Lý thuyết về cống hầm

Ảnh hưởng của điều kiện địa chất nền đến thi côngđào, chống đỡ, thi công vỏ và giá thành xây dựng hầm...12 Câu 1: Tác dụng của phụt vữa trong thi công đường hầm và bản chất của phụt bù v

Mục Lục

Câu 1: Tại sao khi đào hầm phải đào thêm các bộ phận khác (Giếng lò, lò mù, hầm phụ

v.v ) 2

Câu 2: Vì sao trong thi công ngầm việc khảo sát địa chất và địa chất thủy văn phải tiến hành trước, trong và sau khi đào? 3

Câu 3: Giải thích lý do trong xây dựng đường hầm yêu cầu phải có 2 giai đoạn thiết kế? 4 Câu 4: Biện pháp chủ yếu để tăng nhanh tốc độ đào hầm là gì? 4

Câu 5: Để giảm chi phí đào hầm thì yếu tố nào có tính chi phối lớn nhất? 5

Câu 6: Tóm tắt đặc điểm thi công đường hầm nhà máy thủy điện (Biện pháp thi công, chất lượng, tiến độ và giá thành) 5

Câu 11 Phân biệt lún cố kết thấm và lún từ biến trong đào hầm 9

Câu 12 Những yếu tố gì ảnh hưởng đến lực đất đá tác dụng lên nóc hầm: 9

Câu 13 Những yếu tố gì ảnh hưởng đến lực đất đá tác dụng lên 2 bên thành hầm: 9

Câu 14 Phương pháp xác định áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu chống đỡ theo phương pháp giải tích Điều kiện áp dụng 9

Câu 16 Phương pháp xác định áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu chống đỡ theo phương pháp phân loại khối đá Điều kiện áp dụng 12

Câu 17 Ảnh hưởng của điều kiện địa chất nền đến thi công(đào, chống đỡ, thi công vỏ) và giá thành xây dựng hầm 12

Câu 1: Tác dụng của phụt vữa trong thi công đường hầm và bản chất của phụt bù và phụt gia cố 13

Câu 2: Tác dụng của phun bêtông trong quá trình đào hầm 14

Câu 3: Đặc điểm của phương pháp phun bêtông khô và ướt trong gia cố hầm Ưu nhược điểm 15

Câu 4: Cơ sở để xác định chiều sâu lỗ khoan phụt gia cố đất đá xung quanh hầm 16

Câu 5: Mối quan hệ giữa phụt vữa và sự phân bố ứng suất xung quanh vỏ hầm 16

Câu 6: Xác định áp lực đất đá tác dụng lên lớp gia cố bằng bê tông phun và neo hoặc khung thép 17

Câu 7: Phân biệt neo gia cố vòm hầm và neo chống đỡ cho tường vây 24

Câu 8: Phương pháp thi công hạ bậc trong quá trình đào phân đoạn mặt cắt đường hầm 25

Câu 9: Phân biệt gia cố chống và gia cố neo trong thi công đường hầm Ưu nhược điểm? .25

Câu 10: Mối quan hệ giữa thi công đào hầm theo phương pháp hạ bậc và thi công vỏ bê tông hầm Điều kiện áp dụng? 30

II Trả lời câu hỏi và bài tập của Bài giảng 5: 34

1 Đặc điểm và trình tự thi công theo phương pháp top-down; 34

1.2 Trình tự thi công theo phương pháp top-down: 35

2 Đặc điểm và tình tự thi công theo phương pháp bottom-up; 37

3 Các loại tường vây và phương pháp thi công; 38

4 Các kết cấu chống đỡ cho tường vây và phương pháp thi công; 39

5 Trình tự thi công hầm theo phương pháp đào hở và lấp lại; 40

6 Trình tự thi công hầm theo phương pháp đánh chìm đốt hầm; 40

7 Trình tự thi công hầm theo phương pháp kích ống; 43

8 Phương pháp xác định cọc cừ làm tường vây (có neo và không neo); 43

9 Những lực tác dụng lên đốt hầm trong quá trình chế tạo, lai dắt và đánh chìm; 45

10 Đặc điểm làm việc của kích và cách xác định phương pháp kích ống: 47

1 Nguyên nhân hình thành áp lực đất đá khi đào hầm : 50

2 Giải thích ảnh hưởng của lực nguyên sinh đến ổn định khối đào 51

3 Giải thích hiện tượng chùng ứng suất: 52

4 Giải thích sự ảnh hưởng của từ biến đến ổn định của khối đào .52

5 Phân biệt lún cố kết thấm và lún từ biến trong đào hầm 52

6 Những yếu tố gì ảnh hưởng đến lực đất đá tác dụng lên nóc hầm: 52

7 Những yếu tố gì ảnh hưởng đến lực đất đá tác dụng lên 2 bên thành hầm: 53

8 Phương pháp xác định áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu chống đỡ theo phương pháp giải tích Điều kiện áp dụng 53

10 Phương pháp xác định áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu chống đỡ theo phương pháp phân loại khối đá Điều kiện áp dụng 55

12 Ảnh hưởng của điều kiện địa chất nền đến thi công(đào, chống đỡ, thi công vỏ) và giá thành xây dựng hầm 56

Câu 1: Tại sao khi đào hầm phải đào thêm các bộ phận khác (Giếng lò, lò mù, hầm phụ v.v )

Trả Lời:

Đường hầm là một loại công trình ngầm (Những loại khác thuộc công trình ngầm như nhà máy ngầm, thành phố ngầm, bãi chứa xe ngầm, thư viện, hầm trú ẩn, kho

nước…) Bản thân đường hầm chỉ là một không gian dài, nằm ngang hoặc gần nằm ngang, tiếp xúc với mặt đất ở hai đầu hầm.

Trong quá trình thi công đường hầm phải mở thêm cửa hầm phụ để đào thêm gương hầm Các giếng đứng tiếp xúc với mặt đất chỉ ở trên đỉnh hầm để vận chuyển người vào lò, các lò nghiêng tiếp xúc với mặt đất chỉ một đầu nhằm vận chuyển một số kết cấu, vật liệu phục vụ chống đỡ, hoặc lò mù không tiếp xúc với mặt đất với mục đích chính là thăm dò khối đá trên nóc hầm

Ngoài ra có trường hợp phải đào thêm những khoang, buồng, những hầm phụ như

để tháo lắp các bộ phận của máy đào TBM, chỗ chuyển tuyến cho xe vận chuyển bằng đường ray…

Câu 2: Vì sao trong thi công ngầm việc khảo sát địa chất và địa chất

thủy văn phải tiến hành trước, trong và sau khi đào?

Trả lời:

Trong thi công các công trình hở các hố khoan thăm dò được tiến hành trên móng công trình Còn thi công ngầm thì các hố khoan không trực tiếp vào gương đào mà chỉ nằm trên nóc hầm Mọi chỉ tiêu cơ lý của đất đá xung quanh đường hầm dùng để tính toán đều suy từ các nõn khoan trên nên rất dễ dẫn đến các sai sót…Vì vậy trong thi công ngầm việc khảo sát địa chất và địa chất thủy văn phải được tiến hành trước, trong và sau khi đào hầm

Việc khảo sát, đánh giá địa chất và địa chất thủy văn trước khi tiến hành đào hầm nhằm mục đích có tài liệu cơ sở để lựa chọn phương án đào, các kết cấu chống đỡ, phương án giá cố vỏ hầm từ đó có cơ sở để lựa chọn, mua sắm vật liệu và thiết bị thi công Mặt khác việc khảo sát địa chất và địa chất thủy văn trước khi thi công cũng nhằm mục đích tuyến hầm được chọn tránh được những khu vực đích gãy mạnh, đường nước ngầm cao, các hang cattơ…

Việc khảo sát địa chất và địa chất thủy văn trong quá trình thi công đường hầm nhằm mục đích đánh giá sự thay đổi các chỉ tiêu cơ lý của đất đá xung quanh vỏ hầm khi

mở các gương đào, đánh giá khả năng thoát nước, khả năng mất nước của đường hầm từ đấy có biện pháp thi công sao cho có hiệu quả và an toàn Mặt khác việc khảo sát địa chất

và địa chất thủy văn trong quá trình thi công cho ta cơ sở để khẳng định hồ sơ thiết kế có đúng với thực tế hay không Nếu có sự sai khác nhiều cần có sự điều chỉnh bổ sung có thể từ hầm có áo sang hầm không áo và ngược lại

Sau khi thi công xong đường hầm chúng ta cần đánh giá sự biến đổi của ứng suất khối đá theo thời gian để xem khả năng chịu lực của các kết cấu chống đỡ có đảm bảo cho công trình làm việc an toàn và ổn định hay không.

Câu 3: Giải thích lý do trong xây dựng đường hầm yêu cầu phải có 2

giai đoạn thiết kế?

Trả Lời:

Do việc khảo sát, đánh giá chính xác các đặc tính địa chất và địa chất thủy văn của khu vực đường hầm rất khó khăn và phức tạp nên trong quá trình thi công đường hầm cũng sẽ gặp rất nhiều rủi ro do địa chất và địa chất thủy văn gây ra Trong quá trình thi công có rất nhiều tiềm ẩn do vậy trong thiết kế thi công hầm (Mối quan hệ giữa phương pháp đào, loại và số lượng kết cấu chống đỡ, kết cấu vỏ hầm) chia làm 2 giai đoạn thiết kế: Thiết kế ban đầu và Thiết kế cuối cùng

Giai đoạn Thiết kế ban đầu: Dự kiến loại và số lượng chống đỡ hầm khi đào Dựa vào các chỉ tiêu thí nghiệm và quan sát từ các nõn khoan và các vách đào lộ thiên để dự kiến chọn cách đào, kết cấu chống đỡ và cách thi công vỏ

Giai đoạn Thiết kế cuối cùng: (Trong quá trình đào) dựa trên kết quả khảo sát trong lúc đào để quyết định chọn biện pháp thi công

Câu 4: Biện pháp chủ yếu để tăng nhanh tốc độ đào hầm là gì?

