Khảo sát địa chất công trình cho xây dựng công trình ngầm

Nội dung bài viết trình bày sự phát triển đi lên của các hoạt động kinh tế - xã hội của đất nước, xây dựng công trình ngầm với nhiều mục đích công năng khác nhau chắc chắn sẽ là xu thế rõ ràng. Điều đó bắt buộc chúng ta phải quan tâm đến những vấn đề chuyên môn đặc thù liên quan đến xây dựng công trình ngầm. Một trong số đó là khảo sát địa chất công trình với mục tiêu và nhiệm vụ được đặt ra là thu thập và xác lập hồ sơ dữ liệu về các căn cứ địa chất công trình làm cơ sở cho quy hoạch, thiết kế, thi công và giám sát thi công xây dựng công trình ngầm.

HÂO SÁT ĐÐA CHÇT CÔNG TRÌNH CHO XÅY DỰNG

CÔNG TRÌNH NGÆM Nguyễn Ngọc Huệ 1

, Lê Minh Quang 1

1.Trường Đại học Thủ Dầu Một

Tóm tắt

Từ trước đến nay, ở Việt Nam, một số công trình ngầm đã từng được xây dựng trong các lĩnh vực giao thông vận tải, thủy điện, khai thác khoáng sản, nhưng trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng kỹ thuật đô thị, xây dựng dân dụng và công nghiệp, kho bãi v.v thì chúng ta mới tiến hành một số ít công trình Chính vì vậy mà ở nước ta kinh nghiệm về khảo sát, quy hoạch thiết kế, thi công cũng như giám sát thi công trong xây dựng công trình ngầm còn rất hạn chế Theo đà phát triển đi lên của các hoạt động kinh tế - xã hội của đất nước, xây dựng công trình ngầm với nhiều mục đích công năng khác nhau chắc chắn sẽ là xu thế rõ ràng Điều đó bắt buộc chúng ta phải quan tâm đến những vấn đề chuyên môn đặc thù liên quan đến xây dựng công trình ngầm Một trong số đó là khảo sát địa chất công trình với mục tiêu và nhiệm vụ được đặt ra là thu thập và xác lập hồ

sơ dữ liệu về các căn cứ địa chất công trình làm cơ sở cho quy hoạch, thiết kế, thi công

và giám sát thi công xây dựng công trình ngầm

1 Mở đầu

Điều kiện địa chất là một trong những yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự ổn định của công trình ngầm Quy hoạch chọn địa điểm, thiết kế và thi công công trình ngầm phải dựa trên cơ sở đánh giá định tính sự ổn định của công trình Trong quá trình khảo sát địa chất công trình, điều quan trọng chủ yếu là phải dự báo đánh giá sự ổn định của đá vây quanh công trình sau khi đã xây dựng xong, nhằm mục đích cung cấp dữ liệu cho thiết kế và thi công công trình Có hai yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự ổn định của công trình là yếu tố địa chất và yếu tố xây dựng gồm thiết kế

và thi công Đối với yếu tố địa chất cần chú ý đến đặc trưng kết cấu của thể đá nguyên trạng, cường độ chịu lực của thể đá nguyên trạng và hoạt động của nước ngầm

2 Phân tích những yếu tố ảnh hưởng đến n định công trình ngầm

2.1 Cường độ của đất đá

Thể đá nguyên trạng được hiểu là một khối đá với kích thước bất kỳ còn đang hiện diện trong môi trường tự nhiên của nó Đặc trưng kết cấu của thể đá nguyên trạng chỉ các bề mặt

xuyên cắt trong nó, gồm các bề mặt phân cách địa tầng các lớp đất - đá), bề mặt khe nứt, bề

mặt đứt gãy Các bề mặt xuyên cắt này làm cho thể đá nguyên trạng mất đi tính nguyên khối liền khối) ở những mức độ khác nhau Để đánh giá định lượng mức độ nguyên khối người ta

đưa ra hệ số nguyên khối KV và dựa vào đó để đánh giá trạng thái nguyên khối của thể đá nguyên trạng Cường độ của thể đá nguyên trạng được đánh giá dựa vào cường độ kháng nén

ở trạng thái bão hòa của đá kết hợp với đánh giá mức độ nguyên khối của nó

Bảng 1 Phân cấp mức độ cứng rắn của đá dựa theo giá trị cường độ kháng đơn trục ở

trạng thái bão hòa của đá fr

cứng

Tương đối mềm

Bảng 2 Phân cấp mức độ nguyên khối của thể đá nguyên trạng dựa theo hệ số nguyên khối

KV = (VP/V’P)

Mức độ nguyên

khối

Nguyên khối Tương đối

nguyên khối

Tương đối vỡ vụn

Vỡ vụn Rất vỡ vụn

Ghi chú: VP – tốc độ sóng đàn hồi dọc đo tại hiện trường của đá m/s);

