Công trình hầm là một trong những mảnh ghép không thể thiếu trong hệ thống cơ sở hạ tầng của bất kỳ quốc gia nào hiện nay. Công trình hầm là một trong những giải pháp để kết nối giao thông khi điều kiện địa hình không cho phép và kém thuận lợi đối với việc xây dựng đường và cầu như giao thông trong các đô thị lớn, công trình vượt biển, vượt sông lớn, công trình xuyên núi, đèo hiểm trở. Tuy nhiên, việc thi công các công trình hầm tương đối khó khăn so với các loại công trình khác. Bài viết xin giới thiệu các phương pháp thi công hầm phổ biến hiện nay.

1. Đào và đắp đường hầm (Cut and cover method)

Đào và đắp đường hầm là một kỹ thuật phổ biến và đã được chứng minh trong thực tế để thi công các hầm nông. Phương pháp này có thể phù hợp với những công trình hầm có thay đổi về chiều rộng hầm và có hình dạng không đồng nhất. Một ví dụ thường được áp dụng là trong xây dựng các ga ngầm hoặc hầm chui ngắn. Các công tác chính của phương pháp thi công này là đào hầm, xây dựng đường hầm, hệ chống đỡ và đắp trả vật liệu. Hầu hết các công việc này tương tự như các công trình xây dựng công trình khác, ngoại trừ mức độ đào sâu hơn. Việc đào hàng loạt thường được thực hiện dưới mặt đường để giảm thiểu gián đoạn giao thông cũng như các tác động môi trường về phát thải bụi và tiếng ồn và ảnh hưởng thị giác.

2. Khoan và nổ (Drill and blast method)

Là phương pháp sử dụng chất nổ để đào hầm, phù hợp với dạng địa chất cứng. Theo phương pháp này, các máy khoan được sử dụng để khoan các lỗ nổ được đề xuất trên bề mặt hầm đến độ sâu phù hợp. Sau đó, một lượng thuốc nổ phù hợp và kíp hẹn giờ được đặt vào các lỗ nổ. Sau khi tiến hành nổ mìn, đá thải và đất sẽ được vận chuyển ra khỏi đường hầm trước đợt nổ tiếp theo. Tuy nhiên, hầu hết các công trình hầm đều có nhiều dạng địa chất đan xen như các lớp đá, đất … do đó, cần có các biện pháp hỗ trợ kết cấu thích hợp khi áp dụng phương pháp này. Tiếng ồn lớn và mức độ rung cao là những điều cần chú ý khi tổ chức thi công để giám thiểu ảnh hưởng đến môi trường và công trình xung quanh. Việc xác định khối lượng thuốc nổ và bố trí lỗ nổ cần phải được tính toán kỹ lưỡng để đạt hiệu quả tốt nhất tránh trưởng hợp nổ lẹm quá nhiều hoặc nổ chưa đủ mặt cắt hầm.

3. Đào hầm bằng Máy khoan hầm (Bored tunnelling by Tunnelling Boring Machine – TBM)

Đào hầm bằng Máy khoan hầm (TBM) thường được sử dụng để đào các đường hầm dài, ổn định về mặt cắt ngang hầm. Để phương pháp TMB hiệu quả đòi hỏi phải lựa chọn thiết bị thích hợp cho các khối lượng đá và điều kiện địa chất khác nhau. TBM thích hợp để đào các đường hầm có chứa các tầng, lớp đá cứng có thể tạo ra sự ổn định địa chất và khoan một đoạn đường hầm dài mà không cần kết cấu hỗ trợ. Tuy nhiên, khi gặp tầng đá quá cứng có thể gây mài mòn đáng kể lưới cắt đá của TBM và có thể làm chậm tiến độ của công việc đào hầm đến mức TBM trở nên kém hiệu quả và không kinh tế và có thể mất nhiều thời gian hơn. Trong thực tế, TBM thường được áp dụng để đào các đường hầm cho tàu điện ngầm, đào hầm vượt biển dài. So với phương pháp khoan và nổ, TBM có mức độ ồn và rung chấn nhỏ hơn, tuy nhiên tiến độ đào phụ thuộc nhiều vào dạng địa chất và chất lượng của máy cắt đá.

4. Phương pháp đào tuần tự (Sequential excavation method)

Phương pháp này còn được gọi là Phương pháp đào hầm mới kiểu Áo (NATM). NATM thực hiện thiết kế và thi công đào hầm như một chu trình lặp đi lặp lại, các kết quả quan trắc sẽ quyết định việc khoan hầm, gia cố và cách thi công của đoạn đào tiếp theo. Các công tác chủ yếu đối với phương pháp NATM bao gồm: đánh giá tính chất đất đá của gương đào hiện tại, đào hầm bằng máy phù hợp, phun vữa bê tông ổn định bề mặt đào, giám sát đo đạc biến dạng để xử lý, xác định biện pháp chống đỡ phù hợp (vì thép, neo đá, phun bê tông…). Đây là phương pháp đào linh hoạt với các loại địa chất khác nhau, tận dụng được khả năng tự chống đỡ có sẵn của địa chất. Nhược điểm của phương pháp này là tốc độ thi công chậm vì phải thực hiện quan trắc, đánh giá địa chất sau mỗi đoạn đào để xác định biện pháp đào cho đoạn đào sau. Tuy nhiên, phương pháp NATM sẽ có khả năng tiết kiệm được vật liệu và các hao phí khác.

Với những công trình hầm phức tạp, các nhà thầu có thể xem xét việc kết hợp các phương pháp đào hầm để đạt được hiệu quả và tiến độ cao nhất. Việc quyết định phương pháp đào hầm thường phụ thuộc vào điều kiện địa chất, yêu cầu kỹ thuật, tiến độ và chi phí xây dựng công trình. Trên đây là tổng quan về 4 phương pháp đào hầm phổ biến trong công trình ngầm hiện nay.

Nguồn tham khảo:

https://www.maximrecruitment.com/news/post/tunnel-construction-methods-and-tunnel-construction-projects-in-hong-kong/

https://miningandblasting.wordpress.com/2011/07/27/tunnel-construction-methods-and-their-comparison/

https://en.wikipedia.org/wiki/New_Austrian_tunnelling_method