Trả Lời:

Khối lượng đào trong thi công công trình ngầm rất lớn: đào thân hầm, hầm giao thông, hầm thông gió, sử lý tiếp cận cửa vào, mở thêm cửa hầm, các giếng thăm dò, sử lý các đứt gãy, khoan phụt gia cố Khối lượng này có trường hợp theo yêu cầu công nghệ,

có lúc phát sinh

Bề mặt đào đường hầm(gương hầm) hạn chế, mặt bằng tương đối chật hẹp, lại phải tiến hành nhiều công việc, nên day chuyền công tác phải nhịp nhàng, chặt chẽ, đồng bộ…Để tăng nhanh tốc độ đào hầm

Việc liên hệ giữa đường hầm với các xí nghiệp mặt đất chỉ qua hai cửa hầm , rất khó cho việc tăng thêm thiết bị, tăng thêm người, tăng thêm vật tư vì không gian hẹp Cá biệt, muốn tăng tốc độ thi công chỉ có cách mở thêm cửa hầm phụ(Thủy điện Hòa Bình

có đoạn hầm pahir mở tới 9 cửa hầm phụ), từ đó tăng thêm khối lượng phụ

Câu 5: Để giảm chi phí đào hầm thì yếu tố nào có tính chi phối lớn nhất?

Trả Lời:

Chi phí và tính khả thi của dự án bị chi phối rất lớn bởi địa chất và địa chất thủy văn Các hiện tượng địa chất như hầm đi qua đứt gãy, lớp đất yếu bão hòa nước dẫn đến sạt lở lớn thậm chí sập hầm phải dừng thi công Đặc biệt gặp lớp đất trương nở cần thay đổi tuyến

Câu 6: Tóm tắt đặc điểm thi công đường hầm nhà máy thủy điện (Biện

pháp thi công, chất lượng, tiến độ và giá thành)

Trả Lời:

Đường hầm nhà máy thủy điện nói chung là những đường hầm được sử dụng để đưa nước từ nguồn tự nhiên (như hồ hoặc sông) hoặc nguồn nước do con người tạo ra (như đập và hồ chứa ngăn sông) đến nhà máy, ở đó năng lượng nước nhờ máy tuabin chuyển thành năng lượng điện, và sau đó những đường hầm lại đưa nước đã bị lấy năng lượng để chảy vào những điểm mà chúng có thể là những hồ hoặc sông khác hoặc lại về sông cũ ở noi thấp hơn Khi đường hầm đó vận hành trong điều kiện hoàn toàn có áp lực nước thì được gọi là đường hầm có áp, còn khi mực nước không phủ kín mặt cắt hầm thì được gọi là đường hầm chảy tự do

Việc xây dựng đường hầm thủy điện dài vượt qua núi không khác với xây dựng một đường hầm đường sắt dài với cửa hầm chính ở hai đầu Sự khác biệt chính liên quan đến độ dốc mà đối với đường hầm thủy điện luôn luôn là dương

Việc xây dựng một đường hầm dài song song với thung lũng sẽ khác với việc đào đường hầm cho đường sắt, vì sẽ có nhiều hầm phụ và hầm chính Toàn bộ việc tổ chức đào hầm sẽ phụ thuộc vào bảng thời gian thi công của cả hệ thống thủy điện Nếu có một đập lớn, đường hầm sẽ được lập tiến độ để hoàn thành một đến hai năm trước khi xong đập, sao cho có khả năng tích nước lại càng nhanh càng tốt, cũng có thể làm xong ngay trước khi đập hoàn thành Chính bảng thời gian đào hầm sẽ phụ thuộc vào số lượng các hầm phụ và cũng phụ thuộc vào đường dẫn vào hầm phụ, tại đó thiết bị đào hầm nặng sẽ được vận chuyển qua

Phương pháp đào đường hầm: để đào đường hầm thủy điện phương pháp

khoan-nổ, phương pháp truyền thống vẫn đang được áp dụng Hiện nay trên thế giới đã áp dụng máy đào đường hầm- TBM để đào đường hầm thủy điện Máy khoan được áp dụng rông rãi hiện là máy Jumbo có nhiều cần khoan cùng hoạt động ở những cao trình, hướng khác

nhau đối với mặt cắt hầm có kích thước lớn hoặc nhỏ Thiết bị vận chuyển phế thải cũng phải được thiết kế cho những đường hầm có hình dạng và kích thước khác nhau.

Ngày nay, loại gia cố nóc hầm bằng phun bê tông và neo đá đã được sử dụng ở qui mô lớn cho các hầm thủy điện Trường hợp trên tuyến hầm gặp đất đá quá yếu đã được chống đỡ bằng khung bê tông cốt thép Neo nóc hầm thể hiện rẻ hơn, nhanh hơn và

có độ tin cậy hơn so với kết cấu gỗ chống hoặc khung thép truyền thống

Phần lớn đường hầm có áp và một số đường hầm không áp được thi công vỏ hầm trong nhiều trường hợp, xây dựng vỏ hầm là theo yêu cầu nâng cao ổn định của đá hoặc

để ngăn cản chúng bị thoái hóa Vỏ đường hầm chất lượng tốt thường theo yêu cầu để tránh nước rò rỉ qua khe nứt đá Cuối cùng, chi phí cho vỏ có độ nhẵn để hạ thấp tổn thất

ma sát có thể được xem xét về tài chính Một dự toán, cân bằng những giá trị tiền về tổn thất năng lượng do ma sát được đối chiếu với chi phí làm vỏ, sẽ chỉ ra nếu việc xây dựng

vỏ là theo yêu cầu kinh tế hoặc không kinh tế

Phương pháp thi công vỏ bê tông cốt thép thường dùng ván khuôn trượt bằng thép chạy trên day Hỗn hợp cốt liệu cùng với xi măng được chuyển vào đường hầm và dẫn theo băng chuyền đưa đến máy trộn Đôi khi vữa bê tông được trộn ở ngoài hầm Khi đá chát lượng kém hoặc thấm thì bê tông sẽ được tăng thêm với những dầm thép Việc tính toán lượng thép trong bê tông được tiến hành với giả thiết đá là đàn hồi, mô đun đàn hồi của đá phải được ước tính hợp lý hoặc đo ở hiện trường Theo kết quả tính toán thì phần lơn thép dùng để tránh khe nứt sinh ra Đường hầm thủy điện nói chung yêu cầu vỏ bê tông đổ liền khối

Dựa vào kết quả phân tích lý thuyết và kinh nghiệm xác nhận rằng khi đá không đảm bảo tin cậy thì vỏ bê tông sẽ bị nứt Phụt vữa vào khu vực tiếp giáp giữa đá và bê tông làm giảm bớt một cách đáng kể những ứng suất trong vỏ bê tông cốt thép(như vậy tránh được khe nứt trong vỏ) và cũng để lấp lại một vài khe nứt trong đá

Những ứng suất trong vỏ bê tông được tính khi do áp lực phụt vữa bên ngoài gây

ra Đó là những ứng suất nén Trị số của áp lực phụt vữa sẽ để giảm ứng suất kéo, gây ra bởi áp lực nước bên trong ứng với số lượng hợp lý Áp lực phụt vữa từ 4-7kg/cm2(57 đến 100ib/sq.in) thường được sử dụng, trương hợp ngoại lệ áp lực có thể nâng cao tới 40kg/cm2 (560ib/sq.in) Kỹ thuật phụt vữa được dùng như phương pháp làm giảm ứng suất trong vỏ bê tông cốt thép là điểm xuất phát của phương pháp vỏ bê tông cốt thép ứng suất trước Những phương pháp khác đang được phát triển-những phương pháp mà việc tạo ra dự ứng lực đạt được nhờ áp lực vữa được sử dụng ở sau vỏ và những phương pháp

dùng kích thủy lực tạo ra ứng suất trước trực tiếp của việc thi công vỏ bê tông cốt thép dạng ống của đường hầm.

Đối với áp lực nước lớn hơn 150m (15kg/cm2 hoặc 210ib/sq.in) độ dày vỏ bê tông yêu cầu chịu nổi áp lực vữa là một hạn chế đối với phương pháp ứng suất trước này, ngoại trừ sử dụng bê tông cốt thép đặc biệt cứng

Câu 7 Nguyên nhân hình thành áp lực đất đá khi đào hầm.

Những tải trọng quan trọng nhất có khả năng tác động lên kết cấu công trình ngầm là áp lực đá và áp lực nước Đá trong tự nhiên đặc biệt khi nằm sâu, thì chịu tác động của các lớp đá nằm bên trên và trọng lượng bản thân Những ứng suất phát triển trong khối đá là do những yếu tố này Nói chung, mỗi ứng suất sinh ra một lực căng và làm cho các hạt riêng lẻ của đá bị dịch chuyển Nhưng để dịch chuyển một hạt đá cần phải có không gian để có thể xê dịch được Trong khi khối đá bị chặn lại điều này có nghĩa ngăn cản sự di động của bản thân nó, mọi ứng suất bị tích lũy lại hoặc bị lưu lại trong khối đá và có thể đạt tới giá trị cao, xa hơn nữa sẽ vượt điểm cực trị của nó Karman đã chứng minh rằng vật liệu cứng như đá rắn chắc và bê tông có thể sinh ra ứng suất đạt tới giới hạn dẻo của nó trong điều kiện bị kìm hãm Chẳng bao lâu hạt đá dưới tác động của ứng suất dư hoặc tiềm ẩn giống như bị giữ lại sẽ được phép dịch chuyển, và

sự chuyển vị xuất hiện ở dạng chảy dẻo hoặc đá nổ (Popping) thùy thuộc vào tính chất biến dạng của vật liệu đá Sự chuyển vị này về bản chất có thể ở trạng thái đàn hồi, và vật liệu dưới tác dụng của ứng suất dư không nên vượt quá giới hạn đàn hồi

Như vậy, bất kỳ lúc nào mà hang động bị đào trong lớp đá thuộc vỏ bên ngoài trái đất, thì trọng lượng của các lớp đá bên trên sẽ tác động như tải trọng phân bố đều trên lớp

đá nằm sâu hơn và kết quả tác động lên vòm của khối đào Những lực chống lại là lực bị động (cường độ chống cắt – shear strength) vừa mới được tập hợp lại tập trung ở khối đào của hang, kể từ đó sự biến dạng của khối đá phỉa được ngăn chặn bởi những kết cấu chống đỡ mà lực tác dụng lên đó có liên quan đến áp lực của đá Thuật ngữ này cũng làm

rõ qui mô áp lực ảnh hưởng lớn là do mức độ biến dạng của đá sinh ra

Việc xác định qui mô áp lực đá là một trong những vấn đề rắc rối nhất trong khoa học kỹ thuật Sự phức tạp này không chỉ do khó dự báo điều kiện ứng suất ban đầu (ứng suất nguyên sinh- Primary stresses) phổ biến bên trong khối đá không đồng nhất, mà còn

do thực tế làm tăng thêm các tính chất về cường độ của đá ở mức độ được gọi là áp lực thứ cấp (secondary pressure), phát triển sau khi đào xung quanh hang, phương pháp đào,

độ cứng của kết cấu chống đỡ, độ dài thời gian mà hang không được chống đỡ

Theo Rabcewicz có thể phân loại áp lực đá thứ cấp thành 3 tiêu chí chính sau đây :

1 Do khối đá bị lơi ra (loosening of the rock mass)

2a Do trọng lượng các khối đá nằm bên trên (the weight of the overlying rock masses)

2b Do các lực kiến tạo, thí dụ các nếp uốn của vỏ trái đất (Tectonic forces)

3 Do tăng thể tích khối đá bởi trương nở dưới tác động lý, hóa (swelling)

Những lý lẽ này dẫn đến việc phân chia tổng quát 3 loại áp lực đá sau đây:

1 Áp lực do đá bị lơi ra (loosening Pressure)

2 Áp lực bản thân lớp đá núi (Genuine mountain Pressure)

3 Áp lực trương nở (swelling Pressure)

Những điều kiện mà trong đó các lực trên phát triển, số lần xuất hiện và qui mô giữa các lực đó khác nhau rất lớn và yêu cầu sử dụng những phương pháp thi công khác nhau Khả năng tác dụng đa dạng của chúng cũng không loại bỏ Sự tác động kết hợp giữa áp lực đá núi và áp lực trương nở phải đặc biệt tính đến và khó phân biệt giữa chúng.