V‟P – tốc độ sóng đàn hồi dọc của mẫu đá khô đo trong phòng thí nghiệm

Trạng thái ứng suất ban đầu của môi trường đất - đá là một trong những yếu tố cần phải

xét đến khi thiết kế và thi công xây dựng công trình ngầm Trạng thái ứng suất ban đầu gồm

có ứng suất địa tĩnh và ứng suất kiến tạo, chúng hiện diện trong môi trường đất - đá tự nhiên

trước khi công trình được khởi công

Ứng suất địa tĩnh là do trọng lượng bản thân của đất - đá tạo nên, được đặc trưng bằng

ba giá trị ứng suất chính, một theo phương thẳng đứng Z và hai theo phương nằm ngang X

và Y, trong đó tính Z, X và Y như sau:





 n

i

i i

1



 ,

trong đó: i – dung trọng của lớp đất thứ i T/m3

); hi – chiều dày của lớp đất - đá thứ i m)

z y

x  K 

   0 ; trong đó K 0 – hệ số áp lực hông

Ứng suất kiến tạo gây nên bởi lực kiến tạo phát sinh từ các vận động địa chất nội lực

trong vỏ trái đất Môi trường đất - đá sau khi đã hình thành, trong suốt quá trình tồn tại nó

luôn trải qua nhiều kỳ vận động địa chất như vận động nâng hạ mặt đất, vận động tạo núi Ứng suất kiến tạo theo phương thẳng đứng và phương nằm ngang đều có giá trị khác nhau, đồng thời trên mặt phẳng nằm ngang thường xuất hiện ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất, giá trị của chúng không bằng nhau Một lần xảy ra vận động địa chất sẽ tạo nên ứng suất kiến tạo hiện diện bên trong địa tầng, về sau chúng có thể biến đổi và giải thoát gây nên các hiện tượng địa chất trong công trình ngầm, tạo nên những biến dạng dị thường hoặc hiện tượng phụt mảnh đá, gây mất ổn định của công trình

2.2 Tác động của nước ngầm

Tác động của nước ngầm đối với sự ổn định của công trình ngầm là gây ra áp lực thủy

tĩnh tác dụng lên các kết cấu khung vỏ chống đỡ, làm giảm cường độ chịu lực của đất - đá vây quanh, gây ra biến dạng và mất ổn định cho đất - đá vây quanh; gây ra các hiện tượng dẫn đến

sự uy hiếp đối với sự ổn định của công trình ngầm như hiện tượng phong hóa phát triển, hiện

tượng ăn mòn hóa học tạo nên hang động trong đất - đá vây quanh Công trình ngầm trong

nền đất có thể xuất hiện áp lực thủy động, từ đó gây ra các hiện tượng cát chảy, xói ngầm, đồng thời nước ngầm thấm vào trong không gian của công trình ngầm, gây khó khăn cho thi công và những hoạt động sau này của công trình

3 Phương pháp và nội dung khảo sát đị chất công trình cho xây dựng công trình ngầm

Khi khảo sát địa chất công trình cho xây dựng công trình ngầm cần đặc biệt chú ý nghiên cứu địa mạo, tức là nghiên cứu các đặc trưng hình thái của địa hình và quá trình động lực làm biến đổi địa hình Bởi vì các đặc trưng địa mạo sẽ chi phối việc quy hoạch chọn nơi đặt cửa vào và đường trục của công trình ngầm, cao độ của nó, tiết diện và chiều dài của công trình Ở trong môi trường đá cửa vào thường được chọn nơi địa tầng có lớp đá dày và đá có cường độ cao, độ dốc địa hình cao, không nhỏ hơn 450, không được chọn những nơi có vách đá cao dễ sạt lở, có hiện tượng trượt, đá đổ, lũ đá Những nơi ứng suất kiến tạo cao thì đường trục công trình phải chọn theo hướng song song với phương của ứng suất chính trên mặt phẳng nằm ngang Đường trục công trình phải giao cắt nhau với đường phương của địa tầng hoặc đường phương của đứt gãy thành một góc lớn, không nhỏ hơn 400, đồng thời bố trí dọc theo đường đỉnh của khối núi, không được

bố trí cắt qua vùng trũng thấp hoặc các khe hẻm Trường hợp bất khả kháng phải bố trí đường trục công trình đi qua những đơn nguyên địa mạo kém ổn định thì bắt buộc phải có biện pháp gia cố, thoát nước hoặc thiết kế kết cấu chống đỡ

