Các phương pháp nghiên cứu địa chất công trình

Chương 3khảo sát, nghiên cứu địa chấtcông trình tuyến hầm3.1. mục đích và nhiệm vụ của công tácđiều tra, nghiên cứu địa chấtHầm được xây dựng trong lòng đất, khác với công trìnhxây dựng trên mặt đất, điều kiện tự nhiên của tầng đất nơixây dựng công trình ngầm có ảnh hưởng đến thiết bị xâydựng, thời hạn xây dựng, phương pháp xây dựng, hình tháicấu tạo vỏ công trình. Từ đó, ta thấy được mức độ phức tạpcủa công tác thăm dò, điều tra, nghiên cứu địa chất côngtrình trong thiết kế và xây dựng hầm. Chính vì thế, cần phảiđiều tra kỹ trạng thái của địa tầng nơi xây dựng công trìnhvà công tác này là yếu tố cơ bản nhất đảm bảo cho việc xâydựng hiệu quả, là một công việc trọng yếu trong các côngviệc trọng yếu.Mục đích của việc điều tra địa chất với khu vực xây dựnghầm là nhằm có đầy đủ các dữ liệu cần thiết để bố trí chínhxác vị trí công trình, lựa chọn chính xác cấu tạo vỏ, lựa chọnchính xác phương pháp thi công.Để nghiên cứu đầy đủ khối địa tầng, những nghiên cứuđịa chất công trình cần bao quát những nội dung sau:- Xác định độ ổn định của khối địa tầng mà hầm cắt qua- Phân tích các tính chất cơ lý của đất đá bao quanh hầm- Đặc điểm của nước ngầm trong vùng xây dựng hầm- Đặc điểm của khí ngầm- Xác định nhiệt độ trong hầm- Đặc điểm của áp lực địa tầngViệc nghiên cứu tỷ mỷ tất cả những tài liệu về địa chấtkhu vực, những số liệu đã nghiên cứu trước đây là việc làmhết sức cần thiết và có ích cho việc nghiên cứu tuyến hầm.Càng nghiên cứu kỹ các vấn đề địa chất khu vực, nhữngkết luận của những nghiên cứu sau này càng chính xác hơn.Từ các số liệu nghiên cứu sơ bộ để có khái niệm chung vềcấu tạo địa chất khu vực, đề xuất chương trình và phươngpháp nghiên cứu tỷ mỷ tiếp theo.Mục đích của công tác khảo sát ĐCCT hầm nhằm:- Lựa chọn đúng vị trí đặt hầm cả trên mặt bằng cũng nhưtrên mặt cắt dọc (tuyến - cao độ đặt hầm).- Lựa chọn hình dáng mặt cắt hang, chọn kết cấu vỏ hầmhợp lý.- Chọn phương án thi công phù hợp.- Xác định thời hạn xây dựng và giá thành công trình.Việc khảo sát địa chất chung thường không đủ để giảiquyết vấn đề chọn tuyến hầm hợp lý. ở đây đòi hỏi những sốliệu tỷ mỷ và chính xác về độ sâu của thế nằm, chiều dày vàtính chất của các lớp địa tầng. Để có được những số liệu nàyphải nghiên cứu sâu vào trong lòng khối địa tầng.3.2. Các phương pháp nghiên cứu địa chấtCó nhiều phương pháp khảo sát và nghiên cứu địa chấtphục vụ cho công tác xây dựng hầm:3.2.1. Hố đàoĐây là một trong những phương pháp cổ điển và đơn giảnđể khảo sát, nghiên cứu địa chất công trình.Phương pháp này có ưu điểm là thấy được trực tiếp loạiđá đào qua và thế nằm của nó. Nhược điểm là chiều sâu hốđào hạn chế (chỉ vài chục mét) do đó nó chỉ bao quát đượccác lớp đất đá bên trên.3.2.2. Giếng khảo sátĐây là bước phát triển tiếp theo của phương pháp hố đào.Giếng có chiều sâu lớn (có khi lên tới hàng trăm mét).Phương pháp này có ưu điểm là cho những số liệu đángtin cậy và cụ thể. Nhược điểm là yêu cầu nhiều thời gian vàchi phí khá tốn kém.3.2.3. Hang khảo sátPhương pháp này thường áp dụng khi hầm đặt trên sườnnúi, tuy nhiên trong trường hợp này, hang thường đặt chéovới trục hầm một góc.Phương pháp này cũng cho những số liệu tin cậy nhưngđào hang