nghiên cứu tính toán kết cấu chống đỡ tạm thời và lâu dài khi đào hầm qua vùng đất yếu, áp dụng cho hầm thủy điện văn chấn tỉnh yên bái

Trong th c t tính toán công trình b ng ph ng pháp PTHH, trình t tính toán có th khác chút ít.. Công c tính toán chính là ch ng trình máy tính.

B GIÁO D C VÀ ÀO T O B NÔNG NGHI P VÀ PTNT

PH M XUÂN DI U

NGHIÊN C U TÍNH TOÁN K T C U CH NG T M TH I

CHO H M TH Y I N V N CH N- T NH YÊN BÁI

LU N V N TH C S

HÀ N I, N M 2016

B GIÁO D C VÀ ÀO T O B NÔNG NGHI P VÀ PTNT

PH M XUÂN DI U

NGHIÊ N C U TÍNH TOÁN K T C U CH NG T M TH I

VÀ LÂU DÀI KHI ÀO H M QUA VÙNG T Y U, ÁP D NG

CHO H M TH Y I N V N CH N- T NH YÊN BÁI

Chuyên ngành: K thu t xây d ng công trình th y

Mã s : 60580202

NG I H NG D N: 1 GS.TS NGUY N CHI N

2 TS ÀO V N H NG

HÀ N I, N M 2016

i

L I CAM OAN

tài lu n v n th c s k thu t “Nghiên c u tính toán k t c u ch ng đ t m th i và lâu dài khi đào h m qua vùng đ t y u, áp d ng cho h m th y đi n V n Ch n- T nh Yên Bái” c a tác gi đã đ c Nhà tr ng giao nghiên c u theo quy t đ nh s 03/Q -HTL ngày 04 tháng 01 n m 2016 c a Hi u tr ng tr ng i h c Th y L i v vi c giao đ tài lu n v n và ng i h ng d n cho h c viên cao h c t i Hà N i đ t 1 n m

2016

Tác gi xin cam đoan đây là công trình nghiên c u c a b n thân tác gi Các k t qu nghiên c u và các k t lu n trong lu n v n là trung th c, không sao chép t b t k m t ngu n nào và d i b t k hình th c nào Vi c tham kh o các ngu n tài li u đã đ c

th c hi n trích d n và ghi ngu n tài li u tham kh o đúng quy đ nh

Hà N i, ngày tháng n m 2016

Tác gi lu n v n

Ph m Xuân Di u

ii

iii

L I C M N

Sau th i gian nghiên c u, th c hi n, tác gi đã hoàn thành lu n v n th c s k thu t

chuyên ngành xây d ng công trình th y v i đ tài: “Nghiên c u tính toán k t c u

ch ng đ t m th i và lâu dài khi đào h m qua vùng đ t y u, áp d ng cho h m th y

đi n V n Ch n- T nh Yên Bái” v i m c đích đ a ra ph ng pháp tính toán, bi n

pháp thi công khi đào h m qua vùng đ t y u…Lu n v n c ng đ a ra ví d tính toán tham kh o cho h m th y đi n V n Ch n- t nh Yên Bái

Tác gi xin bày t lòng bi t n sâu s c t i th y giáo GS.TS Nguy n Chi n, TS ào

V n H ng đã dành nhi u th i gian, tâm huy t h ng d n và cung c p thông tin c n

thi t giúp tác gi hoàn thành lu n v n t t nghi p

Tác gi xin chân thành c m n phòng ào t o đ i h c và sau đ i h c, khoa Công trình cùng các th y cô giáo tham gia gi ng d y đã t o đi u ki n, giúp đ , truy n đ t ki n

th c trong su t th i gian tác gi h c t p ch ng trình Cao h c c a tr ng i h c

th y l i, c ng nh trong quá trình th c hi n lu n v n này

Tác gi xin chân thành c m n ban lãnh đ o Vi n Th y đi n và n ng l ng tái t o -

Vi n khoa h c th y l i Vi t Nam, b n bè, đ ng nghi p và gia đình đã t o đi u ki n, giúp đ tác gi trong th i gian h c t p và th c hi n lu n v n này

Do còn h n ch v trình đ chuyên môn, c ng nh th i gian có h n, nên trong quá trình th c hi n lu n v n, tác gi không tránh kh i nh ng sai sót Tác gi mong mu n

ti p t c nh n đ c ch b o c a các th y, cô giáo và s góp ý c a các b n bè đ ng nghi p

