Nghiên cứu hiện tượng trượt ở cửa hầm và biện pháp xử lý trong quá trình thi công đường hầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRẦN ĐÌNH DŨNG NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TRƯỢT Ở CỬA HẦM VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2012 TRẦN ĐÌNH DŨNG * LUẬN VĂN THẠC SĨ * HÀ NỘI - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRẦN ĐÌNH DŨNG NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TRƯỢT Ở CỬA HẦM VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy lợi Mã số: 60 - 58 - 40 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Vũ Trọng Hồng Hà Nội - 2012 0BLỜI 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 với đề tài “NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TRƯỢT Ở CỬA HẦM VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM” Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn đến thầy hướng dẫn – GS. TS Vũ Trọng Hồng đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn này. Lời cảm ơn cũng xin được gửi tới các thầy cô giáo trong khoa Công Trình Thủy – Trường Đại Học Thủy Lợi và các thầy cô giáo đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi. Tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn tới Ban Giám Hiệu khoa Đào tạo sau đại học – Trường Đại 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 lãnh đạo Công ty Cổ phần Xây dựng và Thương mại Tây Nguyên nơi tôi đang công tác, đã tạo điều kiện về thời gian và tinh thần giúp tôi hoàn thành luận văn này. Với trình độ hiểu biết và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế đồng thời đối tượng nghiên cứu là một công trình có điều kiện địa chất phức tạp nên nội dung của luận văn không tránh khỏi những sai sót. Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và của các quí vị quan tâm. . Hà Nội, tháng 11 năm 2012 MỤC LỤC 18TLỜI CẢM ƠN18T 1 18TMỞ ĐẦU18T 1 18TCHƯƠNG I18T 2 18TĐẶC ĐIỂM THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM VÀ YÊU CẦU VỀ SỰ ỔN ĐỊNH CỦA CỬA VÀO 18T 2 18T1.1. Tổng quan các phương pháp thi công đường hầm.18T 2 18T1.1.1. Phương pháp khoan nổ.18T 2 18T1.1.2. Phương pháp đào bằng khiên và máy đào TBM18T 5 18T1.1.3. Phương pháp dánh chìm.18T 8 18T1.1.4. Phương pháp đào và lấp.18T 9 18T1.2. Các bộ phận của đường hầm trong quá trình đào18T 11 18T1.3. Đặc điểm của cửa hầm.18T 15 18T1.3.1. Khái niệm18T 15 18T1.3.2. Đặc điểm của cửa hầm.18T 18 18T1.3.3. Những nguyên nhân chính gây sạt trượt ở cửa hầm.18T 20 18T1.3.4. Yêu cầu bảo hộ các cửa hầm.18T 20 18T1.4. Chống đỡ mái dốc trước cửa hầm.18T 23 18TCHƯƠNG II18T 26 18TCƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN HIỆN TƯỢNG TRƯỢT Ở CỬA HẦM. 18T 26 18T2.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng trượt của đất đá.18T 26 18T2.1.1. Loại đất và các chỉ số cơ lý của đất đá.18T 29 18T2.1.2. Thế nằm của các tầng đất đá.18T 30 18T2.1.3. Ảnh hưởng của áp lực nước trong đất đá.18T 31 18T2.2. Các phương pháp xác định khả năng trượt của đất đá mái cửa vào đường hầm. 18T 31 18T2.2.1. Phương pháp theo lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn .18T 32 18T2.2.2. Phương pháp theo lý thuyết cân bằng giới hạn thuần túy.18T 32 18T2.3. Lựa chọn phương pháp tính và các thông số cần thiết – sử dụng phần mềm 18T 47 18TCHƯƠNG III18T 72 18TLỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ ĐỂ GIẢM THIỂU SỰ CỐ TRƯỢT Ở CỬA HẦM 18T 72 18T3.3. Gia cố bằng kè mái18T 76 18T3.3. Gia cố bằng phun vẩy18T 76 18T3.3. Gia cố bằng neo18T 76 18T3.4. Thi công khung bê tông18T 76 18TCHƯƠNG IV18T 90 18TỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN NẬM AN.18T 90 18T4.1. Giới thiệu về công trình thủy điện Nậm An.18T 90 18T4.1.1. Đặc điểm tự nhiên, kinh tế, xã hội tỉnh Hà Giang.18T 90 18T4.1.2. Đặc điểm hình thành và nguồn gốc cấu tạo địa tầng.18T 93 18T4.1.3. Điều kiện địa chất công trình tuyến đường hầm.18T 96 18T4.2. Lựa chọn các thông số tính toán.18T 97 18T4.2.1. Tài liệu áp dụng:18T 97 18T4.2.2. Số liệu tính toán:18T 97 18T4.3. Lựa chọn phần mềm và phân tích bài toán.18T 98 18T4.3.1. Mặt cắt tính toán:18T 98 18T4.3.2. Kết quả tính toán:18T 98 18T4.3.3. Hình thức gia cố:18T 100 18T4.3.4. Trình tự thi công:18T 101 18TCHƯƠNG V. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ18T 107 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Chỉ tiêu cơ lý các lớp địa chất 54 Bảng 3.1: Các trị số dính bám đá/vữa đã và đang được kiến nghị cho thiết kế (theo Littlejohn và Bruce 1977) 80 Bảng 3.2: Chiều dài bầu neo cho các neo đá phun vữa xi măng đã và đang được sử dụng hoặc kiến nghị trong thực tế (theo Littlejohn và Bruce 1977 82 Bảng 3.3: Các kích thước tiêu chuẩn và độ bền đặc trưng của thép làm thanh neo ứng suất trước 87 Bảng 4.1: Các đặc trưng hình thái lưu vực tính đến tuyến công trình 91 Bảng 4.2: Chỉ tiêu cơ lý các lớp địa chất 97 1BDANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Dạng chung của khiên 6 Hình 1.2: Kết cấu khiên không cơ giới hóa 6 Hình 1.3: Máy đào TBM 7 Hình 1.4: Các hình thức đào mặt cắt ngang hầm 12 Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống đường ống dẫn nước nhà máy thủy điện 13 Hình 1.6: Cửa hầm đèo Hải Vân 15 Hình 1.7: Sơ đồ mặt cắt dọc cửa hầm có khối đắp phản áp 16 Hình 1.8: Sơ đồ mặt cắt dọc cửa hầm có tường mặt phản áp 16 Hình 1.9: Cấu tạo tiết diện cửa hầm 17 Hình 1.10 - Hố sụt nóc cửa tạm thời phía Nam nhánh chính hầm Hải Vân khi đang thi công 19 Hình 1.11 - Chống mái dốc trước cửa hầm 24 Hình 2.1: Các dạng mặt trượt 29 Hình 2.2: Mái dốc trên cửa hầm 31 Hình 2.3: Sơ đồ phân tích ổn định mái đất rời lý tưởng khi khô hoặc ngập nước 33 Hình 2.4: Sơ đồ phân tích ổn định của mái đất dính lý tưởng 35 Hình 2.5: Mặt trượt cung tròn 37 Hình 2.6: Đường cong quan hệ () gh gh cf ϕ = 37 Hình 2.7: Sơ đồ tính toán ổn định theo phương pháp phân mảnh 39 Hình 2.8: Sơ đồ tính toán ổn định khi xem khối đất như vật rắn nguyên khối 40 Hình 2.9: Sơ đồ tính toán theo phương pháp của 14T K.Terzaghi14T 43 Hình 2.10: Sơ đồ tính toán theo phương pháp phân mảnh của Bishop 44 Hình 2.11: Cửa sổ chính của chương trình geoslope 48 Hình 2.12: Các phương pháp chính trong Geoslope 49 Hình 2.13: Cửa sổ lặp tính ổn định mái dốc 50 Hình 2.14: Xem kết quả phân tích mặt trượt 51 Hình 2.15: Trường hợp mái dốc 2:1 từ cao trình 700 ÷ 710 m 52 Hình 2.16: Trường hợp hạ thấp mái dốc 1:1 53 Hình 2.17 – 2.19 (Sơ đồ tính toán TH1) 55-56 Hình 2.20 – 2.22 (Sơ đồ tính toán TH2) 57-58 Hình 2.23 – 2.26 (Sơ đồ tính toán TH3) 59-63 Hình 2.27 – 2.29 (Sơ đồ tính toán TH4) 64-65 Hình 2.30 – 2.32 (Sơ đồ tính toán TH5) 66-67 Hình 2.33 – 2.36 (Sơ đồ tính toán TH6) 68-70 Hình 3.1: Xử lý các bờ dốc xung quanh hào cửa Nam hầm Hải Vân 73 Hình 3.2: Phun vẩy gia cố mái 76 Hình 3.3: Các dạng neo gia cố 79 Hình 3.4: Neo điển hình trong đá 79 Hình 3.5: Neo điển hình trong đất 83 Hình 3.6: Quan hệ giữa hệ số sức chị tải N R q R và dóc có hiệu của sức kháng cắt 84 Hình 4.1: Vị trí vùng dự án thủy điện Nậm An 90 Hình 4.2: Bản đồ địa chất khu vực xây dựng Nhà máy thủy điện 94 Hình 4.3: Kết quả tính toán cho trường hợp mái dốc 2:1 từ cao trình 700 ÷710m 98 Hình 4.4: Kết quả tính toán cho trường hợp hạ thấp mái dốc 1:1 99 Hình 4.5: Sơ đồ neo gia cố cho trường