II. Trả lời câu hỏi và bài tập của Bài giảng 5
12. Ảnh hưởng của điều kiện địa chất nền đến thi công(đào, chống đỡ, thi công vỏ) và giá thành xây dựng hầm
Việc đào đường hầm phụ thuộc rất nhiều vào tính chất cơ lý của đá, thế nằm của các lớp đá, mức độ phong hóa và nước ngầm. Đối với đá cứng ít nứt nẻ (không có sự phá hoại của kiến tạo) có thể không phải chống đỡ khoang đào, tuy nhiên việc khoan gặp khó khăn hơn hơn vì đá cứng. Nước ngầm cũng không gây ra mất ổn định đối với đá cứng, nhưng làm cho việc thi công phức tạp thêm.
Những đá đã bị phá hoại, có nhiều khe nứt, những đá mềm như Macnơ, đá phấn, đá phiến sét, yêu cầu phải gia cố khoang đào để chịu áp lực lớn của khối đá xung quanh khối đào. Dòng nước ngầm có thể rửa trôi đất trong khe nứt, đá bị tách rời ra và khối đào bị mất ổn định.
Khối đào nằm trong đất (sét, đất thịt, á cát và cuội sỏi) thì không ổn định nhất là khi khối đất đó nằm trong nước ngầm. Những loại đất này gây ra áp lực lớn (theo chiều thẳng đứng cũng như bên hông), vì vậy khi đào đường hầm yêu cầu phải có vật chống đỡ chắc chắn.
Vì thế ngay khi bắt đầu thi công cần phải nghiên cứu tỉ mỉ tất cả những điều kiện này kể cả chỉ tiêu cơ lý của đá bằng việc thăm dò địa chất công trình (các khoan, hầm và giếng thăm dò) sử dụng các phương pháp vật lý hiện đại và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Đồng thời cần làm rõ khả năng xuất hiện nước ngầm (vị trí, áp lực, lưu lượng, nhiệt độ và thành phần hóa học).
Lưu lượng và áp lực nước ngầm có thể rất lớn. Cụ thể khi đào 1 trong số những đường hầm tới lưu lượng 300l/s, còn khi đào đường hầm nhà máy thủy điện Roselan Bachi ở Pháp, những người xây dựng đã gặp mỏ nước ngầm đạt tới 19atm. Dòng nước ngầm không chỉ gây khó khăn cho việc đào đường hầm mà yêu cầu tổ chức tiêu nước tốt, 1 đôi khi (nếu nước ngầm xâm
thực bê tông) đòi hỏi xây dựng lớp chống thấm cho vỏ đường hầm và sử dụng xi măng đặc biệt.
Rất quan trọng là phải dự báo khả năng xuất hiện khí độc đào đường hầm, đó là H2S, CO2, CH2, để bố trí hệ thống thông gió và các biện pháp an toàn cho thi công. Theo kết quả khảo sát địa chất công trình cần lập ra các lát cắt địa chất dọc theo đường hầm, chỉ rõ các tính chất của đá, các vị trí có khả năng xuất hiện nước ngầm và khí độc.
Do số lượng giếng khoan thăm dò và các khối đào có hạn, việc lập ra các mặt cắt địa chất chính xác, tuyệt đối an toàn là không có khả năng trong thực tiễn, vì thế để chính xác hóa điều kiện địa chất nhất thiết phải tiến hành thăm dò điaạ chất ngay trong quá trình đào đường hầm, bằng các lỗ khoan nông (2-3m) vào trần, tường, đáy khối đào và đôi khi khoan vào gương đào (đặc biệt khi có các lớp đá khác nhau, trong vùng bị phá hủy mà đường hầm đi qua). Đồng thời cần đánh dấu các vết lộ của đá trên trần, tường và đáy khối đào bằng cách lấy các mẫu.
2.2. Giải bài tập
Bài tập 1: Theo thiết kế hầm có kích thước như sau: nóc hầm nửa hình tròn, R =2m, chiều cao thân hầm H =4m, nếu tính cả đỉnh vòm thì chiều cao H0 = 6m. Biết hệ số cứng fk = 1, trọng lượng riêng của đá bằng 2,3 T/m3, góc ma sát trong ϕ = 30o, lực dính C = 0,2 Kg/cm2, suất chịu kéo σ = 0,16 Kg/cm2.
Hãy xác định chiều cao vòm đá áp lực theo Protodiakonop và Ritter.
Tính tải trọng vòm đá tác dụng lên 1 m dài đường hầm (vòm đá có dạng Parabol).
Tính lực đá tác dụng lên tường bên theo Protodiakonop.
