Tài liệu KỸ THUẬT BƠM VỮA TRƯỚC TRONG THI CÔNG HẦM pptx

1
KỸ THUẬT BƠM VỮA TRƯỚC TRONG THI
CÔNG HẦM

Nguyễn Đức Toản
1

Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải


TÓM TẮT: Xây dựng công trình ngầm nói chung và xây dựng hầm nói riêng trong những
trường hợp nhất định đòi hỏi phải bơm vữa áp lực vào khối đá để gia cố khối đá hay ngăn
chặn nước ngầm giúp cho việc thi công có thể tiếp tục được. Bài viết này giới thiệu kỹ thuật
bơm vữa áp lực vào khối đá trước khi đào hầm, thảo luận khái niệm về “thiết kế” bơm vữa
trước cho hầm trong đá, một số chú ý trong thi công, và sơ bộ đánh giá hiệu quả của bơm
vữa trước.
TỪ THEN CHỐT: khối đá, bơm vữa trước, thi công hầm

ABSTRACT: Underground construction in general and tunnelling in particular requires in
certain cases the pre-excavation pressure grouting (pre-grouting/pre-injection) in order to
improve the rock mass or handle ground water ingress. This paper briefly presents the pre-
grouting technique for rock tunnels, on the details such as the “design” of grouting in rock
tunnels, introductory practical procedures, and crude quantification of the pre-grouting
effectiveness.
KEY WORDS: rock mass, pre-grouting, tunnelling


1. GIỚI THIỆU

1.1. Lý do phải bơm vữa trong thi công hầm

Khi thi công hầm nói chung, luôn có những sự kiện không lường trước được liên quan
đến điều kiện địa chất, hay còn gọi là những yếu tố rủi ro cao. Hai trong số những yếu tố
rủi ro cao là điều kiện đất đá gây ra mất ổn định cho gương đào, và khi gặp phải lượng
lớn nước ngầm dưới áp suất cao (Hình 1). Nước ngầm chả
y vào hầm với những lượng
nhỏ hơn cũng có thể gây ra nhiều vấn đề ở bên trong hầm hay cho môi trường bên ngoài.
Đó chính là những lý do phải bơm vữa trước để gia cố khối đá và đạt được yêu cầu về độ
kín nước cho công trình hầm.
Nước ngầm chảy vào hầm có thể kiểm soát hay xử lý bằng bơm tháo/thoát nước, bơm
vữa trước khi đào, hay bơm vữa sau khi đào h
ầm, hoặc phương án kết hợp. Bài viết này
chỉ đề cập đến biện pháp bơm vữa trước khi đào.


1
Email:

2

Hình 1. Nước ngầm áp lực cao tại dự án thủy điện Karahnjukar, Iceland

Trong kỹ thuật bơm vữa trước, các lỗ khoan được khoan từ vị trí gương đào vào khối đá
nguyên trạng ở phía trước gương, rồi vữa được bơm vào đó và để cho đông cứng, trước
khi đào hầm qua vùng đá đã được bơm vữa chống nước. Đôi khi việc bơm vữa trướ
c như
vậy có thể thực hiện từ trên mặt đất, chủ yếu là cho các hầm nông có điều kiện tiếp cận
vào vùng mặt đất phía trên tuyến hầm.

1.2. Các điều kiện áp dụng bơm vữa trước
Các điều kiện áp dụng kỹ thuật bơm vữa trước bao gồm:

• Đào hầm dưới đáy biển (hoặc bên dưới các hồ nướ
c hay sông)
• Đào hầm xuống dốc (nước được thu gom tại gương đào)
• Đào hầm với một hầm dẫn hướng dốc xuống (Khi đó tất cả lượng nước ngầm
cần phải được bơm ra)
• Trong những điều kiện có thể xảy ra tràn ngập nước ngầm có cột áp lớn
• Nhằm tránh lún mặt đất và hư hại cho công trình bên trên
•
Nhằm bảo vệ môi trường
• Dùng cho gia cố đất yếu
• Như là một phần của chiến lược làm hầm chỉ dùng vỏ hầm bêtông phun đơn lớp

2. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BƠM VỮA TRƯỚC

2.1. Khái niệm về “thiết kế” bơm vữa
Thiết kế bơm vữa cho các hầm đào trong đá về cơ bản có nghĩa là đưa ra sơ đồ lỗ khoan,
các vật liệu vữa phải dùng và phương pháp thi công. Nhưng từ “thiết kế” ở đây (trong bối
cảnh bơm vữa cho hầm) cần được dùng một cách thận trọng, và cần phải hiểu là nó khác
với thuậ
t ngữ dùng trong thiết kế kết cấu. Điều này liên quan đến việc lượng hóa hiệu
quả của bơm vữa trước, mà sẽ được đề cập ở phần tiếp theo dưới đây.

