(Luận Văn Thạc Sĩ) Nghiên Cứu Giải Pháp Xử Lý Khi Đào Đường Hầm Qua Vùng Địa Chất Xấu.pdf

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ................................................................................ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ................... ix

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

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM VÀ CÁC SỰ CỐ HAY XẢY RA

KHI ĐÀO HẦM ......................................................................................................... 4

1.1 Tổng quan về đường hầm ở Việt Nam ............................................................ 4

1.1.1 Khái niệm và phân loại về đường hầm thủy lợi, thủy điện ........................ 4

1.1.2 Hình thức mặt cắt ngang của đường hầm ................................................. 7

1.1.3 Các yếu tố quyết định đến an toàn và chất lượng đường hầm ................... 9

1.2 Các sự cố hay xảy ra khi đào hầm ................................................................... 9

1.2.1 Một số ví dụ về sự cố khi thi công đường hầm ở Việt Nam ...................... 9

1.2.2 Các sự cố hay xảy ra khi đào hầm .......................................................... 13

1.2.3 Ảnh hưởng của sự cố khi đào hầm ......................................................... 14

1.3 Kết luận chương 1 ........................................................................................ 15

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN SẠT TRƯỢT VÀ GIẢI PHÁP

XỬ LÝ KHI ĐÀO ĐƯỜNG HẦM .......................................................................... 16

2.1 Nguyên nhân sạt trượt khi đào hầm .............................................................. 16

2.1.1 Địa chất công trình ................................................................................. 16

2.1.2 Chất lượng hồ sơ khảo sát thiết kế .......................................................... 18

2.1.3 Tay nghề và chất lượng của nhà thầu thi công ........................................ 18

2.1.4 Công tác quản lý và giám sát .................................................................. 18

2.2 Lý thuyết về các giải pháp xử lý khi đào hầm qua vùng địa chất xấu ............ 19

2.2.1 Áp lực đá lên hệ chống đỡ công trình ngầm ........................................... 19

2.2.2 Phân tích quan hệ đá – hệ chống đỡ (Lời giải của Ladanyi) .................... 24

2.2.3 Các giải pháp gia cố và chống đỡ theo phương pháp NATM .................. 35

2.2.4 Phương pháp đánh giá chất lượng đá ...................................................... 38

2.2.5 Biến dạng và ứng suất ban đầu khi đào hầm ........................................... 43

2.3 Giải pháp xử lý khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu ........................... 47

2.3.1 Các phương pháp thi công đào đường hầm. ............................................ 47

iv

2.3.2 Giải pháp xử lý khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu..................... 48

2.3.3 Giải pháp xử lý khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu - hầm bị sạt . 56

2.3.4 Giải pháp gia cố vĩnh cửu cho đoạn hầm đi qua vùng địa chất xấu ......... 56

2.4 Kết luận chương 2 ........................................................................................ 63

CHƯƠNG 3 : GIẢI PHÁP XỬ LÝ KHI ĐÀO ĐƯỜNG HẦM QUA VÙNG ĐỊA

CHẤT XẤU THỦY ĐIỆN BẢO LỘC .................................................................... 64

3.1 Giới thiệu về công trình thủy điện Bảo Lộc .................................................. 64

3.1.1 Vị trí và nhiệm vụ công trình ................................................................. 64

3.1.2 Quy mô các hạng mục công trình ........................................................... 64

3.2 Giải pháp xử lý khối sạt đường hầm thủy điện Bảo Lộc ................................ 69

3.2.1 Đặt vấn đề .............................................................................................. 69

3.2.2 Giải pháp xử lý để đào khối sạt .............................................................. 71

3.2.3 Tính toán kết cấu gia cố tạm và các giải pháp chi tiết để đào khối sạt ..... 71

3.3 Giải pháp kết cấu vỏ hầm cho đoạn địa chất xấu ........................................... 95

3.4 Kết luận chương 3 ...................................................................................... 100

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 105

PHỤ LỤC ............................................................................................................... 107

v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các hình thức mặt cắt ngang đường hầm không áp........................................ 8

Hình 1.2 Các hình thức mặt cắt ngang đường hầm có áp .............................................. 8

Hình 1.3 Sạt gương hầm tại K0+16 thủy điện Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng .................... 10

