Nghiên cứu sự hình thành vòm áp lực do nổ mìn và biện pháp chỗng đỡ, áp dụng cho hầm dẫn nước thủy điện sông côn 2 tỉnh quảng nam

LỜI CẢM ƠN Trong khuôn khổ hạn chế luận văn, với kết khiêm tốn việc nghiên cứu hình thành vịm áp lực nổ mìn biện pháp chống đỡ, tác giả luận văn hy vọng đóng góp phần nhỏ bé phục vụ thực tế cho lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế xây dựng cơng trình Thủy lợi - Thủy điện phát triển mạnh mẽ nước ta Bằng kinh nghiệm thực tế tham gia thiết kế giám sát trường cơng trình thủy điện Sơng Cơn 2, giúp tác giả có thêm nhiều kiến thức thực tế để viết luận văn Tác giả đặc biệt xin bày tỏ lòng cảm ơn tới Thầy giáo - GS TS Vũ Trọng Hồng tận tình hướng dẫn bảo trình học tập hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo Bộ môn thủy cơng, thi cơng, Khoa Cơng trình - Trường Đại học Thủy lợi, Viện thuỷ điện Năng lượng tái tạo - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam tạo điều kiện giúp đỡ tác giả tài liệu, thơng tin khoa học kỹ thuật đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận văn Cuối tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp động viên tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hồn thành luận văn Do trình độ thời gian có hạn nên luận văn khơng thể tránh khỏi tồn tại, hạn chế, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp trao đổi chân thành Tác giả mong muốn vấn đề tồn tác giả phát triển mức độ nghiên cứu sâu góp phần đưa kiến thức khoa học vào phục vụ sản xuất Tác giả Nguyễn Tiến Dũng BẢN CAM KẾT VỀ ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Kính gửi: Ban Giám hiệu trường Đại học Thuỷ Lợi Khoa Cơng Trình Phịng Đào tạo ĐH&SĐH Bộ mơn Cơng nghệ & Quản lý Xây dựng Tên là: Nguyễn Tiến Dũng Ngày tháng năm sinh: 16/09/1980 Học viên cao học lớp: CH18C11, niên khoá: 2010 - 2013, trường Đại học Thuỷ lợi Tôi viết cam kết xin cam kết đề tài luận văn “Nghiên cứu hình thành vịm áp lực nổ mìn biện pháp chống đỡ, áp dụng cho hầm dẫn nước thủy điện Sông Côn – tỉnh Quảng Nam” công trình nghiên cứu cá nhân Tơi nghiêm túc đầu tư thời gian công sức hướng dẫn GS.TS.Vũ Trọng Hồng để hoàn thành đề tài theo quy định nhà trường Nếu điều cam kết Tơi có điểm khơng đúng, Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm cam kết chịu hình thức kỷ luật nhà trường Hà nội, ngày … tháng … năm 2013 Cá nhân cam kết Nguyễn Tiến Dũng MỤC LỤC CHƯƠNG ĐẶC ĐIỂM THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỔ MÌN .3 T T T T 1.1 Tổng quan phương pháp thi công đường hầm 1.2 Đặc điểm đào đường hầm phương pháp nổ mìn 11 T T T T T T T T Phương pháp đào toàn mặt cắt .11 Phương pháp mở phần mặt cắt hạ bậc 11 Phương pháp đào phân đoạn – NATM .12 Trình tự đào 13 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 T T T T T T T T T T T T T T T T 1.3 Ảnh hưởng nổ mìn đến chất lượng khối đá xung