CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÁC CÔNG NGHỆ THI CÔNG PHÙ HỢP THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG HIỆP HÒA
3.2. Đề xuất công nghệ thi công hầm giao thông Hiệp Hòa qua vùng địa chất yếu
Căn cứ vào điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn của các lớp đá hai đầu hầm đá có cường độ thấp, đá tơi vụn có khả năng liên kết yếu có tỷ lệ RQD khoảng 30% tại lớp đá thứ 4 (lớp đá đường hầm đào qua). Lượng nước ngầm đo được từ 3-7l/phút. Tại lý trình 186,66 xuất hiện đứt gãy bậc IV. Chất lấp nhét trong đứt gãy chủ yếu là tập hợp bao gồm tất cả các loại tảng, cuội, các mảnh vụn dăm sỏi và nước. Nước trong đứt gãy đo được khoảng 7-10l/s.
Để việc xử lý gia cố khối đá khi đào hầm qua phay phá, đứt gãy, đá tơi vụn, nước chảy vào gương hầm trong giới hạn của luận văn này tác giả đề xuất sử dụng các công nghệ đặc biệt sau đây:
- Công nghệ đóng băng nhân tạo.
- Công nghệ tạo ô vòm và che chống tiến trước.
- Công nghệ khoan phụt ép vữa gia cố trước khi đào
Tất cả các phương án kỹ thuật nêu trên đều có thể áp dụng để thi công tại hầm giao thông Hiệp Hòa. Tuy nhiên, tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể để lựa chọn công nghệ phù hợp thi công công trình trong điều kiện phức tạp là
- 28 -
hết sức quan trọng. Nó có ý nghĩa không chỉ về mặt kinh tế - kỹ thuật mà còn với mục tiêu an toàn, hiệu quả và tiết kiệm
3.2.1. Công nghệ đóng băng nhân tạo
Công nghệ đóng băng nhân tạo tại vùng địa chất yếu hai đầu cửa hầm, tại đứt gãy của hầm Hiệp Hòa được thực hiện theo sơ đồ đông lạnh nằm ngang và được thực hiện theo các bước sau đây:
- Khoan các lỗ khoan theo chu tuyến đường hầm có đường kính 127mm với bước 0,8 -1,3m(Khoảng cách này phụ thuộc vào thời gian đóng băng, nhiệt độ dung dịch làm lạnh, đặc điểm của môi trường, công suất máy làm lạnh,..) và sâu 10m (nối cần), góc nghiêng so với tim hầm 8-100 bằng máy khoan tự hành Boomer L2D.
- Lắp đặt đường ống và các trang thiết bị làm lạnh
- Vận hành thiết bị làm lạnh và làm các thí nghiệm kiểm tra kỹ thuật của máy làm lạnh
- Sau khi vận hành máy một thời gian tiến hành đo nhiệt độ, độ cứng của khối đá đông lại sau làm lạnh
- Tùy vào độ cứng của đất đá và thiết bị hiện có tiếp tục thi công hầm - Cần để lại phần đông đặc từ gương hầm đến điểm cuối của màng đóng băng tối thiểu 4m (hoặc bằng chiều dày đóng băng)
Ưu điểm:
Phương pháp đóng băng nhân tạo gia cường đã áp dụng và mang lại hiệu quả ở các nước tiên tiến bởi các lý do sau:
- Tạo được vòm bảo vệ đảm bảo an toàn, kín nước.
- Khi đã cứng hóa được đất đá chứa nước thì tốc độ đào hầm đáp ứng được yêu cầu.
- Phương pháp áp dụng được cho nhiều loại địa chất yếu có nước khác nhau
- 29 -
Nhược điểm:
- Ở Việt Nam chưa có thiết bị làm lạnh chuyên dùng cho việc làm lạnh và đóng băng đất đá.
- Vật liệu để làm lạnh nếu là CO2, CaCl2 thì làm đông được địa tầng tại các hầm lớn (ví dụ hầm Hiệp Hòa) phải mất từ 2 đến 3tuần. Nếu dùng dung dịch làm lạnh bằng Nitơ thì chi phí cực kỳ đắt đỏ hơn nữa các công trình ở vùng miền núi khả năng cung ứng, tích trữ của các vật liệu này sẽ gặp nhiều khó khăn nếu không có thiết bị chuyên dùng.
