Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Nghiên cứu biện pháp thoát nước trong thời gian thi công đường hầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

LỜI CẢM ƠN

Qua một thời gian nghiên cứu và thực hiện dưới sự giúp đỡ chỉ bảo nhiệt tình

của giáo viên hướng dẫn và các thầy cô giáo tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp

cứu đề hoàn thành luận văn này.

Lời cảm ơn cũng xin được gửi tới các thầy cô giáo trong khoa Công TrìnhThủy — Trường Đại Học Thủy Lợi va các thầy cô giáo đã giảng day và truyền đạtkiến thức cho tôi Tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn tới Ban Giám Hiệu khoa Đào tạo

sau đại hoc — Trường Dai Học Thủy Lợi đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

và nghiên cứu.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các cán bộ của công ty Tư vấn

thủy điện sông Đà, bạn bè, gia đình và cơ quan đã tạo điều kiện về thời gian và tinh

thần giúp tôi hoàn thành luận văn này.

Với trình độ hiéu biệt và kinh nghiệm thực tê còn hạn chê nên nội dung củaluận văn không tránh khỏi những sai sót Tôi rât mong nhận được sự chỉ bảo vàđóng góp ý kiên của các thay cô giáo va của các quí vi quan tâm.

Hà Nội, thang 8 năm 2013

BẢN CAM ĐOAN

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

Kết quả nêu trong luận văn là trung thực, không sao chép từ

bất kì công trình nghiên cứu nào khác.

Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm./.

TÁC GIÁ

Lê Ngọc Dau

LỜI CẢM ƠN

ÿ/606.100 ÔỎ 01CHUONG I: TONG QUAN VỀ CÔNG TÁC THOÁT NƯỚC TRONG

QUÁ TRINH DAO DUONG HÀẰM -.2- 252 2S 1211112112111 cree 031.1 Tổng quan về phương pháp đào hằm -2- 222+2+£+zz+£zzezrrez 031.2 Tổng quan về phương pháp thoát nước -ssz+++z+zxzzcxez 141.3 Tổng quan về các trường hợp có thé xảy ra trong quá trình thi công mà

cần tiêu thoát nưỚC -©s++2++++EE+222E1122711271117112711.2711E T112 1E xe 151.4 Mối quan hệ giữa việc tiêu thoát nước và việc cung cấp nước 151.5 Giới thiệu phần mềm tính toán -2 ©22++22EE+++22EE+z+2EE+z+rzxecee 171.6 Kết luận Chương Ì 2: 22¿+2EE+++2EE+++EEEEE22E7112227111272112227112 2 ce 24

CHƯƠNG II: XÁC ĐỊNH LƯỢNG NƯỚC CAN TIÊU THOÁT KHITHỊ CÔNG ĐƯỜNG HÀM, PHƯƠNG PHÁP CHÓNG SẠT TRƯỢT DOCÁC YEU TO TỪ NƯỚC GAY RA - 22¿2222+2++2222E2zttvEExzerrrre 25

2.1 Phương pháp xác định lượng nước cần tiêu thoát - 252.2 Phương pháp chống sat trượt do các yếu tố từ nước gây ra 29

2.3 Ứng dụng phần mềm tính toán cho việc thoát nước . - 33

2.4 Kết luận Chương II 22: 2s£2S+E£9EEE2EEX122E112211271121112711 111.1 tre 34CHUONG III: PHƯƠNG PHAP TÍNH TOÁN THIET KE VÀ BIENPHAP BO TRÍ THOÁT NƯỚC - 2-©2222+2EE+++2EEEE2EEEEe2EEEEerrrrkrrer 35

3.1 Yêu cầu bố trí hệ thống thoát nước - z++z+22+z++:+z+zzxscee 35

3.2 Lựa chọn các công cụ thoát NUGC ¿5c 2t SESEexerrrerrrrrrrrkrre 39

3.3 Phân tích kết quả tính toán 2 2¿2©+2+2EE+++2EEEE2EEEE+2EEEEetEEEkerrrrrrcee 423.4 Kết luận Chương II -2¿-©222+2E++£+2EEEE22EEEE2EEEE2721EE22211e22E12ec.EErrcer 50CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG CỤ THẺ CHO CÔNG TRÌNH THỦY

ĐIỆN DAK ĐÓOA 52 Sc S12 2E 21221211211211211211212TE 211111212111 Eeerrrer 51

4.1 Giới thiệu về công trình ¿¿2+++++222E++t2E22112E222112EEEE ecrrrrrved 51

4.3 Phân tích kết quả tính toán -2-22+2E++++2EE+++2EEE++2EEEEetZEExerrrrkecee 724.4 Kết luận chương IV - 2¿22222+2EE+E2EEEE227152227111271112711122111 E1 ce 85

TÀI LIEU THAM KHAO ©2¿Ss+Ex+EE+EEt2EE2EE2EEEEE2EE2EE2EEEEEEEeEksrrrrrrrer 88

DANH MỤC BANG BIEU

Bang 4.1 Các thông số chính cũa công trình sĩ

Bang 4.2 Kiến nghị đặc trưng thấm đất đá 58Bảng 4.3 Bảng xuất kết quả tinh toán của phần mềm T0

Bảng 4.4 Bảng quan hệ giữa L và Q 19

Bảng 4.5 Kiến nghị đặc trưng thấm đất đá 8l

Bảng 4.6, Kiến nghị đặc trưng thấm đất đá 82Bang 4.7 Kiến nghị đặc trưng thấm đất đá "Bang 4.8 Kiến nghị đặc trưng thắm đất đá 85

DANH MỤC VE

Hình 1.1 Khiên dao đường ham từng được sử dung dé thi công tuyến đường.Xinyi trong hệ thống tàu điện ngằm ở Đài Bắc Đài Loan 9Hình 1.2 TBM trong đá cứng ở Ham thủy điện Dai Ninh 10

Hình 1.3 TBM trong đá cứng kiểu Roadheader 10

Hình 1.4 Mặt cất thiết kế Him dim Thủ Thiêm "3

Hình 1.5 Lai đất các đốt hầm dim bằng tàu công suất lớn 13Hình 1.6 Mô hình hóa các lớp địa tầng đắt đá bằng phương pháp PTHH 18Hình 1.7 Kết quả phân tí thắm vào đường him bằng phương pháp PTHHI8Hình 1.8 Kết quả phân tích thấm vào hồ móng công trình 19

