Nghiên cứu phương pháp xác định mối quan hệ khoảng cách giữa hai hàm liền kề đến sự phát triển ứng suất của môi trường đất đá xung quanh công trình ngầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ ðỊA CHẤT NGÔ THẾ LƯƠNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ðỊNH MỐI QUAN HỆ KHOẢNG CÁCH GIỮA HAI HẦM LIỀN KỀ ðẾN SỰ PHÁT TRIỂN ỨNG SUẤT CỦA MƠI TRƯỜNG ðẤT ðÁ XUNG QUANH CƠNG TRÌNH NGẦM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ ðỊA CHẤT NGÔ THẾ LƯƠNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ðỊNH MỐI QUAN HỆ KHOẢNG CÁCH GIỮA HAI HẦM LIỀN KỀ ðẾN SỰ PHÁT TRIỂN ỨNG SUẤT CỦA MƠI TRƯỜNG ðẤT ðÁ XUNG QUANH CƠNG TRÌNH NGẦM Chun ngành: Xây dựng cơng trình ngầm, mỏ cơng trình ñặc biệt Mã số: 60.58.50 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS ðào Văn Canh Hà Nội – 2010 MỞ ðẦU Ngày nay, khái niệm cơng trình ngầm trở lên phổ biến với nhiều người, cơng trình ngầm giao thơng hữu xây dựng năm gần ñây ñã cải thiện ñáng kể tới ñiều kiện thuận lợi giao thơng, cơng trình ngầm ngành khai thác khống sản điển hình loại cơng trình Các cơng trình ngầm ñược tạo với mục ñích sử dụng khác nhằm phục vụ cho công tác như: Công tác khảo sát thăm dị, Khai thác khống sản nơi khống sàng phân bố độ sâu lơn, Cơng trình ngầm giao thơng hay tuyến lượng cơng trình thuỷ điện, cơng trình ngầm thị, cơng trình bảo vệ quốc phịng, an ninh,… Cùng với tiến vượt bực ngành khoa học kỹ thuật thừa hưởng kinh nghiệm ñược ñúc rút việc thiết kế thi công cơng trình ngầm mà ngày cơng tác thiết kế thi cơng thực ngày ñại hoàn thiện ðáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội, nước ta, nhiều năm gần ñây, ñã ñang xây dựng nhiều cơng trình ngầm với quy mơ khác nhau, từ nhỏ ñến lớn, từ mức ñộ ñơn giản ñến phức tạp ñất yếu ñá cứng Thuỷ điện Hồ Bình, thuỷ điện Yaly, thuỷ ñiện Sông Ba Hạ, hầm ñường qua ñèo Hải Vân, hầm ñường qua ñèo Ngang Hiện hai thành phố lớn Hà Nội Hồ Chí Minh ngành Giao thơng Vận tải ñang lên kế hoạch triển khai dự án xây dựng ñoạn hầm chui tuyến tàu ñiện ngầm nhằm mục đích giải vấn lạn ách tắc giao thông nhu cầu phát triển kinh tế thị đại Bên cạnh đó, với kế hoạch khai thác khoáng sản xuống sâu Tập đồn than Khống sản Việt Nam (TKV) nhằm ñạt mục tiêu gia tăng sản lượng khai thác Theo tổng ñồ phát triển ngành khai thác than Việt Nam từ năm 2007 ÷ 2025, tổng sản lượng năm 2007 ñạt 18,4 triệu tấn/năm, ñến năm 2015 ñạt 40,55 triệu tấn/năm ñạt 49,12 triệu tấn/năm Sản lượng khai thác gia tăng đáng kể, trung bình đạt mức tăng trưởng ñạt 6% năm Với tốc ñộ tăng trưởng hàng năm công tác khai thác lộ thiên dần cạn kiệt, để đáp ứng hồn thành kế hoạch đề địi hỏi phải áp dụng diện khai thác mức sâu mở thêm mỏ Phương pháp lộ thiên khơng cịn phù hợp tổng chi