Nghiên cứu các giải pháp giảm đào lẹm khi thi công các đường hầm thủy công hiện nay

Đề tài đ−ợc thực hiện nhằm mục đích xem xét các yếu tố ảnh h−ởng đến đào lẹm hầm khi thi công các công trình ngầm nói chung và các đ−ờng hầm thủy công nói riêng. Đồng thời đề tài cũng đưa ra các giải pháp giảm đào lẹm đb và đang đựợc áp dụng ở Việt Nam và trên thế giới. Trên cơ sở điều kiện thực tế ở Việt Nam, đề tài nghiên cứu một số nguyên nhân gây ra đào lẹm khi thi công đừờng hầm dẫn nứớc – công trình thủy điện Nậm Chiến (tỉnh Sơn La) và đề xuất, kiến nghị một số giải pháp nhằm hạn chế đào lẹm tại các hạng mục hầm tương tự trên công trường. Ngoài phần mở đầu, kết luận – kiến nghị, nội dung chính của luận văn bao gồm các phần sau: Chương 1: Hiện trạng thi công công trình ngầm thủy điện và vấn đề đào lẹm ở Việt Nam và trên thế giới. Chương 2: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến lẹm khi đào hầm thủy công và phương hướng khắc phục. Chương 3: Nghiên cứu giải pháp hạn chế đào lẹm ở công trình thủy điện Nậm Chiến.

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học mỏ - địa chất

Đàm khắc lĩnh

Nghiên cứu các giải pháp giảm đào lẹm khi thi công

các đường hầm thủy công hiện nay

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Hà Nội - năm 2010

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học mỏ - địa chất

Đàm khắc lĩnh

Nghiên cứu các giải pháp giảm đào lẹm khi thi công

các đường hầm thủy công hiện nay

Mục lục

Chương 1 Hiện trạng thi công hầm thủy điện và vấn đề đào lẹm 4

1.1 Khái niệm đào lẹm và các loại hình lẹm 4

1.1.1 Khái niệm đào lẹm 4

1.1.2 Các loại hình lẹm khi đào hầm 6

1.2 Hiện trạng đào lẹm trong thi công hầm thủy điện ở Việt Nam 10

Chương 2 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến lẹm khi đào hầm thủy công và phương hướng khắc phục 18

2.1 Khái quát chung 18

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới đào lẹm 19

2.2.1 Đặc điểm khối đá 20

2.2.2 Đặc điểm vật liệu và phụ kiện nổ 32

2.2.3 Thiết kế và thi công nổ mìn 37

2.2.4 ảnh hưởng của yêu cầu tiến độ 42

2.2.5 Quá trình thi công 42

2.2.6 Yếu tố con người 42

2.2.7 Nhận xét chung 43

2.3 Phương hướng và biện pháp kiểm soát đào lẹm 43

2.3.1 Thiết kế hộ chiếu khoan nổ mìn tạo biên phù hợp 43

2.3 2 Điều chỉnh thông số khoan 51

2.3.3 Sử dụng các kỹ thuật khoan nổ tiên tiến 51

2.3.4 Khắc phục nguyên nhân khách quan 61

2.4 Kết luận 61

Chương 3 nghiên cứu hạn chế đào lẹm tại thuỷ điện nậm chiến 63

3.1 Giới thiệu công trình 63

3.1 1 Sơ lược đặc điểm công trình 63

3.1.2 Các thông số chính của công trình 63

3.1.3 Bố trí tổng thể công trình và các giải pháp kết cấu chính 64

3.1.4 Đặc điểm địa chất tuyến năng lượng 64

3.2 Hiện trạng công tác khoan nổ mìn tại thuỷ điện Nậm Chiến 65

3.3 Đào lẹm và các nguyên nhân ảnh hưởng đến lẹm tại thuỷ điện Nậm Chiến 80

3.3.1 Nguyên nhân đào lẹm do chủ quan 81

3.4 Các giải pháp áp dụng để hạn chế đào lẹm tại thuỷ điện Nậm Chiến 85

3.4.1 Khắc phục nguyên nhân chủ quan 85

3.4.2 Khắc phục nguyên nhân khách quan 87

3.5 Đề xuất các hộ chiếu khoan nổ mìn thử nghiệm để hạn chế đào lẹm 88

3.5.1 Hộ chiếu nổ mìn thử nghiệm M1 88

3.5.2 Hộ chiếu nổ mìn thử nghiệm M2 95

Kết luận và kiến nghị 111

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nªu trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

Hµ Néi, ngµy 30 th¸ng 08 n¨m 2010

T¸c gi¶

§µm Kh¾c LÜnh

danh mục các bảng

Bảng 1.1 Hệ số đào lẹm hầm thủy điện Hòa Bình và một số nước trên thế giới 12

Bảng 1.2 Thống kê hệ số đào thừa tiết diện dự án thủy điện Yaly [1], [11] 13

Bảng 1.3 Tổng hợp chỉ số nổ lẹm dự án Hàm Thuận [12] 14

Bảng 1.4 Tổng hợp chỉ số nổ lẹm tại dự án thủy điện Đại Ninh [2] 15

Bảng 1.5 Mối quan hệ giữa hệ số thừa tiết diện và tiết diện đào thiết kế 16

Bảng 2.1 Đặc tính thuốc nổ cơ bản 48

Bảng 2.2 Bảng so sánh thời gian khoan theo chiều dài lỗ khoan 56

và phương pháp tạo rbnh 56

Bảng 2.3 Bảng so sánh độ lẹm 60

Bảng 3.1 Bảng đặc tích kỹ thuật của máy khoan BOOMER 352 68

Bảng 3.2 Bảng đặc tích kỹ thuật của kíp nổ vi sai phi điện 69

Bảng 3.3 : Bảng đặc tính kỹ thuật của thuốc nổ P113 69

Bảng 3.4 Bảng các đặc tính lỗ khoan nạp mìn theo hộ chiếu được duyệt 72

Bảng 3.5 Bảng chỉ tiêu nổ mìn theo hộ chiếu được duyệt 73

Bảng 3.6 Tổng hợp giá trị lẹm đoạn từ Km 1+333,85 -:- Km 1+370,04 78

Bảng 3.7 Bảng đặc tính khoan nạp mìn – Hộ chiếu thử nghiệm M1 90

Bảng 3.8 Bảng chỉ tiêu nổ mìn theo hộ chiếu thử nghiệm M1 91

Bảng 3.9 Bảng tính toán giá trị đào lẹm theo hộ chiếu mẫu M1 96

Bảng 3.10 Các thông số lỗ mìn hộ chiếu thử nghiệm M2 99

Bảng 3.11 Bảng chỉ tiêu nổ mìn hộ chiếu mẫu M2 100

Hình 3.17 Bản vẽ hoàn công gương hầm sau khi nổ mìn theo hộ chiếu M2 103

Bảng 3.12 Bảng tính toán giá trị đào lẹm theo hộ chiếu mẫu M2 104

Bảng 3.13 Tính toán chi phí đào và gia cố (theo hộ chiếu nổ mìn thử nghiệm M1- L=28,44m) 105

