Nghiên cứu ảnh hưởng của gia cố bằng neo vượt trước đến ổn định của công trình ngầm

of underground works through complex geological areas, weak soil and rock, the application of reinforcement measures before tunneling is very necessary. One of the measures that is applied very effectively is Forepoling. In order to evaluate the effect of the anchoring system on the surrounding rock and soil surrounding the excavation so that the stability of underground structures can be assessed, the authors will study the effect of Forepoling on the condition of Stress - deformation of the rock massive by 3D modeling studies using geotechnical software. The object of the study is the above-mentioned reinforcement solution that was applied at the Deo Ca Phu Yen - Khanh Hoa road tunnel project. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Xây dựng công trình ngầm, do môi trƣờng địa chất phức tạp thƣờng tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn cao, dễ xảy ra sự cố sập lở hầm khi đào, để hạn chế, ngăn ngừa các sự cố có thể xảy ra trong quá trình thi công công trình ngầm qua vùng địa chất phức tạp, đất đá yếu, việc áp dụng các biện pháp gia cố trƣớc khi đào hầm là rất cần thiết. Một trong các biện pháp đƣợc áp dụng rất hiệu quả đó là hệ neo vƣợt trƣớc. Để đánh giá hiệu quả của hệ neo vƣợt trƣớc đến môi trƣờng đất đá xung quanh khoang đào qua đó có thể đánh giá đƣợc ổn định của công trình ngầm, các tác giả sẽ thực hiện nghiên cứu ảnh hƣởng của hệ neo vƣợt trƣớc tới trạng thái ứng suất – biến dạng của môi trƣờng đất đá thông qua việc nghiên cứu trên mô hình 3D sử dụng công cụ phân tích bằng phần mềm địa kỹ thuật. * Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Số 54 Triều Khúc-Thanh Xuân - Hà Nội Đối tƣợng nghiên cứu đƣợc thực hiện là gỉải pháp gia cố nêu trên đã đƣợc áp dụng tại dự án hầm đƣờng bộ Đèo Cả Phú Yên – Khánh Hòa. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN Dƣới đây sẽ thực hiện phân tích theo trình tự thực hiện các công đoạn thi công hệ neo ống vƣợt trƣớc tạo ô: khoan, ép ống thép và ép vữa. Nếu hiểu theo cách trình tự thực hiện các công đoạn thì đây là cách giải quyết bài toán 4 chiều. Trong tính toán bỏ qua lớp bê tông phun và vì chống thép, phù hơp với phần thân hầm. 2.1. Đặc điểm hầm đƣờng bộ Đèo Cả Hầm đƣờng bộ Đèo Cả đƣợc xây dựng xuyên núi Đèo Cả với chiều dài là 4,125 Km. Trong quá trình xây dựng đƣờng hầm khi gặp những vùng địa chất yếu đã sử dụng các biện pháp gia cố trƣớc bằng neo vƣợt trƣớc để đảm bảo an toàn, tránh các sự cố sập lở gƣơng đào. Neo vƣợt trƣớc là các ống thép dài 6m, đƣờng kính ngoài 102mm, chiều dày ống là 5mm. Trên ống thép có đục lỗ để ép vữa vào trong thân neo và môi trƣờng xung quanh thanh neo. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 65 a. Mặt cắt ngang điển hình b. Neo vượt phối cảnh c. Mặt cắt ngang chi tiết d. Mặt cắt dọc chi tiết Hình 2.1. Neo vượt trước áp dụng khi thi công hầm Đèo Cả. Khi thực hiện phân tích đánh giá sử dụng cách phân loại đất đá theo tiêu chuẩn Nhật Bản [4], đƣợc áp dụng trong dự án. Trong bảng 2.1 tổng hợp phân loại đất đá từ đá cứng đến đá yếu (A-D). Bảng 2.1. Bảng phân loại đất đá và tính chất tƣơng ứng [3], [4] Loại Mô tả Vân tốc truyền sóng (m/s) Cƣờng độ nén một trục (MPa) Mô đun biến dạng (MPa) Lực dính c (kPa) Góc ma sát trong  (độ) A Mảnh đá không thể bị phá vỡ dễ dàng khi bị búa đập, với âm thanh kim loại. Không suy giảm các khoáng chất hình thành đá. Lớn hơn 4000 Lớn