chương 1 Có rất nhiều sự cố hay xảy ra khi đào hầm, tuy nhiên sự cố hay xảy ra nhất là đất đá gương đào (đỉnh hầm, vách hầm, mặt gương) bị sạt trượt xuống. Đối với các sạt trượt nhỏ như tụt nóc một phần, sạt mặt gương một phần, sạt vách một phần thì chỉ cần đào xúc khối sạt, gia cố chắc chắn là có thể đào tiếp và đi qua được. Tuy nhiên đối với những khối sạt lớn, liên thông tới mặt đất tự nhiên ở trên đỉnh hầm thì không thể đào xúc rồi gia cố tạm được vì khi đào xúc khối sạt đến đâu, đất đá càng sạt xuống đến đấy, do đó phải có các xử lý khối sạt để khi đào hầm tiếp đất đá không bị rơi xuống rồi mới đưa các giải pháp gia cố tạm, đào gương hầm tiếp theo và gia cố vĩnh cửu. Trong luận văn này tập trung nghiên cứu công tác “Giải pháp xử lý khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu” đối với trường hợp: Đào qua vùng địa chất xấu khi đường hầm đã bị sạt, các giải pháp xử lý khối sạt để đào hầm tiếp, các giải pháp gia cố tạm, các giải pháp gia cố vĩnh cửu.
15 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN SẠT TRƯỢT VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ KHI ĐÀO ĐƯỜNG HẦM 2.1 Nguyên nhân sạt trượt khi đào hầm 2.1 Địa chất công trình 2.1 Khái niệm về địa chất xấu Khi thi công đào đường hầm đến vùng mà có khả năng gây ra sạt lở, hoặc làm sạt lở gương hầm khi không kịp gia cố thì gọi là địa chất xấu. Các vùng địa chất xấu có thể gây sạt trượt khi thi công là: Các đứt gãy kiến tạo ở đó đất đá bị vò nhàu vỡ vụn; các khu vực nứt nẻ nhiều ở đó các khe nứt giao nhau tạo thành các nêm đá; các mạch nước ngầm lớn có khả năng đẩy đá ra ngoài, các khu vực sóng dọc thấp, các hang Karst. - Đới phá hủy kiến tạo (Đứt gãy): Đây là hiện tượng hay gặp nhất khi đào đường hầm, ở khu vực đứt gãy đất đá bị vò nhàu nát vụn thành những viên đá nhỏ mà khi đào đường hầm đến đất đá bị sạt lở ngay. Chiều dài ảnh hưởng từ vài mét đến hàng trăm mét.
Đới phá hủy có hai vùng là vùng nhân và vùng ảnh hưởng, vùng nhân là đất đá bị vò nhàu vỡ vùn, vùng ảnh hưởng là vùng xấu chuyển tiếp từ đá tốt sang vùng nhân. Tùy theo chiều dài của đới ảnh hưởng mà phân ra cấp I-V. - Mạch nước ngầm, túi nước: Khi đào hầm gặp mạch nước ngầm chảy ra, hoặc nước ngầm tại các khu vực đá có nứt nẻ mạnh sẽ đẩy đá ra ngoài, trạng thái đá ban đầu bị phá vỡ. Nước ngầm có thể là một túi nước cục bộ, hoặc có thể là một/nhiều vòi nước liên thông với các mạch nước ngầm khác.
