Các điều kiện địa chất, địa chất thủy văn phải gia cố khi xây dựng công trình ngầm: Đá liên kết rất rắn cứng (f =15; 16); Đất đá quá mềm yếu; Phay phá, đứt gãy; Cát chảy; Đá vụn, tập hợp các khoáng vật không liên kết hoặc liên kết rất kém; Đất đá mềm yếu (bùn đặc, sỏi, cát chứa nước, sét…) không có liên kết hoặc liên kết rất kém; Đất đá liên kết chứa nhiều nước; Lòng sông cổ; Đất đá đặc biệt (diệp thạch, mi ca…); Đá có hiện tượng nổ khí, nổ đá, xung va đập, nhiệt độ cao…; Các điều kiện này đều gây khó khăn cho công tác xây dựng công trình ngầm và mỏ. Thi công công trình ngầm trong các điều kiện đặc biệt khác bình thường ở: Khi thi công trong các điều kiện đặc biệt như trên, thường gây ra các nguy hiểm, độc hại, có nguy cơ xảy ra các sự cố. Đòi hỏi đội ngũ nhân lực phải có trình độ tay nghề cao, máy móc trang thiết bị hiện đại, khảo sát địa chất, địa chất thủy văn, địa chất công trình một cách kĩ lưỡng. Và có các biện pháp thi công đặc biệt.
Trang 1KHOA XÂY DỰNG
ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP
GIA CỐ ĐẤT ĐÁ VÀ THI
CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM
TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN ĐẶC BIỆT
Mã
Trang 2MỤC LỤC
Trang 3ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP GIA CỐ ĐẤT ĐÁ VÀ XÂY DỰNG
CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN ĐẶC BIỆTCâu 1: Các điều kiện địa chất, địa chất thủy văn phải gia cố khi xây dựng công trình ngầm? Thi công công trình ngầm trong các điều kiện đặc biệt khác bình thường ở điểm nào? cho ví dụ để chứng minh?
- Đá vụn, tập hợp các khoáng vật không liên kết hoặc liên kết rất kém;
- Đất đá mềm yếu (bùn đặc, sỏi, cát chứa nước, sét…) không có liên kết hoặc liênkết rất kém;
- Đất đá liên kết chứa nhiều nước;
- Lòng sông cổ;
- Đất đá đặc biệt (diệp thạch, mi ca…);
- Đá có hiện tượng nổ khí, nổ đá, xung va đập, nhiệt độ cao…;
Các điều kiện này đều gây khó khăn cho công tác xây dựng công trình ngầm vàmỏ
Thi công công trình ngầm trong các điều kiện đặc biệt khác bình thường ở:
Khi thi công trong các điều kiện đặc biệt như trên, thường gây ra các nguyhiểm, độc hại, có nguy cơ xảy ra các sự cố Đòi hỏi đội ngũ nhân lực phải có trình độtay nghề cao, máy móc trang thiết bị hiện đại, khảo sát địa chất, địa chất thủy văn, địachất công trình một cách kĩ lưỡng Và có các biện pháp thi công đặc biệt
Câu 2: Ép vữa xi măng, đất sét và hắc ín để gia cố có gì giống và khác nhau? Nêu ưu nhược điểm của từng phương pháp?
Trả lời
Giống nhau:
- Đều là các phương pháp gia cố đất đá;
- Sử dụng các dung dịch (vữa xi măng, vữa đất sét, vữa hắc ín) bơm ép để lấpđầy các khe nứt, lỗ hổng trong đất đá Tạo ra các khối vững chắc không chonước, và khí xâm nhập và khu vực thi công;
Trang 4Vữa đất sét -Ép được vào kẽ nứt nhỏ, lỗ hổng lớn;
-Tiết kiệm xi măng
Vữa bi - tum
- Đất đá có nhiều lỗ hổng lớn, không dùng được với lỗhổng nhỏ;
- Trong lỗ hổng có chứa nhiều trầm tích, cuội sỏi
- Khi bơm ép phải điều chỉnh nhiệt độ để bi tum luôn ởtrạng thái nóng chảy
Nêu ưu nhược điểm của từng phương pháp
1 Vữa xi măng
- Gia cố được khoảng rộng;
- Số lượng lỗ khoan ép vữaít;
- Thiết bị đơn giản
- Bền vững với nước xâm thực;
- Dùng được trong đất đá có kẽ nuets, lỗ hổng lớn;
- Không bền vững;
- Tính lan nhỏ nên số lượng
và chi phí khoan lớn;
- Dễ xảy ra sự cố nên hạn chế sử dụng;
- Hạn chế chiều sâu nén ép (To);
- Giá thành cao;
Câu 3: Xi măng và vữa xi măng trong phương pháp ép vữa xi măng?
