Nghiên cứu giải pháp xử lý khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu

Mục tiêu nghiên cứu Tổng kết, đánh giá công tác đào hầm, qua đó thấy được những hạn chế đối với các giải pháp khi đào hầm qua vùng địa chất xấu Đưa ra giải pháp khi đào hầm qua vùng địa

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM VÀ CÁC SỰ CỐ HAY XẢY RA KHI ĐÀO HẦM 4

1.1 Tổng quan về đường hầm ở Việt Nam 4

1.1.1 Khái niệm và phân loại về đường hầm thủy lợi, thủy điện 4

1.1.2 Hình thức mặt cắt ngang của đường hầm 7

1.1.3 Các yếu tố quyết định đến an toàn và chất lượng đường hầm 9

1.2 Các sự cố hay xảy ra khi đào hầm 9

1.2.1 Một số ví dụ về sự cố khi thi công đường hầm ở Việt Nam 9

1.2.2 Các sự cố hay xảy ra khi đào hầm 13

1.2.3 Ảnh hưởng của sự cố khi đào hầm 14

1.3 Kết luận chương 1 15

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN SẠT TRƯỢT VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ KHI ĐÀO ĐƯỜNG HẦM 16

2.1 Nguyên nhân sạt trượt khi đào hầm 16

2.1.1 Địa chất công trình 16

2.1.2 Chất lượng hồ sơ khảo sát thiết kế 18

2.1.3 Tay nghề và chất lượng của nhà thầu thi công 18

2.1.4 Công tác quản lý và giám sát 18

2.2 Lý thuyết về các giải pháp xử lý khi đào hầm qua vùng địa chất xấu 19

2.2.1 Áp lực đá lên hệ chống đỡ công trình ngầm 19

2.2.2 Phân tích quan hệ đá – hệ chống đỡ (Lời giải của Ladanyi) 24

2.2.3 Các giải pháp gia cố và chống đỡ theo phương pháp NATM 35

2.2.4 Phương pháp đánh giá chất lượng đá 38

2.2.5 Biến dạng và ứng suất ban đầu khi đào hầm 43

2.3 Giải pháp xử lý khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu 47

2.3.1 Các phương pháp thi công đào đường hầm 47

2.3.2 Giải pháp xử lý khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu 48

2.3.3 Giải pháp xử lý khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu - hầm bị sạt 56 2.3.4 Giải pháp gia cố vĩnh cửu cho đoạn hầm đi qua vùng địa chất xấu 56

2.4 Kết luận chương 2 63

CHƯƠNG 3 : GIẢI PHÁP XỬ LÝ KHI ĐÀO ĐƯỜNG HẦM QUA VÙNG ĐỊA CHẤT XẤU THỦY ĐIỆN BẢO LỘC 64

3.1 Giới thiệu về công trình thủy điện Bảo Lộc 64

3.1.1 Vị trí và nhiệm vụ công trình 64

3.1.2 Quy mô các hạng mục công trình 64

3.2 Giải pháp xử lý khối sạt đường hầm thủy điện Bảo Lộc 69

3.2.1 Đặt vấn đề 69

3.2.2 Giải pháp xử lý để đào khối sạt 71

3.2.3 Tính toán kết cấu gia cố tạm và các giải pháp chi tiết để đào khối sạt 71

3.3 Giải pháp kết cấu vỏ hầm cho đoạn địa chất xấu 95

3.4 Kết luận chương 3 100

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

PHỤ LỤC 107

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các hình thức mặt cắt ngang đường hầm không áp 8

Hình 1.2 Các hình thức mặt cắt ngang đường hầm có áp 8

Hình 1.3 Sạt gương hầm tại K0+16 thủy điện Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng 10