Hình 1.4 Sạt gương hầm tại K3+640 thủy điện Buôn Kuôp, tỉnh Đăk Lăk ................. 10

Hình 1.5 Sạt gương hầm tại K0+56 thủy điện Sông Giang 2, tỉnh Khánh Hòa ........... 11

Hình 1.6 Sạt gương hầm tại K1+50 thủy điện Đồng Nai 3 tỉnh Đăk Nông ................. 11

Hình 1.7 Nước ngầm tại K1+50 thủy điện Sông Bung 2 tỉnh Quảng Nam ................. 12

Hình 1.8 Nước ngầm tại hầm dẫn dòng thủy điện Sông Bung 2 tỉnh Quảng Nam ...... 12

Hình 2.1 Quan hệ giữa cường độ kháng nén của khối đá và ứng suất ban đầu ............ 17

Hình 2.2 Trạng thái đơn trục ...................................................................................... 19

Hình 2.3 Biến dạng của đỉnh vòm .............................................................................. 20

Hình 2.4 Tập trung ứng suất ...................................................................................... 20

Hình 2.5 Trượt tường hầm ......................................................................................... 20

Hình 2.6 Vùng biến dạng trên đỉnh ............................................................................ 21

Hình 2.7 Diễn biến quá trình Đào – Chống đỡ ........................................................... 23

Hình 2.8 Mối quan hệ giữa đá và hệ chống đỡ ........................................................... 23

Hình 2.9 Dạng hình học và trạng thái ứng suất của đường hầm tiết diện tròn ............. 25

Hình 2.10 Tiêu chuẩn phá hủy của khối đá nguyên dạng và đá trong vùng phá hủy ... 25

Hình 2.11 Biểu đồ ứng suất và biến dạng của đá quanh đường hầm ........................... 28

Hình 2.12 Nêm đá rơi và trượt khỏi mặt gương đào ................................................... 33

Hình 2.13 Neo gia cố ổn định vòm đá ........................................................................ 35

Hình 2.14 Đường cong chuyển vị đá .......................................................................... 36

Hình 2.15 Phản ứng của hệ thống gia cố theo chuyển vị của tường hầm .................... 38

Hình 2.16 Biểu đồ phân loại đá theo phương pháp Lauffer ........................................ 40

Hình 2.17 Quan hệ giữa biến dạng và ứng suất bản thân ban đầu của đường hầm ...... 44

Hình 2.18 Các biện pháp đào phá mặt gương ............................................................. 45

Hình 2.19 Hình thức gia cố hầm bằng phun bê tông ................................................... 50

vi

Hình 2.20 Hình thức gia cố hầm bằng phun bê tông + neo đá .................................... 52

Hình 2.21 Hình thức gia cố hầm bằng khung chống ................................................... 55

Hình 2.22 Sơ đồ tính áp lực núi đá [1] ....................................................................... 59

Hình 3.1: Cắt dọc đường hầm thủy điện Bảo Lộc ...................................................... 68

Hình 3.2: Cắt ngang đường hầm thủy điện Bảo Lộc ................................................... 68

Hình 3.3 Cắt dọc khối sạt đường hầm ........................................................................ 69

Hình 3.4 Chính diện khối sạt nhìn từ mặt gương ........................................................ 70

Hình 3.5 Khối sạt nhìn từ đỉnh mặt đất tự nhiên ......................................................... 70

Hình 3.6 Đường cong đặc tính chuyển vị của khối đất đá sạt ..................................... 73

Hình 3.7 Đường cong đặc tính của khối đá và áp lực chống đỡ .................................. 73

Hình 3.8 Cắt dọc xử lý bước 1 ................................................................................... 75

Hình 3.9 Mặt khối sạt sau khi xử lý bước 1 ................................................................ 75

Hình 3.10 Cắt dọc bố trí khoan phụt cứng hóa khối sạt bước 2 .................................. 78

Hình 3.11 Khoan phụt cứng hóa khối sạt từ trên đỉnh hầm ......................................... 78

Hình 3.12 Mô hình cắt ngang đường hầm .................................................................. 80

Hình 3.13 Ứng suất ban đầu khu vực hầm trước khi đào ............................................ 80

Hình 3.14 Chuyển vị hầm khi đào toàn tiết diện ........................................................ 81

Hình 3.15 Ứng suất hầm khi đã được gia cố khung chống thép hình .......................... 81