iv

v

M C L C

DANH M C CÁC HÌNH NH ix

DANH M C CÁC B NG BI U xi

M U 1

CH NG 1: T NG QUAN V XÂY D NG NG H M TH Y CÔNG 5

1.1 Tình hình xây d ng đ ng h m th y công Vi t Nam 5

1.2 Các v n đ g p ph i khi xây d ng đ ng h m qua đo n có đ a ch t x u 7

1.3 Các nghiên c u tính toán k t c u, bi n pháp gia c , thi công đ ng h m 8

1.3.1 Các ph ng pháp thi công đào đ ng h m 8

1.3.2 Các ph ng pháp gia c , ch ng đ t m th i khi đào h m g p ph i đ a ch t y u 9

1.3.2.1 Gia c d ng treo: 9

1.3.2.2 Gia c d ng ch ng 10

1.3.2.3 Gia c v t tr c 11

1.3.3 Các nghiên c u v tính toán k t c u l p lót đ ng h m 14

1.3.3.1 Ph ng pháp c h c k t c u (tính toán vòm kín) 14

1.3.3.2 Ph ng pháp c h c v t r n bi n d ng 16

1.3.3.3 Ph ng pháp s trong tính toán l p lót đ ng h m 17

1.4 Ph m vi nghiên c u c a lu n v n 20

1.5 K t lu n Ch ng 1 21

CH NG 2: NGHIÊN C U GI I PHÁP THI CÔNG VÀ TÍNH TOÁN K T C U CH NG T M TH I KHI ÀO H M QUA VÙNG T Y U 23

2.1 Khái ni m vùng đ t y u trong thi công đ ng h m 23

2.1.1 Hi n t ng Karst 23

2.1.2 t gãy 23

2.1.3 t s t 24

vi

2.2 Các gi i pháp thi công đào h m qua vùng đ t y u 24

2.2.1 Khoan l th m dò 24

2.2.2 L a ch n bi n pháp ch ng đ 25

2.2.3 D báo các s c có th x y ra và đ ra gi i pháp 25

2.3 T i tr ng tác d ng lên đ ng h m 25

2.3.1 Các t i tr ng và t h p t i tr ng 25

2.3.2 Áp l c núi đá 26

2.3.3 L c kháng đàn tính c a đá 30

2.3.4 Các l c khác 30

2.3.4.1 Áp l c n c: 30

2.3.4.2 Áp l c ph t v a: 30

2.3.4.3 ng su t nhi t: 31

2.3.4.4 L c đ ng đ t: 31

2.4 Tính toán k t c u s n ch ng t m th i 31

2.4.1 Ph ng pháp tính toán k t c u 31

2.4.1.1 Xác đ nh ngo i l c trong ph m vi 1 vì ch ng (tr ng h p thi công) 32

2.4.1.2 Tính toán n i l c trong vì ch ng 33

2.4.1.3 L a ch n m t c t c a vì ch ng 33

2.4.2 Nghiên c u quan h gi a modun ch ng u n c a s n ch ng v i t i tr ng và kích th c h m 33

2.4.2.1 Các tài li u nghiên c u 33

2.4.2.2 Tính toán 34

2.5 K t lu n Ch ng 2 43

CH NG 3: ÁP D NG CHO H M TH Y I N V N CH N- YÊN BÁI 45

3.1 Gi i thi u công trình 45

3.1.1 V trí công trình [12] 45

vii

3.1.2 Các thông s chính 45

3.1.3 Quy mô các h ng m c công trình 47

3.2 Các thông s tính toán đ ng h m 49

3.2.1 Các thông s chính c a h m d n n c [12] 50

3.2.2 Mô t đ a ch t khu v c đ t gãy.[11] 50

3.2.3 Các ch tiêu c lý c a đ t đá khu v c đ t gãy 55

3.3 Gi i pháp đào h m qua đo n có đ a ch t x u 55

3.3.1 Tính toán s n ch ng t m th i 55

3.3.2 Bi n pháp đào h m qua vùng đ t y u 56

3.4 Tính toán k t c u l p lót cho đo n h m có đ a ch t x u 59

3.4.1 Các tr ng h p tính toán 59

3.4.2 Các l c tác d ng lên v h m t i khu v c đ t gãy 59

3.4.3 S đ l c tác d ng t i khu v c đ t gãy 60

3.4.4 Các mô hình tính toán 63

3.4.5 Ph ng pháp tính toán 65

3.4.5.1 Tính n i l c trong l p lót 65

3.4.5.1 Tính toán c t thép 65

3.4.6 K t qu tính toán 66

3.5 K t lu n Ch ng 3 67

K T LU N VÀ KI N NGH 69

1 Các k t qu đ t đ c c a Lu n v n 69

2 M t s v n đ t n t i 70

3 H ng ti p t c nghiên c u 70

TÀI LI U THAM KH O 71

PH L C TÍNH TOÁN 73

viii

ix

DANH M C CÁC HÌNH NH

Hình 1.1 Gia c d ng treo 10

Hình 1.2 Gia c d ng ch ng 11

Hình 1.3 Gia c s d ng neo v t tr c 12

Hình 1.4 Gia c s d ng giàn ng 13

Hình 1.5 Gia c s d ng ng thép ph t v a xi m ng v t tr c 14

Hình 1.6 S đ vòm khép kín [6] 15

Hình 1.7 S đ tính toán vòm khép kín [6] 15

Hình 1.8 S đ l p lót đ ng h m m t c t tròn [6] 16

Hình 1.9 S đ bi n d ng c a vòng tròn d i tác d ng c a t i tr ng th ng đ ng phân b đ u (a,b) và s đ l c tác d ng vào vòng tròn (c).[6] 17

Hình 1.10 a) M t c t đ ng h m trong môi tr ng đá không đ ng nh t 18

Hình 1.11 S đ mi n tính toán ph ng pháp ph n t biên 20

Hình 2.1: S đ tính áp l c núi đá [6] 28

Hình 2.2 S đ tính và t i tr ng tác d ng lên vì ch ng 32

Hình 2.3 V trí nghiên c u xu t n i l c 35

Hình 2.4 ng quan h gi a modun ch ng u n c a m t c t v i t i tr ng và kích th c h m ng v i Lc=0,5m 37

Hình 2.5 ng quan h gi a modun ch ng u n c a m t c t v i t i tr ng và kích th c h m ng v i Lc=0,7m 39

Hình 2.6 ng quan h gi a modun ch ng u n c a m t c t v i t i tr ng và kích th c h m ng v i Lc=1,0m 41

Hình 2.7 Quan h Wx fk, Bo khi Lc=0,7m 42

Hình 2.8 Quan h Wx Lc, Bo khi fk=0,6m 42

Hình 3.1 Bi n pháp thi công đào h m qua đ t gãy 57

Hình 3.2 M t c t ngang h m khi đào và gia c n a trên 57

Hình 3.3 M t c t ngang h m khi hoàn thi n gia c 58

Hình 3.4 M t c t ngang h m sau khi đ bê tông áo h m 58

Hình 3.5 Mô hình m t c t ngang h m khi không có s n ch ng 64

Hình 3.6 Mô hình m t c t ngang h m khi không có s n ch ng 64

Hình 3.7 V trí xu t n i l c 66

x

xi

DANH M C CÁC B NG BI U

B ng 1.1 Các nhà máy th y đi n đ ng d n 6

B ng 2.2 H s ki n c c a các lo i đ t đá [6] 27

B ng 2.4 B ng ch tiêu c lý c a đ t đá nghiên c u.[6] 34

B ng 2.5 B ng tính quan h gi a modun ch ng u n c a s n ch ng v i t i tr ng và kích th c h m ng v i các Lc=0,5m 36

