Mặt đất lún xuống và đường hầm sụt lún (P1)

Khi tiến hành thi công đường hầm bằng phương pháp khiên trong đất mèm, nói chung có thể làm cho mặt đất lún xuống và đường hầm lún sụt trong giai đoạn thi công và giai đoạn vận doanh. Khi mặt đất lún xuống và đường hầm lún sụt đạt đến một mức độ nhất định sẽ ảnh hưởng đến việc sử dụng bình thường của kiến trúc trên mặt đất, công trình ngầm dưới đất, và bản thân đường hầm. vì thế, cần nghiên cứu cẩn thận các quy luật và nguyên nhân gây ra mặt đất lún xuống và đường hầm lún sụt trong thi công bằng khiên, phân tích các loại nhân tố ảnh hưởng làm cho mặt đất lún xuống và đường hầm lún sụt.
Trong thiết kế và thi công cần có biện pháp họp lý giảm thiểu và khống chế mặt đất lún xuống và đường hầm lún sụt. Đồng thời, để tiến hành gia cố móng cũng như gia cố bảo vệ các loại kiến trúc trên mặt đất, và công trình ngầm trong các vùng mà khiên sẽ đi qua.
5.6.1. Quy luật và nguyên nhân lún xuống của mặt đất
I. Quy luật lún xuống của mặt đất
Khi thi công bằng phương pháp khiên trong địa tầng đất sét mềm và bão hoà, biến dạng của mặt đất sản sinh dọc trục đường hầm (hình 5.38) nói chung có thê chia làm 3 giai đoạn: mặt đất gồ lên và lún xuống phía trước khiên, lún xuống khi thi công và lún xuống do cố kết.
Thông thường, khi khối đất phía trước khiên bị dồn ép, mặt đất phía trước khiên có phần gồ lên chút ít. Nhưng khi khối đất tại mặt đào không được che chống đầy đủ, khối đất phía trước khiên phát sinh di động xuống dưới và hướng ra phía sau, do đó mà làm cho mặt đất lún xuống. Khi khiên được đẩy lên, khối đất hai bên khiên di động ra phía ngoài và khi vỏ hầm đã thoát ly đuôi khiên, do có khe hở thi công giữa vách ngoài vỏ hầm và vách đất, mặt đất sẽ có một lượng lún khá lớn và tốc độ lún cũng rất lớn, đồng thời khối đất hai bên hầm lại di động vào hướng trung tâm đường hầm. Độ lún trong giai đoạn đó là độ lún thi công, thường hoàn thành trong 1 – 2 tháng. Do khối đất xung quanh đường hầm bị xáo động trong quả trình thi công, áp suất nước lỗ rỗng dâng cao, sau đọ tuỳ theo ảp suất lỗ rỗng tiêu tan, địa tầng sẽ phát sinh lún do cố kết chính. Sau khi áp suất nước lỗ rỗng có xu hướng đi dần vào ổn định, bộ khung của khối đất vẫn sẽ từ biến, tức là cố kết thứ sinh, địa tầng sẽ lún xuống do cố kết thứ sinh. Lún cố két chính và lún cố kết thứ sinh là độ lún trong giai đoạn thứ ba được gọi chung là độ lún cố kết. 
Độ lún mặt đất liên quan mật thiết với điều kiện thi công và điều kiện địa chất. Sai sót trong thi công luôn luôn đẫn đến các độ lún mặt đất nhiều hay ít, như: che chống chính diện của khiên, mức độ bịt chặt mặt đào của khiên, che chống có kịp thời hay không, việc phun vữa bịt khe hở đằng sau đuôi khiên có kịp thòi hay không v.v… đều có thể dẫn đến sai khác nhau về độ lún. Nhưng trong cùng điều kiện thi công nhất định, do điều kiện địa chất khác nhau, mà gây ra độ lún chênh lệch nhau, tình trạng này không thể có cách gì đảo ngược được trước lúc thi công, thì có thể cho rằng điều kiện địa chất là nguyên nhân chính gây ra lún sụt.
Ví dụ : Trong tầng đất hạt không dính kết (đất bột, đất cát, đá hạt v.v…) mà dùng khiên bịt ngực phổ thông hoặc khiên ô vuông để thi công, phải che chống thật chặt toàn bộ mặt đào, và phải chia ô đào rất cẩn thận, vừa đào vừa chống, và cần dùng phương pháp hạ nước ngầm, phương pháp khí nén hoặc phương pháp phun vữa để làm khô hoặc gia cố tầng đất, nếu không việc ổn định mặt đào cùng lún sụt mặt đất không có cách gì khống chế được. Nếu như tầng đất chặt chắc và thi công lại rất cẩn thận, thì việc lún sụt địa tầng mặt đất có thể giảm thiểu hoặc đến múc độ bỏ qua không cần tính đến. Nhưng trong đất cát rời rạc, đặc biệt trong tầng đất hạt khô và ròi rạc, mặt đào rất dl trượt, làm cho mặt đất sinh ra lún không đều, trong loại đất ấy mà thi công mặt bằng khiên rất khó dự đoán độ lún sụt của mặt đất. Trong đất cát nằm dưới múc nước ngầm, mà dùng khiên nén nước bùn hoặc khiên cân bằng áp lục đất bằng cách gia thêm vữa bùn, và lại được trang bị máy bịt kín đuôi khiên đảng tin cậy cộng với công nghệ phun vữa tốt, có thể khống chế chặt chẽ khối đất lay động ở mặt đào và trong khe hở đuôi khiên hoặc khống chế được đất sụt, do đó mà bảo đảm cho mặt đất lún xuống rất ít hoặc đạt hiệu quả lún ổn định nhanh nhất.