hơn 100 Lớn hơn 5000 Lớn hơn 150 Lớn hơn 50 B Âm thanh cộng hƣởng kim loại khi bị búa đập. Liên kết giữa các phân lớp đặc chắc. Ít dấu vết của sự suy giảm các khoáng chất. Từ 2000 đến 6000 Từ 50 đến 100 Từ 3000 đến 5000 Từ 100 đến 150 Từ 45 đến 50 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 66 Loại Mô tả Vân tốc truyền sóng (m/s) Cƣờng độ nén một trục (MPa) Mô đun biến dạng (MPa) Lực dính c (kPa) Góc ma sát trong  (độ) C Đá thƣờng bị vỡ khi bị búa đập. Các mảnh đá giữ gần nhƣ nguyên vẹn khi bị vỡ. Giữa các phân lớp bị phong hóa nhẹ đến vừa. Từ 1000 đến 3000 Từ 10 đến 50 Từ 500 đến 3000 Từ 30 đến 100 Từ 35 đến 45 D Có thể dùng tay để bóc tách miếng đá. Tỷ lệ mảnh vỡ thƣờng là 30-50% và 20-50% ở dạng bột. Nhỏ hơn 1000 Nhỏ hơn 10 Nhỏ hơn 500 Nhỏ hơn 30 Nhỏ hơn 35 2.2. Mô hình vật liệu Ứng xử cơ học của môi trƣờng đất đá có thể đƣợc mô tả bằng các mô hình vật liệu nền khác nhau. Từ đơn giản nhất quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong môi trƣờng tuân theo định luật Hook là tuyến tính, đàn hồi đẳng hƣớng. Khi đó, chỉ cần hai thông số đầu vào đó là mô đun đàn hồi E và hệ số Poisson , điều này dƣờng nhƣ quá đơn giản khi mô tả ứng xử của môi trƣờng đất đá và chỉ phù hợp cho một số ít trƣờng hợp. Hiện nay, có nhiều mô hình nền vật liệu đƣợc đƣa ra để mô hình hóa sự làm việc của nền đất đá nhƣ mô hình Mohr-Coulomb (MC), mô hình Jointed Rock (JR), mô hình Hardning- Soil (HS), mô hình Soft-Soil-Creep (SSC) Với mỗi mô hình vật liệu nền nhƣ vậy sẽ phù hợp với từng môi trƣờng đất đá cụ thể. Trong phạm vi nghiên cứu, tác giả sẽ sử dung mô hình Mohr-Coulomb (MC) trong mô hình vật liệu nền của bài toán phân tích. Các kết quả nghiên cứu trƣớc đó cũng chỉ ra sự phù hợp khi sử dụng mô hình vật liệu MC để mô tả ứng xử cơ học của môi trƣờng đá yếu và đất. Để đƣa vào đặc trƣng tính chất vật liệu đá yếu (loại D) theo mô hình vật liệu Mohr- Coulomb (MC) trong mô hình 3D, các tham số đƣợc xác định nhƣ sau: Mô đun biến dạng E‘=200MPa, hệ số Poisson =0,3, cƣờng độ lực dính c‘=20kPa, góc ma sát trong =350. Hình 2.2. Mô hình 3D của bài toán 2.3. Phần tử sử dụng trong mô hình 3D Để xây dựng mô hình bài toán, các phần tử đƣợc sử dụng là phần tử khối mô tả môi trƣờng đất đá và phần tử ―embedded pile‖ mô tả neo vƣợt trƣớc [8]. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 67 Hình 2.3. Xây dựng các phần tử thành phần của mô hình 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN Để nghiên cứu ảnh hƣởng của hệ neo vƣợt trƣớc tới trạng thái ứng suất-biến dạng của môi trƣờng xung quanh công trình khi đào hầm. Thực hiện chạy mô hình bài toán với các tham số vật liệu của vùng đƣợc gia cố khác nhau. Xem xét sự hình thành vùng phá hủy trƣớc gƣơng đào khi vùng gia cố đƣợc bơm vữa với chất lƣợng từ thấp đến cao (mô đun biến dạng của vật liệu vùng gia cố tăng dần). Kết quả phân tích nhƣ sau: Hình 3.1. Vùng phá hủy trước mặt gương a) Không có hệ neo vượt trước; b) Có neo, không bơm vữa; c) Có neo, vùng gia cố có E’=4000MPa; d) Có neo, vùng gia cố có E’=8000MPa; e) Có neo, vùng gia cố nếu đạt được có E’=10000MPa; f) Có neo, vùng gia cố nếu đạt được có E’=20000MPa. Hình 3.2. Biểu đồ chuyển vị trên biên nóc hầm dọc trục hầm * Nhận xét: Từ kết quả phân tích bài toán trên mô hình bằng phần mềm địa kỹ thuật Plaxis 3D, có thể đƣa ra các nhận xét sau đây: - Việc sử dụng hệ neo vƣợt trƣớc có tác dụng ngăn đất đá phía trƣớc gƣơng đào không bị sập lở vào trong khoang đào. Đồng thời có tác