CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM 1. Sự phát triển thi công hầm trên thế giới Việc phát triển của xây dựng đường hầm gắn liền với sự phát triển của thiết bị và kỹ thuật công nghệ được áp dụng. Trình độ công nghệ xây dựng hầm tương đương với yêu cầu phát triển của sản xuất. Từ xa xưa, hầm được đào trải qua các nền văn minh như Aztec, Inca, Babylon, Ai cập, Pecxich.
Người cổ xưa đã biết sử dụng các vật cứng như xương, sừng động vật, các vật cứng và gỗ vào thời tiền sử, đồng, sắt thép đã văn minh hơn khi đào hầm. Trải qua hàng thế kỷ con người đã dùng lửa đốt bề mặt đá khi đào hầm trong đá, làm đá dãn nở và vỡ vụn, sau đó phun nước lên đá nóng, dùng những dụng cụ nhọn để nhặt đá vụn và chèn lại. Cuối thời kỳ trung cổ do sự mở rộng giao thương qua lại giữa các dân tộc nên cần đến việc rút ngắn thời gian và quãng đường đi lại. Do đó người ta xây dựng các hầm đường thủy nối liền các đường giao thông ngăn cách nhau bởi các dãy núi bằng việc dùng thuốc nổ để phá đá.
Hầm đường thủy đầu tiên dài 160m được xây dựng trên kênh Langedok ở Pháp từ năm 1679- 1681. Việc xuất hiện đường sắt cũng là nguyên nhân thúc đẩy sự phát triển của hầm sau này. Hầm đường sắt đầu tiên dài 1.190m đã được xây dựng năm 1926- 1930 tại Anh. Đường hầm càng phát triển khi vận chuyển qua các chướng ngại vật như đèo, núi,… Vào thế kỷ XX ở các thủ đô lớn trên thế giới đã xây dựng mạng lưới tàu điện ngầm đô thị hiện đại, đặc biệt là ở Maxcova.
Dưới đây là một số các đường hầm tiêu biểu trên thế giới qua các thời kỳ: - Năm 1826 – 1830 đường hầm đường sắt dài 119m được xây dựng ở Anh. - Năm 1935 đường tàu điện ngầm được xây dựng ở Maxcova. - Năm 1857-1871 đường hầm Mont-Cenis dài 12.850m được xây dựng nối liền nước Pháp và Ý có độ chênh cao hai đầu cửa là 132,28m. - Năm 1872-1882 đường hầm Sin-Goithord dài 14.984m nối liền Thụy Sỹ và Ý.
4 - Năm 1896-1906 đường hầm Sinplon I dài 19.780m được coi là là dài nhất thế giới thời bấy giờ. - Năm 1982 ở Nhật xây dựng xong đường hầm Dai-Shimizu dài 22km. - Năm 1991 đường hầm xuyên qua eo biển Manche nối liền giữa Anh và Pháp mang tên Euro Tunnel dài 50km.1: Mỏ Hannan, Kalgoorlie, Australia Hình 1.2: Thành phố ngầm ở Montreal, Canada 5 Hình 1.3: Hầm nguyên tử Berlin, Đức Hình 1.4: Đường hầm qua eo biển Manche 6 1. Sự phát triển thi công hầm ở Việt Nam Tại Việt Nam, trong thời kỳ chiến tranh chống Pháp, chống Mỹ hầm được xây dựng nhiều song chủ yếu là hầm đơn giản, ngắn phục vụ cho quân sự, làm kho tàng, công sự,…Những năm gần đây, ở nước ta đã bắt đầu xây dựng các công trình ngầm phức tạp nói chung và công trình đường hầm nói riêng theo các tiêu chuẩn thiết kế và thi công của Anh, Pháp, Nga, Trung Quốc, Áo với số lượng ngày càng tăng lên nhanh chóng.