B ng 2.6 B ng tính quan h gi a modun ch ng u n c a s n ch ng v i t i tr ng và kích th c h m ng v i các Lc=0,7m 38

B ng 2.7 B ng tính quan h gi a modun ch ng u n c a s n ch ng v i t i tr ng và kích th c h m ng v i các Lc=1,0m 40

B ng 3.1 Các thông s chính [12] 46

B ng 3.2 Quy mô các h ng m c công trình [12] 48

B ng 3.3 B ng th ng kê các đ c tr ng khe n t h m chính Km1+140- Km1+300 [11].51 B ng 3.4 B ng tính giá tr RMR [11] 52

B ng 3.5 B ng tính giá tr Q [11] 53

B ng 3.6 Các ch tiêu c lý c a đ t đá t i khu v c đ t gãy [12] 55

B ng 3.7 Thành ph n l c tác d ng lên v h m 60

B ng 3.8 K t qu tính toán k t c u 67

xii

1

M U

Trong th i gian qua, xây d ng thu l i - thu đi n đã phát tri n m nh m và mang l i

nh ng thành qu to l n trong s nghi p công nghi p hoá, hi n đ i hoá đ t n c Hàng

lo t d án thu l i, thu đi n l n nh đ c th c hi n cho các m c đích phát đi n, t i tiêu, c p n c dân d ng, công nghi p, c i t o môi tr ng và phòng ch ng thiên tai góp ph n phát tri n đ t n c và c i thi n đ i s ng nhân dân

ng h m th y công là m t trong nh ng h ng m c quan tr ng c a h th ng công trình th y l i, th y đi n Nhi m v c a đ ng h m ch y u là l y n c, d n n c t

h ch a, sông ngòi cho m c đích t i, phát đi n, c p n c dân d ng, công nghi p Bên c nh đó, đ ng h m th y công còn có nhi m v tháo l t h ch a, d n dòng thi công, tháo n c cho tr m th y đi n ng m ng h m th y công th ng đ c xây

d ng ng m d i đ t nên chúng có đ c đi m chung là ch u tác d ng c a áp l c đ t đá,

n c ng m t phía ngoài, th ng xuyên ch u tác đ ng c a n c t phía trong

n c ta c ng nh trên th gi i đã ti n hành xây d ng và đ a vào khai thác nhi u

đ ng h m th y công trên các h th ng th y đi n, th y nông, c p thoát n c Vi c xây d ng đ ng h m th y công r t ph c t p, không ph i đ ng h m nào c ng đ c xây d ng trên n n đá t t, mà chúng còn ph i đi qua nh ng vùng có đ a ch t x u, vùng

đ t gãy có đ i phá h y l n Trong th c t thi công đ ng h m, n u đào qua vùng đ t

t t và đ ng nh t thì có th hoàn ch nh công tác đào tr c và xây d ng l p lót hoàn

ch nh sau Khi đó l p lót là k t c u ch ng đ lâu dài Còn khi đào h m g p ph i các

đ i đá y u thì b t bu c ph i có k t c u ch ng đ t m th i đ h m không b s p và công vi c đào h m đ c an toàn Lo i k t c u ch ng đ t m này th ng là khung ch u

l c, ch a đ m nhi m ch c n ng gi m đ nhám và cách n c đ b o v kh i đá xung quanh h m Sau khi đào xong m t đo n h m có chi u dài nh t đ nh m i xây d ng l p

lót lâu dài v i đ các ch c n ng ch ng đ gi m đ nhám và ng n cách môi tr ng

n c bên trong v i kh i đá bên ngoài L p lót lâu dài đ c tính toán v i đ y đ các

l c trong quá trình làm vi c c a h m Khi tính toán ch u l c c a l p này c n ph i xét

đ n s tham gia ch u l c c a khung ch ng đ t m th i đã d ng trong khi đào

2

Nghiên c u tính toán k t c u ch ng đ t m th i và lâu dài khi đào h m qua vùng đ t

y u là nhu c u c p thi t nh m gi m th i gian thi công đào và gia c đ ng h m, an toàn trong quá trình thi công c ng nh v n hành, ti t ki m chi phí xây d ng công trình

Xác đ nh bi n pháp đào h m, ch ng đ t m th i và tính toán k t c u ch ng đ t m

th i đ đ m b o an toàn khi đào h m qua vùng đ t y u

Tính toán k t c u gia c lâu dài đ ng h m qua vùng đ t y u có xét đ n s làm vi c

c a k t c u ch ng đ t m th i

a ra bi n pháp gia c , bi n pháp thi công khi xây d ng công trình

Tính toán áp d ng cho h m th y đi n V n Ch n- T nh Yên Bái

Thu th p tài li u t công trình th c t

B trí, tính toán k t c u m t c t h m đi n hình t đó đ ra gi i pháp thi công trong quá trình xây d ng công trình

ng d ng cho công trình th c t

T ng quan v thi t k và thi công đ ng h m th y công

3

Nghiên c u t ng quát v hình d ng k t c u, bi n pháp gia c , bi n pháp thi công

đ ng h m th y công khi g p ph i các đ t gãy đ a ch t l n (xây d ng đ c bi u đ

t ng h p xác đ nh môđun ch ng u n c a thép hình làm khung ch ng ph thu c vào các y u t khác nhau)

