Kỹ thuật Thi công hầm và công trình ngầm: Phần 1

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:233

Thêm vào BST

Báo xấu

529
lượt xem 159
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Quyển Tài liệu gồm 9 chương và một số phụ lục về máy và hình ảnh thi công hầm. Tài liệu gồm nhiều nội dung phong phú, làm Tài liệu cho cán bộ giảng dạy, sinh viên ngành hầm và công trình ngầm, làm Tài liệu tham khảo, nghiên cứu cho cán bộ kỹ thuật, cán bộ quản lý, công nhân thi công ngành hầm và công trình ngầm ở các ngành có liên quan. Tài liệu gồm 2 phần, mời các bạn cùng tham khảo phần 1 sau đây.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật Thi công hầm và công trình ngầm: Phần 1

NGUYÊN XUÂN TRỌNG THI CỔNG HÂM VÀ CÔNG TRÌNH NGẦM (Tải bản) NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG HÀ NỘI -2 0 1 0
Lồi tựa Thực tiễn lì í>ùy củ IIỊ* đ ỏ i hỏi con n ạitừi p h ả i c ó nhiều khôn ÍỊ gian dư ới đ ấ t vù như vậy c'ÙÌÌỊĨ (lời hôi phái có kĩ thuật ĩhi công hám và côĩìiỊ ĩrình lỉiỊcun ỉìỊỉày càng cao. Đê dớp LtiĩiỊ yừu cầu d ỡ m un 1963 plìianìỊỊ p h á p N A T M ra đời ịNe\\' Aitstriun Tunndiììsị M e t h o d - phuxmịị p h á p x â y (luni> hầm Ả o m ời) vù đ à đư ợc c á c nuớc c ôn g nhận lù công nghệ tiên tiến, hiện dụi vù đã duợc ãp dụng rôỉiiỊ rdi trôn khắp ĩ!ìế gioi trong xây dinĩỊỊ hầm. Vậy N A T M lủ ỈỊÌ? Kỉ thuật cụ tììếììììtt' t!ỉCũĩìùo? Dựa vào lài liợit của Mỹ, Anh, Pháp và m ột s ố nước châu Alt, cùa Nhật và đặc hiệt của Tntìịiị Qỉiòc mới đây lác Sịiá đà c ố iỊắiiiỊ biên SOOÌÌ cuốn “Thi cỏn LỊ h ầ m và côn g trình ỈĨÍỊÍh ì i ắ' ỉ rom* (tó có ạìói thiệu pìunm g pháp thi côỉỉiỉ hầm tììeo NATM. DồỉỉiỊ ihừi, túc iịiú vần ílàỉìlì Ị)hần thích iíúỉii’ cho phương p h á p truyền ĩhổiìỊ* và cúc plìiroiìị* p h á p khác. O uyíiì sách i>ồm 9 clurơiiiỊ và ỈÌÌỘI s ổ phụ lục về máy vù hình (ình ĩhi cômỉ lìầỉii . Ba chinnìỉị dầu chít yctt iỊiửi thiệu phmmỉị pháp thi côiììỊ hầm theo NA TAI ĩrân ilìểỊỊiới rnmỊị đó có Việi Nam. Các c/ iuviỉị ; khúc iỊiYri ĩhiựu: ỊìhinmỊỊ pháp í/ỉ/ CÔIỈỊỈ hầm truyền thống, hầm chôn n ó n ” , h ầ m ( l à o l ỉ i Ị ằ m , t h i c ô i ỉ i Ị b a n {Ị k l ỉ i c n , Ị h i CỎ IIỊỊ h ụ c l o ợ u , ỉ l ì i c ô n g v ù ỉ ì i i i l n t c h ấ t d ặ c b i ệ t , ntnỊỊ úiìi> khi nén diện ĩiuức thông ÍỊÌÓ, chiếu sáỉĩỊỊ, l ố chức và C/IICÌIỈ lí thỉ côn\Ị theo phuxmỊ* phiÌỊ) mõi. S á c h x ồ m n h iê u ììộ i d ỉ i ì ì ỉ ị p h o n q p h ú c ô th ổ (lùn g là m l à i liệ u c h o CCUÌ b ọ ỊịU ĩn g (lạy, s in h viên niỊÙỉili hầm vủ CÔIỈÍỊ trình ỊìiỊầỉỉi ở trường Đại học , Trung học và (lùỉig lù/n tài liệu tham kh áo, lìỊịlìiân cửu cho cún b ộ kĩ thuật, cún bộ quán lí, côm* nhân thì c ô n ạ Iiiịcuih tiầềìì YÌỈ côn g í rình niịầm ớ các nyành có licìi quan. Tác iịiú rất cám ơn GS. TS LiiOHiỊ PhirơnỊỊ Hậu đã aiĩìỊỊ cấp lủi Ỉiậỉt về hầm vờ cỡnx trình ìỉiỊầni bih' dại học của TmiiíỊ Quốc, XIlất hùn nam 1999; GS. TS Tăng Văn Đoàn đã qóp ý về ĩhóiiỊị ỉ>iú (hiừní* hum vù Cỉtỉìg cấp iu liệu vẻ ílìi cỏìiịị hầm đuờiig bộ đèo H ải Ván. V à i lò ỉỉỊỊ ỈHOỈỈỊỈ m u ố n c u n g c ấ p ỉỉỉọ t CÔÍÌỊỊ n g h ệ m ớ i và p lu tc vu b ạ n đ ọ c k ịp th ờ i, n lu n ĩiị trình clộ cỏ hạn. tài liệu tham kháo khôn " ìihiéu nùi kĩ ílỉiiậí lại mới và phức ĩạpt vì vậy không th ế t r á n h k h ỏ i th iế u s ó t, tá c ẹ iâ r ấ t m o n g đ ộ c g iá g ó p V v ù c h i Ị Ị Ì á o , b ố s u n g đ ể s á c h ỉiỸ ỊÙ y c à n g lìit ù iì ỊÌìiỌ ìì hon. Tác giả 3
