Phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm: Chuyên gia Địa kỹ thuật Hưng Phú chia sẻ bí quyết

Bạn đã bao giờ tự hỏi, làm thế nào mà những công trình hầm đồ sộ vẫn sừng sững đứng vững, ngay cả khi lòng đất ẩm ướt, nước ngầm rỉ rả ngày đêm? Đặc biệt là ở những khu vực “ẩm ương” như Việt Nam mình, nơi nước ngầm có mặt ở khắp mọi nơi. Thi công hầm trong điều kiện đó không phải là chuyện dễ dàng, nó đòi hỏi những kỹ thuật và phương pháp đặc biệt. Vậy, bí mật đằng sau những công trình hầm “vượt ải” nước ngầm này là gì? Hôm nay, Địa kỹ thuật Hưng Phú sẽ bật mí cho bạn tất tần tật về Phương Pháp Thi Công Hầm Trong Khu Vực Có Nước Ngầm, một chủ đề tưởng chừng khô khan nhưng lại vô cùng thú vị và thiết yếu trong ngành xây dựng.

Từ thủa sơ khai đến công nghệ hiện đại: Hành trình chinh phục lòng đất ẩm ướt

Ngày xưa, khi kỹ thuật còn chưa phát triển, việc đào hầm trong vùng nước ngầm quả thực là “cực hình”. Người ta chủ yếu dựa vào sức người và những công cụ thô sơ, đào đến đâu nước ngấm đến đó, khó khăn chồng chất. Bạn cứ tưởng tượng cảnh những người thợ mỏ, mình trần đóng khố, vừa đào đất vừa phải tát nước, vừa lo sợ hầm sập, thật là “một cổ hai tròng”!

Nhưng con người mà, càng khó khăn lại càng nghĩ ra cách. Dần dần, những phương pháp thi công hầm sơ khai bắt đầu hình thành, chủ yếu dựa vào việc gia cố vách hầm bằng gỗ, đá, kết hợp với việc đào rãnh, bơm hút nước để giảm áp lực. Tuy nhiên, những phương pháp này còn nhiều hạn chế, tiến độ chậm, chi phí cao và độ an toàn chưa thực sự đảm bảo.

Bước ngoặt lớn đến khi cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất bùng nổ. Máy móc cơ giới ra đời, mở ra kỷ nguyên mới cho ngành xây dựng hầm. Đặc biệt là sự phát triển của máy khoan hầm TBM (Tunnel Boring Machine) hay còn gọi là “khiên đào”, đã giúp việc đào hầm trở nên nhanh chóng, chính xác và an toàn hơn rất nhiều, nhất là trong điều kiện địa chất phức tạp và có nước ngầm.

Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, chúng ta đã có trong tay rất nhiều phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm tiên tiến, hiệu quả và an toàn. Hãy cùng Địa kỹ thuật Hưng Phú khám phá những “vũ khí bí mật” này nhé!

“Điểm danh” các phương pháp thi công hầm “trị thủy” hiệu quả nhất hiện nay

Vậy, khi gặp phải “ông Nước” khó tính trong lòng đất, các kỹ sư xây dựng hầm sẽ “ra chiêu” gì? Dưới đây là một số phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay:

1. Phương pháp khiên đào (Shield Tunneling): “Khắc tinh” của nước ngầm

Có thể nói, khiên đào là “ngôi sao” trong làng thi công hầm, đặc biệt là ở những khu vực đô thị đông đúc và địa chất yếu, nhiều nước ngầm. Vậy khiên đào “lợi hại” như thế nào?

• Nguyên lý hoạt động: Khiên đào hoạt động như một “cỗ máy đào” khổng lồ, tự động đào đất, vận chuyển đất thải ra ngoài và đồng thời lắp đặt vỏ hầm bằng các đốt bê tông сборный (precast concrete segments). Toàn bộ quá trình diễn ra khép kín bên trong “chiếc khiên” bảo vệ, giúp ngăn chặn nước ngầm xâm nhập vào hầm.
• Ưu điểm:
  • An toàn: Giảm thiểu rủi ro sụt lún, mất ổn định công trình, đặc biệt quan trọng trong khu vực đô thị.
  • Tiến độ nhanh: Thi công liên tục, ít bị ảnh hưởng bởi thời tiết hay điều kiện địa chất.
  • Ít ảnh hưởng môi trường: Giảm tiếng ồn, bụi bẩn và chấn động so với các phương pháp đào hở.
  • Thi công được trong nhiều loại địa chất: Từ đất mềm yếu đến đá cứng, đặc biệt hiệu quả trong đất có nước ngầm.
• Nhược điểm:
  • Chi phí đầu tư ban đầu lớn: Giá thành máy khiên đào và chi phí vận hành, bảo trì cao.
  • Yêu cầu kỹ thuật cao: Đội ngũ kỹ sư, công nhân vận hành phải có trình độ chuyên môn cao.
  • Khó thay đổi hướng tuyến: Khó điều chỉnh hướng đào khi gặp phải chướng ngại vật lớn.