cũng đòi hỏi chi phí lớn. Trong một số trường hợphang đặt dọc tuyến hầm và sử dụng làm hang dẫn sau này.3.2.4. KhoanKhoan, chủ yếu là dùng máy, là phương pháp phổ biếnnhanh và kinh tế, có khả năng xâm nhập sâu vào khối địatầng ở chiều sâu lớn. Đường kính lỗ khoan không nhỏ hơn75mm. Có thể dùng các loại đường kính lỗ khoan sau đây:Chiều sâu khảo sát (m) Đường kính lỗ khoan (cm)100 15010 15150 20020 25200 40025 30Khoan cho kết quả kém chính xác chính xác hơn so vớihang khảo sát nhưng cũng cho phép nhận được kết quả gầnvới thực tế.3.2.5. Các phương pháp khácNgoài các phương pháp nêu trên, trong những năm gầnđây còn sử dụng các phương pháp địa vật lý, các phươngpháp siêu âm, carota... Tuy nhiên các phương pháp này cũngthường phải dùng hỗn hợp với các phương pháp khác. Đổivới các hầm nằm rất sâu (lớn hơn 600m) các phương phápxâm nhập trực tiếp hoặc là không thể được, hoặc là cực kỳkhó khăn đòi hỏi chi phí quá tốn kém thì các phương phápđịa vật lý trở thành phương pháp gần như là duy nhất cho tanhững số liệu bổ xung vào các tài liệu nghiên cứu khác đểdự báo địa chất công trình.Việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu và khối lượngcông tác chủ yếu phụ thuộc vào chiều sâu đặt hầm và chiềudài của nó. Ngoài ra, mức độ xâm nhập của khu công trìnháp dụng phụ thuộc vào chiều sâu đặt hầm.Chiều sâu đặt hầmPhương pháp khảo sát,nghiên cứu địa chất CTHầm đặt nông 75 mĐào hố, giếng và hang,khoan lỗ thăm dòHầm đặt sâu trung bình từ Đào giếng, hang, khoan thămdò, địa vật lý75300 mHầm đặt sâu từ 300600 m Đào hang, khoan thăm dò vàđịa vật lýHầm đặt rất sâu > 600 m Đào hang và địa vật lý3.3. Nội dung điều tra khu vực xây dựngcông trình hầm3.3.1. Tính chất cơ học, vật lý của đất, đáTính chất của đất, đá và những điều kiện về thế nằm củachúng tại vị trí xây dựng công trình hầm có ý nghĩa quantrọng đối với việc thiết kế cấu tạo vỏ công trình ngầm và lựachọn phương pháp thi công.Việc giải quyết các vấn đề về áplực địa tầng, các phương pháp đào, dạng kết cấu và tiết diệnvỏ chỉ có thể tiến hành trên cơ sở hiểu biết cặn kẽ về tínhchất cơ lý của địa tầng.Tính chất cơ học, vật lý của đất, đá bao gồm: tỷ trọng,dung trọng, độ rỗng, độ ẩm, tính nở, tĩnh nén chặt, đặc tínhvề nhiệt độ, độ bền chịu kéo, nén, cắt, uốn...Đối với các tầng đất, ngoài những tính chất trên ra, còncần điều tra để biết hệ số ma sát trong, góc nghiêng tự nhiêncủa địa tầng.3.3.2. Điều kiện cấu tạo địa chấtChịu tác dụng điạ chất trong thời gian lâu nên địa tầng bịphá hoại, biến dạng với nhiều mức độ khác nhau. Trongcông tác xây dựng hầm, việc điều tra chính xác cấu tạo địachất của địa tầng nơi xây dựng công trình là rất quan trọng.Trong việc điều tra cấu tạo địa chất, phải đặc biệt chú ý đếncác hiện tượng uốn tầng, đoạn tầng, góc nghiêng và hướngchủ yếu của địa tầng. Bởi vì tuỳ thuộc vào quan hệ của tuyếnhầm với trục uốn tầng, góc nghiêng, hướng của địa tầng màđộ lớn, phương tác dụng của áp lực đất, lượng nước ngầmchảy vào hầm sẽ khác nhau.Cần điều tra kỹ càng có hay không có hiện tượng đoạn tầngở nơi xây dựng công trình hầm, hướng chính, góc nghiêng,bề day của khu vực bị đoạn tầng. Độ lớn, hướng, góc nghiêncủa vết nứt cần được đo đac, xác định trực tiếp trong cáchầm đào điều tra.3.3.3. Điều