Từ những vấn đề tổng quan trờn, cú thể rỳt ra một số kết luận sau:
- Cụng trỡnh hầm ngày càng cú vai trũ to lớn trong việc phỏt triển kinh tế - xó hội của đất nước. Trong cỏc cụng nghệ xõy dựng cụng trỡnh ngầm, phương phỏp khoan nổ mỡn đang được ỏp dụng nhiều và vẫn sẽ là chủ đạo trong thời gian tới. Quỏ trỡnh xõy dựng cỏc cụng trỡnh ngầm cũng là quỏ trỡnh từng bước làm chủ cụng nghệ, trưởng thành và lớn mạnh của cỏc doanh nghiệp xõy dựng Việt Nam. Tuy nhiờn, khú
khăn lớn nhất đối với cỏc doanh nghiệp xõy dựng hầm Việt Nam là năng lực về trang, thiết bị và tiền vốn làm ảnh hưởng đến khả năng cạnh tranh trờn thị trường. Vỡ vậy để nõng cao năng lực cạnh tranh thỡ cỏc nhà thầu cần chỳ trọng đến cụng tỏc lập kế hoạch xõy dựng để lựa chọn được phương ỏn thi cụng hợp lý, phự hợp với điều kiện hiện cú của doanh nghiệp, đỏp ứng cỏc yờu cầu của chủ đầu tư.
- Việc lập phương ỏn thi cụng đúng vai trũ quan trọng, đảm bảo cho dự ỏn xõy dựng thành cụng, bởi vỡ nú tạo ra một đầu mối liờn kết trung tõm để điều phối cụng việc của nhiều bờn khỏc nhau tham gia dự ỏn. Việc lập phương ỏn thi cụng cũng là một cụng tỏc phức tạp, bao gồm nhiều quỏ trỡnh khỏc nhau, nhiều giai đoạn khỏc nhau. Nếu lập được phương ỏn hợp lý, khoa học thỡ sẽ tạo được cơ sở để thi cụng, kiểm soỏt và điều khiển, nhằm hồn thành dự ỏn thỏa món tốt nhất cỏc mục tiờu đề ra về thời gian, chất lượng, chi phớ... Nú sẽ càng cú ý nghĩa nếu được giải quyết trong điều kiện hạn chế về tài nguyờn thi cụng.
- Một cụng cụ quan trọng và hữu hiệu để thiết lập và lựa chọn phương ỏn thi cụng hiện nay là sử dụng mụ phỏng. Cụng cụ này giỳp lập kế hoạch dự ỏn, cho phộp đưa ra nhiều kịch bản thay thế cũng như giỳp người quản lý dự đoỏn kết quả với cỏc điều kiện thay đổi khỏc nhau... Đõy là hướng nghiờn cứu đó được phỏt triển trờn thế giới nhưng ở Việt Nam hiện cũn bỏ ngỏ. Luận ỏn sẽ tập trung khai thỏc phương phỏp mụ phỏng để giải bài toỏn lựa chọn phương ỏn thi cụng hợp lý khi đào đường hầm trong điều kiện cỏc trang, thiết bị thi cụng hiện cú. Cụ thể sẽ sử dụng phần mềm mụ phỏng đa năng mó nguồn mở EZStrobe/Stroboscope.
Chương 2
THI CễNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN NỔ MèN VÀ Mễ HèNH TIỀN ĐỊNH CỦA QUÁ TRèNH THI CễNG 2.1. Khỏi quỏt về thi cụng đường hầm bằng phương phỏp khoan nổ mỡn
Thi cụng đào hầm bằng phương phỏp khoan nổ là phương phỏp thi cụng được ỏp dụng rộng rói, phổ biến nhất để xõy dựng cỏc cụng trỡnh ngầm trong quõn đội cũng như trong nền kinh tế quốc dõn, ở trong nước cũng như trờn thế giới. Cú thể xem đõy là một trong những phương phỏp cơ bản và kinh điển nhất. Phương phỏp khoan nổ thường được ỏp dụng trong điều kiện đất đỏ cú độ kiờn cố fkp > 3.