Thiết kế và thi công xây dựng công trình ngầm có những vấn đề chuyên môn mang tính đặc thù của nó, vì vậy khảo sát địa chất công trình cho xây dựng công trình ngầm cũng có những mục đích và yêu cầu riêng Về phương pháp, thường áp dụng đầy đủ các phương pháp như đo vẽ thực địa, khoan đào, thăm dò địa vật lý, thí nghiệm trong phòng và hiện trường, kể

cả phương pháp quan trắc hiện trường

Đo vẽ thực địa nghiên cứu các bề mặt kết cấu, các tổ chức khe nứt, vị trí thế nằm các đứt gãy, kích thước và trạng thái gắn kết và mức độ chứa nước của đứt gãy, của khe nứt, nghiên cứu các đặc trưng địa mạo và các hiện tượng địa chất ngoại sinh, hình thái và sự ổn định của địa hình

Phương pháp khoan đào kết hợp địa vật lý nghiên cứu đặc trưng địa tầng, sự phân bố

của địa tầng và môi trường đất - đá, bề dày của tầng phủ và đới phong hóa, xác minh quy luật

của các đứt gãy, các tổ hợp khe nứt, các lớp kẹp mềm yếu và các hang động

Phương pháp thí nghiệm trong phòng nghiên cứu các tính chất cơ - lý của đất và đá,

những tính chất đặc trưng riêng như hệ số hóa mềm của đá, tính chất ăn mòn tạo hang động, tính trương nở, tính lún ướt

Thí nghiệm hiện trường nghiên cứu các đặc trưng cơ học của thể đá nguyên trạng và của các bề mặt kết cấu, nghiên cứu phạm vi phát triển của đới xáo động trong đá vây quanh và trạng thái ứng suất tự nhiên, các đặc trưng sóng đàn hồi của thể đá nguyên trạng, nghiên cứu

địa nhiệt và khả năng chứa khí cháy và khí độc trong môi trường đất - đá

Phương pháp quan trắc theo dõi diễn biến lâu dài của các hiện tượng biến dạng và ứng

suất trong đất - đá vây quanh, áp lực đất - đá và hoạt động của nước ngầm, sự xuất hiện của

khí cháy và khí độc

4 Những vấn đề cần lưu ý

Xây dựng công trình ngầm thường đối mặt với nhiều vấn đề phức tạp và nghiêm trọng như sự ổn định của đất - đá xung quanh công trình, các hiện tượng cơ học và địa chất dị thường, áp lực đất đá biến động, ứng suất địa tĩnh bất thường, tháo khô và chống thấm phức tạp, ảnh hưởng của khí cháy và khí độc Vì vậy quy hoạch, thiết kế, thi công công trình ngầm đòi hỏi phải chặt chẽ, chất lượng cao; đi theo đó khảo sát địa chất công trình cũng phải đòi hỏi đặc biệt, chủ trì đề án khảo sát phải giao trách nhiệm cho chuyên gia có đầy đủ hiểu biết về kỹ thuật khảo sát, về thí nghiệm cả trong phòng và hiện trường, thí nghiệm cả đất và đá, có kinh nghiệm trong đánh giá và dự báo những ảnh hưởng của các hiện tượng địa chất, dự báo những hiện tượng nguy hiểm có thể xảy ra, biết phối hợp với chuyên gia quy hoạch thiết kế đưa ra những ý kiến giúp quy hoạch và thiết kế công trình đạt kết quả tốt nhất Nhiệm vụ khảo sát địa chất công trình cho công trình ngầm nên giao cho những đơn vị có đầy đủ năng lực về thiết bị, về phương pháp và kinh nghiệm thực tế Quan tâm đến kết quả khảo sát địa chất công trình là nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong xây dựng công trình ngầm Những thất bại của một số công trình xây dựng có phần ngầm ở Thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian qua cho thấy những khiếm khuyết trong khảo sát địa chất như không đánh giá ảnh hưởng của nước ngầm và không đưa ra những khuyến cáo về giải pháp kỹ thuật giữ ổn định công trình Một điều đáng quan tâm nữa là phải có sự kết hợp giữa chuyên gia quy hoạch thiết kế công trình với chuyên gia về khảo sát địa chất, đây là một nguyên tắc được đưa ra trong các tài liệu chuyên môn về xây dựng công trình ngầm nhằm đảm bảo cho phương án khảo sát đạt được hiệu quả cao, bảo đảm kết quả khảo sát đã thực hiện đạt mục đích làm cơ sở chắc chắn cho quy hoạch, thiết kế và thi công công trình Hiện nay ở Việt Nam phổ biến tình trạng nhà đầu tư giao trọn gói khảo sát và thiết kế cho đơn vị thiết kế, từ đó đơn vị thiết kế tự đề ra đề cương khảo sát một cách tiết kiệm nhất nhưng không chú ý đến những yêu cầu kỹ thuật thực

tế của công trình xây dựng đối với kết quả khảo sát, từ đó vừa không đảm bảo chắc chắn cho

