BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

DIÊM CÔNG HUY

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO
HIỆU QUẢ ĐỊNH HƯỚNG ĐƯỜNG HẦM TRONG
THI CÔNG XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH NGẦM
Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

DIÊM CÔNG HUY

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO
HIỆU QUẢ ĐỊNH HƯỚNG ĐƯỜNG HẦM TRONG
THI CÔNG XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH NGẦM
Ở VIỆT NAM

NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ
MÃ SỐ: 9520503

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS TRẦN VIẾT TUẤN

1.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu ở nước ngoài .................................. 17
1.3. Tổng quan các công trình nghiên cứu ở trong nước ................................... 20
1.4. Định hướng nghiên cứu trong luận án........................................................ 23
Chương 2: NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CÁC YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC CHO
CÔNG TÁC ĐỊNH HƯỚNG HẦM KHI THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH HẦM
ĐỐI HƯỚNG Ở VIỆT NAM .............................................................................................. 24
2.1. Sai số đào thông hầm và các hạn sai cho phép ........................................... 24
2.2. Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học về yêu cầu độ chính xác định
hướng hầm trong thi công hầm ở Việt Nam...................................................... 31
2.3. Ước tính yêu cầu độ chính xác cho phép định hướng hầm khi thi công
công trình hầm đối hướng ở Việt Nam ............................................................. 37
Chương 3: NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ
ĐỊNH HƯỚNG ĐƯỜNG HẦM TRONG THI CÔNG XÂY DỰNG
CÁC CÔNG TRÌNH NGẦM Ở VIỆT NAM.................................................... 50
3.1. Nâng cao hiệu quả thành lập lưới khống chế mặt bằng trên mặt đất trong
thi công hầm. .................................................................................................... 50


iii

3.2. Nâng cao độ chính xác chuyền tọa độ và phương vị xuống hầm qua giếng đứng. . 59
3.3. Nâng cao độ chính xác chuyền độ cao xuống hầm qua giếng đứng. ....... 67
3.4. Lựa chọn dạng lưới khống chế mặt bằng trong hầm phù hợp với đặc điểm điều
kiện thi công hầm ...................................................................................................... 80

Chương 4: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KỸ THUẬT ĐẢM BẢO ĐỘ CHÍNH
XÁC THI CÔNG HẦM BẰNG CÔNG NGHỆ TBM (TUNNEL BORING
MACHINE).............................................................................................................. 92
4.1. Quy trình đào hầm bằng công nghệ TBM .................................................. 92
4.2. Công tác trắc địa phục vụ thi công hầm bằng công nghệ TBM (Tunnel


Global Positioning System

3

KHCN

Khoa học Công nghệ

4

NATM

New Austrian Tunnelling Mothod

5

PTĐK

Phương trình điều kiện

6

SSTP

Sai số trung phương

7

TBM

Bảng 3.5. So sánh phương vị các cạnh chuyền qua tam giác liên hệ xuống ........65
Bảng 3.6. Kết quả đo khoảng cách bằng từ máy TĐĐT đến phương phụ P .........71
Bảng 3.7. So sánh kết quả chuyền độ cao theo ba phương pháp ...........................72
Bảng 3.8. Kết quả kiểm nghiệm thước thép và Disto ............................................77
Bảng 3.9. Kết quả đo khoảng cách bằng thiết bị Disto tại các tầng đến ................78
Bảng 3.10. Kết quả đo thực nghiệm tại Block N01 công trình 136 Hồ Tùng Mậu79
Bảng 3.11. So sánh kết quả chuyền độ cao theo hai phương pháp ........................79
Bảng 3.12. Bảng so sánh kết quả ước tính theo các phương án ............................87
Bảng 3.13. Bảng kết quả so sánh độ lệch tọa độ theo các phương án .......... 88
Bảng 3.14. Bảng kết quả tính toán các phương án .................................................88
Bảng 4.1. Bảng kết quả tính toán các phương án đo đường chuyền kép .............111


vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Thi công theo phương pháp đào mở .........................................................9
Hình 1.2. Ảnh thi công theo phương pháp đào mở tại ga Ba Son .................10
Hình 1.3. Thi công theo phương pháp tường trong đất...........................................11
Hình 1.4. Thi công hầm theo phương pháp hạ đoạn ...............................................12
Hình 1.5. Thi công hầm Thủ Thiêm theo phương pháp hạ đoạn............................12
Hình 1.6. Thi công hầm theo phương pháp khai mỏ ..............................................13
Hình 1.7. Thi công hầm theo phương pháp NATM tại hầm Đèo Cả .....................15
Hình 1.8. Hình ảnh chung của hệ thống TBM ........................................................17
Hình 2.1. Sai số đào thông hầm trong mặt phẳng nằm ngang ............................ 24
Hình 2.2. Sai số đào thông hầm trong không gian ..................................................24
Hình 2.3. Sơ đồ minh họa đoạn hầm thẳng ………………………………..38
Hình 3.1. Sơ đồ bố trí các mốc GPS thi công hầm Đèo Cả ....................................53
Hình 3.2. Sơ đồ lưới GPS thi công hầm Đèo Cả (Phương án 1) ............................55
Hình 3.3. Sơ đồ lưới GPS thi công hầm Đèo Cả (Phương án 2) ............................56

Hình 4.5. Chuyền tọa độ từ trạm khống chế trên mặt đất xuống trạm khống ........96
Hình 4.6. Chuyền tọa độ qua đường chuyền kép bên trong đường hầm................96
Hình 4.7. Chuyền tọa độ, độ cao lên các trạm khống chế tạm thời ........................97
Hình 4.8. Hệ thống chỉ dẫn/định hướng TBM ........................................................98
Hình 4.9. Hệ thống định hướng TBM tự động........................................................99
Hình 4.10. Buồng điều khiển TBM .......................................................................100
Hình 4.11. Độ lệch vị trí trục đường hầm..............................................................100
Hình 4.12. Kích nối khớp của TBM ......................................................................100
Hình 4.13. Đoạn đường hầm ở phía sau TBM ......................................................102
Hình 4.14. Sơ đồ lưới đường chuyền kép .............................................................102
Hình 4.15. Sơ đồ đo góc - cạnh trên một trạm của lưới đường chuyền kép ........103
Hình 4.16. Sơ đồ đo góc - cạnh trên hai trạm 2 và 2' của đường chuyền kép ......104
Hình 4.17. Sơ đồ đo góc - cạnh một đoạn trong lưới đường chuyền kép .......... 105
Hình 4.18. Lưới tứ giác nhỏ ...................................................................................107
Hình 4.19. Sơ đồ thực nghiệm lưới đường chuyền kép ........................................109
Hình 4.20. Sơ đồ lưới đường chuyền treo đơn........................................... 110
Hình 4.21. Sơ đồ lưới đường chuyền treo kép........................................... 110
Hình 4.22. Sơ đồ lưới đường chuyền kép phù hợp ...............................................111
Hình 4.23. Dọi điểm bằng máy PNL .....................................................................112


viii

Hình 4.24. Sơ đồ lưới đường chuyền trong hầm …………………………..114
Hình 4.25. Đường chuyền trong hầm có đo thêm phương vị cạnh bằng kinh vĩ
con quay …………………………………………...………………………117


