so sánh lựa chọn phương pháp thi công cửa vào đường hầm nhà máy thủy điện trong điều kiện đá yếu

Trong tiến trình hội nhập học hỏi kinh nghiệm các nước trên thế giới thì Việt Nam cũng đã có một số thành tích bước đầu trong công tác thi công một số đường hầm qua các lớp đất đá có cấu

3.3 Tính toá n khối lượng và chi phí thi công cửa vào đường hầm cho từng phương án

đã đề đường hầm nhà máy thuỷ điện Nho Quế 3.5T 76

-MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây dân số ngày một tăng nhanh dẫn đến sự ra đời hàng loạt các đô thị và khu công nghiệp mới, các nhu cầu về nhà ở, mạng lưới giao thông

và cơ sở hạ tầng để đảm bảo cuộc sống trở nên phức tạp khó giải quyết bởi những khu đất lớn để xây dựng ngày một khan hiếm Một trong những giải pháp hiệu quả nhất cho các vấn đề đó là khai thác không gian ngầm Khai thác không gian ngầm là chìa khóa để giữ gìn môi trường xung quanh và cải thiện cuộc sống con người Cùng với sự phát triển khoa học như vũ bão thì kĩ thuật thi công hầm và công trình ngầm đòi hỏi ngày càng nâng cao Để đáp ứng yêu cầu đó thì hàng loạt các phương pháp đào hầm mới được ra đời như NATM, TBM, Shied giúp cho con người có thể xây dựng ngầm dưới đất ở các vùng địa chất phức tạp khác nhau, làm cho quá trình xây dựng hầm và công trình ngầm an toàn, kinh tế và tốc độ thi công nhanh hơn

Trong tiến trình hội nhập học hỏi kinh nghiệm các nước trên thế giới thì Việt Nam cũng đã có một số thành tích bước đầu trong công tác thi công một số đường hầm qua các lớp đất đá có cấu trúc phức tạp như nhà máy thủy điện Hòa Bình, Yaly

đã được xây dựng thành công trong thời gian trước đây và hiện nay việc đưa vào sử dụng khánh thành hầm Hải Vân, hầm Thủ thiên là những thành quả đáng tự hào của chúng ta

Trước đây đường hầm chủ yếu được xây dựng trong vùng địa chất tốt (đá cứng) thì vấn đề đào và chống được giải quyết một cách dễ đàng Tuy nhiên do nhu cầu về không gian ngầm ngày càng lớn, đặt ra các vấn đề cần giải quyết khi những công trình này đi qua khu vực địa chất mềm yếu và phức tạp đặc biệt là tại vị trí cửa vào đường hầm Đặc điểm địa chất tại cửa hầm thường đi qua vùng đá yếu như sườn tích, đá phong hóa có ít đất đá phủ, hoặc các lớp xen kẹp nên việc đào đường hầm thường ảnh hưởng đến đất đá và tạo ra những điều kiện đất đá không ổn định, sạt trượt làm cho việc thi công rất khó khăn và ảnh hưởng đến chi phí thi công công trình Chính vì vậy nên việc lựa chọn phương pháp thi công và chống đỡ thích hợp cho cửa vào đường hầm qua vùng đá yếu để đảm bảo an toàn, chất lượng, tiến độ là một vấn đề luôn được nghiên cứu cho từng công trình cụ thể

Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu các phương án thi công cho cửa đường hầm và xác định được chi phí thi công cho từng phương án dựa vào những phương pháp đánh giá kinh tế dự án đầu tư để từ đó phân tích lựa chọn

phương án thi công cửa hầm qua vùng đá yếu Tên đề tài: “So sánh lựa chọn

phương pháp thi công cho cửa vào đường hầm nhà máy thuỷ điện trong điều kiện đá yếu” Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, phù hợp để áp dụng vào

những công trình thủy điện tương tự

2 Mục đích nghiên cứu

- Đề ra các biện pháp thi công và chống đỡ cửa hầm qua vùng đá yếu

-Lựa chọn được phương án thi công cửa hầm trên cơ sở giá thành và tốc độ đào

hầm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu các phương án thi công cho cửa vào đường hầm và xác định được chi phí thi công cho từng phương án

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phương án thi công cho cửa vào đường hầm trong điều kiện đá yếu và xác định được chi phí thi công cửa vào đường hầm thủy điện Nho Quế 3

4 Phương pháp nghiên cứu

- Dựa vào các giáo trình các tài liệu công bố về thi công đường hầm

- Tập hợp kinh nghiệm về thi công cửa hầm

- Sử dụng phần mềm để xác định chi phí thi công cửa hầm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM VÀ THI CÔNG CỬA HẦM

NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN QUA VÙNG ĐÁ YẾU 1.1 Giới thiệu một số đường hầm nhà máy thủy điện đã được xây dựng tại Việt Nam

Trên thế giới tính đến thập kỷ 70 những nhà máy thủy điện có đường hầm dẫn

nước có thể tính tới hàng nghìn, trong đó số nhà máy thủy điện ngầm trên 300, công suất trên 30 triệu KW Chỉ riêng Liên Xô đã xây dựng hơn 30 nhà máy thủy điện, trong đó có 7 nhà máy thủy điện ngầm Riêng nhà máy thủy điện ngầm Ingur có công suất 1,3 triệu KW Tổng chiều dài các đường hầm thủy công đã xây dựng ở Liên Xô tính đến thời kỳ đó trên 170km Những thông số của các công trình ngầm thủy công là rất lớn: Chiều dài đường hầm của nhà máy thủy điện Tatev 18 km, đường hầm Arpa thuộc hồ Sevan là 48km, đường kính đường hầm nhà máy thủy điện Ingur và Nurec tương ứng là 9,5m và 11m, chiều dài đường hầm thủy điện Ingur là 16km, kích thước gian máy dài 145m , cao 47m và rộng 21m

Sau đây là một số công trình thủy điện đã và đang xây dựng ở Việt Nam có sử dụng đến đường hầm thủy công:

1.1.1 Công trình Thủy điện A Lưới – Thừa Thiên Huế:

Công trình thủy điện A Lưới trên sông A Sáp thuộc địa phận xã Hồng Thái, huyện A Lưới, tỉnh Thừa Thiện Huế cách trung tâm thành phố Huế 70 Km theo quốc lộ 49 về hướng tây, cách cửa khẩu Lao Bảo 90 Km về hướng nam theo đường Trường Sơn Công trình do Công ty cổ phần thủy điện Miền trung làm Chủ đầu tư, đơn vị tư vấn thiết kế là Công ty tư vấn Xây dựng điện I Tổng công suất lắp máy

170 MW/2 tổ máy, điện lượng bình quân ước tính là 686.5 triệu KWh/ năm

Mực nước dâng bình thường của hồ chứa 553m, mực nước chết 549m, dung tích toàn bộ hồ chứa 60,2 triệu mP

3 P Cao trình ngưỡng tràn 538.5m Hạng mục hầm chính được đào từ cửa nhận nước, hầm phụ 1 và 2 có tổng chiều dài 7.712,6 m Trong đó hầm phụ số 1 hướng về của nhận nước dài 3200m và về hướng hầm phụ 2 là 2000m, từ hầm phụ 2 hướng về nhà máy là 1634.7m

Hình 1.1 Thi công đường hầm dẫn nước thủy điện A Lưới

Trong hầm chính phần đào từ hầm phụ và cửa nhận nước có 7 dạng mặt cắt gia

cố với các thông số kỹ thuật sau:

Mặt cắt dạng I và II (áp dụng cho vùng địa chất đặc biệt yếu)

+ Tiết diện đường hầm 23.45 mP

2 P(tính theo mặt cắt thiết kế);

Mặt cắt dạng VI (áp dụng cho vùng địa chất có đứt gãy)

Mặt cắt dạng VII (áp dụng cho vùng đất có đứt gẫy)

1.1.2 Công trình Thủy điện Đắc Mi 4

Công trình thủy điện Đak Mi 4 nằm trên sông Đak Mi, thuộc huyện Phước Sơn, tỉnh Quảng Nam Công trình được khai thác theo sơ đồ 2 bậc: Bậc trên sử dụng nguồn nước của sông Đăk Mi để tạo thành hồ chính của sông Đăk Mi và một phần chuyển nước sang sông Thu bồn Toàn bộ công trình đầu mối, lòng hồ, nhà máy được bố trí trên địa phận các xã: Phước Hiệp, Phước Chính, Phước Kim, Phước Xuân, Phước Đức và thị trấn Khân Đức thuộc huyện Phước Sơn – tỉnh Quảng Nam

Dự án thủy điện ĐaK Mi được hội đồng quản trị IDICO quyết định phê duyệt dự án với tổng mức đầu tư 5.630 tỷ đồng

Mục tiêu của dự án cung cấp cho lưới điện quốc gia công suất 220 MW, sản lượng điện trung bình hàng năm 1 tỷ KWh Dự án được thủ tướng chính phủ cho phép khởi công vào ngày 21/04/2007

Đường hầm dẫn nước là một bộ phận thuộc hạng mục tuyến năng lượng bậc trên của công trình Nhà máy thủy điện Đak Mi 4, được thiết kế có dạng hình móng ngựa, đường kính vòm 7,6m, chiều cao thông thủy 7,6m, chiều rộng thông thủy 7,6m, chiều dài hầm 2.611m, độ dốc dọc 1,64%, kết cấu vỏ chống bằng bê tông cốt thép và cắm neo phun vẩy Đường hầm áp lực có nhiệm vụ dẫn nước với lưu lượng 128m3/s cung cấp cho 2 tổ máy phát với tổng công suất 148MW.0T

1.1.3 Công trình Thủy điện Yaly – Gia Lai

Công trình thuỷ điện Yaly thuộc hệ thống hầm dẫn và mở rộng cho hết mặt cắt thủy điện trên sông Sêsan.Với diện tích trên 20 kmP

2 P, công trình Nhà máy thủy điện

Yaly nằm giáp ranh giữa 2 huyện Chư păh tỉnh Gia Lai và huyện Sa Thầy tỉnh Kon Tum Với tổng công suất lắp đặt 720 MW và điện lượng bình quân nhiều năm là

3,68 tỉ KWh Diện tích bề mặt hồ rộng 64,5km² và dung tích 1,03 tỷ m³ (ứng với mực nước dâng bình thường 515m).0T

