Đối với ga tàu điện ngầm đặt nông xây dựng tại khu vực Hà Nội hợp lý nhất là thi công theo phương pháp lộ thiên sử dụng công nghệ "Tường trong đất" kết hợp với hệ thanh chống hoặc neo gia cường.

Công nghệ “Tường trong đất”áp dụng trong điều kiện đô thị Hà Nội tỏ ra rất hiệu quả, không gây ảnh hưởng tới các công trình lân cận. Trong quá trình thi công "Tường trong đất" cần sử dụng vữa bentônite để giữ vách hào. Các thao tác công nghệ chính được thực hiện theo trình tự như sau (h.3).

Có thể sử dụng panen BTCT lắp ghép (dày 0,3-0,5m, dài đến 10-15m) hạ chúng vào hào đầy vữa sét. Sử dụng panen lắp ghép cho phép giảm khối lượng làm đất, giảm chi phí BTCT, giảm thời gian thi công và giá thành xây dựng. Có thể xây dựng tường bằng kết cấu hỗn hợp từ BTCT toàn khối ở phần dưới và các panen lắp ghép ở phần trên của tường.

Giữa các bước đào và đổ bê tông thường sử dụng vách ngăn. Vách ngăn có thể được lấy ra sau khi đổ bê tông hoặc để lại trong tường CTN.

Liên kết các panen bằng cách bơm vữa bê tông xi măng chậm đông kết (độ bền tới 5Mpa) vào các rãnh giữa các panen cũng như giữa các tường hào và panen sau khi lắp đặt panen, đẩy vữa sét ra ngoài. Trong vữa đông kết chậm có xi măng, bêtônít, cát, phụ gia chậm đông kết.

Nhược điểm của phương pháp "tường trong đất" là khó kiểm soát chất lượng và chống thấm bên ngoài tường.

Hệ chống (h.5). Có thể cố định hoặc di động, các thanh chống bố trí theo tầng khi hố đào sâu, có thể tạo áp lực trước.

Hệ chống vách hố đào có thể sử dụng lại nhiều lần, nhưng bất tiện khi kích thước hố đào lớn, cản trở các phương tiện thi công.

 Neo gia cường (h.6a). Ngoài việc dùng hệ chống trong xây dựng ngầm có thể sử dụng neo.Thanh chống chịu nén còn neo chịu kéo. Neo có cấu tạo gồm bầu neo, thanh neo và gương neo.

Nguyên tắc bố trí neo là bầu neo phải nằm ngoài vùng lăng thể trượt. Neo được sử dụng phổ biến trong xây dựng ngầm là neo đất.

- Neo đất được xây dựng bằng cách khoan lỗ (nghiêng) đường kính 20-30cm sâu 8-20m (hãng “kato”, brtono”, “bayzp”, Samwoo) vượt ra ngoài giới hạn khối trượt khả dĩ. Các thanh neo được đặt vào lỗ khoan sau đó bơm vữa xi măng. Có thể dùng neo nằm ngang (h.6b).

Sử dụng neo gia cường vách hố đào tỏ ra khá hiệu quả, đặc biệt đối với những công trình có kích thước lớn như ga tàu điện ngầm.

Gia cường vách hầm bằng cọc. Để chắn thành hố đào sâu có thể dùng cọc khoan nhồi hoặc hạ cọc-cột BTCT vào lỗ khoan sẵn (h.7).

Sử dụng cọc khoan nhồi giao nhau có chi phí khá cao song chúng lại tỏ ra khá hiệu quả khi cần xử lý vách hố đào sâu trong nhứng điều kiện phức tạp, cần gia cường chống sụt lở cục bộ vách hố đào, đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận. Kè chắn BTCT ("tường trong đất", cọc khoan nhồi) rất hiệu quả và kinh tế khi kết hợp chúng như bộ phận của kết cấu của CTN.

