Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác thành lập lưới khống chế mặt bằng trong hầm khi thi công đào hầm đối hướng

ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 45 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ MẶT BẰNG TRONG HẦM KHI THI CÔNG ĐÀO HẦM ĐỐI HƯỚNG NCS. DIÊM CÔNG HUY Viện KHCN Xây dựng - Bộ Xây dựng ThS. TĂNG QUỐC CƯỜNG Liên đoàn Intergeo - Tổng cục địa chất và Khoáng sản Việt Nam Tóm tắt: Nội dung của bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu về đặc điểm và giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ chính xác của lưới khống chế mặt bằng trong hầm, một số kết quả đo thực nghiệm để lựa chọn dạng lưới khống chế mặt bằng trong hầm phù hợp để nâng cao độ hiệu quả công tác định hướng hầm khi thi công hầm đối hướng. 1. Đặt vấn đề Khi thi công các công trình hầm đối hướng, độ chính xác của công trình phụ thuộc rất nhiều vào công tác định hướng hầm. Nếu công tác định hướng đào hầm làm không tốt thì kết quả thông hầm sẽ không đạt yêu cầu hạn sai làm ảnh hưởng đến chất lượng, tiến độ thi công công trình. Do vậy vấn đề định hướng đường hầm là rất quan trọng trong công tác thi công đường hầm đào đối hướng. Công tác định hướng hầm phải dựa vào cơ sở trắc địa thi công hầm bao gồm: lưới khống chế mặt đất, lưới khống chế trong hầm và công tác chuyền tọa độ và độ cao xuống hầm. Để đảm bảo cho công tác thông hầm đạt hiệu quả cao nhất và nằm trong giới hạn cho phép thì cần giải quyết được vấn đề nâng cao độ chính xác của cơ sở trắc địa trong thi công hầm. Do đặc điểm của công tác thi công hầm nên vấn đề đo đạc thành lập lưới khống chế thi công trong hầm có nhiều nội dung không thực hiện theo các phương pháp truyền thống do lưới khống chế thi công hầm được phát triển theo tiến độ đào hầm và thường thiếu các yếu tố đo kiểm tra ở ngoài thực địa..v.v. Do đó cần phải nghiên cứu lựa chọn dạng lưới khống chế trong hầm phù hợp nhất nhằm đảm bảo độ chính xác định hướng hầm và đáp ứng được các điều kiện thi công hầm trong thực tế phù hợp với tiến độ thi công công trình. 2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu. 2.1 Khái niệm về sai số đào thông hầm. Trong thi công đào hầm, do sai số của lưới khống chế trên mặt đất, sai số đo liên hệ, sai số của lưới khống chế trong hầm và sai số bố trí chi tiết nên hai trục tim hầm đào đối hướng không thể gặp nhau chính xác tuyệt đối mà có một tỷ lệ lệch nhất định gọi là sai số đào thông hầm đối hướng. Ký hiệu là ∆, sai số trung phương tương ứng ký hiệu là M (hình 1). Hình 1. Sai số thông hầm trong không gian. H C P2 ∆h ∆ Y ∆q H X A P1 ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA 46 Giá trị ∆ được phân tích thành ba thành phần theo trục Y là ∆L, theo trục X là ∆q, theo trục Z là ∆h . Tương ứng với các đại lượng này là: - Sai số trung phương hướng dọc (trùng với trục hầm): mL = 0.5 ∆L (1) - Sai số trung phương hướng ngang (vuông góc với trục hầm): mq = 0.5 ∆q (2) - Sai số trung phương độ cao: mh = 0.5 ∆h (3) Trong các nguồn sai số thông hầm trên thì cần phải đặc biệt quan tâm đến sai số hướng ngang thông hầm mq vì nguồn sai số sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác thi công hầm [2]. Chính vì thế nên khi thành lập cơ sở trắc địa phục vụ thi công xây dựng các công trình hầm đối hướng cần phải nghiên cứu và đưa ra các giải pháp kỹ thuật nhằm làm giảm ảnh hưởng của sai số hướng ngang thi công hầm mq và một trong những giải pháp kỹ thuật đo là nghiên cứu nâng cao độ chính xác của lưới khống chế mặt bằng trong hầm. 