+ Chiều cao đập : 60 m

+ Số tổ máy : 4

+ Công suất thiết kế : 720 MW

+ Loại đập : Đá đổ, lõi sét

+ Thời gian thi công : 9 năm

Gian máy ngầm kể cả sàn lắp ráp có chiều dài 118,5 m, cao 55,08 m chiều rộng gian máy là 22 m;

Các đường hầm dẫn nước số 1 và số 2 chạy song song, đường kính thông thủy

là 7m, các đường hầm đều chống đỡ bằng kết cấu bê tông cốt thép

Đường hầm dẫn nước vào tua bin: bao gồm 4 đường hầm có đường kính D=4.5

m, chiều dài mỗi đường là 124.04m, các đường hầm dẫn vào tua bin có chống đỡ gồm vỏ thép có bê tông lấp đầy phía sau thành ống, chiều dày của chống đỡ bê tông

là 0.6 m

Hầm dẫn ra: được thiết kế kết cấu ghép đôi Nối tiếp với ống hút, đầu tiên là 4 hầm riêng biệt cho từng tổ máy với chiều dài tương ứng từ tổ máy 1 đến tổ máy 4 là: 82m; 86.07m; 48.37m; 52.44m Tiết diện hầm hình móng ngựa với với kích thước thông thủy: 4.8x6.5m, với vòm tròn bán kính 2.4m Hầm có chống đỡ bằng

bê tông cốt thép, chiều dày 50 cm, được gia cố bằng neo, và khoan phun xi măng gia cố

Hầm giao thông số 1 dẫn vào nhà máy ngầm có chiều dài 330m, chiều rộng thông thủy ở đáy là 8.3m, chiều cao tại tim là 5.65 m Vòm hầm là cung tròn, bán kính 4.6m với góc mở 128.89 độ Kết cấu chống đỡ vòm và tường hầm giao thông được thiết kế kiểu bê tông phun kết hợp với neo đối với chỗ đá cứng chắc, bê tông liền khối cùng với vòm đá yếu

Hầm giao thông số 2 vào gian biến thế có tổng chiều dài là 175 m, chiều rộng thông thủy ở đáy là 7,7m, chiều cao tại tim là 6.77m Bán kính vòm là 4m, chiều cao tường bên là 7 m, gia cố tường, vòm và kết cấu mặt đường cũng tương tự như hầm giao thông số 1

1.1.4 Thủy điện Huội Quảng:

Công trình thuỷ điện Huội Quảng là hầm dẫn và mở rộng cho hết mặt cắt thuỷ điện bậc dưới trên sông Nậm Mu, là nhánh cấp I của hệ thống sông Đà, hầm dẫn và

mở rộng cho hết mặt cắt trên là thuỷ điện Bản Chát có công suất lắp 220MW Cụm công trình đầu mối nằm tại xã Khoen On, huyện Than Uyên, tỉnh Lai Châu Khu

vực nhà máy và trạm phân phối điện ngoài trời thuộc địa phận xã Chiềng lao, huyện Mường La, Sơn La Nhiệm vụ chính của dự án là phát điện với công suất lắp máy 520MW, hàng năm cung cấp cho lưới điện Quốc gia 1,904 tỷ kWh

Đường hầm dẫn nước gồm 2 hầm dẫn số 1 và số 2 có vỏ bằng bê tông cốt thép được đặt trong đá Trachite Rhyolite và Bazan pocfirit dạng khối thuộc lớp IIA và IIB cứng chắc, tiết diện đào hình móng ngựa đường kính trong D = 7,5m, tổng chiều dài hầm từ cửa lấy nước đến giếng nghiêng tương ứng là LR 1 R = 4052,06m, LR 2 R= 4059,50m, các độ dốc dọc tương ứng là iR 1 R=1,64% và 0,57% iR 2 R=1,63% và 0,57% Đoạn đầu hầm dài 20m chuyển tiếp từ tiết diện hình chữ nhật kích thước B x H = 10 x7,5m sang tròn có đường kính trong D = 7,5m Hầm có kết cấu vỏ bê tông cốt thép dày 0,4m trong đá liền khối và 0,65m trong đá phá huỷ

Các công tác chính thi công hầm dẫn nước:

+ Đào đá và gia cố tạm

+ Đổ bê tông kết cấu vỏ hầm

+ Khoan phụt gia cố và lấp đầy

+ Lắp đặt đường ống thép và đổ bê tông chèn

Thi công đào được thực hiện trước, các công tác khoan neo, phun vẩy bê tông gia cố tạm tiến hành song song với quá trình đào, công tác lắp đặt thiết bị, lắp đường ống thép, thi công bê tông và khoan phụt lấp đầy, khoan phụt gia cố, khoan phụt lấp đầy được tiến hành sau khi kết thúc công tác đào Các công tác thi công đều phải được bắt đầu thi công hầm dẫn nước số 1 trước, hầm dẫn nước số 2 được bắt đầu thi công sau

1.2 Các phương pháp thi công đường hầm nhà máy thủy điện

Sau đây giới thiệu một số phương pháp thi công đường hầm được áp dụng nhiều trên thế giới và Việt Nam:

1.2 1 Phương pháp khoan nổ (Drill and Blast)

Đây là phương pháp ra đời từ rất lâu, có lịch sử phát triển cùng với lịch sử phát triển của ngành khai thác mỏ Sau khi nổ mìn phá vỡ đất đá, để giữ ổn định đất đá xung quanh hầm người ta tiến hành dựng các kết cấu chống tạm bằng cấu kiện gỗ hay thép làm hệ che chống tạm thời Sau khi đào một đoạn sẽ tiến hành thi công vỏ

bê tông Khi bê tông vỏ hầm đạt cường độ cho phép, để tạo sự liên kết chặt chẽ giữa

vỏ hầm và đất đá xung quanh người ta dùng máy bơm ép vữa vào phía sau vỏ Trong trường hợp đào lẹm quá lớn, để tiết kiệm vật liệu vữa bơm người ta có thể chèn thêm đá rồi phụt vữa bê tông vào hoặc thi công vỏ bê tông chèn vào

Ưu điểm: Phương pháp này có thể thi công với mọi loại đất đá; với các dạng mặt cắt hầm khác nhau; với các chiều dài hầm khác nhau

Nhược điểm: Mặt cắt gương đào còn lượng đào sót lớn, gây nứt khối đất đá xung quanh phải thường xuyên kiểm tra an toàn nổ phá, tiếng ồn nhiều, yêu cầu thông gió tốt

1.2.2 Phương pháp NATM (New Austrian Tunneling Method – NATM)

Đây là phương pháp đào hầm mới của Áo được ra đời vào những năm 60 của thế kỉ XX và nhanh chóng trở thành một trào lưu trong lĩnh vực xây dựng hầm và công trình ngầm của hầu hết các quốc gia trên thế giới Ở việt Nam phương pháp này hiện nay được dùng rất nhiều đặc biệt là những vùng địa chất xấu

NATM Thực chất là phương pháp phân đoạn mặt cắt trong trường hợp mặt cắt gương hầm lớn, đất đá thuộc loại yếu và sử dụng kết cấu chống đỡ là neo và bê tông phun

Trình tự thi công theo phương pháp NATM bao gồm các công đoạn sau:

1- Khoan nổ hầm dẫn trước ở đỉnh hầm (hoặc ở đáy hầm)

2- Chống đỡ bằng phun bê tông và neo

3- Tiếp tục mở sang hai bên và mở xuống phía dưới

4- Đào khối đất ở giữa

5- Đào bậc đáy cuối cùng

Khi th i công theo phương pháp NATM đảm bảo nguyên tắc “ ít làm lay động, Phun neo sớm, thường xuyên đo đạc” :

+ Ít làm lay động: Khi tiến hành đào mở đường hầm, cần hết sức giảm thiểu số lần lay động đất đá, cường độ lay động, phạm vi lay động và thời gian lay động liên tục kéo dài, vì thế căn cứ vào loại đất đá, phương pháp đào, điều kiện che chống mà chọn chiều sâu đào sao cho hợp lý Đối với đất đá tự ổn định kém thì chiều dài đào trong một chu kì nên ngắn lại, việc che chống phải khẩn trương theo kịp mặt đào, rút ngắn thời gian để đất đá không kịp bong rời

+ Phun neo sớm: sau khi đào song phải tiến hành phun neo, không để cho đất

đá do bị long rời mà phát sinh không ổn

+ Thường xuyên đo đạc: Dựa vào phương pháp đo đạc bằng máy hoặc trực quan và số liệu đo đạc bảo đảm để đánh giá độ đồng đều của mặt cắt gương hầm Ngoài ra còn đặt các ống đo ứng suất, biến dạng đất đá xung quanh vỏ hầm để điều chỉnh kết cấu chống đỡ

1.2.3 Phương pháp đào hầm bằng khiên (Shield method)

Khiên là một vỏ thép, tiến về phía trước theo chu kỳ (độ dài chu kỳ phụ thuộc tốc độ đổ bê tông đoạn vỏ đường hầm dưới sự bảo vệ của khiên) nhờ những kích thủy lực tựa lên đầu đoạn vỏ đường hầm đã thi công xong

Khiên di chuyển như sau: khi bê tông của đầu vỏ đường hầm đủ cường độ, đầu cần của pittong của kích được tỳ lên đó và dàn áp lực được bơm vào xi lanh, pittong

sẽ dịch chuyển trong xi lanh đẩy khiên tiến lên phía trước Gương đào cần được đào

sơ bộ 1 đoạn mà khiên có thể dịch chuyển được Chiều dài đó phụ thuộc vào loại đất đá, chiều dài đoạn vỏ đường hầm và khiên

Dưới sự bảo vệ của khiên, đá được đào bằng búa khoan hơi, khi gặp đá cứng thì phải nổ mìn tơi bằng các lỗ mìn nông Những vòm đá lơ lửng, dễ rơi ra trên đường di chuyển của khiên, sẽ được ép chặt nhờ tấm chắn gắn ở đầu khiên Dàn công tác di chuyển, bảo vệ an toàn cho công nhân làm việc ở các tầng dưới Đá đào

ra được xúc bằng tay, đưa vào phễu và rơi xuống băng chuyền đưa ra xe vận chuyển

Hình 1.3 Sơ đồ thi công bằng khiên

* Điều kiện áp dụng: Phương pháp này có thể thi công trong nhiều loại địa chất

khác nhau, khi thi công trong các điều kiện địa tầng xấu, đất đá không tự ổn định được thì tính ưu việt của máy càng rõ rệt Thường chỉ áp dụng cho đường hầm có tiết diện tròn

