ĐỀ TÀI KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KỸ THUẬT KHI THI CÔNG XÂY DỰNG CÁC ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG SỬ DỤNG BIỆN PHÁP KHAI ĐÀO CHIA GƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

BỘ MÔN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KỸ THUẬT KHI THI
CÔNG XÂY DỰNG CÁC ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG SỬ
DỤNG BIỆN PHÁP KHAI ĐÀO CHIA GƯƠNG
Mã số: 07

Chủ nhiệm đề tài: Ts. Trần Tuấn Minh
Bộ môn: Xây dựng công trình ngầm và mỏ
Hà Nội, năm 2015
1


TÍNH CẤP THIẾT
Việc xây dựng các công trình ngầm phục vụ giao thông vận tải, các đường hầm
giao thông xuyên núi, hệ thống tầu điện ngầm đô thị ngày càng được quan tâm và
sử dụng nhiều hơn ở Việt Nam. Đặc biệt trong thời gian sắp tới hệ thống tầu
điện ngầm đô thị ở Hà Nội và Hồ Chí Minh sẽ được triển khai và chúng ta sẽ
phải xây dựng rất nhiều các hạng mục công trình ngầm như các đường hầm nối,
các gian hầm, các nhà ga ngầm có mặt cắt ngang lớn,...Một trong những biện
pháp được sử dụng nhiều khi thi công xây dựng các công trình ngầm có mặt cắt
ngang lớn nói chung và các đường hầm giao thông vận tải nói riêng là sử dụng
biện pháp khai đào chia gương để tăng tính ổn định của khối đá xung quanh các
đường hầm cũng như tốc độ khai đào đường hầm. Tuy nhiên, việc đánh giá hiệu
quả kỹ thuật, kinh tế của các biện pháp chia gương cũng như các sơ đồ chia
gương khi thi công các đường hầm giao thông hiện nay ở Việt Nam còn có những
hạn chế và ít được quan tâm. Chính vì vậy mà việc nghiên cứu, đánh giá hiệu

quả kinh tế kỹ thuật khi thi công đường hầm giao thông có tiết diện lớn bằng
biện pháp chia gương và thiết lập được những kiến nghị để tăng tốc độ khai đào
cũng như giảm chi phí khi khai đào xây dựng các đường hầm giao thông hiện nay
ở Việt Nam được xem là vấn đề cấp thiết và có ý nghĩa thực tế cao.
2


MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Xem xét và đánh giá hiệu quả kỹ thuật khi thi công các đường hầm giao thông vận
tải sử dụng biện pháp khai đào chia gương trong các lớp đất đá có hệ số độ kiên cố
f = 4 - 6.
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu: là các đường hầm giao thông vận tải sử dụng các biện
pháp khai đào chia gương trong các lớp đất đá có hệ số độ kiên cố f = 4 - 6.
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Phạm vi nghiên cứu: là các đường hầm giao thông vận tải tiết diện lớn sử dụng 2
sơ đồ khai đào chia gương là sơ đồ thi công hạ bậc và sơ đồ khai đào hầm dẫn từ
bên hông, còn các sơ đồ chia gương khác xin được nghiên cứu sâu ở giai đoạn tiếp
theo.

3


TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở
TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Vấn đề xây dựng công trình ngầm mặt cắt ngang lớn và các đường hầm giao thông khai đào chia
gương trong quá khứ đã có nhiều các tác giả quan tâm, có thể kể đến như là các tác giả tiếng nga
N.M. Pokrovski, V.M. Mostkov, V.P. Volkov, K.V. Rupeneyt, I.V. Baklashop, K.P. Bezrodni,
F.A. Belaenko, M.N. Belkin, B.A. Kaztoria, A.N. Pankratenko, V.E. Bolikov, A.V.
Pankratov,...các tác giả tiếng anh có thể kể đến như là: Hoek E, Brown E, Károly Széchy, Barton

N, Dimitrios Kolymbas, Brady Е, Bhawani Singh, Kovári, Nilsen B, Borch,.... Ở Việt Nam trong
lĩnh vực xây dựng công trình ngầm nói chung cũng như xây dựng các đường hầm giao thông nói
riêng cũng đã có những người nghiên cứu về vấn đề này có thể kể đến như: Gs.Ts. Nguyễn
Quang Phích, Gs.Ts. Võ Trọng Hùng, PGs.Ts. Nguyễn Xuân Mãn, PGs.Ts. Đào Văn Canh,
Gs.Ts. Nuyễn Đức Nguôn, Gs.Ts. Đỗ Như Tráng, PGs. Ts. Nghiêm Hữu Hạnh,...và các nhà khoa
học khác ở Việt Nam cũng đã và đang quan tâm đến vấn đề này.
Tuy nhiên, cho đến nay thì các tác giả nói trên thường giải quyết các bài toán trên cơ sở đất
đá đồng nhất đẳng hướng, ít quan tâm đến các yếu tố cấu trúc nứt nẻ của khối đá. Đặc biệt,
họ thường quan tâm để giải các bài toán bằng cơ học cũng như thi công khi đường hầm
được đào toàn tiết diện mà còn chưa hoặc ít chú ý tới biện pháp thi công các công trình
ngầm, có thì cũng ở mức độ rất hạn chế. Ngoài ra họ vẫn chưa chú ý đến việc tổng kết và
đánh giá ảnh hưởng của các sơ đồ khai đào khác nhau đến trạng thái ứng suất - biến dạng
xung quanh đường hầm với các sơ đồ chia gương khác nhau cũng như chưa có các nghiên
cứu hiệu quả, chưa đưa ra các đánh giá hiệu quả của các sơ đồ khai đào với các đường hầm
giao thông trong thực tế để từ đó có thể lựa chọn được sơ đồ khai đào tối ưu cũng như các
thông số thi công khác nhằm mục đích nâng cao tốc độ khai đào và sự ổn định của đường
4
hầm.