phí giá thành than lên cao, ñi theo phá huỷ mơi trường ghê gớm, địi hỏi phải có phương pháp khai thác phù hợp phương pháp khai thác hầm lò., hàng loạt dự án xây dựng tuyến ñường hầm bản, giếng nghiên, giếng ñứng, ñã ñang ñược thực với số vơn lên tới nhiều nghìn tỷ đồng Tuy nhiên, để đáp ứng sơ đồ cơng nghệ với mức chi phí tối thiểu khai đào, vần hành tiết kiệm tài ngun, đơi người ta phải bố trí cơng trình ngầm gần nhau, ñó việc xác ñịnh khoảng cách tối thiểu hai hầm xây dựng ngầm nói chung xây dựng cơng trình ngầm mỏ nói riêng quan trọng đảm bảo độ ổn định thuận lợi khai thác vận hành, ñồng thời giảm thiểu chi phí cơng tác khai đào ðiều đặt cho công tác khảo sát, thiết kế yêu cầu ngặt nghèo Các giải pháp thiết kế, kết tính tốn tối ưu hố nhằm đảm bảo hoạt động ổn đinh cơng trình lâu dài, tốn xác định mối tương quan khoảng cách cơng trình ngầm liền kề với phát triển ứng suất mơi trường đất đá xung quanh cơng trình thường trọng giải Tính cấp thiết đề tài Hiện u cầu ngầm hóa cơng trình xây dựng phục vụ cho cơng phát triển kinh tế ñất nước diễn khẩn trương, với ưu điểm mà cơng trình đem lại ln ưu tiên hàng đầu ứng dụng triển khai Tuy nhiên, với yêu cầu tiến ñộ trung dự án ñặt u cầu địi hỏi người làm cơng tác thiến kết cần có phương pháp tính tốn nhằm nhanh chóng xác định thơng số kỹ thuật ñáp ứng tiêu kinh tế kỹ thuật cơng trình ðề tài nghiên cứu dựa phương pháp xác ñịnh mối quan hệ khoảng cách hai hầm liền kề ñến phát triển ứng suất mơi trường đất đá xung quanh cơng trình ngầm nhằm tìm phương pháp xác định xác, nhanh chóng, phù hợp với trình độ cơng tác khảo sát, thiết kế công nghệ thi công cơng trình ngầm trường hợp cụ thể Việc xây dựng cơng trình ngầm gây thay đổi mơi trường ứng suất ngun sinh thiết lập môi trường ứng suất thứ sinh sau đó, thường làm giảm khả mang tai ñất ñá dẫn ñến ổn ñinh cơng trình Khi tiến hành xây dưng cơng trình ngầm khác gần vấn đề thiết phải nghiên cứu hiểu rõ ảnh hưởng qua lại khồng cách bố trí hai cơng trình ngầm liền kề ñến phân bố ứng suất ñất ñá xung quanh chúng Kết nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng cho phép người thiết kế xác định mối tương quan trị số ứng suất khoảng cách hai cơng trình liền kề từ đề xuất phương án gia cố phù hợp Mục đích nghiên cứu Với ñề tài: Nghiên cứu phương pháp xác ñịnh mối quan hệ khoảng cách hai hầm liền kề ñến phát triển ứng suất mơi trường đất đá xung quanh cơng trình ngầm, tác giả tiến hành nghiên cứu với mục đích xây dựng sở khoa học phương pháp xác ñịnh mối quan hệ khoảng cách hai ñường hầm liền kề với thay ñổi ứng suất từ đề xuất lựa chọn khoảng cách hợp lý hai hầm nhằm nâng cao hiệu công tác thiết kế, thi công công trình ngầm ðối tượng phạm vi nghiên cứu ðối tượng nghiên cứu