Nghiên cứu rủi ro trong quá trình đào hầm qua vùng đất bị vò nát và các biện pháp giảm thiểu sự cố

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGƠ CHÍ TRUNG Nghiªn cứu rủi ro trình đào hầm qua vùng đất đá bị vò nát biện pháp gi¶m thiĨu sù cè Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60 - 58 - 40 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Vũ Trọng Hồng Hà Nội – 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LI NGễ CH TRUNG Nghiên cứu rủi ro trình đào hầm qua vùng đất đá bị vò nát biện pháp giảm thiểu cố LUN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 Luận văn thạc sĩ -1- MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ …………………………………………………… LỜI CẢM ƠN PHẦN MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Mục đích 2.2 Nhiệm vụ CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Cách tiếp cận 3.2 Phương pháp nghiên cứu 3.3 Kết dự kiến đạt CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐẤT ĐÁ BỊ VÒ NÁT VÀ NHỮNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH ĐÀO HẦM 1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ 1.1.1 Mục đích, yêu cầu phân loại đất đá 1.1.2 Đặc điểm đất đá bị vò nát 1.2 CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT ĐÁ VÒ NÁT ĐỐI VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐÀO HẦM 16 1.2.1 Khái quát chung đường hầm nghiên cứu 18 1.2.2 Điều kiện địa chất khu vực vấn đề q trình đào hầm cách bố trí mặt 18 1.2.3 Những hoạt động kiến tạo vỏ đường hầm 23 1.3 NHỮNG GIẢI PHÁP THƯỜNG ÁP DỤNG KHI THI CƠNG QUA VÙNG ĐẤT ĐÁ VỊ NÁT 25 1.3.1 Khoan phun gia cố lớp đá vò nát gần mặt đất trước đào (gia cố trước) 26 1.3.2 Sử dụng phun vữa bê tông kết hợp neo để giữ ổn định vách hầm (gia cố đào) 26 1.3.3 Phụt vữa tạo tường bê tông để làm phản áp vữa ngăn dịng thấm có áp lực cao (Khoan trước đào) 27 1.3.4 Phụt vữa gia cường khối đất lớp đứt gãy chống tượng bục sinh ống khói (phụt vữa trước đào) 27 1.4 KẾT LUẬN 27 Học viên: Ngơ Chí Trung Luận văn thạc sĩ -2- CHƯƠNG : NHỮNG RỦI RO THƯỜNG GẶP TRONG VIỆC ĐÀO HẦM QUA VÙNG ĐẤT ĐÁ BỊ VÒ NÁT 28 2.1 CÁC DẠNG RỦI RO THƯỜNG GẶP 28 2.1.1 Sự ngập đột ngột đường hầm 28 2.1.2 Sự hình thành lỗ thủng dạng ống khói 28 2.1.3 Những rủi ro mơi trường chất độc, khí nổ gradien nhiệt 28 2.2 SỰ CỐ SẬP NÓC VÀ VÁCH HẦM 29 2.2.1 Heathrow Express Link, Anh, 1994 29 2.2.2 Vành Trude tàu điện ngầm thành phố Munich, Đức, 1994 30 2.2.3 Tàu điện ngầm Đài Bắc, Đài loan, 1994/1995 31 2.3 SỰ CỐ BỤC ĐƯỜNG HẦM 32 2.3.1 Tàu điện ngầm Taegu, Hàn Quốc, 2000 32 2.3.2 Tàu điện ngầm Thượng Hải (Shanghai), Trung Quốc, 2003 33 2.3.3 Sạt lở vách hầm lý trình K0+35 Hầm số - thủy điện Buôn Kuốp 34 2.3.4 Sạt sụt lý trình K0+40 Hầm số - thủy điện Bn Kuốp 35 2.3.5 Sạt sụt lý trình K5+58 Hầm số - thủy điện Bn Kuốp 36 2.4 SỰ CỐ NƯỚC TRÀN VÀO HẦM 37 2.4.1 Đường hầm thoát nước Hull, Anh, 1999 37 2.4.2 Tuyến đường MTRC Tseung-Kwan-O, Hong