Nghiên cứu các giải pháp kết cấu chống giữ cho đường hầm dẫn nước có tiết diện lớn khi đi qua vùng đá yếu

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát về các phương pháp thi công ngầm 11 Hình 2.1 Nhóm các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định CTN 14 Hình 2.2 ảnh hưởng độ rỗng đến độ bền nén đơn trục của đá trầm tích

Bảng 2.2 Điều kiện khối đá theo mức độ nứt nẻ (Bieniawski, 1984) 21 Bảng 2.3 Phương pháp đào, loại kết cấu chống và những lưu ý khi

thi công CTN trong các điều kiện địa chất khác nhau

36

Bảng 3.1 Dự kiến biểu hiện mất ổn định đường hầm và loại hình kết

cấu chống thích hợp [3,5]

69

Bảng 3.2 Tính chất vật liệu và trị số ứng suất nguyên sinh (theo tiêu

chuẩn bền của Hoek-Brown)

75

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát về các phương pháp thi công ngầm 11 Hình 2.1 Nhóm các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định CTN 14

Hình 2.2 ảnh hưởng độ rỗng đến độ bền nén đơn trục của đá trầm

tích yếu

16

Hình 2.4 Biểu hiện tức thời của đá yếu xung quanh đường hầm 22 Hình 2.5 Nén ép khối đá xung quanh đường hầm gây phá hủy khung

chống thép

23

Hình 2.7 Các chức năng của KCC trong điều kiện khối đá thay đổi từ

Hình 2.11 Sự phụ thuộc khả năng mang tải của các loại hình kết cấu

chống vào tính chất phân bố không đều của áp lực đá

giải phóng

48

chuẩn bền Mohr-Coulomb chịu trạng thái ứng suất thủy tĩnh và áp lực bên trong pi (Carranza-Torres, 2003)

Hình 3.7 Hệ thống chống đỡ bằng vì thép hình và vỏ bê tông 62 Hình 3.8 Đường cong biến dạng tải trọng điển hình của neo xác

định bằng thí nghiệm kéo một thanh neo cơ học dài 2m, đường kính 2.5cm

Hình 3.13 Biểu đồ xác định trị số áp lực chống giữ yêu cầu tương ứng

với các trị số biến dạng khác nhau của đường hầm tiết diện trong trong trạng thái ứng suất thủy tĩnh (Hoek, 1998)

71

Hình 3.14 Lựa chọn loại hình kết cấu chống theo trị số áp lực chống

giữ yêu cầu

72

Hình 3.15 Tương quan giữa biến dạng của biên hầm với hệ số giảm

mô đun biến dạng

73

Hình 3.18 Tương quan biến dạng biên hầm và sự giảm mô đun biến

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

T¸c gi¶ luËn v¨n

NguyÔn ChÝ Thµnh

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

1.1 Sơ lược về lịch sử xây dựng, phát triển đường hầm

1.1.1 Khái quát chung về đường hầm

1.1.2 Sơ lược về lịch sử xây dựng đường hầm

5

5

6

1.2 Vai trò của đường hầm dẫn nước trong các dự án nhà máy thuỷ

Chương 2: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến

2.1 Đặc trưng ổn định của các công trình ngầm đào trong khối đá yếu 13

2.1.2.4 Phân loại các biểu hiện biến đổi tức thời của khối đá yếu 20

2.1.3.3 Biểu hiện trương nở 25

Chương 3: Đề xuất và tính toán kết cấu chống giữ cho các đường hầm dẫn nước có tiết diện lớn thi công qua vùng đá yếu

39

3.1 Tổng quan các phương pháp thiết kế kết cấu chống giữ đường hầm 39

3.3.1 Dự đoán mức độ dịch chuyển của đường hầm không chống 66

Kết luận và kiến nghị 80

Mở đầu

1 Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Cùng với sự phát triển chung của đất nước, năng lượng điện ngày càng trở thành một nhu cầu cấp thiết cho x' hội

Trong điều kiện tự nhiên của Việt Nam là một nước có hệ thống sông ngòi lớn và đa dạng, rất phù hợp với việc phát triển các công trình thuỷ điện thì năng lượng từ thuỷ

điện sẽ đóng một vai trò rất lớn trong hệ thống chế tạo năng lượng điện của nước ta Việt Nam có 2360 con sông với chiều dài từ 10 km trở lên, trong đó có 9 hệ thống sông có diện tích lưu vực từ 10.000 km2

- Mật độ sông suối trung bình trên toàn l'nh thổ là 0,6km/km2

- Có 10 hệ thống sông lớn có tiềm năng phát triển thủy điện

Tổng kết các nghiên về quy hoạch thuỷ điện ở nước ta cho thấy tổng trữ năng lý thuyết của các con sông đựơc đánh giá đạt 300 tỷ KWh/năm,

công suất lắp máy được đánh giá khoảng 34.647MW

-Trữ năng kinh tế – kỹ thuật đựơc đánh giá khoảng 80-84 tỷ KWh/năm, công suất lắp máy được đánh giá khoảng 19.000 - 21.000MW

Với một trữ lượng về thuỷ điện lớn như vậy thì nhu cầu xây dựng các công trình thuỷ điện là rất lớn và trong các công trình thuỷ điện này, đường hầm dẫn nước

đóng vai trò hết sức quan trọng Chính nhờ các đường hầm dẫn nước này thì nước mới tạo ra được năng lượng thế năng để vận hành các tuybin, sản xuất ra năng lượng

điện Hầm dẫn nước cũng là một trong những hạng mục thi công lâu nhất và khó khăn nhất trong khi thi công các nhà máy thuỷ điện Có rất nhiều phương pháp để thiết kế, thi công các đường hầm dẫn nước tuỳ thuộc vào điều kiện địa chất nơi

đường hầm tồn tại, kích thước yêu cầu của đường hầm, sự ảnh hưởng của đường hầm tới các công trình phụ cận khác…Việc đưa ra các biện pháp kết cấu chống cho các đường hầm dẫn nước sao cho phù hợp với các yếu tố như đ' kể trên cũng là một vấn đề lớn trong thiết kế và thi công các đường hầm dẫn nước Nếu trong quá trình thiết kế cũng như thi công, các biện pháp kết cấu chống giữ của đường hầm dẫn nước không phù hợp có thể gây ra các hậu quả đáng tiếc như gây sự cố trong thi

gây thiệt hại lớn cả về con người, mức độ tác hại của sự cố trong thi công cácc

đường hầm dẫn nước là vô cùng to lớn Chính vì các lý do như trên, việc nghiên cứu

và đưa ra các giải pháp kết cấu, chống đỡ 1 cách hợp lý cho các đường hầm dẫn nước nói chung và đặc biệt trong các đường hầm dẫn nước có tiết diện lớn đi qua vùng đá yếu nói riêng là việc hết sức cần thiết

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đề tài được thực hiện nhằm mục đích tính toán, lựa chọn kết cấu chống hợp

lý cho hầm dẫn nước tiết diện lớn khi đào qua vùng đá yếu

3 Nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Trên cơ sở các kết quả tổng kết, đánh giá về những kết cấu chống thường

được áp dụng trong các đường hầm dẫn nước có tiết diện lớn và đi qua vùng đá yếu trên thế giới khi thi công, nội dung luận văn sẽ đưa ra những phương pháp lựa chọn

và tính toán các dạng kết cấu tương ứng cho các dạng đường hầm dẫn nước đi qua vùng đá yếu trong khi đào Từ đó, nghiên cứu và đề xuất các dạng kết cấu chống hợp lý cho các đường hầm dẫn nước trong nhà máy thuỷ điện có tiết diện lớn và đi qua vùng đá yếu khi đào