quanh 14 T T T T Lý luận nổ phá .14 Tác dụng mặt thống nổ phá – hình thành phễu nổ .15 1.3.1 1.3.2 T T T T T T T T 1.4 Kết luận 18 T T T T CHƯƠNG 19 SỰ HÌNH THÀNH VỊM ĐÁ NỨT NẺ DO NỔ MÌN GÂY RA .19 T T T T 2.1 Nguyên lý nổ mìn 19 T T T T Lý thuyết sóng nổ 19 Sóng nổ xung kích theo quan điểm thủy khí động học .19 Sự hình thành sóng nổ địa chấn theo quan điểm lý thuyết đàn hồi .22 2.1.1 2.1.2 2.1.3 T T T T T T T T T T T T 2.2 Sóng xung kích sóng phản xạ nổ mìn gây 23 2.3 Tác dụng phá hoại sóng xung kích đến mơi trường đá xung quanh 24 T T T T T T T T Phân loại sóng: 25 Phá vỡ đất đá 30 2.3.1 2.3.2 T T T T T T T T 2.4 Kết luận 38 T T T T CHƯƠNG 39 XÁC ĐỊNH VÒM ÁP LỰC DO NỔ MÌN LÊN KẾT CẤU CHỐNG ĐỠ VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 39 T T T T 3.1 Sự hình thành vịm áp lực q trình đào đường hầm 39 3.2 Các biện pháp gia cố trình đào 40 T T T T T T T T 3.2.1 3.2.2 T T T Treo (neo, phun bê tông) .43 Khung chống (bằng gỗ bê tông cốt thép) 43 T T 3.3 Đặc điểm gia cố kết cấu khung 43 T T T T 3.3.1 3.3.2 Kết cấu kiểu khung gỗ hình đa giác .43 Kết cấu khung kiểu vòm thép 44 T T T T T T T T 3.4 Xác định áp lực đất đá tác dụng lên khung chống đỡ 45 T T T 3.4.1 T T T Khi chưa xét đến tác dụng nổ mìn 45 T T Khi xét đến tác dụng nổ mìn 48 Sơ đồ tính tốn .51 3.4.2 3.4.3 T T T T T T T T 3.5 Sử dụng phần mềm để giải toán 52 T T T T Khái niệm .52 Các mơ hình tính 53 Các dạng phần tử .53 3.5.1 3.5.2 3.5.3 T T T T T T T T T T T T 3.6 Kết luận 59 T T T T CHƯƠNG 60 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN VÀ BIỆN PHÁP CHỐNG ĐỠ CHO ĐƯỜNG HẦM THỦY ĐIỆN SÔNG CÔN 60 T T T T 4.1 Giới thiệu cơng trình 60 T T T T 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 Vị trí cơng trình 60 Nhiệm vụ cơng trình 60 Thơng số cơng trình 61 Bố trí tuyến lượng cơng trình thuỷ điện Sơng Cơn 64 T T T T T T T T T T T T T T T T 4.2 Kết tính tốn 65 T T T T 4.2.1 4.2.2 Các tài liệu đầu vào 65 Tính tốn 67 T T T T T T T T 4.3 Tính tốn kết cấu chống đỡ phần mềm SAP2000 74 4.4 Kết luận 84 4.5 Một số nhận xét thực tế công trường Thủy điện Sông Côn 2, tỉnh Quảng Nam 84 T T T T T T T T T T T T 4.5.1 Chọn tuyến hầm: 84 4.5.2 Thiết kế thủy công hầm .84 4.5.3 Tổ chức thi công hầm 85 4.5.4 Mơ tả cố sụt ngách hầm số 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Hệ số K N , K P công thức (2-8), (2-9) 29 Bảng 3-1 – Trị số Ka 47 Bảng 3-2 Trị số ε 49 Bảng 3-4 Trị số Kđ .50 Bảng 3-5 Hệ số lệch tải .51 Bảng 4.1: Thơng số kỹ thuật cơng trình 61 Bảng 4.2: Các tiêu lý lớp đất đá 67 Bảng 4.3 Chỉ tiêu lý mặt cắt đại diện tính toán 68 Bảng 4.4 Kết tính áp lực phân bố tác dụng lên 1m hầm 75 Bảng 4.5 Bảng tính tốn thép khung chống: 83 T T T R R R R T T T T T T T T T T T T T T T T T DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đường hầm thuỷ điện Bn Kuốp – tỉnh Đăk Lắc .7 Hình 1.2: Đường hầm