Bài giảng Công trình ngầm

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT BÀI GIẢNG MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM Biên soạn: PGS.TS. Nghiêm Hữu Hạnh HÀ NỘI 2012 1 MỤC LỤC Mục Trang Chương 1 Khái quát về công trình ngầm 3 1.1 Giới thiệu chung 3 1.2 Sơ lược về lịch sử xây dựng công trình ngầm 3 1.3 Một số khái niệm 11 Chương 2 Tính toán ổn định công trình ngầm 24 2.1 Công tác khảo sát dự án 24 2.2 Ổn định của công trình ngầm đào bằng phương pháp đào mở 39 2.3 Ổn đinh của công trình ngầm đào bằng phương pháp đào kín 66 Chương 3 Một số phương pháp pháp thi công công trình ngầm 82 3.1 Thi công công trình ngầm theo phương pháp đào mở 82 3.2 Thi công công trình ngầm theo phương pháp đào kín 115 Chương 4 Quan trắc công trình ngầm 144 4.1 Quan trắc hố đào và công trình lân cận 144 4.2 Quan trắc đánh giá và đo đạc đường hầm 151 Tài liệu tham khảo 167 2 Chương 1 Khái quát về công trình ngầm 1.1 Giới thiệu chung Công trình ngầm là công trình nằm trong lòng đất. Theo mục đích sử dụng, có thể phân chia như sau: Công trình ngầm giao thông: hầm đường sắt, hầm đường ô tô xuyên núi, hầm cho người đi bộ, tầu điện ngầm, hầm vượt sông. Công trình thủy lợi ngầm: hầm công trình thủy điện, hầm dẫn nước tưới tiêu, hầm cấp thoát nước, hầm đường thủy Công trình ngầm đô thị: hầm giao thông đô thị (hầm ở nút giao thông, hầm cho người đi bộ, hầm tầu điện ngầm…) hầm cấp thoát nước, hầm cáp thông tin, năng lượng (collector), gara ngẩm, hầm nhà dân dụng, hầm nhà xưởng, gara ngầm, các công trình công công (cửa hàng, nhà hát, phố ngầm…) Công trình ngầm khai khoáng: hầm chuẩn bị, hầm vận tải, hầm khai thác, hầm thong gió… Công trình đặc biệt: Hầm chứa máy bay, tầu thuyền, kho tàng, nhà máy… Theo kích thước, công trình ngầm có thể được chia ra thành: Công trình ngầm tiết diện nhỏ: bề ngang sử dụng l < 4m, Công trình ngầm tiết diện trung bình: bề ngang sử dụng 4m < l <10m, Công trình ngầm tiết diện lớn: bề ngang sử dụng l > 10m Theo phương pháp thi công có thể chia ra: Công trình ngầm thi công theo phương pháp đào mở, Công trình ngầm thi công theo phương pháp đào kín Công trình ngầm thi công theo phương pháp hạ chìm. 1.2 Sơ lược về lịch sử xây dựng công trình ngầm Từ lâu, trước công nguyên, ở Babilon, Ai cập, Hy Lạp, La Mã các công trình ngầm đã được khai đào với mục đích khai khoáng, xây lăng mộ, nhà thờ, cấp nước, giao thông. Một số công trình còn giữ nguyên được cho đến ngày nay. 3 Công trình ngầm được coi là lâu đời nhất trên thế giới là đường hầm xuyên qua sông Eupharate ở thành phố Babilon được xây dựng vào khoảng năm 2150 trước Công Nguyên. Vào những năm 700 trước Công Nguyên, một đường hầm dẫn nước đã được xây dựng ở đảo Samosaite, HyLạp. Hầu hết các hầm cổ xưa được xây dựng trong nền đá cứng, có dạng vòm giống như các hang động tự nhiên, không cần vỏ chống. Thi công hầm bằng công cụ thô sơ như choòng, xà beng và phương pháp nhiệt đơn giản: đốt nóng gương hầm, sau đó làm lạnh bằng nước. Vào cuối thời kỳ Trung Cổ, việc mở rộng giao thương đã thúc đẩy phát triển các đường hầm giao thông. Hầm đường thủy đầu tiên trên thế giới dài 160m được xây dựng