Tuy nhiên, với những ưu điểm vượt trội, khiên đào vẫn là phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm được ưa chuộng hàng đầu, đặc biệt là cho các công trình hầm metro, hầm giao thông đô thị.

2. Phương pháp NATM (New Austrian Tunneling Method): “Linh hoạt” thích ứng mọi địa hình

NATM, hay còn gọi là phương pháp hầm kiểu Áo mới, là một phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm rất linh hoạt và kinh tế. Phương pháp này dựa trên nguyên lý “vỏ hầm chịu lực chung”, tận dụng chính địa chất xung quanh để gia cố hầm.

• Nguyên lý hoạt động: NATM đào hầm theo từng phân đoạn nhỏ, sau mỗi phân đoạn đào sẽ tiến hành gia cố vách hầm ngay lập tức bằng phun bê tông (shotcrete), neo thép (rock bolts) và lưới thép. Quá trình đào và gia cố diễn ra tuần tự, cho phép địa chất xung quanh tự ổn định và tạo thành một “vỏ hầm tự nhiên”.
• Ưu điểm:
  • Linh hoạt: Thích ứng tốt với nhiều loại địa chất khác nhau, đặc biệt là địa chất không đồng nhất và phức tạp.
  • Kinh tế: Chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn so với khiên đào, tận dụng vật liệu địa phương.
  • Dễ điều chỉnh hướng tuyến: Linh hoạt trong việc thay đổi hướng đào khi gặp chướng ngại vật.
  • Giảm thiểu ảnh hưởng đến địa chất xung quanh: Đào từng phân đoạn nhỏ giúp giảm chấn động và biến dạng địa chất.
• Nhược điểm:
  • Tiến độ chậm hơn khiên đào: Đào và gia cố tuần tự nên tiến độ không nhanh bằng khiên đào.
  • Yêu cầu giám sát chặt chẽ: Cần theo dõi và đánh giá liên tục biến dạng địa chất để điều chỉnh biện pháp gia cố kịp thời.
  • Phụ thuộc vào kinh nghiệm của đội ngũ thi công: NATM đòi hỏi đội ngũ kỹ sư, công nhân có kinh nghiệm và am hiểu về địa chất.

NATM thường được áp dụng cho các công trình hầm giao thông đường bộ, hầm thủy điện, hầm khai thác mỏ, đặc biệt là ở những vùng núi có địa chất phức tạp và nước ngầm.

3. Phương pháp đào hở (Cut-and-Cover): “Đơn giản” nhưng hiệu quả cho hầm nông

Đào hở là phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm đơn giản nhất, thường được áp dụng cho các công trình hầm nông, nằm gần mặt đất.

• Nguyên lý hoạt động: Đào một hào sâu từ mặt đất xuống độ sâu thiết kế của hầm, sau đó xây dựng kết cấu hầm bên trong hào đào và cuối cùng lấp đất hoàn trả mặt bằng.
• Ưu điểm:
  • Đơn giản: Công nghệ thi công không phức tạp, dễ thực hiện.
  • Chi phí thấp: Chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn so với các phương pháp khác.
  • Tiến độ nhanh: Nếu điều kiện địa chất thuận lợi, tiến độ thi công có thể nhanh.
  • Dễ kiểm soát chất lượng: Thi công trên mặt đất nên dễ kiểm soát chất lượng công trình.
• Nhược điểm:
  • Ảnh hưởng lớn đến giao thông và môi trường: Gây tắc nghẽn giao thông, bụi bẩn, tiếng ồn trong quá trình đào và lấp đất.
  • Chỉ áp dụng được cho hầm nông: Không phù hợp cho hầm sâu hoặc hầm nằm dưới mực nước ngầm cao.
  • Khó thi công trong khu vực đô thị đông đúc: Gây ảnh hưởng lớn đến sinh hoạt của người dân.

Đào hở thường được sử dụng cho các công trình hầm chui dân sinh, hầm đường bộ ngắn, hoặc hầm kỹ thuật dưới lòng đường.

4. Phương pháp hạ mực nước ngầm (Dewatering): “Tiên quyết” để hầm khô ráo

Dù áp dụng phương pháp thi công hầm nào, việc kiểm soát và hạ mực nước ngầm luôn là yếu tố then chốt, đặc biệt là trong phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm. Nếu không “trị” được nước ngầm, mọi nỗ lực thi công đều trở nên vô nghĩa.

