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

i LỜI CAM ĐOAN Đề tài luận văn thạc sĩ kỹ thuật “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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

PHẠM XUÂN DIỆU

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KẾT CẤU CHỐNG ĐỠ TẠM THỜI

CHO HẦM THỦY ĐIỆN VĂN CHẤN- TỈNH YÊN BÁI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

PHẠM XUÂN DIỆU

CHO HẦM THỦY ĐIỆN VĂN CHẤN- TỈNH YÊN BÁI

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số: 60580202

NG ƯỜI HƯỚNG DẪN: 1 GS.TS NGUYỄN CHIẾN

2 TS ĐÀO VĂN HƯNG

HÀ NỘI, NĂM 2016

i

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài luận văn thạc sĩ kỹ thuật “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” của tác giả đã được Nhà trường giao nghiên cứu theo quyết định số 03/QĐ-ĐHTL ngày 04 tháng 01 năm 2016 của Hiệu trưởng trường Đại học Thủy Lợi về việc giao đề tài luận văn và người hướng dẫn cho học viên cao học tại Hà Nội đợt 1 năm

2016

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả luận văn

Phạm Xuân Diệu

ii

iii

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, thực hiện, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật

chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài: “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” với mục đích đưa ra phương pháp tính toán, biện

pháp thi công khi đào hầm qua vùng đất yếu…Luận văn cũng đưa ra ví dụ tính toán tham khảo cho hầm thủy điện Văn Chấn- tỉnh Yên Bái

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo GS.TS Nguyễn Chiến, TS Đào

Văn Hưng đã dành nhiều thời gian, tâm huyết hướng dẫn và cung cấp thông tin cần

thiết giúp tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn phòng Đào tạo đại học và sau đại học, khoa Công trình cùng các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện, giúp đỡ, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian tác giả học tập chương trình Cao học của trường Đại học thủy lợi, cũng như trong quá trình thực hiện luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Thủy điện và năng lượng tái tạo - Viện khoa học thủy lợi Việt Nam, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và thực hiện luận văn này

Do còn hạn chế về trình độ chuyên môn, cũng như thời gian có hạn, nên trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả không tránh khỏi những sai sót Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được chỉ bảo của các thầy, cô giáo và sự góp ý của các bạn bè đồng nghiệp

iv

v

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG 5

1.1 Tình hình xây dựng đường hầm thủy công ở Việt Nam 5

1.2 Các vấn đề gặp phải khi xây dựng đường hầm qua đoạn có địa chất xấu 7

1.3 Các nghiên cứu tính toán kết cấu, biện pháp gia cố, thi công đường hầm 8

1.3.1 Các phương pháp thi công đào đường hầm 8

1.3.2 Các phương pháp gia cố, chống đỡ tạm thời khi đào hầm gặp phải địa chất yếu 9

1.3.2.1 Gia cố dạng treo: 9

1.3.2.2 Gia cố dạng chống 10

1.3.2.3 Gia cố vượt trước 11

1.3.3 Các nghiên cứu về tính toán kết cấu lớp lót đường hầm 14

1.3.3.1 Phương pháp cơ học kết cấu (tính toán vòm kín) 14

1.3.3.2 Phương pháp cơ học vật rắn biến dạng 16

1.3.3.3 Phương pháp số trong tính toán lớp lót đường hầm 17

1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận văn 20

1.5 Kết luận Chương 1 21

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THI CÔNG VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CHỐNG ĐỠ TẠM THỜI KHI ĐÀO HẦM QUA VÙNG ĐẤT YẾU 23

2.1 Khái niệm vùng đất yếu trong thi công đường hầm 23

2.1.1 Hiện tượng Karst 23

2.1.2 Đứt gãy 23

2.1.3 Đất sụt 24

vi

2.2 Các giải pháp thi công đào hầm qua vùng đất yếu 24

2.2.1 Khoan lỗ thăm dò 24

2.2.2 Lựa chọn biện pháp chống đỡ 25

2.2.3 Dự báo các sự cố có thể xảy ra và đề ra giải pháp 25

2.3 Tải trọng tác dụng lên đường hầm 25

2.3.1 Các tải trọng và tổ hợp tải trọng 25

2.3.2 Áp lực núi đá 26

2.3.3 Lực kháng đàn tính của đá 30

2.3.4 Các lực khác 30

2.3.4.1 Áp lực nước: 30

2.3.4.2 Áp lực phụt vữa: 30

2.3.4.3 Ứng suất nhiệt: 31

2.3.4.4 Lực động đất: 31

2.4 Tính toán kết cấu sườn chống tạm thời 31

2.4.1 Phương pháp tính toán kết cấu 31

2.4.1.1 Xác định ngoại lực trong phạm vi 1 vì chống (trường hợp thi công) 32

2.4.1.2 Tính toán nội lực trong vì chống 33

2.4.1.3 Lựa chọn mặt cắt của vì chống 33

2.4.2 Nghiên cứu quan hệ giữa modun chống uốn của sườn chống với tải trọng và kích thước hầm 33

2.4.2.1 Các tài liệu nghiên cứu 33

2.4.2.2 Tính toán 34

2.5 Kết luận Chương 2 43

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG CHO HẦM THỦY ĐIỆN VĂN CHẤN- YÊN BÁI 45