sự ổn định của công trình và có thể gây ra lãng phí lớn trong thiết kế và thi công Ngoài khảo sát để phục vụ cho quy hoạch thiết kế còn phải chú ý đến khảo sát và thi công Vấn đề này đặc biệt quan trọng đối với xây dựng công trình ngầm Môi trường địa chất và môi trường đất đá thường không đồng nhất và không đẳng hướng khi chịu tác động của yếu tố khách quan, nó sẽ biến đổi và thể hiện sự biến đổi thông qua các hiện tượng mất ổn định Kết quả khảo sát bao giờ cũng dựa trên những dữ liệu hạn chế để đưa ra những đánh giá dự báo Vì vậy, mức độ chắc chắn của những dự báo là có hạn và cần phải được kiểm chứng bằng những thăm dò dự báo trước thi công Do đó, ngoài việc phải tiến hành khảo sát địa chất công trình để phục vụ thi công công trình thì đối với xây dựng công trình ngầm cần phải khảo sát trước thi công nhằm kiểm chứng những đánh giá dự báo đất nền đã được đưa ra trong khảo sát ở giai đoạn trước, đồng thời dự báo những vấn đề phải đối mặt sắp tới trong thi công Với điều kiện địa chất công trình như địa bàn tỉnh Bình Dương, nơi mà phần lớn diện tích được cấu tạo bởi các đất trầm tích cổ và trầm tích hiện đại thì trong khảo sát và đánh giá địa chất công trình cần đặc

Về mặt địa chất nên chọn chôn móng công trình đi qua những lớp có nền đất tốt, có lớp đất cường độ cao và ổn định, không chứa nước, địa tầng nằm ngang và đơn giản Như vậy sẽ đạt được mục đích: công trình ổn định, chi phí tài chính cho xây dựng hợp lý, việc thi công đơn giản

Khi khảo sát cần lưu ý lập nhiều mặt cắt địa chất công trình ở nhiều phân đoạn công trình nhằm phản ánh chi tiết cấu tạo đất đá và các tính chất cơ lý của chúng cũng như điều kiện địa chất thủy văn Khoảng cách giữa các hố khoan khảo sát khoảng từ 100-200 mét; nhưng sẽ khoan dày hơn nếu tuyến công trình đi qua sông, kênh rạch, đứt gãy nhằm làm rõ những nơi địa tầng kém ổn định để đề ra các giải pháp gia cố

Công tác giám sát thi công phải đặc biệt chú ý đến đặc điểm công trình thi công trong điều kiện đô thị, các công trình hiện hữu trên mặt đất sẽ chịu ảnh hưởng nghiêm trọng Nếu thi công đào hở thì phải chú ý mái dốc sụt lở sẽ tác động đến các công trình hiện hữu nằm gần Nếu thi công đào ngầm có thể gây ra hiện tượng mặt đất sụt lún không đều, các công trình hiện hữu sẽ không an toàn Nếu tồn tại mạng lưới hạ tầng kỹ thuật đô thị thì thi công sẽ gặp nhiều trở ngại; nếu tuyến công trình cắt qua sông thì cần phải dựa vào đặc điểm địa hình, địa mạo và cấu tạo địa chất cụ thể để chọn tuyến tránh nơi nước sâu, cấu tạo địa chất phức tạp, đặc biệt chú ý đến điều kiện địa chất thủy văn

Một trong những vấn đề cốt lõi trong xây dựng công trình ngầm là chống thấm bởi vì khi cắt qua sông không thể tiến hành thoát nước, nước từ sông hồ ập vào nên lượng nước rất lớn Ngoài ra trong khảo sát cần phải làm rõ địa hình dưới nước bằng các phương pháp khoan

và địa vật lý

TÀI LIỆU THAM HÂO

1 n Young Xơn 2002), Thiết kế công trình ngầm, NXB Xây dựng

2 B.N Whitetaker and R.C Frith (1990), Tunnelling Design Stability and Construction, London IMM

3 Đỗ Như Tráng 1997), Áp lực đất đá và tính toán kết cấu công trình ngầm Tài liệu đào tạo sau đại

học), H Học viện Kỹ thuật Quân sự

4 Lê Văn Thưởng, Đinh Xuân Bảng, Nguyễn Tiến Cường, Phí Văn Lịch 1981), Cơ sở thiết kế công

trình ngầm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

5 Nguyễn Ngọc Huệ (2000), “Tính toán ảnh hưởng của neo đến sự xuất hiện của áp lực đất đá và

chuyển vị của biên hầm” Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật - Học viện Kỹ thuật Quân sự Số 98,

trang 70 - 76

6 Trần Thanh Giám, Tạ Tiến Đạt 2002), Tính toán thiết kế công trình ngầm, NXB Xây dựng