Loại áp lực đá thường gặp chủ yếu phụ thuộc vào chất lượng đá và chiều sâu đặt hầm Khi xét hoàn cảnh áp lực đá có thể xảy ra, Rabcewicz đã phân ra 3 nhóm đá cơ bản sau:

a Đá rắn chắc (Solid Rocks)

b Đá rắn bề ngoài, mềm và bị phong hóa (Pseudo-solid, soft and wethered Rocks)

c Đá rời rạc (Soil)

Khi quan sát thực tế hang động tự nhiên và khi đào hầm thấy hiện tượng sau:

- Hiện tượng quá trình sạt lở nóc hầm

- Hiện tượng áp lực đá phát triển có liên quan đến tốc độ thi công nhanh hay chậm

- Hiện tượng tăng sạt lở hầm khi đào không liên tục và không chống đỡ

- Hiện tượng làm tăng sự dịch chuyển của đá là hiện tượng từ biến (hiện tượng mỏi của đất đá)

Theo thí nghiệm địa chất, khi đất đá bị chất tải lâu ngày, ứng suất chịu kéo sẽ giảm dần sau thời gian Do vậy khi tải trọng của đất đá không thay đổi nhưng biến dạng chuyển dần từ đàn hồi sang chảy dẻo, điều này khối đất sẽ sạt lở mạnh theo thời gian

Câu 8 Giải thích ảnh hưởng của lực nguyên sinh đến ổn định khối đào.

Đá trong tự nhiên đặc biệt khi nằm sâu, thì chịu tác động của các lớp đá nằm bên trên và trọng lượng bản thân Những ứng suất phát triển trong khối đá là do những yếu tố này Nói chung, mỗi ứng suất sinh ra một lực căng và làm cho các hạt riêng lẻ của đá bị dịch chuyển Nhưng để dịch chuyển một hạt đá cần phải có không gian để có thể xê dịch được Trong khi khối đá bị chặn lại điều này có nghĩa ngăn cản sự di động của bản thân

nó, mọi ứng suất bị tích lũy lại hoặc bị lưu lại trong khối đá và có thể đạt tới giá trị cao,

xa hơn nữa sẽ vượt điểm cực trị của nó

Các ứng suất tạo nên áp lực nén nhưng cân bằng nhau, khi đào hầm làm mất cân bằng và tạo ra không gian để cho các hạt đá dịch chuyển dẫn đến hiện tượng lở đá để giải phóng năng lượng

Câu 9 Giải thích hiện tượng chùng ứng suất:

Hiện tượng chùng ứng suất là hiện tượng ứng suất giảm và biến dạng tăng làm cho đất đá bị biến dạng từ đàn hồi sang chảy dẻo (do đất bị lơi ra)

Tức là, khi đào hầm tạo ra 1 khoảng không gian, tại vị trí mặt tiếp xúc giữa mặt cắt hầm và khối đá, áp lực nén giảm xuống do ứng suất tác động truyền vào khoảng trống (khi không bị ngăn cản bở các khối đá) Ngoài ra, khi có khoảng không gian, các hạt đá dịch chuyển tạo ra sự biến dạng tăng của khối đá

Câu 10 Giải thích sự ảnh hưởng của từ biến đến ổn định của khối đào

Hiện tượng lún từ biến là hiện tượng khi đào hầm rồi mà chúng ta không chống

đở, sau một thời gian dài, đất đá bị mỏi (tức là giảm độ bền do ứng suất nến giảm) cấu trúc đất đá bị phá vỡ và lập tức bị kéo và rơi xuống Thời gian xảy ra lún từ biến được gọi

là thời gian tự ổn định của đất đá Để chống lún từ biến phải chống ngay trước khi hết thời gian tự ổn định của đất đá, không để kéo dài

Câu 11 Phân biệt lún cố kết thấm và lún từ biến trong đào hầm.

Lún cố kết thấm là quá trình phụ thuộc vào thời gian, xuất hiện trong các loại đất hạt mịn, bão hoàn nước, những loại đất này có hệ số thấm nhỏ Tốc độ lún phụ thuộc vào tốc độ thoát nước trong lỗ rỗng trong đất

Lún từ biến hay còn gọi là lún thứ cấp cũng phụ thuộc vào thời gian, xuất hiện dưới tác dụng của ứng suất hiệu quả không thay đổi và cũng không có sự thay đổi về áp lực nước lỗ rỗng

Câu 12 Những yếu tố gì ảnh hưởng đến lực đất đá tác dụng lên nóc hầm:

- Điều kiện địa chất của đá trên tuyến hầm như độ cứng của đá fk, góc ma sát trong ϕ, lực dính của đá C, tính trương nở…

- Điều kiện địa chất thủy văn nóc hầm nằm dưới hay nằm trên mực nước ngầm;

- Chiều rộng hầm;

- Chiều cao vòm hầm;

- Điều kiện thi công hầm

Câu 13 Những yếu tố gì ảnh hưởng đến lực đất đá tác dụng lên 2 bên

- Điều kiện thi công hầm

Câu 14 Phương pháp xác định áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu chống

đỡ theo phương pháp giải tích Điều kiện áp dụng.

Phương pháp giải tích xác định áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu chống đỡ đường hầm

Sơ đồ tải trọng tác dụng lên hầm Sơ đồ tính vòm đỉnh

Phương trỡnh chớnh tắc

00 1 12

AP

AP u H u V G u u M

u f u x

2

12

2 12 1

2

12

1 12 2

21

12 =a =δ + fβ +β =δ + fβ +β

a (5-5)

2 1

2 2 22

a =δ + β + β +

e A

AP AP

P

a1 =∆1 + β1 + β2 +( + )β3 +β

e e a

AP A

AP AP

AP P

a2 =∆2 + β1 +( + )β2 + ( + )β3 + 2 +( + ) 3 + β +

Trong đú:

A AP

β3,u3 Biến vị góc và biến vị phẳng tại đỉnh tờng dới tác dụng của lực cắt thẳng

đứng đơn vị tại đầu bản đáy B gây ra

βe,u e Biến vị góc và biến vị phẳng tại đỉnh tờng dới tác dụng của của lực cắt trong tờng gây ra

()

Cõu 15Phương phỏp xỏc định ỏp lực đất đỏ tỏc dụng lờn kết cấu chống đỡ theo phương

phỏp cụng thức thực nghiệm Điều kiện ỏp dụng (đó được trỡnh bày ở cõu 1của tiểu luận)

Câu 16 Phương pháp xác định áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu chống

đỡ theo phương pháp phân loại khối đá Điều kiện áp dụng.

Nội dung của phương pháp phân loại khối đá là không xác định áp lực mà chỉ

đánh giá chất lượng đá thông qua kết quả thí nghiệm các nõn khoan và tính chất cơ lý của đất đá như độ rộng khe nứt, độ gồ ghề của khe nứt, hệ số thấm, thông số giảm ứng suất

để xác định loại kết cấu chống đỡ và số lượng kết cấu

Các phương pháp này đều dựa trên phương pháp của Deere, chỉ số chất lượng đá RQD, thông qua việc lấy các nõn khoan quan sát được (1967)

Tổng chiều dài các nõn khoan có L>10m

Tổng chiều dài khoan + Công thức của Palmstrom (1982):

Đo tổng khe nứt trên một đơn vị khối lượng

RQD = 115 - 3,3.JvJv- Tổng khe nứt trên 1 m3 đá

+ Công thức Priest và Hunson (1976)

J J

RQD

a

r n

=

Jn- Chỉ số chú ý đến số lượng các hệ khe nứt

Jr- Chỉ số xét đến ảnh hưởng của độ nhám của mặt khe nứt

Ja- Chỉ số về phong hóa khe nứt

Jw- Hệ số rút nước khe nứt

SRF- Hệ số giảm ứng suất

Câu 16 Điều kiện áp dụng các phương pháp trên (đã trình bày ở câu 8, 9, 10).

Câu 17 Ảnh hưởng của điều kiện địa chất nền đến thi công(đào, chống

đỡ, thi công vỏ) và giá thành xây dựng hầm.

Việc đào đường hầm phụ thuộc rất nhiều vào tính chất cơ lý của đá, thế nằm của các lớp đá, mức độ phong hóa và nước ngầm Đối với đá cứng ít nứt nẻ (không có sự phá hoại của kiến tạo) có thể không phải chống đỡ khoang đào, tuy nhiên việc khoan gặp khó khăn hơn hơn vì đá cứng Nước ngầm cũng không gây ra mất ổn định đối với đá cứng, nhưng làm cho việc thi công phức tạp thêm

Những đá đã bị phá hoại, có nhiều khe nứt, những đá mềm như Macnơ, đá phấn,

đá phiến sét, yêu cầu phải gia cố khoang đào để chịu áp lực lớn của khối đá xung quanh khối đào Dòng nước ngầm có thể rửa trôi đất trong khe nứt, đá bị tách rời ra và khối đào

bị mất ổn định

Khối đào nằm trong đất (sét, đất thịt, á cát và cuội sỏi) thì không ổn định nhất là khi khối đất đó nằm trong nước ngầm Những loại đất này gây ra áp lực lớn (theo chiều thẳng đứng cũng như bên hông), vì vậy khi đào đường hầm yêu cầu phải có vật chống đỡ chắc chắn

Vì thế ngay khi bắt đầu thi công cần phải nghiên cứu tỉ mỉ tất cả những điều kiện này kể cả chỉ tiêu cơ lý của đá bằng việc thăm dò địa chất công trình (các khoan, hầm và giếng thăm dò) sử dụng các phương pháp vật lý hiện đại và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Đồng thời cần làm rõ khả năng xuất hiện nước ngầm (vị trí, áp lực, lưu lượng, nhiệt độ và thành phần hóa học).