Ngoài phần mở đầu, kết luận - kiến nghị và các phụ lục, nội dung chính của luận văn bao gồm 3 nội dung chính

chung Chức năng, tác dụng và các đặc điểm của đường hầm dẫn nước trong nhà máy thuỷ điện Trong chương này, nêu lên một số các phương pháp thi công chủ yếu

đối với các đường hầm dẫn nước của các nhà máy thuỷ điện ở nước ta

thuyết minh một số các phương pháp, đưa ra các lựa chọn và tính toán kết cấu của các đường hầm dẫn nước có tiết diện lớn đi qua vùng đá yếu khi đào, nhận xét và

đánh giá các phương pháp này

đường hầm dẫn nước có tiết diện lớn, đi qua vùng đá yếu khi đào

Trong nội dung 1, luận văn tập trung vào việc giới thiệu về các hệ thống công trình ngầm nói chung và các đường hầm nói riêng ở trên thế giới và ở Việt Nam,

phân biệt cũng như nêu rõ các đặc điểm và chức năng của các đường hầm dẫn nước trong nhà máy thuỷ điện, nêu ra một số các đường hầm dẫn nước đ' được xây dựng trên thế giới Trong nội dung 1, luận văn cũng sẽ giới thiệu cho người đọc một số phương pháp, giả thuyết trên thế giới về việc thi công các đường hầm dẫn nước trong nhà máy thuỷ điện

Trong nội dung 2, làm rõ khái niệm về đá yếu, nêu lên các yếu tố ảnh hưởng tới độ ổn định của công trình ngầm, từ đó đưa ra một số các loại kết cấu chống giữ hợp lý cho các đường hầm, nêu rõ các tác dụng của các loại kết cấu chống giữ này

Từ những nội dung đ' làm rõ trong các chương trên, trong nội dung 3, luận văn tập trung đi vào nêu ra tổng quan hệ thống các phương pháp thiết kế, lựa chọn các kết cấu công trình ngầm, đi vào phân tích và nêu rõ các nội dung, điều kiện áp dụng của các phương pháp, đặ biệt là phương pháp đường đặc tính Từ đó kiến nghị

áp dụng phương pháp được cho là phù hợp (phương pháp CCM- Convergence – confinement method) để lựa chọn kết cấu chống hợp lý cho đường hầm dẫn nước có tiết diện lớn đi qua vùng đá yếu, cuối cùng là áp dụng phương pháp đ' lựa chọn ở trên để đưa ra kết cấu chống giữ phù hợp cho các dạng đường hầm có tiết diện lớn trong vùng đất đá yếu Đây là chương trọng tâm của luận văn Những phương pháp, giả thuyết được thuyết minh, so sánh và rút ra nhận xét, từ đó đưa ra một kiến nghị phương pháp tổng quan được cho là phù hợp nhất để đưa ra áp dụng, lựa chọn kết cấu chống giữ cho 1 đường hầm dẫn nước có tiết diện lớn trong vùng đá yếu khi

đào

Đề tài “Nghiên cứu các giải pháp kết cấu chống giữ cho đường hầm dẫn nuớc

có tiết diện lớn khi đi qua vùng đá yếu”được thực hiện trong bối cảnh ở Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung đ' có rất nhiều các phương pháp, đề xuất lựa chọn kết cấu chống giữ cho các đường hầm dẫn nước có tiết diện lớn đi qua vùng đá yếu Vì vậy, các kết quả tổng kết, đánh giá các phương pháp, giả thuyết và đưa ra một phương pháp lựa chọn được coi là hợp lý chủ yếu dựa trên cơ sở các tài liệu của các nước trên thế giới trong những điều kiện tương tự Để những kết quả nghiên cứu của đề tài phát huy hiệu qủa trong thực tiễn cần có những nghiên cứu bổ sung trong thời gian tới gắn liền với những dự án, công trình ngầm , đặc biệt là các công trình

xây dựng những đường hầm dẫn nước của các nhà máy thuỷ điện cụ thể sẽ thực hiện

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Đào Văn Canh, người đ' dành nhiều sự quan tâm giúp đỡ tác giả trong quá trình công tác cũng như trong quá trình viết bản luận văn tốt nghiệp Cao học Sự giúp đỡ tận tình của thầy đ' giúp tác giả rất nhiều để hoàn thành bản luận văn này

Ngoài ra, trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả đ' nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Xây dựng Công trình ngầm và Mỏ – Khoa Xây Dựng, trường Đại học Mỏ-Địa chất nơi bản thân tác giả đang công tác, sự giúp

đỡ của các thầy, cô giáo trong Phòng Đại học và sau Đại học, sự giúp đỡ của Nhà trường đại học Mỏ-Địa chất và bạn bè, đồng nghiệp

Chương 1 Tổng quan về công tác thi công các đường hầm dẫn nước

1.1.Sơ lược về lịch sử xây dựng, phát triển đường hầm

1.1.1 Khái niệm chung về đường hầm

Một cách khái quát, có thể định nghĩa đường hầm là loại công trình ngầm có chiều dài ít nhất gấp đôi chiều rộng, kín ở hai bên sườn và mở an toàn ở hai đầu của công trình Tùy theo chức năng, đường hầm có thể chia ra làm các loại chính là:

đường hầm giao thông, đường hầm thuỷ điện và đường hầm công nghiệp dân dụng

đường hầm giao thông bao gồm đường hầm dành cho người đi bộ và đường hầm trên các tuyến giao thông để vượt các chướng ngại vật như rừng núi, sông hồ, các khu dân cư, khu vực công nghiẹp và các công trình đặc biệt khác Một loại hình độc

đáo của đường hầm giao thông là đường xe điện ngầm, tại hầu hết các thành phố lớn trên thế giới như Lonđon, Paris, Moscow đều sử dụng mạng lưới xe điện ngầm Đây là loại hình vận tải công cộng có rất nhiều ưu điểm như: không tốn diện tích trên bề mặt

đất, ít gây ô nhiễm cả về khí thải và tiếng ồn, hiệu quả và an toàn Tại Việt Nam hiện nay cũng đ' có những dự án thi công, xây dựng các hệ thống tàu điện ngầm ở hai thành phố lớn nhất nước là Thủ đô Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh

đường hầm thuỷ lợi được xây dựng để lấy nước từ hồ chứa, sông ngòi nhằm mục đích chế tạo ra điện năng, tưới tiêu cung cấp và điều chỉnh lượng nước phục vụ cho đời sống và các hạt động nông nghiệp và công nghiệp Điển hình là các đường hầm dẫn nước tại các nhà máy thuỷ điện, chúng có chiều dài từ vài trăm mét đến hàng chục km, với kích thước từ vài mét vưông đến hàng trăm mét vuông tại mặt cắt ngang Đây là một trong những hạng mục quan trọng nhất của nhà máy thuỷ điện

Đường hầm dân dụng và công nghiệp được xây dựng ở các vùng núi hoặc trong các khu vực đồng bằng, tập trung dân cư để khai thác khoáng sản, làm các kho chứa theo yêu cầu Trong các thành phố lớn, đường hầm dân dụng và công nghiệp còn được xây với những mục đích khác nhau như các tuynen chứa các loại dây cáp vô tuyến, điện, truyền hình, thông tin hay là các hệ thống cấp thoát nước và chất thải tạo thuận lợi cho các ngành chủ quản về việc quản lý, khai thác và bảo dưỡng các đối tượng sử dụng đường hầm

1600 km đ' được xây dựng ở đảo Samosaite, Hy Lạp Đường hầm bộ hành đầu tiên

được xây dựng tại Pháp vào năm 1679 – 1681, và cũng tại Pháp, để nối miền hạ du sông Rhone với thành phố Marseille, người ta cho xây dựng đường hầm đường bộ dài 7118 m, rộng 22 m, cao 14,4 m phục vụ giao thông đi lại Từ khi xuất hiện