- Giá thành xây dựng lớn, không phù hợp với điều kiện kinh tế hiện tại - Chưa có kinh nghiệm thi công trong môi trường nhiệt độ thấp nên tổ chức thi công sẽ gặp nhiều khó khăn. Cần phải có thiết bị bảo hộ lao động để bảo vệ con người khi tham gia thi công. Đối với máy cần phải lắp thêm thiết bị chống đông hoặc dùng thiết bị chuyên chạy bằng điện.
- Chỉ áp dụng được khi đào đường hầm trong đất đá mềm yếu chứa nước, tốc độ nước nhỏ hơn 20m3/ngày đêm. Do vậy đây là trở ngại lớn nếu quá trình điều tra địa chất thủy văn không cẩn thận, chính xác.
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Khoảng cách giữa các lỗ khoan 20
40 60 80 100
Tốc độ nước chảy trong cát, m/ngày đêm 1 - Khi k = 1,0
Víi k = T/t v
l, m 120
140 160 180
3 2 1
2 - Khi k = 5,0 3 - Khi k = 10,0
T_ Nhiệt độ của chất làm lạnh t_ Nhiệt độ của đất đá ban đầu
Hình 3.1. Sự phụ thuộc giữa tốc độ nước, khoảng cách lỗ khoan và tỉ lệ nhiệt độ làm lạnh, nhiệt độ cát
- 30 -
3.2.2. Công nghệ tạo ô vòm và che chống tiến trước
Với giải pháp này công nghệ xử lý địa chất yếu và đứt gãy được thực hiện với mục đích tạo màng chắn bằng ống (thép I, U,...) trực tiếp từ gương.
19
KHUNG THÐP KHÔNG THể HIệN
CHèN NHóI i12 L= 1M ốNG THOáT NƯớC D60 GèI CHèNG 1.5M
KHUNG THéP i22A ốNG THOáT NƯớC D60
15 CHÌN NHãI I12 L = 1M
A - A A
A
6M 38
Hình 3.2. Sơ đồ thi công che chống vượt lên trước
Bằng cách dùng máy khoan tạo lỗ khoan xiên so với trục hầm từ 5-80 sau đó dùng các thiết bị thủy lực hoặc kích đóng (cũng có thể dùng máy đào đầu gắn búa để đóng) ống hoặc thanh I vào theo góc đã khoan từ trước. Tùy vào đường kính hầm, loại đất đá, thiết bị đóng mà chọn khoảng cách giữa các ống theo chu tuyến đường hầm khác nhau thông thường là từ 15 - 50cm. Các ống được liên kết với nhau bằng các đai hoặc hàn cố định với nhau.
Sau khi dã gia cố trước tiến hành đào đường hầm qua vùng địa chất yếu bằng biện pháp đào từng phần bằng máy đào hoặc búa chèn (kết hợp khoan nổ mìn nếu cần). Không đào đến cuối màng chắn ít nhất 1m. Trong quá trình đào chuôi ống được gia cường (đỡ) bằng các vì thép hình và tùy vào lưu lượng nước ngầm có thể đóng các ống thép giữa các ống (I) có đục lỗ để thoát nước. Trường hợp cần thiết có thể phun vữa tạo vòm liên kết qua các ống đó.
Sau đó có thể thi công vỏ hầm bằng bê tông toàn khối hoặc bê tông phun.
- 31 -
Ưu điểm
- Công nghệ thi công đơn giản đặc biêt đối với đường hầm có kích thước vừa phải (15-30m2)
- Hiệu quả cao trong các tầng đá rời rạc có nước khoặc không có nước - Giá thành rẻ hơn so với những công nghệ khác do tận dụng được vật liệu địa phương và các máy có sẵn tại công trường.
Nhược điểm
- Công nghệ này không phù hợp với vùng địa chất yếu có dăm sỏi kết hợp với đá tảng vì khi khoan sẽ lỗ trước sẽ dẫn đến sập thành lỗ khoan dẫn đến không thể đóng nhói được
- Không thể tạo ra màng kín nước đủ để phục vụ thi công trong trường hợp địa tầng chứa nhiều nước đặc biệt lại là nước có áp
- Không phù hợp với tầng đất đá có bùn nhão hoặc khi đào qua túi bùn vì không đủ thời gian để thi công chống giữ, đóng nhói.
