Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành thủy lợi và thủy điện tại Việt Nam, việc xây dựng các đường hầm thủy công ngày càng trở nên phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn nước, thoát nước và phục vụ các mục đích kỹ thuật khác. Theo thống kê trong khoảng 20 năm gần đây, Việt Nam đã xây dựng nhiều công trình đường hầm thủy lợi - thủy điện với chiều dài từ 0,7 km đến 12 km và công suất lắp đặt từ 16 MW đến gần 2000 MW, tiêu biểu như thủy điện Hòa Bình (1920 MW, dài 8 km) và thủy điện Bảo Lộc (210 MW, dài 5,3 km). Tuy nhiên, quá trình thi công các đường hầm này thường gặp phải nhiều sự cố liên quan đến địa chất xấu, đặc biệt là các hiện tượng sạt trượt, tụt nóc, sạt gương hầm gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến tiến độ, chi phí và an toàn lao động.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng kết, đánh giá các nguyên nhân gây sạt trượt khi đào hầm qua vùng địa chất xấu, từ đó đề xuất các giải pháp xử lý hiệu quả nhằm khắc phục sự cố và tiếp tục thi công an toàn, đặc biệt áp dụng cho công trình thủy điện Bảo Lộc tại tỉnh Lâm Đồng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các vùng địa chất xấu đặc trưng bởi đứt gãy kiến tạo, mạch nước ngầm, đá phong hóa và các khe nứt phức tạp, trong giai đoạn thi công đường hầm thủy điện từ năm 2010 đến 2020.

Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu rủi ro sạt trượt, nâng cao chất lượng và an toàn thi công, đồng thời góp phần tiết kiệm chi phí và rút ngắn thời gian thi công các công trình đường hầm thủy công tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ học đá và công trình ngầm, trong đó có:

  • Lý thuyết áp lực đá lên hệ chống đỡ công trình ngầm: Áp lực đá phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đá, ứng suất ban đầu, kích thước và vị trí đường hầm. Mối quan hệ tương tác giữa đá và hệ chống đỡ được mô tả qua các trạng thái ứng suất và biến dạng của đá quanh hầm, theo lời giải của Ladanyi và các mô hình đàn hồi - dẻo.

  • Phương pháp xây dựng đường hầm mới của Áo (NATM): Phương pháp này nhấn mạnh vai trò của gia cố đá dựa trên quan sát biến dạng thực tế, ứng suất trong khối đá và lực neo đá, nhằm kiểm soát sự chuyển vị và tránh sập hầm.

  • Phân loại và đánh giá chất lượng đá: Áp dụng các phương pháp phân loại đá như RQD của Deere, phân loại Lauffer, hệ thống RMR của Bieniawski, chỉ số ổn định S của Bulucchev và hệ thống Q của Barton-Lien-Lunde để xác định điều kiện địa chất và lựa chọn giải pháp gia cố phù hợp.

Các khái niệm chính bao gồm: địa chất xấu, áp lực đá, biến dạng hướng tâm, neo đá, khung chống thép, phun bê tông, chuyển vị giới hạn của hầm (1% đường kính hầm), và các chỉ tiêu cơ lý như cường độ kháng nén khối đá (σ_cm), ứng suất ban đầu (P_0).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát thực tế tại công trình thủy điện Bảo Lộc, các báo cáo kỹ thuật, tài liệu chuyên ngành và các nghiên cứu trước đây trong và ngoài nước. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các vị trí khảo sát địa chất dọc tuyến hầm, số liệu quan trắc biến dạng và ứng suất trong quá trình thi công.

Phương pháp phân tích sử dụng kết hợp:

  • Phân tích lý thuyết cơ học đá và mô hình ứng suất - biến dạng quanh hầm.

  • Phân tích số liệu khảo sát địa chất, đánh giá chất lượng đá theo các hệ thống phân loại.

  • Mô phỏng và tính toán kết cấu gia cố tạm thời và vĩnh cửu bằng phần mềm kỹ thuật.

