Nghiên cứu biện pháp xử lý và chống đỡ khi thi công đường hầm dẫn dòng qua

Tính cấp thiết của Đề tài Trên thế giới, công trình ngầm đã được phát triển rất phổ biến và xây dựng hiện đại trong các lĩnh vực giao thông vận tải, khai thác khoáng sản, thủy lợi, thủy

cứu biện pháp xử lý và chống đỡ khi thi công đường hầm dẫn dòng qua vùng địa chất yếu công trình thủy lợi Ngàn Trươi – Cẩm Trang - Hà Tĩnh” đã hoàn thành

và đáp ứng được các yêu cầu đề ra

Với thành quả đạt được, tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô Trường Đại học Thủy lợi trong thời gian qua đã truyền đạt kiến thức khoa học, kinh nghiệm thực tế cho tác giả luận văn

Đặc biệt tác giả luận văn xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy GS.TS

Vũ Thanh Te đã hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường cũng như trong quá trình thực hiện luận văn này

Cuối cùng, xin cảm tạ tấm lòng, sự hy sinh, hỗ trợ của những người thân đã động viên giúp đỡ tác giả luận văn trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Hà Nội, tháng 03 năm 2015

Tác giả luận văn

Trương Văn Đức

Họ và tên học viên: Trương Văn Đức

Chuyên ngành: Xây dựng Công trình thuỷ

Tên đề tài luận văn “Nghiên cứu biện pháp xử lý và chống đỡ khi thi công đường hầm dẫn dòng qua vùng địa chất yếu công trình thủy lợi Ngàn Trươi – Cẩm Trang - Hà Tĩnh”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa đựơc ai công bố trước đây

Hà Nội, tháng 03 năm 2015

Tác giả luận văn

Trương Văn Đức

1 Tính cấp thiết của Đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM 3

1.1 Sự phát triển thi công hầm trên thế giới 3

1.2 Sự phát triển thi công hầm ở Việt Nam 6

1.3 Các phương pháp mở đường hầm 9

1.3.1 Phương pháp mở đường hầm trong đá cứng 9

1.4 Các phương pháp thi công đường hầm tiên tiến trên thế giới 21

1.4.1 Phương pháp thi công hầm của Na-uy (NMT) 21

1.4.2 Phương pháp thi công hầm của Áo (NATM) 22

1.5 Một số sự cố thường gặp trong quá trình thi công đường hầm 23

1.5.1 Nguyên nhân gây ra sự cố kỹ thuật trong quá trình thi công đường hầm 23

1.5.2 Một số dạng sự cố kỹ thuật đã xảy ra trong Xây dựng công trình ngầm 24

1.6 Kết luận 27

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH VÒM PHÁ HOẠI ĐƯỜNG HẦM 28

2.1 Phương pháp dựa trên quan sát thực tế và giả thiết vòm áp lực (phương pháp dựa trên đánh giá chất lượng đá) 29

2.1.1 Vòm áp lực trên đỉnh hầm có dạng Parabol hay Elip 30

2.1.2 Áp lực đất đá được xét cho từng loại đá 39

2.1.2.3 Phương pháp Stini 42

2.2 Phương pháp phân loại đá để xác định áp lực đá (còn gọi là phương pháp dựa trên đánh giá số lượng chỉ tiêu của đá) 44

2.2.1 Phân loại khối đá theo Deere – Phương pháp RQD 45

2.2.2 Phương pháp của Lauffer 46

2.2.3 Phương pháp của Bieniawski 47

2.3 Giới thiệu chung về Công trình thủy lợi Ngàn Trươi 51

2.3.1 Vị trí địa lý 52

2.3.2 Khí hậu và thảm thực vật 52

2.3.3 Giao thông 53

2.3.4 Nhiệm vụ dự án: 53

2.3.5 Vị trí, nhiệm vụ, thông số kỹ thuật của 2 tuynen TN1, TN2 của công trình thủy lợi Ngàn Trươi 54

2.3.6 Đặc điểm địa chất và địa chất thủy văn của tuynen số 1 và 2 55

2.4 Áp dụng tính toán vòm cân bằng của đường hầm thủy lợi Ngàn Trươi 58

2.5 Kết luận 59

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CỐ TẠM TRONG THI CÔNG TUYẾN ĐƯỜNG HẦM CÔNG TRÌNH THỦY LỢI NGÀN TRƯƠI 60

3.1 Nguyên tắc cơ bản của phương pháp xây dựng hầm NATM 60

3.2 Các loại gia cố tạm trong xây dựng hầm 65

3.2.1 Phương pháp Xi măng hóa 65

3.2.2 Phương pháp sét hóa 68

3.2.3 Phương pháp Silicat hóa 68

3.2.4 Phương pháp đóng băng nhân tạo 69

3.2.5 Phương pháp Neo 71

3.3 Lựa chọn giải pháp, tính toán gia cố tạm cho đường hầm 75

3.3.1 Tính toán chiều dài neo thép gia cố cho đoạn đường hầm 75

3.3.2 Tính toán khả năng chịu lực của thanh neo 76

3.3.3 Tính toán khả năng chịu lực của đầu neo 77

3.3.4 Tính toán khoảng cách neo gia cố cho đường hầm 77

3.3.5 Tính toán chiều dày bê tông phun gia cố cho đoạn đường hầm 78

3.4 Quy trình, phương pháp thi công neo thép, phun bê tông gia cố cho đường hầm 79

3.4.1 Quy trình, phương pháp thi công neo thép gia cố cho đường hầm 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

1 Kết luận 83

2 Kết quả đạt được 83

3 Những hạn chế tồn tại trong quá trình làm luận văn 83

4 Những kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

Hình 1.1: Mỏ Hannan, Kalgoorlie, Australia 4

Hình 1.2: Thành phố ngầm ở Montreal, Canada 4

Hình 1.3: Hầm nguyên tử Berlin, Đức 5

Hình 1.4: Đường hầm qua eo biển Manche 5

Hình 1.5: Đường hầm dẫn nước công trình thủy điện Đại Ninh dài 11km, 7

dài nhất Đông Nam Á hiện nay 7

Hình 1.6: Hầm đường bộ Hải Vân được đưa vào sử dụng từ tháng 6/2005 7

Hình 1.7: Hầm Thủ Thiêm vượt sông Sài Gòn 8

Hình 1.8: Hầm Kim Liên – Hà Nội 8

Hình 1.9: Hầm tuynel của công trình thủy lợi Cửa Đạt – Thanh Hóa 9

Hình 1.10: Máy đào đường hầm TBM 10

Hình 1.11: Phương pháp đào toàn tiết diện 10

Hình 1.12: Thứ tự đào hầm bằng phương pháp bậc thang 14

Hình 1.13: Đào các bộ phận khi thi công hầm theo phương pháp vòm trước 18

Hình 1.14: Thứ tự đào hầm theo phương pháp nhân đỡ 19

Hình 1.15: Thứ tự đào hầm theo phương pháp phân mảnh đào toàn tiết diện 19

Hình 1.16: Khoan các lỗ vượt trước trên gương hầm 21

Hình 1.17: Bên trong đường hầm thủy điện Đạ Dâng 26

Hình 1.18: Đường hầm thủy điện Đạ Dâng sau khi bị sập 27

Hình 2.1: Mô hình tính áp lực đất đá của V.Ritter 31

Hình 2.2: Sơ đồ cân bằng lực của tường bên 33

Hình 2.3: Mô hình tính vòm đá áp lực theo phương pháp của Kommerell 34

Hình 2.4: Phương pháp của Kommerell đối với đất đá bị vò nát 35

Hình 2.5 : Mô hình tính áp lực đá theo M.M Protodiakonov 36

Hình 2.6: Đường hầm trong đá có các lớp 40

Hình 2.7: Bảng tra theo phương pháp RQD 46

Hình 2.8: Biểu đồ phân loại khối đá theo phương pháp Bieniawski 48

Hình 2.11: Mặt cắt sau khi đào đường hầm TN2 58

Hình 2.12: Mặt cắt vòm cân bằng đường hầm TN2 59

Hình 3.1: Sơ đồ tính để xác định thông số lỗ khoan phụt 66

Hình 3.2: Trình tự các công tác xi măng hóa trong hầm 67

Hình 3.3: Sơ đồ đóng băng đất 70

Hình 3.4: Cấu tạo thanh thép neo vào đá gia cố đường hầm 76

Hình 3.5: Chi tiết cấu tạo thanh neo chêm 76

Hình 3.6: Bố trí neo theo theo vòm mặt cắt ngang đường hầm 78

Hình 3.7: Mặt cắt ngang hầm khi thi công neo bằng máy 80

Hình 3.8: Mặt bằng, mặt cắt dọc đường hầm khi thi công neo 80

Hình 3.9: Thiết bị để phun bê tông 81

Hình 3.10: Quy trình bố trí thiết bị để phun bê tông 82

Bảng 2.1: Tiêu chuẩn ổn định tường bên thẳng đứng phụ thuộc vào lực dính C và

góc ma sát trong φ 32

Bảng 2.2: Khối lượng đất đá còn dư sau khi đầm lại so với khối đào ban đầu (thí nghiệm hiện trường) 34

Bảng 2.3: Độ cứng của các loại đá theo phương pháp M.M Protodiakonov 37

Bảng 2.4: Bảng tra trị số Ka 39

Bảng 2.5: Phân cấp địa tầng theo Terzaghi về áp lực đá 40

Bảng 2.6: Áp lực đá và vật chống đỡ theo Bierbaumer 42

Bảng 2.7: Phân cấp địa tầng theo Stini 43

Bảng 2.8: Phân loại khối đá theo Deere 45

Bảng 2.9: Phân loại nhóm đá theo theo Bieniawski 47

Bảng 2.10: Các nhóm khối đá theo Barton, Lien, Lunde 49

Bảng 2.11: Cấp ổn định của đá được xác định theo chỉ số ổn định 51

Bảng 2.12: Bảng kết quả tính toán vòm cân bằng của TN2 58

Bảng 3.1: Hệ số K1 theo mức độ nứt nẻ của đá 72

Bảng 3.2: Lực dính kết của cốt thép với vữa 72

Bảng 3.3: Hệ số kB theo các hình dạng mặt cắt và hệ số độ cứng 73

Bảng 3.4: Cường độ tính toán và tiêu chuẩn của bê tông phun và vữa phun 74

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài

Trên thế giới, công trình ngầm đã được phát triển rất phổ biến và xây dựng hiện đại trong các lĩnh vực giao thông vận tải, khai thác khoáng sản, thủy lợi, thủy điện và công trình cho mục đích an ninh quốc phòng….Đặc biệt là các công trình lớn được sử dụng vào mục đích giao thông như hầm đường sắt, hầm đường ôtô để vượt sông, vượt núi đáp ứng tối ưu về yêu cầu kinh tế - kỹ thuật đồng thời rút ngắn chiều dài tuyến đường và giảm thời gian đi lại Với thành phố lớn các công trình ngầm, hầm ngầm đã và đang được xây dựng để giải quyết vấn đề ách tắc giao thông, làm nhà ở, gara để xe và một số các mục đích quan trọng khác Trong lĩnh vực Thủy lợi, thủy điện đường hầm đóng vai trò hết sức quan trọng như được sử dụng để dẫn dòng thi công, dẫn nước vào nhà máy thủy điện, thoát lũ khi cần thiết

Ở nước ta những năm gần đây, đã và đang xây dựng một số công trình ngầm

có quy mô như Thủy điện Hòa Bình, Trị An, Yaly… và gần đây là hầm đường bộ qua đèo Hải Vân, đường hầm vượt sông Sài Gòn hầm Thủ Thiêm, đường hầm dẫn dòng hồ chứa nước Cửa Đạt,…

Hiện nay, phần lớn các công trình ngầm được xây dựng hầu hết có địa chất nằm trong lớp đá cứng Còn lại các công trình nằm trong vùng địa chất yếu, phức tạp còn rất ít và khi thi công thường xảy ra các sự cố khiến các đơn vị gặp khó khăn trong việc tìm và lựa chọn giải pháp thích hợp để thi công Do đó kéo dài thời gian thi công so với tiến độ đã đề ra gây thiệt hại cho Chủ đầu tư, đơn vị thi công trực tiếp làm ảnh hưởng đến hiệu quả đầu tư của dự án

Đối với công trình thủy lợi Ngàn Trươi có 2 đường hầm tuynel gặp địa chất yếu, phức tạp làm sạt lở mất an toàn gây thiệt hại về kinh tế cũng như làm chậm tiến

độ thi công của cả công trình Sự cố xảy ra tại tuynel số 1 công trình thủy lợi Ngàn Trươi không phải là chuyện hiếm gặp trong thi công các công trình thủy điện, thủy

lợi trên cả nước trong thời gian qua Việc “Nghiên cứu biện pháp xử lý và chống

đỡ khi thi công đường hầm dẫn dòng qua vùng địa chất yếu công trình thủy lợi Ngàn Trươi – Cẩm Trang – Hà Tĩnh” là vô cùng cấp thiết để tìm ra các biện pháp

thi công phù hợp nhằm đảm bảo an toàn đúng kỹ thuật khi thi công đường hầm tuy nen của công trình thủy lợi Ngàn Trươi nói riêng và các công trình khác trong tương lai

2 Mục đích của đề tài

Dựa vào cở sở lý thuyết và thực tiễn để xác định phạm vi phá hoại và công nghệ xử lý khi thi công đường hầm qua vùng địa chất yếu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong luận văn này chỉ nghiên cứu hạng mục đường hầm tuynel dẫn dòng của công trình thủy lợi Ngàn Trươi sau đó tính toán cho một đoạn đường hầm cụ thể

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

4.1 Cách t iếp cận đề tài:

Thu thập, phân tích tài liệu khảo sát địa hình, địa chất và thiết kế đường hầm của công trình thủy lợi Ngàn Trươi, tài liệu thi công các công trình đường hầm đã thi công trong nước và trên thế giới, đặc biệt các đường hầm đi qua vùng có địa chất xấu phức tạp

4.2 Phương pháp nghiên cứu

Kế thừa, thu thập và phân tích các nghiên cứu khi thi công các công trình đường hầm ở trong nước và các nước tiên tiến trên thế giới

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM

1.1 Sự phát triển thi công hầm trên thế giới

Việc phát triển của xây dựng đường hầm gắn liền với sự phát triển của thiết

bị và kỹ thuật công nghệ được áp dụng Trình độ công nghệ xây dựng hầm tương đương với yêu cầu phát triển của sản xuất

Từ xa xưa, hầm được đào trải qua các nền văn minh như Aztec, Inca, Babylon, Ai cập, Pecxich Người cổ xưa đã biết sử dụng các vật cứng như xương, sừng động vật, các vật cứng và gỗ vào thời tiền sử, đồng, sắt thép đã văn minh hơn khi đào hầm Trải qua hàng thế kỷ con người đã dùng lửa đốt bề mặt đá khi đào hầm trong đá, làm đá dãn nở và vỡ vụn, sau đó phun nước lên đá nóng, dùng những dụng cụ nhọn để nhặt đá vụn và chèn lại Cuối thời kỳ trung cổ do sự mở rộng giao

thương qua lại giữa các dân tộc nên cần đến việc rút ngắn thời gian và quãng đường

đi lại Do đó người ta xây dựng các hầm đường thủy nối liền các đường giao thông ngăn cách nhau bởi các dãy núi bằng việc dùng thuốc nổ để phá đá Hầm đường thủy đầu tiên dài 160m được xây dựng trên kênh Langedok ở Pháp từ năm 1679-

- Năm 1826 – 1830 đường hầm đường sắt dài 119m được xây dựng ở Anh

- Năm 1935 đường tàu điện ngầm được xây dựng ở Maxcova

- Năm 1857-1871 đường hầm Mont-Cenis dài 12.850m được xây dựng nối liền nước Pháp và Ý có độ chênh cao hai đầu cửa là 132,28m

- Năm 1872-1882 đường hầm Sin-Goithord dài 14.984m nối liền Thụy Sỹ và Ý

- Năm 1896-1906 đường hầm Sinplon I dài 19.780m được coi là là dài nhất thế giới thời bấy giờ

- Năm 1982 ở Nhật xây dựng xong đường hầm Dai-Shimizu dài 22km

- Năm 1991 đường hầm xuyên qua eo biển Manche nối liền giữa Anh và Pháp mang tên Euro Tunnel dài 50km

Hình 1.1: Mỏ Hannan, Kalgoorlie, Australia

Hình 1.2: Thành phố ngầm ở Montreal, Canada

Hình 1.3: Hầm nguyên tử Berlin, Đức

Hình 1.4: Đường hầm qua eo biển Manche

1.2 Sự phát triển thi công hầm ở Việt Nam

Tại Việt Nam, trong thời kỳ chiến tranh chống Pháp, chống Mỹ hầm được xây dựng nhiều song chủ yếu là hầm đơn giản, ngắn phục vụ cho quân sự, làm kho tàng, công sự,…Những năm gần đây, ở nước ta đã bắt đầu xây dựng các công trình ngầm phức tạp nói chung và công trình đường hầm nói riêng theo các tiêu chuẩn thiết kế

và thi công của Anh, Pháp, Nga, Trung Quốc, Áo với số lượng ngày càng tăng lên nhanh chóng

Đối với hầm giao thông: hiện nay Việt Nam có khoảng 52 hầm giao thông được xây dựng: Tiêu biểu là đường hầm Thủ Thiêm nối quận 1 với quận 2 của TP

Hồ Chí Minh và đường hầm nút giao thông Kim Liên – Hà Nội

Đối với xây dựng thủy điện, giải pháp đường hầm được sử dụng rất nhiều ở nhà máy thủy điện như: Hòa Bình, Sơn La, A Vương, Đại Ninh, Bản Vẽ, Bắc Bình, Đồng Nai, Buôn Kuốp,… Đặc biệt đối với miền Trung thì các nhà máy thủy điện

sử dụng đường hầm là giải pháp tối ưu đảm bảo cho việc lựa chọn vị trí xây dựng đập dâng và nhà máy

- Đường Hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Hòa Bình –sông Đà với công suất 1.920MW

- Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Yaly – sông Sê San với công suất 300MW và 175MW

- Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Dak Mi 4 – Quảng Nam với công suất 220MW

- Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Cửa Đạt – Thanh Hóa với công suất 97MW

- Đường hầm bộ qua đèo Hải Vân – đèo Ngang dài 6,7km

Đối với các hệ thống thủy lợi có:

- Đường hầm dẫn nước tưới thuộc trạm bơm Nghi Xuân – tỉnh Hà Tĩnh dài 160m

- Đường hầm dẫn nước thuộc hệ thống đập dâng Hồng Đại – Cao Bằng

- Đường hầm Truông Khất để dẫn nước công trình đầu mối Đô Lương - Nghệ

An dài 550m

Hình 1.5: Đường hầm dẫn nước công trình thủy điện Đại Ninh dài 11km, dài nhất

Đông Nam Á hiện nay

Hình 1.6: Hầm đường bộ Hải Vân được đưa vào sử dụng từ tháng 6/2005

Hình 1.7: Hầm Thủ Thiêm vượt sông Sài Gòn

Hình 1.8: Hầm Kim Liên – Hà Nội

Hình 1.9: Hầm tuynel của công trình thủy lợi Cửa Đạt – Thanh Hóa

1.3 Các phương pháp mở đường hầm

1.3.1 P hương pháp mở đường hầm trong đá cứng

Trong đá cứng không phong hóa tức là khối đá đặc chắc, ít khe nứt không có lớp xen kẹp gồm các chất nhét chèn là đất hoặc đá phong hóa thì việc đào đường hầm có thể tiến hành mà không cần sự gia cố nào trên toàn mặt cắt Có thể sử dụng phương pháp cơ giới toàn bộ (TBM) hoặc công nghệ đào đường hầm truyền thống phổ biến là khoan nổ

1.3 1.1 Phương pháp đào bằng máy khoan đường hầm (TBM)

Máy khoan đường hầm TBM là hệ thống xúc và vận chuyển đất đá đào bằng băng chuyền đã trở nên phổ biến trong việc thi công hầm một cách nhanh chóng Ngày nay TBM có thể khoan được tối đa 1000m/tháng, nhưng nếu gặp địa chất xấu hoặc khi các phương pháp chống đỡ không duy trì được độ ổn định của hầm cho đến khi thi công lớp vỏ hầm cuối cùng, thì tốc độ có thể nhỏ hơn 50m/tháng

Ưu điểm của phương pháp là đào với tốc độ nhanh, ít xáo trộn đến các khối đá xung quanh hầm, đào đến đâu chuyển tải đất đá gọn sạch đến đó Điều kiện làm việc đi lại đảm bảo, gần gương hầm sạch và sáng sủa hơn nhiều so với phương pháp khoan nổ

Nhược điểm của phương pháp này là không đào được đường hầm có tuyến cong, gãy gấp, mặt cắt không tròn, cấu trúc địa chất nứt nẻ nhiều, có nứt gãy hoặc mặt cắt có nhiều lớp địa chất khác nhau Khi đào các tuyến đường hầm ngắn thì rất lãng phí

Hình 1.10: Máy đào đường hầm TBM

1.3.1.2 Phương pháp đào toàn tiết diện

Phương pháp này áp dụng trong đá ổn định có độ cứng fk≥4 và đối với những hầm có tiết diện ngang ≤120m2 Gương được mở một lần trên toàn tiết diện ngang hầm, dựng vì chống tạm rồi xây vỏ hầm vĩnh cửu

Hình 1.11: Phương pháp đào toàn tiết diện

- Đào toàn tiết diện không cần chống đỡ hoặc chỉ chống đơn giản

Trường hợp này tiến hành đào hầm theo cách tuần tự tức là khoan và thải đá không đồng thời Trong những khối đá cứng, toàn khối với fk=15÷20 không cần phải chống đỡ Với khối đá nứt nẻ thì dùng các loại vì chống nhẹ như neo kết hợp với lưới thép bê tông phun hoặc tổ hợp neo + bê tông phun

Phương pháp này cho phép tận dụng tối đa các thiết bị thi công có công suất lớn, thực hiện thi công theo tiến độ và tốc độ đào hầm lớn (150-200m/tháng đối với hầm tiết diện nhỏ; 100-150m/tháng đối với hầm tiết diện trung bình, 80-120m/tháng đối với hầm tiết diện lớn)

- Đào toàn tiết diện với việc sử dụng vì chống cứng

Khi có hiện tượng tăng áp lực địa tầng và giảm độ ổn định của nóc hầm, nếu thi công bằng phương pháp đào toàn tiết diện thì sử dụng vì chống cứng là các vòm kim loại Với hệ chống như vậy, các vòm kim loại được giằng với nhau và chêm cứng vào đá để tạo nên một hệ cứng, khoảng trống giữa các vòm và nóc hầm được chèn bằng các tấm bê tông cốt thép và lấp đầy bằng gỗ hoặc đá Vòm kim loại được chế tạo bằng thép chữ I có kích thước tính toán, đặt cách nhau từ 40-80cm đến tận sát gương Khi độ ổn định của vì chống vòm không đảm bảo nó sẽ được đổ bê tông phủ đi trên toàn chu vi hầm Khoảng trống chưa đổ bê tông kể từ gương đào trong trường hợp này không được lớn hơn 100m

Việc dựng vì chống bằng vòm kim loại là một khâu khó khăn và tốn kém, đòi hỏi chi phí kim loại khá lớn và không tháo ra được khi đổ bê tông vỏ hầm vĩnh cửu Cho nên loại vì chống này nên dùng ở những đoạn hạn chế của tuyến hầm khi đào trong đá không đủ ổn định

- Đào toàn tiết diện với việc sử dụng vì chống liên hợp

Trong các loại đá nứt nẻ có fk=2÷3 thường xảy ra sụt lở người ta sử dụng các biến tướng của phương pháp đào toàn tiết diện với việc sử dụng vì chống liên hợp Phương pháp này từng bước tạo ra ở xung quanh hầm trong quá trình đào loại vì chống tạm có khả năng đưa khối đá xung quanh vào cùng làm việc để đơn giản hóa cấu trúc của vì chống Một trong các bộ phận loại vì chống này là neo, bộ phận khác của nó là bê tông phun Trong một số trường hợp dưới sự bảo vệ của bê tông phun người ta tiến hành xi măng hóa khối đá xung quanh hầm Vì chống liên hợp từ neo,

bê tông phun và xi măng hóa khối đá có thể tiến hành ngay trên toàn bộ hoặc từng phần của chu vi hầm trên đoạn hầm dài 40-50m

Phương pháp này đã áp dụng để đào phần trên hầm thi công của thủy điện Hòa Bình, thủy điện Nurek ở Tatgikistan có nhịp thông thủy 11,6m, cao 7,6m Đặc biệt

ở thủy điện Nurek hầm nằm trong đá cát và đá alverolit fk=2÷3 Vì chống liên hợp được sử dụng với trình tự như sau: lớp bê tông phun đầu tiên phun trực tiếp lên đá ngay sau khi nổ mìn và thông gió Tiếp theo đặt các neo bê tông cốt thép theo phương pháp bán kính chiều dài 2,7m, bước 1,5m Lớp bê tông phun thứ 2 dày 10cm, phun ở đoạn hầm cách gương 10-12m Khi có xuất hiện vết nứt bê tông phun người ta treo lên đầu neo một lưới thép d=6mm và phun bê tông một lần nữa Việc xây vỏ hầm vĩnh cửu tiến hành ở khoảng cách tới gương là 100m

- Đào toàn tiết diện với việc sử dụng vì chống mềm

Trong các đá yếu loại dẻo, áp lực địa tầng tăng từ từ Khi đào hầm có tiết diện

từ 40-90m2 thì việc áp dụng phương pháp đào có sử dụng vì chống mềm là hiệu quả Đầu tiên người ta chống bằng vì chống có khả năng biến dạng, chêm chèn chắc vào đá Sau đó khi áp lực và độ lún của chu vi đã ổn định thì tiến hành xây vỏ vĩnh cửu để giữ vì chống đã dựng ban đầu Vì chống phía ngoài thường dùng neo hoặc vì chống vòm mềm và bê tông phun chiều dày 10-15cm có lưới thép Vỏ bên trong thường là bê tông hoặc bê tông cốt thép toàn khối có tính đến vì chống đã dựng, có nghĩa là chiều dày giảm đi vì có sự phân bổ lại tải trọng lên vì chống ban đầu và vỏ vĩnh cửu

Phương pháp này khi thực thi là khá phức tạp và đòi hỏi phải thường xuyên theo dõi biến dạng của nóc và vách hầm Những biến dạng này có thể xảy ra trong vòng 6 tháng hoặc hơn

Phương pháp này có thể sử dụng trong những điều kiện địa chất công trình đặc biệt như phiến sét, sét, đá biến chất hoặc argilit dẻo, tức là các loại đá có tính từ biến tắt dần, không xuất hiện tải trọng một phía, dễ làm gãy lớp bê tông phun

- Đào toàn tiết diện với việc dùng ván khuôn dạng tấm ghép di động

Trong các loại đá nứt nẻ mạnh, dễ sụt lở có thể áp lực địa tầng ở nóc và vách hầm, hầm có tiết diện ≤70m2, đôi khi người ta dùng công nghệ đào hầm đặc biệt có

sử dụng ván khuôn dạng tấm ghép di động Phương pháp này thường dùng bê tông lót mác thấp làm vì chống tạm Bê tông này được đổ nhờ những đốt ván khuôn ngắn

di động Sau mỗi lần nổ mìn và thải đá người ta kéo trượt vào sát gương một đốt ván khuôn dài khoảng 4m đặt trên đế trượt Đốt ván khuôn thường có cấu tạo là một

hệ vòm liên kết với nhau thành một kết cấu không gian, mặt ngoài có hàn thép tấm làm ván khuôn, có các cửa sổ bê tông

Thực tế áp dụng phương pháp này chỉ ra rằng tốc độ đào hầm thường không vượt quá 30m/tháng Mặt khác do cấu tạo của các đốt ván khuôn di động nên đòi hỏi đào vượt lớn và đôi khi chất lượng của lớp bê tông lót không đảm bảo do các khối đá nhô ra Do đó thường chỉ dùng để thi công các đoạn hầm ngắn

Trong đá có độ cứng fk=1,5 và lớn hơn thường chỉ đào toàn tiết diện khi ở trên nóc hầm có một lớp đá ổn định và đảm bảo an toàn khi dùng các bộ vì chống đế sẵn, định hình để chống nóc, vách hầm và gương cùng với việc sử dụng các thiết bị

để lắp ráp vỏ hầm lắp ghép ngay sau khi tạo gương Công tác đào đất đá khi thi công bằng phương pháp này có thể bằng khoan nổ mìn hoặc bằng búa chèn cùng với việc dựng vì chống tạm ở nóc hầm và cả ở mặt gương

Người ta có thể tăng giá trị của bước đào phụ thuộc vào độ ổn định của địa tầng lên một chiều dài của đốt vỏ lắp ghép trong các địa tầng có fk=3 hoặc hai đốt vỏ lắp ghép trong đá cứng ít nứt nẻ hơn hoặc khi có ở trên nóc hầm một lớp đá ổn định chiều dày không nhỏ hơn 5m Công tác đào đất đá và chống gương được tiến hành nhờ các sàn công tác di dộng của thiết bị lắp ráp vỏ hầm Để khoan gương có thể dùng các loại khoan tay hoặc máy khoan tự hành

Việc gia cố tạm phần nóc gương hầm trong các loại đá cứng hoặc đá sét ổn định nhờ các giỏ di dộng lắp trên các thiết bị ráp vỏ hầm hoặc nhờ hệ ván đặt trên các quang treo chế sẵn gắn vào phần trên của vỏ hầm Vì chống tạm sử dụng có thể là neo Trong đá yếu hoặc mặt gương đào không ổn định có thể chống bằng ván hoặc lưới thép trên các khung ép chặt vào bề mặt gương nhờ các ống di chuyển được (dạng xilanh) gắn trên các thiết bị lắp ráp vỏ hầm Áp dụng phương pháp đào toàn

tiết diện có sử dụng thiết bị lắp ráp vỏ hầm là khá khó khăn nên khi áp dụng phải có luận cứ cẩn thận, chặt chẽ tương ứng với điều kiện địa chất công trình của tuyến hầm Tốc độ đào của phương pháp này nếu tổ chức tốt thường là 50m/tháng

1.3.1.3 Phương pháp bậc thang

Phương pháp này được sử dụng phổ biến để xây dựng các hầm lớn có chiều dài không hạn chế nằm trong điều kiện địa chất công trình thuận lợi (fk≥4) với hầm có tiết diện lớn hơn 100m2 và chiều cao lớn hơn 10m

Tiết diện ngang của hầm được chia ra làm các mảnh rồi đào tuần tự ra trên toàn gương Việc phân chia tiết diện phải đảm bảo sự ổn định của hầm trong quá trình thi công và việc làm đó sẽ giảm bớt khó khăn cho công tác khoan đào và xây vỏ hầm

bê tông Có 3 cách mở gương là bậc thang trên, bậc bên và bậc dưới

Đối với phương pháp này có thể sử dụng hai sơ đồ thi công:

* Theo sơ đồ I: Trong phần dưới hầm tiến hành đào hầm dẫn trên suốt chiều dài hầm Tiếp theo sử dụng phần hầm dẫn này làm mặt thoáng tiến hành đào phần cơ bản của hầm

* Theo sơ đồ II: Đầu tiên đào phần dưới hầm trên suốt chiều dài hầm Từ phần dưới tiến hành khoan rồi làm sập phần trên Phương pháp này khi áp dụng có nhiều nhược điểm nên trong thực tế ít dùng

Hình 1.12: Thứ tự đào hầm bằng phương pháp bậc thang

a) Phương pháp bậc thang trên; b) Phương pháp bậc thang bên;

c) Phương pháp bậc thang dưới

- Phương pháp bậc bên được sử dụng để đào bậc trên của hầm nhịp lớn khi bề rộng hầm ≥20m trong đá ổn định và khi hầm có bề rộng nhỏ hơn trị số trên nhưng

đá nứt nẻ dễ sụt lở trong quá trình đào

Người ta thưởng sử dụng phương pháp này trong những trường hợp khi mà đào phần giữa sau đó đào hai bên hầm thì ổn định của nóc hầm vẫn đảm bảo Bằng cách như vậy sẽ cho phép chống đỡ nóc hầm kịp thời và chắc chắn trên một chiều dài hầm lớn và cũng cho phép sử dụng hợp lý các thiết bị khoan và xúc đá

- Phương pháp bậc thang dưới: Việc xây dựng hầm được thực hiện một cách tuần tự Đầu tiên trên suốt chiều dài hầm người ra đào phần trên của tiết diện (như đối với phương pháp đào hầm toàn tiết diện) Sau đó đổ bê tông phần vòm ở khoảng cách kể từ gương là 250 – 300m Khi chiều dài hầm nhỏ hơn 300m thì có thể đào phần trên và chống đỡ tạm trên toàn hầm rồi mới xây vỏ vĩnh cửu (bê tông) Sau khi

đổ bê tông vòm mới tiến hành đào bậc dưới Cuối cùng (sau khi đổ bê tông vỏ) mới tiến hành đào bậc dưới Cuối cùng chừng 10m nếu có thiết bị để đổ bê tông cả vòm thì việc xây dựng vỏ hầm có thể tiến hành làm một bước, sau khi đã đào xong phần dưới

Chiều cao hợp lý nhất của bậc dưới là 8-10m Nếu chiều cao bậc dưới của hầm lớn hơn 10m thì phải chia làm nhiều bậc Sau khi đào mỗi bậc phải gia cố hai bên vách trên suốt chiều dài hầm

Ưu điểm của phương pháp bậc thang dưới:

+ Khi thi công các hầm có tiết diện lớn hơn 100-120m2 nằm trong điều kiện địa chất công trình biến thiên trong một khoảng rộng

+ Cho khả năng gia cố nhanh phần nóc hầm, nhất là trong những đoạn địa tầng phá hoại và có thể chuyển nhanh sang phương pháp khác khi chuyển vào đoạn địa tầng yếu Phương pháp này cũng cho khả năng sử dụng các thiết bị có năng suất cao, tiến độ thi công lớn (120m/tháng phần trên, 250m/tháng ở các bậc dưới), giảm

giá thành công tác khoan một cách đáng kể, nhất là ở bậc dưới khi sử dụng các lỗ khoan nghiêng và an toàn trong thi công khi đã có vòm bê tông

Nhược điểm của phương pháp bậc thang dưới: Làm tăng thời hạn thi công toàn hầm so với phương pháp đào toàn tiết diện Nếu như ký hiệu tốc độ đào bậc dưới và

đổ bê tông tường là v1, tốc độ đào bậc trên và đổ bê tông là v2 thì tốc độ xây dựng toàn hầm sẽ là: V=v1.v2/( v1.v2) Theo công thức này dễ nhận thấy nếu tốc độ đào bậc trên là 100m/tháng, bậc dưới là 150m/tháng thì tốc độ đào hầm không vượt 60m/tháng hay nói cách khác chỉ bằng 60% tốc độ đào bậc trên

Phương pháp bậc thang dưới đã sử dụng để thi công hầu hết các hầm của tổ hợp ngầm Hòa Bình, hầm dẫn dòng của thủy điện Yaly,…

1.3 2 Phương pháp mở đường hầm trong địa tầng yếu

Khi đào đường hầm trong các địa tầng không ổn định hoặc kém ổn định, yêu cầu phải gia cố và sử sụng kết cấu chống đỡ khoang đào để chịu áp lực lớn của khối

đá xung quanh khối đào tác dụng lên

1.3 2.1 Phương pháp đào hầm bằng máy đào chuyên dụng

Phương pháp này gọi là phương pháp đào một lần toàn bộ mặt cắt đường hầm

Có thể chia làm hai loại tùy theo mức độ cơ giới hóa của việc thi công: Cơ giới 1 phần (gọi tắt là phương pháp khiên) và cơ giới toàn bộ máy đào (TBM):

Khiên là một vỏ thép, tiến về phía trước theo chu kỳ nhờ những kích thủy lực tựa lên đầu đoạn vỏ đường hầm đã thi công xong Độ dài của chu kỳ khiên phụ thuộc vào tốc độ đổ bê tông đoạn vỏ hầm dưới sự bảo vệ của khiên Ưu điểm của phương pháp này là không cần chống đỡ, đá đào ra được xúc ngay vào băng tải, đặc biệt nếu dùng búa hơi để đào thi tốc độ thi công sẽ rất nhanh Có thể đào theo 4 sơ

đồ tùy thuộc vào điều kiện địa chất của từng công trình cụ thể như sau:

Trường hợp 1: Đào trong đất mềm, không có nước ngầm (ví dụ: đá phấn, sét,…) Tuy nhiên nếu gặp đá tương đối cứng, ít dính cũng có thể dùng khiên có hệ thống đào chuyển động kiểu vệ tinh Khi vỉa đất có lẫn đá tảng thì phải có hai lưỡi dao, lưỡi cắt dao đầu cắt đá, lưỡi dao sau cắt đất

Trường hợp 2: Đào trong đất không ổn định (ví dụ: cát bão hòa nước) Yêu cầu để có thể đào là phía trên tầng bão hòa nước phải có tầng sét dày không thấm Gặp chỗ sét mỏng sẽ dẫn tới bị bục đất, nước tràn vào

Trường hợp 3: Đào dưới mực nước ngầm Dùng vữa Betonite phun thấm vào trong đất để tăng độ cố kết, đào đất không bị trượt Sơ đồ này có tác dụng khi gương đào không ổn định, dễ bị sụt xuống Sử dụng đầu khiên kín, có lỗ để cho đất

và vữa chảy ra Cần lưu ý phải có thiết bị tách vữa Betonite ra khỏi đất

Trường hợp 4: Đào trong đất lẫn nước, dùng áp lực nước ép đất vào gương đào, đặt trong phòng kín ở đầu khiên, có đường thoát đất và nước ra Cũng sử dụng khiên có cấu hình kín

Đào cơ giới toàn bộ bằng máy đào đường hầm TBM trong đất mềm là phát triển từ máy đào TBM trong đá cứng Tuy nhiên năng suất đào sẽ thấp hơn

1.3.2.2 Phương pháp vòm trước

Phương pháp này đổ bê tông vòm trước sau đó mới đào đổ bê tông tường và đáy đường hầm Áp dụng với các loại đất đá nứt nẻ nhiều, đá mềm có hệ số độ cứng (fk<4) và kết hợp với nổ phá

Phương pháp vòm trước có dạng biến tướng: Một hầm dẫn, hai hầm dẫn, và toàn bộ phần vòm trước, …

- Sơ đồ một hầm dẫn (hình 1.4-a): Đầu tiên đào hầm dẫn trên (1) sau đó mở rộng phần vòm (2) và đổ bê tông vỏ cho phần vòm Tiếp theo dưới sự bảo vệ của vòm tiến hành đào phần giữa (3) và mở rộng phần (4), (5) rồi xây phần tường của

vỏ hầm Cuối cùng đào và đổ bê tông phần đáy hầm (6) Sơ đồ này được sử dụng để xây dựng những phần hầm trong đá yếu, không ngậm nước

- Sơ đồ hai hầm dẫn (hình 1.4-b): áp dụng để xây dựng hầm có hiệu quả hơn trong đá yếu ngậm nước

- Sơ đồ phần vòm vượt trước (hình 1.4-c): Dùng để mở không gian hầm theo những phần lớn hơn các sơ đồ trên Điều này chỉ thực hiện được trong các địa tầng

ổn định hơn Bắt đầu thi công từ việc đào phần trên (1), chống đỡ tạm bằng vòm kim loại rồi tiến hành đổ bê tông phần vòm của vỏ hầm Dưới sự bảo vệ của vòm bê

tông tiến hành đào các bộ phận (2), (3), (4) sau đó xây dựng phần tường của vỏ và thi công phần đáy

Hình 1.13: Đào các bộ phận khi thi công hầm theo phương pháp vòm trước a) Sơ đồ một hang dẫn; b) Sơ đồ 2 hầm dẫn; c) Sơ đồ phần vòm vượt trước;

1,2,3…8 - Thứ tự đào tiết diện

1.3.2.3 Phương pháp nhân đỡ

Đây là phương pháp đào tuần tự theo chiều cao vách hầm các hầm dẫn bên (1 - 4), bắt đầu từ đáy hầm và đổ bê tông ở trong hầm một bộ phận vỏ hầm, đào hầm giữa đỉnh (5), mở rộng không gian trong phần vòm (6) và đổ bê tông vòm tựa lên tường bê tông đã dổ Cuối cùng đào phần lõi (7) khi đã có vỏ hầm bảo vệ (hình 1… Trong trường hợp đặc biệt phức tạp, người ta dùng phương án đào song song các tường cùng với việc đổ bê tông các phần vỏ tương ứng nhờ các hầm dẫn bố trí lần lượt lên nhau, bắt đầu từ đáy hầm cho đến khi khép kín vỏ hầm

Phương pháp này ít được sử dụng, chủ yếu để với những đoạn địa chất yếu và hầm có bề rộng lớn (từ 10m trở lên)

Hình 1.14: Thứ tự đào hầm theo phương pháp nhân đỡ

1.3.2.4 Phương pháp phân mảnh đào toàn tiết diện

Là phương pháp đào toàn bộ không gian của hầm theo trình tự sau: đầu tiên đào hầm dẫn dưới (1) và hầm dẫn trên (2) Đào mở rộng phần nhỏ (3) và mở rộng phần lớn (4), phần lõi (5) và mở rộng sang hai vách (6) Đồng thời với quá trình đào là quá trình chống Đến khi đào xong toàn bộ tiết diện hầm cũng là lúc dựng xong vì chống Sau khi đào xong toàn tiết diện thì tiến hành đổ bê tông vỏ hầm, có thể cả phần đáy

Hình 1.15: Thứ tự đào hầm theo phương pháp phân mảnh đào toàn tiết diện

Tuy nhiên nếu đào theo sơ đồ (hình 1.6) thì cuối cùng mới chống đỡ đổ bê tông Trong trường hợp gặp lớp đá mềm đá, đá đứt gãy hoặc đoạn xen kẹp giữa đá và đất nào đó trên tuyến hầm ( ví dụ như hầm Hải Vân khi đào gặp đoạn có túy cát xen kẹp và nước ngầm) thì phương pháp này gặp khó khăn phải cải tiến dùng biện pháp khoan phụt vữa xi măng làm cứng hóa khối đào, kết hợp chống đỡ và tiến hành đào hầm như đào hầm qua khối đá cứng

1.3.2.5 Phương pháp đào có gia cố trước

Trong các loại địa tầng mềm yếu và cát không ngậm nước người ta sử dụng phương pháp gia cố trước vách hang rồi mới đào hầm bằng cách lồng ống Để gia

cố trước dọc theo chu vi ngoài củ hầm người ta ép hoặc khoan lỗ rồi luồn ống đường kính 190 – 200 mm Ống chống lập từ nhiều đoạn, nối với nhau bằng ren Chiều dài mỗi đoạn 1,35 m Sau khi đào đất từ trong ống chèn ra thì nối dài ống và tiếp tục chu kỳ tiếp theo cho đén chiều dài thiết kế Khoảng cách giữa các ống dọc theo chu vi hang từ 0,3 đến 0,5 m Sau khi tách lấy toàn bộ đất trong ống thì bắt đầu việc lấp đầy bằng cách ép vữa xi măng vào trong ống Để tăng cường kết cấu vì chống có thể đưa khung cốt thép vào trong lỗ khoan trước khi lấp đầy bằng xi măng

Việc đào đất bắt đầu khi vữa xi măng đủ độ bền và có thể tiến hành theo từng giai đoạn Trong thời gian đào áp lực đất truyền lên hệ dầm là các ống thép đã ép đầy vữa xi măng cát Trong thời gian đào, sau mối bước đào tiến hành dựng vòm thép ở phía dưới

Dưới sự bảo vệ của ống chống và vòm thép tiến hành thi công các phần còn lại

và đổ bê tông vòm sau đó đào phần chính của hầm rồi đổ bê tông tường và đáy hầm

Hình 1.16: Khoan các lỗ vượt trước trên gương hầm Trong đó: 1 Giá khoan; 2-Máy khoan; 3-Ống lồng gia cố trước; 4-Vòm thép phủ bêtông; 5-Bơm nước; 6-Khối động lực để khoan

1.4 Các phương pháp thi công đường hầm tiên tiến trên thế giới

1.4 1 Phương pháp thi công hầm của Na-uy (NMT)

Từ năm 1980, bê tông phun ướt gia cường bằng sợi thép (SERS) kết hợp với việc sử dụng các neo đá là thành phần chính của hệ thống chống đỡ đá vững chắc và vĩnh cửu cho các công trình ngầm tại Na Uy Công nghệ bê tông và khái niệm phương pháp chống đỡ này đã được cải tiến một cách đáng kể tạo nên công nghệ thi công hầm NMT Căn cứ trên số liệu nghiên cứu của nhiều công trình, công thức kinh nghiệm đã được lập cho quan hệ độ dày bê tông phun, khoảng cách neo đá và chất lượng đá

Trong trường hợp khối đá đặc biệt xấu, khái niệm sử dụng thanh thép, khung chống vòm thép kết hợp với bê tông phun ướt gia cường bằng sợi thép (SERS) và các neo đá cũng được sơm phát triển, thay thế cho bê tông vỏ hầm trong những năm gần đây Độ dài, chiều rộng và khoảng cách giữa các khung chống thép tùy thuộc vào chất lượng của khối đá Hệ thống chống đỡ (SERS) cũng được sử dụng rộng rãi

để tránh nứt vỏ và xẻ phiến dưới điều kiện ứng suất đá cao Việc sử dụng phân loại

đá Q kết hợp với phương pháp SERS và neo đá như là hệ thống chống đỡ hầm cuối cùng tạo thành các thành phần quan trọng nhất của phương pháp NMT

1.4 2 Phương pháp thi công hầm của Áo (NATM)

Những năm 1957-1965, kỹ sư mỏ người Áo, Giáo sư tiến sỹ L.V.Rabcewicz phát triển cách thức đào hầm mới và ông được cấp bằng sáng chế mang tên:

“Phương pháp thi công hầm mới của Áo (NATM)’’ Từ kinh nghiệm trong việc đào

hầm mỏ có độ sâu lớn, ông nêu ra quá trình sập hầm sẽ xảy ra theo trình tự như sau:

- Lở đá sẽ xuất hiện ở đỉnh vòm trên và dưới vòm ngược của đường hầm, một

hệ lực kéo tập trung xung quanh khu vực này, do đó cường độ nguyên thủy của đá

giảm đi

- Sau khi phân phối lại áp lực quanh đường hầm, ứng suất nén thẳng đứng sẽ

tập trung ở vách hầm

- Vách hầm nứt ra, cuối cùng hầm sụt xuống

Để tránh hiện tượng trên cần nhanh chóng phun một lớp bê tông mỏng và neo

đá sẽ có lợi hơn lắp trụ chống bằng gỗ hoặc thép

Giáo sư tiến sĩ L.V.Rabcewicz và các cộng sự của mình là Giáo sư L.Muller và F.Pacher đã phát triển phương pháp NATM Mốt liên hệ giữa vấn đề tải trọng tác

dụng lên đường hầm và sự dịch chuyển (biến dạng) của đường hầm, được gọi là đường cong Fenner – Pacher là cơ sở của lý thuyết NATM Sau khi đào vòm đường

hầm có các biến dạng sau:

+ Trạng thái đơn trục của đường hầm: 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

+ Biến dạng của đỉnh vòm và vòm ngược: Cường độ kéo tập trung tại đỉnh vòm và vòm ngược của hầm, biến dạng của đá dần dần tăng tại đỉnh vòm và vòm ngược do cường độ kéo của đá không cao so với cường độ nén