Chương ỉ KHÁI NIỆM CHUNG 1.1. So’ luực lịch sử về phát triển xây dựng đuừng hầm và cõng trình ngầin Tiiòi thưựim cổ con người đã hiết đào các hầm nsiàm đặc biệt đê khai thác quặng m ỏ và tluan đá. Người La Mã đã xây đựng các dường ham ngiim thúy lọi đcn nay vẫn còn tốt .Tác phiẩm đầu tiên viết về xây dụn" các đường hầm là cuốn De ra métallica do một người Đức Gieorg Bavvor (tên Latin là Georg Agricola) viốt và xuất bản vào năm 1556. Công trình nsầm hiiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas, dài 155 m được xây dựng từ năm 1676 đến năm 1681 clìio kênh dào Midi ứ miền Nam mrức Pháp. Đen thế ki thứ XIX, dặc bÌỊ't vào thẻ kỉ XX, dô yêu cầu mà giáo thông dường bộ, dường thiủy, itirànsĩ sắt và siao thông thành phố mới phất triển mạnh mẽ. nhất là ciao thông hầm đuiừng bộ, dưừng SUL, dường thủy và ham cho tàu diện ngầm. Đã xuất hiện hầm đườrm bộ Simplon qua dãy núi A lpcs- Penins nằm ỉĩiữu Valacs (Thụy S ĩ ) và Piemonie ( Y) dài 19.730m ở độ cao 2.009m. Dó là dưừim ham trên núi cao đirợc xây dụmg sớm nhất và dài nhất trên thé giới vào thời đó. Vào thế kỉ XX ở các tlìủ đó lớn trên thế giới đã xây (lụns mạn 2 lưới tàu điện ngầm đô thị hiện đ.ũ dặc hiệl ớ Mạc Tư Khoa. ỏ Tru na Quốc, sau ngày giải phóng 1949 đến nav đã xây dựng hơn 4.000km hầm đườns sắt dài vào loại nhất thế giới. Năm 1995 Tn.mil Quốc đã xây dựng hầm đường bộ Tần Lĩnh dài 19.45km đã tạo một buúe CỘI phá ni(Vi vò kĩ thuật xây dựnii ở trong nước. Vào cuối thể kỉ XX kĩ thuật xày dựng hầm ngầm qua sông, qua eo biên đạt bước phái triển .nói dã có nhiều pliưưng pháp thi công hữu hiệu. Năm 1984, Nhật Bán đã xây clựns đường hầm Thanh Hàm xuyên qua co biên Tân Hải Hiệp dài 53,85 km. Năm 1991. nước A n h VÀ n ư ớ c P h á p h ợ p tá c x â y d ự n g đ ư ờ n ỉi h ầ m x u y ê n q u a c o h iê n M a n c h e n ố i liề n lurớc Anh và nirớc Pháp dài 50km (tron” đó có 37,5km nam sâu cách mặt nước biên khoảng lOOin; (hình 1.1).
Lodres80kta ANGLERRE Folkesíone - MANCHE Hầm giảm áp —— uuơnyi crnĩỉ Hám liên lạc ngang Khoảng cách tử màt biến /alais g _ J đ ư ờ n g kính 3,30m) đế n hầm khoảng lOOm Điểm nút Hám Điểm nút Sangalle S Ệ■* Ề !& ■ . FRANCE Paris:225km Hắm ngầm dài 50 km s y Hắm còng vụ (trong đố cỏ 37,5km dưới' biển) 23/ (đường kinh 4,5m) Hai đường hầm độc lập " (đường kính 7,30m) H ìn h 1 .1 . H ầm ngầm qua e o biên M a n ch e «iữa nước A n h và nước Pháp. Trước Cách mạng T háng Tám 1945 ở Việt N am năm 1930 có xây dựng hầm giao thòng thủy Rú Cóc (ở xã Nam Sơn, huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An), hầm naầm xuyên qua núi ỵiúp cho thuyền bè đi lại lừ phía thượng lưu xuống hạ lưu sông Lam đê tránh đi qua đập nước Đô Lương. N°ành đường sắt có vài hầm ngầm ở miền Trune mà điển hình là hầm Phước Tưọnẹ trên đèo Hai Vàn thuộc địa phận tỉnh Thừa Thiên Huế. Trong chiến tranh chống Pháp, chống Mỹ hầm được xây dựng nhiều son" chủ yếu là hằm ngắn nằm trong núi phục vụ quốc phòng làm kho tàng hay công sự. ơ tỉnh Quảng Ninh hầm lò được xây dựng khá nhiều chủ yếu phục vụ khai thác than. Sau ngày thống nhắt đất nước năm 1975, ta m ở đàu xây đựng hầm Dốc Xây trên quốc lộ l A ở phía nam tình Ninh Bình dài khoảng lOOm. Trong công cuộc xây dựng đất nước hiện đại quy mô hiện nay, nước ta đang xây dựrg hầm đường bộ qua đèo Hải Vàn dài trên 6kin; Khi xây dựng XOIĨS sẽ rút ngắn thời gian qua đèo từ m ộ t giờ xuống k h o ản e 15 phút; giao thôn" Nam Bắc sẽ rất nhanh chóng và an toàn tiện lợi. T h á n s 5/2002 ta đã khánh thành hàm Aroànỉi I trên đườna Hồ Chí M inh dài 453m và tiếp tục xây dựng hầm Aroàng II. T rons lương lai không xa hầm và công trình ngầm ở đất nước ta sẽ có bước phát triền mới rất to lớn khi các tuyến đường giao thông phải đi vào các vùng đồi núi hiểm trờ hoặc vùng đô thị lớn. Với bước phát triển khoa học kĩ thuật như vũ bão và sự ra đời công nghệ mới - công imhệ xây dựng hầm Áo mới New Austrian Tunneling M ethod N A T M - con nu ười có thể xây ilựnu ngầm dưới đất ở các vùng địa chất phức tạp khác nhau làm cho công trình xây dựíVí hàm vỳ công trình nsầm an toàn, kinh tế và càng ngày càng hấp dẫn.