• Các biện pháp hạ mực nước ngầm phổ biến:
  • Giếng kim lọc (Wellpoint system): Hệ thống các giếng nhỏ được khoan xung quanh khu vực thi công, bơm hút nước ngầm liên tục để hạ mực nước.
  • Giếng sâu (Deep wells): Tương tự giếng kim lọc nhưng giếng sâu hơn, áp dụng cho mực nước ngầm sâu hơn.
  • Tường vây chống thấm (Diaphragm walls): Xây dựng tường vây bằng bê tông cốt thép hoặc bentonite xung quanh khu vực thi công để ngăn nước ngầm thấm vào.
  • Phun vữa xi măng (Grouting): Bơm vữa xi măng vào các khe nứt, hang hốc trong địa chất để lấp đầy và giảm tính thấm nước.

Việc lựa chọn phương pháp hạ mực nước ngầm nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố như địa chất, lưu lượng nước ngầm, độ sâu mực nước ngầm, và quy mô công trình. Tuy nhiên, mục tiêu cuối cùng vẫn là tạo ra một môi trường thi công khô ráo, an toàn và hiệu quả.

Vật liệu và công nghệ “chống thấm” – “Áo giáp” vững chắc cho hầm

Sau khi đã “khuất phục” được nước ngầm, chúng ta cần trang bị cho hầm một lớp “áo giáp” vững chắc để chống lại sự xâm nhập của nước về lâu dài. Vật liệu và công nghệ chống thấm đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tuổi thọ và độ bền vững của công trình hầm.

• Vật liệu chống thấm phổ biến:

  • Màng chống thấm HDPE (High-Density Polyethylene): Màng nhựa tổng hợp có độ bền cao, khả năng chống thấm tuyệt vời, thường được sử dụng cho lớp chống thấm chính của hầm.
  • Băng cản nước PVC (Polyvinyl Chloride): Băng nhựa dẻo dùng để chèn khe co giãn, khe nối giữa các đốt hầm, ngăn nước thấm qua các vị trí yếu.
  • Vữa chống thấm gốc xi măng (Cementitious Waterproofing Mortar): Vữa trộn sẵn có khả năng chống thấm, dùng để trám vá bề mặt bê tông, gia cố các vị trí bị thấm dột.
  • Sơn chống thấm (Waterproof Paint): Sơn gốc acrylic hoặc polyurethane, dùng để bảo vệ bề mặt bê tông khỏi nước và ẩm ướt.

• Công nghệ chống thấm tiên tiến:

  • Công nghệ phun thẩm thấu (Crystalline Waterproofing): Sử dụng hóa chất thẩm thấu vào bê tông, tạo thành các tinh thể lấp đầy lỗ rỗng, tăng khả năng chống thấm từ bên trong.
  • Công nghệ bơm keo PU (Polyurethane Injection Grouting): Bơm keo PU vào các khe nứt, mạch ngừng thi công để lấp đầy và ngăn nước thấm qua.
  • Công nghệ thi công vữa rót tự chảy (Self-Consolidating Concrete): Sử dụng bê tông có độ sệt cao, tự lấp đầy khuôn mà không cần đầm, giảm thiểu rỗ khí, tăng độ đặc chắc và khả năng chống thấm.

Việc lựa chọn vật liệu và công nghệ chống thấm phù hợp cần dựa trên đặc điểm công trình, điều kiện địa chất thủy văn và yêu cầu về tuổi thọ, độ bền của hầm.

An toàn và môi trường: “Kim chỉ nam” trong thi công hầm

Trong bất kỳ công trình xây dựng nào, an toàn luôn là yếu tố được đặt lên hàng đầu, và thi công hầm cũng không ngoại lệ. Đặc biệt là trong phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm, rủi ro càng cao hơn do áp lực nước, nguy cơ sụt lún, và các vấn đề về thông gió, thoát nước.

• Các biện pháp đảm bảo an toàn:
  • Khảo sát địa chất kỹ lưỡng: Đánh giá chính xác điều kiện địa chất thủy văn, xác định các nguy cơ tiềm ẩn.
  • Thiết kế hầm phù hợp: Tính toán kết cấu hầm chịu được áp lực nước ngầm, đảm bảo ổn định công trình.
  • Giám sát thi công chặt chẽ: Theo dõi biến dạng địa chất, kiểm tra chất lượng vật liệu và công tác thi công.
  • Trang bị bảo hộ lao động đầy đủ: Đảm bảo công nhân được trang bị đầy đủ mũ bảo hộ, quần áo, giày dép, găng tay, mặt nạ phòng độc…
  • Hệ thống thông gió và thoát nước hiệu quả: Đảm bảo không khí trong hầm luôn thông thoáng, thoát nước kịp thời để tránh ngập úng.
  • Phương án ứng cứu khẩn cấp: Chuẩn bị sẵn sàng các phương án ứng phó với sự cố sụt lún, ngập nước, cháy nổ…

Bên cạnh an toàn, vấn đề môi trường cũng ngày càng được quan tâm trong thi công hầm. Các phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm hiện đại ngày càng hướng tới sự thân thiện với môi trường, giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái xung quanh.

• Các biện pháp bảo vệ môi trường:
  • Giảm thiểu tiếng ồn và bụi bẩn: Sử dụng máy móc thiết bị ít gây tiếng ồn, che chắn công trường, tưới nước giảm bụi.
  • Xử lý nước thải và chất thải rắn: Thu gom và xử lý nước thải, chất thải rắn đúng quy định.
  • Bảo vệ nguồn nước ngầm: Tránh làm ô nhiễm nguồn nước ngầm trong quá trình thi công.
  • Hoàn trả mặt bằng sau thi công: Phục hồi cảnh quan môi trường sau khi công trình hoàn thành.

Thách thức và giải pháp: Vượt qua “ải” nước ngầm để kiến tạo tương lai

Thi công hầm trong khu vực có nước ngầm luôn đặt ra những thách thức không nhỏ cho các kỹ sư xây dựng. Từ việc khảo sát địa chất phức tạp, thiết kế kết cấu chịu áp lực nước, đến việc lựa chọn phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm, vật liệu chống thấm và biện pháp an toàn, môi trường, mỗi công đoạn đều đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác và kinh nghiệm.

Tuy nhiên, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và tinh thần sáng tạo không ngừng, chúng ta đã và đang vượt qua những thách thức này, kiến tạo nên những công trình hầm ngày càng hiện đại, an toàn và bền vững. Những phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm tiên tiến, vật liệu mới, công nghệ hiện đại, cùng với đội ngũ kỹ sư, công nhân lành nghề, đã giúp chúng ta chinh phục lòng đất ẩm ướt, mở ra những cơ hội phát triển mới cho giao thông, đô thị và kinh tế xã hội.

Công nhân đang thi công gia cố hầm theo phương pháp NATM

Địa kỹ thuật Hưng Phú tự hào là một phần của hành trình chinh phục lòng đất này. Chúng tôi luôn nỗ lực cập nhật kiến thức, áp dụng công nghệ mới nhất, và chia sẻ kinh nghiệm để góp phần vào sự phát triển của ngành kỹ thuật xây dựng hầm Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phương pháp thi công hầm nào phù hợp nhất cho khu vực có nước ngầm?

Không có phương pháp nào là “nhất” cho mọi trường hợp. Việc lựa chọn phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như địa chất, mực nước ngầm, quy mô công trình, và yêu cầu về tiến độ, chi phí, an toàn. Tuy nhiên, khiên đào và NATM là hai phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất cho khu vực có nước ngầm.

2. Chi phí thi công hầm trong khu vực có nước ngầm có cao hơn không?

Chắc chắn rồi. Phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm đòi hỏi các biện pháp kiểm soát và xử lý nước ngầm phức tạp hơn, vật liệu chống thấm đặc biệt, và các biện pháp an toàn tăng cường, do đó chi phí thường cao hơn so với thi công hầm trong điều kiện khô ráo.

3. Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi thi công hầm trong khu vực có nước ngầm?

An toàn là ưu tiên hàng đầu. Cần thực hiện đầy đủ các biện pháp đảm bảo an toàn như khảo sát địa chất kỹ lưỡng, thiết kế hầm phù hợp, giám sát thi công chặt chẽ, trang bị bảo hộ lao động đầy đủ, hệ thống thông gió, thoát nước hiệu quả, và phương án ứng cứu khẩn cấp.

4. Vật liệu chống thấm nào tốt nhất cho hầm trong khu vực có nước ngầm?

Màng chống thấm HDPE là một trong những vật liệu chống thấm tốt nhất hiện nay cho hầm, nhờ độ bền cao, khả năng chống thấm tuyệt vời. Tuy nhiên, cần kết hợp với các vật liệu và công nghệ chống thấm khác để đảm bảo hiệu quả toàn diện.

5. Thi công hầm có ảnh hưởng đến môi trường không?

Thi công hầm có thể gây ra một số tác động đến môi trường như tiếng ồn, bụi bẩn, nước thải, và ảnh hưởng đến nguồn nước ngầm. Tuy nhiên, với các biện pháp bảo vệ môi trường phù hợp, chúng ta có thể giảm thiểu tối đa những tác động tiêu cực này.

Kết luận

Phương pháp thi công hầm trong khu vực có nước ngầm là một lĩnh vực kỹ thuật phức tạp nhưng vô cùng quan trọng. Hiểu rõ về các phương pháp, vật liệu, công nghệ và các yếu tố an toàn, môi trường là chìa khóa để xây dựng những công trình hầm thành công, bền vững và mang lại giá trị cho xã hội. Địa kỹ thuật Hưng Phú hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn những thông tin hữu ích và thú vị về lĩnh vực này. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, đừng ngần ngại liên hệ với chúng tôi nhé!