(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả định hướng đường hầm trong thi công xây dựng các công trình ngầm ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

DIÊM CÔNG HUY

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO
HIỆU QUẢ ĐỊNH HƯỚNG ĐƯỜNG HẦM TRONG
THI CÔNG XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH NGẦM
Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

DIÊM CÔNG HUY

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO
HIỆU QUẢ ĐỊNH HƯỚNG ĐƯỜNG HẦM TRONG
THI CÔNG XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH NGẦM
Ở VIỆT NAM

NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ
MÃ SỐ: 9520503

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS TRẦN VIẾT TUẤN

2. PGS.TS NGUYỄN QUANG THẮNG

HÀ NỘI - 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất cứ một công trình nào khác.

Tác giả luận án

Diêm Công Huy


ii

MỤC LỤC
Lời cam đoan ................................................................................................... i
Mục lục ............................................................................................................ ii
Danh mục các chữ viết tắt ................................................................................ iv
Danh mục bảng biểu......................................................................................... v
Danh mục hình vẽ ............................................................................................ vi
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO
HIỆU QUẢ ĐỊNH HƯỚNG ĐƯỜNG HẦM TRONG THI CÔNG XÂY DỰNG
CÔNG TRÌNH HẦM............................................................................................................ 7
1.1. Công nghệ thi công xây dựng các công trình hầm ở Việt Nam ................. 7

1.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu ở nước ngoài .................................. 17
1.3. Tổng quan các công trình nghiên cứu ở trong nước ................................... 20
1.4. Định hướng nghiên cứu trong luận án........................................................ 23
Chương 2: NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CÁC YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC CHO
CÔNG TÁC ĐỊNH HƯỚNG HẦM KHI THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH HẦM
ĐỐI HƯỚNG Ở VIỆT NAM .............................................................................................. 24
2.1. Sai số đào thông hầm và các hạn sai cho phép ........................................... 24
2.2. Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học về yêu cầu độ chính xác định
hướng hầm trong thi công hầm ở Việt Nam...................................................... 31
2.3. Ước tính yêu cầu độ chính xác cho phép định hướng hầm khi thi công
công trình hầm đối hướng ở Việt Nam ............................................................. 37
Chương 3: NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ
ĐỊNH HƯỚNG ĐƯỜNG HẦM TRONG THI CÔNG XÂY DỰNG
CÁC CÔNG TRÌNH NGẦM Ở VIỆT NAM.................................................... 50
3.1. Nâng cao hiệu quả thành lập lưới khống chế mặt bằng trên mặt đất trong
thi công hầm. .................................................................................................... 50


iii

3.2. Nâng cao độ chính xác chuyền tọa độ và phương vị xuống hầm qua giếng đứng. . 59
3.3. Nâng cao độ chính xác chuyền độ cao xuống hầm qua giếng đứng. ....... 67
3.4. Lựa chọn dạng lưới khống chế mặt bằng trong hầm phù hợp với đặc điểm điều
kiện thi công hầm ...................................................................................................... 80

Chương 4: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KỸ THUẬT ĐẢM BẢO ĐỘ CHÍNH
XÁC THI CÔNG HẦM BẰNG CÔNG NGHỆ TBM (TUNNEL BORING
MACHINE).............................................................................................................. 92
4.1. Quy trình đào hầm bằng công nghệ TBM .................................................. 92
4.2. Công tác trắc địa phục vụ thi công hầm bằng công nghệ TBM (Tunnel

Boring Machine) .............................................................................................. 95
4.3. Thành lập lưới mặt bằng thi công trong hầm ở dạng lưới đường chuyền
kép ................................................................................................................... 101
4.4. Ứng dụng máy kinh vĩ con quay để định hướng hầm trong thi công xây
dựng đường hầm. ............................................................................................. 112
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 119
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ............................................ 121
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 122
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 128


iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT

Chữ viết tắt

Ý nghĩa

1

EDM

Electronic Distance Measurement

2

GPS

Global Positioning System

3

KHCN

Khoa học Công nghệ

4

NATM

New Austrian Tunnelling Mothod

5

PTĐK

Phương trình điều kiện

6

SSTP

Sai số trung phương

7

TBM

Tunnel Boring Machine

8

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

9

TĐĐT

Toàn đạc điện tử


v
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Sai số giới hạn đào thông hầm ................................................................26
Bảng 2.2. Độ lệch giới hạn của các thông số kết cấu và mặt cắt ...................27
Bảng 2.3. Sai số giới hạn thi công hầm của các nước trên thế giới .......................31
Bảng 2.4. Quy định về sai số trung phương (mi) của các................................33
Bảng 2.5. Hạn sai cho phép của trục tim hầm trong thi công ................................36
Bảng 2.6. Hạn sai cho phép trong thi công công trình hầm bằng công nghệ TBM36
Bảng 2.7. Sai số trung phương (mi) khi thi công bằng công nghệ TBM ...............37
Bảng 3.1. Kết quả tổng hợp ước tính độ chính xác sai số ....................................58
Bảng 3.2. Kết quả tổng hợp ước tính độ chính xác phương vị ...............................58
Bảng 3.3. Giá trị các đại lượng đo của tam giác liên hệ .........................................62
Bảng 3.4. So sánh tọa độ các điểm khi chuyền điểm P,G trên tầng cao 30m ......64

Bảng 3.5. So sánh phương vị các cạnh chuyền qua tam giác liên hệ xuống ........65
Bảng 3.6. Kết quả đo khoảng cách bằng từ máy TĐĐT đến phương phụ P .........71
Bảng 3.7. So sánh kết quả chuyền độ cao theo ba phương pháp ...........................72
Bảng 3.8. Kết quả kiểm nghiệm thước thép và Disto ............................................77
Bảng 3.9. Kết quả đo khoảng cách bằng thiết bị Disto tại các tầng đến ................78
Bảng 3.10. Kết quả đo thực nghiệm tại Block N01 công trình 136 Hồ Tùng Mậu79
Bảng 3.11. So sánh kết quả chuyền độ cao theo hai phương pháp ........................79
Bảng 3.12. Bảng so sánh kết quả ước tính theo các phương án ............................87
Bảng 3.13. Bảng kết quả so sánh độ lệch tọa độ theo các phương án .......... 88
Bảng 3.14. Bảng kết quả tính toán các phương án .................................................88
Bảng 4.1. Bảng kết quả tính toán các phương án đo đường chuyền kép .............111


vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Thi công theo phương pháp đào mở .........................................................9
Hình 1.2. Ảnh thi công theo phương pháp đào mở tại ga Ba Son .................10
Hình 1.3. Thi công theo phương pháp tường trong đất...........................................11
Hình 1.4. Thi công hầm theo phương pháp hạ đoạn ...............................................12
Hình 1.5. Thi công hầm Thủ Thiêm theo phương pháp hạ đoạn............................12
Hình 1.6. Thi công hầm theo phương pháp khai mỏ ..............................................13
Hình 1.7. Thi công hầm theo phương pháp NATM tại hầm Đèo Cả .....................15
Hình 1.8. Hình ảnh chung của hệ thống TBM ........................................................17
Hình 2.1. Sai số đào thông hầm trong mặt phẳng nằm ngang ............................ 24
Hình 2.2. Sai số đào thông hầm trong không gian ..................................................24
Hình 2.3. Sơ đồ minh họa đoạn hầm thẳng ………………………………..38
Hình 3.1. Sơ đồ bố trí các mốc GPS thi công hầm Đèo Cả ....................................53
Hình 3.2. Sơ đồ lưới GPS thi công hầm Đèo Cả (Phương án 1) ............................55
Hình 3.3. Sơ đồ lưới GPS thi công hầm Đèo Cả (Phương án 2) ............................56

Hình 3.4. Sơ đồ lưới GPS thi công hầm Đèo Cả (Phương án 3) ............................57
Hình 3.5. Định hướng qua giếng đứng ...................................................................60
Hình 3.6. Định hướng qua giếng đứng xuống hầm bằng máy chiếu đứng ............61
Hình 3.7. Sơ đồ lưới đường chuyền thực nghiệm ...................................................63
Hình 3.8. Giếng đứng thi công hầm tàu điện ngầm tuyến Bến Thành – Suối Tiên
tại TP Hồ Chí Minh .......................................................................................66
Hình 3.9. Sơ đồ chuyền độ cao bằng TĐĐT qua giếng đứng xuống hầm .............68
Hình 3.10. Sơ đồ chuyền độ cao bằng thiết bị đo khoảng cách Disto ...................73
Hình 3.11. Sơ đồ minh họa các giá trị S; D và e

………………….……75

Hình 3.12. Hình ảnh đo đạc thực nghiệm bằng thiết bị đo khoảng cách Disto......78
Hình 3.13. Lưới khống chế trắc địa trong hầm .......................................................81
Hình 3.14. Đường chuyền treo.................................................................................83
Hình 3.15. Đồ hình lưới so sánh ..............................................................................84


vii

Hình 3.16. Đường chuyền treo ................................................................................84
Hình 3.17. Đường chuyền treo có đo kiểm tra bổ sung các góc bên trái ...............85
Hình 3.18. Đường chuyền khép kín.........................................................................85
Hình 3.19. Đường chuyền khép kín có đo thêm một số góc - cạnh .......................85
Hình 3.20. Đường chuyền khép kín đo tất cả các góc và cạnh của lưới ................86
Hình 3.21. Sơ đồ bố trí các mũi thi công đường hầm áp lực ..................................89
Hình 4.1. Khoảng áp dụng các loại khiên theo đường kính hầm ...........................93
Hình 4.2. Sơ đồ bố trí các bộ phận cấu thành của hệ thống TBM ..........................93
Hình 4.3. Đầu cắt đường kính 13.9m ......................................................................94
Hình 4.4. Thành lập các điểm khống chế mặt bằng trên mặt đất gần giếng đứng .95

Hình 4.5. Chuyền tọa độ từ trạm khống chế trên mặt đất xuống trạm khống ........96
Hình 4.6. Chuyền tọa độ qua đường chuyền kép bên trong đường hầm................96
Hình 4.7. Chuyền tọa độ, độ cao lên các trạm khống chế tạm thời ........................97
Hình 4.8. Hệ thống chỉ dẫn/định hướng TBM ........................................................98
Hình 4.9. Hệ thống định hướng TBM tự động........................................................99
Hình 4.10. Buồng điều khiển TBM .......................................................................100
Hình 4.11. Độ lệch vị trí trục đường hầm..............................................................100
Hình 4.12. Kích nối khớp của TBM ......................................................................100
Hình 4.13. Đoạn đường hầm ở phía sau TBM ......................................................102
Hình 4.14. Sơ đồ lưới đường chuyền kép .............................................................102
Hình 4.15. Sơ đồ đo góc - cạnh trên một trạm của lưới đường chuyền kép ........103
Hình 4.16. Sơ đồ đo góc - cạnh trên hai trạm 2 và 2' của đường chuyền kép ......104
Hình 4.17. Sơ đồ đo góc - cạnh một đoạn trong lưới đường chuyền kép .......... 105
Hình 4.18. Lưới tứ giác nhỏ ...................................................................................107
Hình 4.19. Sơ đồ thực nghiệm lưới đường chuyền kép ........................................109
Hình 4.20. Sơ đồ lưới đường chuyền treo đơn........................................... 110
Hình 4.21. Sơ đồ lưới đường chuyền treo kép........................................... 110
Hình 4.22. Sơ đồ lưới đường chuyền kép phù hợp ...............................................111
Hình 4.23. Dọi điểm bằng máy PNL .....................................................................112


viii

Hình 4.24. Sơ đồ lưới đường chuyền trong hầm …………………………..114
Hình 4.25. Đường chuyền trong hầm có đo thêm phương vị cạnh bằng kinh vĩ
con quay …………………………………………...………………………117


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây cùng với tốc độ phát triển của đất nước, kết
cấu hạ tầng được nhà nước chú trọng đầu tư. Hiện nay, nước ta đã và đang thi
công xây dựng rất nhiều công trình đường hầm giao thông, thủy điện như các
công trình đường hầm đèo Hải Vân, hầm Nậm Chiến, hầm thuỷ điện A
Vương, hầm Đèo Cả... để phục vụ đời sống dân sinh. Đặc biệt tại hai thành
phố lớn là thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đang tiến hành thi
công xây dựng các tuyến tàu điện ngầm đầu tiên. Theo quy hoạch, tại thành
phố Hà Nội mạng lưới đường sắt đô thị đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm
2050 gồm 08 tuyến. Hiện nay đang thi công xây dựng tuyến số 3 (Nhổn - Ga
Hà Nội), tuyến này có đoạn đi ngầm từ Trường đại học Giao thông vận tải
đến Ga Hà Nội dài khoảng 4 km.Tại TP. Hồ Chí Minh theo quy hoạch mạng
lưới đường sắt đô thị đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050 gồm 06 tuyến,
hiện nay đang thi công xây dựng tuyến số 1 (Bến Thành - Suối Tiên) dài 19,7
km, trong đó có khoảng 2,6 Km đi ngầm. Các công trình đường hầm giao
thông này được xây dựng với mục đích cải thiện điều kiện của các tuyến
đường giao thông, giảm ách tắc trong các thành phố lớn. Trong tương lai,
nước ta sẽ thi công nhiều công trình đường hầm quy mô lớn và vận hành phức
tạp.
Đặc điểm của việc thi công xây dựng các công trình đường hầm là thi
công liên hoàn bao gồm: Đào hầm - Gia cố vỏ hầm - Hoàn thiện vỏ hầm. Quá
trình thi công và độ chính xác xây dựng công trình đường hầm phụ thuộc vào
công tác trắc địa định hướng hầm. Như vậy công tác trắc địa định hướng hầm
có ảnh hưởng rất lớn đến tiến độ thi công và độ chính xác xây dựng công trình
hầm, đặc biệt khi áp dụng công nghệ TBM. Do vậy vấn đề thành lập cơ sở
trắc địa cho việc định hướng các công trình đường hầm có ý nghĩa quan trọng


2

đối với chất lượng thi công xây dựng công trình ngầm. Tuy nhiên cho đến
nay, chúng ta chưa có các Quy chuẩn về trắc địa công trình nói chung cũng
như quy chuẩn kỹ thuật về Trắc địa công trình trong thi công đường hầm nói
riêng, những Tiêu chuẩn đã có chỉ đề cập đến phương pháp trắc địa truyền
thống còn các phương pháp trắc địa hiện đại thì chưa được cập nhật, đặc biệt
là trong thi công xây dựng bằng công nghệ mới, định hướng các công trình
phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao như công tác trắc địa trong thi công công
trình tàu điện ngầm.
Vì vậy, nội dung nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả định hướng
đường hầm trong thi công xây dựng các công trình ngầm là rất cần thiết và
phù hợp với thực tiễn ở Việt Nam hiện nay.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Mục đích của luận án nhằm nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất
lượng và hiệu quả công tác định hướng đường hầm khi thi công xây dựng các
công trình hầm ở Việt Nam trong giai đoạn thi công xây dựng.
- Đối tượng nghiên cứu là các giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả
định hướng đường hầm trong thi công xây dựng các công trình hầm ở Việt
Nam
- Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm: Tính toán độ chính xác yêu
cầu định hướng đường hầm khi thi công xây dựng các công trình hầm đối
hướng; nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả định hướng đường hầm
trong thi công xây dựng các công trình hầm có độ sâu nhỏ hơn 100 m; nghiên
cứu giải pháp kỹ thuật đảm bảo độ chính xác thi công đường hầm bằng công
nghệ TBM.
3. Nội dung nghiên cứu
1- Nghiên cứu xác lập các yêu cầu độ chính xác cho công tác định
hướng hầm khi thi công các công trình hầm đối hướng ở Việt Nam.

3

2- Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả định hướng đường hầm
trong thi công xây dựng các công trình hầm ở Việt Nam.
3- Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật đảm bảo độ chính xác thi công hầm
bằng công nghệ TBM.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập tài liệu và cập nhật các
thông tin trên mạng internet và các thư viện.
- Phương pháp phân tích: Phân tích có lôgíc các tư liệu, số liệu làm cơ
sở để giải quyết các vấn đề đặt ra.
- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thực nghiệm cụ thể để
chứng minh lý thuyết, khẳng định tính đúng đắn, khả thi và đi đến kết luận.
- Phương pháp so sánh: Đối chiếu với các kết quả nghiên cứu khác
hoặc các nội dung liên quan để so sánh, đánh giá, đưa ra giải pháp phù hợp.
- Phương pháp ứng dụng tin học: Xây dựng các thuật toán và lập các
chương trình tính toán trên máy tính.
- Phương pháp toán học: Tập hợp các quy luật, định lý toán học để
chứng minh một số công thức phục vụ cho việc tính toán.
- Phương pháp chuyên gia: Tiếp thu ý kiến của người hướng dẫn, tham
khảo ý kiến các nhà khoa học, các đồng nghiệp về các vấn đề trong nội dung
đề tài.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Góp phần phát triển và hoàn thiện kỹ thuật định
hướng đường hầm trong thi công xây dựng các công trình hầm ở Việt Nam.
Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để
nâng cao hiệu quả định hướng đường hầm trong thi công xây dựng các công
trình ngầm ở Việt Nam trong giai đoạn thi công xây dựng ở thực tế sản xuất;

4

Góp phần phục vụ ngành xây dựng Việt Nam nói chung và ngành xây dựng
công trình ngầm nói riêng ngày càng hiệu quả và an toàn.
6. Các luận điểm bảo vệ
Luận điểm thứ nhất: Để đảm bảo độ chính xác thi công xây dựng các
công trình đường hầm theo đúng thiết kế, cần phải nghiên cứu xác định độ
chính xác định hướng hầm theo các hạn sai cho phép trong thi công xây dựng
các công trình hầm đối hướng.
Luận điểm thứ hai: Áp dụng các giải pháp công nghệ và thiết bị đo đạc
tiên tiến vào công tác định hướng hầm cho phép nâng cao hiệu quả và đảm
bảo tiến độ thi công xây dựng các công trình hầm.
Luận điểm thứ ba: Khi thi công xây dựng đường hầm bằng công nghệ
TBM cần phải thành lập dạng lưới khống chế đặc biệt trong hầm và ứng dụng
công nghệ đo đạc hiện đại nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của quá trình
thi công hầm bằng công nghệ này.
7. Các điểm mới của luận án
1- Đã xây dựng cơ sở khoa học xác định hạn sai cho phép của các yếu
tố định hướng hầm. Từ đó có thể xác định được độ chính xác cần thiết các
yếu tố định hướng hầm trên cơ sở ứng dụng công nghệ đo đạc hiện đại trong
thi công xây dựng các công trình hầm ở Việt Nam.
2- Đã nghiên cứu, đề xuất ứng dụng một số giải pháp kỹ thuật và công
nghệ tiên tiến vào quá trình định hướng hầm (Ứng dụng máy chiếu đứng để
chuyền tọa độ, phương vị xuống hầm; sử dụng các loại máy đo dài điện tử để
chuyền độ cao xuống hầm; ứng dụng máy kinh vĩ con quay khi thành lập lưới
khống chế trong hầm…). Kết quả nghiên cứu các ứng dụng này cho phép
nâng cao độ chính xác và tính hiệu quả công tác trắc địa khi thi công các công
trình hầm đối hướng.

5

3- Đã nghiên cứu phương pháp thiết kế và thành lập lưới khống chế
trong hầm ở dạng lưới đường chuyền kép, thành lập các công thức dùng để
kiểm tra các yếu tố kỹ thuật của lưới đường chuyền kép khi thành lập lưới
khống chế thi công trong hầm. Điều này cho phép triển khai ứng dụng một
cách rộng rãi dạng lưới khống chế đặc biệt này vào quá trình thi công hầm
bằng công nghệ TBM ở Việt Nam.
8. Cấu trúc và nội dung luận án
Cấu trúc luận án gồm ba phần:
Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan về luận án, tính cấp thiết, mục đích,
ý nghĩa, phương pháp, nội dung nghiên cứu của luận án, đồng thời đưa ra các
luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án.
Phần nội dung nghiên cứu chính được trình bày trong 04 chương:
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả
định hướng đường hầm trong thi công xây dựng các công trình hầm.
Chương 2: Nghiên cứu xác lập các yêu cầu độ chính xác cho công tác
định hướng hầm khi thi công các công trình hầm đối hướng ở Việt Nam.
Chương 3: Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả định hướng
đường hầm trong thi công xây dựng các công trình hầm ở Việt Nam.
Chương 4: Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật đảm bảo độ chính xác thi
công hầm bằng công nghệ TBM.
Phần kết luận: Tổng hợp lại những vấn đề nghiên cứu trong luận án,
đưa ra những nhận xét, đánh giá các giải pháp nâng cao hiệu quả định hướng
đường hầm trong thi công xây dựng các công trình ngầm ở Việt Nam cũng
như định hướng cho phát triển trong tương lai.


6

9. Lời cảm ơn
Trước hết, nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và
sâu sắc đến người hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Viết Tuấn, PGS. TS
Nguyễn Quang Thắng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho nhiều chỉ dẫn
khoa học có giá trị giúp nghiên cứu sinh hoàn thành các nội dung của luận án.
Nghiên cứu sinh xin cảm ơn các Thầy, Cô trong khoa Trắc địa - Bản đồ
và Quản lý đất đai - Trường Đại học Mỏ - Địa chất, các đồng nghiệp trong
ngành Trắc địa và đặc biệt là các Thầy, Cô trong bộ môn Trắc địa công trình
đã giúp đỡ và có những ý kiến đóng góp quý báu cho tác giả hoàn thiện nội
dung của luận án.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp ở Viện KHCN
Xây dựng - Bộ Xây dựng đã tận tình giúp đỡ cho tác giả được tiếp cận và tham
gia vào thực tế sản xuất để có được các số liệu thực nghiệm trong luận án.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn tất cả những sự giúp đỡ quý
báu đó.


7

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO
HIỆU QUẢ ĐỊNH HƯỚNG ĐƯỜNG HẦM TRONG THI CÔNG
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH HẦM
1.1. CÔNG NGHỆ THI CÔNG XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH HẦM Ở

VIỆT NAM
1.1.1. Khái niệm về các công trình hầm ở Việt Nam

Đường hầm là loại công trình dưới mặt đất có chiều dài ít nhất là gấp đôi
chiều rộng, kín ở hai sườn và mở an toàn ở hai đầu. Tùy theo chức năng, mục

đích sử dụng, đường hầm có thể phân thành các loại chính sau 12:
- Đường hầm giao thông: Gồm đường hầm trên các tuyến đường sắt,
đường bộ, đường tàu điện ngầm; đường hầm cho người đi bộ ở thành phố;
đường hầm vận chuyển vật liệu từ nơi khai thác đến nhà máy ...
- Đường hầm thuỷ lợi: Được xây dựng trên các kênh dẫn có tác dụng hạ
thấp độ cao ở phía thượng lưu để cải thiện chế độ cấp nước cho các tuyến
kênh. Một ví dụ là đường hầm dẫn nước ở các nhà máy thuỷ điện, có chiều
dài từ vài trăm mét tới hàng chục cây số, với kích thước từ vài mét đến hàng
chục mét, là hạng mục rất quan trọng.
- Đường hầm dân dụng và công nghiệp: Được xây dựng ở vùng núi hoặc
thành phố để khai thác khoáng sản, làm kho chứa vật liệu, vũ khí. Trong các
thành phố lớn, đường hầm được xây dựng để đặt các hệ thống cáp điện lực
hoặc cáp thông tin, tạo thuận lợi cho việc quản lý khai thác và bảo dưỡng.
1.1.2 Các phương pháp thi công đường hầm
Với nhu cầu xây dựng công trình ngầm nói chung và công trình đường
hầm nói riêng ngày càng nhiều, đặc biệt là ở các nước công nghiệp phát triển,
hàng loạt các giải pháp kỹ thuật đã được hình thành và hoàn thiện tùy theo


8

các điều kiện, yêu cầu thi công và theo trình độ phát triển khoa học kỹ thuật.
Những tiến bộ khoa học kỹ thuật và trình độ công nghệ hiện nay cho phép thi
công xây dựng các công trình hầm hầu như trong mọi điều kiện địa chất và
môi trường khác nhau.
Các công nghệ thi công công trình hầm rất phong phú và đa dạng, đó là
tổ hợp khá linh hoạt của nhiều giải pháp kỹ thuật và sơ đồ công nghệ khác
nhau. Tên gọi của các phương pháp, công nghệ thi công xây dựng công trình
hầm cũng có nhiều xuất xứ khác nhau, có thể theo nơi đã phát triển công nghệ
hay phương pháp, theo giải pháp kỹ thuật phổ biến … Vì vậy, người thiết kế

và thi công có thể linh hoạt lựa chọn các phương pháp thi công, các giải pháp
kỹ thuật xử lý các tình huống có thể xảy ra, trên cơ sở hiểu biết rõ ràng, đầy
đủ về các yếu tố, các khâu kỹ thuật quan trọng của công nghệ thi công.
Theo vị trí của không gian thi công các kết cấu công trình hầm có thể
phân chia các phương pháp thi công vào hai nhóm là phương pháp thi công lộ
thiên và phương pháp thi công ngầm.
1.1.2.1 Xây dựng công trình đường hầm bằng phương pháp lộ thiên
Các phương pháp thi công lộ thiên đã được phát triển mạnh và khá
hoàn chỉnh về công nghệ. Phương pháp thi công lộ thiên khác nhau ở phương
thức tiến hành công việc và có thể phân ra các nhóm khác nhau tùy theo tiêu
chí phân nhóm. Theo đặc điểm công nghệ, thi công lộ thiên được chia thành
các phương pháp sau: Phương pháp đào mở và phương pháp tường trong đất.
a. Phương pháp thi công đào mở
Đối với đường hầm nông thì đào và xây bằng phương pháp đào mở. Ở
vùng chưa xây dựng hoặc có không gian mặt bằng đầy đủ thì đào hào với mái
dốc tự nhiên, không cần đặt khung chống, tường chắn (hình 1.1.a). Bề rộng
của hào ở phía dưới B2 cần phải lớn hơn bề rộng Bo của hầm. Chiều sâu của
hào bao gồm chiều sâu của hầm và độ dày của lớp lót d [4].


9

Khi không thể đào hào có mái dốc rộng, thì đào hào với vách thẳng
đứng có bổ trụ, đặt khung chống, tường chắn (hình 1.1.b). Nếu điều kiện địa
chất cho phép thì có thể đào hào với mái dốc tự nhiên đến mực nước ngầm,
còn phần dưới thì đào với vách thẳng đứng, gia cố bằng bổ trụ, khung chống,
tường chắn (hình 1.1.c); cũng có thể phần trên đào vách thẳng đứng gia công
bằng bổ trụ, khung chống, tường chắn, phần dưới thi công với mái dốc tự
nhiên (hình 1.1.d).
b)

a)
3

B1

2

c)

d)

B1

2
1m

b

4
B0
B2

H1

2

1m

H2

H1
H2

3

3

B1

1

B0
H

d

B0
B2

HT

4

H

1m

d

H

1m

HT

h

1

3
2

1m

1m

1

B0
B

Hình 1.1.Thi công theo phương pháp đào mở

4


10

Hình 1.2. Ảnh thi công theo phương pháp đào mở tại ga Ba Son thuộc

tuyến tầu điện ngầm Bến Thành - Suối Tiên
b. Phương pháp tường trong đất
Khi thi công các công trình đường hầm nông, nhưng gần các công trình
kiến trúc cũng như trong điều kiện giao thông thành phố dày đặc có thể áp
dụng phương pháp đào hào, xây tường trong đất.
Đầu tiên, ở những chỗ sẽ xây dựng tường của công trình hầm, người ta
đào hào và gia cố theo từng đoạn, rộng 0,6 m ÷ 0,8 m, sâu đến 18m ÷ 20m,
trong đó sẽ xây dựng kết cấu tường của công trình đường hầm (hình 1.3).
Sau đó, từ mặt đất tiến hành đào đến độ cao nóc của công trình đường
hầm rồi đặt tấm trần dạng lắp ghép hoặc bê tông toàn khối đổ tại chỗ tựa lên
tường đã xây, tiến hành chống thấm cho tầng nóc và lấp đất. Dưới sự bảo vệ
của tường và trần đã xây dựng, tiến hành đào đất phần bên trong, xây các tấm


11

lõi và các vách ngăn. Phương pháp này không đòi hỏi phải dùng tường cừ,
đảm bảo ổn định cho nhà cửa và các công trình bên cạnh khu xây dựng.

b)

a)

HT

a0

aT

c)

4

3

2

aT

d)

H

5

5
R

Hình 1.3.Thi công theo phương pháp tường trong đất
1.1.2.2. Xây dựng công trình đường hầm bằng phương pháp hạ đoạn
Khi xây dựng đường hầm dưới nước bằng phương pháp hạ đoạn, từng
đốt hầm riêng rẽ có thể tích chiếm chỗ đến 50.000m3 được chế tạo trên mặt
đất, phía đường dẫn, chuyển lên phao đưa đến hiện trường rồi hạ vào hố đào
sẵn ở dưới đáy của vùng nước (hồ, sông, biển,…). Các đốt hầm được nối với
nhau tạo nên liên kết không cho nước thấm qua. Sau đó lấp đất đá và tháo các
vách ngăn tạm thời ở đầu đốt hầm.
Phương pháp hạ đoạn được áp dụng trong các điều kiện thành phố, điều
kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn khác nhau, trong các vùng nước
sâu từ 6 m ÷ 40 m, khi tồn tại các loại đất nền có khả năng đảm bảo sự ổn
định của mái dốc và đáy hào trong nước. Trong một số trường hợp, phương
pháp này được dùng để thi công cả phần trên bờ của hầm dưới nước bằng

12

cách hạ những đoạn hầm đúc sẵn vào hố đã đào, chứa đầy nước có gia cố
tường cừ.
Sơ đồ công nghệ thi công hầm theo phương pháp hạ đoạn được trình
bày như hình 1.4.
1
2

A

3

4

B

5

C

6

D

7

A

A

II

8

A

III

B

B

IV

B

10

hTP

1 :m

B TP

V

C

C

C

11

12

VI

D

D

D

1 :m

I

13
15

14

Hình 1.4. Thi công hầm theo phương pháp hạ đoạn

Hình 1.5. Thi công hầm Thủ Thiêm theo phương pháp hạ đoạn
1.1.2.3. Xây dựng công trình đường hầm bằng phương pháp khai mỏ

Do đặc điểm nằm hoàn toàn dưới đất, xây dựng đường hầm theo
phương pháp khai mỏ bao gồm 2 quá trình chính:


13

- Đào đất đá để tạo không gian cho hầm, hay còn gọi là đào ngầm.
- Xây dựng kết cấu chống đỡ bảo vệ không gian hầm, để đảm bảo điều kiện
khai thác của công trình.
Những năm trước đây, ở nước ta và các nước trên thế giới vẫn sử dụng
phương pháp khai mỏ để thi công các đường hầm. Nội dung cơ bản của
phương pháp khai mỏ là: Sau khi đào hầm, để giữ ổn định đất đá xung quanh
hầm người ta tiến hành dựng các vỉ chống tạm bằng gỗ hoặc chống bằng vòm
thép. Kết cấu vỏ hầm được thi công bằng biện pháp đổ bê tông hoặc xây đá
theo từng phân đoạn sau khi đào xong hầm một khoảng thời gian. Sau khi bê
tông vỏ hầm đạt cường độ cho phép, để tạo sự liên kết chặt chẽ giữa vỏ hầm
và đất đá xung quanh, người ta tiến hành bơm ép vữa vào phía sau vỏ. Với
phương pháp thi công hầm như thế, hiệu quả chống đỡ tạm chỉ có tại các điểm
chống và vỏ hầm, giữa vỏ hầm và địa tầng không có sự liên kết chặt chẽ với
nhau nên sau khi đào hầm xong dần dần đất đá xung quanh hầm bị biến dạng,
nứt vỡ, sụt lở và đè lên vỏ hầm. Trong trường hợp này, vỏ hầm là kết cấu
chống đỡ cuối cùng đảm bảo ổn định của hầm, chịu toàn bộ tải trọng đất đá
(áp lực địa tầng) nên kích thước tiết diện vỏ hầm rất lớn (Hình 1.6).

Hình1.6. Thi công hầm theo phương pháp khai mỏ


14

Hiện nay có hai phương pháp chính để thi công hầm: Đó là phương

pháp khoan nổ và phương pháp cơ giới.
- Để đào đường hầm bằng phương pháp khoan nổ trước hết cần vẽ đường biên
của tiết diện hầm lên gương hầm, dùng máy khoan, khoan các lỗ vào gương
hầm tại các vị trí nhất định theo thiết kế phương án nổ mìn, tra thuốc nổ, nổ
mìn và bốc xúc đất đá bằng máy cào vơ và vận chuyển ra ngoài bằng các
phương tiện vận tải.
- Trong phương pháp cơ giới, người ta sử dụng các máy đào hầm chuyên
dụng. Hiện nay trên thị trường có dùng công nghệ TBM để đào hầm.
1.1.2.4. Xây dựng công trình đường hầm bằng công nghệ NATM (New
Austrian Tunnelling Method)
a. Khái niệm chung về phương pháp NATM
Phương pháp NATM lấy phun bê tông và neo làm biện pháp che
chống chủ yếu, thông qua giám sát đo đạc khống chế biến dạng giới hạn, tiện
cho việc phát huy phương pháp thi công dùng năng lực tự chịu tải của đất đá.
Do vậy phương pháp thi công NATM là một phương pháp đã được áp dụng
nhiều trên phạm vi toàn thế giới.
b. Quá trình lịch sử phát triển của công nghệ NATM
Cho đến giữa thế kỉ 20, để làm vỏ chống giữ ổn định tạm thời cho các
đường hầm người ta vẫn sử dụng các phương pháp chống giữ truyền thống
với các kết cấu chống giữ bằng gỗ và sau này là bằng thép trước khi sử dụng
một kết cấu chống cố định cuối cùng bổ sung. Lớp vỏ chống cuối cùng này có
thể là vỏ chống xây (bằng gạch đá ...) hoặc bằng bê tông. Áp lực của đất đá
lên công trình phát triển do sự phân huỷ và sụt lún bất lợi của khối đá bao
quanh công trình. Đá sụt lún gây ra tải trọng bên ngoài lên vỏ chống chính là
tải trọng bản thân của đá lên vòm sụt lở. Kết quả là tồn tại những loại tải trọng
không theo một qui luật nào cả với cường độ lớn tác dụng lên lớp vỏ chống
dày của công trình. Tại thời điểm đó với sự phát triển của công nghệ xây dựng
công trình ngầm thì các nhà khoa học xây dựng đã hiểu sự cần thiết phải giảm
biến dạng của khối đá nhằm sử dụng tốt khả năng mang tải của khối đá, cũng

15

như hiểu được mối tác động qua lại giữa sức kháng của vỏ chống và biến
dạng.
Phương pháp NATM (New Austrian Tunnelling Method) được phát
triển trên cơ sở kinh nghiệm của một số phương pháp cũ trước đó. Trong phát
minh của mình giáo sư Ladislaus von Rabcewicz đã nêu lên điều cốt lõi trong
nguyên tắc NATM là sử dụng một kết cấu chống sơ bộ (chống ngay sau khi
đào) có tính linh hoạt cao để đạt được trạng thái cân bằng mới thay thế cho
trạng thái cân bằng cũ đã bị phá vỡ. Công việc này được thực hiện bằng công
tác đo đạc và quan trắc hiện trường, Sau khi đạt được trạng thái cân bằng mới,
lớp vỏ chống bên trong sẽ thi công lắp dựng (lớp vỏ chống cuối cùng thường
là bê tông đổ tại chỗ). Trong một số trường hợp đặc biệt có thể không cần
dùng lớp vỏ này (Hình 1.7).

Hình 1.7: Thi công hầm theo phương pháp NATM tại hầm đèo Cả
Từ năm 1956-1958, lần đầu tiên các đường hầm tiết diện lớn đã được
xây dựng tại Venezuela do Rabcewicz thực hiện theo nguyên tắc của NATM.
Tại Áo việc áp dụng đầu tiên của phương pháp NATM là vào những năm 50
của thế kỉ 20 cho các đường hầm thuỷ lợi nhỏ.
Vào năm 1963, phương pháp NATM đã được giới thiệu tại cuộc hội
thảo về cơ học đá tổ chức tại Salzburg. Phương pháp được gọi là “mới” bởi vì