Nghiên cứu biện pháp xử lý và chống đỡ khi thi công đường hầm dẫn lòng qua vùng địa chất yếu công trình thủy lợi ngàn trươi, cẩm trang, hà tĩnh

L IC M N Sau m t th i gian thu th p tài li u nghiên c u, đ n lu n v n “Nghiên c u bi n pháp x lý ch ng đ thi cơng đ ch t y u cơng trình th y l i Ngàn Tr đáp ng đ i – C m Trang - Hà T nh” hoàn thành c yêu c u đ V i thành qu đ t đ quý th y cô Tr ng h m d n dòng qua vùng đ a ng c, tác gi lu n v n xin bày t lòng bi t n sâu s c đ n i h c Th y l i th i gian qua truy n đ t ki n th c khoa h c, kinh nghi m th c t cho tác gi lu n v n c bi t tác gi lu n v n xin đ V Thanh Te h c bày t lòng bi t n sâu s c đ n th y GS.TS ng d n tác gi hoàn thành lu n v n Tác gi xin chân thành c m n b n bè, đ ng nghi p t o u ki n thu n l i cho su t trình h c t p t i tr ng c ng nh trình th c hi n lu n v n Cu i cùng, xin c m t t m lòng, s hy sinh, h tr c a nh ng ng i thân đ ng viên giúp đ tác gi lu n v n su t trình h c t p hoàn thành lu n v n Hà N i, tháng 03 n m 2015 Tác gi lu n v n Tr ng V n c B N CAM K T H tên h c viên: Tr ng V n c Chun ngành: Xây d ng Cơng trình thu Tên đ tài lu n v n “Nghiên c u bi n pháp x lý ch ng đ thi cơng đ ng h m d n dịng qua vùng đ a ch t y u cơng trình th y l i Ngàn Tr i– C m Trang - Hà T nh” Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên c u c a riêng cá nhân Nh ng n i dung k t qu trình bày lu n v n trung th c ch a đ tr c công b c Hà N i, tháng 03 n m 2015 Tác gi lu n v n Tr ng V n c M CL C M U 1 Tính c p thi t c a tài M c đích c a đ tài it ng ph m vi nghiên c u Cách ti p c n ph CH ng pháp nghiên c u .2 NG 1: GI I THI U T NG QUAN V THI CÔNG NG H M .3 1.1 S phát tri n thi công h m th gi i .3 1.2 S phát tri n thi công h m 1.3 Các ph 1.3.1 Ph ng pháp m đ ng pháp m đ 1.4 Các ph Vi t Nam .6 ng h m ng h m đá c ng .9 ng pháp thi công đ ng h m tiên ti n th gi i 21 1.4.1 Ph ng pháp thi công h m c a Na-uy (NMT) .21 1.4.2 Ph ng pháp thi công h m c a Áo (NATM) 22 1.5 M t s s c th ng g p q trình thi cơng đ ng h m 23 1.5.1 Nguyên nhân gây s c k thu t q trình thi cơng đ ng h m .23 1.5.2 M t s d ng s c k thu t x y Xây d ng cơng trình ng m 24 1.6 K t lu n 27 CH NG 2: TÍNH TỐN XÁC 2.1 Ph NH VỊM PHÁ HO I NG H M 28 ng pháp d a quan sát th c t gi thi t vòm áp l c (ph d a đánh giá ch t l ng pháp ng đá) .29 2.1.1 Vòm áp l c đ nh h m có d ng Parabol hay Elip .30 2.1.2 Áp l c đ t đá đ 2.1.2.3 Ph 2.2 Ph c xét cho t ng lo i đá 39 ng pháp Stini 42 ng pháp phân lo i đá đ xác đ nh áp l c đá (còn g i ph đánh giá s l ng pháp d a ng ch tiêu c a đá) .44 2.2.1 Phân lo i kh i đá