BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT
BÀI GIẢNG MÔN HỌC
CÔNG TRÌNH NGẦM
Biên soạn: PGS.TS. Nghiêm Hữu Hạnh
HÀ NỘI 2012
1
MỤC LỤC
Mục
Trang
Chương 1
Khái quát về công trình ngầm
3
1.1
Giới thiệu chung
3
1.2
Sơ lược về lịch sử xây dựng công trình ngầm
3
1.3
Một số khái niệm
11
Chương 2
Tính toán ổn định công trình ngầm
24
2.1
Công tác khảo sát dự án
24
2.2
Ổn định của công trình ngầm đào bằng phương pháp đào mở
39
2.3
Ổn đinh của công trình ngầm đào bằng phương pháp đào kín
66
Chương 3
Một số phương pháp pháp thi công công trình ngầm
82
3.1
Thi công công trình ngầm theo phương pháp đào mở
82
3.2
Thi công công trình ngầm theo phương pháp đào kín
115
Chương 4
Quan trắc công trình ngầm
144
4.1
Quan trắc hố đào và công trình lân cận
144
4.2
Quan trắc đánh giá và đo đạc đường hầm
151
Tài liệu tham khảo
167
2
Chương 1
Khái quát về công trình ngầm
1.1 Giới thiệu chung
Công trình ngầm là công trình nằm trong lòng đất.
Theo mục đích sử dụng, có thể phân chia như sau:
Công trình ngầm giao thông: hầm đường sắt, hầm đường ô tô xuyên núi,
hầm cho người đi bộ, tầu điện ngầm, hầm vượt sông.
Công trình thủy lợi ngầm: hầm công trình thủy điện, hầm dẫn nước tưới
tiêu, hầm cấp thoát nước, hầm đường thủy
Công trình ngầm đô thị: hầm giao thông đô thị (hầm ở nút giao thông, hầm
cho người đi bộ, hầm tầu điện ngầm…) hầm cấp thoát nước, hầm cáp thông tin,
năng lượng (collector), gara ngẩm, hầm nhà dân dụng, hầm nhà xưởng, gara
ngầm, các công trình công công (cửa hàng, nhà hát, phố ngầm…)
Công trình ngầm khai khoáng: hầm chuẩn bị, hầm vận tải, hầm khai thác,
hầm thong gió…
Công trình đặc biệt: Hầm chứa máy bay, tầu thuyền, kho tàng, nhà máy…
Theo kích thước, công trình ngầm có thể được chia ra thành:
Công trình ngầm tiết diện nhỏ: bề ngang sử dụng l < 4m,
Công trình ngầm tiết diện trung bình: bề ngang sử dụng 4m < l <10m,
Công trình ngầm tiết diện lớn: bề ngang sử dụng l > 10m
Theo phương pháp thi công có thể chia ra:
Công trình ngầm thi công theo phương pháp đào mở,
Công trình ngầm thi công theo phương pháp đào kín
Công trình ngầm thi công theo phương pháp hạ chìm.
1.2 Sơ lược về lịch sử xây dựng công trình ngầm
Từ lâu, trước công nguyên, ở Babilon, Ai cập, Hy Lạp, La Mã các công
trình ngầm đã được khai đào với mục đích khai khoáng, xây lăng mộ, nhà thờ,
cấp nước, giao thông. Một số công trình còn giữ nguyên được cho đến ngày nay.
3
Công trình ngầm được coi là lâu đời nhất trên thế giới là đường hầm xuyên qua
sông Eupharate ở thành phố Babilon được xây dựng vào khoảng năm 2150 trước
Công Nguyên. Vào những năm 700 trước Công Nguyên, một đường hầm dẫn
nước đã được xây dựng ở đảo Samosaite, HyLạp. Hầu hết các hầm cổ xưa được
xây dựng trong nền đá cứng, có dạng vòm giống như các hang động tự nhiên,
không cần vỏ chống. Thi công hầm bằng công cụ thô sơ như choòng, xà beng và
phương pháp nhiệt đơn giản: đốt nóng gương hầm, sau đó làm lạnh bằng nước.
