MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục đích nghiên cứu và mục đích của đề tài 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM TRONG VÙNG ĐỊA
CHẤT YẾU 4
1.1. Đặc điểm thi công đường hầm 4
1.1.1. Chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện địa chất và địa chất thủy văn 4
1.1.2. Phương pháp thi công 5
1.1.3. Tổ chức thi công 6
1.2. Những sự cố thường gặp thi công đường hầm qua địa chất yếu 7
1.2.1. Sự cố đường hầm trên thế giới 9
1.2.2. Các sự cố đường hầm trong nước 11
1.3. Ảnh hưởng của biện pháp xử lý đến tiến độ thi công 17
CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ĐỊA CHẤT YẾU TRONG ĐƯỜNG HẦM . 18
2.1. Các phương pháp đào đường hầm 18
2.1.1. Phương pháp khoan nổ truyền thống: 20
2.1.2. Phương pháp NATM. 21
2.2. Các biện pháp xử lý khi gặp vùng địa chất yếu. 23
2.2.1. Vì chống thép 25
2.2.2. Gia cố dạng treo 26
2.2.3. Gia cố trước 35
2.3. Phương pháp xác định thời thời gian cho các công đoạn đào hầm 41
2.3.1. Công đoạn đào 41
2.3.2. Công đoạn xúc chuyển 43
2.3.3. Chống đỡ tạm. 45
2.3.4. Công đoạn xây vỏ đường hầm 47
2.3.5. Tốc độ đào hầm. 49
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Biểu đồ tỷ lệ các dạng phá hủy xảy ra trong đường hầm trên thế giới 8
Hình 1.2. Đường hầm thoát nước Hull, Anh,1999 9
Hình 1.3. Tàu điện ngầm ở Taegu, Hàn Quốc, 2000 11
Hình 1.4. Sạt lở vách hầm tại lý trình K0+35 hầm số 1, thủy điện Buôn Kuốp 12
Hình 1.5. Sạt sụt tại lý trình K0+40 hầm số 1, thủy điện Buôn Kuốp 12
Hình 1.6. Sạt sụt tại lý trình K7+24 hầm số 1, thủy điện Buôn Kuốp 14
Hình 1.7. Sạt sụt tại lý trình K34+60 hầm số 1, thủy điện Buôn Kuốp 14
Hình 1.8. Sạt sụt tại lý trình K0+5 hầm 2, thủy điện Buôn Kuốp 15
Hình 2.1. Các phương pháp thi công ngầm 18
Hình 2.2. Sơ đồ tổng quát phương pháp thi công ngầm 19
Hình 2.3. Phương pháp khoan nổ truyền thống 21
Hình 2.4. Trình tự thi công NATM 22
Hình 2.5. Vì chống thép 25
Hình 2.6. Máy phun bê tông 29
Hình 2.7. Neo gia cố trước 36
Hình 2.8. Sơ đồ bố trí ống thép 37
Hình 2.9. Thi công một ô(vòm) bảo vệ bằng ống thép 37
Hình 2.10. Ống thép vượt trước 39
Hình 2.11. Phụt vữa gia cố trước 40
Hình 3.3. Phân loại khối đá theo Bieniawski. 62
Hình 3.4. Phân loại khối đá theo Grimmstad và Barton 64
Hình 3.5. Biểu hiện biến dạng dòn, dẻo 68
Hình 3.6. Khối đá bị nén ép xung quanh đường hầm gây phá hủy khung chống 70
Hình 3.7.Các thành phần cơ bản của phương pháp đường đặc tính 75
Hình 3.8. Đường hầm tiết diện tròn đào trong khối đá tuân theo tiêu chuẩn bền
Mohr-Coulomb chịu trạng thái ứng suất thủy tĩnh và áp lực bên trong (Carranza-
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết 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 xã 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. Tổng kết các nghiên cứu 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.
Tuy nhiên việc xây dựng các công trình thủy điện gặp những khó khăn nhất định,
bởi ở những nơi địa hình - địa chất tốt các công trình cũ đã được xây dựng, các công
trình mới đôi khi phải đặt ở những vùng có địa chất yếu, đặc biệt là với công trình
đường hầm thuỷ điện thường trải dài qua các vùng địa chất khác nhau.
Trong quá trình thi công xây dựng đường hầm thuỷ điện qua vùng có địa chất yếu
luôn gắn liền với nguy cơ xảy ra các sự cố dẫn tới thiệt hại về người, là nguyên
nhân chính làm chậm tiến độ thi công và tăng giá thành công trình. Vì vậy việc xử
lý địa chất yếu trong công trình hầm thuỷ điện là một vấn đề cấp bách hiện nay.
