Mục đích của luận văn này là ứng dụng lý thuyết về phương pháp xây dựng đường hầm mới của Áo (NATM) để xây dựng đường hầm dẫn nước công trình thủy điện Đakrông 1. Đối tượng nghiên cứu: Đường hầm dẫn nước công trình thủy điện. Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng tính toán kết cấu đường hầm theo công nghệ thi công NATM.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ TRƯỜNG VŨ NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐAKRƠNG THEO CÔNG NGHỆ NATM Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số : 60 58 02 02 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2015 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS CHÂU TRƯỜNG LINH Phản biện 1: PGS.TS HOÀNG PHƯƠNG HOA Phản biện 2: TS NGUYỄN VĂN HƯỚNG Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình thủy họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 16 tháng năm 2015 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trước đây, nước ta nước giới thường sử dụng phương pháp mỏ để tính tốn thi cơng đường hầm Quan điểm tính tốn phương pháp sau đào hầm, đất đá quanh hầm sụt lở theo thời gian tác dụng lên vỏ hầm tải trọng định, q trình tiếp diễn đất đá tự hình thành vịm cân tải hay gọi vòm áp lực Với quan điểm vậy, phải xây dựng vỏ hầm vỏ hầm kết cấu chống đỡ toàn tải trọng đất đá từ vòm áp lực Để ổn định đường hầm người ta thường xây dựng vỏ hầm bê tông đá xây để chống lại áp lực địa tầng nên việc tính tốn đường hầm chưa kinh tế với đường hầm qua vùng có địa chất tốt Đến năm 1957-1965 tập thể kỹ sư mỏ người Áo giáo sư Tiến sỹ L.V Rabcewicz phát triển phương pháp tính tốn thi cơng hầm có tên New Austrial Tunneling Method (NATM) NATM cho khối đá xung quanh hầm có độ bền sẳn có nó, phận kết cấu đường hầm thông qua biện pháp xử lý vòm hầm Đối với đường hầm qua vùng địa chất tốt đường hầm có khả tự ổn định Chính vậy, kết cấu đường hầm khơng phải sử dụng bê tông truyền thống đá xây để gia cố làm tăng chi phí cho cơng trình Trong thập nên gần với phát triển mạnh mẽ thiết bị khoa học công nghệ, việc áp dụng phương pháp xây dựng hầm Áo NATM phổ biến Ứng dụng NATM để xây dựng đường hầm thủy điện làm giảm kết cấu gia cố đường hầm giảm chi phí cho cơng trình Do đề tài “Nghiên cứu tính tốn ổn định kết cấu đường hầm dẫn nước cơng trình thủy điện Đakrơng theo công nghệ NATM” yêu cầu cấp thiết Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục đích luận văn ứng dụng lý thuyết phương pháp xây dựng đường hầm Áo (NATM) để xây dựng đường hầm dẫn nước công trình thủy điện Đakrơng Đối tượng nghiên cứu: Đường hầm dẫn nước cơng trình thủy điện Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng tính tốn kết cấu đường hầm theo công nghệ thi công NATM Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu nghiên cứu - Nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn kết cấu đường hầm theo công nghệ NATM đề xuất áp dụng thay phương pháp tính tốn xây dựng truyền thống - Áp dụng vào cơng trình thực tế Ý nghĩa khoa học giá trị thực tiễn đề tài - Ý nghĩa khoa học Làm tài liệu để tham khảo mô phỏng, đánh giá ứng suất - biến dạng đường hầm thủy điện - Ý nghĩa thực tiễn Kết nghiên cứu đề tài làm sở để xem xét áp dụng cho đường hầm thủy điện Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo luận văn gồm có chương sau: Chương Tổng quan xây