CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG 1.1 Tình hình xây dựng đường hầm thủy công ở Việt Nam. Vào những năm 700 trước công nguyên một đường hầm dẫn nước đã được xây dựng ở đảo Samosaite - Hy Lạp. Hầu hết các đường hầm cổ xưa được xây dựng trên nền đá cứng, có dạng vòm như các hang động tự nhiên, không cần vỏ chống đỡ. Thi công bằng công cụ thô sơ như xà beng, chòong và phương pháp nhiệt đơn giản: đốt nóng gương hầm, sau đó làm lạnh hầm bằng nước.
Vào cuối thời Trung Cổ phương pháp thi công đã được tiến bộ hơn bằng khoan tay và thuốc nổ. Việc phát minh ra thuốc nổ Dinamite (1866) cùng với việc áp dụng máy khoan đập xoay đã tạo nên bước ngoặt cho xây dựng công trình ngầm cũng như xây dựng các đường hầm thủy công. Vật liệu vỏ hầm chủ yếu là đá hộc vữa vôi hoặc vữa xi măng. Mãi đến những năm 70 của thế kỉ 20 bê tông mới trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng công trình ngầm.
Trên thế giới tính đến thập kỉ 70 những nhà máy thủy điện có đường hầm dẫn nước có thể kể đến hàng nghìn, chỉ tính riêng Liên Xô đã xây dựng hơn 30 nhà máy thủy điện. Tổng chiều dài các đường hầm thủy công đã xây dựng ở Liên Xô tính đến thời kì đó trên 170km. Ở Việt Nam, sự phát triển của thủy lợi, thủy điện đã thúc đẩy xây dựng đường hầm trong hơn một thập kỉ gần đây, đặc biệt là các công trình thủy điện. Đối với các khu vực miền núi có địa hình dốc hẹp, địa chất nền chủ yếu là đá gốc nên rất thuận lợi và hợp lý khi bố trí đường hầm dẫn nước trên tuyến năng lượng để tạo cột nước áp lực cao cho nhà máy.
Nhà máy thủy điện Hòa Bình được khởi công xây dựng 1979 khánh thành vào năm 1984 với 8 tổ máy, công suất 1920MW. Tổ hợp các công trình ngầm trong nhà máy lên tới 14200m hầm dẫn nước gồm 8 đường hầm với đường kính D=8m, 3 hầm xả nước tổ máy và hệ thống hầm thông gió, hầm cáp điện, hầm phục vụ thi công… Đến nay trên cả nước có rất nhiều các nhà máy thủy điện được xây dựng, trong số đó nhiều nhà máy thủy điện được nêu trong Bảng 1.1 đã sử dụng đường hầm làm đường hầmdẫn nước từ hồ chứa về nhà máy.1 Các nhà máy thủy điện đường dẫn. Địa điểm Công suất Chiều Đường kính TT Tên công trình xây dựng (MW) dài (Km) trong (m) 1 Yaly Gia Lai 720 2x3.0 2 Thượng Kom tum Komtum 250 18 2.6 3 Bản Vẽ Nghệ An 320 2x0.5 4 An Khê-KaNak Gia Lai 163 3.5 5 Cửa Đạt Thanh Hóa 90 2x0.0 6 Sông Tranh 2 Quảng Nam 190 1.5 7 Quảng Trị Quảng Trị 70 5.0 8 Sông Ba Hạ Phú Yên 220 2x1.5 9 Sêrêpok Đắk Lắk 220 2x0.0 10 ĐaMi Lâm Đồng 173 2.0 11 Thác Mơ Bình Phước 75 0.5 12 A Vương Quảng Nam 210 8.5 13 Buôn Kuốp Đắk Lắk 280 2x4.0 14 Huội Quảng Sơn La 540 4.5 15 Sông Bung 2 Quảng Nam 100 10 4.2 16 ZaHưng Quảng Nam 28 1.0 17 Đăk Mi1 Quảng Nam 250 10.0 18 Bắc Bình Bình Thuận 33 2.5 19 Hủa Na Nghệ An 180 4.0 21 Ngòi Phát Lào Cai 72 9.0 22 Mường Hum Lào Cai 32 2.6 … 6 Các công trình thùy lợi lớn ở nước ta cũng sử dụng đường hầm thủy công để dẫn nước về hạ lưu, công trình dẫn dòng như công trình thủy lợi Cửa Đạt- Thanh Hóa, dự án thủy lợi Ngàn Trươi- Hà Tĩnh (B=10m, dài L=240m).2 Các vấn đề gặp phải khi xây dựng đường hầm qua đoạn có địa chất xấu. Các đường hầm thủy công thường được đào xuyên qua núi, đi qua nhiều vùng địa chất khác nhau.
