Nghiên cứu ứng dụng công nghệ NATM trong thíêt kế, thi công hầm và công trình ngầm ở việt nam

NỘI DUNG: Chương 1 : Tổng quan về công trình ngầm, các phương pháp thi công hầm và công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam Chương 2: Các nguyên tắc cơ bản của công nghệ NATM Chươn

Trang 1

NGUYỄN XUÂN PHÚC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NATM

TRONG THIẾT KẾ, THI CÔNG HẦM VÀ CÔNG TRÌNH NGẦM Ở VIỆT NAM

CHUYÊN NGÀNH : CẦU, TUYNEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

KHÁC TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT

MÃ SỐ NGÀNH : 2.15.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

T.P HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2006

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS LÊ VĂN NAM

………

Cán bộ chấm nhận xét 1: ………

………

Cán bộ chấm nhận xét 2: ………

………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày…… tháng…… năm………

Trang 3

Tp HCM, ngày tháng năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : Nguyễn Xuân Phúc - Phái : Nam

Ngày sinh : 23-09-1977 - Nơi sinh : Nam Định

Chuyên ngành: Cầu tuynen và các công trình xây dựng khác trên đường ô tô và đường sắt - Mã số học viên : 00104024

I/-TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NATM TRONG THIẾT KẾ, THI CÔNG HẦM VÀ CÔNG TRÌNH NGẦM Ở VIỆT NAM

II/-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 NHIỆM VỤ:

Nghiên cứu phương pháp thi công hầm và công trình ngầm được sử dụng phổ biến trên thế giới hiện nay là phương pháp Aùo mới (New Austrian Tunneling Method - NATM)

Từ đó kiến nghị áp dụng rộâng rãi công nghệ NATM trong thiết kế, thi công hầm và công trình ngầm ở Việt Nam

2 NỘI DUNG:

Chương 1 : Tổng quan về công trình ngầm, các phương pháp thi công hầm và công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam

Chương 2: Các nguyên tắc cơ bản của công nghệ NATM

Chương 3: Tính tóan thiết kế hầm và công trình ngầm theo công nghệ NATM Chương 4: Công nghệ thi công theo NATM

Chương 5: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ NATM trong công trình thực tế, đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ NATM

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Trang 4

• Ngày hoàn thành nhiệm vụ :

• Họ và tên cán bộ hướng dẫn : TS LÊ VĂN NAM

• Họ và tên cán bộ phản biện 1 :

• Họ và tên cán bộ phản biện 2 :

Nội dung và đề cương Luận án thạc sĩ đã được thông qua Hội đồng chuyên ngành

Ngày…………tháng……….năm 2006

Trang 5

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình và những ý kiến đóng góp qúy báu của TS Lê Văn Nam trong thời gian học tập và thực hiện để luận văn được hòan thiện Cảm ơn TS Trần Xuân Thọ đã cung cấp chương trình tính tóan thiết kế hầm (phần mềm Plaxis 3D Tunnel Version 2)

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Ban giám hiệu, Phòng Qủan lý Sau đại học, khoa Cầu Đường trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy những kiến thức khoa học và tạo những điều kiện tốt nhất về vật chất và tinh thần để tôi hòan thành luận văn này

Tác gỉa cũng xin cảm ơn Ban giám đốc Chi nhánh Công ty Tư vấn Công nghệ Thiết bị và Kiểm định Xây dựng đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn

Vì thời gian và kiến thức còn hạn chế, hơn nữa lĩnh vực nghiên cứu rất rộng nên quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót, tác gỉa rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của qúy thầy cô, các bậc tiền bối và các bạn đồng nghiệp với lòng biết ơn chân thành nhất

Nguyễn Xuân Phúc

Trang 6

Việc áp dụng công nghệ NATM trong thiết kế, thi công hầm và công trình ngầm đã mang lại hiệu qủa kinh tế và an tòan cao cho dự án

Đề tài này trình bày khái niệm chung nhất về phương pháp thi công hầm mới của Aùo (NATM), giới thiệu trình tự thiết kế, thi công, các ưu nhược điểm, phạm

vi áp dụng, những phân tích về mặt kinh tế , kỹ thuật và an tòan của phương pháp này Từ đó, kiến nghị áp dụng công nghệ NATM trong thiết kế , thi công hầm và công trình ngầm ở Việt Nam

The Application of NATM in tunnel and underground design and construction is bussiness-like economic and high safe project

This topic presents the general concept of New Austrian Tunneling Method (NATM), introducing design sequence, tunneling construction, advantages, disadvantages and the field of application, some analysis and research in technical, economic and safe of this method Therefrom, petition is applied in tunnel and underground design and construction in Vietnam

Trang 7

MỤC LỤC

Chương 1 : Tổng quan về công trình ngầm, các phương pháp thi công

hầm và công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam

2

1.1 Lịch sử phát triển xây dựng đường hầm và công trình ngầm 2

1.2 Tổng quan về các phương pháp thi công hầm và công trình ngầm

1.2.2 Các phương pháp thi công hầm và công trình ngầm 5

2.1 Phương hướng phát triển kỹ thuật thi công đường hầm 182.2 Các nguyên tắc cơ bản của công nghệ NATM 18

Chương 3: Tính tóan thiết kế hầm và công trình ngầm theo công nghệ NATM

19

3.1 Trình tự thiết kế hầm theo phương pháp NATM 27

3.1.2 Khảo sát chi tiết và phân lọai đất đá khu vực tuyến hầm 27

3.2 Một số vấn đề về địa chất và tính chất cơ lý của đất đá 283.2.1 Những vấn đề địa chất có ảnh hưởng đến công trình ngầm 283.2.2 Một số tính chất cơ lý của đất đá 283.2.3 Đánh giá, phân lọai khối đá quanh công trình ngầm 29

3.3.1 Trạng thái ứng suất đất đá trước khi xây dựng công trình 333.3.2 Trạng thái ứng suất đất đá sau khi đào công trình ngầm 333.3.3 Trạng thái ứng suất - biến dạng của đá quanh công trình

3.3.4 Áp lực đá lên hệ thống chống đỡ công trình ngầm 38

3.4.1 Tải trọng tác dụng lên kết cấu công trình ngầm 433.4.2 Đặc điểm chịu lực của kết cấu vỏ hầm 44

3.5 Phương pháp phần tử hữu hạn trong tính tóan công trình ngầm 503.5.1 Khái niệm chung về phương pháp phần tử hữu hạn 50

Trang 8

3.5.2 Phương pháp PTHH trong tính tóan công trình ngầm 513.5.3 Giới thiệu một số chương trình tính tóan 54

4.2.2 Phương thức đào sâu và phân cấp đất đá 71

4.4.6 Ổn định mặt đào và biện pháp phụ bảo đảm ổn định 96

4.5.4 Phân tích và phản hồi số liệu đo đạc 105

4.6.1 Phương pháp thi công che chống lần hai 107

4.6.3 Công tác chuẩn bị thi công vỏ hầm 1094.6.4 Đổ bê tông, dưỡng hộ và tháo cốp pha 109

Chương 5: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ NATM trong công trình

thực tế, đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ NATM

111

5.2 Đánh giá khả năng ứùng dụng công nghệ NATM 126

Trang 9

Nguyeãn Xuaân Phuùc

Trang 10

Nguyễn Xuân Phúc 1

GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây công trình ngầm đã được xây dựng rất phổ biến và hiện đại Những công trình này phục vụ cho giao thông vận tải xuyên qua núi cao, sông rộng, hệ thống giao thông đô thị lớn, khai thác khoáng sản, nhà máy, công trình thủy điện và phục vụ cho an ninh quốc phòng