1.2. C ác kiểu công trìn h chủ yếu 1.2.1. H ầm ngầm cho tàu thuyền Các hầm ngầm cho tàư thuyền đi qua đều có kích ihước lớn. v í dụ hàm ngầm Rove ở nước Pháp aiữa thành phố Marseille và hồ Berve dài 7km đã có khâu độ 22m (hình 1.2). Hầm ngầm một chiều Panneterie trên kênh đào phía bắc nước Pháp có khẩu độ lOm chiều cao bên trong 8,90m (hình 1.3). Hình 1.2. Hầm Iiíiầin R o v e Mặt cắt ướt của kênh đào ít nhất phai bằng hai lần mặt cắt ướt của tàu. Đường kéo thuyền đôi khi được xây nhô raở phía trên đế tăníĩ thêm diện tích ướt cho kênh và do đó làm íỉiam lực cản của thưyền và xà lan. Mặt cắt dọc của đường hàm ấy thường phẳng ngang. Ở Việt Nam ta thời Pháp thuộc đã xây dựng hầm núi Cóc tại xã Nam Sơn, huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An để tạo thuận lợi cho tàu thuyền từ thượng lưu Hình 1.3. Hàm ngầm Panneterie sông Lam xuốnsí hạ lưu, tránh dập nước Đô Lương. 1.2.2. H ầ m th ú y lợi Hầm thủy lợi luôn luôn có mặt cắt hình tròn vì cho lưu lượng tối đa với một tiết diện đã cỏ. Tuyến của đường hầm thủy lợi càn tránh các điểm cao và bám lấy các đường đồiiíỉ mức càn° sát càng tốt. Ta có thể lựa Hình 1.4. Kiểu mặt cắt c ố n g ngầm thường chọn các lớp đất có lợi để đi qua và thay đôi thay ở Paris. tuyến cắm càn s ngắn càng tốt. 1.2.3. C ông ngầm Cống ngầm thường có mặt cắt hình trứng và có chậu ở đáy đê tăníỉ tốc độ dòng chảy cho các lưu lượn2 bé. cốnsi phải có độ dốc tối thiêu bằng 2%0. Người có thê xuống kiểm tra được vì chúns có chiều cao trên 2m (hình ] .4) tính từ đáy. c ố n g gom và cóng tháo có kích thước lớn hon(hình 1.5) 7
ì . 2.4. Hầm đường sắt Các hầm dư ờ n a đôi (hình ].6) thưừiig có khâu độ 8 đến 9un và các hầm iluờng một t ừ 4,5 đen 5,5m. Khâu độ phụ thuộc vào các điều kiện cho phép cúc nhân viên dirờng sắt qua lại tronu lúc tàu chạy. Đối vứi đưòmu hằm •C '!Q gom to Cồng gor đôi khẩu độ 8m thì cấm qua lại; khau H ìn h 1.5. K ièu mật cắt con g nom . độ 8.70m là tối thiểu cho phép một người đứng dẹp vào vách hầm để khỏi va vào tàu chạy. T ùng quăng người ta bố trí các hốc tron? tuừníì đê (Cho người tránh tron 2 lúc đoàn tàu đi qua. Ớ Trunsỉ Q u ố c, trẽn các tuyến đường đơn rộ ne 4,5m , đưởng đôi rộng 8,5ni và đuừnu hàm địa pharơng đều có kích thiết kế hầm tránh cho người và \e . T ro n g Ihời gian g ần đày Việt N am ta cũng xây dựng hầm đường sắt qua đ èo Mai V ân (thuộc tỉnh Thừa Hình 1.6.1l a m trong đường cong tuyên Liart cíỏiì T hiên Huế). ■ Mézière (Pháp) 1.2.5. D ư ờ n g tà u điện ngầm Kích thước của đường tàu điện ngầm tùy theo việc bố trí theo tuyến một hay ỉuvcn đôi hoặc nhiều hơn. Chiều rộng hoặc đườne kính trong thay đổi từ 3,30m đối với đường óng Luân Đôn đén 9m đối với hầm đường đôi khô thông thường hoặc cao hơn đối với các hầm có 3 đến 4 đường 2 Íao ihôim. Các nhà ga cho hai đường (hình 1.7) có khẩu độ 12 đến 15 m. Cúc nhà ca hai dirờiis của tuyến vùng Đông Tây H ìn h 1.7. Hầm ngầm hai làn xe kiêu thườne cùa Paris có khâu độ lớn hơn 20m. thây trên đ ư ờ ns tàu điện niz;ìnì ờ Piiris. 8
Ntnrời ta ihiết kế rất rộng vì lirợng hành khách dự kiến rất lớn ừ các điếm nối với mạng lưới iiiao ihôntí đô thị (hình 1 s và 1.9). Đê vạch tuyến có hai quan niệm thực hiện. T hứ nhai iiLHiừi ta bám sát các tuyến đường sẵn có bììnu mọi cách có thế, như vậy các tuyến mới sẽ sát mặt đất hơn và thông thường khôn Si Siặp mrức. Việc xây dựns các Hình 1.8. Nhà sa hai làn xe, kiêu cùiìíi trình sẽ kinh té, không có hoặc ít sặp thườna thây cùa tàu diện naầm ở Paris. chuyện đền bù và các rắc rối "ây ra cho các bắt động sản đều bị hạn chế. Tuy nhiên, tuyến chạy 'Jần sát mặt đát đòi hói phai tránh các cốníỉ nỉỉầm và côn? trình hiện có chiếm khoang 10 đến 20% tổnsĩ công trình xây dựng. Tron 5 các thành phố mà các tuyen đirờns k h ô n " ilìẳnii. nếu theo quan niệm này người ta phải thiết ké một tuyến tàu điện ngầm ngoằn ngoèo thì quả bất lợi cho côn í: việc kinh doanh và sức khỏe cho hành khách sau này. Hình 1.9. Hằm ở Saint- Cloud (Pháp). Nếu người ta chấp nhận đi qua khu vực tư nhân, thì bắt buộc phai xây dựníĩ hầm tàu điện ớ một độ sâu nào đó. Giải pháp ấy có thê tlụrc hiện được nếu tồn tại ở dưới sâu một lóp đái chắc, sonu dễ thi c ô ns n liư ở Luân Đôn. Trons tnrờng hợp như vậy, giá thành các cô nu trình đi vào hầm khá cao, hơn nữa thời gian và công sức từ sân ga lên mặt đất tăng lên đán ụ kê. Cuối cùng, trong các thành phố lớn, người ta đi đến xếp chồng lên nhau nhiều m ạn " lưới tàu diện neầm. Như ở Paris, từ 10 đến 15m ở dưới đất đâu đâu cũng chàng chịt mạng lưới tàu điện ncầm đô thị và các công trình vệ sinh. Mạng lưới tàu điện ngầm của vùiìiỉ sẽ phái đặt ở đọ sâu thay đôi từ 15 đến 30m, nói chun? nằm trong lóp nước giếng và tron í các địa tầim thay dối từ đá vôi đến cát và sỏi. Do đó người ta phải có nhiều phương án thi cô n s đắt đỏ làm chậm lién độ cônsĩ trình. 9
1.2.6. Hầm đường bộ Trước đ âv.liầm đuờna bộ trên thế giới chi có một chiều. Ngày nay, nói chung hầm điiờng bộ có hai chiều và có khẩu độ 9 đến lOm và thỉnh thoảng có vùng mở rộng để cho phép dìmg xe. Hầm đường bộ S ‘- Cloaud trên đườim cao tốc phía tây ờ neoại ô Puris íiồm 5 đường và có đường kính bằna 17m. Hầm đường bộ đèo Hải Vân (Việt Nam) khẩu độ 12,85m cao 1 l,0 m dài hơn 6km, khởi côna ngày 1/10/2000 và sẽ hoàn thành vào tháng 10 năm 2004 (hình 1,9a). N ăm 2003 khởi công hàm đuửng bộ qua đèo Ngang (giáp giới tỉnh Nghệ An và tỉnh Quảng Bình) và sau đó sẽ chu rin bị khởi côn" hãm imầm chui qua s ô n s Sài Gòn. l o m lại hầm và công trình ngầm ở nước ta sẽ gắn với mọi côn" trình xây dựng cơ hãn của nền kinh tế quốc dân một cách hĩrn cơ và sẽ có bước phát triển mới troniỉ sựnghiệp xây dựnỵ đất nước la thành một nước công nghiệp hóa và hiện dại hóa. 1.3. L í lu ậ n co* b ả n và q u á trìn h p h á t triển trong thiết k ế và thi công d ư ờ n g h ầ m ì . 3.1. G iới th iệ u ch u n g Từ thế kỉ thứ XVIII lại đây, loài nsỊười yêu cầu không gian dưới đất tmày càng nhiều, CỈO vậy công tác nghiên cứu công trình dưcri uất có bước phát triển đột phá mãnh liệt. Tron Sĩ thực tiễn phần lớn công trình dưới đất người ta nhận llúrc phổ biến được vấn đề cốt lõi cùa hầm và công trình ngầm được quy két vào hai khâu mấu chốt là đào hầm và cho chốna. ( o nghĩa là đào nh ư thế nào mới có lợi cho hầm ôn định và tiện lợi cho che chống. Ncu khi cán che chống thì che c h ố n " như thế nào để đảm bảo ôn định một cách có hiệu qua và lại liýn lợi cho việc đào hằm. Đó là hai vấn đề cùng dựa vào nhau và hạn chế lẫn nhau trong hầm và công trình ngầm . Các còng tác khác chỉ là biện pháp giãi quyết và xử lí phục vụ cho víín đề cốt lõi áy. Trong quá trình xây đựng hàm và côna trình 11«ầm, qua các thời kỳ khác nhau, xoay quanh thực tiễn và nghiên cứu vấn đề cót lõi trên, nsười ta đã đề xuất các lí luận khác nhau và dần dần sáng lập ra các hệ thốnỉĩ lí luận khác nhau. Mỗi loại hệ thống lí luận đều có khái niệm công trình, nguyên lí sức bền, biện pháp công trình cho đến phưon« pháp thi công riêng cúa mình. Một loại lí luận truyền thống của thế kỉ 20 là “Lí luận tải trọng lon" rời”. Nội dune cốt lõi của lí luận này là: Đất đá có khả năng tự ôn định, không phát sinh tải trọng; đất (tá không ổn định có th ể gây ra sụt lở môi chất cần phải dùnu kết cấu đê che chốniỉ. Như vậy,
tải trọns tác dụng lên kết cấu chống tức là trọng lực khối đất đá đã bị long rời trong một phạm vi nhất định có khả năng sụt lở. Đó là lí luận truyền thống. Đại diện cho phái đó có Terzaghi vù Proiôđiacônôp và một số khác. Quan điểm này vần còn được ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay. Còn một loại lí luận nữa là lí luận che chống hiện đại được đề xuất vào thập kỉ 50, được gọi 1à “Lí luận đất đá chịu lực”. Nội dung cót lõi là: Đất đá ôn định hiển nhiên là nhờ bản thân có năns lực chịu tải tự ổn; đắt đá xung quanh mất ổn định là cả một quá trình, nếu trong quá trình đó ta cunu cấp một sự hỗ trợ hoặc hạn chế càn thiết, thì đất đá xung quanh vần có thê trở lại trạnsỉ thái ôn định. Đại biêu cho loại hệ thống lí luận đó có các nhân vật sau: K.V.Rabcewicz, Miỉei' Fecher, Fenner Talobre và H. Kastener cùn« một số khác. Đó ià m ột loại lí luận tương (lối hiện đại. Nó đã thoát li luồng suy n£>hĩ về vấn đề cân nhắc công trình trên mặt đất và càng gần với thục tế cônu trình dưới đất, gần nửa thế kỉ trở lại đày đã được tiếp thu rộng rãi, đẩy mạnh ứnu dụiiii và cànsi biểu hiện tiền đồ phát triển rộníĩ lớn. Từ trên ta có thể thấy lí luận đầu tiên rất chú ý đến kết quả và xử lí theo kết