Hiện nay, lĩnh vực xây dựng đường hầm ở nước ta bắt đầu phát triển, nhiều công trình đường hầm đã và đang chuẩn bị xây dựng rộng rãi với nhiều mục đích phục vụ khác nhau như hầm ô tô, tàu điện ngầm, hầm bộ hành, hầm dẫn nước cho nhà máy thuỷ điện, hầm đậu xe... Trong tương lai không xa, chúng ta phải nghĩ đến việc xây dựng đường hầm để chứa các đường ống kỹ thuật cho các thành phố lớn.
Nội dung bài này nêu rõ sự cần thiết và tính cấp bách của vấn đề cũng như đề xuất các dạng cấu tạo, biện pháp thi cônghầm kỹ thuật phù hợp với điều kiện Việt Nam.
- Đặt vấn đề
Ngày nay, các tuyến đường ống kỹ thuật trong thành phố ở nước ta được gọi là các tuyến kỹ thuật ngầm hoăc mạng lưới ngầm kỹ thuật; nhưng thực chất là các đường ống này được chôn cạn bên dưới mặt đất chiều sâu chôn h=1÷3m. Việc xây dựng mạng lưới ngầm thiếu quy hoạch đồng bộ: vị trí đặt tuyến bên dưới mặt đất, chiều sâu chôn ngầm thay đổi một cách tuỳ tiện... Ngoài ra, sự xây dựng tuyến kỹ thuật ngầm không có dự trù cho việc nâng cấp tuyến và không thống nhất với nhau giữa các khu đô thị trong cùng một thành phố từ khâu quy hoạch, thiết kế, thi công. Điều này gây nhiều khó khăn cho việc đấu nối vị trí giao nhau của các tuyến ống ngầm, gây ra hình ảnh đào bới thường xuyên trên các đường phố để thi công tuyến ngầm làm hư hỏng đường giao thông và mất vẽ mỹ quan thành phố. Có tuyến đường phố vừa mới được khánh thành và chỉ sau thời gian ngắn lại phải tiến hành đào đường để lắp đặt hay xử lý kỹ thuật tuyến ống ngầm nằm bên dưới. Khi thi công hoàn thành tuyến ống ngầm này và trả lại mặt bằng không thể đảm bảo được sự liên tục bằng phẳng của mặt đường, cường độ kết cấu áo đường giống như lúc đường chưa bị đào. Tóm lại, việc xây dựng mạng lưới ngầm đô thị ở nước ta hiện nay còn lạc hậu và chưa đáp ứng được nhu cầu quy mô sử dụng, an toàn, mỹ quan của đô thị. Do đó, chúng ta cần quan tâm nghiên cứu Đường hầm kỹ thuật để đẩy nhanh sự phát triển cơ sở hạ tầng kỹ thuật đô thị, góp phần phát triển bền vững nền kinh tế của đất nước.
II. Sự cần thiết phải xây dựng đường hầm kỹ thuật
Đường hầm kỹ thuật là việc xây dựng một tuyến đường ống dẫn mà nó có không gian vừa đủ cho 1 người hoặc 1 xe chuyên dụng có thể vào làm việc. Tuỳ theo quy mô xây dựng và loại tuyến kỹ thuật nào được yêu cầu sử dụng trên mặt đất, bên trong hầm sẽ bố trí tổ hợp của nhiều tuyến ống kỹ thuật khác nhau hoặc chỉ một tuyến duy nhất. Đường hầm kỹ thuật có khả năng giải quyết vấn đề chỗ chứa các tuyến ống kỹ thuật hiệu quả nhất và là một trong những tiêu chuẩn chính để đánh giá mức độ hiện đại của một đô thị. Xây dựng đường hầm kỹ thuật có nhiều ưu điểm nổi bật. - Góp phần làm thông thoáng đô thị và làm nổi bật kiến trúc cảnh quan, vì vậy xây dựng các tuyến điện - cáp trên mặt đất thường được bố trí ở trên cao nên làm mất vẻ mỹ quan đô thị và gây khó khăn cho công tác chữa cháy khi có hoả hoạn. - Tiết kiệm diện tích xây dựng công trình trên mặt đất, tránh đền bù giải phóng mặt bằng và đào phá