Đặc điểm kỹ thuật và thiết kế thi công công trình ngầm có nhiều điểm khác với công trình xây dựng trên mặt đất Các công trình ngầm được xây dựng trong lòng đất, lòng núi, xuyên qua sông biển, việc thiết kế và thi công có liên quan đến nhiều giải pháp kỹ thuật, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố chi phối, cho nên phải xem xét tổng hợp nhiều vấn đề: quy mô và tầm quan trọng, độ sâu đặt công trình ngầm, điều kiện địa kỹ thuật, điều kiện địa chất thủy văn, kích thước mặt cắt ngang công trình, giá thành xây dựng

QL1A là đường dọc chính xuyên suốt đất nước từ Bắc đến Nam, nối liền Hà Nội và các tỉnh phía Bắc với TPHCM và các tỉnh phía Nam, luôn là trục đường huyết mạch trong mạng lưới giao thông đường bộ của tòan quốc, góp phần đắc lực trong sự phát triển chung của đất nước Tuy nhiên, đọan cung đường đi qua Miền Trung tại nhiều khu vực có địa hình phức tạp Một bên quanh co là vách núi, một bên là vực sâu nguy hiểm đã gây không ít khó khăn cho giao thông vận tải và nguy cơ tai nạn giao thông cao Việc xây dựng các công trình hầm giao thông không những rút ngắn quãng đường vận chuyển so với đường đèo cũ có nhiều dốc, cua ngoặt mà còn góp phần làm giảm tai nạn giao thông

Cùng với sự phát triển của đất nước, nhiều công trình ngầm đã, đang và sẽ được thi công ở Việt Nam như hầm đường bộ Dốc xây, Đèo Ngang, Hải Vân, Đèo Cả trên quốc lộ 1A, Thủ Thiêm qua sông Sài Gòn, hầm A Ròang 1, A Ròang 2 trên đường Hồ Chí Minh; hầm thủy điện Hòa Bình, Yali, Đại Ninh,

Buôn Elaup; hệ thống Metro ở Thành phố Hồ Chi Minh… đó là một trong những

vấn đề rất cần thiết cho sự phát triển để đảm bảo sự vận chuyển hàng hóa, sự đi lại của con người…

Với bước phát triển khoa học như vũ bão và sự ra đời của công nghệ mới – công nghệ xây dựng hầm theo phương pháp mới của Aùo - New Austrian Tunneling Method (NATM) - con người có thể xây dựng ngầm dưới đất ở các vùng địa chất phức tạp khác nhau làm cho công trình xây dựng hầm và công trình ngầm an tòan, kinh tế và ngày càng hấp dẫn hơn

Đề tài này tổng kết những khái niệm chung nhất về phương pháp thi công hầm sử dụng phổ biến trên thế giới hiện nay là phương pháp NATM (New Austrian Tunneling Method), giới thiệu trình tự thiết kế, thi công, các ưu nhược điểm, phạm vi áp dụng, những phân tích về mặt kinh tế, kỹ thuật và an tòan của phương pháp này

Trang 11

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM, CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG HẦM VÀ CÔNG TRÌNH NGẦM TRÊN

THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM VÀ CÔNG TRÌNH NGẦM

1.1.1 Lịch sử phát triển

Thời thượng cổ con người đã biết đào các hầm ngầm đặc biệt để khai thác quặng mỏ và than đá Người La Mã đã xây dựng các đường hầm ngầm thủy lợi đến nay vẫn còn tốt Công trình ngầm hiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas, dài 155m được xây dựng từ năm 1676 đến năm 1681 cho kênh đào Midi ở miền Nam nước Pháp

Đến thế kỷ XIX, đặc biệt là vào thế kỉ XX, do yêu cầu mà giao thông đường bộ, đường sắt, đường thủy và giao thông thành phố phát triển mạnh mẽ, nhất là giao thông hầm đường bộ, đường sắt, đường thủy và hầm cho tàu điện ngầm Năm 1995 trung Quốc đã xây dựng hầm đường bộ Tần Lĩnh dài 19.45km đã tạo một bước đột phá mới về kĩ thuật xây dựng đường hầm trong nước

Vào cuối Thế kỉ XX kĩ thuật xây dựng hầm ngầm qua sông, qua eo biển đạt bước phát triển mới đã có nhiều phương pháp thi công hữu hiệu Năm 1988, Nhật Bản đã xây dựng đường hầm đường sắt Seikan là hầm dài nhất thế giới, tổng chiều dài 53.8km

Năm 1991 nước Anh và nước Pháp xây dựng đường hầm xuyên qua eo biển Manche nối liền nước Anh và nước Pháp dài 50km (trong đó có 37,5Km nằm sâu cách mặt nước biển khỏang 100m)

1.1.2 Các kiểu công trình chủ yếu

a Hầm ngầm cho tàu thuyền Được thiết kế cho tàu bè qua lại, rút ngắn quãng đường vận chuyển

b Hầm thủy lợi

Công trình ngầm thường gặp trong hệ thống công trình thủy lợi là các hầm dẫn nước để cung cấp nước tưới hoặc cấp nước trong các vùng dân cư (hình 1.1)

Hình 1.1 Một số tiết diện ngang hầm thủy lợi

Trang 12

c Hầm kĩ thuật trong thành phố

Hầm ngầm kĩ thuật trong thành phố để bố trí các công trình hạ tầng kĩ thuật như: thóat nước mưa, thóat nước bẩn, cấp nước sạch, cấp năng lượng, thông tin…

d Hầm thủy điện

Trong các nhà máy thủy điện, việc dẫn nước vào để chạy tuabin, cũng như xả nước thường dùng phương án đường hầm vì có thể dẫn nước đi theo tuyến ngắn nhất, đảm bảo ít mất mát năng lượng nhất

Hình 1.2 Hầm thủy điện Đại Ninh Hình 1.3 Hầm thủy điện Buôn Elaup

e Cống ngầm Được thiết kế để để gom, tháo nước mưa, nước bẩn trong các thành phố hoặc khu dân cư (hình 1.4)

Hình 1.4 Một số mặt cắt ngang cống gom

f Hầm đường sắt

Các tuyến đường giao thông gặp chướng ngại vật như núi cao không thể vượt lộ thiên được thí phải xây dựng ngầm Các công trình hầm đường sắt, đường bộ được xây dựng xuyên qua đồi núi để rút ngắn quãng đường vận chuyển và làm giảm tai nạn giao thông

Trang 13

Hình 1.5 Hầm Beacon Hill (Mỹ) Hình 1.6 Hầm Seikan (Nhật Bản)

g Hầm đường bộ

Hình 1.7 Hầm đường bộ Hải Vân Hình 1.8 Hầm Aeschertunnel

h Đường tàu điện ngầm

Công trình giao thông ngầm có giá lớn nhất hiện nay tại các đô thị hiện đại là các tuyến tàu điện ngầm Được xây dựng sâu dưới mặt đất thường từ 30-50m, công trình này rất phức tạp và kinh phí xây dựng cao Song tại các đô thị lớn, xây dựng hệ thống tàu điện ngầm là một trong những biện pháp tối ưu để giải quyết vấn đề giao thông đô thị

Hình 1.9 Mặt cắt ngang đường tàu điện ngầm

Trang 14

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG HẦM VÀ CÔNG TRÌNH NGẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.2.1 Khái niện cơ bản thi công đường hầm

Thi công đường hầm là thuật ngữ gọi chung phương pháp thi công xây dựng, kĩ thuật thi công và quản lý thi công các đường hầm và công trình ngầm

Lựa chọn phương pháp thi công chủ yếu phải dựa vào điều kiện địa chất và địa chất thủy văn, kết hợp với mặt cắt đường hầm, kiểu vỏ, công năng sử dụng và trình độ kỹ thuật thi công cùng một số nhân tố khác nghiên cứu cân nhắc, tổng hợp lại để quyết định

1.2.2 Các phương pháp thi công hầm và công trình ngầm

Dựa vào tình hình tầng đất mà đường hầm xuyên qua và sự phát triển phương pháp thi công hầm hiện nay, phương pháp thi công hầm có thể được phân ra:

1.2.2.1 Phương pháp mỏ (phương pháp khoan nổ) :

Gồm phương pháp mỏ truyền thống và phương pháp làm hầm mới của nước Aùo Đây là phương pháp thi công đường hầm trên núi

Phương pháp mỏ truyền thống là phương pháp phát triển lên trong thực tiễn thi công lâu dài của con người Phương pháp này dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chống tạm thời, đợi cho đến khi đường hầm hình thành xong, dần dần đem hệ che chắn tạm thời thay bằng vỏ xây tòan khối có tính vĩnh cửu

Hình 1.10 Che chống tạm thời bằng cấu kiện thép, gỗ Phương pháp thi công đường hầm mới của Aùo (New Austrian Tunneling Method - NATM) Năm 1948, các nguyên lý của NATM đã được công bố do nhà bác học người Aùo L.V.Rabcewicz đề xuất, nội dung là: với một che chống dẻo đầu tiên một sự cân bằng mới đã đạt được Việc ấy được kiểm sóat bằng các đo đạc tại chỗ Sau khi đã đạt được sự cân bằng mới thì một vòm bên trong sẽ được xây dựng.[9]

Trang 15

Hình 1.11 Thi công theo phương pháp mới của Aùo (NATM)

Phương pháp NATM lấy phun bê tông và neo làm biện pháp che chống sơ bộ chủ yếu thông qua giám sát đo đạc khống chế biến dạng Phương pháp này dựa trên cơ sở kĩ thuật phunbê tông, neo tổng kết lại và đề xuất

Việc áp dụng và phát triển kĩ thuật che chống bằng phun bê tông và neo đã dẫn lý luận hầm và công trình ngầm bước vào lĩnh vực mới của lý luận hiện đại và cũng khiến cho việc thiết kế và thi công hầm và công trình ngầm phù hợp với công trình thực tế dưới đất Do vậy phương pháp NATM là phương pháp thi công đã được ứng dụng rộng rãi trong phạm vi tòan thế giới

Tại Châu Aâu, rất nhiều hầm và công trình ngầm đã được xây dựng theo nguyên lý NATM (hình 1.12; hình 1.13)

Hình 1.12 Hầm Wienerwald (Aùo) Hình 1.13 Hầm Old Loreley (Đức) Từ những năm 1960, NATM, phương pháp làm hầm mới của Châu Aâu đã được áp dụng Trung Quốc NATM đã trở thành một phương pháp phổ biến trong việc xây dựng công trình ngầm ở Trung Quốc (hình 1.14; hình 1.15)

Trang 16

Hình 1.14 Metro Beijing Hình 1.15 Hầm Zhong Nan Highway Đường cao tốc Tomei –Meishin là dự án phát triển giao thông lớn nhất của Nhật Bản Đường cao tốc mới bao gồm 167 hầm với tổng chiều dài 224Km Trong đó hầm Shimizu số 3 được thiết kế và thi công theo công nghệ NATM (hình 1.16)

Hình 1.16 Hầm Shimizu No #3 Tại Việt Nam, hầm đường bộ đèo Hải Vân khẩu độ 12.85m cao 11m dài hơn 6.7km là một trong những dự án giao thông quan trọng áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến – Công nghệ NATM – lần đầu tiên được thực hiện tại Việt Nam Sau khi hòan thành đường hầm, không những tuyến QL1A được thông thương thuận lợi từ Bắc vào Nam, mà còn là công trình góp phần quan trọng vào phát triển kinh tế miền Trung nói riêng, cả nước nói chung Rút ngắn chiều dài vận chuyển trên đường đèo nguy hiểm từ 22 km xuống còn 12Km, giảm ách tắc, tai nạn giao thông (hình 1.17)

Hình 1.17 Hầm đường bộ Hải Vân

Trang 17

Hầm đường bộ Đèo Ngang có tổng chiều dài 2.849m, trong đó hầm dài 495m, công trình lớn thứ 2 sau Hầm đường bộ Hải Vân được thiết kế và xây dựng theo phương pháp NATM Dự án được hòan thành đã góp phần cải thiện giao thông từ Vinh và các tỉnh phía Bắc đi Huế, Đà Nẵng và các tỉnh phía Nam (hình 1.18)

Hình 1.18 Hầm đường bộ Đèo Ngang

1.2.2.2 Phương pháp dùng máy đào các lọai

Phương pháp dùng máy đào các lọai thích hợp với thi công đường hầm trên

núi, thi công đường hầm nông và trong đất mềm

Hình 1.19 Thi công bằng máy đào TBM (Tunneling Boring Machine)

Trang 18

Hình 1.20 Phương pháp thi công hầm bằng máy đào các lọai

Vào những năm 1930 một số nước đã thi công hầm bằng máy đào Tùy theo sự phát triển của kỹ thuật máy đào và tính năng ngày càng hòan thiện của nó mà thi công bằng máy đào hầm đã được phát triển hiện đại Máy đào thường được sử dụng là máy đào tòan mặt cắt (Tunneling Boring Machine gọi tắt là TBM) (hình 1.21) và máy đào liên hợp (hình 1.22)

Hình 1.21 Một số lọai máy đào TBM (Tunneling Boring Machine)

Trang 19

Hình 1.22 Một số lọai máy đào liên hợp dạng cần

Hầm đường dài qua eo biển Manche giữa Anh và Pháp dùng máy đào để hòan thành Ơû Thụy sỹ hầm đường sắt Gothard xuyên qua dãy núi Alpes dài khoảng 57Km, dùng máy đào để thi công (hình 1.23)

Hình 1.23 Hầm qua eo biển Manche giữa Anh và Pháp

Trang 20

Hầm thủy điện Đại Ninh dài 11.3Km, đường kính 5.5m, sử dụng máy đào TBM để thi công, đây là thiết bị hiện đại đầu tiên được xây dựng ở Việt Nam với tốc độ thi công hầm (kể cả đào và lắp vỏ bê tông) đạt bình quân 400-500m/tháng (hình 1.24)

Hình 1.24 Thi công hầm thủy điện Đại Ninh

Ơû Việt Nam đã dùng máy đào kết hợp nổ phá tòan tiết diện xây dựng hầm đường bộ qua đèo hải Vân dài 6.7Km

1.2.2.3 Phương pháp đào lộ thiên

Phương pháp thích hợp với thi công đường hầm nông và trong đất mềm

Hình 1.25 Dùng máy đào thi công Hình 1.26 Thi công hầm Taguatinga Là phương pháp đào trên mặt đất , đào từ trên xuống dưới (hình 1.25) sau khi đạt cao độ thiết kế xong, lại từ đáy thi công thuận chiều từ dưới lên trên, hòan thành kết cấu chính của đường hầm, cuối cùng lấp hố đào và khôi phục mặt đất lại như cũ

1.2.2.4 Phương pháp tường liên tục dưới đất thi công hầm trong đất mềm yếu

Vào những năm 1950 xuất hiện tường bê tông cốt thép liên tục dưới đất Lọai tường này thay thế cọc gỗ, cọc thép, cọc bê tông cốt thép có tác dụng chắn đất, chịu lực và phòng nước

Tường liên tục dưới đất được phân chia thành : tường liên tục dưới đất đổ tại chỗ (hình 1.27), tường liên tục dưới đất đúc sẵn, tường liên tục dưới đất gồm

Trang 21

hàng cọc Ứng dụng tường dưới đất làm kết cấu che chắn để đào hố móng, cũng có thể làm một bộ phận của kết cấu dưới đất

Hình 1.27 Thi công theo phương pháp tường liên tục dưới đất

Hình 1.28 Thiết bị đào đất Hình 1.29 Xây dựng hầm Street 63rd (Mỹ)

