Nghiên cứu giải pháp xử lý khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ................................................................................ v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .....................................................................................viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ................... ix
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM VÀ CÁC SỰ CỐ HAY XẢY RA
KHI ĐÀO HẦM ......................................................................................................... 4
1.1

Tổng quan về đường hầm ở Việt Nam ............................................................ 4

1.1.1

Khái niệm và phân loại về đường hầm thủy lợi, thủy điện ........................ 4

1.1.2

Hình thức mặt cắt ngang của đường hầm ................................................. 7

1.1.3

Các yếu tố quyết định đến an toàn và chất lượng đường hầm ................... 9

1.2

Các sự cố hay xảy ra khi đào hầm ................................................................... 9

1.2.1

Một số ví dụ về sự cố khi thi công đường hầm ở Việt Nam ...................... 9

1.2.2

Các sự cố hay xảy ra khi đào hầm .......................................................... 13

1.2.3

Ảnh hưởng của sự cố khi đào hầm ......................................................... 14

1.3

Kết luận chương 1 ........................................................................................ 15

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN SẠT TRƯỢT VÀ GIẢI PHÁP
XỬ LÝ KHI ĐÀO ĐƯỜNG HẦM .......................................................................... 16
2.1

Nguyên nhân sạt trượt khi đào hầm .............................................................. 16

2.1.1

Địa chất công trình ................................................................................. 16

2.1.2

Chất lượng hồ sơ khảo sát thiết kế.......................................................... 18

2.1.3

Tay nghề và chất lượng của nhà thầu thi công ........................................ 18

2.1.4

Công tác quản lý và giám sát.................................................................. 18

2.2

Lý thuyết về các giải pháp xử lý khi đào hầm qua vùng địa chất xấu ............ 19

2.2.1

Áp lực đá lên hệ chống đỡ công trình ngầm ........................................... 19

2.2.2

Phân tích quan hệ đá – hệ chống đỡ (Lời giải của Ladanyi) .................... 24

2.2.3

Các giải pháp gia cố và chống đỡ theo phương pháp NATM.................. 35

2.2.4

Phương pháp đánh giá chất lượng đá ...................................................... 38

2.2.5

Biến dạng và ứng suất ban đầu khi đào hầm ........................................... 43

2.3

Giải pháp xử lý khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu ........................... 47

2.3.1

Các phương pháp thi công đào đường hầm............................................. 47

iii


2.3.2

Giải pháp xử lý khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu..................... 48

2.3.3

Giải pháp xử lý khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu - hầm bị sạt . 56

2.3.4

Giải pháp gia cố vĩnh cửu cho đoạn hầm đi qua vùng địa chất xấu ......... 56

2.4

Kết luận chương 2 ........................................................................................ 63

CHƯƠNG 3 : GIẢI PHÁP XỬ LÝ KHI ĐÀO ĐƯỜNG HẦM QUA VÙNG ĐỊA
CHẤT XẤU THỦY ĐIỆN BẢO LỘC .................................................................... 64
3.1

Giới thiệu về công trình thủy điện Bảo Lộc .................................................. 64

3.1.1

Vị trí và nhiệm vụ công trình ................................................................. 64

3.1.2

Quy mô các hạng mục công trình ........................................................... 64

3.2

Giải pháp xử lý khối sạt đường hầm thủy điện Bảo Lộc................................ 69

3.2.1

Đặt vấn đề .............................................................................................. 69

3.2.2

Giải pháp xử lý để đào khối sạt .............................................................. 71

3.2.3

Tính toán kết cấu gia cố tạm và các giải pháp chi tiết để đào khối sạt..... 71

3.3

Giải pháp kết cấu vỏ hầm cho đoạn địa chất xấu ........................................... 95

3.4

Kết luận chương 3 ...................................................................................... 100

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 105
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 107

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các hình thức mặt cắt ngang đường hầm không áp........................................ 8
Hình 1.2 Các hình thức mặt cắt ngang đường hầm có áp.............................................. 8
Hình 1.3 Sạt gương hầm tại K0+16 thủy điện Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng .................... 10
Hình 1.4 Sạt gương hầm tại K3+640 thủy điện Buôn Kuôp, tỉnh Đăk Lăk ................. 10
Hình 1.5 Sạt gương hầm tại K0+56 thủy điện Sông Giang 2, tỉnh Khánh Hòa ........... 11
Hình 1.6 Sạt gương hầm tại K1+50 thủy điện Đồng Nai 3 tỉnh Đăk Nông ................. 11
Hình 1.7 Nước ngầm tại K1+50 thủy điện Sông Bung 2 tỉnh Quảng Nam ................. 12
Hình 1.8 Nước ngầm tại hầm dẫn dòng thủy điện Sông Bung 2 tỉnh Quảng Nam ...... 12
Hình 2.1 Quan hệ giữa cường độ kháng nén của khối đá và ứng suất ban đầu ............ 17
Hình 2.2 Trạng thái đơn trục ...................................................................................... 19
Hình 2.3 Biến dạng của đỉnh vòm .............................................................................. 20
Hình 2.4 Tập trung ứng suất ...................................................................................... 20
Hình 2.5 Trượt tường hầm ......................................................................................... 20
Hình 2.6 Vùng biến dạng trên đỉnh ............................................................................ 21
Hình 2.7 Diễn biến quá trình Đào – Chống đỡ ........................................................... 23
Hình 2.8 Mối quan hệ giữa đá và hệ chống đỡ ........................................................... 23
Hình 2.9 Dạng hình học và trạng thái ứng suất của đường hầm tiết diện tròn ............. 25
Hình 2.10 Tiêu chuẩn phá hủy của khối đá nguyên dạng và đá trong vùng phá hủy ... 25
Hình 2.11 Biểu đồ ứng suất và biến dạng của đá quanh đường hầm ........................... 28