* Ưu điểm:

1 Dưới sự che chống cửa khiêm có thể đào và xây vỏ một cách an toàn

2 Tốc độ thi công nhanh, nhờ có nhiều công đoạn thi công song song với nhau như như khâu xúc chuyển và lắp ghép vỏ đồng thời

3 Khi thi công, không ảnh hưởng giao thông và công trình trên mặt đất, xuyên qua sông không ảnh hưởng đến giao thông thủy

4 Trong thi công không ảnh hưởng đến thời tiết, mưa gió, khí hậu

5 Trong thi công không gây tiếng ồn và chấn động, không cản trở môi trường xung quanh

6 Phương pháp thi công bằng khiên thích hợp nhất là xây dựng hầm trong địa tầng rời rạc, mềm yếu có nước, xây dựng đường hầm dưới đáy sông, trong thành phố và các loại công trình đô thị khác VD ở Thái Lan dùng khiên đào đường hầm dưới đáy sông

* Nhược điểm:

1 Phương pháp thi công bằng khiêm thích hợp với đường hầm dài, bởi vì khiêm là một loại cơ giới rất đắt có tính chuyên dụng rất cao, mỗi loại thích hợp với

điều kiện thủy văn, địa chất, kích thước mặt kết cấu riêng đã được thiết kế chế tạo đặc biệt, nhìn chung không thể thay đổi sử dụng một cách giản đơn vào công trình đường hầm khác

2 Nếu đường hầm có bán kính cong quá nhỏ hoặc lớp đất phủ trên hầm quá nông thì gặp rất nhiều khó khăn Đường hầm dưới đáy sông nếu gặp lớp đất phủ quá nông thi công sẽ không an toàn Khi thi công bằng khiên rất khó để tránh lún trong lớp đất phía trên, đặc biệt là chỗ tầng đất yếu lại có nước, khi lắp vỏ hầm phải phải yêu cầu rất cao về phun vữa vào sau lưng vỏ hầm

3 Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện nói chung là làm việc ở trạng thái có áp, do vậy yêu cầu vỏ bê tông phải đổ liền khối (không lắp ghép) Theo phương pháp này thì vỏ đường hầm được lắp ráp bằng các khối đúc sẵn chính vì thế

mà nó không thích hợp với đường hầm của nhà máy thủy điện

1.2.4 Phương pháp đào bằng máy đào (tunnel boring machine TBM)

TBM (Tunnel Boring Machine) là thiết bị đào hầm hiện đại sử dụng để đào đường hầm có tiết diện tròn trong các điều kiện địa chất khác nhau Đây là thiết bị đào làm đường hầm bằng phương pháp nghiền nát đá, hoàn toàn không dùng khoan

nổ Đường kính đào hầm của máy TBM có thể thay đổi từ 1-15m Dùng máy này không làm xáo trộn các cấu trúc của các lớp đất đá xung quanh hầm rất thuận tiện cho gia công thành hầm giảm đáng kể kinh phí gia cố kết cấu vỏ hầm

Máy sẽ trực tiếp nghiền nát đất đá bằng các núm thép được lắp đặt phía đầu; trong khi phần đuôi máy sẽ thực hiện việc lắp ghép các vỏ hầm bằng bê tông đúc sẵn được đưa từ ngoài vào Toàn bộ công việc được tiến hành đồng bộ, việc điều khiển máy được thực hiện tự động qua hệ thống máy móc hiện đại ở phía trong máy

và mỗi kíp làm việc bên trong máy lên đến vài chục giờ

a Cấu tạoTBM: Nó là một khối thiết bị rất lớn, có thân là một ống hình trụ, đường

kính bằng đường kính hầm, bên trong được bố trí chỗ cho người lái, băng chuyền,

hệ thống thông gió, hệ thống điện, các kích thủy lực, Ở đầu khay thép có thể điều khiển quay, trên khay được bố trí nhiều mũi thép hình cái đục giống như những răng cưa, hoặc những đĩa thép răng cưa, hoặc kết hợp cả hai

Hình 1.4 Cấu tạo phần đầu máy TBM có khiên đào

Hình 1.5 Mâm dao và mặt cắt máy TBM

b Các công đoạn thi công:

Khi khay tròn quay chậm, những răng thép được ép chặt vào trong đá, vò nát đá cho đến khi rơi ra, chui qua những hốc trên mặt khay chảy vào một hệ thống băng chuyền Hệ thống băng chuyền tiếp tục chuyển đá vụn ra đuôi của TBM để xe vận chuyển đưa ra ngoài hầm Những kích thủy lực được gắn trên các xương sống của TBM để đẩy TBM tiến lên phía trước, mỗi lần dịch chuyển được vài feet, tùy thuộc khối đá đào ở trước TBM

TBM không chỉ đào đá mà còn hỗ trợ chống đỡ vách hầm Khi máy đang quay

để đào, hai máy khoan đứng ngay sau đầu cắt tiến hành khoan vào đá, sau đó những công nhân bơm vữa vào lỗ đó rồi đặt neo giữ cho đất đá không rơi ra tạm thời cho đến khi lắp xong vỏ hầm

Trường hợp vách hầm là đá yếu dễ sạt lở thì khi TBM đào được một đoạn, máy

sẽ lùi ra để công nhân phun bê tông gia cố tạm thời, sau đó TBM lại tiếp tục đào và phía sau TBM người ta tiến hành thi công vỏ hầm

(50 – 100)cm, đốt hầm nối với nhau bằng mối nối gang Theo chu vi mỗi vành hầm lại được chia làm thành một số mảnh và ghép lại với nhau bằng mối nối dọc thẳng theo các bán kính hướng tâm Về nguyên tắc có thể chia đều chu vi đường hầm thành các đoạn bằng nhau để đúc các mảnh hầm cùng loại nhưng như vậy không lắp được mảnh cuối cùng khép kín vành hầm, để khép kín cần một mảnh đặc biệt hình nêm lắp vào từ phía trước hoặc ép từ bên trong, mảnh ghép cuối cùng gọi là mảnh khóa K Vị trí của các mảnh ghép trong các đốt sau lắp ghép lệch đi so với đốt trước

để tạo các mối nối so le nhau như mạch vữa xây bằng cách thay đổi vị trí các mảnh khóa

Nếu giữa các mối nối hầm các mối nối ngang được liên kết bằng bulông thì mảnh ghép được gọi là các bản tubing, kết cấu vỏ hầm làm việc như một đường ống còn các mối nối dọc liên kết với nhau băng bulong hoặc liên kết chốt

Nếu những đốt hầm liên kết với nhau bằng mối nối chốt hoặc chỉ là ép sít lại với nhau thì không gọi là tubing mà chỉ gọi là các bản cong, bản cong có sườn và gọi chung là nhưng vỉ ghép hầm

U

Vỏ hầm đổ tại chỗ:UĐược áp dụng khi địa chất tốt, sau khi đào đất đá trong hầm song, TBM được đưa ra ngoài sau đó tiến hành thi công vỏ bê tông như trong trường hợp nổ mìn đào hầm

1.3 Cấu tạo cửa hầm và đặc điểm thi công cửa hầm qua vùng đá yếu

1.3.1 Cấu tạo và nhiệm vụ cửa hầm

- Cửa vào đường hầm là một trong những phần rất đặc biệt của đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Đây là công trình bán lộ thiên của đường hầm, nằm tại sườn núi và luôn chịu áp lực đất đá, nước chảy từ phía ngoài trong cả thời gian thi công lẫn khi đưa vào sử dụng

- Cửa hầm có chức năng quan trọng nhất về mặt kết cấu nhằm:

+ Bảo vệ và chống đỡ cho lối vào, lối ra và các đường dẫn tới cửa hầm dưới tác dụng của những khối đá lớn

+ Ngăn ngừa và tạo cho nước ở mặt ngoài hầm chảy xuống dưới để không vào hầm

+ Tạo dáng cho cửa hầm bằng những chi tiết kiến trúc

- Từ quan điểm kết cấu trên, cửa hầm được chia làm 3 loại:

+ Loại cửa hầm nằm trong đất đá chắc, ổn định không cần làm vỏ cho toàn bộ

bề mặt cửa hầm

+ Loại cửa hầm có khả năng bị đá trượt lở, hoặc nước từ mặt ngoài thấm vào thì cần xây dựng tường mặt cho toàn bộ cửa hầm

+ Loại cửa hầm có khả năng bị áp lực đất đá đẩy vào thì bề mặt cửa hầm phải thiết kế theo dạng tường chắn

Trong thực tế, cửa hầm nằm ở nếp lõm của địa tầng nên địa chất yếu, do các lớp trầm tích tạo nên Để tăng khả năng chịu lực của các khối đất đá xung quanh cửa hầm, thì nên đào bỏ lớp đất đá ngoài cửa hầm và chọn tầng phủ ở đỉnh cửa hầm có chiều dày ít nhất 1,5D với D là đường kính đường hầm

- Công trình cửa đường hầm chủ yếu bao gồm: Khối đất đá mái dốc biên, khối đất đá mái dốc đỉnh, xây tường cuối, xây tường gà, và khối xây cửa hầm, xây vỏ hầm tại đoạn miệng Thi công công trình cửa hầm nói chung được làm sau khi đã vào hầm và cần làm tốt che chống mái dốc biên và mái dốc đỉnh trước, nhằm mục đích giảm thiểu cản trở đối với thi công thân hầm khi đang thi công cửa hầm

- Hào cửa hầm xuyên núi là phần bờ núi được đào đi với một số mục đích khác nhau trong đó cơ bản là:

+ Để lộ ra bề mặt của gương ngầm ngoài cùng của hầm

+ Mở không gian xây dựng cửa hầm, tạo mặt bằng xây dựng sân công tác và các công trình phụ trợ của hầm

+ Xử lý sườn núi cận kề cửa hầm để đảm bảo an toàn cho người và các thiết bị khi thi công

- Bờ dốc xung quanh cửa hầm xuyên núi có rất nhiều hình thái khác nhau Thông thường, có thể chia các bờ dốc xung quanh cửa hầm xuyên núi, theo hướng nhìn từ ngoài vào cửa hầm thành 3 phần: Một bờ dốc trên nóc cửa hầm và hai bờ dốc cánh bên cửa hầm Tuy rằng khi bố trí cửa hầm, nhà thiết kế đã cố gắng chọn địa điểm bờ dốc có lợi nhất, nhưng bên cạnh việc thiết kế công trình cho phù hợp với điều kiện xung quanh, vẫn có thể còn phải xử lý cả địa hình, địa vật và môi trường bờ dốc ở đây nữa