Hình 1.4 Sạt gương hầm tại K3+640 thủy điện Buôn Kuôp, tỉnh Đăk Lăk 10

Hình 1.5 Sạt gương hầm tại K0+56 thủy điện Sông Giang 2, tỉnh Khánh Hòa 11

Hình 1.6 Sạt gương hầm tại K1+50 thủy điện Đồng Nai 3 tỉnh Đăk Nông 11

Hình 1.7 Nước ngầm tại K1+50 thủy điện Sông Bung 2 tỉnh Quảng Nam 12

Hình 1.8 Nước ngầm tại hầm dẫn dòng thủy điện Sông Bung 2 tỉnh Quảng Nam 12

Hình 2.1 Quan hệ giữa cường độ kháng nén của khối đá và ứng suất ban đầu 17

Hình 2.2 Trạng thái đơn trục 19

Hình 2.3 Biến dạng của đỉnh vòm 20

Hình 2.4 Tập trung ứng suất 20

Hình 2.5 Trượt tường hầm 20

Hình 2.6 Vùng biến dạng trên đỉnh 21

Hình 2.7 Diễn biến quá trình Đào – Chống đỡ 23

Hình 2.8 Mối quan hệ giữa đá và hệ chống đỡ 23

Hình 2.9 Dạng hình học và trạng thái ứng suất của đường hầm tiết diện tròn 25

Hình 2.10 Tiêu chuẩn phá hủy của khối đá nguyên dạng và đá trong vùng phá hủy 25

Hình 2.11 Biểu đồ ứng suất và biến dạng của đá quanh đường hầm 28

Hình 2.12 Nêm đá rơi và trượt khỏi mặt gương đào 33

Hình 2.13 Neo gia cố ổn định vòm đá 35

Hình 2.14 Đường cong chuyển vị đá 36

Hình 2.15 Phản ứng của hệ thống gia cố theo chuyển vị của tường hầm 38

Hình 2.16 Biểu đồ phân loại đá theo phương pháp Lauffer 40

Hình 2.17 Quan hệ giữa biến dạng và ứng suất bản thân ban đầu của đường hầm 44

Hình 2.18 Các biện pháp đào phá mặt gương 45

Hình 2.19 Hình thức gia cố hầm bằng phun bê tông 50

Hình 2.20 Hình thức gia cố hầm bằng phun bê tông + neo đá 52

Hình 2.21 Hình thức gia cố hầm bằng khung chống 55

Hình 2.22 Sơ đồ tính áp lực núi đá [1] 59

Hình 3.1: Cắt dọc đường hầm thủy điện Bảo Lộc 68

Hình 3.2: Cắt ngang đường hầm thủy điện Bảo Lộc 68

Hình 3.3 Cắt dọc khối sạt đường hầm 69

Hình 3.4 Chính diện khối sạt nhìn từ mặt gương 70

Hình 3.5 Khối sạt nhìn từ đỉnh mặt đất tự nhiên 70

Hình 3.6 Đường cong đặc tính chuyển vị của khối đất đá sạt 73

Hình 3.7 Đường cong đặc tính của khối đá và áp lực chống đỡ 73

Hình 3.8 Cắt dọc xử lý bước 1 75

Hình 3.9 Mặt khối sạt sau khi xử lý bước 1 75

Hình 3.10 Cắt dọc bố trí khoan phụt cứng hóa khối sạt bước 2 78

Hình 3.11 Khoan phụt cứng hóa khối sạt từ trên đỉnh hầm 78

Hình 3.12 Mô hình cắt ngang đường hầm 80

Hình 3.13 Ứng suất ban đầu khu vực hầm trước khi đào 80

Hình 3.14 Chuyển vị hầm khi đào toàn tiết diện 81

Hình 3.15 Ứng suất hầm khi đã được gia cố khung chống thép hình 81

Hình 3.16 Các giai đoạn đào phá một mặt gương 83

Hình 3.17 Chuyển vị hầm khi đào giai đoạn 1 83

Hình 3.18 Chuyển vị hầm đào giai đoạn 2 U=3,85cm 84

Hình 3.19 Chuyển vị hầm khi đào giai đoạn 3 U=3,0cm 84

Hình 3.20 Chuyển vị hầm khi đào giai đoạn 4 84

Hình 3.21 Ứng suất hầm khi đào giai đoạn 1/bước 1 85

Hình 3.22 Mô hình thép neo vượt trước 87

Hình 3.23 Chuyển vị hầm khi có neo vượt trước 87

Hình 3.24 Mô hình tính toán neo vượt trước 89

Hình 3.25 Chuyển vị dọc hầm khi không gia cố, bước đào 1m 89

Hình 3.26 Chuyển vị dọc hầm khi có gia cố neo vượt trước bước đào 1m 90

Hình 3.27 Ứng suất trong thép neo vượt trước, bước đào 1m 90

Hình 3.28 Cắt dọc đào và gia cố khối sạt 91

Hình 3.29 Mô hình tính toán khung chống thép hình H150, Bê tông M200 dày 15cm 93 Hình 3.30 Kết quả chuyển vị của hệ gia cố tạm 93

Hình 3.31 Kết quả ứng suất Smax, Smin trong khung chống thép hình 94

Hình 3.32 Kết quả ứng suất Smax, Smin trong bê tông chèn M200 dày 15cm 94

Hình 3.33 Mô hình tính toán vỏ hầm khi có xét đến gia cố tạm 96

Hình 3.34 Mô hình tính toán vỏ hầm khi không xét đến gia cố tạm 96

Hình 3.35 Mô hình tính toán vỏ hầm khi có xét đến gia cố tạm 97

Hình 3.36 Ứng suất theo phương x –Sxx(kN/m2) 107

Hình 3.37 Ứng suất theo phương y –Syy(kN/m2) 107

Hình 3.38 Ứng suất theo phương x –Sxx(kN/m2) 108

Hình 3.39 Ứng suất theo phương y –Syy(kN/m2) 108

Hình 3.40 Ứng suất theo phương x –Sxx(kN/m2) 109

Hình 3.41 Ứng suất theo phương y –Syy(kN/m2) 109

Hình 3.42 Ứng suất theo phương x –Sxx(kN/m2) 110

Hình 3.43 Ứng suất theo phương y –Syy(kN/m2) 110

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các đường hầm thủy lợi - thủy điện đã xây dựng ở Việt Nam trong khoảng

20 năm trở lại đây 6

Bảng 2.1 Phân loại nhóm đá theo Bieniawski 41

Bảng 2.2 Các khối đá được phân loại theo phương pháp “Hệ thống Q” 43

Bảng 2.3 Hệ số lệch tải khi tính toán lớp lót đường hầm [9] 57

Bảng 2.4 Hệ số kiến cố của các loại đất đá [9] 58

Bảng 2.5 Bảng tra trị số Ka [1] 60

Bảng 3.1 Các thông số công trình thủy điện Bảo Lộc 67

Bảng 3.2 Chỉ tiêu, đặc tính của khối sạt và hiện trạng thi công như sau: 71

Bảng 3.3 Chỉ tiêu cơ lý của vùng ảnh hưởng như sau: 71

Bảng 3.4 Chỉ tiêu cơ lý khối sạt trước và sau khoan phụt 77

Bảng 3.5 Chỉ tiêu cơ lý của khối đất đá sạt trước và sau khi được gia cố 91

Bảng 3.6 Trường hợp, tổ hợp và các lực tác dụng lên vỏ hầm trong tính toán 97

Bảng 3.7 Kết quả tính toán nội lực và cốt thép vỏ hầm 99

Bảng 3.8 Bảng so sánh giải pháp xử lý đào hầm thực tế trước đây 101

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

ĐHTL Đại học Thủy lợi

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài

Trong thời gian qua, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành thủy lợi - thủy điện, ở nước

ta đã tiến hành xây dựng và đưa vào khai thác nhiều loại đường hầm thủy công trên các hệ thống thủy điện, thủy lợi, thủy nông, cấp thoát nước Trong thiết kế và xây dựng các đường hầm thủy công đã cập nhật và áp dụng có kết quả nhiều kinh nghiệm cũng như công nghệ tiên tiến của thế giới

Đường hầm thủy công là một dạng công trình thủy đặc biệt được xây dựng bằng cách đào trong đất, đá núi và dùng để dẫn nước, tháo nước phục vụ cho những mục đích khác nhau Việc thiết kế và xây dựng đường hầm thủy công đòi hỏi các kiến thức về công trình ngầm (đào và gia cố vỏ hầm trong đất, đá) và công trình thủy, tức công trình chịu tác dụng trực tiếp của nước từ cả phía trong và phía ngoài

Tuy nhiên do các đường hầm nằm sâu dưới đất nên công tác khảo sát như thu thập bình đồ địa chất khu vực, khoan dọc tuyến đường hầm, địa vật lý cũng không đánh giá hết được điều kiện địa chất phức tạp của đường hầm để có giải pháp thiết kế và thi công phù hợp

Mặt khác, trình độ thiết kế và thi công hầm ở nước ta tuy đã có bước tiến đáng kể so với trước kia, song việc đào hầm qua vùng địa chất xấu vẫn là vấn đề cần quan tâm đặc biệt để tránh những sự cố đáng tiếc dẫn đến tổn thất về người và tài sản Tồn tại lớn nhất hiện nay là các đơn vị thiết kế và thi công thường chưa chủ động trong việc xác định vị trí của các vùng này mà chỉ khi xảy ra sự cố mới dừng lại để đưa ra các giải pháp khắc phục dẫn đến bị động đối phó và chịu những tổn thất không đáng có, cũng như làm chậm tiến độ thi công

Xem xét trình tự khảo sát, thiết kế các đường hầm phổ biến ở nước ta hiện nay có thể thấy:

- Ở phần lớn các đường hầm thường chỉ khoan khảo sát tại các vị trí cửa vào, cửa ra

và cục bộ trên tuyến đường hầm Các đới địa chất, đường mặt đá được lập và nối

với nhau dựa trên các hố khoan địa chất Các vùng địa chất xấu hoặc đứt gẫy được xác định dựa trên địa hình, địa mạo, do đó không thể chuẩn xác về vị trí, kích thước, chỉ tiêu cơ lý