Xử lý địa chất yếu trong hầm thuỷ điện khác với các công trình hở truyền thống.
Khi đi qua vùng địa chất yếu cần đề ra biện pháp chống đỡ kịp thời.
Ứng với mỗi điều kiện địa chấ
t khác nhau cần đề ra những biện pháp thi công thích
hợp. Do hiện trường chật chội lại phải đồng thời tiến hành nhiều công đoạn nên việc
đẩy nhanh tiến độ là vô cùng khó khăn. Vì vậy chúng ta phải nghiên cứu ra biện
pháp thi công khoa học bảo đảm dây chuyền công tác nhịp nhàng, chặt chẽ, đồng
bộ.
“Nghiên cứu biện pháp đẩy nhanh tiến độ thi công khi đào đường hầm qua
vùng có địa chất yếu” trên cơ sở công nghệ thi công khắc phục vùng địa chất yếu
và biện pháp thi công khoa học là thiết thực và không thể thiếu trong giai đoạn hiện
nay.
Phương pháp thu thập thông tin:
Thu thập từ các đề tài, dự án liên quan đến xử lý địa chất yếu trong đường hầm.
Thu thập từ mạng internet và các nguồn khác.
Phương pháp đối chứng:
Sau khi thực hiện xong kết quả nghiên cứu, đem kết quả so sánh với thực tiễn công
trình. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM TRONG
VÙNG ĐỊA CHẤT YẾU
1.1. Đặc điểm thi công đường hầm
Đường hầm là loại công trình được xây dựng ngầm dưới mặt đất, bản thân đường
hầm chỉ là một không gian dài, nằm ngang hoặc gần nằm ngang, tiếp xúc với mặt
đất ở hai đầu hầm. Do vậy thi công đường hầm có những đặc điểm khác so với thi
công các công trình trên mặt đất.
Thuật ngữ “Đường hầm thủy điện” nói chung là những đường hầm dùng để đưa
nước từ nguồn tự nhiên hoặc nhân tạo đến nhà máy và chuyển nước từ nhà máy ra.
Công trình đường hầm thủy điện thường được đào qua núi trên một tuyến dài nằm
ngang và đi qua nhiều khu vực địa chất khác nhau. Việc hầm phải đi qua một khu
vực địa chất yếu nào đó trên tuyến là khó tránh khỏi.
Do đó đường hầm thủy điện thường có những đặc điểm sau:
1.1.1. Chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện địa chất và địa chất thủy văn
Địa chất công trình có ý nghĩa quyết định đối với việc chọn tuyến và vị trí đặt công
trình ngầm và kết cấu của nó. Ngoài ra nó còn quyết định tới phương pháp thi công,
tiến độ thi công và giá thành công trình. Chi phí và tính khả thi của dự án bị chi
phối rất lớn bởi địa chất và địa chất thủy văn.
Trong thi công hở các hố khoan thăm dò được tiến hành trực tiếp trên móng công
thực tế gặp phải trong quá trình đào với các số liệu dự báo của đơn vị địa kỹ thuật
để điều chỉnh về thiết kế kết cấu, về phương pháp thi công.
Ngoài ra còn phải xem xét tới tính chứa khí của đá núi (khả năng thoát khí hay phụt
khí cùng với đất đá), các điều kiện địa nhiệt, tính cơ lý của đá núi của đá núi có xét
tính nứt nẻ, độ ẩm, phong hóa (độ bền, tính biến dạng, các thông số chống cắt…).
Trạng thái ứng suất - biến dạng của đá núi ở vùng có công trình (có xét đến ảnh
hưởng của hoạt động động đất của vùng xây dựng và hoạt động kiến tạo mới nhất).
1.1.2. Phương pháp thi công
Kỹ thuật đào ngầm luôn khác so với kỹ thuật đào hở do điều kiện các lực mới xuất
hiện phải chống đỡ. Khối lượng đào trong thi công công trình ngầm rất lớn: đào
thân hầm, hầm giao thông, hầm thông gió, xử lý tiếp cận cửa vào, mở thêm cửa
6
hầm, các giếng thăm dò.
Đường hầm thủy điện thường là đường hầm qua núi nên phương pháp thi công chủ
yếu là phương pháp khoan nổ. Trong một vài trường hợp có thể sử dụng máy đào.