dựng đường hầm Chương Các phương pháp tính tốn kết cấu đường hầm Chương Tính tốn kết cấu đường hầm dẫn nước cơng trình thủy điện Đakrơng theo cơng nghệ NATM CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM 1.1 TỔNG QUAN VỀ PHÁT TRIỂN XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM Từ năm 1679 đến 1681 hầm đường thủy dài 160m xây dựng Pháp Hầm đường sắt xây dựng năm 1826-1830 có chiều dài 1190m thuộc tuyến đường từ Liverpool đến Manchester Anh Những năm 1990 người ta xây dựng đường hầm nước xuyên biển dài kỷ lục, hầm qua vịnh Suga Nhật Bản dài 36,2km, hầm qua eo biển Manche nối Anh Pháp dài gần 50km Ở Việt Nam, hầm đường thuỷ Rú Cóc xây dựng năm 1930 xã Nam Sơn, huyện Anh Sơn, tỉnh Nghệ An Trong năm chiến tranh Việt Nam người ta đào số hầm ngắn để làm kho quân trang, quân dụng hầm trú ẩn cho người hệ thống kỹ thuật Điển hình hệ thống địa đạo Vĩnh Mốc, Củ Chi Trong thập niên gần với phát triển ngành giao thông, ngành điện Việt Nam, xây dựng nhiều đường hầm để phục vụ lưu thông sản xuất điện 1.2 MỘT SỐ CƠNG TRÌNH TIÊU BIỂU TẠI VIỆT NAM 1.2.1 Nhà máy thuỷ điện Hịa Bình 1.2.2 Thuỷ điện Yaly 1.2.3 Hầm đường qua đèo Hải Vân 1.2.4 Thuỷ điện Đại Ninh 1.2.5 Các đường hầm thủy điện khác 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM HIỆN NAY 1.3.1 Phương pháp mỏ 1.3.2 Phương pháp NATM 1.3.3 Phương pháp BTM (Tunnel Boring Machine) 1.3.4 Phương pháp khiên đào SM (Shild Machine) 1.3.5 Phương pháp kích đẩy 1.3.6 Phương pháp giếng chìm ép 1.4 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG HẦM MỚI CỦA ÁO 1.4.1 Sơ lược lịch sử trình phát triển NATM 1.4.2 Các nguyên tắc NATM Cường độ có sẵn đất hay đá xung quanh phạm vi hầm phải bảo tồn phải chủ động huy động với mức tối đa Sự huy động đạt nhờ kiểm sốt lượng biến dạng đất, đá Các hệ thống chống đỡ ban đầu chủ yếu bao gồm neo đá bố trí cách có hệ thống vỏ hầm bêtơng phun Việc khép kín hệ chống đỡ phải điều chỉnh với xác định thời gian thích hợp, mà thời điểm biến đổi phụ thuộc vào điều kiện đất hay đá Phải tiến hành thí nghiệm phịng thực việc theo dõi biến dạng hệ thống chống đỡ đất Những liên quan đến việc thi công, thiết kế giám sát xây dựng hầm theo NATM phải hiểu rõ công nhận cách tiếp cận NATM Chiều dài đoạn hầm chưa chống đỡ đào phải để lại ngắn tốt 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trải qua thời kỳ xây dựng đường hầm, người tích lũy nhiều kinh nghiệm quý giá, với phát triển khoa học công nghệ, thiết bị giới giải pháp vật liệu, người có quan niệm đắn phương pháp tính tốn giải pháp thi công đường hầm Phương pháp NATM thành tựu bật việc tính tốn thi cơng đường hầm xem phương pháp có nhiều ưu điểm, linh hoạt cho loại đường hầm ứng dụng để xây dựng đường hầm CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM 2.1 TÍNH TỐN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM THI CƠNG THEO PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG 2.1.1 Xác định tải trọng tác dụng lên kết cấu hầm a Phương pháp M.M Protodiakonov Năm 1926 M.M Protodiakonov đưa phương pháp tính tốn tải trọng khối đá tác dụng lên đường hầm có ma sát trong, có khơng có lực liên kết Hệ số bền vững “f” tiêu bản, tổng hợp đặc trưng học đá không xác định trực tiếp thực nghiệm, M.M.Protodiakonov dùng hệ số f để giải tốn học đá phân loại đá Ơng chia thành 10 cấp có trị số f