- Đối với các đường hầm có quy mô lớn, giá trị đầu tư cao thì trước khi khoan thường tiến hành khảo sát địa vật lý, tuy vậy kết quả địa vật lý cũng không mô tả chính xác kích thước của các vùng địa chất xấu, trong khi đó do hạn chế về mặt tài chính số lỗ khoan cũng phải giới hạn

- Hiểu biết về địa chất dọc tuyến hầm bị hạn chế bởi kết quả khảo sát, trong khi đó giải pháp thiết kế để đào hầm qua vùng địa chất xấu lại phụ thuộc vào kết quả khảo sát

Thông thường, để tránh tụt nóc, sạt gương hoặc vách, khi đào hầm qua các vùng địa chất xấu có thể áp dụng các biện pháp như sử dụng neo vượt trước, dùng khung chống, khoan phụt đông cứng hóa mặt gương v.v Trường hợp không kịp gia cố để hầm bị sạt thì phải chặn chân khối sạt, chống đỡ để ổn định nóc và vách hầm sau đó áp dụng các biện pháp như trên để đào tiếp Nguyên lý chung thì như vậy, nhưng áp dụng biện pháp nào và cụ thể như thế nào thì phải căn cứ vào tình hình địa chất cụ thể, so sánh về mặt kinh tế và xem xét về khả năng thi công và thiết bị hiện có của nhà thầu

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tổng kết, đánh giá công tác đào hầm, qua đó thấy được những hạn chế đối với các giải pháp khi đào hầm qua vùng địa chất xấu

Đưa ra giải pháp khi đào hầm qua vùng địa chất xấu, giải pháp khắc phục và đào tiếp khi xảy ra sự cố tụt nóc, sạt gương hoặc vách Các giải pháp gia cố cho hầm

Đề xuất, chọn giải pháp khi đào hầm qua vùng địa chất xấu của đường hầm thủy điện Bảo Lộc

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

3.1 Cách tiếp cận:

- Tiếp cận toàn diện, hệ thống, thực tiễn tổng hợp: Có rất nhiều nhân tố tự nhiên, con

người, máy móc ảnh hưởng tới công tác thi công hầm như cường độ của đá, hệ thống và chiều rộng khe nứt, chỉ tiêu cơ lý của đá, hệ thống và lưu lượng nước ngầm, thế nằm của đá, hệ số kiên cố của đá, máy khoan đào, máy khoan gia cố, vật liệu gia cố v.v Do vậy để đạt được mục tiêu của đề tài đòi hỏi phải xem xét tiếp cận các vấn đề nghiên cứu một cách toàn diện, hệ thống, thực tiễn và tổng hợp

- Cách tiếp cận từ tổng thể đến chi tiết: Xem xét nghiên cứu từ tổng thể đến các giải pháp cụ thể áp dụng cho công trình

- Cách tiếp cận kế thừa, chọn lọc kinh nghiệm tri thức đã có liên quan đến đề tài: Vấn đề nghiên cứu các giải pháp thiết kế xử lý đã có nhiều nghiên cứu cả ở trong

và ngoài nước, luận văn sẽ kế thừa chọn lọc các kinh nghiệm từ các công trình nghiên cứu đã có

3.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập tài liệu;

- Phương pháp kế thừa và chọn lọc các nghiên cứu trước đây có liên quan đến đề tài;

- Phương pháp tính toán lý thuyết;

- Phương pháp tham vấn chuyên gia

3.3 Dự kiến kết quả đạt được

- Đưa ra giải pháp khi đào hầm qua vùng địa chất xấu

- Đưa ra giải pháp khắc phục khi xảy ra sự cố tụt nóc, sạt gương hoặc vách và đào tiếp

- Áp dụng cụ thể cho đường hầm thủy điện Bảo Lộc

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM VÀ CÁC SỰ CỐ HAY

XẢY RA KHI ĐÀO HẦM

1.1 Tổng quan về đường hầm ở Việt Nam

1.1.1 Khái niệm và phân loại về đường hầm thủy lợi, thủy điện

1.1.1.1 Công trình ngầm

Định nghĩa: công trình ngầm là công trình nhân tạo, xây dựng dưới mặt đất nhằm phục

vụ cho các mục đích khác nhau của con người

Phân loại: Công trình ngầm có các dạng: Thẳng đứng, nằm ngang, nằm xiên

1.1.1.2 Đường hầm

Định nghĩa: Đường hầm là dạng phổ biến nhất của công trình ngầm được bố trí nằm ngang, thẳng đứng hoặc nghiêng, có chiều dài lớn hơn nhiều so với các kích thước còn lại, được xây dựng nhằm mục đích giao thông, thủy lợi, thủy điện, cấp thoát nước, bố trí các mạng lưới hạ tầng kĩ thuật của thành phố

Phân loại đường hầm:

b Phân theo địa hình và khu vực xây dựng công trình:

- Hầm qua đồi, núi

1.1.1.3 Quá trình xây dựng đường hầm ở Việt Nam

Công trình thủy điện Hòa Bình được khởi công năm 1979 với nhà máy ngầm đặt trong đường hầm, là một trong những đường hầm được xây dựng đầu tiên của Việt Nam sau ngày đất nước giải phóng Trong thời gian qua, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành thủy lợi - thủy điện, ở nước ta đã tiến hành xây dựng và đưa vào khai thác nhiều loại đường hầm thủy công trên các hệ thống thủy lợi, thủy điện, cấp thoát nước Trong thiết kế và xây dựng các đường hầm thủy công đã cập nhật và áp dụng có kết quả nhiều kinh nghiệm cũng như công nghệ tiên tiến của thế giới

Bảng thống kê các công trình đường hầm thủy lợi - thủy điện đã được xây dựng ở Việt Nam trong khoảng 20 năm trở lại đây [1]:

Bảng 1.1 Các đường hầm thủy lợi - thủy điện đã xây dựng ở Việt Nam trong khoảng

20 năm trở lại đây

TT Tên công trình Tỉnh Công suất lắp

máy (MW)

Chiều dài hầm (km)

Đường kính trong hầm (m)

1.1.2 Hình thức mặt cắt ngang của đường hầm

Có rất nhiều dạng mặt cắt ngang của đường hầm, kích thước mặt cắt ngang phụ thuộc vào: Nhu cầu khai thác, điều kiện vận hành, điều kiện thi công, điều kiện địa chất và được lựa chọn dựa trên so sánh kinh tế kỹ thuật

Các đường hầm không áp thường sử dụng dạng chữ U ngược có thay đổi bán kính ở trên vòm để giảm khối lượng đào

Các đường hầm có áp ở Việt Nam chủ yếu sử dụng hai loại mặt cắt ngang chính là hình tròn (giai đoạn đào hình móng ngựa) và hình chữ U ngược

- Mặt cắt hình tròn có ưu điểm là chịu lực tốt, tổn thất thủy lực nhỏ, giá thành thấp tuy nhiên khó thi công Nó thường được áp dụng với những đường hầm lớn có đường kính trong lớn hơn 5m

