Nghiên cứu các vấn đề địa chất công trình tuyến đường hầm dẫn nước công trình thủy điện xeekaman 3 và lựa chọn các giải pháp xử lý thích hợp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THANH NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH TUYẾN ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC – CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN XÊKAMAN – CỘNG HÒA DÂN CHỦ NHÂN DÂN LÀO VÀ LỰA CHỌN CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ THÍCH HỢP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014 MỤC LỤC Lời cam đoan Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH ĐƯỜNG HẦM 1.1.Tổng quan công trình ngầm (đường hầm thủy cơng) 1.1.1 Khái niệm chung 1.1.2 Một số cơng trình ngầm tiêu biểu Việt Nam 1.1.3 Đường hầm thủy điện Xêkaman 1.2 Phương pháp luận nghiên cứu địa chất cơng trình đường hầm 10 1.2.1 Nghiên cứu cấu trúc địa chất đá 11 1.2.2 Nghiên cứu Địa chất cơng trình 12 1.2.3.Về phương pháp tính tốn ổn định đường hầm 15 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH TUYẾN ĐƯỜNG HẦM 31 2.1 Đặc điểm tự nhiên khu vực cơng trình thủy điện Xêkaman3 31 2.1.1 Đặc điểm địa lý 31 2.1.2 Đặc điểm địa hình - địa mạo 33 2.1.3 Địa tầng magma xâm nhập 34 2.1.4 Kiến tạo 39 2.2 Đặc điểm địa chất cơng trình tuyến đường hầm 44 2.2.1 Điều kiện Địa chất cơng trình Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: DỰ BÁO CÁC VẤN ĐỀ ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH PHÁT SINH TRÊN TUYẾN HẦM 60 3.1 Các cố xảy thi cơng cơng trình ngầm vùng đất đá yếu 60 3.2 Các lý thuyết dự báo tai biến địa chất thi cơng cơng trình ngầm 62 3.3 Dự báo tai biến xảy tuyến đường hầm dẫn nước thủy điện Xekaman-3 77 3.4 Mơ tượng tai biến xảy đường hầm dẫn nước thủy điện Xekaman-3 phần mềm Phase 82 CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN GIẢI PHÁP XỬ LÝ TAI BIẾN ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH CHO ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC THỦY ĐIỆN XEKAMAN 87 4.1 Các biện pháp gia cố đất đá có điều kiện địa chất yếu 87 4.1.1 Phương pháp tạo vịm tiến trước 87 4.1.2 Phương pháp khoan Error! Bookmark not defined 4.1.3 Phương pháp đóng băng nhân tạo.Error! Bookmark not defined 4.1.4 Phương pháp thoát nước hạ mực nước ngầmError! Bookmark not defined 4.2 Các loại kết cấu chống giữ ổn định cho cơng trình ngầm 100 4.3 Các phương pháp lựa chọn KCC thích hợp cho cơng trình ngầm 101 4.3.1 Lựa chọn KCC thích hợp theo RQD 101 4.3.2 Lựa chọn KCC thích hợp theo Bienwski 104 4.3.2 Lựa chọn KCC thích hợp theo Cummings 105 4.4 Đề xuất biện pháp gia cố loại kết cấu chống tạm phù hợp với điều kiện địa chất đường hầm dẫn nước thủy điện Xekaman 106 4.5 Mô kiểm tra ổn định sau sử dụng kết cấu chống tạm thời thích hợp đường hầm dẫn nước thủy điện Xekaman phần mềm Phase2 