TỔNG QUAN CÔNG TÁC XÂY DỰNG CÁC ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG TRÊN THẾ GIỚI

Đường hầm qua eo biển Manc

Nhà ga tầu điện ngầm ở Nga

5


Xây dựng các đườn hầm sử dụng phương pháp khoan nổ mìn

Đường dẫn vào đến cửa hầm cho 3,7km đường hầm Tai Lam. Tai Lam bao
gồm 2 đường hầm chính, chiều rộng mỗi đường hầm là 15,5m và cao
10,5m, với chiều dài của hầm thông gió dài 950m giữa hai hầm chính.
6


Tổ hợp thể thao ngầm ôlympic Govick (Na Uy)

Kết cấu gara ô tô ngầm ở dưới quảng trường Cách Mạng ở thủ
đố Moscow bằng bê tông cốt thép

7


Ví dụ sơ đồ tổ hợp nhà máy thủy điện Kolumskoi (Liên Bang Nga)

1- đường hầm dẫn nước;
2 – đường hầm khiên đào;
3 – các đường hầm vận tải;
4 – các đường hầm dẫn tạm;
5 – các đường hầm áp lực;
6 – các đường lò thoát nước;
7 – gian máy;
8 – các đường ống áp lực;
9 – các máy biến áp;
10 – các giếng điều áp.

8

Ví dụ công trình ngầm bố trí ụ pháo 120mm và trạm ra đa trong lòng
núi phục vụ công tác quân sự
9


TỔNG QUAN CÔNG TÁC XÂY DỰNG CÁC ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG Ở VIỆT NAM
Hầm Hải Vân

Đường hầm Hải Vân giữa Thừa
Thiên Huế và Đà Nẵng hoàn
thành năm 2005, tổng chiều dài
6,435km; 2 đường hầm; 4 làn
xe, thi công sử dụng biện pháp
hạ bậc; 2 giếng gió; thi công
bằng khoan nổ mìn.

Giếng gió

Giữa Huế và Đà Nằng

10


Đường hầm Đèo Cả nằm giữa Phú Yên và Khánh Hòa được xây dựng từ 18-112012 theo phê duyệt, dự kiến hoàn thành 2015 với tổng chiều dài 3,9km, 2 đường
xe mỗi hầm 4 làn xe.

Có thể sử dụng biện pháp chia
gương hạ bậc

11


Hầm Đèo Ngang nối giữa Thanh Hóa và Ninh Bình đã hoàn thành năm
2006, tổng chiều dài 800m, B = 13m, H = 9m, cho 4 làn xe. Phương
pháp khai đào - sử dụng khoan nổ mìn.

12


Hầm đường bộ cao tốc - Đà Nẵng - Quang Ngãi.

13


Sơ đồ đường tầu điện ngầm Hà Nội và ga (Tuyến số 1)

14


CÁC SƠ ĐỒ THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG TIẾT DIỆN LỚN

- Phương pháp khai đào toàn gương;
- Phương pháp nóc tiến trước rồi hạ bậc;
- Phương pháp nhân đỡ

