Luận văn: Lựa chọn giải pháp gia cố đường hầm khi đào qua đứt gãy tại Thủy điện Hủa Na

Phương pháp gia cố đường hầm qua đứt gãy thủy điện Hủa Na. Tìm hiểu các kỹ thuật xây dựng và giải pháp kỹ thuật phòng chống hiện tượng địa chất.

• Tác giả: Hồ Quang Huy
• Người hướng dẫn: GS.TS. Vũ Trọng Hồng
• Trường học: Đại học Thủy lợi Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật thủy lợi
• Đề tài: Lựa chọn giải pháp gia cố khi đào đường hầm qua đứt gãy của Thủy điện Hủa Na
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đường hầm và đứt gãy

Đường hầm là công trình ngầm được xây dựng để phục vụ giao thông, thủy lợi, hệ thống hạ tầng kỹ thuật đô thị, quốc phòng, khai khoáng mỏ. Việc xây dựng đường hầm qua đứt gãy là vấn đề rất được quan tâm do ảnh hưởng của địa chất mềm yếu hay các đới đứt gãy khi xây dựng các công trình ngầm xuyên qua.

1.1. Khái niệm về đường hầm

Đường hầm là một công trình xây dựng được tạo ra bằng cách đào xuyên qua đất hoặc đá để tạo ra một lối đi ngầm. Đường hầm có thể được xây dựng cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm giao thông, thủy lợi, hệ thống hạ tầng kỹ thuật đô thị, quốc phòng, khai khoáng mỏ.

1.2. Ảnh hưởng của đứt gãy đến đường hầm

Đứt gãy là một khe hở hoặc một vùng đất bị nứt ra do các hoạt động kiến tạo. Khi xây dựng đường hầm qua đứt gãy, cần phải xem xét đến ảnh hưởng của đứt gãy đến độ ổn định của đường hầm và các biện pháp gia cố cần thiết.

II. Phân tích và vấn đề khi đào đường hầm qua đứt gãy

Khi đào đường hầm qua đứt gãy, cần phải phân tích và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của đường hầm, bao gồm địa chất, thủy văn, áp lực địa tầng. Việc xác định giải pháp gia cố phù hợp giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế cho dự án.

2.1. Phân tích địa chất và thủy văn

Phân tích địa chất và thủy văn là bước quan trọng trong việc xác định giải pháp gia cố khi đào đường hầm qua đứt gãy. Cần phải xem xét đến loại đất, cấu trúc địa chất, mực nước ngầm và các yếu tố khác để đánh giá độ ổn định của đường hầm.

2.2. Vấn đề áp lực địa tầng

Áp lực địa tầng là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ ổn định của đường hầm. Khi đào đường hầm qua đứt gãy, cần phải xem xét đến áp lực địa tầng và các biện pháp gia cố cần thiết để đảm bảo an toàn cho đường hầm.

III. Giải pháp và phương pháp gia cố đường hầm

Giải pháp gia cố đường hầm khi đào qua đứt gãy bao gồm các biện pháp như sử dụng kết cấu chống đỡ, phun bê tông, lắp đặt hệ thống thoát nước. Việc lựa chọn giải pháp gia cố phù hợp giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế cho dự án.

3.1. Sử dụng kết cấu chống đỡ

Sử dụng kết cấu chống đỡ là một trong những giải pháp gia cố đường hầm khi đào qua đứt gãy. Kết cấu chống đỡ giúp tăng cường độ ổn định của đường hầm và ngăn chặn sự sụp đổ.

3.2. Phương pháp phun bê tông

Phương pháp phun bê tông là một giải pháp gia cố đường hầm khi đào qua đứt gãy. Phun bê tông giúp tăng cường độ ổn định của đường hầm và ngăn chặn sự sụp đổ.

IV. Kết luận và ứng dụng

Lựa chọn kết cấu gia cố khi đào đường hầm qua đứt gãy của Thủy điện Hủa Na là vấn đề quan trọng trong xây dựng công trình ngầm. Việc xác định giải pháp gia cố phù hợp giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế cho dự án.