+ Tập trung của ứng suất nén: 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 + Vách tường hầm bị nứt ra: Vách tường hầm bị nứt ra do đá bị nứt dưới tác

dụng của ứng suất chịu kéo cao

+ Gia tăng vùng biến dạng: Khối đá nằm phía trên vòm hầm trở nên không ổn định do suy giảm sức chịu tải tại chân vòm hầm Cuối cùng thì vùng bị biến dạng

của vòm hầm sẽ diễn biến theo đề suất của K.Terzaghi

1.5 Một số sự cố thường gặp trong quá trình thi công đường hầm

Trong thi công đường hầm những năm gần đây, kỹ thuật công nghệ trong xây

dựng công trình ngầm đã có những tiến bộ vượt bậc, rất nhiều công trình ngầm trên

thế giới đã được xây dựng thành công, an toàn và hiệu quả Tuy nhiên có không ít các sự cố xảy ra trong quá trình thi công và hậu quả để lại cũng rất lớn

Chính vì thế công tác phòng ngừa sự cố kỹ thuật xảy ra trong quá trình thi công là cần thiết Sự cố kỹ thuật luôn gắn liền với công tác thi công và là điều không thể tránh khỏi Kết quả nghiên cứu khoa học, cải tiến kỹ thuật có thể làm tăng hiểu biết chung, giúp lý giải được nguyên nhân dẫn đến sự cố kỹ thuật và cho phép tìm ra được giải pháp phòng ngừa nhất định Tuy nhiên, khối đá là vật thể địa

chất phức tạp, do vậy đến nay kinh nghiệm thực tế vẫn rất quan trọng

1.5 1 Nguyên nhân gây ra sự cố kỹ thuật trong quá trình thi công đường hầm

Ta có thể phân loại sơ bộ như sau:

- Các số liệu ban đầu của địa tầng không chính xác (không dự báo được điều

kiện địa chất bất lợi như sự biến đổi tính chất cơ lý của đất đá do phong hóa, do đứt gãy, vò nhàu, do hệ thống các khe nứt trong đất đá, ảnh hưởng của mực nước ngầm, đất đá nén ép hoặc trương nở)

- Sai sót trong công tác quy hoạch, tính toán (chọn sai mức nền hầm, phân loại đứt gãy không đúng, không tương thích với kết cấu chống, các thông số kỹ thuật không tương ứng với loại vật liệu xây dựng, thi công sai phương pháp)

- Sai sót trong tính toán: thường xuyên xuất hiện trong cả quá trình thiết kế (thu thập và sử lý dữ liệu quan trắc không phù hợp, không chính xác, các thông số không chính xác để thiết kế, không đánh giá đúng các tác động của nước ngầm, sử

dụng chương trình tính toán không hợp lý)

- Sai sót trong quá trình thi công: có liên quan đến hầu hết các công việc trong quá trình thi công (công tác khoan nổ mìn phá đá không hợp lý, thi công các loại vỏ

hầm không đảm bảo chất lượng hoặc không đúng thời điểm, tiến độ bước thi công không phù hợp)

- Sai sót trong quản lý điều hành: (không thu nhận các thông tin tối thiểu cần thiết về địa tầng trước khi thi công, không thường xuyên kiểm tra an toàn và cập

nhật tình trạng gương hầm thi công để kịp thời điều chỉnh, người thiết kế (quản lý) trình độ kém hoặc không có kinh nghiệm, giám sát thi công không tốt, xử lý các dữ

liệu quan trắc không tốt hoặc sai sót)

1.5 2 Một số dạng sự cố kỹ thuật đã xảy ra trong Xây dựng công trình ngầm 1.5 2.1 Sự cố kỹ thuật tại hầm đường bộ qua đèo Hải Vân

Ngày 05/9/2011, khi đào đến Km0+27 của hầm chính thì sự cố kỹ thuật đã xảy

ra, một khối lượng đất tại đỉnh hầm bị sụt lở kéo theo các ống tạo ô bị sụt xuống Nhà thầu đã tiến hành phun bê tông liên tục vào vùng sụt lở nhưng hiện tượng sụt lở

vẫn tiếp tục gia tăng và tạo thành hốc rỗng trên đỉnh hầm Đất khu vực này là đất phong hóa từ đá granite có dạng cát sét, đất tơi không đồng nhất bao gồm đất cát sét màu nâu vàng, xám trắng xen lẫn các dải sét cát màu nâu sẫm Nước ngầm tại khu

vực này rất nhiều, luôn nhỏ giọt từ trên đỉnh hầm xuống và chảy ra từ các lỗ khoan thoát nước trên gương hầm Khi hiện tượng sụt lở vẫn tiếp tục gia tăng thì Nhà thầu

đã lấp gương hầm bằng đá, đồng thời dùng thiết bị nâng đưa lưới thép CQS6 vào phun bê tông Tuy nhiên, biện pháp này chỉ ngăn được tạm thời Đến hai ngày sau

do lượng mưa lớn kéo dài từ 37-60mm làm cho mực nước ngầm tăng lên dẫn đến

sạt lở tiếp tục Vật liệu thoát ra từ gương hầm là sét pha cát bão hòa nước (dạng bùn

lỏng) Tổng khối lượng khoảng 300 m3

Nguyên nhân:

Theo tổng kết, đánh giá dẫn tới sự cố kỹ thuật xảy ra tại cửa hầm phía Nam dự

án hầm đường bộ Hải Vân bao gồm:

- Do khâu khảo sát: số liệu khảo sát đã không lường trước được sự tồn tại của các khối cuộn tảng có kích thước lớn trong khối đất làm phá vỡ tính đồng nhất của môi trường Kết quả khảo sát không cung cấp đầy đủ số liệu về điều kiện địa chất

thủy văn, đặc biệt là mức độ giảm bền của khối đất do lưu lượng và tốc độ của nước

ngầm vào mùa mưa

- Do thiết kế: Với số liệu khảo sát không đầy đủ nên biện pháp thiết kế thi công đề ra không tính tới khả năng mất ổn định tại mặt gương khi đất bão hòa nước

- Do nguyên nhân khác: do trước khi đi vào thi công, các nhà thầu Việt Nam

hầu như chưa thi công công trình trong nền đất yếu tương tự như Hải Vân

1.5.2.2 Sự cố kỹ thuật tại hầm Thủy điện Bảo Lộc

Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện tại gương đào từ cửa nhận nước Trong quá trình thi công đã xảy ra hiện tượng đất đá đổ sập vào hầm, ngăn toàn bộ lối đi làm gián đoạn thi công

Nguyên nhân: Do đoạn cửa vào có địa chất yếu và phức tạp, đất đá sạt trượt ngay sau khi đào mà chưa kịp lắp dựng vì chống và phun vẩy gia cố

1.5.2.3 Sự cố kỹ thuật tại hầm Thủy điện ĐAK MI 4

Do tuyến đường hầm đi qua lòng sông cũ bị bồi lấp sau nhiều năm có địa chất mềm yếu, nứơc ngầm phức tạp nên khi Nhà thầu đào hầm qua đoạn KP 0+127 đến

KP 0+200 thì hang hầm bị sụt lở mạnh đồng thời có các vết nứt nhỏ xung quanh hầm

Nguyên nhân: Khi đào đất đá xung quanh hầm bị biến dạng gây ra hiện tượng chùng ứng suất

Trước tình hình đó nhà thầu thi công, Chủ đầu tư và nhà thầu Tư vấn thiết kế đưa ra giải pháp cho đào hạ chiều cao cột đất đá trên đỉnh hầm xuống đến cao trình +264.00 Với quan điểm để giảm trọng lượng áp lực của khối đất đá tác dụng lên đỉnh hầm nhưng diễn biến xảy ra không đúng như mong muốn Toàn bộ khối đất đá

trong vùng cao trình +264.00 tụt xuống lấp hẳn đường hầm Nguyên nhân: Khi đào

hạ chiều cao cột đất đá trên đỉnh hầm xuống cao trình +264.00 đã vô tình đào bóc

vỏ cứng phần vòm cân bằng áp lực của đường hầm, làm cho đuờng hầm mất đi vỏ cứng nên sụt lở nhanh chóng hơn

1.5.2.4 Sự cố kỹ thuật tại Thủy điện Đạ Dâng tỉnh Lâm Đồng

Vào ngày 16 tháng 12 năm 2014 tại thủy điện Đạ Dâng bị sập đường hầm dẫn nước sập làm 12 công nhân mắc kẹt trong hầm Phải sau hơn 80 giờ huy động tối đa các nguồn lực, phương tiên tốt nhất có thể, lực lượng cứu hộ gần 1 ngàn người đã cứu hộ thành công 12 công nhân bị mắc kẹt