thay đổi từ 0,3 đến 20 Theo M.M.Protodiakonov chiều cao vòm cân tự nhiên cho đá rời phụ thuộc vào chiều rộng hầm hệ số bền vững đá Độ ổn định khối đá hầm khơng phụ thuộc vào độ sâu vị trí hầm ngang b Phương pháp K Terzaghi c Phương pháp V.M Moxtkov 2.1.2 Tính tốn kết cấu hầm thi cơng theo phương pháp truyền thống a Xác định kích thước kết cấu đường hầm Xác định chiều dày vịm Cơng thức M M Protodiakonov d = 4, l0 Rn f l0 2h0 (2.6) Công thức XX Đavưđov d = 0, 06 2l0 h0 2l0 + f (2.7) Trong đó: h0: Chiều cao vịm Rn: Cường độ chịu nén vật liệu f : Hệ số kiên cố đất đá b c d e f Tính tốn nội lực theo sơ đồ vịm thấp Tính tốn nội lực theo sơ đồ vịm cao Tính tốn nội lực theo sơ đồ vịm kín Tính tốn kết cấu hầm mặt cắt hình trịn biến dạng tự Tính kết cấu hầm mặt cắt hình trịn mơi trường đàn hồi - Khi có áp lực địa tầng tác dụng, nội lực kết cấu hầm xác định theo công thức: M = qRng r [ Aa + B + C.n(1+ a)] N = qRng [ Da + E + F.n(1+ a)] (2.24) Trong : q- áp lực đất thẳng đứng phân bố , T/m2 Rng – bán kính ngồi vỏ , m r- bán kính trục vỏ, m A, B, C, D, E, F= f(ϕ) lấy theo bảng 2.5 - Khi có trọng lượng vỏ hầm M = gr ( A1 − B1n) N = gr (C1 − D1n) (2.26) Trong : g- trọng lượng 1m2 kết cấu hầm, T/m2 A1, B1, C1, D1= f ( ϕ) lấy theo bảng 2.6 2.1.3 Kiểm tra khả chịu lực kết cấu Kiểm tra ứng suất nén kết cấu hầm tính theo cấu kiện chịu nén lệch tâm cần thỏa mãn M N σ n = + ≤ Rn = [σ ] (2 27) Wn F Diện tích cốt thép tính tốn: Fa = Rn bx Ra Để kết cấu không bị nứt cần thỏa mãn biểu thức nc*M < mh*v*RkII*Wq.d (2.29) (2.30) 2.2 TÍNH TỐN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM THEO CÔNG NGHỆ THI CÔNG NATM 2.2.1 Đánh giá chất lượng khối đá quanh đường hầm Năm 1973 Bieniawski đề xuất phương pháp phân loại đá đánh giá chất lượng khối đá theo số RMR (Rock Mass Rating) Hệ thống đánh giá dựa kinh nghiệm Bieniawski có xây dựng đường hầm đá trầm tích Nam Phi RMR ứng dụng phổ biến xây dựng hầm, tính tốn ổn định mái dốc RMR xác định theo công thức (2.32): (2.32) RMR = RβS + RRQD + Rdj + Rcj + Roj + Rw Trong đó: RβS : Chỉ số kể đến độ bền nén trục mẫu đá RRQD : Chỉ số xét tới số RQD Rdj : Chỉ số xét đến khoảng cách khe nứt hệ thống khối đá : Chỉ số xét đến đặc điểm khe nứt khối đá Rcj Rw : Chỉ số xét ảnh hưởng nước khối đá Roj : Chỉ số xét hướng góc phát triển khe nứt khối đá so với trục thi công đường hầm 2.2.2 Mối quan hệ tương tác khối đá hệ chống đỡ đường hầm 2.2.3 Quá trình biến đổi học khối đá quanh đường hầm 2.2.4 Trạng thái ứng suất biến dạng khối đá quanh đường hầm Khối đá quanh hầm từ trạng thái đàn hồi chuyển sang trạng thái phá hủy dẻo áp lực chống đỡ hầm Pi nhỏ áp lực tới hạn xác định theo công thức: 2σ Z − qu pamax = = σ z (1 − sin ϕ ) − C cos ϕ (2.43) 1+ k Khi Pi>Pa max, khối đá đàn hồi Chuyển vị đàn hồi tính theo cơng thức (2.44) 1+ µ 1+ µ uk = (σ z − pa ) R02 = (σ z − pa ) R0 rE E Khi Pi Rp khối đá trạng thái đàn hồi, ứng suất hướng tâm σre ứng suất tiếp tuyến σθe xác định theo cơng thức: 10 2.2.5 Đặc điểm đường hầm có gia cố a K chống đỡ bê tông phun b Xác định khả chống đỡ hầm neo gia cố 2.3 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PHASE ĐỂ TÍNH TỐN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM THEO CƠNG NGHỆ THI CÔNG NATM 2.