Trả lời
Trang 5 Xi măng
Thường sử dụng xi măng Portland, Puzolan …có thời gian đông kết chậm hơnthời gian chuẩn bị và bơm ép vữa Nếu đất đá có khe nứt lớn thì phải dùng vữa có phụgia đông cứng nhanh , không được bơm vữa xi măng vào khe nứt nhỏ
Vữa xi măng
Để có vữa xi măng tốt thì phụ thuộc các điều kiện sau:
- Thời gian ninh kết;
- Độ bền của xi măng trong môi trường xâm thực;
- Tính chất nứt nẻ của đất đá;
- Khả năng cung cấp xi măng;
- Giá thành thấp nhưng vẫn đạt hiệu quả;
Nồng độ vữa xi măng: Phụ thuộc chủ yếu vào tính chất khe nứt của đất đá và áplực nén ép Nồng độ vữa xi măng thay đổi từ 3 - 50% Khe nứt lớn thì giai đoạn đầudùng dung dịch nồng độ cao từ 25 - 30% Khe nứt nhỏ từ 3 - 5% Nồng độ vữa ximăng nén ép thay đổi Càng về giai đoạn cuối nồng độ càng nhỏ thì áp suất tăng
Nồng độ giới hạn 1,5 – 1,6 g/cm3 Với tỷ lệ X/N là 1:1 hoặc 2:1 theo trọnglượng Khi nén ép với áp suất cao, vữa không tiêu thụ được nên phải thêm một số phụgia đặc biệt như: thủy tinh lỏng 6-10%, hoặc Sunfat nhôm 3-5% Để giảm lượng tiêuthụ xi măng ta cho thêm bụi đá hoặc cát mịn, hỗn hợp vữa xi măng, đất sét
Với đất đá có nước ngầm (v > 8 m3/ ngày – đêm) và khe nuets lớn, thì phảithêm các phụ gia đông cứng nhanh
Câu 4: Điều kiện áp dụng phương pháp ép vữa xi măng, đất sét, hắc ín có gì giống và khác nhau? Tại sao?
Trả lời
Giống nhau:
Đều bơm phụt các chất dính kết vào trong các khe nứt đất đá để gia cố đất đá
Khác nhau:
Phương pháp ép vữa xi măng:
Dùng trong điều kiện đất đá rắn chắc nứt nẻ chứa nước, chứa khí Không dùngcho các khe nứt > 0,1 mm vì vữa không vào được Không áp dụng cho các khe nứt cónước ngầm xâm thực lớn Vì vữa xi măng không đông cứng trong điều kiện có nướcngầm chảy trong lỗ khoan
Phương pháp ép vữa đất sét:
Dùng trong các khe nứt lớn vì đất sét có thể không chống được áp lực nướcngầm do không đủ khả năng lắng đọng; có thể dính kết cao nhưng khả năng ngưng tụ
Trang 6chậm nên chỉ dùng trong khe nứt lớn, không dùng cho các khe nứt nhỏ.
Phương pháp ép vữa hắc ín:
Dùng trong các khe nứt lớn, có tốc độ nước ngầm lớn, có nước xâm thực, đất đá
có trầm tích, cuội không dùng cho các khe nứt nhỏ Vì nhựa đường khi gặp nước sẽđông cứng nhanh, lấp đầy các khe nứt ngăn không cho nước vào khu vực thi công
Câu 5: Nhiệm vụ của tấm đệm, phân loại tấm đệm, tính chiều dày tấm đệm (viết tay)?
