Bài giảng thiết kế đường hầm không bọc áo

5.TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM THEO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI
CHẤT LƯỢNG KHỐI ĐÁ
5.1. Tổng quát
* Việc gia cố vỏ hầm, chống đỡ khi thi công hầm phụ thuộc rất nhiều vào
chất lượng khối đá.
Nếu chất lượng khối đá rất tốt thì có thể thiết kế đường hầm không có lớp
lót (không bọc áo)
•Chất lượng khối đá phụ thuộc nhiều yếu tố ⇒ có nhiều cách đánh giá
(Terzaghi, Barton, Bieniawxki…)
* Phương pháp này được áp dụng nhiều ở phương Tây


5.TNH TON NG HM THEO H THNG PHN LOI
CHT LNG KHI
5.2. Phng phỏp ti trng cho trc (Terzaghi)
* Phõn loi khi ỏ (9 loi)
1). á tng và cứng: không có các khe nứt và các vết nứt nhỏ.
2). á cứng và phân tầng: gồm các địa tầng riêng lẻ có ít hoặc không có
vết nứt
3). á liên kết bỡnh thờng: có các khe nứt và vết nứt nhỏ, nhng các khối đá
liên kết chặt chẽ với nhau.
4 & 5). á khối có đờng ghép nối gồm các mnh vỡ, đá tng không hoàn
toàn liên kết với nhau.
6) á vụn nhng về phơng diện hóa học là đá tng có đặc điểm của đá đợc
tạo ra từ máy nghiền.
7&8) á bị nén ép là một quá trỡnh cơ học mà trong đó đá tiến chậm vào
phần hở của đờng hầm mà không trơng nở.
9). á trơng nở: đá nở thể tích, gây áp lực vào vỏ đờng hầm.


Sơ đồ tính toán theo Terzaghi

Ti trọng đá ớc tính theo tiêu chí Terzaghi



iều kiện đá

Tải trọng đá Hp

1. Cứng và nguyên vẹn
2. Cứng, phân tầng hoặc phân phiến
3. Nguyên khối, nứt vừa
4. Khối vừa và có mạch nối

Không
(0 - 0.5) B
(0 - 0.25) B
0.25B - 0.35 (B + Ht)

5. Khối rất lớn và có mạch nối

(0.35 - 1.10) (B + Hr)

6. Vỡ vụn hoàn toàn nhng nguyên vẹn về hoá tính
7. á bị ép, độ sâu trung bỡnh
8. á bị ép, độ sâu lớn
9. á trơng nở

1.10 (B + Ht)
(1.10 đến 2.10) (B + Ht)

(2.1 đến 4.50)(B+Ht)
ến 76m, không tính(B+Ht)


5.TNH TON NG HM THEO H THNG PHN LOI
CHT LNG KHI
5.3. Phng phỏp Bieniawski (RMR)
* RMR = I1 + I2 + I3 + I4 + I5 + I6
I1- Cờng độ của vật liệu đá nguyên vẹn
I2- Chất lợng nõn khoan (RQD)
I3- Bớc của các đứt đoạn (khe nứt)
I4- iều kiện của các đứt đoạn.
I5- iều kiện nớc ngầm.
I6- Thế nằm của khe nứt.
Bng giá trị của Ii: xem sách


5.TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM THEO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI
CHẤT LƯỢNG KHỐI ĐÁ
5.3. Phương pháp Bieniawski (RMR)
TrÞ sè RMR

Lo¹i khèi ®¸

81 - 100

rÊt tèt

61 - 80

tèt

41 - 60

trung bình

21 - 40

yÕu

< 21

rÊt yÕu


5.3. Phng phỏp Bieniawski (RMR)
* Hớng dẫn đào và gia cố đờng hầm đá khẩu độ 10m theo hệ thống RMR
Phân loại
khối đá

ào

Néo đá (đờng kính
20mm.phụt,
va toàn bộ)

Phun vẩy

Gia cố thép

I- Rất tốt
RMR: 81100

Toàn bộ gơng
Tiến 3m


II- tốt
RMR:
61 - 80

Toàn bộ gơng,tin
từ 1-1,5m, hoàn tất
gia cố đoạn 20m từ
gơng hầm.