kiện thuỷ vănCông tác điều tra địa chất thuỷ văn ở vị trí xây dựng côngtrình ầhm cũng rất quan trọng vì muốn có biện pháp thoátnước trong quá trình sử dụng, biện pháp phòng chống ẩm,biện pháp thi công vỏ hầm tốt cần phải biết được lưu lượngnước chảy và tính chất hoá học của nước. Công tác này càngquan trọng khi xây dựng công trình dưới khu vực có nước,khi xây dựng các hầm đứng, hầm nghiêng.Nội dung của công tác điều tra thuỷ văn bao gồm:- Lưu lượng, nguồn nước, mực nước, thành phần hoá họccủa nước ngầm.- Qui mô, ảnh hưởng của những nguồn nước ở gần vị tríxây dựng công trình.- Tính thẩm thấu, trạng thái vết nứt của đá.3.3.4. Điều kiện khí tượng và địa hìnhMục đích của công tác điều tra địa hình đối với khu vựcxây dựng công trình hầm là để có đủ cơ sở đánh giá điềukiện thuận lợi và khó khăn trong việc lựa chọn vị trí xâydựng, lựa chọn thiết bị thi công xây dựng công trình.3.4. Đặc điểm khảo sát trong điều kiệnthành phốKhi thiết kế tuyến hầm trong điều kiện thành phố, xâydựng theo phương pháp đào lộ thiên, cần phải có các khảosát bổ xung khác. Khi chiều rộng hố đào lớn hơn 20m thì chỉcó một mặt cắt địa chất theo trục hầm là chưa đủ vì đáy hầmcó thể cấu tạo từ các lớp đất đá có mật độ khác nhau theochiều ngang. Điều này cần được chú ý khi chọn hệ váchchống và kết cấu hầm. Cần thiết phải khoan bổ xung để xácđịnh và sau đó vẽ mặt cắt địa chất dọc theo hai mép hố đào.Các mặt cắt ngang cách nhau 25m.Nếu hầm đi qua đất đá yếu, kém ổn định và bão hoànước, cần khảo sát kỹ lưỡng địa chất và địa chất thủy văntrong phạm vi hố đào bằng cách đào hố đến lớp địa chấtkhông thấm nước cách nhau trên 50m. Chiều sâu của mặtcắt địa chất dọc theo tuyến hầm cần phải đủ để xác định lớpđịa chất không thấm nước.Những số liệu đo khảo sát ngoài hiện trường và trongphòng thí nghiệm là cơ sở để xác định các đặc trưng cơ lýcủa các lớp đất đá khác nhau nằm thấp hơn nền của côngtrình hầm và ngoài phạm vi vì chống hố đào theo chiềuđứng. Những số liệu này là căn cứ để tính toán sức khángcủa môi trường đất đá. Trong quá trình khảo sát cần thiếtphải xác định quy hoạch bằng và đứng của mặt đất bên trêntrong tương lai, ở mức độ nào đó có ảnh hưởng tới tuyến vàkết cấu vỏ hầm cũng như chỗ giao cắt với các đường hầmkhác đã có trong thành phố: nước, hơi nhiệt, điện... Các loạiđường hầm này thường nằm ở độ sâu 0,5 10 m.Nếu công trình ngầm nào đó nằm trong phạm vi mặt cắtcủa hầm, cần thiết phải chuyển công trình, dẫn tới thiệt hạivề kinh tế và thời gian.Nếu có công trình ngầm (loại lớn) nào đó nằm thấp hơndưới đáy của đường hầm, cần có các giải pháp kết cấu tránhlàm hư hại cho các công trình ngầm khác, ví dụ như đặtcông trình trong hộp thép. Hầm BTCT cho người đi bộ cógiếng cần đặt cách tường của hầm chính ít nhất 10 15m.Nếu có đường hầm nào đó nằm phía trên nóc công trình thìcần có các biện pháp chống đỡ kiểu treo.Câu hỏi ôn tập:1. Trình bày mục đích và nhiệm vụ của công tác điều tra,nghiên cứu địa chất phục vụ xây dựng công trình hầm giaothông.2. Trình bày các phương pháp nghiên cứu địa chất thườngdùng. Nêu ưu, nhược điểm và phạm vi áp dụng của từngphương pháp.3. Trình bày đặc điểm của công tác điều tra, nghiên cứu địachất phục vụ xây dựng công trình hầm giao thông trong điềukiện thành phố.