Xây dựng ga nhiều tầng sử dụng "Tường trong đất" hoặc cọc khoan nhồi như bộ phận của kết cấu của CTN có thể thực hiện theo sơ đồ “từ dưới - lên trên”(h.8a) hoặc theo trình tự đào đất - theo sơ đồ “từ trên - xuống dưới” lợi dụng hệ dầm sàn thay cho hệ thanh chống (h.8b), trong đó có thể sử dụng phương pháp thi công tiên tiến- phương pháp hạ sàn (h.8c).

Phương pháp thi công ga tàu điện ngầm bằng phương pháp lộ thiên kết hợp các hệ gia cường nêu trên mặc dù khá hợp lý và kinh tế nhưng khi thực hiện trên tuyến dài nhiều ga (các ga tàu điện ngầm thường cách nhau 1,2-1,5km/ga), để kịp tiến độ thi công giữa ga và tuyến đường chạy thi các ga phải thi công đồng thời. Điều này đòi hỏi khối lượng dự trữ và huy động vật liệu, máy móc, nhân công rất lớn, đồng thời gây khó khăn cho giao thông mặt đất, đặc biệt đối với giao thông thành phố Hà Nội.

Một trong những biện pháp tiên tiến, hữu hiệu xây dựng ga tàu điện ngầm đặt nông tại khu vực Hà Nội là sử dụng phương pháp bán lộ thiên "mở thông đường hầm nối ga".

Bản chất của phương pháp này là mở thông đường chạy nối ga liên tục trên toàn bộ chiều dài của tuyến bao gồm 2-3 đường nối ga và tại vị trí của từng tổ hợp ga tiến hành mở hầm lần lượt theo tiến trình di chuyển của khiên qua đó (h.9, 10).

Trong cả hai phương pháp thi công bán lộ thiên nêu trên đất đào, vật liệu và chi tiết kết cấu được vận chuyển qua khoang ngang đã xây dựng ở đầu mút ga khi chuyển dịch khiên mở tuyến hầm nối ga.

II. Thi công tuyến đường tàu điện ngàm đặt nông: Thi công tuyến đường tàu điện ngầm đặt nông bằng phương pháp lộ thiên tốt nhất sử dụng hệ chống di động (h.11). Đây là hệ chống kim loại di động tiết diện hở, di chuyển được nhờ hệ thống kích thuỷ lực. Sử dụng hệ chống di động cho phép:

- Hoàn toàn loại trừ cây chống cố định và sự nặng nhọc trong việc thi công chúng.

- Giảm khối lượng đào và đắp đất (do giảm khoảng trống giữa vỏ hầm và thành hầm).

- Giảm độ nguy hiểm do chuyển vị và biến dạng mặt đất, nhà và công trình dọc tuyến hầm.

Công nghệ "Tường trong đất" kết hợp neo/chống và cọc khoan nhồi giao nhau cũng có thể sử dụng để thi công tuyến đường tàu điện ngầm đặt nông.

III. Thi công tuyến đường tàu điện ngàm đặt sâu (lớn hơn 12m): hợp lý nhất là sử dụng phương pháp kín (ngầm).

Một trong những thao tác khó khăn nhất trong xây dựng công trình ngầm bằng phương pháp kín tại khu vực Hà Nội là đào đất. Tuỳ loại đất có thể có một số biện pháp hiệu quả sau đây.

- Đất có hệ số kiên cố f = 1¸2 thường đào thủ công, đào phá bằng búa hoặc xẻng khí nén kết hợp sử dụng màng ống. Màng ống có cấu tạo như h12.

Tăng chiều dài màng chắn bằng ống bằng cách khoan xiên tạo ra màng vượt trước trực tiếp từ gương đào ngầm  và luồn ống thép vào lỗ khoan (h.13).

- Đất có hệ số kiên cố f = 3-6, nên sử dụng máy đào TBM hoặc khiên.

3.1. Phương pháp đào đường hầm bằng máy (TBM). Đào hầm bằng TBM so với phương pháp đào thủ công hoặc khoan nổ mìn có nhiều ưu điểm. Nếu trong phương pháp khoan nổ mìn hoặc đào thủ công tốc độ mở lớn nhất trên 1 gương là 30-100m/tháng cho đường ngầm ôtô 2 luồng, thì cũng trong đất như vậy, TBM có thể đảm bảo tốc độ mở hầm 300-400m/tháng và lớn hơn. Giá thành xây dựng giảm trung bình 20-30%. Đặc biệt sử dụng TBM có hiệu quả khi đào đường hầm kéo dài hơn 1¸1,5km.

