Nghiên cứu xác định khoảng cách tối thiểu giữa công trình ngầm tới phay phá đứt gãy bằng phương pháp số

MỤC LỤC MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHAY PHÁ ĐỨT GẪY 5 1.1. Khái niệm về phay phá, đứt gẫy 5 1.1.1. Lineman 6 1.1.2. Đứt gẫy sâu 6 1.1.3. Đới rift 7 1.1.4. Đứt gẫy biến dạng 8 1.1.5. Đứt gẫy trượt bằng 9 1.1.6. Đới trượt 10 1.1.7. Đứt gẫy vòng 10 1.2. Phân loại đứt gẫy dựa vào tính chất dịch chuyển của các cánh 11 1.2.1. Đứt gẫy thuận 11 1.2.2. Đứt gẫy nghịch 13 CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA PHAY PHÁ ĐỨT GẪY ĐẾN THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM 17 2.1. Tổng quan về những sự cố rủi ro trong thi công qua vùng đất đá phay phá đứt gãy 1 17 2.1.1. Các dạng sự cố rủi ro trong xây dựng công trình ngầm qua phay phá đưt gãy 17 2.2. Một vài sự cố trong xây dựng công trình ngầm qua phay phá ở Việt Nam 18 2.2.1. Sự cố đứt gẫy FA mỏ Mạo Khê 18 2.2.2. Sự cố đào lò xuyên vỉa mức 35 qua phay FC khu Lộ Trí mỏ than Thống Nhất 19 2.3. Ảnh hưởng của phay phá đến thi công công trình ngầm 19 2.4. Những giải pháp thường áp dụng khi thi công hầm qua vùng đất phay phá vò nhàu 20 2.4.1. Cược gương và nóc hầm (phương pháp cơ học) 20 2.4.2. Phương pháp ép vữa 20 2.4.3. Phương pháp thoát nước và gia cố vùng phay phá khi có chứa nước. 21 2.4.4. Phương pháp đóng băng nhân tạo 22 2.4.5. Phương pháp gia cường bằng hóa chất (nhựa tổng hợp) 22 CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ MÔ HÌNH HÓA XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH TỐI THIỂU TỪ CÔNG TRÌNH NGẦM TỚI PHAY PHÁ ĐỨT GẪY 3.1. Tổng quan về phương pháp số và phần mềm FLAC 3D 23 3.2. Lập mô hình và lựa chọn thông số đầu vào bài toán 25 3.3. Các trường hợp nghiên cứu 27 3.3.1. Thay đổi chiều sâu đặt đường lò 27 3.3.2. Thay đổi kích thước tiết diện đường lò 27 3.4 . Phân tích kết quả tính toán trong trường hợp thay đổi chiều sâu đặt đường lò 27 3.4.1 Kết quả tính toán khi đường lò đặt tại độ sâu 200 m 27 3.4.2 Kết quả tính toán khi đường lò đặt tại độ sâu 400 m 30 3.4.3 Kết quả tính toán khi đường lò đặt tại độ sâu 600 m 32 3.5. Phân tích kết quả tính toán trong trường hợp thay đổi chiều kích thước đường lò 35 3.5.1. Kết quả tính toán khi đường lò có kích thước 5x4 m 35 3.5.2. Kết quả tính toán khi đường lò có kích thước 4x4 m 38 3.5.3. Kết quả tính toán khi đường lò có kích thước 3x3 m 41 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KHOẢNG CÁCH TỐI THIỂU TỪ CÔNG TRÌNH NGẦM TỚI PHAY PHÁ ĐỨT GẪY KHI CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÀO SONG SONG VỚI PHAY PHÁ, ĐỨT GẪY. 44 4.1. Trường hợp thay đổi độ sâu đặt đường lò 44 4.2. Trường hợp thay đổi kích thước tiết diện ngang của đường lò 46 4.3. Kiến nghị hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo của đề tài. 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực của đề tài

Những năm gần đây, kỹ thuật công nghệ trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm

đã đạt được những kết quả vượt bậc, đặc biệt là thi công công trình ngầm qua nhữngđiều kiện địa chất phức tạp, địa chất yếu Có rất nhiều các công trình được xây dựngqua vùng địa chất có phay phá đứt gẫy thành công, an toàn và hiệu quả, tuy nhiên cũng

có những công trình xảy ra các sự cố trong thi công để lại các hậu quả rất lớn và chiphí để khắc phục tai biến kỹ thuật là rất lớn và chất lượng công trình không đảm bảo.Cho đến nay đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu của các tác giả trong vàngoài nước về thi công các công trình ngầm và mỏ qua khu vực địa chất có phay pháđứt gãy như của các tác giả: Ma Shi Zhi, Ren Zhao, Liu Wu Bi [6,7,8], GS.TS.Nguyễn Quang Phích [1], PGS.TS Nguyễn Quang Luật [2], Nhìn chung, có thể thấyrằng, các tác giả trong và ngoài nước mới chỉ tập trung vào các biện pháp thi côngchống giữ khi đào các công trình ngầm và mỏ đi qua phay phá đứt gãy, hoặc các biệnpháp khắc phục các sự cố xảy ra khi thi công công trình ngầm qua phay phá đứt gẫy,hoặc công tác dự báo phòng ngừa các sự cố khi thi công công trình ngầm qua vùngphay phá đứt gãy, mà chưa chú ý đến các công trình ngầm đào song song với phay pháđứt gẫy, và khi thi công các công trình ngầm và mỏ song song với đứt gãy thì khoảngcách an toàn giữa công trình ngầm tới đứt gãy bằng bao nhiêu vẫn chưa có nhiều cáccông trình được công bố Chính vì vậy việc nghiên cứu xác định khoảng cách tối thiểugiữa công trình ngầm tới phay phá đứt gẫy khi công trình ngầm đào song song vớiphay phá đứt gẫy có ý nghĩa khoa học và hoàn toàn xuất phát từ thực tiễn khách quan

2. Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, trung bình mỗi năm ngành than phải đào chống từ 250 ÷ 300 km đường

lò, trong đó các đường lò trong đá chiếm khoảng 25%, các đường lò trong than chiếmkhoảng 75% [3,4,5] Ngoài ra các dự án thủy điện, giao thông khi thực hiện cũng phảithi công một số lượng lớn các đường hầm Các công trình ngầm này thường có chiềudài lớn và khi thi công sẽ đi qua rất nhiều các lớp đất đá khác nhau do đó sắc xuất gặpcác phay phá đứt gãy tồn tại trong khối đá rất lớn

Phay phá đứt gẫy thường gây trở ngại cho công tác thiết kế và thi công các côngtrình ngầm, đường lò Thông thường khi thi công các công trình ngầm, đường lò gầnđến các đứt gẫy hoặc đào qua các đứt gẫy thường xảy ra các sự cố trượt lở đất đá vàotrong khoảng trống làm nguy hiểm cho người và máy móc thiết bị, làm ngừng trệ sảnxuất và ảnh hưởng đến tốc độ thi công chung của công trình Các công trình ngầm khiđào qua vùng đứt gẫy phay phá thì khoảng cách giữa công trình ngầm, đường lò đếnđứt gẫy có ảnh hưởng đến độ ổn định của công trình, khoảng cách này càng nhỏ thìmức độ ổn định của công trình càng kém, khoảng cách càng lớn thì độ ổn định càng

cao Chính vì vậy, việc nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu xác định khoảng cách tối

thiểu giữa công trình ngầm tới phay phá đứt gãy bằng phương pháp số” để xác định

khoảng cách hợp lý giữa công trình ngầm tới phay phá đứt gẫy khi công trình ngầmđào qua các phay phá đứt gẫy có ý nghĩa vô cùng quan trọng đến độ ổn định của côngtrình

3. Mục tiêu của đề tài

Xác định khoảng cách tối thiểu trụ đất đá bảo vệ giữa công trình ngầm (đường lò)tới phay phá đứt gẫy khi thi công các công trình ngầm đi qua vùng phay phá đứt gãy

4. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập, tổng hợp và xử lý tài liệu hiện có: Tìm hiểu, tổng hợp, phântích và đánh giá các tài liệu hiện có để tiếp thu và kế thừa các kết quả nghiên cứu trướcđây liên quan đến công trình ngầm đào vùng phay phá đứt gãy

mềm Flac3D: xây dựng mô hình so sánh các kích thước khoảng cách giữa công trìnhngầm tới phay phá đứt gẫy

5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Xác định khoảng cách giữa gương công trình ngầm với phay phá đứt gẫy

Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu ứng suất, và vùng phá hủy dẻo xung quanh công trình ngầm với cáckích thước khoảng cách khác nhau giữa công trình ngầm tới phay phá đứt gẫy

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHAY PHÁ ĐỨT GẪY

1.1. Khái niệm về phay phá, đứt gẫy

Phay phá, đứt gẫy (còn gọi làbiến vị, đoạn tầnghoặcphay) là một hiệntượng địa chất liên quan tới các quá trình kiến tạo trong vỏ trái đất Khi đá bị ngoạilực (lực kiến tạo) tác dụng trong đá xuất hiện ứng lực Khi ứng lực vượt quá một giớihạn nào đó (gọi là giới hạn bền), đá bị biến dạng và phá hủy, trong đá xuất hiện cácmặt nứt gọi là các khe nứt Nếu dọc theo các mặt nứt này các khối đá bị nứt ra, dịchchuyển tương đối với nhau thì được gọi là phay phá đứt gẫy (fault) Vậy phay phá đứtgẫy là sản phẩm biến dạng của đá, là một mặt hoặc một đới, dọc theo mặt hoặc đới ấy

có hiện tượng dịch chuyển theo phương song song với mặt hoặc đới đó Khối đá ở haiphía của đứt gẫy gọi là hai cánh của đứt gẫy (wall block) Phay phá đứt gẫy phát triểnchủ yếu theo không gian hai chiều, tức là một dạng cấu tạo mặt, thể hiện trên địa hình

là một đường; đường này là giao tuyến của mặt đứt gẫy với mặt địa hình Hình chiếutrên mặt phẳng nằm ngang của giao tuyến giữa mặt đứt gẫy và mặt địa hình thườngđược gọi là đường đứt gẫy [9]

Nếu cấu trúc đứt gẫy không phải chỉ có một mặt trượt mà là một đới mặt trượttheo các sản phẩm biến dạng khác, thì gọi là đới đứt gẫy (fault zone) Nếu đới đứt gẫykhông phải là các mặt trượt mà là một đới khe nứt cắt uốn cong dạng nếp oằn thì gọi làđới trượt dẻo hoặc đới cắt dẻo (dectile shear zone)

Hình 1 1 Các đới đứt gẫy a) Đứt gẫy một mặt trượt; b) Đới đứt gẫy có nhiều mặt trượt; c) Đới trượt (cắt) dẻo;

1 Cánh nằm; 2 Cánh treo [9]

Sự hình thành các phay phá, đứt gẫy địa chất có thể chứa bùn, sét, nước và cácthành phần phong hóa khi khai đào các công trình ngầm qua khu vực này gây sập đổ,

tai nạn trong thi công Trong điều kiện phay phá, đứt gẫy các nhà nghiên cứu, thiết kếphải đưa ra giải pháp xử lý thi công thích hợp và cần thiết để tiến hành khai đào côngtrình ngầm.

