Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tính toán ổn định kết cấu đường hầm dẫn nước công trình thủy điện Đakrông 1 theo công nghệ NATM

Mục đích của luận văn này là ứng dụng lý thuyết về phương pháp xây dựng đường hầm mới của Áo (NATM) để xây dựng đường hầm dẫn nước công trình thủy điện Đakrông 1. Đối tượng nghiên cứu: Đường hầm dẫn nước công trình thủy điện. Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng tính toán kết cấu đường hầm theo công nghệ thi công NATM.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ TRƯỜNG VŨ

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐAKRÔNG 1

THEO CÔNG NGHỆ NATM

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số : 60 58 02 02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2015

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS CHÂU TRƯỜNG LINH

Phản biện 1: PGS.TS HOÀNG PHƯƠNG HOA

Phản biện 2: TS NGUYỄN VĂN HƯỚNG

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ

chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình thủy họp tại Đại học

Đà Nẵng vào ngày 16 tháng 7 năm 2015

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trước đây, ở nước ta và các nước trên thế giới thường sử dụng phương pháp mỏ để tính toán và thi công các đường hầm Quan điểm tính toán của phương pháp là sau khi đào hầm, đất đá quanh hầm sụt lở theo thời gian và tác dụng lên vỏ hầm một tải trọng nhất định, quá trình

đó tiếp diễn cho đến khi đất đá tự hình thành một vòm cân bằng tải hay còn gọi là vòm áp lực Với quan điểm như vậy, phải xây dựng vỏ hầm

và vỏ hầm là kết cấu chống đỡ toàn bộ tải trọng đất đá từ vòm áp lực

Để ổn định đường hầm người ta thường xây dựng vỏ hầm bằng bê tông hoặc đá xây để chống lại áp lực địa tầng nên việc tính toán các đường hầm chưa kinh tế với đường hầm qua vùng có địa chất tốt

Đến những năm 1957-1965 tập thể kỹ sư mỏ người Áo và giáo

sư Tiến sỹ L.V Rabcewicz đã phát triển phương pháp mới về tính toán

và thi công hầm có tên là New Austrial Tunneling Method (NATM) NATM cho rằng khối đá xung quanh hầm có độ bền sẳn có của nó, là một bộ phận của kết cấu đường hầm thông qua các biện pháp xử lý vòm hầm Đối với đường hầm qua vùng địa chất tốt đường hầm có khả năng

tự ổn định Chính vì vậy, kết cấu đường hầm không phải sử dụng bê tông truyền thống hoặc đá xây để gia cố làm tăng chi phí cho công trình Trong những thập nên gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị và khoa học công nghệ, việc áp dụng phương pháp xây dựng hầm mới của Áo NATM khá phổ biến Ứng dụng NATM để xây dựng đường hầm thủy điện sẽ làm giảm kết cấu gia cố đường hầm do đó giảm chi phí cho công trình Do vậy đề tài “Nghiên cứu tính toán ổn định kết cấu đường hầm dẫn nước công trình thủy điện Đakrông 1 theo công nghệ NATM” là yêu cầu cấp thiết

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục đích của luận văn này là ứng dụng lý thuyết về phương pháp xây dựng đường hầm mới của Áo (NATM) để xây dựng đường hầm dẫn nước công trình thủy điện Đakrông 1

Đối tượng nghiên cứu: Đường hầm dẫn nước công trình thủy điện

Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng tính toán kết cấu đường hầm theo công nghệ thi công NATM

3 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu đường hầm theo công nghệ NATM và đề xuất áp dụng thay thế phương pháp tính toán

5 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo trong luận văn gồm có các chương như sau:

Chương 1 Tổng quan về xây dựng đường hầm

Chương 2 Các phương pháp tính toán kết cấu đường hầm Chương 3 Tính toán kết cấu đường hầm dẫn nước công trình thủy điện Đakrông 1 theo công nghệ NATM