quả; còn loại lí luận thứ hai thì rất chú ý đến quá trình và tiến hành khống ché đối với quá trình, tức là lợi dụ nu đầy đủ năna, lực chiụ tải của đất đá vây quanh, do đó hai loại hệ thống lí luận, về nuuyên lí và phirơno pháp mà nói, mỗi loại tự biếu hiện đặc điếm khác nhau. Bang 1.1 sẽ thuyct minh và so sánh hai loại hệ thống lí luận lớn ay. Điều cần chú ý : Cônạ trình hầm và công trình ngầm đều khai thác không gian dưới đất trong khói đất đá chịu ứng suất, khi lựa chọn phương pháp thi công, dùng bát kì lí luận hay phuơnq pháp nào, đều cần căn cứ điều kiện mọi mặt của công trình cụ thể, tổng hợp cân nhắc lựa chọn phương án thiết kế và thi c in g kinh tế nhất, hợp lí nhất, thậm chí ứna dụng tông hợp nhiều loại phưưim pháp, đó là một quá trình lựa chọn lối im của động thái chịu nhiều nhân tố ánh hươniĩ. 1.3.2. T h u yết m inli và so sánh hai hệ thốn - lí luận Bảng 1.1 r ..... ..... - Lí luận tải trọng long ròi Lí luận đất đá chịu lực 1 2 3 Tuy nhicn đất đá xmm quanh có năn 2: Tuy nhiên đất đá vây quanh có thê phát lực chịu tái nhất định, nhưne rất có khả sinh long rời đi đén mất ổn định, nhưng năn SI do bị I0112: rời phát triến mà đi trong quá trình bị long rời vãn có năne lực Nhạn đen mất ôn định, kết quả là sinh ra tác chiu tải nhất đinh, khônơ chỉ cần hết sửc lơi ihức chum lải trọim lên kết cấu chốn" đỡ. dụng mà còn cân ơiữ gìn, bảo vệ và tăng 11 Đó là n^uồn iíốc của tải trọng đất đá cường năng lực chịu tải đó. Đó là cách xem vâv quanh xốt chính đối vơi đất đá vây quanh.
1 Ị 2 3 ị Ị Cơ học đất đá xem đât đả vây quanh là Cơ học đá, xem đá vâv quanh là khôi đá khối hạt rời. đe tính toán tài trọ 112 phân íms suất, phân tích tính toán trạng thái vù r V .' t ' ' bô lớn hay nhỏ của nó phát sinh đối qua trinh biên hóa ứng suât- biên dạiìii va với kết cấu chống. xem hệ chống là điều kiện biên giới cứa Ị Cơ học kết cáu xem hệ clìôns và vỏ khôi đủ bị ímg suât, có tác dụng khống chè Neu\ên lí ! hầm là két cấu clhịu tâi để tính toán nội ứng suai - biến dạns của đá vây quanh, CO' học lực của chúng cho thật họp lí; lập nên kiếm tra hiệu qua tấc dụns; và làm cho tôi hệ thống cơ học "Tải trọn? - kết cấu” ưu hóa. Lập nên hệ thống cơ học "Vi nh;mi lấy lải trọng bất lợi nhất tôns hợp lại - che chốn*" lấy trạng thái thực tế ínm sum làm tải ironơ thiết kế kết cấu - biến dạng làm trạng thái thiết ké chon*: 1 đỡ. Cân nhắc vấn đề đất đá rắt có the bị Khi can tlìict, dùns thanh neo và phụt bí* lonii rời sụt lở sau khi đào xong, cho tông, kẽt hợp với cấu kiện mềm tiến hành nên chia đọan sau khi đào xong, kịp che clìốn2 sơ bộ, đe kièrn ché quá trình đai 1 thời dùns hệ thống tạm thời có độ đá long rời hien dạng siữ gìn và lăng CLiừiU’ 1 CL> 'Õ cứng tương đối íởn tiến hành che năng lực chịu tai của đất đá; che chốns Sir o «r-Ịu chốníĩ, đợi cho khi đà đào thành hình bộ sẽ tạo thành một bộ phận của két cáu u vỏ hằm xong, dần dần thảo đỡ hẹ chịu tải, két hợp xây vỏ hàm lan hai níiay chống và dùng vỏ hầm toàn khối dày (cũng bao gồm cả đất đá được iỊÌa cố) CỪIIÍỊ làm hệ che chóng vĩnh cửu. nhau tạo thành một hộ ihốiiii kct câu chịu tải liên hợp Đào hầm thường dùnvĩ cách chia và Đào ham thường đìmu cách đào mặt cát lớn ZJj ou ' công hiệu. Khi thảo hệ chống tạm thời nitức, can dùng phương pháp xử lỷ (như phun 3 khá phức lạp, càne không an toàn, nêu vữa) để chống; đỡ, mới có thể tiếp lục thi côim. p không tháo được, sẽ 2 ây lãng phí lại Khôn? can tháo dở hệ chốniĩ của thời kỳ làm cho điều kiện chịu lực của vó hâm đau, thi công an toàn, kết câu che chông không tốt. chịu lực tốt. 12
1- Sau khi đào hầm xong, đất đá phát 1- Đất đá xung quanh là bộ phận chịu tải sinh long rời đó là điều tất nhiên, chính, cho nên trong khi thi công can hết nhưng sinh ra sụt lở là điêu ngâu nhiên sức bảo vệ đất đả xung quanh, giảm thiểu nên phải phấn đoán chính xác khả lay động; năng sụt lở to hay nhỏ phát sinh trong 2 - Che chống ban đầu và vỏ xây vĩnh cửu từng loại đất đả; chỉ có tác dụng gò bó đất đả xung quanh mà 2 - Cho dù đất đá không bị sụt lở, song thôi; chúng cũng cho phép đất đá xung quanh ị đã bị long rời ra cũng có thể đặt tải trộn 2: lên kết cấu che chống nẽn can phát sinh biến dạng có mức độ để phất huy chuẩn xác xấc định tải trọng phân bố năng lực chịu tải của đất đá, lại ngăn chặn đất lớn hay bé; đá biến dạng quá mức đi đến mất ồn định, cho nên che chóng trong thời kì đầu tót nhất nên dùng kết cấu mềm vỏ mỏng; 3 - Đê bảo đảm ôn định của đất đá, cần 3 - Động thái ứng suất- biến dạng của đất căn cứ tải trọng phân bố to hay nhỏ mà đá vây quanh cần phải được dự đoán xem thiết kế che chống tạm thời và xây vỏ nó có thể đi vào trạng thái ổn định không? vĩnh cửu làm kết cấu chịu tải và làm Vì thế lấy đo đạc làm biện pháp đê nắm u cho kết cấu chịu lực hợp lí. ?