Khảo sát hiện trường tại Hầm Trans-Koolau ppt

Nguyễn Đức Toản, Hanoi, July - 2001 Page 1 of 4 Khảo sát hiện trường tại Hầm Trans-Koolau ở Hawaii, Mỹ An-Bin Huang. Phòng Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Chiao Tung, Hsin-Chu, Đài Loan Bob Y. K. Wong. Geolabs-Hawaii, Honolulu, Hawaii, Hoa Kỳ Biên dịch: KS. CN. Nguyễn Đức Toản Bài đã đăng trên Tạp chí Cầu Đường Việt Nam tháng 7 năm 2001 TÓM TẮT: Một cuộc khảo sát địa chất tại dự án Hầm Trans- Koolau trên đảo Oahu, Hawaii đã được tiến hành. Các lỗ khoan được chỉ định tại những vùng thực vật sinh trưởng dày đặc trên những sườn núi rất dốc. Xe tải không thể vào được công trường, và việc cung cấp nước cho việc khoan rất bị hạn chế. Thiết bị và nhân lực được vận chuyển đến và đi khỏi hiện trường bằng máy bay trực thăng. Đã sử dụng một chất hỗn hợp tạo khí/bọt làm chất lỏng rửa lỗ khoan để giảm thiểu sự tiêu tốn nước. Bài viết này mô tả kinh nghiệm về các thao tác và kỹ thuật khoan đã sử dụng để vượt qua các khó khăn do địa điểm xa xôi và địa hình dốc. 1. GIỚI THIỆU Hầm Trans-Koolau là một phần của Đường Liên bang H-3 trên đảo Oahu, Hawaii. Hình 1 thể hiện vị trí tương đối của dự án. Dự án được đồng tài trợ của Bang Haoai và Phòng Giao thông Mỹ. Dự án đường bộ H-3 được phát triển nhằm xoá bỏ tình trạng kẹt giao thông đang diễn ra tại các hành lang hiện nay là Pali và Likelike Highways. Những đường cao tốc này nối Honolulu với phía có gió (phía biển) của đảo Oahu qua Dãy Núi Koolau. Để hoàn thành công trình nối qua Dãy Núi Koolau, dự án phải sử dụng tuyến hầm đôi. Đường hầ m hướng vào trong đảo có chiều dài 4.890 ft (1.490 m - N.D), và đường hầm hướng ra biển dài 5.165 ft (1.574 m). Ngoài đường hầm, một số tòa nhà cho sửa chữa và kết cấu khác cũng được xây dựng tại khu vực cổng hầm. Công ty tư vấn Parsons Brinckerhoff - Hirota Associates đảm nhận khảo sát địa chất tại các cổng hầm ở Thung lũng Halawa phía bắc và Thung lũng Haiku phía nam. Chương trình khảo sát địa chất bao gồm các lỗ khoan thẳng đứng và xiên, lắp đặ t các áp kế, và tiến hành các thí nghiệm về độ thấm hiện trường. Các công tác hiện trường được tiến hành tại vùng xa xôi dưới những điều kiện bất lợi và đôi khi nguy hiểm. Bài viết này đề cập các khó khăn liên quan đến khảo sát ngầm và các kỹ thuật mới áp dụng để đối phó với các khó khăn. 2. MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT VÀ ĐIỀU KIỆN HIỆN TRƯỜNG Quần đảo Hawaii tạo thành một vòng cung các đảo núi lửa hướng từ tây bắc xuống đông nam dài khoảng 1.491 dặm (~2.400 km). Đảo chính Hawaii nằm dọc một cung 404 dặm (650 km) tại đầu phía đông nam của quần đảo. Oahu, đảo lớn thứ ba trong số 8 đảo lớn nhất của Quần đảo Hawaii, có diện tích khoảng 604 dặm vuông (1.564 km 2 ). Đảo này được tạo thành từ hai ngọn núi lửa lớn hình cái khiên. Hoạt động núi lửa vào cuối kỷ Pliocene (thời kỳ cuối của kỷ Đệ Tam trong lịch sử trái đất, cách đây khoảng 4 triệu năm, khi nhiều động vật có vú hiện đại xuất hiện - N.D), và tiền kỷ Pleistocene (đầu kỷ Đệ Tứ, cách nay khoảng 1,5 triệu năm - N.D) đã tạo ra hai vùng địa hình dạng vòm bazan kéo dài - Waianae ở bờ tây và Koolau ở bờ đông của đảo Oahu. Sự xói mòn đất sau phun trào đã phân chia các vòm này thành những dãy núi lởm chởm. Địa điểm dự án Đường Liên bang H-3 được đặt trong phạm vi quận Honolulu và Koolaupoko, và cắt Nguyễn Đức Toản, Hanoi, July - 2001 Page 2 of 4 ngang xương sống phía nam của Dãy Núi Koolau (xem Hình 1). Thành hệ đá cơ bản trên đảo Oahu bao gồm các dòng dung nham bazan. Hai loại dòng dung nham được nhận biết là: "a'a" và "pahoehoe". A'a là một từ ngữ của đảo Hawaii chỉ dòng dung nham đặc trưng bởi bề mặt gồ ghề, lởm chởm, nhiều mỏm sắc, có tính gắn kết mạnh. Các dòng a'a bao gồm cả clanh-ke (các mảnh bazan) và các thành phần bên trong đặc sít. Pahoehoe là thuật ngữ Hawaii chỉ dòng dung nham bazan đặc trưng bở i bề mặt nhẵn, chồng chất dạng sóng hay chất lượng kém. Các dòng dung nham dày trung bình 10 ft (~3,0 m) hay bé hơn, và cả khối đá thể hiện một sự không đồng nhất về mặt thạch học khá lớn (Wentworth, 1951). Mặc dù các dòng dung nham pahoehoe và a'a là chung cho Thành hệ Koolau, loại a'a vẫn chiếm phần ưu thế ở các lớp sâu hơn của toàn khối. Bề mặt nổi của các dòng dung nham này đã phong hóa thành các lớp đất tr ầm tích nhiệt đới nằm sâu. Dọc theo các sườn thung lũng, đá núi lửa gốc bị che phủ bởi các lớp lở tích và bồi tích. Hình 2 thể hiện một mặt cắt địa chất điển hình gặp ở khu vực cổng hầm. Vào thời gian khảo sát hiện trường, khu vực cổng thung lũng Halawa phía bắc nằm cách đường vào gần nhất khoảng 7 dặm (~11 km). Về mặt đo vẽ địa hình, khu vực cổng Bắc Halawa có cao độ bề mặt thay đổi từ 1020 đến 1310 ft trên mực nước bi ển (310 - 400 m). Cổng hầm được đặt tại đầu của một thung lũng đã xói mòi thành một vùng đỉnh tròn nguồn gốc núi lửa tạo nên Dãy núi Koolau. Vùng này có lượng mưa lớn hơn 100 in. hàng năm (~2540 mm). Đá bị phong hóa thành đất lở tích và trầm tích nhiệt đới sâu; địa hình rất dốc và dày đặc cây cối của rừng á nhiệt đới. Khu vực cổng Haiku, nằm ở thượng Thung lũng Haiku dưới chân của hành lang Pali Koolau, là mộ t vách đá dốc đã bị xói mòn về phía biển của Dãy núi Koolau. Cao độ khu vực cổng này thay đổi từ 780 - 885 ft (240 - 270 m) trên mực nước biển. Trong vùng này, sự xói mòn đã cắt đá núi lửa thành các vách đá gần như thẳng đứng và có nhiều lở tích. Ngoài địa hình dốc, địa điểm cổng hầm nằm dưới một đường dây tải điện cao thế và gần một ăngten của hệ thống giao thông thủy thuộc Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ. Chiếc ăngten này, là một phần của mạng lưới "Omega", phát ra một trường điện từ mạnh, tần số rất thấp. Trường điện từ mạnh đến nỗi nó sinh ra điện tích trên các vật liệu kim loại ở khu vực xung quanh. Hình 3 cho thấy mặt cắt ngang của dãy núi và tuyến hầm dự định, khu vực cổng hầm, và các lỗ khoan xiên. 3. BỐ TRÍ CÔNG TRƯỜNG Vào thời điểm khảo sát, chưa có đường vào các khu vực cổng hầm. Không thể san ủi các đường mòn xuyên qua rừng nhiệt đới rậm rạp và qua địa hình dốc để tạo đường vào cho thiết bị khoan lắp trên xe tải. Đã phải dùng trực thăng để huy động thiết bị và con người đến và đi khỏi công địa. Các giá khoan được lắp trên bánh trượt theo từng môđun, gồm một máy Diedrich D-25 và một máy Christensen CMC-100, đ ã được sử dụng để tạo dễ dàng cho việc không vận tới công trường và giữa các lỗ khoan. Một khu vực tập kết cơ sở được lập ra tại mỗi công trường, và các đội hiện trường được luân chuyển hàng ngày vào/ra khỏi thung lũng, trong khoảng 40 ngày thăm dò địa chất. Đã phải có một sự phối hợp và lập kế hoạch mang tính chiến lược để có thể đảm bảo rằng con người, thiết bị và vật tư được di chuyển một cách đúng hạn. Một đội thực hiện công tác khoan và lấy mẫu, trong khi một đội khác chuẩn bị các địa điểm khoan mới và chế tạo các dàn chống để đỡ thiết bị khoan trên nền đất dốc và ướt. Hình 4 là ảnh chụp bố trí công trường. Tại công trường Haiku, thiết bị khoan thường xuyên bị nhiễm điện tĩnh, do cảm ứng của trường điện từ của ăngten Ômega. Để tranh bị điện giật cho đội khoan, công nhân phải đi dày cao su và mang găng tay. Cáp nối đất được treo từ khối thiết bị/vật liệu đang treo lơ lửng để giải phóng điện tích tr ước khi hạ xuống đất. Đã có các kế hoạch đối phó với sự cố bất ngờ để tiếp tế khẩn cấp về lều trại, thực phẩm, nước và vật dụng khác trong trường hợp các công nhân khoan lâm vào hoàn cảnh khó khăn/bị lạc trên hiện trường. 4. TIẾN HÀNH KHOAN VÀ LẤY MẪU Trong đất trầm tích, tiến hành khoan lỗ bằng mũi khoan cỡ 4 1/2 insơ (11,5 cm), theo sau bởi ống nối thẳng cỡ 'HW'. Mẫu đất được lấy bằng cái lấy mẫu dạng ống xẻ 2 in. (5 cm, Tiêu chuẩn ASTM D 1586) và cái lấy mẫu California Sửa đổi 3 in. Việc lấy mẫu đá liên tục được thực hiện nhờ dùng hệ thống lấy mẫu Nguyễn Đức Toản, Hanoi, July - 2001 Page 3 of 4 đá dạng dây ống kép ba HQ3 Longyear. Hệ thống lấy mẫu đá dạng đường dây được sử dụng để nhận được các mẫu đá từ các khối dung nham bazan phong hóa mạnh và từ hầu hết các lớp đá clanh-ke. Hệ thống đã rất thành công với việc lấy mẫu nguyên vẹn gần 100% trong đa số trường hợp. Tuy nhiên, việc lấy mẫu đã thỉnh thoảng gặp phả i các lớp dễ vỡ vụn và lớp hỗn hợp clanh-ke có bùn, do đó sự thu hồi lõi khoan bị kém (nói chung thu hồi khoảng 40 - 50 % lõi khoan). Không có sẵn nước ở Thung lũng Halawa, và việc lắp các đường dẫn nước tạm thời hay vận chuyển nước tới hiện trường là không thực hiện được. Do vậy, một hợp chất có tính khí/bọt, nó gồm khí, nước sạch, chất tạo bọt (AirQuick) và một chất v ữa đồng trùng hợp (Vữa Sạch), đã được sử dụng làm chất lỏng rửa lỗ khoan. Nói chung, một lít Anh (= 1,14 l = 1/4 galông) chất tạo bọt trộn với 150 galông nước (1 galông = 4,54l ở Anh hay 3,78l ở Mỹ) có thể đủ để duy trì khoan từ 1 - 2 giờ. Khí/bọt làm giảm mức tiêu dùng nước sạch một cách đáng kể, với tỷ lệ khoảng 1 - 2 galông trong 1 phút (g/ph) so với phương pháp rửa tuần hoàn thông thường - tiêu thụ tớ i 10-15 g/ph. Kết quả là, chỉ với nguồn nước tại các con suối hiếm hoi trong thung lũng cũng khá đủ dùng. Nguồn nước này được bổ sung bằng nước không vận trong mùa khô. Để có thêm thông tin về hướng của trục tuyến hầm, một số lỗ đã được khoan nghiêng. Để tìm hiểu chắc chắn vị trí của các khối đất và đá từ một lỗ khoan nghiêng, người ta đã dùng một thiết bị khảo sát lỗ khoan có tính định hướng "Pajari". Thiết bị Pajari làm việc với một cơ cấu như bộ máy đồng hồ, nó đồng thời khóa một quả dọi và một la bàn từ, để lần lượt đưa ra kết quả về độ xiên (thế nằm) và góc phương vị (hướng ngang) của lỗ khoan. Bằng cách thử tại một vài khoảng cách nhất định, sẽ cho phép xây dựng được m ột sơ đồ về lỗ khoan, và bất kỳ phần nào của lỗ khoan cũng có thể định vị được trong không gian ba chiều. 5. THẢO LUẬN Công việc khảo sát địa chất đã hoàn tất đúng thời hạn, và hầm đã được thiết kế nhờ sử dụng các kết quả khảo sát này của chúng tôi. Vào lúc đang viết bài này, phần lớn đường hầm và kết cấu cổng hầm đã hoàn thành. Hình 5 là ảnh chụp Cổng Thung lũng Haiku và kết cấu lối vào đang được thi công. Khảo sát địa chất cho dự án này đã cung cấp cho đội ngũ thiết kế những thông tin địa chất rất giá trị cho thiết kế và thi công. Chất lỏng khoan dạng khí/bọt đã làm giảm đáng kể lượng nước cần cho vận hành khoan, nhờ vậy đã tiết kiệm được khá nhiều tiền. Ngoài ra, hỗn h ợp khí/bọt cũng làm giảm nguy cơ xói mòn của đất saprolit (bùn thối) và mẫu đá, do đó lấy được các mẫu có chất lượng cao. Các công tác khoan đã hoàn thành trong khung thời gian yêu cầu là 40 ngày. Chúng tôi tin rằng việc sử dụng hỗn hợp bọt/khí là chất lỏng để rửa lỗ khoan đã góp phần rất lớn vào thành công của dự án này. Chất lỏng rửa lỗ khoan tạo khí/bọt có thể được sử dụng mộ t cách hiệu quả về mặt giá thành và rất tốt cho công tác khoan tại các vùng xa xôi khan hiếm nước./. Nguyễn Đức Toản Dịch từ "Transportation Facilities through Difficult Terrain" Phần "Site exploration, planning, and roadway design" ĐC: Số 2, ngách 2/31, phố Nguyễn Chí Thanh, Ngọc Khánh, Ba Đình, Hà Nội Tel: 091-316245; Hoặc: 034-885267 Địa chỉ hiện nay: Viện KHCN GTVT 1252, Đường Láng, Hà Nội Email: ngdtoanhanoi@yahoo.com Nguyễn Đức Toản, Hanoi, July - 2001 Page 4 of 4 Hình 2 - Mặt cắt Thể hiện Điều kiện Địa chất tại Địa điểm Cổng hầm phía Thung lũng Haiku MẶT CẮT: CỔNG H-3, THUNG LŨNG HAIKU Tỷ lệ: 1"=40', ngang và đứng KÝ HIỆU: BAZAN CLANH-KE ĐẤT SÉT CÓ THỂ LÀ MỘT VÙNG BỒI LẤP MỀM, HANG HOẶC ỐNG DUNG NHAM CAO ĐỘ (FT) 76 80 84 88 92 96 1000 Mặt đất tự nhiên ( ) Cổng hướn g Lỗ khoan HV-3 Lỗ khoan Lỗ khoan HV-8 (Dự kiến) Lỗ khoan HV-7 (Dự kiến) . Nguyễn Đức Toản, Hanoi, July - 2001 Page 1 of 4 Khảo sát hiện trường tại Hầm Trans-Koolau ở Hawaii, Mỹ An-Bin Huang. Phòng Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Chiao. Chương trình khảo sát địa chất bao gồm các lỗ khoan thẳng đứng và xiên, lắp đặ t các áp kế, và tiến hành các thí nghiệm về độ thấm hiện trường. Các công tác hiện trường được tiến hành tại vùng. việc khảo sát địa chất đã hoàn tất đúng thời hạn, và hầm đã được thiết kế nhờ sử dụng các kết quả khảo sát này của chúng tôi. Vào lúc đang viết bài này, phần lớn đường hầm và kết cấu cổng hầm