Trả lời
Nhiệm vụ của tấm đệm
- Ngăn nước, vữa từ khe nuets trở lại gương thi công;
- Gá chặt các ống dẫn và miệng lỗ khoan, đồng thời tạo ra được áp suất bơm lớn;
Tải trọng tác dụng lên tấm đệm phụ thuộc vào áp suất bơm vữa vào lỗ hổng đất
đá, khe nứt Để đơn giản tính toán, ta giả thiết áp lực bơm phân bố ddeeef trên mặt củatấm đệm Lấy bằng áp suất cực đại khi bơm để tính toán
Trong đó:
Pn: Áp suất thủy tĩnh ở độ sâu ngang miệng lỗ khoan ép vữa;
Pđ: Áp suất của dung dịch ép vữa xi măng;
Tấm đệm tự nhiên
Trong đó:
P: Áp suất cực đại khi bơm;
D: Đường kính sử dụng của vỏ giếng;
[τc]: Ứng suất cho phép của đất đá
Tấm đệm nhân tạo
- Tấm đệm cầu:
- Tấm đệm cầu:
Trang 7Trong đó:
P: Áp suất cực đại khi bơm;
r: Bán kính giếng khi đào;
[σn]: Ứng suất nén cho phép của vật liệu làm tấm đệm;
Khi đường lò có nhiều nước ta phải xây dựng tường chắn
Trước khi bơm vữa gia cố phải đặt các đường ống dẫn nước, dẫn khí, dẫn vữa
Áp suất bơm vữa gấp ít nhất 2 lần áp lực thủy tĩnh của nước ngầm Trước khibơm phải rửa sạch khe nứt bằng nước áp suất cao
Thiết bị phải đặt gần vị trí thi công, sử dụng ống dẫn vữa bằng kim loại
Câu 7: Vì sao phải kiểm tra vỏ chống công trình thẳng đứng khi dùng phương pháp ép vữa xi măng khi gia cố đá? Kiểm tra như thế nào?
Trả lời
Kiểm tra vỏ chống khi dùng phương pháp ép vữa xi măng vì: Vỏ chống tì lêntấm đệm, áp lực bơm vữa và áp lực nước tác dụng lên tấm đệm truyền vào vỏ chống,làm phần tiếp xúc của vỏ chống và tấm đệm bị vỡ ra
Trang 8độ mực nước ngầm, vị trí đặt đầu bơm, lý lịch toàn bộ lỗ khoan ép vữa.
Áp lực:
Tiết diện ngang vỏ chống
Khi đó trong vỏ chống xuất hiện ứng lực σn
Thay giá trị ta được:
Vỏ chống bị phá hoại khi:
σ’N > [σN];
Tức là vỏ chống chịu được áp lực cực đại:
Trong đó:
Dg: Đường kính bên trong vỏ giếng;
d: Chiều dày giếng;
a: Độ võng tấm đệm;
[σN]: Ứng suất nén giới hạn của vật liệu làm vỏ chống;
Câu 8: Tại sao cần phải ép vữa xi măng bổ sung? tóm tắt nội dung của phương pháp này?
Trả lời
Cần phải ép vữa xi măng bổ sung vì:
Tác hại của dòng nước ngầm chảy vào đường lò sau khi thi công là rất lớn, Vìvậy để hạn chế phải ngăn nước không cho chảy vào đường lò Ngoài dùng chất phụ giachống thấm thì có thể dùng vữa xi măng bơm ngoài vỏ chống, gọi là bơm bổ xung
Tóm tắt nội dung của phương pháp ép vữa bổ sung:
Với công trình thẳng đứng: dùng các vòng lỗ khoan ép vữa bổ sung bố trí trênthành giếng, mỗi vòng cách nhau 1,5m sâu 0,5- 1m, khoan nghiêng 10o để hạn chếnước chảy vào công trình Đường kính miệng lỗ khoan là 60mm, đáy lỗ khoan là40mm Các lỗ được khoan cùng lúc Khi chiều sâu quá lớn ta phải chia đoạn Vữa ép
bổ sung được tiến hành bơm từ dưới lên Các lỗ khoan bê trên phải có van khóa
Với công trình nằm ngang và nghiêng: cách bố trí các lỗ khoan, đường kính,chiều sâu giống như công trình thẳng đứng, khác là các lỗ khoan song song vs trục
Trang 9công trình Cách ép vữa tương tự.