Nguyên nhân: Do địa chất đường hầm yếu phức tạp kết hợp với mưa kéo dài khiến cho hầm bị sập

Hình 1.17: Bên trong đường hầm thủy điện Đạ Dâng

Hình 1.18: Đường hầm thủy điện Đạ Dâng sau khi bị sập

1.6 K ết luận

Theo đà phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật của thế kỷ 21 trên toàn thế giới, các phương pháp thi công đường hầm cũng phát triển rất mạnh mẽ, đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao, mức độ phức tạp theo từng công trình cụ thể Vì vậy việc lựa chọn phương pháp gia cố, chống đỡ khi thi công các công trình ngầm khi đi qua khu vực địa chất yếu, phức tạp phải tùy theo điều kiện địa chất và địa hình cụ thể mà có biện pháp thi công thích hợp để đẩy nhanh tiến độ thi công và đạt hiệu quả cao về kinh tế, đảm bảo an toàn trong suốt quá trình thi công

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH VÒM PHÁ HOẠI ĐƯỜNG HẦM

Dựa trên những nghiên cứu trong quá trình đào đường hầm, ta nhận thấy rằng khối đào làm thay đổi trạng thái ứng suất xung quanh, dưới tác dụng trọng lượng bản thân gây ra ứng suất kéo, ứng suất thay đổi so với trạng thái ban đầu gây nên hiện tượng chùng ứng suất (hiện tượng mỏi của đất đá theo thời gian khi không tăng

áp lực gọi là từ biến) Do ứng suất thay đổi, làm đá biến dạng và khi mất ổn định có thể xảy ra hiện tượng sụt trần khối đào và đẩy trồi các tường bên Nếu sự biến dạng

do đào đường hầm gây ra còn ở trong giới hạn đàn hồi, thì khối đào không cần thiết phải gia cố 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

Khi thi công đường hầm gặp vùng địa chất yếu, phức tạp và gây bất lợi cho công tác thi công như: Vùng phong hóa mạnh, vùng đất đá xen kẹp, vùng địa chất rời rạc, vùng hang động vùng cát chảy, vùng có nước ngầm hoạt động, vùng chứa khí mê tan,… Trong quá trình đào, che chống và xây dựng vỏ đường hầm thì có thể phát sinh gây ra sụt lở đất đá, hầm đào bị biến dạng làm hỏng bộ phận chống đỡ, kết cấu vỏ hầm bị nứt vỡ Gây ảnh hưởng lớn đến tiến độ thi công trong thời gian tìm giải pháp xử lý, làm mất an toàn và chất lượng công trình Đặc biệt, đường hầm đi qua các vùng có địa tầng mang nhiều khí mê tan lại càng nguy hiểm nhất là công tác

an toàn trong thi công Còn khi gặp địa tầng là nước ngầm có áp thì cơ bản đã phải

xử lý trước khi và trong quá trình mở rộng đường hầm

Khi đào đường hầm, khối đá xung quanh có xu thế chuyển dịch vào trong lòng đường hầm, tạo ra áp lực lên vật chống đỡ đó là loại áp lực ban đầu Quá trình mở rộng đường hầm bằng các phương pháp đào khác nhau, thời gian khối đào chưa

được chống đỡ kéo dài, đã làm thay đổi các tính chất về lực của khối đá xung quanh, đó là loại áp lực thứ hai Từ các phân tích ở trên, có ba loại áp lực có thể xuất hiện khi đào hầm là:

- Áp lực do khối đá mất cân bằng (do đào hầm để tạo khoảng trống)

- Áp lực của khối đá nằm bên trên (do trọng lượng của những khối đất đá nằm bên trên)

- Áp lực trương nở của đá (do đất đá xung quanh khối đào có tính trương nở) Các loại áp lực trên phụ thuộc vào chất lượng của đá và chiều sâu đặt đường hầm và thời gian tiến hành chống đỡ sau khi đào, nổ phá

Hiện nay, các phương pháp tính toán áp lực đá tác dụng lên kết cấu chống đỡ được chia thành nhiều trường phái: Lý thuyết và kinh nghiệm, áp lực thẳng đứng tác dụng lên nóc hầm và áp lực hai bên có liên quan đến chiều sâu đào, áp lực đáy hầm Trong luận văn này xin được giới thiệu một số tác giả điển hình theo các nhóm tác giả sau:

2.1 Phương pháp dựa trên quan sát thực tế và giả thiết vòm áp lực (phương pháp dựa trên đánh giá chất lượng đá)

Có thể phân ra một số nhóm như sau:

- Nhóm thứ nhất: Là những công trình nghiên cứu áp lực đất đá và sự thể hiện của nó không xét đến sự làm việc tương hỗ của khối địa tầng và vật chống đỡ Dựa trên số liệu thực tế và những giả thiết riêng cùng với việc sử dụng các phương pháp tính công trình một cách gần đúng như các giả thuyết tạo vòm (V.riter, M.M.Protodiakonov…), giả thuyết về các lăng thể trượt bên vách hang (A.Birbaumer, M.P.Brotski, X.A.Sukin,K.Tezaghi.…), các giả thuyết dựa trên quan sát thực tế (N.M.Pokrovki, V.V.Orlov…) cũng như các giả thuyết dựa trên việc sử dụng lý thuyết đàn hồi và cơ học kết cấu (V.D.Xlexarev, A.P.German, A.I.Xegal,…)

Theo N.X.Bulutrop thì các giả thuyết trên có thể quy về các giả thuyết về áp lực, xem tải trọng lên vật chống như là trọng lượng của một thể tích đất đá nào đó trong phạm vi vòm hay lăng thể trượt

- Nhóm thứ hai: Dựa trên giả thuyết về biến dạng, nghiên cứu áp lực đất có xét đến sự tương hỗ của khối địa tầng và vì chống, coi đất đá là môi trường đàn hồi đẳng hướng (N.G.Xavn, I.V.Rodin, V.L.Phedorov…), môi trường giả đẳng hướng (X.G.Lexnhixki, A.X.Koxmadamianxki, I.A.Bialer…), môi trường đàn hồi dẻo (R.Phenher, G.Labaxx, K.V.Rupênhit…), môi trường đàn hồi nhớt và dẻo nhớt (I.Xaluxtovia, T.A.Krugsanovskia, A.p.Makximov…), môi trường đàn hồi di truyền đẳng hướng (M.I.Rodovski, G.X.Erganov, S.M.Aitaliev….)

- Nhóm thứ ba: Nghiên cứu áp lực đất với quan điểm mất ổn định của khối địa tầng kèm theo sự thay đổi hình dạng của hầm (L.V.Ersov, L.H.Naxonov…)

Ở nhiều nước trên thế giới lý thuyết tạo vòm đã được sử dụng rộng rãi để thiết

kế các công trình ngầm Có thể đưa ra một số phương pháp đã áp dụng như sau:

2.1.1 Vòm áp lực trên đỉnh hầm có dạng Parabol hay Elip

16

2

= (2.1) Trong đó: z được tính theo công thức

γ - Trọng lượng đơn vị của đá

V.Ritter đã nêu lên hai công thức xác định áp lực đất đá lên kết cấu chống đỡ cho 2 trường hợp: nóc hầm nằm ngang, nóc hầm có dạng cong Ngoài ra Ritter cũng nghiên cứu sự ổn định của tường bên

P- Trọng lượng vòm đá

E- Lực chống đỡ

a) Đỉnh khối đào có dạng phẳng b) Đỉnh khối đào có dạng cong

Hình 2.1: Mô hình tính áp lực đất đá của V.Ritter

- Đối với trường hợp Nóc hầm nằm ngang:

T

b p

=

)

2 ( 4

3

3

2

12

γ

σγ

σγ

σ

γ

T T

T

r

r r

Trong đó :

p- Lực phân bố đều do trọng lượng vòm tác dụng lên vật chống đỡ

b- Chiều rộng của chân vòm

r- Bán kính của đường hầm

σT - Ứng suất kéo của đá

γ - Trọng lượng đơn vị của đá

Ông cũng đưa ra nhận xét có thể không cần phải chống đỡ vòm hầm nếu :

b ≤

γ

σT3