Địa chất công trình có ý nghĩa quan trọng quyết định đến việc chọn tuyến, vị trí đặt công trình và kết cấu của nó. Ngoài ra địa chất công trình còn quyết định tới biện pháp thi công, tiến độ thi công, giá thành công trình. Trong thực tế, công tác thăm dò, xác định địa chất của tuyến hầm không thể dọc theo cả tuyến đường hầm mà chỉ có tính chất điểm. Bên cạnh đó việc đánh giá các chỉ tiêu tính toán thiết kế chỉ dựa trên các nõn khoan được các nhà địa chất khoan từ trên đỉnh hầm xuống do đó việc xác định, đánh giá chính xác các khu vực có địa chất yếu gây bất lợi cho công trình là không đầy đủ.
Chính vì vậy trong quá trình thi công đào đường hầm có thể gặp phải địa chất xấu ở những vị trí được đánh giá dự báo trước và cả những vị trí không được dự báo trước. Những vùng có địa chất xấu chủ yếu là do đứt gãy kiến tạo gây nên, tùy theo loại đứt gãy mà chiều rộng đới phá hủy, mức độ phân vụn đá sẽ khác nhau. Chính đới phá hủy này sẽ là nguyên nhân gây mất ổn định về lún, sạt trượt, thấm cho công trình. Đứt gãy kiến tạo gây rủi ro cho đường hầm nhiều nhất và cũng gây tổn thất nhiều nhất, kể cả tính mạng của con người.
Do tiêu chuẩn khảo sát không yêu cầu phải xác định chính xác vị trí, hướng và quy mô của đứt gãy, vì vậy khi đào đường hầm đứt gãy có thể được bắt gặp một cách bất ngờ mà không có giải pháp đối phó trước, khi đó sẽ xảy ra sụt nóc đường hầm, các vụn đá cùng nước ập vào đường hầm đột ngột, công nhân không phản ứng kịp có thể bị vùi lấp. Sự cố sụt nóc đường hầm của công trình thủy điện Buôn Kuốp đã xảy ra như vậy và đã làm chết 2 công nhân, công trình thủy điện Đạ Dâng cũng đã làm 12 công nhân bị mắc kẹt. Hạng mục đường hầm của công trình thủy điện Văn Chấn, Bản Cốc, Hương Sơn. cũng đã gây chậm tiến độ, chi phí để xử lý đoạn đứt gãy là rất lớn… Phương pháp thi công đào hầm chủ yếu là bằng phương pháp khoan nổ, đối với đường hầm nằm trong vùng có địa chất xấu thì có thể sử dụng máy đào, khoan tay…Ở những 7 vị trí này khối đá yếu, đôi khi là đất (hầm thủy điện Văn Chấn- Yên Bái) thì khi thi công luôn đòi hỏi phải có biện pháp chống đỡ kịp thời, phương pháp chống đỡ tạm thời có ý nghĩa quyết định đến việc thành công của đào hầm.