Giải:
1. Xác định chiều cao vòm đá áp lực theo Protodiakonop và Ritter.
* Phương pháp Protodiakonop:
Chiều cao của vòm là: h=b/2fk. b- là chiều rộng khối đào = 4m, fk- hệ số cứng của đá fk = 1.
=> h = 4/2.1 = 2m.
* Phương pháp Ritter (1879):
Coi khối đá áp lực trên đỉnh hầm có dạng đường cong Parabol:
Chiều cao ở đỉnh là h :
z h b
16
= 2
với 0,007( )
3 , 2
10 16 ,
0 1
x m
z = T = − =
γ σ
=> 14,372
007 , 0 . 16
42 =
=
h (m).
2. Tính tải trọng vòm đá tác dụng lên 1 m dài đường hầm (vòm đá có dạng Parabol).
Áp dụng công thức : 0 =34 γ1 0. (45o −ϕ2)( + 0 (45o −ϕ2)
k
tg h b tg
f h
Q (kg)
Thay số ta được )
2 45 30 ( . 4 4 2 )(
45 30 ( . 4 . 10 . 3 , 12 . 3
4 3
0 = tg o − + tg o −
Q
Q0 = 134.052,6(kg).
3. Tính lực đá tác dụng lên tường bên theo Protodiakonop.
Áp dụng công thức:
E = [h0(2q0+ γ1.h0).tg2(450- ϕ /2)]/2 (kg/m2)
Trong đó q0=Q0/2h0tg(450- ϕ/2)= 134.052,6/2.4.0,557=29.023,24 ( kg/m2)
Vậy E = [4.(2 x 29.023,24+2300.4).tg2(45o- 30o/2)]/2 = 44.830,97 (kg/m).
Bài tập 2: Hãy xác định phương pháp chống đỡ cho hầm dẫn vào nhà máy thủy điện. Biết:
Chất lượng khối đá Q = 1;
Chiều rộng của hầm B = 6m;
Chiều dài neo dự kiến là 3m;
Chỉ số chống giữ công trình ngầm ESR =1,60.
Giải:
Dùng Chapter 3: Rock mass classification - trang 58.
- Tra bảng với: + Q =1 và B/ESR = 6/1,6 = 3,75 ta được giao điểm nằm trong vùng (4), gia cố kết cấu bê tông phun dày từ 40 đến 50mm, khoảng cách neo là 2,5m, vùng đá Fair.
- Tra bảng với Q = 1 và chiều dài neo 3m ta được giao điểm nằm trên vùng (5 ) gia cố kết cấu bê tông phun dày từ 50 đến 90mm, khoảng cách neo là 2,5m, vùng đá Poor.
So sánh 2 kết quả trên để đảm bảo độ an toàn cho công trình ta chọn phương án chống đỡ cho hầm là:
- Dùng neo chiều dài 3m, khoảng cách neo là 2,5m.
- Gia cố kết cấu bê tông phun dày 90mm.
5. Bài tập
5.1. Xác định tiến độ đào hầm (m/tháng) bằng phơng pháp khoan nổ:
Diện tích hầm thiết kế 18,72m2, diện tích có kể diện tích đào vợt do nổ mìn là 20,22m2. Chiều sâu khoan để nổ mìn cho một chu kỳ là 1,5m, chiều sâu khoan vợt là +0,10m, năng suất máy khoan là 0,7m/phút, theo cách bố trí lỗ mìn trên gơng hầm yêu cầu 2,4 lỗ/m2, bê tông đợc phun để gia cố tạm theo suốt chiều dài khối đào ứng với mỗi chu vi theo gơng hầm là 12,08m, độ dày phun bê tông là 0,1m, số lợng neo cho một chu kỳ đào là 9 chiếc với chiều dài 2,5m. Thời gian chuẩn bị cho đào là 10 phút, thời gian chuẩn bị, nổ, thông gió là 50 phút. Thời gian chuẩn bị cho xúc chuyển là 20 phút, chu kỳ máy xúc theo tính năng là 25 giây xúc đợc 1m3, hệ số tơi xốp do nổ mìn là 1,5, thời gian làm sạch khoang đào là 10 phút. Thời gian chuẩn bị phun bê tông là 10 phút, chu kỳ phun là 4 giây đợc 1 tấn bê tông phun, thời gian dọn sạch là 10 phút. Thời gian chuẩn bị neo là 10 phút, thời gian khoan một neo và gắn kết với bê tông là 6 phút, thời gian dọn hiện trờng là 10 phút. Thời gian đặt lới thép là 25 phút.
Tổ chức thi công 2ca/ngày, mỗi ca 9h, mỗi tháng thi công 25 ngày.