TBM được trang bị cơ cấu đào đất, gầu và băng tải để chuyển đất lên các phương tiện vận chuyển.

TBM tác động mang tính lựa chọn được dùng phổ biến. Bộ phận làm việc của chúng được di chuyển trên cần gắn trên phần thân của máy đào, máy kéo hoặc trên xe tời chuyên dùng (h.14-15). Máy có một hoặc hai đầu cắt - cần lái cho phép tạo nên hầm đào dạng bất kỳ: vòm, chữ nhật, tròn, elip v.v…

Nhược điểm chính của TBM là ở chỗ không thể sử dụng chúng ở điều kiện đất thay đổi trong phạm vi đủ rộng. Tiếp tục hoàn thiện TBM là xem xét tạo ra các cơ cấu tác động trong phạm vi rộng với các bộ phận làm việc rôto hoặc nhiều cần trang bị cơ cấu treo để lắp đặt hệ chống tạm thời cũng như các phương tiện thông gió và hút bụi.

Công nghệ đào hầm: - Đối với đất mềm, hầm ngầm được đào từng đoạn trên toàn bộ tiết diện kết hợp hệ thống chống đỡ tạm thời. Phương pháp này chỉ nên dùng cho các đoạn hầm ngắn (200-300m).

Khu vực tỉnh Hà tây và một số Xã thuộc Hoà Bình (Hà Nội mở rộng) có đất đá đủ cứng có thể sử dụng một số phương pháp đào hầm sau đây:

- Đất đá có hệ số kiên cố f ³ 6-7 có thể sử dụng các phương pháp gương hầm liên tục và dật cấp, phía dưới, phía trên và phía bên. Hầm đào được mở ngay toàn bộ tiết diện hoặc trong 2-3 giai đoạn, sau đó thi công vỏ hầm cố định.

-Đất có hệ số kiên cố f = 4-6, phổ biến sử dụng phương pháp dật bậc dưới, trong đó phần trên bậc được mở ngay trên toàn bộ chiều dài hầm đào hoặc vượt trước so với phần dưới với l = 30-50m (h.17a,b).

- Đất đá dạng phiến, sét kết aleurolit v.v. có hệ số kiên cố f = 3-5, cúng như đất yếu no nước thường sử dụng phương pháp mới của áo (HATM). Đầu tiên tiến hành đào phần đỉnh hầm, gia cường bằng bê tông - phun dày 15-20cm, phun lên lớp lưới thép (h.18). Có thể dùng hệ chống liên hợp từ bê tông phun kết hợp neo hoặc cung vòm. Vỏ mềm bê tông phun có khả năng biến dạng mà không bị sụt lở nhờ tính từ biến của bê tông - phun.

Sau khi khối đất xung quanh tắt biến dạng (ghi theo đồng hồ neo) tiến hành đào phần giữa của hầm và đổ bê tông vỏ hầm hoặc bê tông - phun dày 25-30cm. Khi có nước ngầm trong hầm đào, cần dán lớp cách nước giữa lớp bọc ngoài và vỏ hầm. Trong phương pháp này kết cấu vỏ hầm được giảm nhẹ rất nhiều nhờ tận dụng quá trình ngưng từ biến của đất, tuy nhiên dễ xuất hiện sự cố khi vành đường hầm lún nhiều, đặc biệt khi tải trọng ngoài không đều.