Hình 1.9 Phân tích chuyển vị trường chắn bằng PPPTHH, 19Hình 1.10 Mô hình lưới PTHH 3D trong phân mềm Ansys VIL 20Hình 1.11 Mô hình lưới PTHH 3D trong phân mềm Ansys VIL 20

Hình 1.12 Mô hình tính thắm đường ham trong modun SEEP/W 2I

Tình 1.13 Kết quả tính thắm đường him trong modun SEEP/W 2Tình 3.1 Sơ đồ thoát nước tự chảy 36"Hình 3.2 Mat cắt rãnh tính toán 36

Hình 3.3 So dé biện pháp thoát nước bằng bơm 38

Hình 3.4 Sơ dé tính toán hồ tập trung nước.

Hình 4.1 Mặt cắt tính toán của đường him:

Hình 4.2 Sơ đỗ khối tính toán của phần mémHình 4.3 Mô hình tính thẩm đường him

Hình 4.4 Kết quả tính toán bằng phan mẻm.Hình 4.5 Biểu dé phân bố cột nước H.

Hình 4.6 Biểu đồ phân bé áp lực nước lỗ rỗngHình 4.7 Biểu đồ phân bố vectơ dòng thắm.

Hình 4.8 Bổ trí hệ thống thoát nước.Hình 4.9 Mặt cắt rãnh thoát nước.

tảng vải lọc hội tụ nước tt

diện tích lớn thoát ra

7T47n19

MỞ BAU1 Tính cấp thiết của đề tài

“rong thời gian thi công đường ham thi lượng nước thắm qua các khe

nứt của đất đá, lượng nước thải sinh ra trong quá trình thi công, lượng nướcdo mưa sẽ là yếu tổ làm cản trở, gián đoạn và làm tăng thời gian thi công,

Để tránh và giảm thiểu các ảnh hưởng của lượng nước này gây ra, việc bố trí

biện pháp tiêu thoát nước hợp lý là rất ean thiết và đáng được chú trọng.

Khi áp dụng vào thực tế sẽ giúp giảm thiểu một số nguy cơ rủi ro khi thi

công đường him, đảm bảo đúng tiền độ, tạo sự an toàn và an tâm trong khi.

thi công xây dựng.

Vi vậy, đề tài này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao trong bồi cảnhxây dựng các công trình ngim của Việt nam hiện nay nhất là khi đang triển

Khai c¡dự án thủy điện trên cả nước.

II, Mục đích của đề tài

Nghiên cứu biện pháp tiêu thoát nước khi thi công đường ham, từ đó đề ra

biện pháp đối với các trường hợp cụ thể trong quá trình thi công đường hằm.

TIL Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu là toàn bộ các đường him nhưng chi disâu về đường him thủy điện, trường hợp cụ thé là áp dụng cho đường him thủy.

điện Dak Đoa.

1V, Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Thu thập thông tin và tổng hợp các tài liệu nghiên cứu đã có ở trong,

và ngoài nước có liên quan đến dé tài này

~ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, lựa chọn phương pháp tinh toán, bài toántính toán.

- Phương pháp thống kê, phân tích, tổng hợp va hệ thông các yếu tổ anh

hưởng từ đó xây dựng bài toán tính toán và đưa ra các biện pháp`Y, Nội dung của luận văn

CHUONG 1: TONG QUAN VE CÔNG TÁC THOÁT NƯỚC TRONG

QUA TRÌNH ĐÀO DUONG HAM

1.1 Tổng quan phương pháp đào him

Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nhiều công trìnhngằm cũng đã được xây dựng để phục vụ tối đa các mục đích của con người.

Từ trước tới nay, nhiều đường him đã được thi công tại Việt Nam, tiêu

biểu như đường him đèo Hải Vân, đường him qua nút giao thông nga tư Kim

Liên, him Thủ Thiêm qua sông Sai Gòn, đường him thủy điện của các nhà

máy thủy điện và các đường him phục vụ các mục đích khác Các đường himđã và dang thi công tại Việt Nam cũng sử dụng nhiều phương pháp, cụ thé

phân thành hai nhóm như sau:

+ Các phương pháp thi công thông thường: Cho phép tách phá đất đá tạo

nên một khoảng trồng ngằm có tiết diện với kích thước và hình dạng bắt kỳ có

ng: phương pháp khoan nỗ min, phương pháp đào xúc,y dio lò RH.

phương pháp thi

máy x6i, phương pháp dùng n

+ Các phương pháp thi công bằng máy: Cho phép tạo nên các khoảng

trống ngầm với tiết điện có dạng xác định (chủ yếu là hình tròn), ít biến động.

trong quá trình thi công có các phương pháp thi công: Phương pháp sử dung

máy khoan him TBM (loại hở và có khiên), phương pháp dùng máy đảo lò

RH, dùng máy xúc, máy xói, dùng máy khiên đào SM (có đào toàn gương vàđào từng phần gương), phương pháp kích ép ông (đào him nhỏ){3]

Dựa theo chu kỳ đào, có 2 nhóm phương pháp:

+ Đảo theo chu ky: Phương pháp khoan, nỗ min, phương pháp máy đảo xúc

+ Dao liên tục: Phương pháp sử dụng máy đào từng phan, sử dụng máy

đảo toàn gương (máy khoan him TBM và máy khiên đảo SM).[3]

Đường him đó là kết cấu công trình ngim, phục vụ nhiều mục đích khác

nhau, được xây dựng bằng những phương pháp thỉ công công trình ngầm đặcbiệt, nhìn chung không làm xáo trộn mặt đắt, Dựa trên vị ti xây dựng him, có

thé chia lâm 3 loại chính:

-Đường him qua đất mềm: Thường loại đường ham này đặt nông, dùng.vào mục đích đường xe điện ngầm, hệ thống cấp nước và đường tiêu nước.Con người đã chế tạo khiên để phục vụ cho đào him để đảm bảo khi đảo dit

(bằng dụng cụ thủ công, búa máy h

như nóc hằm được khiên hỗ trợ không cho đất trản vào khối đào Trong

trường hợp qua đô thị còn dùng phương pháp đào hở rồi lấp lại-Đường

xuyên qua núi, hầm thủy điện dùng thunỗ để phá đá trong lòng

núi (phương pháp nỗ min) hoặc dựa vào máy dio him (TBM).