1



đối với chất lượng thi công xây dựng công trình ngầm. Tuy nhiên cho đến
nay, chúng ta chưa có các Quy chuẩn về trắc địa công trình nói chung cũng
như quy chuẩn kỹ thuật về Trắc địa công trình trong thi công đường hầm nói
riêng, những Tiêu chuẩn đã có chỉ đề cập đến phương pháp trắc địa truyền
thống còn các phương pháp trắc địa hiện đại thì chưa được cập nhật, đặc biệt
là trong thi công xây dựng bằng công nghệ mới, định hướng các công trình
phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao như công tác trắc địa trong thi công công
trình tàu điện ngầm.
Vì vậy, nội dung nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả định hướng
đường hầm trong thi công xây dựng các công trình ngầm là rất cần thiết và
phù hợp với thực tiễn ở Việt Nam hiện nay.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Mục đích của luận án nhằm nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất
lượng và hiệu quả công tác định hướng đường hầm khi thi công xây dựng các
công trình hầm ở Việt Nam trong giai đoạn thi công xây dựng.
- Đối tượng nghiên cứu là các giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả
định hướng đường hầm trong thi công xây dựng các công trình hầm ở Việt
Nam
- Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm: Tính toán độ chính xác yêu
cầu định hướng đường hầm khi thi công xây dựng các công trình hầm đối
hướng; nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả định hướng đường hầm
trong thi công xây dựng các công trình hầm có độ sâu nhỏ hơn 100 m; nghiên
cứu giải pháp kỹ thuật đảm bảo độ chính xác thi công đường hầm bằng công
nghệ TBM.
3. Nội dung nghiên cứu
1- Nghiên cứu xác lập các yêu cầu độ chính xác cho công tác định
hướng hầm khi thi công các công trình hầm đối hướng ở Việt Nam.



4

Góp phần phục vụ ngành xây dựng Việt Nam nói chung và ngành xây dựng
công trình ngầm nói riêng ngày càng hiệu quả và an toàn.
6. Các luận điểm bảo vệ
Luận điểm thứ nhất: Để đảm bảo độ chính xác thi công xây dựng các
công trình đường hầm theo đúng thiết kế, cần phải nghiên cứu xác định độ
chính xác định hướng hầm theo các hạn sai cho phép trong thi công xây dựng
các công trình hầm đối hướng.
Luận điểm thứ hai: Áp dụng các giải pháp công nghệ và thiết bị đo đạc
tiên tiến vào công tác định hướng hầm cho phép nâng cao hiệu quả và đảm
bảo tiến độ thi công xây dựng các công trình hầm.
Luận điểm thứ ba: Khi thi công xây dựng đường hầm bằng công nghệ
TBM cần phải thành lập dạng lưới khống chế đặc biệt trong hầm và ứng dụng
công nghệ đo đạc hiện đại nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của quá trình
thi công hầm bằng công nghệ này.
7. Các điểm mới của luận án
1- Đã xây dựng cơ sở khoa học xác định hạn sai cho phép của các yếu
tố định hướng hầm. Từ đó có thể xác định được độ chính xác cần thiết các
yếu tố định hướng hầm trên cơ sở ứng dụng công nghệ đo đạc hiện đại trong
thi công xây dựng các công trình hầm ở Việt Nam.
2- Đã nghiên cứu, đề xuất ứng dụng một số giải pháp kỹ thuật và công
nghệ tiên tiến vào quá trình định hướng hầm (Ứng dụng máy chiếu đứng để
chuyền tọa độ, phương vị xuống hầm; sử dụng các loại máy đo dài điện tử để
chuyền độ cao xuống hầm; ứng dụng máy kinh vĩ con quay khi thành lập lưới
khống chế trong hầm…). Kết quả nghiên cứu các ứng dụng này cho phép
nâng cao độ chính xác và tính hiệu quả công tác trắc địa khi thi công các công
trình hầm đối hướng.



9. Lời cảm ơn
Trước hết, nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và
sâu sắc đến người hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Viết Tuấn, PGS. TS
Nguyễn Quang Thắng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho nhiều chỉ dẫn
khoa học có giá trị giúp nghiên cứu sinh hoàn thành các nội dung của luận án.
Nghiên cứu sinh xin cảm ơn các Thầy, Cô trong khoa Trắc địa - Bản đồ
và Quản lý đất đai - Trường Đại học Mỏ - Địa chất, các đồng nghiệp trong
ngành Trắc địa và đặc biệt là các Thầy, Cô trong bộ môn Trắc địa công trình
đã giúp đỡ và có những ý kiến đóng góp quý báu cho tác giả hoàn thiện nội
dung của luận án.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp ở Viện KHCN
Xây dựng - Bộ Xây dựng đã tận tình giúp đỡ cho tác giả được tiếp cận và tham
gia vào thực tế sản xuất để có được các số liệu thực nghiệm trong luận án.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn tất cả những sự giúp đỡ quý
báu đó.