Khi thi công đường hầm trong địa chất yếu khối đá yếu luôn đòi hỏi chống đỡ kịp
thời. Vì vậy vấn đề cần lưu ý nhất là phương phương pháp chống đỡ tạm. Phương
pháp chống đỡ tạm có ý nghĩa quyết định đến việc thành công của đào đường hầm.
Ứng với mỗi phương pháp đào, chống đỡ tạm đường hầm thì luôn đòi hỏi thiết bị
chuyên dụng riêng để thực hiện như: Máy khoan có nhiều mũi, có thể thay đổi cần
khoan theo chiều cao, dài, góc; Máy phun vữa bê tông dạng khô, dạng ướt; máy đào
trong đường hầm; máy xúc trong đường hầm
1.1.3. Tổ chức thi công
Công tác tổ chức thi công trong đường hầm bị hạn chế bởi bề mặt công tác. Đường
hầm chỉ có hai mặt công tác là cửa vào và cửa ra, mọi công việc phải tiến hành
trong đường hầm nên tốc độ thi công bị hạn chế. Việc liên hệ giữa đường hầm với
các xí nghiệp mặt đất chỉ qua hai cửa hầm, rất khó cho việc tăng thêm thiết bị, tăng
thêm người, tăng thêm vật tư vì không gian hẹp.
Khi thi công đường hầm qua vùng địa chất yếu việc tăng thêm thiết bị, nhân lực, vật
Vùi lấp người,
máy móc
Sập lở đến mặt đất
Gây gián đoạn thi
công, tác động
đến mặt đất
Lún mặt đất
Trên mặt đất:
xuất hiện vết nứt.
Nhà, tuy nen: nứt
nẻ, sập đổ
Chảy từ thấu kính cát -
hiện tượng cát chảy
Nguy hiểm cho
người, máy móc;
Gây mất ổn định
tiếp theo
8
Phá huỷ nền, hoặc phá
hủy phần nền khi đào
phần vòm
Gây sụt lún, tác
động bất lợi đến
các giai đoạn thi
công sau, sập vòm
tránh gây sập lở người ta đã làm ngập toàn bộ đoạn hầm. Do khối đất tụt lở vào
trong đường hầm nên đã gây ra lún sụt trên mặt đất, gây hư hỏng đáng kể các ngôi
nhà, đường phố và hệ thống cấp nước. Kết quả đo đạc cho thấy rằng tại vị trí xảy ra
sự cố các đường hầm đã lún sụt sâu đến 1,2m về phía máy khiên đào. Vì vậy máy
khiên đào cũng bị bỏ lại.
Công tác điều tra đã cho thấy rằng, khi đẩy đầu đào đã gây biến động cao độ của
mực nước ngầm. Điều này dẫn đến hiện tượng dịch chuyển đường hầm theo phương
thẳng đứng mà đã không được tính đến trước đó. Dịch chuyển này đã làm mở rộng
khe nối giữa các tấm tubin và đã khiến cho nước, cát chảy vào trong đường hầm.
Hình 1.2. Đường hầm thoát nước Hull, Anh,1999
10
Sự cố kỹ thuật tại đường hầm Zimmerberg
Đường hầm dài 700m đào trong đất mềm chủ yếu là băng tích, sỏi cuội nguồn gốc
song, trầm tích hồ, phía dưới là lớp đá gốc (đá bùn, đá cát kết) . Lớp đất cuội sỏi
sông có lẫn cuội tảng lớn nằm giữa gương và đất cắt của máy đào. Lớp đất này có
tính thấm lớn (hệ số thấm k =10
-3
m/s)trong khi lớp trầm tích hồ lại thể hiện tính
thấm rất thấp. Trong lớp đất băng tích, mực nước ngầm ngang với cao độ đỉnh hầm
và giảm xuống nằm phía dưới đỉnh hầm khoảng 4m tại khu vực Portal Lochergut.
Dọc theo toàn bộ chiều dài, đường hầm xây dựng phía dưới các công trình bề mặt.
Đặc biệt tòa nhà SSF nằm trực tiếp ngay trên nóc đường hầm . Tầng garage ngầm
của tòa nhà trong phạm vi mặt cắt ngang đường hầm dự kiến, đòi hỏi phải dỡ bỏ
tầng ngầm dưới cùng cũng như toàn bộ hệ thống cọc đỡ móng của tòa nhà.
Tàu điện ngầm ở Taegu, Hàn Quốc, 2000
Khi xây dựng tuyến tàu điện ngầm ở Taegu đã gặp phải tai nạn nghiêm trọng vào
ngày 22 tháng 1 năm 2000. Sự cố gây phá hủy một tường hào nhồi đã dẫn đến trượt
đã tách khỏi mặt gương bên trái rơi thẳng vào thiết bị khoan.
Sự cố xảy ra làm chết một người và hư hỏng một máy khoan.
12
Hình 1.4. Sạt lở vách hầm tại lý trình K0+35 hầm số 1, thủy điện Buôn Kuốp
Sạt sụt tại lý trình K0+40 hầm số 1:
Tại lý trình K0+40 đường hầm số 1 do chiều dày lớp đá cứng 1B mỏng hơn so với
tài liệu thiết kế, đồng thời lớp đá IB bị cà nát vỡ vụn. Ngày 18/01/2005, khi tiến
hành cào mặt gương đất đá vỡ vụn đã sụt lở từ đỉnh vòm vào trong hầm. Quá trình
sụt lở phát triển hình thành lên một phễu sụt trên mặt cơ 430 cách đỉnh vòm 28m.
Do dấu hiệu đá bị bóc tách long rời, nên người và thiết bị đã di chuyển kịp thời vì
vậy không thiệt hại về người và thiết bị tuy nhiên đã mất 4 tháng để khắc phục sự
cố.
Hình 1.5. Sạt sụt tại lý trình K0+40 hầm số 1, thủy điện Buôn Kuốp
13
Sạt sụt tại lý trình K5+58 hầm số 1:
Ngày 16/06/2006 đường hầm số 1 đào đến lý trình K5+58(đây là vị trí chuyển tiếp
từ hầm ngang sang hầm nghiêng), công tác gia cố bằng vì chống đổ bê tông chèn
gia cố đến lý trình K5+54 (Gia cố cách mặt gương 4m).
Sau thời gian 3 tháng, đến ngày 16/09/2006 tại lý trình K5+58 đã xảy ra sụt nhỏ ở
nóc hầm với khối lượng 70m3 (khối lượng đào thiết kế là 212m3) và tiếp tục phát
triển.
Nguyên nhân chính được xác định do đất đá ở đây chủ yếu là bột kết xen kẹp ít cát
kết, đá nứt nẻ mạnh, tồn tại nhiều hệ thống khe nứt giao cắt tạo nêm, các khe nứt
trám canxit mà phần lớn bị phân hủy thành dạng bột sét nên lực dính kết của đá
kém(RMR37÷43, giá trị Q từ 3,7÷4,1). Ngoài ra còn do thời gian không chống kéo
Sạt sụt tại lý trình K0+5 hầm 2:
K0+5 là vị trí mở cửa hầm số 2. Để gia cường đảm bảo an toàn, đỉnh hầm đã được
neo anke vượt trước. Nhưng do mái taluy có độ dốc lớn, đồng thời tồn tại hệ khe
nứt cắt vuông góc với mặt phân lớp. Nên khi tiến hành cào chân gương tại lý trình
trên, khối đá trên đỉnh và mặt gương bị mất chân trượt theo mặt phân lớp vào trong
hầm với khối lượng 30m3.
Sạt trượt làm phá hủy toàn bộ mặt mái taluy chính diện trên đỉnh hầm có cơ rộng
3m ở cao độ 415.5m. Đồng thời làm gián đoạn thi công và mất 2 tháng Hình 1.8. Sạt sụt tại lý trình K0+5 hầm 2, thủy điện Buôn Kuốp
Sự cố sụt lở tại cửa hầm phía nam hầm đường bộ qua đèo Hải Vân
Khi đào đến lý trình 0+27 hầm chính, nhà thầu đã tiến hành khoan phun tạo ô cho
chu kỳ tiếp theo. Ngày 5/9/2001, sự cố xảy ra, một khối lượng đất tại đỉnh hầm bị sụt
lở kéo theo các ống tạo ô bị gục xuống. Nhà thầu đã tiến hành phun bê tông liên tục
vào vùng bị sụt lở nhưng hiện tượng sụt lở vẫn tiếp tục gia tăng và tạo thành hốc
rỗng trên đỉnh hầm. Đất khu vực này là đất phong hoá từ đá Granite có dạng cát sét,
16
đất tơi không đồng nhất bao gồm đất cát sét màu nâu vàng, xám trắng xen lẫn các dải
sét cát màu nâu sẫm. Nước ngầm tại khu vực này nhiều, luôn nhỏ giọt từ trên đỉnh
hầm xuống và chảy ra từ các lỗ khoan thoát nước trên gương hầm. Khi hiện tượng
sụt lở vẫn tiếp tục gia tăng thì nhà thầu đã lấp lại gương hầm bằng đá, đồng thời
dùng thiết bị nâng đưa lưới thép CQS6 vào và phun bê tông. Tuy nhiên biện pháp
này chỉ ngăn được tạm thời trong ngày 06 và ngày 07/9/2001. Đến ngày 08/9 và 9/9
do lượng mưa lớn kéo dài (ngày 8/9 là 60mm và 9/9 là 37mm) làm cho mực nước
ngầm tăng lên (quan sát qua lỗ khoan đo mực nước ngầm tại cơ số 3) và dẫn đến sạt
lở tiếp tục. Vật liệu thoát ra từ gương hầm là sét pha cát bão hoà nước
Sự cố bục nước tại đường hầm thông gió Bắc Hải Vân
2. Các sự cố trong quá trình thi công đường hầm qua địa chất yếu thường xảy ra với
tần xuất xuất hiện lớn. Việc khắc phục các sự cố đó luôn làm tiến độ thi công chậm
đi rất nhiều và làm tăng kinh phí đào đường hầm.