Lưu lượng và áp lực nước ngầm có thể rất lớn Cụ thể khi đào 1 trong số những đường hầm tới lưu lượng 300l/s, còn khi đào đường hầm nhà máy thủy điện Roselan Bachi ở Pháp, những người xây dựng đã gặp mỏ nước ngầm đạt tới 19atm Dòng nước ngầm không chỉ gây khó khăn cho việc đào đường hầm mà yêu cầu tổ chức tiêu nước tốt,

1 đôi khi (nếu nước ngầm xâm thực bê tông) đòi hỏi xây dựng lớp chống thấm cho vỏ đường hầm và sử dụng xi măng đặc biệt

Rất quan trọng là phải dự báo khả năng xuất hiện khí độc đào đường hầm, đó là H2S, CO2, CH2, để bố trí hệ thống thông gió và các biện pháp an toàn cho thi công Theo kết quả khảo sát địa chất công trình cần lập ra các lát cắt địa chất dọc theo đường hầm, chỉ rõ các tính chất của đá, các vị trí có khả năng xuất hiện nước ngầm và khí độc

Do số lượng giếng khoan thăm dò và các khối đào có hạn, việc lập ra các mặt cắt địa chất chính xác, tuyệt đối an toàn là không có khả năng trong thực tiễn, vì thế để chính xác hóa điều kiện địa chất nhất thiết phải tiến hành thăm dò điaạ chất ngay trong quá trình đào đường hầm, bằng các lỗ khoan nông (2-3m) vào trần, tường, đáy khối đào và đôi khi khoan vào gương đào (đặc biệt khi có các lớp đá khác nhau, trong vùng bị phá hủy mà đường hầm đi qua) Đồng thời cần đánh dấu các vết lộ của đá trên trần, tường và đáy khối đào bằng cách lấy các mẫu

II Trả lời câu hỏi và bài tập của Bài giảng 6.

1 Trả lời câu hỏi.

Câu 1: Tác dụng của phụt vữa trong thi công đường hầm và bản chất

của phụt bù và phụt gia cố.

Tác dụng của phụt vữa trong thi công đường hầm:

+ Gia cố đất rời và ngăn cản tạo thành hang hốc trong đất do đào hầm gây ra.+ Giảm hệ số thấm và trước tiên giảm dòng thấm

+ Giảm tác động di hạ thấp nước ngầm hoặc ngăn sự rửa trôi các hạt đất bởi các dòng thấm

+ Kiểm soát nước thấm vào để ngăn cản đất bị lôi đi xung quanh khối đào và tránh được lún do rút nước nhanh

+ Ngăn cản lún quá mức cho phép khi đào hầm tiến gần toà nhà, công trình công cộng và những kết cấu khác như đường cơ giới, cầu và đường sắt

Bản chất phụt bù và phụt gia cố:

Đặc điểm Phụt với áp lực thấpTiến hành khi vỏ bêtông hầm đã thi

công xong và đủ cường độ

Khi gặp vấn đề không bảo đảm thời gian tự đứng vững của đất

đá thậm chí đã áp dụng biện pháp đào phân đoạn với hầm dẫn trước thì người ta tiến hành phụt gia cố

Tác dụng Kiểm soát nước ngầm và chức năng - Kiểm soát nước ngầm và chức

của hầm năng của hầm. - Tăng khả năng chịu tải của vỏ

hẩm

Câu 2: Tác dụng của phun bêtông trong quá trình đào hầm.

Bêtông phun lên mặt đá khi cần gia cố đá có 2 chức năng rõ rệt:

+ Làm cho lớp đá quanh khối đào được dính kết với nhau ngăn các hạt rơi ra.+ Tạo một màng ngăn bên ngoài

Thường phụt vào đá với áp lực cao để ép vữa vào lỗ rỗng giữa các hòn đá Chỉ trong vài phút (lớp ban đầu chỉ tính trong một số giây) tạo ra một màn có tác dụng ngăn cản những miếng đá cá biệt rời ra hoặc rơi xuống, như vậy loại bỏ áp lực tồn tại ở bề mặt

đá và hướng sự dịch chuyển của các hạt đất đá ngược vào trong khối đá Cường độ thường nhanh chóng đạt được (thường 150psi trong 30giây, 700psi trong giờ), cho phép màn phun nhanh chóng thành một màn ngăn và tiếp theo tăng cường độ như một lớp đá mới chống lại sự biến dạng nhằm tạo ra điều kiện cân bằng mới

Câu 3: Đặc điểm của phương pháp phun bêtông khô và ướt trong gia cố

hầm Ưu nhược điểm.

Đặc điểm Công nghệ phun bêtông khô là hỗn

hợp cốt liệu và xi măng trộn trước và được phun ra cùng lúc với nước từ một vòi phun khác tạo thành hỗn hợp bêtông ướt trước khi bắn vào mặt đá

Công nghệ phun bêtông ướt là trộn hỗn hợp cốt liệu,xi măng và nước trước khi phun

Ưu điểm Đảm bảo độ bám dính của bêtông

vào đá caoChiều dài quãng đường vận chuyển hỗn hợp không bị hạn chế

Đảm bảo chính xác tỷ lệ cấp phối vật liệu

Hao hụt vật liệu ítMôi trường ít bụiNhược điểm Tỷ lệ thất thoát vật liệu nhiều

Môi trường bị ô nhiễm nặng vì bụi

Độ bám dính vào đá không cao Chiều dài quãng đường vận

R0: bán kính trong của hầm có áp.

+ Theo đặc điểm hình thành các đới phá huỷ trong khối đá xung quanh hầm sau khi đào hầm, chiều sâu phun ximăng gia cố được lấy theo công thức sau:

L =(1,5-2)hHTrong đó hH: Chiều sâu đới phá huỷ,m,xác định theo công thức:

hH=(b0/2kФ).(1/α -1)+1/α.R0Trong đó:

b0: Bề rộng hầm

R0 : Bán kính mặt cắt hầm,m

α= (R0-a0)/R

a0 : Bán kính tác dụng của quả mìn trong lỗ khoan,m

kФ: Hệ số hình dạng, được lấy theo thực nghiệm, có tính đến sự thay đổi đới ứng suất của đá trên viền hầm theo các tiết diện có hình dạng khác nhau, nó phụ thuộc vào tỷ

lệ giữa chiều cao vòm h1và bề rộngb0 (tra theo bảng có sẵn)

R: Khoảng cách từ tâm hầm đến giới hạn đới phá huỷ,m

+ Khi hầm có thế nằm sâu, đào trong đá nứt nẻ mạnh thì:

hH=(x-1/2kФ).b0Trong này x=R/R0

Khi tính toán sơ bộ có thể lấy:

hH=k.b0k: hệ số tra bảng phụ thuộc vào hệ số cứng và mức độ nứt nẻ của đá

+ Trong các hầm có vỏ chịu tải trọng mỏng cũng như với vỏ không chịu nứt, chiều sâu phun ximănng có thể kiểm tra theo độ lớn gradien cho phép của cột nước áp lực:

L = H/│Ic│

Trong đó H: áp lực phun đạt được tại đới phun ximăng(có tính tiêu hao áp lực khi qua vỏ và trong đới không phun ximăng)

│Ic│:gradien cột áp trung bình cho phép trong đới phun ximăng

Câu 5: Mối quan hệ giữa phụt vữa và sự phân bố ứng suất xung quanh

vỏ hầm.

Trong thi công hầm, phụt vữa là biện pháp nhằm giải quyết nhiều yêu cầu, song có thể quy lại 2 yêu cầu chính:

Phụt bù: Tiến hành ngay sau khi thi công vỏ hầm, mục đích phụt để lấp đầy xung

quanh vòm (lấp đầy lỗ rỗng, phần răng cưa) Phụt bù có tác dụng đặc biệt nhằm giảm ứng suất tập trung tại các điểm cục bộ lên vỏ hầm

Mục đích để phân bố đều áp lực tác dụng lên vòm hầm sau thi công, ứng suất sẽ không tập trung tại cục bộ điểm mà phân bố đều, do đó tăng ổn định Ngoài ra còn có tác dụng chống xô nghiêng, chống thấm,

Phụt gia cố:

Nhằm nâng cao khả năng chịu tải của đất đá xung quanh hầm, do đó giảm áp lực lên vỏ hầm; Ngăn dòng thấm vào hầm; Giảm khả năng lún bề mặt; Đất đá được tăng thời gian tự ổn định

Câu 6: Xác định áp lực đất đá tác dụng lên lớp gia cố bằng bê tông phun

và neo hoặc khung thép.