- Nứt nẻ mạnh, sóng dọc thấp: Đá có nhiều khe nứt với độ rộng khe nứt khác nhau, hướng nằm khác nhau, khi ta đào hầm gương hầm cắt các khe nứt này tạo thành các nêm đá, làm cho đá có khả năng bị sạt xuống. - Đá bị phong hóa một phần/hoàn toàn thành đất: Khu vực đá bị phong hóa mãnh liệt, hoặc phong hóa hoàn toàn thành đất, khi ta đào hầm ứng suất khai đào lớn hơn cường độ kháng nén của đá là cho mặt gương bị sạt xuống. - Hang động cát tơ: Các hang động cát tơ có sẵn ở trong đá, khi ta đào hầm qua tạo 16 thành một hang động lớn hơn, làm cho đá bị sạt xuống.2 Nguyên nhân sạt trượt do địa chất Ổn định của hầm ở vùng địa chất xấu phụ thuộc vào tỷ số cường độ kháng nén của khối đá (cm Rock mass strength) và ứng suất ban đầu của hầm (P0 in situ stress) Tại các vùng địa chất xấu, chỉ tiêu cơ lý C (lực dính đơn vị), (góc ma sát trong) của đất đá quanh hầm nhỏ, do đó cường độ kháng nén khối đá (cm) nhỏ, cm=2cxcos/(1- sin). Với 2000 bước tính toán thì có quan hệ giữa chuyển vị của hầm và tỷ số cm/P0 được thể hiện hình dưới đây [12].
Phân trăm = (Chuyển vị / đường kính hầm)x100 Cường độ kháng nén khối đá cm / ứng suất ban đầu P0 Hình 2.1 Quan hệ giữa cường độ kháng nén của khối đá và ứng suất ban đầu Năm 1983 Sakurai đã đề nghị chuyển vị giới hạn của hầm là 1% đường kính hầm (D), tuy nhiên thực tế có một số hầm có chuyển vị lên đến 5%D vẫn không có vấn đề gì về mất ổn định [13]. Như vậy khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu, cường độ kháng nén của khối đá nhỏ dẫn đến tỷ số cm/P0 nhỏ và chuyển vị đường hầm lớn, khi chuyển vị lớn hơn 1%D thì đường hầm có nguy cơ bị sạt trượt.2 Chất lượng hồ sơ khảo sát thiết kế Công tác khảo sát: Vì công tác khảo sát chỉ là khoan điểm nên không xác định được vị trí chính xác địa chất xấu trong hầm, nên khi đào hầm đến vùng địa chất xấu ta không biết trước để có các giải pháp xử lý. Công tác thiết kế: Do công tác thiết kế không đưa ra các giải pháp hợp lý với điều kiện địa chất thực tế như tính toán thiếu neo đá, không đủ số lượng vì chống, vì chống không đủ chịu lực .3 Tay nghề và chất lượng của nhà thầu thi công Do nhà thầu thi công chưa có kinh nghiệm trong thi công hầm như: Không kịp gia cố ngay theo yêu cầu của thiết kế, không có đủ thiết bị để thi công gia cố, cắm neo đá song song với hướng khe nứt, dựng vì chống không sát vào mặt đá, thi công không đủ khối lượng gia cố như thiết kế .4 Công tác quản lý và giám sát Do sức ép về tiến độ mà yêu cầu nhà thầu thi công nhanh không cần gia cố, đặc biệt là dựng vì chống thép hình đối với các khu vực đặc biệt xấu, đưa ra các giải pháp xử lý không phù hợp với thực tế, không kiểm soát chất lượng thi công của nhà thầu. Như vậy: Có rất nhiều nguyên nhân gây ra sạt trượt trong khi đào đường hầm: Do gặp phải mạch nước ngầm; do gặp phải đứt gãy, đới phá hủy kiến tạo mà trong đó đất đá bị vỡ vụn nhàu nát; gặp phải khu vực đá bị phong hóa hoàn toàn; gặp phải các khe nứt giao nhau tạo thành nêm; do ảnh hưởng chấn động của công tác nổ mìn; do công tác khảo sát không phản ánh đúng điều kiện địa chất thực tế, không xác định được các đứt gãy trong hầm; do chất lượng của công tác thiết kế đưa ra các giải pháp không phù hợp với địa chất thực tế; do tay nghề của nhà thầu thi công, không thi công đúng với đồ án thiết kế, do công tác quản lý và thi công còn hạn chế.
