Nghiên cứu biện pháp xử lý và chống đỡ khi thi công đường hầm dẫn dòng qua

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thu thập tài liệu nghiên cứu, đến luận văn “Nghiên cứu biện pháp xử lý chống đỡ thi công đường hầm dẫn dịng qua vùng địa chất yếu cơng trình thủy lợi Ngàn Trươi – Cẩm Trang - Hà Tĩnh” hoàn thành đáp ứng yêu cầu đề Với thành đạt được, tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô Trường Đại học Thủy lợi thời gian qua truyền đạt kiến thức khoa học, kinh nghiệm thực tế cho tác giả luận văn Đặc biệt tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy GS.TS Vũ Thanh Te hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập trường trình thực luận văn Cuối cùng, xin cảm tạ lòng, hy sinh, hỗ trợ người thân động viên giúp đỡ tác giả luận văn suốt q trình học tập hồn thành luận văn Hà Nội, tháng 03 năm 2015 Tác giả luận văn Trương Văn Đức BẢN CAM KẾT Họ tên học viên: Trương Văn Đức Chuyên ngành: Xây dựng Cơng trình thuỷ Tên đề tài luận văn “Nghiên cứu biện pháp xử lý chống đỡ thi cơng đường hầm dẫn dịng qua vùng địa chất yếu cơng trình thủy lợi Ngàn Trươi – Cẩm Trang - Hà Tĩnh” Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng cá nhân tơi Những nội dung kết trình bày luận văn trung thực chưa đựơc công bố trước Hà Nội, tháng 03 năm 2015 Tác giả luận văn Trương Văn Đức MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết Đề tài Mục đích đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu .2 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM .3 1.1 Sự phát triển thi công hầm giới .3 1.2 Sự phát triển thi công hầm Việt Nam .6 1.3 Các phương pháp mở đường hầm 1.3.1 Phương pháp mở đường hầm đá cứng .9 1.4 Các phương pháp thi công đường hầm tiên tiến giới 21 1.4.1 Phương pháp thi công hầm Na-uy (NMT) .21 1.4.2 Phương pháp thi công hầm Áo (NATM) 22 1.5 Một số cố thường gặp q trình thi cơng đường hầm 23 1.5.1 Nguyên nhân gây cố kỹ thuật q trình thi cơng đường hầm .23 1.5.2 Một số dạng cố kỹ thuật xảy Xây dựng cơng trình ngầm 24 1.6 Kết luận 27 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH VÒM PHÁ HOẠI ĐƯỜNG HẦM 28 2.1 Phương pháp dựa quan sát thực tế giả thiết vòm áp lực (phương pháp dựa đánh giá chất lượng đá) .29 2.1.1 Vịm áp lực đỉnh hầm có dạng Parabol hay Elip .30 2.1.2 Áp lực đất đá xét cho loại đá 39 2.1.2.3 Phương pháp Stini 42 2.2 Phương pháp phân loại đá để xác định áp lực đá (còn gọi phương pháp dựa đánh giá số lượng tiêu đá) .44 2.2.1 Phân loại khối đá theo Deere – Phương pháp RQD 45 2.2.2 Phương pháp Lauffer 46 2.2.3 Phương pháp Bieniawski 47 2.2.4 Phương pháp Barton, Lien, Lunde 48 2.2.5 Phương pháp Bulucchev 50 2.3 Giới thiệu chung Cơng trình thủy lợi Ngàn Trươi 51 2.3.1 Vị trí địa lý 52 2.3.2 Khí hậu thảm thực vật 52 2.3.3 Giao thông .53 2.3.4 Nhiệm vụ dự án: 53 2.3.5 Vị trí, nhiệm vụ, thơng số kỹ thuật tuynen TN1, TN2 cơng trình thủy lợi Ngàn Trươi 54 2.3.6 Đặc điểm địa chất địa chất thủy văn tuynen số .55 2.4 Áp dụng tính tốn vòm cân đường hầm thủy