2.2. Lưới khống chế mặt bằng trong hầm - Lưới khống chế mặt bằng trong hầm thường được thành lập dưới dạng đường chuyền. Đường chuyền trong hầm phải được thành lập với độ chính xác cần thiết và cùng chung hệ tọa độ thống nhất với khống chế trên mặt đất để chỉ hướng đào hầm, bố trí trục tim hầm, bảo đảm thông hầm đối hướng với độ chính xác quy định. - Điểm và phương vị khởi đầu của đường chuyền trong hầm là điểm và phương vị của lưới khống chế mặt đất ở cửa hầm hoặc được chuyền từ trên mặt đất xuống hầm qua giếng đứng, giếng nghiêng hoặc hầm bằng. Đường chuyền trong hầm có những đặc điểm: + Hình dạng của đường chuyền phụ thuộc vào hình dạng của đường hầm. + Đường chuyền trong hầm là đường chuyền treo được phát triển theo tiến độ đào hầm. Vì vậy, không thể đo đường chuyền liền một lúc mà phải đo ở hai điểm cuối kề nhau trong quá trình phát triển, muốn kiểm tra phải đo lại. Tùy từng trường hợp cụ thể mà đường chuyền trong hầm có nguyên tắc thành lập thích hợp. + Đường chuyền trong hầm thành lập dọc theo trục tim hầm hoặc lệch tim hầm một khoảng thích hợp, có các cạnh xấp xỉ bằng nhau. Các điểm đường chuyền được chọn ở nơi an toàn, ổn định ít bị ảnh hưởng do thi công, điều kiện nhìn thông tốt, tia ngắm phải cách chướng ngại vật trên 0,2m. + Đối với đường hầm dài có tiết diện lớn có thể thành lập đường chuyền khép kín hoặc đường chuyền chính và đường chuyền phụ tạo thành vòng khép kín. Trong trường hợp có đường hầm dẫn song song với đường chuyền chính thì đường chuyền đơn trong hầm dẫn cùng với đường chuyền trong hầm chính tạo thành vòng khép để có điều kiện kiểm tra. - Trong trường hợp lưới đường chuyền được xem là duỗi thẳng và chiều dài các cạnh của đường chuyền xấp xỉ nhau thì sai số trung phương vị trí điểm cuối của đường chuyền nhánh trong hầm được tính theo công thức [2]:  2 2 2L qm m m (4) Giá trị mL và mq lần lượt là sai số trung phương hướng dọc và hướng ngang thông hầm tính theo công thức: L Sm m n (5)      m n 3m sq 12 (6) trong đó: n : là số cạnh của đường chuyền m : là sai số đo góc của đường chuyền Sm : là sai số đo cạnh của đường chuyền - Trong trường hợp lưới đường chuyền không được xem là duỗi thẳng nhưng các cạnh vẫn được đo với độ chính xác như nhau thì sai số trung phương vị trí điểm cuối của đường chuyền nhánh trong hầm được tính theo công thức [2]: M2 = n.ms2 +      2 2 n 1,i2 m D " (7) Trong đó: D2n+1,i là khoảng cách từ điểm cuối đến điểm i của đường chuyền. ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 47 2.3. Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ chính xác của lưới khống chế mặt bằng trong hầm Trong thực tế do điều kiện thi công hầm chật hẹp nên khi thành lập lưới khống chế thi công trong hầm chỉ có hai điểm khống chế là điểm gốc và một đường chuyền treo trong hầm, với phương án đo đạc như vậy sẽ không có điều kiện kiểm tra (hình 3). Do đó, trong trường hợp này người ta cố gắng làm mọi điều để có thể tiến hành kiểm tra được độ chính xác thi công hầm. Nếu đường chuyền này không đảm bảo độ chính xác thì sẽ ảnh hưởng đến công tác thi công hầm, làm chậm tiến độ cũng như tổn hao kinh phí. Từ những lý do trên chúng tôi nhận thấy cần thiết phải nghiên cứu một sơ đồ lưới khống chế trong hầm nhằm đảm bảo sai số hướng ngang thông hầm mq và đáp ứng được yêu cầu tiến độ thi công đào hầm cần thiết. Để có cơ sở trong việc thành lập cũng như đánh giá độ chính xác lưới thì trước hết chúng tôi tiến hành xây dựng lưới cơ sở làm điều kiện kiểm tra sau đó mới đi xem xét các đồ hình lưới thi công trong