Cụng nghệ thi cụng núi chung và cụng nghệ thi cụng hầm bằng khoan nổ núi riờng thường được mụ tả theo hai yếu tố cơ bản là [25, 26]:
- Sơ đồ đào: Thể hiện trỡnh tự khai đào trờn gương đào (hay trờn mặt cắt ngang của cụng trỡnh);
- Sơ đồ thi cụng: Thể hiện trỡnh tự phối hợp cỏc cụng tỏc, kỹ thuật được thực hiện dọc theo trục thi cụng của cụng trỡnh ngầm (hay trờn mặt cắt dọc của cụng trỡnh). Cỏc cụng tỏc chớnh trong quỏ trỡnh khai đào đường hầm bằng phương phỏp khoan nổ mỡn là:
+ Đỏnh dấu cỏc lỗ khoan trờn gương đào.
+ Đưa mỏy khoan vào và tiến hành khoan cỏc lỗ khoan. + Nạp thuốc nổ vào cỏc lỗ khoan và nổ mỡn.
+ Thụng giú và kiểm tra an toàn gương đào. + Bốc dỡ vận chuyển đất đỏ ra ngoài cụng trỡnh
+ Nạo vột bằng mỏy và thủ cụng (chọc om, cào dọn mặt và chõn gương). + Chống tạm (nếu cần thiết).
+ Mở rộng hệ thống thụng giú, điện...
Tất cả những cụng việc trờn đõy được tiến hành theo một trỡnh tự nhất định gọi là chu kỳ khoan nổ mỡn, biểu đồ khoan nổ mỡn biểu diễn trỡnh tự thực hiện cỏc cụng tỏc trờn đõy gọi là biểu đồ tổ chức chu kỳ khai đào và chống giữ đường hầm. Sau khi tiến hành khoan nổ mỡn và tạo được gương đào theo thiết kế thi cụng sẽ tiến
hành thi cụng phần vỏ hầm và lắp đặt thiết bị của đường hầm (trong luận ỏn khụng xột tới hai cụng đoạn này).
Để tiến hành khai đào đường hầm theo phương phỏp khoan nổ mỡn, trước hết người ta cần xem xột lựa chọn sơ đồ đào (đào toàn gương hay đào chia gương...), rồi tiến hành lựa chọn cỏc trang, thiết bị thi cụng, sau đú tớnh toỏn cụ thể chớnh xỏc cỏc tham số thi cụng khoan nổ, lập thành hộ chiếu khoan nổ mỡn và tiến hành thi cụng khoan nổ theo hộ chiếu khoan nổ mỡn, tiếp theo là thụng giú, bốc dỡ, vận chuyển đất đỏ, nạo vột, chống tạm và mở rộng hệ thống thụng giú, điện... Quỏ trỡnh tiến hành từng cụng đoạn luụn cú liờn hệ chặt chẽ với nhau, bất kỳ sự phối hợp khụng ăn ý giữa cỏc cụng đoạn thi cụng sẽ luụn ảnh hưởng tới hiệu quả thi cụng chung của cả cụng trỡnh. Do đú quỏ trỡnh khai đào đường hầm theo phương phỏp khoan nổ mỡn ngoài việc tớnh toỏn lựa chọn cỏc thụng số khoan nổ mỡn thỡ việc nghiờn cứu mụ phỏng quỏ trỡnh thi cụng từng cụng đoạn để đưa ra cỏc giải phỏp thi cụng hợp lý là hết sức cần thiết.
2.2. Cụng tỏc khoan nổ mỡn
2.2.1. Sơ đồ đào
Cụng tỏc khoan nổ mỡn gắn liền với sơ đồ khai đào. Theo sơ đồ khai đào trờn gương cú thể phõn ra hai nhúm chớnh là phương phỏp đào toàn gương và phương phỏp đào chia gương. Sau đõy túm tắt một số điểm chớnh liờn quan đến hai sơ đồ khai đào được rỳt ra từ tổng hợp cỏc tài liệu tham khảo.
2.2.1.1. Đào toàn gương [11, 19, 22, 26, 35, 77]
Nếu như trước đõy, đào toàn gương được hiểu là đào đồng thời toàn bộ mặt cắt gương trờn cựng một mặt phẳng, thỡ ngày nay được hiểu theo nghĩa rộng hơn, cụ thể là:
- Đào đồng thời toàn bộ gương trờn cựng một mặt phẳng (hỡnh 2.1);
- Đào toàn bộ gương phõn bậc ngắn, sau đú chống tạm toàn bộ vựng được đào đồng thời (hỡnh 2.2);
Trường hợp sau thường được ỏp dụng, khi điều kiện khối đỏ cho phộp đào toàn gương, nhưng khả năng trang, thiết bị thi cụng hạn chế.
