Ảnh hưởng của biện pháp thi công và điều kiện địa chất đến hiện tượng nứt công trình hầm

ª TS. Hồ Xuân Nam ª ThS. Trần Ngọc Hoa ª ThS. Nguyễn Đắc Đức Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Hoàng Việt Hải ThS. Nguyễn Thạch Bích

Tóm tắt: Hiện nay ở Việt Nam, nhiều công trình hầm đã và đang được xây dựng, các công trình hầm xuyên núi nối liền các quốc lộ cũng như một số công trình hầm trong các đô thị lớn (Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh). Có nhiều vết nứt xuất hiện trên hầm trong quá trình thi công và khai thác. Một trong những nguyên nhân chính là do biện pháp thi công. Do đó, mục đích của bài báo nhằm giới thiệu kết quả nghiên cứu liên quan đến ảnh hưởng của điều kiện địa chất và biện pháp thi công đến chuyển vị của công trình hầm.

Từ khóa: Hầm xuyên núi, nứt, chuyển vị, mô hình.

Abstract: Currently in Vietnam, many of tunnels have been built, the highway tunnel as well as a number of tunnels in big cities (Hanoi, Ho Chi Minh city). Many cracks appeared on the tunnel during construction and operation. One of the main reasons is due to the construction methods. Therefore, the aim of this article is to present results obtained, the influence of the geological conditions and construction methods to deplacement the tunnel construction.

Keywords: Tunnel through the mountain, cracking, displacement, model.

1. Giới thiệu

Các công trình hầm giao thông đã và đang xây dựng phục vụ cho nhiều hình thức vận tải khác nhau bằng phương pháp thi công hầm xuyên núi như hầm đường bộ trên QL1A tại Dốc Xây (Ninh Bình), dài khoảng 100m. Hiện nay, nước ta có nhiều hầm đã xây dựng như hầm Aroàng, hầm Hải Vân, hầm Đèo Ngang..., hầm Phước Tượng và hầm Đèo Cả đang trong quá trình xây dựng. Ở Việt Nam, thi công hầm xuyên núi thường sử dụng hai phương pháp chính là NATM và phương pháp mỏ. Bên cạnh các công trình hầm xuyên núi, để đảm bảo nhu cầu phát triển giao thông trong khu vực đô thị lớn, rất nhiều công trình hầm được xây dựng như: Hầm Thủ Thiêm (TP. Hồ Chí Minh), các hầm chui Kim Liên, hầm chui Đại Lộ Thăng Long (Hà Nội), hầm chui Văn Thánh, hầm chui Điện Biên Phủ (TP. Hồ Chí Minh)... và một số công trình hầm đô thị đang được triển khai như tuyến Metro Sài Gòn - Suối Tiên, tuyến Nhổn - Ga Hà Nội... Một số công trình có xuất hiện vết nứt ngay trong quá trình thi công và ngay cả trong quá trình khai thác cũng còn tồn tại vết nứt. Các vết nứt sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc của công trình sau này.

Trên thế giới, có nhiều nghiên cứu hiện tượng nứt đối với công trình hầm ([1], [2]…). Những nghiên cứu này đã chỉ rõ nhiều vấn đề đối với công trình hầm, đã phân tích và đánh giá hiện tượng nứt cho một số công trình hầm trên thế giới... Các công trình hầm ở Việt Nam được xây dựng ngày càng nhiều, nên việc phân tích các nguyên nhân gây nứt bê tông hầm để có những giải pháp phòng và chống nứt cho các công trình hầm là cần thiết, để đưa ra giải pháp thiết kế và các biện pháp thi công hợp lý.

