Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Chương này trình bày tổng quan về những vấn đề nghiên cứu như đường hầm, các phương pháp thi công đường hầm; các phương pháp khoan lỗ nổ mìn; các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác lỗ khoan; tình hình nghiên cứu động học và động lực học hệ giá đỡ thiết bị khoan và xác định hướng nghiên cứu của luận án. Đường hầm và đường hầm quân sự 1. Công trình ngầm và đường hầm Công trình ngầm nói chung và đường hầm nói riêng được dùng vào các mục đích khác nhau để phục vụ các nhu cầu của nền kinh tế quốc dân như giao thông, thuỷ lợi, các tổ hợp ngầm của nhà máy thuỷ điện, các kho chứa nguyên liệu sản phẩm công nghiệp, khai thác tài nguyên của đất nước…Trong những năm gần đây, ở nước ta đã bắt đầu xây dựng những công trình tương đối phức tạp như các đường hầm của nhà máy thuỷ điện, đường hầm xuyên đèo Hải Vân, các tuyến Metro ở Sài Gòn và Hà Nội,…đã đáp ứng sự đòi hỏi của nhu cầu thực tế ngày càng lớn sử dụng đường hầm, đã đánh giá được năng lực và trình độ của đội ngũ cán bộ kỹ thuật thi công đường hầm, đã ứng dụng nhiều phương pháp thi công tiên tiến và sử dụng nhiều trang bị kỹ thuật hiện đại phục vụ thi công đường hầm. Trong tương lai, nếu xảy ra chiến tranh công nghệ cao với vũ khí huỷ diệt tinh khôn, địch có thể sẽ tập trung đánh phá chính xác vào các căn cứ quân sự, các khu vực phòng thủ, khu công nghiệp, các mục tiêu then chốt nằm lộ thiên trên mặt đất, nhằm tiêu diệt hoả lực, sinh lực, phá hoại nền kinh tế và quốc phòng của đất nước, làm suy yếu và tê liệt khả năng phòng thủ đất nước.
Vì vậy, công tác đảm bảo về người, tài sản và việc che giấu trang bị kỹ thuật của nền kinh tế và quốc phòng là hết sức quan trọng và cần thiết. Để làm được điều này, nhu cầu sử dụng đường hầm khẩu độ vừa và nhỏ ngày càng lớn, đáp ứng được qui mô phòng thủ chiến lược của các đơn vị, các khu vực phòng thủ trọng yếu. Do đó, xây dựng các công trình ngầm, luan an 6 các đường hầm quân sự (ĐHQS) phục vụ phòng thủ chiến lược bảo vể Tổ Quốc và phát triển kinh tế của đất nước là hết sức quan trọng [7]. Đường hầm quân sự và hộ chiếu gương khoan 1.
Đường hầm quân sự Đường hầm quân sự thường được chọn ở những vùng rừng núi, những nơi hẻo lánh xa khu dân cư và đô thị. Quá trình thi công tiến hành trong điều kiện khó khăn, không gian thi công chật hẹp, tuyến thi công kéo dài, điều kiện địa chất đa dạng, phức tạp do phải đáp ứng được các yêu cầu về mặt chiến thuật cũng như bảo đảm bí mật quân sự. Khi thi công có thể gặp phải vùng địa chất đất đá yếu (có hệ số độ cứng: fkp ≤ 2); địa chất đất đá trung bình (fkp ≤ 3÷4) hay địa chất đất đá cứng (fkp > 4), lớp nọ sang lớp kia. Đường đi đến địa điểm thi công thường phải qua những địa hình phức tạp, độ dốc lớn, đường hẹp, vực sâu… vì vậy khả năng cơ động các phương tiện, máy móc, bảo đảm kỹ thuật cung cấp vật tư trong quá trình thi công cũng gặp không ít khó khăn, nguy hiểm.
Căn cứ vào công năng sử dụng, ĐHQS có thể được thiết kế với nhiều loại mặt cắt có kích thước khác nhau. Người ta dựa vào diện tích mặt cắt Std và khẩu độ sử dụng B của mặt cắt để phân loại thành các dạng đường hầm có khẩu độ lớn, vừa và nhỏ. Cụ thể: khẩu độ lớn Std > 60 m2 và B > 10 m; khẩu độ vừa Std = 16 ÷ 60 m2 và B = 4 ÷ 10 m; khẩu độ nhỏ Std < 16 m2 và B < 4 m. Đặc điểm của ĐHQS có khẩu độ vừa và nhỏ, có diện tích gương đào tương đối nhỏ và được thi công bằng phương pháp khoan nổ mìn.
Hộ chiếu gương khoan Hộ chiếu gương khoan là tài liệu cơ sở, hướng dẫn thực hiện thi công khoan nổ, trong đó bao gồm: hướng dẫn cách thức, quy trình tổ chức triển khai công việc, các thông số kỹ thuật, biện pháp an toàn, giải pháp thực hiện, thời gian, địa điểm và khối lượng thi công, vật liệu, vv. có sơ đồ và bản vẽ kèm theo [25]. Lỗ khoan trên gương đào của đường hầm là đối tượng làm việc của thiết bị khoan, do vậy việc khảo sát và phân tích đặc điểm của lỗ khoan rất cần thiết. Qua khảo sát, lỗ khoan trên gương đào của ĐHQS khẩu độ vừa và nhỏ thường có đường kính ≤ 52 mm, chiều sâu lỗ khoan L ≤ 2 m, gồm một số loại lỗ khoan như: loại lỗ luan an 7 khoan có đường tâm vuông góc với mặt gương (song song với trục hầm); loại lỗ khoan có đường tâm nghiêng so với bề mặt gương và trục hầm, góc nghiêng đường tâm của các lỗ viền gương so với trục hầm là h = 50 100, góc nghiêng của đường tâm các lỗ đột khẩu so với trục hầm là h = 12o 150.