Tính toán cho đo n h m đi qua đ t gãy h m th y đi n V n Ch n- t nh Yên Bái, xác

đ nh đ c bi n pháp thi công đào h m, tính toán xác đ nh kích th c khung ch ng và

k t c u l p lót lâu dài c a đ ng h m đ m b o đi u ki n an toàn và kinh t

4

5

CH NG 1: T NG QUAN V XÂY D NG NG H M TH Y CÔNG

Vào nh ng n m 700 tr c công nguyên m t đ ng h m d n n c đã đ c xây d ng

đ o Samosaite - Hy L p H u h t các đ ng h m c x a đ c xây d ng trên n n đá

c ng, có d ng vòm nh các hang đ ng t nhiên, không c n v ch ng đ Thi công

b ng công c thô s nh xà beng, chòong và ph ng pháp nhi t đ n gi n: đ t nóng

g ng h m, sau đó làm l nh h m b ng n c Vào cu i th i Trung C ph ng pháp thi công đã đ c ti n b h n b ng khoan tay và thu c n Vi c phát minh ra thu c n Dinamite (1866) cùng v i vi c áp d ng máy khoan đ p xoay đã t o nên b c ngo t cho xây d ng công trình ng m c ng nh xây d ng các đ ng h m th y công V t li u

v h m ch y u là đá h c v a vôi ho c v a xi m ng Mãi đ n nh ng n m 70 c a th

k 20 bê tông m i tr thành v t li u ch y u trong xây d ng công trình ng m

Trên th gi i tính đ n th p k 70 nh ng nhà máy th y đi n có đ ng h m d n n c có

th k đ n hàng nghìn, ch tính riêng Liên Xô đã xây d ng h n 30 nhà máy th y đi n

T ng chi u dài các đ ng h m th y công đã xây d ng Liên Xô tính đ n th i kì đó trên 170km

Vi t Nam, s phát tri n c a th y l i, th y đi n đã thúc đ y xây d ng đ ng h m trong h n m t th p k g n đây, đ c bi t là các công trình th y đi n i v i các khu

v c mi n núi có đ a hình d c h p, đ a ch t n n ch y u là đá g c nên r t thu n l i và

h p lý khi b trí đ ng h m d n n c trên tuy n n ng l ng đ t o c t n c áp l c cao cho nhà máy

Nhà máy th y đi n Hòa Bình đ c kh i công xây d ng 1979 khánh thành vào n m

1984 v i 8 t máy, công su t 1920MW T h p các công trình ng m trong nhà máy lên t i 14200m h m d n n c g m 8 đ ng h m v i đ ng kính D=8m, 3 h m x

n c t máy và h th ng h m thông gió, h m cáp đi n, h m ph c v thi công…

n nay trên c n c có r t nhi u các nhà máy th y đi n đ c xây d ng, trong s đó nhi u nhà máy th y đi n đ c nêu trong B ng 1.1 đã s d ng đ ng h m làm đ ng

h md n n c t h ch a v nhà máy

ng kính trong (m)

…

7

Các công trình thùy l i l n n c ta c ng s d ng đ ng h m th y công đ d n n c

v h l u, công trình d n dòng nh công trình th y l i C a t- Thanh Hóa, d án

th y l i Ngàn Tr i- Hà T nh (B=10m, dài L=240m)

Các đ ng h m th y công th ng đ c đào xuyên qua núi, đi qua nhi u vùng đ a ch t khác nhau a ch t công trình có ý ngh a quan tr ng quy t đ nh đ n vi c ch n tuy n,

v trí đ t công trình và k t c u c a nó Ngoài ra đ a ch t công trình còn quy t đ nh t i

bi n pháp thi công, ti n đ thi công, giá thành công trình Trong th c t , công tác th m

dò, xác đ nh đ a ch t c a tuy n h m không th d c theo c tuy n đ ng h m mà ch

có tính ch t đi m Bên c nh đó vi c đánh giá các ch tiêu tính toán thi t k ch d a trên các nõn khoan đ c các nhà đ a ch t khoan t trên đ nh h m xu ng do đó vi c xác đ nh, đánh giá chính xác các khu v c có đ a ch t y u gây b t l i cho công trình là không đ y đ Chính vì v y trong quá trình thi công đào đ ng h m có th g p ph i

đ a ch t x u nh ng v trí đ c đánh giá d báo tr c và c nh ng v trí không đ c

d báo tr c

Nh ng vùng có đ a ch t x u ch y u là do đ t gãy ki n t o gây nên, tùy theo lo i đ t gãy mà chi u r ng đ i phá h y, m c đ phân v n đá s khác nhau Chính đ i phá h y này s là nguyên nhân gây m t n đ nh v lún, s t tr t, th m cho công trình t gãy

ki n t o gây r i ro cho đ ng h m nhi u nh t và c ng gây t n th t nhi u nh t, k c tính m ng c a con ng i Do tiêu chu n kh o sát không yêu c u ph i xác đ nh chính xác v trí, h ng và quy mô c a đ t gãy, vì v y khi đào đ ng h m đ t gãy có th

Ph ng pháp thi công đào h m ch y u là b ng ph ng pháp khoan n , đ i v i đ ng

h m n m trong vùng có đ a ch t x u thì có th s d ng máy đào, khoan tay… nh ng

đo n có đ a ch t x u th ng đ c phân ra thành t ng khu, nên tr c khi ti n hành x

lý khu ti p theo thì ph i có th i gian ch đ đ a ch t khu đó n đ nh nên s m t nhi u

th i gian

i v i các công trình th y đi n thì ti n đ thi công đ ng h m có liên h m t thi t

v i ti n đ thi công toàn h th ng công trình th y đi n Vi c thi công đ ng h m ph i

đ c hoàn thành tr c khi xây d ng xong công trình đ u m i đ làm sao vi c tích

n c cho h ch a càng s m càng t t Khi đó vi c kéo dài th i gian thi công h m do

g p ph i đ a ch t x u là m t b t l i l n và nh h ng đ n toàn h th ng công trình

th y đi n

1.3.1 Các ph ng pháp thi công đào đ ng h m

Hi n nay trên th gi i c ng nh Vi t Nam có nhi u ph ng pháp thi công đào

đ ng h m khác nhau bao g m:

- Ph ng pháp khoan-n : s d ng máy khoan đ khoan các l trên g ng đào theo s

đ thi t k , sau đó n p thu c và kích n đ phá đá Ph ng pháp này thích h p khi đào

h m trong đá c ng

- Ph ng pháp TBM (Tunnel Boring Machine): Ch t o m t máy đào h m có d ng

nh m t m i khoan có kích th c t ng đ ng đ ng kính g ng đào Phía tr c dây chuy n là khiên đào, phía sau là các h th ng th i v t li u đào, ch ng đ vòm h m, thi

ph ng pháp này vì các đ ng h m th y đi n th ng n m sâu trong núi đá

- Ph ng pháp đào b ng máy đào: áp d ng trong đi u ki n đ a ch t m m y u Sau khi gia c đ a t ng b ng nhi u ph ng pháp, s d ng máy đào đ đào h m

1.3.2 Các ph ng pháp gia c , ch ng đ t m th i khi đào h m g p ph i đ a ch t y u

Các ph ng pháp gia c , ch ng đ t m th i khi g p đ a ch t y u trong quá trình thi công nh m nhanh chóng kh ng ch bi n d ng, đ a kh i đá v tr ng thái n đ nh ngay sau khi đào Các bi n pháp ch ng đ t m có th chia thành các d ng sau:

1.3.2.1 Gia c d ng treo:

S d ng các neo thép h ng kính k t h p bê tông phun v y

- Neo: S d ng các lo i neo có ph ng vuông góc v i v i tim tuy n h m nên th ng

g i là neo h ng kính Tác d ng c a neo là đ nâng cao ma sát gi a các l p đá v i nhau Khi h m đi qua vùng đ a ch t có các l p đá n m ngang ho c h i nghiêng, nhóm neo này s đi qua các l p đá làm cho các l p đá liên k t l i v i nhau, t ng l c ma sát

gi a các l p đá Bên c nh đó neo còn có th h n ch bi n d ng cho vùng đá xung quanh m t c t h m, ng n s suy gi m c ng đ c a vùng đá này i v i các khe h , khe n t d i tác d ng c a thép neo các m t n t s g n k t l i v i nhau nh đá toàn

kh i, hình thành vùng gia c

- Bê tông phun v y: Bê tông phun v y làm k t c u ch ng đ h m nh m t l p da

m ng nh ng có tác d ng t ng c ng s c ch ng đ Khoan c m neo h ng kính k t

h p treo l i thép và phun v y bê tông là bi n pháp truy n th ng khi gia c đ ng

h m Bê tông đ c phun lên v h m b ng máy b m chuyên d ng ch y u b ng khí nén Chi u dày c a l p bê tông phun ph thu c vào nhà thi t k và ti u chu n v phun

bê tông gia c V i h m không có l p lót gia c ch nh th thì l p bê tông phun v y

v a có tác d ng gia c v a có tác d ng gi m đ nhám trong quá trình h m làm vi c

10

1.3.2.2 Gia c d ng ch ng

S d ng các vì thép ch I t o thành m t khung ghép ho c các lo i thép hình chuyên

d ng khác đ c gi ng l i v i nhau đ ch ng gi nh m đ m b o n đ nh cho g ng đào Trong hình 1.2 là k t c u ph bi n s d ng thép hình ch I, chúng có d ng cong

ho c đa giác Kho ng gi a các vì thép và vì thép v i đá đ c l p đ y b ng bê tông

ho c phun v y xi m ng đ gia c t m th i trong quá trình thi công

Hình 1.1 Gia c d ng treo

11

1.3.2.3 Gia c v t tr c

Trong quá trình đào h m, có th g p nh ng vùng có đ a ch t m m y u, nát v n công tác đào h m đ c an toàn thì ph i áp d ng ph ng pháp gia c v t tr c, g m

ph ng pháp khoan c m neo v t tr c, giàn ng, phun v a gia c tr c

- Neo v t tr c: S d ng các lo i neo đ c b trí d c theo chu vi đào, h p v i

ph ng tuy n h m m t góc , hình thành m t vành neo ch t tr c vùng đ t đá y u

Ph ng pháp này ch áp d ng cho vùng đ t gãy có ít n c ng m, đ a t ng có tính

tr ng n y u, thích h p v i h m thi công v a và nh

Hình 1.2 Gia c d ng ch ng

12

Hình 1.3 Gia c s d ng neo v t tr c

- Giàn ng: L i d ng giá là các vòm thép, d c theo chu vi đóng các ng thép v phía

g ng đào t o thành giàn che, ch ng vùng đ t đá phía tr c g ng đào H th ng giàn

ng g m các ng có chi u dài t 10m-15m i v i đ a ch t g ng đào có tính không keo k t, đ t cát có th dùng b n thép c m b t kín, t i vùng có nhi u n c ng m thì có

th phun bê tông đ gia c vùng đ t x u Vi c đóng giàn ng s m t nhi u th i gian tuy nhiên s gi m thi u s l n l p đ t ng, gi m thi u c n tr thi công, thích h p v i

v i thi công đào m t c t l n b ng c gi i

13

Hình 1.4 Gia c s d ng giàn ng

- ng thép v t tr c và phun v a bê tông vào ng thép: i v i đ a ch t g ng đào

d ng đ t nhão ti n hành phun v a bê tông b t kín g ng đào, sau đó d c theo g ng đào đóng các ng thép ( đ u các ng có đ c l ) v phía g ng đào sau đó ph t v a

bê tông thông qua các ng thép Ch v a xi m ng đông c ng t o thành m t vùng gia

c có chi u d y nh t đ nh D i s b o v c a vành gia c , công nhân có th thi công

an toàn Vùng gia c v a có tác d ng gia c vùng đ t y u v a có tác d ng ng n ch n

n c ng m do đó ph ng pháp này v a áp d ng cho vùng đ t đá m m y u v a có th

áp d ng có vùng có nhi u m ch n c ng m

14

Hình 1.5 Gia c s d ng ng thép ph t v a xi m ng v t tr c

1.3.3 Các nghiên c u v tính toán k t c u l p lót đ ng h m

M c đích c a tính toán k t c u l p lót là xác đ nh n i l c và phân b ng su t trong

l p lót, t đó ti n hành ki m tra đi u ki n b n và b trí c t thép Bài toán xác đ nh n i

l c và ng su t trong l p lót có th gi i b ng ph ng phát c h c k t c u, ph ng phát c h c vât r n bi n d ng hay ph ng pháp s [6]

th i gian sau m i thi công ph n vòm đáy thì tr ng l ng b n thân l p lót và áp l c