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM

Từ những năm 1679 đến 1681 hầm đường thủy đầu tiên dài 160m được xây dựng ở Pháp Hầm đường sắt đầu tiên được xây dựng trong những năm 1826-1830 có chiều dài 1190m thuộc tuyến đường từ Liverpool đến Manchester ở Anh

Những năm 1990 người ta đã xây dựng những đường hầm dưới nước xuyên biển dài kỷ lục, như hầm qua vịnh Suga Nhật Bản dài 36,2km, hầm qua eo biển Manche nối Anh và Pháp dài gần 50km

Ở Việt Nam, hầm đường thuỷ Rú Cóc được xây dựng năm

1930 ở xã Nam Sơn, huyện Anh Sơn, tỉnh Nghệ An Trong những năm chiến tranh ở Việt Nam người ta đã đào được một số hầm ngắn để làm kho quân trang, quân dụng hoặc hầm trú ẩn cho người và hệ thống kỹ thuật Điển hình là hệ thống địa đạo Vĩnh Mốc, Củ Chi Trong những thập niên gần đây với sự phát triển của ngành giao thông, ngành điện ở Việt Nam, đã xây dựng được khá nhiều các đường hầm để phục vụ lưu thông và sản xuất điện

1.2.1 Nhà máy thuỷ điện Hòa Bình

1.2.2 Thuỷ điện Yaly

1.2.3 Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân

1.2.4 Thuỷ điện Đại Ninh

1.2.5 Các đường hầm thủy điện khác

1.3.1 Phương pháp mỏ

1.3.2 Phương pháp NATM

1.3.3 Phương pháp BTM (Tunnel Boring Machine)

1.3.4 Phương pháp khiên đào SM (Shild Machine)

1.3.5 Phương pháp kích đẩy

1.3.6 Phương pháp giếng chìm hơi ép

1.4 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG HẦM MỚI CỦA ÁO

1.4.1 Sơ lược về lịch sử và quá trình phát triển của NATM 1.4.2 Các nguyên tắc cơ bản của NATM

1 Cường độ có sẵn của đất hay đá xung quanh phạm vi hầm phải được bảo tồn và phải được chủ động huy động với mức tối đa

2 Sự huy động có thể đạt được nhờ kiểm soát lượng biến dạng của nền đất, đá

3 Các hệ thống chống đỡ ban đầu và chủ yếu bao gồm neo đá

bố trí một cách có hệ thống và vỏ hầm bêtông phun

4 Việc khép kín hệ chống đỡ phải được điều chỉnh với sự xác định thời gian thích hợp, mà thời điểm này có thể biến đổi phụ thuộc vào các điều kiện đất hay đá

5 Phải tiến hành các thí nghiệm trong phòng và thực hiện việc theo dõi biến dạng của các hệ thống chống đỡ cũng như nền đất

6 Những ai liên quan đến việc thi công, thiết kế và giám sát xây dựng hầm theo NATM đều phải hiểu rõ và công nhận cách tiếp cận của NATM

7 Chiều dài của đoạn hầm chưa được chống đỡ trong khi đào phải để lại càng ngắn càng tốt

Trải qua các thời kỳ xây dựng các đường hầm, con người đã tích lũy nhiều kinh nghiệm quý giá, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các thiết bị cơ giới và các giải pháp vật liệu, con người cũng

đã có những quan niệm đúng đắn hơn về phương pháp tính toán và các giải pháp thi công các đường hầm

Phương pháp NATM là một trong những thành tựu nổi bật của việc tính toán và thi công các đường hầm và được xem là phương pháp

có nhiều ưu điểm, linh hoạt cho các loại đường hầm và được ứng dụng

để xây dựng đường hầm hiện nay

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM

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 được bằng thực nghiệm, M.M.Protodiakonov đã dùng hệ số f để giải các bài toán cơ học đá và phân loại đá Ông chia thành 10 cấp có trị số f thay đổi từ 0,3 đến 20 Theo M.M.Protodiakonov chiều cao của vòm cân bằng tự nhiên cho đá rời phụ thuộc vào chiều rộng hầm và hệ số bền vững của đá Độ