-Đường him dưới nước: Vo đường him chế tao sẵn ở trên bờ từng đoạn

rồi đưa đến vị trí him, được đánh chim vào hảo đã đào sẵn ở đáy sông hoặc ở

vịnh, sau đó ghép lại, bịt kin và bơm nước ra

"Như vậy đường ham có thẻ xây dựng bằng nhiều cách:[3]

-Phương pháp khoan nỗ (Drill and Blast)

-Phương pháp đảo bằng khiên (Shield-có tắm bảo vệ, hoặc khí nén)-Phương pháp đảo bằng máy đào (Tunnell boring Machine TBM)

-Phương pháp đúc sin mặt cắt him rồi dùng kích ép vào đất (Jacking Pit)

Việc lựa chọn phương pháp thi công đường him chủ yếu dựa vào điềukiện địa chất và địa chất thủy văn, kết hợp với kích thước mặt cắt đường hằm,

chiều dai, kiểu vỏ, công năng sử dụng và trình độ kỹ thuật thi công củng vớimột số nhân tổ khác nghiên cứu cân nhắc tổng hợp lại để quyết định Trong.

phạm vi của luận văn tác giả xin được giới thiệu khái quát một số phương pháp thi

công him như sau:

Phuong pháp đào him bằng khoan-né

Phương pháp nảy đã được sử dụng từ thời cổ xưa, hiện nay vẫn dùng

rộng rãi để dio đá cứng với mat cắt him có hình dạng bắt ky và kích thước tonhỏ khác nhau Trưởng hợp có máy đảo him TBM thi trong một số trườnghợp máy không thể hoạt động được hoặc chỉ phí đất nên vẫn dùng phươngpháp nỗ mìn để đảo, thí dụ đào hằm có mặt cắt không tròn hoặc cũng mặt cắthim tròn nhưng có chiều dài him quá ngắn, hoặc khi gặp phải cấu trúc địa

„ có đứt găy hoặc do những điều kiện cụ thể khác như matm nhiều lớp địa chất khác nhau, đá vỏ ná „ hoặc đá quá cứng thì phương

pháp né min wu việt hơn hẳn so với máy đào TBM.

So với các phương pháp khác thì phương pháp nảy có ưu điểm là áp

dụng cho bắt ky độ cứng của đá, cho kích thước và hình dang bắt kỹ, áp dụngmọi kết cấu chống đỡ khung chống, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là gây.

nứt đất đá xung quanh.

Các công đoạn thi công him theo phương pháp nỗ min bao gầm các

công đoạn sau

~ Công tác khoan: Dùng phương pháp nô min 16 nông, tức là chiều sâu khoannhỏ hơn Sm, Xác định chiều sâu lỗ min L chính là bước tiền của him sau một

chủ kỳ nỗ

+ Đảm bảo các thông số về đường kính, chiều sâu, góc nghiêng theothiết kế,

+ Đảm bảo đủ số lượng lỗ khoan tương ứng với loại thuốc dự định sẽ sửdụng cũng như phương tiện nỗ.

- Công tác nỗ n

+ Xác định chiều sâu lỗ min.

+ Bồ trí lỗ min (lỗ min tạo rãnh, lỗ min phá, lỗ min hoặc lỗ min sửa).

+ Nạp thuốc hop lý: Đồi với việc dio đường ham thường dùng loại thué

ammonit No-1, nén từng thỏi 36mm, dài 13,Sem, trọng lượng 200gr; loại

ammorNo-6 dang bột, gồm 62% loại dinamit khó bị đóng bang [3]

~ Công tác thi công võ ham.

Thi công him theo phương pháp nổ min tùy thuộc cách bố trí lỗ min và.

trình tự nỗ min mà có các ứng dụng thi công khác nhau, cụ thể

- Theo cách bổ trí lỗ min:

+ Bé trí lỗ min tạo rãnh: bế trí giữa gương him nhằm tạo mặt thoáng dé

hiệu quả nỗ cao Có nhiều cách bổ trí ty thuộc hướng lạo mặt thoáng.

+ Bố trí lỗ min phá: bổ trí trên toàn bộ gương him nhằm phá đá Do khối

lượng thuốc nỗ hạn chế đẻ đảm bảo xung quanh không bị nứt, nên các hàng.min phá được bố trí kip nỗ vi sai.

+ Bố trí lỗ min sửa hoặc lỗ min viễn, bố trí ở chu vi gương him dé đảm.

bảo hình đáng đường viễn gương ham phủ hợp thiết kế.

Phuong pháp đào hằm mới của Áo (NATM)

Phuong pháp thi công đường him mới của Áo (New Austrian TunnelingMethod- NATM) do nhà bác học người Áo là Ladislaus von Rabcewicz đềxuất ra tiên vào những năm 40 của thế kỷ trước Phương pháp này lấy

phun bê tông và neo làm biện pháp che chống chủ yếu, thông qua giám sát đođạc khống chế biến dạng giới chất tiện cho việc phát huy phương pháp thicông diing năng lực tự chịu tái của đất đá |5]

Cơ sở đào: chia mặt cắt him thành các đoạn cân đổi dang cong, đảo ham

dẫn đình trước rồi mỡ rộng sang hai bên và xuống dưới Quá trình thực hiệncác công đoạn theo yêu cầu: tiến hành dao theo các phân đoạn đồng thời dobiến dang dat đá dé thiết kế chống đỡ, đo độ đồng quy mặt cắt him Chống đỡ

ngàng, bê tông phun, lưới thép, neo, khung sườn thép.

Phương pháp NATM được áp dụng nhiều trong thi công him ở Việt

Nam, đặc biệt trong những vùng xen lẫn địa lu Ngày nay, thiết bị, kết

cầu chống đỡ và các biện pháp phụ trợ đã có nhiễu cải tiến và phat triển, cácnguyên tắc của phương pháp NATM đã được triển khai và áp dụng cả đối với.địa tang biến dang nhiều, đất yếu và các đoạn có hình dang hình học phức tạp.

