Giải pháp công nghệ cho việc quan trắc chuyển vị vỏ đường hầm

ThS. Trần Thị Thảo Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Tô Giang Lam TS. Ngô Văn Hợi

Tóm tắt: Các sự cố của đường hầm thường được phát hiện nhờ sự quan trắc chuyển vị của các điểm trên vỏ đường hầm để xác định mức độ biến dạng của nó. Đặc điểm khi quan trắc chuyển vị của vỏ đường hầm là khả năng tiếp cận hạn chế, việc tiếp cận và xây mốc chuẩn chỉ được thực hiện tại hai đầu đường hầm. Bài báo trình bày một giải pháp công nghệ để quan trắc chuyển vị của các điểm trên vỏ đường hầm, từ số liệu quan trắc được có thể lập báo cáo kỹ thuật tổng hợp kèm theo các nhận xét về mức độ biến dạng của đường hầm và các kiến nghị về các giải pháp kỹ thuật tiếp theo.

Từ khóa: Quan trắc chuyển vị vỏ đường hầm.

Abstract: The incidents of the tunnel are often detected through monitoring displacement of the points on the tunnel shell to determine the extent of its deformation. Features of the displacement monitoring of tunnel shell is that access ability is limited, accessing and building benchmarks only be done at both ends of the tunnel. This paper presents a technology solution to monitor deformation of the points on the tunnel shell, from the observation data can make general technical report accompanying with comments on the level of distortion of the tunnel and the proposals on the following technical solutions.

Keywords: Situ observation tunnel shell.

1. Những vấn đề chung về quan trắc đường hầm

1.1. Đặc điểm của các biến dạng trong đường hầm và công tác quan trắc đường hầm

Đối với công trình dân dụng và công nghiệp sự cố thường phát sinh từ nền móng nhưng đối với các đường hầm phần nền móng lại là phần an toàn nhất. Các sự cố thường phát sinh từ nóc hầm hoặc hai bên thành hầm vì đây là các vị trí chịu áp lực lớn nhất, vì vậy, khi đặt các mốc quan trắc đường hầm cần lưu ý đặc điểm này.

Một đặc điểm nữa cần lưu ý khi quan trắc đường hầm là khả năng tiếp cận hạn chế. Đối với các công trình dân dụng và công nghiệp thông thường có thể tiếp cận nó từ mọi phía và có nhiều lựa chọn vị trí xây dựng các mốc chuẩn thì đối với đường hầm chúng ta chỉ có thể tiếp cận nó từ hai phía và các lựa chọn vị trí xây dựng mốc chuẩn cũng chỉ hạn chế ở hai đầu đường hầm.

1.2. Các đại lượng chuyển dịch cần xác định khi quan trắc đường hầm

Nếu phân tích chuyển vị của một điểm bất kỳ nào đó nằm trên thành hầm thì thấy có thể có 2 thành phần: Thành phần dọc theo trục hầm và thành phần vuông góc với trục hầm. Trong hai thành phần nói trên, thành phần vuông góc với trục hầm gây ra biến dạng về kích thước của hầm và có nguy cơ ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của thành hầm và hệ thống thiết bị kỹ thuật, còn thành phần dọc trục hầu như không ảnh hưởng đến kích thước của hầm. Mặt khác, thành phần chuyển vị theo trục dọc của hầm thường là nhỏ vì có rất ít tác nhân có thể gây ra chuyển dịch của hầm theo hướng này, chính vì vậy, đối với đường hầm chỉ cần quan trắc chuyển vị của vỏ hầm theo hướng vuông góc với trục hầm là đủ.

1.3. Hệ tọa độ sử dụng khi quan trắc đường hầm

Hình 1.1: Hệ tọa độ sử dụng khi quan trắc hầm

Như đã phân tích ở trên, chuyển vị của vỏ đường hầm chỉ diễn ra trong mặt phẳng vuông góc với trục đường hầm và đáy hầm thường rất chắc chắn hầu như không bị chuyển dịch, vì vậy tốt nhất nên sử dụng các hệ tọa độ qui ước riêng cho từng vị trí quan trắc, trong đó trục X nằm song song với nền hầm hướng từ trái sang phải và trục Y hướng từ dưới lên, điểm gốc tọa độ được đặt nằm trên mặt phẳng đứng đi qua trục hầm. Với cách chọn hệ tọa độ như trên thì tọa độ Y sẽ chỉ có dấu “+”, còn tọa độ X sẽ có cả dấu “+” và dấu “-”, trong đó, những điểm có dấu “-” nằm bên trái và những điểm có dấu “+” nằm phía bên phải trục đường hầm. Trong đường hầm bình thường, công tác quan trắc được thực hiện trên các mặt cắt cách nhau 30, 50 hoặc 100m và tại các vị trí có điều kiện địa chất không ổn định dễ xảy ra chuyển dịch của vỏ hầm.