đề tài cơng trình ngầm có độ dốc nhỏ bố trí gần với tiết diện trung bình, mơi trường đất ñá ñồng ổn ñịnh ðề tài luận văn chủ yếu ñi sâu nghiên cứu ứng dụng ñối với cơng trình ngầm phục vụ giao thơng, thuỷ điện số cơng trình ngầm mỏ có ñặc ñiểm tương tự Nội dung nghiên cứu ðể ñạt ñược mục tiêu nghiên cứu luận văn ñã ñề cập ñến nội dung sau: - Tổng quan phương pháp xác ñịnh khoảng cách hai hầm liền kề ñến phát triển ứng suất ñất ñá; - Quá trình hình thành áp lực lên hai hầm liền kề - Phương pháp xác ñịnh ứng suất khu vực hai ñường hầm liền kề; - Xác ñịnh khoảng cách hợp lý hai đường hầm bố trí song song Phương pháp nghiên cứu ðề tài luận văn ñã sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp phân tích kết nghiên cứu kinh nghiệm Thế giới Việt Nam việc xác ñịnh khoảng cách hai hầm liền kề, sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu liên quan ứng suất khoảng cách hai cơng trình ngầm giúp cho người làm cơng tác thiết kế công ngầm mỏ Ý nghĩa khoa học thực tiễn ñề tài Kết nghiên cứu ñề tài ñược ghi nhận phương pháp xác ñịnh mối quan hệ khoảng cách hai hầm liền kề ñến phát triển ứng suất mơi trường đất đá xung quanh cơng trình ngầm, có tính ứng dụng cao thực tiễn thực dựa đặc thù ngành xây dựng cơng trình ngầm Việt Nam Thông qua phương pháp này, người làm công tác nghiên cứu khoa học thiết kế xác ñịnh, lựa chọn ñược khoảng cách hợp lý hai hầm liền kề Cấu trúc Luận văn Ngoài phần Mở ñầu Kết luận, luận văn gồm chương với 76 trang, 20 hình vẽ, đồ thị 04 bảng biểu Luận văn: “Nghiên cứu phương pháp xác ñịnh mối quan hệ khoảng cách hai hầm liền kề ñến phát triển ứng suất ñất ñá mơi trường xung quanh cơng trình ngầm” hồn thành nhờ nhiệt tình hướng dẫn thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS TS ðào Văn Canh, người thầy ñã tận tâm hướng dẫn tác giả suốt trình thực đề tài, học viên Khóa Chun ngành Xây dựng Cơng trình ngầm, Mỏ Các cơng trình ðặc biệt Các đơn vị tạo điều kiện cho tác giả có điều kiện thu thập số liệu cần thiết cho ñề tài Xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường ðại học Mỏ - ðịa chất, Ban chủ nhiệm khoa Xây dựng, Bộ môn Xây dựng Công trình Ngầm Mỏ, phịng ðại học sau ðại học giúp đỡ để tác giả hồn thành luận văn Luận văn chắn tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp để luận văn hồn thiện Xin trân trọng cảm ơn! CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ðỊNH KHOẢNG CÁCH GIỮA HAI HẦM LIỀN KỀ ðẾN SỰ PHÁT TRIỂN ỨNG SUẤT CỦA ðẤT ðÁ 1.1 Những vấn ñề chung Trong năm gần ñây, với sách Chính phủ phát triển kinh tế xã hội nói chung có chiến lược phát triển lĩnh vực khác nhau, ñẩy nhanh mạnh kinh tế ñất nước phát triển bền vững theo kịp phát triển Thế giới Chú trọng ưu tiên thực sớm hệ thống cơng