lợi Ngàn Trươi 58 2.5 Kết luận 59 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CỐ TẠM TRONG THI CƠNG TUYẾN ĐƯỜNG HẦM CƠNG TRÌNH THỦY LỢI NGÀN TRƯƠI 60 3.1 Nguyên tắc phương pháp xây dựng hầm NATM 60 3.2 Các loại gia cố tạm xây dựng hầm 65 3.2.1 Phương pháp Xi măng hóa 65 3.2.2 Phương pháp sét hóa .68 3.2.3 Phương pháp Silicat hóa 68 3.2.4 Phương pháp đóng băng nhân tạo 69 3.2.5 Phương pháp Neo 71 3.3 Lựa chọn giải pháp, tính tốn gia cố tạm cho đường hầm 75 3.3.1 Tính tốn chiều dài neo thép gia cố cho đoạn đường hầm 75 3.3.2 Tính tốn khả chịu lực neo 76 3.3.3 Tính toán khả chịu lực đầu neo 77 3.3.4 Tính tốn khoảng cách neo gia cố cho đường hầm 77 3.3.5 Tính tốn chiều dày bê tơng phun gia cố cho đoạn đường hầm .78 3.4 Quy trình, phương pháp thi cơng neo thép, phun bê tông gia cố cho đường hầm 79 3.4.1 Quy trình, phương pháp thi cơng neo thép gia cố cho đường hầm 79 3.4.2 Quy trình, phương pháp thi công phun bê tông gia cố cho đường hầm 81 3.5 Kết luận chương 82 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 Kết luận 83 Kết đạt 83 Những hạn chế tồn trình làm luận văn .83 Những kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mỏ Hannan, Kalgoorlie, Australia Hình 1.2: Thành phố ngầm Montreal, Canada Hình 1.3: Hầm nguyên tử Berlin, Đức Hình 1.4: Đường hầm qua eo biển Manche Hình 1.5: Đường hầm dẫn nước cơng trình thủy điện Đại Ninh dài 11km, .7 dài Đông Nam Á Hình 1.6: Hầm đường Hải Vân đưa vào sử dụng từ tháng 6/2005 .7 Hình 1.7: Hầm Thủ Thiêm vượt sơng Sài Gịn Hình 1.8: Hầm Kim Liên – Hà Nội .8 Hình 1.9: Hầm tuynel cơng trình thủy lợi Cửa Đạt – Thanh Hóa Hình 1.10: Máy đào đường hầm TBM 10 Hình 1.11: Phương pháp đào tồn tiết diện .10 Hình 1.12: Thứ tự đào hầm phương pháp bậc thang 14 Hình 1.13: Đào phận thi cơng hầm theo phương pháp vịm trước 18 Hình 1.14: Thứ tự đào hầm theo phương pháp nhân đỡ 19 Hình 1.15: Thứ tự đào hầm theo phương pháp phân mảnh đào toàn tiết diện 19 Hình 1.16: Khoan lỗ vượt trước gương hầm .21 Hình 1.17: Bên đường hầm thủy điện Đạ Dâng 26 Hình 1.18: Đường hầm thủy điện Đạ Dâng sau bị sập .27 Hình 2.1: Mơ hình tính áp lực đất đá V.Ritter 31 Hình 2.2: Sơ đồ cân lực tường bên 33 Hình 2.3: Mơ hình tính vịm đá áp lực theo phương pháp Kommerell 34 Hình 2.4: Phương pháp Kommerell đất đá bị vò nát 35 Hình 2.5 : Mơ hình tính áp lực đá theo M.M Protodiakonov .36 Hình 2.6: Đường hầm đá có lớp 40 Hình 2.7: Bảng tra theo phương pháp RQD 46 Hình 2.8: Biểu đồ phân loại khối đá theo phương pháp Bieniawski 48 Hình 2.9: Biểu đồ phân loại khối đá theo phương pháp hệ thống Q 50 Hình 2.10: Phối cảnh cơng trình thủy lợi Ngàn Trươi 52 Hình 2.11: Mặt cắt sau đào đường hầm TN2 58 Hình 2.12: Mặt cắt vịm cân đường hầm TN2 59 Hình 3.1: Sơ đồ tính để xác định thơng số lỗ khoan 66 Hình 3.2: Trình tự cơng tác xi măng hóa hầm .67 Hình 3.3: Sơ đồ đóng băng đất .70 Hình 3.4: Cấu tạo thép neo vào đá gia cố đường hầm 76 Hình 3.5: Chi tiết cấu tạo neo chêm 76 Hình 3.6: Bố trí neo theo theo vịm mặt cắt ngang đường