NGHIÊN CỨU NHỮNG RỦI RO TRONG QUÁ TRÌNH ĐÀO HẦM QUA VÙNG ĐẤT ĐÁ BỊ VÒ NÁT VÀ CÁC BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU SỰ CỐ .

B GIO DC V O TO

B NễNG NGHIP V PTNT

TRNG I HC THU LI

NGễ CH TRUNG

Nghiên cứu những rủi ro trong quá trình đào
hầm qua vùng đất đá bị vò nát và các biện pháp
giảm thiểu sự cố
Chuyờn ngnh: Xõy dng cụng trỡnh thy
Mó s: 60 - 58 - 40

LUN VN THC S
Ngi hng dn khoa hc:
GS.TS V Trng Hng

H Ni 2011



B GIO DC V O TO

B NễNG NGHIP V PTNT

TRNG I HC THU LI

NGễ CH TRUNG

Nghiên cứu những rủi ro trong quá trình đào

hầm qua vùng đất đá bị vò nát và các biện pháp
giảm thiểu sự cố

LUN VN THC S

H Ni - 2011


Luận văn thạc sĩ

-1-

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................ 1
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ ……………………………………………………..4
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................... 6
PHẦN MỞ ĐẦU................................................................................................................... 7
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .................................................................................. 7
2. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI .................................................................. 8
2.1 Mục đích. ................................................................................................................. 8
2.2 Nhiệm vụ .................................................................................................................. 8
3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................. 8
3.1 Cách tiếp cận ........................................................................................................... 8
3.2 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 8
3.3 Kết quả dự kiến đạt được ......................................................................................... 8
CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐẤT ĐÁ BỊ VÒ NÁT VÀ NHỮNG ẢNH HƯỞNG
ĐẾN QUÁ TRÌNH ĐÀO HẦM .......................................................................................... 9
1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ ........................................................... 9
1.1.1 Mục đích, yêu cầu phân loại đất đá. ..................................................................... 9
1.1.2 Đặc điểm của đất đá bị vò nát ............................................................................................. 9

1.2 CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT ĐÁ VÒ NÁT ĐỐI VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐÀO HẦM ..... 16
1.2.1 Khái quát chung về đường hầm nghiên cứu ....................................................... 18
1.2.2 Điều kiện địa chất trong khu vực và những vấn đề trong quá trình đào hầm và
cách bố trí mặt bằng. ................................................................................................... 18
1.2.3. Những hoạt động kiến tạo của vỏ đường hầm. .................................................. 23
1.3 NHỮNG GIẢI PHÁP THƯỜNG ÁP DỤNG KHI THI CÔNG QUA VÙNG ĐẤT ĐÁ
VÒ NÁT ........................................................................................................................... 25
1.3.1 Khoan phun gia cố lớp đá vò nát gần mặt đất trước khi đào (gia cố trước). .... 26
1.3.2 Sử dụng phun vữa bê tông kết hợp neo để giữ ổn định vách hầm (gia cố trong
khi đào). ....................................................................................................................... 26
1.3.3 Phụt vữa tạo tường bê tông để làm phản áp khi phụt vữa ngăn dòng thấm có áp
lực cao (Khoan phụt trước khi đào)............................................................................. 27
1.3.4 Phụt vữa gia cường khối đất trong lớp đứt gãy chống hiện tượng bục nóc sinh
ống khói (phụt vữa trước khi đào) ............................................................................... 27
1.4 KẾT LUẬN ................................................................................................................ 27

Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sĩ

-2-

CHƯƠNG 2 : NHỮNG RỦI RO THƯỜNG GẶP TRONG VIỆC ĐÀO HẦM QUA
VÙNG ĐẤT ĐÁ BỊ VÒ NÁT ............................................................................................ 28
2.1 CÁC DẠNG RỦI RO THƯỜNG GẶP. ..................................................................... 28
2.1.1 Sự ngập đột ngột trong đường hầm .................................................................... 28
2.1.2 Sự hình thành lỗ thủng dạng ống khói ................................................................ 28
2.1.3 Những rủi ro về môi trường do chất độc, khí nổ và gradien về nhiệt................. 28
2.2 SỰ CỐ SẬP NÓC VÀ VÁCH HẦM. ......................................................................... 29

2.2.1 Heathrow Express Link, Anh, 1994 .................................................................... 29
2.2.2 Vành Trude của tàu điện ngầm thành phố Munich, Đức, 1994.......................... 30
2.2.3 Tàu điện ngầm tại Đài Bắc, Đài loan, 1994/1995 .............................................. 31
2.3 SỰ CỐ BỤC ĐƯỜNG HẦM. .................................................................................... 32
2.3.1 Tàu điện ngầm ở Taegu, Hàn Quốc, 2000 .......................................................... 32
2.3.2 Tàu điện ngầm Thượng Hải (Shanghai), Trung Quốc, 2003 .............................. 33
2.3.3 Sạt lở vách hầm tại lý trình K0+35 Hầm số 1 - thủy điện Buôn Kuốp .............. 34
2.3.4 Sạt sụt tại lý trình K0+40 Hầm số 1 - thủy điện Buôn Kuốp ............................. 35
2.3.5 Sạt sụt tại lý trình K5+58 Hầm số 1 - thủy điện Buôn Kuốp ............................. 36
2.4 SỰ CỐ NƯỚC TRÀN VÀO HẦM. ........................................................................... 37
2.4.1 Đường hầm thoát nước tại Hull, Anh, 1999 ....................................................... 37
2.4.2 Tuyến đường MTRC Tseung-Kwan-O, Hong Kong, 2001 .................................. 38
2.5. SỰ CỐ SẠT GƯƠNG HẦM. .................................................................................... 39
2.5.1 Sạt sụt tại lý trình K0+05 Hầm số 2 - Thủy điện Buôn Kuốp. ........................... 39
2.5.2 Sạt sụt tại cửa hầm phía Nam dự án hầm đường bộ Hải Vân. ........................... 40
2.6 KẾT LUẬN. ............................................................................................................... 40
CHƯƠNG 3: CÁC BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU SỰ CỐ KHI ĐÀO HẦM QUA
VÙNG ĐẤT ĐÁ BỊ VÒ NÁT ............................................................................................ 42
3.1 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MỨC ĐỘ QUÁ TẢI VÀ GIẢI PHÁP DỰ KIẾN XỬ
LÝ. ................................................................................................................................... 42
3.1.1. Dự báo mức độ đất đá quá tải (Tunnelling in weak rock - Bahwanasigh and
Rejnisk K.Goel - 2006, India) ...................................................................................... 42
3.1.2 Các giải pháp để dự kiến khắc phục khi có sự cố đường hầm ........................... 43
3.1.3 Các giải pháp đề phòng khi bị khí độc, tăng nhiệt độ, nổ trong hầm ................. 46
3.2. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐÀO ........................................................................ 47
3.2.1 Đào hầm bằng phương pháp NATM ................................................................... 47

Học viên: Ngô Chí Trung

Luận văn thạc sĩ

-3-

3.2.2 Phương pháp gia cố trước .................................................................................. 48
3.2.3 Phương pháp đào kết hợp với biện pháp chống đỡ tạm ..................................... 53
3.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĐỠ ............................................................. 55
3.3.1 Phương pháp chống đỡ bằng neo ....................................................................... 55
3.3.2 Phương pháp chống đỡ bằng khoan phụt ........................................................... 60
3.3.3 Phương pháp chống đỡ bằng phun bê tông ........................................................ 63
3.3.4. Phương pháp tiêu nước hạ mực nước ngầm ...................................................... 65
3.4. KẾT LUẬN ............................................................................................................... 67
CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG VÀO THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM THỦY ĐIỆN BUÔN
KUỐP - ĐĂK LĂK ............................................................................................................ 68
4.1 MÔ TẢ DỰ ÁN THỦY ĐIỆN - ĐƯỜNG HẦM CỦA THỦY ĐIỆN ........................ 68
4.1.1 Giới thiệu dự án thủy điện Buôn Kuốp ............................................................... 68
4.1.2 Mô tả 2 đường hầm của thủy điện Buôn Kuốp ................................................... 71
4.2 BIỆN PHÁP THI CÔNG VÀ CHỐNG ĐỠ TRONG VIỆC THI CÔNG ĐƯỜNG
HẦM DẪN NƯỚC VÀO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN BUÔN KUỐP ............................... 74
4.2.1 Đoạn địa chất đất đá bị vò nát ........................................................................... 74
4.2.2 Đoạn địa chất đất đá bị đứt gẫy ......................................................................... 80
4.2.3 Đoạn địa chất đất đá bị đứt gẫy ......................................................................... 81
4.2.4 Đoạn địa chất đá cứng........................................................................................ 81
4.3. KẾT LUẬN ............................................................................................................... 82
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 83
5.1 KẾT LUẬN ................................................................................................................ 83
5.2 KIẾN NGHỊ ............................................................................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 85

Học viên: Ngô Chí Trung

Luận văn thạc sĩ

-4-

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Hệ thống phân loại đất đá về mặt địa chất theo F.P Xavarenski,
V.Đ.Loomtađze sửa đổi, và bổ xung.
Bảng 1.2 Hệ thống phân loại đất đá theo M.M Protodiakonop
Bảng 1.3 Các chuỗi kiến tạo từ Bắc đến Nam của đường hầm nghiên cứu
Bảng 1.4 Các thành tạo của đường hầm giữa Ichari - Khodri
Bảng 2.1 Tổng hợp thông tin sau sự cố của đường hầm thủy điện Buôn Kuốp
Bảng 3.1 Phân loại sự cố và biện pháp khắc phục sự kiến
Bảng 3.2 Phạm vi áp dụng các phương pháp gia cố hóa
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ lún, trượt theo Peck (1969)
Hình 1.2 Sơ đồ mặt trượt, tính áp lực đất đá theo Protodiakonop
Hình 1.3 Mô tả địa chất đứt gẫy có thể sinh ra bục nóc dạng ống khói
Hình 1.4 Mặt bằng khu vực đường hầm nghiên cứu
Hình 1.5 Bản đồ phần bị bục của đường hầm
Hình 2.1 Sự cố sập tầu điện ngầm tại Munich 1994
Hình 2.2. Sụt lún mặt đất tại Taegu, Hàn Quốc gây nứt vỡ các tòa nhà, thậm
chí sập cả một đoạn phố
Hình 2.3 Phá sập nhà sau khi xẩy ra sự cố trong đường hầm trên tuyến tàu
điện ngầm số 4 ở Thượng Hải
Hình 2.4 Khối sạt tại lý trình K0+35 hầm số 1- Thủy điện Buôn Kuốp
Hình 2.5 Đá đổ vào trong hầm tại K0+40 và phễu lún trên mặt cơ 430
Hình 2.6 Đá bị vò nhàu tại mặt gường và đá vỡ vụn sạt từ đỉnh hầm
Hình 2.7 Sụt lún mặt đất và giếng thi công tại đường hầm thoát nước ở Hull

Hình 2.8 Miệng hố sụt trên mặt đất tự nhiên
Hình 2.9 Sạt trượt tại K0+05 - hầm số 2 Thủy điện Buôn Kuốp
Hình 3.1 Thi công hầm theo phương pháp NATM
Hình 3.2 Sơ đồ minh họa bố trí neo lớp 1 quanh hầm với n=11

Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sĩ

-5-

Hình 3.3 Sơ đồ minh họa bố trí neo lớp 2 quanh hầm với n=10
Hình 4.1 Vị trí ba thủy điện lớn đang triển khai
Hình 4.2 Toàn cảnh thủy điện Buôn Kuốp.
Hình 4.3 Đập tràn và van cung của thủy điện Buôn Kuốp
Hình 4.4 Lắp đặt thiết bị nhà máy thủy điện Buôn Kuốp
Hình 4.5 Quá trình thi công đường hầm số 1
Hình 4.6 Quá trình đổ bê tông vỏ hầm
Hình 4.7 Hai tháp điều áp của thủy điện Buôn Kuốp
Hình 4.8 Ván khuôn đổ bê tông vỏ hầm
Hình 4.9 Mô tả gia cố lưới thép, cắm neo và hệ thống khung chống đỡ
Hình 4.10 Sơ đồ minh họa bố trí neo lớp 1; n=6
Hình 4.11 Sơ đồ bố trí neo lớp 1; n=6

Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sĩ

-6-

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới
các thầy cô giáo dạy và làm việc trong Trường Đại Học Thuỷ Lợi đã tận tâm giảng
dạy, truyền đạt kiến thức và tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả được học tập,
trau dồi kiến thức, đạo đức trong suốt 5 năm học tại trường cũng như thời gian học
cao học để tác giả có được ngày hôm nay.
Tác giả cũng xin được chân thành cảm ơn GS.TS VŨ TRỌNG HỒNG mặc dù
tuổi đã cao nhưng vẫn tận tình hướng dẫn và chỉ bảo tác giả trong suốt quá trình thực
tập và làm luận văn tốt nghiệp, giúp tác giả hoàn thành tốt Luận văn tốt nghiệp này.
Tác giả cũng xin được chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Công
Trình, đặc biệt là các thầy cô giáo trong bộ môn Thuỷ Công, Thi công, các bạn
trong cùng nhóm được GS.TS VŨ TRỌNG HỒNG hướng dẫn luận văn tốt nghiệp,
các bạn trong cùng lớp CH17C2, cùng toàn thể các bạn học viên khóa CH17 những
người đã tận tâm giúp tác giả trong quá trình làm luận văn.
Tác giả cũng xin được chân thành cảm ơn đến các cơ quan đơn vị và các cá
nhân đã truyền đạt kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố cũng như sự giúp
đỡ, tạo điều kiện thuận lợi của lãnh đạo Vụ Kế hoạch - Tài chính, lãnh đạo Bộ Tư
pháp, cơ quan công tác của tác giả cho tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu vừa
qua.
Cuối cùng tác giả xin được cảm ơn sự động viên khích lệ của gia đình, sự
quan tâm chăm sóc của mọi người xung quanh, đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tác
giả trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp để tác giả có thêm nhiều niềm tin và
nghị lực để hoàn thành tốt nhiệm vụ luận văn được giao.
Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những
thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy
cô giáo, của các quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp.
Luận văn " Nghiên cứu những rủi ro trong quá trình đào hầm qua vùng đất
đá bị vò nát và các biện pháp giảm thiểu sự cố ” được hoàn thành tại Khoa Công

trình, Trường Đại học Thủy lợi.
Đại học Thủy Lợi, Tháng 3 năm 2011
Tác giả

Ngô Chí Trung
Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sĩ

-7-

PHẦN MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Đất nước ta đang trong thời kỳ phát triển mạnh mẽ, việc xây dựng các công
trình nói chung và công trình thủy lợi, thủy điện nói riêng để phục vụ cho nhu cầu
thực tiễn là rất lớn. Tuy nhiên thì việc xây dựng các công trình luôn gặp phải những
khó khăn nhất định đặc biệt là đối với các công trình ngầm, không phải lúc nào ta
cũng chọn được vùng địa hình, địa chất tốt để xây dựng bởi nhiều lý do khác nhau
do vậy đôi khi các công trình phải đặt ở những vùng có địa chất yếu, đặc biệt là với
các công trình đường hầm.
Trong quá trình thi công xây dựng đường hầm thủy lợi, thuỷ điện thì thường
phải đào qua các tầng địa chất khác nhau, đặc biệt là khi qua vùng đất đá bị vò nát
luôn gắn liền với nguy cơ xảy ra các sự cố dẫn tới thiệt hại về người, làm chậm tiến
độ thi công và tăng giá thành công trình. Vì vậy các biện pháp xử lý khi gặp vùng
đất đá bị vò nát trong việc thi công công trình hầm là một vấn đề cấp bách, cần phải
được nghiên cứu về những rủi ro có thể xẩy ra trong quá trình thi công.
Trong những năm gần đây, các công nghệ thi công đường hầm đã có những
phát triển vượt bậc, đã có nhiều phương pháp đào hầm tiên tiến và những giải pháp
chống đỡ rất hiệu quả và luôn hướng tới làm sao giảm tối đa các tổn thất về người

và của, rút ngắn thời gian, giá thành thi công tuy nhiên thì việc thi công các công
trình đường hầm thủy lợi, thủy điện qua vùng đất đá bị vò nát vẫn tiềm ẩn nhiều rủi
ro, mặc dù được các nhà khoa học cũng như các đơn vị thi công tập trung nghiên
cứu nhưng vẫn còn nhiều điểm chưa hoàn chỉnh dẫn đến việc thi công vẫn còn
nhiều khó khăn.
Vì vậy đề tài "Nghiên cứu những rủi ro trong quá trình đào hầm qua vùng
đất đá bị vò nát và các biện pháp giảm thiểu sự cố” là hết sức cần thiết và có ý
nghĩa thực tiễn trong giai đoạn hiện nay.

Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sĩ

-8-

2. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
2.1 Mục đích.
Nghiên cứu các đặc điểm của đất đá bị vò nát và các biện pháp đào, chống
đỡ trong quá trình đào hầm.
2.2 Nhiệm vụ
Xây dựng các biện pháp để giảm thiểu các sự cố khi đào hầm qua vùng đất
đá bị vò nát.

3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Cách tiếp cận
Nghiên cứu thông qua việc thu thập các tài liệu có liên quan tới đề tài như :
Các giáo trình về địa kỹ thuật, các giáo trình về thiết kế và thi công hầm thủy công,
hầm giao thông…. khi đi qua vùng đất yếu, Các bài giảng về xây dựng các công
trình ngầm đồng thời tham khảo các tài liệu chuyên ngành trong nước và nước

ngoài, trên báo và mạng internet....
3.2 Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên lý thuyết về tính chất của đất yếu và qua các tài liệu thực tế về đào
hầm qua vùng đất đá bị vò nát để nghiên cứu biện pháp đào và chống đỡ nhằm giảm
thiểu các rủi ro.
3.3 Kết quả dự kiến đạt được
Xây dựng biện pháp đào và chống đỡ khi thi công đào hầm qua vùng đất đá
bị vò nát và Áp dụng vào đường hầm thủy điện Buôn Kuốp, tỉnh Đăk Lăk.

Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sĩ

-9-

CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐẤT ĐÁ BỊ VÒ NÁT VÀ
NHỮNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH ĐÀO HẦM
1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ
1.1.1 Mục đích, yêu cầu phân loại đất đá.
Đất đá trong tự nhiên rất đa dạng, rất khác nhau về nguồn gốc, thành phần,
cấu trúc và tính chất. Không thể nghiên cứu tính chất của đất đá nếu không tiến
hành phân loại chúng. Phân loại là một nhánh cơ bản của bất kỳ một môn khoa học
tự nhiên nào, là giai đoạn đầu tiên và quan trọng của việc khái quát hóa, thể hiện
mức độ nghiên cứu của môn khoa học theo một quan điểm nhất định. Vì vậy, phân
loại mang tính lý thuyết sâu sắc. Việc phân loại đất đá trong địa chất công trình là
một phương tiện và phương pháp nhận thức chúng. Mục đích của phân loại nhằm:
a. Phân chia toàn bộ đất đá trong tự nhiên thành từng nhóm khác biệt nhau về đặc
tính địa chất công trình của chúng, để khi dùng bảng phân loại có thể đánh giá sơ bộ
đặc tính xây dựng của chúng.

b. Lập các bản đồ, các mặt cắt và sơ đồ địa chất công trình.
c. Xác định các thành phần, khối lượng, phương pháp và phương hướng nghiên cứu
đất đá về mặt địa chất công trình.
d. Lựa chọn phương pháp cải tạo đất đá.
Tuỳ theo mục đích yêu cầu phân loại, có thể chia làm hai loại: phân loại theo
nguồn gốc hình thành như đá Macma, đá trầm tích, đá biến chất hoặc phân loại theo
mục đích xây dựng như đá cứng, đá nửa cứng, cát, sét v.v….Việc phân loại chi tiết
ta có thể tìm thấy ở rất nhiều sách về địa chất và trong nhiều luận văn đã đề cập đến,
Trong phạm vị nghiên cứu của luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu về đất đá
bị vò nát do vậy nên tác giả chỉ phân tích sự khác biệt về tính chất của đất đá khi bị
vò nát để từ đó có thể phân biệt được đất đá bị vò nát với các loại đất đá khác.
1.1.2 Đặc điểm của đất đá bị vò nát
1.1.2.1 Định nghĩa về sự vò nát đá [14]

Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sĩ

- 10 -

Theo tiểu ban nghiên cứu về đá vò nát thuộc Hội cơ học đá thế giới (ISRM)
đã đưa ra định nghĩa như sau (Barla, 1995) “Sự vò nát đất đá là sự biến dạng qui mô
lớn theo thời gian, xuất hiện xung quanh một hầm và những khối đào ngầm khác, có
sự kết hợp chủ yếu với hiện tượng trượt (từ biến) bởi ứng suất sinh ra vượt quá
cường độ chịu cắt (giới hạn ứng suất cắt). Sự biến dạng này có thể kết thúc trong
giai đoạn xây dựng hoặc còn tiếp tục qua một thời gian dài.
1.1.2.2 Đặc điểm của quá trình vò nát đất đá
- Sự vò nát có thể xuất hiện trong cả đá và đất và kéo dài tương tự như sự kết
hợp đặc biệt của việc sinh ra các ứng suất và các tính chất của vật liệu dồn vào một

số vùng nào đó xung quanh hầm kéo dài tới giới hạn của ứng suất cắt mà tại đó hiện
tượng từ biến bắt dầu.
- Qui mô của sự tập trung vào hầm kết hợp với hiện tượng vò nát, tốc độ biến
dạng và mở rộng của vùng chịu uốn xung quanh hầm là tuỳ thuộc vào những điều
kiện của địa chất, những ứng suất ở thực địa có quan hệ với cường độ khối đá, dòng
nước ngầm, áp lực kẽ rỗng và các chỉ tiêu của đá.
- Sự vò nát những khối đá có thể xuất hiện như vò nát đá nguyên khối, cũng
như vò nát những đoạn đá bị đứt được lấp đày chất nhét hoặc dọc theo những mặt
phân lớp và phân phiến, những vết nứt và những đứt gãy.
- Sự vò nát là đồng nghĩa với sự vượt ứng suất và không bao gồm những biến
dạng do hiện tượng trùng ứng suất như có thể xuất hiện ở nóc hầm ở những vách hầm
trong những khối đá có khe nứt. Hiện tượng đá nổ không thuộc về vò nát.
- Sự chuyển vị theo thời gian xung quanh hầm với qui mô tương tự như trong
hiện tượng vò nát khối đá, cũng có thể xuất hiện trong đá dễ bị trương nở. Trong lúc
trương nở luôn chứa đựng sự tăng khối lượng do thâm nhập không khí và độ ẩm
vào trong đá, sự vò nát không có hiện tượng đó, ngoại trừ đối với loại đá biểu lộ
một sự ứng xử có tính giãn nở. Tuy nhiên, cần ghi nhận rằng, trong một số trường
hợp sự vò nát có thể kết hợp với sự trương nở.

Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sĩ

- 11 -

- Sự vò nát có quan hệ chặt chẽ đối với công đoạn đào, kỹ thuật chống đỡ và
chuỗi công việc được chấp nhận trong đào hầm. Nếu việc đặt kết cấu chống đỡ bị
chậm, khối đá dịch chuyển vào trong hầm và sự phân bố lại ứng suất sẽ xảy ra xung
quanh hầm. Ngược lại, nếu sự biến dạng của đá bị chặn lại, sự vò nát sẽ dẫn đến sự

chất tải một thời gian dài lên kết cấu chống đỡ.
Đã có một sự so sánh giữa hiện tượng vò nát và trương nở được Jethwa
(1981) và Dhar (1996) tiến hành nhưng trong khuôn khổ luận văn này chúng ta
không cần đề cập đến.
Tóm lại bất kể loại đá nào cũng có thể bị vò nát nếu trong quá trình đào và
chống đỡ để phát sinh ứng suất trong khối đá xung quanh khối đào
Sau đây, tác giả xin đưa ra tính chất của một số loại đá chủ yếu hay gặp trong
quá trình đào hầm để từ đó ta thấy được sự khác biệt với đất đá bị vò nát.

Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sỹ

Bảng 1.1 Hệ thống phân loại đất đá về mặt địa chất theo F.P Xavarenski, V.Đ.Loomtađze sửa đổi, và bổ xung.
TÍNH CHẤT VẬT LÝ
Nhóm

Tính chất Vật lý

Tính chất đối với nước

Độ chặt cao (2,65-3,1 Không chứa ẩm, thực tế không bị
g/cm3)

I
Đá cứng

Độ

rỗng hòa tan, chỉ thấm nước theo các khe

không đáng kể chỉ nứt. Hệ số thấm không vượt quá
khoangr mấy % và ít 10m/ngày.đêm, lượng hấp phụ
khi lớn hơn

Độ chặt vừa (2,2-2,65
g/cm3) Độ rỗng tới

II
Đá nửa
cứng

10-15%, ở một số
loại thì cao hơn, độ
rỗng thay đổi trong
phạm vi rộng

Học viên: Ngô Chí Trung

nước đơn vị khoảng 5 l/phút

Chứa ẩm ít, Độ ngậm nước thay đổi
tùy theo độ khe nứt và đọ phong
hóa, hệ số thấm thay đổi từ 0,530m/ng.đ (lượng ngậm nước tới 15
l/ph) ở loại ngấm nước ít và vừa, và
lớn hơn 30m/ng.đ (lượng ngậm
nước tới 15 l/ph) ở loại thấm nước

Tính chất cơ học

Độ bền và độ đàn hồi cao. Sức chống nén bằng 500-4000 kg/cm2, sức
chống cắt đứt khoảng 200-1000kg/cm2, Sức chống tách vỡ bằng 20150kg/cm2. Không bị nén lún, ổn định ở mái dốc. Môdun tổng biến
dạng thường cao hơn 100.000 kg/cm2. Hệ số trượt của bê tông theo các
đá này đạt tới 0,65-0,7. Độ chắc cao (f ch >8). Được khai thác bằng
phương pháp nổ. Tính chất của đá nguyên trạng có đặc điểm dị hướng
Bền: sức chống nén bằng 150-500 kg/cm2, bền vừa 25-150 kg/cm2 và
bền ít<25 kg/cm2. Sức chống cắt đứt vượt quá 50 kg/cm2 ở đá bền, từ
10-50 kg/cm2 ở đá bền vừa và nhỏ hơn 10 kg/cm2 ở đá yếu. Sức chống
tách vỡ từ 1-2 đến 20-30 kg/cm2. Bị nén lún ít hoặc thực tế không bị nén
lún. Modun tổng biến dạng ở các loại đá bị làm yếu đi thì <20.000
kg/cm2. ở đá ít bị làm yếu đi thì từ 20.000-100.000 kg/cm2. Hệ số trượt
bê tông theo các đá này thay đổi từ 0,3-0,55. Độ ổn định ở mái dốc phụ
thuộc vào mức độ khe nứt và phong hóa. Độ chắc vừa ( f ch = 2-8). Tính

- 12 -


Luận văn thạc sỹ

nhiều

chất của đá nguyên trạng có đặc điểm là dị hướng. Có tính chất lưu biến.

Không chứa ẩm hoặc chứa ẩm ít
Độ

chặt

(1,4-1,9 (các loại hạt mịn và hạt nhỏ) thực Độ bền phụ thuộc vào độ chặt kết cấu. Độ chắc không lớn (fch <2).

g/cm3) Độ rỗng từ tế không bị hòa tan, ngấm nước. Hệ Thường bị nén lún. Modun tổng biến dạng thay đổi từ 50-1000 kg/cm2.

III
Đất xốp rời

25-40%, độ rỗng thay số thấm đạt tới 30m/ng.đ ở các loại hệ số ma sát trong f=0,25-0,6. Độ ổn định trong nền công trình và mái
đổi trong phạm vi ngấm nước ít và vừa và vượt quá dốc phụ thuộc vào giá trị ma sát trong, cường độ tác dụng động. Được
30m/ng.đ ở các loại ngấm nước khai thác bằng phương pháp cơ giới hoặc bằng tay.

rộng

nhiều
Độ

chặt

1,9;2,1

(1,1;1,2-

g/cm3)

Độ

IVĐất mềm rỗng từ 25;30-75;80%
dính

và độ ẩm (12;15 75;80%) và thay đổi
trong phạm vi rộng

Độ bền thay đổi trong giới hạn rộng tùy theo độ ẩm và độ chặt. Độ chắc
Chứa ẩm, không bị hòa tan, ngấm
nước yếu hoặc cách nước. Hệ số
thấm thường nhỏ hơn 0,1 m/ng.đ

không lớn (fch<2), Bị nén lún vag bị nén lún mạnh, modun tổng biến
dạng thay đổi từ 25,50-100 kg/cm2. Hệ số ma sát trong nhỏ (f=0,150,35). Độ ổn định mái dốc phụ thuộc vào độ ẩm của đất và chiều cao
mái dốc. Khai thác bằng tay và bằng phương pháp cơ giới. có tính chất
lưu biến đặc trưng

V
Đất đá có
Đất đá thuộc nhóm này có thành phận và tính chất đặc biệt, đòi hỏi phải có những phương pháp nghiên cứu chuyên môn và đánh
thành phần,
giá riêng.
và tính chất
đặc biệt

Học viên: Ngô Chí Trung

- 13 -


Luận văn thạc sĩ

Độ chắc

Cấp

I

- 14 -

Đất đá

(kiên cố)
Độ chắc ở mức
độ cao nhất

Hệ số chắc

Quaczit và bazan nhớt, chặt và chắc
nhất. Những đá khác có độ chắc khác

20

thường
Các dạng đá granit rất chắc, Pocfia,
quaczit, granit rất chắc, đá phiến silit,

II

quaczit cũng như đã nói trên, nhưng

Đá rất chắc

15

không chắc bằng. Cát kết và đá vôi chắc
nhất

Granit (chặt) và các đá kiểu granit. Đá
III

cát và đá vôi rất chắc. Các mạch quặng

Đá chắc

Thạch Anh. Cuội kết chắc . Quặng sắt

10

rất chắc.
Đá vôi (chắc). Granit không chắc. Cát

III-a Đá chắc

IV

IV-a

Đá

tương

đối

tương

đối

chắc
Đá
chắc

V

Đá chắc vừa

V-a

Đá chắc vừa

VI

kết chắc. Đá hoa chắc, Đôlômít, pirit.

Đá

tương

Cát kết thông thường, quặng sắt

6

Đá phiến cát, cát kết dạng phiến

5

Đá phiến sét cứng, Cát kết và đá vôi
không chắc, cuội kết mềm

Các loại đá phiến khác nhau (không
chắc), macnơ chặt.
đối

mềm

Học viên: Ngô Chí Trung

8

4

3

Đá phiến mềm, đá vôi mềm. Phấn, muối
nhỏ, thạch cao. Đất đóng băng, antraxit.
Macno thông thường. Cát kết bị phá hoại,

2


Luận văn thạc sĩ

- 15 -

cuội được gắn kết và sỏi san, đất dăm

VI-a

VII

VIIa

Đá

tương

đối

mềm

Đá mềm

Đá mềm

VIII Đá hơi dính

IX

Đất rời

Đất dăm. Đá phiến bị phá hoại, cuội và
dăm đã dính thành cục, than đá chắc (fch

1,5

=1,4-1,8). Sét đã hóa cứng
Sét (chặt). Than đá chắc vừa (fch =1,01,4). Đất loại sét chắc
Sét lẫn cát nhẹ, hoàng thổ, sỏi. Than
mềm (fch=0,6 - 1,0)
Đất thực vật. Than bùn. Sét pha cát nhẹ,

cát ẩm ướt.
Cát lở tích, sỏi nhỏ, đất đắp, than đã khai
thác

1

0,8

0,6

0,5

Đất chảy, đất đầm lầy, hoảng thổ bị
X

Đất chảy

nước tơi và các loại đất khác bị làm tơi
ra

Bảng 1.2 Hệ thống phân loại đất đá theo M.M Protodiakonop

Học viên: Ngô Chí Trung

0,3


Luận văn thạc sĩ

- 16 -

1.2 CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT ĐÁ VÒ NÁT ĐỐI VỚI PHƯƠNG
PHÁP ĐÀO HẦM
Từ phân tích trên ta thấy, đối với đá bị vò nát, có nghĩa đá đã bị biến dạng và
ứng suất tác dụng lên đá đã vượt quá giới hạn cường độ chống cắt của đá. Như vậy
qui trình đào và chống đỡ phải đảm bảo cho khối đào ổn định như sau:
- Nếu khối đào gần với mặt đất thì hiện tượng từ biến sẽ gây lún bề mặt và mở rộng
phạm vi phá hoại sang 2 phía của hầm theo dạng đường cong có độ dốc khác nhau
là tuỳ thuộc điều kiện địa chất của đá và thời gian tiến hành chống đỡ. Hậu quả sẽ
kéo theo các công trình trên mặt đất sẽ bị lún (hình 1.1)

Hình 1.1 Sơ đồ lún, trượt theo Peck (1969)
- Nếu hầm có chiều cao lớn thì sẽ có hiện tượng sạt vách hầm theo mặt trượt, xoải
hay dốc là tuỳ thuộc góc ổn định của đá và áp lực đá trên nóc hầm (hình 1.2)

Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sĩ

- 17 -

Hình 1.2 Sơ đồ mặt trượt, tính áp lực đất đá theo Protodiakonop

- Nếu đá có chứa các tầng chứa nước, thông với nguồn nước thì hầm dễ bị ngập đột
ngột khi đào trúng tầng chứa nước đó.
- Nếu trong đá xen đứt gãy xuyên suốt lên mặt đất, chứa đầy sét và cát lẫn nước, thì
khi đào hầm qua dễ bị bục nóc hầm, được gọi là bục nóc dạng ống khói (hình 1.3)

Hình 1.3 Mô tả địa chất đứt gẫy có thể sinh ra bục nóc dạng ống khói

Từ những trường hợp trên cho thấy khi sử dụng phương pháp đào hầm qua vùng
đất đá bị vò nát phải đi kèm những biện pháp gia cố hoặc trước khi đào (hầm ngập
nước, dạng ống khói) hoặc ngay sau khi đào (lún trên mặt đất, mặt trượt trong hầm).
Các tính chất của đất đá bị vò nát cho đến nay vẫn là một vấn đề cần nghiên cứu
thêm, do chưa có nhiều kiến thức cũng như kinh nghiệm trong vấn đề này do vậy để
nghiên cứu các tính chất của đất đá vò nát đối với phương pháp đào hầm trong
Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sĩ

- 18 -

khuôn khổ luận văn này thì tác giả nghiên cứu thông qua một ví dụ cụ thể về những
khó khăn, vướng mắc mà vấn đề đào đường hầm trong đất đá vò nát gặp những cản
trở lớn trong khu vực có lực xô đẩy ở dưới chân Himalaya (Tunnelling in weak rock
- Bahwanasjgh and Rejnisk K.Goel - 2006, India)
1.2.1 Khái quát chung về đường hầm nghiên cứu
Giai đoạn 2 của sơ đồ thủy điện YaMuna ở chân dãy núi Himalaya nhằm tận dụng
toàn bộ tiềm năng của dòng sông Tons ở giữa Ichari và Khodri. Một đê quai dẫn
dòng ở Ichari và đường hầm có áp dài 6,25km, đường kính 7m, từ Ichari đến Khodri
với dàn máy ngầm ở Chhibro với công suất 240 MW, nhằm tận dụng chênh lệch cột
nước 120m đó là những thành phần chủ yếu trong giai đoạn 1 của sơ đồ. Trong giai
đoạn 2, việc xây dựng một đường hầm dài 5,6 km, đường kính 7,5m, nằm giữa
Chhibro và Khodri để tận dụng lưu lượng xả ra từ nhà máy Chhibro. Một nhà máy
hở với công suất 120MW, được xây dựng ở Khodri để tận dụng cột nước 64m.
Việc xây dựng đường hầm trong phần II đã được bắt đầu từ hai phía là
Chhibro và Khodri, ở gần Kalawar một ngôi làng nằm giữa hai vị trí đó có một hành
lang kiểm tra gọi là hành lang Kalawar, Đó là đường dẫn kích thước 2x2,5m được

đào tới cao trình đường hầm để quan sát ứng xử của các khối đá trong vùng đứt gẫy
và thêm vào đó hành lang này được sử dụng để xây dựng đường hầm chính đi qua
vùng này bằng phương pháp 2 hầm dẫn hướng bổ sung.
1.2.2 Điều kiện địa chất trong khu vực và những vấn đề trong quá trình
đào hầm và cách bố trí mặt bằng.
Trong vùng này thì điều kiện địa chất đã được lập thành bản đồ địa chất vùng
năm 1934-1942 do Auden, tiếp theo 1962 do Mehta và 1967 do Krishnaswami.
Thông tin bổ sung đã được Shome và các cộng sự trình bày năm 1973 trên cơ sở
những quan sát của họ trong một vài hố đào và những rãnh đào ở gần làng Kalawar
và Kala-Amb và một số chi tiết bề mặt trong khu vực.
1.2.2.1 Các chuỗi kiến tạo
Các chuồi kiến tạo sau đây từ Bắc đến Nam đã được Auden lập ra năm 1934 giữa
Ichari và Khodri, đường biên đứt gãy nghịch

Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sĩ

- 19 -

1. Simla slates
2. Nummulitics
3. Tons thrust
4. Nagthat quatities
5. Chandpur series
Thrust Buond Jaunsar Syncline
6. Mandhali series
7. Krol Thrust
8. Nummulities

9. Nahan Thrust
10. Nahan Series
Bảng 1.3 Các chuỗi kiến tạo từ Bắc đến Nam của đường hầm nghiên cứu
1.2.2.2 Thạch học trầm tích
Đường hầm Chhibro - Khodri được đào qua 3 thành tạo từ Bắc đến Nam do Shome
và cộng sự lập ra năm 1973.
Boulder slates
Mandhali series

Graphitic and quartzitic slates

(Palaeozoic)

Bhadraj quartzite unit of width 5-10km
Crushed quartzites near tho krol thrust

Krol thrust
1-3m thick plastic black clays along the
Subathu Dagshai series

thrust, red and purple shales and
soltstones.

(Lower mioccnc)
Minor grey and green quartzities, 22m
thick black clays with thin bands of

Học viên: Ngô Chí Trung

Luận văn thạc sĩ

- 20 -

quartzites.
5-0 thick plastic black clays along the
Nahan thrust.
Nahan thrust
Greenish - grey to grey micaceous
sandstone; purple siltstone
Nahan series ( upper tertiary )
Red, purple, grey and occasional mottle
blue concreatsionary clays
Bảng 1.4 Các thành tạo của đường hầm giữa Ichari - Khodri
1.2.2.3 Những chi tiết về cấu trúc
Chi tiết về cấu trúc chính trong khu vực này là 2 đứt gãy chính nằm ở biên chạy từ
Punjap tới Assam dọc theo những đồi nằm dưới chân Himalaya. Những đứt gãy
được quan sát thấy khi vượt sông Tons ở gần Khadar và vài vết hở ở gần Kalawar
và Kala-Amb, những đứt gẫy này đã được khảo sát chi tiết nhờ một vài hố khoan,
một vài chỗ vật liệu bị trôi và những hào. Độ nghiêng của những đứt gãy nghịch ở
NaHan và Krol rất khác nhau từ 27 đến 30 độ, theo N100E đến N100W và 260 đến
N260W, góc cắm vào hầu hết là vuông góc với tuyến của đường hầm.

Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sĩ

- 21 -

Hình 1.4 Mặt bằng khu vực đường hầm nghiên cứu
1.2.2.4. Sự trở lại của những vùng đứt gãy nghịch nội bộ
Trong phần bổ sung vào sự có mặt của những vùng đó ở Kalawar, loại đá phiến
mầu đỏ Subathu-Dagshai một lần nữa lại bị chặn lại trong đường hầm giữa 1140 1300m tính từ đầu Chhibro

Học viên: Ngô Chí Trung


Luận văn thạc sĩ

- 22 -

Một lỗ khoan sâu ở vị trí 1180 m tính từ Chhibro ở trên nóc của đường hầm tại một
lỗ nghiêng 600 theo hướng Đông đã xác lập sự có mặt của đứt gẫy nghịch Krol vượt
qua đường hầm. Cuối cùng, Jain và cộng sự 1975 đã trình bày một bản chuyển đổi
phi trầm tích (hình 2.2b) giữa Chhibro và Kalawar với một khu vực đứt gãy nghịch
nội bộ giữa khoảng cách 1861 - 2166m tính từ Chhibro do đó tổng chiều rộng của
những khu vực có đứt gãy nghịch nội bộ đã tính được là 695m, khác với chiều rộng
dự kiến là 230m dọc theo tuyến đường hầm như vậy cần thiết để phân loại địa chất
đưới đất và những khối đá rắn chắc.
Những khó khăn trong quá trình đào đã được xét đến trong phạm vi những khu vực
có đứt gãy nghịch nội bộ. Một phương pháp rất đa năng đã được chấp nhận để ngăn
cản đá thường xuyên rơi xuống khoang đào, một hầm dẫn nằm giữa đã được đào
theo phương pháp chống đỡ xung quanh, những vòm thép lớn (có mặt cắt
300x140mm, 150x100m với những tấm có chiều dày 20-25mm) được hàn trên bản
đã được dựng lên với khoảng cách 0,25-0,5m để chịu được áp lực đá vò nát mạnh.
1.2.2.5 Hiện tượng ngập đường hầm ở Kalawar
Tháng 11/1972, khối nước bị giữ lại trong khối đã bất ngờ bị bục ra ở lớp không
thấm dạng sét dọc theo đứt gãy nghịch Krol và xuôi xuống từ nóc hầm ở khoảng
cách 182 m hướng về Chhibro tính từ điểm Kg (hình 2.3) (Shome và các cộng sự

năm 1973), đó là mặt cắt giao nhau của hành lành kiểm tra Kalawar và đường hầm
chính, và làm ngập toàn bộ đường hầm ở Kalawar, lưu lượng dòng chảy ước tính 34
l/s và 110.000 m3 nước đã được bơm ra trong 3 tháng

Học viên: Ngô Chí Trung