3.1 Giới thiệu công trình 45

3.1.1 Vị trí công trình [12] 45

vii

3.1.2 Các thông số chính 45

3.1.3 Quy mô các hạng mục công trình 47

3.2 Các thông số tính toán đường hầm 49

3.2.1 Các thông số chính của hầm dẫn nước [12] 50

3.2.2 Mô tả địa chất khu vực đứt gãy.[11] 50

3.2.3 Các chỉ tiêu cơ lý của đất đá khu vực đứt gãy 55

3.3 Giải pháp đào hầm qua đoạn có địa chất xấu 55

3.3.1 Tính toán sườn chống tạm thời 55

3.3.2 Biện pháp đào hầm qua vùng đất yếu 56

3.4 Tính toán kết cấu lớp lót cho đoạn hầm có địa chất xấu 59

3.4.1 Các trường hợp tính toán 59

3.4.2 Các lực tác dụng lên vỏ hầm tại khu vực đứt gãy 59

3.4.3 Sơ đồ lực tác dụng tại khu vực đứt gãy 60

3.4.4 Các mô hình tính toán 63

3.4.5 Phương pháp tính toán 65

3.4.5.1 Tính nội lực trong lớp lót 65

3.4.5.1 Tính toán cốt thép 65

3.4.6 Kết quả tính toán 66

3.5 Kết luận Chương 3 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

1 Các kết quả đạt được của Luận văn 69

2 Một số vấn đề tồn tại 70

3 Hướng tiếp tục nghiên cứu 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 73

viii

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Gia cố dạng treo 10

Hình 1.2 Gia cố dạng chống 11

Hình 1.3 Gia cố sử dụng neo vượt trước 12

Hình 1.4 Gia cố sử dụng giàn ống 13

Hình 1.5 Gia cố sử dụng ống thép phụt vữa xi măng vượt trước 14

Hình 1.6 Sơ đồ vòm khép kín [6] 15

Hình 1.7 Sơ đồ tính toán vòm khép kín [6] 15

Hình 1.8 Sơ đồ lớp lót đường hầm mặt cắt tròn [6] 16

Hình 1.9 Sơ đồ biến dạng của vòng tròn dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng phân bố đều (a,b) và sơ đồ lực tác dụng vào vòng tròn (c).[6] 17

Hình 1.10 a) Mặt cắt đường hầm trong môi trường đá không đồng nhất 18

Hình 1.11 Sơ đồ miền tính toán phương pháp phần tử biên 20

Hình 2.1: Sơ đồ tính áp lực núi đá [6] 28

Hình 2.2 Sơ đồ tính và tải trọng tác dụng lên vì chống 32

Hình 2.3 Vị trí nghiên cứu xuất nội lực 35

Hình 2.4 Đường quan hệ giữa modun chống uốn của mặt cắt với tải trọng và kích thước hầm ứng với Lc=0,5m 37

Hình 2.5 Đường quan hệ giữa modun chống uốn của mặt cắt với tải trọng và kích thước hầm ứng với Lc=0,7m 39

Hình 2.6 Đường quan hệ giữa modun chống uốn của mặt cắt với tải trọng và kích thước hầm ứng với Lc=1,0m 41

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

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

Hình 3.1 Biện pháp thi công đào hầm qua đứt gãy 57

Hình 3.2 Mặt cắt ngang hầm khi đào và gia cố nửa trên 57

Hình 3.3 Mặt cắt ngang hầm khi hoàn thiện gia cố 58

Hình 3.4 Mặt cắt ngang hầm sau khi đổ bê tông áo hầm 58

Hình 3.5 Mô hình mặt cắt ngang hầm khi không có sườn chống 64

Hình 3.6 Mô hình mặt cắt ngang hầm khi không có sườn chống 64

Hình 3.7 Vị trí xuất nội lực 66

x

xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các nhà máy thủy điện đường dẫn 6

Bảng 2.2 Hệ số kiến cố của các loại đất đá [6] 27

Bảng 2.4 Bảng chỉ tiêu cơ lý của đất đá nghiên cứu.[6] 34

Bảng 2.5 Bảng tính quan hệ giữa modun chống uốn của sườn chống với tải trọng và kích thước hầm ứng với các Lc=0,5m 36

Bảng 2.6 Bảng tính quan hệ giữa modun chống uốn của sườn chống với tải trọng và kích thước hầm ứng với các Lc=0,7m 38

Bảng 2.7 Bảng tính quan hệ giữa modun chống uốn của sườn chống với tải trọng và kích thước hầm ứng với các Lc=1,0m 40

Bảng 3.1 Các thông số chính [12] 46

Bảng 3.2 Quy mô các hạng mục công trình [12] 48

Bảng 3.3 Bảng thống kê các đặc trưng khe nứt hầm chính Km1+140- Km1+300 [11].51 Bảng 3.4 Bảng tính giá trị RMR [11] 52

Bảng 3.5 Bảng tính giá trị Q [11] 53

Bảng 3.6 Các chỉ tiêu cơ lý của đất đá tại khu vực đứt gãy [12] 55

Bảng 3.7 Thành phần lực tác dụng lên vỏ hầm 60

Bảng 3.8 Kết quả tính toán kết cấu 67

xii

1

MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong thời gian qua, xây dựng thuỷ lợi - thuỷ điện đã phát triển mạnh mẽ và mang lại những thành quả to lớn trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Hàng loạt dự án thuỷ lợi, thuỷ điện lớn nhỏ được thực hiện cho các mục đích phát điện, tưới tiêu, cấp nước dân dụng, công nghiệp, cải tạo môi trường và phòng chống thiên tai góp phần phát triển đất nước và cải thiện đời sống nhân dân

Đường hầm thủy công là một trong những hạng mục quan trọng của hệ thống công trình thủy lợi, thủy điện Nhiệm vụ của đường hầm chủ yếu là lấy nước, dẫn nước từ

hồ chứa, sông ngòi cho mục đích tưới, phát điện, cấp nước dân dụng, công nghiệp Bên cạnh đó, đường hầm thủy công còn có nhiệm vụ tháo lũ từ hồ chứa, dẫn dòng thi công, tháo nước cho trạm thủy điện ngầm Đường hầm thủy công thường được xây dựng ngầm dưới đất nên chúng có đặc điểm chung là chịu tác dụng của áp lực đất đá, nước ngầm từ phía ngoài, thường xuyên chịu tác động của nước từ phía trong