4.1. Kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu cho thấy rằng việc lựa chọn kết cấu gia cố khi đào đường hầm qua đứt gãy của Thủy điện Hủa Na cần phải xem xét đến các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của đường hầm.

4.2. Ứng dụng trong thực tế

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong thực tế xây dựng đường hầm qua đứt gãy của Thủy điện Hủa Na. Việc lựa chọn giải pháp gia cố phù hợp giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế cho dự án.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tại Việt Nam, hàng trăm dự án thủy điện đã và đang được vận hành với hệ thống công trình ngầm quy mô lớn, tiêu biểu như Thủy điện Hòa Bình sở hữu tuyến hầm dẫn nước đường kính 8 mét công suất 1.920 MW hay Thủy điện Yaly dài 7,6 km công suất 720 MW. Tuy nhiên, trong quá trình xây dựng công trình ngầm thủy công xuyên núi, việc tuyến hầm phải đi qua các vùng địa chất phức tạp, đới đứt gãy kiến tạo hay tầng đất đá phong hóa mềm yếu là điều không thể tránh khỏi. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ thực trạng áp lực địa tầng gia tăng bất thường trong vùng phá hủy kiến tạo, dẫn đến nguy cơ sạt lở gương đào nghiêm trọng như sự cố cửa hầm Hải Vân năm 2001 làm sạt lở 300 mét khối bùn đất, hay tổn thất chi phí khắc phục sự cố hầm ngầm trên thế giới thường vượt từ 200% đến 4.200% so với đơn giá thi công ban đầu. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng phương pháp tính toán tải trọng địa tầng tác dụng lên kết cấu chống đỡ và lựa chọn giải pháp gia cố tối ưu nhất về kỹ thuật lẫn kinh tế cho tuyến hầm dẫn nước Thủy điện Hủa Na. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện đối với các đoạn hầm đào qua đới đứt gãy bậc IV thuộc công trình Thủy điện Hủa Na tại tỉnh Nghệ An trong mốc thời gian hoàn thành tháng 11 năm 2010. Ý nghĩa của đề tài được thể hiện qua các chỉ số định lượng: đảm bảo an toàn chịu lực 100% cho kết cấu vỏ hầm, giảm thiểu trên 15% khối lượng vật liệu gia cố dư thừa, đồng thời duy trì tuổi thọ vận hành bền vững cho công trình năng lượng trong suốt vòng đời hơn 50 năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng 2 lý thuyết cơ học ngầm kinh điển: Lý thuyết vòm cân bằng áp lực của Kommerell và phương pháp xác định áp lực đất đá của M. Protodyakonov, kết hợp hệ thống đánh giá chất lượng khối đá theo Barton (chỉ số Q) và Deere (chỉ số RQD). Mô hình nghiên cứu thiết lập sự tương tác cơ học phi tuyến giữa khối đất đá mềm yếu xung quanh biên dạng đào và kết cấu chống đỡ nhân tạo dạng khung vòm thép hình. Đề tài làm rõ 4 khái niệm kỹ thuật cốt lõi:

Thứ nhất, hiện tượng chùng ứng suất và từ biến của đất đá vò nát theo thời gian khi mở gương đào.

Thứ hai, trạng thái phân bố tải trọng địa tầng gồm áp lực đứng và áp lực ngang tác dụng lên kết cấu vỏ hầm.

Thứ ba, điều kiện bền chịu uốn và bền chịu cắt của tiết diện thép hình theo tiêu chuẩn xây dựng ngầm.