tại Pháp từ năm 1679 đến năm1681. Sự xuất hiện của đường sắt đã thúc đẩy phát triển hầm đường sắt, những hầm đường sắt đầu tiên dài 1190m được xây dựng trong những năm 1826- 1830 trên tuyến đường Liverpool – Manchester ở Anh. Cùng thời gian này người ta cũng đã xây dựng các hầm đường sắt ở Pháp và các nước Châu Âu khác. Công nghệ khai đào thời kỳ này chủ yếu là khoan tay và thuốc nổ đen. Việc phát minh ra thuốc nổ Dinamite (1866) cùng với áp dụng máy khoan đập xoay đã tạo nên bước ngoặt trong xây dựng công trình ngầm như xây dựng các đường hầm xuyên qua dãy Alpe nối Pháp, Ý và Thụy Sỹ. Trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất, người ta đã xây dựng được 26 đường hầm giao thông có chiều dài lớn hơn 5km, trong đó có hầm dài nhất thế giới là hầm Sinplon, dài 19780m. Vật liệu vỏ hầm chủ yếu là đá hộc vữa vôi hoặc vữa xi măng. Mãi đến những năm 70 của thế kỷ 20 bê tông mới trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng công trình ngầm. Sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, nhịp độ xây dựng hầm giảm đi vì hệ thống đường sắt đã tương đối hoàn chỉnh ở các nước châu Âu. Cùng với hầm xuyên núi, hầm dưới nước cũng được xây dựng với mục đích giao thông đường sắt và đường bộ. Hầm dưới nước được xây dựng băng phương pháp khiên đào kết hợp với khí nén có vỏ hầm là các tấm lắp ghép bằng gang đúc sẵn (vì chống chu bin). Khiên hầm được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1825 trong xây dựng đường hầm qua sông Thames ở Anh. Chỉ riêng ở New York đã có 19 hầm lớn dưới nước. Hầm dưới nước trên tuyến đường sắt đi dưới vịnh Simonosec, Nhật Bản (1936-1941) dài 6330m. Những năm gần đây, người ta đã xây dựng những đường hầm dưới nước xuyên biển dài kỷ lục, như hầm qua 4 vịnh Suga Nhật Bản dài 36,2km, hàm qua eo biển Manche nối Anh và Pháp dài gần 40km. Một phương pháp được sử dụng để thi công hầm dưới nước là phương pháp hạ chìm đoạn hầm đã được đúc sãn vào hào ở dưới nước, sau đó lấp đất trở lại. Phương pháp hạ chìm này đã khắc phục được việc sử dụng khí nén ảnh hưởng đến sức khỏe người thợ, hạ giá thanh, rút ngắn thời giant hi công. Tuyến đường tầu điện ngầm ở Luân Đôn, Anh vận hành năm 1853 là tuyến tầu điện ngầm đầu tiên trên thế giới, mở đầu thời ký xây dựng các hệ thống tầu điện ngầm trên các than phố lớn của thế giới. Đến nay đã có trên 100 hệ thống tầu điện ngầm ở trên 30 nước. Từ những năm cuối thế kỷ 20, hầm thủy lợi đã được phát triển với quy mô lớn, đặc biệt là hầm thủy điện. Trên thế giới đã có trên 350 nàh máy thủy điện và thủy tích điện ngầm với công suất trên 40 triệu kw. Ở Liên Xô, Mỹ và nhiều nước khác các gian máy thường có diện tích ngang từ 200m2 đến 500m2, chiều dài từ 40m đến 200m, chiều cao đến 40m-50m. Ở Việt Nam, hầm giao thông thuỷ Rú Cóc được xây dựng năm 1930 ở xã Nam Sơn, huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An, hầm ngầm xuyên qua núi giúp cho thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu xuống hạ lưu sông Lam để tránh đập nước Đô Lương. Một số hầm đường sắt cũng được xây dựng mà điển hình hầm đường sắt Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc địa phận Thừa Thiên -Huế. Trong những năm chiến tranh, chỉ đào một số ít hầm ngắn để làm kho quân trang, quân dụng hoặc hầm trú ẩn cho người và hệ thống kỹ thuật. Điển hình là hệ thống hầm hào gồm các đường hầm ngầm dài hàng km nằm trong lòng đất Vĩnh Mốc, Củ Chi. Một loại hầm được xây dựng phổ biến ở Việt Nam là hầm lò để khai thác Than và Khoáng sản. Vào đầu thế kỷ 20 một số đường hầm đã được xây dựng trên tuyến đường sắt Bắc Nam như hầm Dốc Xây ở Ninh Bình với chiều dài khoảng 100m. trong giao thông đường sắt đã xây dựng được 41 hầm với tổng chiều dài 11,900m. Sự phát triển giao thông, thủy điện đã thúc đẩy việc xây dựng đường hầm ở nước ta trong hơn một thập kỷ gần đây. Tháng 5 năm 2002 hầm A Roàng I dài 453m trên đường Hồ Chí Minh được hoàn thành. Tháng 6 năm 2005 hầm đường bộ Hải Vân có chiều dài 6290m được đưa vào sử dụng đã rút ngắn đoạn đường đèo từ 5 21 km xuống còn 12km so với tuyến đường đèo cũ. Từ dự án hầm đường bộ Hải Vân, công nghệ tiên tiến trong xây dựng hầm của Nhật Bản đã được kỹ sư Việt Nam áp dụng để thiết kế, thi công 495m hầm đường bộ Đèo Ngang rút ngắn tuyến đường đèo từ hơn 7km xuống còn 2,5km. Hình 1.1. Hầm Hải Vân nhìn từ cửa hầm phía Bắc Trong những năm gần đây, vấn đề xây dựng ngầm đô thị cũng đã được chú ý, đặc biệt ở Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh. - Tháng 11 năm 2006 Thủ tướng Chính phủ đã ký Nghị định về Xây dựng ngầm đô thị. Đây là khung pháp lý cho quy hoạch, xây dựng, bảo trì, khai thác và quản lý không gian ngầm đô thị. - Bộ Xây dựng đã ra văn bản trình Thủ tướng Chính phủ về việc bắt buộc phải có thiết kế tầng hầm cho nhà cao tầng ở Hà Nội Trong giai đoạn 1990-2000 , phần lớn các nhà cao tầng xây dựng ở khu vực Hà Nội được xây dựng không có tầng ngầm hoặc chỉ với 1-2 tầng ngầm. Các công trình không có tầng ngầm thường là các chung cư được xây dựng ở các khu đô thị mới trong khi các nhà cao tầng xây chen trong khu vực đô thị cũ thường chỉ có 1 tầng ngầm. Trong giai đọan từ năm 2000 đến nay yêu cầu về sử dụng tầng ngầm ngày càng tăng, chủ yếu là để xe 4 bánh cho các văn phòng và dân cư sống trong các nhà cao tầng. Điển hình trong số các công trình có nhiều tầng ngầm là tòa nhà Pacific Place tại 83B Lý Thường Kiệt với 5 tầng ngầm thi công trong điều kiện xây chen và nút giao thông ngầm Kim Liên. Bảng 1.1 giới thiệu một số công trình có trên 2 tầng ngầm được xây dựng ở Hà Nội trong thời gian gần đây. 6 Bảng 1.1. Danh mục một số công trình đã xây dựng trong thời gian gần đây ở Hà Nội TT Tên công trình Số tầng hầm Đặc điểm thi công tầng hầm 1 Văn phòng và chung cư 27 Láng Hạ 2 - Tường barrette - Đào hở, chống bằng dàn thép 2 Trụ sở kho bạc NN 32 Cát Linh 2 - Tường barrette - Top – down 3 Toà nhà 70-72 Bà Triệu 2 - Tường barrette - Top – down 4 VP và Chung cư 47 Huỳnh Thúc Kháng 2 - Tường barrette - Top – down 5 Toà nhà Vincom 191 Bà Triệu 2 - Tường barrette - Top – down 6 Chung cư cao tầng 25 Láng hạ 2 - Tường barrette - Top – down 7 TT Viễn thông VNPT 57 Huỳnh Thúc Kháng 2 - Tường barrette - Không chống 8 Toà nhà tháp đôi HH4 Mỹ Đình 2 - Tường barrette - Đào hở, chống bằng dàn thép 9 Trụ sở văn