Bảng 3.14 Tính toán chi phí đào và gia cố (theo hộ chiếu nổ mìn thử nghiệm M2- L=31,63m) 107

Danh mục các hình

Hình 1.1 Vùng nứt nẻ khi nổ với thuốc nổ thông thường 5

Hình 1.2 Vùng nứt nẻ khi nổ mìn tạo biên với Gurit 17x500mm (thỏi thuốc nhỏ của thuốc nổ nhẹ với tốc độ nổ nhỏ) 5

Hình 1.3 Lẹm cấu trúc (hang hốc) 9

Hình 1.4 Ví dụ kết quả đo vẽ hoàn công lẹm 12

Hình 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả nổ mìn đường hầm 19

Hình 2.2 Hệ số đào lẹm phụ thuộc vào hướng của khe nứt trong khối đá trên biên 21

Hình 2.3 ảnh hưởng của hướng khe nứt đến khả năng phá nổ đá 22

Hình 2.4 Thống kê mức độ lẹm theo gõc dốc mặt phân cách khối đá [18] 22

Hình 2.5 Sự khác biệt mức độ đào lẹm trên biên hầm do ảnh hưởng của tính liên tục của khe nứt (Muller, 1978) [17] 24

Hình 2.6 Khoảng cách giữa các khe nứt trong (Muller, 1970)[15] 24

Hình 2.7 Hình dạng khối nứt 25

Hình 2.8 Quy luật ảnh hưởng của mật độ và mức độ liên tục của khe nứt đến độ bền khối đá 26

Hình 2.9 Dự đoán mức độ đào lẹm theo yếu tố: khoảng cách trung bình khe nứt, hình dạng khối nứt và mức độ liên tục của khe nứt [15] 26

Hình 2.10 ảnh hưởng của hướng các thành phần ứng suất chính đến vị trí lẹm hình thành trên biên đường hầm: vị trí lẹm lớn nhất xuất hiện tại điểm giao giữa biên hầm với đường tiếp tuyến tại đó song song với thành phần ứng suất chính 28

Hình 2.11 Tương quan giữa mức độ đào lẹm và chất lượng khối đá (RMR) 29

Hình 2.12 Tổng kết những ảnh hưởng của điều kiện khối đá đến hiện tượng đào lẹm (Terzaghi (1946), Stini (1950), Muller (1976), Wahlstrom (1973), Bouvard (1988)) 31

Hình 2.13 Tương quan áp lực sóng nổ và chỉ số phá hủy do nổ mìn 32

Hình 2.14 Tương quan áp lực sóng nổ và phạm vi (chiều sâu) vùng phá hủy 33

Hình 2.15 Tương quan tốc độ truyền nổ của thuốc nổ và kích thước đào lẹm 34

Hình 2.16 Tương quan lượng thuốc nổ đơn vị của nhóm lỗ mìn biên với hệ số đào

lẹm 35

Hình 2.17 Tương quan lượng thuốc nổ đơn vị của nhóm lỗ mìn biên với hệ số đào lẹm tại một gian hầm chứa ở Singapore 35

Hình 2.18 Tỷ lệ vết khoan còn lại trên biên tương ứng với các loại thuốc nổ khác nhau 36

Hình 2.19 Cấu tạo mũi khoan và phần đệm đầu khoan 38

Hình 2.20 Sơ đồ định hướng lỗ khoan biên 38

Hình 2.21 ảnh hưởng đến đào lẹm do khoan thêm 39

Hình 2.22 Sai lệch vị trí miệng lỗ khoan do bề mặt biên đào không phẳng 40

Hình 2.23 Đánh dấu vị trí lỗ khoan trên gương trước khi khoan 41

Hình 2.24 Các phương pháp nổ tạo biên 45

Hình 2.26 ảnh hưởng của thiết bị khoan tới độ lẹm biên đào 51

Hình 2.27 Nguyên lý nổ tạo biên tách trước bằng lỗ khoan tạo rbnh [14] 52

Hình 2.28 Sự thay đổi áp lực tách chẻ yêu cầu theo chiều sâu rbnh (Dally và Fourney (1977)) [14] 53

Hình 2.29 Thiết bị khoan tạo rbnh trước kiểu cũ 54

Hình 2.30 Thiết bị khoan tạo rbnh trước kiểu mới 55

Hình 2.31 Thông số hình học của thiết bị tạo rbnh 57

Hình 2.32 ảnh hưởng của chiều sâu rbnh đến vận tốc khoan 57

Hình 2.33 Thiết bị khoan tạo rbnh thử nghiệm 58

Hình 2.35 Hộ chiếu nổ mìn thử nghiệm 59

Hình 3.1 Mặt cắt ngang đào và gia cố loại 1 66

Hình 3.2 Mặt cắt ngang đào và gia cố loại 2 66

Hình 3.3 Mặt cắt ngang đào và gia cố loại 3 67

Hình 3.4 Mặt cắt ngang đào và gia cố loại 4 67

Hình 3.5 Sơ đồ bố trí lỗ mìn trên gương hầm theo hộ chiếu được duyệt 71

Hình 3.6 Sơ đồ bố trí kíp nổ theo hộ chiếu được duyệt 71

Hình 3.7 Bản vẽ hoàn công gương hầm đoạn km 1+333,85 đến km 1+370,04 77

Hình 3.8 Hình ảnh đất đá biên đường hầm bị dập nát do nổ mìn không tốt 79

Hình 3.9 Hình ảnh lẹm do định vị sai hướng lỗ khoan viền 84

Hình 3.10 Sơ đồ bố trí lỗ mìn - Hộ chiếu thử nghiệm M1 89

Hình 3.11 Sơ đồ bố trí kíp nổ - Hộ chiếu thử nghiệm M1 89

Hình 3.12 Bản vẽ hoàn công gương hầm sau khi nổ mìn theo hộ chiếu M1 94

Hình 3.13 Hình ảnh biên hầm sau khi nổ mìn theo hộ chiếu thử nghiệm M1 94

Hình 3.14 Sơ đồ bố trí lỗ khoan hộ chiếu thử nghiệm M2 97

Hình 3.15 Sơ đồ bố trí kíp nổ hộ chiếu thử nghiệm M2 98

Hình 3.16 Hình ảnh biên hầm sau khi nổ mìn theo hộ chiếu thử nghiệm M2 98

1

Mở đầu Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Với nhu cầu sử dụng điện năng tăng nhanh nhằm đáp ứng cho các ngành công nghiệp sản xuất và phát triển đất nước, nhiều dự án xây dựng nhà máy thủy điện đb và đang được triển khai thi công trên khắp cả nước Yêu cầu