7

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO
HIỆU QUẢ ĐỊNH HƯỚNG ĐƯỜNG HẦM TRONG THI CÔNG
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH HẦM
1.1. CÔNG NGHỆ THI CÔNG XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH HẦM Ở

VIỆT NAM
1.1.1. Khái niệm về các công trình hầm ở Việt Nam

Đường hầm là loại công trình dưới mặt đất có chiều dài ít nhất là gấp đôi
chiều rộng, kín ở hai sườn và mở an toàn ở hai đầu. Tùy theo chức năng, mục

và thi công có thể linh hoạt lựa chọn các phương pháp thi công, các giải pháp
kỹ thuật xử lý các tình huống có thể xảy ra, trên cơ sở hiểu biết rõ ràng, đầy
đủ về các yếu tố, các khâu kỹ thuật quan trọng của công nghệ thi công.
Theo vị trí của không gian thi công các kết cấu công trình hầm có thể
phân chia các phương pháp thi công vào hai nhóm là phương pháp thi công lộ
thiên và phương pháp thi công ngầm.
1.1.2.1 Xây dựng công trình đường hầm bằng phương pháp lộ thiên
Các phương pháp thi công lộ thiên đã được phát triển mạnh và khá
hoàn chỉnh về công nghệ. Phương pháp thi công lộ thiên khác nhau ở phương
thức tiến hành công việc và có thể phân ra các nhóm khác nhau tùy theo tiêu
chí phân nhóm. Theo đặc điểm công nghệ, thi công lộ thiên được chia thành
các phương pháp sau: Phương pháp đào mở và phương pháp tường trong đất.
a. Phương pháp thi công đào mở
Đối với đường hầm nông thì đào và xây bằng phương pháp đào mở. Ở
vùng chưa xây dựng hoặc có không gian mặt bằng đầy đủ thì đào hào với mái
dốc tự nhiên, không cần đặt khung chống, tường chắn (hình 1.1.a). Bề rộng
của hào ở phía dưới B2 cần phải lớn hơn bề rộng Bo của hầm. Chiều sâu của
hào bao gồm chiều sâu của hầm và độ dày của lớp lót d [4].


9

Khi không thể đào hào có mái dốc rộng, thì đào hào với vách thẳng
đứng có bổ trụ, đặt khung chống, tường chắn (hình 1.1.b). Nếu điều kiện địa
chất cho phép thì có thể đào hào với mái dốc tự nhiên đến mực nước ngầm,
còn phần dưới thì đào với vách thẳng đứng, gia cố bằng bổ trụ, khung chống,
tường chắn (hình 1.1.c); cũng có thể phần trên đào vách thẳng đứng gia công
bằng bổ trụ, khung chống, tường chắn, phần dưới thi công với mái dốc tự
nhiên (hình 1.1.d).
b)


H1
H2

3

3

B1

1

B0
H

d

B0
B2

HT

4

H

1m

d


tuyến tầu điện ngầm Bến Thành - Suối Tiên
b. Phương pháp tường trong đất
Khi thi công các công trình đường hầm nông, nhưng gần các công trình
kiến trúc cũng như trong điều kiện giao thông thành phố dày đặc có thể áp
dụng phương pháp đào hào, xây tường trong đất.
Đầu tiên, ở những chỗ sẽ xây dựng tường của công trình hầm, người ta
đào hào và gia cố theo từng đoạn, rộng 0,6 m ÷ 0,8 m, sâu đến 18m ÷ 20m,
trong đó sẽ xây dựng kết cấu tường của công trình đường hầm (hình 1.3).
Sau đó, từ mặt đất tiến hành đào đến độ cao nóc của công trình đường
hầm rồi đặt tấm trần dạng lắp ghép hoặc bê tông toàn khối đổ tại chỗ tựa lên
tường đã xây, tiến hành chống thấm cho tầng nóc và lấp đất. Dưới sự bảo vệ
của tường và trần đã xây dựng, tiến hành đào đất phần bên trong, xây các tấm