Ở nước ta cũng như trên thế giới đã tiến hành xây dựng và đưa vào khai thác nhiều đường hầm thủy công trên các hệ thống thủy điện, thủy nông, cấp thoát nước Việc xây dựng đường hầm thủy công rất phức tạp, không phải đường hầm nào cũng được xây dựng trên nền đá tốt, mà chúng còn phải đi qua những vùng có địa chất xấu, vùng đứt gãy có đới phá hủy lớn Trong thực tế thi công đường hầm, nếu đào qua vùng đất tốt và đồng nhất thì có thể hoàn chỉnh công tác đào trước và xây dựng lớp lót hoàn chỉnh sau Khi đó lớp lót là kết cấu chống đỡ lâu dài Còn khi đào hầm gặp phải các đới đá yếu thì bắt buộc phải có kết cấu chống đỡ tạm thời để hầm không bị sập và công việc đào hầm được an toàn Loại kết cấu chống đỡ tạm này thường là khung chịu lực, chưa đảm nhiệm chức năng giảm độ nhám và cách nước để bảo vệ khối đá xung quanh hầm Sau khi đào xong một đoạn hầm có chiều dài nhất định mới xây dựng lớp

lót lâu dài với đủ các chức năng chống đỡ giảm độ nhám và ngăn cách môi trường nước bên trong với khối đá bên ngoài Lớp lót lâu dài được tính toán với đầy đủ các lực trong quá trình làm việc của hầm Khi tính toán chịu lực của lớp này cần phải xét đến sự tham gia chịu lực của khung chống đỡ tạm thời đã dựng trong khi đào

2

Nghiên cứu tính toán kết cấu chống đỡ tạm thời và lâu dài khi đào hầm qua vùng đất yếu là nhu cầu cấp thiết nhằm giảm thời gian thi công đào và gia cố đường hầm, an toàn trong quá trình thi công cũng như vận hành, tiết kiệm chi phí xây dựng công trình

II MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Xác định biện pháp đào hầm, chống đỡ tạm thời và tính toán kết cấu chống đỡ tạm thời để đảm bảo an toàn khi đào hầm qua vùng đất yếu

Tính toán kết cấu gia cố lâu dài đường hầm qua vùng đất yếu có xét đến sự làm việc của kết cấu chống đỡ tạm thời

Đưa ra biện pháp gia cố, biện pháp thi công khi xây dựng công trình

Tính toán áp dụng cho hầm thủy điện Văn Chấn- Tỉnh Yên Bái

III CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2 Phương pháp nghiên cứu

Kế thừa các nghiên cứu trước đó đã có

Thu thập tài liệu từ công trình thực tế

Bố trí, tính toán kết cấu mặt cắt hầm điển hình từ đó đề ra giải pháp thi công trong quá trình xây dựng công trình

Ứng dụng cho công trình thực tế

IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Tổng quan về thiết kế và thi công đường hầm thủy công

3

Nghiên cứu tổng quát về hình dạng kết cấu, biện pháp gia cố, biện pháp thi công đường hầm thủy công khi gặp phải các đứt gãy địa chất lớn (xây dựng được biểu đồ tổng hợp xác định môđun chống uốn của thép hình làm khung chống phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau)

Tính toán cho đoạn hầm đi qua đứt gãy hầm thủy điện Văn Chấn- tỉnh Yên Bái, xác định được biện pháp thi công đào hầm, tính toán xác định kích thước khung chống và kết cấu lớp lót lâu dài của đường hầm đảm bảo điều kiện an toàn và kinh tế

4

5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG

1.1 Tình hình xây dựng đường hầm thủy công ở Việt Nam

Vào những năm 700 trước công nguyên một đường hầm dẫn nước đã được xây dựng ở đảo Samosaite - Hy Lạp Hầu hết các đường hầm cổ xưa được xây dựng trên nền đá cứng, có dạng vòm như các hang động tự nhiên, không cần vỏ chống đỡ Thi công bằng công cụ thô sơ như xà beng, chòong và phương pháp nhiệt đơn giản: đốt nóng gương hầm, sau đó làm lạnh hầm bằng nước Vào cuối thời Trung Cổ phương pháp thi công đã được tiến bộ hơn bằng khoan tay và thuốc nổ Việc phát minh ra thuốc nổ Dinamite (1866) cùng với việc áp dụng máy khoan đập xoay đã tạo nên bước ngoặt cho xây dựng công trình ngầm cũng như xây dựng các đường hầm thủy công Vật liệu

vỏ hầm chủ yếu là đá hộc vữa vôi hoặc vữa xi măng Mãi đến những năm 70 của thế

kỉ 20 bê tông mới trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng công trình ngầm

Trên thế giới tính đến thập kỉ 70 những nhà máy thủy điện có đường hầm dẫn nước có thể kể đến hàng nghìn, chỉ tính riêng Liên Xô đã xây dựng hơn 30 nhà máy thủy điện Tổng chiều dài các đường hầm thủy công đã xây dựng ở Liên Xô tính đến thời kì đó trên 170km

Ở Việt Nam, sự phát triển của thủy lợi, thủy điện đã thúc đẩy xây dựng đường hầm trong hơn một thập kỉ gần đây, đặc biệt là các công trình thủy điện Đối với các khu vực miền núi có địa hình dốc hẹp, địa chất nền chủ yếu là đá gốc nên rất thuận lợi và hợp lý khi bố trí đường hầm dẫn nước trên tuyến năng lượng để tạo cột nước áp lực cao cho nhà máy

Nhà máy thủy điện Hòa Bình được khởi công xây dựng 1979 khánh thành vào năm

1984 với 8 tổ máy, công suất 1920MW Tổ hợp các công trình ngầm trong nhà máy lên tới 14200m hầm dẫn nước gồm 8 đường hầm với đường kính D=8m, 3 hầm xả nước tổ máy và hệ thống hầm thông gió, hầm cáp điện, hầm phục vụ thi công…

Đến nay trên cả nước có rất nhiều các nhà máy thủy điện được xây dựng, trong số đó nhiều nhà máy thủy điện được nêu trong Bảng 1.1 đã sử dụng đường hầm làm đường hầmdẫn nước từ hồ chứa về nhà máy

6

Bảng 1.1 Các nhà máy thủy điện đường dẫn

xây dựng Công suất (MW)

Chiều dài (Km)

Đường kính trong (m)

…

7

Các công trình thùy lợi lớn ở nước ta cũng sử dụng đường hầm thủy công để dẫn nước

về hạ lưu, công trình dẫn dòng như công trình thủy lợi Cửa Đạt- Thanh Hóa, dự án thủy lợi Ngàn Trươi- Hà Tĩnh (B=10m, dài L=240m)