1.2.2.5 Phương pháp khiên:

Thi công bằng khiên (Sheild Method) là phương pháp thi công cơ giới dùng khiên đào đường hầm ngầm dưới mặt đất, thích ứng với đường hầm thi công trong đất mềm có nước Khiên là một lọai kết cấu ống thép họat động dưới sự che chống áp lực địa tầng lại có thể tiến lên trong địa tầng Đọan đầu ống có thiết bị che chống và đào đất, đọan giữa ống được lắp các kích đẩy cho máy tiến lên, đuôi của ống có thể được lắp các ống bê tông vỏ hầm đúc sẵn hoặc các vành thép để đổ bê tông vỏ hầm Mỗi lần khiên tiến lên cự ly một vòng, thì sẽ lắp đặt hoặc đổ tại chỗ một vòng vỏ hầm dưới sự che chống của khiên, đồng thời người ta ép vữa xi măng cát vào khe hở đằng sau lưng các vòng bê tông để đề phòng hầm và mặt đất bị lún xuống Phản lực đẩy khiên tiến lên do vòng bê tông vỏ hầm chịu đựng (hình 1.30)

Trang 22

Hình 1.30 Thi công theo phương pháp khiên Vào đầu thế kỉ XX, phương pháp thi công bằng khiên đã được đẩy mạnh ở các nước Mĩ, Anh, Đức, Liên Xô, Pháp (hình 1.21; hình 1.32) Chỉ trong thập kỉ 30-40 tại các nước ấy đã dùng khiên xây dựng nhiều tuyến đường hầm Metro, đường hầm ô tô qua sông với đường kính từ 3.0-9.5m

Hình 1.31 Hầm Queens – Midtown Hình 1 32 Hầm Brooklyn Battery Từ những năm 60 của thế kỉ XX, phương pháp thi công bằng khiên ở Nhật Bản phát triển rất nhanh, phần lớn dùng cho thi công các đường metro ngầm trong các thành phố

Trang 23

Hình 1.33 Một số lọai khiên đào Năm 1984, Thượng Hải chế tạo khiên đường kính 11.32m xây dựng thành công đường ô tô ngầm dưới đáy sông phía Đông đường Hòang Phố Giang – Diên

An Hầm Fuxing Donglu dài 2785m thi công bằng khiên hòan thành 12/2004 (hình 1.34)

Hình 1.34 Hầm Fuxing Donglu (Trung Quốc)

Trang 24

1.2.2.6 Phương pháp hạ chìm

Kĩ thuật thi công đường hầm bằng hạ chìm xuống đáy nước là một phương

pháp mới có hiệu quả để thi công đường hầm xuyên qua đáy sông ngòi, eo biển

Các đọan hầm được chế tạo sẵn trên đảo khô (xây dựng tạm thời tại địa điểm

gần đường hầm) (hình 1.35a) Các đọan hầm được bịt kín tạm thời, sau đó vận

chuyển nổi các đọan hầm đó đến nơi quy định (hình 1.35b) Lúc đó tại vị trí quy

định đã chế tạo sẵn một hố móng ở đáy nước Đợi cho khi đọan hầm được định

vị xong, cho chất nước tăng tải trọng cho đường hầm để hạ chìm xuống vị trí

thiết kế, nối liền đọan ấy với những đọan đã lắp trước, xử lý nền móng Cuối

cùng phủ đất đá đắp lại (hình 1.35c)

a Đọan hầm chế tạo sẵn b Vận chuyển các đọan hầm đến vị trí

c lắp đặt và xử lý móng

Hình 1.35 Thi công hầm theo phương pháp hạ chìm Năm 1894, ở Mỹ tại thành phố Boston đã dùng phương pháp hạ chìm xây

dựng thành công một đường hầm dẫn nước dưới sông

Năm 1993, dưới sông Châu Giang ở Quảng Châu Trung Quốc đã xây dựng

đường hầm đầu tiên bằng phương pháp hạ chìm

Năm 2001 Trung Quốc xây dựng hầm đường bộ Waihuan qua sông Hòang

Phố ở thành phố Thượng Hải, hầm dài 2880m trong đó có 736m thi công theo

phương pháp hạ chìm Kết cấu hầm gồm ba ngăn, chiều rộâng tổng cộng 43m,

cao 9.55m dài từ 100m -108m, nặng 43.000 tấn (hình 1.36)

Trang 25

Hình 1.36 Kết cấu vỏ hầm Waihuan

Ở Việt Nam hầm Thủ Thiêm dài 1490m trong đó có 371m thi công hạ chìm dưới sông Sài Gòn Gồm 4 đốt hầm, mỗi đốt có dạng hộp đôi rộng 33.3m, cao 9m dài khỏang 90m nặng 36.000 tấn (hình 1.37)

Hình 1.37 Mô hình hầm Thủ Thiêm

Kĩ thuật thi công đường hầm chủ yếu nghiên cứu giải quyết: các phương án và biện pháp kĩ thuật cần thiết cho các lọai phương pháp thi công đường hầm nói trên (như phương án và biện pháp thi công đào, tiến sâu, che chắn, xây vỏ); biện pháp thi công khi đường hầm đi qua các vùng địa chất đặc biệt (như đất trương nở, hang động caxtơ, đất sụt, cát chảy, tầng đất có khí mêtan…); phương pháp và các phương thức thông gío, chống bụi, phòng khí độc, chiếu sáng, cung cấp điện nước và các phương pháp đo đạc, giám sát, khống chế đối với các thay đổi giới chất của hầm

Quản lý thi công đường hầm chủ yếu giải quyết thiết kế tổ chức thi công (như lựa chọn phương án thi công, biện pháp kĩ thuật thi công, bố trí hiện trường, khống chế tiến độ, cung ứng vật liệu, lao động, máy móc…) và một số vấn đề khác như quản lý kĩ thuật, kế họach, chất lượng, kinh tế…

Trang 26

1.3 ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN

Theo đà phát triển kinh tế, khoa học kĩ thuật của thế kỉ 21 trên tòan thế giới, giao thông vận tải, thủy lợi, thủy điện, các công trình ngầm trong các thành phố lớn đề ra các yêu cầu ngày càng cao, càng phức tạp Thực tiễn công trình che chắn bằng neo và phun bê tông và sự phát triển nhanh chóng của cơ học đá đã hình thành lý luận che chắn hiện đại, trên cơ sở đó xuất hiện phương pháp thi công có hiệu qủa: Phương pháp Aùo mới - New Austrian Tunneling Method (NATM) Phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi trên phạm vi tòan thế giới Hiện tại một số công trình hầm ở Việt Nam đã áp dụng công nghệ NATM trong thiết kế và thi công Trong đề tài này có đưa ra một số công trình đã ứng dụng công nghệ NATM trong thiết kế và thi công nhằm phân tích những ưu, nhược điểm và ứng dụng trong xây dựng hầm ở Việt Nam

Trang 27

Nguyễn Xuân Phúc

18

CHƯƠNG 2

CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA CÔNG NGHỆ NATM

2.1 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM

Tiến bộ về kĩ thuật xây dựng đường hầm đã tạo ra cơ sở phát triển công trình đường hầm dài và lớn hơn Cùng với việc xây dựng hầm và công trình ngầm hiện đại và quy mô càng đòi hỏi các yêu cầu mới ngày càng cao đối với kĩ thuật xây dựng đường hầm Để đáp ứng yêu cầu đó cần triển khai các mặt như sau:

a Tăng cường công tác điều tra khảo sát địa chất trong thi công đường hầm

Công tác khảo sát điều tra địa chất trong giai đọan thiết kế đường hầm có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế phương án Điều tra khảo sát để thu thập được đầy đủ thông tin, tư liệu về địa chất đó là một vấn đề rất quan trọng để tiến hành thi công một cách thuận lợi

b Tăng nhanh cơ giới hóa thi công đường hầm

Tăng nhanh cơ giới hóa thi công đường hầm là biện pháp trọng yếu đẩy nhanh tiến độ thi công Aùp dụng cơ giới hóa tổng hợp để nâng cao hiệu suất và chất lượng trong thi công đường hầm

c Tăng cường nghiên cứu, ứng dụng kĩ thuật thi công mới

Ứng dụng kĩ thuật mới trong thi công đường hầm có tác dụng trong việc nâng cao chất lượng và đẩy nhanh tiến độ thi công

d Tăng cường hiện đại hóa thi công đường hầm

Ứng dụng quản lý hiện đại hóa thi công đường hầm có thể phát huy hiệu suất

cơ giới, đảm bảo chất lượng công trình và an tòan thi công đến mức tối đa

2.2 CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA CÔNG NGHỆ NATM

2.2.1 Lịch sử và định nghĩa:

Cho đến giữa thế kỉ XX, trong công nghệ xây dựng hầm đầu tiên người ta dùng gỗ và sau đó dùng vòm thép để che chốâng tạm thời cho đến khi hệ chống đỡ cuối cùng được xây dựng Hệ chống đỡ cuối cùng là vỏ hầm đá xây hay bê tông đổ tòan khối