Bài làm:
Theo công thức:
ck c
T N C T V L . . .
=
Trong đó:
V: tốc độ đào hầm (m/tháng)
L: chiều dài của một chu kỳ khoan – nổ (m) (L = 1,5m) Tc: thời gian làm việc cho một ca trong ngày (phút) (Tc = 9giờ) C: số ca thi công trong một ngày (ca) (C = 2ca)
N: số ngày thi công trong tháng (N = 25 ngày)
Tck: tổng thời gian thi công trong một chu kỳ khoan nổ (phút)
+). TÝnh Tck:
Hạng mục Đơn vị số lợng
Diện tích mặt cắt hầm m2 18,27
Diện tích kể cả nổ lẹm m2 20,22
Chiều sâu khoan nổ m 1,5
Chiều sâu khoan vợt m 0,1m
Loại xe chuyển đất đá
Bê tông phun một chu kỳ m2 12,08m x 1,5m = 18,12
Độ dày bê tông phun m 0,1
Sè neo 1 chu kú chiÕc 9 (2,5m)
Công đoạn đào
Thời gian chuẩn bị phút 10
Chuẩn bị, nổ, thông gió phút 50
Tổng phút 60
Chuẩn bị cho xúc chuyển phút 20
Máy xúc lên xe tải phút 20,22m2.1,5m.1,5.60’/25m3 = 109
Làm sạch khoang đào phút 10
§o kiÓm tra phót 10
Tổng phút 149
Chuẩn bị phun bê tông phút 10
Phun bê tông phút 18,12.0,1.2,4.60/4 = 65
Vệ sinh hiện trờng phút 10
Tổng phút 85
Chuẩn bị neo phút 10
T/g khoan phót 9.6neo = 54
Don hiện trờng phút 10
Tổng phút 74
Đặt lới thép phút 25 Tổng thời gian các công đoạn là:
Tck = 60 + 149 + 85 + 74 + 25 = 393 phót Thay các giá trị vào công thức:
05 , 393 103
25 . 2 . 60 . 9 . 5 ,
1 =
=
V (m/tháng)
5.2. Xác định tốc độ đào hầm (m/tuần) bằng máy đào TBM. Biết:
Tốc độ xuyên thực của đầu cắt là 10mm/vòng quay. Số vòng quay là 5 vòng/phút. Hệ số sử dụng hiệu ích máy là 50%. Số giờ hoạt động của máy trong tuần là 101 giờ.
Theo công thức:
V = I.U.TtuÇn
V: tốc độ đào của máy (m/tuần) I: tốc độ cắt đá (xuyên vào đá)
U: hệ số hiệu ích sử dụng máy (U = 50%) Ttuần: số giờ làm việc theo tuần (Ttuần = 101) i0 = 10mm/vòng quay.
RPM = 5vòng/phút
⇒ I = 10.5.60/1000 = 3m/giê
⇒ V = 3.0,5.101 = 151,5 (m/tuÇn)
Câu 1: Tác dụng của phụt vữa trong thi công đường hầm và bản chất của phụt bù và phụt gia cố.
Tác dụng của phụt vữa trong thi công đường hầm:
+ Gia cố đất rời và ngăn cản tạo thành hang hốc trong đất do đào hầm gây ra.
+ Giảm hệ số thấm và trước tiên giảm dòng thấm
+ Giảm tác động di hạ thấp nước ngầm hoặc ngăn sự rửa trôi các hạt đất bởi các dòng thấm.
+ Kiểm soát nước thấm vào để ngăn cản đất bị lôi đi xung quanh khối đào và tránh được lún do rút nước nhanh.
+ Ngăn cản lún quá mức cho phép khi đào hầm tiến gần toà nhà, công trình công cộng và những kết cấu khác như đường cơ giới, cầu và đường sắt.
Bản chất phụt bù và phụt gia cố:
Nội dung Phụt bù Phụt gia cố
Đặc điểm Phụt với áp lực thấp
Tiến hành khi vỏ bêtông hầm đã thi công xong và đủ cường độ
Khi gặp vấn đề không bảo đảm thời gian tự đứng vững của đất đá thậm chí đã áp dụng biện pháp đào phân đoạn với hầm dẫn trước thì người ta tiến hành phụt gia cố.
Tác dụng Kiểm soát nước ngầm và chức năng của hầm.
- Kiểm soát nước ngầm và chức năng của hầm.
- Tăng khả năng chịu tải của vỏ hẩm.
Câu 2: Tác dụng của phun bêtông trong quá trình đào hầm.