15

đá núi (nh t là áp l c đá núi sinh ra trong kho ng gi a hai l n thi công vòm đ nh và vòm đáy) s do vòm cao phía trên ch u, lúc đó vòm phía trên tính theo k t c u vòm cao N u bi n pháp thi công đ m b o vòm trên và vòm đáy cùng làm vi c thì d i tác

d ng c a các l c khác nh áp l c n c bên trong và ngoài đ ng h m, l p lót s đ c tính theo k t c u khép kín trên n n đàn h i

Hình 1.6 S đ vòm khép kín [6] Hình 1.7 S đ tính toán vòm khép kín [6] Khi tính toán k t c u vòm kín th ng phân làm hai ph n: ph n trên tính toán nh m t vòm cao, ph n d i là m t vòm cong ng c (Hình 1.7)

Tính toán ph n vòm cao nh ph ng pháp đã nêu trên nh ng bi n v góc chân vòm

do các ngo i l c gây ra ( p) và bi n v góc chân vòm do mô men đ n v gây ra ( 1)

c n ph i xét đ n nh h ng c a vòm đáy

Vòm đáy đ c coi nh m t d m trên n n đàn h i, khi vòm đáy t ng đ i th p, t s

gi a chi u cao vòm v i chi u r ng chân vòm (vòm đáy) kho ng 1/10, thì có th coi vòm đáy nh d m th ng đ tính toán

Ph ng pháp này có kh i l ng tính toán r t l n G.G Zurab p và O.E Bugaêva đã

l p b ng cho nh ng m t c t có kích th c tiêu chu n đ gi m b t kh i l ng tính toán

16

1.3.3.2 Ph ng pháp c h c v t r n bi n d ng

Nhóm các ph ng pháp này d a trên l i gi i c a lý thuy t đàn h i, d o và t bi n v i

n a không gian hay n a m t ph ng có l khoét hình tròn hay hình có biên ph c t p

h n, có đ ng biên t do ho c có các vòng liên k t v i chi u dày không đ i

Ph ng pháp này d a trên các nghiên c u c a B.G.Galerkin, G.N.Xavin, G.B Côlôxôp, N.I Muxkhelisvili, X.G Lekhnhixki

tính toán l p lót đ ng h m có áp m t c t tròn, th ng s d ng s đ hình xuy n

g n k t v i l khoét hình tròn đ t trong môi tr ng đàn h i vô h n, ho c là l i gi i c a

lý thuy t đàn h i cho hình tr thành dày ch u tác d ng c a áp l c bên trong và bên ngoài

Hình 1.8 S đ l p lót đ ng h m m t c t tròn [6]

L i gi i chính xác c a lý thuy t đàn h i không cho phép thi t l p đ c các công th c tính toán khép kín đ i v i tr ng h p t i tr ng phân b trên m t ph n c a đ ng biên (ví d t i tr ng là áp l c đá núi)

Trong tr ng h p này có th s d ng l i gi i c a B.P Bođrôp và L.N.Gôrelic (1936)

L i gi i này s d ng nguyên lý th n ng c c ti u cho vòng tròn trong môi tr ng đàn

h i Gi thi t r ng khi bi n d ng c a l p lót v phía kh i đá thì ph n l c lên nó t l

v i bi n d ng (gi thi t Vinkler), ngh a là p=ku (hình 1.9a), trong đó u - thành ph n chuy n v theo h ng bán kính t i m t đi m b t k ; t - thành ph n chuy n v h ng

ti p tuy n B qua bi n d ng do các l c ngang và th ng góc gây ra, quan h gi a các thành ph n chuy n v có th vi t d i d ng:

t = −∫udϕ (1-1)

17

Tính đúng đ n c a bi u th c này có th đ c ch ng minh khi xem xét đi u ki n cân

b ng phân t l p lót abcd (hình 1.9b) khi bi n d ng

Hình 1.9 S đ bi n d ng c a vòng tròn d i tác d ng c a t i tr ng th ng đ ng phân

b đ u (a,b) và s đ l c tác d ng vào vòng tròn (c).[6]

1.3.3.3 Ph ng pháp s trong tính toán l p lót đ ng h m

Ph ng pháp s trong tính toán l p lót đ ng h m có th đ c s d ng các c p đ khác nhau:

- Tính toán l p lót cùng v i đ t đá xung quanh nh m t không gian vô h n (hình 1.10)

- Tính toán l p lót nh m t khung kín v i các ngo i l c đã bi t xác đ nh n i l c

- R i r c hóa mi n tính toán: Mi n xác đ nh đ c chia thành các ph n t Trong gi i

h n c a s đ tính toán có th bao g m các d ng ph n t khác nhau Ví d nh s đ tính toán cho đ ng h m và kh i đá bao quanh (hình 1.10a) đ c chia thành các ph n

t ph ng hình t giác và tam giác (hình 1.10b) S l ng và d ng ph n t s d ng

18

đ c xác đ nh b i m c đích tính toán và yêu c u đ chính xác c a k t qu , c ng nh

kh n ng có th - dung l ng b nh , n ng l c c a h th ng tính toán, các tham s c a

ch ng trình máy tính s đ c s d ng cho tính toán C n chú ý là vi c chia mi n xét thành các ph n t ch là bi n pháp tính toán mà th ng thì không mang ý ngh a v t lý nào