hợp mái dốc 2:1 từ cao trình 700 ÷710m 100 Hình 4.6: Sơ đồ neo gia cố cho trường hợp hạ thấp mái dốc 1:1 101 Hình 4.7-4.11: Thi công mái đào giai đoạn 1-3 102-105 1 2BMỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay đường hầm của Việt Nam đang phát triển rất mạnh, trong đó bao gồm đường hầm phục vụ cho giao thông, thủy lợi, thủy điện… Đặc điểm của đường hầm là hay đi qua các vùng có địa chất khác nhau: đá cứng, đất mềm… nên khả năng trượt dễ xảy ra. Khi thi công đường hầm, tại vị trí cửa vào là nơi đất đá bị phong hóa nhiều, không đồng nhất, tính trượt sạt cao. Vì vậy, trong đề tài này ta sẽ nghiên cứu bài toán ổn định mái dốc tại cửa vào đường hầm. II. Mục đích của đề tài - Nghiên cứu bản chất hiện tượng trượt ở cửa hầm. - Nghiên cứu biện pháp gia cố khi xảy ra trượt sạt. III. 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 đề tài này. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, lựa chọn phương pháp tính toán, mô hình tính toán và phần mềm hợp lý để tính toán. IV. Kết quả dự kiến đạt được - Xác định được phạm vi trượt. - Xậy dựng phương pháp gia cố để giảm thiểu sự cố trượt. V. Nội dung của luận văn: 2 6BCHƯƠNG I 7BĐẶC ĐIỂM THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM VÀ YÊU CẦU VỀ SỰ ỔN ĐỊNH CỦA CỬA VÀO 22B1.1. Tổng quan các phương pháp thi công đường hầm. 35B1.1.1. Phương pháp khoan nổ. a) Đào hầm bằng phương pháp mỏ. - Nội dung cơ bản của phương pháp mỏ là: sau khi đào hầm, để giữ ổn định đất đá xung quanh hầm trước khi thi công kết cấu vỏ hầm sau cùng, người ta tiến hành dựng các vì chống tạm (thường là bằng gỗ hoặc thép). Sau khi đào xong hầm một khoảng thời gian, kết cấu vỏ hầm mới được thi công bằng biện pháp đổ bê tông thông thường hoặc xây đá theo từng phân đoạn. Trước khi đổ bê tông, vỏ hầm thường được xử lý chống thấm bằng một lớp bao tải tẩm nhựa đường hoặc bằng giấy dầu (cũng có nhiều công trình không làm lớp chống thấm). Sau 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 phụt vữa bù hoặc phụt vữa gia cố ở sau vỏ. Trong trường hợp đào lẹm quá lớn, để tiết kiệm vật liệu vữa bơm người ta có thể chèn thêm đá. Phương pháp khoan nổ có thể sử dụng đào toàn mặt cắt gương hầm cũng như đào chia nhỏ mặt cắt gương hầm. Chu kỳ đào hầm được chia nhỏ thành các công đoạn gồm khoan gương hầm, nạp thuốc mìn, nổ mìn, thông gió, xúc chuyển ra bãi thải, dựng kết cấu chống đỡ, thi công vỏ. Kỹ thuật khoan nổ đào hầm cơ bản thể hiện ở những điểm sau: -Dùng phương pháp nổ mìn lỗ nông, tức là chiều sâu khoan nhỏ hơn 5m. -Xác định chiều sâu lỗ mìn L chính là bước tiến của hầm sau một chu kỳ nổ. -Bố trí lỗ mìn Trong đào hầm b ố trí 3 loại lỗ mìn: Lỗ mìn tạo rãnh bố trí giữa gương hầm nhằm tạo mặt thoáng để hiệu quả nổ cao. [...]... của bờ núi và khu vực lân cận; - Đặc tính cơ lý của đất đá bờ núi; - Đặc tính của các công trình xây dựng liên kết với cửa hầm và lân cận cửa hầm, đặc biệt là các khoảng trống ngầm liên kết với cửa hầm và lân cận cửa hầm; - Công nghệ đào và xử lý các bờ dốc xung quanh hào thi công cửa và cổ hầm; 22 - Các yêu cầu cụ thể liên quan đến công nghệ mở gương ngầm ngoài cùng của đường hầm nói riêng, công nghệ... vào trong hầm, ngoài ra cửa công trình ngầm cũng đóng vai trò quan trọng trong vấn đề mỹ quan của công trình - Bờ dốc xung quanh cửa hầm xuyên núi theo hướng nhìn từ ngoài vào cửa hầm thành có thể chia làm 3 phần: Một bờ dốc trên nóc cửa hầm và hai bờ dốc cánh bên cửa hầm 2 Sự ổn định của các bộ phận cửa hầm: Theo phương dọc trục đường hầm, cửa hầm có chiều dài rất ngắn Tiết diện ngang bên trong cửa hầm. .. chính gây sạt trượt ở cửa