đặt ra đối các dự án là sớm hoàn thành dự án và cung cấp điện thương phẩm ra thị trường, nhanh hoàn vốn đầu tư, đồng thời phải đảm bảo chất lượng công trình với chi phí hợp lý

Qua thực tế triển khai tại một số dự án thủy điện cho thấy, vấn đề thanh quyết toán các hạng mục hầm thi công, hầm dẫn nước thường kéo dài làm ảnh hưởng tới nguồn vốn của nhà thầu thi công xây lắp Một nguyên nhân lớn nhất

là giữa chủ đầu tư và nhà thầu thi công không thống nhất hoặc nhìn nhận không đầy đủ về vấn đề lẹm, từ đó có những quan niệm đánh giá khác nhau về giá trị lẹm cho phép Chính vì vậy các bên không thống nhất được khối lượng khoan đào và khối lượng bê tông đổ bù do lẹm gây ra dẫn đến không thống nhất được giá trị thanh quyết toán công trình Đây là vấn đề lan giải, phức tạp cũng đb được đề cập trong các công trình nghiên cứu khác nhau ở Việt Nam [1], [2], [3], [4], [5], [6],[9] ở các mục tiêu và góc độ khác nhau Song cho đến nay vấn đề xác định nguyên nhân gây lẹm và triển khai các biển pháp để hạn chế lẹm tại chỗ vẫn là vấn đề cần nghiên cứu và tổng hợp

Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đề tài được thực hiện nhằm mục đích xem xét các yếu tố ảnh hưởng

đến đào lẹm hầm khi thi công các công trình ngầm nói chung và các đường hầm thủy công nói riêng Đồng thời đề tài cũng đưa ra các giải pháp giảm đào lẹm đb và đang được áp dụng ở Việt Nam và trên thế giới

2

Trên cơ sở điều kiện thực tế ở Việt Nam, đề tài nghiên cứu một số nguyên nhân gây ra đào lẹm khi thi công đường hầm dẫn nước – công trình thủy điện Nậm Chiến (tỉnh Sơn La) và đề xuất, kiến nghị một số giải pháp nhằm hạn chế đào lẹm tại các hạng mục hầm tương tự trên công trường

Nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Nội dung của đề tài xem xét các nguyên nhân gây ra lẹm khi đào hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn, trên cơ sở đó đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng nguyên nhân tới giá trị lẹm Đồng thời đề tài cũng đưa ra một số giải pháp nhằm hạn chế độ lẹm khi thi công các đường hầm thủy điện hiện nay

đang được áp dụng ở Việt Nam và trên thế giới

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về vấn đề đào lẹm và điều kiện thực tế tại Việt Nam, luận văn cũng trình bày một số giải pháp giảm đào lẹm và kết quả thực hiện trong điều kiện thi công đào hầm dẫn nước công trình thủy điện Nậm Chiến tỉnh Sơn La

Ngoài phần mở đầu, kết luận – kiến nghị, nội dung chính của luận văn bao gồm các phần sau:

Chương 1: Hiện trạng thi công công trình ngầm thủy điện và vấn đề đào lẹm ở Việt Nam và trên thế giới

Chương 2: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến lẹm khi đào hầm thủy công và phương hướng khắc phục

Chương 3: Nghiên cứu giải pháp hạn chế đào lẹm ở công trình thủy

điện Nậm Chiến

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Quang Phích, người đb giành rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ Tác giả trong suốt quá trình hướng dẫn Tác giả làm bản luận văn tốt nghiệp này

3

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong bộ môn Xây dựng công trình ngầm và Mỏ cũng nh− các bạn đồng nghiệp đb giúp đỡ Tác giả trong quá trình hoàn thành luận văn của mình Do hiểu biết còn hạn chế và trình độ còn có hạn nên chắc chắn trong bản luận văn sẽ còn có những thiết sót, rất mong nhận đ−ợc nhiều sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn

đồng nghiệp để cho bản luận văn đ−ợc hoàn chỉnh hơn

4

Chương 1 Hiện trạng thi công hầm thủy điện và vấn đề đào lẹm 1.1 Khái niệm đào lẹm và các loại hình lẹm

1.1.1 Khái niệm đào lẹm

Trong phương pháp thi công đào hầm bằng khoan nổ mìn, đào vượt luôn là vấn đề tồn tại cố hữu, gây ra nhiều ảnh hưởng bất lợi tới quá trình thi công Đào vượt làm biên đường hầm gồ ghề, tăng tổn thất áp lực thông gió, tăng khối lượng đất đá thải cần vận chuyển Đối với các đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện, đào vượt làm tăng khối lượng, chi phí chống giữ Ngoài ra,

đào vượt còn làm giảm tính bền vững của công trình do tăng mức độ nứt nẻ công nghệ trong khối đá trên biên Như vậy, kiểm soát đào vượt đem lại những lợi ích to lớn về thời gian, tài chính, cải thiện điều kiện an toàn lao động và tăng độ bền công trình

Hiện nay chưa có định nghĩa chung về lẹm trong thi công công trình ngầm Khi đánh giá mức độ lẹm vẫn sử dụng đồng thời nhiều đơn vị tính khác nhau như m, m2, m3 Thông thường để đánh giá mức độ lẹm người ta có thể dùng các đại lượng sau:

- Khoảng đào vượt: khoảng cách lớn nhất đo được từ đường biên thực tế

đến đường biên thiết kế Hiện nay qua các thống kê cho thấy kích thước đào vượt đường biên thiết kế trung bình của các hạng mục công trình ngầm với

điều kiện địa chất bình thường là 36,16cm [11]

5

Hình 1.1 Vùng nứt nẻ khi nổ với

thuốc nổ thông thường

Hình 1.2 Vùng nứt nẻ khi nổ mìn tạo biên với Gurit 17x500mm (thỏi thuốc nhỏ của thuốc nổ nhẹ với tốc độ nổ

ở đây: Stt -diện tích gương đào thực tế, m2;

Stk - diện tích gương đào theo thiết kế, m2

Theo số liệu thống kê [11], hệ số đào lẹm tương ứng với diện tích tiết diện ngang gương hầm như sau:

- Khi 20m2 <Stk≤ 40m2 thì KV ≈ 1,25

- Khi 40m2 < Stk ≤ 60m2 thì KV ≈ 1,19

- Khi Stk >40m2 thì KV ≈ 1,14

+ Giá trị lẹm tương đối (KV1) được tính theo tỷ lệ của diện tích đào lẹm

so với diện tích thiết kế tính bằng %

KV1 = ((Stt - Stk)/Stk)*100%

+ Giá trị lẹm tuyệt đối (KV2) được xác định bằng hiệu số giữa diện tích

đào thực tế với diện tích thiết kế, đây chính là giá trị đào vượt tính bằng m2

KV2 =Stt - Stk Như vậy tất cả các đại lượng kể trên chỉ đánh giá một cách tương đối hiện tượng đào lẹm, chúng chỉ cho ta cái nhìn phiến diện, chung chung về giá trị lẹm Trong thực tế hiện nay cách đánh giá hiện tượng lẹm chính xác và cụ thể nhất là phương pháp chụp ảnh gương đào Theo phương pháp này sau mỗi chu kỳ khoan nổ, ta dùng các thiết bị trắc địa chuyên dùng để xác định vị trí thực tế của đường biên công trình ngầm tại từng điểm cụ thể và sau đó trên cơ

sở các số liệu đo đạc này kết hợp với các phần mềm chuyên dùng ta vẽ được hình dạng thực tế chính xác của đường biên So sánh kích thước của đường biên thực tế với kích thước đường biên thiết kế sẽ cho chúng ta thấy được giá trị đào vượt tại từng điểm cụ thể, diện tích đào lẹm tổng cộng, hệ số lẹm cũng

như các giá trị lẹm tuyệt đối, tương đối và mức độ chính xác của đường biên

1.1.2 Các loại hình lẹm khi đào hầm

Theo quan sát thực tế, hiện tượng sập lở phần khối đá nằm ngoài biên

đào thiết kế dẫn tới đào lẹm có thể xảy ra tức thời nhưng cũng có thể kéo dài theo thời gian và giá trị đào lẹm trong cùng một điều kiện đường hầm như

7

nhau cũng có thể không giống nhau Như vậy lẹm có thể xảy ra dưới nhiều hình thức khác nhau, do nhiều nguyên nhân khác nhau và không phải là đại lượng không đổi mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố Để có thể kiểm soát được hiện tượng đào lẹm đòi hỏi chúng ta phải xác định rõ đó là loại hình lẹm nào

và do nguyên nhân gì Dưới đây tác giả giới thiệu phân loại các loại hình lẹm khi đào công trình ngầm của Muller (1978) trên cơ sở điều kiện địa cơ học [15], [16]:

1.1.2.1 Lẹm “thực”

Loại hình lẹm này hình thành do quá trình khai đào tạo ra khoảng không gian công trình ngầm Trong khối đá nguyên sinh ban đầu đb tồn tại sẵn các

hệ thống nứt nẻ, phân chia khối đá thành các khối riêng lẻ (rời rạc) Quá trình

đào hầm dẫn tới sự thay đổi trạng thái cân bằng ổn định của các khối đá tồn tại trên biên công trình Các khối đá riêng lẻ này dịch chuyển tách khỏi khối

đá xung quanh rơi vào không gian công trình ngầm Quá trình này diễn ra gần như tức thời sau khi đào Trong thực tế, ngoài hệ thống nứt nẻ nguyên sinh tồn tại ban đầu, sau khi đào công trình ngầm bằng phương pháp khoan nổ mìn còn làm xuất hiện thêm hệ thống các nứt nẻ thứ sinh Hệ thống nứt nẻ thứ sinh này xuất hiện do tác động của sóng nổ mìn lan truyền trong môi trường khối đá và

nó dẫn tới hình thành các khối đá riêng lẻ mới (chưa được kể tới trong quá trình khảo sát) có khả năng dịch chuyển, rơi hay trượt vào không gian CTN

Điều này dẫn tới đòi hỏi khi phân tích, dự đoán lẹm và biện pháp giảm thiểu chúng không chỉ dựa trên những số liệu về điều kiện địa chất thu được trong giai đoạn khảo sát mà còn phải trên cơ sở những giải pháp thiết kế, công nghệ thi công khoan nổ mìn

Loại hình lẹm “thực” này có thể coi là không tránh khỏi ở chỗ chúng ta không thể sử dụng các phương pháp chống giữ sau khi đào để kiểm soát chúng giống như đối với lẹm “thứ sinh” đề cập dưới đây Hiện nay, một số người

8

quan niệm loại hình lẹm này là “lẹm địa chất” mang tính khách quan, hình thành không phải do lỗi của người thi công Điều này không hoàn toàn chính xác vì trong số những nguyên nhân dẫn tới loại hình lẹm này còn có ảnh hưởng của yếu tố con người, ví dụ như với cùng một môi trường khối đá, khi lựa chọn hướng đào khác nhau hoặc khi sử dụng kỹ thuật nổ mìn khác nhau (nổ mìn tạo biên hoặc nổ mìn thông thường), độ lẹm thu được cũng khác nhau

Vì những nguyên nhân như vậy nên loại hình lẹm này thường xảy ra

ở khu vực khối đá sát gương đào, có thể quan sát thấy tại cả nóc hông và nền công trình, khác với những loại hình lẹm “thứ sinh” hay lẹm do nổ đá trình bày dưới đây

1.1.2.2 Lẹm do “cạy om”

Sau khi nổ mìn, để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị trong thi công, người thi công thường tiến hành cạy chọc đá om trong khối đá xung quanh biên công trình và phía trước mặt gương Quá trình này cũng thường dẫn tới lẹm bổ sung

1.1.2.3 Lẹm thứ sinh

Khác với “lẹm thực” đb nêu, “lẹm thứ sinh” có nguyên nhân chủ yếu

là lỗi của người thi công và diễn ra theo thời gian (không mang tính tức thời) Liên quan đến “lẹm thứ sinh”, sau khi đào, trong khối đá xung quanh biên công trình ngầm xảy ra sự phân bố lại trạng thái ứng suất theo thời gian để tiến tới trạng thái cân bằng mới Trong quá trình biến đổi đó có thể kèm theo các biểu hiện dịch chuyển, phá hủy của các phần khối đá nhất định trên biên Quá trình dịch chuyển, phá hủy của khối đá trên biên sau khi đào cũng có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân khác như ảnh hưởng của chọc om, chấn động do quá trình thi công vỏ chống, v.v Tất cả những nguyên nhân này gây ra “lẹm thứ sinh” Rõ ràng, loại hình lẹm này chủ yếu do tác dụng của trường trọng

9

lực và vì vậy thường quan sát thấy ở phần nóc công trình Có thể hạn chế lẹm thứ sinh bằng cách sử dụng các phương pháp chống giữ thích hợp, sử dụng sớm sau khi đào

1.1.2.4 Lẹm cấu trúc “cave-in”

Nếu như “lẹm thực” và “lẹm thứ sinh” chỉ dẫn tới làm tăng một phần chi phí xúc và chống giữ thì “lẹm cấu trúc” thường đòi hỏi chi phí khắc phục rất lớn và phải được ngăn chặn bằng mọi biện pháp có thể Lẹm cấu trúc vẫn đôi khi bị hiểu nhầm nằm trong loại hình lẹm thực và lẹm thứ sinh vì chúng cũng thường xảy ra ở khu vực gần gương thi công [15] Tuy nhiên, nguyên nhân dẫn tới lẹm cấu trúc chủ yếu là do hiện tượng mất ổn định dọc theo các bề mặt cấu trúc trong khối đá Chính vì vậy, trong môi trường khối đá cứng, ổn định

có mức độ nứt nẻ thưa và thời gian ổn định không chống lớn hơn, lẹm cấu trúc thường xảy ra lớn hơn trong môi trường khối đá yếu, kém ổn định với mức độ nứt nẻ lớn và thời gian ổn định không chống nhỏ hơn