Các loại đứt gẫy đặc biệt

Lineamen (leneament) hay đường kẻ hành tinh là khái niệm do W Hobbs,

1904, đề xuất Lineamen là đới đứt gẫy rất lớn, cỡ hành tinh Nghĩa là chúng có thể cắtqua một vài châu lục, có bề rộng hàng chục, thậm chí hàng trăm km Đặc điểm củaLineamen là có lịch sử phát triển lâu dài, có biểu hiện hoạt động lặp đi lặp lại nhiều lần

là đới xung yếu của vỏ Trái Đất, nơi sụt lún vào các thời kỳ địa chất khác nhau để tạothành các bồn địa trầm tích Trái Đất, nơi sụt lún vào các thời kỳ địa chất khác nhau đểthành tạo các bồn địa trầm tích dọc theo nó, nơi vỏ Trái Đất khi căng giãn, thuận lợicho magma xâm nhập và phun trào núi lửa, khi ép nén gây uốn nếp, biến dạng đá dọctheo nó Đây cũng là đới các đá bị biến chất động lực, biến chất nhiệt động, biến chấttrao đổi,… rất phức tạp

Nhiều nhà địa chất cho rằng Lineamen là sản phẩm động học do Trái Đất quayxung quanh trục của nó gây ra Hiện tượng này biến Trái Đất từ hình cầu chuyển dầnsang hình elipxoit; giao tuyến của hai hình này chính là các đới Luneamen TâyBắc/Đông Nam và Đông Nam/Tây Bắc

Đứt gẫy sâu (deep fault) là thuật ngữ thường được dùng ở Liên Xô (cũ) và một

số nước Đông Âu trong khi những cấu trúc tương tự như vậy được các nhà địa chấtTây Âu gọi là Luneamen Cũng có người lại cho rằng Lineamen chính là đứt gẫy sâuliên quan với hiện tượng quay của Trái Đất xung quanh trục của nó

Theo A V Peive, 1945, thì đứt gẫy sâu là những đứt gẫy có chiều dài lớn, phátsinh rất sâu trong lòng đất, có lịch sử lâu dài, nhiều pha với hướng vận động khác nhau

và có vai trò quá trình trong việc hình thành các đới xâm nhập và phun trào, các dảiđịa máng, các đai uốn nếp, các đới sinh khoáng,…

* Theo V A Đêđêev và nnk, 1963, chia đứt gẫy sâu ra làm 3 loại

- Loại thứ nhất: gọi là kiểu đứt gẫy sâu Saligen (Salic), đó là các đứt gẫy sâuliên quan với lớp granit của vỏ Trái Đất, nghĩa là chúng có thể đạt tới mặt trên củaConrad, còn gọi là các đứt gẫy sâu đến lớp granit, ứng với độ sau từ 10 30 km

- Loại thứ hai: gọi là đứt gẫy sâu kiểu Simagen (Sima), đạt đến lớp bazan của

vỏ Trái Đất, còn lại là đứt gẫy sâu đến bazan ứng với độ sâu từ 10 15 km đến 50 70km

- Loại thứ ba: là các đứt gẫy sâu đến manti, ứng với độ sâu từ 50 700 km

* Theo I N Tomson, 1993, chia đứt gẫy sâu ra làm 5 cấp theo quy mô củachúng

- Cấp I: đứt gẫy sâu kéo dài hàng chục ngàn km nằm giữa lục địa và đại dương

- Cấp II: đứt gẫy sâu kéo dài hàng ngàn km nằm giữa lục địa và đại dương

- Cấp III: kéo dài vài ngàn km ngăn cách các miền hoặc hệ uốn nếp hoặc cácnền

- Cấp IV: khoảng 1000 km ngăn cách phức hoặc đại phức nếp lồi, nếp lõm

- Cấp V: vài chục tới vài trăm km cắt qua khối nâng hoặc miền võng trongphạm vi phức nếp lồi hoặc phức nếp lõm

* Theo V A Aprrođov, 1964, chia đứt gẫy sâu ra các nhóm đứt gẫy sâu cỡ hànhtinh cắt qua vỏ lục địa và manti, nhóm đứt gẫy sâu cỡ hành tinh cắt qua vỏ đại dương

và manti

* Theo V E Khain, A E Mikhailov, 1985 chia đứt gẫy sâu ra làm ba cấp

- Cấp thứ nhất: các đứt gẫy sâu là ranh giới của các mảng thạch quyển chính

Các cấu trúc rift điển hình thường liên quan tới cấu trúc ba chạc hoặc chạc ba(triple junction), tức là cấu trúc gồm có ba nhánh xuất phát từ một trung tâm, hìnhthành do quá trình biến dạng của vỏ Trái Đất

Hình 1 2 Đới Rift Cấu trúc ba chạc và điểm nóng (H); b) Cấu trúc ba chạc Nam Hải Nam;

c) Cấu trúc ba chạc Đông Phi [9]

Quá trình hình thành đứt gẫy kiểu này có thể xảy ra hai trường hợp Trường hợpthứ nhất, sự dịch chuyển dọc theo đới xung yếu đi kèm với hiện tượng mở rộng táchgiãn tạo rift ở sống núi giữa đại dương thì đới xung yếu đó được gọi là các đứt gẫybiến dạng (transform faults); trường hợp thứ hai nếu không có hiện tượng mở rộng cáccấu tạo rift thì người ta gọi chúng là các đứt gẫy trượt bằng hoặc trượt ngang(transcurent faults)

Hình 1 3 Mô hình giải thích quá trình thành tạo đứt gẫy biến dạng

và các cấu trúc liên quan [9]

Hình 1 4 Đứt gẫy biến dạng và đứt gẫy trượt bằng [9]

Đứt gẫy trượt bằng (wrench faults, strike slip faults) là những đứt gẫy lớn, cóhiện tượng dịch chuyển theo phương nằm ngang với cự ly rất khác nhau Nếu nhìnbình đồ, thấy phía trên bị trượt sang bên phải thì gọi là đứt gẫy trượt bẳng phải(dextral), nếu thấy chúng trượt sang bên trái thì gọi là đứt gẫy dịch bằng trái (sinistral).Cách gọi tên như vậy dùng cho tất cả các loại đứt gẫy có hiện tượng dịch chuyểnngang hoặc gần như ngang

Hình 1 5 Đứt gẫy F1 [9]

Đứt gẫy trượt bằng có quy mô và biên độ trượt khác nhau, từ nhỏ đến lớn Vềmặt động học các đứt gẫy trượt bằng nói chung liên quan với các mặt có ứng suất tiếpcực đại trong biến dạng

Hình 1 6 Các vùng trong đứt gẫy a) Vùng ép trượt (a), tách trượt (b);

b) Trũng kéo doãng; c) Vùng uốn nếp hoặc đứt gẫy [9]