Đối với cửa hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện còn có các thiết bị như cửa van, máy đóng mở, các hàng phai, lưới chắn rác nên việc đào hầm phải kết hợp với việc lắp ráp các thiết bị một cách nhịp nhàng, thời gian đòi hỏi lâu Nhiều đường hầm dẫn vào nhà máy do quá dài nên phải mở thêm cửa hầm phụ nhằm vừa đào đất

đá vừa tạo đường cho xe máy thi công, trong lúc cửa hầm chính đang còn phải lắp ráp thiết bị

Hình 1.6 Sơ đồ thi công cửa hầm phụ 1.3.2 Đặc điểm thi công cửa hầm qua vùng đá yếu và một số địa chất bất lợi khi thi công hầm

a Đặc điểm thi công cửa hầm qua vùng đá yếu

- Cửa hầm qua vùng đá yếu ở đây được hiểu là các lớp đất đá bị phong hóa mạnh, những đứt gãy, những lớp đá xen kẹp đất mềm yếu, những lớp đá có hiện tượng ngậm nước lớn… Khi chưa đào hầm thì địa chất ở trên trạng thái cân bằng nén Sau khi đào hầm khối đất đá mất cân bằng nên tạo sự dịch chuyển để tìm lại sự cân bằng mới Mặt khác trong quá trình đào chưa kịp chống đỡ nên đất đá mỏi Từ hiện tượng đó nên sinh ra các lực “chùng ứng suất”, “từ biến”, và khi vượt quá khả năng chịu của đất đá, sẽ sinh ra hiện tượng sạt lở, sụt hầm, đòi hỏi phải sử lý rất tốn kém, ảnh hưởng đến tiến độ thi công

- Thi công đoạn miệng hầm qua vùng địa chất yếu thì trình tự mấu chốt nhất là đào để tiến vào hầm và lựa chọn lựa biện pháp chống trong khi đào Trước khi tiến vào hầm cần xem xét sự ổn định mái dốc cửa hầm, sức mang tải của đất đá, mối quan hệ giữa trục đường hầm và mái dốc của đường hầm, mà tiến hành phòng hộ hoặc gia cố mái dốc hai bên, mái dốc đỉnh cho thỏa đáng, cùng làm tốt hệ thống thoát nước Xác định phương pháp thi công miệng hầm phải căn cứ nhiều nhân tố

như tình hình máy móc thiết bị thi công, địa chất công trình, địa chất thủy văn và điều kiện địa hình, tiến độ thi công, an toàn và chất lượng, kết cấu chống đỡ

Khi mái dốc của cửa hầm không ổn định thì việc định vị cửa hầm hơi tiến về phía trước phối hợp với neo cắm sâu vào đất đá và đổ vật liệu đối trọng (khối đắp phản áp) thường tạo ra điều kiện thuận lợi

Hình 1.7 Sơ đồ mặt cắt dọc cửa hầm có khối đắp phản áp 1- Vỏ chống; 2Khối đắp phản áp; 3- Hành lang vòng; 4- Rãnh vòng; 5- Kè bào vệ bờ

dốc; 6- Lỗ thoát nước; 7- Rãnh dọc nền; 8- Bờ dốc hào thi công; 9- Vành chắn; 10- Bờ núi

đã xử lý

- Tại các vùng cửa hầm lớp phủ mỏng, đất thường rời rạc, nên áp lực địa tầng

lên kết cấu chống đỡ lớn hơn nhiều so với áp lực tác dụng lên hầm Chính vì vậy bê

tông vỏ hầm cần phải được gia cố với bê tông vòm ngược và cốt thép Phải áp dụng

việc thoát nước và chống thấm nước khi thấy cần thiết để bảo dưỡng vì sự rò rỉ

nước dễ xảy ra trong vùng cửa hầm Phải nghiên cứu tác động của động đất trong

điều kiện đất yếu vì động đất gây tác động bất lợi cho vùng gần cửa hầm

Cần phải nghiên cứu tổng hợp các vấn đề có thể xảy ra trong khi xây dựng

đường hầm như trượt lở, đất đá không đủ khả năng chịu tải, áp lực không đối xứng,

lún đất mặt, lũ gây xói lở Sau đó phải thiết kế những biện pháp hiệu chỉnh tương

ứng

c Một số loại địa chất bất lợi gặp phải khi thi công đường hầm

Khi thi công đường hầm thường gặp một số vùng địa chất đặc biệt bất lợi cho

việc thi công: như vùng hang động, vùng đất sụt, vùng địa tầng rời rạc… trong quá

trình đào, che chống và xây vỏ do ảnh hưởng của nhiều loại nhân tố có thể phát sinh

sụt lở đất đá, hầm đào bị biến dạng làm hỏng che chống, kết cẩu vỏ hầm bị nứt vỡ

Sau đây là một số loại địa chất yếu hay gặp phải ở vị trí cửa hầm

* UH iện tượng Karst

Đây là hiện tượng đá bị hòa tan tạo thành những hang động Nham thạch bị hòa

tan gồm có: đá vôi, đá hoa, thạch cao, đá muối v.v… bị tác dụng cơ giới, hóa học

của nước sinh ra vết nứt, thời gian lâu dài dẫn tới hình thành hang động, mặt đất đá

phát sinh hầm hố, đất trũng và một số hiện tượng lồi lõm khác Miền Bắc và miền

Trung nước ta có diện phân bố đá vôi rất rộng, thường hay gặp hang động Vì thế

xây dựng hầm phải hết sức chú ý, bởi vì khối lượng bê tông để lấp hang karst là rất lớn Ví dụ: Đường hầm dẫn nước của thủy điện Nho Quế 3 đã xử lý một hang Karst mất hàng chục tấn xi măng

Khi đường hầm xuyên qua tầng đá hòa tan, có nơi chất đá hang động đã vụn nát, rất dễ phát sinh sụt lở Có nơi hang động nằm dưới đáy hầm, vật chất lấp lại mềm dễ rời và rất dày, làm cho việc xử lý đáy hầm rất khó khăn Có nơi đã gặp ngòi rãnh đá bị vật chất bão hòa nước lấp đầy, khi đào đường hầm đến mép của chúng, vật lấp chứa nhiều nước sẽ đổ xô không ngừng vào hầm dẫn đến rất khó ngăn chặn, thậm chí làm cho mặt đất nứt vỡ lún sụt, áp lực khối đất đá trên núi tăng đột ngột

Có khi đã gặp túi nước lớn hoặc sông ngầm, nước cộng với nham thạch hòa tan hoặc nước lẫn bùn cát ồ ạt đổ vào đường hầm không gì ngăn cản nổi (như đã từng xẩy ra tại hầm đường bộ số 1 đèo Hải Vân) Có nơi sông ngầm uốn lượn quanh co trở đi trở lại rất phức tạp, xử lý rất khó khăn

* UHiện tượng phong hóa

Phong hóa là quá trình biến đổi đất đá và các khoáng vật chứa trong đó khi tiếp xúc trực tiếp với môi trường không khí Phong hóa được chia làm hai loại: phong hóa vật lý và phong hóa hóa học, ngoài ra còn có thêm phong hóa sinh học thực chất nó là quá trình phong hóa hóa học dưới tác nhân các chất do sinh vật tiết ra gây nên Khi đất đá bị phong hóa thì cấu trúc đá thay đổi làm mất cấu trúc kết tinh của

đá thành liên kết keo rời rạc cường độ và lực dính của chúng bị giảm đi Trong các tầng phong hóa đá trở nên rời rạc xen lẫn đất bùn, đá mồ côi do đó khi đào hầm dễ sụt lở áp lực địa tầng lớn

Khi thi công hầm trong lớp đá phong hóa cần giải quyết tốt vì chống và xử lý nước ngầm Trước khi xây dựng có thể bóc toàn bộ một hoặc một phân đất đá phong hóa, hoặc che phủ vật liệu chống phong hóa, cải tạo tầng phong hóa bằng cách phụt vữa Đối với hầm nằm trong đá chắc tuy áp lực địa tầng nhỏ có thể không phải cần xây vỏ nhưng để đảm không bị phong hóa thường phải trát xi măng

* UTầng đất rời rạc hoặc các lớp xen kẹp nằm nghiêng

Các loại này gồm: đá đã phong hóa; tầng đất lẫn sỏi cuội nổi, đất lẫn đá hạt, lẫn cát, và đất cát xen lẫn đất sét cho đến các loại cát khô không dính kết rời rạc v.v… Loại đất này có kết cấu địa tầng rời rạc, tính gắn kết yếu, tính ổn định kém, các lớp

đá nghiêng thường có độ kiên cố khác nhau, sự kết dính các lớp không chặt chẽ dẫn đến áp lực địa tầng lớn, áp lực phân bố lên vỏ đường hầm không đều và không đối xứng Khi đó đường hầm đi qua vùng địa chất này dễ phát sinh hiện tượng sạt lở, kết cấu vỏ rất phức tạp Nếu khu vực xây dựng có nước ngầm thì nước ngầm sẽ theo các lớp chảy vào đường hầm gây khó khăn trong thi công Đường hầm đi qua loại

địa tầng trên cần hết sức tránh làm xáo động Nói chung nên dùng nguyên tắc che chống trước sau mới đào, che chống kín mít vừa đào vừa bịt kín, khi cần thiết có thể dùng biện pháp vượt lên trước phun vữa cải thiện tầng đất và biện pháp khống chế

Một số nguyên nhân dẫn tới sụt đất:

- Đoạn hầm đi qua đoạn tầng, dải vụn nát hoặc nếp cong, nếp uốn nhỏ phát triển của tầng nham thể mỏng, mỗi khi đào gây hiện tượng chùng ứng suất, đất đá xung quanh hầm mất ổn định, nếu nhỏ thì làm cho đá rời từng cục sụt lở, lớn thì gây đất sụt Khi đi qua các loại bồi tích, do kết cấu rời rạc, giữa các hạt không dính kết hoặc dính kết yếu, sau khi đào xong cũng gây ra sụt lở Ở nơi mặt đất kết cấu mềm yếu phát triển hoặc vật lấp là bùn quá nhiều, đều sản sinh sụt lở lớn

