Lựa chọn chiều sâu hợp lý và công nghệ thi công các tuyến Metro trên cơ sở kinh nghiệm các nước phát triển trên thế giới

MTXD - Các đô thị lớn trên thế giới đã đưa hệ thống Metro (tàu điện ngầm) hoạt động từ hơn 100 năm trước. Trong lịch sử phát triển, các nước xây dựng Metro với nhiều tầng với độ sâu khác nhau. Tùy theo đặc điểm địa chất, đặc điểm văn hóa và trình độ công nghệ, có nhiều lựa chọn độ sâu đặt hầm tàu điện ngầm và các ga ngầm. Bài viết phân tích lựa chọn chiều sâu hợp lý bố trí các tuyến Metro trên cơ sở kinh nghiệm các nước phát triển trên thế giới, cũng như lựa chọn công nghệ đào phù hợp.

Tàu điện ngầm của Tokyo hoạt động 24 giờ một ngày. Ảnh: Getty

1.Đặt vấn đề

Mức độ phát triển tàu điện ngầm ở các thành phố khác nhau trên thế giới có thể được đặc trưng bởi chiều dài tàu điện ngầm trên 1 triệu dân. Ở các thành phố của Ukraine con số này là: ở Kharkov - 20 km, Kiev - 17 km, Dnepropetrovs - 6 km, trong khi ở hầu hết các thành phố lớn trên toàn thế giới đạt 25 - 35 km trở lên. Ở Moscow - 25, ở Madrid - 28, Paris - 32; Montréal - 34, Washington - 37; Hamburg - 39, Stockholm - 69, Luân Đôn - 7. Mặt cắt các tuyến metro được xác định tùy thuộc vào điều kiện địa chất thủy văn trên tuyến, phương pháp thi công hầm và yêu cầu vận hành. Ở hầu hết các thành phố trên thế giới, mạng lưới tàu điện ngầm chỉ bao gồm các tuyến tàu điện ngầm (metro) có hai tầng ngầm nông và sâu [8]:

- Nông, độ sâu 5 - 8 m;

- Sâu, nằm ở 30 - 50 m và lớn hơn tính từ mặt đất.

Hiện nay trên thế giới có 70 hệ thống tàu điện ngầm đang hoạt động tại 30 quốc gia với tổng chiều dài khoảng 3.500 km. Chi phí cho 1 km đường hầm: đường hầm sâu là 12 – 15 triệu USD, đường hầm nông 5 - 7 triệu USD, ga tàu điện ngầm 12 - 20 triệu USD (tính theo vật giá năm 2005 [8]). Việc xây dựng tàu điện ngầm chỉ được khuyến khích ở các thành phố lớn có dân số trên một triệu người và đường phố đông đúc.

2. Một số phân tích về hệ thống Metro – đường tàu điện ngầm và công nghệ xây dựng

2.1. Phân tích các tầng xây dựng metro

Độ sâu của metro được xác định bởi các tòa nhà hiện có, cách bố trí thành phố, vị trí giao thông của thành phố và các điều kiện địa chất, địa hình, thủy văn…

Các tuyến hầm nông mang lại sự thuận tiện lớn nhất cho hành khách và có các chỉ số vận hành và kinh tế tốt nhất.

Đây là dạng metro điển hình cho các khu vực phát triển mới, nơi đường đua có thể được đặt dưới những bãi cỏ rộng trên đường phố, đường hầm nông dễ xây dựng hơn. Chúng được xây dựng dọc theo đường phố, đại lộ. Kết cấu chống cố định metro được làm từ bê tông cốt thép đúc sẵn và dự ứng lực.

Ưu điểm của tàu điện ngầm nông: Chi phí vốn thấp hơn (so với đặt sâu); Đơn giản hóa việc xuống và đi lên của hành khách; Không cần thang cuốn; Tạo điều kiện thuận lợi cho việc thông gió của đường hầm và nhà ga.

Nhược điểm: Thích hợp xây dựng ở các khu vực đô thị mới và khó khăn khi xây dựng ở các khu dân cư đông đúc và trung tâm của thành phố; Khi xây dựng các ga tàu điện ngầm cần phải nằm dưới đường phố hoặc đại lộ, phần ngầm trung tâm thương mại; Cần thiết phải bố trí lại hệ thống thông tin, thoát nước ngầm và kỹ thuật ngầm cũng như gia cố nền
móng của các tòa nhà.

Các đường hầm sâu được thiết kế dọc theo con đường ngắn nhất giữa các ga ngầm và thường không tính đến ảnh hưởng công trình ở khu vực đô thị nằm bên trên. Độ sâu thi công được xác định từ điều kiện vị trí đặt hầm trong đá gốc, đá ổn định, không thấm nước.

Ưu điểm của tàu điện ngầm nằm sâu như sau: Bố cục hiện tại thành phố, giao thông và người đi không bị gián đoạn trong quá trình xây dựng; Có thể theo dõi các đường hầm theo hướng ngắn nhất, giúp bản đồ thiết bị điện đơn giản và rõ ràng hơn; Cung cấp cơ hội để lựa chọn các phương pháp phù hợp nhất cho việc đào hầm; Có thể làm nơi trú ẩn khi có thảm họa, chiến tranh.

Nhược điểm của đường sâu: Đầu tư vốn lớn; Sự cần thiết phải có hệ thống thang cuốn dài đi xuống và đi lên của hành khách; Tăng thời gian đi lại của hành khách; Thiếu diện tích rộng rãi trong quá trình xây dựng; Sự phức tạp của hệ thống thông gió.

Các tuyến metro trên mặt đất được bố trí trên các cầu vượt ở độ cao được xác định bởi quy mô giao thông mặt đất, địa hình và điều kiện phát triển đô thị. Các tuyến tàu điện ngầm trên cao làm lộn xộn các đường phố và quảng trường, đồng thời cũng là nguồn gây ô nhiễm không mong muốn, ảnh hưởng của tiếng ồn và độ rung. Các tuyến trên cao được khuyến cáo là hạn chế xây dựng và chiều dài của chúng nên là ngắn.

Nhu cầu xây dựng của tuyến trên cao phát sinh khi các tuyến tàu điện ngầm băng qua những vùng trũng sâu trên địa hình, chẳng hạn như trên các lối tiếp cận cây cầu bắc qua sông.

Thập kỷ đầu thế kỷ 20, xây dựng phát triển mạnh mẽ, tàu điện ngầm ở các thành phố của Mỹ: Chicago (1892), Boston (1897), Philadelphia (1907), và sau đó là ở các thành phố của các quốc gia khác (Madrid, Barcelona, Athens, Tokyo, Oslo, Stockholm...). Tàu điện ngầm có được tầm quan trọng đặc biệt sau thế chiến thứ hai, cuộc chiến tranh 1939 - 1945, sự phát triển mạnh mẽ của các thành phố lớn đòi hỏi phải từ bỏ từ các đường dây trên không đặt trên cầu vượt và chuyển dần từ các tuyến tàu điện ngầm trên cao, trên mặt đất xuống dưới lòng đất. Vào những năm 80, tàu điện ngầm được xây dựng ở 60 thành phố lớn trên thế giới.
 

2.2. Lịch sử xây dựng hầm đô thị một số nước

2.2.1. Pari – Pháp

Tàu điện ngầm Paris dài khoảng 300 km và có 293 ga. Sơ đồ tuyến tàu điện ngầm được cấu tạo từ các phần riêng biệt, thường không được kết nối. Giao điểm của các tuyến tạo thành các nút ga phức tạp đòi hỏi hành lang dài và cong và các đoạn chuyển tiếp dài tới 250 m với các mặt cắt bù đắp cho độ dốc “bị mất”. Mạng lưới tàu điện ngầm đa dạng nhất do người Pháp tạo ra có một số tuyến đáng chú ý: ví dụ trạm Quảng trường Cộng hòa, nơi kết nối năm hướng của tàu điện ngầm, kết hợp đường hầm dưới sông. Sông Seine và dưới tòa nhà, cầu đường hầm, được xây dựng thông qua các mỏ đá ngầm.

Nhà ga Metro Paris

Việc xây dựng đường hầm ở Paris được thực hiện theo phương pháp đào kín, nằm nông, không gây xáo trộn đường phố trên bề mặt. Có những trường hợp đào hầm ở độ sâu lớn. Ví dụ, ở khu vực Montmartre, các đường hầm chưng cất được đặt ở độ sâu 63 m, trạm Abess ở độ sâu 35 m tính từ mặt đất, công trình đường hầm ở Paris hiện đang được sử dụng hiện rất tốt do điều kiện địa chất - ở vùng có đất mùn dày, hoàn toàn khô ráo.

2.2.2. Berlin - Đức

Tàu điện ngầm Berlin với chiều dài đường hầm 125 km và 134 ga cắt ngang thành phố với các đoạn trên mặt đất và dưới lòng đất. Các trạm được xây dựng ở độ sâu nông. Việc xây dựng các tuyến metro ngầm được thực hiện chủ yếu theo hình thức thông lên các vỉa hè dọc theo các đường phố. Đoạn đầu tiên dài 11,2 km được xây dựng trong thời gian 5 năm và được đưa vào hoạt động vào năm 1902, 83% chiều dài của công trình này là các đoạn đường được nâng cao và chỉ 17% được đi ngầm. Mạng lưới tàu điện ngầm Berlin hiện có 5 tuyến hoạt động dài 125 km và bao gồm 81% dưới lòng đất, 13% trên cao và 6% trên mặt đất. Tuyến đường Các đường hầm và ga của tàu điện ngầm Berlin rất nông.

2.2.3. Matxcova – Nga

Ở Matxcova, việc xây dựng tàu điện ngầm bắt đầu vào năm 1932. Công trình đầu tiên là tuyến tàu điện ngầm Matxcova dài 11,6 km với 13 nhà ga và toàn bộ tổ hợp công trình được xây dựng trong 3,5 năm và đưa vào hoạt động vào năm 1935. Việc xây dựng tiếp theo được thực hiện liên tục và hiện nay, chiều dài của tuyến metro là 250 km với 142 ga.

Ga Komsomolskaya gây ấn tượng với phong cách nghệ thuật thời kỳ Phục Hưng

2.2.4. Ukraine

Ở Ukraine, việc xây dựng tàu điện ngầm bắt đầu ở Kiev vào năm 1960 và hiện đang hoạt động ở Kiev, Kharkov và Dnepropetrovsk. Tổng chiều dài các tuyến tàu điện ngầm Ukraine là 956 km và bao gồm 69 ga, trong đó: Ở Kiev 3 tuyến, 51 km, 37 ga; Kharkov 3 tuyến, 35,6 km, 26 ga; Dnepropetrovsk 1 tuyến, 9 km, 6 ga.

3. Kết luận

Các nước phát triển Đức, Nga, Pháp… đều triệt để khai thác tầng Metro nằm nông từ 5 - 8 m, hạn chế các tuyến nổi và trên cao. Công nghệ xây dựng các nước sử dụng có thể là đào mở hoặc đào kín. Trong phương pháp đáo kín hiện nay, có thể áp dụng công nghệ đào hầm mới của Áo (NATM). Khi móng cọc nhà công trình số lượng nhiều thì nên áp dụng xây dựng Metro nằm sâu để tránh cắt móng cọc các công trình hiện hữu.

Khi áp dụng xây metro ở tầng sâu cũng có thể áp dụng phương pháp NATM và lựa chọn chiều sâu hợp lý để không ảnh hưởng ô nhiễm đến nguồn nước ngầm.

Giữa hai tầng nông và sâu có thể áp dụng công nghệ khiên đào. Tuy nhiên, phương pháp khiên đào thường khó đổi hướng, vướng mắc ở các móng công trình hiện hữu, phụ thuộc công nghệ nước ngoài. Các ga ngầm ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đều dùng công nghệ đào mở nên ảnh hưởng giao thông bên trên, do khối lượng đào mở lớn nên kéo dài thời gian thi công và chi phí. Các nước đã áp dụng thành công công nghệ đào hầm NATM trong khu vực đất yếu, đô thị và kết hợp đào ga, hầm ngầm cho hệ thống Metro ở mọi điều kiện địa chất. Hiện nay, công nghệ NATM ở Việt Nam đang được áp dụng đào các hầm trên tuyến đường hầm cao tốc Bắc- Nam và một số dự án hầm đường sắt. Cần nghiên cứu, áp dụng công nghệ đào hầm NATM trong đô thị để đẩy nhanh tiến độ, làm chủ không gian ngầm, tiết kiệm ngân sách, giảm gánh nợ ngoại tệ, thúc đẩy các ngành công nghiệp phụ trợ trong nước./.

NGUYỄN HUY HIỆP, ĐINH QUANG TRUNG
( Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn).
 

TÀI LIỆU THAM KHẢO:
 

1. QCVN 08:2009/BXD.
2. TCVN 9154:2012. Công trình thủy lợi - quy trình tính toán đường hầm thủy lợi. 3. HD.TL-C.3.77. Hướng dẫn thiết kế đường hầm thủy lợi.
4. TCVN 11823:2017. Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ.
5. TCVN 4527:1988. Hầm đường sắt và hầm đường ôtô.Tiêu chuẩn thiết kế.
6. Nguyễn Huy Hiệp (2021). Báo cáo kết quả đề tài tổng cục hậu cần: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp số tính toán các bài toán địa kỹ thuật. Mã số TCHC.2021.01.
7. KR Code (Tunnel) 2012. Thiết kế hệ thống hầm đường sắt Hàn Quốc, (bản tiếng Hàn).
8. Lisikov B.A., Kaufman L.L (2005). Underground structures. (2 volumes):Volume 1. Monographie.