1.1.6. Đới trượt

Đới trượt, đới cắt, cắt trượt hay đới dịch trượt (shear zone) là đới biến dạng dẻohoặc biến dạng dòn, thường xuất hiện thành đới trong khối đá không bị biến dạng.Hiện tượng đứt gẫy do biến dạng dòn chỉ xảy ra đến độ sâu khoảng 10 ÷15 km trong

vỏ Trái Đất Dưới độ sâu thì tính chất vật lý của đá bị biến đổi Do nhiệt độ và áp suấttăng lên, tính dòn của đá dần dần chuyển sang tính dẻo và quá trình biến dạng đàn hồicủa đá có thể chuyển thành biến dạng dẻo

Hình 1 7 Sự chuyển tiếp từ đứt gẫy dòn sang đới cắt dẻo theo độ sâu ( R G Park, 1983)

1 Vùng biến dạng dòn; 2 Vùng biến dạng dẻo [9]

Đứng gẫy vòng (ring faults) là một dạng của cấu tạo vòng (ring structues) cóđặc điểm là đường phương của đứt gẫy thấy được trên bình đồ có dạng vòng tròn khépkín hoặc không khép kín; thường xuất hiện thành một đới ít nhiều sóng lượn theonhau Các đứt gẫy vòng có thể liên quan với cấu tạo nâng dạng vòm, cấu tạo sụt lúndạng trũng núi lửa

Hình 1 8 Các kiểu đứt gẫy vòng a) Liên quan đến cấu trúc họng núi lửa 1 Đứt gẫy vòng;2 Rìa địa hình;

b) Đứt gẫy dạng cung ép; c) Đứt gẫy dạng cung căng [9]

1.2.Phân loại đứt gẫy dựa vào tính chất dịch chuyển của các cánh

Đứt gẫy thuận (normal faults) là đứt gẫy có mặt đứt gẫy (mặt trượt) nghiêng vềphía đá bị trụt xuống Như vậy đứt gẫy thuận là đứt gẫy có cánh treo (cánh nằm trênmặt trượt) trượt xuống phía dưới so với cánh nằm Trong mặt cắt thẳng đứng vuônggóc với đường phương của mặt đứt gẫy, đứt gẫy thuận có các yếu tố sau:

A: là cánh trồi (cánh nằm)

B : Cánh trụt (cánh treo)

Hình 1 9 Các yếu tố cơ bản của đứt gẫy thuận ( A E Mikhailov, 1973) [9]

Trong đó : CD là giao tuyến của mặt trượt và mặt cắt

CE là hướng dốc Góc là góc dốc

* Phân loại đứt gẫy thuận:

- Dựa vào hình dạng mặt đứt gẫy:

Trong một số trường hợp góc dốc của mặt trượt ngay trong một đứt gẫy cũngthay đổi thường là thoải dần theo hướng từ trên xuống dưới Ở phân dốc mó mặt trượtuốn cong gọi là đứt gẫy (thuận) dốc (listric normal fault) Tiếp tục xuống sâu mặt đứtgẫy thoải dần đến gần như nằm ngang gọi là đứt gẫy đáy (detachment fault) được xemnhư ranh giới giữa phần bị biến dạng (nằm trên) với các đứt gẫy phân cắt cánh treo

thành các khối dạng vẩy hoặc bán địa hào (half grabens) và phần không bị biến dạng.Các đứt gẫy dạng vẩy phát triển cùng hướng với đứt gẫy thuận chính (main normalfault) gọi là đứt gẫy thuận thứ cấp thuận hướng (subsidiary synthetic normal faults).

Hình 1 10 Đứt gẫy thuận có mặt trượt thay đổi độ dốc

1 Đứt gẫy chính; 2 Đứt gẫy thuận dốc; 3 Đứt gẫy đáy; 4 Các đứt gẫy thuận thứ cấp thuận hướng; 5 Địa lũy; 6 Địa hào; 7 Các đứt gẫy dạng thứ cấp nghịch hướng; 8 Bán

địa hào - địa hào chữ Y [9]

- Phân loại dựa theo độ lớn của góc dốc mặt trượt

Với các đứt gẫy thuận có góc dốc mặt trượt không đổi, người ta phân ra các loạisau đây:

Đứt gẫy (thuận) ngang (cross (dip, transverse) faults): là những đứt gẫy (thuận)

có phương của mặt trượt vuông góc với phương của trục nếp uốn

Đứt gẫy (thuận) chéo (diagonal, oblique (normal) faults): là những đứt gẫy cóphương của mặt đứt gẫy cắt chéo phương của trục nếp uốn

- Phân loại dựa vào quan hệ giữa hướng dốc của mặt đứt gẫy và hướng dốc củamặt lớp, mặt phiến.

Dựa vào quan hệ nói trên người ta chia làm 2 loại: loại có mặt trượt và mặt lớp

đổ cùng về một phía gọi là đứt gẫy thuận hợp (hoặc chỉnh hợp) và loại có mặt trượt vàmặt lớp đổ về hai phía khác nhau gọi là đứt gẫy thuận không hợp (không chỉnh hợp).Giữa hai loại này có loại trung gian, cánh này thế nằm của lớp phù hợp, cánh kiakhông phù hợp với mặt đứt gẫy

Hình 1 11 Các loại đứt gẫy a) Các loại đứt gẫy thuận chỉnh hợp; b) Không chỉnh hợp; c) Trung gian [9]

- Phân loại dựa vào hướng dịch chuyển của các cánh:

Dựa vào hướng dịch chuyển của các cánh người ta chia ra như: đứt gẫy thuậnxuôi nếu xác định được cánh treo dịch chuyển xuống dưới hoặc cánh nằm không dịchchuyển Đứt gẫy thuận ngược nếu xác định được cánh nằm dịch chuyển lên trên hoặccánh treo không dịch chuyển và loại đứt gẫy thuận có hai cánh cùng dịch chuyển

Hình 1 12 Phân loại đứt gẫy thuận theo sự dịch chuyển của các cánh ( mặt cắt) [9]

Đứt gẫy nghịch (reverse faults) là đứt gẫy có mặt đứt gẫy nghiêng về cánh bịtrồi lên, tức là đứt gẫy có cánh treo được đẩy lên cao hơn dẫn tới đá cổ lại nằm trên đá

trẻ Đứt gẫy nghịch thể hiện trong một số mặt cắt dọc theo lỗ khoan bới sự lặp lại củacác địa tầng.