- Đường hầm đi qua lớp phủ mỏng, nếu ở dọc sông, hoặc ở vùng áp suất lệch, hầm mặt nông ở chỗ trũng của hẻm núi và nằm nông ở sườn dốc thường rất dễ phát sinh sụt lở

- Nước là một trong những nhân tố trọng yếu tạo thành sụt lở Tác dụng làm mềm hóa xâm thực, xói mòn, hòa tan của nước ngầm càng làm gia tăng khối đất đá mất ổn định và sụt lở Giữa đá mềm rắn xen kẽ nhau hoặc nham thạch có kẹp tầng mềm yếu, dưới tác dụng của nước ngầm, cường độ của mặt mềm yếu giảm xuống rất nhanh, do đó mà phát sinh trượt đất đá

U

* Đứt gãy

- Đứt gãy là sản phẩm của sự phá hủy kiến tạo có sự dịch chuyển của đất đá trong

vỏ trái đất do chuyển động kiến tạo gây ra Đứt gãy có các yếu tố chính:

+ Mặt đứt gãy là mặt phá hủy, theo đó đất đá ở hai bên mặt sẽ dịch chuyển tương đối

+ Đường đứt gãy là giao tuyến của mặt đứt gãy với mặt địa hình, là đường thể hiền đứt gãy trên bản đồ địa chất

+ Góc của mặt đứt gãy là góc hợp thành của mặt đứt gãy với mặt phẳng nằm ngang

+ Hướng dịch chuyển của đứt gãy

+ Biên độ dịch chuyển của đứt gãy là khoảng cách xê dịch của lớp đá

- Căn cứ theo hướng dịch chuyển tương đối của hai cánh phân chia ra các loại đứt gãy chính: đứt gãy thuận, đứt gãy nghịch, đứt gãy bằng Ngoài ra còn căn cứ theo mối tương quan với các cấu trúc địa chất khác nhau theo độ sâu trên vỏ trái đất

để phân chia nhiều loại đứt gãy như đứt gãy dọc, đứt gãy cắt chéo, đứt gãy sâu, đứt gãy rìa Đối với đứt gãy bằng, còn phân biệt đứt gãy bằng quay phải và đứt gãy bằng quay trái Nếu nhìn từ trên xuống, thấy hướng dịch chuyển theo chiều thuận kim đồng hồ, thì đó là đứt gãy quay phải và nếu ngược chiều kim đồng hồ thì đó là đứt gãy quay trái

- Quy mô của đứt gãy thay đổi từ vài mét tới hàng chục hàng trăm ngàn Km Biên độ dịch chuyển của cá lớp đá ngay trong một đứt gãy cũng có thể thay đổi từ vài chục cm tới mấy ngàn mét theo chiều thẳng đứng và dịch chuyển ngang có thể

từ mấy chục Km tới hàng trăm Km Do ảnh hưởng của sự dịch chuyển, đất đá trong phạm vi đứt gãy bị chèn ép, thậm chí bị nát vụn và bị phong hóa bở rời Đa số các nghiên cứu đều cho thấy trong vùng đứt gãy, đất đá mang các tính chất của đất mềm, thường có cấu trúc xen kẹp, có sức chịu tải thấp, có tính biến dạng lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn, hệ số nén lún lớn, mô dun tổng biến dạng thấp, hệ số sực kháng cắt không đáng kể

- Rất nhiều công trình thủy lợi, thủy điện đều nằm trên tuyến đứt gãy Đường hầm núi chung và đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện nói riêng có chiều dài hàng nghìn mét, nên tuyến công trình xuyên qua đứt gãy là không tránh khỏi Trường hợp tuyến hầm dẫn nước thủy điện Buôn Kuốp gặp đứt gãy lớn phải chuyển tuyến

- Như vậy đối với một tuyến đường hầm, bao giờ cũng tồn tại hai dạng môi trường đất đá khác nhau, môi trường đá cứng và đá mềm rời Vì vậy xác định vị trí xây dựng công trình hầm ở hai dạng môi trường đất đá khác nhau thì có những vấn

đề chuyên môn khác nhau Ở khu vực môi trường đá tốt, nếu gặp điều kiện cấu tạo địa chất tốt, ứng suất địa tĩnh không lớn, địa tầng gồm các đá có bề dày lớn và có cường độ cao, trong trường hợp như vậy công trình đường hầm có thể được thiết kế không có kết cấu khung vỏ bảo vệ giữ ổn định, hoặc nếu cần thì chỉ cần thiết kế kết cấu nhẹ Nhưng nếu gặp trường hợp cấu tạo địa tầng kém, có nhiều đứt gãy đi qua,

nhiều hệ thống khe nứt và đới võ vụn, ứng suất tĩnh địa rất lớn, đá trầm tích với các lớp đá có bề dày nhỏ, đá bị phong hóa nghiêm trọng, chứa nhiều nước Trong trường hợp như vậy, kết cấu khung vỏ chống đỡ của công trình hầm sẽ chịu áp lực đất đá vây quanh rất lớn, nếu qua trình khảo sát không phát hiện ra thì quá trình này trong quá trình thi công sẽ không có biện pháp ứng phó thích hợp, lúc đó kết cẩu vỏ chống đỡ yếu sẽ có thể xảy ra các sự cố nghiêm trọng như sạt lở, biến dạng mất ổn định hoàn toàn

1.3.3 Các chú ý k hi thi công đoạn cửa hầm:

1 Trước tiên phải đánh giá ổn định mái dốc tự nhiên ở cửa hầm để có biện pháp

xử lý

2 Thi công miềng hầm nên tránh mùa mưa Khi tiến hành công trình đào đất đá tại miệng hầm không được dùng nổ phá lỗ sâu hoặc nổ phá bao thuốc tập trung để tránh ảnh hưởng ổn định hai bên dốc và mái dốc đỉnh Cầm dựa theo yêu cầu thiết

kế cắm tuyến mái dốc bên, mái dốc đỉnh, phải tiến hành đào theo đoạn từ trên xuống dưới, không được đào từ đáy hoặc vừa đào trên vừa đào dưới

3 Cần phải đào hót hết lớp bùn ngấm nước và các tạp chất thật sạch Đối với chỗ đất đá cường độ kém có thể kết hợp với điều kiện cụ thể dùng cách mở rộng móng, đóng cọc, phun vữa để gia cố móng

4 Tường vòm cửa hầm phải thi công đồng thời với tường vòm vỏ hầm gần đó liên kết thành một thể thống nhất, đảm bảo tường vòm nối với nhau thật tốt Đổ bê tông và đắp lại tường cuối cửa hầm cần tiến hành đồng thời hai bên, đề phòng sản sinh áp lực lệch đối với vỏ hầm

5 Sau khi hoàn thành song cửa hầm, nếu chân dốc đỉnh hầm bị hư hỏng, cần xử

lý kịp thời, ví dụ như tầng đất trên mái dốc bị vụn nát long rời nên dùng đá hộc chít vữa hoặc đặt các khung bê tông bên trong trồng cỏ

1.3.4 Các s ự cố sạt cửa hầm ở Việt Nam

Sự cố kĩ thuật khi xây dựng đường hầm qua đất đá mềm đặc biệt nghiêm trọng

và có tần suất xảy ra lớn hơn nhiều so với các loại công trình xây dựng khác Trong quá trình thi công đường hầm Việt Nam đã gặp phải rất nhiều sự cố kĩ thuật khác nhau Mỗi sự cố kĩ thuật xảy ra đểu là bài học hữu ích đối với những người xây dựng

Mặc dù có rất nhiều nguyên nhân gây ra sự cố kĩ thuật khi đào đường hầm nhưng kết quả thống kê cho thấy hầu hết rủi ro xảy ra trong các trường hợp thi công đường hầm qua đất mềm do điều kiện đất đá kém ổn định (đất đá bị phá hủy mạnh trung vùng đứt gãy, đất đá ở trước gương đào không ổn định, không dự báo trước

được vùng đứt gãy, có lớp đất sét trương nở…) do điều kiện đất đá thay đổi (các lớp đất đá xen kẽ nhau từ tốt đến xấu và không dự báo đươc điều kiện đất đá) hoặc ảnh hưởng của nước ngầm Sau đây là bảng 1.1 liệt kê các vấn đề hay xảy ra đối với cửa đường hầm:

Bảng 1.1 Các hiện tượng xảy ra hay xảy ra đối với cửa đường hầm

Áp lực không

đối xứng

Áp lực không đối xứng có thể tác dụng lên mặt cắt cửa đường hầm và có thể xuất hiện ứng suất lớn trong đường hầm tùy theo vị trí của mái dốc và hầm Nếu không làm cho đường hầm ổn định thì phải có biện pháp cân đối áp lực của đất bằng cách đổ vật liệu đối trọng hoặc cắt để ổn định mái dốc

Sập gương

Ở vùng cửa hầm đất thường yếu và cố kết kém Ngay cả khi đất đá chứa các loại đá cứng, các đứt gãy và vùng nứt nẻ có thể làm cho các nứt nẻ phát triển Trong nhiều trường hợp gương có thời gian đứng vững ngắn Khi gương không thể đứng vững lâu dài thì cần phải nghiên cứu áp dụng một phương pháp khai đào hay phương pháp phụ để bảo vệ gương không bị sập

Lún đất mặt

Tại vùng cửa hầm đất đá phủ ít, đất đá thiếu khả năng mang tải

và gương có thời gian đứng vững ngắn chắc chắn gây ra tác động lún truyền cho đất đá trên mặt Đối với các công trình trên mặt đất phải hạn chế lún cần đưa ra những biện pháp phù hợp để đề phòng

Hiện tượng Nguyên nhân

bất kỳ vấn đề nào và áp dụng một phương pháp phụ khi cần

Đá rơi

Phải thiết kế vùng cửa hầm để cho cửa hầm ở một vị trí không

có đá rơi, mảnh đá trôi Khi không thể định vị cửa hầm như vậy thì phải đưa ra những biện pháp phù hợp chống lại tai họa có thể xảy