- Tốc độ tiến gương chậm do thời gian chuẩn bị, thi công đóng nhói tại gương lớn đặc biệt tại hầm lớn
- Với các gương hầm lớn như hầm giao thông Hiệp Hòa (80m2) thì các phương tiện để đóng (kích) hiện có trong nước sẽ gặp nhiều khó khăn do tầm với cao, áp lực địa tầng lớn kích thước ống nhói, khoảng cách giữa các ống nhói tăng nên sẽ tương đối tốn kém
- Việc sử dụng phương án đóng nhói hay cọc cừ thường bị tổn thất diện tích sử dụng của công trình, do vậy dẫn đến tăng khối lượng khi đổ vỏ bê tông toàn khối
3.2.3. Công nghệ phụt ép vữa trước khi thi công hầm
Giải pháp công nghệ phụt ép vữa trước khi thi công để xử lý, gia cường vùng địa chất yếu hai đầu hầm Hiệp Hòa và đứt gãy được thực hiện như sau:
- 32 -
- Trước tiên khoan các lỗ khoan thăm dò địa chất, địa chất thủy văn có chiều dài khoảng 10-20m, đường kính lỗ khoan 105mm để lấy mẫu và thoát nước. Công tác khoan thăm dò này được tiến hành từ gương hầm.
- Khoan các lỗ khoan có đường kính 76mm (hoặc 105mm) chiều dài từ 5-7m xung quanh biên hầm (hoặc có thể khoan cả vào mặt gương)
- Gia công các thiết bị, lắp đặt trạm biến áp khô để phục vụ máy khuấy, máy nén, máy và thiết bị ép.
- Chuẩn bị vật liệu để ép (chọn vật liệu xi măng, dung dịch hóa học, ...) - Kiểm tra độ ổn định của máy, chạy không tải và tiến hành bơm ép để gia cố địa tầng
- Sau khi bơm ép xong tiến hành đào hầm bình thường tất nhiên việc đào hầm phải dừng lại cách mút xử lý một số mét để đảm bảo an toàn cho đợt khoan phụt sau.
Ưu điểm.
- Giảm đáng kể nguy cơ nước ngầm chảy mạnh vào hầm dẫn đến hư hỏng thiết bị, kết cấu chống, chập điện và gây mất ổn của khối đá quanh biên hầm trong quá trình thi công.
- Tận dụng được vật tư, vật liệu hiện có trong nước nên giá thành tương đối thấp, nhất là trong trường hợp áp dụng vỏ bê tông phun.
- Tổ chức thi công không quá phức tạp.
- Thiết bị bơm vữa không quá đắt tiền, đối với các nhà thầu chuyên thi công hầm bắt buộc phải đầu tư máy thì hiệu quả mang lại cũng rất cao bởi máy này cũng có thể dùng để bơm vữa lấp đầy.
- Không hoặc ít ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.
- Thời gian lắp đặt toàn bộ thiết bị nhanh, dễ dàng.
- Sau khi đã xi măng hóa được địa tầng thì tốc dộ đào hầm tương đối cao
- 33 -
Nhược điểm.
- Để làm khô hoàn toàn được nước thì cần phải áp dung thêm kỹ thuật phụt vữa sau và/hoặc bê tông phun.
- Đối với dung dịch là chất hóa học, thủy tinh lỏng, bitum,...thì cần phải có hàng loạt các thiết bị đi kèm như: Bình chứa hóa chất, thiết bị phòng độc, thiết bị cứu hỏa, thiết bị xử lý nước thải, thiết bị bơm phụt đặc biệt hơn... và đặc biệt là các dung dịch này đắt hơn nhiều so với xi măng do khả năng cung ứng của thị trường trong nước.
- Quá trình điều tra, khảo sát để thiết kế phun ép vữa cần chính xác, tỉ mỉ thì mới phát huy được ưu điểm của công nghệ do vậy cần phải có cán bộ có trình độ chuyên môn cao
3.2.4. Kết luận
Từ các điều kiện địa chất, địa chất thủy văn của đường hầm giao thông Hiệp Hòa, các phân tích ưu, nhược điểm của các phương pháp kể trên tác giả lựa chọn và đề xuất công nghệ xử lý địa chất yếu tại hai đầu hầm và vị trí đứt gãy là công nghệ phụt ép vữa xi măng trước khi thi công đào hầm.