Phương pháp đào bằng Khiên

Thi công bằng khiên (Shield Method) là phương pháp thi công cơ giới

dùng khiên đảo đường him Vỏ khiên (Shield) là ống thép dang ling có thétrượt lên nhau Đoạn đầu ống có thiết bị che chống và đào đất, đoạn giữa củaống được lắp các kích đây cho máy tiến lên, đuôi của ống có thé lắp các ốngbê tông vỏ him đúc sẵn hoặc các vành thép để đổ bê tông vỏ him Mỗi lần

cự ly một vòng, thi sẽ lắp đặt một vòng vỏ him dưới sự chechống của khiên, đồng thời người ta sẽ ép vữa xi măng cát vào khe hở ding

sau lưng các vòng bê tông dé đề phòng ham và mặt cắt lún xuống Phản lực.

ay khiên tiến lên do vòng bê tông võ ham chịu đựng

bằng khi

bằng búa khoan hơi, đá đảo được băng chuyển đưa ra xe vận chuyển đi, phụt

- Công đoạn thi công : Dùng khiên bảo vệ, đá được đào

vữa gia cố, tiếp cho lắp ghép các khối bê tông đúc sẵn.

Hình 1.1 Khiên đào đường hầm từng được sử dụng để thi công tuyến đường.Xinyi trong hệ thống tàu điện ngằm ở Dai Bắc Dai Loan [11]

- Điều kiện áp dung:

+ Đảo với đá cứng, liền tục.

+ Mặt cất hằm dang hình trồn.+ Thi công cần tiến độ nhanh.

Hình 1.2 TBM trong đá cứng ở Ham thủy điện Đại Ninh [10]

Hinh 1.3 TBM trong đá cứng kiểu Roadheader [10]

Phuong pháp đào-lắp [3]

Những đường him đặt nông, như đường him thoát nước lớn, đường ham

cho xe cơ giới và những đường hầm chuyển qua chỗ có mật độ giao thông

đông, thường được thiết kế theo phương pháp dio hở rồi lắp lại Việc thi công,

đường ham đặc trưng theo phương pháp đào-lấp là công trình được xây dựng

trong hao đã dao sẵn, được chống đỡ “dao” và cuối cùng sẽ được lấp lại “lip”.

C6 2 phương pháp thi công là thi công từ đưới lên (bottom-up) và thi

công từ trên xuống (top-down) Đối với chiều sâu đặt him từ 30 đến 40 feet(khoảng từ 10 đến 12m) thì phương pháp này kinh tế hơn và thực tế hơn so.

với kiểu dio him lồ hoặc đùng máy đào Trong các khu đô thi, do không giancho phép là hạn chế, him được xây dựng trong một khối dio mà vách đất

được chống đỡ bởi hệ thông tường có kết cầu chồng đỡ.

+ Phương pháp Bottom-up

Bao gầm cúc bước sau:

= Lap tường kết cấu để chống đỡ tạm cho khối đào xuống đến đáy hố

Hạ thấp mực nước ngằm trong khối đào.~ Đào và lắp những bộ phận chồng đỡ tạm thời

~_ Thi công sin day hồ móng.

Tiép tục thi công tường, mái, ming ngăn nước phía trên đáy

= Lắp lại và khôi phục mặt đất

*- Phương pháp Top-down:

Bao gồm các bước sau:

~_ Tiêu thoát hạ thấp mực nước nị

= Dao móng đến dim đáy thứ nhất, quá trình đảo có chống đỡ bing

tường bên,

Khôi phục tạm thời mặt đất để phục vụ cho giao thông.tục đảo xuống dim đáy hé móng.

~_ Xử lý nền, tiêu nước.Hoan thiện mặt đất

Một số him được thi công theo phương pháp đào-lấp: kết cấu đường.

him xe điện ngằm, những nhà ga trên tuyển xe điện ngằm, kết cấu đường xecơ giới ngằm, kết cầu đường him tiêu nước.

Phương pháp đánh chìm [3]

Đường hầm dạng ống đánh chim là loại hầm được xây dựng dưới đường.nước chảy Dưới đáy sông hoặc đáy biển dao sẵn một hào, những đốt hamdạng bê tông cốt thép hoặc dạng ống thép được chế tạo sẵn trong y tiu của.

nhà máy chế tạo tàu, hoặc trong một bãi đúc rồi cho nước vào và dùng tau kéo

đến tuyển him, tiến hành đánh chim vào hào Sau đó bơm nước ra khỏi các

đốt him và lắp các đệm cao su ở đốt hầm nối tiếp với nhau dim bảo kín nước.Gồm 9 bước:

+ Đảo một hào ở đáy của đường dẫn nước;

+ Những bộ phận kết cấu của him được chế tạo trên khô;

+ Những đầu của đốt hằm tạm thời bịt kín bằng những lắp;

+ Những đốt him thường được kéo nổi đến tuyển đường him, hoặc phao

đỡ hoặc xà lan có trợ giúp của cần trục;

+ Từng đốt ham được hạ dan xuống vị trí cuối cùng ở đáy của hào;+ Lần lượt các đốt ham thả xuống nổi lại với nhau rồi bơm nước ra;

+ Áp lực nước sẽ ép tắm đệm cao su giữa 2 đầu đốt hằm, mối nối được.

neo tàu Để để phòng rủi ro trên người ta phải thi công lớp gia tải trên nóc

him có chiều dày tối thiểu âm.