  • Tham vấn chuyên gia trong lĩnh vực công trình ngầm và thủy điện.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm, bao gồm giai đoạn khảo sát, phân tích lý thuyết, mô phỏng và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguyên nhân sạt trượt chủ yếu do địa chất xấu: Các vùng địa chất xấu như đứt gãy kiến tạo, mạch nước ngầm, đá phong hóa và các khe nứt mạnh là nguyên nhân chính gây sạt trượt. Tỷ số cường độ kháng nén khối đá và ứng suất ban đầu (σ_cm/P_0) thấp dẫn đến chuyển vị hầm lớn, vượt quá giới hạn 1% đường kính hầm, làm tăng nguy cơ sạt trượt.

  2. Chất lượng khảo sát địa chất còn hạn chế: Việc khảo sát chủ yếu dựa trên khoan điểm và địa vật lý không thể xác định chính xác vị trí và kích thước vùng địa chất xấu, dẫn đến thiếu chủ động trong thiết kế và thi công. Ví dụ, tại thủy điện Bảo Lộc, các sự cố sạt gương hầm xảy ra tại các vị trí không được dự báo trước.

  3. Giải pháp gia cố theo phương pháp NATM hiệu quả: Việc sử dụng neo đá, phun bê tông, khung chống thép và khoan phụt cứng hóa khối sạt đã được áp dụng thành công tại các công trình như thủy điện Buôn Kuôp, Sông Bung 2 và Bảo Lộc. Các giải pháp này giúp kiểm soát biến dạng, ổn định vòm hầm và vách hầm, giảm thiểu sự cố sạt trượt.

  4. Ảnh hưởng của trình tự thi công và chất lượng thi công: Thời điểm lắp đặt hệ chống đỡ, kỹ thuật thi công và giám sát chặt chẽ có vai trò quyết định đến hiệu quả gia cố. Việc thi công không đúng thiết kế hoặc chậm trễ trong gia cố làm tăng nguy cơ sạt trượt và kéo dài tiến độ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sạt trượt chủ yếu do đặc điểm địa chất phức tạp, trong đó đứt gãy kiến tạo tạo ra vùng phá hủy rộng từ vài mét đến hàng trăm mét, làm giảm cường độ kháng nén khối đá. Sự không đồng nhất của địa chất và hạn chế trong khảo sát dẫn đến khó khăn trong dự báo và thiết kế. Kết quả phân tích ứng suất và biến dạng cho thấy khi tỷ số σ_cm/P_0 giảm dưới mức giới hạn, chuyển vị hầm tăng nhanh, gây mất ổn định.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, việc áp dụng phương pháp NATM và các giải pháp gia cố đa dạng đã được chứng minh là phù hợp với điều kiện địa chất Việt Nam, giúp kiểm soát biến dạng và tăng độ an toàn cho công trình. Việc lựa chọn giải pháp gia cố cần căn cứ vào đặc điểm địa chất cụ thể, khả năng thi công và kinh tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ giữa tỷ số σ_cm/P_0 và chuyển vị hầm, bảng so sánh các giải pháp gia cố theo hiệu quả và chi phí, cũng như sơ đồ mô phỏng ứng suất và biến dạng quanh hầm trước và sau gia cố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường công tác khảo sát địa chất toàn diện: Áp dụng kết hợp khoan dọc tuyến, khoan ngang, địa vật lý và công nghệ khảo sát hiện đại để xác định chính xác vị trí, kích thước và đặc điểm vùng địa chất xấu. Mục tiêu giảm sai số dự báo xuống dưới 10% trong vòng 1 năm trước khi thi công.

  2. Áp dụng đồng bộ các giải pháp gia cố theo phương pháp NATM: Sử dụng neo đá vượt trước, phun bê tông cốt thép, khung chống thép và khoan phụt cứng hóa khối sạt để kiểm soát biến dạng và ổn định hầm. Thời gian thi công gia cố cần được lên kế hoạch chi tiết, thực hiện đồng bộ với tiến độ đào hầm.