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1 Bảng phân loại đứt gãy khe nứt kiến tạo theo TCVN - 4253 - 86 41 Bảng 2.2 Giá trị tính tốn tiêu lý khối đá để thi công tuynen 58 Bảng 2.3 Giá trị tính tốn tiêu lý đất đá vùng tháp điều áp, đường ống áp lực hở nhà máy 51 Bảng 2.4 Bảng giá trị tính toán tiêu lý đất đá tuyến lượng nhà máy 58 Bảng 3.1: Phân loại khối đá theo Deere (bổ sung kết Hobbs Ondera) 63 Bảng 3.2: Các tham số phân loại khối đá theo Bieniawski 65 Bảng 3.3: Ảnh hưởng vị trí khe nứt (đường phương, góc dốc) thi cơng hầm 66 Bảng 3.4: Chỉ số Jn ý đến số lượng hệ khe nứt khối đá 67 Bảng 3.5: Chỉ số Jr xét tới độ ảnh hưởng độ nhám bề mặt khe nứt 68 Bảng 3.6: Chỉ số Ja xét tới mức độ phong hóa bề mặt khe nứt 68 Bảng 3.7: Chỉ số Jw xét tới ảnh hưởng nước ngầm 69 Bảng 3.8: Chỉ số SRF tính đến suy giảm ứng suất 70 Bảng 3.9: Phân loại chất lượng khối đá theo số chất lượng Q 71 Bảng 3.10: Bảng tra số ESR theo dạng cơng trình 72 Bảng 3.11: Mối quan hệ hai hệ số Q RMR 72 Bảng 3.12: Giá trị Q RMR với tính chất khối đá 73 Bảng 3.13 Phân loại khối đá theo số độ bền GSIError! Bookmark not defined Bảng 3.14 Giá trị Q RMR với tính chất khối đáError! Bookmark not defined Bảng 3.15 Bảng tổng hợp số chất lượng khối đá theo đoạn 77 Bảng 4.1 Phạm vi áp dụng giải pháp đặc biệt tùy theo yêu cầu bảo vệ riêng 99 Bảng 4.2: Kiến nghị gia cố hầm theo số chất lượng Q (N.Barton)103 Bảng 4.4: Đánh giá ổn định tuyến hầm kiến nghị gia cố 107 Bảng 4.5 Đánh giá ổn định tuyến hầm theo thiết kế theo đề xuất tác giả 110 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Bố trí kết hợp đường hầm dẫn dịng thi công tháo nước lâu dài Hình 1.2 Mặt cắt ngang đường hầm dẫn nước, thủy điện Xêkaman thi công đào Hình 1.3 Mặt cắt ngang đường hầm dẫn nước, thủy điện Xêkaman đưa vào sử dụng Hình 1.4 Các phương pháp số thơng dụng 15 Hình 1.5 Phương pháp lý thuyết mơ hình khối đá 16 Hình 1.6 Sơ đồ lắp ráp thiết bị biến dạng tạo áp lực nén 23 Phương pháp xác định cường độ kháng cắt 278 Hình 1.7 Sơ đồ thí nghiệm cắt trụ đá 28 Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ biến dạng cắt lực cắt theo mặt tiếp xúc đá-đá 29 Hình 1.9 Biểu đồ quan hệ sức kháng cắt ứng suất pháp 30 Hình 2.1: Vị trí cơng trình thủy điện Xêkaman - Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào 31 Hình 2.2: Sơ đồ vị trí cơng trình 44 Hình 2.3: Mặt cắt ĐCCT giai đoạn thiết kế thi công 53 Hình 2.4: Mặt cắt ĐCCT sau khảo sát bổ sung lần 44 Hình 2.5: Đồ thị khe nứt Gương 57 Hình 2.6: Đồ thị khe nứt Gương 58 Hình 3.1 Hiện tượng tróc lở đất đá hầm 60 Hình 3.2 Hiện tượng ổn định gương đào 60 Hình 3.3 Hiện tượng sạt lở làm lấp hầm 61 Hình 3.4 Hiện tượng sụt lún mặt đất CTN 61 Hình 3.5 Hiện tượng phá hủy biên cơng trình đất đá mềm yếu 61 Hình 3.6 Hiện tượng phá hủy đào phần vịm hầm 61 Hình 3.7 Hiện tượng ổn định