Nồng độ vữa bơm bổ sung: Xi măng chế tạo có Mác ≤ 400 Thành phần chủyếu phụ thuộc lượng nước chảy vào công trình và áp suất thủy tĩnh Tỷ lệ X/C là 1:2hoặc 1: 3 Nếu dòng thấm > 15 m3/h thì dùng phụ gia đông cứng nhanh, tỷ lệ X/C/Sét
là 1:1:1
Kết thúc giai đoạn, nếu v < 1 m3/h thì ép vữa bổ sung đạt yêu cầu
Câu 9: Phương pháp đóng băng gia cố đá dựa trên cơ sở vật lý nào? Trình bày quy trình làm lạnh làm đóng băng nước với đất đá trên sơ đồ hình 20 trong tập bản vẽ?
Trả lời
Cơ sở vật lý phương pháp đóng băng gia cố đất đá:
Lấy nhiệt lượng của nước và đất đá xung quanh khu vực thi công khiến nước vàđất đá mất nhiệt, hạ nhiệt độ xuống đến 0oC thì nước đóng băng với đất đá
Quy trình làm lạnh làm đóng băng nước với đất đá:
Sơ đồ quy trình đóng băng nước với đất đá
Chu trình của muối gián tiếp đóng băng NH3 tại trạm làm lạnh được máy ép khí
số 1 ép vs áp suất 8-10 atm, do đó thì NH3 được nâng lên 1000C và được ghép qua bểlọc dầu số 2 rồi đưa vào máy ngưng tụ số 3 NH3 được làm lạnh bằng nước và thu lạinhiệt do bị nén Do bị làm lạnh, NH3 giảm nhiệt độ xuống và chuyển từ thế khí sangthể lỏng, áp suất 8-10atm, nhiệt độ từ 10-200C Sau đó theo đường ống dẫn số 4 về vanđiều chỉnh số 5, qua đây NH3 lỏng giảm nhiệt độ xuống còn -25oC để giảm xuốngnhiệt độ này phải giảm áp suất xuống 1,5 atm NH3 theo đường ống dẫn số 6 vào bộphận bốc hơi số 7 Tại bộ phận này, áp lực lại giảm xuống dưới 1atm, và chuyển từ thểlỏng sang thể khí NH3 theo ốn dẫn số 8 theo ống dẫn số 8 và vào bộ phận lọc số 9, sau
đó trở về máy ép khí số 1
Trang 10Câu 10: Khi dùng phương pháp đóng băng gia cố đá cần phải xác định thông số nào?
Trả lời
Để đóng băng đất đá tự nhiên:
Q= qf F (Kcal/h)F: tổng diện tích làm lạnh
qf: hệ số kể tới sự truyền nhiệt trên 1m2 bề mặt ống làm lạnh đất đá
Năng suất yêu cầu:
Qy/c= 1,2Q = 1,2qf.FThời gian tạo thành đất đá đóng băng:
Qo = Q1.V: Nhiệt lượng lấy đi của nước và đất đá đóng băng hình trụ xung quanh lỗkhoan
V - thể tích đất đá tự nhiên cần đóng băng xung quanh lỗ khoan
lo: chiều sâu lỗ khoan làm lạnh;
Dng, Dtr: đường kính ngoài, trong của đất đá đóng băng hình trụ;
QL: Nhiệt lượng lấy đi của lớp đất đá xung quanh lớp đ.đá đóng băng;
QL= π.(Dng-Dtr).lo.r r: nhiệt lượng truyền ra mặt trong và ngoài đất đá đóng băng, r=6kcal/m2.h;
Khi biết kích thước lớp đóng băng hình trụ, thời gian cột đất đá đóng băng:
r2: bán kính cột đất đá đóng băng khi chiều dày lớp đất đá đóng băng bằng E;v: tốc độ phát triển của lớp băng xung quanh cột làm lạnh;
Thời gian làm tan băng: cung cấp cho đất đá có nhiệt lượng đúng bằng nhiệtlượng thu vào khi đóng băng
Q1’= q1’+q’ 2+q ’ 3+q ’
4Thời gian làm tan băng:
S1: nhiệt lượng cần thiết truyền từ môi trường xung quanh trong 1h
Thời gian làm tan băng = các pp nhân tạo:
Trang 11qs: nhiệt lượng truyền từ dung dịch muối hoặc hơi nóng vào đất đá đóng băngtrong 1 giờ;
S1: Lượng nhiệt cần thiết truyề vào đất đá từ môi trường xung quanh;
Câu 11: Nội dung các phương án gia cố đá thi công công trình nằm nghiêng
và nằm ngang bằng phương pháp đóng băng (có hình vẽ minh họa)?