đường không có kế hoạch; - Đường hầm kỹ thuật thống nhất các tuyến kỹ thuật với nhau, rất thuận lợi cho công tác quản lý; - Nhân viên kỹ thuật dễ dàng vào đường hầm nhờ các cửa chính ra - vào, hố thăm. Do đó giảm nguy cơ phá hỏng đến các công trình ngầm xung quanh, cũng như dễ dàng biết chính xác vị trí các đường ống kỹ thuật bên trong đường hầm nên tiết kiệm thời gian và chi phí để phát hiện đường ống có sự cố kỹ thuật. Công tác duy tu, sửa chữa và nâng cấp tuyến được tiến hành một cách dễ dàng thuận lợi. - Các tuyến đường ống kỹ thuật bố trí bên trong hầm: được cách ly an toàn và được vỏ hầm bảo vệ nên chúng sẽ có tuổi thọ sử dụng lâu dài, đảm bảo an toàn sử dụng; do đó có thể sử dụng đường ống dẫn có vỏ bằng vật liệu rẻ tiền hơn so với tuyến ống được chôn ngầm. - Đặc biệt đối với tuyến cáp thông tin - viễn thông, việc xây dựng đường hầm cáp ngầm sẽ giảm tối đa khả năng bị gây nhiễu sóng bên trong đường ống cáp; - Đường hầm kỹ thuật có dự trữ không gian cho nhu cầu phát triển tương lai, nên chi phí đầu tư khi nâng cấp mở rộng quy mô tuyến tương đối thấp. Chính vì những lý do nổi bật đã nêu, đường hầm kỹ thuật đã được các thành phố hiện đại trên thế giới đặc biệt quan tâm và xây dựng rất phổ biến, một số công trình tiêu biểu như sau: * Tuyến đường hầm kỹ thuật dài 7.4km trong thành phố Taukuba Science ở Nhật Bản, tuyến được xây dựng để chứa các ống vận chuyển nước thải, ống cung cấp hệ thống điều hoà và nước nóng, cáp điện năng, cáp điện thoại, cáp thông tin * Tuyến đường hầm kỹ thuật dài 1,8km của Trường Đai học Utah State ở Mỹ, bên trong hầm gồm tuyến cáp viễn thông, cáp điện, gas, cấp hơi nước. Vỏ hầm dạng hình chữ nhật đúc sẵn, kích thước tiết diện bên trong hầm 3mx3m. * Tuyến điện ngầm 230kV nối từ trạm điện Lardprao đến trạm Vibhavadi ở BangKok. Tuyến dài khoảng 7km, vỏ hầm hình tròn đường kính trong của vỏ là 2,6m. Các đơn nguyên vỏ hầm được đúc sẵn tại nhà máy và được thi công bằng áp lực. Thời gian xây dựng từ năm 1999 - 2002. * Hongkong có 4 tuyến đường hầm cáp điện chính ở trung tâm thành phố: Wah Fu-Bowen dài 3,1km, Nam Fung - Parker dài 5,7km. Tin Wan - Wah Fu và Cyberport - Wah Fu đều dài 0,8km. Hai tuyến Wah Fu và Nam Fung đều cho xe chuên dụng vào hoạt động. Tuyến Wah Fu - Bowen có mặt cắt ngang dạng vòm, kích thước 8mx4,5m rộng x cao và được xây dựng hoàn thành vào năm 1993.
III. Đề xuất ứng dụng hầm kỹ thuật cho các thành phố ở Việt Nam
Hiện tại, các nước trên thế giới cũng không có tiêu chuẩn hoặc quy trình nào để quy định cụ thể hình dạng và kích thước mặt cắt ngang của đường hầm hoặc khổ đường hầm, mà chỉ quy định kích thước tối thiểu cho hành lang đi biộ của nhân viên kỹ thuạt: không nhỏ hơn 0,9m x 1,93m rộng và cao [1]. Căn cứ vào quy mô xây dựng hệ thống kỹ thuật trên mặt đất của khu vực và nhu cầu phát triển trong tương lai, kết hợp với hành lang đi bộ tối thiểu để xác định được kích thước mặt cắt cũng như cách bố trí hệ thống của các đường ống dẫn trong đường hầm một cách hợp lý.