thuỷ điện Đại Ninh – tỉnh Lâm Đồng .8 Hình 1.3: Đường hầm giao thông qua đèo Hải Vân – tỉnh Thừa Thiên Huế Hình 1.4: Đường hầm thuỷ điện A Vương – tỉnh Quảng Nam Hình 1.5: Đường hầm thuỷ điện Bản Vẽ – tỉnh Nghệ An Hình 1.6: Đường hầm thuỷ điện A Lưới – tỉnh Thừa Thiên Huế 10 Hình 1.7: Đường hầm thuỷ điện Hủa Na – tỉnh Nghệ An 10 Hinh 1.8 Đào đường hầm toàn mặt cắt 11 Hinh 1.9 Đào mở phần mặt cắt hạ bậc 12 Hình 1.10: Sơ đồ tác dụng nổ phá 14 Hình 1.11 Sơ đồ vùng phá hoại đất đá nổ có mặt thống 16 Hình 1.12 Sơ đồ phễu nổ .17 Hình 2.1: Sơ đồ nổ không mặt gián đoạn 20 Hình 2.2: Sự thay đổi áp lực phía sau đầu sóng xung kích 21 Hình 2.3 Áp lực sóng nổ theo thời gian 22 Hình 2.4a: Sự yếu dần sóng lan truyền xa 23 Hình 2.4b: Sự yếu dần sóng lan truyền xa 23 Hình 2.5 Minh họa sóng cầu sóng phẳng .26 Hình 2.6 Đồ thị biên độ sóng nổ theo thời gian 28 Hình 2.7 Các vùng ảnh hưởng nổ mìn 29 Hình 2.8 Sơ đồ phá vỡ đất đá đồng chất xung quanh lượng thuốc nổ 30 Hình 2.9 Sơ đồ tạo thành sóng phản xạ mặt thoáng 33 Hình 2.10: Sơ đồ xác định thơng số sóng ứng suất 34 đất đá nổ lượng thuốc 34 Hình 2.11: Sơ đồ trị số ứng suất nổ lượng thuốc đất đá nứt nẻ 35 Hình 2.12 Sơ đồ phản xạ sóng chấn động từ mặt thống 36 Hình 3.1: Thanh neo phổ thơng dính kết vữa xi măng cát 41 T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T Hình 3.2 Hình ảnh sau phun bê tông hầm dẫn nước Sông Côn 43 Hình 3.3: Dây chuyền cơng nghệ phun khô, phun ẩm 43 Hình 3.4: Kết cấu kiểu khung gỗ hình đa giác 44 Hình 3.5: Kết cấu khung kiểu vòm thép 45 Hình 3.6 Khung chống kiểu vòm thép hầm dẫn thủy điện Nậm Mu .45 Hình 3.7: Sơ đồ tính tốn áp lực đất đá hình thành vịm cân 46 Hình 3.8: Sơ đồ tính tốn áp lực đất đá riêng nổ mìn .48 Hình 3.9a: Sơ đồ tính tốn áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu chống đỡ sau nổ mìn 51 - Nếu coi gần lực tác dụng lên kết cấu chống đỡ áp lực ta có sơ đồ: 52 Hình 3.9b: Sơ đồ lực phân bố tác dụng lên kết cấu chống đỡ sau nổ mìn 52 Hình 3.10a: Phần tử nút Hình 3.10b: Phần tử nút 54 Hình 3.11a: Phần tử dầm nút Hình 3.11b: Phần tử dầm nút 54 Hình 3.12 - Sơ đồ chịu lực tổng quát phần tử 56 Hình 3.13 - Sơ đồ giải tốn theo phương pháp PTHH 58 Hình 4.1- Sơ đồ áp lực lên kết cấu chống đỡ .68 Hình 4.3- Sơ đồ áp lực lên kết cấu chống đỡ 71 Hình 4.4- Sơ đồ áp lực lên kết cấu chống đỡ .72 Hình 4.5- Sơ đồ áp lực lên kết cấu chống đỡ 73 Hình 4.6 – Mơ tổ hợp tải trọng lên khung chống Mặt cắt 1: 75 Mặt cắt 1: 76 Hình 4.7 Chuyển vị khung chống 76 Hình 4.8 Mô men M33 .77 Hình 4.9 Lực dọc N 78 HÌnh 4.10 Chuyển vị khung chống 79 Hình 4.11 Mơ men M33 80 Hình 4.12 Lực dọc N 81 Hình 4.13 Tác giả (bên trái) đồng nghiệp tham gia giám sát 86 thi công đường hầm dẫn nước Sông Côn 86 Hình 4.14 Hàn khung thép cơng trường 87 Hình 4.15 Đào gia cố tạm thép I16 87 Hình 4.16 Một đoạn hầm sau gia cố tạm 88 