Vào cuối thời kỳ Trung Cổ, việc mở rộng giao thương đã thúc đẩy phát
triển các đường hầm giao thông. Hầm đường thủy đầu tiên trên thế giới dài 160m
được xây dựng tại Pháp từ năm 1679 đến năm1681. Sự xuất hiện của đường sắt
đã thúc đẩy phát triển hầm đường sắt, những hầm đường sắt đầu tiên dài 1190m
được xây dựng trong những năm 1826- 1830 trên tuyến đường Liverpool –
Manchester ở Anh. Cùng thời gian này người ta cũng đã xây dựng các hầm
đường sắt ở Pháp và các nước Châu Âu khác. Công nghệ khai đào thời kỳ này
chủ yếu là khoan tay và thuốc nổ đen. Việc phát minh ra thuốc nổ Dinamite
(1866) cùng với áp dụng máy khoan đập xoay đã tạo nên bước ngoặt trong xây
dựng công trình ngầm như xây dựng các đường hầm xuyên qua dãy Alpe nối
Pháp, Ý và Thụy Sỹ. Trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất, người ta đã xây
dựng được 26 đường hầm giao thông có chiều dài lớn hơn 5km, trong đó có hầm
dài nhất thế giới là hầm Sinplon, dài 19780m. Vật liệu vỏ hầm chủ yếu là đá hộc
vữa vôi hoặc vữa xi măng. Mãi đến những năm 70 của thế kỷ 20 bê tông mới trở
thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng công trình ngầm.
Sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, nhịp độ xây dựng hầm giảm đi vì hệ
thống đường sắt đã tương đối hoàn chỉnh ở các nước châu Âu.
Cùng với hầm xuyên núi, hầm dưới nước cũng được xây dựng với mục
đích giao thông đường sắt và đường bộ. Hầm dưới nước được xây dựng băng
phương pháp khiên đào kết hợp với khí nén có vỏ hầm là các tấm lắp ghép bằng
gang đúc sẵn (vì chống chu bin). Khiên hầm được sử dụng lần đầu tiên vào năm
1825 trong xây dựng đường hầm qua sông Thames ở Anh. Chỉ riêng ở New
York đã có 19 hầm lớn dưới nước. Hầm dưới nước trên tuyến đường sắt đi dưới
vịnh Simonosec, Nhật Bản (1936-1941) dài 6330m. Những năm gần đây, người
ta đã xây dựng những đường hầm dưới nước xuyên biển dài kỷ lục, như hầm qua
4
vịnh Suga Nhật Bản dài 36,2km, hàm qua eo biển Manche nối Anh và Pháp dài
gần 40km.
Một phương pháp được sử dụng để thi công hầm dưới nước là phương
pháp hạ chìm đoạn hầm đã được đúc sãn vào hào ở dưới nước, sau đó lấp đất trở
lại. Phương pháp hạ chìm này đã khắc phục được việc sử dụng khí nén ảnh
hưởng đến sức khỏe người thợ, hạ giá thanh, rút ngắn thời giant hi công.
Tuyến đường tầu điện ngầm ở Luân Đôn, Anh vận hành năm 1853 là
tuyến tầu điện ngầm đầu tiên trên thế giới, mở đầu thời ký xây dựng các hệ thống
tầu điện ngầm trên các than phố lớn của thế giới. Đến nay đã có trên 100 hệ
thống tầu điện ngầm ở trên 30 nước.
Từ những năm cuối thế kỷ 20, hầm thủy lợi đã được phát triển với quy mô
lớn, đặc biệt là hầm thủy điện. Trên thế giới đã có trên 350 nàh máy thủy điện và
thủy tích điện ngầm với công suất trên 40 triệu kw. Ở Liên Xô, Mỹ và nhiều
nước khác các gian máy thường có diện tích ngang từ 200m2 đến 500m2, chiều
dài từ 40m đến 200m, chiều cao đến 40m-50m.
Ở Việt Nam, hầm giao thông thuỷ Rú Cóc được xây dựng năm 1930 ở xã
Nam Sơn, huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An, hầm ngầm xuyên qua núi giúp cho
thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu xuống hạ lưu sông Lam để tránh đập nước Đô
Lương. Một số hầm đường sắt cũng được xây dựng mà điển hình hầm đường sắt
Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc địa phận Thừa Thiên -Huế.
Trong những năm chiến tranh, chỉ đào một số ít hầm ngắn để làm kho
quân trang, quân dụng hoặc hầm trú ẩn cho người và hệ thống kỹ thuật. Điển
hình là hệ thống hầm hào gồm các đường hầm ngầm dài hàng km nằm trong lòng
đất Vĩnh Mốc, Củ Chi.
Một loại hầm được xây dựng phổ biến ở Việt Nam là hầm lò để khai thác
Than và Khoáng sản.
Vào đầu thế kỷ 20 một số đường hầm đã được xây dựng trên tuyến đường
sắt Bắc Nam như hầm Dốc Xây ở Ninh Bình với chiều dài khoảng 100m. trong
giao thông đường sắt đã xây dựng được 41 hầm với tổng chiều dài 11,900m. Sự
phát triển giao thông, thủy điện đã thúc đẩy việc xây dựng đường hầm ở nước ta
trong hơn một thập kỷ gần đây. Tháng 5 năm 2002 hầm A Roàng I dài 453m trên
đường Hồ Chí Minh được hoàn thành. Tháng 6 năm 2005 hầm đường bộ Hải
Vân có chiều dài 6290m được đưa vào sử dụng đã rút ngắn đoạn đường đèo từ
5