Hình 2.12 Nêm đá rơi và trượt khỏi mặt gương đào ................................................... 33
Hình 2.13 Neo gia cố ổn định vòm đá ........................................................................ 35
Hình 2.14 Đường cong chuyển vị đá .......................................................................... 36
Hình 2.15 Phản ứng của hệ thống gia cố theo chuyển vị của tường hầm .................... 38
Hình 2.16 Biểu đồ phân loại đá theo phương pháp Lauffer ........................................ 40
Hình 2.17 Quan hệ giữa biến dạng và ứng suất bản thân ban đầu của đường hầm ...... 44
Hình 2.18 Các biện pháp đào phá mặt gương ............................................................. 45
Hình 2.19 Hình thức gia cố hầm bằng phun bê tông................................................... 50

v


Hình 2.20 Hình thức gia cố hầm bằng phun bê tông + neo đá .................................... 52
Hình 2.21 Hình thức gia cố hầm bằng khung chống ................................................... 55
Hình 2.22 Sơ đồ tính áp lực núi đá [1] ....................................................................... 59
Hình 3.1: Cắt dọc đường hầm thủy điện Bảo Lộc ...................................................... 68
Hình 3.2: Cắt ngang đường hầm thủy điện Bảo Lộc................................................... 68
Hình 3.3 Cắt dọc khối sạt đường hầm ........................................................................ 69
Hình 3.4 Chính diện khối sạt nhìn từ mặt gương ........................................................ 70
Hình 3.5 Khối sạt nhìn từ đỉnh mặt đất tự nhiên ......................................................... 70
Hình 3.6 Đường cong đặc tính chuyển vị của khối đất đá sạt ..................................... 73
Hình 3.7 Đường cong đặc tính của khối đá và áp lực chống đỡ .................................. 73
Hình 3.8 Cắt dọc xử lý bước 1 ................................................................................... 75
Hình 3.9 Mặt khối sạt sau khi xử lý bước 1................................................................ 75
Hình 3.10 Cắt dọc bố trí khoan phụt cứng hóa khối sạt bước 2 .................................. 78
Hình 3.11 Khoan phụt cứng hóa khối sạt từ trên đỉnh hầm ......................................... 78
Hình 3.12 Mô hình cắt ngang đường hầm .................................................................. 80
Hình 3.13 Ứng suất ban đầu khu vực hầm trước khi đào ............................................ 80
Hình 3.14 Chuyển vị hầm khi đào toàn tiết diện ........................................................ 81
Hình 3.15 Ứng suất hầm khi đã được gia cố khung chống thép hình .......................... 81

Hình 3.16 Các giai đoạn đào phá một mặt gương ....................................................... 83
Hình 3.17 Chuyển vị hầm khi đào giai đoạn 1 ........................................................... 83
Hình 3.18 Chuyển vị hầm đào giai đoạn 2 U=3,85cm ................................................ 84
Hình 3.19 Chuyển vị hầm khi đào giai đoạn 3 U=3,0cm ............................................ 84
Hình 3.20 Chuyển vị hầm khi đào giai đoạn 4 ........................................................... 84
Hình 3.21 Ứng suất hầm khi đào giai đoạn 1/bước 1 .................................................. 85
Hình 3.22 Mô hình thép neo vượt trước ..................................................................... 87
Hình 3.23 Chuyển vị hầm khi có neo vượt trước ........................................................ 87
Hình 3.24 Mô hình tính toán neo vượt trước .............................................................. 89
Hình 3.25 Chuyển vị dọc hầm khi không gia cố, bước đào 1m .................................. 89
Hình 3.26 Chuyển vị dọc hầm khi có gia cố neo vượt trước bước đào 1m.................. 90
Hình 3.27 Ứng suất trong thép neo vượt trước, bước đào 1m. .................................... 90

vi


Hình 3.28 Cắt dọc đào và gia cố khối sạt ................................................................... 91
Hình 3.29 Mô hình tính toán khung chống thép hình H150, Bê tông M200 dày 15cm 93
Hình 3.30 Kết quả chuyển vị của hệ gia cố tạm ......................................................... 93
Hình 3.31 Kết quả ứng suất Smax, Smin trong khung chống thép hình ...................... 94
Hình 3.32 Kết quả ứng suất Smax, Smin trong bê tông chèn M200 dày 15cm ........... 94
Hình 3.33 Mô hình tính toán vỏ hầm khi có xét đến gia cố tạm.................................. 96
Hình 3.34 Mô hình tính toán vỏ hầm khi không xét đến gia cố tạm............................ 96
Hình 3.35 Mô hình tính toán vỏ hầm khi có xét đến gia cố tạm.................................. 97
Hình 3.36 Ứng suất theo phương x –Sxx(kN/m2) ..................................................... 107
Hình 3.37 Ứng suất theo phương y –Syy(kN/m2) ..................................................... 107
Hình 3.38 Ứng suất theo phương x –Sxx(kN/m2) ..................................................... 108
Hình 3.39 Ứng suất theo phương y –Syy(kN/m2) ..................................................... 108
Hình 3.40 Ứng suất theo phương x –Sxx(kN/m2) ..................................................... 109
Hình 3.41 Ứng suất theo phương y –Syy(kN/m2) ..................................................... 109