Hình 3.16 Các giai đoạn đào phá một mặt gương ....................................................... 83

Hình 3.17 Chuyển vị hầm khi đào giai đoạn 1 ........................................................... 83

Hình 3.18 Chuyển vị hầm đào giai đoạn 2 U=3,85cm ................................................ 84

Hình 3.19 Chuyển vị hầm khi đào giai đoạn 3 U=3,0cm ............................................ 84

Hình 3.20 Chuyển vị hầm khi đào giai đoạn 4 ........................................................... 84

Hình 3.21 Ứng suất hầm khi đào giai đoạn 1/bước 1 .................................................. 85

Hình 3.22 Mô hình thép neo vượt trước ..................................................................... 87

Hình 3.23 Chuyển vị hầm khi có neo vượt trước ........................................................ 87

Hình 3.24 Mô hình tính toán neo vượt trước .............................................................. 89

Hình 3.25 Chuyển vị dọc hầm khi không gia cố, bước đào 1m .................................. 89

Hình 3.26 Chuyển vị dọc hầm khi có gia cố neo vượt trước bước đào 1m .................. 90

Hình 3.27 Ứng suất trong thép neo vượt trước, bước đào 1m. .................................... 90

vii

Hình 3.28 Cắt dọc đào và gia cố khối sạt ................................................................... 91

Hình 3.29 Mô hình tính toán khung chống thép hình H150, Bê tông M200 dày 15cm 93

Hình 3.30 Kết quả chuyển vị của hệ gia cố tạm ......................................................... 93

Hình 3.31 Kết quả ứng suất Smax, Smin trong khung chống thép hình ...................... 94

Hình 3.32 Kết quả ứng suất Smax, Smin trong bê tông chèn M200 dày 15cm ........... 94

Hình 3.33 Mô hình tính toán vỏ hầm khi có xét đến gia cố tạm .................................. 96

Hình 3.34 Mô hình tính toán vỏ hầm khi không xét đến gia cố tạm ............................ 96

Hình 3.35 Mô hình tính toán vỏ hầm khi có xét đến gia cố tạm .................................. 97

Hình 3.36 Ứng suất theo phương x –Sxx(kN/m2

) ..................................................... 107

Hình 3.37 Ứng suất theo phương y –Syy(kN/m2

) ..................................................... 107

Hình 3.38 Ứng suất theo phương x –Sxx(kN/m2

) ..................................................... 108

Hình 3.39 Ứng suất theo phương y –Syy(kN/m2

) ..................................................... 108

Hình 3.40 Ứng suất theo phương x –Sxx(kN/m2

) ..................................................... 109

Hình 3.41 Ứng suất theo phương y –Syy(kN/m2

) ..................................................... 109

Hình 3.42 Ứng suất theo phương x –Sxx(kN/m2

) ..................................................... 110

Hình 3.43 Ứng suất theo phương y –Syy(kN/m2

) ..................................................... 110

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các đường hầm thủy lợi - thủy điện đã xây dựng ở Việt Nam trong khoảng

20 năm trở lại đây ........................................................................................................ 6

Bảng 2.1 Phân loại nhóm đá theo Bieniawski ............................................................ 41

Bảng 2.2 Các khối đá được phân loại theo phương pháp “Hệ thống Q” ..................... 43

Bảng 2.3 Hệ số lệch tải khi tính toán lớp lót đường hầm [9] ...................................... 57

Bảng 2.4 Hệ số kiến cố của các loại đất đá [9] ........................................................... 58

Bảng 2.5 Bảng tra trị số Ka [1] .................................................................................. 60

Bảng 3.1 Các thông số công trình thủy điện Bảo Lộc ................................................. 67

Bảng 3.2 Chỉ tiêu, đặc tính của khối sạt và hiện trạng thi công như sau: .................... 71

Bảng 3.3 Chỉ tiêu cơ lý của vùng ảnh hưởng như sau: ................................................ 71

Bảng 3.4 Chỉ tiêu cơ lý khối sạt trước và sau khoan phụt ........................................... 77

Bảng 3.5 Chỉ tiêu cơ lý của khối đất đá sạt trước và sau khi được gia cố.................... 91

Bảng 3.6 Trường hợp, tổ hợp và các lực tác dụng lên vỏ hầm trong tính toán ............ 97