Việc xác định nguyên nhân sạt trượt rất quan trọng trong quá trình xử lý đường hầm, vì biết được nguyên nhân mới đưa ra được các giải pháp cụ thể để phù hợp với điều kiện địa chất thực tế của công trình. Mặc dù có nhiều nguyên nhân sạt trượt như đã nêu ở trên, nhưng nguyên nhân sạt trượt phổ biến nhất là do “địa chất xấu”.2 Lý thuyết về các giải pháp xử lý khi đào hầm qua vùng địa chất xấu 2.1 Áp lực đá lên hệ chống đỡ công trình ngầm Áp lực của khối đá xung quanh công trình ngầm tác dụng lên hệ thống chống đỡ được gọi là áp lực đá hoặc áp lực địa tầng. Áp lực đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất của đá, trường ứng suất ban đầu, kích thước đường hầm, vị trí đường hầm so với mặt đất tự nhiên. Trong các công trình ngầm, áp lực đá có thể xuất hiện theo nhiều hướng khác nhau tùy theo từng điều kiện cụ thể.
Các phương pháp tính áp lực đá có thể được chia làm hai nhóm chính là : Nhóm các phương pháp tính theo tải trọng cho trước và nhóm các phương pháp tính theo biến dạng của đá – hệ chống đỡ. Các phương pháp tính theo nhóm thứ nhất giả thiết rằng áp lực đá lên hệ chống đỡ là ngoại lực được gây nên bởi trọng lượng của khối đá hoặc một phần khối đá bên trên công trình, trị số của nó là một hàm số của tính chất cơ lý của đá, kích thước hầm, chiều sâu bố trí hầm… Các phương pháp thuộc nhóm thứ hai tính áp lực đá dựa trên mối quan hệ tương hỗ của đá và hệ chống đỡ.1 Các trạng thái ứng suất của đường hầm khi mới đào a) Trạng thái đơn trục của tường hầm Sau khi đào, ứng suất của khối đá xung quanh tường hầm sẽ chuyển từ trạng thái ba trục thành đơn trục do việc đào đã làm mất lực đối kháng Hình 2.2 Trạng thái đơn trục b) Biến dạng đỉnh vòm và vòm ngược Ứng suất kéo tập trung tại đỉnh vòm và vòm ngược của hầm, biến dạng của đá gia tăng tại đỉnh vòm và vòm ngược do cường độ chịu kéo của đá không cao so với cường độ chịu nén 19 Hình 2.3 Biến dạng của đỉnh vòm c) Tập trung của ứng suất nén Do biến dạng kéo, cường độ kéo tại đỉnh vòm và vòm ngược giảm, ứng suất chịu nén cường độ cao sẽ tập trung ở vách tường hầm Hình 2.4 Tập trung ứng suất d) Vách tường hầm bị trượt Vách tường hầm bị trượt về phía trong hầm do đá bị trượt dưới tác dụng của ứng suất nén cao Hình 2.5 Trượt tường hầm 20 e) Gia tăng vùng biến dạng Khối đá nằm trên vòm hầm trở nên không ổn định do suy giảm sức chịu tải tại chân vòm hầm. Cuối cùng thì vùng biến dạng của vòm hầm sẽ diễn tiến theo đề xuất của K.Terzaghi Lực kéo Sức nén Hình 2.6 Vùng biến dạng trên đỉnh Các trạng thái ứng suất nêu trên cũng chính là quá trình sập hầm do không chống đỡ.2 Mối quan hệ tương tác giữa đá và hệ chống đỡ Áp lực cũng như mối quan hệ tương tác giữa đá và hệ chống đỡ có ý nghĩa quyết định đến việc lựa chọn độ cứng của hệ chống đỡ và thời gian thích hợp để lắp đặt chúng. Để phân tích mối quan hệ này, xét một hầm ngang, tiết diện hình vòm trong không gian biến dạng tuyến tính và trường ứng suất địa tĩnh Po (Hình 2.
Khi gương hầm chưa đào đến mặt cắt so sánh X – X (bước 1), khối đá nguyên vẹn nằm bên trong hầm dự kiến hoàn toàn cân bằng với khối đá xung quanh, áp lực chống đỡ bên trong pi tác dụng lên chu tuyến công trình cân bằng với ứng suất ban đầu po (Điểm A trên biểu đồ hình H2.