hầm nén ép đất đá chân nền62 Hình 3.8 Mơ tả phần mềm Rocklap 82 Hình 3.9 Chia nút đào mơ hình Phase 83 Hình 3.10 Độ biến dạng ứng suất xuất xung quanh CTN 83 Hình 3.11 Trường ứng suất xung quanh CTN 84 Hình 3.12 Mơ tả phần mềm Rocklap 84 Hình 3.13 Chia nút đào mơ hình Phase 84 Hình 3.14 Độ biến dạng ứng suất xuất biên CTN 85 Hình 3.15 Trường ứng suất xung quanh CTN 86 Hình 4.1 Thi cơng (vịm) bảo vệ ống thép 86 Hình 4.2 Mơ hình cơng trình sử dụng phương pháp ống bảo vệ 86 Hình 4.3 Thi cơng (vịm) bảo vệ ống thép 86 Hình 4.4 Một vài loại ván thép, chèn 90 Hình 4.5-a Gia cơng lưới thép 90 Hình 4.5-b Công tác thi công trải lưới thép 1011 Hình 4.6 Mơ hình khoan 1021 Hình 4.7 : Khoan áp lực thấp 1042 Hình 4.8: Khoan áp lực cao 93 Hình 4.9 Phương pháp đón đỡ Bỉ 94 Hình 4.10 Sơ đồ thi cơng khoan tạo vịm bảo vệ 94 Hình 4.11 Sơ đồ khoan 94 Hình 4.12 Khoan phủ đơn, phủ kép 95 Hình 4.13 Sơ đồ bố trí lỗ khoan dạng quạt 95 Hình 4.14 Các dạng khối đá khoan 96 Hình 4.15 Lựa chọn KCC thích hợp cho đường hầm -Merrit 101 Hình 4.16 Lựa chọn KCC cho đường hầm theo Barton (theo số chất lượng Q) 102 Hình 4.17 : Quan hệ chiều rộng không chống, thời gian ổn định cho công trình ngầm tiêu chất lượng khối đá RMR (Bieaniawski 1973)104 Hình 4.18: Sơ đồ lựa chọn loại hình chống giữ hợp lý cho cơng trình ngầm theo Cummings 1982 106 Hình 4.19: Sơ đồ chia nút bố trí KCC tạm 108 Hình 4.20 Biến dạng xung quanh CTN ứng suất biên 109 Hình 4.21: Các hệ số an tồn điểm xung quanh đường hầm độ biên dạng lớn biên hầm có KCC tạm gia cố 109 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả Nguyễn Thị Phương Thanh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Giải thích ĐCCT Địa chất cơng trình ĐC Địa chất ĐCTV Địa chất thủy văn ĐVL Địa vật lý L Chiều dài m D Đường kính m/s M Mơđun nứt nẻ Kkn Thể tích trống khe nứt/đơn vị thể tích khối fk Hệ số kiên cố đá CTN Cơng trình ngầm KCC Kết cấu chống Đơn vị % 104 Mối quan hệ toán học Nguồn nghiên cứu, người đề suất, Điều kiện sử thực nghiệm năm đề suất dụng Chacon E., Gutierrez V Hialgo đá mềm E.; 1983 RMR=12,11.logQ+50,81 Canada, Udd J.E Wang H., 1985 RMR=8,7.lnQ+38 RMR=10.lnQ+39 Đường hầm mỏ, đá cứng Canada, Kaiser P.K., MacKay C Đường hầm xây Gale A.D, 1986 dựng, đá trầm tích Canada, Choquet P., Charette F Đường hầm mỏ, Gale A.D, 1988 đá cứng 4.3.2 Lựa chọn KCC thích hợp theo Bienwski Hình 4.7 : Quan hệ chiều rộng khơng chống, thời gian ổn định cho cơng trình ngầm tiêu chất lượng khối đá RMR (Bieaniawski 1973) Dựa số RMR Bienwski đề xuất, ta lựa chọn đưa loại KCC phù hợp để giữ ổn định cho CTN Hệ thống phân loại 105 khối đá RMR đưa Bieniawski áp dụng rộng rãi giới Một tác dụng quan trọng phương pháp khuyến khích phát triển hệ thống đánh giá đất đá mang tính đặc trưng (đi vào lĩnh vực đặc thù hơn), đặc biệt ứng dụng thuộc ngành cơng trình