đường sắt thì việc xây dựng đường hầm càng ngày càng phát triển mạnh Tiêu biểu

là đường hầm đường sắt dài 19.728 m nối Italia với Thuỵ Sỹ được xây dựng từ năm

40 m dưới mực nước biển và là đường hầm thứ 2 thế giới về chiều dài tính đến thời

điểm hiện tại Đường hầm dài nhất thế giới tạm tính đến thời điểm hiện tại là đường hầm nằm dưới đáy biển Seikan có chiều dài lên đến 53,86 km nối 2 hòn đảo của Nhật Bản là đảo Honshu và đảo Hokkaido, được hoàn thành vào năm 1988

Đường hầm rộng nhất thế giới hiện nay là đường hầm qua sông Trường Giang, Trung Quốc được hoàn thành vào ngày 5/9/2008, hệ thống gồm 2 đường hầm chạy song song, mỗi hầm rộng 13,7 m và dài 8,9 km nối liền hai thành phố

Shaghai với đảo Ch'nging (Theo Chinadiscovery)

Tại Việt Nam, trước cách mạng Tháng Tám năm 1945 có xây dựng một số

đường hầm, chủ yếu là đường hầm giao thông đường sắt để phục vụ cho công tác vận chuyển khoáng sản khai thác được của thực dân Pháp tại nước ta, điểm hình như

đường hầm đường sắt Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc địa phận tỉnh Thừa Thiên – Huế, hay như một số các đường hầm giao thông Rú Cóc được xây dựng năm

1930 ở x' Nam Sơn, huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An, hầm ngầm xuyên núi giúp cho

thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu xuống hạ lưu sông Lam để tránh đập nước Đô Lương Ngoài ra, cũng phải kể đến hệ thống đường ngầm chằng chịt trong các mỏ khai thác ở Quảng Ninh mà thực dân Pháp đ' xây dựng để khai thác khoáng sản mà chủ yếu là than tại nước ta

Trong những năm chiến tranh kháng chiến chống pháp và chống Mỹ, sự nghiệp xây dựng các công trình ngầm của nước ta chủ yếu chỉ phát triển trong lĩnh vực quân sự, chủ yếu là thi công các công trình hầm quân sự và hệ thống các đường hầm, kho tàng quân sự Trong đó, điển hình nhất là hệ thống hầm địa đạo Củ Chi

Sự nghiệp xây dựng các công trình ngầm và đường hầm, đực biệt là các đường hầm giao thông chỉ thực sự phát triển mạnh trong một vài thập kỷ gần đây, tháng 5 năm

2002, đường hầm Aroàng I có chiều dài 453 m trên tuyến đường Hồ Chí Minh được hoàn thành Tháng 6 năm 2005, hầm đường bộ Hải Vân có chiều dài là 6290 m đ'

được đưa vào sử dụng, đường hầm này đ' giúp rút ngắn đoạn đường đèo nguy hiểm Hải Vân từ 21 km xuống còn 12 km so với tuyến đường cũ, làm giảm đáng kể các

vụ tai nạn giao thông trên tuyến đường đèo này cũng như đạt được năng suất, hiệu quả kinh tế cao Tuy vẫn còn một số các thiếu sót nhưng đường hầm đèo Hải Vân

được hoàn thành đ' đánh dấu mức trưởng thành và phát triển của ngành xây dựng công trình ngầm Việt Nam nói chung và ngành xây dựng công trình hầm giao thông Việt Nam nói riêng, cũng từ dự án hầm đường bộ Hải Vân mà công nghệ tiên tiến trong xây dựng công trình ngầm của các kỹ sư Nhật Bản, Thuỵ Điển đ' được các kỹ sư công trình ngầm của Việt Nam áp dụng để thiết kế cũng như thi công 495 m hầm

đường bộ Đèo Ngang trên QL1A, rút ngắn tuyến đường đèo này từ hơn 7km xuống còn 2,5 km

Trong xây dựng thuỷ điện ở Việt Nam, đ' có rất nhiều các đường hầm thuỷ

điện đ' được xây dựng mà tiêu biểu là các đưòng hầm trong nhà máy thuỷ điện Hoà Bình, Yaly, AVương, Đại Ninh, Bản Vẽ và nay là nhà máy thuỷ điện có quy mô lớn nhất Đông Nam á, nhà máy thuỷ điện Sơn La

1.2 Vai trò của đường hầm dẫn nước trong các dự án nhà máy thuỷ điện ở Việt Nam

Trên thế giới hiện nay năng lượng điện khai thác và chế tạo từ các nhà máy thuỷ điện chiếm tỷ trọng khá lớn ở Việt Nam, tổng công suất của các nhà máy thuỷ

điện chiếm khoảng 30% tổng công suất của các nguồn cung cấp điện năng Với chiến lược phát triển nguồn điện hiện nay của nước ta, đến năm 2020, tổng công suất ácc nhà máy điện của nước ta sẽ vào khoản 38.600 MW, trong đó thuỷ điện chiếm 32,9%, nhiệt điện khí chiếm khoảng 27%, nhiệt điện than chiếm khoảng 19,2

%, điện nhập khẩu chiếm khoảng 10,3%, điện nguyên tử chiếm khoảng 0,3 %, địa

điện chiếm khoảng 0,3 % để đảm bảo đáp ứng nhu cầu điện phụ tải ở mức 32.700

MW với tỷ lệ dự phòng khoảng 19% vào các tháng mùa nước và 10% vào các tháng mùa khô (Trích: Phương án phát triển nguồn điện đến năm 2020 – Phương án phụ tải cho điện 12 tỷ m3/năm – Vụ Công nghiệp – Bộ Kế hoạch và đầu tư)

Trong sơ đồ khai thác và chế tạo điện năng của các nhà máy thuỷ điện thì phương án lựa chọn hầm dẫn nước vào nhà máy được dùng khá phổ biến nhờ có các

ưu điểm như: tạo ra được cột nước cao, năng lượng tính toán lớn Chính nhờ các

đường hầm dẫn nước này mà nước mới được dẫn từ các đập chứa, tạo ra năng lượng

để quay các tuabin trong nhà máy thuỷ điện, tạo ra điện năng Có thể nói, trong các nhà máy thuỷ điện, đường hầm dẫn nước trở thành một trong những bộ phận quan trọng nhất của nhà máy thuỷ điện

1.3 Đặc điểm của đường hầm dẫn nước vào nhà máy thuỷ điện

Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thuỷ điện thường nằm sâu trong lòng núi,

địa hình hiểm trở Tuyến hầm dài có thể từ vài trăm mét đến hàng chục nghìn mét, tuy nhiên do tuyến đường hầm dài nên nó sẽ đi qua nhiều khu vực địa chất có tính chất khác nhau, có những vùng địa chất có tính chất xáu, có nhiều đứt g'y, phay phá, có sự xuất hiện của nước ngầm

Hầm dẫn nước thường có hai loại: hầm dẫn nước không thường xuyên áp và hầm dẫn có áp thường xuyên, hầm dẫn nước không có áp thường xuyên là loại

đường hầm có mặt thoáng, loại này thường được sử dụng để đưa nước từ hồ chứa về các bể điều áp hoặc các hầm thoát nước hay cấp nước Hầm dẫn nước có áp thường xuyên là hầm dẫn nước được dùng chủ yếu trong các công trình thuỷ điện để dẫn nước từ hồ chứa qua giếng điều áp vào tuabin của nhà máy thuỷ điện, từ đó sử dụng thế năng của nước để quay các tubin của nhà máy tạo ra dòng điện