Hình 3.42 Ứng suất theo phương x –Sxx(kN/m2) ..................................................... 110
Hình 3.43 Ứng suất theo phương y –Syy(kN/m2) ..................................................... 110

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các đường hầm thủy lợi - thủy điện đã xây dựng ở Việt Nam trong khoảng
20 năm trở lại đây ........................................................................................................ 6
Bảng 2.1 Phân loại nhóm đá theo Bieniawski ............................................................ 41
Bảng 2.2 Các khối đá được phân loại theo phương pháp “Hệ thống Q” ..................... 43
Bảng 2.3 Hệ số lệch tải khi tính toán lớp lót đường hầm [9] ...................................... 57
Bảng 2.4 Hệ số kiến cố của các loại đất đá [9] ........................................................... 58
Bảng 2.5 Bảng tra trị số Ka [1] .................................................................................. 60
Bảng 3.1 Các thông số công trình thủy điện Bảo Lộc................................................. 67
Bảng 3.2 Chỉ tiêu, đặc tính của khối sạt và hiện trạng thi công như sau: .................... 71
Bảng 3.3 Chỉ tiêu cơ lý của vùng ảnh hưởng như sau:................................................ 71
Bảng 3.4 Chỉ tiêu cơ lý khối sạt trước và sau khoan phụt ........................................... 77
Bảng 3.5 Chỉ tiêu cơ lý của khối đất đá sạt trước và sau khi được gia cố.................... 91
Bảng 3.6 Trường hợp, tổ hợp và các lực tác dụng lên vỏ hầm trong tính toán ............ 97
Bảng 3.7 Kết quả tính toán nội lực và cốt thép vỏ hầm .............................................. 99
Bảng 3.8 Bảng so sánh giải pháp xử lý đào hầm thực tế trước đây ........................... 101

viii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
ĐHTL Đại học Thủy lợi
LVThS Luận văn Thạc sĩ
GS.TS Giáo sư Tiến sĩ

NXB Nhà xuất bản
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
TCN Tiêu chuẩn ngành
QCVN Quy chuẩn Việt Nam
BTCT Bê tông cốt thép

ix


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài
Trong thời gian qua, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành thủy lợi - thủy điện, ở nước
ta đã tiến hành xây dựng và đưa vào khai thác nhiều loại đường hầm thủy công trên
các hệ thống thủy điện, thủy lợi, thủy nông, cấp thoát nước ... Trong thiết kế và xây
dựng các đường hầm thủy công đã cập nhật và áp dụng có kết quả nhiều kinh nghiệm
cũng như công nghệ tiên tiến của thế giới.
Đường hầm thủy công là một dạng công trình thủy đặc biệt được xây dựng bằng cách
đào trong đất, đá núi và dùng để dẫn nước, tháo nước phục vụ cho những mục đích
khác nhau. Việc thiết kế và xây dựng đường hầm thủy công đòi hỏi các kiến thức về
công trình ngầm (đào và gia cố vỏ hầm trong đất, đá) và công trình thủy, tức công
trình chịu tác dụng trực tiếp của nước từ cả phía trong và phía ngoài.
Tuy nhiên do các đường hầm nằm sâu dưới đất nên công tác khảo sát như thu thập
bình đồ địa chất khu vực, khoan dọc tuyến đường hầm, địa vật lý ... cũng không đánh
giá hết được điều kiện địa chất phức tạp của đường hầm để có giải pháp thiết kế và thi
công phù hợp.
Mặt khác, trình độ thiết kế và thi công hầm ở nước ta tuy đã có bước tiến đáng kể so
với trước kia, song việc đào hầm qua vùng địa chất xấu vẫn là vấn đề cần quan tâm
đặc biệt để tránh những sự cố đáng tiếc dẫn đến tổn thất về người và tài sản. Tồn tại
lớn nhất hiện nay là các đơn vị thiết kế và thi công thường chưa chủ động trong việc
xác định vị trí của các vùng này mà chỉ khi xảy ra sự cố mới dừng lại để đưa ra các

giải pháp khắc phục dẫn đến bị động đối phó và chịu những tổn thất không đáng có,
cũng như làm chậm tiến độ thi công.
Xem xét trình tự khảo sát, thiết kế các đường hầm phổ biến ở nước ta hiện nay có thể
thấy:
-

Ở phần lớn các đường hầm thường chỉ khoan khảo sát tại các vị trí cửa vào, cửa ra
và cục bộ trên tuyến đường hầm. Các đới địa chất, đường mặt đá được lập và nối

1


với nhau dựa trên các hố khoan địa chất. Các vùng địa chất xấu hoặc đứt gẫy được
xác định dựa trên địa hình, địa mạo, do đó không thể chuẩn xác về vị trí, kích
thước, chỉ tiêu cơ lý ...
-

Đối với các đường hầm có quy mô lớn, giá trị đầu tư cao thì trước khi khoan
thường tiến hành khảo sát địa vật lý, tuy vậy kết quả địa vật lý cũng không mô tả
chính xác kích thước của các vùng địa chất xấu, trong khi đó do hạn chế về mặt tài
chính số lỗ khoan cũng phải giới hạn.