Quan điểm thiết kế thi công hầm theo phương pháp mỏ truyền thống là coi đất đá xung quanh gây ra áp lực tác dụng lên vỏ hầm Vỏ hầm khi đó là kết cấu chịu lực chính Do đó khi thi công hầm theo phương pháp mỏ truyền thống, sau khi khai đào cần nhanh chóng dùng kết cấu chống đỡõ tạm thời có độ cứng tương đối lớn để tiến hành che chống và khi đã đào thành hình vỏ hầm xong, dần dần tháo dỡ hệ chống xây dựng vỏ hầm tòan khối làm hệ che chống vĩnh cửu để chịu tác động của đất đá xung quanh[36]

Vào những năm 1957-1965, kỹ sư mỏ người Aùo, giáo sư tiến sĩ L.V.Rabcewicz đã phát triển cách thức làm hầm mới dựa trên cơ sở kinh nghiệm đã làm hầm lò

Trang 28

19

và ông được cấp bằng sáng chế cho phương pháp này mang tên “ Phương pháp làm hầm mới của Aùo “ (NATM) Oâng cùng với đồng nghiệp của mình, Giáo sư L.Muller dã đưa ra những cơ sở lý thuyết trong những thuật ngữ của những khái niệm mới phát triển của cơ học Đá

Lần đầu tiên “ Phương pháp làm hầm mới của Aùo“ được chính thức đưa ra trong bài giảng của giáo sư L.V.Rabcewicz tại hội nghị Địa Cơ Quốc tế lần 13 tại Salzburg và phương pháp này đã có được sự nổi tiếng cũng như áp dụng trên tòan thế giới Sau đó các quan điểm triết học ban đầu của tác giả đối với NATM trong môi trường đá cứng đã được cải tiến và phát triển và áp dụng cho môi trường đất mềm

Phương pháp đã được phát triển lên dần với các biện pháp đào và che chống mới Các phương tiện che chống và biện pháp kèm theo đã được cải thiện với nhiều trang bị mới Kĩ thuật diễn giải cùng với tay nghề cao đã mở rộng việc áp dụng NATM cho các lọai đất rất dẻo với biến dạng lớn cho đến đất mềm, với các mặt cắt hầm lớn hoặc hình thù phức tạp [33]

Phương pháp NATM bao gồm các biện pháp mà việc hình thành đất đá xung quanh hầm được liên kết thành kết cấu vòm chống Do đó việc liên kết này tự bản thân nó sẽ trở thành một phần của kết cấu chống đỡ hầm Khi đào hầm, sự cân bằng hiện có nguyên thủy của các lực trong khối đá sẽ chuyển sang tình trạng cân bằng mới, thứ cấp và cũng ổn định Mục đích của NATM là kiểm sóat được các tiến trình chuyển đổi này trong khi vẫn cân nhắc về mặt kinh tế và an tòan[36]

Sự khác biệt cơ bản của phương pháp NATM so với các phương pháp khác là quy trình giám sát chuyển vị của đá và hiệu chỉnh vì chống liên tục, kịp thời sao cho luôn tạo được một vỏ chống ổn định và kinh tế nhất Nó bắt buộc phải sử dụng các thiết bị đo và giám sát tinh vi tại hiện trường và giải thích các số liệu

đo một cách khoa học[35]

Phương pháp này đã thay đổi quan điểm thiết kế thi công hầm Nó tỏ ra có nhiều ưu điểm hơn phương pháp truyền thống và đã áp dụng nhiều nước trên thế giới thông qua các công trình thực tiến trong nhiều lĩnh vực như đường bộ, đường sắt và đường thủy, hầm thủy điện…ở Việt Nam phương pháp này đã được áp dụng cho dự án Hầm đường bộ Hải Vân, Đèo Ngang

2.2.2 Các ý kiến và nguyên tắc cơ bản về công nghệ NATM

1) Huy động độ bền của khối đá

Khác với quan niệm truyền thống trước đây, NATM cho rằng khối đá quanh công trình ngầm với độ bền sẵn có của nó, là một phần chủ yếu của hệ chống đỡ Có nghĩa là khối đá quanh công trình ngầm cũng tham gia vào thành phần vỏ chống để chống lại áp lực địa tầng Với quan niệm đó độ bền của khối đá được

Trang 29

Khối đá phải được giữ trong điều kiện ứng suất nén ba trục Cường độ của khối đá với ứng suất nén đơn trục và/hoặc hai trục thì thấp hơn cường độ trong điều kiện ba trục Sau khi đào hầm, bề mặt gương hầm sẽ còn ở trong điều kiện ứng suất nở hông cho đến khi lắp đặt hệ thống chống đỡ thật chặt Để duy trì điều kiện ứng suất nén ba trục cũng như sự ổn định của khối đá, một hệ thống chống đỡ tiếp xúc chặt cần được thiết lập ngay

Về bản chất, hành vi của khối đá ảnh hưởng đến quá trình tạo ra cấu trúc hầm kín Mômen uốn bất lợi sẽ xuất hiện tại khu vực tiếp giáp giữa các phần nhỏ của gương hầm giống như kết cấu dầm hẫng khi khỏang cách giữa các bề mặt gương hầm bị chia quá dài[39]

Hệ vỏ chống phải có các đặc tính ứng suất - biến dạng phù hợp với trạng thái của khối đá quanh công trình ngầm và phải được lắp đặt vào thời điểm thích hợp Vỏ hầm phải vừa mỏng và có độ đàn hồi thích hợp nhằm triệt tiêu mômen uốn và tránh được phá họai do lực uốn gây ra Không chỉ lớp vỏ hầm ban đầu (bêtông phun) mà cả lớp vỏ hầm hòan thiện cần phải mỏng (hình 2.1)

a Quan niệm theo NATM b Quan niệm theo truyền thống

Hình 2.1 Che chống ban đầu và cuối cùng với các lớp mỏng[33]

2) Bảo vệ sức bền của khối đá

Đất đá xung quanh là bộ phận chịu tải cho nên khi thi công cần phải đào cẩn thận để bảo vệ và tránh làm lay động đất đá xung quanh

Trang 30

21

Sau khi đào hầm cần nhanh chóng che chống thời kì đầu bằng phun bê tông, làm cho ứng suất đất đá đi vào trạng thái ổn định Làm như thế một mặt không làm cho đất đá biến dạng quá độ mà sinh ra sụt lở mất ổn định, mặt khác làm cho đất đá phát triển biến dạng vừa phải, để phát huy năng lực tự chịu tải của mình[33]