Một đặc điểm nữa của hầm dẫn nước trong nhà máy thuỷ điện là các hầm dẫn nước có các mặt cắt ngang rất đa dạng, tuy nhiên hầu hết các tiết diện cuối cùng của hầm dẫn nước chủ yếu vẫn là hình tròn Phần lớn các hầm dẫn nước trong nhà máy thuỷ điện có kết cấu chống cố định là bê tông cốt thép liền khối nhằm tăng khả năng chống đỡ, chống mất nước và giảm tổn thất áp lực cột nước

1.4 Đặc điểm thi công đường hầm dẫn nước

Hiện nay, có rất nhiều các biện pháp thi công đường hầm dẫn nước, tuy nhiên dựa theo không gian thi công có thể phân ra hai nhóm chính trong khi thi công

• Các phương pháp thông thường (hay thông dụng);

• Các phương pháp thi công bằng máy ( hay cơ giới hoá);

• Phương pháp "micrô"

Hình 1.1 Phân nhóm và cách gọi các phương pháp thi công

Nói chung các phương pháp thi công ngầm rất đa dạng về loại hình, phương thức phối hợp công nghệ cũng như những giải pháp riêng biệt theo kinh nghiệm của từng đất nước, từng khu vực, tuỳ theo khả năng kinh tế và tiến bộ kỹ thuật Trên hình 1.2 giới thiệu sơ đồ tổng quát về các phương thức thi công ngầm

máy khiên

đào SM

đào toàn gương

đào từng phần gương

máy

đào lò

RH

Phương pháp thi công đặc biệt

máy khoan hầm TBM

khiên Các phương pháp thi công

Sơ đồ đào Phương pháp khai đào

Hình 1.2 : Sơ đồ tổng quát về các phương pháp thi công ngầm

Nhìn chung, đường hầm dẫn nước trong nhà máy thuỷ điện thường có chiều dài rất lớn so với các loại đường hầm khác, các đường hầm dẫn nước thường xuyên qua lòng núi, chịu nhiều ảnh hưởng của các điều kiện địa chất thuỷ văn, các số liệu

một số phương pháp hiện hành

+ Phương pháp xây dựng theo vành khuyên với kết cấu thép

+ Các phương pháp xây dựng kinh

điển (nhân đỡ của Đức, phương pháp đón đỡ của Bỉ, Anh, áo cũ)

một cách tương đối, do vậy trong khi thi công đường hầm dẫn nước vẫn cần phải liên tục tiến hành công việc đo đạc, xác định các điều kiện địa chất, đại chất thuỷ văn thực tế xung quanh đường hầm dẫn nước đang thi công để có những biện pháp

điều chỉnh thi công một cách hợp lý

Khi thi công đường hầm dẫn nước, song song với việc thi công hầm chính thì còn phải thực hiện một loạt các công trình tạm và phụ trợ phục vụ cho việc thi công như: hầm phụ, hầm thông gió, giếng vận chuyển, giếng xả lũ hiện hành

Mặt bằng thi công rất hẹp, hơn nữa lại có nhiều loại thiết bị, máy móc thi công nên cần sự phối hợp các công việc một cách nhịp nhàng, đồng bộ để đảm bảo

đáp ứng được tiến độ theo như thiết kế và đặc biệt là đảm bảo được an toàn cho công tác thi công

Thi công đường hầm dẫn nước của nhà máy thuỷ điện thường áp dụng phương pháp thi công ngầm, ở nước ta chủ yếu là sử dụng phương pháp khoan nổ mìn, môi trường thi công hay bị nhiễm khí độc, hơn nữa trong quá trình thi công có thể đào qua các vùng đất đá có điều kiện địa chất phức tạp dễ gây ra các hậu quả, sự

cố cho đường hầm đang thi công Do đó, cần phải có những phương pháp nghiên cứu, tính toán cho từng trường hợp cụ thể để có thể tránh được các hậu quả đáng tiếc

có thể xảy ra

Chương 2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn kết

cấu chống giữ đương hầm

2.1 Đặc trưng ổn định của các công trình ngầm đào trong khối đá yếu

Thiết kế và thi công công trình ngầm trong môi trường khối đá yếu là vấn đề phức tạp, khó khăn và tiềm ẩn rủi ro cao Tuy nhiên, khối đá yếu cũng có thể là điều kiện thuận lợi để nâng cao tốc độ đào qua đó tăng hiệu quả kinh tế của quá trình thi công Việc xây dựng thành công một đường hầm qua vùng khối đá yếu phụ thuộc rất lớn vào việc dự báo chính xác những biểu hiện ổn định hay mất ổn định của chúng khi chịu tác động của quá trình đào hầm

Độ ổn định của CTN là khái niệm mang tính tổng quát được sử dụng để đánh giá trạng thái ổn định của toàn bộ hệ thống “khối đá-kết cấu chống giữ”, nghĩa là, sử dụng để đánh giá mức độ ổn định của CTN có sử dụng kết cấu chống giữ Tuy nhiên, trước đó, chúng ta thường tiến hành nghiên cứu, đánh giá mức độ ổn định của khối đá có chứa CTN tại giai đoạn không sử dụng kết cấu chống Kết quả đánh giá này sẽ được dùng làm cơ sở để đề xuất phương án chống giữ, thi công công trình

Độ ổn định của CTN không chống phụ thuộc vào các yếu tố chính sau (hình 2.1) [2], [6]:

- Giá trị, hướng của các thành phần ứng suất chủ yếu trong khối đá nguyên sinh (trường ứng suất nguyên sinh) Các đại lượng này phụ thuộc vào chiều sâu đặt CTN và các quá trình vận động của vỏ trái đất;

- Các đặc tính địa cơ học của đá và khối đá (đặc tính biến dạng, góc ma sát trong, các đặc tính về độ bền, mức độ trương nở, độ nhớt, v.v…);

- Đặc tính liền khối (liên tục) của khối đá;

- Đặc tính phá hủy trong khối đá (số lượng và các tính chất nứt nẻ, sự tồn tại của các mặt yếu cấu trúc khác trong khối đá, v.v…);

- Các đặc tính nước ngầm và các điều kiện địa chất thủy văn khác;

- Hình dạng, các kích thước cấu tạo mặt cắt ngang CTN;

Độ bền của khối

- Phương pháp tiến hành các công tác xây dựng (đào-chống) CTN

là trong nhiều trường hợp độ bền của chúng biến đổi, nhất là khi bề mặt của chúng xuất lộ sau khi đào Ngoài ra, khối đá yếu thường có biểu hiện biến dạng theo thời gian do hiện tượng trương nở hay nén ép

Những đặc điểm, biểu hiện của khối đá yếu thường rất khó dự đoán chính xác trong quá trình thi công và điều này dẫn tới nhiều vấn đề, rủi ro, sự cố phát sinh trong quá trình thi công tại nhiều dự án đào hầm không chỉ ở Việt Nam mà còn ở

hầu hết các nước trên thế giới Lý do chủ yếu nằm ở chỗ rất khó để phân loại chính xác những biểu hiện của khối đá yếu Hiện nay tồn tại nhiều phương pháp phân loại khối đá khác nhau như phân loại dựa trên chỉ số RMR (Rock mass rating) của Bieniawski, chỉ số Q của Barton, chỉ số RQD, v.v Tuy nhiên những phương pháp phân loại này có đặc điểm là chú ý nhiều tới ảnh hưởng của hệ thống khe nứt trong khối đá và chúng áp dụng phù hợp với những khối đá có những biểu hiện biến đổi chịu sự chi phối của đặc điểm cấu trúc như khối đá cứng nứt nẻ Đối với khối đá yếu, chúng ta cần phương pháp phân loại cho phép chú ý tới những đặc điểm của chúng như khả năng bị phá hủy do ứng suất hay biến đổi tính chất khi tiếp xúc với môi trường, phân biệt được những biểu hiện biến đổi tức thời và biến đổi theo thời gian của khối đá Những thông số quan trọng cần kể tới bao gồm loại đá, thành phần khoáng vật, độ bền, trường ứng suất nguyên sinh, đặc tính quan hệ ứng suất-biến dạng, đặc tính nứt nẻ trong khối đá và điều kiện nước ngầm