I Khối đá tốt; II Mặt sói mòn cổ III Trầm tích vụn không cố kết

Hình 1.3 Lẹm cấu trúc (hang hốc)

10

1.1.2.5 Lẹm do nổ đá

Nổ đá có nguyên nhân là sự giải phóng năng lượng đàn hồi tích trữ trong khối đá một cách đột ngột, thường gặp ở những công trình ngầm nằm sâu trong đá có môđun biến dạng lớn (Brauner, 1981) Khi xảy ra nổ đá, một phần khối đá trên biên công trình bị tách ra khỏi khối nguyên bắn vào trong không gian đường hầm kèm theo tiếng nổ lớn

1.1.2.6 Lẹm công nghệ

Một nguyên nhân khác dẫn tới đào lẹm trong đào hầm không liên quan

đến sự sụp lở của khối đá mà do điều kiện hạn chế của không gian thi công

đường hầm Do cấu tạo của thiết bị khoan nên các lỗ khoan biên thường phải khoan nghiêng chếch ra phía ngoài đường biên đào Nếu miệng lỗ khoan trùng với biên thiết kế thì đáy lỗ khoan sẽ nằm bên ngoài biên và do đó khi nổ

đường biên hầm theo trục dọc sẽ tạo thành hình răng cưa và đương nhiên xuất hiện lẹm (hình 1.4) Loại hình lẹm này được gọi là lẹm do công nghệ khoan

1.2 Hiện trạng đào lẹm trong thi công hầm thủy điện ở Việt Nam

Những năm vừa qua, ở Việt Nam, các nguồn thủy điện lớn nhất nói chung

đb được khai thác và hiện nay chúng ta đang chuyển hướng khai thác các dự

án thủy điện nhỏ và vừa Trong một loạt các công trình thủy điện đang được xây dựng hiện nay, phần nhiều các công trình sử dụng đường hầm dẫn nước cung cấp cho các tuabin của nhà máy Cùng với khối lượng các công trình ngầm ngày càng gia tăng là sự hình thành và phát triển ngày càng nhiều doanh nghiệp tham gia xây dựng công trình ngầm Ngoài một số đơn vị chuyên xây dựng công trình ngầm thuộc Tập đoàn công nghiệp Việt Nam - Tập đoàn Sông

Đà như Tông ty cổ phần Sông Đà 10, Tổng công ty xây dựng hạ tầng (LICOGI) còn có các đơn vị như Công ty Lũng Lô (Bộ Quốc phòng), Công ty CENCO 6 (Bộ Giao thông - Vận tải)…

11

Trong quá trình thi công các đường hầm hiện nay, ngoại trừ dự án thủy

điện Đại Ninh có sử dụng máy đào hầm TBM trong quá trình thi công đường hầm, các nhà thầu thi công vẫn chủ yếu sử dụng phương pháp khoan nổ mìn vì

đây là phương pháp không đòi hỏi vốn đầu tư lớn, có tính linh hoạt cao, có thể

dễ dàng sử dụng với nhiều điều kiện địa chất, kích thước tiết diện ngang, sơ đồ công nghệ thi công khác nhau,

Nói chung cùng với quá trình phát triển của lĩnh vực xây dựng công trình ngầm, hiệu quả khoan nổ ngày càng được nâng cao nhờ sử dụng các phương tiện kỹ thuật hiện đại hơn, áp dụng được các thành tựu nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực này và một phần cũng do sức ép của kinh tế thị trường

đòi hỏi phải nâng cao chất lượng thi công, đảm bảo khả năng cạnh tranh của

đơn vị thi công

Tuy nhiên, nếu chú ý đến kinh nghiệm và năng lực thi công có thể nhận thấy ngay rằng các đơn vị mới hình thành hầu hết đều thiếu các cán bộ chuyên môn hoặc còn ít kinh nghiệm, nhưng đb phải đảm nhận các trách nhiệm chỉ huy thi công Vấn đề chất lượng rất khó được đánh giá khách quan, cũng rất khó kiểm soát Các công trình đb được xây dựng đều đb được nghiệm thu Những công trình có quy mô nhỏ, như các nhà máy thủy điện ngầm cũng thường ít được dư luận chú ý Điều đó không có nghĩa là chất lượng đều được

12

Hình 1.4 Ví dụ kết quả đo vẽ hoàn công lẹm

• Công trình thuỷ điện Hòa Bình

Nhìn chung, tại thủy điện Hòa Bình hệ số đào thừa hay đào vượt và độ rộng

đào vượt khi thi công rất lớn so với các nước trên thế giới (Bảng 1.1) [1], [11]

Bảng 1.1 Hệ số đào lẹm hầm thủy điện Hòa Bình và một số nước trên thế giới

Chỉ tiêu Hòa

Liên Xô cũ Bungary

Tây Ban Nha

Các nước khác

0,1-≤ 0,16

0,15-13

• Công trình thuỷ điện Yaly

Tại công trình thủy điện Yaly, hộ chiếu khoan nổ mìn đb được thiết kế có chú ý đến khoảng cách và lượng thuốc nổ bố trí hợp lý trong các lỗ mìn biên song nguyên nhân dẫn đến lẹm ở đây có thể kể đến là do chiều sâu khoan thêm, do đặc điểm cấu tạo búa khoan và khoảng cách giữa búa khoan và vách hầm để thiết bị làm việc êm thuận và đảm bảo an toàn Mặc dù các đơn vị thi công đb sử dụng máy khoan hiện đại Boomer của hbng Atas Copco (Thụy

Điển), nhưng do trình độ tay nghề của thợ khoan còn hạn chế nên khi khoan

nổ mìn khoảng đào vượt ít nhất là 16cm đến 18cm Sau khi nổ mìn, qua quan sát tại hiện trường các vết khoan còn lại trên vách hầm cũng khác nhau với các loại đá khác nhau Với những đoạn hầm kiểm tra có kết quả khoan tốt thì trong đá nhóm 4 tỉ lệ vết khoan còn lại trên vách là 70-:-80%, trong đá nhóm

3 là 30-:-40% [1]

Bảng 1.2 Thống kê hệ số đào thừa tiết diện dự án thủy điện Yaly [1], [11]

thiết kế (m 2 )

Hệ số thừa tiết diện

4 Hầm DT -1 (tiết diện loại 1) 42,51 1,222

15

• Công trình thủy điện Đại Ninh

Bảng 1.4 Tổng hợp chỉ số nổ lẹm tại dự án thủy điện Đại Ninh [2]