Lắp đặt côp pha cho bê tông đổ tại chỗ

- Cốp pha kiểu ống lồng làm theo các đơn nguyên dài l_c =2-3m được sản xuất từ ống có gân phủ bằng các tấm thép (h.19a). các đơn nguyên này gồm các chi tiết liên kết khớp với nhau cho phép xếp lại. cac đơn nguyên được vận chuyển trên xe lắp ráp có trang bị kích và tời. sau khi bố trí các đơn nguyên lần lượt vào vị trí thiết kế, chúng được liên kết lại bằng bulông, còn các khớp được “khoá lại”

- Cốp pha kiểu lắp ghép từ các vì tubin liên kết với nhau bằng bulông (h.19b).

Sử dụng cốp pha ống lồng và vì tu bin lắp ghép tạo khả năng đổ bê tông liên tục theo hướng tới gương hầm bằng cách di chuyển các chi tiết khuôn dưới các đơn nguyên đã dựng trước đó.

3.2. Phương pháp khiên. Khiên mở hầm là hệ chống di động. Trong phương pháp này đất được đào và vỏ hầm cố định được lắp đặt gần như đồng thời.

Các khiên khác nhau về hình dáng, kích thước mặt cắt, khả năng chịu lực, phương pháp đào đất và gia cường mặt gương hầm v.v. Hình dạng mặt cắt ngang của các khiên rất khác nhau: tròn, vòm, chữ nhật, thang, elip v.v. Trong phần lớn các trường hợp, khiên có dạng hình tròn tương ứng với dạng vỏ hầm. Nhưng sử dụng tiết diện đường hầm hiệu quả hơn lại là vò hầm có dạng chữ nhật.

Theo phương pháp đào đất khiên có loại chính:

- Không cơ giới hoá: đất được đào thủ công hoặc dùng dụng cụ cơ giới cầm tay.

- Cơ giới hoá: tất cả các thao tác đào đất, thu dọn đất hoàn toàn được cơ giới hoá.

 Cấu tạo khiên: -Vòng dao cắt đất theo chu tuyến hầm đào và để bảo vệ người làm việc trong gương hầm. Khi mở hầm trong đất mềm, vòng dao có phần trên rộng ra- dầm dẫn, còn trong đất yếu- mái đua ngăn ngừa sự cố.

- Vòng tựa cùng vòng dao là các kết cấu chịu lực chính của khiên. các kích để di chuyển khiên được phân bố đều theo chu vi vòng tựa. khi đường kính khiên khoảng 10m thường được bố trí 30-36 kích.

- Vỏ đuôi gia cường chu tuyến của hầm đào tại vị trí thi công vòng tiếp theo của vỏ hầm.

Các khiên không cơ giới hoá được trang bị bổ sung các vách ngăn ngang và đứng, các tấm sàn đua, cũng như các kích sàn và gương hầm. các vách ngăn ngang và đứng tạo cho kết cấu khiên độ cứng cần thiết và chia gương hầm thành các ô lưới, trong đó đất được đào đi.

Vấn đề hoàn thiện các kết cấu của khiên được tiến hành theo hướng tạo ra những khiên di chuyển độc lập với vỏ hầm kết hợp tựa vào vòng chống nhờ vỏ ống lồng v.v…

Các khiên cơ giới hoá. Khiên cơ giới hoá được trang bị các bộ phận để đào đất và gia cường mặt gương hầm, ngoài ra các khiên còn được trang bị các cơ cấu để bốc đất và đưa ra ngoài giới hạn của khiên. Các khiên cơ giới hoá giảm mức độ nặng nhọc, tăng tốc độ mở hầm, đảm bảo chu tuyến hầm đào phẳng, cho phép sử dụng các dạng vỏ hầm hợp lý (ép vào đất, nén ép toàn khối v.v..).

Phụ thuộc vào loại đất, có thể sử dụng các bộ phận đào đất khác nhau, ví dụ:

Đối với đất sét, á sét và đá phiến gốc sét khô và cứng có hệ số kiên cố f tới 2,5-3. Bộ phận đào đất của khiên có dạng vôđilô 4 tia với lưỡi cắt dạng thanh và lưỡi cắt dạng đĩa (h.21b).

Đất sét khô mácnơ và sét phiến có hệ số kiên cố f tới 3 thường sử dụng khiên với bộ dẫn động thuỷ lực (h.21c).