trình hạ tầng, cơng trình sản xuất lượng nói chung làm tiền đề cho phát triển ngành khác sau này, cơng trình ngầm nói chung triển khai nhiều Với u cầu mục đích sử dụng số yếu tố bắt buộc phải bố trí cơng trình ngầm với khoảng cách gần nhau, vấn đề thường phổ biến ñối với ngành khái thác khống sản theo phương pháp hầm lị, tuyến đường lị chuẩn bị đường lị khai thác thường tạo có khoảng cách khơng lớn, nhằm mục đích khai thác triệt để nguồn tài nguyên Trong xây HÌNH 1.1 ðƯỜNG HẦM THAMES KẾT NỐI ROTHERHITHE VÀ WAPPING ðƯỢC XÂY DỰNG NĂM 1825 dựng cơng trình ngầm giao khái niệm hai đường hầm liền kề xuất tìm hiểu sớm, tạo với ý đồ mang tính chủ quan khách quan nhiên chúng ñều hướng tới mục tiêu tiêu kinh tế, kỹ thuật đơi yếu tố mỹ thuật, kiến trúc Vấn ñề ñặt cho trình khảo sát, thiết kế thi cơng cơng trình ngầm việc cần phải xác ñịnh ñược trị số ứng suất, khoảng cách tối thiểu mối quan hệ hai trị số Trên Thế Giới Việt Nam ñã có đề tài quan tâm, sâu nghiên cứu ñề xuất phương pháp xác ñịnh mối quan hệ khoảng cách hai hầm liền kề ñến phát triển ứng suất mơi trường đất đá xung quanh cơng trình ngầm Các phương pháp thường xuất phát từ lý thuyết cổ ñiển, ñại hình thành áp lực phương pháp xác định chúng, trình hình thành phát triển ứng suất với ổn định kết cấu cơng trình ngầm nằm chúng ðề tài ñược nghiên cứu dựa kết nghiên cứu Thế giới tư liệu chuyên ngành Việt Nam, phương pháp nghiên cứu lý thuyết nhằm tìm hiểu liên quan ứng suất khoảng cách hai hầm liền kề Kết nghiên cứu cho phép người sử dụng ứng dụng việc xác định ñược mối tương quan trị số ứng suất khoảng cách hai cơng trình liền kề so sánh từ đề xuất phương pháp tính, phương án gia cố phù hợp hay cảnh báo hữu ích HÌNH 1.2 HẦM ðƯỜNG BỘ ZETZENBERG (AUSTRIA) Chiều dài 0,6 Km Năm xây dựng: 1974 - 1977 Diện tích hầm: 37,5m HÌNH 1.3 HẦM ðƯỜNG BỘ HẢI VÂN (VIỆT NAM Chiều dài 6,28 Km Diện tích hầm: 89,0m2 Năm xây dựng: 2000 - 2005 59 toàn ta tính áp lực lên trụ bảo vệ khối lượng ñất ñá thể mặt cắt ngang có diện tích hình chữ nhật EFMN, thể hình 4.1 E F b b1 D M N a1 C q  900 +ϕ       900 +ϕ       90 −ϕ     90 −ϕ    h  B a 2a B 2a HÌNH 4.1 SƠ ðỒ TÍNH TỐN TRỤ BẢO VỆ Khối lượng ñất ñá tác dụng lên 1m chiều dài trụ bảo vệ là: Q = b.(B+2a).1 γ (T) (4.8) (T/m2) (4.9)  90 − ϕ   c = h.tg    (m) (4.10) B + a + 2c 2f (m) (4.11) Áp lực phân bố tác dụng lên trụ bảo vệ là: q= b= b.( B + 2a ).γ ( B − 2c) Trong đó: b – Chiều cao vịm sụt nở ñường hầm giả thiết ABCD, m B – Khoảng cách hai ñường hầm, m 60 a – Nửa chiều rộng ñường hầm, m h – Chiều cao ñường hầm, m L – Chiều dài ñường hầm, m γ - Dung trọng trung bình đất đá T/m c – Chiều rộng sụt lở bên hơng đường hầm ϕ - Góc ma sát đất đá, độ ðể trụ bảo vệ ổn ñinh phải thoả mãn ñiều kiện sau: q= b.