Đối với hầm giao thông: hiện nay Việt Nam có khoảng 52 hầm giao thông được xây dựng: Tiêu biểu là đường hầm Thủ Thiêm nối quận 1 với quận 2 của TP Hồ Chí Minh và đường hầm nút giao thông Kim Liên – Hà Nội. Đối với xây dựng thủy điện, giải pháp đường hầm được sử dụng rất nhiều ở nhà máy thủy điện như: Hòa Bình, Sơn La, A Vương, Đại Ninh, Bản Vẽ, Bắc Bình, Đồng Nai, Buôn Kuốp,….Đặc biệt đối với miền Trung thì các nhà máy thủy điện sử dụng đường hầm là giải pháp tối ưu đảm bảo cho việc lựa chọn vị trí xây dựng đập dâng và nhà máy. - Đường Hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Hòa Bình –sông Đà với công suất 1. - Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Yaly – sông Sê San với công suất 300MW và 175MW.
- Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Dak Mi 4 – Quảng Nam với công suất 220MW. - Đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Cửa Đạt – Thanh Hóa với công suất 97MW. - Đường hầm bộ qua đèo Hải Vân – đèo Ngang dài 6,7km. Đối với các hệ thống thủy lợi có: - Đường hầm dẫn nước tưới thuộc trạm bơm Nghi Xuân – tỉnh Hà Tĩnh dài 160m.
- Đường hầm dẫn nước thuộc hệ thống đập dâng Hồng Đại – Cao Bằng. - Đường hầm Truông Khất để dẫn nước công trình đầu mối Đô Lương - Nghệ An dài 550m.5: Đường hầm dẫn nước công trình thủy điện Đại Ninh dài 11km, dài nhất Đông Nam Á hiện nay.6: Hầm đường bộ Hải Vân được đưa vào sử dụng từ tháng 6/2005 8 Hình 1.7: Hầm Thủ Thiêm vượt sông Sài Gòn Hình 1.8: Hầm Kim Liên – Hà Nội 9 Hình 1.9: Hầm tuynel của công trình thủy lợi Cửa Đạt – Thanh Hóa 1. Các phương pháp mở đường hầm 1. Phương pháp mở đường hầm trong đá cứng Trong đá cứng không phong hóa tức là khối đá đặc chắc, ít khe nứt không có lớp xen kẹp gồm các chất nhét chèn là đất hoặc đá phong hóa thì việc đào đường hầm có thể tiến hành mà không cần sự gia cố nào trên toàn mặt cắt.
Có thể sử dụng phương pháp cơ giới toàn bộ (TBM) hoặc công nghệ đào đường hầm truyền thống phổ biến là khoan nổ. Phương pháp đào bằng máy khoan đường hầm (TBM) Máy khoan đường hầm TBM là hệ thống xúc và vận chuyển đất đá đào bằng băng chuyền đã trở nên phổ biến trong việc thi công hầm một cách nhanh chóng. Ngày nay TBM có thể khoan được tối đa 1000m/tháng, nhưng nếu gặp địa chất xấu hoặc khi các phương pháp chống đỡ không duy trì được độ ổn định của hầm cho đến khi thi công lớp vỏ hầm cuối cùng, thì tốc độ có thể nhỏ hơn 50m/tháng. Ưu điểm của phương pháp là đào với tốc độ nhanh, ít xáo trộn đến các khối đá xung quanh hầm, đào đến đâu chuyển tải đất đá gọn sạch đến đó.
Điều kiện làm việc đi lại đảm bảo, gần gương hầm sạch và sáng sủa hơn nhiều so với phương pháp khoan nổ. 10 Nhược điểm của phương pháp này là không đào được đường hầm có tuyến cong, gãy gấp, mặt cắt không tròn, cấu trúc địa chất nứt nẻ nhiều, có nứt gãy hoặc mặt cắt có nhiều lớp địa chất khác nhau. Khi đào các tuyến đường hầm ngắn thì rất lãng phí.10: Máy đào đường hầm TBM 1. Phương pháp đào toàn tiết diện Phương pháp này áp dụng trong đá ổn định có độ cứng fk≥4 và đối với những hầm có tiết diện ngang ≤120m2.
