Công nghệ thi công đường hầm theo phương pháp đào lộ thiên Công nghệ thi công đường hầm bằng khiên đào Công nghệ thi công hầm bằng máy đào Shield Công nghệ thi công đường hầm NATM (Áo) Công nghệ thi công đường hầm TBM Công nghệ thi công đường dìm
Thi cơng hầm ĐỖ NHƯ TRÁNG THI CƠNG CƠNG TRÌNH NGẦM HÀ NỘI 2-2016 GS.TS.Đỗ Như Tráng Hà Nôi Tháng năm 2016 Thi công hầm Chương NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ THI CÔNG HM NểI CHUNG V THEO NATM 1.1 Đào ph-ơng pháp khoan nổ p dụng điều kiện fkc > (RMR>30) Đây ph-ơng pháp đào phỉ biÕn nhÊt (kinh tế, hình dạng bất kỳ) Néi dung ph-ơng pháp khoan nổ là: - Đánh dấu lỗ khoan g-ơng - Đặt thiết bị tiến hành khoan - Nạp thuốc nổ vào lỗ khoan nổ - Thông gió g-ơng đào - Kiểm tra sau nổ đ-a g-ơng lò trạng thái an toàn - Bốc dỡ chuyển đất đá công trình chống tạm(nếu cần thiết) Tất công việc đ-ợc tiến hành theo trình tự định gọi chu kỳ khoan nổ 1.1.1 Các tham số chu kỳ khoan nổ 1.1.1.1 Các loại thuốc nổ ph-ơng tiện gây nổ dùng xây dựng công trình ngầm Trong xây dựng công trình ngầm để đảm bảo an toàn sử dụng só loại sau đây: Theo điều kiện an toàn: - Loại an toàn dùng có bụi nổ - Loại không an toàn dùng bụi nổ Theo thành phần hoá học có loại sau đây: - Nitratamôn - Nitrô glyxerin - Thc nỉ cã chøa «xy láng - Thc nỉ có chứa Clorat Các loại thuốc nổ amônit, đynamit đ-ợc sử dụng phổ biến nhất, -ờng kính ống thuốc 28, 32, 36 45mm, Trọng l-ợng t-ơng ứng 100,250 300 gam Ph-ơng tiện nổ bao gồm: kíp nổ th-ờng, kíp điện, dây cháy chậm, máy điều hoà, dây điện Kíp điện có loại: - Næ tøc thêi - Næ chËm GS.TS.Đỗ Như Tráng Hà Nơi Tháng năm 2016 Thi cơng hầm - Nỉ vi sai Chế độ vi sai 250 msec víi khoảng t giữ chậm 25 msec nằm khoảng 25, 50, 75,100 150 với khoảng giữ chËm t =15 msec n»m kho¶ng 15, 30, 45, 60, 75, 90 105 msec Hình 1.1 Kíp điện Vỏ (bằng đồng, nhôm) Cầu cháy 6.Thuốc mồi dễ cháy 2.Thuốc gây nổ Mũ kim loại định h-ớng Hạt nổ ; 7.Dây điện Mặt lõm Ngn ®iƯn: Cã thĨ dïng ngn ®iƯn mét chiỊu (U =110, 220V), nguồn điện xoay chiều Các nguồn điện mắc nối tiếp song song với làm nhóm kíp điện nối theo kiểu d-ới + Mắc nối tiếp, cách mắc đơn giản đỡ tốn dây điện, dùng nguồn có điện lớn Độ tin cậy theo cách mắc cần kíp hỏng sé không gây nổ cho kíp lại + Mắc song song, dùng nguồn có hiệu điện thấp nh-ng c-ờng độ dòng mạnh, cách mắc cho độ tin cậy cao + Mắc hỗn hợp dùng nguồn điện có hiệu điện c-ờng độ dòng điện cao Yêu cầu số l-ợng kíp điện điện trở nhóm phải nh- 1.1.1.2 Các dạng lỗ khoan: GS.TS. Nh Trỏng H Nụi Thỏng nm 2016 Thi cụng hm - Lỗ khoan đột th-ờng bố trí trung tâm g-ơng đào tạo thành lỗ moi - Lỗ khoan phá bố trí gi-ã lỗ moi chu vi g-ơng đào để phá phần đất đá nằm khoảng - Lỗ khoan viên bố trí theo chu vi g-ơng đào Các dạng lỗ khoan g-ơng Lỗ khoan đột