-

Hiểu biết về địa chất dọc tuyến hầm bị hạn chế bởi kết quả khảo sát, trong khi đó
giải pháp thiết kế để đào hầm qua vùng địa chất xấu lại phụ thuộc vào kết quả khảo
sát.

Thông thường, để tránh tụt nóc, sạt gương hoặc vách, khi đào hầm qua các vùng địa
chất xấu có thể áp dụng các biện pháp như sử dụng neo vượt trước, dùng khung chống,

khoan phụt đông cứng hóa mặt gương v.v. Trường hợp không kịp gia cố để hầm bị sạt
thì phải chặn chân khối sạt, chống đỡ để ổn định nóc và vách hầm sau đó áp dụng các
biện pháp như trên để đào tiếp. Nguyên lý chung thì như vậy, nhưng áp dụng biện
pháp nào và cụ thể như thế nào thì phải căn cứ vào tình hình địa chất cụ thể, so sánh về
mặt kinh tế và xem xét về khả năng thi công và thiết bị hiện có của nhà thầu.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tổng kết, đánh giá công tác đào hầm, qua đó thấy được những hạn chế đối với các giải
pháp khi đào hầm qua vùng địa chất xấu
Đưa ra giải pháp khi đào hầm qua vùng địa chất xấu, giải pháp khắc phục và đào tiếp
khi xảy ra sự cố tụt nóc, sạt gương hoặc vách. Các giải pháp gia cố cho hầm.
Đề xuất, chọn giải pháp khi đào hầm qua vùng địa chất xấu của đường hầm thủy điện
Bảo Lộc.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
3.1 Cách tiếp cận:
-

Tiếp cận toàn diện, hệ thống, thực tiễn tổng hợp: Có rất nhiều nhân tố tự nhiên, con
2


người, máy móc ảnh hưởng tới công tác thi công hầm như cường độ của đá, hệ
thống và chiều rộng khe nứt, chỉ tiêu cơ lý của đá, hệ thống và lưu lượng nước
ngầm, thế nằm của đá, hệ số kiên cố của đá, máy khoan đào, máy khoan gia cố, vật
liệu gia cố .v.v. Do vậy để đạt được mục tiêu của đề tài đòi hỏi phải xem xét tiếp
cận các vấn đề nghiên cứu một cách toàn diện, hệ thống, thực tiễn và tổng hợp.
-

Cách tiếp cận từ tổng thể đến chi tiết: Xem xét nghiên cứu từ tổng thể đến các giải
pháp cụ thể áp dụng cho công trình.

-

Cách tiếp cận kế thừa, chọn lọc kinh nghiệm tri thức đã có liên quan đến đề tài:
Vấn đề nghiên cứu các giải pháp thiết kế xử lý đã có nhiều nghiên cứu cả ở trong
và ngoài nước, luận văn sẽ kế thừa chọn lọc các kinh nghiệm từ các công trình
nghiên cứu đã có.

3.2 Phương pháp nghiên cứu
-

Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập tài liệu;

-

Phương pháp kế thừa và chọn lọc các nghiên cứu trước đây có liên quan đến đề tài;

-

Phương pháp tính toán lý thuyết;

-

Phương pháp tham vấn chuyên gia.

3.3 Dự kiến kết quả đạt được
-

Đưa ra giải pháp khi đào hầm qua vùng địa chất xấu

-

Đưa ra giải pháp khắc phục khi xảy ra sự cố tụt nóc, sạt gương hoặc vách và đào
tiếp

-

Áp dụng cụ thể cho đường hầm thủy điện Bảo Lộc.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM VÀ CÁC SỰ CỐ HAY
XẢY RA KHI ĐÀO HẦM
1.1

Tổng quan về đường hầm ở Việt Nam

1.1.1

Khái niệm và phân loại về đường hầm thủy lợi, thủy điện

1.1.1.1 Công trình ngầm
Định nghĩa: công trình ngầm là công trình nhân tạo, xây dựng dưới mặt đất nhằm phục
vụ cho các mục đích khác nhau của con người.
Phân loại: Công trình ngầm có các dạng: Thẳng đứng, nằm ngang, nằm xiên
1.1.1.2 Đường hầm
Định nghĩa: Đường hầm là dạng phổ biến nhất của công trình ngầm được bố trí nằm
ngang, thẳng đứng hoặc nghiêng, có chiều dài lớn hơn nhiều so với các kích thước còn
lại, được xây dựng nhằm mục đích giao thông, thủy lợi, thủy điện, cấp thoát nước, bố
trí các mạng lưới hạ tầng kĩ thuật của thành phố