«£(U vững động thải đất đá xung quanh tiến '*5 hành giảm sảt và điều khiển thi công và vorỊ 0 điều chỉnh thiết kế, nhăm đề xuất cách che chốn" thích đáng, kịp thời và theo cảch tnrớc mềm sau cứng, chiếu theo yêu cầu cần thiết mà đề xuất cung ứng; 4 - Cho dù kết cấu chịu tải được thiết 4 - Mất ổn định toàn bộ hệ thống thường là ke theo tải trọng tô hợp bất lợi nhất, do phá hoại cục bộ phát triển lên, cho nên nhưng khi thi công cũng cần hết sức kết cấu che chống cần hết sức bịt kín và tránh làm cho long rời thêm và phát I sơm nhất ràng buộc đất đá xung quanh một sinh sut lở cách đầy đủ, nhất là khi gặp đất đá vụn nát, mềm yếu, cần xây kịp thời vòm đáy, làm cho hệ thống và đất đả cùng kết thành một vành chịu tải khép kín. 1.4. K h á i n iệ m về p h ư o n g p h á p Áo m ó i (New Austrian Tunneling M ethod - N A TM ) (Theo tài liệu của giáo sư D.I. Golser Viện cơ học đ ấ t , hầm và công trình ngầm, trường Đại học tổnơ hợp Leoben - Áo) 1.4.1. Lịch sử và định nghĩa Cho đến giữa thế kỉ XX, trong côn 5 nghệ xây dựng hầm, đầu tiên người ta dùng gỗ và sau (tó dùnu vòm thép để che chống tạm thời cho đến khi hệ chống cuối cùng được dựng lên. Hệ clìổna cuối 011112 là một hàng gạch hay bê tông (hình 1.10). 13
Năm 1944, Giáo sư người Ao L.V.Rabcesvic/ đã cho xuất bản quvẽn sách "Ap lục đất LỈá núi và xây dụng hầm ", tron” đó giói thiệu sự can thiét phái si am nhỏ biến daiiíi với mục đích lợi dung khả IUÌ11U c h ịu tái c ủ a khối đ ấ t đ á và mối quan hệ qua lại giữa lực chống đỡ và biến dạng. Một số nauyên lí Hmh U 0 - Phl|ơng pháp Áo cũ (phương pháp làm Ị hầm này cũng tươníĩ tự với các nước trên thế siới). cua N ATM cũníi được vạch ra J ° & & tronsi quyên sách đó. Năm 1948, các nsuyên ií của NATM dã được công bố do CÔ112 cùa L. V.Rabce\vicz. Tinh thần chính của nội dung là: với một che chống dẻo đầu tiên một sự càn bằnii mới đã dạt được. Việc ấy phải được kiêm soát bằns các do đạc tại chỗ. Sau khi đã dạt được sự cân bang mới đó thì một vòm bên trong sẽ đirợc xây dt.mil. Trong nhữniĩ trường h ,rp riêng, vòm bên trong đó có thê bỏ đi. Từ năm 1956 đén năm 1958 các hầm kích thước lớn đã được Rabcewicz xây dựntĩ ớ Venezuela theo ncuyẽn lí của NATM. Năm 1963 “Plnrơng pháp xây dựng hầm Áo mới” dược giới thiệu tại hội níihị Cơ học dắt đá tại Salzburg. Phương pháp (lược gọi Ịà Ao mới vì trước đó ctũ tồn tụi phương pháp “Áo t ù ” và được đặt lên là “Áo mới” đã được các kĩ sư người Áo phát triển. Plurưiiỉi pháp đã dược phát triển lên dần với các biện pháp đào và che chóng mới. Các phươiiíỉ tiện che chóníi và biện pháp kèm tlico đã được cải thiện với nhiều tran 2 bị mới. Kĩ thuậl diễn sriiíi cìnm với tay nghề cao đã mở rộ na; việc áp dụng NATM cho các loại đất rất deo với biến dạns lớn cho đến đất mềm, với các mặt cắt hầm lớn hoặc hình thù phúc tạp. Định imhĩa N ATM như sau: Phưoim pháp xây dựng hầm kiêu Áo mới (NATM) là một phương pháp tron" đó các cau tạo đất đá xung quanh hầm hợp thành một kết cấu che chốntr thống nhất hình trụ tròn. Do dó, các cấu lạo đất đá bản thân sẽ là một bộ phận của kết cấu che chống. Định ìmhìa nói trên với các nguyên lí chủ yếu đã được công bố vào năm 1980. ì . 4.2. Q uan niệm c ơ bán cứa N A T M Với việc đào một đường hàm trường Ún2 suất ban đầu trong khối đá bị thay đổi thành một trường úne suất thử sinh ít thuận lợi hơn. Dưới vòm nham thạch đó, phần lứn các quá trình sắp xếp lại íms suất Iheo thời gian sẽ xảy ra, bao ỵồm cả vùng deo cũng như vùng đàn hồi. Duứi hoạt độníĩ của vòm nham thạch, các hoạt động của chúng ta phai nhăm duy trì hoặc cái thiện kha năng chịu tải của khối đá, hoặc nhằm lợi dụng khả năng chịu tải đó và nhằm để iíây ra một sự phái triển trường ứng suái thứ sinh có lợi hơn.