Một ví dụ khác, trong đất sét rắn mà dùng đuôi khiên thi công do đất sét rắn rất khó sụt lở, cũng không bị chảy, nên rất có lợi cho thi công bằng khiên vì loại đất đó có thòi gian đứng vững lâu, vỏ hầm được lắp nhanh vào sau đuôi khiên, dùng kích hoặc chêm làm cho đường kính hầm nới ra để dán chặt vào trên chu vi hầm, như vậy có thể bỏ việc phun vữa vào sau lưng vỏ hầm, lại có lợi cho việc giảm thiểu độ ‘Ún của mặt đất. Trong loại đất đó dùng khiên phổ thông để thi công độ lún trên mặt đất có thể khống chế ở mức độ tối thiểu, ví như đường hầm thi công bằng khiên đường kính ngoài 10,9m, ở Luân Đôn tầng phủ trên nóc hầm dày 7,62m,. trong đó tầng đất sét trên nóc hầm dày 1,5 m, trên nữa là đất sét hạt ẩm ướt, dùng khiên thủ công mặt đất chỉ lún xuống 9mm.
Hoặc như, khi dùng khiên thi công trong đất sét mềm và bão hoà đầu tiên sẽ sản sinh độ lún thi công tương đối lớn, khi áp lực che chống mặt đào nhỏ hơn áp lực bên nguyên thuỷ, khối đất mặt đào sẽ phát sinh lưu động dẻo vào trong khiên. Đất sét mèm và bão hoà tuy không dễ bong rời như đất sét hạt nhimg đặc tính lưu đọng dẻo gặp điều kiện thi công khiên không thoả đáng, sẽ làm cho mặt đất sinh ra một phạm vi lún và lượng lún khá lớn. Do cường độ chống cắt của đất sét mềm và bão hoà tương đối thấp, khi thi công bằng khiên ứng suất biến dạng và chuyển vị của khối đất bị xáo động có thể đủ để phá hoại cường độ chống cắt của đất, do đó hình thành một khu dẻo trong một phạm vi nhất định xung quanh đường hầm. Với điều kiện thi công không tốt, đường kính khu bị xáo trộn dẻo có thể đạt đến một số lần đường kính hầm. Khi khu dẻo tương đối lớn, sẽ sản sinh độ lún tái cố kết khá lớn, và thời gian ổn định cũng tương đối
dài, vả lại độ lún tái cố kết lại có thể làm cho phạm vi độ lún thi công mở rộng ra. Do đặc tính cố kết của đất sét mềm và bão hoà sau khi bị xáo động, khi người ta xây dựng một đường hầm thứ hai ở bên cạnh một đường hầm thứ nhất vừa xây xong, thì độ lún mặt đất của đường hầm thứ hai sẽ lớn hơn so với với độ lún mặt đất của đường hầm thứ nhất, và sau khi thi công xong cả hai đường hầm thì đường trung tâm của rãnh lún trên mặt đất gây ra giữa hai đường hầm sẽ không đối xứng. Phạm vi lún và lượng lún phía đường hầm thứ nhất đèu khá lớn (hình 5-39).
b)
Hình 5.39. Sơ đồ lún theo mặt cắt ngang khi thi công bằng khiên
a) Một khiên; b) Hai tuyến khiên
1 – Khiên được đẩy trước; 2. Khiên thi công sau; 2. Địa tầng tốt; 4. Địa tầng bị xáo
Địa chất đoạn thực nghiệm khiên của công trình mêtrô Thượng hải là đất sét chứa nước và bùn lỏng, nằm dưới mức nước ngầm. Đường kính ngoài của khiên là 6,4m, trục hầm nằm dưới mặt đất khoảng 10 m – 11 m, dùng khí nén 68,6 kPa và mạng lưới ô vuông che chống mặt đào. Khi khiên xuyên qua kiến trúc cổ trong công viên, dùng cách phun vữa nhiều lần, khống chế độ lún mặt đất trong phạm vi 100 mm, đường cong độ lún dọc và độ lún ngang như hình 5.40 và hình 5.41 và bảng 5.7. Do lỗ mở ô vuông trước mặt của khiên là 40%, khi đẩy lên có tác dụng dập ép làm cho mặt đất phía trước gồ lên ở một mức độ nhất định, khi khí nén tăng lên đến 78,4 kPa mặt đất gồ lên càng mạnh. Mặt đất lúc đầu gồ lên sau lún xuống, khiến cho khối đất bị xáo động càng lớn. Từ đường cong lún dọc ta thấy đối với tầng đất đã được xử lý phun vữa thì mặt đất giảm thiểu được độ lún rất nhiều. Từ vùng lún ngang ta có thê thấy độ lún thi công bằng khoảng 63% độ lún tổng cộng, độ lún cố kết chiếm 37%.