theo Deere – Ph ng pháp RQD 45 2.2.2 Ph ng pháp c a Lauffer 46 2.2.3 Ph ng pháp c a Bieniawski 47 2.2.4 Ph ng pháp c a Barton, Lien, Lunde 48 2.2.5 Ph ng pháp Bulucchev 50 2.3 Gi i thi u chung v Cơng trình th y l i Ngàn Tr i 51 2.3.1 V trí đ a lý 52 2.3.2 Khí h u th m th c v t 52 2.3.3 Giao thông .53 2.3.4 Nhi m v d án: 53 2.3.5 V trí, nhi m v , thông s k thu t c a tuynen TN1, TN2 c a cơng trình th y l i Ngàn Tr 2.3.6 i 54 c m đ a ch t đ a ch t th y v n c a tuynen s .55 2.4 Áp d ng tính tốn vịm cân b ng c a đ ng h m th y l i Ngàn Tr i 58 2.5 K t lu n 59 CH NG 3: NGHIÊN C U GI I PHÁP GIA C TUY N T M TRONG THI CÔNG NG H M CƠNG TRÌNH TH Y L I NGÀN TR 3.1 Nguyên t c c b n c a ph I 60 ng pháp xây d ng h m NATM 60 3.2 Các lo i gia c t m xây d ng h m 65 3.2.1 Ph ng pháp Xi m ng hóa 65 3.2.2 Ph ng pháp sét hóa .68 3.2.3 Ph ng pháp Silicat hóa 68 3.2.4 Ph ng pháp đóng b ng nhân t o 69 3.2.5 Ph ng pháp Neo 71 3.3 L a ch n gi i pháp, tính tốn gia c t m cho đ 3.3.1 Tính tốn chi u dài neo thép gia c cho đo n đ ng h m 75 ng h m 75 3.3.2 Tính tốn kh n ng ch u l c c a neo 76 3.3.3 Tính tốn kh n ng ch u l c c a đ u neo 77 3.3.4 Tính tốn kho ng cách neo gia c cho đ ng h m 77 3.3.5 Tính tốn chi u dày bê tơng phun gia c cho đo n đ 3.4 Quy trình, ph ng h m .78 ng pháp thi công neo thép, phun bê tông gia c cho đ 3.4.1 Quy trình, ph ng pháp thi cơng neo thép gia c cho đ ng h m 79 ng h m 79 3.4.2 Quy trình, ph 3.5 K t lu n ch ng pháp thi công phun bê tông gia c cho đ ng h m 81 ng 82 K T LU N VÀ KI N NGH 83 K t lu n 83 K t qu đ t đ c 83 Nh ng h n ch t n t i trình làm lu n v n .83 Nh ng ki n ngh h ng nghiên c u ti p 84 TÀI LI U THAM KH O 85 DANH M C CÁC HÌNH V Hình 1.1: M Hannan, Kalgoorlie, Australia Hình 1.2: Thành ph ng m Montreal, Canada Hình 1.3: H m nguyên t Berlin, c Hình 1.4: ng h m qua eo bi n Manche Hình 1.5: ng h m d n n c cơng trình th y n i Ninh dài 11km, .7 dài nh t ông Nam Á hi n Hình 1.6: H m đ ng b H i Vân đ Hình 1.7: H m Th Thiêm v c đ a vào s d ng t tháng 6/2005 .7 t sơng Sài Gịn Hình 1.8: H m Kim Liên – Hà N i .8 Hình 1.9: H m tuynel c a cơng trình th y l i C a Hình 1.10: Máy đào đ Hình 1.11: Ph t – Thanh Hóa ng h m TBM 10 ng pháp đào toàn ti t di n .10 Hình 1.12: Th t đào h m b ng ph ng pháp b c thang 14 Hình 1.13: b ph n thi công h m theo ph ng pháp vịm tr c 18 Hình 1.14: Th t đào h m theo ph ng pháp nhân đ 19 Hình 1.15: Th t đào h m theo ph ng pháp phân m nh đào tồn ti t di n 19 Hình 1.16: Khoan l v Hình 1.17: Bên đ Hình 1.18: t tr c g ng h m .21 ng h m th y n ng h m th y n Dâng 26 Dâng sau b s p .27 Hình 2.1: Mơ hình tính áp l c đ t đá c a V.Ritter 31 Hình 2.2: S đ cân b ng l c c a t ng bên 33 Hình 2.3: Mơ hình tính vịm đá áp l c theo ph Hình 2.4: Ph ng pháp c a Kommerell 34 ng pháp c a Kommerell đ i v i đ t đá b vò nát 35 Hình 2.5 : Mơ hình tính áp l c đá theo M.M Protodiakonov .36 Hình 2.6: ng h m đá có l p 40 Hình 2.7: B ng tra theo ph ng pháp RQD 46 Hình 2.8: Bi u đ phân lo i kh i đá theo ph ng pháp Bieniawski 48 Hình 2.9: Bi u đ phân lo i kh i đá theo ph ng pháp h th ng Q 50 Hình 2.10: Ph i c nh cơng trình th y l i Ngàn Tr Hình 2.11: M t c t sau đào đ Hình 2.12: M t c t vòm cân b ng đ i 52 ng h m TN2 58 ng h m TN2 59 Hình 3.1: S đ tính đ xác đ nh thông s l khoan ph t 66 Hình 3.2: Trình t cơng tác xi m ng hóa h m .67 Hình 3.3: S đ đóng b ng đ t .70 Hình 3.4: C u t o thép neo vào đá gia c đ ng h m 76 Hình 3.5: Chi ti t c u t o neo chêm 76 Hình 3.6: B trí neo theo theo vịm m t c t ngang đ ng h m 78 Hình 3.7: M t c t ngang h m thi công neo b ng máy 80 Hình 3.8: M t b ng, m t c t d c đ ng h m thi cơng neo 80 Hình 3.9: Thi t b đ phun bê tông 81 Hình 3.10: Quy trình b trí thi t b đ phun bê tơng 82 DANH M C B NG BI U B ng 2.1: Tiêu chu n n đ nh t ng bên th ng đ ng ph thu c vào l c dính C góc ma sát φ 32 B ng 2.2: Kh i l nghi m hi n tr B ng 2.3: ng đ t đá d sau đ m l i so v i kh i đào ban đ u (thí ng) 34 c ng c a lo i đá theo ph ng pháp M.M Protodiakonov 37 B ng 2.4: B ng tra tr s K a 39 B ng 2.5: Phân c p đ a t ng theo Terzaghi v áp l c đá .40 B ng 2.6: Áp l c đá v t ch ng đ theo Bierbaumer .42 B ng 2.7: Phân c p đ a t ng theo Stini 43 B ng 2.8: Phân lo i kh i đá theo Deere 45 B ng 2.9: Phân lo i nhóm đá theo theo Bieniawski 47 B ng 2.10: Các nhóm kh i đá theo Barton, Lien, Lunde 49 B ng 2.11: C p n đ nh c a đá đ c xác đ nh theo ch s n đ nh .51 B ng 2.12: B ng k t qu tính tốn vịm cân b ng c a TN2 .58 B ng 3.1: H s K theo m c đ n t n c a đá 72 B ng 3.2: L c dính k t c a c t thép v i v a 72 B ng 3.3: H s k B theo hình d ng m t c t h s đ c ng 73 B ng 3.4: C ng đ tính tốn tiêu chu n c a bê tông phun v a phun 74 M Tính c p thi t c a U tài Trên th gi i, cơng trình ng m đ c phát tri n r t ph bi n xây d ng hi n đ i l nh v c giao thơng v n t i, khai thác khống s n, th y l i, th y n công trình cho m c đích an ninh qu c phịng… l nđ v c s d ng vào m c đích giao thơng nh h m đ t sơng, v c bi t cơng trình ng s t, h m đ ng ôtô đ t núi đáp ng t i u v yêu c u kinh t - k thu t đ ng th i rút ng n chi u dài n đ ng gi m th i gian l i V i thành ph l n cơng trình ng m, h m ng m đ c xây d ng đ gi i quy t v n đ ách t c giao thông, làm nhà , gara đ xe m t s m c đích quan tr ng khác Trong l nh v c Th y l i, th y n đ ng h m đóng vai trị h t s c quan tr ng nh đ d ng đ d n dịng thi cơng, d n n n cs c vào nhà máy th y n, thoát l c n thi t c ta nh ng n m g n đây, xây d ng m t s cơng trình ng m có quy mơ nh Th y n Hịa Bình, Tr An, Yaly… g n h m đ qua đèo H i Vân, đ dòng h ch a n ng h m v cC a t sông Sài Gòn h m Th Thiêm, đ ng b ng h m d n t,… Hi n nay, ph n l n cơng trình ng m đ c xây d ng h u h t có đ a ch t n m l p đá c ng Còn l i cơng trình n m vùng đ a ch t y u, ph c t p r t thi cơng th ng x y s c n đ n v g p khó kh n vi c tìm l a ch n gi i pháp thích h p đ thi cơng Do kéo dài th i gian thi công so v i ti n đ đ gây thi t h i cho Ch đ u t , đ n v thi công tr c ti p làm nh h ng đ n hi u qu đ u t c a d án i v i cơng trình th y l i Ngàn Tr i có đ ng h m tuynel g p đ a ch t y u, ph c t p làm s t l m t an toàn gây thi t h i v kinh t c ng nh làm ch m ti n đ thi cơng c a c cơng trình S c x y t i tuynel s cơng trình th y l i Ngàn Tr i khơng ph i chuy n hi m g p thi cơng cơng trình th y n, th y l i c n c th i gian qua Vi c “Nghiên c u bi n pháp x lý ch ng đ thi công đ Ngàn Tr ng h m d n dòng qua vùng đ a ch t y u cơng trình th y l i i – C m Trang – Hà T nh” vơ c p thi t đ tìm bi n pháp thi công phù h p nh m đ m b o an toàn k thu t thi công đ nen c a cơng trình th y l i Ngàn Tr ng h m i nói riêng cơng trình khác t ng lai M c đích c a đ tài D a vào c s lý thuy t th c ti n đ xác đ nh ph m vi phá ho i công ngh x lý thi công đ it ng h m qua vùng đ a ch t y u ng ph m vi nghiên c u Trong lu n v n ch nghiên c u h ng m c đ c a cơng trình th y l i Ngàn Tr ng h m tuynel d n dịng i sau tính tốn cho m t đo n đ ng h m c th Cách ti p c n ph ng pháp nghiên c u 4.1 Cách ti p c n đ tài: Thu th p, phân tích tài li u kh o sát đ a hình, đ a ch t thi t k đ c a cơng trình th y l i Ngàn Tr thi cơng n i, tài li u thi công công trình đ c th gi i, đ c bi t đ ng h m ng h m ng h m qua vùng có đ a ch t x u ph c t p 4.2 Ph ng pháp nghiên c u K th a, thu th p phân tích nghiên c u thi cơng cơng trình đ ng h m n c n c tiên ti n th gi i 71 X lý n n Nh c ng m t t, thu n l i cho vi c thi công, r t hi u qu cho đ t có ch a c t 30÷40% c m Ph ng pháp giá thành cao, xét v u ki n khí h u nhi t đ i Nam, đ ng th i u ki n kinh t nên ch a áp d ng thi công đ ph Vi t ng h m theo ng pháp t i Vi t Nam L uý Áp d ng đào đo n đ ng h m n m nh ng u ki n đ a ch t cơng trình đ a ch t th y v n ph c t p 3.2.5 Ph ng pháp Neo Gi i thi u ph Ph ng pháp ng pháp neo có tác d ng