( B + 2a ) ≤σc ( B − 2c ) (4.12) σ c = σ ci s a (4.13) Trong đó: σ c - ðộ bền nén ñơn trục khối ñá, T/m Từ (4.12) ta có: B≥ σ c f − 6aγ − 2cγ − (6aγ + 2cγ − σ cm f )2 − 4.γ (8a 2γ + 4acγ + σ c fc ) 2γ (4.14) Phương pháp tính trụ bảo vệ ñúng giới hạn B≤ σ c − aγ − 2c có độ sâu từ hầm tới mặt đất H ≤ 150m, γ khơng cịn tạo vịm cân tự nhiên ðể tính tốn khoảng cách hai đường hầm bố trí song song Phương pháp khắc phục ñược nhược ñiểm phương pháp khác ñã nêu mục 1.1 là, phương pháp ñã xét ñến ảnh hưởng nhiều yếu tố như: Kích thước đường hầm, tính chất lý đất ñá, RMR, ñộ bền nén ñơn trục mẫu ñá, góc ma sát Nhược điểm phương pháp chưa 61 xét đến độ sâu đặt đường hầm, hình dạng tiết diện đường hầm, phương pháp thi cơng Phương pháp chưa ñược thực tế kiểm nghiệm mặt lý thuyết có tính khả thi Do cần phải nghiên cứu phát triển thêm 4.4 Trình tự tính tốn để xác định khoảng cách tối thiểu hai hầm liền kề ứng suất lớn ñá bên vách hầm ðể thiết kế trụ bảo vệ với kích thước tối thiểu đảm bạo ổn ñịnh sử dụng người ta thường áp dụng bước sau thiết kế: Bước 1: Xác định kích thước hầm (dựa yêu cầu ñối với hạng mục cơng trình); Bước 2: Xác định độ sâu bố trí cơng trình, đặc tính lý đất đá; Bước 3: Sử dụng công thức (1.17) công thức (1.19) ñể xác ñịnh khoảng cách hai hầm; Bước 4: Xác ñịnh ứng suất cực ñại ñất ñá vách hầm theo công thức σ = ( K − 1)γH 4.5 Ví dụ kiểm tra ổn ñịnh hai ñường hầm tuyến lượng Kiểm tra ổn ñịnh hai ñường hầm song song tuyến năng.lượng Thủy ñiện Huội Quảng - Chiều cao ñường hầm h = 7,5m - Chiều rộng ñường hầm 2a = 7,5m, bán kính vịm R = 3,75m - Hầm gia cố neo bê tông cốt thép: đường kính cốt thép F25 với chiều dài neo L = m, bố trí mạng 1,5x1,5m - Vỏ hầm bê tông cốt thép dày d = 0,6m 62 ðường hầm ñược xây dựng ñá Riolit Trachit đá Bazan pocfirit dạng khối với tính chất lý nêu Bảng 4.1 Bảng 4.2 Bảng 4.1 Ch tiờu c lý ủỏ Loại đá Độ bền nén (Kg/cm2) §é bỊn kÐo (K/cm2) Dung träng (G/cm3) Träng §é ẩm Lực dính Góc ma Độ lợng tự nhiên kết sát rỗng tự (%) (KG/cm2) nhiên riêng (%) (g/cm3) (®é) Riolit Trachit 300,4 25,1 2,6 2,80 24,96 25,0 30 36,10 Bazan Pocfirit 285,3 22,3 2,55 2,730 26,35 22,1 26 40,0 Tuyến ñường hầm lằm chủ yếu ñá Riolit Trachit với độ sâu từ hầm đến mặt đất H≥100m Do đó, phạm vi ví dụ tính tốn thử nghiệm với đoạn đường hầm có đặc thù nêu + Tính theo phương pháp mục 4.2 Thay số vào công thức (4.10) (4.13) ta có: c=4,33m; σ c =132,3T/m2 Từ thay số liệu có vào cơng biểu thức (4.14) ta có: B ≥ 22,66m + Tính theo phương pháp Protodiakơnov Thay số vào cơng thức (1.17)thì khoảng cách hai ñường hầm là: d = 0,65 γbH f = 19,14m + Tính theo phương pháp Tximbarevích PM Thay số vào cơng thức (1.19) ta xác định khoảng cách hai ñường hầm B ≥ 25m 63 + Tính theo