CHƯƠNG 8: KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH 8.1. Nội dung của khảo sát địa chất công trình+ Làm rõ các điều kiện địa chất của khu vực dự kiến xây dựng công trình + Dự đoán các hiện tượng địa chất có thể xảy ra trong quá trình thi công, khai thác sử dụng công trình.+ Đề xuất các biện pháp xử lý các điều kiện địa chất công trình không có lợi.Để hoàn thành các nhiệm vụ trên, nội dung khảo sát địa chất công trình bao gồm :+ Thu thập và nghiên cứu tất cả các tài liệu địa chất công trình và các tài liệu có liên quan về khu vực dự kiến khảo sát, + Tiến hành khảo sát địa chất ở thực địa bao gồm : Đo vẽ bản đồ địa chất công trình, địa chất thuỷ văn, địa mạo-tân kiến tạo . . . nhằm giải quyết các vấn đề địa chất nhanh chóng.+ Từ cơ sở đo vẽ bản đồ, tiến hành thăm dò để giải quyết về định tính, định lượng những vấn đề mà trong giai đoạn đo vẽ còn tồn tại. + Tiến hành thí nghiệm các đặc tính cơ-lý của đất đá để làm nền công trình, vật liệu xây dựng.+ Nghiên cứu các vấn đề khác để làm cơ sở cho việc khắc phục các điều kiện địa chất không thuận lợi như: + Trong quá trình khai thác, sử dụng công trình còn có thể tiến hành công tác quan trắc để chỉnh lý các tài liệu địa chất đã sử dụng trong quá trình thiết kế, thi công công trình.Kết quả công tác khảo sát địa chất công trình ở bất kỳ giai đoạn nào cũng phải có báo cáo kết quả bao gồm : các bản vẽ (bản đồ, mặt cắt địa chất . .) các số liệu đo thực tế tại hiện trường, các kết quả thí nghiệm tại phòng , thuyết minh kèm theo.Khảo sát địa chất công trình là một công tác khoa học- kỹ thuật phức tạp, do đó, cần phải tuân theo các nguyên lý cơ bản sau :+ Nguyên lý kế thừa + Nguyên lý giai đoạn + Nguyên lý kết hợp trong khảo sát địa chất công trình 8.2. Các phương pháp khảo sát- Đo vẽ bản đồ địa chất công trình.- Khoan đào thăm dò.- Đo địa vật lý trong lổ khoan, trên bề mặt địa hình.- Thí nghiệm trong phòng trên các mẫu đã chọn.- Thí nghiệm ngoài trời về địa chất công trình và địa chất thuỷ văn 8.2.1. Đo vẽ địa chất công trìnhNhược điểm lớn nhất của công tác đo vẽ bản đồ địa chất công trình là không thể quan sát được các lớp đất đá, các hiện tượng địa chất ở dưới sâu, nhất là các lớp bị che phủ bởi các trầm tích mềm rời khác. Tuy nhiên, đây là công tác khảo sát được tiến hành đầu tiên, qua đó, ta có thể đánh giá sơ bộ được các điều kiện địa chất công trình trong phạm vi khảo sát 8.2. 2.Công tác khoan đào thăm dòCác công trình khoan đào thăm dò bao gồm ; hố đào thăm dò, hố khoan thăm dò, hào thăm dò, hầm thăm dò Hố đào thăm dò thường có tiết diện hình chữ nhật với kích thước (1.5x2.5)m. Chiều sâu đào thăm dò thường không lớn (thông thường nhỏ hơn 10m). Đôi khi, chiều sâu hố đào thăm dò cũng có thể sâu hơn, lúc đó, phải có các vật liệu để chống đỡ thành hố đào (trường hợp này thường gọi là giếng đào thăm dò). Nói chung, các hình thức đào thăm dò có ưu điểm là quan sát địa tầng, các đặc điểm địa chất trực quan, chính xác nhưng nhược điểm là tốn nhiều nhân công, độ sâu khảo sát không lớn, khó khăn khi gặp các lớp đất đá cứng chắc, mực nước ngầm nông.Công tác khoan thăm dò có thể khắc phục được nhược điểm nói trên, độ sâu khoan thăm dò có thể lên đến hơn 1000m. Thành phần và các tính chất của đất đá có thể được nghiên cứu qua việc lấy mẫu từ hố khoan (nếu khoan có lấy mẫu) hoặc đôi khi cũng có thể nghiên cứu thành phần đất đá thông qua các vụn vỡ của đất đá (nếu khoan phá huỷ).Có hai nhóm phương pháp khoan thăm dò : khoan tay và khoan máy.Hiện nay, có 3 phương pháp khoan phổ biến trong khảo sát địa chất công trình: khoan xoay, khoan đập và khoan xoay – đập 8.2. 