Kong, 2001 38 2.5 SỰ CỐ SẠT GƯƠNG HẦM 39 2.5.1 Sạt sụt lý trình K0+05 Hầm số - Thủy điện Buôn Kuốp 39 2.5.2 Sạt sụt cửa hầm phía Nam dự án hầm đường Hải Vân 40 2.6 KẾT LUẬN 40 CHƯƠNG 3: CÁC BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU SỰ CỐ KHI ĐÀO HẦM QUA VÙNG ĐẤT ĐÁ BỊ VÒ NÁT 42 3.1 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MỨC ĐỘ QUÁ TẢI VÀ GIẢI PHÁP DỰ KIẾN XỬ LÝ 42 3.1.1 Dự báo mức độ đất đá tải (Tunnelling in weak rock - Bahwanasigh and Rejnisk K.Goel - 2006, India) 42 3.1.2 Các giải pháp để dự kiến khắc phục có cố đường hầm 43 3.1.3 Các giải pháp đề phịng bị khí độc, tăng nhiệt độ, nổ hầm 46 3.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐÀO 47 3.2.1 Đào hầm phương pháp NATM 47 Học viên: Ngơ Chí Trung Luận văn thạc sĩ -3- 3.2.2 Phương pháp gia cố trước 48 3.2.3 Phương pháp đào kết hợp với biện pháp chống đỡ tạm 53 3.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĐỠ 55 3.3.1 Phương pháp chống đỡ neo 55 3.3.2 Phương pháp chống đỡ khoan 60 3.3.3 Phương pháp chống đỡ phun bê tông 63 3.3.4 Phương pháp tiêu nước hạ mực nước ngầm 65 3.4 KẾT LUẬN 67 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG VÀO THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM THỦY ĐIỆN BUÔN KUỐP - ĐĂK LĂK 68 4.1 MÔ TẢ DỰ ÁN THỦY ĐIỆN - ĐƯỜNG HẦM CỦA THỦY ĐIỆN 68 4.1.1 Giới thiệu dự án thủy điện Buôn Kuốp 68 4.1.2 Mô tả đường hầm thủy điện Buôn Kuốp 71 4.2 BIỆN PHÁP THI CÔNG VÀ CHỐNG ĐỠ TRONG VIỆC THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC VÀO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN BUÔN KUỐP 74 4.2.1 Đoạn địa chất đất đá bị vò nát 74 4.2.2 Đoạn địa chất đất đá bị đứt gẫy 80 4.2.3 Đoạn địa chất đất đá bị đứt gẫy 81 4.2.4 Đoạn địa chất đá cứng 81 4.3 KẾT LUẬN 82 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 5.1 KẾT LUẬN 83 5.2 KIẾN NGHỊ 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 Học viên: Ngô Chí Trung Luận văn thạc sĩ -4- DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Hệ thống phân loại đất đá mặt địa chất theo F.P Xavarenski, V.Đ.Loomtađze sửa đổi, bổ xung Bảng 1.2 Hệ thống phân loại đất đá theo M.M Protodiakonop Bảng 1.3 Các chuỗi kiến tạo từ Bắc đến Nam đường hầm nghiên cứu Bảng 1.4 Các thành tạo đường hầm Ichari - Khodri Bảng 2.1 Tổng hợp thông tin sau cố đường hầm thủy điện Buôn Kuốp Bảng 3.1 Phân loại cố biện pháp khắc phục kiến Bảng 3.2 Phạm vi áp dụng phương pháp gia cố hóa DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ lún, trượt theo Peck (1969) Hình 1.2 Sơ đồ mặt trượt, tính áp lực đất đá theo Protodiakonop Hình 1.3 Mơ tả địa chất đứt gẫy sinh bục dạng ống khói Hình 1.4 Mặt khu vực đường hầm nghiên cứu Hình 1.5 Bản đồ phần bị bục đường hầm Hình 2.1 Sự cố sập tầu điện ngầm Munich 1994 Hình 2.2 Sụt lún mặt đất Taegu, Hàn Quốc gây nứt vỡ tịa nhà, chí sập đoạn phố Hình 2.3 Phá sập nhà sau xẩy cố đường hầm tuyến tàu điện ngầm số Thượng Hải Hình 2.4 Khối sạt lý trình K0+35 hầm số 1- Thủy điện Bn Kuốp Hình 2.5 Đá đổ vào hầm K0+40 phễu lún mặt 430 Hình 2.6 Đá bị vị nhàu mặt gường đá vỡ vụn sạt từ đỉnh hầm Hình 2.7 Sụt lún mặt đất giếng thi cơng đường hầm nước Hull Hình 2.8 Miệng hố sụt mặt đất tự nhiên Hình 2.9 Sạt trượt K0+05 - hầm số Thủy điện Bn Kuốp Hình 3.1 Thi cơng hầm theo phương pháp NATM Hình 3.2 Sơ đồ minh họa bố trí neo lớp quanh hầm với n=11 Học viên: Ngô Chí Trung Luận văn thạc sĩ -5- Hình 3.3 Sơ đồ minh họa bố trí neo lớp quanh hầm với n=10 Hình 4.1 Vị trí ba thủy điện lớn triển khai Hình 4.2 Tồn cảnh thủy điện Bn Kuốp Hình 4.3 Đập tràn van cung thủy điện Bn Kuốp Hình 4.4 Lắp đặt thiết bị nhà máy thủy điện Bn Kuốp Hình 4.5 Q trình thi cơng đường hầm số Hình 4.6 Q trình đổ bê tơng vỏ hầm Hình 4.7 Hai tháp điều áp thủy điện Bn Kuốp Hình 4.8 Ván khn đổ bê tơng vỏ hầm Hình 4.9 Mơ tả gia cố lưới thép, cắm neo hệ thống khung chống đỡ Hình 4.10 Sơ đồ minh họa bố trí neo lớp 1; n=6 Hình 4.11 Sơ đồ bố trí neo lớp 1; n=6 Học viên: Ngơ Chí Trung Luận văn thạc sĩ -6- LỜI CẢM ƠN Lời tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô giáo dạy làm việc Trường Đại Học Thuỷ Lợi tận tâm giảng dạy, truyền đạt kiến thức tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả học tập, trau dồi kiến thức, đạo đức suốt năm học trường thời gian học cao học để tác giả có ngày hơm Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS VŨ TRỌNG HỒNG tuổi cao tận tình hướng dẫn bảo tác giả suốt trình thực tập làm luận văn tốt nghiệp, giúp tác giả hoàn thành tốt Luận văn tốt nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo Khoa Cơng Trình, đặc biệt thầy cô giáo môn Thuỷ Công, Thi công, bạn nhóm GS.TS VŨ TRỌNG HỒNG hướng dẫn luận văn tốt nghiệp, bạn lớp CH17C2, tồn thể bạn học viên khóa CH17 người tận tâm giúp tác giả trình làm luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn đến quan đơn vị cá nhân truyền đạt kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu công bố giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi lãnh đạo Vụ Kế hoạch - Tài chính, lãnh đạo Bộ Tư pháp, quan công tác tác giả cho tác giả trình học tập, nghiên cứu vừa qua Cuối tác giả xin cảm ơn động viên khích lệ gia đình, quan tâm chăm sóc người xung quanh, tạo điều kiện tốt cho tác giả suốt trình làm luận văn tốt nghiệp để tác giả có thêm nhiều niềm tin nghị lực để hoàn thành tốt nhiệm vụ luận văn giao Với thời gian trình độ cịn hạn chế, luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận bảo đóng góp ý kiến thầy cô giáo, quý vị quan tâm bạn bè đồng nghiệp Luận văn " Nghiên cứu rủi ro trình đào hầm qua vùng đất đá bị vò nát biện pháp giảm thiểu cố ” hồn thành Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi Đại học Thủy Lợi, Tháng năm 2011 Tác giả Ngơ Chí Trung Học viên: Ngơ Chí Trung Luận văn thạc sĩ -7- PHẦN MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Đất nước ta thời kỳ phát triển mạnh mẽ, việc xây dựng cơng trình nói chung cơng trình thủy lợi, thủy điện nói riêng để phục vụ cho nhu cầu thực tiễn lớn Tuy nhiên việc xây dựng cơng trình ln gặp phải khó khăn định đặc biệt cơng trình ngầm, khơng phải lúc ta chọn vùng địa hình, địa chất tốt để xây dựng nhiều lý khác cơng trình phải đặt vùng có địa chất yếu, đặc biệt với cơng trình đường hầm Trong q trình thi cơng xây dựng đường hầm thủy lợi, thuỷ điện thường phải đào qua tầng địa chất khác nhau, đặc biệt qua vùng đất đá bị vị nát ln gắn liền với nguy xảy cố dẫn tới thiệt hại người, làm chậm tiến độ thi công tăng giá thành cơng trình Vì biện pháp xử lý gặp vùng đất đá bị vò nát việc thi cơng cơng trình hầm vấn đề cấp bách, cần phải nghiên cứu rủi ro xẩy q trình thi công Trong năm gần đây, công nghệ thi cơng đường hầm có phát triển vượt bậc, có nhiều phương pháp đào hầm tiên tiến giải pháp chống đỡ hiệu hướng tới giảm tối đa tổn thất người của, rút ngắn thời gian, giá thành thi cơng nhiên việc thi cơng cơng trình đường hầm thủy lợi, thủy điện qua vùng đất đá bị vò nát tiềm ẩn nhiều rủi ro, nhà khoa học đơn vị thi công tập trung nghiên cứu cịn nhiều điểm chưa hồn chỉnh dẫn đến việc thi cơng cịn nhiều khó khăn Vì đề tài "Nghiên cứu rủi ro trình đào hầm qua vùng đất đá bị vò nát biện pháp giảm thiểu cố” cần thiết có ý nghĩa thực tiễn giai đoạn Học viên: Ngơ Chí Trung LOẠI ĐẤT ĐÁ VỀ MẶT ĐỊA CHẤT THEO TÍNH CHẤT VẬT LÝ Tính chất nước Tính chất học Độ bền độ đàn hồi cao Sức chống nén 500-4000 kg/cm2, sức chống cắt đứt khoảng 200-1000kg/cm2, Sức chống tách Không chứa ẩm, thực tế khơng bị hịa tan, vỡ 20-150kg/cm2 Không bị nén lún, ổn định mái dốc Moodun tổng biến dạng thấm nước theo khe nứt Hệ số thấm thường cao 100.000 kg/cm2 Hệ số không vượt 10m/ngày.đêm, lượng hấp trượt bê tông theo đá đạt tới phụ nước đơn vị khoảng l/phút 0,65-0,7 Độ cao (fch>8) Được khai thác phương pháp nổ Tính chất đá ngun trạng có đặc điểm dị hướng Chứa ẩm ít, Độ ngậm nước thay đổi tùy theo độ khe nứt đọ phong hóa, hệ số thấm thay đổi từ 0,5-30m/ng.đ (lượng ngậm nước tới 15 l/ph) loại ngấm nước vừa, lớn 30m/ng.đ (lượng ngậm nước tới 15 l/ph) loại thấm nước nhiều Bền: sức chống nén 150-500 kg/cm2, bền vừa 25-150 kg/cm2 bền ít nhóm hạt sét bụi 33,3 - 50, > nhóm hạt bụi sét > nhóm hạt cát 10-50, < nhóm hạt cát nhóm hạt bụi sét 0,05m) Đất sét bụi nặng Đất sét bụi nhẹ Đất sét pha bụi nặng Đất sét pha bụi vừa Đất sét pha bụi nhẹ Đất cát pha bụi nặng Đất cát pha bụi nhẹ Đất bụi Bảng 1.3 Phân loại đất cát Tên đất STT Hàm lượng nhóm hạt (mm), % >2 >0,5 >0,25 Đất cát chứa sỏi Đất cát to >50 Đất cát vừa 50 Đất cát nhỏ 50% sàng No.200 (0,075mm) Cát >=50% hạt thô lọt sàng No.4 4,75mm Sỏi 12% hạt mịn Cát sạch2% hạt mịn Vô Bụi sét WL 50% lọt sàng No.200 (0,075mm) GW CuCc>3 (c ) GP Hạt mịn ML MH GW Hạt mịn CL CH CC Cu>=4 7 nằm phía đường "A" Pl