Điều chỉnh hợp lý kết cấu chống tạm neo và bê tông phun trong thi công công trình ngầm trên cơ sở kết quả đo dịch chuyển và biến dạng của khối đá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT HOÀNG NGỌC TÚ ĐIỀU CHỈNH HỢP LÝ KẾT CẤU CHỐNG TẠM NEO VÀ BÊ TÔNG PHUN TRONG THI CƠNG CƠNG TRÌNH NGẦM TRÊN CƠ SỞ CÁC KẾT QUẢ ĐO DỊCH CHUYỂN VÀ BIẾN DẠNG CỦA KHỐI ĐÁ Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình ngầm, mỏ cơng trình đặc biệt Mã số: 60.58.50 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS NGUYỄN QUANG PHÍCH HÀ NỘI 2009 Mơc lơc Trang phơ b×a Lêi cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, cácchữ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh mục hình, vẽ đồ thị Mở đầu 1 Tính cấp thiết đề tài 2 Mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu 4 Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc đề tài Chương - Kết cấu neo bê tông phun xây dựng công trình ngầm 1.1 Tổng quan loại kết cấu chống xây dựng công trình ngầm 1.2 Kết cấu neo 1.2.1 Điều kiện áp dụng 1.2.2 Ưu nhược điểm neo 1.2.3 Chức hiệu gia cố neo 1.2.4 Đặc điểm cấu tạo, ưu nhược điểm số loại neo phổ biến 10 1.3 Kết cấu bê tông phun 11 Ch­¬ng - C¬ së lý thuyÕt lùa chọn, thiết kế kết cấu chống hợp lý theo phương pháp NATM 13 2.1 Sơ lược phương pháp NATM 13 2.2 Những thành phần NATM 14 2.3 Những điểm khác biệt NATM với phương pháp kh¸c 21 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 2.4 Các hệ thống chống đỡ thi công theo phương pháp NATM 22 2.5 Công tác đo đạc, quan trắc trường 27 2.5.1 Sự cần thiết 27 2.5.2 Cơ sở lý thuyết 29 2.5.3 Các mục tiêu phương tiện quan trắc 31 2.5.4 Các phép đo biến dạng 34 2.5.5 Các phép đo ứng suất 36 2.5.6 Phân tích kết quan trắc, giải pháp đối phó 38 Chương - Nghiên cứu áp dụng hầm hải vân hầm dẫn dòng TN2 công trình hồ chứa nước cửa đạt 45 3.1 Hầm dẫn dòng TN2 - Công trình hồ chứa nước Cửa Đạt 45 3.1.1 Giới thiệu công trình 45 3.1.2 Quy mô thiết kế kết cấu chống đỡ 46 3.1.3 Đo đạc ứng suất, biến dạng 49 3.2 Công trình hầm đường qua đèo Hải Vân 67 3.2.1 Giới thiệu công trình 67 3.2.2 Quy mô thiết kế kết cấu chống đỡ 69 3.2.3 Đo đạc ứng suất biến dạng 79 Kết luận kiến nghị 95 Tài liệu tham kh¶o PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Danh mục bảng biểu Bảng 2.1 Bảng thiết bị quan trắc 33 Bảng 2.2 Phân loại khối đá theo Rabcewicz, Pacher Golser 41 Bảng 3.1 Các vị trí lắp đặt thiết bị quan trắc biến dạng hội tụ 54 Bảng 3.2 Đánh giá khối đá theo hệ thống RMR 56 Bảng 3.3 Khối lượng gói thầu IB 68 Bảng 3.4 Phân loại đá theo RMR hầm Hải Vân 70 Bảng 3.5 Kết cấu gia cố loại I 73 Bảng 3.6 Kết cấu gia cố loại II 74 Bảng 3.7 Kết cấu gia cố loại III 75 Bảng 3.8 Kết cấu gia cố loại IV 76 Bảng 3.9 Kết cấu gia cố loại V 77 Bảng 3.10 Kết cấu gia cố loại VI 78 Bảng 3.11 Khối lượng thiết bị quan trắc hầm 80 Bảng 3.12 Khoảng cách đặt thiết bị 82 Bảng 3.13 Tần số ®o 82 B¶ng 3.14 TiÕn ®é ®o b»ng gi·n kÕ vị trí đo 83 Bảng 3.15 Tiến độ đo tế bào áp lực thuỷ lực vị trí đo 83 Bảng 3.16 Tiến độ đo đồng hồ đo ứng suất bê tông phun 84 Bảng 3.17 Tiến độ đo neo