Thứ tư, công nghệ thi công hầm mới của Áo (NATM) phát triển từ năm 1948, nhấn mạnh việc tận dụng khả năng mang tải tự nhiên của khối đá kết hợp lắp đặt kết cấu che chống dẻo ban đầu. Trong điều kiện đứt gãy kiến tạo, hệ số kiên cố f của đất đá giảm mạnh từ trên 8,0 xuống dưới 1,5, làm bán kính vùng phá hoại dẻo mở rộng gấp 2 đến 3 lần kích thước thông thủy của đường hầm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được trích xuất trực tiếp từ hồ sơ khảo sát địa chất công trình, địa chất thủy văn tuyến năng lượng Thủy điện Hủa Na năm 2010 và dữ liệu thống kê từ 61 công trình đường hầm thủy công trên thế giới. Phương pháp phân tích chủ đạo là Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được thực hiện thông qua phần mềm tính toán kết cấu chuyên dụng SAP2000.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 12 tiết diện đại diện được phân tích chuyên sâu dọc theo tuyến hầm dài nhiều kilômét, tương ứng với 2 trường hợp cụ thể: tuyến hầm nằm ngoài đới phá hủy và tuyến hầm trực tiếp cắt qua đới đứt gãy kiến tạo bậc IV. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu phi ngẫu nhiên có chủ đích (purposive sampling), tập trung vào các đoạn hầm có nõn khoan thể hiện mức độ nứt nẻ nghiêm trọng, đá bị phong hóa bở rời và chứa nước ngầm có áp. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn trên SAP2000 vì công cụ này cho phép mô phỏng chính xác hệ thanh dầm siêu tĩnh trong không gian phẳng 2D, giải quyết bài toán phân bố tải trọng phức tạp với bậc tự do lớn, trích xuất tức thời các biểu đồ mômen uốn, lực cắt và lực dọc tại hàng trăm nút liên kết. Timeline nghiên cứu được thực hiện tập trung trong 12 tháng, kết hợp giữa mô phỏng số học và đối chuẩn tiêu chuẩn ngành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thông qua quá trình phân tích bài toán kết cấu trên mô hình SAP2000, nghiên cứu đã phát hiện 4 kết quả định lượng mang tính bản lề:

Thứ nhất, ở trường hợp đường hầm chưa đi qua đứt gãy, khối đá duy trì độ kiên cố tốt, áp lực địa tầng nhỏ, nội lực mômen uốn cực đại trong khung chống chỉ đạt 42,5 kNm và ứng suất cắt thấp hơn 35% so với giới hạn cho phép của thép hình tiêu chuẩn.

Thứ hai, khi tuyến hầm đào xuyên qua đới đứt gãy bậc IV, áp lực đứng của đất đá tăng vọt hơn 250% và áp lực ngang tăng 180% so với đoạn địa chất bình thường, phản ánh tình trạng đất đá bị vò nát hoàn toàn mất khả năng tự đỡ.

Thứ ba, sự gia tăng tải trọng đột ngột này khiến nội lực mômen uốn trong kết cấu khung chống ban đầu vượt quá 160% khả năng chịu lực giới hạn, dẫn đến việc kết cấu thép bị uốn dẻo và mất ổn định nghiêm trọng nếu không có biện pháp gia cường.

Thứ tư, khi áp dụng giải pháp đồng bộ vừa tăng 30% diện tích mặt cắt tiết diện thép hình chữ I, vừa giảm khoảng cách bước chống từ 1,0 mét xuống 0,5 mét, ứng suất uốn và ứng suất cắt giảm mạnh lần lượt 58% và 64%, đưa hệ số an toàn chịu lực của hệ chống đỡ lên mức 1,38 lần.

Thảo luận kết quả

Sự chênh lệch nội lực sâu sắc giữa hai trường hợp địa chất bắt nguồn từ việc đới đứt gãy kiến tạo làm triệt tiêu lực dính phân tử C và làm giảm góc ma sát trong phi xuống dưới 20 độ, kích hoạt hiện tượng chùng ứng suất và lún từ biến nhanh ở nóc vòm hầm. Dữ liệu tính toán trong nghiên cứu có thể được trực quan hóa sinh động thông qua biểu đồ phân bố mômen uốn dạng cánh cung đối xứng quanh vòm đỉnh và biểu đồ lực cắt tập trung cao độ tại hai bên vách hầm, kết hợp với bảng ma trận so sánh ứng suất vật liệu qua từng phương án gia cố.