Bêtông phun lên mặt đá khi cần gia cố đá có 2 chức năng rõ rệt:
+ Làm cho lớp đá quanh khối đào được dính kết với nhau ngăn các hạt rơi ra.
+ Tạo một màng ngăn bên ngoài.
Thường phụt vào đá với áp lực cao để ép vữa vào lỗ rỗng giữa các hòn đá.
Chỉ trong vài phút (lớp ban đầu chỉ tính trong một số giây) tạo ra một màn có tác dụng ngăn cản những miếng đá cá biệt rời ra hoặc rơi xuống, như vậy loại bỏ áp lực tồn tại ở bề mặt đá và hướng sự dịch chuyển của các hạt đất đá ngược vào trong khối đá. Cường độ thường nhanh chóng đạt được (thường 150psi trong 30giây, 700psi trong giờ), cho phép màn phun nhanh chóng thành một màn ngăn và tiếp theo tăng cường độ như một lớp đá mới chống lại sự biến dạng nhằm tạo ra điều kiện cân bằng mới.
Câu 3: Đặc điểm của phương pháp phun bêtông khô và ướt trong gia cố hầm. Ưu nhược điểm.
Nội dung Phun bêtông khô Phun bêtông ướt Đặc điểm Công nghệ phun bêtông khô là
hỗn hợp cốt liệu và xi măng trộn trước và được phun ra cùng lúc với nước từ một vòi phun khác tạo thành hỗn hợp bêtông ướt trước khi bắn vào mặt đá
Công nghệ phun bêtông ướt là trộn hỗn hợp cốt liệu,xi măng và nước trước khi phun
Ưu điểm Đảm bảo độ bám dính của bêtông vào đá cao
Chiều dài quãng đường vận chuyển hỗn hợp không bị hạn chế
Đảm bảo chính xác tỷ lệ cấp phối vật liệu
Hao hụt vật liệu ít Môi trường ít bụi Nhược
điểm
Tỷ lệ thất thoát vật liệu nhiều Môi trường bị ô nhiễm nặng vì bụi
Độ bám dính vào đá không cao
Chiều dài quãng đường vận
chuyển hỗn hợp bị hạn chế Câu 4: Cơ sở để xác định chiều sâu lỗ khoan phụt gia cố đất đá xung quanh hầm.
+ Chiều sâu lỗ khoan phun xi măng gia cố trong hầm được lấy theo độ lớn đường kính trong của hầm và không nhỏ hơn chiều sâu của đới giảm chặt:
L≤(0,6-0,8)R0, m Trong đó: L: Chiều sâu phun ximăng gia cố,m.
R0: bán kính trong của hầm có áp.
+ Theo đặc điểm hình thành các đới phá huỷ trong khối đá xung quanh hầm sau khi đào hầm, chiều sâu phun ximăng gia cố được lấy theo công thức sau:
L =(1,5-2)hH
Trong đó hH: Chiều sâu đới phá huỷ,m,xác định theo công thức:
hH=(b0/2kФ).(1/α -1)+1/α.R0
Trong đó:
b0: Bề rộng hầm
R0 : Bán kính mặt cắt hầm,m α= (R0-a0)/R
a0 : Bán kính tác dụng của quả mìn trong lỗ khoan,m.
kФ: Hệ số hình dạng, được lấy theo thực nghiệm, có tính đến sự thay đổi đới ứng suất của đá trên viền hầm theo các tiết diện có hình dạng khác nhau, nó phụ thuộc vào tỷ lệ giữa chiều cao vòm h1và bề rộngb0 (tra theo bảng có sẵn).
R: Khoảng cách từ tâm hầm đến giới hạn đới phá huỷ,m.
+ Khi hầm có thế nằm sâu, đào trong đá nứt nẻ mạnh thì:
hH=(x-1/2kФ).b0
Trong này x=R/R0
Khi tính toán sơ bộ có thể lấy:
hH=k.b0
k: hệ số tra bảng phụ thuộc vào hệ số cứng và mức độ nứt nẻ của đá.
+ Trong các hầm có vỏ chịu tải trọng mỏng cũng như với vỏ không chịu nứt, chiều sâu phun ximănng có thể kiểm tra theo độ lớn gradien cho phép của cột nước áp lực:
L = H/│Ic│
Trong đó H: áp lực phun đạt được tại đới phun ximăng( có tính tiêu hao áp lực khi qua vỏ và trong đới không phun ximăng).
│Ic│:gradien cột áp trung bình cho phép trong đới phun ximăng.
Câu 5: Mối quan hệ giữa phụt vữa và sự phân bố ứng suất xung quanh vỏ hầm.