vị trí đo 84 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Danh mơc h×nh vÏ H×nh 1.1 Chu trình neo khối đá Hình 1.2 Neo có tác dụng treo lớp đất đá vùng yếu vào lớp đá Hình 1.3 Neo có tác dụng tạo dầm mang tải Hình 1.4 Neo có tác dụng tạo vòm mang tải Hình 1.5 Các tác dụng cải tạo trạng thái khă học 10 Hình 1.6 Phân nhóm loại neo phổ biến 10 Hình 2.1 Chu trình xây dựng CTN khép kín theo phương pháp NATM 14 Hình 2.2 Các dạng tiết diện sơ đồ đào điển hình theo NATM 16 Hình 2.3 Chu trình đào hầm điển hình theo NATM 20 Hình 2.4 Phân bố ứng suất xung quanh đường hầm áp lực thủy tĩnh (theo Kastner, trích dẫn Rabcewicz 1964) Hình 2.5 Các đường cong tương tác đất nền- kết cấu chống (theo Fenner & Pacher, Rabcewicz trích dẫn 1973) Hình 2.6 Dịch chuyển điểm biên điều kiện khối đá khác [2] 23 Hình 2.7 Dịch chuyển hầm khả xử lý thông tin [2] 31 Hình 2.8 Đo dịch chuyển tuyệt đối mày toàn đạc điện tử 34 Hình 2.9 Đo dịch chuyển điểm sâu khối đá dÃn kế 35 Hình 2.10 Đo độ nghiêng (Dịch chuyển, biến dạng) máy đo độ nghiêng 36 Hình 2.11 Tế bào áp lực 37 Hình 2.12 GiÃn nở kế đặt bê tông phun 37 Hình 2.13 Quy trình thiết kế áp dụng thiết kế, thi công 39 Hình 2.14 Quy trình ứng dụng giá trị tới hạn 43 Hình 3.1 Mặc cắt đo biến dạng 51 Hình 3.2 Chi tiết lắp đặt gương đo 52 Hình 3.3 Biến dạng biên hầm km0+064 65 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 24 30 H×nh 3.4 BiÕn dạng biên hầm km0+084 66 Hình 3.5 Mặt cắt gia cố loại I 73 Hình 3.6 Mặt cắt gia cố loại II 74 Hình 3.7 Mặt cắt gia cố loại III 75 Hình 3.8 Mặt cắt gia cố loại IV 75 Hình 3.9 Mặt cắt gia cố loại V 77 Hình 3.10 Mặt căt gia cố loại VI 78 Hình 3.11 Kết đo biến dạng biên hầm km7+894 85 Hình 3.12 Kết đo biến dạng biên hầm km7+884 87 Hình 3.13 Kết đo biến dạng biên hầm km7+868 89 Hình 3.14 Kết đo biến dạng cửa hầm 91 Hình 3.15 Kết đo biến dạng hầm km7+845 92 Hình 3.16 Kết đo biến dạng hầm km7+870 93 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Danh mơc c¸c ký hiệu, chữ viết tắt NATM the New Australian Tunnelling Method CTN Công trình ngầm PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Mở đầu Đến công trình ngầm đà phát triển sử dụng phổ biến giới cho mục tiêu khác Các công tác thăm dò, thiết kế thi công đà phát triển đại ngày hoàn thiện Đáp ứng mục tiêu phát triển kinh tế, xà hội, nước ta, nhiều năm gần đây, đà xây dựng nhiều công trình ngầm với quy mô khác nhau, từ nhỏ đến lớn, từ mức độ đơn giản đến phức tạp ®Êt u cịng nh­ ®¸ cøng nh­ Thủ ®iƯn Hoà Bình, thuỷ điện Yaly, thuỷ điện Sông Ba Hạ, hầm đường qua đèo Hải Vân, hầm đường qua đèo Ngang Hiện hai thành phố lớn Hà Nội Hồ Chí Minh triển khai dự án xây dựng tuyến tàu điện ngầm để giải toán ách tắc giao thông nhu cầu phát triển kinh tế đô thị đại Cho đến công tác thiết kế kết cấu chống đỡ công trình ngầm coi công việc vừa có tính khoa học vừa mang tính nghệ thuật Nguyên nhân tính đa dạng phức tạp đối tượng khối đa mà người làm việc lĩnh vực liên quan hàng ngày phải tiếp xúc, đối mặt đối trọi với chúng, mặt khác khả phương tiện kỹ thuật hạn chế, chưa cho phép người hiểu biết, xác định chắn, đầy đủ đặc tính khối đá Do từ công tác thăm dò, thiết thi công công trình ngầm nhiều vấn đề cần phát triển hoàn thiện Để đưa kết cấu chống đỡ công trình ngầm thoả mÃn yêu cầu, đòi hỏi kỹ thuật kinh tế, việc tính toán, thiết kế cần thiết phải theo dõi, điều chỉnh trình thi công, tùy theo biến động điều kiện địa chất, địa học khối đá PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TÝnh cÊp thiÕt đề tài C s cho vic thit k cỏc kết cấu cơng trình ngầm (kết cấu chống) phân tích ổn định khối đá Cơng tác cần thiết đưa giải pháp đảm bảo ổn định an tồn cho q trình thi cơng suốt q trình sử dụng cơng trình ngầm, nghĩa với hệ số an toàn hay ổn định xác định Để xây dựng cơng trình, trước tiên mức độ ổn định khối đá kết cấu chống bảo vệ, hay chống tạm chức cơng trình với kết cấu chống cố định cho khoảng thời gian cần thiết phân tích cụ thể Trong thực tế, Chủ đầu tư quan quản lý cần minh chứng khả an tồn theo u cầu cơng trình, thường thơng qua phương pháp tính tốn thiết kế thừa nhận Một điều kiện đặt trình đào phải có biện pháp phù hợp để đảm bảo khả tự hay tham gia mang tải khối đá Việc tính tốn thường thực theo sơ đồ tĩnh học dựa sở ý đến hàng loạt tham số khác nhau, nhận từ kết thí nghiệm phịng thí nghiệm, trường, phân tích điều kiện địa chất theo tài liệu khảo sát, thăm dò Tuy nhiên, với công cụ đại phương pháp tính số có trợ giúp máy tính điện tử mơ hình tính tốn ( sơ đồ tính với điều kiện biên, mơ hình học…) mơ hình suy tưởng, người quy ước lập nên, nhiều đơn giản hóa, khơng thể ý hết biết động, dị thường xuất khối đá Chính thế, việc minh chứng mức độ ổn định gần xây dựng cơng trình ngầm thực nhận sau tiến hành công tác đào khoảng không gian ngầm, thông qua công tác quan trắc, đo đạc biểu thực khối đất, đá xung quanh khoảng không gian ngầm, đặc biệt qua kết đo biến dạng ứng suất PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 84 Tế bào đo áp mặt mặt mỈt mỈt tiÕp tun: 2x5 lùc tiÕp tun cắt cắt cắt cắt Hầm lánh nạn: S.lượng mặt cắt: S lượng tế bào đo áp lực bán kính: 2x5 S.lượng tế bào đo áp lực tiếp tuyến: 2x2 Bảng 3.16 Tiến độ đo đồng hồ đo ứng suất bê tông phun vị trí đo Hầm Thiết bị NATM Đồng hồ đo ứng suất bê tông phun Hầm lánh nạn Loại đá IV / V Loại Loại đá đá VI IV / V Loại đá VI mặt cắt mặt cắt mặt cắt mặt cắt Khối lượng Hầm chính: Số mặt cắt: SL đồng hồ đo: 2x20 cái.=2x10bộ Hầm lánh nạn: Số mặt cắt: Số đồng hồ đo: 12cái.=2x6bộ (5) Đo biến dạng neo đá Bảng 3.17 Tiến độ đo neo vị trí đo Thiết bị NATM Neo đo L=6m, 250 KN Neo đo L=4m, 250 KN Hầm Loại đá Loại đá IV / V VI mặt cắt mặt cắt Hầm lánh nạn Loại đá Loại đá IV / V VI Khối lượng Hầm chính: Số mặt cắt: Số lượng neo đo: 2x5 Hầm lánh nạn: mặt cắt mặt cắt Số mặt cắt: Số lượng neo đo: 2x5 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 85 3.2.3.3 Kết đo đạc công trình hầm Hải Vân Hình 3.11 Kết đo biến dạng biên hầm km7+894 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 86 Điều kiện địa chất hầm km7+894 đất yếu, dựa kết mô tả địa chất gương hầm, khu vực đất đánh giá yếu áp dụng kết cấu gia cố loại VI