Phân loại đường hầm:
a. Phân theo mục đích sử dụng:
-

Công trình hầm giao thông

-

Hầm thủy lợi

-

Hầm thủy điện

-

Hầm kĩ thuật đô thị

-

Hầm mỏ

-

Hầm có mục đích đặc biệt: hầm phục vụ cho mục đích quân sự, nhà máy, kho tàng,
bể chứa ngầm

b. Phân theo địa hình và khu vực xây dựng công trình:
-

Hầm qua đồi, núi
4


-

Hầm dưới nước

-

Hầm thành phố

c. Phân loại theo độ sâu công trình
-

Hầm nằm nông: h<20m hoặc 2-3 lần bề rộng hầm

-

Hầm nằm sâu

d. Phân loại theo phương pháp thi công
-

Đào hở

-

Đào kín

-

Hầm dìm

e. Phân loại theo chế độ chảy khi dẫn nước
-

Hầm có áp

-

Hầm không áp

1.1.1.3 Quá trình xây dựng đường hầm ở Việt Nam
Công trình thủy điện Hòa Bình được khởi công năm 1979 với nhà máy ngầm đặt trong
đường hầm, là một trong những đường hầm được xây dựng đầu tiên của Việt Nam sau
ngày đất nước giải phóng. Trong thời gian qua, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành
thủy lợi - thủy điện, ở nước ta đã tiến hành xây dựng và đưa vào khai thác nhiều loại
đường hầm thủy công trên các hệ thống thủy lợi, thủy điện, cấp thoát nước ... Trong
thiết kế và xây dựng các đường hầm thủy công đã cập nhật và áp dụng có kết quả
nhiều kinh nghiệm cũng như công nghệ tiên tiến của thế giới.
Bảng thống kê các công trình đường hầm thủy lợi - thủy điện đã được xây dựng ở Việt
Nam trong khoảng 20 năm trở lại đây [1]:

5


Bảng 1.1 Các đường hầm thủy lợi - thủy điện đã xây dựng ở Việt Nam trong khoảng
20 năm trở lại đây
TT

Tên công trình

Tỉnh

Công suất lắp
máy (MW)

Chiều dài
hầm (km)

Đường kính
trong hầm (m)

1

Hòa Bình

Hòa Bình

1920

8x0,45

8,0

2

Đa Nhim

Lâm Đồng

160

5,0

4,0

3

Yaly

Gia Lai

720

2x3,85

7,0

4

Thác Mơ

Bình Phước

75

0,8

4,5

5

Hàm Thuận

Lâm Đồng

300

3,6

7,0

6

Đa Mi

Lâm Đồng

173

2,3

7,0

7

A Vương

Quảng Nam

210

5,3

5,2

8

Ea Krông

Phú Yên

64

1,9

4,5

9

Đại Ninh

Lâm Đồng

300

11,0

4,4

10

Quảng Trị

Quảng Trị

70

5,6

3,0

11

Buôn Kuôp

Đăk Lăk

280

2x4,7

7,0

12

Srê Pôk 3

Đăk Lăk

220

2x0,6

8,0

13

Sông Tranh 2

Quảng Nam

190

1,8

8,5

14

Đăk Mi 1

Quảng Nam

250

10,0

5,0

15

Za Hưng

Quảng Nam

28

1,7

5,0

16

Bắc Bình

Bình Thuận

33

2,5

4,5

17

Nậm Chim

Sơn La

16

2,5

2,5

18

Nậm Chiến

Sơn La

210

11,13

3,8

19

Trạm Tấu

Yên Bái

36

5,9

3,2

20

Cửa Đạt

Thanh Hóa

90

0,82

9,0

21

Bản Vẽ

Nghệ An

340

0,7

8,0

22

Hủa Na

Nghệ An

180

4,0

7,0

23

Huội Quảng

Sơn La

540

4,0

7,0

24

Thượng Kon Tum

Kon Tum

250

12,0

3,6

25

Đăk đrinh

Quảng Ngãi

125

10,58

4,0

6


1.1.2

Hình thức mặt cắt ngang của đường hầm

Có rất nhiều dạng mặt cắt ngang của đường hầm, kích thước mặt cắt ngang phụ thuộc
vào: Nhu cầu khai thác, điều kiện vận hành, điều kiện thi công, điều kiện địa chất và
được lựa chọn dựa trên so sánh kinh tế kỹ thuật.
Các đường hầm không áp thường sử dụng dạng chữ U ngược có thay đổi bán kính ở
trên vòm để giảm khối lượng đào.
Các đường hầm có áp ở Việt Nam chủ yếu sử dụng hai loại mặt cắt ngang chính là
hình tròn (giai đoạn đào hình móng ngựa) và hình chữ U ngược.
-

Mặt cắt hình tròn có ưu điểm là chịu lực tốt, tổn thất thủy lực nhỏ, giá thành thấp
tuy nhiên khó thi công. Nó thường được áp dụng với những đường hầm lớn có
đường kính trong lớn hơn 5m

-

Mặt cắt hình chữ U ngược có ưu điểm là dễ thi công, dễ vận hành nhưng có nhược
điểm là tổn thất lớn. Nó thường được áp dụng với những đường hầm nhỏ mà khó
làm hình tròn được.

7


Hình 1.1 Các hình thức mặt cắt ngang đường hầm không áp

Hình 1.2 Các hình thức mặt cắt ngang đường hầm có áp

8


1.1.3

Các yếu tố quyết định đến an toàn và chất lượng đường hầm

Các yếu tố quyết định đến an toàn và chất lượng đường hầm:
-

Công tác khảo sát: Bao gồm khảo sát địa hình, khảo sát địa chất (khoan, đào, địa
vật lý ...). Công tác khảo sát rất quan trọng vì nếu khảo sát đánh giá sai về điều
kiện địa hình, địa chất công trình, địa chất thủy văn, các khu vực địa chất xấu, các

chỉ tiêu cơ lý của đất đá .v.v. sẽ dẫn tới công tác thiết kế không đúng với điều kiện
thực tế. Do đó công tác khảo sát đường hầm cần phải đạt độ chính xác cao.