Bu lông néo cục bộ dài
3m trên đỉnh, khong
cách 2,5m, thỉnh
thoáng có lới bo vệ

5 cm trên đỉnh
tại nhng nơi
cần thiết

Không

Hớng lên đỉnh và
giật cấp, tin từ
1,5-3,0m về phía

đỉnh. Gia cố sau
mỗi lần nổ mỡn.
Hoàn tất gia cố
đoạn 10m

Bu lông néo có hệ
thống dài 4m, khong
cách từ 1.5- 2m trên
đỉnh và
hai bên tờng với
lới bo vệ.

50- 100mm trên
đỉnh và 30mm
hai bên

Không


IIItrung bỡnh
RMR:
41-60

Thông thờng không cần gia cố ngoại trừ
phi dùng néo cục bộ


5.3. Phng phỏp Bieniawski (RMR)
* Hớng dẫn đào và gia cố đờng hầm đá khẩu độ 10m theo hệ thống RMR

ào

Néo đá (đờng kính
20mm.phụt,
va toàn bộ)

IV xấu
RMR:21-40

Hớng lên đỉnh và
giật cấp, tiến từ
1,0-1,5m về phía
đỉnh. Lắp gia cố
đồng thời với đào,
10m từ gơng hầm.

Bu lông néo có hệ
thống dài 4-5m,
khonh cách từ 11,5m trên đỉnh và hai
bên tờng với lới bo
vệ

10-15 cm trên
đỉnh và 10 cm
hai bên tờng.

Gân tng
cứng ít và
vừa với
khong cách

1,5m tại
nhng vị trí
cần thiết


V- rất xấu
RMR: < 20

ục nhiều chỗ,
tiến 0,5-1,5m, về
phía đỉnh. Lắp gia
cổ đồng thời với
đào. Phun vầy
ngay khi có thể
sau khi nổ mỡn.

Bu lông néo có hệ
thống dài 5-6m,
khong cách từ 11,5m trên đỉnh
và hai bên tờng với l
ới bo vệ. Bu lông
néo dới đáy.

15-20 cm trên
đỉnh và 15 cm
hai bên, và 5 cm
trên mặt đáy.

Gân tng
cứng vừa và

nhiều,
khong cách
0,75m, có
chèn hoặc cừ
thép nếu
cần. áy kín

Phân loại
khối đá

Phun vẩy

Gia cố thép


5.TNH TON NG HM THEO H THNG PHN LOI
CHT LNG KHI
5.4. Phng phỏp Barton (Q)

JW
RQD J r
Q=
ì
ì
Jn
J a SRF
RQD (%) là chỉ tiêu chất lợng đá, ly nhng thỏi nõn khoan có
chiều dài 10cm, cho điểm từ 10 đến 100
Jn: Số lợng hệ thống khe nứt (cho điểm từ 0.5 đến 20).
Jr: Chỉ số độ nhám của khe nứt (cho điểm từ 0.5 đến 4).

Ja: Chỉ số phong hoá khe nứt (cho điểm từ 0.05 đến 1).
Jw: Hệ số rút nớc khe nứt (cho điểm từ 0.05 đến 1).
SRF: Hệ số giảm ứng suất (cho điểm từ 0.5 đến 20).

* Các bảng cho điểm : đọc sách


5.TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM THEO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI
CHẤT LƯỢNG KHỐI ĐÁ
5.4. Phương pháp Barton (Q)
•

* Phân cấp đá theo trị số Q
Cấp

Chất lượng khối đá

Giá trị Q

A

Vô cùng tốt

400 - 1000

Cực kỳ tốt

100 - 400

Rất tốt

40 - 100

B

Tốt

10 - 40

C

Khá

4 - 10

D

Xấu

1-4

E

Rất xấu

0,1 - 1

F

Cực kỳ xấu

0,01 - 0,1

G

Vô cùng xấu

0,001 - 0,01


5.TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM THEO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI
CHẤT LƯỢNG KHỐI ĐÁ
5.4. Phương pháp Barton (Q)
•

* Thông số bổ sung: đường kính tương đương khi đào

DC =

D0
ESR

D0 : khẩu diện, đường kính hoặc chiều cao đào
ESR : tỷ lệ gia cố đào ~ tính chất khoang đào
Tính chất khoang đào