hầm 78 Hình 3.7: Mặt cắt ngang hầm thi công neo máy 80 Hình 3.8: Mặt bằng, mặt cắt dọc đường hầm thi công neo 80 Hình 3.9: Thiết bị để phun bê tông 81 Hình 3.10: Quy trình bố trí thiết bị để phun bê tông 82 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Tiêu chuẩn ổn định tường bên thẳng đứng phụ thuộc vào lực dính C góc ma sát φ 32 Bảng 2.2: Khối lượng đất đá dư sau đầm lại so với khối đào ban đầu (thí nghiệm trường) 34 Bảng 2.3: Độ cứng loại đá theo phương pháp M.M Protodiakonov 37 Bảng 2.4: Bảng tra trị số K a 39 Bảng 2.5: Phân cấp địa tầng theo Terzaghi áp lực đá .40 Bảng 2.6: Áp lực đá vật chống đỡ theo Bierbaumer .42 Bảng 2.7: Phân cấp địa tầng theo Stini 43 Bảng 2.8: Phân loại khối đá theo Deere 45 Bảng 2.9: Phân loại nhóm đá theo theo Bieniawski 47 Bảng 2.10: Các nhóm khối đá theo Barton, Lien, Lunde 49 Bảng 2.11: Cấp ổn định đá xác định theo số ổn định .51 Bảng 2.12: Bảng kết tính tốn vịm cân TN2 .58 Bảng 3.1: Hệ số K theo mức độ nứt nẻ đá 72 Bảng 3.2: Lực dính kết cốt thép với vữa 72 Bảng 3.3: Hệ số k B theo hình dạng mặt cắt hệ số độ cứng 73 Bảng 3.4: Cường độ tính tốn tiêu chuẩn bê tơng phun vữa phun 74 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Đề tài Trên giới, cơng trình ngầm phát triển phổ biến xây dựng đại lĩnh vực giao thông vận tải, khai thác khoáng sản, thủy lợi, thủy điện cơng trình cho mục đích an ninh quốc phịng….Đặc biệt cơng trình lớn sử dụng vào mục đích giao thơng hầm đường sắt, hầm đường ôtô để vượt sông, vượt núi đáp ứng tối ưu yêu cầu kinh tế - kỹ thuật đồng thời rút ngắn chiều dài tuyến đường giảm thời gian lại Với thành phố lớn cơng trình ngầm, hầm ngầm xây dựng để giải vấn đề ách tắc giao thông, làm nhà ở, gara để xe số mục đích quan trọng khác Trong lĩnh vực Thủy lợi, thủy điện đường hầm đóng vai trị quan trọng sử dụng để dẫn dịng thi cơng, dẫn nước vào nhà máy thủy điện, thoát lũ cần thiết Ở nước ta năm gần đây, xây dựng số cơng trình ngầm có quy mơ Thủy điện Hịa Bình, Trị An, Yaly… gần hầm đường qua đèo Hải Vân, đường hầm vượt sơng Sài Gịn hầm Thủ Thiêm, đường hầm dẫn dòng hồ chứa nước Cửa Đạt,… Hiện nay, phần lớn cơng trình ngầm xây dựng hầu hết có địa chất nằm lớp đá cứng Còn lại cơng trình nằm vùng địa chất yếu, phức tạp cịn thi cơng thường xảy cố khiến đơn vị gặp khó khăn việc tìm lựa chọn giải pháp thích hợp để thi cơng Do kéo dài thời gian thi công so với tiến độ đề gây thiệt hại cho Chủ đầu tư, đơn vị thi công trực tiếp làm ảnh hưởng đến hiệu đầu tư dự án Đối với cơng trình thủy lợi Ngàn Trươi có đường hầm tuynel gặp địa chất yếu, phức tạp làm sạt lở an toàn gây thiệt hại kinh tế làm chậm tiến độ thi cơng cơng trình Sự cố xảy tuynel số cơng trình thủy lợi Ngàn Trươi khơng phải chuyện gặp thi công công trình thủy điện, thủy lợi nước thời gian qua Việc “Nghiên cứu biện pháp xử lý chống đỡ thi cơng đường hầm dẫn dịng qua vùng địa chất yếu cơng trình thủy lợi Ngàn Trươi – Cẩm Trang – Hà Tĩnh” vô cấp thiết để tìm biện pháp thi cơng phù hợp nhằm đảm bảo an toàn