- Mặt cắt hình chữ U ngược có ưu điểm là dễ thi công, dễ vận hành nhưng có nhược điểm là tổn thất lớn Nó thường được áp dụng với những đường hầm nhỏ mà khó làm hình tròn được

Hình 1.1 Các hình thức mặt cắt ngang đường hầm không áp

Hình 1.2 Các hình thức mặt cắt ngang đường hầm có áp

1.1.3 Các yếu tố quyết định đến an toàn và chất lượng đường hầm

Các yếu tố quyết định đến an toàn và chất lượng đường hầm:

- Công tác khảo sát: Bao gồm khảo sát địa hình, khảo sát địa chất (khoan, đào, địa vật lý .) Công tác khảo sát rất quan trọng vì nếu khảo sát đánh giá sai về điều kiện địa hình, địa chất công trình, địa chất thủy văn, các khu vực địa chất xấu, các chỉ tiêu cơ lý của đất đá v.v sẽ dẫn tới công tác thiết kế không đúng với điều kiện thực tế Do đó công tác khảo sát đường hầm cần phải đạt độ chính xác cao

- Công tác thiết kế: Nếu công tác khảo sát đúng mà các giải pháp thiết kế sai thì sẽ ảnh hưởng tới chất lượng đường hầm, do đó công tác thiết kế yêu cầu phải chuẩn xác, đặc biệt là có các giải pháp phù hợp với khu vực địa chất xấu

- Công tác thi công: Cần được thực hiện theo đúng hồ sơ thiết kế được duyệt

- Công tác giám sát: Công tác giám sát cần được giám sát để nhà thầu thực hiện công tác đào, gia cố theo đúng hồ sơ thiết kế, thi công theo đúng hộ chiếu nổ mìn và biện pháp thi công đã được phê duyệt

- Công tác duy tu bảo dưỡng: Công tác kiểm tra duy tu bảo dưỡng được thực hiện trong quá trình vận hành, theo định kỳ, phải tháo cạn nước để kiểm tra đường hầm, nếu thấy có hiện tượng đất đá bị sạt trượt thì phải đánh giá và có biện pháp xử lý khẩn trương

1.2 Các sự cố hay xảy ra khi đào hầm

1.2.1 Một số ví dụ về sự cố khi thi công đường hầm ở Việt Nam

Có rất nhiều sự cố đã xảy ra khi đào hầm thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam phải dừng lại

để xử lý, làm chậm tiến độ thi công, tăng khối lượng và giá thành công trình, sau đây

là các ví dụ tiêu biểu:

Hình 1.3 Sạt gương hầm tại K0+16 thủy điện Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng

Hình 1.4 Sạt gương hầm tại K3+640 thủy điện Buôn Kuôp, tỉnh Đăk Lăk

Hình 1.5 Sạt gương hầm tại K0+56 thủy điện Sông Giang 2, tỉnh Khánh Hòa

Hình 1.6 Sạt gương hầm tại K1+50 thủy điện Đồng Nai 3 tỉnh Đăk Nông

Hình 1.7 Nước ngầm tại K1+50 thủy điện Sông Bung 2 tỉnh Quảng Nam

Hình 1.8 Nước ngầm tại hầm dẫn dòng thủy điện Sông Bung 2 tỉnh Quảng Nam

1.2.2 Các sự cố hay xảy ra khi đào hầm

Các đường hầm thủy công thường được đào xuyên qua núi, đi qua nhiều vùng địa chất khác nhau Địa chất công trình có ý nghĩa quan trọng quyết định đến việc chọn tuyến,

vị trí đặt công trình và kết cấu của nó Ngoài ra địa chất công trình còn quyết định tới biện pháp thi công, tiến độ thi công, giá thành công trình

Trong thực tế, công tác khoan thăm dò, xác định địa chất của tuyến hầm không thể dọc theo cả tuyến đường hầm mà chỉ khoan từng điểm, nên địa chất giữa hai hố khoan không thể xác định chính xác được, còn đối với công tác địa vật lý mặc dù xác định được vùng địa chất xấu nhưng không thể đúng 100% và cũng không đưa ra được các chỉ tiêu cơ lý để phục vụ công tác tính toán, còn công tác khoan ngang để lấy nõn kiểm tra địa tầng trước khi đào hầm thì ở Việt Nam chưa có

Chính vì vậy trong quá trình thi công đào đường hầm có thể gặp phải địa chất xấu ở những vị trí được đánh giá dự báo trước và cả những vị trí không được dự báo trước Những vùng có địa chất xấu là do đứt gãy kiến tạo, sóng dọc thấp, nước ngầm nhiều, khe nứt lớn nhưng nhiều nhất vẫn là do đứt gãy kiến tạo Tùy theo loại đứt gãy mà chiều rộng đới phá hủy, vùng ảnh hưởng sẽ khác nhau Chính đới phá hủy này sẽ là nguyên nhân gây mất ổn định về lún, sạt trượt, thấm cho công trình Đứt gãy kiến tạo gây rủi ro cho đường hầm trong quá trình thi công nhiều nhất và cũng gây tổn thất nhiều nhất về kinh tế, kể cả tính mạng của con người

Phương pháp thi công đào hầm chủ yếu là bằng phương pháp khoan nổ, đối với đường hầm nằm trong vùng có địa chất xấu thì có thể sử dụng đào bằng breaker Ở những vị trí này khối đá yếu, đôi khi là đất thì khi thi công luôn đòi hỏi phải có biện pháp chống

đỡ kịp thời, phương pháp chống đỡ tạm thời có ý nghĩa quyết định đến việc thành công của đào hầm

Đối với các công trình thủy điện thì tiến độ thi công đường hầm có liên hệ mật thiết với tiến độ thi công toàn hệ thống công trình thủy điện Việc thi công đường hầm phải được hoàn thành cùng với xây dựng xong công trình đầu mối để làm sao việc tích nước cho hồ chứa càng sớm càng tốt Khi đó việc kéo dài thời gian thi công hầm do gặp phải địa chất xấu là một bất lợi lớn và ảnh hưởng đến toàn công trình thủy điện

Các sự cố thường xảy ra khi đào hầm qua vùng địa chất xấu:

- Khi vừa đào hầm xong chưa kịp gia cố, đất đá ở vòm hầm và vách hầm sạt xuống cục bộ hoặc toàn bộ lấp đầy mặt gương hầm, không thể tiếp tục thi công được nếu chưa được xử lý và xúc bỏ khối sạt

- Khi hầm đã đào xong một thời gian dài, do ảnh hưởng của công tác nổ mìn hoặc đá phiến sét khi tiếp xúc với không khí và nước sẽ giảm cường độ làm cho đất đá ở vòm hầm và vách hầm sạt xuống cục bộ hoặc toàn bộ lấp đầy mặt gương hầm, không thể tiếp tục thi công được nếu chưa được xử lý và xúc bỏ khối sạt