2.1.1 Khái niệm đá yếu

Hầu hết các phương pháp hiện nay được sử dụng trong địa kỹ thuật để xác

định điều kiện đá yếu đều dựa trên độ bền nén đơn trục (UCS) của đá Ví dụ, theo tài liệu của Hội cơ học đá quốc tế (ISRM, 1981) thì đá có chỉ số UCS nằm trong khoảng 0,25 MPa đến 25 MPa được xếp vào nhóm đá cực kỳ yếu đến yếu

Một thông số quan trọng khác ảnh hưởng đến độ bền của đá yếu là độ rỗng hay thể tích phần lỗ rỗng có trong đá Nói chung, đá có độ rỗng càng lớn thường có

độ bền càng thấp và ngược lại, do độ rỗng của đá ảnh hưởng tới mật độ sắp xếp của các hạt khoáng vật trong đá, sự có mặt của các thành phần gắn kết các hạt khoáng vật này Theo [18], đá có hệ số độ rỗng lớn hơn 10-20% thường có độ bền được xếp vào nhóm đá yếu Trên hình 2.2 thể hiện kết quả thống kê mối tương quan giữa hệ

số độ rỗng trong đá và độ bền nén đơn trục của chúng trên một số loại đá trầm tích nhất định tại một dự án đào hầm ở Bắc California

Hình 2.2 ảnh hưởng độ rỗng đến độ bền nén đơn trục của đá trầm tích yếu

2.1.2 Biểu hiện biến đổi tức thời của đá

Những biểu hiện biến đổi tức thời của khối đá yếu sau khi chịu tác động của quá trình đào hầm phụ thuộc rất lớn vào trường ứng suất nguyên sinh tồn tại trong khối đá và độ bền của khối đá đó Mặc dù biểu hiện của khối đá yếu chịu chi phối chủ yếu bởi tính chất độ bền thấp và khả năng biến dạng cao của vật liệu đá, nhưng các tính chất khác như hệ thống khe nứt hay điều kiện nước ngầm cũng có thể gây ra những tác động nhất định

2.1.2.1 ảnh hưởng của trường ứng suất

Sau khi khai đào đường hầm, trạng thái ứng suất trong khối đá xung quanh

đường hầm xảy ra quá trình biến đổi nhất định để chuyển từ trạng thái cân bằng ban

đầu (trạng thái ứng suất nguyên sinh) sang trạng thái cân bằng mới (trạng thái ứng suất thứ sinh) Trong quá trình biến đổi đó có kèm theo những biểu hiện biến đổi của khối đá Một trong những đại lượng của trường ứng suất tác động lớn nhất tới

biểu hiện của khối đá chính là thành phần ứng suất vòng (ứng suất có phương tiếp tuyến với biên hầm) Tỷ lệ giữa đại lượng này và độ bền của đá là cơ sở quan trọng

để dự báo khả năng biến đổi, phá hủy của đá Khi tỷ lệ này lớn hơn 1, khối đá đó sẽ

ở vào trạng thái biến dạng dẻo hoặc phá hủy Trị số của thành phần ứng suất vòng trong trạng thái ứng suất thứ sinh là đại lượng phụ thuộc vào trị số của thành phần ứng suất nguyên sinh thẳng đứng tại độ sâu đặt đường hầm (σz), thành phần ứng suất theo phương ngang (thường được đặc trưng thông qua đại lượng hệ số ấp lực ngang

k0) Với giả thiết đường hầm nằm ngang, tiết diện đào hình tròn, trị số của thành phần ứng suất vòng được xác định theo biểu thức:

σθ = (3k0 - 1) σz với các điểm tại nóc và nền đường hầm (2.1)

σθ = (3 - k0) σz với các điểm tại hai bên hông đường hầm (2.2) Khi k0 bằng 1 tương ứng với điều kiện trường ứng suất nguyên sinh thủy tĩnh (thường gặp ở những đường hầm nằm sâu), trị số của thành phần ứng suất vòng σθ

không đổi dọc theo chu vi đường hầm và tối đa bằng 2σz ứng suất kéo phát triển tại nóc và nền khi k0 < 1/3 và phát triển tại hông khi k0 > 3 Trong bảng 2.1 giới thiêu các kết quả của trị số σθ trong các trường hợp k0 = 0,5; 1 và 1,5 qua đó cho thấy ảnh hưởng rõ rệt của k0 đến thành phần ứng suất vòng σθ Trị số lớn nhất của σθ trong trường hợp k0 bằng 0,5 và 1,5 lớn hơn tương ứng 25% và 75% so với trường hợp k0 =

1 Khi k0 > 1, trị số ứng suất vòng σθ lớn nhất xuất hiện ở nóc và nền đường hầm Trong thực tế, biểu hiện mất ổn định tại nóc đường hầm do ảnh hưởng của k0 > 1 là vấn đề khó khăn và phức tạp đối với công tác chống giữ và đảm bảo an toàn Cũng vì vậy, dự báo hay xác định chính xác giá trị của k0 là yếu tố quan trọng giúp dự

đoán các biểu hiện của khối đá yếu khi đào hầm Phương pháp đáng tin cậy nhất hiện nay để xác định k0 là thông qua thí nghiệm hiện trường

Bảng 2.1 Trị số ứng suất vòng σz phụ thuộc vào trị số k0

Tỷ lệ ứng suất

nguyên sinh, k0

Trị số ứng suất vòng tại nóc và nền

Trị số ứng suất vòng tại hông

trị số ứng suất vòng trung bình

Khi trị số OFM > 1, trong vùng khối đá xung quanh đường hầm xuất hiện hiện tượng quá ứng suất (overstreessed) Đặc tính biểu hiện của khối đá chịu trạng thái quá ứng suất còn tùy thuộc vào các đặc điểm quan hệ ứng suất - biến dạng của

đá Khi OFM > 1, đá có đặc tính dòn (hình 2.3) sẽ bị phá hủy nứt vỡ, đá có đặc tính dẻo (hình 2.3) sẽ rơi vào trạng thái biến dạng dẻo Thông thường các loại đá có thành phần hạt khoáng vật thô (cát kết) thường thể hiện đặc tính dòn, đá có thành phần hạt khoáng vật mịn (phiến, sét kết, đá phong hóa, v.v ) thường thể hiện đặc tính dẻo

Hình 2.3 Biểu hiện biến dạng dòn, dẻo

Hiện tượng phá hủy nứt vỡ gặp trong khối đá dòn biểu hiện trong thực tế dưới dạng các tấm, mảng khối đá trên biên sụt lở rơi vào không gian đường hầm Hiện tượng biến dạng dẻo của khối đá dẻo biểu hiện trong thực tế dưới hình thức khối đá biến dạng, dịch chuyển hội tụ dần theo thời gian, thu nhỏ kích thước đào đường hầm

2.1.2.2 ảnh hưởng của đặc điểm cấu trúc

Đặc điểm cấu trúc trong khối đá (mặt phân lớp, khe nứt, mặt phân phiến, đứt g'y) sẽ gây ra những tác động nhất định tới biểu hiện của khối đá chịu trạng thái quá ứng suất Hiện tượng đá phá vỡ ngoài tiết diện đào hay tróc vỡ, sụt lở của đá do quá ứng suất diễn ra trên phạm vi lớn hơn khi trong khối đá tồn tại hệ thống khe nứt dốc nghiêng có đường phương song song với trục đường hầm (trong phạm vi tới