Mục đích của chúng ta là duy trì điều kiện tải trọng theo ba trục cho tát cá các giai đoạn và đê giám thiêu các tình hình chịu ứng suất một trục hay hai trục trong khôi đá. Sau đây là một số hình vẽ thể hiện quan niệm khác nhau giữa xưa và nay về xây dựne hầm và công trình ngầm. Hình l.lOa. Khối đá là một bộ phận quan trọng nhất của hệ chống. Hình 1.11. Trạng thái biến dạng và ứng suất càn phải dirợc bảo vệ. 15
Hình 1.12. Đ e phòng lo n g rời củ a kết cấu đá. H ìn h 1 .1 3 . C h e chốne: ban đầu và cu ố i cù n " vơi c á c lớp m ỏ n g . 16
caụ chòng vòng tròn r t t t t t T T J pc đá Him, 1.15. Vè co bin duậng hầm là mộ, cá, ông ta o gồm ké, cáu chống vông ,ròll cua khôi đât đá bao bọc xung quanh 17
Hình 1.18. Huy động hợp lí đúng mức một kết cấu chống vòng tròn của đất đá bao bọc xung quanli hầm. Hình 1.19. Kết cấu che chống ăn khớp với đo đạc kĩ thuật; đo đạc biến dạng và ứng suất phải bám sát thi công để điều chỉnh che chống kịp thời bảo đảm an toàm. 1.4.3. Nguyên lí cơ bản cứa NATM T ừ những quan niệm trên rút ra nguyên lý cơ bản của NATM như sau: (1) Bảo vệ sức bền của khối đất đá: Đào cẩn thận đế tránh làm long rời có hại và lắip đặt thật nhanh các phương tiện che chống tăng cường. Phun bê tông, lắp đặt neo, lắp mạn°; lưới cốt thép và giá vòm thép sát với mặt đào hỗ trợ cho việc bảo vệ sự toàn vẹn của khối đíất đá. (2) Nhanh chóng tạo hình dáng đường hầm tròn khép kín: để tránh các tập trung ứngí suất vào các góc mà ở đó các cơ ché phá hoại tiềm tàng sẽ phát xuất.
(3) Lập vỏ mỏng và dẻo: che chống lần đầu phải dẻo nhằm để giảm thiểu các mô men uốn và đê tạo thuận lợi cho quả trình sắp xép lại ứng suất mà không tạo ra các lực cục bộ bất lợi cho lớp vỏ. Sau đó neo chặt các lóp che chống lần thứ nhất vào khối đất đá, ngoài ra không cần che chốn? phụ nào khác vì sẽ làm tăng bề dày lóp vỏ. Lớp vỏ phải tiếp xúc hoàn toàn với vi nham đào ra. Việc phun bê tông sẽ đáp ứng yêu cầu đó. (4) Đo đạc thường xuyên tại chỗ. Quan trắc trạng thái đường hầm trong quá trình thi công là một phần thống nhất của NATM. Với các phương tiện đo đạc tại chỗ hiện đại như: nghiêng kế, các tế bào theo dõi nội lực, máy đo áp suất và bién dạng, kinh vĩ lade V.V.... và với việc theo dõi và diễn giải các biến dạng, ứng suất và lực căng, người ta có thể tối ưu hóa các phương pháp thi công và yêu cầu che chống. (5) Các cơ chế phả hoại thường xảy ra, có các loại: phá hoại theo hình ống khói, hình vòm thường xảy ra từ đỉnh vòm do khối đá bị long rời hoặc thiếu ứng suất ngang tại vòm; phá hoại chẻ và oằn thường xảy ra cạnh tường cánh hoặc vòm đáy; phá hoại cắt phát triển khi vi nham bị áp suất cao do sự khống chế bên không đủ. Những phá hoại ấy nói chung có tính chất từ từ và có thể kiểm soát được với thông tin của quan trắc thận trọng tại chỗ. (6) Áp dụng thực tế: N ATM thích họp với xây dụng đường hầm bằng máy đào TBM (Tunneling Boring Machine) và bằng khiên. N A T M lại còn có ưu điểm trong các đề án đường hầm với các điều kiện địa kĩ thuật thay đổi thường xuyên do cách giải quyết mềm dẻo và tính đáp ứng tốt với các đièu kiện thay đổi. Phương pháp cũng có ưu điểm trong hình dáng hình học phức tạp, trong các mặt cắt lớn và trong đất xấu. N ATM được áp dụng có kết quả cho các loại đường hầm phục vụ giao thông cũng như phục vụ mọi mục đích khác, như: thủy lợi, thủy điện, kho tàng và mục đích khác nhau, thích hợp với đá cũng như đất mềm. Bước phát triển mới về các kĩ thuật đào, kĩ thuật neo và phun bê tông cũng như các tính toán số học và trang thiết bị đo đạc thí nghiệm làm cho việc sử dụng không gian dưới đắt ngày càng kinh tế và hấp dẫn. Một số máy dùng cho NATM Hình 1.20. Xe khoan lỗ mìn bánh lốp tự động 19
Hình 1.21. Máy phun bêtông BuffaIo Hình 1.22. X e đ ổ đất đá tự lật c ở lớn