Đứt gẫy nghịch có các yếu tố cơ bản sau đây:

Hình 1 13 Các yếu tố cơ bản của đứt gẫy a) Đứt gẫy nghịch (mặt cắt); b) Các yếu tố cơ bản của đứt gẫy nghịch [9]

A: Cánh trụt hoặc cánh nằm

B: Cánh trồi hay cánh treo

CD: Giao tuyến của mặt đứt gẫy và mặt cắt

Góc ECD = : Góc dốc của mặt đứt gẫy

* Phân loại đứt gẫy nghịch:

Về cơ bản phân loại đứt gẫy nghịch có thể tiến hành như đối với đứt gẫy thuận

Có thể dựa vào góc dốc của mặt đứt gẫy để phân chia ra các loại đứt gẫy thoải, dốc, rất

dốc theo những khoảng độ nhất định tùy thuộc vào các tác giả khác nhau Một số nhà

angle faults) Nếu là đứt gẫy nghịch thì gọi là đứt gẫy chờm nghịch (thrust faults) vànếu là đứt gẫy thuận thì gọi là đứt gẫy thuận thoải

Hình 1 14 Các loại đứt gẫy nghịch a) Chỉnh hợp; b) Không chỉnh hợp; c) Trung gian [9]

1.3 Cách nhận biết và đặc điểm đất đá xung quanh đứt gãy

Những dấu hiệu khi găp đứt gãy là: [10]

- Các đá nằm cạnh nhau có khác biệt nhau về thế nằm hoặc thời gian thành tạo tuổi củađá

- Có dăm kiến tạo, mặt trượt dọc theo đới phá hủy

- Xuất hiện những nguồn lộ nước nóng có độ khoáng hóa cao, các điểm tích tụ quặng

- Ranh giới của các miền trường có đặc tính khác nhau như cường độ, cấu trúc

Đặc điểm đất đá xung quanh đứt gãy là:

- Đất đá xung quanh đứt gãy thường phân hủy nứt nẻ mạnh, vỡ vụn, cà nát Đứt gãycũng có thể coi là vùng có mạng khe nứt dày đặc, độ bền của đất đá vùng này giảmhẳn so với các vùng khác trong khối đá thậm chí có khi phải xem như là đất đá rời rạc;

- Xung quanh đứt gãy thường tồn tại các vùng có quy luật phân bố ứng suất đặc biệt;

- Trong các phay phá, đứt gãy có thể chứa bùn, sét, nước và các thành phần phong hóakhi thi công các công trình ngầm qua khu vực này gây sập đổ, tai nạn trong khi thicông;

- Chúng có tác động đến mức độ ổn định của công trình ngầm tùy thuộc vào thế nằm

so với trục của công trình ngầm;

Đặc điểm của quá trình vò nát đất đá.

Sự vò nát có thể xuất hiện trong cả đá và đất, kéo dài sự tương tự như sự kếthợp đặc biệt của việc sinh ra các ứng suất và các tính chất của vật liệu tập trung vào

một số vùng nào đó xung quanh hầm kéo dài tới giới hạn của ứng suất cắt mà tại đóhiện tượng từ biết bắt đầu.

Quy mô của sự tập trung ứng suất vào hầm kết hợp với hiện tượng vò nát, tốc

độ biến dạng và mở rộng của vùng chịu uốn xung quanh hầm là tùy thuộc vào nhữngđiều kiện của địa chất, những ứng suất ở thực địa có quan hệ với cường độ khối đá,dòng nước ngầm, áp lực kẽ rỗng và các chỉ tiêu của đá

Sự vò nát những khối đá có thể xuất hiện như vò nát đá nguyên khối, cũng như

vò nát những đoạn đá bị nứt được lấp đầy chất nhét hoặc dọc theo những mặt phân lớp

và phân phiến, những vết nứt và những đứt gẫy

Sự vò nát là đồng nghĩa với sự vượt ứng suất và không bao gồm những biếndạng do hiện tượng trùng ứng suất như có thể xuất hiện ở nóc hầm, ở những vách hầmtrong những khối đá có khe nứt Hiện tượng đá nổ không thuộc về vò nát

Sự vò nhàu phay phá có quan hệ chặt chẽ đối với công đoạn đào, kỹ thuậtchống đỡ và các công việc trong quá trình thi công đường hầm Nếu việc đặt kết cấuchống đỡ bị chậm, khối đá dịch chuyển vào trong hầm và sự phân bố lại ứng suất sẽxảy ra xung quanh hầm Ngược lại, nếu sự biến dạng của đá bị chặn lại bởi kết cấuchống giữ, đất đá vò nát sẽ tạo ra tải trọng tác dụng lên kết cấu chống đỡ

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA PHAY PHÁ ĐỨT GẪY

ĐẾN THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM

2.1.Tổng quan về những sự cố rủi ro trong thi công qua vùng đất

đá phay phá đứt gãy

phay phá đưt gãy

a Sự cố phá hủy công trình

Những năm gần đây, kỹ thuật công nghệ trong lĩnh vực xây dựng công trìnhngầm đã đạt được những kết quả vượt bậc, đặc biệt là thi công công trình ngầm quanhững điều kiện địa chất phức tạp, địa chất yếu Có rất nhiều các công trình được xâydựng qua vùng địa chất yếu thành công, an toàn và hiệu quả, tuy nhiên cũng có nhữngcông trình xảy ra các sự cố trong thi công để lại các hậu quả rất lớn và chi phí để khắcphục tai biến kỹ thuật là rất lớn và chất lượng công trình là không đảm bảo Do đócông tác phân tích, nghiên cứu biện pháp thi công, phòng ngừa các sự cố trong xâydựng công trình ngầm là rất cần thiết

 Sự cố phá hủy nóc công trình

Sự cố ở nóc công trình là những phá hủy đất đá phía nóc công trình, đất đá phíanóc bị sụt lở xuống khoảng không gian ngầm, tạo thành các hang, khoảng hở trên phíanóc