Hỡnh 2.2. Đào toàn gương theo nghĩa rộng [22]
Đào toàn gương hay toàn gương của cụng trỡnh ngầm bằng cỏc phương phỏp thụng thường (khoan - nổ mỡn, mỏy đào lũ, mỏy đào xỳc) được quyết định bởi ba yếu tố: (1) Thời gian tồn tại ổn định khụng chống của khối đỏ, trong mối liờn quan với kớch thước và hỡnh dạng của cụng trỡnh, phải đủ lớn.
(2) Nhu cầu về thời gian lắp dựng kết cấu bảo vệ phải phự hợp với thời gian ổn định khụng chống, theo những nguyờn tắc của phương phỏp thi cụng hiện đại. Nếu khối đỏ cú thời gian tồn tại ổn định khụng chống đủ lớn, hay khối đỏ là rất ổn định, cú thể khụng cần thiết lắp dựng kết cấu chống tạm. Tuy nhiờn trong mọi trường hợp cần thiết phải chỳ ý đảm bảo an toàn cho con người.
(3) Cỏc trang, thiết bị như xe khoan hoặc sàn cụng tỏc, mỏy đào lũ, mỏy phỏ đỏ cũng như cỏc mỏy bốc xỳc, vận chuyển phải cú cụng suất cũng như khả năng tiếp cận đủ lớn, để đảm bảo trỡnh tự và tốc độ thi cụng trong cỏc điều kiện đó cho. Hiện nay với cỏc thiết bị hiện đại, kớch thước tiết diện đào khụng nờn nhỏ hơn 5m2. Kớch thước nhỏ hơn sẽ cản trở con người và thiết bị và vẫn cú thể làm cho chi phớ cao, mặc dự khối lượng đào và chống bảo vệ cú thể nhỏ.
Cỏc ưu điểm cơ bản của sơ đồ đào toàn gương là:
+ Toàn bộ cụng tỏc thi cụng đào cho toàn gương được thực hiện trong một chu kỳ, do đú khụng gõy nờn những biến đổi cơ học nhiều lần. Như vậy khối đỏ được “bảo dưỡng” tốt hơn;
+ Tại gương đào cú khoảng khụng gian trống, cho phộp cú thể sử dụng cỏc biện phỏp cú mức độ cơ giới húa cao cho quỏ trỡnh nổ mỡn.
+ Mức độ cơ giới húa cao cú thể tạo ra chu trỡnh thi cụng liờn tục, làm giảm thời gian thi cụng, cũng như bảo vệ khối đỏ thụng qua khả năng hạn chế ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến cụng tỏc chống tạm.
+ Thi cụng toàn gương khụng gõy ra cỏc tỏc động ảnh hưởng hay chi phối lẫn nhau của cỏc cụng đoạn, do vậy cú thể theo dừi bao quỏt và dễ cú thể tổ chức tốt cụng tỏc thi cụng.
Những nhược điểm của sơ đồ đào toàn gương:
+ Do mở ra khoảng trống cú tiết diện tương đối lớn, thường chưa chống tạm, bảo vệ ngay được, nờn sẽ cú thể hỡnh thành mối nguy hiểm lớn, trong điều kiện cú những biến động đỏng kể về điều kiện địa chất, địa cơ học.
+ Thi cụng toàn gương với mức độ cơ giới húa cao cũng cú thể làm hạn chế tớnh linh hoạt của cụng tỏc thi cụng, cụ thể là sẽ rất khú khăn khi phải chuyển sang đào chia gương ngay, trong trường hợp cần thiết.
2.2.1.2. Đào chia gương
Đào chia gương là chia mặt cắt thiết kế thành nhiều phần nhỏ và dựng nhiều lần đào tương ứng để hỡnh thành.
Ba nguyờn nhõn cơ bản dẫn đến phải đào chia gương là:
(1) Thời gian tồn tại ổn định khụng chống của khối đỏ khụng đủ lớn để đào toàn gương.