11

lõi và các vách ngăn. Phương pháp này không đòi hỏi phải dùng tường cừ,
đảm bảo ổn định cho nhà cửa và các công trình bên cạnh khu xây dựng.

b)

a)

HT

a0

aT

c)



12

cách hạ những đoạn hầm đúc sẵn vào hố đã đào, chứa đầy nước có gia cố
tường cừ.
Sơ đồ công nghệ thi công hầm theo phương pháp hạ đoạn được trình
bày như hình 1.4.
1
2

A

3

4

B

5

C

6

D

7

A


C

C

11

12

VI

D

D

D

1 :m

I

13
15

14

Hình 1.4. Thi công hầm theo phương pháp hạ đoạn

Hình 1.5. Thi công hầm Thủ Thiêm theo phương pháp hạ đoạn
1.1.2.3. Xây dựng công trình đường hầm bằng phương pháp khai mỏ

pháp khoan nổ và phương pháp cơ giới.
- Để đào đường hầm bằng phương pháp khoan nổ trước hết cần vẽ đường biên
của tiết diện hầm lên gương hầm, dùng máy khoan, khoan các lỗ vào gương
hầm tại các vị trí nhất định theo thiết kế phương án nổ mìn, tra thuốc nổ, nổ
mìn và bốc xúc đất đá bằng máy cào vơ và vận chuyển ra ngoài bằng các
phương tiện vận tải.
- Trong phương pháp cơ giới, người ta sử dụng các máy đào hầm chuyên
dụng. Hiện nay trên thị trường có dùng công nghệ TBM để đào hầm.
1.1.2.4. Xây dựng công trình đường hầm bằng công nghệ NATM (New
Austrian Tunnelling Method)
a. Khái niệm chung về phương pháp NATM
Phương pháp NATM lấy phun bê tông và neo làm biện pháp che
chống chủ yếu, thông qua giám sát đo đạc khống chế biến dạng giới hạn, tiện
cho việc phát huy phương pháp thi công dùng năng lực tự chịu tải của đất đá.
Do vậy phương pháp thi công NATM là một phương pháp đã được áp dụng
nhiều trên phạm vi toàn thế giới.
b. Quá trình lịch sử phát triển của công nghệ NATM
Cho đến giữa thế kỉ 20, để làm vỏ chống giữ ổn định tạm thời cho các
đường hầm người ta vẫn sử dụng các phương pháp chống giữ truyền thống
với các kết cấu chống giữ bằng gỗ và sau này là bằng thép trước khi sử dụng
một kết cấu chống cố định cuối cùng bổ sung. Lớp vỏ chống cuối cùng này có
thể là vỏ chống xây (bằng gạch đá ...) hoặc bằng bê tông. Áp lực của đất đá
lên công trình phát triển do sự phân huỷ và sụt lún bất lợi của khối đá bao
quanh công trình. Đá sụt lún gây ra tải trọng bên ngoài lên vỏ chống chính là
tải trọng bản thân của đá lên vòm sụt lở. Kết quả là tồn tại những loại tải trọng
không theo một qui luật nào cả với cường độ lớn tác dụng lên lớp vỏ chống
dày của công trình. Tại thời điểm đó với sự phát triển của công nghệ xây dựng
công trình ngầm thì các nhà khoa học xây dựng đã hiểu sự cần thiết phải giảm
biến dạng của khối đá nhằm sử dụng tốt khả năng mang tải của khối đá, cũng