 Sự cố phá hủy sườn công trình

Các công trình thi công qua các khe nứt đứt gẫy lớn, công tác khai đào tách bócđất đá tạo ra các hang ở bên sườn hầm phá hủy gây mất ổn định cho công trình và antoàn cho người lao động

 Sự cố phá hủy gương hầm

Các dạng sự cố phá hủy tạo ra các khoảng trống trên nóc và sườn công trình haycác dạng sụt lở gương, phá hủy phần nền, nước chảy vào công trình

 Sự cố phá hủy kết cấu chống giữ

Các đoạn hầm thi công xong do kết cấu chống giữ không đạt yêu cầu, đơn vị thicông không có các biện pháp gia cường, quá trình biến dạng dịch chuyển của đường hầmgia tăng vượt qua giới hạn cho phép và kèm theo các dấu hiệu như lưu lượng nước ngầmtăng dần thì dễ xảy ra sự cố phá hủy công trình

b Sự cố phá hủy đến các công trình lân cận khác

 Sự cố sụt lở lên đến mặt đất

Do tác động từ công tác thi công khai đào, hiện tượng sụt lún xuất hiện lên tận mặtđất Đối với công trình thi công gần mặt đất, có lớp phủ mỏng, công tác gia cố khối đất đáxung quanh công trình trước khi đào chưa đảm bảo, trong khối đất đá nguyên khối tồn tạinhững lỗ rỗng quá trình khai đào phá hủy trạng thái ứng suất nguyên sinh, tạo ra trạngthái ứng suất mới, khối đất đá bị nén chặt lại, chèn lấp những lỗ rỗng hoặc khối đất đá bịsụt lở xuống khoảng không gian ngầm từ đó xuất hiện hiện tượng sụt lở lên đến mặt đất

Hình 2 1 Phá hủy khối đất đá trước gương [10]

Nói chung, khi thi công công rình ngầm trong khối đá yếu, phức tạp có thể xuấthiện các hiện tượng mất ổn định khác nhau

2.2.Một vài sự cố trong xây dựng công trình ngầm qua phay phá ở Việt Nam

Đứt gẫy FA mỏ than Mạo Khê chạy theo phương Tây-Đông cắm Bắc với góc dốc

+30, -25 và -80 Đới phá hủy của đứt gẫy rộng khoảng 25 m Đất đá phân bố trong đứt

chảy ra liên tục ở nóc và hông lò Khu vực này lò bị sập lở mạnh nhất là lở nóc và lởhông Ngoài ra còn có hiện tượng lún mạnh, các vì chống sắt bị uốn cong hoặc nén lúngần hết ảnh hưởng công tác đào lò qua khu vực này rất khó khăn

Giải pháp xử lý: phay FA mức -80 mỏ than Mạo Khê là phay cát chảy nên không

áp dụng được biện pháp gia cố thông thường như chèn nhói, gia cường dầm ray màphải sử dụng phương pháp bơm ép vữa xi măng gia cường vùng đất đá bao quanh rồimới tiến hành đào chống bình thường (đào bằng khoan nổ mìn, chống lò bằng vìchống sắt CBII) Công tác bơm ép vữa được tiến hành khoan các lỗ khoan gia cường

có đường kính khoảng Φ105 mm tính từ mặt địa hình xuống phía nóc lò mức -80, sau

đó tiến hành bơm ép vữa xi măng từ trên xuống

Thống Nhất

Theo tài liệu khoan thăm dò thuộc dự án khai thác hầm lò xuống sâu khu Lộ TríCông ty than Thống Nhất thì đường lò xuyên vỉa mức -35 đào từ phía giếng chính khi điđược 58 m gặp phay FC Đặc điểm của phay FC như sau: biên độ phay tương đối lớnkhoảng 15,6 m; thành phần nham thạch xung quanh vùng phay phá chủ yếu là đất đácuội kết, cát kết nằm xen kẽ nhau và vò nhàu; đặc biệt xuất hiện nước chảy ra rất lớn với

Giải pháp xử lý: tại gương lò xuyên vỉa mức -35 tiến hành khoan tháo nước có ápbằng 03 lỗ khoan cách gương 13,5 m về phía nóc lò Mỗi lỗ khoan dài 30 m có đườngkính 76 mm được lồng ống chống đường kính 70 mm, hướng khoan tạo với trục lò

pháp khoan nổ mìn và chống bằng vì sắt CBII-27 bước chống 0,5 m/vì

2.3.Ảnh hưởng của phay phá đến thi công công trình ngầm

Khi thi công hầm qua vùng phay phá sẽ dẫn đến rất nhiều ảnh hưởng đáng kể chocông tác thi công hầm

Phải đình chỉ công tác đào hầm vì đất bùn từ nóc hầm và gương hầm tràn ra lấpgương đào làm gián đoạn chu kỳ đào hầm

Có những đường hầm (cửa Nam đường hàm Hải Vân 9-2001, đường lò xuyên TâyBắc 1 mức 80 tháng 3/1996 hàng ngàn mét khối bùn đất lấp đầy đường hầm tại khuvực đất đá bị vò nhàu, phay phá, phải thu dọn

Phải thiết lập công nghệ phù hợp đào hầm qua phay phá do đất đá gương hầm thayđổi theo chiều hướng xấu đi nên phải thay đổi công nghệ đào hầm

Kết cấu chống hầm cũng phải thay đổi cho phù hợp với điều kiện đất đá gương Cầnthiết sử dụng kết cấu chống nhiều lớp có khả năng giữ ổn định gương đào và cách nước(chống tạm bằng vì thép hoặc bê tông phun, chống cố định bằng vỏ bê tông liền khối).Tốc độ đào hầm qua phay phá rất chậm, có những công trình thi công chỉ đạt tốc

độ 2-5 m/tháng

Giá thành mét hầm đào qua phay phá tăng từ 2.5 ÷ 3 lần so với đào hầm qua đất đá

ổn định

2.4.Những giải pháp thường áp dụng khi thi công hầm qua vùng đất phay phá vò nhàu