Trong thi công hầm, phụt vữa là biện pháp nhằm giải quyết nhiều yêu cầu, song có thể quy lại 2 yêu cầu chính:
Phụt bù: Tiến hành ngay sau khi thi công vỏ hầm, mục đích phụt để lấp đầy xung quanh vòm (lấp đầy lỗ rỗng, phần răng cưa). Phụt bù có tác dụng đặc biệt nhằm giảm ứng suất tập trung tại các điểm cục bộ lên vỏ hầm.
Mục đích để phân bố đều áp lực tác dụng lên vòm hầm sau thi công, ứng suất sẽ không tập trung tại cục bộ điểm mà phân bố đều, do đó tăng ổn định. Ngoài ra còn có tác dụng chống xô nghiêng, chống thấm,...
Phụt gia cố:
Nhằm nâng cao khả năng chịu tải của đất đá xung quanh hầm, do đó giảm áp lực lên vỏ hầm; Ngăn dòng thấm vào hầm; Giảm khả năng lún bề mặt; Đất đá được tăng thời gian tự ổn định.
Câu 6: Xác định áp lực đất đá tác dụng lên lớp gia cố bằng bê tông phun và neo hoặc khung thép.
Qua những nghiên cứu khi đào hầm, người ta nhận thấy rằng, khối đào làm thay đổi trạng thái ứng suất xung quanh, cục bộ gây ra ứng suất kéo và nhỏ nhất trong môi trường đàn hồi, đồng nhất, dưới tác dụng của trọng lượng bản thân. Do ứng suất thay đổi, nên đá biến dạng và khi mất ổn định có thể xảy ra hiện tượng sụt trần khối đào và đẩy trồi các tường bên. Để tránh xảy ra hiện tượng đó, người ta phải tiến hành chống đỡ tạm thời, kết cấu chống đỡ phụ thuộc chủ yếu vào áp lực của khối đất đá biến dạng xung quanh khối đào. Đó là khối đá áp lực. Nếu sự biến dạng do đào đường hầm gây ra còn ở trong giới hạn đàn hồi, thì khối đào không cần thiết phải chống đỡ, điều này xảy ra khi đào đường hầm trong đá cứng và nguyên khối. Khi vượt quá giới hạn đàn hồi, biến dạng dư bắt đầu phát triển, kéo dài trong một thời gian và lan rộng ra vùng xung quanh khối đào. Cuối cùng nếu không chống đỡ đường hầm để bảo vệ chu vi khối đào, những cục đá bắt đầu rơi vào trong đường hầm và tiếp tục sạt lở cho đến khi hình thành sự cân bằng mới của khối đá xung quanh khối đào. Áp lực đá có thể phát triển theo hướng thẳng đứng (vòm áp lực), đồng thời có thể nghiêng một góc so với mặt phẳng nằm ngang (áp lực bên hông), gây ra sự biến dạng của thành bên khối đào.
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trị số khối đá áp lực đó. Trước tiên là điều kiện địa chất như cường độ và tính biến dạng của đất đá, điều kiện hình thành đất đá. Về điều kiện sản xuất như trình tự khối đất đá, thời gian dựng lắp và độ cứng của vật chống đỡ (sau khi đào, thời gian đặt vật chống đỡ càng sớm, càng giảm nhẹ áp lực đất đá và biến dạng của đất đá sẽ không phát triển). Đặc biệt, điều đó càng thể hiện rõ trong trường hợp đất tơi xốp, sét, đá phấn, đá phiến. Độ cứng của vật chống đỡ càng lớn, càng tăng áp lực đất đá.
Khi chọn tuyến đường hầm trên kiến tạo lồi thì áp lực đất đá sẽ nhỏ hơn so với trường hợp đặt tuyến đường hầm ở kiến tạo lõm. Tại những chỗ đất đá nứt nẻ nhiều, khe nứt kiến tạo, phay thuận, phay ngang, mặt tiếp xúc giữa 2 lớp đất đá, mái dốc thì áp lực đất đá tăng lên, có nguy cơ sập hầm và sụt lở những khối đất đá trong quá trình thi công. Khi đất đá xung quanh đường hầm bị ngập nước, thì ngoài áp lực đất đá, còn thêm áp lực thuỷ tĩnh của nước ngầm.
Việc xác định về lý thuyết đại lượng áp lực đất đá chỉ có thể gần đúng và được áp dụng để nhận xét sơ bộ. Khi lập ra nhiệm vụ thiết kế các công trình lớn, đại lượng áp lực đất đá được xác định bằng đo trực tiếp ở hầm đào thí nghiệm.
Hiện nay đang sử dụng một số phương pháp lý thuyết (theoretical methods) để xác định đại luợng áp lực đất đá: