CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG HẦM
2.1. Tình hình nghiên cứu và giải pháp đào hầm qua các điều kiện địa chất yếu
2.1.1. Phương pháp đóng băng nhân tạo
Ý tưởng của phương pháp được hình thành từ năm 1932, nhưng phải chờ cho đến 1862 mới thực hiện thí nghiệm lần đầu để đào một giếng mỏ qua vùng cát chảy ở miền nam xứ Galles nước Anh. Thí nghiệm đó bị thất bại vì giai đoạn đó còn thiếu máy làm lạnh công suất lớn. Sau đó Poetsch đã thí nghiệm thành công tại một Giếng mỏ ở Đức. Nguyên tắc đó gồm nhiều lỗ khoan trong Cát chảy ngậm nước qua đó một dung dịch muối đã được làm lạnh chảy qua, đất sẽ đông lại thành vành xung qua Giếng. Bằng phương pháp này người ta có thể làm đông một lúc đến 500 mét dài đường hầm. Lần đầu tiên phương pháp đóng băng nhân tạo được áp dụng vào công trình (năm 1888) ở Stockholm Thủy Điển để đào đường hầm (mặt đào được làm đông bằng không khí lạnh -50oC trong 48 giờ, sau đó người ta đào hầm tiến lên.
Nhưng phương pháp làm đông bởi dung dịch muối được áp dụng nhiều nhất, đặc biệt vào năm 1907 để nối đượng hầm nhà ga “Saint-Michel” trên tuyến Metro số 4.
Cùng lúc ấy, một phương pháp khác đã ra đời lợi dụng sự làm lạnh của khí CO2 hóa lỏng. Cuộc nghiên cứu bắt đầu từ năm 1905, nhưng phải đợi đến năm 1935 mới có kết quả. Việc thực hiện đầu tiên là để làm lại một lâu đài lịch sử La Mã: Ara Pacis.
Cuối cùng là cách làm lạnh bằng dung dịch Nitơ. Năm 1962 qua việc đào một số công trình ngầm người ta đã dùng phương pháp này để chặn nước chui vào mặt đào.
- 12 -
2.1.1.2. Bản chất của phương pháp
Bản chất của phương pháp là biến đất đá, cát từ trạng thái mềm yếu, chứa nước thành trạng thái rắn cứng liên kết chắc có độ bền cao. Vùng đất đá được đóng băng có thể coi như rắn cứng và do đó có thể tiến hành việc khai đào bình thường.
Khi giảm nhiệt độ của cát chứa nước đóng băng tăng độ bền rất nhanh.
Các loại khác như sét, bùn, nước phát triển độ bền chậm hơn.
Cát bão hòa nước khi đóng băng ở nhiệt độ -10oC cho độ bền nén 115kg/cm2, ở nhiệt độ -20oC sẽ là 180kg/cm2. Một điều cần chú ý là nước trong cát khi đóng băng đóng vai trò như xi măng gắn kết các loại cát lại.
Chính vì lẽ đó nên nếu cát bão hòa nước thì khi đóng băng sẽ cho độ bền cao hơn.
Nhưng nếu Cát chứa quá nhiều nước (thừa) thì độ bền của cát đóng băng sẽ giảm do độ bền của nước đóng băng thấp so với cát chứa nước đóng băng. Biểu đồ phụ thuộc độ bền cát chứa nước được đóng băng như hình vẽ
0 -2 -4 -6 -8 -10 0C
20 40 60 80 100 120
KG/cm2
2
3
4
1 1 - Cát được đóng băng 2 - Đất bùn được đóng băng 3 - Sét được đóng băng 4 - Nước được đóng băng
Hình 2.1. Thay đổi độ bền của đất đá theo nhiệt độ
- 13 -
Qua đó cho ta kết luận như sau: Cát chứa nước gần bão hòa đóng băng sẽ có độ bền cao nhất và do đó phương pháp đóng băng nhân tạo rất hữu hiệu với cát chứa nước.
2.1.1.3. Công nghệ đóng băng nhân tạo.
Người ta tạo ra lỗ khoan trong địa tầng có chứa nước. Trong ống làm lạnh sẽ chuyển động chất làm lạnh. Nhiệt độ của chất làm lạnh có thể đạt tới - 50oC.
Hình 2.2. Thi công đóng băng nhân tạo tại hầm MBTA - Boston
Làm đông bằng dung dịch muối.
Người ta cho chạy vào hố khoan phân bố trong đất, một dung dịch muối mà nhiệt độ biến thiên từ -15oC đến -30oC. Dịch thể làm lạnh có thể là một dung dịch muối natri hoặc magnesium. Các muối phải nguyên chất, bởi nếu có tạp chất vào có thể làm thay đổi điểm đông lạnh của dung dịch muối clorua calcium (CaCl2), vì điểm đông lạnh của nó là -54oC, thông thường người ta có thể duy trì ở nhiệt độ -40oC. Nhưng người ta hay sử dụng clorua magnesium vì nó thuần chất trong tự nhiên và phổ biến trên thị trường.
Làm đông bằng khí CO2.
Khí CO2 cho phép hạ đến các nhiệt độ vào khoảng -30 đến -50oC. Tùy theo độ ẩm ướt của đất, người ta bố trí hệ thống làm lạnh cách nhau khoảng 1m tạo ra 1 hàng rào hình trụ tròn xung quanh hầm đường kính khoảng 2,5m
- 14 -
và bề dày tối thiểu 1m sau 4 ngày chạy thử. Trong lần thử đầu tiên người ta thử làm đông một khối khoảng 3000 m3. Trong giai đoạn chạy thử, người ta đã ghi nhận một độ giảm nhiệt 0,8oC/ngày và cuối đợt kéo dài nhiều tháng, bề dày lớp bảo vệ bên ngoài là 1,5-2m.
Làm đông bằng dịch thể Nitơ.
Nguyên lý cũng tương tự với nguyên lý dùng CO2 song nhiệt độ hạ thấp cỏ thể đến -196oC, và dùng khí Nitơ hoặc khí CO2 có ưu điểm là:
- Nhiệt độ hạ thấp hơn.
- Không cần thu hồi khí đã hóa nóng.
- Vận chuyển bằng ôtô rất dễ dàng, nhà máy lạnh có thể ở rất xa.
Phương pháp làm đông lạnh này rất nhanh, có thể bố trí hệ thống ống dẫn và không khó khăn gì sẽ đạt được nhiệt độ từ -30 đến -50oC. Tường dày 1m được tạo ra cung quanh các ống khoan cách nhau 1m sẽ được hình thành ngay sau 1 ngày (dùng CO2 phải mất đến 4 ngày) và nhiệt độ có thể hạ thấp xuống -30oC. Song việc đông bằng dung dịch Nitơ rất đắt đỏ nên chỉ dùng để vượt qua những chỗ khó khăn và chiều dài ngắn.
Tóm lại: Khi có nhiều lỗ khoan đóng băng và xếp theo hình dạng nhất định ta sẽ có được vùng đất đá đóng băng cần thiết.
Để có thể tiến hành đào hầm bình thường ta phải tạo được vòng đá gia cường có đủ khả năng ngăn chặn áp lực nước, áp lực mỏ khi đào hầm. Chiều dày của vòng đá đóng băng được xác định theo công thức:
E = R
2 1
P
Trong đó:
R: Bán kính cần đào của gương hầm, cm
[ : Ứng suất nén cho phép của cát đóng băng, Kg/cm2
- 15 -
P: Giá trị lớn nhất của áp lực tác dụng từ bên ngoài vòng cát gia cường, Kg/cm2
Với lò bằng, chiều dày lớp đá cát đóng băng xác định theo công thức
=kn.k1. 2 .
3 . .
h P
Với:
Kn: Hệ số an toàn;
K1: Hệ số tỉ lệ 1,2 – 1,5.
P: Áp lực mỏ lên đất đá đóng băng, Mpa;
h: Chiều dài đào 1 chu kỳ, m;
: Giới hạn bền của đá đóng băng ở thời điểm thi công lò, Mpa;
Bán kính của tâm lỗ khoan đóng băng đến tâm đườn lò sẽ là R1:
R1 = R+
2 E
Để kể đến độ lệch lỗ khoan m và mức truyền nhiệt về hai phía của lỗ khoan không đều (tỷ lệ 6/4), bán kính của tâm lỗ khoan để đóng băng sẽ là:
R2 = (R + m + 0,6E) Số lỗ khoan sẽ là:
N = 2.. (R + m + 0,6E)/l
l: Khoảng cách giữa hai lỗ khoan, khoảng cách này phụ thuộc vào thời gian đóng băng, nhiệt độ dung dịch làm lạnh, đặc điểm của môi trường, công suất làm lạnh,… (thông thường l = 0,8 ÷ 1,3m).
Bố trí hệ thống lỗ khoan để đóng băng đất đá có thể từ 1 vị trí khác hay từ Gương hầm đang đào. Việc bố trí này rất quan trọng vì nó có thể quyết định đến thời gian đóng băng, chiều dày của vòng đá xung quanh đường hầm và quyết định đến giá thành cuả công tác này. Chính vì vậy khi quyết định sử dụng phương pháp này cần điều tra cụ thể để có quyết định chính xác sơ đồ bố trí lỗ khoan làm lạnh.
- 16 -
1 2
4
3
3
Hình 2.3. Sơ đồ đóng băng cát khi đang đào hầm từ gương 1. Tường ngăn bê tông.
2. Vùng an toàn.
3. Lỗ khoan để làm lạnh.
4. Vùng cần gia cường.