kỹ thuật thi cơng đường hầm nen cơng trình thủy lợi Ngàn Trươi nói riêng cơng trình khác tương lai Mục đích đề tài Dựa vào cở sở lý thuyết thực tiễn để xác định phạm vi phá hoại công nghệ xử lý thi công đường hầm qua vùng địa chất yếu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Trong luận văn nghiên cứu hạng mục đường hầm tuynel dẫn dịng cơng trình thủy lợi Ngàn Trươi sau tính tốn cho đoạn đường hầm cụ thể Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận đề tài: Thu thập, phân tích tài liệu khảo sát địa hình, địa chất thiết kế đường hầm cơng trình thủy lợi Ngàn Trươi, tài liệu thi cơng cơng trình đường hầm thi công nước giới, đặc biệt đường hầm qua vùng có địa chất xấu phức tạp 4.2 Phương pháp nghiên cứu Kế thừa, thu thập phân tích nghiên cứu thi cơng cơng trình đường hầm nước nước tiên tiến giới 71 Xử lý nước ngầm tốt, thuận lợi cho việc thi công, hiệu cho đất có chứa nước từ 30÷40% Nhược điểm Phương pháp giá thành cao, xét điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam, đồng thời điều kiện kinh tế nên chưa áp dụng thi công đường hầm theo phương pháp Việt Nam Lưu ý Áp dụng đào đoạn đường hầm nằm điều kiện địa chất cơng trình địa chất thủy văn phức tạp 3.2.5 Phương pháp Neo Giới thiệu phương pháp Phương pháp neo có tác dụng chống sụt lở ngồi cịn có tác dụng đưa khối đá bao quanh hầm vào làm việc, biến vách hầm thành kết cấu thống có khả chịu tải lớn Các neo gia cố phía ngồi vùng sụt lở, giữ vách hầm từ phía khối đá, chúng không chiếm không gian hầm Phương pháp neo áp dụng cho đá cứng với f k ≥ 3.2.5.1 Tính tốn chiều dài neo Chiều dài neo tính m cho phần vịm đường hầm đào (TCVN 9154:2012), phải xác định theo công thức: la ≥ hH + l3 (m) (3.7) Trong đó: h H chiều sâu vùng bị phá hủy xác định theo tài liệu nghiên cứu trường, tính tốn sơ cho phép xác định h H theo công thức: h H = k B o (m) (3.8) k hệ số lấy theo Bảng 3.1 B o chiều rộng hầm đào, tính m; l độ sâu chôn néo phạm vi vùng bị phá hủy, tính m - Đối với neo thép: l = 0,5 h H (m) (3.9) 72 - Đối với neo bê tông cốt thép: = l3 Ra d a ≥ 0,5m 400π a (3.10) Trong đó: R a cường độ chịu kéo tính tốn néo, tính kg/cm2 (0,1 mPa); d a đường kính néo, tính cm; τ a lực dính kết tính tốn néo, kg/cm2 (0,1 mPa) với vữa xi măng - cát đổ chèn vào lỗ néo, tính tốn sơ τa lấy theo Bảng 3.1 Bảng 3.1: Hệ số K theo mức độ nứt nẻ đá Hệ số độ cứng f k Hệ số k theo độ nứt nẻ đá Nứt nẻ nhẹ Nứt nẻ trung bình Nứt nẻ nhiều 0,2 0,3 0,4 Từ đến 0,1 0,2 0,3 10 lớn 0,05 0,1 0,15 Bảng 3.2: Lực dính kết cốt thép với vữa Loại cốt thép cán nóng Lực dính kết cốt thép với vữa τ a mác thiết kế chịu nén vữa mPa (kg/cm2) Thép tròn (trơn) Thép gai 20 (200) 30 (300) 1,5 (15) 2,5 (25) 2,5 (25) 3,5 (35) 3.2.5.2 Tính toán khoảng cách neo Khoảng cách a neo tính m theo hướng ngang hướng dọc, phần vòm hầm đào phải lấy theo trị số nhỏ (nhưng không nhỏ m) xác định theo điều kiện: a) Tạo thành vịm đá (TCVN 9154:2012) theo cơng thức: k q a= la − B (la + B0 ) (m) c (3.11) 73 Trong đó: k B hệ số