Tài liệu 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