Một số ví dụ về sự cố sạt cửa hầm ở các công trình Việt Nam

a Sự cố sụt lở tại cửa hầm phía nam hầm đường bộ qua đèo Hải Vân

Khi đào đến lý trình 0+27 hầm chính, nhà thầu đã tiến hành khoan phụt tạo ô cho chu kì tiếp theo Ngày 5/09/2001 sự cố kĩ thuật sảy ra, một khối lượng đất đá tại đỉnh hầm bị sụt lở kéo theo các khung tạo ô bị gục xuống Nhà thầu đã tiến hành phun bê tông liên tục vào vùng sụt lở nhưng hiện tượng sụt lở vẫn tiếp tục tăng và tạo thành hốc rỗng trên đỉnh hầm Đất trong khu vực này là đất phong hóa Granite

có dạng cát sét, đất tơi không đồng nhất bao gồm đất cát sét màu nâu vàng, xám trắng xen lẫn các dải sét cát màu nâu sầm, nước ngầm tại khu vực này chảy nhiều, luôn nhỏ giọt từ trên đỉnh hầm xuống và chảy ra từ các lỗ khoan thoát nước trên gương hầm Khi hiện tượng sụt lở vẫn tiếp tục gia tăng thì nhà thầu đã lấp lại gương hầm bằng đá, đồng thời dùng thiết bị nâng đưa lưới thép CQS6 vào phun bê tông Tuy nhiên biện pháp này chỉ ngăn được tạm thời trong ngày 06 và ngày 07/9/2001 Đến ngày 08/9 và 09/9 do lượng mưa lớn kéo dài làm cho mực nước ngầm tăng lên

và dẫn đến sạt lở tiếp tục Vật liệu thoát ra từ gương hầm là sét pha cát bão hòa nước (dạng bùn) với tổng khối lượng khoảng 300mP

3 P

Hình 1.8 S ụt lở tại cửa hầm phía nam đường hầm Hải Vân

- Nguyên nhân:

+ Nguyên nhân do khảo sát: Số liệu khảo sát đã không lường trước được sự tồn tại của các khối cuội tảng có kích thước lớn làm phá vỡ tính đồng nhất của môi trường Kết quả khảo sát không cung cấp đầy đủ số liệu về điều kiện địa chất thủy văn, đặc biệt là mức độ giảm bền của khối đất đá do lưu lượng và tốc độ thấm của nước ngầm vào mùa mưa

+ Nguyên nhân do thiết kế: Chính vì các số liệu khảo sát không đầy đủ nên biện pháp thiết kế, thi công đề ra trong thiết kế không tính tới khả năng mắt ổn định tại mặt gương khi đất đá bão hòa nước

+ Nguyên nhân khác: do trước khi thi công dự án hầm Hải Vân, các nhà thầu Việt Nam hầu như chưa thi công công trình nào trong khối đất yếu tương tự như hầm hải vân nên còn ít kinh nghiệm trong đánh giá rủi ro và các biện pháp phòng ngừa cần thiết

Hầm thủy lợi Ngàn Trươi - Cẩm Trang (Hà Tĩnh), rộng 10m, cao 9 m, dài 240m vào ngày 22/9/2010 thì khi xảy ra sự cố sập cửa thi công hầm khi đó gương đào đã tiến được vào khoảng 70m Theo các nhân chứng: khi công nhân bắt đầu nghỉ trưa,

đã phát hiện ở cửa hầm phía trái có nhiều vết nứt và một số đất đá nhỏ rơi; rồi sau khoảng 10 phút thì một khối đất đá khổng lồ đổ sập xuống, bẻ gẫy 7 vòm chống sơ

bộ cửa hầm và bịt gần hết đường vào hầm Trong thực tế, loại sự cố này không phải hiếm gặp, Đây là loại sự cố sập đổ đất đá nóc tại cửa thi công hầm nằm bên sườn núi xuống cửa hầm đang chống giữ sơ bộ

Hình 1.9 Đống đổ nát cửa tạm thời hầm thủy lợi Ngàn Trươi – Cẩm Trang

Hình 1.10 Hoạt động thiếu an toàn ở phía trong chỗ sập đổ cửa tạm

thời hầm thủy lợi Ngàn Trươi

- Sự cố này là kết quả tổng hợp của nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan

khác nhau Trong đó, đáng chú ý là:

+ Trình độ người thiết kế trong việc đánh giá và xử lý ảnh hưởng của các yếu

tố tự nhiên còn chưa phù hợp với thực tế khách quan Thời gian thi công dài, nhưng không tiến hành đo biến dạng và chuyển vị của biên đào, không đánh giá đặc tính

lưu biến của đất đá xung quanh và không đánh giá được tác hại của dòng nước trọng lực đối với cả mật độ và tính liên kết của đất đá vây quanh các mặt lộ mới hình thành

+ Phương án thi công kết cấu gia cố mặt trước hào cửa hầm, cùng với quy trình thi công kết cấu chống giữ cửa và cổ hầm chưa phù hợp với môi trường tự nhiên

Sự cố sập đổ cửa thi công hầm thủy lợi Ngàn Trươi – Cẩm Trang ngày 22/9/2010 là hậu quả của những sai lầm lớn trong công tác thiết kế và thi công ở đây:

+ Cơ hệ đất đá cùng với hệ thống kết cấu gia cường sơ bộ bờ dốc, cùng với cửa

và cổ hầm sơ bộ đáng lẽ không phải làm việc trong điều kiện có nước trọng lực, nhưng trên thực tế đã phải tồn tại vượt qua cả mùa mưa mà không được quan trắc đánh giá để gia cường thêm

+ Đất đá xung quanh cửa hầm vừa kém liên kết, vừa dễ bị giảm chất lượng đáng

kể bởi nước trọng lực, nhất là bởi nước mưa

+ Đường hầm được thi công theo công nghệ không chia gương, nên quy mô gương đào là không nhỏ

+ Đường hầm được thi công theo hướng từ ngoài vào trong; theo thời gian, chất lượng đất đá bị giảm dần, ngược lại các tải trọng chung tăng dần, đặc biệt độ nứt nẻ của đất đá tăng lên, tính liên kết của chúng giảm xuống, trong khi lực xô trượt và lực gây sụt tăng dần không kiểm soát được

+ Bờ dốc chính diện hào cửa hầm đã được bóc hết lớp đất phủ nguyên thủy và

đã được chia thành các tầng, nhưng tầng dưới cùng để mở gương hầm đầu tiên lại

có chiều cao cùng với góc dốc sườn tầng chưa tương xứng với quy mô cửa và cổ hầm trong thời gian thi công, đặc tính của khối đá còn lại xung quanh, cùng với sự ảnh hưởng xấu của thời tiết các mùa khác nhau trong 1 năm

+ Lớp đất đá của tầng chân bờ dốc còn lại trên nóc đoạn cửa và cổ hầm thi công

là rất mỏng Sau quá trình biến đổi cơ lý, lớp này đã bị tăng độ nứt nẻ, giảm mật độ

và giảm tính liên kết, cho nên trở thành mất tương xứng với cả yêu cầu tạo vòm cân bằng tự nhiên trên nóc hầm và yêu cầu chống trượt của bờ dốc

+ Do đặc thù của quá trình đào chống sơ bộ ở đây, cho nên mặt lộ xung quanh hầm vẫn có khoảng biến dạng tự do; thêm vào đó, hệ thống kết cấu thép gia cường

sơ bộ, tuy mang tính cứng khi các tải trọng song song với mặt phẳng vì chống, nhưng vẫn mang tính biến hình tức thời khi các tải trọng không song song với mặt phẳng vì chống

+ Theo thời gian, chất lượng của đất đá phần bờ dốc xung quanh cửa và cổ hầm càng xấu đi Cả các tải trọng tác dụng trong các mặt phẳng vuông góc với trục dọc hầm lò (gây biến dạng các vì chống) và các tải trọng ngang, song song với trục dọc hầm lò (gây trượt bờ dốc và xô đổ các vì chống) càng phát triển, nhưng khả năng chống trượt của cả lớp bê tông phủ ngoài bờ dốc và kết cấu thép chống giữ bên trong cửa và cổ hầm không những không lớn, mà còn bị giảm dần do phong hóa + Tác dụng tổng hợp của tải trọng gây trượt và tải trọng gây sụt bờ dốc ở đây,

đã vượt quá giới hạn ổn định tổng hợp của bản thân đất đá và hệ thống kết cấu gia cường; cho nên đã dẫn tới sự cố sập đổ phần bờ dốc đè trên cửa và cổ hầm

1.4 Đặc điểm thi công cửa vào đường hầm qua điều kiện đá yếu ở thủy điện Nho Quế 3

1.4 1 Vị trí công trình

Dự án thủy điện Nho Quế 3 là công trình thứ 3 trong hầm dẫn và mở rộng cho hết mặt cắt thuỷ điện trên sông Nho Quế thuộc địa phận huyện Mèo Vạc tỉnh Hà Giang, nằm cách trung tâm tỉnh Hà Giang 170km về hướng Bắc

Dự án thủy điện Nho Quế 3 là công trình kiểu đường dẫn gồm: Cửa lấy nước, kênh dẫn nối với đường hầm áp lực dài gần 1,9km dẫn nước vào nhà máy thuỷ điện Nước sau khi ra khỏi nhà máy sẽ trả lại sông Nho Quế

Nhiệm vụ chính của dự án là phát điện Với công suất lắp máy 110MW, hàng năm cung cấp cho lưới điện quốc gia 507,6 triệu kWh

1.4 2 Các thông số chính của công trình

- Cấp công trình: Công trình thuộc cấp II

- Mực nước dâng bình thường (MNDBT): 360,00 m

- Mực nước chết (MNC): 358,00 m

- Dung tích toàn bộ hồ chứa (Wtb): 2,18 triệu mP

3

- Công suất lắp máy: Nlm = 110 MW

- Điện lượng bình quân năm: ER 0 R= 507,59 triệu KWh

- Số tổ máy: 2 tổ

1.4 3 Cụm công trình đầu mối và tuyến năng lượng

- Đập dâng: có chiều rộng đỉnh đập 8,9m, Cao trình đỉnh đập 369,00m, Chiều cao đập lớn nhất là 28,50m, Chiều dài tuyến đập theo đỉnh là 34,40m

- Đập tràn: bố trí ở lòng sông phía bờ trái, Xả mặt không cửa van, mặt cắt thực dụng dạng Ôphixêrôp, cao độ ngưỡng tràn 360,00m Tiêu năng trường hợp lưu

lượng nhỏ bằng mũi hắt, với lưu lượng lớn bằng dòng chảy đáy, cao trình mũi phóng 347,50m