Việc bố trí đúng các lỗ khoan khi đào hầm có ý nghĩa rất quan trọng vì diện tích gương đào là tương đối nhỏ và có hình dạng chu vi phức tạp, cần tạo biên đúng để khối lượng đất đá thừa là ít nhất, biên phải phẳng cả trên chu vi và theo dọc trục đường hầm (trên mặt phẳng gương đào). Đất đá phá ra không văng xa mà tập trung ngay gần gương đào và vụn nhỏ đều, nhằm nâng cao năng suất bốc dỡ đất đá. Gương tiết diện hình thang Gương tiết diện vòm Hình 1. Hộ chiếu gương hầm Để đảm bảo những yêu cầu nêu trên, trong thi công đường hầm có các dạng lỗ khoan: Lỗ khoan đột khẩu (lỗ moi); lỗ khoan phá; lỗ khoan viền; lỗ khoan trống; ngoài ra khi bố trí các lỗ khoan cần xét tới điều kiện sao cho khoan được thuận lợi và đơn giản nhất, các lỗ khoan ít nghiêng nhất [7].
Đối với các công trình công binh, ĐHQS thông dụng thường thi công có kích thước đường thông 2,8mx1,8m chính là đối tượng nghiên cứu của luận án (Hình 1.2) luan an 8 Z A B D C Y o Hình 1. Hộ chiếu gương hầm đường thông 2,8 x 1,8m 1. Quy trình thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ Một chu kỳ thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn bao gồm các công đoạn: khoan tạo lỗ đặt mìn, nổ mìn, hút khí độc, bốc xúc, gia cố vách, hoàn thiện hầm và đo đạc khảo sát (hình 1. Trong các công đoạn đó, công tác khoan nổ đóng một vai trò rất quan trọng, là khâu đầu tiên trong thi công đường hầm, quyết định lớn đến chất lượng, tiến độ thi công đường hầm.
Công việc đó phức tạp, yêu cầu cường độ làm việc cao, cần độ chính xác và tỷ mỉ vì nó quyết định đến độ chính xác của đường hầm, đến toàn bộ tiến độ và chất lượng thi công đường hầm. Vì vậy, khâu khoan lỗ nổ mìn gồm các thao tác vận hành và thiết bị khoan có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ và hiệu quả thi công đường hầm [29]. luan an 9 Hình 1. Các bước trong thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn 1 - Khoan tạo lỗ; 2- Nhồi thuốc nổ; 3- Nổ mìn; 4 - Hút khí độc; 5- Bốc xúc vật liệu nổ; 6- Sửa vách hầm; 7- Khoan lỗ neo khi cần; 8- Đo khảo sát.
Đặc điểm môi trường đất đá trong đường hầm quân sự 1. Đặc tính cơ lý của đất đá khoan nổ Theo tài liệu [2], sức cản của đất đá ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả khoan nổ, nó làm giảm năng suất, độ bền, tuổi thọ của thiết bị khoan và làm tăng giá thành thi công. Dựa vào tính chất cơ lý của đất đá trong các công trình ngầm, người ta phân chia đất đá theo nguồn gốc tạo thành và theo hệ số độ cứng f kp (còn gọi là độ kiên cố của đất đá). Nếu đất đá có độ bền nén là n 100 kG/cm2 (9,8.106 N/m2, Pa) thì có hệ số độ cứng fkp = 1 (với n 100 kG/cm2 còn gọi là độ bền nén đơn vị).
Do đó, mối quan hệ giữa hệ số độ cứng fkp và độ bền nén một trục được xác định: fkp n n (1.106 Trong đó: n - Độ bền nén khi nén 1 trục, kG/cm2; n - Độ bền nén khi nén 1 trục, N/m2 (Pa). Độ cứng của đá được phân cấp đá theo hệ số độ cứng và cường độ kháng nén [2]. Độ cứng và độ cản nhớt của đá Độ cứng và độ cản nhớt của đá là thông số đặc trưng cho khả năng chống lại quá trình phá hủy dưới tác dụng của ngoại lực. Các thông số này phụ thuộc vào cấu trúc cơ học của khối đá và chế độ tác động của ngoại lực, ứng với mỗi loại đá và chế độ ngoại lực sẽ xác định được giá trị cụ thể của độ cứng và độ cản nhớt tương đương [12].
Trong mô hình nghiên cứu của luận án, độ cứng và độ cản nhớt của đá đặc trưng cho liên kết giữa mũi tỳ của giá dẫn hướng tới vách gương khoan. Theo tài liệu [76] độ cứng cđ và độ cản nhớt kđ của đá được xác định từ phương trình Hsieh theo các công thức sau: f r2 f cd G.2) f1 f 2 a0 f1 f 2 Trong đó: G - mô đun đàn hồi trượt, (N/m2); f1, f2 - hàm dịch chuyển của Reissner, không thứ nguyên, tra theo tài liệu [74]; a0 - tần suất, không thứ nguyên; r là bán kính vùng tiếp xúc thực tế của lực ấn vào đá, (m); - khối lượng riêng của đá, (kg/m3). Hệ số độ cứng, độ cứng tương đương và độ cản nhớt của các loại đá [76] có giá trị như bảng 1. Độ cứng tương đương và độ cản nhớt các loại đá Độ cứng Độ cản nhớt Hệ số độ TT Loại đá tương đương kđ (N.s/m) cứng fkp cđ (N/m) 1 Đá granit, đá thạch anh,.105 2 Đá sa thạch, cát kết,.105 Đá vôi mềm, đất sét chặt, 3,89.
Đặc điểm của thiết bị khoan lỗ nổ mìn thi công đường hầm quân sự 1.