ổn định của khối đá ở nóc hầm không phụ thuộc vào độ sâu của vị trí hầm ngang

b Phương pháp K Terzaghi

c Phương pháp V.M Moxtkov

2.1.2 Tính toán kết cấu hầm thi công theo phương pháp truyền thống

a Xác định kích thước kết cấu đường hầm

Xác định chiều dày của vòm nóc

Công thức của M M Protodiakonov

Trong đó:

h0: Chiều cao vòm nóc

Rn: Cường độ chịu nén của vật liệu

f : Hệ số kiên cố đất đá

b Tính toán nội lực theo sơ đồ vòm thấp

c Tính toán nội lực theo sơ đồ vòm cao

d Tính toán nội lực theo sơ đồ vòm kín

e Tính toán kết cấu hầm mặt cắt hình tròn biến dạng tự do

f Tính kết cấu hầm mặt cắt hình tròn trong môi trường đàn hồi

- Khi chỉ có áp lực địa tầng tác dụng, nội lực trong kết cấu hầm được xác định theo công thức:

2.1.3 Kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu

Kiểm tra ứng suất nén trong kết cấu hầm tính theo cấu kiện chịu nén lệch tâm cần thỏa mãn

Diện tích cốt thép tính toán: (2.29)

Để kết cấu không bị nứt cần thỏa mãn biểu thức

nc*M < mh*v*RkII*Wq.d (2.30)

THI CÔNG NATM

2.2.1 Đánh giá chất lượng khối đá quanh đường hầm

Năm 1973 Bieniawski đề xuất phương pháp phân loại đá mới

đó là đánh giá chất lượng khối đá theo chỉ số RMR (Rock Mass Rating) Hệ thống đánh giá này dựa trên những kinh nghiệm của Bieniawski có được khi xây dựng các đường hầm trong nền đá trầm tích tại Nam Phi

RMR được ứng dụng phổ biến trong xây dựng hầm, tính toán

ổn định mái dốc RMR được xác định theo công thức (2.32):

RMR = RβS + RRQD + Rdj + Rcj + Roj + Rw (2.32) Trong đó:

RβS : Chỉ số kể đến độ bền nén 1 trục của mẫu đá

RRQD : Chỉ số xét tới chỉ số RQD

Rdj : Chỉ số xét đến khoảng cách các khe nứt trong hệ thống khối đá

Rcj : Chỉ số xét đến đặc điểm của các khe nứt trong khối đá

Rw : Chỉ số xét ảnh hưởng của nước trong khối đá

Roj : Chỉ số xét hướng và góc phát triển của các khe nứt trong khối

đá so với trục thi công của đường hầm

2.2.2 Mối quan hệ tương tác khối đá và hệ chống đỡ đường hầm 2.2.3 Quá trình biến đổi cơ học của khối đá quanh đường hầm 2.2.4 Trạng thái ứng suất và biến dạng của khối đá quanh

đường hầm

n a a

R bx F

R

=

Khối đá quanh hầm từ trạng thái đàn hồi chuyển sang trạng thái phá hủy dẻo khi áp lực chống đỡ trong hầm Pi nhỏ hơn áp lực tới hạn được xác định theo công thức:

ax

2

(1 sin ) cos1

2 ( 1) (1 )( 1) P

) cot (

) (

) 1 (

)

1

(

) (

) 1 ( ) 1 ( )(

−

− + +

p p

k e i

e i

p

r

r g C p v k

r Cctg p

k k

k v Cctg

γ

α

Theo kết quả phân tích ứng suất khối đá theo mô hình đàn – dẻo, ứng suất hướng tâm σrp và ứng suất tiếp tuyến σrθ trong phạm vi khối đá ở vùng dẻo

G

=

Theo kết quả nghiên cứu chuyển vị trong đường hầm của viện cơ học Nga (BNIMI) mức độ ổn định cho đường hầm không chống được đánh giá qua (bảng 2.11)

Theo tiêu chuẩn kiểm soát biến dạng đường hầm của Nhật Bản

đã áp dụng tại một số đường hầm tại Việt Nam như hầm đèo Hải Vân, hầm Đèo Ngang, hầm cao tốc Nội Bài – Lào Cai, độ hội tụ đường hầm cần lắp đặt kết cấu chống đỡ như sau:

Bảng 2.12 Bảng đánh giá cấp độ biến dạng của đường hầm

Nội dung Cấp 1 (ổn định) Cấp 2 (chú ý) Cấp (báo động) Biến dạng hướng

2.2.5 Đặc điểm của đường hầm có gia cố

a K hả năng chống đỡ của bê tông phun

b Xác định khả năng chống đỡ hầm bằng neo gia cố

2.3 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PHASE 2 ĐỂ TÍNH TOÁN KẾT

CẤU ĐƯỜNG HẦM THEO CÔNG NGHỆ THI CÔNG NATM

2.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn

a Giới thiệu tổng quan phương pháp phần tử hữu hạn

b Phương pháp phần tử hữu hạn trong công trình ngầm

c Các bước tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn

2.3.2 Cơ sở lý thuyết của phần mềm Phase 2

Tính toán đường hầm theo phương pháp mỏ truyền thống, khối đá xung quanh hầm được xem là nguồn gây tải trọng, kết cấu vỏ hầm được tính toán sao cho đảm bảo khả năng chịu lực của khối đất đá tác dụng lên đường hầm Vì vậy, khi tính toán chưa tận dụng được khả năng chịu lực của khối đất đá quanh hầm Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ trong

đó áp dụng kết cấu chống đỡ bằng bê tông phun có vai trò quan trọng, đồng thời cùng sự phát triển của khoa học máy tính, phương pháp số, việc tính toán các đường hầm trở nên thuận tiện Tính toán kết cấu và xây dựng đường hầm theo công nghệ NATM ngày càng được áp dụng rộng rải nhằm khắc phục các nhược điểm của phương pháp mỏ truyền thống và giảm thiểu chi phí xây dựng công trình

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐAKRÔNG 1 THEO CÔNG NGHỆ NATM

Công trình thuỷ điện Đakrông 1 được xây dựng thuộc địa phận

xã Húc Nghì, huyện Đakrông, tỉnh Quảng Trị Công trình có công suất lắp máy 12MW, điện lượng bình quân năm 45,80 triệu KWh Các hạng mục chính của công trình bao gồm: Đập đâng đập tràn, đường hầm dẫn nước và tháp điều áp, đường ống áp lực và nhà máy thủy điện

Đường hầm dẫn nước được xây dựng từ tuyến đập đến nhà máy

có tổng chiều dài 1089m, đường kính đường trong hầm D=3,4 m Các thông số của công trình:

- Công suất lắp máy (Nlm) : 12,0 MW;

- Lưu lượng lớn nhất phát điện (Qmax) :34,52 m3/s;

+ MNHL min khi xả Q = 0,6Qmax 1 tổ máy : + 129,16m;

Theo báo cáo kết quả khảo sát địa chất khu vực xây dựng công trình, địa chất khu vực tuyến hầm gồm các lớp đất đá như sau:

Lớp sườn tàn tích (edQ) và đới phong hóa mãnh liệt (IA1): Thành phần là á sét màu xám nâu, nâu tím lẫn 10-50% dăm sạn thạch anh hoặc đá gốc, đôi chỗ lẫn đá tảng lăn của đá trầm tích

Đới phong hóa mạnh (IA2): Đá trầm tích phong hóa mạnh màu xám nâu, nâu đỏ, nâu tím Đá mềm yếu đến cứng chắc yếu, nứt nẻ mạnh, khe nứt có sét lấp nhét Đới phân bố không đều

Đới đá phong hóa (IB): Đá trầm tích phong hóa màu xám nâu, xám xanh, tím hồng, tím gụ Đá cứng chắc yếu đến trung bình, nứt nẻ rất mạnh, khe nứt hở có ôxit sắt bám Bề dày đới từ 1 đến 7m;