Khoảng cách vượt diện tích trung bình ∆R = 18,626 cm

Tuy nhiên do yêu cầu của tiến độ thi công, cho đến nay hiện tượng này chưa được chú ý cải thiện nhiều

Rõ ràng là đào lẹm không nên chỉ được chú ý khi phải thanh quyết toán do phát sinh thêm khối lượng thi công Đào thừa và đào thiếu chắc chắn

sẽ có ảnh hưởng lâu dài đến chất lượng của công trình, với các lý do sau:

- Thông thường các công trình ngầm được đào qua các loại đá có độ bền cao hơn bê tông, đào thừa nhiều có nghĩa là vừa thay thế vật liệu kém bền cho

16

vật liệu có độ bền cao vừa làm tăng khối lượng vật liệu sử dụng trong thi công

và các chi phí liên quan;

- Do trình độ kỹ thuật thi công của công nhân còn hạn chế (thậm chí

được đào tạo tại chỗ trong quá trình thi công), phương tiện đo đạc, kiểm tra không đầy đủ, không thích hợp, điều kiện làm việc thiếu ánh sáng, nên đào thừa, thiếu ít nhiều ảnh hưởng đến việc lắp dựng chính xác cốt thép, sẽ ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của kết cấu chống;

- Đào thừa nghĩa là phá vỡ khối đá quá mức, có thể gây hủy hoại lớn hơn khối đá vây quanh công trình ngầm, do vậy làm giảm khả năng mang tải của khối đá, cũng gây ảnh hưởng đến chất lượng của công trình

Thừa tiết diện thường kéo theo một loạt chi phí khác nhau cho công tác thi công như: thời gian xúc bốc thực tế sẽ dài hơn và lượng bêtông phải đổ sẽ nhiều hơn Chẳng hạn theo MAIDL [9] thời gian xúc bốc thực tế là:

t = ( 60 V k δ)/ nLt trong đó V là thể tích lượng đá nổ trong một chu kỳ; k là hệ số thừa tiết diện;

δ là hệ số nở rời; n là số phương tiện xúc bốc; Lt là năng suất kỹ thuật của phương tiện xúc bốc, Lt =Lltη1η2η3, với Llt là năng suất lý thuyết và ηi là các

hệ sô ảnh hưởng đến năng suất xúc bốc

Hệ số thừa tiết diện theo kinh nghiệm phụ thuộc vào tiết diện thiết kế

được lấy gần đúng theo bảng sau [9]:

Bảng 1.5 Mối quan hệ giữa hệ số thừa tiết diện và tiết diện đào thiết kế

k 1,35 1,29 1,15 1,12 1,10 1,09 1,08 1,06

17

Theo MULLER (Muller,L.: Mehrausbruch in Tunneln und Stollen Geologie und Bauwesen 25 (1959), T.24, Tr 3,4), rất khó tính trước tiết diện thừa Thông thường, tiết diện thừa được cho biết ở dạng tỷ lệ với tiết diện thiết kế; nhưng con số phần trăm tiết diện thừa không thể dùng để so sánh được, bởi vì lượng tiết diện thừa hầu như không phụ thuộc vào diện tích tiết diện

Tỉ lệ đào lẹm trên thế giới được thống kê như sau [ 15], [16]:

Lẹm theo tỉ lệ % đường kính (Wahlstrom 1973, Muller 1978, Kolymbas 1998):

- hầm Chippis 7.5%

- hầm Simplon 10%

- với các loại hầm nói chung 6-38%;

- với các hầm khoan nổ trung bình 10%;

- Trong đá nứt nẻ và nổ mìn kém 25%;

- Trong đá phiến và gơ-nai, trong đá phiến sét 16%, trong đá grarit 7%, trong đá granit các khe nứt được lấp đầy 16%, hầm Orbert Colorado với các khe nứt ngang khoảng cách nhỏ 31%

- Trong đá rắn cứng có một vài nứt nẻ hoặc trong đá nứt nẻ có khoảng cách nhỏ và nếu khoảng cách chống được chọn đúng và lắp đặt kịp thời, lẹm 5 -:- 10cm

- Trong đá rắn cứng với tỉ lệ nứt nẻ lớn, khoảng cách khe nứt lớn, lẹm

18

Chương 2 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến lẹm khi

đào hầm thủy công và phương hướng khắc phục 2.1 Khái quát chung

Trong thi công xây dựng các công trình ngầm trong đá cứng bằng phương pháp khoan - nổ mìn luôn xảy ra hiện tượng đào vượt tiết diện Đây là một vấn đề mà cả các nhà quản lý xây dựng và những người thi công đều hết sức quan tâm, bởi nó ảnh hưởng rất lớn tới các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của các công tác khoan - đào và độ bền, độ ổn định của công trình theo thời gian

Đào vượt tiết diện (so với tiết diện thiết kế) không những làm tăng các chi phí khoan đào, tăng khối lượng xúc bốc, vận chuyển mà đáng kể hơn là làm tăng khối lượng gia cố và bê tông vỏ hầm ảnh hưởng tới trạng thái làm việc của vỏ chống

Do công tác khoan nổ mìn đào hầm được thực hiện trong môi trường khối đá nên cùng với các chỉ tiêu khoan nổ mìn khác như kích cỡ đá nổ ra, độ văng xa của đá, hệ số sử dụng lỗ mìn, mức độ đào vượt phụ thuộc vào các yếu

tố ảnh hưởng bao gồm:

- Điều kiện môi trường nổ (đá và khối đá)

- Đặc tính thuốc nổ

- Hộ chiếu khoan nổ mìn và quá trình tiến hành khoan nổ

Nếu như đặc điểm của đá và khối đá là những thông số ảnh hưởng bất biến thì các thông số liên quan tới đặc tính thuốc nổ và hộ chiếu khoan nổ cũng như công tác tiến hành có thể thay đổi, chúng ta cần tiến hành xem xét

và lựa chọn thận trọng để đạt được kết quả khoan nổ mìn tốt nhất Trên hình 2.1 giới thiệu các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng công tác khoan nổ

Hình 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả nổ mìn đường hầm

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới đào lẹm

Hiện tượng đào vượt tiết diện khi thi công các công trình ngầm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau Tuỳ thuộc vào bản chất của các yếu tố

ảnh hưởng ta có thể phân chia ra thành các yếu tố khách quan và các yếu tố chủ quan

Các yếu tố khách quan là các yếu tố bất khả kháng không phụ thuộc vào ý chí của con người như: đặc điểm, cấu trúc địa chất của khối đá ta bố trí

hệ khe nứt, các đứt gby, phay phá và các mặt phân lớp, phân phiến và đặc

điểm phân bố của chúng trong khối đá Các đặc trưng của các hệ khe nứt gồm: mật độ khe nứt (hay khoảng cách trung bình giữa các khe nứt), các góc phương vị đường phương và hướng dốc của mặt khe nứt, chiều rộng (độ mở) khe nứt và đặc biệt là trạng thái bề mặt của khe nứt: gồ ghề hay nhẵn, lượn sóng hay bằng phẳng và bản chất của các chất lấp nhét: cát, mảnh vụn hay sét Mật độ khe nứt thể hiện mức độ khối đá bị phân chia bởi các mặt khe nứt tạo thành các vật thể nhỏ (khối nứt) có hình dạng kích thước khác nhau Các chất lấp nhét bên trong sẽ quyết định tới khả năng liên kết giữa các bề mặt nứt nẻ,

