Bài là kết quả báo cáo về thiết kế hầm Đèo Ngang ( theo công nghệ NATM), Hầm Đèo Ngang được thi công trên cơ sở chuyển giao công nghệ khi thi công hầm Hải Vân (Hầm qua núi dài nhất VN và Đông Nam Á) theo phương pháp thi công mới của Áo, Hầm Đèo Ngang đã được thiết kế và thi công hoàn toàn bằng kỹ sư Việt Nam.
Trang 1công tác thiết kế và xây dựng
hầm đường bộ Đèo Ngang
bằng phương pháp natm
-
Kỹ sư hầm: Ngô Xuân Thình
Đèo Ngang đoạn Km 592+800 Km 593+295 trên Quốc lộ 1A dài hơn 6,0 km, là đoạn tuyến đường đèo có tiêu chuẩn thấp, nhiều tai nạn giao thông Việc xây dựng hầm đường
bộ chui dưới đèo sẽ cải thiện điều kiện giao thông từ Vinh và các tỉnh phía Bắc đi Huế, Đà Nẵng và các tỉnh phía Nam
Dự án hầm đường bộ Đèo Ngang do Tổng công ty TVTV GTVT (TEDI) tư vấn thiết kế và giám sát xây dựng Tổng công ty Sông Đà đầu tư và thực hiện Dự án theo hình thức BOT trong nước
Báo cáo này đề cập đến một số nội dung về công tác thiết kế và thi công hầm Đèo Ngang theo phương pháp NATM bao gồm các nội dung chủ yếu như sau:
Điểm đầu dự án Km 591+550 trên QL 1A, cách chân Đèo Ngang khoảng 800m về phía Bắc
Điểm cuối dự án Km 594+399 trên QL1A, cách chân Đèo Ngang khoảng 200m về phía Nam
Tổng chiều dài đoạn tuyến 2,894 Km
Yêu cầu khai thác 2 làn xe với tốc độ thiết kế 80 Km/h
Tiêu chuẩn thiết kế theo TCVN cho các công trình trên tuyến
Hầm thiết kế và xây dựng theo phương pháp NATM (New Austrian Tunnel Method - Phương pháp đào hầm mới của áo)
- Hầm dài 595 m, rộng 11,9m, cao 7,5m
- 2 cầu trên tuyến, tổng dài 234,4m
- Đường ô tô tổng dài 2.165 m, bố trí 1 trạm thu phí tại phía Bắc
1.4.1 Giai đoạn nghiên cứu khả thi Dự án
Mục tiêu chính của giai đoạn này là lựa chọn tuyến hầm tối ưu cho dự án và triển khai khảo sát địa hình, địa chất phục vụ cho cho giai đoạn thiết kế chi tiết
Công nghệ khảo sát với phần mềm hiện đại đã được các kỹ sư TEDI sử dụng khảo sát địa hình Công nghệ khảo sát địa chất đo sóng bức xạ địa tầng kết hợp với khoan địa chất được
sử dụng, giúp cho việc nhanh chóng đưa ra các phương án tuyến nghiên cứu đảm bảo độ chính xác cao về kỹ thuật
Kết quả nghiên cứu dự án, Tư vấn thiết kế so sánh và lựa chọn phương án xây dựng hầm hợp lý
1.4.2 Giai đoạn thiết kế chi tiết
Mục tiêu chính của giai đoạn này là lựa chọn quy mô kết cấu công trình, thiết kế chi tiết kết cấu, chọn phương pháp và công nghệ xây dựng hầm, lập tổng dự toán xây dựng công trình
Trang 21.4.3 Giai đoạn xây dựng
Do đặc thù hầm được xây dựng theo NATM - phương pháp công nghệ mới lần đầu tiên do Tư vấn và Nhà thầu trong nước thực hiện, công trình đầu tư theo hình thức BOT, TEDI là
đơn vị tư vấn thiết kế và Tư vấn giám sát, Tổng công ty Sông Đà là đơn vị đầu tư và trực tiếp xây dựng công trình
Công tác đo ứng suất, biến dạng kiểm soát thi công hầm đường bộ Đèo Ngang do TEDI thực hiện với phần lớn thiết bị được chế tạo trong nước, phần mềm đo đã được Việt hoá Công trình khởi công xây dựng đầu tháng 5 năm 2003, dự kiến cuối tháng 7 năm 2004 hoàn thành và đưa công trình vào khai thác
1.4.4 Giai đoạn xây dựng
- Hoàn thành, đưa công trình vào khai thác: 21 tháng 8 năm 2004