- Khi đào hầm và đã gia cố tạm xong, tuy nhiên do ảnh hưởng của thời tiết hoặc công tác gia cố chưa đủ làm cho các hệ thống gia cố tạm bị phá hủy tạo, đất đá trên đỉnh hầm rơi xuống

- Khi đào hầm thì gặp mạch nước ngầm lớn chảy ra làm ngập đường hầm, mạch nước liên thông với các khe suối ở mặt đất tự nhiên

1.2.3 Ảnh hưởng của sự cố khi đào hầm

Đối với công tác thi công hầm, khi có sự cố xảy ra dù lớn hay nhỏ đều ảnh hưởng trực tiếp tới tiến độ, chi phí công trình

- Tiến độ thi công: Khi thi công hầm khi xảy ra sự cố thì phải dừng lại để xử lý khối sạt và gia cố tạm an toàn thì mới thi công tiếp tục được, ngoài ra khi bị sự cố thì toàn bộ đường hầm hướng đào đó phải dừng lại không thi công tiếp tục được Vì vậy sự cố làm chậm tiến độ thi công công trình

- Chi phí đầu tư: Do chậm tiến độ nên công trình phải đưa vào sử dụng muộn so với tiến độ dự kiến ban đầu, do đó làm tăng thêm chi phí cho công trình do phải trả lãi vay trong thời gian thi công, phải thêm chi phí xử lý khu vực sạt trượt, phải tăng chi phí xử lý vỏ hầm vĩnh cửu khu vực xảy ra sự cố …

- Con người, vật tư thiết bị: Đối với các sự cố xảy ra khi đang thi công thì làm cho thiết bị hư hỏng nặng, có những trường hợp sạt lở thì gây thiệt hại về tính mạng con người, thiết bị thi công hầm hư hỏng không thể sử dụng được

Mặc dù công tác địa vật lý đã mô tả gần chính xác vùng địa chất xấu để có các giải pháp phòng tránh sạt trượt khi thi công, tuy nhiên do ảnh hưởng của nổ mìn cũng như tay nghề thi công của nhà thầu, giải pháp thiết kế, hoặc khi mở gương hầm thì ứng suất sinh ra khi khai đào lớn hơn ứng suất cho phép của đá … cho nên khi đào đường hầm vẫn xảy ra các sự cố sạt trượt Nếu không có công tác xử lý các khối sạt kịp thời thì hậu quả của nó xảy ra sẽ rất lớn, gây thiệt hại về người và thiết bị, làm chậm tiến độ thi công, tăng chi phí đầu tư công trình Do đó công tác xử lý khi đào hầm qua vùng địa chất xấu, đặc biệt là các khối sạt đã xảy ra là hết sức cần thiết

1.3 Kết luận chương 1

Có rất nhiều sự cố hay xảy ra khi đào hầm, tuy nhiên sự cố hay xảy ra nhất là đất đá gương đào (đỉnh hầm, vách hầm, mặt gương) bị sạt trượt xuống Đối với các sạt trượt nhỏ như tụt nóc một phần, sạt mặt gương một phần, sạt vách một phần thì chỉ cần đào xúc khối sạt, gia cố chắc chắn là có thể đào tiếp và đi qua được Tuy nhiên đối với những khối sạt lớn, liên thông tới mặt đất tự nhiên ở trên đỉnh hầm thì không thể đào xúc rồi gia cố tạm được vì khi đào xúc khối sạt đến đâu, đất đá càng sạt xuống đến đấy, do đó phải có các xử lý khối sạt để khi đào hầm tiếp đất đá không bị rơi xuống rồi mới đưa các giải pháp gia cố tạm, đào gương hầm tiếp theo và gia cố vĩnh cửu

Trong luận văn này tập trung nghiên cứu công tác “Giải pháp xử lý khi đào đường

hầm qua vùng địa chất xấu” đối với trường hợp: Đào qua vùng địa chất xấu khi đường

hầm đã bị sạt, các giải pháp xử lý khối sạt để đào hầm tiếp, các giải pháp gia cố tạm, các giải pháp gia cố vĩnh cửu

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN SẠT TRƯỢT VÀ GIẢI

PHÁP XỬ LÝ KHI ĐÀO ĐƯỜNG HẦM

2.1 Nguyên nhân sạt trượt khi đào hầm

2.1.1 Địa chất công trình

2.1.1.1 Khái niệm về địa chất xấu

Khi thi công đào đường hầm đến vùng mà có khả năng gây ra sạt lở, hoặc làm sạt lở gương hầm khi không kịp gia cố thì gọi là địa chất xấu Các vùng địa chất xấu có thể gây sạt trượt khi thi công là: Các đứt gãy kiến tạo ở đó đất đá bị vò nhàu vỡ vụn; các khu vực nứt nẻ nhiều ở đó các khe nứt giao nhau tạo thành các nêm đá; các mạch nước ngầm lớn có khả năng đẩy đá ra ngoài, các khu vực sóng dọc thấp, các hang Karst

- Đới phá hủy kiến tạo (Đứt gãy): Đây là hiện tượng hay gặp nhất khi đào đường hầm, ở khu vực đứt gãy đất đá bị vò nhàu nát vụn thành những viên đá nhỏ mà khi đào đường hầm đến đất đá bị sạt lở ngay Chiều dài ảnh hưởng từ vài mét đến hàng trăm mét Đới phá hủy có hai vùng là vùng nhân và vùng ảnh hưởng, vùng nhân là đất đá bị vò nhàu vỡ vùn, vùng ảnh hưởng là vùng xấu chuyển tiếp từ đá tốt sang vùng nhân Tùy theo chiều dài của đới ảnh hưởng mà phân ra cấp I-V

- Mạch nước ngầm, túi nước: Khi đào hầm gặp mạch nước ngầm chảy ra, hoặc nước ngầm tại các khu vực đá có nứt nẻ mạnh sẽ đẩy đá ra ngoài, trạng thái đá ban đầu

bị phá vỡ Nước ngầm có thể là một túi nước cục bộ, hoặc có thể là một/nhiều vòi nước liên thông với các mạch nước ngầm khác

- Nứt nẻ mạnh, sóng dọc thấp: Đá có nhiều khe nứt với độ rộng khe nứt khác nhau, hướng nằm khác nhau, khi ta đào hầm gương hầm cắt các khe nứt này tạo thành các nêm đá, làm cho đá có khả năng bị sạt xuống

- Đá bị phong hóa một phần/hoàn toàn thành đất: Khu vực đá bị phong hóa mãnh liệt, hoặc phong hóa hoàn toàn thành đất, khi ta đào hầm ứng suất khai đào lớn hơn cường độ kháng nén của đá là cho mặt gương bị sạt xuống