Bảng 3.7 Kết quả tính toán nội lực và cốt thép vỏ hầm .............................................. 99

Bảng 3.8 Bảng so sánh giải pháp xử lý đào hầm thực tế trước đây ........................... 101

ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

ĐHTL Đại học Thủy lợi

LVThS Luận văn Thạc sĩ

GS.TS Giáo sư Tiến sĩ

NXB Nhà xuất bản

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TCN Tiêu chuẩn ngành

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

BTCT Bê tông cốt thép

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của Đề tài

Trong thời gian qua, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành thủy lợi - thủy điện, ở nước

ta đã tiến hành xây dựng và đưa vào khai thác nhiều loại đường hầm thủy công trên

các hệ thống thủy điện, thủy lợi, thủy nông, cấp thoát nước ... Trong thiết kế và xây

dựng các đường hầm thủy công đã cập nhật và áp dụng có kết quả nhiều kinh nghiệm

cũng như công nghệ tiên tiến của thế giới.

Đường hầm thủy công là một dạng công trình thủy đặc biệt được xây dựng bằng cách

đào trong đất, đá núi và dùng để dẫn nước, tháo nước phục vụ cho những mục đích

khác nhau. Việc thiết kế và xây dựng đường hầm thủy công đòi hỏi các kiến thức về

công trình ngầm (đào và gia cố vỏ hầm trong đất, đá) và công trình thủy, tức công

trình chịu tác dụng trực tiếp của nước từ cả phía trong và phía ngoài.

Tuy nhiên do các đường hầm nằm sâu dưới đất nên công tác khảo sát như thu thập

bình đồ địa chất khu vực, khoan dọc tuyến đường hầm, địa vật lý ... cũng không đánh

giá hết được điều kiện địa chất phức tạp của đường hầm để có giải pháp thiết kế và thi

công phù hợp.

Mặt khác, trình độ thiết kế và thi công hầm ở nước ta tuy đã có bước tiến đáng kể so

với trước kia, song việc đào hầm qua vùng địa chất xấu vẫn là vấn đề cần quan tâm

đặc biệt để tránh những sự cố đáng tiếc dẫn đến tổn thất về người và tài sản. Tồn tại

lớn nhất hiện nay là các đơn vị thiết kế và thi công thường chưa chủ động trong việc

xác định vị trí của các vùng này mà chỉ khi xảy ra sự cố mới dừng lại để đưa ra các

giải pháp khắc phục dẫn đến bị động đối phó và chịu những tổn thất không đáng có,

cũng như làm chậm tiến độ thi công.

Xem xét trình tự khảo sát, thiết kế các đường hầm phổ biến ở nước ta hiện nay có thể

thấy:

- Ở phần lớn các đường hầm thường chỉ khoan khảo sát tại các vị trí cửa vào, cửa ra

và cục bộ trên tuyến đường hầm. Các đới địa chất, đường mặt đá được lập và nối

2

với nhau dựa trên các hố khoan địa chất. Các vùng địa chất xấu hoặc đứt gẫy được

xác định dựa trên địa hình, địa mạo, do đó không thể chuẩn xác về vị trí, kích

thước, chỉ tiêu cơ lý ...

- Đối với các đường hầm có quy mô lớn, giá trị đầu tư cao thì trước khi khoan

thường tiến hành khảo sát địa vật lý, tuy vậy kết quả địa vật lý cũng không mô tả

chính xác kích thước của các vùng địa chất xấu, trong khi đó do hạn chế về mặt tài

chính số lỗ khoan cũng phải giới hạn.

- Hiểu biết về địa chất dọc tuyến hầm bị hạn chế bởi kết quả khảo sát, trong khi đó

giải pháp thiết kế để đào hầm qua vùng địa chất xấu lại phụ thuộc vào kết quả khảo

sát.