- Kênh dẫn: từ tuyến đập đến cửa hầm dẫn nước dài 2845m, nằm trên sườn núi thấp có độ dốc 20-30P

o P, đáy đầu kênh dẫn cao trình 352,00m, cao trình đỉnh thành kênh là 360,40m Kênh có mặt cắt hình chữ nhật BxH = 7,0x8,4m

- Đường hầm áp lực: Nối tiếp kênh hở là đường hầm dẫn nước có áp Đáy hầm nằm ở cao trình 340,76m đến cao trình 323,00m, đoạn cuối ở cao trình 234,00m Hầm có mặt cắt hình móng ngựa với chiều rộng thông thuỷ bằng 6,0m và bán kính vòm trên R=3,0m Vỏ hầm bằng bê tông cốt thép M30 dày 0,75m được neo vào vách đá bằng neo thép Φ25CIII

- Tháp điều áp: được bố trí tại đoạn hầm ngang cách cửa lấy nước vào hầm khoảng 1700m, cao trình đỉnh tháp 371,00m Tháp gồm 02 buồng, buồng trên cao 15,0m, đường kính trong 22,0m, chiều bê tông trung bình 2,5m Buồng dưới cao 18,0m, đường kính trong 16.0m và chiều dày vỏ bê tông 1,0m

- Nhà máy thuỷ điện, kênh ra: Nhà máy thuỷ điện Nho Quế 3 được lắp 02 tuabin Francis trục đứng với công suất 55,0MW mỗi tổ Các cao độ chính của nhà máy như sau: Cao trình sàn lắp máy 234,00 m; cao trình sàn gian máy 220,00m; cao trình sàn tua bin 214,80m; Cao trình đặt máy 210,60 m

1.4 4 Điều kiện địa chất tuyến hầm

Nối tiếp kênh hở là đường hầm dẫn nước có áp dài 1821.0m( mặt bằng) và 1912.0m (theo trắc dọc) Toàn tuyến nằm trong thành tạo đá vôi của hệ tầng Bắc

Sơn (C-Pbs) Dọc theo tim tuyến hầm dẫn địa hình phân cắt mạnh mẽ, sườn tự

nhiên ở cao trình 382-505m Đáy đầu hầm nằm ở cao trình 341.00m, đáy cuối hầm

ở cao trình 234.41m Thân hầm nằm hoàn toàn trong đá vôi đới IIA là đá gốc nứt nẻ mạnh phát triển nhiều hang hốc karst, đá cứng chắc, có 02 phá huỷ kiến tạo bậc IV

và 03phá huỷ kiến tạo bậc V cắt qua

Theo kết quả khoan thăm dò cho thấy hoạt động karst phát triển tương đối mạnh

mẽ, tạo thành các hang hốc karst có kích thước từ 0.2-3.6m và đôi khi tới hàng vài chục mét Vì thế có thể gặp các rủi ro khó lường trước và gặp khó khăn khi xử lý

sự cố như sập, sạt nóc hầm nên phải thiết kế các kiểu gia cố điển hình dự phòng

* Đoạn hầm dẫn nước có áp từ cửa lấy nước trước hầm đến giếng đứng:

Nối tiếp kênh hở là tuyến hầm dẫn nước có áp dài 1912.0m ( cao trình nền hầm 340.76m -323m) Toàn tuyến nằm trong thành tạo đá vôi của hệ tầng Bắc Sơn (C-

Pbs) Dọc theo tim tuyến hầm dẫn địa hình phân cắt mạnh mẽ, sườn tự nhiên ở cao trình 382-505m Căn cứ tài liệu các hố khoan khảo sát trong giai đoạn DAĐT và

TKKT1: N3-HD1/40m; NQ3-NL3/60m;N3-HD2/80m, N3-A1/40m), thứ tự từ trên xuống gồm các lớp đất đá sau :

- Lớp (2a) sườn tàn tích : A' sét lẫn nhiều dăm cục Bề dày 1-5m

- Đới phong hóa mãnh liệt (IAR 1 R) : A' sét lẫn nhiều dăm sạn Bề dày 1-4m

- Đới phong hóa mạnh (IAR 2 R) : Đá gốc phong hóa thành dăm mảnh nhét sét Bề dày 1-5 m

- Đới phong hóa (IB) : Đá gốc phong hóa trung bình, nứt nẻ mạnh phát triển nhiều hang hốc karst, cứng chắc trung bình

- Đới đá nứt nẻ (IIA) : Đá gốc nứt nẻ mạnh, phát triển nhiều hang hốc karst, đá cứng chắc

Theo dự kiến đáy đoạn hầm dẫn có áp ở khoảng cao trình 340.76m-323m, đường kính 5.5m nằm hoàn toàn trong đá vôi đới IIA cứng chắc, nằm trên mực nước ngầm khoảng 1-2m đến 20m, gặp 2 phá hủy kiến tạo bậc IVvà 2 phá huỷ kiến tạo bậc V cắt qua Theo kết quả khoan thăm dò cho thấy hoạt động karst phát triển tương đối mạnh mẽ, tạo thành các hang hốc karst có kích thước từ 0.2-3.6m và đôi khi tới hàng vài chục mét Vì thế có thể gặp các rủi ro khó lường trước được và gặp khó khăn khi xử lý các sự cố như sập, sạt nóc hầm nên phải có các phương án dự phòng rủi ro

* Đoạn hầm dẫn nước có áp từ giếng đứng đến nhà máy:

Nối tiếp giếng đứng là tuyến hầm dẫn nước có áp dài 86.83m (cao trình nền hầm 233m - 234m), đường kính 5.0m Toàn tuyến nằm trong thành tạo đá vôi của

hệ tầng Bắc Sơn (C-Pbs) Dọc theo tim tuyến hầm dẫn địa hình phân cắt mạnh mẽ,

sườn tự nhiên ở cao trình 390m - 272 m, sườn núi có độ dốc tự nhiên 30P

0 P

- 40P 0 P Căn

cứ tài liệu các hố khoan khảo sát trong giai đoạn DAĐT và TKKT1, thứ tự từ trên xuống gồm các lớp đất đá sau :

- Lớp (edQ+ IAR 1 R) : A' sét lẫn nhiều dăm cục Bề dày 1-5m

- Đới phong hóa mạnh (IAR 2 R) : Đá gốc phong hóa thành dăm mảnh nhét sét Bề dày 1-5 m

- Đới phong hóa (IB) : Đá gốc phong hóa trung bình, nứt nẻ mạnh phát triển nhiều hang hốc karst, cứng chắc trung bình

- Đới đá nứt nẻ (IIA) : Đá gốc nứt nẻ mạnh, phát triển nhiều hang hốc karst, đá cứng chắc

Theo dự kiến đoạn hầm dẫn có áp này nằm hoàn toàn trong đá vôi đới IIA cứng chắc, nằm trên mực nước ngầm khoảng 1-2m đến 20m ( đoạn tiếp giáp giếng đứng nằm dưới mực nước ngầm từ 1m-5m) Theo kết quả khoan thăm dò cho thấy hoạt

động karst phát triển tương đối mạnh mẽ, tạo thành các hang hốc karst có kích thước từ 0.2-3.6m Vì thế có thể gặp các rủi ro khó lường trước được và gặp khó khăn khi xử lý các sự cố như sập, sạt nóc hầm nên phải có các phương án dự phòng rủi ro

1.4.5 Đặc điểm thi công cửa đường hầm qua vùng đá yếu thủy điện Nho Quế 3

Theo hồ sơ thiết kế đoạn cửa vào hầm nhà máy thủy điện Nho Quế 3 có vỏ được làm bằng bê tông cốt thép M30 hình móng ngựa có chiều dày bê tông chỗ mỏng nhất là 0,74m, đường kính trong DR 0 R= 5,5m; chiều rộng đáy vòm 6,98m; chiều cao đến đỉnh vòm 6,74m Trước khi thi công cửa hầm được gia cố tạm bằng biện pháp khoan neo vượt trước bằng thép Φ32CIII chiều dài 3.5m với khoảng cách neo 30cm, bước theo dọc trục hầm a= 2.0m Chống đỡ bằng vòm thép I24 với khoảng cách các vòm thép 0,5m Sau khi vòm thép được dung tiến hành phun vữa

Hình 1.11 Mặt cắt đoạn cửa vào đường hầm thủy điện Nho Quế 3

Theo hồ sơ thiết kế đường hầm thủy điện Nho Quế 3 cửa hầm nằm ở tọa độ X=2558724.51; Y=554180.21 nằm sâu trong lớp lớp đá vôi AII nứt nẻ mạnh thuộc

hệ tầng Bắc Sơn (C-Pbs) Hoạt động Karst phát triển tương đối mạnh mẽ, theo kết quả thăm dò của hố khoan N3-HD1 cách vị trí cửa vào 25m phát hiện một số hang hốc Karst có kích thước khoảng 0,5m được thống kê trong bảng 1.2:

Bảng 1.2 Kết quả khảo sát hố khoan gặp hang karst tại hố khoan

N3-HD1 hầm dẫn nước Nho Quế 3

Tên hố khoan

Cao độ miệng hố

(m)

Độ sâu gặp hang (từ- đến)

m

Chiều rộng hang (m)

Chất lấp nhét hang

Vị trí công trình

N3-HD1

370.123

23.0-23.5, 28.5, 47.0-47.5 0.5 Hang rỗng

28.0-Cửa vào hầm dẫn nước

Hình 1.12 Mặt cắt dọc cửa vào đường hầm thủy điện Nho Quế 3

Bề mặt sườn dốc chỗ đặt cửa hầm địa hình khá dốc 30-40P

o P, nhiều chỗ dốc đứng, hiện tượng sạt trượt, rãnh xói, khe xói, mương xói khá phát triển, thường xảy ra vào mùa mưa lũ Các khối sạt còn lại chủ yếu phát triển trong lớp phủ edQ

Theo dự kiến đáy đoạn hầm dẫn có áp ở khoảng cao trình 340.76m trong khi đó cao trình mặt đất tự nhiên 359,7m, vì vậy để lộ ra mặt cắt gương cửa hầm ta sẽ phải bóc bỏ lớp đất đá phủ sâu 18.9 m do đó dễ làm mất trạng thái cân tự nhiên của mái dốc