3.1. Các dạng cấu tạo của đường hầm kỹ thuật Đối với các thành phố ở nước ta, hệ thống kỹ thuật thường bao gồm 7 tuyến chính sau: điện cao thế, điện hạ thế, điện thoại, cáp thông tin, cấp nước sạch, thoát nước sinh hoạt, thoát nước mưa. Tuyến thoát nước mưa chính của thành phố thường có tiết diện rất lớn, nên được xây dựng riêng thành tuyến thoát nước mưa cống tròn, cống hộp, đường hầm thoát nước.... Đường hầm kỹ thuật sẽ là sự tổ hợp của 6 tuyến còn lại, nên việc bố trí các đường ống trong hầm tương đối đơn giản. Tuyến đường ống nước thường được bố trí trên mặt sàn đường hầm và mép đường ống phải cách tường hầm 20cm, các tuyến khác được bố trí trên các giá chống đỡ hoặc các thanh treo bằng sắt tráng kẽm, kim loại nhẹ... Trường hợp tuyến thoát nước mưa của thành phố có đường kính nhỏ, có thể bố trí tuyến trong hầm kỹ thuật. Các khu quy hoạch đô thị mới, khu dân cư cao cấp, công trình có tiêu chuẩn sử dụng hiện đại...đòi hỏi tiêu chuẩn cao về hệ thống kỹ thuật, nên cần phải xây dựng đường hầm kỹ thuật để đáp ứng các yêu cầu phục vụ cho công trình. Ngoài các tuyến kỹ thuật thông thường, bên trong hầm bố trí thêm các tuyến sau:cấp nhiệt, gas, cấp hơi nước. Khi xây dựng tuyến hầm kỹ thuật chính phục vụ cho các thành phố lớn như Hà Nội, Hồ Chí Minh, Đà Nẵng... việc bố trí các đường ống bên trong đường hầm tương đối phức tạp. Bên trong hầm phải bố trí thêm nhiều kết cấu che chắn để cách ly an toàn cho các đường ống, có sàn lửng và cầu thang để công nhân bảo trì có thể làm việc. Hầm có kích thước mặt cắt ngang lớn giống như các đường hầm giao thông cơ giới, hình dạng hình chữ nhật hoặc hình tròn kép. Một số trường hợp đặc biệt:cấu tạo hầm gồm tổ hợp nhiều ngăn hình chữa nhật, bố trí các tuyến kỹ thuật giống nhau trong cùng một ngăn để có thể dễ dàng bảo trì và nâng cấp.
3.2. Biện pháp thi công đường hầm kỹ thuật Tùy theo điều kiện địa hình, địa chất và khu vực xây dựng của tuyến hầm đi qua để chọn phương pháp thi công thích hợp, thường có 2 phương pháp chính để thi công: đào lộ thiên và kích đẩy có đầu đào kiểu cân bằng áp lực earth pressured balance machine.
* Phương pháp đào lộ thiên Thi công đào lộ thiên thường được áp dụng khi tuyến đi qua vùng có địa chất nền ổn định và mức nước ngầm nằm bên dưới đáy móng hầm. Nếu mực nước ngầm cao thị phải áp dụng biện pháp hạ mực nước ngầm để đảm bảo hố đào hầm luôn được khô ráo. Theo phương pháp này, hầm thường được đặt nông độ sâu đáy hầm h = 4 ÷ 6m so với mặt đất và vỏ hầm là các đơn nguyên hình chữa nhật được đúc sẵn tại nhà máy. Công nghệ thi công: đào từ trên xuống dưới sau khi đạt đến độ cao thiết kế xong, tiến hành hạ các đơn nguyên vỏ hầm đến đáy hố đào và thực hiện liên kết mối nối giữa các đơn nguyên. Thi công lớp chống thấm nước bên ngoài cho vỏ hầm, sau đó lấp hố đào và khôi phục lại mặt đường trên hầm như cũ. Trong nền đất ổn định với độ ẩm tự nhiên phù hợp và khi tồn tại khu đất trống đủ lớn có thể đào hầm theo phương pháp lộ thiên với mái dốc đào tự nhiên không cần gia cường vách hố đào. Khi điều kiện mặt bằng thi công không cho phép tạo nên hố đào rộng cũng như đất nền kém ổn định, người ta đào hầm với thành dựng đứng và gia cường thành vách bằng kết cấu che chắn tạm thời. Thành dựng đứng có thể bằng ván gỗ, cọc thép hình, cọc bê tông cốt thép. Kết cấu gia cưiờng thành vách hố đào có thể là dầm thép hình, neo bê tông cốt thép trong đất.