ngầm mỏ Hệ thống phân loại RMR bao gồm thông số: RMR = I1 + I2 + I3 + I4 + I5 + I6 Trong đó: I1 - tham số kể đến độ bền nén đơn trục đá; I2 - tham số thể lượng thu hồi lõi khoan RQD (theo Deere1963); I3 - tham số kể đến ảnh hưởng khoảng cách khe nứt; I4 - tham số kể đến ảnh hưởng trạng thái khe nứt; I5 - tham số kể đến ảnh hưởng nước ngầm; I6 - tham số kể đến ảnh hưởng góc cắm phương khe nứt 4.3.3 Lựa chọn KCC thích hợp theo Cummings Từ số chất lượng khối đá RMR, Cummings (1982) nghiên cứu đề xuất số bảng phân loại mức độ ổn định cho khối đá nhằm mục đính lựa chọn phương pháp- đặc tính cơng nghệ thi công, công nghệ chống giữ … kết cấu chống giữ hợp lý cho dạng cơng trình ngầm lĩnh vực xây dựng- công nghiệp khác Ngoài Cummings chia thành vùng đặc trưng cho trạng thái ổn định cơng trình ngầm khơng chống (hình 4.8) - Vùng 1: Đặc trưng cho đặc tính khơng ổn định, sụt lở mạnh khối đá - Vùng 2: Vùng giới hạn đặc tính sụt lở cục khối đá - Vùng 3: Vùng an toàn cao cho kết cấu chống giữ- Mức độ ổn định cao cho khối đá 106 Neo đơn Neo thưa Neo trung bình, lưới thép Vùng không ổn định Neo dày, lưới thép Neo dày trung bình với bê tông phun Vùng Neo dày, bê tông phun với lưới thép trường hợp khung thép gỗ Khung thép loại nhẹ khung chống gỗ trung bình, vỏ kín Vùng sơt lë cơc bé Vïng Khung thÐp lo¹i trung bình khung chống gỗ vững chắc, vỏ kín Khung thép loại nặng, bê tông phun cắm cọc theo yêu cầu Vùng ổn định Vùng Hỡnh 4.8: S đồ lựa chọn loại hình chống giữ hợp lýcho cơng trình ngầm theo Cummings 1982 Bằng kết tính tốn, có đưa loại KCC thích hợp cho cơng trình ngầm tương ứng với giá trị RMR tính 4.4 Đề xuất biện pháp gia cố loại kết cấu chống tạm phù hợp với điều kiện địa chất đường hầm dẫn nước thủy điện Xekaman Từ điều kiện địa chất phân loại chương 4, dựa vào dẫn lựa chọn sử dụng phương pháp gia cố loại kết cấu chống trên, tác giả kiến nghị biện pháp gia cố loại KCC tạm thời sử dụng vùng địa chất mà thủy điện Xekaman qua sau: Vùng 1: Đây vùng có cường độ kháng nén dao động từ 60 đến 90 Mpa, số Hoek-Brown mi từ 15 đến 20, số bền địa chất GSI từ 50 đến 65 Có thể nhận thấy, vùng đất đá tương đối ổn định, chủ yếu đá gabbro-diabaz đá cát kết Các tượng tai biến địa chất khu vực khó có khả xảy Trong vùng này, từ sơ đồ lựa chọn KCC thích hợp Bienwski Barton Tính RMR =50 -70, thời gian tồn 107 ổn định không chống sau đào 1000h Kiến nghị sử dụng kết cấu chống tạm thời bê tông phun kết hợp neo bê tơng cốt thép, chỗ có phong hóa mạnh bổ sung chống thép linh hoạt kích thước SPV27 Kết cấu chống cố định bê tông cốt thép mác 300 Vùng 2: Đây vùng có cường độ kháng nén dao động từ 10 đến 30 Mpa, số Hoek-Brown mi từ 10 đến 15, số bền địa chất GSI từ 20 đến 40 Có thể nhận thấy, vùng đất đá có điều kiện địa chất phức tạp, chủ yếu đá bột kết bị phong hóa mạnh Giá trị tính RMR