3. Thăm dò địa vật lýƯu điểm của phương pháp này là +Có thể nghiên cứu các cấu tạo địa chất ở độ sâu lớn (có khi lên đến hơn 1000m).+ Đôi khi một loại tín hiệu được phát đi cũng có thể cho được nhiều loại thông tin như : tính chất của đất đá, mặt cắt địa chất . .+ Việc nghiên cứu địa vật lý theo ý nghĩa tự bản thân của nó là nghiên cứu khối không gian nên rất thích hợp cho việc nghiên cứu tổng quan địa chất trong khu vực.+ Các kết quả đo địa vật lý thường được ghi lại bằng thiết bị tự động nên tính khách quan trong số liệu rất cao.+ Một số thiết bị đo địa vật lý rất gọn nhẹ, tính cơ động cao, năng suất làm việc tương đối lớn nên rất phù hợp trong khảo sát địa chất công trình. Nhược điểm của phương pháp này là Kết quả đo có thể chịu ảnh hưởng kết hợp của nhiều yếu tố, ví dụ điện trở của đất đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố : độ rỗng, độ ẩm, tỷ trọng, nhiệt độ . . nên rất khó phân biệt yếu tố nào có ảnh hưởng quyết định đến kết quả đo, chính vì thế, phương pháp địa vật lý trong khảo sát thường chỉ áp dụng khi đã biết được mối liên hệ giữa yếu tố ảnh hưởng chủ yếu với kết quả đo.Phương pháp điện: dựa trên cơ sở các loại đất đá khác nhau hoặc có độ ẩm khác nhau sẽ có điện trở khác nhau Phương pháp chấn động : Khảo sát địa chất công trình bằng phương pháp chấn động dựa vào nguyên lý nghiên cứu phương và vận tốc truyền sóng đàn hồi phát sinh do va chạm hay do nổ trong trong lớp ở phần vỏ Quả đất 8.3. Thí nghiệm địa chất công trình8.3.1. Công tác thí nghiệm trong phòngViệc tiến hành các thí nghiệm trong phòng có ưu điểm là nhanh, dễ thực hiện, ít tốn kém, có thể xác định được nhiều chỉ tiêu trong một mẫu.Nhược điểm là trong một số loại đất đá, việc lấy mẫu nhỏ khó đảm bảo tính nguyên dạng. Kết quả thí nghiệm không chính xác so với điều kiện tự nhiên của đất đá.8.3.1.1. Các thí nghiệm lý học và cơ học của đất :Trong thí nghiệm thuộc công tác khảo sát địa chất công trình, đối với các mẫu đất, có thể chia làm 2 dạng thí nghiệm : thí nghiệm đất nền và thí nghiệm đất sử dụng làm vật liệu đắp. Phổ biến nhất là thí nghiệm nén, thí nghiệm cắt, thí nghiệm xuyên, thí nghiệm đầm nén . . . và các thí nghiệm xác định các chỉ tiêu chuyên môn khác. 8.3.1.2. Các thí nghiệm lý học, hoá học và sinh học của nước dưới đất8.3.2: Thí nghiệm ngoài hiện trường8.3.2.1. Thí nghiệm hút nướcCác tài liệu thí nghiệm được lập để tập hợp lập đồ thị Q = f(S), q =f(S) và tính hệ số k.8.3.2.2. Thí nghiệm đổ nước trong hố đào Hệ số thấm được xác định sơ bộ theo công thứcTuy nhiên để xác định hơn có thể tính theo công thức sau:Q : lưu lượng nước đổ (m3/ng)K : hệ số thấm (m/ng)F : tiết diện vòng kim loại kim loại trong (m3). (0,1m3)Hk : áp lực mao dẫn hình thành do nước thấm vào đất, bằng 0,5 chiều cao mao dẫnh : bề dày lớp nước trên mặt đấtZ: chiều sâu thấmFQK=( )ZhHFQZKk++= 8.3.2.3. Phương pháp nén tĩnh trong hố đào 1 3 Hình 8.2: Sơ đồ thí ngiệm nén tĩnh1. Dầm gánh 2. Kích 3. Cọc neo 4. Bàn nén42Trên cơ sở quan sát tải trọng nén và độ lún của bàn nén, người ta thành lập độ thị quan hệ độ lún bàn nén và tải trọng S = f(S). Giá trị môđun biến dạng E được xác định theo công thức sauTrong đó: E – môđun biến dạng , kg/cm2P – tải trọng tác dụng lên bàn nén, kgd- đường kính bàn nén, cmS – độ lún cuối cùng của bàn nén, cm- hệ số nở hông của đát, đối với cát và cát pha là 0,3; đối với sét pha là 0,35; đối với sét là 0,42.SdPE )1(2µ−=µ