Bê tông được phun sau khi đào hầm sẽ tiếp xúc chặt chẽ với khối đá xung quanh đường hầm và công tác này có thể ngăn không cho khối đá biến dạng một cách hữu hiệu Sử dụng thanh thép, khung chống vòm thép và neo đá để tăng cường hệ thống chống đỡ hầm nhằm duy trì điều kiện cân bằng của khối đá xung quanh hầm (hình 2.2)

a Quan niệm theo NATM b Quan niêm theo truyền thống

Hình 2.2 Che chống phụ thêm gồm : neo, giá vòm thép, mạng cốt thép[33] Che chống thời kì đầu bằng phun bê tông, neo đá, mạng cốt thép, giá vòm thép đảm bảo ổn định và an tòan trong thời gian thi công Che chống lần đầu sẽ tạo thành một bộ phận của kết cấu chịu tải vĩnh cửu Khi thi công đổ bê tông vỏ hầm không phải tháo dỡ hệ chống của thời kì đầu, do đó thi công an tòan, kết cấu che chống chịu lực tốt Về điểm này, che chống lần đầu khác với hệ thống che chống tạm thời bằng cấu kiện thép , gỗ dùng trong phương pháp thi công truyền thống Khi ghép khuôn để xây dựng vỏ hầm phải tháo dỡ cấu kiện chống đỡ, thi công khá phức tạp, kém an tòan

Nếu sự biến dạng và/hoặc sự giãn nở của khối đá được dự đóan là rất lớn, bề mặt gương hầm đã đào phải được phun bê tông che kín, lúc này bê tông phun có vai trò là màng che Chống bằng gỗ và thép chỉ tiếp xúc với bề mặt hầm ở vài điểm chèn Vì thế tảng đá giữa các điểm tiếp xúc sẽ không có gì chống đỡ, từ đó khối đá sẽ biến dạng và/hoặc giãn ra

3) Hệ chống đỡ linh họat

NATM đặc trưng bởi tính linh họat và thích ứng, cho phép tạo nên hệ chống đỡ nhu động – chủ động chứ không phải là hệ chống đỡ bị động truyền thống Trong hệ vỏ chống thông thường, độ bền của hệ dựa vào bề dày và đặc điểm cơ học của hệ chống (như độ bền, độ cứng) Đối với NATM, độ bền của hệ chống dựa vào tổ hợp của khối đá, bu lông đá, lưới thép và giá vòm thép[35] Bằng cách thiết lập và thay đổi một cách linh họat hệ thốâng chống đỡ mềm dẻo thích

Trang 31

22

hợp cho vừa đủ để giữ cường độ nguyên thủy của khối đá dựa trên cơ sở đánh giá, phân lọai đá ở mỗi gương hầm và sự phân tích các kết qủa đo đạc quan trắc Địa kỹ thuật tạo nên hệ chống đỡ hợp lý và an tòan

Hệ chống đỡ ban đầu có thể là một phần hoặc tòan phần phụ thuộc vào trạng thái và khả năng mang tải của khối đá Quy mô của đợt chống đỡ lần sau phụ thuộc vào kết qủa đo đạc chuyển vị của đợt chống đỡ trước [35]

Biến dạng của khối đá phải được chống đỡ hợp lý vì việc khối đá biến dạng khiến cho cường độ của nó sẽ bị giảm đi Phải lắp được hệ thống chống đỡ nhằm ngăn chặn sự biến dạng hoặc sụt trượt của khối đá Tính kinh tế và an tòan của việc đào hầm sẽ tăng nếu hệ thống chống đỡ được áp dụng một cách thích hợp Để thực hiện mô tả nêu trên, hệ thống chống đỡ và vỏ hầm phải được lắp đặt kịp thời Lắp đặt hệ thống chống đỡ quá sớm hay quá muộn sẽ đem lại kết quả bất lợi Hệ thống chống đỡ cũng không quá mềm hay quá cứng Hệ thống chống đỡ cần có một độ mềm dẻo thích hợp để duy trì cường độ của khối đá Nếu hệ thống chống đỡ được lắp đặt quá sớm, tải trọng tác dụng lên kết cấu chống đỡ sẽ rất cao và tải trọng sẽ tiếp tục tăng lên khi lắp đặt hệ thống chống đỡ chậm Hệ thống chống đỡ được lắp đặt đúng dẫn đến tải trọng sẽ nhỏ nhất Nếu hệ thống chống đỡ qúa cứng và/ hoặc quá mềm, tải trọng tác dụng lên hệ thống chống đỡ sẽ rất cao Tải trọng tác dụng lên hệ thống chống đỡ sẽ nhỏ nhất khi mà hệ thống chống đỡ có được độ đàn hồi thích hợp[39]

Như vậy, hệ thống chống đỡ theo NATM không phải là một hệ chống đỡ được thiết kế cứng nhắc Nó thay đổi trong quá trình thi công sao cho tận dụng đến mức tối đa sức chịu tải của đá quanh công trình, trên nguyên tắc cơ bản là hệ vỏ chống đạt biến dạng cho phép trong thời gian cho phép, giá trị biến dạng đó được xác định bởi các thiết bị đo đạc tinh vi lắp đặt ngòai hiện trường[35]

4) Hình dáng đường hầm tròn khép kín

Theo lý thuyết NATM, hầm được đánh giá như một cấu trúc hỗn hợp hình trụ gồm khối đá, hệ thống chống đỡ và vỏ hầm Các cấu trúc hỗn hợp này hợp lại làm cho hầm tự ổn định…[39] (hình 2.3)

a Quan niệm theo NATM b Quan niệm theo truyền thống

Hình 2.3 Cấu trúc của hầm như một ống hình trụ[33]

Trang 32

23

Nhanh chóng tạo hình dáng đường hầm tròn khép kín để tránh sự tập trung ứng suất bất lợi Sự mất ổn định tòan bộ hệ thống thường do phá họai cục bộ phát triển lên cho nên kết cấu che chống cần nhanh chóng khép kín để ràng buộc đất đá xung quanh Khi gặp vi nham nát vụn, mềm yếu cần kịp thời xây dựng vòm đáy, làm cho hệ che chống và đất đá tạo thành một vành chịu tải khép kín (hình 2.4)

a Quan niệm theo NATM b Quan niệm theo truyền

thống

Hình 2.4 Xây dựng vòm đáy[33]

5) Đo đạc thường xuyên, kịp thời

Đối với công nghệ NATM quan trắc địa kỹ thuật đóng vai trò quan trọng đối với công tác thiết kế và xây dựng đường hầm Không những thí nghiệm trong phòng mà việc tiến hành đo đạc sự biến dạng của hầm rất quan trọng để đánh giá hành vi tự đứng vững của khối đá của gương hầm theo thời gian Việc đo đạc ứng suất trong bêtông phun và độ dịch chuyển vách hầm (hình 2.5) là đặc biệt cần thiết khi xây dựng đường hầm

a Phương pháp đào tòan phần b Phương pháp đào nhiều bậc

Hình 2.5 Bố trí thiết bị đo độ lún ở đỉnh

Trang 33

24

NATM đòi hỏi phải lắp đặt các thiết bị tinh vi tại hiện trường như : nghiêng kế, máy đo áp suất và biến dạng, kinh vĩ lade… Số liệu đo đạc đảm bảo để đánh giá trạng thái ổn định của đất đá , phán đóan xu thế phát triển động thái của chúng nhằm điều chỉnh kịp thời hình thức che chống, phương pháp đào hầm, đảm bảo thi công được tiến hành thuận lợi và an tòan Đo đạc trắc địa là một tiêu chí quan trọng của lý luận hầm và công trình ngầm hiện đại, là biện pháp để nắm vững quá trình thay đổi động thái của đất đá và là căn cứ, số liệu để tiến hành thiết kế, thi công công trình

Thời gian và phương pháp xây dựng vỏ hầm được quyết định từ kết qủa của phương pháp đo đạc trắc địa Thông thường lớp vỏ hầm được xây dựng sau khi các biến dạng của hầm đã hội tụ (ổn định) Nếu sự dịch chuyển tiếp tục xảy ra và có khuynh hướng gia tăng, cần kiểm tra kỹ nguyên nhân và lớp vỏ hầm phải thiết kế đủ độ bền chống lại áp lực của khối đá tác dụng lên