T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Đề tài: Do có tính ưu việt tiết kiệm diện tích chiếm đất, tác động đến mơi trường, rút ngắn chiều dài tuyến cơng trình so với việc đào kênh dẫn, làm đường ống hay làm đường nên nước ta nay, việc nghiên cứu đường hầm quan tâm Với đặc điểm địa chất thường khơng đồng nên để đảm bảo an tồn thi công qua vùng địa chất khác quan trọng Trong luận văn này, học viên ứng dụng phần mềm, mơ hình thành vịm áp lực nổ mìn, từ đưa biện pháp chống đỡ cho phù hợp để an toàn giảm chi phí cho cơng tác thi cơng Đề tài có ý nghĩa khoa học thực tiễn, phù hợp để áp dụng vào cơng trình thực tế Thuỷ điện Sông Côn – Tỉnh Quảng Nam, cơng trình tương tự khác Mục đích Đề tài: - Nghiên cứu hình thành vịm áp lực nổ mìn - Mơ hình hóa giải tốn mơ hình phần mềm - Các tính toán cụ thể hoá đường hầm dẫn nước cơng trình thuỷ điện Sơng Cơn 2, tỉnh Quảng Nam Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu: Tổng hợp tài liệu nghiên cứu có ngồi nước vấn đề thi cơng đường hầm Nghiên cứu phương pháp phần tử hữu hạn để mô tả vịm áp lực nổ mìn Sử dụng phần mềm SAP 2000 để tính tốn Kết dự kiến đạt được: Xác định giới hạn hình thành vịm áp lực nổ mìn, từ đưa kết cấu chống đỡ Nội dung luận văn: CHƯƠNG Đặc điểm thi công đường hầm phương pháp nổ mìn 1.1 Tổng quan phương pháp thi công đường hầm 1.2 Đặc điểm đào đường hầm phương pháp nổ mìn 1.3 Ảnh hưởng nổ mìn đến chất lượng khối đá xung quanh 1.4 Kết luận CHƯƠNG Sự hình thành vịm đá nứt nẻ nổ mìn gây 2.1 Nguyên lý nổ mìn 2.2 Sóng xung kích sóng phản xạ nổ mìn gây 2.3 Tác dụng phá hoại sóng xung kích đến mơi trường đá xung quanh 2.4 Kết luận CHƯƠNG Xác định vòm áp lực nổ mìn lên kết cấu chống đỡ phương pháp tính tốn 3.1 Sự hình thành vịm áp lực trình đào đường hầm 3.2 Các biện pháp gia cố trình đào 3.3 Đặc điểm gia cố kết cấu khung 3.4 Xác định áp lực đất đá tác dụng lên khung chống đỡ 3.5 Sử dụng phần mềm để giải toán 3.6 Kết luận CHƯƠNG Áp dụng phương pháp tính tốn biện pháp chống đỡ cho đường hầm Thủy điện Sông Côn 4.1 Giới thiệu cơng trình 4.2 Kết tính tốn 4.3 Tính tốn kết cấu chống đỡ phần mềm 4.4 Kết luận CHƯƠNG ĐẶC ĐIỂM THI CƠNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỔ MÌN 1.1 Tổng quan phương pháp thi công đường hầm Đường hầm loại cơng trình ngầm (những loại khác thuộc cơng trình ngầm nhà máy ngầm, thành phố ngầm, bãi chứa xe, thư viện, hầm trú ẩn, kho nước, kho xử lý chất phóng xạ ) Bản thân đường hầm không gian dài, nằm ngang gần ngằm ngang, tiếp xúc với mặt đất hai đầu hầm Quá trình đào hầm phải mở thêm cửa hầm phụ để đào thêm gương hầm, giếng đứng tiếp xúc với mặt đất đỉnh để vận chuyển người vào lò, giếng nghiêng tiếp xúc với mặt đất đầu nhằm vận chuyển số kết cấu, vật liệu phục vụ chống đỡ, lị mù, khơng tiếp xúc với mặt đất với mục đích thăm dị khối đá hầm Ngồi có trường hợp phải đào thêm