Lỗ khoan phá Lỗ khoan biên (khoan viền) Các dạng lỗ moi Việc bố trí lỗ khoan đào hầm có ý nghĩa quan trọng : diện tích g-ơng đào nói chung tuơng đối nhỏ có hình dạng chu vi phức tạp, cần phải tạo biên cho khối l-ợng đất đá thừa nhất, biên phải phẳng chu vi theo dọc trục đ-ờng hầm (trên mặt phẳng g-ơng đào) Đất đá phá không văng xa mà tập trung gần g-ơng đào vụn nhỏ - điều có ý nghĩa quan trọng nhằm nâng cao suất bốc dỡ đất đá Ngoài bố trí lỗ khoan cần xét tới điều kiện, cho khoan đ-ợc thuận lợi đơn giản nhất, lỗ khoan nghiêng Sự khác sơ đồ bố trí lỗ khoan chỗ bố trí lỗ khoan nổ tạo lỗ moi Trong thi công đ-ờng hầm th-ờng có dạng lỗ khoan sau đây: Lỗ khoan đột th-ờng đ-ợc bố trí trung tâm g-ơng đào tạo thành lỗ moi Lỗ khoan phá th-ờng đ-ợc bố trí lỗ moi chu vi g-ơng đào để phá phần đất đá nằm khoảng Lỗ khoan viền bố trí dọc theo chu vi g-ơng đào Thực tế công tác khoan nổ cho thấy rằng: lỗ khoan vuông góc với mặt phẳng g-ơng khối l-ợng đất đá bị phá nhỏ Nếu lỗ khoan bố trí nghiêng góc với mặt phẳng g-ơng khối l-ợng đất đá bị phá tăng lên Nghĩa số l-ợng mặt thoáng có ảnh h-ởng lớn đến khối l-ợng đất đá phá Nếu khối l-ợng đất đá phá tính 100% cho mặt thoáng, với hai mặt thoáng 215% ba mặt thoáng: 360% Do chọn sơ đồ bố trí lỗ khoan g-ơng đào cần đảm bảo số mặt thoáng lớn nhất, không nhỏ hai Những lỗ khoan đột (lỗ moi) đ-ợc nổ đầu tiên, số l-ợng sơ đồ bố trí chúng phụ thuộc vào kích th-ớc, hình dạng g-ơng đào điều kiện địa chất vv Về nguyên tắc phân thành hai nhãm : GS.TS.Đỗ Như Tráng Hà Nôi Tháng năm 2016 Thi cơng hầm 1.Phơ thc vµo h-íng nøt nẻ phân lớp đất đá 2.Không phụ thuộc vào h-ớng nứt nẻ phân lớp đất đá Nhóm thứ tác dụng theo nguyên lý bóc đất đá theo vết nứt phân lớp, gọi lỗ khoan đột nhóm lỗ moi tách Trong đ-ờng đào ngang xiên hình dạng lỗ moi phụ thuộc vào sơ đồ bố trí lỗ khoan đột tuỳ thuộc vào vị tính chất nứt nẻ, phân lớp, nhóm th-ờng sử dụng lỗ moi sau : Dạng nêm đứng (hình 4a).áp dụng điều kiện đất đá chặt đồng Tiết diện g-ơng có dạng hình chữ nhật ngang (khẩu độ lớn chiều cao) Số l-ợng lỗ khoân đột phá từ 610 Lỗ khoan bố trí thành hai hàng đứng từ đáy lên đỉnh g-ơng Dạng nêm ngang (hình 4b) áp dụng điều kiện đất đá chặt, đồng nhất, tiết diện có dạng hình chữ nhật đứng (chiều cao lớn độ) Đất đá phân thành lớp ngang hay thoải Số l-ợng lỗ khoan tõ -10 vµ bè trÝ thµnh hai hµng ngang Dạng lỗ moi d-ới (hình 4c) áp dụng trrong điều kiện đất đá cứng trung bình, lớp đất đá đổ từ g-ơng Lỗ khoan bố trí dọc theo đáy g-ơng Dạng tháp trung tâm (hình 4d).