Trả lời
Công trình nằm ngang:
Tạo vỏ đất đá đóng băng xung quanh công trình: Kết hợp khoan các lỗ khoantrên mặt đất (1) và các lỗ khoan song song với trục công trình (2) các lỗ khoan (1)đóng băng nóc và hông công trình , các lỗ khoan 2 đóng băng phía nền (H.16);
Trang 12Lỗ khoan làm lạnh
Bề mặt đất hoặc công trình bên trên
N ớc
Loại đất 3 Khu vực lỗ khoan
2 3 4
6 9
14 13 12 11 10
8 7
5
Cõu 12: Thi cụng cụng trỡnh trong đất đỏ đúng băng và ộp vữa xi măng cần chỳ ý những điểm gỡ?
Trả lời
Thi cụng trong đất đỏ đúng băng:
- Cú thể dựng cỏc sơ đồ thi cụng cụng trỡnh ngầm như bỡnh thường
- Tựy vào tớnh chất cơ lý của đất đỏ cú thể dựng cỏc phương phỏp phỏ đỏ bỡnhthường Nếu sử dụng phương phỏp khoan nổ mỡn thỡ chiều sõu khoan khụngthiết kế quỏ lớn Để khoan nờn sử dụng loại mỏy bằng khớ ộp, mỏy ộp dựngchạy mỏy khoan mỏy xỳc khụng cú lẫn hơi nước
- Chống cụng trỡnh: Nờn sử dụng kết hợp neo lưới thộp hoặc vỡ chống bằng thộphỡnh với kết cấu lớn Chống cố định bằng bờ tụng nguyờn khối hoặc tấmchubingi bằng kim loại hoặc bờ tụng cốt thộp
- Việc thỏo cột làm lạnh ra khỏi cụng trỡnh rất khú
- Phương phỏp đúng băng cú chi phớ rất lớn
Thi cụng trong đất đỏ ộp vữa xi măng
- Cú thể dựng cỏc sơ đồ thi cụng cụng trỡnh ngầm bỡnh thường: song song, nốitiếp, phối hợp
- Cú thể dựng cỏc phương phỏp phỏ đỏ bỡnh thường;
- Cú thể dựng cỏc loại vỏ chống làm kết cấu chống cụng trỡnh
- Phương phỏp tớnh toỏn và cụng nghệ thi cụng bỡnh thường
Trang 13- Thời gian ép vữa 35 – 40%, đào vận chuyển đất đá 30 – 40%, thời gian còn lạicông tác khác.
- Tốc độ thi công đạt 50 – 60 % phương pháp bình thường
- Giá thành tăng so với phương pháp bình thường tối đa 50%
Câu 13: Điều kiện áp dụng phương pháp đóng cọc gỗ, kim loại, cọc bê tông?
Trả lời
Điều kiện áp dụng phương pháp đóng cọc
- Đất đá yếu chứa nước, cát chảy, đá hạt vụn…
- Phí sau hoặc phía dưới lớp đất đất đá cần đóng cọc phải có lớp đá vững chắc(diệp thạch, sét…) để cọc cắm sâu vào lớp đất đá vững chắc này 1 – 1,5 m Vớicọc thẳng đứng thì lớp đất đá vững chắc phải càng gần càng tốt
- Chiều sâu lớn, thì phải đóng nhiều lớp cọc (điều này làm giảm tiết diện ngangcủa công trình) Nếu dùng một lớp cọc thì có thể dùng cọc thép hoặc cọc bêtông đổ tại chỗ
- Trong lớp đất đá đóng cọc không có đá tảng đá kẹp hay khối đá cứng cản trởviệc đóng cọc
- Quá trình thi công phức tạp năng suất và tốc độ thấp, khó kiểm soát chất lượngtốn kém chi phí Hạn chế cơ giới hóa thi công Thường ảnh hưởng đến các cáccông trình phía trên Vì thế nên kết hợp sử dụng với các phương pháp khác
Câu 14: Đóng cọc thẳng đứng, xiên, cọc bê tông có gì giống và khác nhau,
ưu nhược điểm của từng loại?