hầm B 5 4 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: - Đặc điểm địa chất công trình & địa chất thủy văn - Đặc điểm của bờ dốc chính diện hào cửa hầm - Trình độ thi t kế, mức đầu tư, phương án thi công và trình độ thi công - Khả năng quan trắc và xử lý các hiện tượng cơ lý của đất đá xung quanh hầm 1.3.4 Yêu... móc, thi t bị thi công hầm thường là điện xoay chiều điện áp 380V qua biến thế riêng đặt ở gần cửa hầm 1.3 Đặc điểm của cửa hầm B 4 2 1.3.1 Khái niệm B 3 4 Cửa của công trình ngầm có tác dụng đảm bảo độ ổn định của tầng đất có trên cửa hầm; ngăn chặn không cho nước mưa và đất đá bên trên có thể tràn vào trong hầm, ngoài ra cửa công trình ngầm cũng đóng vai trò quan trọng trong vấn đề mỹ quan của công trình. .. 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 và cổ hầm để đảm bảo an toàn cho chúng 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... Hố sụt nóc cửa tạm thời thành, phát triển và tồn tại của phía Nam nhánh chính hầm Hải Vân khi đang cửa và cổ hầm Nhưng mức tiến thi công triển và ảnh hưởng của mỗi loại trong đó đối với cửa và cổ hầm, lại tùy theo từng giai đoạn hình thành, phát triển và tồn tại không những của riêng cửa và cổ hầm mà còn của toàn hầm; đặc biệt là khi 20 cửa và cổ hầm, cùng với bờ dốc chính diện hào cửa hầm chưa hoàn... Phương pháp đào và lấp B 8 3 Theo phương pháp này kết cấu hầm được xây dựng bên trong khối đào và khi thi công xong sẽ được lấp lại để trả lại mặt bằng ban đầu Phương pháp này được dùng khi đường viền hầm đặt nông và công đoạn đào từ mặt đất là khả thi và kinh tế Thường phương pháp này áp dụng cho đoạn đường cần chui xuống mặt đất, những cửa vào hầm lò và các hầm đặt trên địa hình bằng phẳng ở đó việc... chính của lũ và những phóng vật độc lập có thể lao xuống cửa hầm, sân công tác và các công trình phụ trợ ở đây Ở nước ta, một số hào cửa hầm trong đất đá yếu đã để xảy ra sự cố: đất đá trôi trượt theo hướng dốc chính, gây nguy hại cho người và phương tiện vận tải hoạt động tại cửa hầm; đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu các biện pháp phòng tránh phù hợp với các yêu cầu an toàn, kỹ thuật và kinh tế cụ... hộ các cửa hầm B 6 4 Sườn núi thường có độ dốc thoải và trung bình, trong đó đa số là có độ dốc α = 150 – 250 Để mở gương ngầm ngoài cùng của cổ hầm ở đây, chúng ta đều phải P P P P mở hào cửa hầm Hào cửa hầm thường giới hạn bởi 3 bờ dốc mới, ở 3 phía tương ứng gồm 1 bờ dốc chính diện có chứa không gian ngầm và 2 bờ dốc cánh gà ở 2 bên Khi đó mặt bằng sân công tác trước cửa hầm giới hạn bởi đường chân... thuật và kinh tế cụ thể 4 Khi thi công cửa hầm qua những vùng địa chất xấu cần sử dụng hệ thống chống đỡ như hình 1.11 để tránh sụt lở và ngăn cản đất đá long rơi ngẫu nhiên từ mái dốc phía trước đường đào 26 CHƯƠNG II B 8 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN HIỆN TƯỢNG B 9 TRƯỢT Ở CỬA HẦM 2.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng trượt của đất đá B 6 2 Lịch sử nghiên cứu ổn định mái dốc: Năm 1776 . DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRẦN ĐÌNH DŨNG NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TRƯỢT Ở CỬA HẦM VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM . GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRẦN ĐÌNH DŨNG NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TRƯỢT Ở CỬA HẦM VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM . tính trượt sạt cao. Vì vậy, trong đề tài này ta sẽ nghiên cứu bài toán ổn định mái dốc tại cửa vào đường hầm. II. Mục đích của đề tài - Nghiên cứu bản chất hiện tượng trượt ở cửa hầm. - Nghiên