Qua những nghiên cứu khi đào hầm, người ta nhận thấy rằng, khối đào làm thay đổi trạng thái ứng suất xung quanh, cục bộ gây ra ứng suất kéo và nhỏ nhất trong môi trường đàn hồi, đồng nhất, dưới tác dụng của trọng lượng bản thân Do ứng suất thay đổi, nên đá biến dạng và khi mất ổn định có thể xảy ra hiện tượng sụt trần khối đào và đẩy trồi các tường bên Để tránh xảy ra hiện tượng đó, người ta phải tiến hành chống đỡ tạm thời, kết cấu chống đỡ phụ thuộc chủ yếu vào áp lực của khối đất đá biến dạng xung quanh khối đào Đó là khối đá áp lực Nếu sự biến dạng do đào đường hầm gây ra còn ở trong giới hạn đàn hồi, thì khối đào không cần thiết phải chống đỡ, điều này xảy ra khi đào đường hầm trong đá cứng và nguyên khối Khi vượt quá giới hạn đàn hồi, biến dạng dư bắt đầu phát triển, kéo dài trong một thời gian và lan rộng ra vùng xung quanh khối đào Cuối cùng nếu không chống đỡ đường hầm để bảo vệ chu vi khối đào, những cục đá bắt đầu rơi vào trong đường hầm và tiếp tục sạt lở cho đến khi hình thành sự cân bằng mới của khối đá xung quanh khối đào Áp lực đá có thể phát triển theo hướng thẳng đứng (vòm áp lực), đồng thời có thể nghiêng một góc so với mặt phẳng nằm ngang (áp lực bên hông), gây ra sự biến dạng của thành bên khối đào

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trị số khối đá áp lực đó Trước tiên là điều kiện địa chất như cường độ và tính biến dạng của đất đá, điều kiện hình thành đất đá Về điều kiện sản xuất như trình tự khối đất đá, thời gian dựng lắp và độ cứng của vật chống đỡ (sau khi đào, thời gian đặt vật chống đỡ càng sớm, càng giảm nhẹ áp lực đất đá và biến dạng của đất đá sẽ không phát triển) Đặc biệt, điều đó càng thể hiện rõ trong trường hợp đất tơi xốp, sét, đá phấn, đá phiến Độ cứng của vật chống đỡ càng lớn, càng tăng áp lực đất đá

Khi chọn tuyến đường hầm trên kiến tạo lồi thì áp lực đất đá sẽ nhỏ hơn so với trường hợp đặt tuyến đường hầm ở kiến tạo lõm Tại những chỗ đất đá nứt nẻ nhiều, khe nứt kiến tạo, phay thuận, phay ngang, mặt tiếp xúc giữa 2 lớp đất đá, mái dốc thì áp lực đất đá tăng lên, có nguy cơ sập hầm và sụt lở những khối đất đá trong quá trình thi công Khi đất đá xung quanh đường hầm bị ngập nước, thì ngoài áp lực đất đá, còn thêm áp lực thuỷ tĩnh của nước ngầm

Việc xác định về lý thuyết đại lượng áp lực đất đá chỉ có thể gần đúng và được áp dụng để nhận xét sơ bộ Khi lập ra nhiệm vụ thiết kế các công trình lớn, đại lượng áp lực đất đá được xác định bằng đo trực tiếp ở hầm đào thí nghiệm

Hiện nay đang sử dụng một số phương pháp lý thuyết (theoretical methods) để

xác định đại luợng áp lực đất đá:

+ Nhóm 1: giả thiết rằng, sự phân bố áp lực đất đá theo chiều sâu khối đào tuân theo quy luật thuỷ tĩnh

+ Nhóm 2: coi đất đá rời rạc

+ Nhóm 3: dựa trên lý thuyết đàn hồi và xuất phát từ giả thiết rằng, đất đá là đẳng hướng và đàn tính.

Tuy nhiên, trong thực tiễn xây dựng công trình ngầm thì những phương pháp thực nghiệm (empirical methods) luôn luôn được coi trọng.

1 Phương pháp Ritter (1879)

Phương pháp này đã coi khối đá áp lực trên đỉnh hầm có dạng đường cong Parabol với chiều cao ở đỉnh là h:

216

b h z

Hình 1: Đỉnh khối đào có dạng thẳng Hình 2: Đỉnh khối đào có dạng cong

(Flat roof) (Circular tunnels)

§uêng hÇm

β

Hình 3: Sơ đồ cân bằng lực của tường bên

a) Nóc hầm nằm ngang: tải trọng trung bình tác dụng lên vật chống đỡ là:

21.48

T T

Trong này: r - bán kính của đường hầm

Trong điều kiện sau đây không cần phải chống đỡ:

Tuyến đường hầm thuỷ công thường nằm trong đá cứng, nhưng đôi khi trên toàn tuyến gặp 1 vài đoạn là đá mềm Áp lực đá núi tác dụng lên lớp lót đường hầm được tính toán theo phương pháp “Vòm cân bằng tự nhiên do Giáo sư M.M.Protodiakonov đề xướng Theo đó tùy thuộc vào độ cứng và góc ma sát trong cũng như tính chất đào khó

mà các loại đá, đá núi được xem như một thể rời quy ước, được đặc trưng bởi hệ số cứng fk

Giáo sư M.M.Protodiakonov đã đưa khái niệm này vào thực tế của công tác đào đá:

Rõ ràng độ cứng và góc ma sát trong trong trường hợp thứ 2 là nhỏ hơn rất nhiều

so với trường hợp 1 Lý do là trong toàn thể khối đá mức độ nứt nẻ nhiều hơn, các khe nứt đi theo các hướng khác nhau, cắt lẫn nhau và thường được lấp đầy bằng các loại sét mềm yếu Theo quan điểm chọn thiết bị khoan từ độ cứng của toàn thể khối đá có giá trị thực tiễn hơn so với lấy mẫu thí nghiệm Độ cứng của các loại đá được trình bày trong

Bảng 1.

Trong trường hợp khối đào nằm trong vỉa đá không ổn định, cần phải tính toán áp lực do khối đá biến dạng sinh ra, tác dụng lên kết cấu chống đỡ Nếu đường hầm nằm sâu trong lòng đá, cấu tạo toàn bộ khối đá là đồng nhất và đẳng hướng, các vỉa đá nằm ngang hoặc thẳng đứng thì theo M.M.Protodiakonov, trên đỉnh khối đào thành hình 1 vòm đá tác dụng lên vật chống đỡ, khối đá sinh áp lực này giới hạn bởi vòm và các mặt phẳng trượt Những kích thước của vomg này và chỉ số áp lực có thể tham khảo trong Hình 1

Nếu chiều sâu đường hầm (khoảng cách từ vật chống đỡ nóc đường hầm đến mặt đất) nhỏ hơn 2 lần chiều cao của vòm đá áp lực có thể coi áp lực tác dụng lên vật chống

đỡ là toàn bộ khối đá nằm trên đỉnh đường hầm

Trong thực tế, áp lực của đá tác dụng lên vật chống đỡ có thể hoàn toàn khác so với cách tính toán trên và phụ thuộc nhiều vào điều kiện địa chất (loại vỉa đá, kiến tạo, nước, tính trương nở và biến dạng đàn dẻo do hậu quả của sự thay đổi trạng thái ứng suất khi thi công đường hầm

X H

γ

(kg/m2)

Áp lực hông tác dụng lên tường cao ho là:

2 1

Loại đá Cấp Hệ số f k

Quarsit đặc biệt cứng, Gabrô diaba, Gabrôdirit, poicfia đặc biệt

Bazan olivin, andezit, đá sừng, diaba, diorit độ cứng cao 10 17-18

Đá phiến có cacbon và sét độ cứng trung bình, Mácnơ chặt, phiến

đá cát kết yếu, đá vôi và đôlômit yếu, đá phiến hoạt thạch 5 3

Đá lửa cát kết quarsit đặc biệt cứng, đá vôi độ cứng cao 10 15-16

Cát kết liền khối hạt nhỏ, đá vôi đặc biệt cứng, cẩm thạch đặc biệt

Cuôi cứng chất dính kết là vôi, pirit, dolomit và đá vôi cứng,

Xepentinit, granit và xiennit hạt thô, đa phiến clorit -quarsit 8 7Acgilic và alevrolit cứng, đá phiến sét – cát, xiderit, magezit,

xepentinit, hoạt thạch, đá vôi chặt và quặng mactit 7 6Granit, gơnai, xienit, và đá phún xuất khối chắc bị khoáng hoá

Đá vôi mácnơ, cát kết loại sét, đá phiến chứa mica, dolomit,

Đá phiến có cacbon và sét độ cứng trung bình, mácnơ chặt, đá

phiến cát kết yếu, đá vôi và dolomit yếu, đá phiến hoạt thạch 5 3Antraxit, đá than cứng, cuội kết và cát kết yếu, alerolit độ cứng

Sét cacbonat chặt, đá phấn chặt, macnơ độ cứng trung bình, thạch

Than đá mềm, hoàng thổ hoá cầm, macnơ mềm, gezơ mềm, than

nâu, sét cacbonat, trepen, muối mỏ mềm, thạch cao có lỗ hoặc cát

thô, các loại đá yếu dạng phấn (macnơ, gezơ ) phế thải xây

- p: Khối lượng đất đá tăng thêm (%) (dựa trên thí nghiệm đầm lại khối lượng đất

đá đào ra) (hình 5) Các thí nghiệm này được làm tại hiện trường

Hình 5: Vòm đá áp lực theo phương pháp của Kommerell Bảng 3: Khối lượng đất đá còn dư sau khi đầm lại so với khối đào ban đầu

(Thí nghiệm hiện trường)

φ φ

Hình 6: Phương pháp Kommerell đối với đất đá bị vò nát

Câu 7: Phân biệt neo gia cố vòm hầm và neo chống đỡ cho tường vây.

C7.1 Neo gia cố vòm hầm:

Đào đường hầm trong đá có nhiều khe nứt hoặc xế lớp, một phần của khối đá (giới hạn trong phạm vi nào đó), tuỳ theo tính chất của vết nứt và cấu tạo lớp, đá sẽ có xu hướng rơi từ phía nào Nếu như khối đá này được neo sâu vào vòm đá xung quanh thì sẽ không thể dịch chuyển Sự ổn định tăng thêm, nếu neo sau khi gắn vào vòm đá được kéo căng ra (kéo trước) thì sẽ tạo cho khối đá xung quanh khối đào nằm trong trạng thái ứng suất trước Nhờ đó trên khối đào (đường hầm) tạo thành một vòm đá chịu tải

Tuỳ theo tính chất khe khe nứt và thế nằm của đá để xác định vị trí sao cho anke (neo) không nằm dọc theo khe nứt và cắt chéo qua các tầng Chiều dài và bước của anke (khoảng cách giữa các anke) được xác định bằng tính toán Trong điều kiện bình thường của đường hầm thì chiều dài của anke khoảng 1,5÷3,5 m, bước của anke 1÷2 m

Neo gia cố vòm hầm chủ yếu dùng neo đá (Rock Bolt) để giữ khối đá không rơi vào hầm

C7.2 Neo chống đỡ cho tường vây:

Khi dùng phương pháp đào và đắp lại (Cut and Cover Method) để giữ ổn định cho tường đào dùng neo đất (Anchor) Đối với thi công đào và đắp lại thường dùng tường vây

để giữ ổn định cho khối đất đá phương ngang (áp lực tác dụng vuông góc với mặt tiếp xúc đất đá của tường vây)

Để giữ ổn định cho tường vây cần phải neo đất, mục đích tăng khả năng tự ổn định cho khối đất đá tiếp xúc với tường, do đó giảm áp lực tác dụng lên tường Cũng cần lưu ý giữ ổn định cho tường do trọng lượng bản thân và cộng thêm áp lực đất đá tác dụng lên, việc tính toán tường vây phụ thuộc nhiều yếu tố trong đó đặc điểm địa chất khu vực dự kiến thi công công trình

