Thiết kế hầm trong điều kiện địa chất mềm yếu: Bí quyết “vượt khó” cho công trình ngầm

Bạn đã bao giờ tự hỏi, làm thế nào mà người ta có thể đào hầm xuyên lòng đất, đặc biệt là ở những nơi đất đai “ẩm ương” như bánh đa nhúng nước chưa? Đúng vậy, Thiết Kế Hầm Trong điều Kiện địa Chất Mềm Yếu luôn là một bài toán hóc búa, đòi hỏi kỹ sư phải “mưu cao, kế sâu” để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Trong bài viết này, Địa kỹ thuật Hưng Phú sẽ cùng bạn khám phá những bí mật đằng sau việc chinh phục địa chất “khó nhằn” này, để thấy rằng không gì là không thể, kể cả việc “xẻ núi, đào sông” dưới lòng đất.

Từ “hang động tự nhiên” đến đường hầm hiện đại: Một hành trình dài

Từ thuở sơ khai, con người đã biết tận dụng hang động tự nhiên để trú ẩn, tránh thú dữ và thời tiết khắc nghiệt. Có thể nói, hang động chính là “tiền thân” của những đường hầm hiện đại mà chúng ta thấy ngày nay. Nhưng giữa “ở nhờ” hang động và chủ động thiết kế hầm trong điều kiện địa chất mềm yếu là cả một bước tiến dài, một cuộc cách mạng về kỹ thuật và tư duy.

Thời xa xưa, việc đào hầm chủ yếu dựa vào sức người và công cụ thô sơ như cuốc, xẻng. Bạn có thể hình dung cảnh những người thợ mỏ miệt mài đục đẽo đá, đất, trong bóng tối mịt mùng, chỉ với ánh đèn dầu leo lét. Công việc nặng nhọc, nguy hiểm, và tiến độ thì “rùa bò”. Tuy nhiên, chính những đường hầm thủ công đó đã đặt nền móng cho sự phát triển của kỹ thuật xây dựng đường hầm sau này.

Dần dần, khi khoa học kỹ thuật tiến bộ, con người đã phát minh ra thuốc nổ, máy khoan đá, và các loại máy móc chuyên dụng khác. Đặc biệt, sự ra đời của máy đào hầm TBM (Tunnel Boring Machine) được xem là một bước ngoặt lớn, giúp tăng tốc độ đào hầm lên gấp nhiều lần và giảm thiểu rủi ro. Ngày nay, chúng ta đã có thể tự tin thiết kế hầm trong điều kiện địa chất mềm yếu một cách an toàn và hiệu quả hơn bao giờ hết.

Các “chiêu thức” đối phó với địa chất mềm yếu khi thiết kế hầm

Vậy, địa chất mềm yếu “khó chịu” đến mức nào mà các kỹ sư phải đau đầu tìm cách đối phó? Hãy tưởng tượng bạn đang cố gắng xây lâu đài cát trên bãi biển ướt át. Cát mềm, dễ lún, chỉ cần một tác động nhỏ cũng có thể làm sụp đổ công trình của bạn. Địa chất mềm yếu cũng tương tự như vậy, thậm chí còn “khó chơi” hơn nhiều.

Địa chất mềm yếu thường bao gồm các loại đất như:

• Đất sét: Loại đất này có độ dẻo cao, dễ bị biến dạng khi chịu tải, và đặc biệt “ưa” nước. Khi gặp nước, đất sét càng trở nên nhão nhoét, mất ổn định.
• Đất bùn: Đúng như tên gọi, đất bùn là hỗn hợp của đất, nước, và các chất hữu cơ. Đất bùn rất yếu, khả năng chịu tải kém, và thường gây ra nhiều vấn đề trong quá trình thi công hầm.
• Cát chảy: Nghe thôi đã thấy “ớn lạnh”. Cát chảy là loại cát rời rạc, bão hòa nước, mất khả năng chịu lực cắt. Khi đào hầm qua khu vực cát chảy, nguy cơ sụt lở là rất cao.

Để thiết kế hầm trong điều kiện địa chất mềm yếu an toàn và thành công, các kỹ sư địa chất và xây dựng phải phối hợp chặt chẽ, áp dụng nhiều biện pháp kỹ thuật đồng bộ. Dưới đây là một số “chiêu thức” thường được sử dụng:

1. Khảo sát địa chất kỹ lưỡng: “Biết địch biết ta, trăm trận trăm thắng”

Trước khi bắt tay vào thiết kế và thi công hầm, việc khảo sát địa chất là bước vô cùng quan trọng. Người ta thường nói “biết địch biết ta, trăm trận trăm thắng”, trong trường hợp này, “địch” chính là địa chất mềm yếu. Khảo sát địa chất giúp chúng ta “bắt mạch”, “đo tim” địa tầng, xác định rõ các thông số cơ lý của đất, mực nước ngầm, và các yếu tố địa chất bất lợi khác.

Các phương pháp khảo sát địa chất thường được sử dụng bao gồm:

• Khoan thăm dò: Khoan các lỗ khoan xuống lòng đất để lấy mẫu đất, đá, nước, phục vụ cho công tác thí nghiệm trong phòng và quan trắc ngoài hiện trường.
• Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT): Đánh giá độ chặt của đất rời và trạng thái của đất dính.
• Thí nghiệm cắt cánh hiện trường (VST): Xác định sức kháng cắt không thoát nước của đất sét mềm và đất yếu.
• Địa vật lý: Sử dụng các phương pháp vật lý như địa chấn, điện trở, trọng lực, từ trường để nghiên cứu cấu trúc địa chất và các đặc tính vật lý của đất đá. Bạn có thể tìm hiểu thêm về Ứng dụng kỹ thuật địa chấn trong thiết kế hầm để thấy rõ hơn tầm quan trọng của địa chấn trong công tác khảo sát.

Kết quả khảo sát địa chất là cơ sở quan trọng để lựa chọn phương pháp thi công hầm phù hợp, thiết kế hệ thống chống đỡ hầm tối ưu, và dự báo các rủi ro có thể xảy ra trong quá trình thi công. Nếu “bỏ qua” bước này, chẳng khác nào “đi đêm không đèn”, rất dễ gặp phải những sự cố đáng tiếc.

2. Lựa chọn phương pháp thi công phù hợp: “Chọn đúng đường, đi đúng hướng”

Sau khi đã “nắm rõ” địa chất, bước tiếp theo là lựa chọn phương pháp thi công hầm phù hợp. Đối với địa chất mềm yếu, có một số phương pháp thi công thường được áp dụng, mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng:

• Phương pháp đào hở (Cut-and-Cover): Phương pháp này thường được sử dụng cho các đường hầm nông, gần mặt đất. Người ta sẽ đào một hào mở, sau đó xây dựng kết cấu hầm bên trong hào, rồi lấp đất lại. Phương pháp này đơn giản, dễ thi công, nhưng có nhược điểm là gây ảnh hưởng lớn đến giao thông và các công trình trên mặt đất.
• Phương pháp đào kín (Tunneling): Phương pháp này được sử dụng cho các đường hầm sâu, hoặc khi không thể đào hở. Có nhiều kỹ thuật đào kín khác nhau, như:
  • Khiên đào (Shield Tunneling): Sử dụng máy khiên đào TBM để đào đất và đồng thời lắp đặt vỏ hầm. Phương pháp này an toàn, nhanh chóng, và ít gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Bạn có thể tìm hiểu thêm về Đào hầm bằng công nghệ hiện đại để biết thêm chi tiết về công nghệ khiên đào.
  • NATM (New Austrian Tunneling Method): Phương pháp đào hầm kiểu Áo mới, dựa trên nguyên lý “vỏ hầm chịu lực chung với đất đá xung quanh”. NATM linh hoạt, có thể áp dụng cho nhiều loại địa chất khác nhau, nhưng đòi hỏi kỹ thuật thi công cao và kiểm soát chặt chẽ.
  • Phương pháp đào và chống đỡ từng phần (Sequential Excavation and Support – SES): Phương pháp này chia nhỏ diện tích đào, đào từng phần và chống đỡ ngay lập tức. SES phù hợp với địa chất yếu, dễ sụt lở, nhưng tiến độ thi công chậm.

Việc lựa chọn phương pháp thi công hầm nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như: địa chất, quy mô hầm, tiến độ thi công, chi phí, và các yêu cầu về an toàn, môi trường. Các kỹ sư phải cân nhắc kỹ lưỡng để “chọn đúng đường, đi đúng hướng”, đảm bảo công trình hầm được xây dựng một cách hiệu quả nhất.

3. Gia cố nền đất: “Chắc chân, vững bước”

Địa chất mềm yếu vốn đã “yếu đuối”, nếu không được gia cố cẩn thận, rất dễ gây ra sụt lún, mất ổn định cho công trình hầm. Do đó, công tác gia cố nền đất là một phần không thể thiếu trong thiết kế hầm trong điều kiện địa chất mềm yếu.

Có nhiều phương pháp gia cố nền đất khác nhau, tùy thuộc vào loại đất, điều kiện địa chất, và yêu cầu của công trình. Một số phương pháp phổ biến bao gồm:

• Gia cố bằng xi măng: Bơm vữa xi măng vào đất để lấp đầy các lỗ rỗng, tăng cường độ cứng và khả năng chịu tải của đất.
• Gia cố bằng hóa chất: Sử dụng các loại hóa chất đặc biệt để liên kết các hạt đất lại với nhau, tạo thành khối đất vững chắc hơn.
• Cọc đất gia cố xi măng (CDM): Trộn xi măng với đất tại chỗ để tạo thành các cột đất gia cố, tăng cường khả năng chịu tải và giảm lún của nền đất.
• Jet grouting: Sử dụng tia nước áp lực cao để phá vỡ cấu trúc đất, đồng thời phun vữa xi măng vào để trộn đều với đất, tạo thành các cột vữa xi măng có cường độ cao.

Công tác gia cố nền đất giúp “chắc chân, vững bước” cho công trình hầm, đảm bảo hầm không bị biến dạng, sụt lún trong quá trình thi công và khai thác.

4. Thiết kế hệ thống chống đỡ hầm: “Áo giáp” bảo vệ đường hầm

Hệ thống chống đỡ hầm đóng vai trò như “áo giáp” bảo vệ đường hầm khỏi sự sụt lở, biến dạng do áp lực đất đá xung quanh. Thiết kế hệ thống chống đỡ hầm phải đảm bảo khả năng chịu lực, độ ổn định, và tuổi thọ của công trình.

Các loại hệ thống chống đỡ hầm thường được sử dụng bao gồm:

• Vỏ hầm bê tông cốt thép: Vỏ hầm bê tông cốt thép có độ bền cao, khả năng chịu lực tốt, và tuổi thọ lâu dài. Bạn có thể tham khảo thêm về Thiết kế kết cấu đế hầm bê tông cốt thép để hiểu rõ hơn về cấu tạo và nguyên tắc thiết kế vỏ hầm.
• Vỏ hầm thép: Vỏ hầm thép có khả năng chịu lực kéo tốt, dễ thi công, nhưng dễ bị ăn mòn.
• Neo và phun vữa: Neo và phun vữa là hệ thống chống đỡ linh hoạt, thường được sử dụng trong phương pháp NATM. Neo thép được khoan sâu vào đất đá xung quanh hầm để gia cố, còn lớp phun vữa bê tông bảo vệ bề mặt hầm khỏi bị phong hóa, sụt lở.

Vỏ hầm bê tông cốt thép trong đường hầm giao thông

Thiết kế hệ thống chống đỡ hầm phải dựa trên kết quả khảo sát địa chất, phương pháp thi công, và các yêu cầu về an toàn, kinh tế. Các kỹ sư phải tính toán cẩn thận để lựa chọn loại hệ thống chống đỡ phù hợp, đảm bảo hầm luôn “vững như bàn thạch” trước mọi áp lực từ lòng đất.

5. Quản lý rủi ro và ứng phó sự cố: “Phòng bệnh hơn chữa bệnh”

Dù đã có sự chuẩn bị kỹ lưỡng, nhưng trong quá trình thi công hầm, đặc biệt là trong điều kiện địa chất mềm yếu, vẫn có thể xảy ra những rủi ro, sự cố bất ngờ. Do đó, công tác quản lý rủi ro và ứng phó sự cố là vô cùng quan trọng.

Các biện pháp quản lý rủi ro và ứng phó sự cố thường được áp dụng bao gồm:

• Lập kế hoạch quản lý rủi ro: Xác định các rủi ro tiềm ẩn, đánh giá mức độ nghiêm trọng, và đề xuất các biện pháp phòng ngừa, giảm thiểu rủi ro.
• Quan trắc địa kỹ thuật: Theo dõi liên tục các biến dạng, chuyển vị của đất đá, kết cấu hầm, và mực nước ngầm trong quá trình thi công. Bạn có thể tham khảo thêm về Quản lý tiến độ trong dự án đường hầm để thấy rõ hơn vai trò của quan trắc trong quản lý dự án hầm.
• Xây dựng phương án ứng phó sự cố: Chuẩn bị sẵn sàng các phương án ứng phó khi có sự cố xảy ra, như sụt lở, thấm nước, cháy nổ, để có thể xử lý kịp thời, giảm thiểu thiệt hại.
• Đào tạo và diễn tập: Đào tạo cho công nhân, kỹ sư về an toàn lao động, kỹ năng ứng phó sự cố, và tổ chức diễn tập định kỳ để nâng cao khả năng phản ứng.

“Phòng bệnh hơn chữa bệnh”, công tác quản lý rủi ro và ứng phó sự cố giúp chúng ta chủ động đối phó với mọi tình huống, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người và công trình trong quá trình thiết kế hầm trong điều kiện địa chất mềm yếu và thi công.

Kết luận: “Khó khăn nào cũng vượt qua, đường hầm vươn tới tương lai”

Thiết kế hầm trong điều kiện địa chất mềm yếu là một thách thức lớn, nhưng cũng là cơ hội để các kỹ sư địa kỹ thuật và xây dựng thể hiện tài năng và bản lĩnh. Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, chúng ta đã có trong tay nhiều “vũ khí” lợi hại để chinh phục địa chất “khó nhằn” này.

Từ việc khảo sát địa chất kỹ lưỡng, lựa chọn phương pháp thi công phù hợp, gia cố nền đất, thiết kế hệ thống chống đỡ hầm, đến quản lý rủi ro và ứng phó sự cố, tất cả đều góp phần tạo nên những công trình hầm an toàn, bền vững, và hiệu quả.

Những đường hầm hiện đại không chỉ là công trình giao thông, mà còn là biểu tượng của sự sáng tạo, ý chí vươn lên, và khả năng chinh phục tự nhiên của con người. Địa kỹ thuật Hưng Phú tự hào được đồng hành cùng bạn trên hành trình khám phá những điều kỳ diệu của kỹ thuật xây dựng đường hầm, góp phần xây dựng một tương lai tươi sáng hơn.