Trong công tác đào hầm, phương pháp đào tòan mặt cắt tốt hơn các phương pháp khác Việc chia gương hầm thành nhiều phần sẽ khiến cho chất lượng khối đá xung quanh hầm giảm do phân bố lại ứng suất Tuy nhiên rất khó thực hiện phương pháp đào tòan mặt cắt ở những vùng đá xấu như đá phong hóa cao hoặc đất Gặp những trường hợp như vậy ta phải chia gương hầm thành những phần nhỏ và cần phải chú ý đo đạc, quan trắc, kiểm tra tính ổn định của mỗi phần hầm đó thường xuyên và kịp thời [39]

6) Đánh giá, phân lọai khối đá

Sử dụng đánh giá, phân lọai khối đá, xếp khối đá đang xét vào cấp bậc ổn định khác nhau để có các giải pháp kĩ thuật công nghệ ban đầu là công việc có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế các giải pháp chống đỡ Các phương pháp phân lọai đá để thiết lập lọai kết cấu chống đỡ được sử dụng thông thường là hệ thống phân lọai RQD (Rock quality Designation) – chỉ số chất lượng đá của Deere (1967), Hệ phân lọai địa cơ RMR (Rock Mass Rating) của Bieniawski (1973), hệ thống phân lọai Q của Barton (Q system-1974), Hệ thống f của M.M Protodjakonov, Hệ thống S của N.S.Buluchev (Viện Địa cơ học Nga VNIMI), hệ thống phân lọai khối đá cho đường hầm của Terzaghi, K(1946)…

Việc đánh giá phân lọai chất lượng của khối đá sẽ được sử dụng để xác định kết cấu hệ thống chống đỡ cũng như cân nhắc chiều rộng và chiều dài mỗi lần khai đào, cửa hầm, chỗ giao nhau và phương pháp khai đào (hình 2.6) Hay nói một cách khác điều kiện địa chất quyết định kết cấu hệ thống chống đỡ theo công nghệ NATM Việc đào hầm có đạt được mức độ an tòan và kinh tế nhất hay không phụ thuộc vào kinh nghiệm đánh giá điều kiện địa chất và xác định kết cấu hệ thống chống đỡ Do vậy chất lượng của việc phân lọai đá và đánh giá điều kiện địa chất đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong quá trình đào hầm theo công nghệ NATM [39]

Trang 34

25

Hình 2.6 Một số phương pháp đào hầm

7) Giải phóng áp lực nước ngầm trong khối đá

Trong thời gian thi công, nước ngầm làm giảm độ ổn định của vi nham (nhất là đối với vi nham nát vụn, mềm yếu thì ảnh hưởng của nươc ngầm càng nghiêm trọng) làm cho công tác đào hầm gặp khó khăn, làm tăng khó khăn và tốn kém cho việc chống đỡ Các dòng nước ngầm lưu lượng lớn chảy ra và là nguyên nhân của sụt lở, đào quá do điều kiện địa chất và đặt biệt là của tình trạng ngập lụt do nước ngầm

Để giải phóng áp lực của nước ngầm tồn tại trong khối đá bằng cách lắp đặt hệ thống ống thóat nước (hình 2.7)

a) Nước rò cục bộ

b) Nước rò từ đường nứt mặt đá c) Nước rò nhiều

Hình 2.7 Thóat nước ngầm tồn tại trong khối đá[30]

Trang 35

− NATM áp dụng có kết quả cho các lọai đường hầm phục vụ giao thông cũng như phục vụ mục đích khác như thủy lợi, thủy điện, kho tàng…

− Thích hợp với đá cứng cũng như đất mềm[33]

− Bước phát triển mới về các kĩ thuật đào, kĩ thuật neo và phun bê tông cũng như các tính tóan số học và trang thiết bị đo đạc thí nghiệm làm cho việc sử dụng không gian dưới đất ngày càng kinh tế và hấp dẫn

− Tính tóan kết cấu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp này đã xét đến một cách đầy đủ nhất về đặc điểm của bài tóan kết cấu công trình ngầm

Trang 36

27

CHƯƠNG 3

TÍNH TÓAN THIẾT KẾ HẦM VÀ CÔNG TRÌNH NGẦM

THEO CÔNG NGHỆ NATM

3.1 TRÌNH TỰ THIẾT KẾ HẦM THEO PHƯƠNG PHÁP NATM

3.1.1 Thiết kế tuyến

Việc lập tuyến hầm được thực hiện theo chức năng hầm chẳng hạn như các điều kiện địa chất, vị trí hầm, kiểm sóat an tòan trong và sau quá trình thi công, ảnh hưởng đến môi trường và hiệu qủa kinh tế

- Định tuyến hầm trên bình đồ và trắc dọc của hầm được thiết kế đảm bảo các chức năng và mục đích của hầm như là một phần của tuyến đường theo địa hình, địa chất , môi trường dựa trên kết qủa đo đạc hiện trường

- Thiết kế khu vực cửa hầm: Các yếu tố chính để quyết định vị trí của cửa hầm là tuyến bình đồ và trắc ngang, điều kiện địa hình, địa chất khu vực cửa hầm

- Thiết kế mặt cắt ngang hầm: Kích thước hầm và mặt cắt bên trong hầm sẽ được tính theo lọai và mục đích sử dụng Mặt cắt bên trong hầm sẽ phù hợp theo thiết kế hầm , thiết bị thông gió, chiếu sáng, cấp cứu, các biển báo…

- Tải trọng thiết kế của hầm

3.1.2 Khảo sát chi tiết và phân lọai đất đá khu vực tuyến hầm

Trước khi thiết kế phải khảo sát kĩ tình hình cấu tạo và các hiện tượng địa chất, nghiên cứu đầy đủ các tính chất cơ lý của đất đá trong khu vực xây dựng công trình

Phân lọai đá được đánh giá theo điều kiện địa chất, màu sắc trên bề mặt, phân bố các khe nứt và cú đập của búa địa chất Lọai hệ thống chống đỡ được phân theo tiêu chuẩn kĩ thuật (chiều dày bê tông phun, chiều dài, khỏang cách các neo đá, kết cấu khung thép…)

3.1.3 Xử lý số liệu thiết kế

Số liệu về địa chất là kết qủa của sự kiểm tra kĩ thuật và địa chất theo yêu cầu Các công việc là phân tích thí nghiệm trong phòng, đánh giá các tính chất vật lý của khối đá, các tính chất vật lý sử dụng trong tính tóan thiết kế Trong quá trình thi công cũng cần phải tiếp tục theo dõi để nếu cần thiết có thể điều chỉnh thiết kế

3.1.4 Tính tóan thiết kế

Phương pháp NATM sử dụng bê tông phun và neo đá là yếu tố chống đỡ chính để ổn định hầm Tính tóan vỏ chống bê tông phun; tính tóan neo, tính tóan hệ chống đỡ là khung thép…

Trang 37

28

3.2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ ĐỊA CHẤT VÀ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT

ĐÁ

3.2.1 Những vấn đề địa chất có ảnh hưởng đến công trình ngầm

− Aûnh hưởng của tính chất đất đá: Tính chất đất đá tùy thuộc vào quá trình

hình thành, có ảnh hưởng lớn đến cấu tạo và thi công công trình

− Aûnh hưởng của cấu tạo địa chất: Chiều dày các lớp đất đá, thế nằm của vỉa

đá

− Aûnh hưởng của các hiện tượng địa chất: Trong quá trình thi công công trình

ngầm có thể gặp các hiện tượng địa chất bất lợi như cát chảy, xói ngầm

chảy dẻo, phong hóa, hang động….ảnh hưởng đến giá thành công trình và

tiến độ thi công

3.2.2 Một số tính chất cơ lý của đất đá

3.2.2.1 Biến dạng của đất đá

Biến dạng là quá trình thay đổi hình dạng hay kích thước của vật dưới tác dụng

của ngọai lực, của sự thay đổi nhiệt độ hoặc độ ẩm

Biến dạng đàn hồi đặc trưng bởi mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng của đá

và ngọai lực Biến dạng dẻo của đá là khả năng đá bị biến dạng không phá hủy

dưới tác dụng của ngọai lực và giữ được hình dạng ấy sau khi dỡ bỏ ngọai lực

Phần lớn đá là vật liệu đàn – dẻo Về lý thuyết trong quá trình biến dạng, biến

dạng dẻo chỉ xuất hiện khi ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi [35]