-

Công tác thiết kế: Nếu công tác khảo sát đúng mà các giải pháp thiết kế sai thì sẽ
ảnh hưởng tới chất lượng đường hầm, do đó công tác thiết kế yêu cầu phải chuẩn
xác, đặc biệt là có các giải pháp phù hợp với khu vực địa chất xấu.

-

Công tác thi công: Cần được thực hiện theo đúng hồ sơ thiết kế được duyệt.

-

Công tác giám sát: Công tác giám sát cần được giám sát để nhà thầu thực hiện công
tác đào, gia cố theo đúng hồ sơ thiết kế, thi công theo đúng hộ chiếu nổ mìn và biện
pháp thi công đã được phê duyệt.

-

Công tác duy tu bảo dưỡng: Công tác kiểm tra duy tu bảo dưỡng được thực hiện
trong quá trình vận hành, theo định kỳ, phải tháo cạn nước để kiểm tra đường hầm,
nếu thấy có hiện tượng đất đá bị sạt trượt thì phải đánh giá và có biện pháp xử lý
khẩn trương.

1.2

Các sự cố hay xảy ra khi đào hầm

1.2.1

Một số ví dụ về sự cố khi thi công đường hầm ở Việt Nam

Có rất nhiều sự cố đã xảy ra khi đào hầm thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam phải dừng lại
để xử lý, làm chậm tiến độ thi công, tăng khối lượng và giá thành công trình, sau đây
là các ví dụ tiêu biểu:

9


Hình 1.3 Sạt gương hầm tại K0+16 thủy điện Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng

Hình 1.4 Sạt gương hầm tại K3+640 thủy điện Buôn Kuôp, tỉnh Đăk Lăk

10


.
Hình 1.5 Sạt gương hầm tại K0+56 thủy điện Sông Giang 2, tỉnh Khánh Hòa

Hình 1.6 Sạt gương hầm tại K1+50 thủy điện Đồng Nai 3 tỉnh Đăk Nông

11


Hình 1.7 Nước ngầm tại K1+50 thủy điện Sông Bung 2 tỉnh Quảng Nam

Hình 1.8 Nước ngầm tại hầm dẫn dòng thủy điện Sông Bung 2 tỉnh Quảng Nam

12


1.2.2

Các sự cố hay xảy ra khi đào hầm

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 khoan thăm dò, xác định địa chất của tuyến hầm không thể dọc
theo cả tuyến đường hầm mà chỉ khoan từng điểm, nên địa chất giữa hai hố khoan
không thể xác định chính xác được, còn đối với công tác địa vật lý mặc dù xác định
được vùng địa chất xấu nhưng không thể đúng 100% và cũng không đưa ra được các
chỉ tiêu cơ lý để phục vụ công tác tính toán, còn công tác khoan ngang để lấy nõn kiểm
tra địa tầng trước khi đào hầm thì ở Việt Nam chưa có.
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 là do đứt gãy kiến tạo, sóng dọc thấp, nước ngầm nhiều,
khe nứt lớn nhưng nhiều nhất vẫn là do đứt gãy kiến tạo. Tùy theo loại đứt gãy mà
chiều rộng đới phá hủy, vùng ảnh hưởng 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 trong quá trình thi công nhiều nhất và cũng gây tổn thất
nhiều nhất về kinh tế, kể cả tính mạng của con người.
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 đào bằng breaker. Ở những vị
trí này khối đá yếu, đôi khi là đất 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.

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 cùng với 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 công trình thủy điện.
13


Các sự cố thường xảy ra khi đào hầm qua vùng địa chất xấu:
-

Khi vừa đào hầm xong chưa kịp gia cố, đất đá ở vòm hầm và vách hầm sạt xuống
cục bộ hoặc toàn bộ lấp đầy mặt gương hầm, không thể tiếp tục thi công được nếu
chưa được xử lý và xúc bỏ khối sạt.

-

Khi hầm đã đào xong một thời gian dài, do ảnh hưởng của công tác nổ mìn hoặc đá
phiến sét khi tiếp xúc với không khí và nước sẽ giảm cường độ làm cho đất đá ở
vòm hầm và vách hầm sạt xuống cục bộ hoặc toàn bộ lấp đầy mặt gương hầm,
không thể tiếp tục thi công được nếu chưa được xử lý và xúc bỏ khối sạt.

-

Khi đào hầm và đã gia cố tạm xong, tuy nhiên do ảnh hưởng của thời tiết hoặc
công tác gia cố chưa đủ làm cho các hệ thống gia cố tạm bị phá hủy tạo, đất đá trên
đỉnh hầm rơi xuống.

-

Khi đào hầm thì gặp mạch nước ngầm lớn chảy ra làm ngập đường hầm, mạch
nước liên thông với các khe suối ở mặt đất tự nhiên.

