Ứng dụng kỹ thuật lưu biến đất/đá kết hợp công nghệ NATM đẩy nhanh tiến độ xây dựng công trình ngầm đô thị

MTXD - Trong nội dung bài viết, nhóm tác giả tổng hợp và trình bày quan điểm mới về việc phát triển không gian ngầm đô thị sử dụng công nghệ đào hầm mới kiểu Áo (NATM) kết hợp kỹ thuật lưu biến đất/đá để làm chủ không gian hầm đô thị, khai thác tầng nông trong khu vực đô thị từ 5 - 8 m. Kỹ thuật lưu biến cũng giúp đánh giá tuổi thọ công trình, cũng như dự báo tai biến địa chất trong quá trình thi công hầm.

1.Đặt vấn đề

Ngày 29/3/2024, tại Kỳ họp thứ 15 (kỳ họp chuyên đề), HĐND TP Hà Nội khóa XVI thông qua Quy hoạch Thủ đô Hà Nội thời kỳ 2021 - 2030 tầm nhìn đến năm 2050. Mục tiêu đến năm 2030, Hà Nội là thành phố "văn hiến, văn minh, hiện đại, xanh, thông minh, hội tụ tinh hoa văn hóa của cả nước và thế giới, nơi đáng đến và lưu lại, đáng sống và cống hiến". Kèm theo phê duyệt 14 tuyến giao thông đô thị. Nhưng để hoàn thành mục tiêu đó, chưa đề cập nhiều đến công nghệ xây dựng hầm đô thị, cách làm thế nào để đạt được mục tiêu. Mặt khác, công nghệ nào nước ta làm chủ thì dễ dàng kiểm soát vốn, chất lượng và tiến độ.

Theo nghiên cứu, đô thị các nước đều khai thác triệt để tầng metro nông từ 5 - 8 m dưới lòng đất nhằm kết nối các tầng ngầm trung tâm thương mại, các bến xe ngầm, nhà ga sân bay ngầm. Với chiều sâu 5 - 8m thường sử dụng công nghệ đào hầm mới kiểu Áo (NATM). Ở nước ta, hai đô thị lớn là Hà Nội và TP.HCM đều nằm trong tầng đất yếu, vậy công nghệ NATM trong đất yếu có dùng được không và áp dụng kỹ thuật gì để đạt hiệu quả cao, giảm thiểu rủi ro trong xây dựng?

Qua nghiên cứu, nhóm tác giả nhận thấy rằng với tầng đất yếu hoàn toàn có thể áp dụng công nghệ NATM nhưng cần đưa kỹ thuật lưu biến đất/đá vào kiểm soát chất lượng quá trình thi công, cũng như bảo trì- duy tu bảo dưỡng công trình ngầm sau này.

2. Công nghệ xây dựng hầm mới kiểu Áo (NATM)

Phương pháp đào hầm mới của Áo đã được phát triển bởi các nhà khoa học người Áo Rabtsevich, Muller và Pacher, dựa trên nguyên tắc sử dụng tối đa khả năng chịu tải của khối đất/ đá và ban đầu được thiết kế để sử dụng trên nền đất yếu - sét, cát và sỏi. Thiết kế linh hoạt của kết cấu chống giúp tận dụng tối đa khả năng chịu tải của đất đá xung quanh công trình ngầm. Với những ưu điểm chính ở trên, phương pháp này có thể mang lại tính linh hoạt cho biện pháp thi công (thi công được với hầu hết mọi hình dạng và kích thước mặt cắt ngang), tính linh hoạt của công nghệ (khả năng phát triển trong đá bằng phương pháp khoan nổ hoặc TBM, kết hợp với nhiều phương pháp gia cố kết cấu chống khác nhau trong đất yếu).

Phương pháp đào hầm mới của Áo đã sử dụng ở nhiều quốc gia, nó được sử dụng trong mọi điều kiện địa chất công trình và ở bất kỳ độ sâu nào khi xây dựng các công trình ngầm không tròn bằng phương pháp đào kín. Nhờ lợi thế về mặt kỹ thuật và kinh tế trong vòng 10 - 15 năm, phương pháp đào hầm mới của Áo đã trở thành công nghệ tiêu chuẩn trong lĩnh vực xây dựng tàu điện ngầm trên toàn thế giới.

Ở Vienna và Copenhagen, các tuyến tàu điện ngầm nông ở các khu vực đông dân cư được xây dựng bằng phương pháp đào hầm NATM bằng cách phun vữa làm giải pháp tăng cường vào đất/đá, chủ để ngăn chặn lún sụt và chống thấm ở độ sâu lên đến 10 m [1, 2, 3].