Đới đá nứt nẻ, giảm tải (IIA): Đá cát kết, cuội sạn kết có màu xám xanh, xen kẹp các lớp cát bột kết có màu xám nâu, tím nhạt, tím

gụ Đá phong hóa nhẹ, cứng chắc đến rất cứng chắc, nứt nẻ trung bình đến mạnh, khe nứt bị lấp đầy bởi canxit, độ bền cơ học giảm nhẹ Bề dày đới không đồng đều 7-15m Cường độ kháng nén của đới cao, trung bình 543kG/cm2

Đới đá tương đối nguyên vẹn (IIB): Đá giống đới IIA, nhưng hầu như chưa bị biến đổi, cứng chắc đến rất cứng chắc, độ bền cơ học cao, nứt nẻ yếu Cường độ kháng nén trung bình mẫu đá IIB khá cao 752kG/cm2 Đá thấm nước yếu

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ lý của khối đá khu vực xây dựng đường hầm

7 Cường độ kháng kéo khối đá

Do vậy trong luận văn này chủ yếu tính toán ổn định đường hầm qua khu vực có địa chất IIB có tính chất cơ lý ở bảng 3.1 trên

PHÁP TRUYỀN THỐNG

3.2.1 Xác định áp lực tác dụng lên đường hầm và kích thước kết cấu

d01: Chiều dày kết cấu đường hầm tínhtheo công thức Protodiakonov

d02 Chiều dày kết cấu đường hầm tính theo công thức Davưdov

Bảng 3.2 Kết quả tính toán tải trọng tác dụng lên đường hầm

Bảng 3.3 Kết quả tính toán tải trọng tác dụng lên đường hầm

Do có cột đất, đá gây tải trọng tại đỉnh vòm hầm, để hầm không bị sụt lở cần xây dựng kết cấu vỏ hầm để chống lại áp lực cột đất tại vòm hầm Theo kết quả tính toán tại bảng (3.4) chiều dày kết cấu chống đỡ đường hầm bằng bê tông cốt thép qua lớp IIB là 27cm

Để thuận lợi trong thi công chọn chiều dày gia kết cấu bê tông chống

đỡ đường hầm là 30cm

3.2.2 Tính toán nội lực trong kết cấu đường hầm

Kết quả tính toán kết cấu đường hầm theo phương pháp truyền thống:

Bảng 3.5 Các thông số mặt cắt hầm theo phương pháp truyền thống

J (m4)

q (T/m) a K (T/m

2 )

2 1,85 1,7 24000 0,00225 1,42 0,919 250000

Kiểm tra khả năng chịu lực kết cấu đường hầm

Bảng 3.10 Kểm tra diện ứng suất nén trong kết cấu hầm

b (cm)

ho (cm)

M (kGcm)

x (cm) Fa (cm2)

Do diện tích cốt thép theo tính toán tương đối nhỏ, để đảm bảo định vị cốt thép trong quá trình thi công bê tông, bố trí 5ϕ12 có Fa = 5,652cm2

Qua kết quả tính toán theo các bảng trên ta có:

- Ứng suất nén lớn nhất trong bê tông M200 σn = 96, 6T/m2< [σn]

= 900T/m2

- Bố trí cốt thép đảm bảo diện tích cho vùng chịu kéo

- Kết cấu đảm bảo điều kiện chịu nứt

Theo kết quả tính toán trên, kết cấu hầm đã chọn đảm bảo khả năng chịu lực

NATM

3.3.1 Đánh giá chất lượng khối đá

Bảng 3.13 Đánh giá chất lượng khối đá theo chỉ số RMR

3.3.2 Các hình thức gia cố đường hầm theo NATM

Theo đánh giá điều kiện địa chất và độ sâu của đường hầm, lựa Đoạn thân hầm từ Km0+150 đến Km0+868 địa chất hầm là đá IIB có điểm

số RMR =62 tương đối tốt Đá tươi nguyên khối, đá nứt vỡ có thể rơi thành mãnh nhỏ, ít biến dạng Đường hầm đảm bảo ổn định trong thời gian dài Áp dụng kiểu gia cố vỏ hầm bằng bê tông phun M300 dày 5cm có lưới thép