phòng 59 Quang Trung 2 - Tường barrette - Top – down 10 Ocean Park số 1 Đào Duy Anh - Tường bê tông thường - Cọc xi măng đất 11 Toà nhà Vietcombank 2 - Tường barrette - Neo trong đất 12 Pacific Place 83 Lý Thường Kiệt 5 - Tường barrette - Top – down 13 M5 TOWER 2-5 - Tường barrette - Top – down 14 Tháp BIDV 3 Tường barrette Văng chống thép 15 Hanoi Tower 5 - Tường barrette - Top – down 16 Keangnam 3 - Tường barrette - Neo trong đất 17 Nút giao thông ngầm Kim Liên Cèt ®¸y mãng:-13 m - Tường cừ Larsen - Văng chống thép Trong xây dựng thuỷ điện ở Việt Nam, giải pháp đường hầm được sử dụng ở rất nhiều nhà máy thuỷ điện như Hoà Bình, Sơn La, A Vương, Đại Ninh, Bản Vẽ, Bắc Bình, Đồng Nai, Buôn Kuốp và nhiều nhà máy thuỷ điện khác. Đặc biệt đối với các nhà máy thuỷ điện được xây dựng tại miền Trung thì đường hầm 7 được coi là giải pháp tối ưu để đảm bảo cho việc lựa chọn vị trí xây dựng đập dâng và nhà máy. Nhà máy thuỷ điện Hoà Bình được khởi công xây dựng từ năm 1979 khánh thành năm 1984 với 8 tổ máy có tổng công suất 1920MW, cho đến nay vẫn là công trình thuỷ điện lớn nhất Đông Nam Á. Tổ hợp công trình ngầm nhà máy thủy điện Hoà Bình dài 14 200m được bố trí như trên hình 1.4, gồm các hệ thống: - Hầm gian máy với 8 tổ máy, công suất mỗi tổ 240MW, có kích thước rộng 22m, cao 53m (tính đến đáy ống hút), dài 280m. - Hầm máy biến thế cao 20m, rộng 15m bố trí 8 máy biến áp đặt sông sông với gian máy. - Hầm dẫn nước: gồm 8 hầm với đường kính mỗi hầm D=8m, 3 hầm xả nước tổ máy và hệ thống hầm thông gió, hầm cáp điện, hầm phục vụ thi công… Danh mực một số công trình thủy điện có công trình ngầm ở nước ta được nêu ở bảng 1.2. 8 Hình 1.2. Sơ đồ tổ hợp ngầm nhà máy thủy điện Hoà Bình 9 Bảng 1.2. Một số dự án thủy điện có xây dựng công trình ngầm ở nước ta Tên công trình Tỉnh Công suất (MW) Chiều dài hầm (km) Đường kính trong (m) Yaly Gia Lai 720 2x3.85 7.0 Thượng Kon Tum Kontum 250 18 2.6 Bản Vẽ Nghệ An 320 2x0.8 7.5 An Khê -KaNak Gia Lai 163 3.075 4.50 Cửa Đạt Thanh Hoá 90 2x0.625 11.0 Sông Tranh 2 Quảng Nam 190 1.800 8.5 Quảng Trị Quảng Trị 70 5.60 3.0 Sông Ba Hạ Phú Yên 220 2x1.0 7.5 Sêrêpok 3 Đắk Lắk 220 2x0.60 8.0 ĐaMi Lâm Đồng 173 2.30 7.0 Thác Mơ Bình Phước 75 0.80 4.5 A Vương Quảng Nam 210 8.30 5.5 Eakrông Phú Yên 64 1.90 4.5 Đại Ninh Lâm Đồng 300 11.26 45 Buôn Kuốp Đắc Lắc 280 2x4.37 7.0 Huội Quảng Sơn La 540 4.0 7.5 Sêkaman3 Lào 250 7.0 4.0 ZaHưng Quảng Nam 28 1.70 5.0 Đăk Mi1 Quảng Nam 250 10.0 5.0 Bắc Bình Bình Thuận 33 2.50 4.5 Hủa Na Nghệ An 180 4.00 7.0 Ayun thượng 1A Gia Lai 12 3.6 3.25 10 . của công trình ngầm đào bằng phương pháp đào kín 66 Chương 3 Một số phương pháp pháp thi công công trình ngầm 82 3.1 Thi công công trình ngầm theo phương pháp đào mở 82 3.2 Thi công công. 10m Theo phương pháp thi công có thể chia ra: Công trình ngầm thi công theo phương pháp đào mở, Công trình ngầm thi công theo phương pháp đào kín Công trình ngầm thi công theo phương pháp hạ. Chương 1 Khái quát về công trình ngầm 1.1 Giới thiệu chung Công trình ngầm là công trình nằm trong lòng đất. Theo mục đích sử dụng, có thể phân chia như sau: Công trình ngầm giao thông: hầm