1.2 Các vấn đề gặp phải khi xây dựng đường hầm qua đoạn có địa chất xấu

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 thăm

dò, xác định địa chất của tuyến hầm không thể dọc theo cả tuyến đường hầm mà chỉ

có tính chất điểm Bên cạnh đó việc đánh giá các chỉ tiêu tính toán thiết kế chỉ dựa trên các nõn khoan được các nhà địa chất khoan từ trên đỉnh hầm xuống do đó việc xác định, đánh giá chính xác các khu vực có địa chất yếu gây bất lợi cho công trình là không đầy đủ 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 chủ yếu là do đứt gãy kiến tạo gây nên, tùy theo loại đứt gãy mà chiều rộng đới phá hủy, mức độ phân vụn đá 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 nhiều nhất và cũng gây tổn thất nhiều nhất, kể cả tính mạng của con người Do tiêu chuẩn khảo sát không yêu cầu phải xác định chính xác vị trí, hướng và quy mô của đứt gãy, vì vậy khi đào đường hầm đứt gãy có thể được bắt gặp một cách bất ngờ mà không có giải pháp đối phó trước, khi đó sẽ xảy ra sụt nóc đường hầm, các vụn đá cùng nước ập vào đường hầm đột ngột, công nhân không phản ứng kịp có thể bị vùi lấp Sự cố sụt nóc đường hầm của công trình thủy điện Buôn Kuốp đã xảy ra như vậy và đã làm chết 2 công nhân, công trình thủy điện

Đạ Dâng cũng đã làm 12 công nhân bị mắc kẹt Hạng mục đường hầm của công trình thủy điện Văn Chấn, Bản Cốc, Hương Sơn cũng đã gây chậm tiến độ, chi phí để xử

lý đoạn đứt gãy là rất lớn…

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 máy đào, khoan tay…Ở những

8

vị trí này khối đá yếu, đôi khi là đất (hầm thủy điện Văn Chấn- Yên Bái) 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 Ngoài không gian thi công đào hạn chế, chỉ có mặt công tác là cửa vào và cửa ra thì phương pháp đào hầm qua vùng có địa chất xấu cần có những máy móc thiết bị chuyên nghiệp riêng như máy khoan, máy phụt vữa xi măng, máy đào, máy xúc…Việc liên hệ giữa gương đào với các xí nghiệp bên ngoài chỉ thông qua cửa hầm, quãng đường dài nên rất khó tăng thiết bị và nhân lực nên tiến độ thi công luôn bị kéo dài Biện pháp thi công đào hầm qua vùng đất yếu thường khác với đào toàn tuyến, dẫn đến việc tổ chức thi công phải thay đổi về bố trí hiện trường, tiến độ, kế hoạch, quản lý kỹ thuật Việc thi công qua đoạn có địa chất xấu thường được phân ra thành từng khu, nên trước khi tiến hành xử

lý khu tiếp theo thì phải có thời gian chờ để địa chất khu đó ổn định nên sẽ mất nhiều thời gian

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 trước khi 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 hệ thống công trình thủy điện

1.3 Các nghiên cứu tính toán kết cấu, biện pháp gia cố, thi công đường hầm

1.3.1 Các phương pháp thi công đào đường hầm

Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam có nhiều phương pháp thi công đào đường hầm khác nhau bao gồm:

- Phương pháp khoan-nổ: sử dụng máy khoan để khoan các lỗ trên gương đào theo sơ

đồ thiết kế, sau đó nạp thuốc và kích nổ để phá đá Phương pháp này thích hợp khi đào hầm trong đá cứng

- Phương pháp TBM (Tunnel Boring Machine): Chế tạo một máy đào hầm có dạng như một mũi khoan có kích thước tương đương đường kính gương đào Phía trước dây chuyền là khiên đào, phía sau là các hệ thống thải vật liệu đào, chống đỡ vòm hầm, thi

- Phương pháp đào bằng máy đào: áp dụng trong điều kiện địa chất mềm yếu Sau khi gia cố địa tầng bằng nhiều phương pháp, sử dụng máy đào để đào hầm

1.3.2 Các phương pháp gia cố, chống đỡ tạm thời khi đào hầm gặp phải địa chất yếu

Các phương pháp gia cố, chống đỡ tạm thời khi gặp địa chất yếu trong quá trình thi công nhằm nhanh chóng khống chế biến dạng, đưa khối đá về trạng thái ổn định ngay sau khi đào Các biện pháp chống đỡ tạm có thể chia thành các dạng sau:

1.3.2.1 Gia cố dạng treo:

Sử dụng các neo thép hướng kính kết hợp bê tông phun vảy

- Neo: Sử dụng các loại neo có phương vuông góc với với tim tuyến hầm nên thường gọi là neo hướng kính Tác dụng của neo là để nâng cao ma sát giữa các lớp đá với nhau Khi hầm đi qua vùng địa chất có các lớp đá nằm ngang hoặc hơi nghiêng, nhóm neo này sẽ đi qua các lớp đá làm cho các lớp đá liên kết lại với nhau, tăng lực ma sát giữa các lớp đá Bên cạnh đó neo còn có thể hạn chế biến dạng cho vùng đá xung quanh mặt cắt hầm, ngăn sự suy giảm cường độ của vùng đá này Đối với các khe hở, khe nứt dưới tác dụng của thép neo các mặt nứt sẽ gắn kết lại với nhau như đá toàn khối, hình thành vùng gia cố

- Bê tông phun vảy: Bê tông phun vảy làm kết cấu chống đỡ hầm như một lớp da mỏng nhưng có tác dụng tăng cường sức chống đỡ Khoan cắm neo hướng kính kết hợp treo lưới thép và phun vảy bê tông là biện pháp truyền thống khi gia cố đường hầm Bê tông được phun lên vỏ hầm bằng máy bơm chuyên dụng chủ yếu bằng khí nén Chiều dày của lớp bê tông phun phụ thuộc vào nhà thiết kế và tiểu chuẩn về phun

bê tông gia cố Với hầm không có lớp lót gia cố chỉnh thể thì lớp bê tông phun vảy vừa có tác dụng gia cố vừa có tác dụng giảm độ nhám trong quá trình hầm làm việc