Ở Atlanta (Mỹ) trong quá trình xây hầm metro dưới đường cao tốc 10 làn với mật độ giao thông khoảng 1 nghìn ôtô mỗi giờ, phương pháp thi công bằng cách khoan các ống thép vượt trước và ép vữa đầy bê tông. Ngoài ra còn có công trình khác, dưới màn chắn của các đường ống thép gia cố trước, một đường hầm xuyên qua cát, sỏi và bùn dưới đường sắt ở California (Mỹ) đã được thi công.

Khoảng cách giữa các ống là 30 cm, giữa đỉnh ống lưới và chân ray là 1,4 m. Dưới sự bảo vệ phần không gian hầm gia cố bằng ống thép công việc thi công đào đất bằng các phân đoạn 1,2 m và khung thép hình đã được lắp đặt ngay sau phân đoạn đào. Việc xây dựng đường hầm được thực hiện mà không làm gián đoạn giao thông đường sắt và khối đất không bị lún [4, 5].

Nhật Bản đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc phát triển công nghệ đào hầm sử dụng màn chắn bằng các ống thép [6]. Dự án xây dựng vừa hoàn thành ga tàu điện ngầm hai tầng ởSendai. Kết cấu 3 nhịp, 2 tầng làm bằng bê tông cốt thép nguyên khối, rộng 18 m và cao 12,3 m, được đặt ở độ sâu 3,5 m tính từ đáy tà vẹt sâu trong tầng đất sét dày. Một màn chắn làm bằng ống có đường kính 0,7 m được lắp đặt dọc theo trần và tường của các công trình ở độ sâu 2 m tính từ mặt nước. Các đường ống được thiết kế để khả năng chịu tải mômen uốn lên tới 37T.m. Sự thi công các ga ngầm dưới một màn chắn đường ống, với độ lún mặt đất không quá 13 mm, nhỏ hơn mức cho phép.

Công nghệ trên là phổ biến khi đào hầm nông (dưới lòng đường, đường thay vì phương pháp đào hở truyền thống), và chôn sâu trong những tảng đất/đá yếu và không ổn định. Đức xây dựng hệ thống tàu điện ngầm từ đầu thế kỷ 20 và biến nó thành phương tiện giao thông công cộng phổ biến nhất nước này.

3. Ứng dụng kỹ thuật lưu biến đất đá kết hộ công nghệ xây dựng hầm mới kiểu Áo (NATM)

3.1. Công nghệ lưu biến đất/đá

Tính chất lưu biến của đá thể hiện ở 3 dạng:

- Từ biến là quá trình được đặc trưng bởi sự tăng biến dạng theo thời gian dưới tải trọng không đổi;

- Chùng ứng suất là quá trình đặc trưng bởi sự giảm ứng suất theo thời gian khi biến dạng không đổi;

- Độ bền lâu dài là hiện tượng giảm độ bền của đá theo thời gian.

3.2. Một số sự cố trong quá trình thi công có thể vận dụng công nghệ lưu biến để kiểm soát tai biến địa chất

Trong quá trình khai thác và sử dụng độ bền khối đá suy giảm, đồng nghĩa độ cứng f của khối đá giảm dần theo thời gian. Theo các phương pháp xác định tải trọng lên công trình ngầm, độ cứng f của khối đá có liên quan tới chiều dài vùng phá hủy trên công trình ngầm. Một số hư hỏng công trình ngầm đã được ghi nhận và chỉ ra như hình bên dưới, số liệu quan trắc tải trọng lên kết cấu chống cho thấy tải trọng tác động lên công trình ngầm tăng dần theo thời gian [1].

Các nghiên cứu đã ghi nhận: trong quá trình thi công và sử dụng công trình ngầm có hiện tượng dịch chuyển đất/đá làm suy giảm khả năng mang tải của đất, đồng thời làm tăng tải trọng tác dụng lên kết cấu chống theo các tác động của xe cộ hoặc do nhiều nguyên nhân khác nhau (phong hóa, hạ mực nước ngầm, nhiệt độ, độ ẩm…). Những nghiên cứu về hiện tượng này liên quan đến các kỹ thuật về từ biến - lưu biến đất/ đá, hiện nay trong các tiêu chuẩn Việt Nam chưa có các quy trình thí nghiệm nên có thể gây các sự cố cho công trình ngầm trong quá trình thi công và sử dụng mà chưa có lời giải chính xác, mất nhiều công sức và tiền bạc để khắc phục sự cố. Đánh giá nguyên nhân các sự cố về công trình ngầm cũng chỉ chung chung về sự phong hóa hay phức tạp về mặt địa chất, không đưa ra mô hình tính toán cũng như mô phỏng quá trình sụt lún hầm trong quá trình thi công, sửa chữa để làm căn cứ tính toán hay dự báo ổn định các công trình ngầm tương tự trong tương lai.