Kết quả này lý giải nguyên nhân cốt lõi của các thảm họa sập hầm trong thực tế, điển hình như sự cố sập hầm tàu điện ngầm Munich năm 1994 do nước ngầm tràn qua lớp đá phấn mỏng làm 3 người tử nạn, hay sự cố hầm Hải Vân khi mưa lớn 60 mm làm trào 300 mét khối bùn cát. So với các giải pháp thi công khiên đào tại hầm Zimmerberg tại Thụy Sỹ có đường kính 12,3 mét, nghiên cứu khẳng định rằng việc gia cường kết hợp giữa khung thép I và bê tông phun dầy 20 cm theo nguyên lý NATM giúp tăng khả năng chịu tải tổng thể lên hơn 45% so với việc chỉ tăng tiết diện đơn thuần, mang lại giải pháp an toàn tuyệt đối cho công trình Thủy điện Hủa Na.

Đề xuất và khuyến nghị

Căn cứ vào kết quả mô phỏng nội lực và thực tiễn địa chất công trình, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao:

Thứ nhất, tăng cường tiết diện khung chống bằng việc sử dụng thép hình chữ I chuyên dụng có mômen kháng uốn tăng tối thiểu 30% so với thiết kế cơ sở, do nhà thầu thi công tiến hành lắp dựng hoàn chỉnh trong vòng 2 giờ ngay sau khi thông gương đào để chặn đứng chuyển vị ban đầu.

Thứ hai, thu hẹp khoảng cách bố trí giữa các khung chống thép từ 1,0 mét xuống còn 0,5 mét hoặc 0,6 mét trên toàn bộ phạm vi đới đứt gãy dài khoảng 40 mét, do đội ngũ công nhân cơ giới hóa triển khai thi công liên tục 3 ca nhằm nâng hệ số an toàn chịu lực lên trên 1,35 lần.

Thứ ba, bơm phụt vữa xi măng áp lực cao kết hợp phun bê tông gia cố dầy từ 15 cm đến 20 cm trên lưới thép hàn cường độ cao, do đơn vị xử lý nền ngầm thực hiện trong vòng 4 giờ nhằm ngăn chặn triệt để hiện tượng phong hóa bở rời và triệt tiêu 90% lưu lượng nước ngầm rò rỉ.

Thứ tư, lắp đặt hệ thống quan trắc chuyển vị đa điểm tự động bằng cảm biến laser điện tử với tần suất đo đạc 15 phút một lần, do Ban quản lý dự án Thủy điện Hủa Na phối hợp với tư vấn giám sát vận hành trong suốt 18 tháng thi công ngầm để phát hiện sớm các dị thường biến dạng vượt ngưỡng 20 mm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo học thuật và cẩm nang kỹ thuật thực chiến dành cho 4 nhóm đối tượng then chốt:

Nhóm 1: Các kỹ sư tư vấn thiết kế công trình thủy công và giao thông ngầm, sử dụng các thuật toán và quy trình lập sơ đồ tính trên SAP2000 trong đề tài để tối ưu hóa giải pháp kết cấu vỏ hầm xuyên qua hơn 3 loại đới đứt gãy kiến tạo khác nhau.

Nhóm 2: Các nhà thầu xây dựng và chỉ huy trưởng công trường hầm ngầm, khai thác quy trình thi công bước chống 0,5 mét kết hợp bê tông phun dầy 20 cm nhằm phòng ngừa 100% nguy cơ sự cố sập đổ gương đào trong điều kiện địa chất yếu.

Nhóm 3: Các ban quản lý dự án thủy điện và nhà đầu tư năng lượng, áp dụng bảng phân tích so sánh kinh tế - kỹ thuật để tiết kiệm từ 12% đến 18% chi phí gia cố ngầm và đẩy nhanh tiến độ thi công trước mùa mưa lũ ít nhất 25 ngày.

Nhóm 4: Các giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm, sử dụng toàn bộ hệ thống số liệu thực nghiệm và lý thuyết áp lực địa tầng làm tài liệu giảng dạy chuyên sâu cho các khóa đào tạo thạc sĩ kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Tại sao việc đào hầm qua đới đứt gãy kiến tạo bậc IV lại tiềm ẩn rủi ro sập lở cực lớn?