2. Hiện trạng nứt một số công trình hầm ở Việt Nam

Để làm rõ các nguyên nhân gây nứt công trình hầm, một số công trình tiêu biểu đã gặp phải như: Công trình hầm Hải Vân được đưa vào khai thác từ năm 2005, đến nay đã được gần 10 năm. Qua quá trình khai thác, công trình xuất hiện nhiều vết nứt và đơn vị quản lý đã tiến hành sửa chữa các vết nứt để đảm bảo công trình làm việc an toàn. Các vết nứt chủ yếu xuất hiện ở miệng hầm phía Đà Nẵng. Cách cửa hầm phía Nam thuộc TP. Đà Nẵng khoảng hơn 20m. Cụ thể, tại vòm hầm các vết nứt đang lan ra nhiều vị trí khác khiến nước thấm dột từ trên đỉnh vòm hầm, vết nứt dài 1 - 7m, rộng dưới 1mm. Suốt chiều dài thành hầm có nhiều vết nứt trong kết cấu bê tông cốt thép, bề rộng 1 - 2mm, dài 1 - 7m và lớn nhất là 12m, sâu trên 5mm. Lớp bê tông, nơi xuất hiện các vết nứt, chỉ là lớp áo bên ngoài giúp tạo hình dáng của hầm đường bộ (Hình 2.1).

Hình 2.1: Vết nứt trên hầm Hải Vân

Công trình hầm Thủ Thiêm vượt sông Sài Gòn nằm trong dự án đại lộ Đông - Tây được đưa vào khai thác năm 2011 sau gần 7 năm thi công. Hầm có chiều dài 1.490m, đoạn hầm dìm dưới sông dài 370m chia làm 4 đốt hầm (kích thước mỗi đốt dài 92,4m, rộng 33,2m, cao 9m; độ dày bản đáy và nắp 1,5m, vách hai bên dày 1m, tất cả bằng bê tông cốt thép). Cả 4 đốt hầm đã được đúc tại bãi đúc Nhơn Trạch, Đồng Nai, khi việc đúc các đốt hầm đã gần hoàn tất, cả 4 đốt hầm dìm đều xuất hiện nhiều vết nứt trên tường và bản nắp. Các vết nứt ở thành tường thẳng đứng kéo dài từ 2 - 3m, bề rộng lớn nhất của vết nứt rộng đến 1m. Các vết nứt cũng xuất hiện ở vị trí giữa các phân đoạn đổ bê tông của mỗi đốt hầm. Các vết nứt này thẳng đứng kéo dài gần như hết chiều cao đốt hầm, bề rộng vết nứt đến 0,3mm. Các vết nứt đã được đơn vị thi công sửa chữa: Đối với chiều rộng vết nứt nhỏ hơn 0,1mm thì không cần phải sửa chữa. Đối với chiều rộng vết nứt từ 0,1 đến 0,2mm: Phủ keo Epoxy lên bề mặt vết nứt bằng loại vật liệu chuyên dụng. Đối với mặt ngoài của đốt hầm, vết nứt để sửa chữa trước khi phun chống thấm bên ngoài theo thiết kế. Đối với mặt trong của đốt hầm dìm đã được kiểm tra, sửa chữa sau khi đánh dìm (Hình 2.2).

Hình 2.2: Vết nứt tại Hầm Thủ Thiêm

Ngoài ra, các công trình hầm chui trong các đô thị Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh trong khi thi công và khai thác cũng còn gặp hiện tượng nứt, nước rò rỉ gây ảnh hưởng lớn đến sự quá trình khai thác của công trình (Hình 2.3).

Hình 2.3: Vết nứt tại một số hầm chui

Qua việc khảo sát, đánh giá hiện trạng vết nứt các loại công trình hầm khác nhau đã và đang trong quá trình xây dựng ở Việt Nam cho thấy, các vết nứt xuất hiện chủ yếu trong giai đoạn thi công công trình, những vết nứt trong quá trình khai thác chủ yếu là hậu quả của việc thi công.