1.4. Định vị các mặt cắt

Công tác quan trắc thường được thực hiện đối với tuyến đường hầm đã xây dựng và đang vận hành thì không cần định vị các mặt cắt theo tọa độ tuyệt đối trong hệ tọa độ quốc gia như các tuyến đường và tuyến hầm xây dựng mới. Vị trí của các mặt cắt trên tuyến được xác định và quản lý chính xác thông qua lý trình của tuyến. Việc định vị các mặt cắt trên tuyến được thực hiện như sau:

- Đặt máy toàn đạc điện tử tại một điểm lý trình gần cửa hầm nhất đo khoảng cách tới mặt cắt đầu tiên để xác định vị trí của mặt cắt đầu tiên trên tuyến.

- Mặt cắt tiếp theo được định vị cách mặt cắt đầu tiên 30m (50m hoặc 100m tùy theo yêu cầu) và tiếp tục làm như vậy cho tới cuối của đường hầm.

1.5. Đặt tên các mặt cắt

- Các mặt cắt được qui ước đặt tên như sau: Tên của mặt cắt gồm 3 phần:

+ Phần đầu bao gồm 2 ký tự MC viết chữ in (nghĩa là mặt cắt);

+ Phần 2: Gồm 2 chữ số là số thứ tự của mặt cắt (các mặt cắt từ 1 đến 9 thì thêm số 0 phía trước);

+ Phần 3: Là lý trình của mặt cắt. Các phần viết cách nhau một dấu gạch nối.

Ví dụ: MC-05-Km 668+26. Nhìn vào tên mặt cắt chúng ta hiểu ngay là mặt cắt số 5 trên tuyến hầm nằm ở lý trình Km 668+26.

Với cách định vị và đặt tên như trên tất cả các bên liên quan kể cả cấp quản lý cao nhất khi đọc hồ sơ cũng hiểu những vấn đề mình quan tâm là ở chỗ nào mà không cần phải ra hiện trường.

2. Các công việc chính cần thực hiện khi quan trắc đường hầm

2.1. Gắn các mốc chuẩn và mốc quan trắc trên các mặt cắt

2.1.1. Mốc chuẩn

Trên mỗi mặt cắt gắn 2 mốc chuẩn đối xứng qua tim hầm và cách mép hầm 60 - 70cm để có đủ không gian thao tác đo đạc. Không nên đặt quá xa mép hầm vì càng đặt xa mép hầm thì hai mốc chuẩn trên cùng một mặt cắt sẽ càng gần nhau và đồ hình sẽ càng xấu, ảnh hưởng không tốt đến độ chính xác xác định vị trí điểm quan trắc. Hai mốc chuẩn được ký hiệu bằng chữ M kèm theo số thứ tự và chữ cái L (mốc bên trái) hoặc chữ R cho mốc bên phải.

Đối với đường hầm có thể đặt 2 loại mốc chuẩn như sau:

- Loại công son:

Loại mốc này gắn vào các thành hầm bê tông thẳng đứng. Bàn đặt máy có khoan 1 lỗ tròn ở tâm đường kính 10,5mm vừa bằng đường kính ốc nối của máy để loại trừ sai số định tâm máy. Tâm lỗ bắt máy cách vách hầm khoảng 50cm để tiện thao tác.                                                  

Hình 2.2: Cấu tạo mốc chuẩn loại chôn vào nền hầm

 

- Loại chôn trực tiếp xuống nền hầm

Mốc chôn trực tiếp xuống nền hầm bao gồm mặt mốc và chân mốc. Mặt mốc là một tấm thép tròn đường kính 20cm dày 5 - 10mm giữa khoan lỗ tròn =10,5mm để bắt máy. Ba chân mốc là thép =26 hoặc =32mm dài khoảng 30 đến 50cm (tùy theo cấu tạo của nền hầm). Khi lắp đặt đục lỗ vào đá dưới nền hầm sau đó đặt mốc vào và gắn chân mốc bằng vữa bê tông. Mặt mốc nên để cách mặt nền hầm khoảng 20cm.

2.1.2. Các mốc quan trắc

Trên mỗi mặt cắt các mốc quan trắc được gắn đối xứng qua nóc hầm. Đối với đường hầm kích thước không lớn lắm có thể gắn 5 mốc, đối với đường hầm kích thước lớn hơn có thể gắn 7 hoặc 9 mốc. Sơ đồ gắn 5 mốc được trình bày trên Hình 2.3a.

a) - Sơ đồ bố trí các mốc quan trắc trên một mặt cắt; b) - Gương giấy dán tại các điểm quan trắc; c)- Điểm quan trắc đánh dấu bằng sơn

Hình 2.3

 

Mốc quan trắc có thể là gương giấy chuyên dùng (loại kích thước 10 x 10mm) dán trực tiếp vào thành hầm. Để dễ dàng bắt được điểm quan trắc khi đo ngoài việc đánh dấu các mặt cắt đo bằng sơn đỏ trên thành hầm cần dùng sơn đỏ để sơn một hình vuông 100 x 100mm màu đỏ, giữa hình vuông vẽ một chấm trắng. Gương giấy hoặc các điểm quan trắc vẽ trực tiếp bằng sơn lên thành hầm được thể hiện trên Hình 2.3b và 2.3c.