ESR

- Phần mở mỏ ngầm tạm

3,5

- Hầm dẫn nước thủy điện (trừ ống áp lực), hầm dẫn kiệt, đường
lò, gương lò để đào lớn
- Phòng kho, nhà máy xử lý nước, đường nhỏ, tháp điều áp, hầm
dẫn vào
- Nhà máy điện, đường chính, buồng lánh nạn, các nút giao thông
cửa hầm
- Nhà máy điện nguyên tử ngầm, ga xe lửa, công trình công cộng,
thể thao, công xưởng

1,6
1,3
1,0
0,8


5.4. Phương pháp Barton (Q)
• Khuyến cáo biện pháp gia cố ~ (Q,Dc)

* Giải thích các biện pháp gia
cố
1) Kh«ng gia cè
2) Neo rải r¸c, Sb
3) M¹ng líi neo, B
4) M¹ng líi neo vµ bª
t«ng phun kh«ng cã cèt thÐp
dµy 4-5cm, B(+S)
5) Bª t«ng phun trén sîi
thÐp vµ neo, dµy 5-9cm,

Sfr+B
6) Bª t«ng phun trén sîi
thÐp vµ neo, dµy 9-12cm,
Sfr+B
7) Bª t«ng phun trén sîi
thÐp vµ neo, dµy 12-15cm,
Sfr+B
8) Bª t«ng phun trén sîi
thÐp, dµy >15cm, DÇm thÐp
vµ neo, Sfr, RRS+B
9) Vỏ bê tông đúc, CCA


6. THIT K NG HM THU CễNG KHễNG BC O
6.1. Mt s c im ca ng hm thu cụng khụng bc ỏo
Mặt tiện lợi

Mặt bất tiện

- Chi phí thấp (rẻ hơn phơng án có áo
khong 35 đến 45%)

- Thông thờng thỡ chất lợng công trỡnh
thấp hơn

- Thi công nhanh

- Yêu cầu địa chất tốt

- Phần đào lẹm ít, không phi đổ bù

bê tông phần đào đá lẹm.

- Hệ số nhám lớn

- Tháp điều áp có thể làm nhỏ hơn

- Rủi ro về kỹ thuật cao hơn cho chủ đầu
t

- Tiết diện mặt cắt ngang hầm lớn hơn

- Chi phí bo dỡng cao hơn



- Yêu cầu có hố thu đá


6. THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM THUỶ CÔNG KHÔNG BỌC ÁO
6.2. Những khó khăn trong thi công
a). Các vấn đề do nước ngầm
- Đường hầm nông : ảnh hưởng của nước mưa
- Đường hầm sâu: ít chịu ảnh hưởng của nước mưa, nhưng áp lực
nước ngầm lớn, xử lý phức tạp
* Các biện pháp xử lý
- Gom nước và bơm nước thoát ra (thường dùng)
- Khoan phun vật liệu đặc biệt để ngăn nước ngầm chảy vào hầm
- Làm đông lạnh vùng có nước ngầm ⇒ đào hầm ⇒ đổ be tong
ngăn nước

6. THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM THUỶ CÔNG KHÔNG BỌC ÁO
6.2. Những khó khăn trong thi công
b) Các vấn đề do ứng suất
* Do ứng suất kéo
- Đá không nguyên khối ⇒ nứt nẻ ⇒ đá rơi
-Hầm có áp lực lớn : khe nứt làm tăng lượng mất nước
•Do ứng suất nén
- ứng suất nén lớn ⇒ phá hủy đá theo chiều song song với đường viền ⇒
đá nổ
- Biện pháp : cần gia cố đúng mức


6. THIT K NG HM THU CễNG KHễNG BC O
6.3. Ch thu lc trong ng hm khụng ỏo
a). Mt ct in hỡnh
* Hỡnh dng ti u
n = H/ R = 1
* Tớnh din tớch ti u: cn xột n o lm
A = 0,5
A tích đào lẹm (m2)
Với: - A = diện
A = diện tích lý thuyết (m2)
* Xét đến đào lẹm theo hai cách:
- Dùng diện tích lý thuyết và hệ số Manning tơng đơng
- Dùng diện tích mặt cắt có kể đào lẹm và hệ số Manning thực


6. THIT K NG HM THU CễNG KHễNG BC O
6.3. Ch thu lc trong ng hm khụng ỏo

b). Tớnh dũng cú ỏp
Tổn thất dọc đờng :
2

h1 =

Q
L
A
M 2R 4/3

-M =

1 : hệ số Manning,
- n : hệ sốnnhám.
- R: Bán kính thủy lực

c). Tớnh dũng không áp
Trờng hợp: khi tích nớc nó có thể cuốn theo các hạt bụi và vụn đá
Phơng pháp tính : nh cho kênh hở .