Hiểu biết về những rủi ro có thể xảy ra trong quá trình đào hầm đóng một vai tròquan trọng trong việc lựa chọn phương pháp đào và thiết kế hệ thống chống đỡ chonhững khối đào ngầm, phạm vi đào hầm có thể ổn định chịu đựng được hoặc bị vò nát

và sụp đổ là tùy thuộc vào ứng suất xuất hiện ở hiện trường và cường độ của khối đá.Một khối đá yếu ứng suất vượt quá sẽ phải chịu trạng thái vò nát được thể hiện bằngtrạng thái nổ của đá, về mặt khác khi ứng suất không vượt quá thì trạng thái đất đáđược coi như ổn định, tự chịu đựng được, không bị vò nát

Việc đào hầm có thể gặp hai tình thế:

- Trạng thái đất đá bị vò nát được phân loại thành bốn loại dựa trên cơ sở là khẩu

độ cho phép về đường hầm, do Hoek lập ra 2001 đó là trạng thái đất đá bị vò nát ít,nhiều , rất nhiều, và cực kì nhiều Kinh nghiệm trên thế giới chỉ ra rằng việc đàođường hầm đi qua trạng thái đất đá bị vò nát là một quá trình rất chậm và nguy hiểmbởi vì khối đá xung quanh hầm mất đi cường độ hiện có do ảnh hưởng của ứng suấthiện trường, điều này có thể gây ra là do tập trung ứng suất chống đỡ cao Việc đàođường hầm trong đất đá không bị vò nát thì tương đối an toàn và dễ là do cường độhiện có của khối đá được củng cố Trong trường hợp đất đá đã bị vò nát có thể phảiđào theo hình thức phân đoạn, trước tiên đào hầm dẫn ở đỉnh hoặc hai biên với hệthống chống đỡ đủ sức chịu đựng

Tại một số đường hầm, đường lò, khi gặp vùng đất bị vò nhàu và phay phá nhỏthì ta thường sử dụng phương pháp cơ học: Đóng chèn nhói (nhói tre, gỗ, sắt…)

Mục đích của việc đóng nhói là hạn chế sự sụt lở của đất đá bao quanh công trình

và mặt gương chiều dài của nhói và mặt độ đóng nhói phụ thuộc và kích thước củavùng phay phá và vò nhàu

Nguyên tắc gia cố hóa lớp đá vò nát là việc ép dưới áp lực cao vào đá các vữađược lập từ một hay một số thành phần mà khi trộn vào sẽ tạo trong các lỗ rỗng của đácác keo làm cho đá đạt độ bền và độ chống thấm yêu cầu

Việc ép các vữa gia cố vào được tiến hành dưới áp lực qua kim phụt, đó là các

ống chuyên dụng có đục lỗ và các măng sét cao su đậy các lỗ mà các vữa ép sẽ đi qua

và ngăn không cho các lỗ này không bị bẩn do các hạt đất khi các kim này cắm sâuvào trong khối đá bị vò nát

a. Trước khi đào

(Khoan phụt trước khi đào): Khoan phụt áp lực trong đá được thực hiện bằng cáchkhoan các lỗ khoan có đường kính, chiều dài và hướng thích hợp vào trong khối đá,lắp đặt các nút chặn gần miệng lỗ khoan (hoặc bàng phương tiện khác miễn là tạođược một sự liên kết kín áp với lỗ khoan), lắp ống bơm vữa nối giữa nút chặn và máybơm, rồi tiến hành bơm một lượng vữa trộn sẵn với áp lực cao vào các khe nứt và kẽ

hở trong đá xung quanh các lỗ khoan để ngăn dòng thấm

khói (Phụt vữa trước khi đào): Việc gia cố phun bê tông lấp đầy để chống hiện tượngbục nóc sinh ống khói cũng sử dụng loại bê tông, máy móc như việc phụt vữa bê tôngnhư bình thường nhưng dùng áp lực nhỏ từ 2-3at Ở đây ta dùng áp lực nhỏ là do đểtránh việc áp lực lớn sẽ gây ra sự sụp, vỡ nhiều hơn của đất đá so với thế nằm tự nhiêncủa nó

b. Trong khi đào

Sử dụng phun vữa bê tông kết hợp neo để giữ ổn định vách hầm: Neo khôngnhững có tác dụng chống sụt lở mà còn có tác dụng đưa cả khối đá bao quanh hầm vàolàm việc Biến nóc và vách hầm thành một kết cấu thống nhất có khả năng chịu tải lớnhơn Tính ổn định của hầm khi đó được đảm bảo do tăng tính ổn định của đất đá bằngcách gia cố các lớp riêng rễ hoặc vùng phá hoại Các neo được gia cố ra phía ngoàivùng sụt lở, giữ nóc và vách hang từ phía khối đá do đó chúng không chiếm khônggian của hầm Việc cắm neo đã giải quyết được cả vấn đề nứt nẻ do nổ mìn, cùng với

đó là ta tiến hành phun bê tông bằng máy phun áp lực cao (áp lực phun được tính toánchi tiết và cẩn thận để không phá vỡ thế nằm tự nhiên của đất đá), với cường độ và tỷ

lệ nước/xi măng theo tính toán Bê tông sau khi phun sẽ đông kết cùng với đất đá đểtạo một kết cấu vững chắc, tăng khả năng ổn định đối với đất đá, đồng thời sẽ xử lý bềmặt, tạo bằng phẳng để các bước làm vỏ hầm cố định sau được dễ dàng và chuẩn xáchơn

Hiện nay, nhiều công trình ngầm phải khai đào qua vùng có chứa nước, qua các

vùng đất đá mềm yếu ngập nước có áp hoặc không có áp Trong trường hợp này, việckhai đào công trình ngầm là hết sức khó khăn và chi phí rất lớn

Khi thi công các công trình ngầm trong điều kiện ngập nước, người ta dùng biệnpháp thoát nước, hạ mực nước ngầm trước khi thi công Những công trình gần mặt đấtthi công bằng phương pháp đào hở có thể thoát nước trực tiếp bằng các lỗ khoan từmặt đất Với những công trình nằm sâu trong lòng đất người ta tiến hành khoan lỗ