ch ng s t l ngồi cịn có tác d ng đ a c kh i đá bao quanh h m vào làm vi c, bi n vách h m thành m t k t c u th ng nh t có kh n ng ch u t i l n Các neo đ c gia c phía ngồi vùng s t l , gi vách h m t phía kh i đá, chúng khơng chi m khơng gian c a h m Ph ng pháp neo có th áp d ng cho đá c ng v i f k ≥ 3.2.5.1 Tính tốn chi u dài c a neo Chi u dài c a neo tính b ng m cho ph n vòm c a đ 9154:2012), ph i đ ng h m đào (TCVN c xác đ nh theo công th c: la ≥ hH + l3 (m) (3.7) Trong đó: h H chi u sâu c a vùng b phá h y xác đ nh theo tài li u nghiên c u t i hi n tr ng, đ i v i tính tốn s b cho phép xác đ nh h H theo công th c: h H = k B o (m) (3.8) k h s l y theo B ng 3.1 B o chi u r ng h m đào, tính b ng m; l đ sâu chôn néo ph m vi c a vùng b phá h y, tính b ng m - i v i neo b ng thép: l = 0,5 h H (m) (3.9) 72 - i v i neo b ng bê tông c t thép: = l3 Ra d a ≥ 0,5m 400π a (3.10) Trong đó: R a c ng đ ch u kéo tính tốn c a néo, tính b ng kg/cm2 (0,1 mPa); d a đ ng kính c a néo, tính b ng cm; τ a l c dính k t tính tốn c a néo, kg/cm2 (0,1 mPa) v i v a xi m ng - cát đ chèn vào l néo, đ i v i tính tốn s b τa l y theo B ng 3.1 B ng 3.1: H s K theo m c đ n t n c a đá H s đ c ng f k H s k theo đ n t n c a đá N t n nh N t n trung bình N t n nhi u 0,2 0,3 0,4 T 5đ n9 0,1 0,2 0,3 10 l n h n 0,05 0,1 0,15 B ng 3.2: L c dính k t c a c t thép v i v a Lo i c t thép cán nóng L c dính k t c a c t thép v i v a τ a mác thi t k ch u nén c a v a b ng mPa (kg/cm2) Thép tròn (tr n) Thép gai 20 (200) 30 (300) 1,5 (15) 2,5 (25) 2,5 (25) 3,5 (35) 3.2.5.2 Tính tốn kho ng cách gi a neo Kho ng cách a gi a neo tính b ng m theo h ng ngang h ng d c, đ i v i ph n vòm c a h m đào ph i l y theo tr s nh nh t (nh ng không nh h n m) xác đ nh theo nh ng u ki n: a) T o thành vịm đá (TCVN 9154:2012) theo cơng th c: k B q −a = la + (la c B0 ) (m) (3.11) 73 Trong đó: k B h s l y theo B ng 3.1; q tr s tính tốn c a áp l c đá th ng đ ng T/m2; c tr s l c k t dính c a đá vùng b phá h y, tính b ng T/m2, l y theo nh ng s li u nghiên c u t i hi n tr ng i v i tính tốn s b cho phép l y c = f k B ng 3.3: H s k B theo hình d ng m t c t h s đ c ng H s k B v i hình d ng c a m t c t h m đào theo H s đ c ng f K Hình I II - IV d ng hình trịn đ n5 0,20 0,25 l nh n5 0,25 0,3 b) Kho ng cách gi a neo tính theo đ n đ nh c a đá gi a chúng (TCVN 9154:2012) theo công th c: a= la c q (m) c) Kho ng cách gi a neo tính theo đ (3.12) b n g n ch t neo (TCVN 9154:2012) theo công th c: a= Na γ d hH (m) (3.13) Trong đó: N a kh n ng ch u l c c a neo tính b ng t n, đ nghiên c u t i hi