10

1.3.2.2 Gia cố dạng chống

Sử dụng các vì thép chữ I tạo thành một khung ghép hoặc các loại thép hình chuyên dụng khác được giằng lại với nhau để chống giữ nhằm đảm bảo ổn định cho gương đào Trong hình 1.2 là kết cấu phổ biến sử dụng thép hình chữ I, chúng có dạng cong hoặc đa giác Khoảng giữa các vì thép và vì thép với đá được lấp đầy bằng bê tông hoặc phun vảy xi măng để gia cố tạm thời trong quá trình thi công

Hình 1.1 Gia cố dạng treo

11

1.3.2.3 Gia cố vượt trước

Trong quá trình đào hầm, có thể gặp những vùng có địa chất mềm yếu, nát vụn Để công tác đào hầm được an toàn thì phải áp dụng phương pháp gia cố vượt trước, gồm phương pháp khoan cắm neo vượt trước, giàn ống, phun vữa gia cố trước

- Neo vượt trước: Sử dụng các loại neo được bố trí dọc theo chu vi đào, hợp với phương tuyến hầm một góc α, hình thành một vành neo chặt trước vùng đất đá yếu Phương pháp này chỉ áp dụng cho vùng đứt gãy có ít nước ngầm, địa tầng có tính trương nở yếu, thích hợp với hầm thi công vừa và nhỏ

Hình 1.2 Gia cố dạng chống

12

Hình 1.3 Gia cố sử dụng neo vượt trước

- Giàn ống: Lợi dụng giá là các vòm thép, dọc theo chu vi đóng các ống thép về phía gương đào tạo thành giàn che, chống vùng đất đá phía trước gương đào Hệ thống giàn ống gồm các ống có chiều dài từ 10m-15m Đối với địa chất gương đào có tính không keo kết, đất cát có thể dùng bản thép cắm bịt kín, tại vùng có nhiều nước ngầm thì có thể phun bê tông để gia cố vùng đất xấu Việc đóng giàn ống sẽ mất nhiều thời gian tuy nhiên sẽ giảm thiểu số lần lắp đặt ống, giảm thiểu cản trở thi công, thích hợp với với thi công đào mặt cắt lớn bằng cơ giới

13

Hình 1.4 Gia cố sử dụng giàn ống

- Ống thép vượt trước và phun vữa bê tông vào ống thép: Đối với địa chất gương đào dạng đất nhão tiến hành phun vữa bê tông bịt kín gương đào, sau đó dọc theo gương đào đóng các ống thép (ở đầu các ống có đục lỗ) về phía gương đào sau đó phụt vữa

bê tông thông qua các ống thép Chờ vữa xi măng đông cứng tạo thành một vùng gia

cố có chiều dầy nhất định Dưới sự bảo vệ của vành gia cố, công nhân có thể thi công

an toàn Vùng gia cố vừa có tác dụng gia cố vùng đất yếu vừa có tác dụng ngăn chặn nước ngầm do đó phương pháp này vừa áp dụng cho vùng đất đá mềm yếu vừa có thể

áp dụng có vùng có nhiều mạch nước ngầm

14

Hình 1.5 Gia cố sử dụng ống thép phụt vữa xi măng vượt trước

1.3.3 Các nghiên cứu về tính toán kết cấu lớp lót đường hầm

Mục đích của tính toán kết cấu lớp lót là xác định nội lực và phân bố ứng suất trong lớp lót, từ đó tiến hành kiểm tra điều kiện bền và bố trí cốt thép Bài toán xác định nội lực và ứng suất trong lớp lót có thể giải bằng phương phát cơ học kết cấu, phương phát cơ học vât rắn biến dạng hay phương pháp số [6]

1.3.3.1 Phương pháp cơ học kết cấu (tính toán vòm kín)

Trong tầng đá tương đối mềm yếu thường xây lớp lót thành một khối chỉnh thể trên toàn bộ chu vi của mặt cắt đường hầm (Hình 1.6) Khi xác định sơ đồ tính toán cho loại này cần dựa vào trình tự thi công lớp lót Nếu thi công một lúc toàn bộ lớp lót theo chu vi mặt cắt đường hầm thì sơ đồ tính toán sẽ là một kết cấu khép kín (vòm kín) trên nền đàn hồi (Hình 1.7) Về thực chất, kết cấu này gồm một vòm cao và một vòm ngược ở đáy ghép lại mà thành Nếu thi công phần vòm cao phía trên trước một thời gian sau mới thi công phần vòm ở đáy thì trọng lượng bản thân lớp lót và áp lực

15

đá núi (nhất là áp lực đá núi sinh ra trong khoảng giữa hai lần thi công vòm đỉnh và vòm đáy) sẽ do vòm cao phía trên chịu, lúc đó vòm phía trên tính theo kết cấu vòm cao Nếu biện pháp thi công đảm bảo vòm trên và vòm đáy cùng làm việc thì dưới tác dụng của các lực khác như áp lực nước bên trong và ngoài đường hầm, lớp lót sẽ được tính theo kết cấu khép kín trên nền đàn hồi

Hình 1.6 Sơ đồ vòm khép kín [6] Hình 1.7 Sơ đồ tính toán vòm khép kín [6] Khi tính toán kết cấu vòm kín thường phân làm hai phần: phần trên tính toán như một vòm cao, phần dưới là một vòm cong ngược (Hình 1.7)

Tính toán phần vòm cao như phương pháp đã nêu ở trên nhưng biến vị góc chân vòm

do các ngoại lực gây ra (βp) và biến vị góc ở chân vòm do mô men đơn vị gây ra (β1) cần phải xét đến ảnh hưởng của vòm đáy

Vòm đáy được coi như một dầm trên nền đàn hồi, khi vòm đáy tương đối thấp, tỷ số giữa chiều cao vòm với chiều rộng chân vòm (vòm đáy) khoảng 1/10, thì có thể coi vòm đáy như dầm thẳng để tính toán

Phương pháp này có khối lượng tính toán rất lớn G.G Zurabốp và O.E Bugaêva đã lập bảng cho những mặt cắt có kích thước tiêu chuẩn để giảm bớt khối lượng tính toán