250) Những trường hợp hệ thống khe nứt bất lợi là khe nứt phẳng nằm ngang hoặc các mặt phân lớp (gốc dốc từ 00 - 300) nằm trực tiếp trên nóc đường hầm

2.1.2.3 ảnh hưởng của nước ngầm

Nước ngầm là thành phần có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình thiết kế, thi công

đường hầm trong khối đá yếu do nó gây tác động tới các tính chất vật lý của đá và

Biểu hiện dẻo

các biểu hiện của chúng Hầu hết các đá đều bị giảm yếu khi tiếp xúc với môi trường nước ngầm và đối với khối đá yếu thì sự tác động này càng rõ rệt Sự gia tăng của áp lực nước ngầm trong khối đá dẫn tới giảm độ ổn định của khối đá, giảm thời gian ổn định không chống, gây sụt lở đá vào trong đường hầm Dòng chảy nước ngầm gây xói mòn, rửa lũa đá, chất gắn kết, v.v làm tăng độ rỗng bên trong khối

đá dẫn tới tăng nguy cơ mất ổn định khối đá Nước ngầm cũng là nguyên nhân gây

ra hiện tượng trương nở, tăng thể tích của một số loại đá gắn với các biểu hiện phá hủy đá theo thời gian

2.1.2.4 Phân loại các biểu hiện biến đổi tức thời của khối đá yếu

Theo [2], [6], mất ổn định xung quanh các CTN có thể phân thành các nhóm:

- Phá huỷ vật liệu đá hoặc khối đá do hiện tượng tập trung ứng suất lớn trên biên CTN

- Dịch chuyển và sụt lở của các khối đá do sự tồn tại của các yếu tố cấu trúc (mất ổn định cấu trúc)

Trên hình 2.4 giới thiệu sơ đồ tổng kết các biểu hiện biến đổi tức thời của khối đá yếu xung quanh đường hầm [18] Theo đó, khối đá có biểu hiện ổn định về

độ bền (theo điều kiện ứng suất) nếu trị số OFM < 1 Trong trường hợp này, ảnh hưởng của đặc điểm cấu trúc trong khối đá đến đặc tính ổn định phải được chú ý tới

Trong bảng 2.2 giới thiệu phương pháp mô tả điều kiện nứt nẻ của khối đá (Deer, 1969) Trong trường hợp khối đá cứng có OFM <1 và nứt nẻ mạnh (khoảng cách khe nứt < 1/5 lần khẩu độ đường hầm) thì có thể sử dụng các phương pháp phân loại khối đá theo các chỉ tiêu RMR hay Q để dự đoán tiếp các biểu hiện ổn định hay mất

ổn định của khối đá

Cũng cần lưu ý, mặc dù ở đây gọi là các biểu hiện biến đổi tức thời của đá yếu nhưng trong thực tế các biểu hiện này có thể diễn ra trong khoảng thời gian một vài giờ, một vài ngày Tuy nhiên những quá trình đó diễn ra và kết thúc trong khoảng thời gian ngắn sau khi đào

Bảng 2.2 Điều kiện khối đá theo mức độ nứt nẻ (Bieniawski, 1984)

Hình 2.4 Biểu hiện tức thời của đá yếu xung quanh đường hầm

2.1.3 Biểu hiện biến đổi theo thời gian của đá

Với khối đá yếu, trong nhiều trường hợp, khối đá có hiện tượng biến đổi giảm yếu, trương nở, tiếp tục biến dạng do nén ép, v.v trong khoảng thời gian dài, thậm chí hàng năm hay hàng chục năm sau khi đào đường hầm Những loại đá có những biểu hiện trên hầu hết có đặc điểm chung là chứa hàm lượng khoáng vật sét cao như

đá phiến sét, sét kết, đá bùn, v.v Nước ngầm là yếu tố quan trọng tác động tới các biểu hiện biến đổi theo thời gian của đá

2.1.3.1 Biểu hiện mềm hóa

Đá có chứa hàm lượng khoáng vật sét lớn thường dễ bị mềm hóa và tan r' do

sự thay đổi độ ẩm dẫn tới làm giảm đáng kể độ bền và làm rời rạc hóa đá Chính vì vậy, những loại đá này cần phải có biện pháp bảo vệ để tránh làm thay đổi độ bền

ứng dụng của đường hầm

và tính chất của khối đá

Biểu hiện ứng suất

Đá bền Đá có

độ nén

ép trung bình

Đá có

độ nén

ép lớn

Đá rắn chắc quá giới hạn và bị Đá bị nén ép vượt

phá hủy theo lớp

Biểu hiện tức thời của đá

Hiện tượng tan r' của đá khi gặp nước chịu sự chi phối của thành phần khoáng vật trong đá, nhất là khoáng vật sét Franklin và Chandra (1972) đ' chỉ ra những yếu tố tác động tới khả năng tan r' của đá như sau:

- Tính thấm và độ rỗng của đá;

- Khả năng nước ngầm hòa tan chất xi măng gắn kết, phát sinh áp lực nước

lỗ rỗng;

- Khả năng trương nở hoặc hóa mềm của đá

Morgenstern và Eigenbrod (1974) đ' đưa ra mối liên hệ giữa khả năng tan r' của đá với chỉ số giới hạn chảy Theo đó, khoáng vật đá có giới hạn chảy lớn hơn 50

sẽ có khả năng tan r' cao, đá có giới hạn chảy nhỏ hơn 20 có khả năng tan r' thấp

2.1.3.2 Biểu hiện nén ép

Nén ép khối đá trên biên CTN biểu hiện

qua sự dịch chuyển hội tụ lớn của biên CTN

theo thời gian trong quá trình thi công Điều

này xảy ra khi có sự kết hợp đặc biệt giữa các

thành phần ứng suất thứ sinh và tính chất của

vật liệu (đá) dẫn tới hình thành một số vùng

biến dạng dẻo trong khối đá xung quanh CTN

Biến dạng trên biên có thể kết thúc ngay trong

quá trình thi công song cũng có thể kéo dài

trong một khoảng thời gian sau đó Trên hình

2.5 miêu tả một trường hợp nén ép khối đá

xung quanh đường hầm dẫn tới phá hủy kết

cấu chống bằng khung thép

Mức độ dịch chuyển hội tụ biên CTN, tốc độ biến dạng và phạm vi vùng biến dạng dẻo xung quanh CTN tuỳ thuộc vào điều kiện địa chất, địa kỹ thuật, trạng thái ứng suất nguyên sinh, độ bền của khối đá, áp lực nước, áp lực nước lỗ rỗng và các

tính chất của khối đá Vì vậy, hiện tượng nén ép đồng nghĩa với quá trình biến dạng dẻo theo thời gian; liên quan trực tiếp tới kỹ thuật đào và chống giữ sử dụng Nếu kết cấu chống (KCC) được lắp dựng sau khi khai đào một khoảng thời gian nhất

định, khối đá sẽ có đủ thời gian để dịch chuyển vào không gian CTN song song với quá trình phân bố lại ứng suất trong khối đá trên biên Ngược lại, nếu biến dạng biên CTN bị hạn chế, hiện tượng nén ép sẽ dẫn tới tải trọng tác dụng lên KCC tăng dần theo thời gian

Mặc dù đ' có nhiều nghiên cứu được thực hiện xung quanh vấn đề nén ép xảy ra trong thi công CTN song những cơ chế dẫn tới xảy ra hiện tượng nén ép vẫn chưa

được hiểu thấu đáo Tuy nhiên, vẫn có thể đưa ra một số đặc điểm liên quan đến hiện tượng nén ép trong thi công CTN:

• Hiện tượng nén ép thường xảy ra trong khối đá có độ bền thấp và tính biến dạng lớn như: gnai, đá sét, phiến sét, v.v ;

• Hiện tượng nén ép đồng nghĩa với vùng biến dạng dẻo xuất hiện xung quanh khoảng trống CTN kéo theo sự tăng đáng kể độ dịch chuyển hội tụ biên CTN và biến dạng tại gương (đẩy) với cường độ lớn phụ thuộc theo thời gian Đây là một trong những biểu hiện quan trọng nhất liên quan đến nén ép đá trong CTN;

• Hướng nứt nẻ trong khối đá như các mặt phân lớp, phân phiến, đóng vai trò rất quan trọng ảnh hưởng đến sự xuất hiện và phát triển biến dạng lớn xung quanh CTN Nói chung, nếu phương của các hệ khe nứt chính song song với trục CTN, biến dạng sẽ tăng đáng kể;

• Sự phân bố áp lực nước lỗ rỗng và áp lực nước ngầm có ảnh hưởng tới đặc tính ứng suất-biến dạng của khối đá Sử dụng các biện pháp thoát nước cho phép làm giảm mực nước ngầm, hạn chế sự phát triển của biến dạng đất đá quanh biên và phía trước mặt gương;

• Biện pháp kỹ thuật đào và chống giữ (trình tự đào, số lượng giai đoạn đào, biện pháp ổn định khối đá sử dụng) có thể gây ảnh hưởng tới tính ổn định tổng thể của CTN Nói chung, áp dụng các giải pháp hạn chế biến dạng trên biên CTN sớm được coi là yếu tố quan trọng nhất để kiểm soát biến dạng của đất đá

Hiện tượng biến dạng, dịch chuyển lớn của đất đá trên biên CTN cũng gặp trong khối đá trương nở Nói chung, rất khó để phân biệt rõ ràng hai hiện tượng này vì chúng có thể xảy ra đồng thời và gây ra những kết quả tương tự nhau Ví dụ, trong sét quá cố kết, sự giải phóng ứng suất nhanh do quá trình đào CTN làm tăng sự sai lệch giữa các thành phần ứng suất và áp lực nước lỗ rỗng âm Trong điều kiện không thoát nước, các thành phần ứng suất này trong đất có thể không dẫn tới hiện tượng nén ép Tuy nhiên, vì áp lực nước lỗ rỗng âm, hiện tượng trương nở có thể xảy ra, biến dạng xuất hiện đột ngột trong điều kiện tải trọng không đổi Vì vậy, nếu hiện tượng trương nở được hạn chế bằng cách chống giữ vòm ngược sớm, trị số ứng suất

có thể tăng lên kéo theo hiện tượng nén ép xuất hiện

2.1.3.3 Biểu hiện trương nở

Trương nở xuất hiện trong khối đất đá xung quanh đường hầm do kết quả của hiện tượng đất đá tăng thể tích khi gặp nước Hiện tượng này chủ yếu xuất hiện trong đá có thành phần khoáng vật hạt mịn có chứa lượng đáng kể khoáng vật sét Trương nở cũng có thể xảy ra do biến đổi hóa học hoặc thủy nhiệt của một số khoáng vật như felspat, tạo ra một loại khoáng vật sét hoặc cũng có thể do hiện tượng hydrat hóa các anhydrite tạo ra thạch cao có tính trương nở khi gặp nước

2.1.4 Nhận xét

Những biểu hiện biến đổi của khối đá yếu khi đào hầm có thể dự đoán trước khi tiến hành thi công trên cơ sở những số liệu khảo sát, kết quả thí nghiệm từ đó xác định những chỉ tiêu, tính chất của đá cần thiết bao gồm loại đá, độ bền của đá, thành phần khoáng vật, đặc trưng quan hệ ứng suất-biến dạng, trường ứng suất nguyên sinh, điều kiện nứt nẻ Những biểu hiện biến đổi của khối đá yếu khi đào hầm được phân chia thành những biểu hiện biến đổi tức thời (hình 2.3) và biến đổi theo thời gian (đặc biệt chú ý với đá có thành phần hạt khoáng vật mịn)

Trong phạm vi của đề tài, tác giả tập trung vào nhóm khối đá có biểu hiện mất ổn định do độ bền với điều kiện chỉ số OFM > 1, khối đá bị phá hủy và có xu hướng dịch chuyển biến dạng lớn vào trong không gian đường hầm dưới hình thức nén ép

2.2 Chống giữ công trình ngầm đào trong khối đá yếu

Trong những điều kiện ứng suất lớn hơn độ bền của đá, xung quanh CTN sẽ hình thành vùng biến dạng không đàn hồi Quá trình nở rời của đá do phá hủy sẽ làm xuất hiện biến dạng lớn của biên công trình (biến dạng có thể đạt hàng trăm mm) Trong trường hợp đó, kết cấu chống phải có độ linh hoạt cần thiết cho phép khối đá tự do biến dạng Vai trò của KCC là kiểm soát quá trình phá huỷ trên biên CTN, thực chất là duy trì khả năng tự mang tải của khối đá sát biên CTN, tránh gây

ra tải trọng quá lớn lên KCC

Bài toán trên đây thông thường được giải quyết bằng nhiều phương pháp khác nhau liên quan đến kỹ thuật, công nghệ đào, chống giữ đường hầm:

- áp dụng các biện pháp giảm tải cho khối đá trước khi sử dụng kết cấu chống;

- sử dụng các kết cấu chống giữ linh hoạt

Để giảm tải cho khối đá trước khi sử dụng kết cấu chống giữ cho đường hầm,

đường hầm thấp nhưng làm giảm tốc độ thi công đào hầm;

- Dùng phương pháp nổ mìn om tạo vùng nứt nẻ trong khối đá sát biên đường hầm có tác dụng làm giảm ứng suất trong khối đá, đẩy lùi vùng tập trung ứng suất vào trong khối đá cách xa biên đường hầm Sau đó, vùng khối đá nứt nẻ sát biên

đường hầm này sẽ được “liền khối hóa” có thể bằng phương pháp phụt ép vữa để hình thành một lớp vỏ chống liền khối, cốt liệu là đá còn vữa xi măng đóng vai trò là chất dính kết Phương pháp này cho phép làm giảm chi phí chống giữ nhưng trong thực tế vẫn còn ít được sử dụng do chưa giải quyết được đầy đủ bài toán xác định các thông số nổ mìn om vùng khối đá sát biên đường hầm

- Để biên đường hầm tự do biến dạng sau khi đào một trị số nhất định Thực chất biến dạng của khối đá là quá trình khối đá đang tự biến đổi để hướng tới trạng thái cân bằng ổn định mới cũng đồng thời là quá trình giảm tải trong khối đá Vì vậy nếu ta để khối đá tự do biến dạng một giá trị đủ lớn trước khi lắp dựng kết cấu chống thì áp lực tác dụng lên kết cấu chống sẽ giảm đi đáng kể và qua đó nâng cao

độ ổn định của kết cấu hay đường hầm Tuy nhiên, cần khống chế trị số biến dạng của biên đường hầm không để khối đá rơi vào trạng thái phá hủy Khi đó khối đá lại

là bộ phận gây ra tải trọng tác dụng lên kết cấu chống Đây cũng là một nội dung kiến nghị của luận án này