- Ý tưởng đầu tiên về công nghệ him dim được đưa ra bởi Charles Wyatt và

John Hawkins (Anh) vào năm 1810, đến năm 1893 ham dim đầu tiên trên thé

nhỏ hơn 3m,

được xây dựng tại Boston là ham thoát nước dai 100m với đường kính

ute cunt dâm one tê

+ +van Tove CHEUOA mmbà ‘tan ie

1.2 Tổng quan về phương pháp thoát nước

- Trong phạm vi luận văn này tác giả chỉ nghiên cứu phương pháp thoát nước

ứng với phương pháp đảo ham bằng nỗ min,

- Trong, quá tình tì công các đường him, việc hoát nước à công tác quanđượctrong, tạo điều kiện cho công tác thi công công trình trong đường hi

thuận lợi

~ Tay theo lưu lượng của nước vào him người ta chia ra: nước nhỏ giọt từ.vòm và vách him, chảy thành dòng dọc theo him (<0.5 mỶ/h); Nguồn nước.cục bộ và vùng ngậm nước (>5 mỶ/h) Ngoài ra trong quá tình thi công, nướcsử dụng trong quá trình thi công cũng khá lớn (nước chống bụi, nước rửa.đá ) lưu lượng của chúng có thé tới 4.5-5 m’/h Vì thé lượng nước tổng cộng.cần thoát trong một số trường hợp có thể đạt tới 20 m’/h hoặc hơn, điều đó.

thường gây khó khăn cho công tác thi công [4]

~ Khi tổng lưu lượng nước theo tuyến công trình < 30-40 mÌ/h và him có độ.

dểvề phía cửa thì người ta làm rãnh tự chảy Kích thước chiều rộng thườngtừ 0.4 = 0,7m và chiều sâu lên tới 0,7 m Thông thường sử dụng một rãnh đạt

ở một bên vách hang và đậy bằng tắm nắp dé có thé làm sạch rãnh theo chu.

kỳ trong thời gian sử dung Khi có độ đốc ngược thi người ta làm rãnh tự chảy,

về phía gương sau đó đưa ra ngoài bằng bơm với việc sử dụng sơ đồ thoátnước hai giai đoạn Với sơ đồ này nước tir gương đưa về hồ thu bằng các bơm.

i chuyển theo gương, còn từ hồ thu đưa ra ngoài theo đường ống bằng các

bơm dat có định ở trạm Máy bơm thường dự trữ 100% Trường hợp gặp khókhăn nước ngắm khi dé bê tông phải dùng giếng khoan sâu dé hạ thấp mycnước ngầm hoặc chuyển sang chỗ khác,

1.3 Tổng quan về các trường hợp có thể xảy ra trong quá trình thi công.

mà cần tiêu thoát nước

a Thoát nước thắm do mưa.

Lượng nước mưa trên mặt dat sẽ thắm qua dat đá ở thânb, Thoát nước ngầm

Nếu mực nước ngằm cao, trong quá trình thi công phải tim cách tập

trung nước thắm để tiêu ra ngoài.

Cá biệt gặp các túi nước cục bộ cũng cần có biện pháp xử lý.

¢ Thoát nước thải do quá trình thi cong

Trong quá trình thi công đường him sẽ sinh ra lượng nước thải cần tiêuthoát: Nước chống bụi, nước rửa nên và đá

Trong công tác khoan sẽ sinh ra lượng bụi lớn, một trong những phương

pháp làm giảm lượng bụi này là phun nước, phan lớn lượng nước phun vào,trừ một số bốc hơi, số còn lại đòi hỏi phải tiêu ra khỏi gương hằm Lượng.

nước cấp trong công tác khoan theo kinh nghiệm khoảng 1001/phút.

‘Theo kinh nghiệm thì lượng nước để rửa nền và vách đá khoảng100phút (nhiều nhất là 200l/phút.|9]

Khi xe máy vận chuyển đất đá thải thi lượng nước thắm trong đất đácũng thoát ra, xong chiều dai vận chuyển ngắn <Ikm thi không đáng kể.

Trong quá tình thí công vỏ, lượng nước thoát qua vé rơi xuống gương

Đối với trường hợp đất đá mềm yếu thì lượng nước thấm đi xung

cquanh him theo kinh nghiệm có thé tới 0,3 mŸ/phútkm [9]

Đối với đá it nứt nẻ thì nước thắm chủ yếu tập trung ở những túi cục bộ.Nếu gặp nước ngim có áp thì lượng nước thấm rất lớn có thể tới 200I/phúi.

Đối với môi trường đá ít nứt nẻ, có túi nước cục bộ thi phải giảm áp lực

nước ngằm lên vách hằm Dạng phổ biến của thoát nước lỗ là thoát nước cục

bộ, nó có kết cấu chung là thoát nước bằng các ống bố trí trong phần vòm.him và hai bên tường thậm chí ở cả dưới nền him, với khoảng cách 3x3m,‘Theo các ống này sau khi phun bê tông gia cố vách him nhờ lỗ thoát nước ma

áp lực thấm bên trong vỏ him giảm hoàn toàn Có trường hợp lượng nướckhông lớn thì người ta phun bê tông lắp đầy.

Ngoài ra có những trường hợp người ta phải khoan sâu nều phát hiện ranhững túi nước cục bộ lớn ở phía trước gương hm, những túi nước nàythường có áp suất lớn.

Vi trong quá trình đào him thì đường vào cửa him thường dốc xuống vàđể hở cho nên lượng mưa rơi xuống tập trung chảy vào cửa hằm, lượng mưa

này được tinh theo cưởng độ mưa và diện tích của lưu vực.

1.4.3 Mối quan hệ giữa cắp nước và thoát nước

nước mà xe máy thải ra it hơn, có thé lay 70% lượng nước cấp.

nước thường tinh theo tiêu chuẩn đối với mỗi xe máy Lượng

“Theo kinh nghiệm thì lượng nước cấp để rửa nên và vách đá khoảng

1001/phút (nhiều nhất là 200l/phú) Lượng nước thải ra tính bằng 90% giá trị

nước cấp.

Lượng nước thải ra do lượng nước dé chong bụi sau khi nỗ min có thể

ước tính khoảng 70% lượng nước cắp.

Đối với trường hợp nước mưa thì người ta phải làm các rãnh ngăn cáchtrước cửa ham va dẫn đến hồ tập trung để bơm đi hoặc điều kiện địa hình cho.

phép thì làm đường nước thải nước chảy tự nhiên theo rãnh.

1.5 Giới thiệu phần mềm tính toán

“Những năm gần đây, có rat nhiều chương trình tính toán phân tích thắm.mn định dựa trên phương pháp số, đặc biệt là phương pháp phan tir hữu han(PTHH) đã giúp cho việc giải các bài toán thắm trở nên chính xác, hiệu quả

và nhanh chóng hơn, nhất là đối với các công trình lớn Có thể kế đến một số

chương trình như: Modun tính toán thắm SEEP/W trong bộ Geostudio.

Version 2007, Ansys, Modtlow, Phase

Dưới đây là một số hình ảnh mô hình tính toán các bai toán thường gặp

trong thực tế

Hình 1.7 Kết quả phân tích thắm vào đường him bằng phương pháp PTHH.

Hình 1.8 Kết quả phân tích thấm vào hố móng công trình.

Hình 1.9 Phân tích chuyển vị tường chin bằng PPPTHHÍ

— AN |

Hình 1.10 Mô hình lưới PTHH 3D trong phân mềm Ansys V11

ElevationHH1 eeeress

Hình 1.12 Mô hình tính thắm đường him trong modun SEEP/W

Hình 1.13 Kết quả tinh thắm đường him trong modun SEEP/W.

“Trong số các chương trình tính toán trên, Modun tính thấm SEEP cung,

cắp nhiều tinh năng mạnh để mô hình và tính toán nhiều bài toán thường gặp

trong thiết kế như: dòng thấm có áp, không áp, thấm ổn định và không ổn.định trong đập dat, đường him, hồ móng Vì vậy, trong luận văn này tác giả

chỉ tập trung giới thiệu sâu về modun SEEP/W cho dòng én định, không áp.

1.5.1 Giới thiệu về SEEP/W |2]

SEEP/W một trong sáu phần mềm Địa kỹ thuật trong bộ GEO -SLOPE.

Office của GEO-SLOPE International ~ Canada SEEP/W là phần mí n ph

tử hữu han dùng dé lập mô hình chuyển động và phan bổ áp lực nước trong

kẽ rỗng của vật iệu rỗng như đắt hoặc đá Việc lập tỷ mi lâm cho SEEP/Wcó khả năng tính toán các bài toán thấm cả đơn giản lẫn rất phức tạp,

SEEP/W được sử dụng để tính toán và thiếtác công trình địa kỹ thuật,

dân dụng, địa chất thuỷ văn va mỏ.

SEEP/W là một phin mềm đồ thị 32 bit chạy trong môi trườngWindows 95 và Windows NT Cách giao tiếp "nhìn và cảm nhận” của cácphan mềm Windows tao cho ta dễ dang sử dụng SEEP/W đặc biệt là khi đã

lâm quen với môi trường Windows.

1.5.2 Ứng dụng và mục dich sử dụng phần mém

Seep/w là một chương trình tính toán thắm tổng quát mà có thé mô hình

cả dong chảy trong môi trường bao hoà lẫn không bão hoà Khả năng mô hình

dòng chảy chưa bào hoà cho phép seep/w tinh toán được một loạt bai toán

thực tế mà các phần mềm khác không làm được.

Việc dua dòng thấm không bão hoa trong việc mô hình hoá nước dưới

đất rất quan trọng để đạt được kết qua tính toán thực tế về mặt vật lý Trongđắt, hệ số thắm, độ am và nước bị giữ lại thay đổi là ham số của áp lực nước.kế rổng Seep/w mô hình các quan hệ này bằng những him liên tue Hau hết

Vige sử dụng các him không đúng thực tế như vay dé mô hình hoá hệ số thắm.

và độ âm của đất có thé dẫn đến kết quả tính toán không đúng Phin này cung.

cấp vài vi dụ về nhiều loại bài toán mà có thể mô hình hoá bằng seephw Các

bai toán ở đây yêu cầu tính toán dang thắm cả ở vùng bão hoà lẫn vùng khôngbio hoà dé đạt được kết quả thực tế ma đối với các bài toán này, các mô hình

chỉ có khả năng mô hình dòng chảy bão hoà không làm được.

Mục đích sử dụng phần mềm là tính toán lưu lượng thắm vào đường himđể từ đó bố trí biện pháp thoát nước phù hợp.

“Trường hợp đá có khe nứt thì hầu hết các phần mềm như plaxis, äsys

cũng đều không mô hình cụ thé được mà phải dựa vào khảo sát dia ctthực

tế về chiều rộng khe nứt, chiều dai khe nứt ác định lưu lượng, trong giới

han phan mém chi có thé tinh lưu lượng thấm qua nền đá một cách sơ lược.“Trường hợp khi khối đá nền lớn, khe nứt nhỏ và đều tÌ ó thể coi gin đúng

như nền đất và tính toán bài toán thắm như bai toán thấm trong nền đắt.

CHUONG 2: XÁC ĐỊNH LƯỢNG NƯỚC CAN TIÊU THOÁT KHI

THI CÔNG DUONG HAM, PHƯƠNG PHAP CHONG SAT TRƯỢTDO NƯỚC GAY RA

2.1 Phương pháp xác định lượng nước cần tiêu thoát

Nhu đã trình bảy ở chương 1, trong thời kỳ thi công công trình, lượng

nước cin tiêu giai đoạn này gồm: Nước thấm qua đá, nước thi công (bỏ qua.túi nước cục bộ, nước do sự cố thiết bị

Luu lượng tổng cộng: Q = qe+ qi QnTrong đó:

+ Q; Lưu lượng tông cộng cần tiêu thoát trong quá trình thi công.

+ qe: Lưu lượng nước thải ra trong quá trình thi công, căn cứ vào

thực tế thi công dé xác định: nước chống bụi, nước rửa đá v.v

+ q¿ Lưu lượng thấm vào đường him, đây là vấn đề phức tạp cin

tham khảo các chuyên môn địa chất thuỷ văn, thuỷ công v.v để

h toán.

2.1.1 Xác định lượng nước thải trong quá trình thi công (q.)

Căn cứ vào thực tế thi công dé xác định: nước chống bụi, nước rửa đá.

‘Theo kinh nghiệm thì lượng nước để rửa nền và vách đá, lượng nước

chống bụi nhiều nhất là khoảng 200/phút [9]V

khoảng 200l/phút.

lượng nước thải tối da

2.1.2 Xác định lượng nước thấm vào đường hầm (q0)

Xét trường hợp tinh toán lưu lượng thắm qua môi trường đá.

Nền đá nói chung có độ rỗng nhỏ Đối với môi trường là đá phún xuất thi46 rồng khoảng 0,5-0,8%; đối với đá tram tích, độ rỗng n74-35%; hệ số thắmqua đá nguyên khối khoảng 10-10” cm/s Vì vay, có thé bỏ qua hiện tượng.

thắm qua lỗ rỗng trong đá [6|Thắm qua môi trường đá chủ yếu là thắm qua

các khe nứt, Các khe nứt trong khôi đá được hình thành do quá trình kiến tạo,

đoạn ting, tác dụng phong hóa hay do nỗ min khi dio móng gây nên Chiềurộng khe nứt thường từ vài milimet đến vài centimet hoặc hơn nữa Nước.

thắm trong các khe nứt cho đến nay còn ít được nghiên cứu Trong trườnghợp khi khối đá lớn, khe nứt nhỏ và đều thì khi tính toán có thé xem là nềnđấu

Bi tính toán lưu lượng thẩm qua đá rất khó, lưu lượng thấm qua đáthé rất lớn nhất là khi đá nứt nẻ nhiễu Do tính chất không đồng đều của các

khe nứt ta chi có thé tinh lưu lượng thắm qua đá một gan đúng.

Giải bài toán thắm qua đá bằng phương pháp phần tử hữu han (ứng dungphần mềm seep/w).[2]

a) Dòng thấm trong môi trường đất, đá

* Dang thẩm Darcy (chảy ting-qua các lớp dat)“Tốc độ thắm biểu kiến: Vpạ =k*i G2)

* Dòng thắm hoàn toàn rồi (chảy rồi-qua khe nút của đá)

vi (23)

Tốc độ thắm biểu kiénVp a=

* Cơ chế và trang thai dong thắm trong môi trường dat đá.+ Dòng thắm từ A đến B do hiệu thé năng Ah

Mat chuan

Ah=h, ¬ (E+s)ss

+ Tùy theo trạng thái của đòng thắm.

Dòng ổn định: Vectơ tốc độ dòng thắm không đổi theo thời gian.

Dòng thắm không én định: dòng thắm có chế độ thủy lực thay đổi theo

thời gian.

Dòng thấm có thé là dòng thấm có áp và đòng thấm không áp, trong

trường hop dùng phần mềm tính toán tác giả tinh toán với dòng thắm én định,

không áp.

b) Cơ sở lý thuyết khi tính Q,

* Giải bài toán thắm bằng phương pháp PTHH

Chia miễn tính toán ra thành các phần tử tam giác, tứ giác nối với nhau.tại các điểm nút Với từng phần tử sử dụng hệ tọa độ địa phương như hình vẽ~ Tọa độ tại mỗi điểm bắt kỳ bên trong phần tử x, y được xác định thông qua.

toa độ của điểm nút.

“N>: Hàm dang của phần tử

{X}, {Y}: Tọa độ của các điểm nút phan tir

~ Cột nước thấm h tại mỗi điểm trong phan tử được xác định như sau:

h=<N> (H}

trong đó: {H} là cột nước thấm tại các điểm nút

Gradient thấm theo các phương x, y.

Hy B

tH, thiên cột nước thấm theo t;Q: Lưu lượng thắm vào biên của phan tử;<N>: Hàm dạng của phan tử

2.2 Phương pháp chống sat trượt do các yếu tố tir nước gây ra

Khi môi trường đất đá xung quanh thân ham chứa đầy nước, trong quátrình dio him, gương him và thân him rất dễ bị sat trượt Do vậy cần tăng.cường một số phương pháp để gia cố khối đất đá thân hằm.

2.2.1 Phut vữa

Tác dung của biện pháp phụt vữa trong thi công him có nhiều tác dụng

như gia cổ đắt rời và ngăn cân tạo thành hang hốc trong đất do đảo him gayra; giảm hệ số thắm và trước tiên giảm dòng thắm; giảm tác động do hạ thấpnước ngằm hoặc ngăn sự rửa trôi các hạt đất bởi các dòng thắm; kiểm soátnước thắm vào để ngăn cản đất bị lôi di xung quanh khỏi đào và tránh được.lún do rút nước quá nhanh; ngăn cản lún quá mức cho phép khi đảo him tiến

gần các tod nhà, công trình công cộng và những kết cấu khác như đường xe

cơ giới, cầu và đường sit

Có 2 hình thức phụt vữa cơ bản: phụt vữa bù vào khe rỗng giữa vô him

và đất đá va phụt vữa nâng cao sức chịu tai dat đá (gia cổ).

Phut vữa bù với áp lực thấp, ít hơn 30 psi (psi = pao/inchỶ, vậy 30 psitương đương 3 atm), được tiến hành sau khi vỏ bê tông của ham đã thi công.xong và đủ cường độ Việc lấp kin các lỗ rỗng trong đất đá sau vỏ him cũng,nhằm phục vụ kiểm soát nước ngầm và chức năng của ham.

Phut vita tạo thành một khối, hay còn gọi là gia cỗ, cũng nhằm kiểm soát

nước ngằm và chức năng của kết cầu Phụt vữa bù làm tăng khả năng chịu taicủa vỏ ham, Phụt vữa tạo thành một khối cũng làm tang khả năng chịu tải củakhối đá Khi gặp vấn đề không bảo đảm thời gian tự đứng vững của đắt đá,

thậm chi da áp dụng biện pháp đào phân đoạn với him dẫn trước, việc phụt

vita có thể làm tăng sự én định của khối đá bảo đảm cho việc lắp kết cấu

chống đờ Nếu gặp dòng nước ngim chảy vào him với khối lượng chủ yếungăn cản việc thi công him dẫn trước, phụt vữa có thé làm giảm ding thắm

đủ dé tiếp tục thi công Không kế những điều kiện của dat đá cho phép bịt kín

cục bộ những đứt gay, còn có trường hợp đút gãy lộ ra buộc phải phụt vữa

trước khi cho phép nổ min để ngăn ngừa đứt gãy rời khỏi khối đất đá và tràn

vào hằm [3]

Trong thực tế có trường hợp phải hoàn thành phụt vữa từ mặt đắt trước

khi đào gương him Nếu him đặt quá sâu hoặc mặt đất quá chật chội khôngthể tiếp cận được, công đoạn phải tiến hành trong him, Sau đó giảm thiểu

khối lượng nỗ min dé giảm thời gian chờ đợi, chống đỡ trở nên quan trọng.