áp dụng điều kiện đất đá chặt, đồng nhất, tiết diện có dạng gần vuông hay gần vuông Đất đá phân lớp nứt nẻ tạo thành góc lớn so với ph-ơng nằm ngang Dạng lỗ moi (hình 4e) áp dụng điều kiện đất đá cứng trung bình, lớp đất đá đổ từ g-ơng vào trong, mái ổn định Lỗ khoan bố trí đọc mái đào Dạng lỗ moi cạnh (hình 4f ) áp dụng điều kiện đất đá phân lớp, góc đổ lớn, hay đ-ờng hầm nằm mặt tiếp xúc lớp a b d GS.TS. Nh Tráng e c f Hà Nôi Tháng năm 2016 Thi cụng hm Các dạng lỗ moi theo nguyên lý tách Khi g-ơng đào có tiết diện nhỏ, để tăng chiều dài lỗ khoan đột sử dụng lỗ moi thẳng (lăng trụ)và lỗ moi có khe hở Lỗ khoan đột bố trí vuông góc với mặt phẳng g-ơng đào Đối với lỗ moi có khe hở, có lỗ khoan với đ-ờng kính lớn không nạp thuốc nổ Góc lỗ khoan đột (trừ dạng lỗ moi trên, d-ới lăng trụ) phụ thuộc vào độ cứng đất đá xác định theo bảng Nh-ợc điểm loại lỗ moi nhóm chiều sâu lỗ khoan phụ thuộc vào chiều rộng g-ơng đào lỗ khoan đ-ợc bố trí nghiêng, tính chất phức tạp bố trí lỗ khoan phải tạo cho chúng đ-ợc góc nghiêng theo thiết kế (điều khó chiều sâu lỗ khoan lớn) th-ờng dẫn đến tăng số l-ợng lỗ khoan hay tăng l-ợng thuốc nổ Xét tổng thể, số l-ợng lỗ khoan loại (ba loại: đột khẩu-phụ trợ hay phá viền) phụ thuộc vào diện tích g-ơng đào, g-ơng đào có diện tích 10 - 12 m2 chia số l-ợng lỗ khoan loại theo tû lƯ : 0,8 : 1,6 ; C¸c lỗ khoan đột nhóm thứ hai th-ờng bố trí vuông góc với g-ơng đào song song với Chúng th-ờng đ-ợc sử dụng đất đá cứng, chiều sâu khoảng 2,1-2, 3m bố trí theo hình xoáy ( hình 5., hình 6.) Bảng Góc độ tăng chiều dài lỗ khoan Nhúm th hai có ba dạng sau: GS.TS.Đỗ Như Tráng Hà Nôi Tháng năm 2016 Thi công hầm Hình 1.5 Cấu tạo lỗ moi dạng tháp trung tâm Trong đ-ờng đào ngang xiên hình dạng lỗ moi phụ thuộc vào sơ đồ bố trí lỗ khoan đột th-ờng có loại sau Dạng tháp trung tâm áp dụng điều kiện: đất đá chặt(its hay khoong nut ne), đồng , tiết diện có dạng gần vuông hay gần vuông Đất đá phân lớp nứt nẻ tạo thành góc lớn so với ph-ơng nằm ngang - Dạng nêm đứng áp dụng điều kiện: đất đá chặt, đồng Tiết diện g-ơng có dạng hình chữ nhật ngang (khẩu độ lớn chiều cao) Số l-ợng lỗ khoân đột phá từ 6-10 Lỗ khoan bố trí thành hai hàng đứng từ đáy lên đỉnh g-ơng Hình 1.6 Cấu tạo lỗ moi dạng nêm đứng - Dạng nêm ngang áp dụng điều kiện: đất đá chặt, đồng nhất, GS.TS. Nh Trỏng H Nôi Tháng năm 2016 Thi công hầm tiÕt diện có dạng hình chữ nhật đứng(chiều cao lớn độ) Đất đá phân thành lớp ngang hay thoải Số l-ợng lỗ khoan từ 6-10 bố trí thành hai hàng ngang Hình 1.7 Cấu tạo lỗ moi dạng nêm ngang Khi g-ơng đào có tiết diện nhỏ,để tăng chiều dài lỗ khoan đột sử dụng lỗ moi thẳng lỗ moi có khe hở Lỗ khoan đột bố trí vuông góc với mặt phẳng g-ơng đào Đối với lỗ moi có khe hở có lỗ khoan với đ-ờng kính lớn không nạp thuốc nổ Khi đào giếng đứng Chọn dạng lỗ moi phụ thuộc vào kích th-ớc hình dạng tiết diện ngang,th-ờng áp dụng dạng sau: - Dạng trung tâm: Sử dụng tiết diện có dạng hình tròn Các lỗ khoan đột bố trí theo đ-ờng tròn nghiêng với mặt phẳng