Trong quá trình tạo thành vùng biến dạng không đàn hồi, khối đá gần biên CTN sẽ bị phá hủy từ từ Sau khi “giải phóng dần” khỏi ứng suất tự nhiên, vùng đá này sẽ làm việc (chịu tải) đồng thời với khung vỏ chống có kết cấu linh hoạt trong một hệ hữu cơ “khối đá - khung vỏ chống linh hoạt” Kết cấu chống linh hoạt là kết cấu cho phép có sự thay đổi hình dạng (kết cấu chống linh hoạt hình dạng) hoặc kích thước (kết cấu chống linh hoạt kích thước) Sự biến đổi hình dạng, kích thước của kết cấu cho phép khối đá sau khi được chống giữ vẫn có thể biến dạng, điều hòa lại trạng thái ứng suất, giảm tải trọng tác dụng lên kết cấu

Hệ thống KCC thường bao gồm một số thành phần sau: neo, lưới thép, bê tông phun, v.v… Neo có tác dụng giữ khối đá tại vị trí của nó hoặc gia cố khối đá thông qua khắc phục các đặc điểm

cấu trúc; lưới thép được dùng để giữ

các khối đá phá hủy, sụt lở; bê tông

phun có tất cả các chức năng trên

Nó giữ khối đá nhờ lực dính kết, gia

cường khối đá bằng cách hạn chế sự

dịch chuyển tương đối tại bề mặt

tiếp xúc khối đá-bê tông phun và

làm việc như một “lưới thép đặc

biệt” nhờ khả năng chịu uốn và linh

hoạt nhất định Vai trò của mỗi thành phần trong hệ thống kết cấu tổng thể là rất

Hình 2.7 Các chức năng của KCC trong điều kiện khối đá

thay đổi từ yếu đến bền vững

Chỉ số chất lượng khối đá Q (Barton)

phức tạp, khó phân biệt rõ ràng và tuỳ thuộc vào đặc tính tương tác khối đá - kết cấu chống (McCreath và Kaiser, 1992)

Mỗi thành phần KCC trong hệ thống chống giữ có xu hướng thực hiện một trong ba chức năng mô tả trên hình 2.6: (1) gia cố khối đá để gia cường và kiểm soát sụt lở, (2) ngăn cản dịch chuyển của các khối phá huỷ, tránh xảy ra hiện tượng dịch chuyển của các khối khoá và tróc lở, (3) giữ các khối khoá và liên kết chúng với các khối còn lại Mặc dù mỗi thành phần KCC có thể thực hiện đồng thời nhiều chức năng kể trên, sẽ thuận tiện hơn nếu xem xét từng chức năng của mỗi KCC:

- Tác dụng ngăn ngừa của KCC giữ khối đá phá huỷ trên bề mặt cần thiết phải có trong một số trường hợp vì lý dog an toàn như trong điều kiện ứng suất lớn để tránh

quá trình phá huỷ phát triển không ngừng trong khối đá Các quan sát định lượng đ' cho thấy việc biên CTN được bao phủ hoàn toàn bởi các KCC có chức năng ngăn ngừa đóng vai trò rất quan trọng khi cường độ ứng suất trong môi trường tăng lên (Mc Creath và Kaiser, 1992) Các thành phần KCC ngăn ngừa có thể vừa cứng vừa bền như vỏ bê tông đổ tại chỗ hoặc vỏ bê tông phun mỏng khép kín theo chu vi; hoặc có thể mềm và dẻo như lưới thép hàn, lưới thép đan, hoặc các tấm bê tông phun phẳng tạo ra bằng các khe (r'nh) phân chia lớp vỏ bê tông phun Các thành phần này cũng có thể chuyển từ đặc tính cứng sang mềm dẻo khi mức độ dịch chuyển lớn (ví

dụ bê tông phun có lưới thép)

- Chức năng giữ được dùng để gắn kết các thành phần còn lại của hệ thống KCC

với khối đá ổn định, và ngăn chặn sự phá huỷ do tự trọng của khối đất đá Trong

điều kiện nào đó, sử dụng neo cáp dính kết hoặc neo chất dẻo cắm sâu vào trong khối đá ổn định có thể có chức năng này Tuy nhiên, trong điều kiện có sự dịch chuyển tương đối lớn giữa neo và khối đá, đòi hỏi phải sử dụng neo có tính chịu biến dạng lớn nhờ vào cơ chế trượt đặc biệt (ví dụ neo ma sát) hoặc làm bằng vật liệu dẻo

cao

Các chức năng gia cố trên của KCC có vai trò khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể của khối đá Trong điều kiện đá cứng ở trạng thái ứng suất thấp (ví dụ CTN nằm nông), chức năng giữ và gia cố của KCC đóng vai trò chủ yếu Ngược lại, trong điều kiện đá mềm yếu, đòi hỏi KCC phải có đủ cả 3 chức năng trên Trong

điều kiện ứng suất trung bình đến lớn, luôn đòi hỏi KCC phải có chức năng ngăn ngừa (retaining) Trong điều kiện đá rất yếu (Q < 1, theo Barton 1974), biên hầm sẽ

có dịch chuyển lớn và các thành phần của KCC phải duy trì được chức năng của mình trong điều kiện đó Nói cách khác, KCC phải có tính dẻo (linh hoạt) cao hơn trong các công trình ngầm thi công trong vùng đá yếu

2.3 Các loại hình kết cấu chống có khả năng sử dụng

Theo cách thức sử dụng loại hình kết cấu chống để giữ ổn định CTN có thể phân chia phương pháp đào - chống thành hai nhóm: chủ động và bị động

Trong phương pháp chống giữ bị động, sử dụng KCC có khả năng mang tải lớn, mục đích là ngăn chặn biến dạng của đá nhờ khả năng mang tải của hệ thống vỏ chống/gia cường Tuy nhiên phương pháp này có thể dẫn tới KCC phải chịu tải trọng lớn từ phía khối đá Do đó, để giảm nhu cầu chống giữ có thể sử dụng giải pháp gia cường, gia cố trước gương đào nhằm ngăn chặn biến dạng lớn trên biên sau khi gương đào qua

Trong phương pháp chủ động, kết cấu chống giữ có tính linh hoạt sao cho khả năng mang tải của chúng chỉ được huy động khi đ' bị biến dạng, dịch chuyển

đáng kể Nói cách khác, phương pháp cho phép khối đá trên biên có biến dạng, dịch chuyển nhất định sau khi đào và song song với đó là quá trình phân bố (điều hoà) lại trạng thái ứng suất trong khối đá, giảm tải cho khối đá Theo [11], [27], [34], để giữ

ổn định cho CTN trong môi trường khối đá có khả năng biến dạng lớn, một giải pháp có thể sử dụng là để khối đá trên biên CTN tự do biến dạng Mức độ biến dạng cho phép của đường hầm trước khi sử dụng các kết cấu chống có thể tới 5 - 10%

đường kính đường hầm Khi sử dụng biện pháp này, một yêu cầu đặt ra là phải xác

định được mức độ biến dạng cho phép của đường hầm trước khi khối đá bị mất hết

độ bền cần thiết Khi đó, để đảm bảo CTN vẫn có hình dạng, kích thước tiết diện ngang đáp ứng yêu cầu sử dụng của công trình đòi hỏi chúng ta phải “chủ động” đào vượt tiết diện thiết kế nhằm dự trữ độ dịch chuyển hội tụ xảy ra trên biên CTN sau khi đào trước khi KCC phát huy khả năng mang tải Mức độ đào vượt được xác định trên cơ sở các dữ liệu quan trắc dịch chuyển biên hầm (phương pháp quan sát - NATM) tại những đoạn hầm đ' thi công và dựa vào kinh nghiệm của người thi công

Hiện nay, khung chống thép và bê tông phun thường được sử dụng kết hợp với nhau vì hai lý do chính sau:

- Thời gian lắp dựng khung chống thép ngắn khoảng 15-20 phút Khoảng hở giữa khung thép với bề mặt khối đá được nêm chèn ngay lập tức;