100mm tùy thuộc vào điều kiện gương lò cụ thể sau đó nước được bơm lên mặt đất

Bản chất của phương pháp là biến đất đá, cát từ trạng thái mềm yếu, chứa nướcthành trạng thái rắn cứng, liên kết chắc có độ bền cao Vùng đất đá được đóng băng cóthể coi như rắn cứng và do đó có thể tiến hành việc khai đào bình thường

Khi giảm nhiệt độ của cát đến mức độ làm nước đóng băng lại thì độ bền củakhối tăng lên Nhiệt độ càng thấp thì độ bền của khối đá đóng băng càng lớn

Dung dịch hóa học có độ linh hoạt và xâm nhập cao trong đất đá nói chung và cátnói riêng Ngoài ra còn có hàng loạt các ưu điểm sau:

+ Có độ bám dính với các hạt gia cố cao;

+ Độ bền cơ học của khối gia cường lớn;

+ Thời gian đóng rắn dung dịch có thể điều chỉnh được nhờ các phụ gia thíchhợp;

+ Đất đá gia cường có khả năng chống thấm nước và thấm khí cao;

Cùng với sự phát triển của công nghiệp hóa chất nhiều dung dịch được đưa ravừa rẻ hơn vừa có đặc tính gia cường đất đá lại chống độc hại Người ta đưa ra hàngloạt chất hóa học và phương pháp kèm theo để đánh gia cường đất đá rời kém ổn định.Một vài chất thường sử dụng trong phương pháp như sau: Cao su tổng hợp vớitheremoplastic; Cao su Poliester với Catalyst therefor; Polyisocyanate free non-ShriakSynthetic resin;…

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ MÔ HÌNH HÓA

XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH TỐI THIỂU TỪ CÔNG TRÌNH NGẦM

TỚI PHAY PHÁ ĐỨT GẪY

3.1.Tổng quan về phương pháp số và phần mềm FLAC 3D

Quá trình biến đổi cơ học và phương pháp số

Khi tách bóc đất đá để tạo khoảng trống ngầm sẽ phá vỡ trạng thái cân bằng tựnhiên trong khối đá Khi đó trạng thái ứng suất nguyên sinh bị biến đổi, trong khối đáhình thành trạng thái ứng suất mới thỏa mãn các điều kiện cân bằng mới Trạng tháiứng suất hình thành trong khối đá xung quanh công trình ngầm sau khi khai đào đượcgọi là trạng thái ứng suất thứ sinh Sự hình thành trạng thái cân bằng mới này dẫn tớinhững biến đổi cơ học trong khối đá dưới dạng các quá trình biến dạng, dịch chuyểncũng như phá hủy Các quá trình đó được gọi là các quá trình cơ học Trạng thái ứngsuất thứ sinh cùng với các quá trình biến đổi cơ học là những dấu hiệu mới của trạngthái cơ học mới của khối đá Trạng thái cơ học này có thể là trạng thái dừng hay khôngdừng Trạng thái dừng là trạng thái không biến đổi theo thời gian, còn trạng thái khôngdừng là trạng thái biến đổi theo thời gian

Sự hình thành và biến đổi của trạng thái cơ học mới phụ thuộc vào nhiều yếu tốkhác nhau, trong đó có các yếu tố chủ yếu sau:

- Trạng thái cơ học ban đầu của khối đá bao gồm trạng thái ứng suất nguyên sinh

và các dấu hiệu cơ học trong khối nguyên;

- Đặc điểm địa chất, cấu trúc cũng như tính chất cơ học của khối đá;

- Các tai biến địa chất như phay phá đứt gãy, đới phá hủy, đới đứt gãy;

- Chiều sâu đặt công trình ngầm;

- Hình dạng cũng như kích thước của công trình ngầm; các tải trọng tác động vàokhối đá;

- Phương pháp cũng như biện pháp công nghệ được áp dụng khi tạo khoảng trốngcông trình ngầm (như thi công bằng khoan nổ mìn hay thi công bằng máy, các biệnpháp gia cố bằng neo hay khoan phụt);

- Vị trí tương quan giữa các công trình ngầm

Để nghiên cứu các quá trình cơ học trong khối đá bằng lý thuyết thường sử dụngphương pháp giải tích và phương pháp số

- Phương pháp giải tích là xác định quy luật phân bố của ứng suất, biến dạng, dịchchuyển trong khối đá bằng cách giải một hệ các phương trình: phương trình cân bằng,phương trình hình học, phương trình tương thích biến dạng, các điều kiện biên và cácphương trình vật lý (biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng) Cần chú ý làcác phương trình vật lý phụ thuộc vào mô hình cơ học được chọn cho khối đá Tuynhiên phương pháp giải tích không cho phép giải được các bài toán có các điều kiệnbiên phức tạp Các kết quả nhận được từ các lời gải giải tích cho ở dạng nghiệm kíncủa hệ các phương trình cơ bản, thường xuất phát từ những giả thiết đơn giản hoá, lýtưởng hoá đối tượng nghiên cứu cũng như các điều kiện biên Vì thế các kết quả ít có ýnghĩa định lượng Tuy vậy, các kết quả đó có giá trị lý thuyết cho phép có được nhậnđịnh tổng quát về các diễn biến có thể xảy ra và đồng thời cũng là phương tiện kiểmđịnh độ chính xác và tính hợp lý cho các phương pháp số

[11] là một trong các phương pháp thuộc nhóm sai phân hữu hạn FDM, cho phép tínhlặp tường minh (hiển) theo thời gian và đòi hỏi bộ nhớ máy tính không lớn, áp dụngđược cho môi trường có biến dạng lớn

Hạn chế của các phương pháp số là chỉ cho kết quả gần đúng bằng số Các kết quảnhận được chỉ có ý nghĩa đối với trường hợp cụ thể được khảo sát và tất nhiên cũngphải dựa trên một số giả định đơn giản hoá Độ chính xác của các phương pháp nàyphụ thuộc vào khả năng mô hình hóa đặc điểm cấu trúc địa chất, cách chia các phần tửcũng như phương pháp tuyến tính hoá các phương trình vật lý Tuy nhiên thông quaphân tích tham số, vẫn có thể rút ra được các quy luật chung cho bài toán cụ thể