15


SƠ ĐỒ KHAI ĐÀO VỚI HẦM DẪN BÊN HÔNG

Sơ đồ 2

16


Các đường hầm dẫn bên hông và ở giữa đường hầm thiết kế
Hầm dẫn bên trái

Hầm dẫn
bên phải

Bậc dưới

Phần trung tâm

17


SƠ ĐỒ KHAI ĐÀO HẠ BẬC

18


SƠ ĐỒ THI CÔNG VỚI HẦM DẪN TRUNG TÂM

19


ỨNG SUẤ

SUẤT-BIẾ
BIẾN DẠ
DẠNG XUNG QUANH ĐƯỜ
ĐƯỜNG HẦ
HẦM KHAI ĐÀ
ĐÀO TOÀ
TOÀN GƯƠNG

Sơ đồ tính toán để xác định vùng gianh giới biến dạng (II) và vùng không biến dạng (D): R1 - khoảng cách
từ biên ranh giới vùng này; p - tải trọng; q - khả năng mang tải của kết cấu chống giữ; R2 - khoảng cách đến
biên ranh giới giữa các vùng; p - tải trọng; q - khả năng mang tải của kết cấu; R1 - bán kính đường hầm.
F.A. Belaenko đối với các bài toán đối xứng phương trình này có dạng như sau:
U(q) = U0 + U(q),
Trong đó:
U(р) - chuyển vị đá đá trên biên hầm đến thời điểm thiết lập cân bằng tĩnh của hệ “kết cấu chống-khối đá”, m;
U0 - chuyển vị ban đầu của đất đá trên biên hầm từ thời điểm khai đào đến thời điểm vòm kết cấu chống vào trạng
thái làm việc, m;
U(q)- chuyển vị ở biên ngoài kết cấu chống đến thời điểm thiết lập cân bằng tĩnh trong hệ “kết cấu chống-khối đá”.

Theo Kaztoria B.A thì các giá trị chuyển vị
được xác định là:
3 pq
U  (q ) 
R
2 E

U0 


3 p 

t 
f1   1   e q  f 2 R
2 E0 


1




3 2 p   n  2 p   n  
tq




U0 
R
f
f


1


e
 1 2
4 E0 1  



 (1   ) n 
1


2 p   n
3 2 p   n 
U  (q) 
R

4 E 1  
 (2q   n )(1   ) 

20


ỨNG SUẤ
SUẤT-BIẾ
BIẾN DẠ
DẠNG XUNG QUANH ĐƯỜ
ĐƯỜNG HẦ
HẦM KHAI ĐÀ
ĐÀO CHIA GƯƠNG

Sơ đồ để tính toán chuyển vị biên hầm
khi khai đào đường hầm 2 gương: R1 bán kính hầm dẫn trước; R2 - bán kính
hầm thiết kế; Rn - khoảng cách đến vùng
phân chia ranh giới (vùng biến dạng và
vùng không biến dạng) sau khi khai đào
đường hầm dẫn bán kính R1; U(q) chuyển vị biên hầm khi khai đào chúng
đến toàn tiết diện; U’(q) - chuyển vị biên

hầm khi khai đào gương làm 2 bước; UA chuyên vị biên hầm thiết kế sau khi xây
dựng hầm dẫn với bán kính R1.

Kaztoria B.A và
Pankratenko. A.N

Để xác định tải trọng lên kết cấu chống chúng ta cân bằng các chuyển vị cùng nhau, m trên
biên đất đá và biên kết cấu chống. Trong trường hợp này nó có dạng.
U(q) = UA + U0 + U(q)
3 pR12
UA 
4 E t ' R2


1,5 p

t 
U0 
f1 f 2 R2   1   e q 
Et ''



U  q  

1,5 p  q 2 
R2
E t ''
21

MÔ HÌNH PHÂN TÍ
TÍCH SỐ
SỐ 2 CHIỀ
CHIỀU CHO ĐƯỜ
ĐƯỜNG HẦ
HẦM

Bước 1

Bước 2

Khi khai đào toàn gương

Bước 1

Bước 2

Khi khai đào toàn gương

22


KẾT QUẢ
QUẢ ĐÁ
ĐÁNH GIÁ
GIÁ 2 SƠ ĐỒ
ĐỒ THI CÔNG CHIA GƯƠNG VÀ
VÀ TOÀ
TOÀN GƯƠNG

a) Khi chia gương

b) Đào toàn gương
So sánh kết quả có thể thấy rằng ứng suất thẳng đứng đào toàn gương có thể lớn hơn
khi khai đào chia gương 1,25 lần.

a) Khi chia gương
b) Đào toàn gương
Cụ thể khi đào toàn gương ứng suất trên nóc hầm có giá trị 1,25MPa còn khi
khai đào chia gương hạ bậc thì tại vị trí này giá trị ứng suất là 1,00MPa

23


MÔ HÌNH PHÂN TÍ
TÍCH SỐ
SỐ 3 CHIỀ
CHIỀU CHO ĐƯỜ
ĐƯỜNG HẦ
HẦM BẰ
BẰNG PLAXIS 3D KHI THAY ĐỔ
ĐỔI SƠ ĐỒ
ĐỒ ĐÀ
ĐÀO

24


KHAI ĐÀO ĐƯỜNG HẦM CHIA GƯƠNG

KHI KHAI ĐÀO CHIA GƯƠNG HẠ BẬC

So sánh kết quả điển hình cơ bản trong hình có thể thấy rằng khi khai đào đường hầm trên bằng sơ đồ hạ
bậc thì tổng biến dạng lớn nhất trên nóc hầm thu được là 841,56.10-6m còn cũng đường hầm trên đào bằng
sơ đồ toàn gương 1,08.10-3m. Như vậy có thể thấy rằng về mặt kỹ thuật khai đào đường hầm trên bằng sơ
đồ hạ bậc thì đào chia gương tốt hơn so với đào toàn gương, giảm ảnh hưởng tác động xấu đối với khối đá
so với khai đào toàn gương.
25