Câu 8: Phương pháp thi công hạ bậc trong quá trình đào phân đoạn mặt

Trước tiên nóc hầm (hoặc đáy hầm) phải được đảm bảo ổn định rồi có thể đào hạ bậc Như vậy vấn đề về thời gian tự ổn định của đất đá không còn ý nghĩa nữa (ngoại trừ

có vấn đề về sự ổn định của tường bên), bậc sẽ được đào dài hơn Cũng như vậy, nhờ có mặt tự do thứ hai do phần đỉnh tạo ra đã cho phép đưa các phế thải hạt nhỏ vào trong các bậc Khi phần đỉnh đạt được chiều dài và tương đối cao để cho phép việc đào bậc được thực hiện theo phương pháp khai thác mỏ kinh tế hơn (những lỗ khoan thẳng đứng ở phần khoan xuống) hơn là tiếp tục khoan theo gương hầm Thực tế này được dùng phổ biến trong đào gian máy nhà máy ngầm

Việc gia cố đá ở phần đỉnh hiện không có vấn đề gì đặc biệt Tuy nhiên khi sử dụng khung thép thì khi vòm được đỡ bằng khung thép đủ cường độ sẽ nảy sinh vấn đề cho trụ chống Vòm phải có móng tạm thời trong khi bậc đang cần đào Một giải pháp là tăng độ rộng của vòm và đặt chân đỡ vòm ngoài đường biên của tường cần đào Để thực hiện giải pháp này những đoạn ngắn của trụ đỡ khung thép phải được hàn vào vòm nhằm đơn giản việc nối tiếp trụ đỡ vòm sau này

Câu 9: Phân biệt gia cố chống và gia cố neo trong thi công đường hầm

Ưu nhược điểm?

C9.1 Gia cố neo trong thi công đường hầm.

vùng đá này trở thành các dầm hay vòm có cấu tạo bê tông cốt thép, đảm bảo cho hầm thêm an toàn hơn.

Gia cố neo thuộc loại gia cố không chống, so với các loại gia cố kết cấu chống bình thường, có một số ưu điểm sau:

- Nâng cao độ an toàn công tác ngầm, là dạng gia cố tốt nhất chống lại tác dụng nổ mìn và có thể được lắp đặt trong gương hầm như một gia cố tạm;

- Có khả năng phù hợp với cơ giới hoá quá trình gia cố;

- Cho phép giảm tiết diện hầm tới 18-25% và giảm sức cản chuyển động của khí (so với gia cố khung chống);

- Gia cố neo kết hợp với bê tông phun làm giảm nhẹ kết cấu gia cố công trình ngầm

mà vẫn đảm bảo độ tin cậy làm việc của chúng

C9.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống neo.

Các hệ thống chống đỡ được sử dụng bên ngoài như cột hoặc khung bằng gỗ Những loại chống đỡ này yêu cầu một số lượng lớn gỗ và bảo dưỡng thường xuyên; tệ hơn cả, chúng không hiệu quả nhiều trong việc kiểm soát ổn định mái Năm 1927, một mỏ khai thác kim loại ở Mỹ bắt đầu sử dụng một kỹ thuật chống đỡ mới: những neo chẻ bằng thép rất thô sơ Ý tưởng này xuất phát từ vấn đề đơn giản là bulông neo liên kết đá như đinh liên kết hai tấm ván lại với nhau Đây là một cuộc cách mạng về công nghệ trong thi công các công trình ngầm Năm 1943, Weigel đã đề xuất những nguyên tắc cơ bản của bulông néo mái như một phương pháp có hệ thống để chống đỡ các mái không ổn định Những ý tưởng của Weigel là nền tảng cho các lý thuyết neo và các chỉ dẫn áp dụng hiện nay Những ý tưởng đó là:

- Che chống lớp đá yếu ngay dưới vòm tự nhiên;

- Neo các lớp địa tầng mỏng, yếu lại với nhau để tạo thành một lớp dày hơn và có khả năng chịu lực tốt hơn;

- Tiến hành neo sớm

a Hiệu ứng treo

Bất cứ khi nào công trình ngầm được đào, lớp đất đá ngay phía trên mái hầm có khuynh hướng võng xuống Nếu không chống đỡ thích hợp và kịp thời, lớp đất đá mỏng phía trên sẽ tách ra và rơi xuống Bulông neo trong trường hợp này sẽ giữ khối đá và làm cho vách hầm có thể tự chống đỡ được bằng cách cung cấp ứng suất trước cho bulông neo

Tải trọng do mỗi bulông neo chịu có thể được tính như sau:

)1)(

1( 1+ 2 +

=

n n

wtBL

P (1)

Trong đó:

w- Khối lượng phần mái được treo;

t- Chiều dày phần mái được treo;

B - Chiều rộng mái hầm;

L- Chiều dài mái hầm;

n1- Số hàng bulông neo theo chiều dài L;

n2- Số hàng bulông neo trên 1 hàng

Phương trình này chỉ đúng khi lớp mái được neo giữ tách rời hoàn toàn khỏi lớp địa chất ổn định phía trên như vậy mới được treo hoàn toàn bởi bulông neo Phần khối lượng mái được chống đỡ bởi vách hầm 2 bên được bỏ qua Do đó, phương trình này được dùng

để dự đoán tải trọng giới hạn mà 1 bulông neo có thể mang khi đạt tới hiệu ứng treo

b Hiệu ứng dầm kết hợp

Trong trường hợp phía trên mái hầm là các lớp địa chất mỏng và cách biệt với nhau, chuyển dịch theo phương đứng và phương ngang dọc theo bề mặt giữa các lớp làm cho các lớp võng xuống và tách rời nhau Bulông neo xuyên qua các lớp này có thể ngăn cản hoặc làm giảm sự chuyển dịch theo phương ngang và ứng suất cung cấp cho neo sẽ kẹp giữ các lớp này lại với nhau làm cho các lớp chuyển vị thẳng đứng với cùng độ lớn Mặt khác, lực masat cân bằng với ứng suất trong neo được phân bố dọc theo bề mặt giữa các lớp cũng góp phần ngăn cản sự chuyển dịch theo phương ngang

Kiểu neo giữ này rất giống với việc kẹp giữ các lớp mỏng, yếu thành 1 lớp dày và chắc chắn hơn có dạng giống như dầm liên hợp 2 đầu cố định Theo lý thuyết, giả sử các lớp có vật liệu giống nhau, độ uốn lớn nhất của dầm kết hợp là:

Et

wL

2

2 max =

ε (2)

Trong đó:

E- Modul đàn hồi Young;

L- Chiều rộng mái hầm;

t - Chiều dày của dầm kết hợp;

w- Trọng lượng đơn vị của mái hầm

Phương trình này chỉ ra rằng, dầm càng dày thì độ uốn lớn nhất càng giảm Nói cách khác, việc kẹp giữ đã tạo ra hiệu ứng dầm kết hợp

Hiệu ứng dầm kết hợp tăng khi giảm khoảng cách bố trí bulông neo, tăng ứng suất trong bulông neo, tăng số lượng bản mỏng được neo giữ và gảm khẩu độ hầm Trong hầu hết trường hợp, khi mái hầm có các lớp địa chất mỏng, cả hiệu ứng treo và hiệu ứng dầm kết hợp cùng tồn tại

Dầm kết hợp làm tăng cường độ chịu uốn và độ cứng chịu uốn Đối với dầm có n lớp giống nhau không có bulông neo, cường độ chịu uốn B1 được tính như sau:

6

2 1

bh n

B = (3)

Trong đó:

n - Số lớp;

b- Chiều dài hầm;

h - Chiều cao của một lớp

Độ cứng chịu uốn T1 được xác định như sau:

12

3 1

Ebh n

T = (4)

Trong đó:

E – Modul đàn hồi Young

Đối với dầm kết hợp có n lớp giống nhau và có bulông neo liên kết chắc chắn, cường độ chịu uốn B2 được tính như sau:

6

)( 2 2

nh b n

B = (5)

Độ cứng chịu uốn T2 được xác định như sau:

12

)( 2 2

nh Eb n

T = (6)

Cường độ chịu uốn của dầm được neo tăng n lần so với dầm không được neo, trong khi độ cứng chịu uốn tăng n2 lần Làm tăng cường độ chịu uốn thì luôn tốt cho việc ổn định mái Tuy nhiên, dưới những điều kiện nhất định, việc tăng độ cứng chịu uốn có thể làm phát sinh tải trọng từ lớp địa chất phía trên dầm Dầm có thể không phá hoại ứng suất

do cường độ chịu uốn, nhưng có thể phá hoại cắt ở hai đầu dầm khi lực cắt tích luỹ vượt quá khả năng chịu cắt của dầm kết hợp

Kiểu phá hoại này có những đặc điểm sau:

- Dầm kết hợp bị rơi xuống

- Mặt phẳng phá hoại tại hai đầu dầm gần như thẳng đứng

- Mặt phẳng phá hoại phía trên nằm ngay cuối bulông neo nơi ứng suất trước trong bulông neo tạo ra một vùng ứng suất kéo xung quanh đầu neo

- Đôi khi bulông neo càng dài càng làm tăng chiều cao phần mái bị rơi

Trong một vài công trình, lớp địa chất tốt của mái hầm có khả năng tự ổn định ở phía trên quá xa để có thể tạo ra hiệu ứng treo Trường hợp này, hiệu ứng dầm kết hợp là nhân tố chính tạo ra hiệu quả của neo mái Với các bulông neo có cùng chiều dài, ứng suất trước trong neo càng lớn thì độ võng dầm càng nhỏ Vì vậy, một dầm cứng hơn có thể được tạo ra cới cùng chiều dài neo bằng cách sử dụng ứng suất khi lắp đặt lớn hơn.Hiệu ứng dầm kết hợp trong địa tầng được liên kết bởi bulông neo ứng suất để tạo

ra dầm bản mỏng có độ bền uốn cao Ứng suất trong bulông neo tạo ra một lực giao giữa các lớp, lực masat có thể chống lại ứng suất cắt theo phương ngang Sự giảm biến dạng uốn nhờ hiệu ứng dầm kết hợp là:

fu f

Nếu bulông neo bố trí nghiêng so với mái hầm và vuông góc so với mặt phẳng nứt thì ứng suất dọc trục tối thiểu mà bulông neo phải tạo ra để giữ ổn định là:

φ

φαα

ασ

σ

tan

)tancoscos

Trong đó:

σb - Ứng suất theo phương ngang;

α – Góc giữa phương pháp tuyến của mặt phẳng nứt và mặt phẳng nằm ngang;

Hình 7 Bulông neo bố trí nghiêng so với mái hầm.