1.2.3

Ảnh hưởng của sự cố khi đào hầm

Đối với công tác thi công hầm, khi có sự cố xảy ra dù lớn hay nhỏ đều ảnh hưởng trực
tiếp tới tiến độ, chi phí công trình
-

Tiến độ thi công: Khi thi công hầm khi xảy ra sự cố thì phải dừng lại để xử lý khối
sạt và gia cố tạm an toàn thì mới thi công tiếp tục được, ngoài ra khi bị sự cố thì
toàn bộ đường hầm hướng đào đó phải dừng lại không thi công tiếp tục được. Vì
vậy sự cố làm chậm tiến độ thi công công trình

-

Chi phí đầu tư: Do chậm tiến độ nên công trình phải đưa vào sử dụng muộn so với
tiến độ dự kiến ban đầu, do đó làm tăng thêm chi phí cho công trình do phải trả lãi
vay trong thời gian thi công, phải thêm chi phí xử lý khu vực sạt trượt, phải tăng
chi phí xử lý vỏ hầm vĩnh cửu khu vực xảy ra sự cố …

-

Con người, vật tư thiết bị: Đối với các sự cố xảy ra khi đang thi công thì làm cho
thiết bị hư hỏng nặng, có những trường hợp sạt lở thì gây thiệt hại về tính mạng
con người, thiết bị thi công hầm hư hỏng không thể sử dụng được.

14

Mặc dù công tác địa vật lý đã mô tả gần chính xác vùng địa chất xấu để có các giải
pháp phòng tránh sạt trượt khi thi công, tuy nhiên do ảnh hưởng của nổ mìn cũng như
tay nghề thi công của nhà thầu, giải pháp thiết kế, hoặc khi mở gương hầm thì ứng suất
sinh ra khi khai đào lớn hơn ứng suất cho phép của đá … cho nên khi đào đường hầm
vẫn xảy ra các sự cố sạt trượt. Nếu không có công tác xử lý các khối sạt kịp thời thì
hậu quả của nó xảy ra sẽ rất lớn, gây thiệt hại về người và thiết bị, làm chậm tiến độ
thi công, tăng chi phí đầu tư công trình. Do đó công tác xử lý khi đào hầm qua vùng
địa chất xấu, đặc biệt là các khối sạt đã xảy ra là hết sức cần thiết.
1.3

Kết luận chương 1

Có rất nhiều sự cố hay xảy ra khi đào hầm, tuy nhiên sự cố hay xảy ra nhất là đất đá
gương đào (đỉnh hầm, vách hầm, mặt gương) bị sạt trượt xuống. Đối với các sạt trượt
nhỏ như tụt nóc một phần, sạt mặt gương một phần, sạt vách một phần thì chỉ cần đào
xúc khối sạt, gia cố chắc chắn là có thể đào tiếp và đi qua được. Tuy nhiên đối với
những khối sạt lớn, liên thông tới mặt đất tự nhiên ở trên đỉnh hầm thì không thể đào
xúc rồi gia cố tạm được vì khi đào xúc khối sạt đến đâu, đất đá càng sạt xuống đến
đấy, do đó phải có các xử lý khối sạt để khi đào hầm tiếp đất đá không bị rơi xuống rồi
mới đưa các giải pháp gia cố tạm, đào gương hầm tiếp theo và gia cố vĩnh cửu.
Trong luận văn này tập trung nghiên cứu công tác “Giải pháp xử lý khi đào đường
hầm qua vùng địa chất xấu” đối với trường hợp: Đào qua vùng địa chất xấu khi đường
hầm đã bị sạt, các giải pháp xử lý khối sạt để đào hầm tiếp, các giải pháp gia cố tạm,
các giải pháp gia cố vĩnh cửu.

15

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN SẠT TRƯỢT VÀ GIẢI
PHÁP XỬ LÝ KHI ĐÀO ĐƯỜNG HẦM
2.1

Nguyên nhân sạt trượt khi đào hầm

2.1.1

Địa chất công trình

2.1.1.1 Khái niệm về địa chất xấu
Khi thi công đào đường hầm đến vùng mà có khả năng gây ra sạt lở, hoặc làm sạt lở
gương hầm khi không kịp gia cố thì gọi là địa chất xấu. Các vùng địa chất xấu có thể
gây sạt trượt khi thi công là: Các đứt gãy kiến tạo ở đó đất đá bị vò nhàu vỡ vụn; các
khu vực nứt nẻ nhiều ở đó các khe nứt giao nhau tạo thành các nêm đá; các mạch nước
ngầm lớn có khả năng đẩy đá ra ngoài, các khu vực sóng dọc thấp, các hang Karst ...
-

Đới phá hủy kiến tạo (Đứt gãy): Đây là hiện tượng hay gặp nhất khi đào đường
hầm, ở khu vực đứt gãy đất đá bị vò nhàu nát vụn thành những viên đá nhỏ mà khi
đào đường hầm đến đất đá bị sạt lở ngay. Chiều dài ảnh hưởng từ vài mét đến hàng
trăm mét. Đới phá hủy có hai vùng là vùng nhân và vùng ảnh hưởng, vùng nhân là
đất đá bị vò nhàu vỡ vùn, vùng ảnh hưởng là vùng xấu chuyển tiếp từ đá tốt sang
vùng nhân. Tùy theo chiều dài của đới ảnh hưởng mà phân ra cấp I-V.