lấy theo Bảng 3.1; q trị số tính tốn áp lực đá thẳng đứng T/m2; c trị số lực kết dính đá vùng bị phá hủy, tính T/m2, lấy theo số liệu nghiên cứu trường Đối với tính tốn sơ cho phép lấy c = f k Bảng 3.3: Hệ số k B theo hình dạng mặt cắt hệ số độ cứng Hệ số k B với hình dạng mặt cắt hầm đào theo Hệ số độ cứng f K Hình I II - IV dạng hình trịn đến 0,20 0,25 lớn 0,25 0,3 b) Khoảng cách neo tính theo độ ổn định đá chúng (TCVN 9154:2012) theo công thức: a= la c q (m) (3.12) c) Khoảng cách neo tính theo độ bền gắn chặt neo (TCVN 9154:2012) theo công thức: a= Na γ d hH (m) (3.13) Trong đó: N a khả chịu lực neo tính tấn, xác định theo số liệu nghiên cứu trường Đối với tính tốn sơ cho phép lấy: - Đối với neo thép đá có f k = đến 10, N a = đến 10 T, trường hợp khác N a = đến T - Đối với neo bê tơng cốt thép Na lấy độ bền chịu đứt néo γ đ khối lượng thể tích đá tính T/m3 d) Chiều dày lớp phủ bê tơng phun tính m phần vòm hầm đào (TCVN 9154:2012) xác định theo công thức 74 d = k a1 q mRq (m) (3.14) Trong đó: k hệ số phụ thuộc vào cách gia cố hầm đào gia cố bê tông phun (hoặc bê tông phun với khung chống kiểu vòm) lấy 0,35; gia cố bê tơng phun kết hợp với neo 0,25 a khoảng cách neo tính m có neo lấy a = a; trường hợp lại a = Bo không nhỏ m (B o chiều rộng hầm đào) R p cường độ tính tốn chịu nén dọc trục bê tơng phun, lấy theo Bảng 3.4 m hệ số điều kiện làm việc: lớp phủ có đặt cốt thép lấy = 1; lớp phủ không đặt cốt thép lấy = 0,75 Bảng 3.4: Cường độ tính tốn tiêu chuẩn bê tơng phun vữa phun Cường độ bê tông phun vữa phun, mPa (kg/cm2) Trạng thái ứng Kết cấu suất Tiêu chuẩn Thí nghiệm Nén dọc Có cốt trục thép (cường Khơng độ lăng có cốt trụ) thép tc R lg tru Tính tốn Mác thiết kế 30 21 40 28 50 35 Thí nghiệm uốn có cốt 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 cốt Nén Mác thiết kế R utc 26 35 41 (260) (350) (410) 21 25 (160) (210) (250) Ru 14 18 22 (140) (180) (220) 75 Cường độ bê tông phun vữa phun, mPa (kg/cm2) Trạng thái Kết cấu ứng suất Tiêu chuẩn Thí nghiệm Tính tốn Mác thiết kế 30 40 50 Mác thiết kế Thí nghiệm 30 40 50 1,2 1,4 1,6 (12) (14) (16) 1,2 1,4 (10) (12) (14) Có cốt Kéo dọc trục thép Khơng tc R keo có cốt 2,5 3,0 3,5 (25) (30) (35) thép R keo * Ưu điểm neo thép: - Đưa khối đá bao quanh hầm vào làm việc, biến vách hầm thành kết cấu thống có khả chịu tải lớn - Không chiếm không gian hầm * Nhược điểm neo thép, neo bê tông cốt thép: - Neo thép: Phương pháp khơng phịng gỉ cho thép neo (nhất vùng có điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam) - Neo bê tông cốt thép làm việc vữa neo đạt độ bền cần thiết (thép neo đóng vào lỗ chêm đầy vữa có tải trọng tính tốn từ 80 đến 120 kN) 3.3 Lựa chọn giải pháp, tính tốn gia cố tạm cho đường hầm Trong luận văn này, tác giả lựa chọn cống lấy nước số (Tuynen 2) lựa chọn mặt cắt hầm để tính tốn Từ tài liệu địa chất Cơng ty tư vấn HEC 12 TN2 qua vùng đá phong hóa hồn tồn có fk = có tiêu RMR = 26 Q = 0.012, tra bảng bảng hướng dẫn đào chống nen cho kích thước hầm