Ứng suất dọc trục tối thiểu cần để duy trì ổn định khi bulông neo bố trí vuông góc với mái hầm là:

ααφα

αφα

σ

σ

tan)sintan(cos

)costan(sin

Hình 8 Bulông neo bố trí vuông góc so với mái hầm.

Phương trình (8) & (9) chỉ ra ứng suất dọc trục tối thiểu cần để cân bằng với ứng suất theo phương ngang Theo đó, σb = 0 nếu α = ф và khi đó mái hầm có thể duy trì ổn định mà không cần sử dụng bulông neo

Hiệu ứng chốt phụ thuộc chủ yếu vào ứng suất chủ động của neo hoặc ứng suất bị động gây ra bởi sự dịch chuyển của khối đá Lực kéo trong bu lông neo gây ra ứng suất trong khối đất đá và làm cho khối này bị nén theo phương của neo và phương vuông góc với neo Vùng chồng ứng suất xung quanh mỗi bulông neo hình thành nên một vùng nén liên tục

Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả neo là sử dụng mô hình neo phù hợp Với mỗi điều kiện địa chất ta có thể sử dụng các kiểu neo khác nhau.Loại neo, chiều dài neo, khoảng cách neo phụ thuộc vào điều kiện làm việc của chúng theo ứng suất treo, hiệu ứng dầm kết hợp hay hiệu ứng chốt mà bố trí

Khi tính toán thiết kế neo, thường mô phỏng điều điều kiện làm việc của neo theo 1 trong 3 hiệu ứng hiệu ứng trên Tuy nhiên, thực tế khi địa chất ở vị trí hầm gồm các lớp mỏng thì cả hiệu ứng treo và hiệu ứng dầm kết hợp cùng tồn tại

Khi hiểu rõ nguyên lý làm việc của neo, ta có thể cải tiến, sáng tạo mô hình bố trí

để tối ưu hoá hiệu quả của neo cũng như giảm chi phí lắp đặt, giảm thời gian thi công và tăng sự an toàn ổn định của hầm

C9.1 Gia cố chống trong thi công đường hầm.

Kết cấu này là kết cấu có hình dạng của khung gần với hình dạng mặt cắt thiết kế,

dễ dàng chống đỡ ở mọi điều kiện địa hình nên giảm nhẹ khối gia cố Khi dùng xe vận chuyển lớn, kết cấu khung bằng thép chữ I, No 22-30, tiếp nối bằng bu lông, Vòm được tựa vào thanh thép dọc, vít vào bê tông đúc sẵn, khoảng cách khung từ 0,75÷1,5 m Tiêu hao vật liện thép khoảng 1,3T cho 1 m dài đường hầm Kết cấu kiểu vòm được tính toán theo áp lực đứng thẳng theo khối đá có khả năng rơi ra tác dụng lên, có xét đến lực đẩy của đá của đá như trong trường hợp vỏ tính toán của vỏ đường hầm cố định

Câu 10: Mối quan hệ giữa thi công đào hầm theo phương pháp hạ bậc

và thi công vỏ bê tông hầm Điều kiện áp dụng?

Đào hạ bậc và thi công vỏ bê tông: Như bài 3 đã trình bày, khi tiết diện hầm rất lớn cần đào hạ bậc

Sơ đồ thi công 1: Đào xong bậc trên thi công bê tông vỏ, sau đó đào bậc dưới rồi thi công vỏ (áp dụng hầm tiết diện lớn nhưng ngắn)

Sơ đồ thi công 2: Đào khoảng 2-3 chu kỳ nổ (đủ chiều dài một khối đổ hoặc do điều kiện địa chất cho phép) sẽ ngừng công tác đào để thi công bê tông Sau đó lại tiếp tục khoan nổ

Công thức xác định chiều sâu lỗ khoan phụt gia cố: l≤ (0,6-0,8)R0 , l= (1,5-2,0)hHR0 là bán kính trong của hầm có áp; hH là chiều sâu đới phá huỷ, có thể đo vật lý ở hiện trường (nhiều công trường thuỷ điện ở Liên Xô và Việt Nam với đá có ứng suất nén 700-900 kg/cm2 , hH đo được là 1,1-2,0 m)

1 Trả lời câu hỏi

1.1 Nhiệm vụ của thông gió trong quá trình đào hầm.

Khi đào đường hầm thường xuất hiện nhiều khí và hỗn hợp khí độc thải ra Cụ thể

nổ mìn, thải ra CO2, CO, H2S, SO2, NO và các khí độc khác; Công nhân làm việc hít O2 trong không khí, đồng thời thải ra khí CO2; còn số lượng khí độc hại được thải từ các xe vận chuyển, máy xây dựng, các động cơ đốt trong… Khi khoan nổ, tạo ra nhiều bụi silic, SiO2 rất nguy hiểm cho đường hô hấp (xếp vào loại độc hại của ngành xây dựng) Ngoài

ra trong một vài đoạn đường hầm có thể gặp khí từ trong đất (CO, CO2, H2S, mêtan gây

nổ CH4)

Để bảo đảm an toàn cho sức khỏe công nhân và làm thông thoáng môi trường lao động phải tiến hành thông gió ở khoang đào thường xuyên và định kỳ (sau khi nổ mìn) và thường xuyên kiểm tra thành phần không khí, nồng độ khí độc và bụi

Công nhân thi công trong điều kiện chặt hẹp

1.2 Các phương pháp xác định lượng khí sạch cần thổi vào hầm trong quá trình thi công hầm.

Có nhiều yếu tố cần phải đưa không khí vào hầm:

- Đưa dưỡng khí cho người lao động O2: do trong hầm thiếu dưỡng khí, hầm sâu, nồng độ O2 giảm

- Hay có khí dễ cháy trong đất tỏa ra (khí mêtan CH4 – dễ cháy nổ)

- Khí độc do nổ mìn CO

- Khí độc do xe chạy bằng xăng, dầu dizen: CO

- Trong hầm có nhiều bụi (ngoài phun nước phải hút bụi ra)

- Trong hầm thường hay xuất hiện CO2

Trong các trường hợp trên yêu cầu lượng khí khác nhau

1.3 Phương pháp xác định tổng lượng khí để thiết kế hệ thống thông gió trong thi công đường hầm.

Lưu lượng thông gió trong hầm được tính như sau:

Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4

Trong đó:

Q – Tổng lưu lượng thông gió

Q1 – Lưu lượng cần cho công nhân và kỹ sư trong hầm, Q1 = q1 N1

q – lưu lượng thông gió tính cho một đầu người

Q2 – lưu lượng thông gió do khí độc nổ mìn, Q1 = K

P t

α (m3/phút)

A – nồng độ cho phép của khí độc

P – lượng khí độc do nổ mìn thải ra

K – hệ số thông gió (xét đến khí độc giảm do thoát ra ngách hầm)

t – Thời gian thông gió, phútQ3 – lưu lượng cần thông gió do bụi của bê tông phun, Q3 = q

K

q – trọng lượng bụi tính theo thời gian phun bêtông

K – nồng độ bụi cho phépQ4 – lưu lượng thông gió do khí độc của xe ca và xe tải chở phế thải ra,

Q4 = Q’ σ N/KQ’ – lượng khí thải ra từ 1 xe, Q’ = β V’ N’

β – hệ số quyết định bởi loại động cơ, 0,4 ~ 1,2 m.phútV’ – sự dời chỗ của động cơ (khối lượng)

N’ – số vòng quay của động cơ (rpm)

σ - lượng khí độc trong khí thải ra (tỷ lệ về thể tích: khí độc chia cho số khí của xe thải ra)

N – số lượng xe vận chuyển

K – nồng độ cho phép của khí độcNếu chúng ta có thể gây nổ, phụt bêtông và sử dụng những xe riêng lẻ không có sự chống lấn lên nhau và tiến hành thông gió cho hầm theo từng thời đoạn, biểu thức trên có thể thay thế bằng biểu thức:

Q = Q1 + Max (Q2, Q3, Q4)

Do trong các đường ống dẫn khí có sự rò rỉ, nên trong khi tính toán ta cần xét đến sự rò rỉ của ống Tỷ lệ rò rỉ qua ống:

.100

tt

Q Q

m

=

−

Với: Q – lượng không khí đã xác định theo lý thuyết ở trên

1.4 Phương pháp xác định công suất quạt, đường kính ống dẫn khí và cách bố trí quạt trong quá trình đào hầm.

a, phương pháp xác định

Năng lực của quạt và kích thước của ống thông gió được thiết kế theo định lý Bernoulli như sau:

Q V A

=

2 .2

L V h

D g

=

w

Q – lưu lượng thông gió, tính ở phần 1.3,

A – diện tích ống thông gió

λ – hệ số tổn thất do ma sát

L – chiều dài ống thông gió

D – đường kính ống thông gió

G – gia tốc trọng trường

γ – trọng lượng riêng của không khí 0,0012

ρw – mật độ của nước

B – năng lực thực tế của máy quạt

N – năng lực lý thuyết của máy quạt

η – hệ số hiệu ích của quạt

α – hệ số an toàn, α = 1,15 – 1,2

b, cách bố trí quạt trong quá trình đào hầm

Quạt được bố trí cách nhau L, m (có thể chọn 600m); bắt đầu từ của vào 1 quạt, sau đó cứ cách L,m lại đặt 1 quạt tiếp theo

1.5 Các phương pháp thông gió và trình tự vận hành trong quá trình thi công hầm.

Các phương pháp thông gió:

+ Theo sơ đồ thổi, các khí độc được tạo ra sau nổ mìn di chuyển từ khoang đào ra cửa hầm trên toàn chiều dài đường hầm Về mùa lạnh cần thổi thêm khí nóng vào đường hầm.+ Theo sơ đồ hút, khí thải trong không khí từ khoang đào được hút ra từ máy hút ở cửa hầm Với sơ đồ này có nhược điểm là tập trung khí thải ở trần và khoang đào và gây bẩn, làm ướt, đốt nóng không khí sạch theo chiều dài từ cửa hầm đến khoang đào

+ Trong sơ đồ hỗn hợp gồm máy hút đặt cách khoang đào 30 - 40m, một tường ngăn

và một máy thổi Lượng không khí cung cấp vào gương đào không cố định

Trình tự vận hành thông gió trong quá trình thi công hầm.