Trả lời
Trang 14Câu 15: Nội dung các phương án đóng cọc thi công công trình nằm nghiêng
và nằm ngang?
Trả lời
Điều kiện áp dụng
Nội dung
Tùy thuộc vào điều kiện đại chất, thủy văn cụ thể mà có thể chia làm 4 trườnghợp:
- Trong đất đá tương đối cứng vững: Nóc hay sườn có cát chứa nước hoặc cát
chảy thì công việc đào phát bắt đầu từ giữa, phí trên gương thi công (H33) cọcđóng bằng thủ công Nếu công trình vững chắc chèn thêm tấm chèn 3 Nếu cầnthiết thì chèn cả gương công trình (tấm chèn phải tính toán cụ thể)
- Thi công công trình trong đá hạt thô, nước chảy nhiều: Thì sau khi đóng cọc
phí nóc và hông công trình, phải tiến hành xúc bốc tới đâu, chèn tới đó Gươngcông trình được chèn bằng gỗ ván Bịt kín các khe hở Đất đá được bóc từ trênxuống dưới (dỡ 2- 3 tấm để xúc bốc) Sau một khoảng đào, dừng lại để chèn
- Thi công trong cát chảy: Đóng cọc trên toàn bộ khoảng đào rồi tiến hành bốc
đất đá Phía nền đóng cọc thẳng đứng Cọc chèn phải đóng 4 phía Đôi khigương công trình cũng được đóng cọc Các cọc đóng sát nahu và chèn kín cáckhe hở Nếu có áp lực nước, đóng cọc ngang vào gương công trình Khi xúcbốc thì tháo từng tấm và sau đó chèn lại
- Thi công trong đá hạt vụn: Khi thi công trong đá hạt vụn có quy trình công
nghệ khác bình thường Phải chống giữ trước rồi mới đào phá Khi thi công từdưới lên trên thì gương công trình phải được chống giữ
Câu 16: Phương pháp hạ mực nước ngầm thi công công trình thẳng đứng? Phương pháp này có ưu nhược điểm gì? biện pháp khắc phục?
- Đất đá được tháo khô sẽ ổn định hơn Loại bỏ được áp lực nước tác dụng lêncông trình trong thời gian thi công Nên ngăn ngừa và hạn chế đất đá sập lở càchuyển vị vào công trình
Trang 15 Ưu điểm:
- Tạo được vùng đất đá được tháo khô rất lớn Giúp thi công công trình trongđiều kiện bình thường
- Có thể không phải bơm nước, hoặc bơm với thiết bị công suất nhỏ
- Kết hợp đẩy nước bằng khí nén với tháo nước bằng lỗ khoan khỏi gương côngtrình làm áp suất trong buồng làm việc giảm
Nhược điểm:
- Phải dùng phương pháp phụ (đóng cọc) ở giai đoạn cuối để tháo khô nước bơm
từ lỗ khoan lên
- Gây lún, sụt bề mặt đất, ảnh hưởng tới công trình trên mặt
- Khi dùng khí nén đẩy nước khỏi công trình thẳng đứng có thể khiến buồn làmviệc chìm không đều, lệch trục công trình
- Khi làm việc trong môi trường áp suất cao dễ mắc bệnh tim mạch
Khoan các lỗ khoan hạ mực nước ngầm
Từ mặt đất hoặc từ một công trình nào đó khoan các lỗ khoan hạ mực nướcngầm Rồi dùng máy bơm hút nước lên mặt đất hoặc vào hệ thống các công trình đãthi công Khoảng cách giữa các lỗ khoan phụ thuộc khả năng thấm khô của đất đá, giớihạn trong khoảng 100 – 200m Chiều sâu lỗ khoan phụ thuộc vào vị trí miệng lỗ khoanđến vỉa đất đá cần tháo khô Kinh nghiệm dùng phương pháp này sẽ không hoàn toàn
hạ hết mực nước ngầm theo yêu cầu