g-ơng đào góc 65-700 cho đuôi chúng tạo thành đ-ờng tròn đ-ờng kính 40-60cm Tại tâm tiết diện (tâm tháp) bố trí lỗ khoan đ-ờng kính lớn không nạp thuốc - Dạng lăng trụ: Các lỗ khoan đột bố trí vuông góc với g-ơng đào theo vòng tròn, Tại tâm bố trí lỗ khoan đ-ờng kính lớn không nạp thuốc Xác định chiều dài lỗ khoan đ-ờng kính lỗ khoan Xác định chiều sâu lỗ khoan Tốc độ đào hầm sơ xác định theo công thøc sau: U = .l.n ; GS.TS.Đỗ Như Tráng Hà Nơi Tháng năm 2016 Thi cơng hầm Trong ®ã : : Hệ số sử dụng lỗ khoan; l : Chiều sâu lỗ khoan; n: Số chu kỳ ngày hay tháng Cùng với thay đổi chiều sâu lỗ khoan, hệ số sử dụng lỗ khoan không đổi, thay đổi khối l-ợng công tác khoan, bốc dỡ đất đá, đổ bêtông vỏ hầm công việc khác T-ơng ứng với thay đổi số l-ợng chu kỳ khoảng thời gian định (ngày, tháng), nh-ng tích số .l - không thay đổi Chiều sâu lỗ khoan yếu tố có tính chất định thành phần loại công tác khoan nổ đào hầm xác định khối l-ợng tất công tác chủ yếu đó, thông số tổ chức - kỹ thuật Khi thi công đ-ờng hầm nằm ngang dài (loại tunel) có diện tích mặt cắt ngang hạn chế, chiều sâu lỗ khoan th-ờng nằm khoảng 1,6 - 2,0 m, 2,6 m Phân tích số liệu thực tế không cho đuợc quan hệ rõ ràng chiều sâu lỗ khoan, diện tích g-ơng đào độ cứng đất đá Đối với đ-ờng hầm có diện tích mặt cắt ngang giới hạn sơ xác định chiều sâu lỗ khoan theo công thức sau: l 0,5 S (m) ; Cho lỗ moi kiểu tách ; l 0,75 S (m) ; Cho lỗ moi kiểu đập vụn Trong đó: S - diện tích g-ơng đào thi công (m2) Tuy nhiên tr-ờng hợp diện tích g-ơng đào lớn việc tính toán chiều dài lỗ khoan theo công thức thực nghiệm không hợp lý chiều dài lỗ khoan sÏ rÊt lín kÐo theo sù bÊt hỵp lý ë công việc khác Khi xác định chiều sâu lỗ khoan cần thiết phải xác định rõ tiêu chuẩn tối -u Trong tr-ờng hợp tiêu chuẩn tối -u đ-ợc chän lµ chi phÝ thêi gian cho mét mÐt chun dịch g-ơng đào nhỏ chi phí thời gian cho m3 đất đá theo chu vi thông thuỷ nhỏ không tính tới chi phí thời gian cho thi công vỏ hầm (đổ bê tông, lắp ghép thanh, khối, chu bin vv ) Với khoảng giới hạn giá trị chiều sâu lỗ khoan, tiêu chn chi phÝ thêi gian cho mét mÐt chun dÞch g-ơng đào nhỏ cho phép xác định chiều sâu lỗ khoan hợp lý đ-ợc Ngoài cần thấy rằng, tiêu chuẩn kể liên kết tất thông số kỹ thuật với chiều sâu lỗ khoan Nh- nêu, để tìm chiều sâu lỗ khoan hợp lý chọn tiêu chuẩn thực công tác đào hầm chi phí thời gian cho m3 đất đá nằm khối.Nh- biết, tổ hợp công tác đào hầm bao gồm: khoan lỗ khoan, công tác phụ (nạp thuốc nổ vào lỗ khoan, nổ lỗ khoan, thông gió g-ơng đào) bốc dỡ đất đá GS.TS. Nh Trỏng Hà Nơi Tháng năm 2016 Thi cơng hầm Ph©n tích số liệu thực tế đào hầm đất đá cứng vừa cứng điều kiện tổ chức trang bị kỹ thuật tốt (tốc độ đào hầm t-ơng đối cao 100 m/tháng, diện tích mặt cắt điển hình - 