3. Phương pháp chống đỡ tạm có ý nghĩa quyết định đến việc thành công của đào
đường hầm qua vùng địa chất yếu. Việc xác định phương pháp và thời gian chống đỡ
phù hợp sẽ khắc phục được các sự cố có thể xảy ra.
4. Thi công đường hầm qua địa chất yếu luôn đòi hỏi phải tăng cường nhân lực, vật
tư và máy móc thiết bị do phải tăng cường các biện pháp xử lý, gia cố, khắc phục sự
cố. Điều này dẫn đến việc tổ chức thi công gặp nhiều khó khăn và tiến độ thi công bị
kéo dài.
18
CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ĐỊA CHẤT YẾU TRONG ĐƯỜNG
HẦM
2.1. Các phương pháp đào đường hầm
Để xây dựng các công trình ngầm bằng các phương pháp thi công ngầm đã có hàng
loạt các phương thức khác nhau được phát triển. Có thể chia thành hai dạng sau:
(1) Các phương pháp thông thường (hay thông dụng);
(2) Các phương pháp thi công bằng máy ( hay cơ giới hoá);
máy khoan
hầm TBM
h
ở
có
khiên
Các phương pháp
thi công
19
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 2.2
giới thiệu sơ đồ tổng quát về các phương thức thi công ngầm
Hình 2.2. Sơ đồ tổng quát phương pháp thi công ngầm
20
Thông thường đường hầm đường hầm trong công trình thủy điện thường đào trong
nền địa chất đá. Phương pháp đào hầm trong nền địa chất đá thường sử dụng
phương pháp khoan - nổ. Phương pháp khoan nổ có thể tách ra làm hai dạng:
Phương pháp mỏ truyền thống, và phương pháp NATM. Ngoài ra một số trường
hợp còn sử máy đào.
2.1.1. Phương pháp khoan nổ truyền thống:
Phương pháp thi công khoan nổ truyền thống hay còn gọi là phương pháp mỏ được
2.1.2. Phương pháp NATM.
Công nghệ NATM được giáo sư Ladislaus von Rabcewicz (người o) đề xuất từ
những năm 40 của thế kỷ 20 và được áp dụng đầu tiên vào các đường hầm thủy lợi
nhỏ tại o và những năm 50. Vào năm 1963, phương pháp NATM đã được giới
thiệu tại hội thảo về cơ học đá tổ chức tại Salzburg. Vào năm 1978, tiến sĩ L.Myller
đã tổng kết và đưa ra các khái niệm và nguyên tắc cơ bản về công nghệ NATM.
Trong công nghệ của mình, giáo sư Ladislaus von Rabcewicz đã nêu lên điều cốt lõi
trong nguyên tắc NATM là sử dụng kết cấu chống đỡ tạm có tính linh hoạt cao để
đạt được trạng thái cân bằng mới thay thế cho trạng thái cân bằng cũ đã bị phá vỡ.
Công việc này được thực hiện bằng công tác đo đạc và quan trắc hiện trường.
NATM có một quy trình quan sát địa chất chặt chẽ trong quá đào, dường như nó là
trung tâm của công nghệ này, nhằm đảm bảo kết cấu chống đỡ được dựng lắp là tin
tưởng. Nhận xét này thường bị bỏ qua.
Khác với các phương pháp chống giữ truyền thống trước đó, trong NATM không
còn tồn tại khái niệm kết cấu chống tạm hay kết cấu chống cố định. Tất cả các thành
Copyright: Tài liệu đại học ©