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn a Giới thiệu tổng quan phương pháp phần tử hữu hạn b Phương pháp phần tử hữu hạn cơng trình ngầm c Các bước tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn 2.3.2 Cơ sở lý thuyết phần mềm Phase 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Tính tốn đường hầm theo phương pháp mỏ truyền thống, khối đá xung quanh hầm xem nguồn gây tải trọng, kết cấu vỏ hầm tính tốn cho đảm bảo khả chịu lực khối đất đá tác dụng lên đường hầm Vì vậy, tính toán chưa tận dụng khả chịu lực khối đất đá quanh hầm Ngày với phát triển khoa học cơng nghệ áp dụng kết cấu chống đỡ bê tơng phun có vai trò quan trọng, đồng thời phát triển khoa học máy tính, phương pháp số, việc tính tốn đường hầm trở nên thuận tiện Tính tốn kết cấu xây dựng đường hầm theo công nghệ NATM ngày áp dụng rộng rải nhằm khắc phục nhược điểm phương pháp mỏ truyền thống giảm thiểu chi phí xây dựng cơng trình 11 CHƯƠNG TÍNH TỐN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐAKRƠNG THEO CƠNG NGHỆ NATM 3.1 GIỚI THIỆU CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐAKRƠNG Cơng trình thuỷ điện Đakrơng xây dựng thuộc địa phận xã Húc Nghì, huyện Đakrơng, tỉnh Quảng Trị Cơng trình có cơng suất lắp máy 12MW, điện lượng bình quân năm 45,80 triệu KWh Các hạng mục cơng trình bao gồm: Đập đâng đập tràn, đường hầm dẫn nước tháp điều áp, đường ống áp lực nhà máy thủy điện Đường hầm dẫn nước xây dựng từ tuyến đập đến nhà máy có tổng chiều dài 1089m, đường kính đường hầm D=3,4 m Các thơng số cơng trình: - Cơng suất lắp máy (Nlm) : 12,0 MW; - Lưu lượng lớn phát điện (Qmax) :34,52 m3/s; - Số tổ máy : 02 tổ; : 52,916 m; - Cột nước lớn (Hmax) - Cột nước nhỏ (Hmin) : 41,298 m; : 41,298 m; - Cột nước tính tốn (Htt) - Cột nước trung bình (Htb) : 50,253 m; : + 181,00 m; - Mực nước dâng bình thường (MNDBT) - Mực nước lũ thiết kế (p=1,0%) : + 186,47 m; - Mực nước lũ kiểm tra (p=0,2%) : + 188,57 m; - Mực nước chết (MNC) : + 177,00 m; - MN lớn tháp điều áp có nước va: + 197,50 m; : + 145,10 m; + MNHL max ứng với lũ p = 0,2% + MNHL xả Q = 0,6Qmax tổ máy : + 129,16m; Theo báo cáo kết khảo sát địa chất khu vực xây dựng cơng trình, địa chất khu vực tuyến hầm gồm lớp đất đá sau: 12 Lớp sườn tàn tích (edQ) đới phong hóa mãnh liệt (IA1): Thành phần sét màu xám nâu, nâu tím lẫn 10-50% dăm sạn thạch anh đá gốc, đôi chỗ lẫn đá tảng lăn đá trầm tích Đới phong hóa mạnh (IA2): Đá trầm tích phong hóa mạnh màu xám nâu, nâu đỏ, nâu tím Đá mềm yếu đến cứng yếu, nứt nẻ mạnh, khe nứt có sét lấp nhét Đới phân bố khơng Đới đá phong hóa (IB): Đá trầm tích phong hóa màu xám nâu, xám xanh, tím hồng, tím gụ Đá cứng yếu đến trung bình, nứt nẻ mạnh, khe nứt hở có ơxit sắt bám Bề dày đới từ đến 7m; Đới đá nứt nẻ, giảm tải (IIA): Đá cát kết, cuội sạn kết có màu xám xanh, xen kẹp lớp cát bột kết có màu xám nâu, tím nhạt, tím gụ Đá phong hóa nhẹ, cứng đến cứng chắc, nứt nẻ trung bình đến mạnh, khe nứt bị lấp đầy canxit, độ bền học giảm nhẹ Bề dày đới không đồng 7-15m Cường độ kháng nén đới cao, trung bình 543kG/cm2 Đới đá tương đối nguyên vẹn (IIB): Đá giống đới IIA, chưa bị biến đổi, cứng đến cứng chắc, độ bền học cao, nứt nẻ yếu Cường độ kháng nén trung bình mẫu đá IIB cao 752kG/cm2 Đá thấm nước yếu Bảng 3.1 Các tiêu lý khối đá khu vực xây dựng đường hầm TT Các tiêu Dung trọng (T/m3) Độ sâu 50m Độ sâu 200m Lực dính khối đá (MPa) Độ sâu 50m Độ sâu 200m