Thông thường, để tránh tụt nóc, sạt gương hoặc vách, khi đào hầm qua các vùng địa

chất xấu có thể áp dụng các biện pháp như sử dụng neo vượt trước, dùng khung chống,

khoan phụt đông cứng hóa mặt gương v.v. Trường hợp không kịp gia cố để hầm bị sạt

thì phải chặn chân khối sạt, chống đỡ để ổn định nóc và vách hầm sau đó áp dụng các

biện pháp như trên để đào tiếp. Nguyên lý chung thì như vậy, nhưng áp dụng biện

pháp nào và cụ thể như thế nào thì phải căn cứ vào tình hình địa chất cụ thể, so sánh về

mặt kinh tế và xem xét về khả năng thi công và thiết bị hiện có của nhà thầu.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Tổng kết, đánh giá công tác đào hầm, qua đó thấy được những hạn chế đối với các giải

pháp khi đào hầm qua vùng địa chất xấu

Đưa ra giải pháp khi đào hầm qua vùng địa chất xấu, giải pháp khắc phục và đào tiếp

khi xảy ra sự cố tụt nóc, sạt gương hoặc vách. Các giải pháp gia cố cho hầm.

Đề xuất, chọn giải pháp khi đào hầm qua vùng địa chất xấu của đường hầm thủy điện

Bảo Lộc.

3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

3.1 Cách tiếp cận:

- Tiếp cận toàn diện, hệ thống, thực tiễn tổng hợp: Có rất nhiều nhân tố tự nhiên, con

3

người, máy móc ảnh hưởng tới công tác thi công hầm như cường độ của đá, hệ

thống và chiều rộng khe nứt, chỉ tiêu cơ lý của đá, hệ thống và lưu lượng nước

ngầm, thế nằm của đá, hệ số kiên cố của đá, máy khoan đào, máy khoan gia cố, vật

liệu gia cố .v.v. Do vậy để đạt được mục tiêu của đề tài đòi hỏi phải xem xét tiếp

cận các vấn đề nghiên cứu một cách toàn diện, hệ thống, thực tiễn và tổng hợp.

- Cách tiếp cận từ tổng thể đến chi tiết: Xem xét nghiên cứu từ tổng thể đến các giải

pháp cụ thể áp dụng cho công trình.

- Cách tiếp cận kế thừa, chọn lọc kinh nghiệm tri thức đã có liên quan đến đề tài:

Vấn đề nghiên cứu các giải pháp thiết kế xử lý đã có nhiều nghiên cứu cả ở trong

và ngoài nước, luận văn sẽ kế thừa chọn lọc các kinh nghiệm từ các công trình

nghiên cứu đã có.

3.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập tài liệu;

- Phương pháp kế thừa và chọn lọc các nghiên cứu trước đây có liên quan đến đề tài;

- Phương pháp tính toán lý thuyết;

- Phương pháp tham vấn chuyên gia.

3.3 Dự kiến kết quả đạt được

- Đưa ra giải pháp khi đào hầm qua vùng địa chất xấu

- Đưa ra giải pháp khắc phục khi xảy ra sự cố tụt nóc, sạt gương hoặc vách và đào

tiếp

- Áp dụng cụ thể cho đường hầm thủy điện Bảo Lộc.

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM VÀ CÁC SỰ CỐ HAY

XẢY RA KHI ĐÀO HẦM

1.1 Tổng quan về đường hầm ở Việt Nam

1.1.1 Khái niệm và phân loại về đường hầm thủy lợi, thủy điện

1.1.1.1 Công trình ngầm

Định nghĩa: công trình ngầm là công trình nhân tạo, xây dựng dưới mặt đất nhằm phục

vụ cho các mục đích khác nhau của con người.

Phân loại: Công trình ngầm có các dạng: Thẳng đứng, nằm ngang, nằm xiên

1.1.1.2 Đường hầm

Định nghĩa: Đường hầm là dạng phổ biến nhất của công trình ngầm được bố trí nằm

ngang, thẳng đứng hoặc nghiêng, có chiều dài lớn hơn nhiều so với các kích thước còn

lại, được xây dựng nhằm mục đích giao thông, thủy lợi, thủy điện, cấp thoát nước, bố

trí các mạng lưới hạ tầng kĩ thuật của thành phố

Phân loại đường hầm:

a. Phân theo mục đích sử dụng:

- Công trình hầm giao thông

- Hầm thủy lợi

- Hầm thủy điện

- Hầm kĩ thuật đô thị

- Hầm mỏ

- Hầm có mục đích đặc biệt: hầm phục vụ cho mục đích quân sự, nhà máy, kho tàng,

bể chứa ngầm

b. Phân theo địa hình và khu vực xây dựng công trình:

- Hầm qua đồi, núi