phương pháp Xlêxarev Thay số vào cơng thức (1.21) ta xác định khoảng cách hai đường hầm B = 25,6m + Tính theo phương pháp VNIMI (viện ñịa học Nga) Thay số vào cơng thức (1.22) ta xác định khoảng cách hai ñường hầm L ≥ 24,57m Từ ví dụ cho ta thấy phương pháp khác nhau,với giả thiết, xét tới yếu tố khác nhau, song kết thu nhận ñược tương ñối sát Do ñó ñể lựa chọn ñược khoảng cách hợp lý hai ñường hầm ta phải vào ñiều kiện cụ thể phương pháp có xét đến nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc xác ñịnh khoảng cách hai ñường hầm 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Có nhiều phương pháp ñể xác ñịnh mối quan hệ khoảng cách hai hầm liền kề ñến phát triển ứng suất mơi trường đất đá xung quanh cơng trình ngầm, phương pháp tiến hành với cách thức khác song chúng tìm ñược công thức xác ñịnh tương ñối xác khoảng cách hai hầm liền kề hoạt ñộng ổn ñịnh chúng Với dự án xây dựng cơng trình ngầm thi cơng thường gặp phải điều kiện địa chất cơng trình, ñịa chất thủy văn phức tạp bất lợi Do đó, q trình thi cơng ln phải đặc biệt trọng công tác khảo sát quan trắc, cập nhật số liệu để có điều chỉnh thiết kế cho phù hợp kịp thời Với công trình có hai đường hầm bố trí song song khoảng cách hai hầm phụ thuộc vào yếu tố như: sơ ñồ vận hành dây dây chuyền cơng nghệ, áp lực địa tầng, phân bố ứng suất đất đá xung quanh khoảng khơng gian khai ñào Các yếu tố phụ thuộc vào hình dạng, kích thước mặt cắt ngang hầm, điều kiện địa chất, địa hình biện pháp tổ chức thi cơng cơng trình Việc xác định áp lực đất đá tác dụng lên cơng trình ngầm quan trọng, áp lực chủ yếu tác dụng lên vỏ hầm, ñịnh ñến kết cấu chống ñỡ ổn ñịnh cơng trình Do đó, cần phải xác định xác chị số cách phân bố áp lực địa tầng, cơng việc phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố tính chất lý đất đá, nằm vỉa đá, hình dạng tiết diện đường hầm, ñặc ñiểm cấu tạo lớp vỏ hệ thống chống đỡ, phương pháp thi cơng… 65 Xác định trạng thái ứng suất đất đá theo quan điểm mơi trường rời rạc theo lý thuyết ñàn dẻo ñưa giả thiết tiến việc tính tốn khác phức tạp ðưa giả thiết mơi trường đất đá xung quanh cơng trình rời rạc dung sở lý thuyết sức bền vật liệu để tính tốn thường áp dụng nhiều để tính tốn cách tính đơn giản Tuy nhiên, để đảm bảo kết tin cậy hơn, song song với việc xác ñịnh áp lực ñịa tầng lý luận, người ta tiến hành nghiên cứu thực nghiện ño áp lực chống trình thi cơng tiến hành thí nghiệm mơ hình phịng thí nghiệm Các kết tính tốn thực nghiệm bổ sung cho hạn chế phương pháp để có kết tương đối xác Protodiakonop Tsimbarevits đưa quan hệ khoảng cách ứng suất hai hầm liền kề dựa giả thiết ứng suất phân bố khơng có áp lực vịm phát sinh trụ đá Phương pháp phù hợp với trường hợp ñộ sâu đào hầm H