Hình 1.10 a) M t c t đ ng h m trong môi tr ng đá không đ ng nh t

s trên toàn ph n t

- Xác đ nh tính ch t c a các ph n t : Sau khi đ xu t mô hình ph n t h u h n c a đ i

t ng xét, có th s d ng m t trong các nguyên t c nêu trên đ xác đ nh bi u th c mô

t m i ph n t Các bi u th c này đ c vi t d i d ng ma tr n

- L p ráp h các ph n t : th c hi n tính toán c n ph i t p h p các ph n t riêng r vào m t h duy nh t Nói cách khác, các bi u th c ma tr n xác đ nh tính ch t c a h các ph n t c n ph i t o l p quan h chung xác đ nh tính ch t c a h các ph n t Các

bi u th c ma tr n cho h các ph n t có cùng m t d ng nh là m t ph n t riêng r ,

- Các d ng tính toán b sung: Sau khi gi i h ph ng trình có th th c hi n các tính toán b sung đ nh n đ c các thông s ph thu c vào các bi n s chính Trong tính toán công trình, các bi n s chính là tr s chuy n v c a các nút d i tác d ng c a t i

tr ng ng su t các ph n t có th đ c xác đ nh t tr s các chuy n v nút đã bi t Trong th c t tính toán công trình b ng ph ng pháp PTHH, trình t tính toán có th khác chút ít Công c tính toán chính là ch ng trình máy tính Các ph n m m tính toán s d ng ph bi n hi n nay nh : SAP2000, ANSYS…

b Ph ng pháp ph n t biên

Ph ng pháp PTHH không ph i là ph ng pháp duy nh t cho phép nh n đ c l i gi i

g n đúng c a các bài toán g p trong th c t

Ph ng pháp các ph ng trình tích phân biên đã đ c ng d ng r ng rãi trong nh ng

n m g n đây trong vi c tính toán công trình trên máy tính B n ch t c a ph ng pháp

n m khái ni m bài toán biên đ i v i các ph ng trình vi phân d n đ n ph ng trình tích phân theo biên c a mi n hay m t ph n c a nó

i v i các bài toán c h c môi tr ng liên t c; ph ng trình vi phân biên có d ng sau:

20

Trong đó: P và Q là các đi m trên biên c a mi n R, Tij, uij là tenxo b c hai t ng ng

c a các chuy n v pháp tuy n và ti p tuy n do 3 t i tr ng đ n v tr c giao sinh ra trong

v t th đàn h i và là hàm c a kho ng cách gi a các đi m P, Q và háng s đàn h i c a môi tr ng, uj là chuy n v pháp tuy n c a biên, ti là chuy n v ti p tuy n trên biên

21

tính toán nh hình 1-10 là không thích h p Do đó bài toán quy v tính toán n i l c trong h thanh (khung kín) khi bi t các ngo i l c tác d ng Ph n m m tính toán đ c

ch n t ng ng là SAP2000

Trong tính toán phân bi t các giai đo n sau:

- Tính k t c u ch ng đ t m th i trong thi công

- Tính toán k t c u l p lót làm vi c lâu dài v i s đ :

b ng m i thay th tr ng thái cân b ng c đã b phá h y

i v i đ ng h m đào trong đ t đá y u thì mô hình l p lót cùng làm vi c v i đ t đá xung quanh là không phù h p Do đó lu n v n ch n h ng tính toán n i l c trong khung ch ng đ t m th i và trong l p lót lâu dài d i tác d ng c a ngo i l c đã bi t

Hi n nay có nhi u ph ng pháp đ tính toán n i l c trong k t c u nói chung và l p lót

đ ng h m nói riêng V i k t c u khung kín có các c nh cong nh v i l p lót đ ng

h m thì thích h p nh t là áp d ng ph ng pháp ph n t h u h n, ph n m m đ c

ch n đ tính là SAP2000

22

23

CH NG 2: NGHIÊN C U GI I PHÁP THI CÔNG VÀ TÍNH TOÁN

K T C U CH NG T M TH I KHI ÀO H M QUA VÙNG T

Y U

Khi thi công đ ng h m g p ph i m t s vùng đ a ch t đ t bi t b t l i cho vi c thi công đ ng h m: nh hang đ ng, vùng đ t s t, vùng đ a t ng r i r c… trong quá trình đào, ch ng đ , thi công v h m và nhi u nguyên nhân khác có th gây ra s t l đ t đá,

h m bi n d ng làm h ng che ch ng, k t c u h m b n t v Sau đây là m t s đ a ch t

y u hay g p khi thi công đ ng h m:

2.1.1 Hi n t ng Karst

ây là hi n t ng đá b hòa tan t o thành hang đ ng Nham th ch b hòa tan g m có:

đá vôi, đá hoa, th ch cao, đá mu i…b tác d ng c gi i, hóa h c c a n c sinh ra v t

n t, th i gian lâu dài hình thành hang đ ng, m t đ t đá phát sinh h m, h và m t s

hi n t ng l i lõm khác Mi n B c và mi n Trung n c ta có di n tích phân b đá vôi

r t r ng, th ng hay g p hang đ ng Khi đào h m xuyên qua vùng đá hòa tan, có n i

đá v v n, r t d sinh s t l Có n i hang đ ng n m d i đ ng h m làm cho vi c x

lý đáy h m r t khó kh n Có n i g p các hang đ ng đã ch a đ y n c tr thành các túi

n c, khi đào đ n mép c a chúng, n c s tuôn trào không ng ng vào đ ng h m, r t khó kh n đ ng n ch n, th m chí làm cho m t đ t n t v , lún s t, áp l c kh i đ t đá trên núi t ng đ t ng t Có n i sông ng m u n l n quanh co ph c t p, x lý r t khó

kh n

2.1.2 t gãy

t gãy là s n ph m c a s phá h y ki n t o có s d ch chuy n c a đ t đá trong v trái đ t do chuy n đ ng ki n t o gây ra t gãy có các y u t chính:

- M t đ t gãy là m t phá h y, theo đó đ t đá hai bên m t s d ch chuy n t ng đ i

- ng đ t gãy là giao tuy n c a m t đ t gãy v i m t đ a hình, là đ ng th hi n đ t gãy trên b n đ đ a ch t