Chuơng 2 PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM VÙNG NÚI VÀ NATM 2.1. KHÁI NIỆM C ơ BẢN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM Thi công đường hàm là thuật ngữ gợi chun« phương pháp thi công xây dựng, kĩ thuật thi công và quản lí thi công các đường hầm và công trình ngầm. Lựa chọn phưưng pháp thi công chủ yếu phải dựa vào điều kiện địa chất và địa chất thủy văn, kết hợp với kích thước mặt cắt đường hầm chiều dài, kiểu vỏ, công năng s ử d ụ n g và trình độ kĩ thuật thi công cùng một số nhân tố khác nghiên cứu cân nhắc tổng họp lại đ ể quyết định. Dựa vào tình hình tầng đất mà đường hầm xuyên qua và sự phát triển phương pháp thi công dườ ns hầm hiện nay, phương pháp thi công đường hầm có thể phân loại theo các phươiiíí thức sau dây: { Phương pháp thi € 011«! Phương pháp m ỏ truyền tliỏns; đuxrnu ham trên núi Pháp pháp Á o mới. Phươniỉ pháp dùna máy đào các loại. Plurưng pháp ihi CÔI1lĩ Phương pháp đào lộ thiên; \ dirờiiii ham Iiôna và J Phươnu pháp tưcVne liên tục dưới đất: trona đất mê 111 Phươna pháp đào dưới nắp; Phươii" pháp đào ngầm nông; V Phưưntí pháp khiên. Phươnií pháp thi cônẹ Phươno pháp hạ chìm: ^ đưừiiL’ liàm dưới đáy rurớc\ Phương pháp khiên. Kĩ thuật thi công dường ham chủ yếu nghiên cứu giải quyết: các phương án và biện pháp kĩ thuật cần thiết cho các loại phươno pháp thi công đường hầm nói trên (như phươnsi án và biện pháp thi c ô n s dào, tiến sâu, che chắn, xây vỏ); biện pháp thi công khi đường hầm di qua các vùna địa chất đặc biệt (như: đất trương nở, hang động caxtơ, đất sụt, cát chảy, tầng đất có khí Ittêian V.Y...); phương pháp và phương thức thông gió, chống bụi, p h ò n ” khí độc. chiếu sáng, tlìôníĩ ạió, cun" cấp điện nước và phương phcáp đo đạc giám sút, k h ó n s chế đối vứi các íhay đôi giới chất của hầm.
Quản lí thi côim đường hầm chủ yếu giai quyết thiết ké tổ chức thi công (nhu lựa c họ n phươnq án thi công, biện pháp kĩ thuật thi công, hố trí hiện trườn", khống chế licn đệ, c u n " íniu vật liệu, bố trí lao động, máy móc v.v...) và m ột số vắn đề khác như quản lí kĩ thuậ\ q u á n lí ké hoạch, quản ií chất lượng, quản lí kinh lế, quản lí an toàn v.v... 2.2. PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN KỈ THUẬT TIII CỒNG ĐƯỜNG 1IÁM Theo đà phát triển kinh té, kĩ thuật khoa học của thế ki 21 trên loàn thế giới, ơi ao thtôim vận tải, thủy lợi, thủy điện,... đặc biệt giao thông ngầm cho đến lợi dụntỉ khôn li giai, t r o n ” các vùng thành phố càng đề ra các yêu càu c à n s ngày c à n " cao, cànư ngày càim lới:, c à n g imày càniĩ khó đối với đườna hầm và cônỉi trình ngầm. Việc xây dựng đại quy mỏ CÔIIS trình ngầm đã đây m ạnh tiến bộ khoa học kĩ thuật xây ciựns đườnc hầm. Thực tiễn c ô n 2 trình che chắn phần lớn bằng cắm neo và sự phát triển nhanh chóniỉ cơ học đít đã dan don tạo thành lí luận che chắn hiện đại, trên cơ sớ đó đã xuất hiện nhiều phirơna pháp thi côiiiỉ mói c àn a có hiệu quả nhu: phương pháp Áo mới, phương pháp N auy, phương pháp dào ngầm chôn cạn. sỉr d ụ n " các máy đào, máy khiên với trang bị kĩ thuậi hiện đại có thè tlliícli írnạ với việc đào các loại địa tầng đá rắn hay đất m ềm có nước; tính tin cậy, tính bén lâu, tính c ơ đ ộ n s và năng suất c a o c ủ a c h ú n g đã l à m c h o c h ú n g trở thành các loại máv C'ìmg nvzà\ càng được ứn 2 dụng rộng rãi. Việc cải tién các mũi khoan và việc xuất hiện các a o xe khoan thủy lực, việc khai triển các trang thiết bị bốc đá và vận chuyên đá nănu lực lới, việc sáng ché ra vật liệu nổ loại mới và việc hoàn thiện kĩ thuật nổ phá, các tiến bộ kĩ th lậu cúi thiện môi trườn l— 2 đất ctá và kĩ thuật • che chắn, cải thiện • hoàn cảnh và điều kiện « thi cc ns:!. fc_- dã 111111«: cao được tóc độ đào hầm rắt nhiều làm cho kĩ thuật đào hầm bằniĩ p h ư ơ ns pháp k h o a n lỗ nổ mìn càng thêm đổi mới. Việc phát triển kĩ thuật thi công đirờng hầm hằng hí C-I)ìm xuống đáy nước đã cung cấp một phương pháp mới có hiệu quả để’ đường hầm xuyên qua đáy sông, ngòi, eo biển. Tiến bộ về kĩ thuật xây dựng đườníỉ hầm đã tạo ra cơ sớ p h ú t.rièn 00112 trình dường hầm dài và lớn đồng thời là nền m óng lựi d ụ n s và khai phá không