  3. Nâng cao chất lượng thi công và giám sát: Đào tạo nâng cao tay nghề cho nhà thầu, kiểm soát chặt chẽ việc thi công theo hồ sơ thiết kế, đặc biệt là công tác gia cố tạm thời và vĩnh cửu. Giám sát liên tục biến dạng và ứng suất trong quá trình thi công để kịp thời điều chỉnh biện pháp.

  4. Xây dựng quy trình xử lý sự cố sạt trượt kịp thời: Thiết lập quy trình chuẩn cho việc phát hiện, xử lý và khắc phục các khối sạt lớn, bao gồm đào xúc, gia cố tạm và gia cố vĩnh cửu. Thời gian xử lý sự cố không quá 2 tuần để hạn chế ảnh hưởng đến tiến độ chung.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư thiết kế công trình ngầm và thủy điện: Nghiên cứu các giải pháp gia cố và xử lý địa chất xấu giúp nâng cao chất lượng thiết kế, giảm thiểu rủi ro trong thi công.

  2. Nhà thầu thi công đường hầm: Áp dụng các biện pháp thi công và gia cố phù hợp, nâng cao hiệu quả thi công và đảm bảo an toàn lao động.

  3. Cơ quan quản lý dự án và giám sát thi công: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để xây dựng quy trình giám sát, kiểm soát chất lượng và xử lý sự cố kịp thời.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng công trình ngầm, địa kỹ thuật: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn về xử lý địa chất xấu, giúp phát triển nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguyên nhân chính gây sạt trượt khi đào hầm là gì?
    Nguyên nhân chủ yếu là do địa chất xấu như đứt gãy kiến tạo, mạch nước ngầm và đá phong hóa làm giảm cường độ kháng nén khối đá, dẫn đến chuyển vị hầm vượt giới hạn an toàn.

  2. Phương pháp NATM có ưu điểm gì trong xử lý địa chất xấu?
    NATM cho phép kiểm soát biến dạng thực tế của đá, sử dụng các biện pháp gia cố linh hoạt như neo đá, phun bê tông và khung chống, giúp tăng độ ổn định và giảm thiểu sự cố sạt trượt.

  3. Làm thế nào để xác định vùng địa chất xấu chính xác hơn?
    Kết hợp khoan dọc tuyến, khoan ngang, khảo sát địa vật lý và công nghệ hiện đại giúp xác định vị trí và kích thước vùng địa chất xấu với độ chính xác cao hơn.

  4. Giải pháp gia cố nào hiệu quả nhất cho khối sạt lớn?
    Giải pháp khoan phụt cứng hóa khối sạt kết hợp với gia cố tạm bằng khung chống thép và phun bê tông được đánh giá là hiệu quả trong việc ổn định và tiếp tục thi công.

  5. Làm sao để giảm thiểu ảnh hưởng của sự cố sạt trượt đến tiến độ thi công?
    Thiết lập quy trình xử lý sự cố nhanh chóng, giám sát chặt chẽ biến dạng và ứng suất, đồng thời nâng cao tay nghề thi công giúp giảm thời gian dừng thi công và đảm bảo tiến độ.

Kết luận

  • Địa chất xấu là nguyên nhân phổ biến nhất gây sạt trượt và sự cố trong thi công đường hầm thủy điện tại Việt Nam.
  • Việc khảo sát địa chất chưa đầy đủ và chính xác dẫn đến khó khăn trong dự báo và thiết kế giải pháp thi công phù hợp.
  • Phương pháp NATM và các giải pháp gia cố như neo đá, phun bê tông, khung chống thép đã chứng minh hiệu quả trong kiểm soát biến dạng và ổn định hầm.
  • Chất lượng thi công và giám sát đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo an toàn và tiến độ thi công.
  • Luận văn đề xuất các giải pháp xử lý và gia cố cụ thể áp dụng thành công cho công trình thủy điện Bảo Lộc, làm cơ sở cho các công trình tương tự trong tương lai.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất vào thực tế thi công, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao công nghệ khảo sát và gia cố để tối ưu hóa hiệu quả và giảm thiểu rủi ro. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp chặt chẽ trong việc đào tạo, giám sát và quản lý dự án nhằm đảm bảo thành công cho các công trình đường hầm thủy công tại Việt Nam.