hầm. Phương án cơ sở: Trong phương án này đo tất cả các góc và cạnh của lưới và được đo nối với các điểm GPS (hình 2). Tọa độ các điểm trong lưới sẽ được dùng làm điều kiện kiểm tra các phương án còn lại. Hình 2. Đồ hình lưới cơ sở Các đồ hình thiết kế lưới thi công hầm gồm có các phương án sau: Phương án 1: Từ hai điểm gốc tại cửa hầm ta thiết kế đường chuyền đơn đi vào trong hầm (hình 3). Trong phương án này ta tiến hành đo tất cả các góc và cạnh của lưới. Hình 3. Đường chuyền treo Phương án 2: Từ điểm khống chế ở cửa hầm, thiết kế đường chuyền có dạng là đường chuyền kín dọc theo hai thành đường hầm (hình 4). ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA 48 Hình 4. Đường chuyền khép kín Phương án 3: Lưới đường chuyền trong hầm được thiết kế có dạng là đường chuyền tạo thành vòng khép kín và có đo tăng dày thêm một số góc (hình 5). Hình 5. Đường chuyền khép kín có đo thêm một số góc Phương án 4: Lưới khống chế trong hầm được thiết kế tạo thành vòng khép kín và đo tất cả các góc và cạnh như (hình 6). Hình 6. Đường chuyền khép kín đo tất cả các góc và cạnh của lưới. Cụ thể khối lượng đo của các phương án như sau: Phương án cơ sở: Đo 66 trị đo gồm 40 trị đo góc, 26 trị đo cạnh. Đây là phương án được dùng làm cơ sở cho việc so sánh, và kiểm tra kết quả của các phương án khác. Phương án 1: Đo tất cả là 12 trị đo, trong đó có 06 trị đo cạnh và 06 trị đo góc. Phương án 2: Đo 26 trị đo gồm 13 trị đo góc, 13 trị đo cạnh. Phương án 3: Đo 42 trị đo gồm 24 trị đo góc, 18 trị đo cạnh. Phương án 4: Đo 58 trị đo gồm 34 trị đo góc, 24 trị đo cạnh. 2.4 Kết quả ước tính độ chính xác lưới của lưới khống chế mặt bằng trong hầm Lưới mặt bằng trong hầm được ước tính theo phương pháp chặt chẽ trên máy tính, ta được kết quả tính toán cụ thể của các phương án. So sánh kết quả ước tính các yếu tố đặc trưng của các phương án như bảng 1. ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2015 49 Bảng 1. Bảng so sánh kết quả ước tính theo các phương án STT Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3 Phương án 4 SSTP vị trí điểm yếu nhất (mm) 5.5 (Điểm 6) 4.6 (Điểm 7) 4.2 (Điểm 7) 3.5 (Điểm 7) SSTP phương vị yếu nhất (”) 2.45” (Cạnh 5 đến 6) 2.38” (Cạnh 12 đến GPS1) 2.51” (Cạnh 5 đến 6) 2.12” (Cạnh 6 đến 7) SSTP tương đối chiều dài cạnh yếu nhất. 1/23900 (Cạnh 5 đến 6) 1/3000 (Cạnh 6 đến 7) 1/20100 (Cạnh 6 đến 7) 1/26900 (Cạnh 6 đến 7) SSTP tương hỗ hai điểm yếu nhất (mm) 2.1 (điểm 5 đến 6) 2.0 (điểm 12 đến GPS1) 1.8 (điểm 8 đến 9) 1.4 (điểm 12 đến GPS1) Nhận xét: Với kết quả ước tính sai số trung phương vị trí điểm yếu nhất của lưới mặt bằng trong hầm theo các phương án đều nhỏ hơn sai số điểm cuối cho phép [2]. Vậy theo các phương án thiết kế trên đều đạt được yêu cầu độ chính xác cho phép. 3. Đo đạc và tính toán thực nghiệm 3.1. Đo đạc thực nghiệm Quá trình đo đạc thực nghiệm là để minh chứng cho việc lựa chọn ra đồ hình hợp lý nhất, cũng như kiểm tra được các trị đo khi thành lập lưới khống chế thi công trong hầm. Công tác thực nghiệm được tiến hành với máy toàn đạc điện tử Leica TC 1800 có độ chính xác đo cạnh ms = 2mm+1ppm và độ chính xác đo góc mβ = 1”. Tiến hành đo với từng phương án riêng biệt theo sơ đồ đã thiết kế như các hình 2÷ hình 6. 