-

Mạch nước ngầm, túi nước: Khi đào hầm gặp mạch nước ngầm chảy ra, hoặc nước
ngầm tại các khu vực đá có nứt nẻ mạnh sẽ đẩy đá ra ngoài, trạng thái đá ban đầu
bị phá vỡ. Nước ngầm có thể là một túi nước cục bộ, hoặc có thể là một/nhiều vòi

nước liên thông với các mạch nước ngầm khác.

-

Nứt nẻ mạnh, sóng dọc thấp: Đá có nhiều khe nứt với độ rộng khe nứt khác nhau,
hướng nằm khác nhau, khi ta đào hầm gương hầm cắt các khe nứt này tạo thành
các nêm đá, làm cho đá có khả năng bị sạt xuống.

-

Đá bị phong hóa một phần/hoàn toàn thành đất: Khu vực đá bị phong hóa mãnh
liệt, hoặc phong hóa hoàn toàn thành đất, khi ta đào hầm ứng suất khai đào lớn hơn
cường độ kháng nén của đá là cho mặt gương bị sạt xuống.

-

Hang động cát tơ: Các hang động cát tơ có sẵn ở trong đá, khi ta đào hầm qua tạo
16


thành một hang động lớn hơn, làm cho đá bị sạt xuống.
2.1.1.2 Nguyên nhân sạt trượt do địa chất
Ổn định của hầm ở vùng địa chất xấu phụ thuộc vào tỷ số cường độ kháng nén của
khối đá (cm Rock mass strength) và ứng suất ban đầu của hầm (P0 in situ stress)
Tại các vùng địa chất xấu, chỉ tiêu cơ lý C (lực dính đơn vị),  (góc ma sát trong) của
đất đá quanh hầm nhỏ, do đó cường độ kháng nén khối đá (cm) nhỏ, cm=2cxcos/(1sin). Với 2000 bước tính toán thì có quan hệ giữa chuyển vị của hầm và tỷ số cm/P0

Phân trăm = (Chuyển vị / đường kính hầm)x100

được thể hiện hình dưới đây [12].

Cường độ kháng nén khối đá cm / ứng suất ban đầu P0

Hình 2.1 Quan hệ giữa cường độ kháng nén của khối đá và ứng suất ban đầu
Năm 1983 Sakurai đã đề nghị chuyển vị giới hạn của hầm là 1% đường kính hầm (D),
tuy nhiên thực tế có một số hầm có chuyển vị lên đến 5%D vẫn không có vấn đề gì về
mất ổn định [13].
Như vậy khi đào đường hầm qua vùng địa chất xấu, cường độ kháng nén của khối đá
nhỏ dẫn đến tỷ số cm/P0 nhỏ và chuyển vị đường hầm lớn, khi chuyển vị lớn hơn
1%D thì đường hầm có nguy cơ bị sạt trượt.

17


2.1.2

Chất lượng hồ sơ khảo sát thiết kế

Công tác khảo sát: Vì công tác khảo sát chỉ là khoan điểm nên không xác định được vị
trí chính xác địa chất xấu trong hầm, nên khi đào hầm đến vùng địa chất xấu ta không
biết trước để có các giải pháp xử lý.
Công tác thiết kế: Do công tác thiết kế không đưa ra các giải pháp hợp lý với điều kiện
địa chất thực tế như tính toán thiếu neo đá, không đủ số lượng vì chống, vì chống
không đủ chịu lực .v.v.
2.1.3

Tay nghề và chất lượng của nhà thầu thi công

Do nhà thầu thi công chưa có kinh nghiệm trong thi công hầm như: Không kịp gia cố
ngay theo yêu cầu của thiết kế, không có đủ thiết bị để thi công gia cố, cắm neo đá

song song với hướng khe nứt, dựng vì chống không sát vào mặt đá, thi công không đủ
khối lượng gia cố như thiết kế .v.v.
2.1.4

Công tác quản lý và giám sát

Do sức ép về tiến độ mà yêu cầu nhà thầu thi công nhanh không cần gia cố, đặc biệt là
dựng vì chống thép hình đối với các khu vực đặc biệt xấu, đưa ra các giải pháp xử lý
không phù hợp với thực tế, không kiểm soát chất lượng thi công của nhà thầu ...
Như vậy: Có rất nhiều nguyên nhân gây ra sạt trượt trong khi đào đường hầm: Do gặp
phải mạch nước ngầm; do gặp phải đứt gãy, đới phá hủy kiến tạo mà trong đó đất đá bị
vỡ vụn nhàu nát; gặp phải khu vực đá bị phong hóa hoàn toàn; gặp phải các khe nứt
giao nhau tạo thành nêm; do ảnh hưởng chấn động của công tác nổ mìn; do công tác
khảo sát không phản ánh đúng điều kiện địa chất thực tế, không xác định được các đứt
gãy trong hầm; do chất lượng của công tác thiết kế đưa ra các giải pháp không phù hợp
với địa chất thực tế; do tay nghề của nhà thầu thi công, không thi công đúng với đồ án
thiết kế, do công tác quản lý và thi công còn hạn chế .v.v.
Việc xác định nguyên nhân sạt trượt rất quan trọng trong quá trình xử lý đường hầm,
vì biết được nguyên nhân mới đưa ra được các giải pháp cụ thể để phù hợp với điều
kiện địa chất thực tế của công trình. Mặc dù có nhiều nguyên nhân sạt trượt như đã
nêu ở trên, nhưng nguyên nhân sạt trượt phổ biến nhất là do “địa chất xấu”.

18