16

1.3.3 2 Phương pháp cơ học vật rắn biến dạng

Nhóm các phương pháp này dựa trên lời giải của lý thuyết đàn hồi, dẻo và từ biến với nửa không gian hay nửa mặt phẳng có lỗ khoét hình tròn hay hình có biên phức tạp hơn, có đường biên tự do hoặc có các vòng liên kết với chiều dày không đổi

Phương pháp này dựa trên các nghiên cứu của B.G.Galerkin, G.N.Xavin, G.B Côlôxôp, N.I Muxkhelisvili, X.G Lekhnhixki

Để tính toán lớp lót đường hầm có áp mặt cắt tròn, thường sử dụng sơ đồ hình xuyến gắn kết với lỗ khoét hình tròn đặt trong môi trường đàn hồi vô hạn, hoặc là lời giải của

lý thuyết đàn hồi cho hình trụ thành dày chịu tác dụng của áp lực bên trong và bên ngoài

Hình 1.8 Sơ đồ lớp lót đường hầm mặt cắt tròn [6]

Lời giải chính xác của lý thuyết đàn hồi không cho phép thiết lập được các công thức tính toán khép kín đối với trường hợp tải trọng phân bố trên một phần của đường biên (ví dụ tải trọng là áp lực đá núi)

Trong trường hợp này có thể sử dụng lời giải của B.P Bođrôp và L.N.Gôrelic (1936) Lời giải này sử dụng nguyên lý thế năng cực tiểu cho vòng tròn trong môi trường đàn hồi Giả thiết rằng khi biến dạng của lớp lót về phía khối đá thì phản lực lên nó tỷ lệ với biến dạng (giả thiết Vinkler), nghĩa là p=ku (hình 1.9a), trong đó u - thành phần chuyển vị theo hướng bán kính tại một điểm bất kỳ; t - thành phần chuyển vị hướng tiếp tuyến Bỏ qua biến dạng do các lực ngang và thẳng góc gây ra, quan hệ giữa các thành phần chuyển vị có thể viết dưới dạng:

t = −∫udϕ (1-1)

17

Tính đúng đắn của biểu thức này có thể được chứng minh khi xem xét điều kiện cân bằng phân tố lớp lót abcd (hình 1.9b) khi biến dạng

Hình 1.9 Sơ đồ biến dạng của vòng tròn dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng phân

bố đều (a,b) và sơ đồ lực tác dụng vào vòng tròn (c).[6]

1.3.3.3 Phương pháp số trong tính toán lớp lót đường hầm

Phương pháp số trong tính toán lớp lót đường hầm có thể được sử dụng ở các cấp độ khác nhau:

- Tính toán lớp lót cùng với đất đá xung quanh như một không gian vô hạn (hình 1.10)

- Tính toán lớp lót như một khung kín với các ngoại lực đã biết Để xác định nội lực

và ứng suất trong lớp lót có thể áp dụng các phương pháp khác nhau: Phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử biên…

tử phẳng hình tứ giác và tam giác (hình 1.10b) Số lượng và dạng phần tử sử dụng

18

được xác định bởi mục đích tính toán và yêu cầu độ chính xác của kết quả, cũng như khả năng có thể - dung lượng bộ nhớ, năng lực của hệ thống tính toán, các tham số của chương trình máy tính sẽ được sử dụng cho tính toán Cần chú ý là việc chia miền xét thành các phần tử chỉ là biện pháp tính toán mà thường thì không mang ý nghĩa vật lý nào

Hình 1.10 a) Mặt cắt đường hầm trong môi trường đá không đồng nhất

số trên toàn phần tử

- Xác định tính chất của các phần tử: Sau khi đề xuất mô hình phần tử hữu hạn của đối tượng xét, có thể sử dụng một trong các nguyên tắc nêu trên để xác định biểu thức mô

tả mỗi phần tử Các biểu thức này được viết dưới dạng ma trận

- Lắp ráp hệ các phần tử: Để thực hiện tính toán cần phải tập hơp các phần tử riêng rẽ

vào một hệ duy nhất Nói cách khác, các biểu thức ma trận xác định tính chất của hệ các phần tử cần phải tạo lập quan hệ chung xác định tính chất của hệ các phần tử Các biểu thức ma trận cho hệ các phần tử có cùng một dạng như là một phần tử riêng rẽ,

19

nhưng có bậc cao hơn, bởi vì nó chứa các số hạng cho tất cả các nút của sơ đồ tính Ở phương pháp PTHH, các biểu thức như vậy là ma trận của hệ phương trình có số ẩn bằng số nút nhân với số biến được xác định ở mỗi nút (số bậc tự do của nút trong bài toán cơ học kết cấu) Nguyên tắc tập hợp dựa trên yếu tố là ở một nút nối liền một số phần tử thì giá trị của ẩn số là duy nhất với tất cả các phần tử quy về nút này Trước khi giải hệ phương trình, người ta đưa vào đó những thay đổi tương ứng với các điều kiện đã cho

- Giải hệ phương trình: Trong kết quả tập hợp, ta nhận được hệ phương trình có số ẩn

số lớn; sau khi giải hệ ta sẽ có các trị số tại nút của ẩn số Hệ phương trình có thể là tuyến tính hay phi tuyến tùy thuộc vào dạng của bài toán

- Các dạng tính toán bổ sung: Sau khi giải hệ phương trình có thể thực hiện các tính toán bổ sung để nhận được các thông số phụ thuộc vào các biến số chính Trong tính toán công trình, các biến số chính là trị số chuyển vị của các nút dưới tác dụng của tải trọng Ứng suất ở các phần tử có thể được xác định từ trị số các chuyển vị nút đã biết Trong thực tế tính toán công trình bằng phương pháp PTHH, trình tự tính toán có thể khác chút ít Công cụ tính toán chính là chương trình máy tính Các phần mềm tính toán sử dụng phổ biến hiện nay như: SAP2000, ANSYS…

Đối với các bài toán cơ học môi trường liên tục; phương trình vi phân biên có dạng sau:

( ) ( , ) ( ) ( ) ( , ) ( )2

20

Trong đó: P và Q là các điểm trên biên của miền R, Tij, uij là tenxo bậc hai tương ứng của các chuyển vị pháp tuyến và tiếp tuyến do 3 tải trọng đơn vị trực giao sinh ra trong vật thể đàn hồi và là hàm của khoảng cách giữa các điểm P, Q và háng số đàn hồi của môi trường, uj là chuyển vị pháp tuyến của biên, ti là chuyển vị tiếp tuyến trên biên

Hình 1.11 Sơ đồ miền tính toán phương pháp phần tử biên

R - miền; B – biên; 1 - phần tử biên.[6]

Phương trình (1-2) được giải bằng phương pháp số, khi đó biên liên tục được thay bằng N phần tử biên:

Các trị số ΔTij và Δuij và nhận được theo thông số hình học của các phân tố và hằng

số đàn hồi vật liệu phương trình cuối cùng của (1-3) quy về dạng:

AX = BY (1-4)

trong đó: X chứa 2N hay 3N (với bài toán 3 chiều) hàm ẩn và Y là các điều kiện biên

đã biết

Khác với phương pháp PTHH, ma trận của phương trình (1-4) là đầy, lời giải của nó

có thể nhận được bằng các phương pháp tiêu chuẩn

1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận văn

Trong luận văn này tập trung nghiên cứu việc tính toán kết cấu chống đỡ tạm thời và lâu dài khi đào hầm qua vùng đất yếu Với trường hợp này thì mô hình hóa môi trường

21

tính toán như hình 1-10 là không thích hợp Do đó bài toán quy về tính toán nội lực trong hệ thanh (khung kín) khi biết các ngoại lực tác dụng Phần mềm tính toán được chọn tương ứng là SAP2000

Trong tính toán phân biệt các giai đoạn sau:

- Tính kết cấu chống đỡ tạm thời trong thi công

- Tính toán kết cấu lớp lót làm việc lâu dài với sơ đồ:

+ Có sự phối hợp chịu lực của các sườn chống tạm thời

+ Không xét ảnh hưởng của các sườn chống tạm thời

1.5 Kết luận Chương 1

Đối với các đường hầm thủy lợi, thủy điện nằm trong vùng đá tốt thì phương pháp thi công chủ yếu là khoan nổ truyền thống Khi đường hầm gặp phải vùng có địa chất xấu thì phải sử dụng các biện pháp gia cố, chống đỡ tạm thời để đạt được trạng thái cân bằng mới thay thế trạng thái cân bằng cũ đã bị phá hủy

Đối với đường hầm đào trong đất đá yếu thì mô hình lớp lót cùng làm việc với đất đá xung quanh là không phù hợp Do đó luận văn chọn hướng tính toán nội lực trong khung chống đỡ tạm thời và trong lớp lót lâu dài dưới tác dụng của ngoại lực đã biết Hiện nay có nhiều phương pháp để tính toán nội lực trong kết cấu nói chung và lớp lót đường hầm nói riêng Với kết cấu khung kín có các cạnh cong như với lớp lót đường hầm thì thích hợp nhất là áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn, phần mềm được chọn để tính là SAP2000

22

23

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THI CÔNG VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CHỐNG ĐỠ TẠM THỜI KHI ĐÀO HẦM QUA VÙNG ĐẤT YẾU

2.1 Khái niệm vùng đất yếu trong thi công đường hầm

Khi thi công đường hầm gặp phải một số vùng địa chất đặt biệt bất lợi cho việc thi công đường hầm: như hang động, vùng đất sụt, vùng địa tầng rời rạc… trong quá trình đào, chống đỡ, thi công vỏ hầm và nhiều nguyên nhân khác có thể gây ra sạt lở đất đá, hầm biến dạng làm hỏng che chống, kết cấu hầm bị nứt vỡ Sau đây là một số địa chất yếu hay gặp khi thi công đường hầm:

2.1.1 Hiện tượng Karst

Đây là hiện tượng đá bị hòa tan tạo thành hang động Nham thạch bị hòa tan gồm có:

đá vôi, đá hoa, thạch cao, đá muối…bị tác dụng cơ giới, hóa học của nước sinh ra vết nứt, thời gian lâu dài hình thành hang động, mặt đất đá phát sinh hầm, hố và một số hiện tượng lồi lõm khác Miền Bắc và miền Trung nước ta có diện tích phân bố đá vôi rất rộng, thường hay gặp hang động Khi đào hầm xuyên qua vùng đá hòa tan, có nơi

đá vỡ vụn, rất dễ sinh sụt lở Có nơi hang động nằm dưới đường hầm làm cho việc xử

lý đáy hầm rất khó khăn Có nơi gặp các hang động đã chứa đầy nước trở thành các túi nước, khi đào đến mép của chúng, nước sẽ tuôn trào không ngừng vào đường hầm, rất khó khăn để ngăn chặn, thậm chí làm cho mặt đất nứt vỡ, lún sụt, áp lực khối đất đá trên núi tăng đột ngột Có nơi sông ngầm uốn lượn quanh co phức tạp, xử lý rất khó khăn

2.1.2 Đứt gãy

Đứt gãy là sản phẩm của sự phá hủy kiến tạo có sự dịch chuyển của đất đá trong vỏ trái đất do chuyển động kiến tạo gây ra Đứt gãy có các yếu tố chính:

- Mặt đứt gãy là mặt phá hủy, theo đó đất đá ở hai bên mặt sẽ dịch chuyển tương đối

- Đường đứt gãy là giao tuyến của mặt đứt gãy với mặt địa hình, là đường thể hiện đứt gãy trên bản đồ địa chất

- Góc của mặt đứt gãy là góc hợp thành của mặt đứt gãy với mặt phẳng nằm ngang

24

- Hướng dịch chuyển của đứt gãy

- Biên độ dịch chuyển của đứt gãy là khoảng cách xê dịch của lớp đất đá

Căn cứ theo hướng dịch chuyển tương đối, phân chia ra các loại đứt gãy chính: đứt gãy thuận, đứt gãy nghịch và đứt gãy bằng Ngoài ra còn căn cứ theo mối tương quan với các cấu trúc địa chất khác nhau, theo độ sâu vỏ trái đất để phân chia nhiều loại đứt

gãy: đứt gãy dọc, đứt gãy cắt chéo, đứt gãy sâu, đứt gãy rìa Đứt gãy bằng còn được phân biệt là đứt gãy bằng quay phải, đứt gãy bằng quay trái

