Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả định hướng đường hầm trong thi công xây

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

2. PGS.TS NGUYỄN QUANG THẮNG

HÀ NỘI - 2018

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số

liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong

bất cứ một công trình nào khác.

Tác giả luận án

Diêm Công Huy

ii

MỤC LỤC

Lời cam đoan ................................................................................................... i

Mục lục ............................................................................................................ ii

Danh mục các chữ viết tắt ................................................................................ iv

Danh mục bảng biểu......................................................................................... v

Danh mục hình vẽ ............................................................................................ vi

MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1

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............................................................................................................7

1.1. Công nghệ thi công xây dựng các công trình hầm ở Việt Nam ................. 7

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

Boring Machine) .............................................................................................. 95

4.3. Thành lập lưới mặt bằng thi công trong hầm ở dạng lưới đường chuyền

kép ................................................................................................................... 101

4.4. Ứng dụng máy kinh vĩ con quay để định hướng hầm trong thi công xây

dựng đường hầm. ............................................................................................. 112

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................... 119

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ............................................ 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 122

PHỤ LỤC........................................................................................................ 128

iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Chữ viết tắt Ý nghĩa

1 EDM Electronic Distance Measurement

2 GPS 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 Tunnel Boring Machine

8 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

9 TĐĐT Toàn đạc điện tử

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Sai số giới hạn đào thông hầm................................................................26

Bảng 2.2. Độ lệch giới hạn của các thông số kết cấu và mặt cắt ...................27

Bảng 2.3. Sai số giới hạn thi công hầm của các nước trên thế giới .......................31

Bảng 2.4. Quy định về sai số trung phương (mi) của các................................33

Bảng 2.5. Hạn sai cho phép của trục tim hầm trong thi công ................................36

Bảng 2.6. Hạn sai cho phép trong thi công công trình hầm bằng công nghệ TBM36

Bảng 2.7. Sai số trung phương (mi) khi thi công bằng công nghệ TBM ...............37

Bảng 3.1. Kết quả tổng hợp ước tính độ chính xác sai số ....................................58

Bảng 3.2. Kết quả tổng hợp ước tính độ chính xác phương vị...............................58

Bảng 3.3. Giá trị các đại lượng đo của tam giác liên hệ .........................................62

Bảng 3.4. So sánh tọa độ các điểm khi chuyền điểm P,G trên tầng cao 30m ......64

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 3.4. Sơ đồ lưới GPS thi công hầm Đèo Cả (Phương án 3)............................57

Hình 3.5. Định hướng qua giếng đứng ...................................................................60

Hình 3.6. Định hướng qua giếng đứng xuống hầm bằng máy chiếu đứng............61

Hình 3.7. Sơ đồ lưới đường chuyền thực nghiệm...................................................63

Hình 3.8. Giếng đứng thi công hầm tàu điện ngầm tuyến Bến Thành – Suối Tiên

tại TP Hồ Chí Minh.......................................................................................66

Hình 3.9. Sơ đồ chuyền độ cao bằng TĐĐT qua giếng đứng xuống hầm.............68

Hình 3.10. Sơ đồ chuyền độ cao bằng thiết bị đo khoảng cách Disto ...................73

Hình 3.11. Sơ đồ minh họa các giá trị S; D và e ………………….……75

Hình 3.12. Hình ảnh đo đạc thực nghiệm bằng thiết bị đo khoảng cách Disto......78

Hình 3.13. Lưới khống chế trắc địa trong hầm .......................................................81

Hình 3.14. Đường chuyền treo.................................................................................83

Hình 3.15. Đồ hình lưới so sánh ..............................................................................84

vii

Hình 3.16. Đường chuyền treo ................................................................................84

Hình 3.17. Đường chuyền treo có đo kiểm tra bổ sung các góc bên trái ...............85

Hình 3.18. Đường chuyền khép kín.........................................................................85

Hình 3.19. Đường chuyền khép kín có đo thêm một số góc - cạnh .......................85

Hình 3.20. Đường chuyền khép kín đo tất cả các góc và cạnh của lưới ................86

Hình 3.21. Sơ đồ bố trí các mũi thi công đường hầm áp lực ..................................89

Hình 4.1. Khoảng áp dụng các loại khiên theo đường kính hầm ...........................93

Hình 4.2. Sơ đồ bố trí các bộ phận cấu thành của hệ thống TBM..........................93

Hình 4.3. Đầu cắt đường kính 13.9m ......................................................................94

Hình 4.4. Thành lập các điểm khống chế mặt bằng trên mặt đất gần giếng đứng.95

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

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây cùng với tốc độ phát triển của đất nước, kết

cấu hạ tầng được nhà nước chú trọng đầu tư. Hiện nay, nước ta đã và đang thi

công xây dựng rất nhiều công trình đường hầm giao thông, thủy điện như các

công trình đường hầm đèo Hải Vân, hầm Nậm Chiến, hầm thuỷ điện A

Vương, hầm Đèo Cả... để phục vụ đời sống dân sinh. Đặc biệt tại hai thành

phố lớn là thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đang tiến hành thi

công xây dựng các tuyến tàu điện ngầm đầu tiên. Theo quy hoạch, tại thành

phố Hà Nội mạng lưới đường sắt đô thị đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm

2050 gồm 08 tuyến. Hiện nay đang thi công xây dựng tuyến số 3 (Nhổn - Ga

Hà Nội), tuyến này có đoạn đi ngầm từ Trường đại học Giao thông vận tải

đến Ga Hà Nội dài khoảng 4 km.Tại TP. Hồ Chí Minh theo quy hoạch mạng

lưới đường sắt đô thị đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050 gồm 06 tuyến,

hiện nay đang thi công xây dựng tuyến số 1 (Bến Thành - Suối Tiên) dài 19,7

km, trong đó có khoảng 2,6 Km đi ngầm. Các công trình đường hầm giao

thông này được xây dựng với mục đích cải thiện điều kiện của các tuyến

đường giao thông, giảm ách tắc trong các thành phố lớn. Trong tương lai,

nước ta sẽ thi công nhiều công trình đường hầm quy mô lớn và vận hành phức

tạp.

Đặc điểm của việc thi công xây dựng các công trình đường hầm là thi

công liên hoàn bao gồm: Đào hầm - Gia cố vỏ hầm - Hoàn thiện vỏ hầm. Quá

trình thi công và độ chính xác xây dựng công trình đường hầm phụ thuộc vào

công tác trắc địa định hướng hầm. Như vậy công tác trắc địa định hướng hầm

có ảnh hưởng rất lớn đến tiến độ thi công và độ chính xác xây dựng công trình

hầm, đặc biệt khi áp dụng công nghệ TBM. Do vậy vấn đề thành lập cơ sở

trắc địa cho việc định hướng các công trình đường hầm có ý nghĩa quan trọng

2

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.

3

2- Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả định hướng đường hầm

trong thi công xây dựng các công trình hầm ở Việt Nam.

3- Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật đảm bảo độ chính xác thi công hầm

bằng công nghệ TBM.

4. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập tài liệu và cập nhật các

thông tin trên mạng internet và các thư viện.

- Phương pháp phân tích: Phân tích có lôgíc các tư liệu, số liệu làm cơ

sở để giải quyết các vấn đề đặt ra.

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thực nghiệm cụ thể để

chứng minh lý thuyết, khẳng định tính đúng đắn, khả thi và đi đến kết luận.

- Phương pháp so sánh: Đối chiếu với các kết quả nghiên cứu khác

hoặc các nội dung liên quan để so sánh, đánh giá, đưa ra giải pháp phù hợp.

- Phương pháp ứng dụng tin học: Xây dựng các thuật toán và lập các

chương trình tính toán trên máy tính.

- Phương pháp toán học: Tập hợp các quy luật, định lý toán học để

chứng minh một số công thức phục vụ cho việc tính toán.

- Phương pháp chuyên gia: Tiếp thu ý kiến của người hướng dẫn, tham

khảo ý kiến các nhà khoa học, các đồng nghiệp về các vấn đề trong nội dung

đề tài.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học: Góp phần phát triển và hoàn thiện kỹ thuật định

hướng đường hầm trong thi công xây dựng các công trình hầm ở Việt Nam.

Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để

nâng cao hiệu quả định hướng đường hầm trong thi công xây dựng các công

trình ngầm ở Việt Nam trong giai đoạn thi công xây dựng ở thực tế sản xuất;

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.

5

3- Đã nghiên cứu phương pháp thiết kế và thành lập lưới khống chế

trong hầm ở dạng lưới đường chuyền kép, thành lập các công thức dùng để

kiểm tra các yếu tố kỹ thuật của lưới đường chuyền kép khi thành lập lưới

khống chế thi công trong hầm. Điều này cho phép triển khai ứng dụng một

cách rộng rãi dạng lưới khống chế đặc biệt này vào quá trình thi công hầm

bằng công nghệ TBM ở Việt Nam.

8. Cấu trúc và nội dung luận án

Cấu trúc luận án gồm ba phần:

Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan về luận án, tính cấp thiết, mục đích,

ý nghĩa, phương pháp, nội dung nghiên cứu của luận án, đồng thời đưa ra các

luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án.

Phần nội dung nghiên cứu chính được trình bày trong 04 chương:

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả

định hướng đường hầm trong thi công xây dựng các công trình hầm.

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.

Chương 3: Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả định hướng

đường hầm trong thi công xây dựng các công trình hầm ở Việt Nam.

Chương 4: Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật đảm bảo độ chính xác thi

công hầm bằng công nghệ TBM.

Phần kết luận: Tổng hợp lại những vấn đề nghiên cứu trong luận án,

đưa ra những nhận xét, đánh giá các giải pháp nâng cao hiệu quả định hướng

đường hầm trong thi công xây dựng các công trình ngầm ở Việt Nam cũng

như định hướng cho phát triển trong tương lai.