khoang, buồng, hầm phụ để tháo lắp phận máy đào hầm TBM, chỗ chuyển tuyến cho xe vận chuyển đường ray v.v Với đặc thù trên, phương pháp thi cơng đường hầm có u cầu cá biệt so với thi công mặt đất: - Cơng nghệ thi cơng hầm: +Kiểm tra địa hình: Kiểm tra phù hợp tuyến đường hầm với tọa độ mặt đất phải sử dụng máy đo kinh vĩ, định vị vệ tinh Global Positional System (GPS), thiết bị đo cao độ, vẽ máy tính, hệ thống thông tin địa lý Geographic Information System (GIS), thiết bị kiểm tra dạng Robot Hình dạng mặt cắt hầm tuyến hầm phải kiểm tra để đảm bảo trùng với tuyến đường, hình dạng vỏ hầm phải đảm bảo độ dày Cơng tác trắc địa q trình đào theo phương pháp đào khác có quy trình thiết bị khác đào từ cửa vào, đào hầm từ giếng lò bao gồm chuyển tuyến cao độ từ mặt đất xuống hầm +Phương pháp thi công: Những công đoạn khoan, nổ, thơng gió, xúc, chuyển, chống đỡ tạm, thi cơng vỏ hầm v.vv phải tiến hành theo phương pháp tuần tự, hậu thời gian thi cơng dài Thí dụ thủy điện Hịa Bình, cơng trình ngầm dài 14.200m, khối lượng đào đất đá ngầm 1.177.000m3, thi công 10 năm (1981-1994) P P Đòi hỏi thiết bị chuyên dùng riêng: máy khoan có nhiều mũi, thay đổi cần khoan theo chiều cao, dài, góc, loại máy đào tùy theo yêu cầu máy đào dạng khiên qua lớp trầm tích đáy sơng, máy đào tự cắt xúc (TBM), máy đào giếng đứng kiểu Robin - Tổ chức thi công hầm: Việc liên hệ đường hầm với đơn vị mặt đất qua cửa hầm, khó cho việc tăng thêm thiết bị, tăng thêm người, tăng thêm vật tư khơng gian chật hẹp Muốn tăng tiến độ thi cơng có cách mở thêm cửa hầm phụ Ví dụ thủy điện Hịa Bình có đoạn hầm phải mở tới cửa phụ Hạn chế hoạt động hầm yêu cầu hạn chế khí độc thải (số lượng xe máy, số công nhân ca), tránh ảnh hưởng đến kết cấu cơng trình thi công phần trước kề bên (khống chế lượng thuốc nổ mìn quy mơ vụ nổ) - Ảnh hưởng điều kiện địa chất, địa chất thủy văn +Những thách thức địa chất thi công: Trong thi cơng hở, hố khoan thăm dị tiến hành trực tiếp móng cơng trình, cịn thi công ngầm hố khoan không trực tiếp vào gương đào mà nằm hầm Mọi tiêu tính tốn suy từ nõn khoan trên, nên dễ dẫn đến sai lầm +Kiểm tra địa chất, địa chất thủy văn: Yêu cầu kiểm tra phải tiến hành trước đào, đào, sau xây dựng vỏ hầm ... văn ? ?Nghiên cứu hình thành vịm áp lực nổ mìn biện pháp chống đỡ, áp dụng cho hầm dẫn nước thủy điện Sông Cơn – tỉnh Quảng Nam? ?? cơng trình nghiên cứu cá nhân Tơi nghiêm túc đầu tư thời gian công... trung nghiên cứu, tính tốn hình thành vịm áp lực nổ mìn biện pháp chống đỡ Bằng nghiên cứu lý thuyết áp dụng tính tốn cho hầm dẫn nước thủy điện Sơng Cơn 2, rút kết luận sau: - Kết tính tốn áp dụng. .. điện Sơng Cơn 2, tỉnh Quảng Nam Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu: Tổng hợp tài liệu nghiên cứu có ngồi nước vấn đề thi công đường hầm Nghiên cứu phương pháp phần tử hữu hạn để mơ tả vịm áp