10 m2), hình vẽ cho thấy đ-ờng cong chi phí thời gian tổng hợp cho m3 đất đá nằm khối có kể tới tất loại công việc nằm chu kỳ khoan nổ, thay đổi tuỳ thuộc vào chiều sâu lỗ khoan (1: Khoan lỗ khoan với thiết bị khoan khác nhau; 2: Các công tác phụ; 3: Thông gió, kiểm tra đ-a g-ơng đào trạng thái an toàn; 4: Bốc dỡ đất đá ) Chi phÝ thêi gian nhá nhÊt sÏ øng víi chiỊu sâu lỗ khoan nh- sau: Sử dụng lỗ khoan có chiều sâu lớn 4m điều kiện nêu không hợp lý GS.TS. Nh Trỏng H Nơi Tháng năm 2016 Thi cơng hầm H×nh 10 Kết cấu nối với ngăn kéo lên không kéo lên 1-ống; 2-dầm BTCT; 3-Dầm thêp; 4-ống có thép góc; 5-Dầm I; 6-dầm U; 7-Dầm đặt cạnh; 8- Khung thép; 9- dảI chứa clo; 10-Thanh thép; Tr-ờng hợp ngăn phổ biến đ-ợc chế tạo từ ống thép có đ-ờng kính ống chiều rộng hào (bức ngăn chế thức) hay d-ới dạng cột Bêtông cốt thép thép U hay I Loại ngăn kiểu rung đ-ợc sử dụng (Hvẽ e), sau rút ống bơm vữa bêtông vào theo kiểu cọc nhồi Các ngăn chế thức đ-ợc kéo lên sau 3-5giờ kể từ kết thúc công việc bê tông Các ngăn kiểu không rút lên phổ biến loại dầm BTCT tiết diện hình vuông (Hvẽ f), ngăn BTCT (Hvẽ g), ngăn kiểu dầm I có chiều cao chiều rộng hào (Hvẽ) có b-ớc 1,2-1,5m Loại I màng chứa clo dày 2-4mm,rộng 20-25cm Các mối nối chịu lực đ-ợc thể Hvẽ d-ới đây: GS.TS. Nh Trỏng H Nụi Thỏng nm 2016 Thi cụng hm Các mối nối chịu lực đ-ợc chế tạo để đảm bảo độ bền nh- mối nối t-ờng chịu lực Trên hình vẽ thép đ-ợc lông phủ vào chiều dài >30 lần đ-ờng kính nhờ BTCT hay thép Các ngăn không rút lên đ-ợc đặt vào hào cần cẩu toàn chiều sâu hào, d-ới tác dụng tự trọng hay nâng lên hạ xuống ngăn đực chôn sâu xuống đáy hào 0,5- ,0m.Trong tr-ờng hợp cần thiết chất thêm tải phụ.Các ngăn loại để lại sau bơm bêtông phận vỏ hầm vĩnh cửu Hiện ph-ơng pháp sử dụng ống định h-ớng (Hvẽ) đ-ợc áp dụng có hiệu kinh tế kỹ thuật cao.Trong tr-ờng hợp khoan giếng, giếng đ-ợc nối với nhờ ống h-ớng (Hvẽ).Nếu đất đá cứng hay nửa cứng, ổn định có n-ớc ngầm đào hào ph-ơng pháp b-ớc đào dài không dùng vữa sét, đất đá bão hoà n-ớc không ổn định đào hào ph-ơng pháp b-ớc đào ngắn với cọc chèn PPTTĐ áp dụng ph-ơng pháp khoan cọc nhồi để thi công t-ờng công trình hầm nh- hình vẽ d-ới Sau thi công t-ờng tiến hành đào toàn phần đất thi công nóc, toàn vỏ hầm Các b-ớc công nghệ thi công nh- h×nh vÏ GS.TS.Đỗ Như Tráng Hà Nơi Tháng năm 2016 Thi cụng hm Thi công t-ờng đất đ-ợc thực khoan nổ Song song với vỏ hầm bêtông cốt thép đúc toàn khối, xây dựng đ-ờng hầm sử dụng bêtông cốt thép lắp ghép, cho phép công nghiệp hoá mức độ cao chất l-ợng mặt t-ờng tốt hơn, áp dụng loại hình dạng cấu kiện khác (rỗng, bản, dầm vv ) chiều dầy t-ờng có thể'giảm xuống O,25m Tuy nhiên phơng án sử dụng kết cấu lắp ghép lại có giá thành cao, đòi hỏi phải chế tạo lớn, chiều sâu hạn chế