- Hang động cát tơ: Các hang động cát tơ có sẵn ở trong đá, khi ta đào hầm qua tạo

thành một hang động lớn hơn, làm cho đá bị sạt xuống

2.1.1.2 Nguyên nhân sạt trượt do địa chất

Ổn định của hầm ở vùng địa chất xấu phụ thuộc vào tỷ số cường độ kháng nén của khối đá (cm Rock mass strength) và ứng suất ban đầu của hầm (P0 in situ stress) Tại các vùng địa chất xấu, chỉ tiêu cơ lý C (lực dính đơn vị),  (góc ma sát trong) của đất đá quanh hầm nhỏ, do đó cường độ kháng nén khối đá (cm) nhỏ, cm=2cxcos/(1-sin) Với 2000 bước tính toán thì có quan hệ giữa chuyển vị của hầm và tỷ số cm/P0 được thể hiện hình dưới đây [12]

Hình 2.1 Quan hệ giữa cường độ kháng nén của khối đá và ứng suất ban đầu Năm 1983 Sakurai đã đề nghị chuyển vị giới hạn của hầm là 1% đường kính hầm (D), tuy nhiên thực tế có một số hầm có chuyển vị lên đến 5%D vẫn không có vấn đề gì về mất ổn định [13]

Như vậy khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu, cường độ kháng nén của khối đá nhỏ dẫn đến tỷ số cm/P0 nhỏ và chuyển vị đường hầm lớn, khi chuyển vị lớn hơn 1%D thì đường hầm có nguy cơ bị sạt trượt

Cường độ kháng nén khối đá  cm / ứng suất ban đầu P 0

2.1.2 Chất lượng hồ sơ khảo sát thiết kế

Công tác khảo sát: Vì công tác khảo sát chỉ là khoan điểm nên không xác định được vị trí chính xác địa chất xấu trong hầm, nên khi đào hầm đến vùng địa chất xấu ta không biết trước để có các giải pháp xử lý

Công tác thiết kế: Do công tác thiết kế không đưa ra các giải pháp hợp lý với điều kiện địa chất thực tế như tính toán thiếu neo đá, không đủ số lượng vì chống, vì chống không đủ chịu lực v.v

2.1.3 Tay nghề và chất lượng của nhà thầu thi công

Do nhà thầu thi công chưa có kinh nghiệm trong thi công hầm như: Không kịp gia cố ngay theo yêu cầu của thiết kế, không có đủ thiết bị để thi công gia cố, cắm neo đá song song với hướng khe nứt, dựng vì chống không sát vào mặt đá, thi công không đủ khối lượng gia cố như thiết kế v.v

2.1.4 Công tác quản lý và giám sát

Do sức ép về tiến độ mà yêu cầu nhà thầu thi công nhanh không cần gia cố, đặc biệt là dựng vì chống thép hình đối với các khu vực đặc biệt xấu, đưa ra các giải pháp xử lý không phù hợp với thực tế, không kiểm soát chất lượng thi công của nhà thầu

Như vậy: Có rất nhiều nguyên nhân gây ra sạt trượt trong khi đào đường hầm: Do gặp phải mạch nước ngầm; do gặp phải đứt gãy, đới phá hủy kiến tạo mà trong đó đất đá bị

vỡ vụn nhàu nát; gặp phải khu vực đá bị phong hóa hoàn toàn; gặp phải các khe nứt giao nhau tạo thành nêm; do ảnh hưởng chấn động của công tác nổ mìn; do công tác khảo sát không phản ánh đúng điều kiện địa chất thực tế, không xác định được các đứt gãy trong hầm; do chất lượng của công tác thiết kế đưa ra các giải pháp không phù hợp với địa chất thực tế; do tay nghề của nhà thầu thi công, không thi công đúng với đồ án thiết kế, do công tác quản lý và thi công còn hạn chế v.v

Việc xác định nguyên nhân sạt trượt rất quan trọng trong quá trình xử lý đường hầm,

vì biết được nguyên nhân mới đưa ra được các giải pháp cụ thể để phù hợp với điều kiện địa chất thực tế của công trình Mặc dù có nhiều nguyên nhân sạt trượt như đã nêu ở trên, nhưng nguyên nhân sạt trượt phổ biến nhất là do “địa chất xấu”

2.2 Lý thuyết về các giải pháp xử lý khi đào hầm qua vùng địa chất xấu

2.2.1 Áp lực đá lên hệ chống đỡ công trình ngầm

Áp lực của khối đá xung quanh công trình ngầm tác dụng lên hệ thống chống đỡ được gọi là áp lực đá hoặc áp lực địa tầng Áp lực đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất của đá, trường ứng suất ban đầu, kích thước đường hầm, vị trí đường hầm so với mặt đất tự nhiên Trong các công trình ngầm, áp lực đá có thể xuất hiện theo nhiều hướng khác nhau tùy theo từng điều kiện cụ thể Các phương pháp tính áp lực đá có thể được chia làm hai nhóm chính là : Nhóm các phương pháp tính theo tải trọng cho trước và nhóm các phương pháp tính theo biến dạng của đá – hệ chống đỡ Các phương pháp tính theo nhóm thứ nhất giả thiết rằng áp lực đá lên hệ chống đỡ là ngoại lực được gây nên bởi trọng lượng của khối đá hoặc một phần khối đá bên trên công trình, trị số của nó là một hàm số của tính chất cơ lý của đá, kích thước hầm, chiều sâu

bố trí hầm… Các phương pháp thuộc nhóm thứ hai tính áp lực đá dựa trên mối quan

hệ tương hỗ của đá và hệ chống đỡ

2.2.1.1 Các trạng thái ứng suất của đường hầm khi mới đào

Sau khi đào, ứng suất của khối đá xung quanh tường hầm sẽ chuyển từ trạng thái ba trục thành đơn trục do việc đào đã làm mất lực đối kháng

Hình 2.2 Trạng thái đơn trục

Ứng suất kéo tập trung tại đỉnh vòm và vòm ngược của hầm, biến dạng của đá gia tăng tại đỉnh vòm và vòm ngược do cường độ chịu kéo của đá không cao so với cường độ chịu nén

Hình 2.3 Biến dạng của đỉnh vòm

Do biến dạng kéo, cường độ kéo tại đỉnh vòm và vòm ngược giảm, ứng suất chịu nén cường độ cao sẽ tập trung ở vách tường hầm

e) Gia tăng vùng biến dạng

Khối đá nằm trên vòm hầm trở nên không ổn định do suy giảm sức chịu tải tại chân vòm hầm Cuối cùng thì vùng biến dạng của vòm hầm sẽ diễn tiến theo đề xuất của K.Terzaghi Lực kéo Sức nén

Hình 2.6 Vùng biến dạng trên đỉnh Các trạng thái ứng suất nêu trên cũng chính là quá trình sập hầm do không chống đỡ