Tính biến dạng của đá được biểu diễn bằng các thông số sau:

- Môđun đàn hồi (E): đặc trưng cho sức chống lại biến dạng đàn hồi của vật liệu

khi kéo hay nén đơn trục

ε

σ

=

- Môđun đàn hồi ngang(G) : đặc trưng cho khả năng chống lại sự thay đổi hình

dạng khi giữ nguyên thể tích của đá

γ

τ

=

- Hệ số Poisson (Hệ số biến dạng ngang),v là tỷ số giữa biến dạng ngang ε'

tương đối và biến dạng dọc tương đối ε của mẫu khi chịu tác dụng của lực

ε

ε'

=

3.2.2.2 Độ bền của đất đá

Độ bền của đá là một đại lượng biểu thị khả năng của nó chống lại sự phá hủy

đá do tác dụng của ngọai lực Độ bền được lấy bằng giá trị ứng suất mà tại đó

Trang 38

29

mẫu đá hoặc phân tố đá bị phá hủy Theo dạng ngọai lực tác dụng độ bền được

chia thành các độ bền nén, kéo,cắt, uốn, tải trọng tập trung và độ bền nén ba

trục[35]

- Độ bền nén đơn trục: đặc trưng cho khả năng kháng nén của đá, được xác định

bằng ứng suất phát sinh khi mẫu thí nghiệm bị phá hủy dưới tác dụng của lực

nén theo một trục

Pmax: Lực nén đơn trục lớn nhất làm phá hủy mẫu

F0: diện tích tiết diện ngang ban đầu của mẫu

- Độ bền kéo đơn trục: đặc trưng cho khả năng chống chịu lực kéo của đá, được

xác định bằng giá trị ứng suất kéo khi mẫu đá bị phá hủy dưới tác dụng của tải

trọng kéo theo một trục

Pt max: Lực kéo lớn nhất làm phá hủy mẫu

F: diện tích tiết diện ngang ban đầu của mẫu

- Độ bền của đá ở trạng thái ứng suất ba chiều

Dưới tác dụng của ngọai lực đá làm việc ở các trạng thái ứng suất phức tạp

Để nghiên cứu ứng suất của đá dưới tác dụng của các trường lực khác nhau cần

thí nghiệm đá theo phương pháp nén ba trục

Thí nghiệm nén ba trục cho phép xác định đường cong độ bền nén của đá trong

trường ứng suất phức tạp Trên cơ sở của ba cặp trạng thái ứng suất khác nhau

dựng được đường bao vòng tròn Mohr giới hạn

3.2.2.3 Hệ số kiên cố (hệ số bền vững)

Là chỉ tiêu đặc trưng cho khả năng của đá chống lại sự phá hủy của ngọai lực,

được xác định thông qua độ bền nén

σ : độ bền nén đơn trục tính bằng KG/cm2

3.2.3 Đánh giá, phân lọai khối đá quanh công trình ngầm

Phân lọai đá là một công tác quan trọng trong quá trình khảo sát địa chất nhằm

phục vụ cho công tác thiết kế cũng như xác định phương pháp và lọai chống đỡ

hợp lý cho các công trình hầm trong quá trình thi công Các phương pháp phân

lọai đá chủ yếu:

Trang 39

J J

RQD

a r n

RQD được lấy chẵn 5 từ 10 đần 100

Jn: chỉ số chỉ ảnh hưởng của số lượng các hệ khe nứt

Jr: chỉ số thể hiện độ nhám của khe nứt

Ja: chỉ số thể hiện trạng thái của khe nứt khi thành khe nứt tiếp xúc được với

nhau khi trượt

Jw: chỉ số thể hiện mức độ ngậm nước

SRF yếu tố giảm ứng suất của khối đá quanh công trình ngầm (Stress

Reduction Factor)

Khối đá được chia thành 9 cấp (Phụ lục 2)

3.2.3.2 Hệ thống S của N.S.Buluchev (Viện Địa cơ học Nga VNIMI)

Theo phương pháp này chất lượng của khối đá quanh công trình ngầm được

đánh giá qua chỉ số ổn định S:

A w t R N

M

K

K K

f S

α

f hệ số bền vững M.M.protodiakonov

KM là hệ số đặc trưng cho mức độ nứt nẻ

KN là hệ số phụ thuộc vào số hệ khe nứt

KR là hệ số đặc trưng cho độ nhám khe nứt

KA hệ số đặc trưng cho chất lấp nhét các khe nứt

Kα : hệ số xét tới hướng khe nứt phát triển nhất so với hướng đường hầm,

phục thuộc vào góc α giữa trục đường hầm và phương vị hướng dốc của khe nứt

Kw : hệ số xét đến ảnh hưởng của nước trong khối đá: bằng 1 khi khối đá

khô; 0.8 khi khối đá ẩm; 0.5 khi giọt nước và bằng 0.3 khi có dòng nước

Các hệ số lấy theo bảng (phụ lục 4)

3.2.3.3 Hệ thống f của M.M Protodjakonov

Giả sử tại chiều sau H có một hầm hình chữ nhật có chiều rộng bằng b Trên

đỉnh hầm theo giả thuyết sẽ hình thành một vòm cân bằng tự nhiên có chiều cao

Trang 40

31

Trong đó f=σn/100; σn độ bền nén đơn trục(KG/cm2); B: bề rộng vòm phá hủy Hệ số bền vững f là một chỉ tiêu rất cơ bản , tổng hợp các đặc trưng cơ học của đá và không xác định trực tiếp bằng thực nghiệm M.M Protodjakonov dùng f để giải các bài tóan cơ học đá và phân lọai đá đá được phân làm 10 cấp, có trị số f thay đổi từ 0.3 đến 20 (phụ lục 3)

3.2.3.4 Hệ thống RMR – Rock Mass Rating (Z.T.Bieniawski)

Trong các hệ thống phân lọai trên, hệ thống phân lọai khối đá theo RMR là một hệ thống phân lọai tương đối chi tiết và hòan thiện Hệ thống này đã được áp dụng rộng rãi trong quá trình xây dựng hầm và công trình ngầm trên thế giới như Mĩ, Nhật Bản và các nước Châu Aâu khác Tại dự án hầm đường bộ qua đèo Hải Vân đã áp dụng hệ thống phân lọai khối đá theo RMR

Phương pháp chỉ số khối đá RMR – Rock Mass Rating: phương pháp này được Z.T.Bieniawski đề xuất Nó dựa trên 6 thông số đo được ở hiện trường [34] 1) Cường độ nén một trục của vật liệu đá: đây là một chỉ tiêu quan trọng trong hệ thống phân lọai khối đá RMR Xác định theo (biểu đồ 1)

Biểu đồ 1: Biểu đồ xác định giá trị cường độ đá

Cường độ nén một trục của đá (Mpa) 2) Chỉ tiêu chất lượng đá (RQD)

Tổng chiều dài lõi khoan thu được lớùn hơn 10cm RQD (%) = - x 100%

Tổng chiều dài khoan mẫu Chiều dài khoan mẫu thường lấy lớn hơn 100cm và là các số chia hết cho 5 giá trị RQD được xác định theo biểu đồ 2 như sau:

Định dạng
Số trang	155
Dung lượng	5,99 MB