6. THIT K NG HM THU CễNG KHễNG BC O
6.3. Ch thu lc trong ng hm khụng ỏo
d). Vận chuyển bùn cát
Cần tính đờng kính giới hạn không xói của hạt cát dgh
* Chảy có áp
w
v2
dgh =

.
s w CA1/ 6
- x: Dung trọng bùn cát
- w: Dung trọng nớc
- A: Diện tích mặt cắt đờng hầm (m2)
- C: Hệ số, thay đổi trong khong 115-140, có thể lấy sơ bộ C = 130.

* Chy khụng ỏp

o
dgh =
( s w )C

- o: ứng suất cắt ở biên,
- C: là hệ số lấy bằng 0,05


6. THIT K NG HM THU CễNG KHễNG BC O
6.4. Thit k theo ỏp lc bờn ngoi

Phơng pháp: theo phân loại khối đá của Terzaghi,
Bienawski (RMR) & Barton (Q) chọn biện pháp gia cố
* u điểm: có thể điều chỉnh gia cố ngay tại hiện trờng
theo chất lợng thực của khối đá
6.5. Thit k theo ỏp lc bờn trong

a). Theo tính chịu nớc của đá
Các loại đá kém chịu nớc (dễ tan, dễ xói mòn, trơng nở...) gia cố
Bọc bê tông
Phun vẩy

6. THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM THUỶ CÔNG KHÔNG BỌC ÁO
6.5. Thiết kế theo áp lực bên trong
b) Cao trình mực nước ngầm
-MNN cao hơn đường đo áp: không bị rò nước, không cần xử lý
đặc biệt để chống rò
-MNN thấp hơn đường đo áp: có khả năng bị rò nước ra, cần xử lý
chống rò
c) Ứng suất tự nhiên của đá
-Ứng suất tự nhiên của đá phải đủ lớn để chống đứt gãy
thuỷ lực (do áp lực nước từ trong hầm)
-Khi không thoả mãn thì phải thiết kế lớp lót để kiểm soát
tổn thất nước


6. THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM THUỶ CÔNG KHÔNG BỌC ÁO
6.5. Thiết kế theo áp lực bên trong
* Kiểm tra theo “Tiªu chuÈn thiÕt kÕ Na Uy”:
γr⋅h⋅cosα > H⋅γw
γ r ⋅L⋅cosβ > H⋅γw
- L: Khỏang c¸ch ng¾n nhÊt tõ
mÆt ®Êt tíi ®iÓm tÝnh to¸n (m),

β

α


6. THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM THUỶ CÔNG KHÔNG BỌC ÁO

6.5. Thiết kế theo áp lực bên trong
* Kiểm tra theo Don Deere

h > ξ . H , ξ : hệ số
- Hầm có áo bê tông cốt thép: ξ = 0,8
- Hầm có áo bê tông không cốt thép: ξ = 1,3
Nhận xét : yêu cầu độ chôn sâu cao hơn so với PP Na uy
d). Gia cố chống thấm
- Trường hợp phải gia cố : đá có tính thấm nước lớn, MNN thấp hơn đường đo áp,
ứng suất tự nhiên không đủ lớn , dễ bị thấm mất nước
- Biện pháp : đổ bê tông, phun vẩy có côt thép, phun vữa gia cố, lớp lót thép


6. THIẾT KẾ ĐƯỜNG HẦM THUỶ CÔNG KHÔNG BỌC ÁO
6.6. Thiết kế hố thu đá
a). Vị trí đặt :
Phía trước đoạn ống có lớp lót thép
b). ThÓ tÝch hè
Kinh nghiệm của Nauy

¦ W= 0,01
Ω (m3)

Ω: diện tích bề mặt không bọc phía thượng lưu hố
Nếu có vật thải rời tồn tại: cần tăng W hố
c). Bố trí các bộ phận
* Lưới chắn đáy: tạo mặt phân cách hố với dòng chảy trong hầm. Kích thước ô
lưới: đủ lớn để đá lọt vào
•Phương án tháo nước khỏi hố (để bảo dưỡng):
-Tự chảy

-Dùng bơm