Sử dụng tường bê tông tạo ra hoặc mở rộng cục bộ để tạo ra khoang phụt vữa

trước khi đào nhằm cho phép gia cố một phần khối đào Đảo him dẫn hướng.đầu tiên dé cho phép sử dụng vào khoan phụt cũng tạo hiệu quả về chi phí.

Nhiều loại phụt vữa dùng dé thay đổi hoặc ổn định đất ở hiện trường,chuẩn bị cho việc đảo ham trong dat mẻm Đây là phương pháp rat hiệu quả

để nâng cao khả năng đảo ham trong một số tinh hudng như sau:

+ Lam chặt đất hoặc tăng cường độ của đá yếu vả ngăn cản không chohim bj sat trượt hoặc khi tiến hành dao hao đắt xung quanh bị loi ra,

bị ảnh hưởng, hoặc đá yêu dễ trượt

+ Giảm độ rỗng trong đất do đó giảm đòng thắm vào him

+ Giảm khả năng lún bé mặt khi hạ thấp mực nước ngằm hoặc ngăn

không cho các hạt đất nhỏ bị nước ngằm cuốn đi

+ Ôn định đất cát khi có xu hướng sat ở trang thái khô hoặc bị chảy khi

im dưới mực nước ngằm

Phân chia phụt vữa theo 3 áp dụng chính

+ Phụt vữa giảm thấm (permeation): nhằm lắp đầy các lỗ rỗng trong đất

hoặc bằng hoá chất (dùng cho cát mịn) hoặc bằng xi mang (dùng cho sỏi hoặc

át thô);

+ Phụt vữa để +h chuyên hạt dat (Jet grouting): sử dụng vòi phun với

áp lực cao dé phá vỡ dat và thay thé chúng bằng hỗn hợp dat va xi mang;

+ Phụt vữa làm chặt (Compaction grouting): làm chặttrong qué trìnhđảo nhờ phụt loại vữa đặc.

2.2.2 Neo

Neo là thuật ngữ chung bao gồm đá bị chốt Iai và những cáp bi kéo căng.

Cụ thể, cáp được kéo trước (ứng suất trước) còn chốt lúc ban đầu chưa có ứngsuất, Trước đây việc tạo ra ứng suất trước cho neo là cần phải nghiên cứu détăng hệ số ma sát trong khối đá, Tuy nhiên, ngay sau đó người ta đã nhận rabắt kỳ một sự chuyển vị nào trong khối đá sẽ kéo căng chốt đồng thời cũng bị.

chốt ngăn lại Về tính kinh tế và đơn giản thì chốt đã có tác dụng giảm bớt

neo có ứng suất trước trong một số trường hợp cụ thẻ, như là những cột rấtgan nhau việc sử dụng ứng suất trước dé tăng sức ma sát thì can phải nghiêncứu Thí dụ, có một tang đá mà phan đá yếu là chủ yêu có thẻ được chống đỡ.bằng cách sử dụng neo dé gắn vào lớp đá thứ hai, đó là lớp đá tốt Tương tựnhư vậy, đá yếu ở ngay nóc him có thể chống đỡ bằng cách thêm vào lớp bêtông phun để chống kéo Chú ý cần đảo him dẫn sớm trước khi đảo hằm.

chính dé tận dụng him dẫn làm nơi đặt neo là tốt nhất.

2.2.3 Bê tông phun [3]

Bê tông phun lên mặt đá khi cần gia

cho lớp đá quanh khối dao được dính kết với nhau ngăn các hạt rơi ra, và tao

lá có 2 chức năng rõ rột, làm

một mảng ngăn bên ngoài thường phụt vào đó với áp lực cao để ép vữa vào lỗ

tổng giữa các hon đá Chỉ trong một vài phút (lớp ban đầu chỉ tinh trong một

số giây) tạo ra một màn có tác dụng ngăn cản những miếng đá cổ biệt rời rahoặc rơi xuống , như vậy loại bỏ áp lực tồn tại ở bề mặt đá và hướng sự địch

chuyển của các hạt đất đá ngược vào trong khối đá Cường độ nhanh chóng

đạt được (thường 150psi trong 30 giây, 700psi trong 8 giờ), cho phép minphun nhanh chóng thành một man ngăn vàp theo tăng cường độ như một

lớp đá mới chống lại sự biến dạng nhằm tạo ra điều kiện cân bằng mới.

Trước đây công nghệ phun bê tông dạng khô là chủ yếu, nhưng từ 1991,

tại hội nghị về phun bê tông do hiệp hội đào him quốc tế tổ chức đã công bổnhững kết quả phun bê tông ướt thành công (Na Uy, Thụy điển, Đúc,

Autralia), Công nghệ phun bê tông tớt là trộn hỗn hợp cốt liệu, xi măng vànước trước khi phun, còn công nghệ phun bê tông khô là hỗn hợp cốt liệu và

xi mãng trộn trước và được phun ra củng lúc với nước từ một vòi phun khác.

tạo thành hỗn hợp bê tông ướt trước khi bắn vào mặt đá Cả 2 loại có những

ưu và nhược điểm riêng Điểm nỗi bật nhất của phương pháp phun ướt là đảm

bio chính xác tỷ lệ cắp phối vật liệu, ngoài ra ty lệ hao hụt vật liệu ít, và môi

trường ít bụi Còn phương pháp phun khô thì độ bám dính của bê tông vào đá

cao, do trộn khô nên chiều dai quãng đường vận chuyển hỗn hợp không bịhạn chế, song khi phun thì tỷ lệ thất thoát vật liệu nhiều và đặc biệt môi

trường ô nhiễm nặng vì bụi.

2.3 Ứng dung phần mềm tính toán cho việc thoát nước

Để phục vu cho việc xác định lượng nước trong đường him để có biện

pháp thoát nước thích hợp Trong phần mềm tác giả xin được đưa ra cách xác

định lưu lượng thấm qua đường ham như sau