- Nếu là nổ mìn, hay đào hầm gặp đoạn có khí độc thì ta phải hút khí trong hầm ra trước sau đó mới thổi lượng khí sạch vào trong hầm

- Nếu chỉ có công nhân làm việc trong hầm thì thổi không khí sạch vào trong hầm để đảm bảo cho người công nhân đủ dưỡng khí cần thiết

Trong quá trình thi công đào hầm phải phối hợp trình tự hút, thổi hợp lý để đảm bảo luôn

có lượng khí sạch (đạt tiêu chuẩn đào hầm)

II Trả lời câu hỏi và bài tập của Bài giảng 5:

1 Đặc điểm và trình tự thi công theo phương pháp top-down;

1.1 Đặc điểm thi công theo phương pháp top-down:

- Phương pháp thi công top-down là một trong ba phương pháp đào và lấp, được thi công theo thứ tự từ trên xuống dưới Theo phương pháp này kết cấu hầm được xây dựng bên trong khối đào và khi thi công xong sẽ được lấp lại để trả lại mặt bằng ban đầu Phương pháp này được dùng khi đường viền hầm đặt nông và công đoạn đào từ mặt đất

là khả thi và kinh tế, chấp nhận được Thường phương pháp này áp dụng cho đoạn đường cần chui xuống mặt đất, những cửa vào hầm lò và các hầm đặt trên địa hình bằng phẳng ở

đó việc đặt hầm nông là ưu điểm Đối với chiều sâu đặt hầm từ nhỏ hơn 20m thì phương pháp này kinh tế hơn và thực tế hơn so với kiểu đào hầm lò hoặc dùng máy đào Hầm thi công theo phương pháp này có kết cấu là một khung dạng hộp cứng Trong các khu đô thị, do không gian cho phép là hạn chế, hầm được xây dựng trong một khối đào mà vách đất được chống đỡ bởi hệ thống tường có kết cấu chống đỡ Nơi nào không gian xây dựng cho phép, trong khoảng trống giành cho sự phát triển đô thị mới thì có thể áp dụng phương pháp mở mái sẽ kinh tế hơn

- Ưu điểm:

Cho phép trả lại hiện trạng mặt đất sớm hơn;

Có thể sử dụng những tường kết cấu cố định làm tường chống đỡ tạm thời cho khối đào;

Những dầm kết cấu sẽ hoạt động như bộ phận chống đỡ bên trong cho công đoạn đào, như vậy sẽ giảm khối lượng chống đỡ theo yêu cầu;

Chừng mực nào đó nó đòi hỏi diện tích thi công ít hơn;

Việc thi công mái sẽ dễ hơn kể từ lúc có thể đặt cốt thép ở giai đoạn chuẩn bị khác với phương pháp bottom-up;

Kết quả giá thành hầm có thể thấp hơn bằng cách giảm bớt những công việc song song, tường bê tông cốt thép đổ tại chỗ bên trong khối đào và giảm cần thiết bộ phận chống đỡ bên trong;

Thời hạn thi công ngắn hơn nhờ một số hoạt động thi công có thể làm xen lẫn nhau;

- Nhược điểm:

Không đủ điều kiện để lắp màn ngăn nước bên ngoài tường của hầm;

Sự nối tiếp mái, sàn và những dầm cơ bản phức tạp hơn;

Có khả năng thấm ở những khe nối giữa dầm và tường;

Rủi ro có thể xảy ra ở những tường bên ngoài (hoặc những cột trung tâm) sẽ vượt quá độ dung sai lắp cụ thể và mở rộng bên trong đường ngăn của không gian bên trong;

Tiếp cận đến khối đào bị hạn chế do cửa hầm hoặc phải qua giếng qua mái;

Đào và thi công dầm đáy bị hạn chế về không gian;

1.2 Trình tự thi công theo phương pháp top-down:

- Thi công màng ngăn nước;

- Lấp lại phần mái và khôi phục mặt đất;

- Đào bên trong và chống đỡ;

- Thi công dầm sàn và liên kết với tường chống đỡ;

- Lấp lại phần nóc và khôi phục mặt đất;

- Đào bên trong, chống đỡ;

- Thi công dầm sàn và liên kết với chống đỡ;

- Hoàn thành phần bên trong bao gồm tường thứ hai

2 Đặc điểm và tình tự thi công theo phương pháp bottom-up;

2.1 Đặc điểm thi công theo phương pháp bottom-up:

- Phương pháp thi công bottom-up là một trong nhóm phương pháp đào và lấp, được thi công theo thứ tự từ dưới lên trên

- Ưu điểm:

Đó là phương pháp truyền thống, mọi nhà thầu đều hiểu;

Màng ngăn nước có thể đặt ngoài mặt của kết cấu;

Thiết bị thi công và bố trí, kho và chỗ để vật liệu dễ bố trí trong hố móng;

Những hệ thống thoát nước có thể bố trí ngoài kết cấu để dẫn đi hoặc bơm ra xa kết cấu;

- Nhược điểm:

Chân chống đòi hỏi sâu hơn so với phương pháp top-down;

Mặt đất không có thể trả lại hiện trạng khi công trình chưa kết thúc;

Yêu cầu chống đỡ tạm hoặc bố trí lại các công trình công cộng;

Yêu cầu hạ thấp mực nước ngầm có thể dẫn đến ảnh hưởng bất lợi cho cơ sở hạ tầng xung quanh

2.2 Trình tự thi công theo phương pháp bottom-up:

Gồm 6 bước:

- Lắp tường chống đỡ tạm cho khối đào, như cọc và bản chắn, cừ, tường bê tông liên tục, tường cọc khoan nhồi;

- Hạ thấp mực nước ngầm trong khối đào;

- Đào và lắp những bộ phận chống đỡ tường tạm thời;

- Thi công sàn đáy;

- Tiếp tục thi công tường, mái, màng ngăn nước;

- Lấp lại và khôi phục mặt đất

3 Các loại tường vây và phương pháp thi công;

Phương pháp thi công tường vây là một trong ba phương pháp đào và lấp Có hai loại tường vây chính thường được sử dụng trong thi công đào hầm là:

- Tường vây bê tông cốt thép: Tường được thi công trong hào đầy vữa bentonite Sau khi đào, người ta đổ vữa xi măng, đất sét và chất xúc tác, chất xúc tác này có tác dụng làm cho vữa bentonite không hoà lẫn với vữa bê tông và không làm gỉ cốt thép bê tông Khi đổ vữa bê tông vào, vữa bentonite được bơm rút ra Quá trình thi công được tiến hành theo từng đoạn xen kẽ nhau để thuận lợi cho việc lắp đặt khe nối

- Tường vây bằng cừ: Cọc tự do ngàm sâu vào đất, thường là thép mỏng, cọc cừ bằng thép thường có hèm để ghép khít vào nhau tạo thành tường vây kín

Hình 2 Cừ ván thép Larsen

4 Các kết cấu chống đỡ cho tường vây và phương pháp thi công;

- Hệ thống chống đỡ: Mục đích hệ thống chống đỡ để ngăn ảnh hưởng của thi công khối đào gây lún các công trình trên mặt đất liền kề với khối đào Hệ thống chống

đỡ bao gồm 2 phần: Tường chắn đất và kết cấu chống đỡ tường

Tường chắn đất có nhiều loại: Những cọc và bản chắn; cọc cừ; tường liên tục (tường bê tông thi công trong hào chứa vữa sét; cọc và tường bê tông phân đoạn, tường cọc khoan nhồi, tường trộn đất + xi măng) Thí dụ tường bê tông cốt thép sâu 18m thi công trong hào chứa vữa sét của toà nhà Vietcombank, phố Trần Quang Khải, Hà Nội

Kết cấu chống đỡ tường có nhiều loại: Chống bên trong hố móng, neo vào đất, cọc bê tông cốt thép

Thiết kế hệ mái che khối đào để tạm thời cho giao thông không bị gián đoạn

- Có hai loại kết cấu chống đỡ cho tường vây thường được sử dụng trong thi công đào hầm là:

Tường vây bê tông cốt thép thường kết hợp với neo trong đất để tạo thành hệ thống tường vây vững chắc Khi dùng phương pháp đào và lấp, để giữ ổn định cho tường hào người ta dùng neo, phần quan trọng nhất của neo đất là bầu neo Để xác định kích thước bầu neo, người ta thường sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định đường kính bầu neo Sau khi khoan tạo bầu neo, người ta bơm vữa vào, từ lượng vữa đã bơm, tính được kích thước bầu neo Theo phương pháp Barton, khi biết sức chịu tải của neo, tra bảng để xác định các thông số của neo như: Chiều dài, khoảng cách, đường kính

Tường vây bằng cừ thường kết hợp hệ thống khung giằng bằng thép chống đỡ ở phía trong hố đào để tạo thành hệ thống tường vây vững chắc Trong nhiều trường hợp,

hệ thống khung giằng này làm cho khả năng tiếp cận hố đào bị hạn chế, ảnh hưởng đến tiến độ thi công đào hầm

Hình 3 Tường vây kết hợp chống bên trong hố móng

5 Trình tự thi công hầm theo phương pháp đào hở và lấp lại;

Đối với hầm đào theo phương pháp đào hở và lấp lại, kết cấu hầm được xây dựng bên trong một khối đào và được lấp đất lại khi công việc xây dựng hầm đã hoàn thành Phương pháp này áp dụng khi đường viền của hầm nằm nông và có thể đào từ mặt đất, tiết kiệm, chấp nhận được Thi công theo phương pháp này thường dùng cho những đoạn chui xuống của đường giao thông, tiếp cận với những hầm lò và những hầm trong địa hình bằng phẳng mà ở đó ưu điểm là đặt hầm nông Có hai phương pháp thi công loại này

đó là thi công từ dưới lên (bottom-up) và thi công từ trên xuống (top-down)

Với chiều sâu khoảng 10m đến 12m, phương pháp thi công này thường tiết kiệm

và thực tế hơn so với phương pháp đào hầm kiểu đi lò hoặc dùng máy đào hầm

Thi công theo trình tự top-down gồm 8 bước như đã nêu tại phần II.1;

Thi công theo trình tự bottom-up gồm 6 bước như đã nêu tại phần II.2;

Chống đỡ cho khối đào;

Chống đỡ tạm;

Chống đỡ cố định

6 Trình tự thi công hầm theo phương pháp đánh chìm đốt hầm;

Đường hầm dạng ống đánh chìm là loại hầm được xây dựng dưới đường nước chảy Dưới đáy sông hoặc đáy biển đào sẵn một hào, những đốt hầm dạng bê tông cốt thép hoặc dạng ống thép được chế tạo sẵn trong ụ tàu của nhà máy chế tạo tàu hoặc trong một bãi đúc rồi cho nước vào và dùng tàu kéo đến tuyến hầm, tiến hành đánh chìm vào