Quy mô của đứt gãy thay đổi từ vài mét đến hàng chục, hàng ngàn km Biên độ dịch chuyển của lớp đá ngay trong đứt gãy cũng thay đổi từ mấy chục cm đến mấy ngàn mét theo chiều thẳng đứng và dịch chuyển ngang từ mấy chục cm tới hàng trăm km

Do ảnh hưởng của sự dịch chuyển, đất đá trong phạm vi đứt gãy bị chèn ép, thậm chí

bị nát vụn và bị phong hóa bở rời Đa số các nghiên cứu cho thấy trong vùng đứt gãy, đất đá mang các tính chất đất mềm, thường có cấu trúc xen kẹp, có sức chịu tải thấp,

có tính biến dạng lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn, hệ số nén lún lớn, mô đun tổng biến dạng thấp, hệ số sức kháng cắt không đáng kể

2.1.3 Đất sụt

Khi thi công đào đường hầm, nguyên nhân dẫn đến đất sụt có nhiều loại, có thể do hiện tượng từ biến, hiện tượng lún do tiêu nước ngầm Nước là một nhân tố trọng yếu tạo thành sụt lở Nó có tác dụng làm mềm hóa, xâm thực, xói mòn, hòa tan càng làm gia tăng sự mất ổn định của khối đá và sụt lở Giữa đá mềm rắn xen kẽ nhau hoặc nham thạch có kẹp tầng mềm yếu, dưới tác dụng của nước ngầm, cường độ của mặt mềm yếu giảm xuống rất nhanh, do đó phát sinh trượt đất đá

2.2 Các giải pháp thi công đào hầm qua vùng đất yếu

2.2.1 Khoan lỗ thăm dò

Khi chuẩn bị đào hầm qua vùng địa chất yếu dự kiến theo tài liệu khảo sát địa chất thì tiến hành khoan một lỗ khoan thăm dò có độ sâu khoảng 10m tiến trước gương hầm để biết được chất lượng khối đá trước đó như thế nào Từ chất lượng khối đá thăm dò ta tiến hành chọn biện pháp gia cố hợp lý và tiêu nước ngầm (nếu có) Trong trường hợp vùng đất yếu không được dự báo trước trong quá trình khảo sát địa chất thì trong quá

25

trình thi công khi có dấu hiệu đất đá yếu, nhà thầu phải dừng thi công tiến hành khoan thăm dò để đảm bảo được tính an toàn cao và giảm thiểu tối đa sự cố có thể xẩy ra khi đào hầm qua vùng đất yếu

2.2.2 Lựa chọn biện pháp chống đỡ

Nguyên nhân chính dẫn đến các sự cố đó là kết cấu gia cố không đủ khả năng chịu tải làm giảm tiến độ thi công khi đào hầm qua vùng đất yếu Do đó việc lựa chọn biện pháp chống đỡ tạm thời là yếu tố quyết định đến tiến độ thi công đào đường hầm, kết cấu chống đỡ sẽ tương ứng với phương pháp đào và loại địa chất khu vực vùng đất yếu

Để có được biện pháp chống đỡ hợp lý, hiệu quả cần kết hợp nhiều phương pháp tính toán khác nhau đó là phương pháp giải tích, phương pháp số, kinh nghiệm của nhà thầu thi công Trong thi công đào đường hầm qua vùng đất yếu, việc lựa chọn biện pháp chống đỡ hợp lý luôn đòi hỏi tính linh hoạt cao trong thi công và quản lý Bởi thực tế thi công mới xác định chính xác nhất yêu cầu gia cố của khối đá để đưa ra biện pháp chống đỡ hợp lý, trong khi đó người quản lý chuẩn bị, lập kế hoạch về nhân lực, thiết bị máy móc để giải quyết bài toán chống đỡ

2.2.3 Dự báo các sự cố có thể xảy ra và đề ra giải pháp

Trong quá trình thi công đào đường hầm qua vùng đất yếu, mặc dù đã đưa ra các giải pháp phòng ngừa hợp lý nhưng các sự cố vẫn có khả năng xảy ra Do đó để làm giảm thiểu sự mở rộng vùng ảnh hưởng của chúng cần thiết phải có các dự báo trước về một

số sự cố thường gặp như: sụt lở gương đào, sụt lở gương kèm theo nước chảy vào, phá hủy tại mặt nền, nước chảy vào đường hầm, lún bề mặt…tương ứng với từng sự cố là các biện pháp xử lý cụ thể Từ đó có thể tiến hành thi công đào đất đá hầm theo những phương pháp khác nhau như đào toàn gương, đào nửa gương, đào theo bậc thang…

2.3 Tải trọng tác dụng lên đường hầm

2.3.1 Các tải trọng và tổ hợp tải trọng

Tất cả các tải trọng và lực tác dụng lên lớp lót đường hầm có thể phân ra thành các tải trọng thường xuyên và tạm thời Các tải trọng tạm thời lại được phân ra thành tải trọng tạm thời dài hạn, ngắn hạn và đặc biệt

Tổ hợp tải trọng đặc biệt bao gồm các tải trọng thường xuyên, các tải trọng tạm thời dài hạn, một số tải trọng tạm thời ngắn hạn và một tải trọng đặc biệt ( ví dụ lực do động đất, lực do nổ phá…), tổ hợp tải trọng trong thi công, sửa chữa Ngoài các tải trọng nêu trên còn xét đến tải trọng do thiết bị máy móc thi công, nổ phá, tải trọng phụt vữa… Trong tính toán cần dự kiến các tổ hợp lực bất lợi nhất trong từng thời kỳ: xây dựng, khai thác hay sửa chữa

Hệ số lệch tải khi tính toán lớp lót đường hầm về độ bền và ổn định (trạng thái giới hạn thứ nhất) lấy theo bảng 2.1 Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai, các hệ

- Do trọng lượng toàn bộ đá ở vùng bị phá hoại trên đường hầm 1,1 (0,9)