n tr - i v i tính tốn s b cho phép l y: i v i neo b ng thép đá có f k = đ n 10, N a = đ n 10 T, tr - ng c xác đ nh theo s li u ng h p khác N a = đ n T i v i nh ng neo b ng bê tơng c t thép Na l y b ng đ b n ch u đ t c a néo γ đ kh i l ng th tích c a đá tính b ng T/m3 d) Chi u dày l p ph b ng bê tơng phun tính b ng m đ i v i ph n vòm c a h m đào (TCVN 9154:2012) đ c xác đ nh theo công th c 74 d = k a1 q mRq (m) (3.14) Trong đó: k h s ph thu c vào cách gia c h m đào gia c b ng bê tông phun (ho c bê tông phun v i khung ch ng ki u vòm) l y b ng 0,35; gia c b ng bê tông phun k t h p v i neo b ng 0,25 a kho ng cách gi a neo tính b ng m có neo l y a = a; nh ng tr ng h p l i a = Bo nh ng không nh h n m (B o chi u r ng h m đào) R p c ng đ tính tốn ch u nén d c tr c c a bê tông phun, l y theo B ng 3.4 m h s u ki n làm vi c: đ i v i l p ph có đ t c t thép l y = 1; đ i v i l p ph không đ t c t thép l y = 0,75 B ng 3.4: C C Tr ng thái ng K tc u su t Có c t tr c thép ng Khơng đ l ng có c t tr ) thép ng đ bê tông phun v a phun, mPa (kg/cm2) Tiêu chu n Thí nghi m Nén d c (c ng đ tính tốn tiêu chu n c a bê tông phun v a phun tc R lg tru Tính tốn Mác thi t k 30 21 40 28 Thí 50 35 nghi m u n có c t thép 40 50 13 17 20 R lg tru (210) (280) (350) 11,5 15 18 (115) (150) (180) 16 thép Không 30 (130) (170) (200) Có c t Nén Mác thi t k R utc 26 35 41 (260) (350) (410) 21 25 (160) (210) (250) Ru 14 18 22 (140) (180) (220) 75 C Tr ng thái K tc u ng su t ng đ bê tông phun v a phun, mPa (kg/cm2) Tiêu chu n Thí nghi m Tính tốn Mác thi t k 30 Mác thi t k Thí 40 nghi m 50 30 40 50 1,2 1,4 1,6 (12) (14) (16) 1,2 1,4 (10) (12) (14) Có c t Kéo d c tr c thép Không tc R keo có c t 2,5 3,0 3,5 (25) (30) (35) R keo thép * - u m c a neo thép: a c kh i đá bao quanh h m vào làm vi c, bi n vách h m thành m t k t c u th ng nh t có kh n ng ch u t i l n - Không chi m không gian c a h m * Nh c m c a neo thép, neo bê tông c t thép: - Neo thép: Ph ng pháp khơng phịng đ vùng có u ki n khí h u nhi t đ i nh c g cho thép neo (nh t Vi t Nam) - Neo bê tông c t thép ch làm vi c v a neo đ t đ b n c n thi t (thép neo đ c đóng vào l chêm đ y v a có t i tr ng tính tốn t 80 đ n 120 kN) 3.3 L a ch n gi i pháp, tính tốn gia c t m cho đ Trong lu n v n này, tác gi l a ch n c ng l y n ng h m c s (Tuynen 2) l a ch n m t c t h m đ tính toán T tài li u đ a ch t c a Cơng ty t v n HEC 12 TN2 qua vùng đá phong hóa hồn tồn có fk = có ch tiêu RMR = 26 Q = 0.012, tra b ng b ng h ng d n đào ch ng nen cho kích th theo Bieniawski - 1989 (đánh giá theo ch tiêu RMR) c h m