3
Thiết kế bơm vữa cho hầm được dựa trên những ước lượng tốt nhất về “tính thấm” trung
bình của khối đá mà hầm sẽ đi qua. Thiết kế này thường bao gồm những tính toán về
lượng nước ngầm có thể thấm vào bên trong hầm, các bản vẽ thể hiện những vấn đề như
độ sâu, góc và sơ đồ khoan dự kiến, thủ tục tiến hành bao hàm mọi khía c
ạnh của công
tác bơm vữa và quy định kỹ thuật về các vật liệu, nhằm mục đích thỏa mãn độ kín nước
yêu cầu đối với hầm.

Các phương pháp tính toán hiện có chưa đủ khả năng để có thể phân tích một cách chính
xác mối liên hệ giữa kết quả bơm vữa yêu cầu và các bước cần thiết để tạo ra kết quả đó.
Cũng phải công nhận r
ằng, ngay cả khi giả thiết rằng một mô hình toán học có thể tồn tại
đi chăng nữa, thì cũng không có khả năng đo đạc, lượng hóa chính xác và nhập số liệu về
tất cả các thông số vật liệu cho mô hình ấy.
Thiết kế cơ bản cho hoạt động bơm vữa như đã nói ở trên cần phải được áp dụng trong
thực tế trên cơ sở thiết k
ế-phản hồi mang tính quan trắc, kinh nghiệm và lặp đi lặp lại, cụ
thể như sau:
• khi đã xác định được các yêu cầu về “độ kín nước”, thì dữ liệu về dự án và mọi
thông tin có sẵn về điều kiện đất đá và địa chất thủy văn sẽ được phân tích và
so sánh với các yêu cầu đó. Việc này thường bao gồm những tính toán thông số
về lượng n
ước ngầm chảy vào hầm tiềm tàng dưới những tình huống điển hình
khác nhau. Sau đó dựa vào số liệu thực nghiệm (kinh nghiệm từ dự án hầm có
bơm vữa trước) để đưa ra một thuyết minh phương pháp bơm vữa trước hoàn
chỉnh. Nên nhớ đây chỉ là một dự đoán/tiên lượng.
• trong khi đào hầm độ kín nước đạt được (xét về mặt khố
i lượng nước ngầm
chảy vào hầm) có thể đo được khá chính xác, rồi so sánh với mục tiêu đề ra để
quyết định xem tình hình đã đạt yêu cầu chưa. Nếu đạt, công việc có thể tiếp
tục mà không cần thay đổi gì, mà chỉ cần tiếp tục đo lượng nước để kiểm tra.
• nếu tốc độ nước chảy vào hầm đo được là quá lớn, thì thông tin này sẽ được
dùng để quyết định điều chỉnh “thiết kế” như thế nào nhằm có được kết quả
mong muốn đối với đoạn hầm còn lại. Những đoạn hầm đã đào xong mà không
đạt yêu cầu về độ kín nước thì phải xử lý cục bộ bằng bơm vữa sau.

2.2. Tính toán lượng nước chảy vào hầm
Công thức tính lượng nước ngầm chả

y vào hầm như sau (Garshol, 2003; xem Hình 2):
()
2
0.6 ln
wr
r
kh h
q
r
hr
π
+
=
⎛⎞
−
⎜⎟
+
⎝⎠

trong đó:
q lưu lượng dòng nước ngầm chảy vào hầm m
3
/s trên m dài hầm
h
s
chiều dày lớp đất nằm bên trên hầm m
h
w
chiều cao cột nước m
h

r
chiều dày lớp đá phía trên hầm m
r bán kính hầm m
k hệ số thấm m/s


4

Hình 2: Sơ đồ dùng cho công thức tính nước chảy vào hầm

Cần lưu ý là h
r
và k thể hiện chiều dày lớp đất mà trong đó phần lớn sự giảm thế năng
xảy ra (phân tán năng lượng hoặc mất mát áp suất). Nếu độ thấm của lớp đất lớn hơn
nhiều so với trong lớp đá, thì h
w
trong công thức trên phải thay bằng (h
w
+ h
s
). Ngược lại,
nếu lớp đất ít nhất là có độ kín nước như lớp đá, thì h
r
phải được thay thế bằng (h
r
+ h
s
).
Lưu lượng nước tính toán q sẽ được dùng để so sánh với yêu cầu kín nước đặt ra cho một
dự án hầm nhất định.

2.3. Dự kiến khối lượng vữa
Trong thực tế, mọi công tác bơm vữa trước phục vụ làm hầm trong đá cứng đều dựa trên
việc sử dụng ximăng (ximăng Portland thông thường hay ximăng hạt mịn). Trong những
trường hợp
đặc biệt, có thể phải dùng vữa hóa học như một biện pháp bổ trợ.
Khi sử dụng các loại vữa ximăng, cần hiểu rõ các tính chất cơ bản của chúng, ví dụ như
cỡ hạt và độ mịn của ximăng, có dùng bentonit kết hợp hay không, tính chất lưu biến của
vữa, tính ổn định của vữa khi chịu áp lực, cách sử dụng áp lực bơm cao, các đặc đi
ểm
ninh kết của vữa, v.v… Tỷ lệ nước/ximăng (N/X) và tính ổn định cũng như tính không bị
phân tách nước của vữa có tầm quan trọng rất lớn đối với chất lượng và độ bền vững của
các loại vữa ximăng.
Các loại vữa hóa học chỉ có các thành phần lỏng, nên chúng có ứng xử rất khác so với
các vữa ximăng. Các vữa hóa học ứng xử như các ch
ất lỏng Niu-tơn, thể hiện tính nhớt
nhưng không có lực dính. Có các loại vữa hóa học như sau: các loại silicát, nhựa phenol,
các loại licnosunfonat, các acrylamid và acrylat, cacbometylaxenluloza Natri, các loại
nhựa amino, epoxy, polyurêtan, bitum (atphan) và một vài vật liệu ngoại lai khác.
Trong trường hợp bơm vữa chỉ dùng ximăng, khối lượng yêu cầu sẽ phụ thuộc vào nhiều
yếu tố và mọi sự tính toán trước đều không chính xác. Yếu tố ảnh hưởng chính là điều
kiệ
n khối đá (tính chất nứt nẻ), bởi vì một số lượng ít khe nứt mở lớn có thể cần nhiều
ximăng hơn so với dạng khe nứt mau cách nhau cỡ xentimét mà chỉ tạo ra nước chảy nhỏ
giọt như mưa rải rác trong hầm. Các yếu tố quan trọng khác là: độ kín nước yêu cầu, cột
nước ngầm thủy tĩnh, tiết diện hầm, và kể cả loại ximă
ng cũng như phương pháp bơm
được sử dụng. Theo kinh nghiệm thì khối lượng tiêu thụ vữa trung bình là từ 20 kg/m
hầm cho đến hơn 250 kg/m. Đã có trường hợp đặc biệt tiêu tốn 2000 kg/m hầm (tại hầm
Bjoroy). Thường thì mục tiêu đặt ra đối với mức độ thấm nước ngầm là 30 l/ph trên 100

m hầm.
Khi ước lượng các số liệu kinh nghiệm có độ dao động lớn như vậy, cần xem xét số li
ệu
trên quan điểm xác suất. Có ba con số có thể dùng để minh họa cho số liệu kinh nghiệm

5
có sẵn từ ngành xây dựng hầm đường bộ dưới đáy biển của Na Uy:
• tiêu tốn vữa trung bình nhỏ nhất, với 5% xác suất rằng giá trị trung bình có thể
thấp hơn con số này. Có thể lấy bằng 15 kg/m hầm
• tiêu tốn vữa trung bình có thể xảy ra. Có thể lấy bằng 50 kg/m hầm
• tiêu tốn vữa trung bình lớn nhất, với 5% xác suất rằng giá trị trung bình sẽ cao
hơn con số
này. Có thể lấy bằng 500 kg/m hầm
Nên nhớ đó chỉ là những giá trị đại diện gần đúng đối với các loại đá cứng chiếm ưu thế,
và chiều dài hầm phải lớn hơn 1000 m để có được con số trung bình hợp lý (tính tới cả
những đoạn hầm không cần bơm chút vữa nào). Chúng chỉ mang tính chất minh họa và
không được dùng một cách trực tiếp hay chính xác vào các dự án mới trong nh
ững điều
kiện đất đá khác.
Khái niệm về bơm vữa trước nhiều lớp được thể hiện trên Hình 3. Đợt bơm vữa thứ nhất
là nhằm tạo ra xung quanh hầm một vùng có độ thấm giảm, bằng cách sử dụng vữa chặn
nước “Blocker”. Đợt bơm vữa thứ hai là để tạo ra một vùng bên trong được gia cố vĩnh
viễn, có độ thấp thấp, b
ằng cách sử dụng vữa ximăng hạt mịn/siêu mịn ổn định. Lớp vữa
bơm thứ ba tạo ra một vùng gia cố mở rộng, có độ thấm thấp ở phía trước gương đào.


Hình 3: Khái niệm về bơm vữa nhiều lớp (Barton, 2006, trích dẫn theo Elkem)

2.4. Một số chú ý về công tác khoan và bơm vữa

Bơm vữa áp lực trong đá được thực hiện bằng cách khoan các lỗ khoan có đường kính,
chiều dài và hướng thích hợp vào trong khối đá, lắp đặt các nút chặn gần miệng lỗ khoan
(hoặc bằng phương tiện khác miễn là tạo được một sự liên kết kín áp với lỗ khoan), lắp
ống bơm vữa nối giữa nút chặn và máy bơm, rồi tiến hành bơm một lượng vữa trộn sẵn
với áp lực cao vào các khe nứt và kẽ hở trong đá xung quanh các lỗ khoan.
Trong công tác khoan phục vụ bơm vữa trước, cần chú ý các điểm sau đây:
• Khoảng cách giữa các lỗ khoan không được quá lớn; thường lấy giá trị lớn
nhất bằng 1.5 m. Đôi khi cần phải giảm xuống đế
n 0.5 ÷ 0.6 m.