2.2.1.2 Mối quan hệ tương tác giữa đá và hệ chống đỡ

Áp lực cũng như mối quan hệ tương tác giữa đá và hệ chống đỡ có ý nghĩa quyết định đến việc lựa chọn độ cứng của hệ chống đỡ và thời gian thích hợp để lắp đặt chúng Để phân tích mối quan hệ này, xét một hầm ngang, tiết diện hình vòm trong không gian biến dạng tuyến tính và trường ứng suất địa tĩnh Po (Hình 2.7) Khi gương hầm chưa đào đến mặt cắt so sánh X – X (bước 1), khối đá nguyên vẹn nằm bên trong hầm dự kiến hoàn toàn cân bằng với khối đá xung quanh, áp lực chống đỡ bên trong pi tác dụng lên chu tuyến công trình cân bằng với ứng suất ban đầu po (Điểm A trên biểu đồ hình H2.8) Khi gương hầm đã vượt qua mặt cắt X-X (bước 2), áp lực chống đỡ pi tạo nên do khối đá bên trong hầm không còn nữa, (pi =0) Nhưng hầm không bị sập vì biến dạng hướng tâm U bị cản trở bởi gương hầm ở gần đó Nếu như không có lực này, thì cần có một áp lực chống đỡ ở bên trong tại các điểm B & C để hạn chế dịch chuyển hướng tâm u tại chính giá trị đó Áp lực chống đỡ ở nóc hầm thường có giá trị lớn hơn so với ở bên sườn vì ở trên nóc có thêm tải trọng đá ở vòm cân bằng áp lực

Sau đó, đá thải trong đường hầm được dọn sạch, những khung chống bằng thép được lắp đặt tới gần gương hầm (Bước 3) Giả thiết rằng khối đá không thể hiện tính chất từ biến, biến dạng hướng tâm của đường hầm tạm dừng tại các điểm B & C, hệ thống chống đỡ ở điểm D không chịu tải vì không có biến dạng nào tiếp tục xảy ra Khi gương hầm cách mặt cắt X – X một khoảng lớn hơn 1,5 lần đường kính (Bước 4), sức kháng do sự gần gương hầm giảm đi kéo theo sự biến dạng tiếp của nóc và gương hầm theo đường BFH và CEG như trên biểu đồ Hình 2.8 Sự biến dạng hướng tâm của đường hầm truyền cho hệ chống đỡ một áp lực, bắt hệ này làm việc như một lò xo cứng Áp lực chống đỡ Pi của hệ khung thép tăng lên, cắt đường cong p-u của đá sườn

và nóc ở các điểm E & F theo đường DFE Tại các điểm đó, áp lực chống đỡ cần có để hạn chế biến dạng thêm của tường và nóc hầm hoàn toàn cân bằng với áp lực chống đỡ của hệ khung thép Đường hầm và hệ chống đỡ nằm trong trạng thái cân bằng ổn định Tiếp theo đó, gương hầm tiến xa hơn khỏi mặt cắt X-X và không tạo ra sức kháng nào cho đá ở mặt cắt X – X nữa (bước 5) Nếu không có hệ chống đỡ, biến dạng hướng tâm của đá sẽ tăng theo đường EG và FH Nếu chấp nhận biến dạng sườn hầm là OG thì sườn hầm không cần chống đỡ Trong khi đó, vì có thêm tải trọng của khối đá ở vòm nên cần có thêm lực chống đỡ nóc hầm, nếu không, nó có thể bị sập

MẶT CẮT X - X X

BƯỚC 5 BƯỚC 4 BƯỚC 3 BƯỚC 2 BƯỚC 1

Hình 2.7 Diễn biến quá trình Đào – Chống đỡ

chống đỡ Pi Áp lực

Mặt cắt đường hầm Biến dạng hướng tâm Mặt cắt đã được đào

Đường cong tải trọng - biến dạng của nóc đường hầm

của tường đường hầm

Bắt đầu phá hủy

H

G D

F E C B

Đường cong tải trọng - biến dạng

Uie : Chuyển vị đàn hồi

Pi = Po : ứng suất ban đầu

Phản lực của hệ chống đỡ

Hình 2.8 Mối quan hệ giữa đá và hệ chống đỡ

2.2.1.3 Ảnh hưởng của trình tự xây dựng đến hệ chống đỡ

Khi lựa chọn hệ chống đỡ, cần phải tìm cách phân tích sự phân bố tải trọng giữa đá và

hệ chống đỡ để phát huy hết sức chịu của khối đá, tạo được một hệ đá – hệ chống đỡ làm việc có hiệu quả Các yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả của hệ chống đỡ cần được xem xét, nghiên cứu bao gồm: Chuyển vị của hệ đá-hệ chống đỡ; Độ cứng và độ bền của khối đá; Độ cứng và độ bền của hệ chống đỡ; Ảnh hưởng của nước trong khối

đá đến các yếu tố trên; Ảnh hưởng của trình tự xây dựng đến tải trọng chống đỡ Trình tự xây dựng là yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến hoạt động của hệ chống đỡ Tuy nhiên, rất khó khăn để đánh giá hết được những ảnh hưởng của chúng trước khi thiết

kế vì khó lường hết khả năng tốt hoặc xấu của kỹ thuật trong từng công đoạn riêng rẽ của quá trình thi công Thêm vào đó, các tính chất của đá có thể thay đổi trong phạm

vi rất rộng nên chỉ có thể biết chúng một cách tương đối Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khi đánh giá hệ chống đỡ, cần quan tâm đến những vấn đề sau:

- Thời điểm lắp đặt hệ chống đỡ kể từ khi mở công trình và khoảng cách từ điểm đang xét tới gương hầm

- Sự ảnh hưởng của phương pháp đào (Nổ mìn, nổ tạo rãnh cắt trước v.v ) đến độ cứng, độ bền của khối đá

- Ảnh hưởng của kết cấu, thể loại chống đỡ (Kích thước cấu kiện, khoảng cách giữa các khung, bề dày khung, điều kiện chân khung…) đến độ cứng và độ bền của hệ chống đỡ

2.2.2 Phân tích quan hệ đá – hệ chống đỡ (Lời giải của Ladanyi)

2.2.2.1 Giả thiết cơ bản (Hình H2.8)

- Dạng hình học: Đường hầm tiết diện tròn, bán kính ban đầu ro; chiều dài đủ lớn để

Hình 2.9 Dạng hình học và trạng thái ứng suất của đường hầm tiết diện trịn

Khối đá phá hủy

- Tính chất cơ lý của đá nguyên dạng : Trong vùng đá nguyên dạng, biến dạng là đàn hồi tuyến tính, xác định bởi modun Young E và hệ số Poisson  Tiêu chuẩn bền của vật liệu được xác định theo thuyết bền Hoek-Brown:

3 ' 1

- ’1, ’3 : ứng suất pháp chính tương ứng với điều kiện phá hủy mẫu

- ’c : Độ bền nén đơn trục của mẫu

- s, a : các hằng số phụ thuộc vào toàn bộ đặc điểm của khối đá, với vật liệu đá lấy s=1; a= 0.5