1.5.1 Quảng trường và dịch vụ khu vực cửa hầm
- Mặt bằng phía Bắc rộng 1.728m2, bao gồm bãi đỗ xe, khu cây xanh khu sử lý nước thải
- Mặt bằng phía Nam rộng 2.144m2, bao gồm trạm quản lý khai thác rộng 70m2, khu cây xanh, bãi đỗ xe và dịch vụ khác
- Hệ thống sử lý nước thải bố trí tại cửa hầm phía Bắc Nước sạch được tái sử dụng, nước nhiễm dầu mỡ được lọc sạch trước khi thải vào môi trường
1.5.2 Hệ thống thông gió và cấp năng lượng
- Thông gió dọc bằng hệ thống 4 quạt phản lực treo trên đỉnh hầm
- Hệ thống cấp điện, cấp nước, buồng dịch vụ điện thoại và hệ thống báo động đăt cách nhau 50m theo tiêu chuẩn quốc tế
-
hình 1 Cắt ngang hệ thống công trình hầm
Trang 3h×nh 2 Toµn c¶nh khu vùc cöa hÇm phÝa b¾c
h×nh 3 Toµn c¶nh khu vùc cöa hÇm phÝa nam
Trang 42 công tác thiết kế hầm đèo ngang
Hầm được xây dựng trên đoạn tuyến Quốc lộ 1A , công tác thiết kế cần thoả mãn các tiêu chí sau:
- Đảm bảo khai thác an toàn khai thác 2 làn xe , vận tốc thiết kế 80km/h
- Xe ra vào hầm không bị cảm giác xốc do thay đổi ánh sáng
- Đèn pha của làn xe chạy ngược chiều không gây chói cho làn đối diện
- Đường trong hầm đảm bảo chống cháy tốt
- Hệ thống phòng hoả và cứu hoả đảm bảo khai thác thuận lợi
Phần đường xe chạy trong hầm cho 2 làn xe được thiết kế theo tiêu chuẩn sau:
- Tổng bề rộng mặt đường xe chạy: B=10m
Mặt đường bê tông xi măng dầy 24cm
Phần đường công vụ rộng 1.25m, cao hơn mặt đường xe chạy 1.0m, bố trí về bên phải Dải
an toàn chống va rộng 50cm, cao 20cm bố trí về bên trái
2.4.1- Dải phân làn
Giao thông trong hầm 2 làn ngược chiều, giải phân làn mềm giữa 2 làn xe được sử dụng như sau:
- Cột cao su phân làn giữa, cột tròn D=80mm, cao 800mm.khoảng cách cột L=15m
- Tấm phản quang 2 chiều, khoảng cách lắp đặt 5m
- Sơn liền phân làn giữa và sơn phân làn phần xe chạy 2 phía
Hình 3a- mặt đường trong hầm đã thi công xong
Trang 52 5
8 0
3 0
N ắ p đ ậ y ố n g
ố n g n h ự a p v c c ó b ô i t r ơ n
C h ố t ỉ 2 5 m m t r ơ n , L = 5 0 0 @ 3 0 0
1 0
T h é p g a i ỉ 1 3 , L = 7 5 0 ,@ 1 0 0 0
1 0
v ậ t l i ệ u c h è n k h e
k h e l o ạ i A
( K H E G Iã N C ó T H A N H T R U Y ề N L ự C )
k h e l o ạ i b
( K H E D ọ C C ó T H A N H T R U Y ề N L ự C )
m a t ít b i t u m
k h e l o ạ i C
( K H E c o g i ả )
m a t í t b i t u m
hình 4 kết cấu mặt đường bê tông trong hầm
2.4.2- Hệ thống báo hiệu phần xe chạy
Hệ thống tấm phản quang cho mỗi chiều xe chạy được lắp đặt dọc 2 bên tường hầm với khoảng cách 5m
ỉ80
Chân đế
Thân cột
bu lông neo M16 x 100
ỉ200 tấm phản quang
lớp phản quang
bu lông neo M16 x 100
ỉ16
A A
hình 5 cọc cao su phân làn
Trang 6mặt phản quang của đinh chống va
đinh chống va ở lề bên trái
bước @5m
đinh chống va lề bên phải
bước @5m
hình 6 hệ thống đinh chống va trong hầm
2.4.3- Điểm tránh xe
Trong hầm bố trí 1 điểm đỗ xe khẩn cấp phục vụ khai thác và công tác bảo dưỡng, duy tu sửa chữa hầm
Hệ thống thiết bị cứu hoả đặt trong các buồng với khoảng cách 50m Hầm Đèo Ngang dài 495m bố trí 3 máy điện thoại, trong đó có 1 máy trong hầm
47500
50000
mặt bằng bố trí buồng điện thoại và cứu hoả
hình 7 sơ đồ mặt bằng bố trí buồng thiết bị