bao gồm: Bảng 3.10 Kết cấu gia cố loại VI Vị trí Mặt gương Loại VI Bê tông phun 50mm Bậc trên/Bậc Bê tông phun Bậc trên/Bậc Neo đá Mặt gương Neo gương 200mm Neo SN 250Kn, IBO R32/15 330Kn, L=4m Neo SN 250Kn IBO R32/15 330Kn, L=6m (nếu yêu cầu) Bậc trên/Bậc Bậc trên/Bậc Lưới thép Vì thép Bậc Neo dẫn trước Bậc trên/Bậc Diện tích đào CQS7(4,3kg/m2) líp H150x150(31,5kg/m) ThÐp F36 hc IBO R32/15 330Kn L=3m 117,72m2 Trong trình đào bậc công tác quan trắc biến dạng lắp đặt sau chu kỳ đào, trình đo thực quy trình thiết kế yêu cầu Kết đo cho thấy tháng giá trị biến dạng phần hầm đà đạt đến 40mm, tốc độ biến dạng đạt 2mm/ngày Do điều kiện địa chất khu vực đất yếu biến dạng tới hạn lớn biến dạng khu vực hầm nằm đá Khi giá trị biến dạng biên hầm đạt giá trị 40mm Đơn vị đà đề nghị Chủ đầu tư, Tư vấn thiết kế bổ sung thêm neo IBO, L=4m khu vực hầm phần chân vòm Sau bổ sung gia cố, biến dạng biên hầm dần ổn định đồ thị biến dạng dần trở thành đường nằm ngang Sau thời gian tháng từ bắt đầu đào tháng kể từ gia cố bổ sung biến dạng biên hầm bắt đầu ổn định, đường biểu diễn biến dạng gần nằm ngang, xác nhận biên hầm đà ổn định PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 87 H×nh 3.12 Kết đo biến dạng biên hầm km7+884 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 88 T­¬ng tự điều kiện địa chất km7+894, km7+884 điều kiện địa chất đất yếu, kết cấu gia cố loại VI bao gồm thành phần kết cấu đà trình bày bảng 3.10 Sau tháng đào phần vòm kết đo biến dạng cho thấy biến dạng phần hầm tháng đạt tới 90mm, tốc độ biến dạng đạt 3mm/ngày Sau tháng quan trắc biến dạng đơn vị nhận thấy biến dạng tiếp tục phát triển, đơn vị thi công đà đề nghị Chủ đầu tư, Tư vấn bổ sung thêm neo IBO, L=4m khu vực hầm phần chân vòm Sau bổ sung gia cố, biến dạng biên hầm dần ổn định đồ thị biến dạng trở thành đường nằm ngang Sau thời gian tháng từ bắt đầu đào tháng kể từ gia cố bổ sung biến dạng biên hầm bắt đầu ổn định, đường biểu diễn biến dạng gần nằm ngang xác nhận biên hầm đà ổn định PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 89 H×nh 3.13 Kết đo biến dạng biên hầm km7+868 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 90 T¹i km7+868 điều kiện địa chất đất yếu, kết cấu gia cố loại VI bao gồm thành phần trình bày bảng 3.10 Sau tháng đào phần vòm, kết đo biến dạng cho thấy biến dạng phần hầm tháng đạt tới 60mm, tốc độ biến dạng đạt 2mm/ngày Đơn vị thi công đà đề nghị Chủ đầu tư, Tư vấn bổ sung thêm neo IBO, L=4m khu vực hầm phần chân vòm Sau bổ sung gia cố, biến dạng biên hầm dần ổn định đồ thị biến dạng trở thành đường nằm ngang Sau thời gian tháng từ bắt đầu đào tháng kể từ gia cố bổ sung biến dạng biên hầm bắt đầu ổn định, đường biểu diễn biến dạng gần nằm ngang xác nhận biên hầm đà ổn ®Þnh PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 91 Hình 3.14 Kết đo biến dạng cửa hầm PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 92 H×nh 3.15 Kết đo biến dạng hầm km7+845 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 93 H×nh 3.16 KÕt đo biến dạng hầm km7+870 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 94 Hầm đường qua đèo Hải Vân đoạn 100m khu vực cửa hầm phía nam nằm đất yếu Trong trình thi công đơn vị đà tiến hành đo đạc biến dạng biên hầm Các giá trị thu cho thấy mức độ tốc độ biến dạng xảy nhanh giá trị lớn Đoạn hầm đào điều kiện đất yếu giá trị tới hạn biến dạng thay đổi theo chiều hướng tăng lên Trên sở số liệu đo biến dạng mặt cắt tác giả nhận thấy với điều kiện đất yếu, giá trị biến dạng 50-:90mm, tốc độ tăng biến dạng đạt 2mm-:-3mm/ngày Khi biến dạng đạt giá trị nêu đơn vị thi công đà thực bổ sung gia cố, sau biến dạng giảm dần ổn định PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 95 KÕt luận kiến nghị Kết luận Trong giai đoạn cïng víi xu h­íng ph¸t triĨn cđa khoa häc kỹ thuật, công tác ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật vào lĩnh vực xây dựng công trình ngầm ngày cao Việt Nam kể từ năm 2000 bắt đầu áp dụng công nghệ thi công hầm phương pháp NATM vào thi công dự án hầm đường qua đèo Hải Vân đến đà có nhiều dự án áp dụng công nghệ thi công tiên tiến dự án hầm đường qua Đèo Ngang, hầm dẫn dòng TN2- Công trình Hồ chứa nước Cửa Đạt Trong thời gian tới tương lai gần có nhiều dự án hầm đường triển khai áp dụng phương pháp thi công NATM hầm đường tuyến đường cao tốc Hà Nội - Lào Cai, hầm đường qua Đèo Cả Một yếu tố định thành công phương pháp thi công hầm NATM công tác xử lý số liệu đo đạc, quan trắc trình thi công Thiết kế kỹ thuật, thi công ban đầu mang tính chất định hướng điều chỉnh trình thi công Các số liệu quan trắc thu sở cho người kỹ sư đưa giải pháp tăng thêm hay giảm bớt kết cấu chống giữ cho phù hợp với điều kiện thực tế khối đá Điều đà giúp cho trình thiết kế, thi công bám sát với nhu cầu thực tế công trình, đem lại hiệu kinh tế kỹ thuật cao Phương pháp gọi tên phương pháp thiết kế quan sát Để sử dụng hiệu kết đo đạc, quan trắc đòi hỏi phải xây dựng hệ thống tiêu chí đánh giá phù hợp với dự án có điều kiện địa chất khác nhau, ví dụ giá trị biến dạng tới hạn, tốc độ biến dạng tới hạn, v.v Trong thực tế, hệ thống tiêu chí áp dụng chung cho tất dự án tính chất đa dạng, phức tạp môi trường đât đá, phương án tổ chức thi công dự án không giống Vì vậy, với dự án, công trình ngầm cụ thể, cần phải xây dựng riêng hệ thống tiêu chí đánh giá Tuy nhiên, giai đoạn ban đầu dự án tham khảo hệ thống tiêu chi đánh giá kết quan trắc dự án có tính chất, quy mô tương tự Trong trình PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 96 thi công, đo quan trắc kết hợp với phân tích kết quả, dần điều chỉnh để xây dựng hệ thống tiêu chí đánh giá thích hợp với công trình Từ số liệu đo quan trắc, phân tích kết công tác xử lý liên quan đến kết cấu chống giữ dự án hầm đường qua đèo Hải Vân hầm dẫn dòng TN2 công trình Hồ chức nước Cửa Đạt, tác giả đề xuất số giá trị biến dạng tới hạn phục vụ cho công tác đánh giá điều chỉnh kết cấu chống sau: Giá trị biến dạng tới hạn sau: Biến dạng Lún (phương đứng) Dịch chuyển ngang hông Đường kính hầm Giá trị có dấu hiệu tới hạn (mm) D=11m 50-:-70 D=9,5 15-:-25 Đá loại I-:-II RMR=61-:-100 D=9,5 10-:-15 Đá loại V-VI RMR=