dụng giảm chuyển vị trên biên nóc hầm trong quá trình thi công. - Nếu chỉ sử dụng neo mà không thực hiện bơm ép vữa vào trong thanh neo và môi trƣờng đất đá xung quanh neo thì chuyển vị trên biên gƣơng đào và kích thƣớc vùng phá hủy giảm không nhiều so với trƣờng hợp không có neo. - Khi sử dụng hệ neo kết hợp với ép vữa vào trong neo và môi trƣờng đất đá xung quanh neo, chất lƣợng vữa ép có ảnh hƣởng rất nhiều tới hiệu quả làm việc của hệ neo vƣợt trƣớc. Khi chất lƣợng vữa ép càng tốt, chuyển vị trên biên gƣơng hầm càng giảm, đồng thời vùng phá hủy bên trên, phía trƣớc gƣơng đào càng giảm. Ở đây, khi dùng neo và ép vữa tạo vùng gia cố có mô đun đàn hồi E‘=8000MPa thì vùng phá hủy bên trên, phía trƣớc mặt gƣơng đào hầu nhƣ không còn xuất hiện. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 68 4. KẾT LUẬN Qua kết quả nghiên cứu nhƣ trên, có thể thấy rõ hiệu quả của biện pháp sử dụng hệ neo vƣợt trƣớc khi thi công công trình ngầm trong điều kiện đất đá yếu. Càng thấy rõ hơn rằng nếu kết hợp neo vƣợt trƣớc với bơm ép vữa gia cố vùng đất đá xung quanh neo thì hiệu quả làm việc của hệ neo vƣợt trƣớc tăng lên rõ rệt. Nếu vùng đất đá quanh neo đƣợc gia cố đảm bảo hình thành một vỏ kín liên kết các neo thành một thể thống nhất và đƣợc cải thiện tới một mức độ nhất định (cƣờng độ chịu nén hay mô đun đàn hồi đạt tới một giá trị đủ lớn) thì vùng đất đá phía trên trƣớc gƣơng đào không bị phá hủy (vẫn làm việc trong giới hạn đàn hồi). Điều này có ý nghĩa rất lớn khi mà nguyên tắc quan trọng nhất trong thi công theo công nghệ NATM là giữ cho môi trƣờng đất đá xung quanh khoang hầm không bị phá hủy (bảo toàn khả năng tự ổn định của khối đá) trƣớc khi lắp dựng kết cấu chống giữ. Hơn thế nữa, có thể thấy rằng hệ neo kết hợp với ép vữa cải thiện môi trƣờng đất đá xung quanh neo có tác dụng làm giảm chuyển vị lớn nhất trên biên khoang hầm. Điều này làm giảm sự hình thành các vết nứt trên trên kết cấu vỏ hầm vĩnh cửu sau này. Vì thực tế, hiện tƣợng nứt vỡ trên lớn bê tông vỏ hầm trong quá trình sử dụng đã đƣợc nghiên cứu và chỉ ra rằng một trong những nguyên nhân chủ yếu là do sự chuyển vị quá mức của vùng đất trên biên khoang đào sau khi thi công. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. J. Oke*, N. Vlachopoulos, M.S. Diederichs. (2014), Numerical analyses in the design of umbrella arch systems, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. [2]. Volkmann G.M., Button E.A. & Schubert W. (2006), A Contribution to the Design of Tunnels Supported by a Pipe Roof. Proc. 41st U.S. Rock Mechanics Symp., American Rock Mech. Assoc., June 17-21, Golden, CO. [3]. E. Hoek, M.S. Diederichs. (2006), Empirical estimation of rock mass mudulus, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 43, 203-215. [4]. Guideline for Rock Mass Classification System. (2018), Japan International Cooperation Agency (JICA). [5]. Singh M., Singh B. (2012), Modified Mohr-Coulomb criterion for non-linear triaxial and polyaxial strength of jointed rocks, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 51, pp. 43-52. [6]. Sein Win Tun, Sunil Kumar Singal. (2016), Management of Hydropower Tunnels to Prevent Collapse and Remedical Measures. [7]. N. Vlachopoulos, M.S Diedericks. (2009), Improved Longitudinal Displacement Profiles for Convergence Confinement Analysis of Deep Tunnels, Rock Mech Rock Engng 42: 131-146 [8]. Plaxis (2013), Material models manual. Người phản biện: PGS, TS. VƢƠNG VĂN THÀNH