(2) Nhu cầu về thời gian để lắp dựng kết cấu bảo vệ khi đào toàn gương khụng tương xứng với thời gian ổn định của khối đỏ (mối quan hệ với thời gian tồn tại, khẩu độ thi cụng).
(3) Cỏc trang, thiết bị khụng bao quỏt được toàn bộ tiết diện (tiết diện đào lớn so với năng lực của thiết bị thi cụng); mỏy bốc xỳc khụng cú cụng suất hợp lý cho toàn bộ chu kỳ đào, do vậy phải chia gương.
Việc chia gương cũng thường bị chi phối bởi cỏc điều kiện địa chất, địa chất thuỷ văn và địa cơ học.
Như vậy việc chia gương đào, khi gặp cỏc tiết diện lớn, trước kia chủ yếu là do khả năng điều khiển khối đỏ cũn bị hạn chế. Với cỏc loại vật liệu chống tạm thời đú, chủ yếu là khung gỗ hộp hay khung vỏn khuụn, chỉ cho phộp đào với tiết diện nhỏ. Ngày nay, việc ỏp dụng cỏc phương phỏp đào chia gương, ngoài yếu tố kỹ thuật là giảm tải cho kết cấu chống giữ, cũn được lựa chọn trờn cơ sở cỏc tiờu chớ về hiệu quả kinh tế, tiến độ thi cụng và điều kiện trang bị thi cụng.
Cỏc phương phỏp đào chia gương phổ biến là:
- Phương phỏp đào theo bậc thang [11, 19, 22, 26, 35, 77]
Phương phỏp đào theo bậc thang là phương phỏp đem chia mặt cắt thiết kế ra làm hai nửa: nửa trờn, nửa duới và dựng hai lần đào để hỡnh thành (hỡnh 2.3).
Ưu khuyết điểm của phương phỏp đào bậc thang:
+ Phương phỏp đào theo bậc thang cú khụng gian cụng tỏc đầy đủ và cú tốc độ thi cụng khỏ tốt. Nhưng khi thi cụng bộ phận trờn thỡ bộ phận dưới cú phần cản trở.
Hỡnh 2.3. Phương phỏp đào theo bậc thang và bậc thang bộ phận [26]
+ Đào theo bậc thang tuy tăng thờm số lần tỏc động đối với đất đỏ võy quanh, nhưng bậc thang cú lợi về ổn định mặt đào, nhất là khi bộ phận trờn được che chống sau khi đào xong thi cụng ở bộ phận dưới sẽ tương đối an toàn, nhưng cần chỳ ý khi đào ở bộ phận dưới trỏnh làm ảnh hưởng đến tớnh ổn định của bộ phận trờn.
+ Chiều dài bậc thang cần thớch đỏng. Theo chiều dài bậc thang chia ra 3 loại: bậc dài, bậc ngắn, bậc nhẹ (bậc mini). Lựa chọn loại bậc thang nào, cần căn cứ vào hai điều kiện sau để xỏc định: điều kiện thứ nhất - yờu cầu thời gian hỡnh thành hệ thống che chống thời kỡ đầu, đất đỏ càng ổn định kộm, yờu cầu thời gian khộp kớn càng ngắn; điều kiện thứ hai - khi thi cụng nửa mặt cắt trờn, yờu cầu khụng gian lớn hay nhỏ cần cho mỏy múc thiết bị đào, chống đỡ đất đỏ.
+ Giải quyết tốt vấn đề cản trở lẫn nhau giữa nửa trờn và nửa dưới. Bậc thang nhỏ căn bản hợp với một mặt đào sõu được tiến hành đồng bộ; bậc thang dài về cơ bản thi cụng kộo rộng ra, vướng nhau ớt; nhưng bậc thang ngắn cản trở nhau tương đối lớn, cần chỳ ý tổ chức lao động. Đối với cỏc loại đường hầm ngắn cú thể đào thụng nửa mặt cắt trờn xong, mới tiến hành thi cụng nửa mặt cắt dưới.