3.2. Kết quả đo thực nghiệm lưới khống chế mặt bằng trong hầm Sau khi tiến hành đo đạc theo các phương án đã thiết kế và qua quá trình bình sai ta có được tọa độ các điểm trong lưới theo các phương án. Sử dụng tọa độ các điểm lưới đã bình sai để kiểm tra và đánh giá ta có được bảng kết quả so sánh độ lệch theo hai trục của các phương án với phương án cơ sở như (bảng 2). Bảng 2. Bảng kết quả so sánh độ lệch tọa độ theo trục các phương án Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3 Phương án 4 Tên điểm ∆ X (mm) ∆Y (mm) ∆X (mm) ∆ Y (mm) ∆ X (mm) ∆ Y (mm) ∆ X (mm) ∆ Y (mm) 1 0.007 0.001 0.005 0.000 0.004 0.000 0.002 0.000 2 0.011 0.000 0.008 -0.001 0.006 -0.002 0.006 0.000 3 0.008 -0.002 0.004 -0.002 0.007 -0.002 0.008 0.001 4 0.015 -0.003 0.010 -0.005 0.012 -0.001 0.010 0.002 5 0.018 -0.005 0.010 -0.006 0.012 -0.001 0.013 0.003 6 0.026 -0.004 0.017 -0.004 0.017 0.004 0.017 0.005 7 0.020 -0.012 0.019 0.000 0.018 0.003 8 0.015 -0.007 0.013 0.000 0.012 0.003 9 0.013 -0.005 0.009 -0.001 0.010 0.002 10 0.001 -0.003 0.004 -0.002 0.008 0.001 11 0.003 -0.001 0.005 -0.001 0.006 0.000 12 0.004 -0.001 0.004 -0.001 0.002 -0.001 Bảng 3. Bảng kết quả bình sai các phương án STT Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3 Phương án 4 Mp (mm) 1.28 (Điểm 6) 2.84 (Điểm 7) 2.65 (Điểm 7) 1.99 (Điểm 7) Mα ( ” ) 4.45” (Cạnh: 5-6) 14.58” ( Cạnh: 6-7) 14.94” (Cạnh: 5-6) 12.19” (Cạnh: 6-7) 1/T 1/10200 (Cạnh: 5-6) 1/500 (Cạnh: 6-7) 1/3000 (Cạnh: 6-7) 1/4500 (Cạnh: 6-7) Để minh họa rõ hơn sự khác nhau giữa các phương án, ta tiến hành xem xét ba vị trị điểm cuối của đường chuyền điểm 4, 5, 6 dưới dạng đồ thị như sau: ĐỊA KỸ THUẬT – TRẮC ĐỊA 50 - Đồ thị biểu diễn độ lệch các phương án theo sai số vị trí điểm Hình 9. Đồ thị biếu diễn độ lệch các phương theo sai số vị trí điểm Nhận xét: - Thông qua đồ thị ta nhận thấy rằng độ lệch hướng ngang (mq) của phương án 1 so với các phương án 2, 3, 4 là tương đương với nhau. Số lượng trị đo ít hơn so với các phương án khác, phù hợp với điều kiện thi công của hầm. Phương án 4 có độ lệch tọa độ nhỏ nhất và độ chính xác cao nhất nhưng số trị đo nhiều. Nên phương án này chỉ phù hợp cho các công trình hầm có kích thước lớn, yêu cầu độ chính xác cao. - Như vậy phương án 1 là phương án khả thi nhất đối với công tác thành lập lưới khống chế trong hầm, hoàn toàn đáp ứng được với điều kiện thi công của hầm chật, yêu cầu tiến độ nhanh trong công tác đào hầm đối hướng hiện nay mà vẫn đảm bảo được độ chính xác của yêu cầu thông hầm. 4. Kết luận Từ những kết quả nghiên cứu về lý thuyết và tính toán thực nghiệm chúng tôi rút ra kết luận sau: - Công tác định hướng hầm đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình thi công công trình hầm nhằm đảm bảo được các yêu cầu về độ chính xác khi thi công đào hầm đối hướng. - Từ kết quả đo đạc thực nghiệm một số dạng lưới khống chế thi công trong hầm cho thấy: Dạng lưới khống chế trong hầm phù hợp nhất là dạng tuyến đường chuyền trong hầm được thành lập theo phương án 1 (hình 3). Đây là dạng lưới khống chế có số lượng trị đo phù hợp, độ chính xác cao và đảm bảo được về mặt thời gian, chi phí khi phục vụ thi công xây dựng các công trình đường hầm ở nước ta. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Hoàng Ngọc Hà. (2013), Giáo trình tính toán bình sai trắc địa, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Hà Nội. 2. Phan Văn Hiến. (2005), Trắc địa công trình ngầm. NXB Giao thông vận tải. 3. Phan Văn Hiến và Đỗ Ngọc Đường. (2007), Thiết kế tối ưu lưới trắc địa công trình, Nhà xuất bản Giao thông vận tải, Hà Nội. Ngày nhận bài: 07/8/2015. Ngày nhận bài sửa lần cuối: 28/8/2015. - Đồ thị biểu diễn độ lệch theo ∆X (mq) Hình 7. Đồ thị biểu diễn độ lệch theo trục X - Đồ thị biểu diễn độ lệch theo ∆Y (mL) Hình 8. Đồ thị biểu diễn độ lệch theo trục Y