buồng điện thoại và cứu hoả
F
DCI - DN150 PN16 nắp đậy bằng thép
800
H
khối đỡ ống
1495
H
400
1000
mặt cắt B-B mặt cắt D-D
150
150
vòi nước cứu hoả
vòi nước cứu hoả
1760
hình 8 mặt chính buồng điện thoại và cứu hoả trong hầmị
Trang 73 Thiết kế hầm theo Phương pháp NATM
1) Kết cấu hầm là tổ hợp giữa kết cấu chống đỡ và đá núi xung quanh, hầm được chống đỡ chủ yếu bằng khối đá núi
2) Cần thiết giữ trạng thái nguyên thuỷ của khối đá núi xung quanh, ngăn chặn tình trạng giảm ứng suất và tăng biến dạng một cách hữu hiệu
3) Biến dạng đá xung quanh hầm phải được chống đỡ và kiểm soát hợp lý nhằm ngăn biến dạng và sập hầm Hiệu quả kinh tế của phương pháp NATM sẽ tăng nếu chống đỡ thích hợp
4) Kết cấu chống đỡ phải được lắp đặt hợp lý và có độ cứng cần thiết Việc lắp đặt kết cấu chống đỡ quá sớm hoặc quá muộn cũng như kết cấu chống đỡ quá cứng hoặc quá mềm
đều sẽ mang lại kết quả bất lợi
5) Đo đạc kiểm soát trạng thái ứng suất khối đá xung quanh và đo biến dạng trong hầm là cơ
sở quyết định phuương pháp đào hầm và xác định phương án đặt kết cấu chống đỡ
6) Kết cấu vỏ hầm đủ mỏng và đủ mềm tránh vỏ hầm bị phá hoại do mô men uốn
7) Phương pháp đào hầm dạng tròn và kín đảm bảo hầm đào tự ổn định
8) Phương pháp đào từng phần mặt cắt hầm sẽ dẫn đến hiện tượng phân bố lại ứng suất và gây bất lợi cho môi trường đất đá xung quanh
9) Kết cấu chống đỡ cùng đá núi xung quanh là kết cấu chịu lực lâu dài cho hầm, vỏ hầm chỉ làm tăng mức độ an toàn khai thác
10) Giải phóng áp lực nước ngầm trong khối đá xung quanh hầm bằng hệ thống thoát nước
So sánh phân phối ứng suất xung quanh hầm theo phương pháp NATM và phương pháp truyền thống xem hình 8
hình 9 So sánh phân phối ứng suất xung quanh hầm
3.2.1 Vùng biến dạng đàn hồi và đàn hồi dẻo
Môi trường đá núi xung quanh hầm bị thay đổi, khu vực tiếp giáp vách hầm tạng thái đá thay đổi từ nén 3 trục sang trạng thái nén 2 trục, cường độ giảm nhanh, chuyển sang dạng biến dạng dẻo và phá hoại dòn
Trang 8Nhiệm vụ công tác thiết kế và thi công hầm theo phương pháp NATM là ngăn chặn tình trạng giảm ứng suất đá núi xung quanh hầm, giữ vùng biến dạng dẻo không phát triển, không để đá bị phá hoại dòn, gây sập đổ công trình
3.2.2 Hiệu ứng giải phóng ứng suất
Hầm đào được coi như một ống hình trụ, đáy trụ là bề mặt gương lò, hiệu ứng giải phóng ứng suất và biến dạng vách hầm như sau
- Biến dạng đá núi xuất hiện tại vị trí cách bề mặt gương hầm khoảng cách 1D
- Tại bề mặt gương hầm đạt 25% tới 30% trị số biến dạng cuối cùng
- Biến dạng đá núi đạt trạng thái cực đại tại vị trí cách bề mặt gương hầm khoảng cách 1,5D.(D- đường kính hầm đào)
hình 10 Biến dạng đá núi trong quá trình đào hầm
3.2.3 Quan hệ giữa áp lực và biến dạng hầm
Sau khi đào hầm, khối đá xung quanh giải phóng năng lượng, áp lực và biến dạng vách hầm được mô tả theo quan hệ đường cong ĘPenner - Pacher ę và được giải thích như sau
- Lắp đặt kết cấu chống đỡ quá sớm, hoặc kết cấu chống đỡ quá cứng, tải trọng tác dụng lên kết cấu chống đỡ quá lớn
- Lắp đặt kết cấu chống đỡ muộn, biến dạng hầm lớn, hiệu quả chống đỡ không cao và
dễ gây sập hầm
- Lắp đặt kết cấu chống đỡ phù hợp và kết cấu đủ mềm dẻo, kết cấu chống đỡ cùng biến dạng với đá núi và phát huy hiệu quả cao nhất
Đường cong quan hệ áp lực và biến dạng xem hình 11
Trang 9hình 11 Biến dạng hầm sau khi đào
hình 12 đường cong quan hệ áp lực và biến dạng
Trang 103.3.1 Sơ đồ công nghệ thiết kế hầm theo phương pháp NATM
=
Chuẩn bị Thực hiện
Giả thiết bước đào và tính toán
hệ số giải phóng ứng suất
Giả thiết kết cấu chống đỡ Chiều dầy btf, năng lực neo Khung thép
Tính toán tải trọng, biến dạng trong mỗi bước đào
Tính toán kết cấu chống đỡ Trong mỗi bước đào
Tính toán cường độ KCCĐ
Tính Biến dạng vách hầm Tính biến dạng phá hoại
Hệ số giải phóng ứng suất =100%
Bán kính vùng biến dạng đàn hồi
Biến dạng phá
hoại < 0,01D
ứng suất khung chống thép đạt
Tổng biến dạng
đạt yêu cấu
Kết thúc Lập bản vẽ thiết kế
Trang 11hình 13 kết quả tính ứng suất-biến dạng hầm
3.3.2 Kết cấu chống đỡ và vỏ hầm
Sau khi tính toán kết cấu chống đỡ hầm trong quá trình đào, thiết kế đư ra 6 loại kết cấu chống đỡ điển hình phù hợp với môi trường đá núi xung quanh và kích thước hầm
Kết cấu chống đỡ trong quá trình đào hầm là hệ thống kết cấu cùng đá núi xung quanh chịu lực vĩnh cửu cho công trình Đây là điểm nổi bật và khác biệt của phương pháp NATM so với các phương pháp xây dựng hầm truyền thống khác Hệ thống kết cấu chống đỡ bao gồm 1) Kết cấu chống đỡ loại I
- Kết cấu chống đỡ dùng bê tông phun dầy 5cm
2) Kết cấu chống đỡ loại II
- Kết cấu chống đỡ dùng BTF dầy 5cm kết hợp lưới thép và neo L=3m (bình quân 7 neo /1m hầm)
3) Kết cấu chống đỡ loại III
- Kết cấu chống đỡ dùng BTF dầy 10cm kết hợp lưới thép và neo L=3m (bình quân 10 neo /1m hầm)
4) Kết cấu chống đỡ loại IV
- Kết cấu chống đỡ dùng BTF dầy 10cm kết hợp lưới thép và neo L=3m (bình quân 13 neo/1m hầm), khung chống thép hình H 125x125 đặt cách nhau 1,2m
5) Kết cấu chống đỡ loại V
- Kết cấu chống đỡ dùng BTF dầy 15cm kết hợp lưới thép và neo L= 4m (bình quân 20 neo /1m hầm), khung chống thép hình H 125x125 đặt cách nhau 1,0m và có neo chống ngang phần đỉnh vòm hầm
6) Kết cấu chống đỡ loại VI
Trang 12- Kết cấu chống đỡ dùng BTF dầy 20cm kết hợp lưới thép và neo L=4m hoặc 6 đến 8 m (bình quân 22 neo/1m hầm), khung chống thép hình H 150x150 đặt cách nhau 1,0m, neo chống ngang phần đỉnh vòm hầm
3.3.3 Kết cấu lớp phòng nước và vỏ hầm bê tông
Kết cấu vỏ hầm bê tông là bộ phận kết cấu làm tăng thêm độ dự trữ cho hầm và đảm bảo
mỹ quan công trình
Phía sau vỏ hầm, hệ thống lớp phòng nước được lắp đặt, ngăn không cho nước ngầm thấm chảy vào hầm Kết cấu lớp phòng nước bao gồm
- Lớp vải địa kỹ thuật loại vật liệu thấm dầy 2mm
- Lớp cách nước PVC dầy 3,2mm
- Hệ thống đường ống PVC dẫn thoát nước ngầm chảy vào hệ thống thoát nước trong hầm
Trang 13hình 14 Mặt cắt ngang hầm trong đá loại I-V
hình 15 Mặt cắt ngang hầm trong đá loại VI
Trang 144 Thi công hầm theo phương pháp NATM
Có
Có
Có Không
Có
Có
Có
Thi công hầm trong đá bao gồm công tác đào hầm, lắp đặt kết cấu chống đỡ và kiểm soát biến dạng đạt chỉ tiêu cho phép
Theo phương pháp NATM, hệ thống kết cấu chống đỡ là bộ phận chịu lực chính trong suốt quá trình thi công và khai thác công trình Đây là vấn đề về cơ bản khác hẳn với các phương pháp xây dựng hầm đang thực hiện tại Việt Nam
Thi công hầm trong đá theo phương pháp NATM, thực hiện theo trình tự sau:
- Đào hầm theo phương pháp khoan nổ
- Xây dựng kết cấu chống đỡ (Neo, bê tông phun, khung chống thép)
Khảo sát ban đầu chuẩn bị
Thiết kế kỹ thuật
điều chỉnh thiết kế
Thực hiện
Lắp đặt hệ thống đo
An toàn
và ổn định
Kinh tế
Hoàn thành dự án
Kết thúc
điều chỉnh
thi công
Trang 15- Kiểm soat cường độ và biến dạng kết cấu chống đỡ và biến dạng vách đá xung quanh hầm, sử lý kết cấu chống đỡ tăng cường nếu cần thiết
- Sử lý nước ngầm và xây dựng vỏ hầm (sau khi đá ổn định và không còn biến dạng) 4.2.1 Đào hầm theo phương pháp khoan nổ
Phương pháp chủ đạo trong thi công hầm Đèo Ngang là khoan nổ toàn mặt cắt Công tác khoan nổ trong thi công hầm theo phương pháp NATM không khác biệt so với phương pháp thi công hầm truyền thống
Kỹ thuật nổ mìn vi sai được áp dụng theo các phương pháp Khoan cắt chu vi, khoan nổ tạo chu vi và khoan nổ làm nhẵn bề mặt đá
- Khoan cắt chu vi bao gồm một dãy lỗ khoan bao quanh chu vi đường đào và không nạp thuốc nổ trong các lỗ khoan
- Khoan nổ tạo chu vi bao gồm dãy lỗ khoan bao quanh chu vi đường đào, lỗ khoan được nạp lượng thuốc nổ nhỏ và gây nổ đầu tiên
- Khoan nổ làm nhẵn bề mặt đá bao gồm dãy lỗ khoan bao quanh chu vi đường đào được nạp lượng thuốc nổ nhỏ và được nổ sau khi nổ đợt đầu
Cả 3 phương pháp trên được thực hiện nổ thử và lựa chọn phương pháp nhằm đạt hiệu quả cao trong thi công đào hầm
4.2.2 Xây dựng kết cấu chống đỡ
Kết cấu chống đỡ cho hầm bao gồm bê tông phun, neo, khung chống thép hình kết hợp cùng làm việc như một thể thống nhất
1) Kết cấu bê tông phun
- Bê tông phun cường độ 30 Mpa, với đặc tính bắt đầu ninh kết sau 3 phút và ninh kết xong sau 7 phút được sử dụng để gia cố hầm đào
- Bê tông phun được thực hiện ngay sau mỗi bước đào, hầm có mặt cắt ngang nhỏ, trong
đá loại I và loại II cho phép thực hiện sau 2 bước đào
- Bê tông phun giữ cho bề mặt đá làm việc trong điều kiện nén 2 trục và ngăn chặn biến dạng vách đá xung quanh hầm đào
2) Kết cấu neo
Neo với cấu tạo thanh neo bằng thép, đặt trong lỗ khoan đã được bơm đầy vữa neo Loại neo, chiều dài thanh neo, sức chịu tải của neo được lựa chọn theo yêu cầu công nghệ và
đặc điểm cấu tạo địa chất khi đào hầm
- Neo đuôi nêm chịu tải tức thời với tải trọng thiết kế 4T được lắp đặt tại các vị trí đá nứt
nẻ và có khả năng rơi lở gây sập hầm
- Neo IBO, tải trọng thiết kế 25T được đặt trong điều kiện đá nứt nẻ lớn rất dễ gây sập vách lỗ khoan
- Neo SN, tải trọng thiết kế 20Tđược đặt trong điều kiện đá tốt và nguyên dạng
3) Kết cấu khung chống thép
Khung chống thép hình được sử dụng trong đá lợi IV, loại V, và loại VI Thép hình dạng H
được sử dụng, khung thép được phân đoạn chế tạo theo kích thước thiết kế
- Kết cấu chống đỡ loại IV Khung chống thép hình H 125x125 đặt cách nhau 1,2m
- Kết cấu chống đỡ loại V Khung chống thép hình H 125x125 đặt cách nhau 1,0m Phần
đỉnh vòm hầm đặt neo chống dẫn trước
4.2.3 Sử lý nước ngầm và thi công bê tông vỏ hầm