+ Khi đào ở bộ phận dưới, cần chỳ ý ổn định cho bộ phận trờn. Nếu đất đỏ cú tớnh ổn định tốt, thỡ cú thể phõn đoạn đào theo thứ tự; nếu đất đỏ cú tớnh ổn định xấu thỡ cần rỳt ngắn số thước đào sõu theo tuần hoàn ở bộ phận dưới; nếu tớnh ổn định càng kộm, thỡ đào xen kẽ bờn trỏi và bờn phải, hoặc trước tiờn đào rónh giữa, tiếp sau đào hai bờn cỏnh.
- Phương phỏp đào từng bộ phận [11, 26, 77]
Phương phỏp đào từng bộ phận là phương phỏp chia mặt cắt ra từng bộ phận và dần dần tạo thành đường hầm, và đào trước một bộ phận nào đú cho nờn cũng cũn gọi là phương phỏp đào trước một hầm dẫn. Cỏc phương phỏp thường dựng là phương phỏp đào hầm dẫn trờn và hầm dẫn dưới; phương phỏp đào trước hầm dẫn trờn; phương phỏp đào trước hầm dẫn bờn vỏch đơn hoặc đụi (hỡnh 2.4).
Ưu khuyết điểm của phương phỏp đào từng bộ phận:
+ Đào từng bộ phận, do việc giảm nhỏ khẩu độ chiều rộng của một hầm dẫn, cú thể làm tăng rừ rệt tớnh ổn định tương đối của đất đỏ võy quanh hầm dẫn và dễ tiến hành che chống cục bộ, vỡ vậy phương phỏp này chủ yếu thớch hợp với đường hầm cú đất đỏ mềm yếu, vụn nỏt hoặc đường hầm cú mặt cắt thiết kế tương đối lớn. Đào từng bộ phận do mặt cụng tỏc tương đối nhiều, cỏc dõy chuyền cản trở nhau khỏ lớn và làm tăng số lần xỏo động đất đỏ, nếu dựng phương phỏp đào sõu bằng
khoan nổ thỡ càng bất lợi cho tớnh ổn định của đất đỏ, khú khăn về tổ chức quản lý thi cụng càng nhiều.
+ Hầm dẫn được đào vượt lờn trước, cú lợi cho việc thăm dũ tỡnh hỡnh địa chất để xử lý kịp thời. Nhưng, nếu dựng mặt cắt hầm dẫn quỏ nhỏ thỡ tốc độ thi cụng sẽ khỏ chậm.
Hỡnh 2.4. Phương phỏp đào từng bộ phận (khụng vẽ neo) [26].
Khi dựng phương phỏp đào từng bộ phận cần chỳ ý cỏc việc sau:
+ Do nhiều gương cụng tỏc, dễ dẫn tới cản trở lẫn nhau, cần chỳ ý tổ chức phối hợp, thực hiện thống nhất chỉ huy để đảm bảo hiệu quả tiến độ thi cụng tốt nhất.
+ Do đào nhiều lần làm chấn động đất đỏ mạnh khụng lợi cho tớnh ổn định của đất đỏ, cần đặc biệt chỳ ý tăng cường kiểm soỏt khi đào bằng khoan nổ.
+ Cần hết sức tỡm tũi điều kiện giảm thiểu số lần chia nhỏ, tận dụng khả năng dựng đào theo mặt cắt lớn. Cần xem xột số lần chia và khoảng cỏch giữa cỏc gương.
+ Khi đào phần dưới, đều phải chỳ ý độ ổn định cỏc kết cấu chống hoặc vỏ chống phần trờn, giảm thiểu chấn động và phỏ hoại đối vớớ vỏ, nhất là khi khai đào phần đất đỏ bờn hụng đường hầm.
2.2.2. Thiết bị khoan
Mỏy khoan đỏ thường dựng trong cụng trỡnh đường hầm gồm cỏc mỏy khoan chạy bằng khớ nộn và cỏc mỏy khoan chạy bằng thủy lực. Ngoài ra, cũn cú mỏy khoan chạy điện và mỏy khoan chạy diesel nhưng tương đối ớt sử dụng. Nguyờn lý làm việc của chỳng đều là sử dụng lưỡi khoan gắn vào đầu mũi khoan quay và xung kớch lặp đi lặp lại phỏ nỏt vụn nham thạch tạo thành lỗ. Cỏc loại mỏy cú thể điều chỉnh lực