- mb : hằng số vật liệu của khối đá, đối với vật liệu đá (mẫu đá, thỏi đá) thay mb bằng

mi Giá trị mi được xác định bằng thực nghiệm cho một số loại đá thường gặp như sau : Đá trầm tích; cuội kết là 22; cát kết : 19; bột kết :9; sét kết :4; đá phấn: 7; than

đá :8-21; đá vôi : 8-10…

Áp dụng vào bài toán đang xét, (2.1) được viết lại :

2 3

3

3

1  m rc sc

Với mr : hằng số vật liệu của khối đá khi bị phá hủy

Biến dạng thể tích : Trong vùng biến dạng đàn hồi có các hằng số E và  ; Trong vùng phá hủy, đá bị “chảy”, tăng thể tích theo định luật chảy của lý thuyết dẻo

Trạng thái phụ thuộc thời gian : Giả thiết rằng cả vùng đàn hồi bị phá hủy không bị chi

phối bởi yếu tố thời gian

Sự phát triển của vùng biến dạng dẻo : Giả thiết rằng vùng dẻo phát triển đến bán kính

ro phụ thuộc vào ứng suất tự nhiên po, áp lực chống đỡ pi và tính chất vật liệu của khối

dr r 

(2-4) Đáp ứng trạng thái đàn hồi trong các điều kiện r=re tại r=re và r = po tại r=, phương trình này cho các biểu thức ở vùng đàn hồi như sau:

2

) (   





r

r re po

c r

r

r r

r m



(2-8) Tại biên vùng phá hủy r = re, từ (2-5) và (2-6) xác định được hiệu ứng suất chính bằng:

Tiêu chuẩn phá hủy đối với vùng đá nguyên dạng được viết lại:

( 2

s

p m

m M

e c r

r

r r

r m



(2-13) Thay giá trị (2-13) vào (2-11), ranh giới vùng biến dạng dẻo được xác định

c r i c r c r

s p m m

2.2.2.3 Phân tích biến dạng

Chuyển vị hướng tâm của ranh giới đàn hồi uc thể hiện bởi sự giảm ứng suất r từ giá trị ban đầu po đến re theo lý thuyết đàn hồi:

e re

p E

1

1

2.2.2.4 Phân tích hệ chống đỡ (Cơ học Đá – Nghiêm Hữu Hạnh)

Hệ chống đỡ thường lắp đặt sau khi chu tuyến đường hầm đã dịch chuyển một giá trị ban đầu Uio nào đó Độ cứng của hệ chống đỡ được đặt trưng bởi hằng số độ cứng K

Áp lực chống đỡ hướng tâm pi của hệ chống đỡ được xác định theo công thức:

pi = K(uie/ri) hoặc ui = uio + (pi ri)/K (2-21) Với uie là phần biến dạng đàn hồi của tổng biến dạng ui, uio

(2-21) được áp dụng cho vỏ chống bê tông hoặc bê tông phun, khung thép … Áp lực lớn nhất của hệ thống chống đỡ được xác định bởi giá trị Psmax (2-21), tùy thuộc vào

độ cứng của hệ chống đỡ

Vỏ chống có chiều dày tc, được đặt bên trong bán kính ri Áp lực chống đỡ tạo nên bởi

vỏ chống này phản ứng lại với sự hội tụ của hầm được xác định bằng công thức (2-21) khi:

2 2

2 1

c i i c

t r r

t r r E Kc

Trong đó:

- Ec, c : mô đun đàn hồi và hệ số Poisson của bê tông

- tc : bề dày lớp vỏ áo bê tông

1 max

c i

i conc

t r

3

2 sin

2

cos sin 1

W E

t s I

E

sr A E

sr

B s

s i s s i s

- S : Khoảng cách giữa các khung theo chiều dài của đường hầm

-  : một nửa góc giữa các điểm khớp nối, tính bằng radian

- W: bề rộng mặt bích của khung

- As : tiết diện ngang của khung thép hình

- Is : momen quán tính tiết diện ngang của khung thép hình

- Es :mô đun Young của thép

- TB : bề dày của thanh ghép nối

- EB : mô đun đàn hồi của thanh ghép nối với giả thiết rằng các thanh ghép nối có tiết diện vuông , chiều dài cạnh bằng chiều rộng mặt bích W của khung thép

Áp lực chống đỡ lớn nhất của khung thép được xác định theo công thức:

2

3 max

x t r xA I sr

I A Ps

B i s s i

ys s s

(2-25)

Trong đó:

- ys : Giới hạn chảy của thép

- x : bề dày của thép hình

Chuyển vị ueb theo biến dạng đàn hồi với thân neo được xác định:

b b

b E d

- L : chiều dài tự do của bulông giữa neo và đầu neo

- Eb: mô đun Young của vật liệu bulông

- Tb: lực tác dụng lên bulông

- Db: đường kính của bulông

Độ cứng Kb của bu lông không trám vữa là:

s s

l c b

2

4 1



(2-27) Trong đó sc, sl : khoảng cách giữa các bulông theo chu vi và theo chiều dài hầm Áp lực lớn nhất của hệ bu lông không trám vữa là :

l c

bf s s

Gia cố nêm đá dễ bị rơi từ đỉnh hầm

- Khi xét trường hợp này, lực ma sát giữa các mạch nứt không được tính đến trong

hệ thống gia cố (Hình 2.12) Độ dài của néo đá cần được lựa chọn trên cơ sở kích thước của khối đá, cần dủ dài để đảm bảo néo vào khối đá cứng tối thiểu là 1m Kiểm tra cường độ bằng thí nghiệm kéo Số lượng néo có thể được tính theo công thức kiến nghị của Skanska (Rock Support Design) kiến nghị :

Trong đó:

- W: Trọng lượng không an toàn của nêm

- f : Hệ số an toàn, thông thường 2< f <5

- B : Khả năng chịu lực của néo theo đường vuông góc với mặt nứt

Gia cố nêm đá dễ bị trượt khỏi tường hầm

Trong trường hợp này, lực ma sát giữa các mạch nứt được xét tới trong tính toán thiết

kế hệ thống gia cố Đa số cấu trúc đá khối (kể cả đá cứng hoặc đá mềm) đều có bề mặt mạch nứt không đều và gồ ghề Nếu lực ma sát giữa mạch tốt thì có thể kháng lại sự dịch chuyển, nếu lực ma sát kém thì chuyển vị sẽ xảy ra trước lúc sức chịu tải tối đa được huy động Néo nên đặt vuông góc với bề mặt của mạch để hợp lực pháp tuyến lên bề mặt của mạch làm tăng sức kháng cắt của khối đá Số lượng các néo đá N có thể

được tính theo công thức:

cos

) tan cos sin

.

f B

cA f

W N

- f : hệ số an toàn, thông thường 1,5<f<3

-  : Độ nghiêng của mặt trượt

-  : Góc giữa néo và pháp tuyến của mặt trượt

- C, : Lực dính và góc ma sát trong của mặt trượt

- A : Diện tích của mặt trượt

cố Trọng lượng của đá do một néo đơn mang có thể được xác định theo công thức (Theo Rock Support Design):