- Góc c a m t đ t gãy là góc h p thành c a m t đ t gãy v i m t ph ng n m ngang

24

- H ng d ch chuy n c a đ t gãy

- Biên đ d ch chuy n c a đ t gãy là kho ng cách xê d ch c a l p đ t đá

C n c theo h ng d ch chuy n t ng đ i, phân chia ra các lo i đ t gãy chính: đ t gãy thu n, đ t gãy ngh ch và đ t gãy b ng Ngoài ra còn c n c theo m i t ng quan

v i các c u trúc đ a ch t khác nhau, theo đ sâu v trái đ t đ phân chia nhi u lo i đ t gãy: đ t gãy d c, đ t gãy c t chéo, đ t gãy sâu, đ t gãy rìa t gãy b ng còn đ c phân bi t là đ t gãy b ng quay ph i, đ t gãy b ng quay trái

Quy mô c a đ t gãy thay đ i t vài mét đ n hàng ch c, hàng ngàn km Biên đ d ch chuy n c a l p đá ngay trong đ t gãy c ng thay đ i t m y ch c cm đ n m y ngàn mét theo chi u th ng đ ng và d ch chuy n ngang t m y ch c cm t i hàng tr m km

Do nh h ng c a s d ch chuy n, đ t đá trong ph m vi đ t gãy b chèn ép, th m chí

b nát v n và b phong hóa b r i a s các nghiên c u cho th y trong vùng đ t gãy,

m m y u gi m xu ng r t nhanh, do đó phát sinh tr t đ t đá

2.2.1 Khoan l th m dò

Khi chu n b đào h m qua vùng đ a ch t y u d ki n theo tài li u kh o sát đ a ch t thì

ti n hành khoan m t l khoan th m dò có đ sâu kho ng 10m ti n tr c g ng h m đ

bi t đ c ch t l ng kh i đá tr c đó nh th nào T ch t l ng kh i đá th m dò ta

ti n hành ch n bi n pháp gia c h p lý và tiêu n c ng m (n u có) Trong tr ng h p vùng đ t y u không đ c d báo tr c trong quá trình kh o sát đ a ch t thì trong quá

25

trình thi công khi có d u hi u đ t đá y u, nhà th u ph i d ng thi công ti n hành khoan

th m dò đ đ m b o đ c tính an toàn cao và gi m thi u t i đa s c có th x y ra khi đào h m qua vùng đ t y u

2.2.2 L a ch n bi n pháp ch ng đ

Nguyên nhân chính d n đ n các s c đó là k t c u gia c không đ kh n ng ch u t i làm gi m ti n đ thi công khi đào h m qua vùng đ t y u Do đó vi c l a ch n bi n pháp ch ng đ t m th i là y u t quy t đ nh đ n ti n đ thi công đào đ ng h m, k t

c u ch ng đ s t ng ng v i ph ng pháp đào và lo i đ a ch t khu v c vùng đ t

y u

có đ c bi n pháp ch ng đ h p lý, hi u qu c n k t h p nhi u ph ng pháp tính toán khác nhau đó là ph ng pháp gi i tích, ph ng pháp s , kinh nghi m c a nhà

th u thi công Trong thi công đào đ ng h m qua vùng đ t y u, vi c l a ch n bi n pháp ch ng đ h p lý luôn đòi h i tính linh ho t cao trong thi công và qu n lý B i

th c t thi công m i xác đ nh chính xác nh t yêu c u gia c c a kh i đá đ đ a ra bi n pháp ch ng đ h p lý, trong khi đó ng i qu n lý chu n b , l p k ho ch v nhân l c, thi t b máy móc đ gi i quy t bài toán ch ng đ

2.2.3 D báo các s c có th x y ra và đ ra gi i pháp

Trong quá trình thi công đào đ ng h m qua vùng đ t y u, m c dù đã đ a ra các gi i pháp phòng ng a h p lý nh ng các s c v n có kh n ng x y ra Do đó đ làm gi m thi u s m r ng vùng nh h ng c a chúng c n thi t ph i có các d báo tr c v m t

s s c th ng g p nh : s t l g ng đào, s t l g ng kèm theo n c ch y vào, phá

h y t i m t n n, n c ch y vào đ ng h m, lún b m t…t ng ng v i t ng s c là các bi n pháp x lý c th T đó có th ti n hành thi công đào đ t đá h m theo nh ng

ph ng pháp khác nhau nh đào toàn g ng, đào n a g ng, đào theo b c thang…

26

T i tr ng th ng xuyên tác d ng trong su t th i gian t n t i c a đ ng h m Các t i

tr ng t m th i đ c tr ng cho t ng th i k xây d ng hay khai thác đ ng h m

Vi c tính toán l p lót c n đ c ti n hành v i các t h p t i tr ng khác nhau T h p

t i tr ng c b n bao g m các t i tr ng th ng xuyên, các t i tr ng t m th i dài h n và

ng n h n

T h p t i tr ng đ c bi t bao g m các t i tr ng th ng xuyên, các t i tr ng t m th i dài h n, m t s t i tr ng t m th i ng n h n và m t t i tr ng đ c bi t ( ví d l c do

đ ng đ t, l c do n phá…), t h p t i tr ng trong thi công, s a ch a Ngoài các t i

tr ng nêu trên còn xét đ n t i tr ng do thi t b máy móc thi công, n phá, t i tr ng

ph t v a… Trong tính toán c n d ki n các t h p l c b t l i nh t trong t ng th i k : xây d ng, khai thác hay s a ch a

H s l ch t i khi tính toán l p lót đ ng h m v đ b n và n đ nh (tr ng thái gi i

h n th nh t) l y theo b ng 2.1 Khi tính toán theo tr ng thái gi i h n th hai, các h

Áp l c núi đá đ c tính theo ph ng pháp cân b ng t nhiên do Prôtôđiacan p đ

x ng Theo đó đá núi đ c xem nh là m t th r i quy c, h s kiên c là fk Tr