Đất phân lớp và đất hỗn hợp nên dùng các khiên cơ giới có bộ phận làm việc dạng cần, tác động lựa chọn (h.22a).

Đất đá bị phá hoại có hệ số kiên cố f tới 5 có thể sử dụng các khiên cơ giới có bộ phận làm việc kiểu phay (h.22b).


Đất không dính có độ ẩm tự nhiên, có thể sử dụng các khiên có sàn ngăn nằm ngang đua ra chút ít sau vòng dao và nằm ở độ cao 0,8-1,2m. Nhờ vậy gương hầm được chia ra nhiều tầng, trong mỗi tầng đó, đất được đổ trên các sàn theo góc nghiêng tự nhiên đảm bảo ổn định cho gương hầm không cần gia cường cưỡng bức (h.23).

Để mở hầm ngầm trong đất no nước không dính, có thể sử dụng hệ thống khiên cơ giới hoá khác nhau, đảm bảo đào đất và gia cường mặt gương hầm (h.24a).

Để mở đường hầm trong đất no nước không ổn định sử dụng các khiên có buồng hơi ép gần gương hầm hoặc các khiên có buồng chứa huyền phù bê tông gần gương hầm (h.24b).

Đất sét dính và bùn có độ thấm nước thấp, sử dụng các khiên cơ giới có gia tải đất tạo nên trong buồng cạnh gương lò nhờ nén chặt đất đào. Các tấm được trang bị bộ phận làm việc dạng rôto và màng liên tục tách buồng cạnh gương lò khỏi phần còn lại của khiên (h.24c).

Như vậy, các khiên cơ giới hiện đại cho phép tiến hành mở hầm trong các điều kiện địa chất công trình rất khác nhau. Nhược điểm cơ bản của chúng là vùng sử dụng cho từng cơ cấu riêng bị hạn chế. do đó tiếp tục hoàn thiện các khiên cơ giới hoá được tiến hành theo hướng đa năng hoá, sao cho có thể sử dụng luân chuyển các bộ phận làm việc để đào các loại đất khác nhau hoặc sử dụng các bộ phận làm việc liên hợp cấu tạo từ nhiều chi tiết, mỗi chi tiết phục vụ cho một vài loại đất nhất định.

Công nghệ mở hầm bằng khiên. Lắp ráp các khiên và trang thiết bị cần thiết cho chúng được thực hiện trước khi mở hầm. Phụ thuộc vào dạng công trình ngầm, chiều sâu chôn ngầm của chúng, tình hình địa chất công trình, các khiên có thể được lắp ráp trực tiếp cạnh cửa chính của đường hầm, trong hố đào lộ thiên hoặc qua giếng đứng hoặc được lắp ráp trong các buồng ngầm đặc biệt.

Sơ đồ công nghệ thi công bằng khiên cơ giới hoá (h.25) khác khiên không cơ giới hoá chủ yếu bằng phương pháp đào đất, gia cường mái và mặt gương hầm.

Lắp đặt vỏ hầm lắp ghép khi mở hầm bằng khiên được tiến hành nhờ các tổ hợp đặc biệt- vì tubin và thiết bị lắp đặt cấu kiện. chúng có thể có bộ truyền động chạy điện, khí nén, thuỷ lực hoặc kết hợp và được bố trí trực tiếp trên khiên hoặc trên xe tời chuyên dùng.

Theo nguyên tắc làm việc, người ta phân biệt thiết bị lắp đặt dạng đòn bẩy, vòng cung, hộp (h.26).

phụ thuộc vào độ kiên cố và mức độ ổn định của đất, có thể sử dụng các sơ đồ công nghệ mở hầm khác nhau kết hợp thi công vỏ hầm toàn khối - ép.

Trong quá trình mở hầm bằng phương pháp khiên cần thực hiện công tác bơm và cách nước cho vỏ hầm. Lấp kín kịp thời các khe hở giữa vỏ hầm và đất nhằm ngăn ngừa độ lún của khối đất phía trên, đảm bảo sự làm việc đồng thời của vỏ hầm và đất xung quanh.