Đới đứt gãy bậc IV khiến cấu trúc đá bị nghiền nát thành đất đá phong hóa bở rời, làm suy giảm hệ số kiên cố f xuống dưới 1,5. Áp lực địa tầng tác dụng lên đỉnh hầm tăng hơn 250%, dẫn đến hiện tượng trượt lở nghiêm trọng tương tự sự cố tràn 300 mét khối bùn cát tại hầm Hải Vân năm 2001.

Câu hỏi 2: Giải pháp khung chống thép hình chữ I phát huy hiệu quả kỹ thuật như thế nào?

Khung thép hình I cung cấp khả năng chịu mômen uốn tức thì trên 140 kNm mà không cần chờ thời gian ninh kết như bê tông truyền thống. Khi kết hợp bước chống 0,5 mét, kết cấu tạo ra vành đai chịu lực vững chắc, kiểm soát hiệu quả biến dạng dẻo của đất đá trong vòng 2 giờ đầu sau đào.

Câu hỏi 3: Việc giảm khoảng cách bước chống từ 1,0 mét xuống 0,5 mét có làm phát sinh chi phí quá mức không?

Mặc dù chi phí vật liệu thép tăng khoảng 75% cho đoạn qua đứt gãy, giải pháp này giúp ngăn ngừa 100% thảm họa sập hầm. Chi phí này rất nhỏ so với thiệt hại khắc phục sự cố ngầm, vốn thường tiêu tốn gấp 2 lần đến 40 lần chi phí xây dựng ban đầu theo thống kê quốc tế.

Câu hỏi 4: Phần mềm SAP2000 đóng vai trò gì trong việc lựa chọn giải pháp kết cấu gia cố hầm?

Phần mềm SAP2000 giải bài toán cơ học phẳng siêu tĩnh với hàng trăm phần tử thanh và nút liên kết đàn hồi, xác định chính xác biểu đồ mômen uốn, lực cắt và lực dọc dưới 2 tổ hợp tải trọng địa tầng. Nhờ đó, kỹ sư kiểm chứng được điều kiện an toàn chịu uốn và cắt đạt chuẩn 100%.

Câu hỏi 5: Nguyên lý NATM được áp dụng linh hoạt ra sao trong điều kiện địa chất đứt gãy ngậm nước?

Phương pháp NATM kết hợp bê tông phun dầy 20 cm, lưới thép cường độ cao và khung chống định hình nhằm hình thành vòng bảo vệ mềm ban đầu. Kết hợp với việc quan trắc liên tục chuyển vị mỗi 15 phút, giải pháp cho phép điều chỉnh mật độ vì chống kịp thời trước khi biến dạng vượt 20 mm.

Kết luận

Nghiên cứu về giải pháp gia cố đường hầm dẫn nước Thủy điện Hủa Na mang lại những đóng góp khoa học và thực tiễn sâu sắc thông qua 5 điểm cốt lõi:

• Làm sáng tỏ quy luật gia tăng hơn 250% của áp lực địa tầng khi đào hầm qua đới đứt gãy kiến tạo bậc IV.
• Xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn trên SAP2000 để đánh giá nội lực chính xác tại hàng trăm tiết diện nút.
• Chứng minh giải pháp kết hợp tăng 30% tiết diện thép I và giảm bước chống xuống 0,5 mét giúp hệ số an toàn đạt trên 1,35 lần.
• Tổng hợp bài học kinh nghiệm đắt giá từ hơn 10 sự cố công trình ngầm tiêu biểu tại Việt Nam và thế giới.
• Cung cấp cơ sở khoa học tin cậy cho thiết kế thi công tuyến hầm Thủy điện Hủa Na hoàn thành an toàn trong tháng 11 năm 2010.

Đóng góp chính của luận văn là hoàn thiện bộ giải pháp công nghệ ngầm thích ứng cao với địa tầng đứt gãy phức tạp. Trong 6 tháng tới, các kỹ sư cần tiếp tục ứng dụng công nghệ cảm biến số để theo dõi biến dạng hầm dài hạn. Hãy tải ngay toàn văn luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Hồ Quang Huy để sở hữu giải pháp thiết kế hầm tối ưu nhất!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐÀO ĐƯỜNG HẦM QUA ĐẤT MỀM 1. Lịch sử phát triển các loại đường hầm. Công trình ngầm trên thế giới. Đường hầm là những công trình được xây dựng trong lòng đất, xuyên qua lòng sông, biển hay những dãy núi cao ngất.

Chúng luôn được coi là đỉnh cao của kỹ thuật và nghệ thuật xây dựng. Cùng với những bước phát triển mạnh mẽ về khoa học kỹ thuật, hiện nay việc sử dụng công trình ngầm rất phổ biến trên thế giới, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế, xã hội. Thời thượng cổ con người đã biết đào các hầm ngầm đặc biệt để khai thác quặng mỏ và than đá. Người La Mã đã xây dựng các đường hầm ngầm thủy lợi đến nay vẫn còn tốt.

Gắn liền với sự phát triển, của thiết bị và phương tiện sản xuất, con đường hầm hiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas qua kênh đào Midi dài 173m được xây dựng ở Pháp vào năm 1679 – 1681.1: Đường hầm Malpas qua kênh đào Midi Đường hầm lâu đời nhất thế giới được cho là đường hầm Terelek kay tüneli dưới dòng sông Kizil ở phía Nam của thị trấn Boyabat và Duragan ở Thổ Nhĩ Kỳ. Ước lượng nó được xây dựng cách đây hơn 2000 năm (và cũng có lẽ là 5000 năm). Học viên: Hồ Quang Huy CH16C1 4 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Tuyến đường hầm ở Arabic và Persian là một hệ thống quản lý nguồn nước được sử dụng để cung cấp nước cho khu định cư và cho nông nghiệp trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt như hạn hán. Hệ thống đường hầm này được biết đến là đường hầm cổ nhất và rộng nhất ở thành phố Iraian của Gonabad, dù đã sau 2700 năm nó vẫn cung cấp nước cho sinh hoạt và nông nghiệp (cho gần 4000 người).

Độ sâu của đường hầm hơn 360 m và dài 45 km.2: Tuyến đường ống dẫn nước Eupalinia Tuyến đường ống dẫn nước Eupalinian nằm trên đảo của Samos (phía Bắc Aegean, Hi Lạp). Nó được xây dựng năm 520 trước công nguyên bởi những kỹ sư Hi Lạp cổ đại. Những người kỹ sư này đã tổ chức công trường xây dựng bắt đầu từ núi Kastro. Đường hầm có tầm quan trọng lớn kể từ khi nó được xây dựng dưới lòng đất, vì kẻ địch – những người có thể làm mất đi nguồn cung cấp nước tới Pythagoreion thủ đô cổ xưa của Samos không dễ để tìm thấy nó.

Điều này được Herodotus ghi lại. Mãi đến thế kỷ 19 vị trí chính xác của đường hầm mới được xác định bởi nhà khảo cổ học người Đức. Tuyến đường hầm dài khoảng 1300m, và khách du lịch vẫn có thể đến thăm nó. Đường hầm càng phát triển khi vận chuyển đường sắt càng phát triển để vượt qua các chướng ngại vật như núi, đèo.

Đường hầm Sapperton trên sông Thames và Severn ở Anh, được đào xuyên qua những quả đồi, hoàn thành năm 1979, dài 3.5 km và nó được dùng cho việc vận chuyển than và hàng hóa của những con tàu. Phía Học viên: Hồ Quang Huy CH16C1 5 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật trên là tuyến đường hầm dài với hệ thống đường ray xe lửa nối liền Swindon và Gloucester.3: Đường hầm Sapperton trên sông Thames Đường hầm được tạo ra cho đầu máy hơi nước đầu tiên, đầu máy Penydarren, được xây dựng trước khi Richard Trevithick có thể thực hiện cuộc hành trình lịch sử của ông ta từ Penydarren tới Abercynon vào năm 1804. Chúng ta vẫn có thể nhìn thấy bộ phận của đường hầm ở Pentrebach Merthyr Tydfil. Đây là đường hầm xe lửa cổ nhất trên thế giới cho loại máy hơi nước tự hành.4: Đường hầm Montgomery Bell, eo sông của Harpeth Học viên: Hồ Quang Huy CH16C1 6 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Đường hầm Montgomery Bell ở Tennessee dài 88m là đường hầm dẫn dòng được xây dựng bởi những người nô lệ vào năm 1819 là đường hầm nguyên cỡ đầu tiên ở Mỹ.

Đường hầm Box ở Anh bắt đầu xây dựng từ năm 1836 và được hoàn thành vào năm 1841 là đường hầm xe lửa dài nhất trên thế giới tại thời điểm xây dựng. Nó được đào xuyên qua đồi Box với chiều dài 2.5: Phía Đông của đường hầm Box Đường hầm Thames được xây dựng bởi Marc Isambard Brunel và con trai của ông ta Isambard Kingdom Brunel được hoàn thành vào năm 1843 là đường hầm dưới nước đầu tiên và cũng là lần đầu tiên được thi công bằng khiên. Nó được sử dụng như một đường hầm dành cho người đi bộ và bây giờ nó là một phần của tuyến đường ở phía Tây của nước Anh trong hệ thống tuyến đường dưới mặt đất.6: Đường hầm Thames năm 2005 Học viên: Hồ Quang Huy CH16C1 7 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Đường hầm St. Clair là đường hầm dưới nước quy mô nhất ở Bắc Mỹ.

Nó gồm hai hệ thống đường hầm liền kề nhau. Đường hầm đầu tiên hoàn thành năm 1891, đường hầm thứ hai hoàn thành năm 1994. Khi đường hầm thứ 2 đi vào hoạt động, đường hầm thứ nhất ngưng sử dụng (nó được bịt kín lại). Do sự phát triển của công nghệ nên việc thi công đường hầm thứ 2 cũng có sự khác biệt, thay vì đào bằng tay như đường hầm thứ nhất, một loạt máy tên Excalibore đã được sử dụng.7: Đường hầm St.

Clair đầu tiên hoàn thành năm 1981 Hình 1.8: Đường hầm St. Clair thứ hai hoàn thành năm 1994 Học viên: Hồ Quang Huy CH16C1 8 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Đường hầm Col de Tende dài 3182 m nối liền Pháp và Ý. Nó được khánh thành vào năm 1882 và cho đến tận năm 1964 nó vẫn là đường hầm dài nhất trong dãy Alps. Tại thời điểm hoàn thành có lẽ nó là một trong những đường hầm dài nhất thế giới.9: Đường hầm Col de Tende Đường hầm Holland là đường hầm quốc lộ bên dưới sông Hudson nối đảo Manhattan ở thành phố New York và thành phố Jersey và New Jersey trên đất liền.

Nó được hoàn thành vào năm 1927 với chiều dài 2608.5 m về hướng Tây và 2551.5m về hướng Đông. Đây là một trong những đường hầm đầu tiên được thiết kế hệ thống thông gió.10: Giao thông trong đường hầm Holland, từ Manhattan đến New Jersey Học viên: Hồ Quang Huy CH16C1 9 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Thế kỷ XX đánh dấu sự phát triển vượt bậc của các loại đường hầm với sự ra đời của nhiều công trình có quy mô lớn, với những mục đích sử dụng đặc biệt. Dưới đây là một số đường hầm nổi tiếng, được đánh giá cao trong thế giới hiện đại.11: Đường hầm qua eo biển Manche Đường hầm qua eo biển Manche là đường hầm đường sắt dài thứ hai thế giới với tổng chiều dài 50,5 km (sau đường hầm Seikan của Nhật Bản). Nó cũng là tuyến đường hầm có tổng chiều dài phần chìm dưới biển lớn nhất thế giới (37,9 km).

Điểm thấp nhất tại hầm có độ sâu 75 m. Được xây dựng vào năm 1988 và hoàn thành vào năm 1994, đường hầm qua eo biển Manche là cầu nối hai nước Anh và Pháp. Điểm khởi đầu là Folkestone, Kent của Anh và điểm kết thúc là ở Coquelles, Pas-de-Calais, Pháp. Nhờ đường hầm này, hành khách đi từ Anh sang Pháp chỉ mất vỏn vẹn 20 phút.

Học viên: Hồ Quang Huy CH16C1 10 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 1.12: Đường ray trong đường hầm Seikan Đường hầm Seikan của Nhật Bản là hầm đường sắt dài nhất thế giới với tổng chiều dài 53,85 km, trong đó phần chìm dưới biển có chiều dài 23,3 km. Nó nằm bên dưới eo biển Tsugaru nối liền hai đảo Honshu và Hokkaido - một phần của tuyến Kaikyo thuộc công ty đường sắt Hokkaido. Được xây dựng năm 1971 và hoàn thành năm 1988, hầm có 52 km đường ray liên tục với hai nhà ga đầu tiên trên thế giới được xây dựng dưới biển.13: Một phần bên trong đường hầm Gotthard Dù vẫn còn đang trong giai đoạn xây dựng, hầm Gotthard đã thu hút sự chú ý của cả thế giới. Được xây dựng ở Thụy Sĩ với tổng chiều dài lên tới 57 km, đây sẽ là Học viên: Hồ Quang Huy CH16C1 11 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hầm đường sắt dài nhất thế giới khi nó được hoàn thành vào năm 2018.

Nhưng điều đặc biệt hơn là đường hầm này được đào xuyên qua dãy Alps -vốn được coi là rào cản giữa Bắc Âu và Nam Âu. Người ta sẽ xây một tuyến đường ray cao tốc nối liền thành phố Zurich của Thụy Sĩ và Milan của Italy. Toàn bộ tuyến này sẽ nằm trên cùng độ cao 500 m so với mực nước biển, cho phép tàu hoả đạt đến tốc độ 240 km/h, rút ngắn thời gian di chuyển từ Zurich đến Milan chỉ còn 2,5 giờ. Đây là một công trình quy mô lớn với những con số khổng lồ: hơn 2.000 người làm việc 24h/ngày, 365 ngày/năm, chi phí tăng vọt từ 8 tỷ USD theo dự kiến ban đầu lên 15 tỷ USD và có lẽ phải đến năm 2018 mới hoàn thành.14: Một khu để xe lớn nằm trên đỉnh đường hầm qua vịnh Tokyo Bắt đầu được xây dựng từ năm 1989 và hoàn thành vào năm 1997 với tổng chiều dài 15,1 km, đường hầm qua vịnh Tokyo được coi là đường hầm dưới biển dài nhất thế giới tại thời điểm đó.

Đây là một công trình phức hợp gồm 9,5 km hầm, 4,4 km cầu và hai đảo nhân tạo. Độ sâu của đường hầm chỗ thấp nhất là 60 m. Công trình này được xây dựng để nối hai thành phố Kisazaru và Kawasaki của Nhật Bản. Trước đây, để di chuyển giữa hai thành phố này, người ta phải đi 100 km dọc theo vịnh Tokyo hoặc đi phà mất một giờ đồng hồ, nhưng nay chỉ cần 15 phút qua hầm.

Điểm thú vị ở đây là trên hai hòn đảo nhân tạo có cả một bãi đỗ xe rộng lớn và khu nghỉ ngơi dành cho các du khách tham quan vịnh. Học viên: Hồ Quang Huy CH16C1 12 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 1.15: Cầu cao, cầu thấp và phần hầm chìm của hệ thống ở vịnh Chesapeake Cầu và hầm chìm trên vịnh Chesapeake, Mỹ, được hoàn thành vào năm 1964 với tổng chi phí là 2 triệu USD, nối vùng đông nam Virginia với bán đảo Delmarva. Toàn bộ công trình phức hợp gồm hai cầu cao, hai cầu thấp và hai hầm song song dài 28 km, phần lớn nổi ở trên mặt nước nhờ 5. Tuy nhiên, để đảm bảo giao thông đường thủy, một phần công trình được dìm xuống nước, tạo thành đường hầm dài hơn 3 km.

Công trình còn có các đảo nhân tạo nhằm neo hai đường hầm. Trên đảo có các nhà nghỉ, quầy lưu niệm và chỗ đỗ xe để cho mọi người thư giãn và ngắm cảnh.