Việc thi công cửa hầm ở đây gồm hai công việc chủ yếu là thi công phần hở (tạo mái taluy) và thi công phần ngầm (mở mặt cắt gương hầm), do cửa hầm nằm khá

sâu dưới lớp đất đá phủ, đá lại nứt nẻ mạnh dễ sạt trượt nên hai công việc này không thể đồng thời tiến hành do đó việc thi công cửa hầm theo sơ đồ nối tiếp từng phần theo trình tự xây phần hở trước → thi công phần ngầm Điều này có nghĩa công tác thi công cửa hầm chỉ được tiến hành sau khi đã tạo các độ dốc của mái taluy cửa hầm và phun bêtông gia cố các taluy nhằm tránh khỏi bị tróc lở nhỏ và chống lại sự xói mòn của các dòng chảy (kể cả dòng nước và các dòng phóng vật khác) qua đây

Một khác hoạt động karst ở khu vực này khá phát triển, đất đá nứt nẻ mạnh, việc khảo sát khó có thể lường trước được hết các rủi ro, khi tiến hành mở gương hầm ngoài biền pháp chống đỡ bằng vòm thép, ta phải dùng các biện pháp phụ để

ổn định mặt đào như neo vượt trước, giàn ống, phụt vữa gia cố

vị trí hầm ở dưới đỉnh núi Mặt khác việc sử lý cửa hầm cùng tiến hành với đào thân hầm nên thời gian thi công cửa hầm thường bị gián đoạn do phải chờ gia cố phần mái dốc nóc hầm, đặc biệt trong thời gian mùa mưa Từ hiện tượng trên nên cửa hầm luôn chịu hiện tượng “chùng ứng suất”, “từ biến”, và đôi khi gặp “trương nở”

từ lý do trên nhiều cửa hầm thi công ở Việt Nam vào mùa mưa luôn bị sạt trượt, thậm trí bục cửa hầm, phải có thời gian sửa chữa lâu Một số cửa hầm hầm đã tìm cách tránh hiện tượng trên bằng cách thi công cửa hầm phụ

3 Cửa vào đường hầm thủy điện Nho Quế 3 nằm trong thành tạo đá vôi của hệ

tầng Bắc Sơn (C-Pbs) cứng chắc, nứt nẻ trung bình đến nứt nẻ mạnh, hoạt động

karst mạnh mẽ Vì thế có thể khi đào cửa hầm phải dùng một số biện pháp gia cố ổn định gương hầm trước khi đào nhằm tránh các rủi ro khó lường trước được và gặp khó khăn khi xử lý các sự cố như sập, sạt nóc hầm

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG ÁN THI CÔNG CỬA VÀO ĐƯỜNG HẦM QUA

VÙNG ĐÁ YẾU 2.1 Các phương pháp thi công cửa hầm qua vùng đá yếu

Trong thi công đoạn cửa hầm thì trình tự mấu chốt nhất là đào để tiến vào hầm

Có 2 phương pháp đào:

+ Đào toàn mặt cắt

+ Đào theo hầm dẫn và mở rộng cho hết mặt cắt

Phương pháp 1: Đào toàn mặt cắt

Công tác thi công cửa hầm được tiến hành sau khi đã tạo các độ dốc của mái taluy cửa hầm và phun bê tông gia cố các taluy nhằm tránh đảm bảo các an toàn khi thi công cửa hầm Dọn dẹp sạch phần đất đá cửa hầm rồi tiến hành neo vòm thép có cùng tiết diện với hầm Tiến hành cố định các khung thép bằng bảo tải cát, sau đó tiến hành định vị vị trí các lỗ mìn trên gương, tiến hành nổ phá trên toàn mặt cắt gương hầm

Phương pháp này thường được áp dụng đối với những loại đất đá cường độ chịu nén Rn > 400kg/cmP

2 P

và có tiết diện ngang <120 mP

2 P U

Ưu điểm:U là không gian công tác tương đối lớn thích hợp với thi công cơ giới loại lớn Tốc độ thi công cũng tương đối nhanh, do đào toàn mặt cắt nên tiện lợi cho công tác tổ chức và quản lý thi công

U

Nhược điểm:UMặt đào tương đối lớn nên tính ổn định của đất đá cũng bị giảm thấp, yêu cầu năng lực đào, năng lực vận chuyển đá rất lớn Mặt khác do chỉ đào một lần trên toàn mặt cắt nên cường độ chấn động đối tới đất đá khi nổ mìn là mạnh, vì thế yêu cầu cần khống chế chặt chẽ thiết kế nổ phá, nhất là đối với vùng đất đá có tính ổn định tương đối kém

Trình tự thi công cửa hầm theo phương pháp này như sau:

U

Bước1:UĐào bóc đất đá tạo mái taluy cửa hầm

Dùng máy đào kết hợp với khoan nổ tiến hành bóc bỏ lớp đất phủ để tạo mái taluy theo hồ sơ thiết kế Việc thi công mở mái taluy tuân thủ theo nguyên tắc hạ dần từ trên xuống dưới, chỉ được tiến hành công việc ở cơ dưới khi công tác khoan đào ở cơ trên đã hoàn thành

Hình 2.1 Đào bóc bỏ mái taluy cửa hầm

U

Bước 2:UGiải lưới thép và phun gia cố mái taluy

Hình 2.2 Phun bê tông gia cố mái taluy

Mái taluy sau khi đào khi tiếp xúc với không khí dễ bị hiện tượng phong hóa, hoặc khi gặp nước mưa gây ra xói lở bờ dốc, hoặc trong vùng đất đá vụn nát long rời để đảm bảo an toàn cho người và phương tiện trong quá trình thi công phía dưới người ta tiến hành đặt lưới thép và sau đó phun bê tông gia cố mái taluy Việc lắp đặt lưới thép được thực hiện bằng cách cho công nhân đứng ở sàn nâng của máy khoan hoặc đà giáo xây dựng lắp đặt những vị trí cần đặt lưới thép vào mái taluy, dùng đinh ghim ép sát lưới thép vào mái taluy Sau khi giải lưới thép song tiến hành phun nước vệ sinh sạch sẽ mặt mái taluy dùng máy nén khí làm khô, sau đó phun bê tông vào những chỗ đã đặt lưới

U

Bước 3:UDùng máy toàn đạc xác định vị trí tim hầm và chu vi vỏ hầm Sau đó neo vòm thép có cùng tiết diện với hầm phía ngoài cửa hầm Tiến hành cố định các

khung thép bằng bảo tải cát, sau đó tiến hành định vị vị trí các lỗ mìn trên gương, tiến hành nổ phá toàn mặt cắt gương cửa hầm

Phương pháp 2: Đào hầm dẫn và mở rộng dần cho hết mặt cắt

Phương pháp này được dùng chủ yếu trong điều kiện đất đá bị ép vắt, nát vụn, mềm yếu áp lực địa tầng lớn, hoặc tiết diện hầm lớn trong khi thời gian tự ổn định của đất đá tương đối nhỏ Để an toàn và tránh rủi ro khi thi công cửa hầm người ta hay dùng biện pháp đào hầm dẫn và mở rộng dần cho hết mặt cắt

Trình tự thi công cửa hầm theo phương pháp trên được thực hiện như sau: U

Bước1:UĐào bóc đất đá tạo mái taluy cửa hầm

Việc đào mái taluy được thực hiện theo trình tự đào từ trên xuống dưới, chỉ được đào cơ dưới khi cơ trên đã hoàn thành

U

Bước 2:UKhoan cắm ống thép vào mặt cắt gương hầm

Dùng máy đào kết hợp với khoan nổ để tạo ra mặt cắt gương hầm như hình vẽ Sau đó đóng các ống thép có chiều dài L dọc theo chu vi mặt cắt hầm

Hình 2.5 Khoan cắm ống thép vào mặt cắt gương hầm

Bước 3:UĐào hầm dẫn trên

Dựng các vòm thép trước cửa hang và cố định vòm bằng các bao tải cát chất ở phía trên Sau đó đào phần hang dẫn ở phía trên như hình vẽ Đào đến đâu ta tiến hành dựng vòm thép che chống đến đó Chiều dài đào hang dẫn trên luôn nhỏ hơn chiều dài ống thép đóng vào một khoảng 1,2-1,5 m

Hình 2.6 Đào hầm dẫn trên

U

Bước 4:UĐào hầm dẫn dưới

Sau khi đào song hầm dẫn trên ta tiến hành đào phần dưới Với những loại vì chống bên trên sẽ bị hẫng khi nổ mìn bậc dưới Việc giữ vì chống vòm khỏi bị sập

có thể thực hiện bằng việc sử dụng các dầm gánh treo vào các vì chống đã được kê giữ bằng các quang treo Theo tiến trình dịch chuyển của gương, dầm treo cũng được dịch chuyển về phía trước xuyên qua bậc nổ mìn

Hình 2.7 Đào hầm dẫn dưới

Bước 6:U Tiến hành thi công vỏ bê tông

2.2 Các biện pháp gia cố đường hầm

Trong đá cứng nứt nẻ, phân lớp hoặc có kẹp các lớp sét, đá phong hóa thì sau khi đào có thể xảy ra hiện tượng dịch chuyển, đá rơi từng hòn cá biệt hoặc toàn bộ khối đá sụt xuống Hiện tượng này không xảy ra tức thời ngay sau đào mà thường sau một thời gian tính bằng giờ hoặc chục giờ Chính vì vậy việc lắp đặt kết cấu chống đỡ sau khi thi công không những để ngăn chặn đá rơi, sập lở vào người lao động và trang thiết bị mà còn bảo vệ khối đá xung quanh công trình ngầm trước các tác động phá hủy của hiện tượng phong hóa, hạn chế dịch chuyển của khối đá, giữ

ổn định khoảng chống đảm bảo công tác vận hành, vận chuyển và thông gió Sau đây là một số biện pháp gia cố đường hầm

2.2.1 Vì chống vòm thép

a Điều kiện áp dụng

Trong đá cứng bị nứt nẻ (fR k R<4), phân lớp hoặc có các lớp đất đá nát vỡ nềm yếu sau khi đào có thể xảy ra hiện tượng xê dịch và sụt lở nhằm ngăn chặn biến dạng vượt quá của đất đá và chịu đựng bộ phận tải trọng long rời khi đó người ta hay dùng vì chống dạng vòm thép Việc sử dụng giá vòm thép mang lại hiệu quả như sau:

+ Tăng cường và hạn chế đất đá biến dạng, vì độ cứng của giá vòm thép rất cao, nên giá vòm thép có thể hạn chế được tác dụng biến dạng của hầm

+ Làm điểm chống để cắm các ống thép vượt lên gia cố trước khi đào