Ngoài không gian thi công đào hạn chế, chỉ có mặt công tác là cửa vào và cửa ra thì phương pháp đào hầm qua vùng có địa chất xấu cần có những máy móc thiết bị chuyên nghiệp riêng như máy khoan, máy phụt vữa xi măng, máy đào, máy xúc…Việc liên hệ giữa gương đào với các xí nghiệp bên ngoài chỉ thông qua cửa hầm, quãng đường dài nên rất khó tăng thiết bị và nhân lực nên tiến độ thi công luôn bị kéo dài. Biện pháp thi công đào hầm qua vùng đất yếu thường khác với đào toàn tuyến, dẫn đến việc tổ chức thi công phải thay đổi về bố trí hiện trường, tiến độ, kế hoạch, quản lý kỹ thuật. Việc thi công qua đoạn có địa chất xấu thường được phân ra thành từng khu, nên trước khi tiến hành xử lý khu tiếp theo thì phải có thời gian chờ để địa chất khu đó ổn định nên sẽ mất nhiều thời gian. Đối với các công trình thủy điện thì tiến độ thi công đường hầm có liên hệ mật thiết với tiến độ thi công toàn hệ thống công trình thủy điện.
Việc thi công đường hầm phải được hoàn thành trước khi xây dựng xong công trình đầu mối để làm sao việc tích nước cho hồ chứa càng sớm càng tốt. Khi đó việc kéo dài thời gian thi công hầm do gặp phải địa chất xấu là một bất lợi lớn và ảnh hưởng đến toàn hệ thống công trình thủy điện.3 Các nghiên cứu tính toán kết cấu, biện pháp gia cố, thi công đường hầm.1 Các phương pháp thi công đào đường hầm. Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam có nhiều phương pháp thi công đào đường hầm khác nhau bao gồm: - Phương pháp khoan-nổ: sử dụng máy khoan để khoan các lỗ trên gương đào theo sơ đồ thiết kế, sau đó nạp thuốc và kích nổ để phá đá. Phương pháp này thích hợp khi đào hầm trong đá cứng.
- Phương pháp TBM (Tunnel Boring Machine): Chế tạo một máy đào hầm có dạng như một mũi khoan có kích thước tương đương đường kính gương đào. Phía trước dây chuyền là khiên đào, phía sau là các hệ thống thải vật liệu đào, chống đỡ vòm hầm, thi 8 công vòm hầm. Phương pháp này thích hợp khi thi công hầm có chiều dài lớn trong đất đá có độ cứng vừa phải. - Phương pháp đào trần: sử dụng máy đào để đào các hố móng hở, sau đó thi công phần kết cấu hầm rồi tiến hành đắp trả.
Đối với các hầm thủy điện thì ít sử dụng phương pháp này vì các đường hầm thủy điện thường nằm sâu trong núi đá. - Phương pháp đào bằng máy đào: áp dụng trong điều kiện địa chất mềm yếu. Sau khi gia cố địa tầng bằng nhiều phương pháp, sử dụng máy đào để đào hầm. Các phương pháp gia cố, chống đỡ tạm thời khi đào hầm gặp phải địa chất yếu.
Các phương pháp gia cố, chống đỡ tạm thời khi gặp địa chất yếu trong quá trình thi công nhằm nhanh chóng khống chế biến dạng, đưa khối đá về trạng thái ổn định ngay sau khi đào. Các biện pháp chống đỡ tạm có thể chia thành các dạng sau: 1.1 Gia cố dạng treo: Sử dụng các neo thép hướng kính kết hợp bê tông phun vảy. - Neo: Sử dụng các loại neo có phương vuông góc với với tim tuyến hầm nên thường gọi là neo hướng kính. Tác dụng của neo là để nâng cao ma sát giữa các lớp đá với nhau.
Khi hầm đi qua vùng địa chất có các lớp đá nằm ngang hoặc hơi nghiêng, nhóm neo này sẽ đi qua các lớp đá làm cho các lớp đá liên kết lại với nhau, tăng lực ma sát giữa các lớp đá. Bên cạnh đó neo còn có thể hạn chế biến dạng cho vùng đá xung quanh mặt cắt hầm, ngăn sự suy giảm cường độ của vùng đá này. Đối với các khe hở, khe nứt dưới tác dụng của thép neo các mặt nứt sẽ gắn kết lại với nhau như đá toàn khối, hình thành vùng gia cố. - Bê tông phun vảy: Bê tông phun vảy làm kết cấu chống đỡ hầm như một lớp da mỏng nhưng có tác dụng tăng cường sức chống đỡ.
Khoan cắm neo hướng kính kết hợp treo lưới thép và phun vảy bê tông là biện pháp truyền thống khi gia cố đường hầm.