Gương được mở một lần trên toàn tiết diện ngang hầm, dựng vì chống tạm rồi xây vỏ hầm vĩnh cửu.11: Phương pháp đào toàn tiết diện - Đào toàn tiết diện không cần chống đỡ hoặc chỉ chống đơn giản 11 Trường hợp này tiến hành đào hầm theo cách tuần tự tức là khoan và thải đá không đồng thời. Trong những khối đá cứng, toàn khối với fk=15÷20 không cần phải chống đỡ. Với khối đá nứt nẻ thì dùng các loại vì chống nhẹ như neo kết hợp với lưới thép bê tông phun hoặc tổ hợp neo + bê tông phun. Phương pháp này cho phép tận dụng tối đa các thiết bị thi công có công suất lớn, thực hiện thi công theo tiến độ và tốc độ đào hầm lớn (150-200m/tháng đối với hầm tiết diện nhỏ; 100-150m/tháng đối với hầm tiết diện trung bình, 80-120m/tháng đối với hầm tiết diện lớn).
- Đào toàn tiết diện với việc sử dụng vì chống cứng Khi có hiện tượng tăng áp lực địa tầng và giảm độ ổn định của nóc hầm, nếu thi công bằng phương pháp đào toàn tiết diện thì sử dụng vì chống cứng là các vòm kim loại. Với hệ chống như vậy, các vòm kim loại được giằng với nhau và chêm cứng vào đá để tạo nên một hệ cứng, khoảng trống giữa các vòm và nóc hầm được chèn bằng các tấm bê tông cốt thép và lấp đầy bằng gỗ hoặc đá. Vòm kim loại được chế tạo bằng thép chữ I có kích thước tính toán, đặt cách nhau từ 40-80cm đến tận sát gương. Khi độ ổn định của vì chống vòm không đảm bảo nó sẽ được đổ bê tông phủ đi trên toàn chu vi hầm.
Khoảng trống chưa đổ bê tông kể từ gương đào trong trường hợp này không được lớn hơn 100m. Việc dựng vì chống bằng vòm kim loại là một khâu khó khăn và tốn kém, đòi hỏi chi phí kim loại khá lớn và không tháo ra được khi đổ bê tông vỏ hầm vĩnh cửu. Cho nên loại vì chống này nên dùng ở những đoạn hạn chế của tuyến hầm khi đào trong đá không đủ ổn định. - Đào toàn tiết diện với việc sử dụng vì chống liên hợp Trong các loại đá nứt nẻ có fk=2÷3 thường xảy ra sụt lở người ta sử dụng các biến tướng của phương pháp đào toàn tiết diện với việc sử dụng vì chống liên hợp.
Phương pháp này từng bước tạo ra ở xung quanh hầm trong quá trình đào loại vì chống tạm có khả năng đưa khối đá xung quanh vào cùng làm việc để đơn giản hóa cấu trúc của vì chống. Một trong các bộ phận loại vì chống này là neo, bộ phận khác của nó là bê tông phun. Trong một số trường hợp dưới sự bảo vệ của bê tông phun người ta tiến hành xi măng hóa khối đá xung quanh hầm. Vì chống liên hợp từ neo, 12 bê tông phun và xi măng hóa khối đá có thể tiến hành ngay trên toàn bộ hoặc từng phần của chu vi hầm trên đoạn hầm dài 40-50m.
Phương pháp này đã áp dụng để đào phần trên hầm thi công của thủy điện Hòa Bình, thủy điện Nurek ở Tatgikistan có nhịp thông thủy 11,6m, cao 7,6m. Đặc biệt ở thủy điện Nurek hầm nằm trong đá cát và đá alverolit fk=2÷3. Vì chống liên hợp được sử dụng với trình tự như sau: lớp bê tông phun đầu tiên phun trực tiếp lên đá ngay sau khi nổ mìn và thông gió. Tiếp theo đặt các neo bê tông cốt thép theo phương pháp bán kính chiều dài 2,7m, bước 1,5m.
Lớp bê tông phun thứ 2 dày 10cm, phun ở đoạn hầm cách gương 10-12m. Khi có xuất hiện vết nứt bê tông phun người ta treo lên đầu neo một lưới thép d=6mm và phun bê tông một lần nữa. Việc xây vỏ hầm vĩnh cửu tiến hành ở khoảng cách tới gương là 100m. - Đào toàn tiết diện với việc sử dụng vì chống mềm Trong các đá yếu loại dẻo, áp lực địa tầng tăng từ từ.
Khi đào hầm có tiết diện từ 40-90m2 thì việc áp dụng phương pháp đào có sử dụng vì chống mềm là hiệu quả.