Cường độ kháng nén mẫu đá bảo hòa (MPa) Edq &IA1 1,85 Đới IA2 2,00 Đới IB 2,60 Đới IIA 2,73 Đới IIB 2,74 19 26 33 49 53 40 44 0.08 0.23 0.51 0.34 0.67 25 54 75 Góc ma sát (độ) 0.023 0.03 13 TT Các tiêu Edq &IA1 Đới IA2 Đới IB Đới IIA Đới IIB Mô đun biến dạng khối đá (MPa) Độ sâu 50m Độ sâu 200m Mô đun đàn hồi khối đá (MPa) 90 250 1100 600 2800 5900 6200 14800 9200 9800 23000 16 55 8,3 0,28 0,25 5,4 6,0 0,22 7,5 2,5 Cường độ kháng kéo khối đá bảo hòa (kG/cm2) 10 Hệ số Poisson Hệ số kiên cố (f) Hệ số thấm (UL) 0,3 10,0 Đối với đường hầm thủy điện Đakrông 1, phương pháp NATM mang lại hiệu cao đường hầm qua vùng địa chất tốt, khối đá quanh hầm có khả chịu lực ổn định đường hầm Do luận văn chủ yếu tính tốn ổn định đường hầm qua khu vực có địa chất IIB có tính chất lý bảng 3.1 3.2 TÍNH TỐN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM THEO PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG 3.2.1 Xác định áp lực tác dụng lên đường hầm kích thước kết cấu d01: Chiều dày kết cấu đường hầm tínhtheo cơng thức Protodiakonov d02 Chiều dày kết cấu đường hầm tính theo cơng thức Davưdov Bảng 3.2 Kết tính tốn tải trọng tác dụng lên đường hầm theo công thức (2.1) B0 H0 γ Φ B hH q Đới địa f chất m m T/m Độ m m T/m2 IIB 4,0 4,0 7,5 2,74 44 7,39 0,49 1,35 14 Bảng 3.3 Kết tính tốn tải trọng tác dụng lên đường hầm theo công thức (2.3) Đới địa chất B0 m IIB H0 m 4,0 f 4,0 7,5 γ T/m3 2,74 Ka hH m 0,13 0,52 q T/m2 1,42 Bảng 3.4 Kết tính tốn chiều dày kết cấu gia cố đường hầm theo công thức (2.6), (2.7) d 01 d02 dcv dt Đới địa f chất m m m m m Đới IIB 7,5 0,15 0,14 0,15 0,23 0,27 Theo kết tính tốn bảng trên, chiều cao cột đất rời rạc gây tải trọng tác dụng lên kết cấu chống đỡ đường hầm hầm qua đới đá IIB 0,52m, tương ứng với tải trọng tác dụng lên vòm thuộc đới đá IIB 1,42T/m2 Do có cột đất, đá gây tải trọng đỉnh vịm hầm, để hầm khơng bị sụt lở cần xây dựng kết cấu vỏ hầm để chống lại áp lực cột đất vòm hầm Theo kết tính tốn bảng (3.4) chiều dày kết cấu chống đỡ đường hầm bê tông cốt thép qua lớp IIB 27cm Để thuận lợi thi công chọn chiều dày gia kết cấu bê tông chống đỡ đường hầm 30cm 3.2.2 Tính tốn nội lực kết cấu đường hầm Kết tính tốn kết cấu đường hầm theo phương pháp truyền thống: Bảng 3.5 Các thông số mặt cắt hầm theo phương pháp truyền thống Rng (m) R (m) Rtr (m) Ebt J (m4) q (T/m) a K (T/m2) 1,85 1,7 24000 0,00225 1,42 0,919 250000 15 Bảng 3.9 Tổng hợp nội lực kết cấu hầm Nội lực M (T.m) N (T) 0o 1,060 2,881 45o -0,021 4,063 90o -1,025 5,795 135o -0,035 6,768 2,881T 1,060 T.m 4,063T 0,021 T.m 0,021 T.m 1,025 T.m 1,025 T.m 0,035 T.m 0,035 T.m 180o 1,092 7,140 4,063T 5,795T 5,795T 6,768 T 6,768 T 1,092 T.m 7,140 T a) Biểu đồ mô men b) Biểu đồ lực dọc Hình 3.3 Biểu đồ nội lực kết bê tông gia cố hầm Kiểm tra khả chịu lực kết cấu đường hầm Bảng 3.10 Kểm tra diện ứng suất nén kết cấu hầm theo công thức (2.27) o Góc 45o 90o 135o 180o M (T.m) 1,060 -0,021 -1,025 -0,035 1,092 N (T) 2,881 4,063 5,795 6,768 7,140 e (m) 0,368 -0,005 -0,177 -0,005 0,153 σn (T/m ) 80,256 12,118 -49,001 20,252 96,600 Bảng 3.11 Kiểm tra diện tích cốt thép kết cấu hầm theo công thức (2.29) Mặt cắt 0o 45o 90o 135o 180o Ra (kG/cm2) Rb (kG/cm2) b (cm) 2700 2700 2700 2700 2700 90 90 90 90 90 100 100 100 100 100 ho (cm) M (kGcm) x (cm) 25 106000 0,476 25 2100 0,009 25 102500 0,460 25 3500 0,016 25 109200 0,490 Fa (cm2) 1,585 0,031 1,533 0,052 1,634 16 Do diện tích cốt thép theo tính tốn tương đối nhỏ, để đảm bảo định vị cốt thép trình thi cơng bê tơng, bố trí 5ϕ12 có Fa = 5,652cm2 Qua kết tính tốn theo bảng ta có: - Ứng suất nén lớn bê tông M200 σn = 96, 6T/m2< [σn] = 900T/m2 - Bố trí cốt thép đảm bảo diện tích cho vùng chịu kéo - Kết cấu đảm bảo điều kiện chịu nứt Theo kết tính tốn trên, kết cấu hầm chọn đảm bảo khả chịu lực 3.3 TÍNH TỐN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM THEO CƠNG NGHỆ NATM 3.3.1 Đánh giá chất lượng khối đá Bảng 3.13 Đánh giá chất lượng khối đá theo số RMR Đới đá IIB Các thông số Giá trị Điểm Cường độ kháng nén (MPA) 2.21 7.00 Giá trị RQD (%) 75.00 13.00 Bước khe nứt (mm) 300.00 20.00 nhám nhẹ, độ mở Mặt khe nứt 12.00 1mm Nước ngầm khơ 10.00 RMR 62.00 3.3.2 Các hình thức gia cố đường hầm theo NATM Theo đánh giá điều kiện địa chất độ sâu đường hầm, lựa Đoạn thân hầm từ Km0+150 đến Km0+868 địa chất hầm đá IIB có điểm số RMR =62 tương đối tốt Đá tươi nguyên khối, đá nứt vỡ rơi thành mãnh nhỏ, biến dạng Đường hầm đảm bảo ổn định thời gian dài Áp dụng kiểu gia cố vỏ hầm bê tông phun M300 dày 5cm cú li thộp 17 Tim tuyến hầm bê tông phun M300 dµy 5cm l−íi B40 Hình 3-4: Mặt cắt gia cố hầm qua đá tốt IIB 3.3.3 Ứng dụng phần mềm Phase tính tốn kết cấu đường hầm theo cơng nghệ NATM a Mặt cắt tính tốn thông số vật liệu Để đại diện mặt cắt hầm qua đới đá IIB, chọn mặt cắt lý trình K0+629 có độ sâu xây dựng đường hầm 236.5m để tính tốn Bảng 3.14 Bảng tiêu lý đá mặt cắt lý trình Km0+629 Lớp đất Chiều dày lớp (m) γ (KN/m3) C (Mpa) φ E EdQ+IA1 11.000 18.5 0.023 19.0 90 IA2 IB IIA 6.4 15.2 64.2 20.0 26.0 27.3 0.030 0.120 0.330 26.0 33.0 40.0 250 1100 5900 0.30 0.28 0.25 IIB Tổng 139.700 236.500 27.4 0.480 44.0 9800 0.22 µ Bảng 3.15 Bảng thông số vật liệu bê tông phun gia cố hầm TT Đặc tính Cường độ chịu nén Trọng lượng đơn vị Mô đun đàn hồi Hệ số Pốt xơng b Ký hiệu Σ γ E µ Đơn vị MPa KN/m3 MPa Bê tơng phun 30 24,5 27000 0,2 Các trường hợp tính tốn giai đoạn tính tốn Trường hợp 1: Gia cố đường hầm sau phát sinh áp lực lên đường hầm đạt 30% (gia cố mặt gương đào) 18 Trường hợp 2: Gia cố đường hầm sau phát sinh áp lực lên đường hầm đạt 60% (gia cố cách mặt gương đào 2,5m) Trường hợp 3: Gia cố đường hầm sau phát sinh áp lực lên đường hầm đạt 100% (gia cố cách mặt gương đào 10m) Ứng với trường hợp gia cố nêu trên, ứng suất, biến dạng đường hầm xác định qua giai đoạn sau: Giai đoạn đầu: Khối đá quanh hầm trạng thái nguyên sinh; Giai đoạn 1: Hầm thi cơng đào tồn gương; Giai đoạn 2: Hầm đào xong hoàn thành gia cố bê tông phun; Giai đoạn 3: Đường hầm xây dựng hoàn thành vận hành với MNDBT (cột nước lớn hầm 36m) Giai đoạn 4: Đường hầm xây dựng hoàn thành vận hành với MNDBT xuất áp lực nước va (cột nước lớn hầm 52m) c Mơ hình tính tốn Phạm vi mơ hình tính tốn là: - Đường hầm xây dựng lòng đất đá độ sâu H - Khoảng cách tim hầm đến biên tính tốn 5D - Biên trái, phải mơ hình gán liên kết cố định theo phương ngang, tự theo phương đứng - Biên đáy mơ hình gán liên kết cố định theo phương thẳng đứng tự theo phương ngang hầm - Mặt đất tự 19 Mơ hình tính tính tốn H 6D 5D 5D Hình 3.7 Mơ hình tính tốn d K ết tính tốn ứng suất biến dạng đường hầm Bảng 3.16 Tổng hợp kết tính tốn trường hợp Kết tính tốn TT Giai đoạn Giai đoạn ban đầu: Hầm chưa đào + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vòm σ1 (MPa) σ3 (MPa) Chuyển vị biên hầm (m) 6.30 6.30 6.30 3.80 3.80 3.80 0.00 0.00 0.00 20 Kết tính tốn TT Giai đoạn Giai đoạn 1: Hầm đào xong chưa gia cố + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vòm Giai đoạn 2: Hầm lắp đặt kết cấu chống đỡ + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vòm Giai đoạn 3: Hầm thi cơng hồn thành vận hành với MNDBT + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vịm Giai đoạn 4: Hầm thi cơng hồn thành vận hành với MNDBT xuất nước va dương lớn + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vòm σ1 (MPa) σ3 (MPa) Chuyển vị biên hầm (m) 1.75 4.00 0.50 0.18 0.18 0.00 6.3e – 004 2.4e – 004 6.3e – 004 5.40 7.20 2.25 0.60 0.80 0.00 4.95 6.75 2.25 0.80 1.00 0.40 2.10e – 003 9.50e – 004 2.00e – 003 4.95 6.30 2.25 1.00 1.20 0.60 2.10e – 003 9.00e – 004 1.90e – 003 2.20e – 003 1.00e – 003 2.10e – 003 21 Bảng 3.17 Tổng hợp kết tính tốn trường hợp Kết tính tốn TT Giai đoạn Giai đoạn ban đầu: Hầm chưa đào + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vòm Giai đoạn 1: Hầm đào xong chưa gia cố + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vòm Giai đoạn 2: Hầm lắp đặt kết cấu chống đỡ + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vịm Giai đoạn 3: Hầm thi cơng hồn thành vận hành với MNDBT + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vịm Giai đoạn 4: Hầm thi cơng hồn thành vận hành với MNDBT xuất nước va dương lớn + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vòm σ1 (MPa) σ3 (MPa) Chuyển vị biên hầm (m) 6.30 6.30 6.30 3.80 3.80 3.80 0.00 0.00 0.00 3.30 4.20 1.20 0.30 0.30 0.00 1.4e – 003 6.0e – 004 1.3e – 003 4.95 5.85 1.80 0.40 0.40 0.00 2.4e – 003 1.1e – 003 2.2e – 003 4.50 5.40 1.80 0.60 0.80 0.40 2.3e – 003 1.0e – 003 2.1e – 003 4.50 5.40 1.80 0.80 1.00 0.60 2.30e – 003 9.50e – 004 2.00e – 003 22 Bảng 3.18 Tổng hợp kết tính tốn trường hợp TT Giai đoạn Giai đoạn ban đầu: Hầm chưa đào + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vòm Giai đoạn 1: Hầm đào xong chưa gia cố + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vòm Giai đoạn 2: Hầm lắp đặt kết cấu chống đỡ + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vòm Giai đoạn 3: Hầm thi cơng hồn thành vận hành với MNDBT + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vòm Giai đoạn 4: Hầm thi cơng hồn thành vận hành với MNDBT xuất nước va dương lớn + Đỉnh vòm + Bên vòm + Đáy vòm Kết tính tốn Chuyển vị σ1 σ3 biên hầm (m) (MPa) (MPa) 6.30 6.30 6.30 3.80 3.80 3.80 0.00 0.00 0.00 4.0 4.5 2.0 0.4 0.4 0.0 2.60e – 003 1.40e – 003 2.30e – 003 4.0 4.5 2.0 0.4 0.2 0.0 2.60e – 003 1.40e – 003 2.30e – 003 3.60 4.05 1.80 0.6 0.6 0.6 2.40e – 003 1.20e – 003 2.10e – 003 3.6 4.0 1.8 0.6 0.6 0.6 2.40e – 003 1.20e – 003 2.10e – 003 23 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Theo kết đánh giá địa chất cơng trình thủy điện Đakrơng 1, khu vực xây dựng đường hầm chủ yếu thuộc đới đá đá IIB Phương pháp NATM mang lại hiệu cao đường hầm qua vùng địa chất tốt, khối đá quanh hầm có khả chịu lực có khả tự ổn định Để đánh giá hiệu xây dựng đường hầm theo công nghệ NATM so với phương pháp truyền thống, tác giả chọn mặt cắt hầm Km0+629 có chiều sâu lớn thuộc đới đá IIB để tính tốn Theo kết tính tốn với phương pháp xây dựng hầm truyền thống, chiều cao vùng sạt lở vòm hầm 0,52m phải xây dựng kết cấu vỏ hầm bê tông cốt thép M200 dày 30cm để chống lại áp lực khối nêu Qua kết tính toán toán ứng suất, biến dạng kết cấu hầm thi công theo công nghệ NATM: Trong giai đoạn xây dựng đường hầm, ứng suất σ1 ứng suất nén giá trị lớn chủ yếu tập trung biên trái phải hầm, giá trị ứng suất nén lớn σ1 = 4,5 MPa nhỏ ứng suất cho phép khối đá 75MPa Không xuất ứng suất kéo vị trí biên hầm Chuyển vị biên hầm lớn U=2,6mm nhỏ biến dạng khuyến cáo 25mm, đường hầm đảm bảo ổn định KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn thực tính tốn ổn định kết cấu đường hầm dẫn nước cơng trình thủy điện Đakrơng theo phương pháp là: Tính tốn kết cấu hầm thi cơng theo phương pháp truyền thống tính tốn kết cấu đường hầm theo công nghệ NATM Kết tính tốn cho thấy: Khi tính tốn đường hầm theo phương pháp truyền thống, đỉnh vịm hầm ln hình thành vùng ổn định gây sụt lở tạo áp lực lên kết cấu đường hầm Để ổn định đường hầm qua khu vực có địa chất đá IIB cần xây dựng kết cấu chống đỡ bê tông cốt thép M200 dày 30cm chống lại áp lực đất đá vùng ổn định nêu Do phải xây dựng kết cấu chống đỡ áp lực hầm bê tông liền khối 24 M200 dày 30cm nên việc xây dựng đường hầm theo phương pháp truyền thông chưa kinh tế đường hầm qua vùng có địa chất tốt kéo dài thời gian thi công Kết tính tốn đường hầm theo cơng nghệ NATM cho thấy, Đối với điều kiện địa chất IIB cơng trình thủy điện Đakrơng 1, tính tốn theo phương pháp NATM cần sử dụng bê tông phun M300 dày 5cm để bảo vệ khối đá hầm đảm bảo tự ổn định Với kết cấu đường hầm bê tông phun M300 dày 5cm giảm chi phí cho cơng trình rút ngắn thời gian thi cơng Qua kết tính tốn kết cấu hầm theo phương pháp ta thấy: Tính tốn đường hầm theo công nghệ NATM bước tiếp cận toán nâng cao hiệu kinh tế xây dựng đường hầm thủy điện nói riêng đường hầm nói chung Kết xem xét áp dụng để thay kết cấu vỏ hầm truyền thống đường hầm xây dựng qua khu vực có địa chất tốt, thấm nước có khả đảm bảo ổn định chịu lực Kiến nghị Do khả chịu lực đường hầm thi công theo công nghệ NATM chủ yếu khối đá quanh hầm nên q trình thi cơng cần lắp đặt thiết bị quan trắc để theo dõi ứng suất khối đá biến dạng gương hầm để đánh giá lại kết tính tốn làm sở cho việc điều chỉnh, bổ sung kết cấu gia cố kịp thời Cần tính tốn biện pháp nổ mìn hợp lý để đảm bảo tối đa tính nguyên vẹn khối đá quanh hầm Các cán thi công hầm phải đào tạo, nắm vững quy trình thi cơng, đồng thời phối hợp cơng việc có hệ thống hiệu Bố trí hố thu đá phục vụ thu gom đá nhỏ trình vận hành cơng trình Hướng nghiên cứu Nghiên cứu ổn định đường hầm qua khu vực địa chất đứt gãy chịu ảnh hưởng nước ngầm ... Kết luận Luận văn thực tính tốn ổn định kết cấu đường hầm dẫn nước cơng trình thủy điện Đakrơng theo phương pháp là: Tính tốn kết cấu hầm thi cơng theo phương pháp truyền thống tính tốn kết cấu. .. Chương Tổng quan xây dựng đường hầm Chương Các phương pháp tính tốn kết cấu đường hầm Chương Tính tốn kết cấu đường hầm dẫn nước cơng trình thủy điện Đakrông theo công nghệ NATM CHƯƠNG TỔNG QUAN... điện làm giảm kết cấu gia cố đường hầm giảm chi phí cho cơng trình Do đề tài ? ?Nghiên cứu tính tốn ổn định kết cấu đường hầm dẫn nước cơng trình thủy điện Đakrơng theo cơng nghệ NATM? ?? yêu cầu cấp