3. Tính toán ảnh hưởng của biện pháp thi công và điều kiện địa chất đến chuyển vị của công trình hầm

Trong phương pháp thi công hầm xuyên núi, việc chia gương đào khác nhau dẫn đến các kết quả lún khác nhau và việc lựa chọn mô hình tính hay lớp địa chất khác nhau cũng ảnh hưởng đến kết quả tính của bài toán. Trong khi đó ở nước ta hiện nay, việc tính toán xem xét chia gương đào hay lựa chọn mô hình tính còn chưa được quan tâm. Với mục đích có những số liệu thống kê, tiến hành tính toán chuyển vị của hầm với rất nhiều trường hợp chia gương đào cũng như các mô hình tính khác nhau, địa chất khác nhau để trong thi công có các giải pháp chống đỡ và phun bê tông vỏ hầm thời điểm thích hợp. Một số mô hình sau thường được sử dụng tính lún công trình hầm:

- Mô hình Mohr - Coulumn ([4], [5]) là mô hình đàn hồi dẻo tuyến tính, tức là sau giai đoạn đàn hồi là vật liệu cứ thế chảy mãi không thôi, cho dù ứng suất trong vật liệu không tăng nữa. Mô hình này được sử dụng rất nhiều trong tính toán địa kỹ thuật.

- Mô hình Jointed Rock ([4], [5], [6]) là mô hình đàn - dẻo không đẳng hướng đặt biệt dùng để mô phỏng ứng xử của các lớp đá bao gồm: Sự xếp tầng địa chất và nứt gãy trực tiếp đặt biệt trên đá. Tính dẻo có thể xuất hiện lớn nhất của 3 lực cắt trực tiếp. Mỗi mặt phẳng thể hiện qua thông số riêng của nó là góc ma sát trong và lực dính đơn vị.Đá nguyên vẹn không một vết nứt được xét đến như có ứng xử đầy đủ nhất tính đàn hồi với độ cứng. Sự giảm tính đàn hồi của đá có thể được xác định thông qua sự xếp tầng địa chất.

Thông qua việc sử dụng Plaxis 3D tunnel [7] có phân tích biến dạng và ổn định theo bài toán ba chiều trong thiết kế đường hầm theo phần tử hữu hạn có theo hai mô hình như trên. Mô-đun phần mềm này chủ yếu dùng trong phân tích các công trình ngầm, lưới 3D với độ chính xác yêu cầu, bao gồm: Phân tích biến dạng đàn dẻo tĩnh, các mô hình đất tiên tiến, phân tích ổn định, cố kết, phân tích an toàn, cập nhật lưới và đường mực nước ổn định.

Tính toán phân tích lún trong giai đoạn thi công đối với công trình hầm xuyên núi (Hình 3.1). Địa chất khu vực xây dựng hầm chia thành 3 lớp: Phía trên là lớp phủ, kế tiếp là đá vôi và phần hầm đi qua lớp đá. Gương đào có chiều rộng 11,90m và chiều cao 7,50m. Kết cấu vỏ hầm nằm trong lớp đất đá (phân loại đá theo Protojakonov) có: Trọng lượng thể tích γ = 24 kN/m³, góc nội ma sát  φ = 30⁰, cường độ lực dính c =0,3Mpa (đối với đá cứng có chỉ số RMR = 70), c=0,1Mpa (đối với đá có chỉ số RMR = 70). Mô-đun đàn hồi E = 2.10⁷kN/m² (đối với đá cứng có chỉ số RMR = 70), và E = 5,6.10⁴kN/m² (đối với đá có chỉ số RMR = 50). Hệ số nở hông n = 0,15.

Hình 3.1: Mặt cắt hầm chính

 

Kết quả tính toán cho một số trường hợp các bước đào khác nhau 9 giai đoạn thi công, cũng như xét sự làm việc của các lớp đá khác nhau theo các mô hình khác nhau nhằm phân tích chuyển vị các giai đoạn thi công với các trường hợp khác nhau để so sánh, đánh giá sự thay đổi. Mô hình hóa được thể hiện trên phần mềm Plaxis 3D tunnel theo nhiều bước mô tả biện pháp thi công (Hình 3.2 và Hình 3.3):

 

Kết quả tính toán theo mô hình Jointed Rock được thể hiện ở các Hình 3.4, 3.5 và Bảng 3.1.

 Bảng 3.1. Chuyển vị trong quá trình thi công hầm tính toán theo mô hình Jointed Rock

 

Kết quả tính toán theo mô hình Mohr-Coulumn được thể hiện ở Hình 3.6 và Bảng 3.2.

Hình 3.6: Chuyển vị theo ở giai đoạn 2 và 9 (bước đào 4m) theo mô hình Mohr - Coulumn

Bảng 3.2. Chuyển vị trong quá trình thi công hầm tính toán theo mô hình Jointed Rock và Mohr - Coulumn

Hình 3.6: Chuyển vị theo ở giai đoạn 2 và 9 (bước đào 4m) theo mô hình Mohr - Coulumn

 

Từ các kết quả tính toán sử dụng hai mô hình để phân tích, có thể đưa ra những nhận xét:

- Điều kiện địa chất khối đá ảnh hưởng lớn đến chuyển vị của gương đào, sự thay đổi mô-đun đàn hồi đáng kể dẫn đến sự thay đổi khá lớn đối với chuyển vị hang đào. Chuyển vị lún trong các giai đoạn thi công hầm trong đá yếu lớn hơn rất nhiều so với đá tốt.

- Ở những giai đoạn đào bước đào mới thường chuyển vị tăng một cách đột ngột và tăng ít ở bước phun bê tong phun ổn định viền hang đào.

- Bước đào lớn hơn cũng cho chuyển vị lún lớn hơn bước đào nhỏ cụ thể bước đào 4m thường có chuyển vị trung bình lớn hơn 1,5 lần so với bước đào 2m.

- Mô hình Mohr - Coulumn cho giá trị chuyển vị nhỏ hơn so với mô hình Jointed Rockở tất cả các giai đoạn thi công.

4. Kết luận

Qua việc phân tích đánh giá chuyển vị của gương đào công trình hầm xuyên núi bị ảnh hưởng rõ rệt với hai điều kiện địa chất khác nhau, với bước đào khác nhau qua sử dụng mô hình Jointed Rock và Mohr - Coulumn. Hiện tượng xuất hiện chuyển vị hay lún xảy ra ở tất cả các giai đoạn thi công, diễn biến lún thay đổi tăng trong suốt quá trình đào hầm. Do vậy, cần căn cứ vào mô-đun đàn hồi của đá quyết định đến phương pháp thi công và xem xét lựa chọn mô hình Jointed Rock trong tính toán để đảm bảo chuyển vị của gương đào trong quá trình thi công không gây ra nứt vỡ bê tông hầm.

Tài liệu tham khảo

[1]. Zhou L. C., Zheng Y. F., Li Z. (2010), Study on mechanism of circumferential cracks in cold region tunnels, Global Geology, 13(2), pp. 75-78.

[2]. Lackner R., Mang H. A. (2003), Cracking in shotcrete tunnel shells, Engineering Fracture Mechanics, 70, pp. 1047-1068.

[3]. Takayama H., Nonomura M., Masuda Y., Nakayama T., Takahashi M., Kojima Y. (2007), Study on cracks control of tunnel lining concrete at an early age, Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0-415-40807-3, 70, pp. 1409-1415.

[4]. Singh M., Singh B. (2012), Modified Mohr-Coulomb criterion for non-linear triaxial and polyaxial strength of jointed rocks, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 51, pp. 43-52.

[5]. Wittke W. (2014), Rock Mechanics Based on an Anisotropic Jointed Rock Model, Wiley.

[6]. Azami A., Yacoub T., Curran J., Wai D., A Constitutive Model for Jointed Rock Mass, Rock Mechanics for Resources, Energy and Environment, CRC Press 2013, pp. 385-390.

[7]. Plaxis (2013), Material models manual.