4. Kết luận và kiến nghị

Công nghệ khiên đào phù hợp với khu vực đô thị đông đúc dân cư, độ sâu đảm bảo khiên đào hoạt động là 1,5 D trở lên, trong đó D là đường kính khiên đào nên khi sử dụng máy đào hầm thì độ sâu hầm Metro lên tới 15 - 30 m. Trong khi đó, tầng hầm ở các khu đô thị nằm ở độ sâu trung bình 5 - 8 m. Đô thị các nước đều phát triển hệ thống Metro với chiều sâu trung bình 5 – 8 m để kết nối các ga ngầm với trung tâm thương mại và thuận tiện lên, xuống, thông gió, chiếu sáng. Chiều sâu ga hầm, tuyến hầm nhỏ đảm bảo phạm vi ảnh hưởng lún nhỏ, bảo đảm ổn định các công trình trên bề mặt. Chiều sâu đặt hầm nhỏ, đảm bảo ứng suất thấp, tắt lún nhanh, đảm bảo ổn định lâu dài.

Công nghệ đào hầm NATM có xét tới lưu biến đảm bảo an toàn thi công, bảo trì - bảo dưỡng. Khi sửa chữa công trình ngầm bắt buộc phải áp dụng công nghệ NATM. Làm chủ công nghệ NATM cũng có nghĩa là đảm bảo quy trình duy tu, bảo dưỡng không phụ thuộc nước ngoài. Đưa công nghệ NATM với công nghệ đào đối hướng hai đầu có thể gia cố trước khi đào, đảm bảo thời gian thi công một tuyến hầm có thể xuống 3 - 5 năm. Đồng thời thi công nhiều tuyến có thể tăng tốc xây dựng hệ thống công trình ngầm.
Việt Nam có nhiều đơn vị thi công bằng công nghệ hầm xuyên núi có thể tận dụng đội ngũ kỹ thuật này làm chủ công nghệ, đẩy nhanh tiến độ xây dựng công trình ngầm đô thị. Có thể áp dụng nhiều công nghệ xây dựng hầm đô thị khác nhau nhưng công nghệ NATM giá rẻ kết hợp kỹ thuật lưu biến đất/ đá đảm bảo tính hệ thống và phát triển bền vững. Công nghệ lưu biến đất/đá là kỹ thuật khó nhưng nếu được đầu tư, quan tâm áp dụng kết hợp công nghệ đào hầm mới NATM có thể mang tính đột phá cho kế hoạch xây dựng công trình ngầm đô thị ở Việt Nam và dự báo ổn định công trình ngầm trong quá trình sửa chữa, sử dụng lâu dài, đảm bảo phát triển bền vững.

Các nước đã áp dụng đào mở, đào ngầm, tính toán ổn định công trình ngầm theo thời gian. Trong quá trình sử dụng, hệ thống Metro các nước thường được quan trắc, bảo dưỡng, bảo trì thường xuyên, thậm chí dừng hẳn hoạt động để sửa chữa lớn. Ngoài ra, các công nghệ về từ biến/lưu biến đất đá được các nước tiên tiến trên thế giới đưa vào ứng dụng để phát triển bền vững, phát triển hệ thống không gian ngầm ở độ sâu lớn (lên tới 2-3 km), ổn định các công trình nhà máy điện nguyên tử, bể chứa chất thải phóng xạ hoặc các công trình trên đất đóng băng, Việt Nam cũng cần chú ý đầu tư nghiên cứu công nghệ này nhằm mang lại nhiều lợi ích lâu dài cho đất nước./.

NGUYỄN QUÝ ĐẠT, NGUYỄN HUY HIỆP

(Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn)

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Nguyễn Huy Hiệp, Nguyễn Quý Đạt, Đàm Hữu Hưng. Nghiên cứu ổn định công trình ngầm có xét đến tính lưu biến của mẫu đá. Tạp chí khoa học công nghệ và giao thông ISSN 1000-2000, số 2/2022.
2. Safety of New Austrian Tunnelling Method (NATM) Tunnels, Healthy anh Safety Executive. First publihed 1996, reissued as PDF 2014.
3. Volkmann, G.M. and Schubert W. (2006), A Contribution to the Design of Tunnels Supported by a Pile Roof. American Rock Mech Association.
4. Manoj Kumar, Jitendra Prasad. (2016), Classification and selection methodology for temporary support systems for undergroud structures. National Institute of Rock Mechnics. Bangalore, India.
5. Sein Win Tun and Sunil Kumar Singal. (2016), Management of Hydropower Tunnels to Prevent Collapse and Remedial Measures. Hydro Nepal.
6. Yoshinao Muraki. 1997, The Umbrella Method in Tunnelling. Degree of Master of Science in Civil and Environmental Engineering at the Massachusetts Institute of Technology.