* Phương pháp kích đẩy có đầu đào kiểu cân bằng áp lực Khi tuyến đi qua vùng có địa chất chủ yếu là đất sét no nước địa chất khu vực đồng bằng sông Cửu Long và không thể thi công đào lộ thiên, người ta thi công theo phương pháp kích đẩy có đầu đào kiểu cân bằng áp lực là hiệu quả nhất. Công nghệ thi công: Các đơn nguyên liền khối được chế tạo sẵn tại nhà máy và vận chuyển đến công trường. Tại đây, tiến hành đào các giếng đứng hoặc hạ giếng chìm bê tông cốt thép đến vị trí đáy thiết kế. Dùng cần cẩu hạ đầu đào cắt, hệ thống kích đẩy xuống đến đáy giếng và ghim đầu cắt vào bề mặt đào, có thể kết hợp phun vữa để ổn định bề mặt đào. Sau đó tiếp tục hạ khiên bơm bùn và kích đẩy khiên đến nối tiếp với đầu cắt. Ống hầm đầu tiên được hạ xuống và được kích đẩy về phía trước theo hướng của đầu cắt cho đến hết chiều dài của đốt hầm, và cứ như thế cho các đốt hầm tiếp theo sao cho đạt chiều dài thiết kế yêu cầu. Trong quá trình đào và kích đẩy ống về phía trước, bơm dung dịch sét vào đất đào thành những tia làm cho đất được hoá, không thấm nước và dẻo. Áp lực bề mặt được tạo ra bởi sự đẩy tới của máy kích ống, cân bằng với áp lực ngang của đất và nước ngầm bên ngoài. Để giảm lực ma sát xung quanh thành ống và đất nền, cũng như lực kích đẩy đốt hầm khi chiều dài tăng; ta dùng hệ thống bôi trơn tự động được điều khiển bằng hệ thống máy vi tính ở trên mặt đất sẽ bôi trơn thành ống và đất nền, hoặc dùng thêm kích trung gian.
3.3. Tính toán đường hầm kỹ thuật Sử dụng phần mềm Plaxis 3D Tunnel để tính toán vỏ đường hầm kỹ thuật, phân tích đánh giá sự ổn định của bề mặt đào hầm và biến dạng của đất nền xung quanh đường hầm rất phù hợp. Sau đây sẽ trình bày minh hoạ các bước chính để tính toán thi công đường hầm kỹ thuật theo phương pháp kích đẩy có đầu đào kiểu cân bằng áp lực. Quá trình phân tích tính toán và xây dựng đường hầm bao gồm 5 giai đoạn phase chính: • Phase 1: Đào đất và lắp đặt đầu đào vào vị trí tuyến thiết kế, đánh giá sự ổn định của bề mặt đào trong quá trình thi công vỏ hầm; • Phase 2: Xác định giá trị áp lực Pmin cần thiết đặt ở đỉnh của đường hầm để cân bằng áp lực bề mặt đào. Từ đó, ta có thể điều chỉnh áp lực cần cung cấp tronmg phạm vi cho phép; • Phase 3: Lắp đặt, kích đẩy các đốt hầm tiếp theo ở phía sau đuôi đầu đào. • Phase 4: Đưa hầm vào khai thác sử dụng. Ví dụ, Xét tuyến hầm kỹ thuật được bố trí nằm bên dưới dãy phân cách rộng 7m của trục đường chính ở TP. Cần Thơ, lộ giới đường rộng 43m: 6 -12-7-12-6. Hầm được chôn sâu 6,3m so với mặt đất tự nhiên. tải trong xe cộ chạy trên đường p1= 10kN/m2, tải trọng người bên trong hầm p2 = 3kN/m2 . Mực nước ngầm cách mặt đất tự nhiên là 1,8m, địa chất của khu vực xây dựng như sau:
' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.6445.1154' />
IV. Kết luận
Việc xây dựng đường hầm kỹ thuật cho các thành phố lớn ở nước ta là rất cấp thiết. Do đó, bào viết này cũng đề xuất các dạng cấu tạo tương ứng vi quy mô sử dụng các loại tuyến kỹ thuật đô thị. Từ đó, chúng ta có thể xác định được dạng cấu tạo thích hợp với đặc điểm riêng biệt của mỗi thành phố và việc chọn biện pháp thi công. Ngoài ra, bài này cũng là cơ sở lý thuyết tham khảo khi tiến hành thiết kế xây dựng đường hầm kỹ thuật trong thực tiễn.