đặc biệt là các khoáng vật kết tinh: Trạng thái bề mặt của khe nứt sẽ quyết

định tới ma sát bề mặt trong quá trình trượt lở

a Hệ thống khe nứt trong khối đá

- Hướng của khe nứt

Hướng của khe nứt có thể gây ảnh hưởng đáng kể đến kết quả tạo

đường biên đào của công trình Khe nứt làm giảm sóng ứng suất truyền trong khối đá Sự giảm sóng ứng suất khi truyền qua khe nứt phụ thuộc vào góc hợp bởi hướng tác động (truyền) của sóng ứng suất và bề mặt khe nứt Độ giảm sóng ứng suất nhỏ nhất khi góc này bằng 0 hoặc 900 (sóng ứng suất truyền song song hoặc vuông góc với bề mặt khe nứt) và đạt giá trị lớn nhất khi góc này nằm trong khoảng 150 đến 450 (Lewndowski, 1996) Điều này có nghĩa là

độ giảm sóng ứng suất nhỏ nhất khi các khe nứt trong khối đá có phương song

21

song, gần song song hoặc vuông góc với đường biên đào Trong những trường hợp khác, cường độ sóng ứng suất sẽ giảm đáng kể và do đó sẽ rất khó để kiểm soát chất lượng tạo biên công trình Hình 2.2 cho thấy độ lẹm biên đào lớn nhất khi góc này bằng 450

Hình 2.2 Hệ số đào lẹm phụ thuộc vào hướng của khe nứt trong

khối đá trên biên

Worsey (1981) đb đi đến kết luận rằng, khi góc tạo bởi phương của khe nứt và bề mặt biên đào công trình nhỏ hơn 600, sẽ gây ra những ảnh hưởng bất lợi tới kết quả tạo biên công trình Khi góc này nhỏ hơn 150, kết quả tạo biên

sẽ không cao hơn so với biện pháp nổ mìn thông thường

Trên hình 2.3 và 2.4 minh họa ảnh hưởng của hướng khe nứt đến khả năng phá hủy của đá liên quan đến năng lượng nổ cần sử dụng và qua đó là trị

số đào lẹm (Johansen, 2000) Theo đó, khi đường phương của mặt khe nứt tạo với trục đường hầm một góc nằm trong khoảng 00-900 thì đá dễ dàng bị phá vỡ

ở vị trí bên tay trái và tại đó cần sử dụng năng lượng nổ ít hơn

Thẳng

đứng

Dốc nghiêng

về phía

đường hầm

Nghiêng vừa về phía

đường hầm

Nằm ngang Nghiêng vừa về

- Chất lấp nhét trong khe nứt

Vật liệu lấp nhét trong khe nứt làm thay đổi đặc tính truyền các dạng sóng (ví dụ sóng nổ) khi đi qua khe nứt Khi bề dày chất lấp nhét (độ mở khe nứt) nhỏ, phần năng lượng bị mất khi truyền qua khe nứt giảm và ngược lại,

đặc biệt nếu khe nứt gần với mặt tự do Chất lấp nhét sét trong khe nứt gây ra hiện tượng trương nở làm giảm chất lượng khối đá dẫn tới hiện tượng đào vượt hoặc đào thiếu Nếu độ mở khe nứt nhỏ và khe nứt có chất lấp nhét cứng, ổn

định, độ lẹm khi đào sẽ chỉ phụ thuộc vào góc giữa phương của khe nứt và lỗ mìn

- Chỉ tiêu RQD

Khi khối đá có chỉ số RQD < 70%, công tác nổ mìn thường gây ra những tác động bất lợi (Singh, 1972) Giá trị RQD < 50% sẽ dẫn tới phải giảm khoảng cách giữa các lỗ mìn, giảm mật độ nạp thuốc, sử dụng các lỗ mìn trống để tạo ra đường biên đào có chất lượng tốt

- Tính liên tục của khe nứt

24

Trong thực tế, khe nứt thường không liên tục mà đứt qubng theo hướng dốc của chúng Điều này dẫn tới sự khác biệt mức độ đào lẹm trong thi công

đường hầm như ví dụ trênhình 2.5

Hình 2.5 Sự khác biệt mức độ đào lẹm trên biên hầm do ảnh hưởng của

tính liên tục của khe nứt (Muller, 1978) [17]

Để đánh giá định lượng sự khác biệt này cần dựa vào:

+ Mức độ nứt nẻ của hệ khe nứt (hình 2.6)

Hình 2.6 Khoảng cách giữa các khe nứt trong (Muller, 1970)[15]

Mật độ khe nứt = 9/1,5 = 6 (kn/m) Khoảng cách khe nứt = 1,5/9 = 0,17m

25 + Hình dạng khối nứt (hình 2.7)

Hình 2.7 Hình dạng khối nứt

+ Mức độ liên tục của khe nứt

Mức độ liên tục của khe nứt (x) được định nghĩa là tỷ số giữa diện tích

bề mặt khe nứt thực trên tổng diện tích bề mặt khu vực đo Giá trị của nó nằm trong khoảng từ 0 tương ứng với đá liền khối không nứt nẻ đến 1 tương ứng với khối đá có chứa hệ thống khe nứt liên tục trên suốt chiều dài khối đá

Trên hình 2.8 thể hiện quy luật ảnh hưởng của mật độ và mức độ liên tục khe nứt đến độ bền khối đá

Theo đó, khi khoảng cách giữa các khe nứt trong một hệ quá lớn, lớn hơn kích thước đường hầm, độ lẹm bằng 0 Khi khoảng cách này quá nhỏ, độ lẹm tiến tới 0 nhưng khả năng sụt lở đá do cấu trúc tăng lên Mức độ lẹm lớn nhất đạt được khi khoảng cách giữa các khe nứt đạt giá trị trung bình

Từ ba đại lượng mức độ nứt nẻ, hình dạng khối nứt và mức độ liên tục của khe nứt, trên hình 2.9 giới thiệu kết quả đánh giá độ lẹm theo yếu tố cấu trúc

26

Khối đá nứt nẻ Khe nứt

thưa Khe nứt dày Khe nứt rất dầy

Khối đá

cà nát Mức độ liên tục

hoàn toàn 0,81 Nứt nẻ mạnh Nứt nẻ hòan toàn

Hình 2.8 Quy luật ảnh hưởng của mật độ và mức độ liên tục của khe nứt

27

b Nước ngầm

Điều kiện nước ngầm gây ra những tác động tới đá và khối đá:

- Giảm độ bền nén, kéo của đá do giảm ma sát giữa các phần tử tạo đá (Obert và Duvall, 1967)

- Hiệu ứng giảm sóng ứng suất khi truyền qua đá giảm dẫn tới làm tăng hiệu quả phá vỡ đá

- Giảm độ dính kết và đặc tính ma sát trên bề mặt khe nứt

- Khe nứt chứa nước cho phép sóng ứng suất truyền qua mà không gây ra nứt vỡ bên trong Tuy nhiên, khi trong khối đá chịu áp lực, nước đóng vai trò làm nêm gây ra hiện tượng đào lẹm

Nước trong lỗ khoan làm tăng mức độ chấn động trong khối đá khi nổ mìn

c Trạng thái ứng suất

Tương quan giữa hướng ứng suất chính trong vùng khối đá và hướng của lỗ mìn biên có ảnh hưởng tới sự hình thành đường nứt nối giữa hai lỗ khoan kề nhau Trong đá đồng nhất, những khe nứt phát triển theo phương hướng kính với lỗ khoan có xu hướng tập trung theo phương của ứng suất chính (Brady và Brown, 1985)

Tỷ số giữa ứng suất chính nhỏ nhất và lớn nhất và độ lớn của chúng có

ảnh hưởng rất lớn đến mức độ đào lẹm bằng khoan nổ mìn Trong trường hợp trường ứng suất không đẳng hướng (σ3/σ1>2), thường gặp ở những đường hầm nằm ở độ sâu nhỏ, dẫn tới những kết quả:

- Trị số đào lẹm lớn;

- Trị số lẹm thứ sinh tăng;

28

Trong trường hợp (σ3/σ1<2), thường gặp ở những đường hầm nằm sâu, ứng suất tác động ở tất cả các hướng có tác dụng hỗ trợ sự hình thành vòm khối đá ổn định xung quanh biên hầm dẫn tới mức độ đào lẹm, đặc biệt là lẹm thứ sinh giảm

Mức độ ảnh hưởng của trị số ứng suất chính đặc biệt rõ rệt khi giá trị ứng suất và độ bền của đá xấp xỉ bằng nhau Trênhình 2.10 thể hiện một ví dụ minh họa ảnh hưởng của trường ứng suất đến vị trí lẹm trên biên đường hầm [15]

Hình 2.10 ảnh hưởng của hướng các thành phần ứng suất chính đến vị trí lẹm hình thành trên biên đường hầm: vị trí lẹm lớn nhất xuất hiện tại

điểm giao giữa biên hầm với đường tiếp tuyến tại đó song song với thành

phần ứng suất chính

(1-biên hầm; 2- hướng thành phần ứng suất chính; 3-tiếp tuyến biên hầm song song với hướng của ứng suất chính)

Đá có độ bền càng lớn thì càng đòi hỏi nhiều năng lượng nhận được khi

nổ thuốc nổ để phá vỡ Nếu đá có độ bền thấp do các nguyên nhân như phong

29

hóa, biến chất thành đá yếu hơn, v.v thì khả năng tạo ra đường biên đào sát với đường biên thiết kế càng lớn

Nếu độ bền của khối đá:

- Trường hợp 1: < 25Mpa, đá dễ dàng bị phá vỡ => độ lẹm thấp, đặc biệt nếu mức độ nứt nẻ thấp Tuy nhiên, nếu độ bên của đá thấp, độ đào lẹm thấp thì ngược lại rủi ro phá hủy khối đá hay đào lẹm thứ sinh và lẹm do đặc điểm cấu trúc lại tăng

- Trường hợp 2: > 25Mpa, cần sử dụng nhiều thuốc nổ hơn để phá vỡ đá

=> độ lẹm tăng, đặc biệt nếu mức độ nứt nẻ cao

Trong thực tế, chất lượng khối đá thường được đánh giá thông qua các chỉ tiêu tổng hợp có chú ý tới nhiều thông số của môi trường khối đá như

RMR, Q Trên hình 2.11 giới thiệu kết quả tổng kết ảnh hưởng của chỉ số chất lượng khối đá RMR (Bieniawski) đến mức độ đào lẹm khi thi công đường hầm (Robert Charlier, Sebastien Viroux, Robecht Schmitz) [15]

Hình 2.11 Tương quan giữa mức độ đào lẹm và chất lượng khối đá (RMR)

- Lẹm là hiện tượng xảy ra trong không gian ba chiều vì vậy cần đặc biệt chú ý tới tương quan giữa hướng hệ thống khe nứt với trục đường hầm

Một số quy tắc có thể rút ra liên quan đến lẹm do điều kiện khối đá:

- Trong điều kiện khối đá có khe nứt liên tục (x=1), khối nứt hình lập phương, độ bền đá lớn, trị số lẹm trung bình xấp xỉ bằng với khoảng cách trung bình giữa các khe nứt;

- Trong điều kiện khối đá có khe nứt liên tục (x=1), khối nứt hình lập phương, độ bền đá thấp, trị số lẹm trung bình xấp xỉ bằng một nửa khoảng cách trung bình giữa các khe nứt;

- Trong điều kiện khối đá có khe nứt liên tục (x=1), độ bền đá lớn, trị số lẹm trung bình tại nóc xấp xỉ bằng 1/4 chiều dài khe nứt tại nóc, trị số lẹm trung bình tại nền xấp xỉ bằng 1/12 chiều dài khe nứt tại nóc;

- Trong điều kiện khối đá có khe nứt tương đối liên tục (0,7< x < 1), độ bền đá lớn, trị số lẹm trung bình được dự đoán bằng cách nội suy tuyến tính

độ lẹm tại giá trị x=1 và x< 0,7;

31

lẹm giới hạn biên đào thiết kế lẹm cấu trúc

- Trong điều kiện khối đá có khe nứt ít liên tục (x < 0,7), khối đá hình lập phương, độ bền đá lớn, chỉ xuất hiện một phần lẹm nhỏ thường là vài cm

Trênhình 2.12 tổng kết ảnh hưởng của một số điều kiện khối đá đến

đào lẹm khi thi công đường hầm cùng với một số nhận xét liên quan (Robert Charlier, Sebastien Viroux, Robecht Schmitz) [15]

Hình 2.12 Tổng kết những ảnh hưởng của điều kiện khối đá đến hiện tượng đào lẹm (Terzaghi (1946), Stini (1950), Muller (1976), Wahlstrom

(1973), Bouvard (1988))

- Nếu góc dốc của mặt phân cách thay đổi từ phương ngang đến thẳng

đứng, mức độ và vị trí lẹm cũng thay đổi Lẹm lớn nhất xảy ra khi các lớp đá

có góc nghiêng càng lớn;

Số hệ khe nứt giảm

Số hệ khe nứt tăng

Góc dốc khe nứt giảm

Góc dốc

khe nứt

tăng