2.2. Phương pháp quan trắc

Việc quan trắc được thực hiện bằng phương pháp giao hội cạnh theo trình tự sau:

Đặt máy tại điểm M_L lần lượt đo khoảng cách tới các điểm quan trắc từ điểm đầu tiên cho tới hết (ký hiệu là (D_A)_L, (D_B)_L… (D_E)_L), sau đó chuyển máy sang điểm mốc chuẩn thứ 2 M_R và cũng thực hiện thao tác đo đạc như tại điểm mốc chuẩn thứ nhất đo được các khoảng cách (D_A)_R, (D_B)_R, …. (D_E)_R (Hình 2.4).

2.3. Xử lý số liệu

Tọa độ của các điểm quan trắc có thể được xác định với sự trợ giúp của định lý hàm số “Cosin” trong tam giác. Tuy nhiên, tốt nhất nên xác định tọa độ của các điểm bằng phần mềm đồ họa Autocad vừa nhanh chóng, đỡ nhầm lẫn mà còn có thể trực tiếp xác định được biến dạng của vỏ hầm. Các điểm quan trắc trên từng mặt cắt tại mỗi chu kỳ đo chính là giao điểm của hai vòng tròn tâm là M_L và M_R và bán kính chính là những khoảng cách đo được. Các bản vẽ biến dạng hầm đối với mỗi mặt cắt trong từng chu kỳ được vẽ trong hệ tọa độ qui ước, gốc là giao điểm của trục đối xứng và đường vuông góc với nó tại mặt cắt này. Khi chồng các bản vẽ của hai chu kỳ khác nhau lên chúng ta sẽ thấy ngay thành hầm bị biến dạng như thế nào. Các bước thực hiện như sau:

Hình 2.4: Bố trí máy đo và trình tự quan trắc

- Vẽ đoạn thẳng LR (nối 2 mốc chuẩn L và R của mặt cắt cần xử lý);

- Dựng một hệ tọa độ qui ước gốc là điểm giữa của đoạn LR, trục Y là đường thẳng đứng đi qua gốc tọa độ vừa chọn;

- Lấy điểm L làm tâm vẽ đường tròn tâm L bán kính D_AL bằng lệnh “Circle”;

- Lấy điểm R làm tâm vẽ đường tròn tâm L bán kính D_AR bằng lệnh “Circle”;

- Đánh dấu giao điểm của 2 vòng tròn này được điểm A trong chu kỳ 1;

- Làm tương tự cho các điểm B, C, D và E cho mặt cắt nói trên;

- Lặp lại các thao tác trên cho các mặt cắt còn lại.

Các chu kỳ tiếp theo cũng xử lý tương tự theo các bước như trên.

Muốn biết nóc hầm bị biến dạng thế nào thì chồng các bản vẽ của cùng một mặt cắt lên nhau bằng lệnh “Insert” hoặc đơn giản là lệnh “copy” trong Autocad, điểm chèn là gốc tọa độ.

Ví dụ: Quan trắc một mặt cắt trên đường hầm 2 chu kỳ liên tiếp được các số liệu như sau:

Bảng 2.1. Số liệu quan trắc trong chu kỳ 1

Bảng 2.2. Số liệu quan trắc trong chu kỳ 2

 

Vẽ biên dạng của mặt cắt nói trên cho 2 chu kỳ trong AutoCAD: Chu kỳ 1 và chu kỳ 2 và sau đó chồng 2 mặt cắt lên nhau như hình dưới đây:

Hình 2.5: Vẽ biên dạng của mặt cắt trong các chu kỳ đo bằng AutoCAD

 

Ưu điểm của giải pháp này là có thể thấy một cách trực giác biến dạng của đường hầm. Bản vẽ có thể được phóng to tùy ý nên có thể quan sát các biến dạng một cách rất chi tiết.

2.4. Thiết bị sử dụng để quan trắc

Để quan trắc biến dạng của hầm phải sử dụng các thiết bị chuyên dùng.

- Máy toàn đạc điện tử: Máy toàn đạc điện tử sử dụng trong trường hợp này tốt nhất là máy có chế độ đo trực tiếp không cần gương như máy TS-02 hoặc TS-06 của hãng LEICA. Ngoài ra, để sử dụng cho mục đích này bắt buộc máy phải có kính ngắm vuông góc chuyên dùng (diagonal eyepiece).

Hình 2.6: Máy toàn đạc điện tử LEICA Flexline TS-02, TS-06 và kính ngắm vuông góc

 

3. Công tác đảm bảo an toàn lao động và vệ sinh môi trường

Do công tác quan trắc được thực hiện trên các tuyến đường hầm đang hoạt động nên cần đặc biệt lưu ý đến các biện pháp đảm bảo an toàn. Cụ thể như sau:

- Trước khi tiến hành công tác quan trắc cần thỏa thuận với đơn vị chủ quản công trình để xin cấp giấy phép làm việc trong hầm và chỉ được làm việc trong hầm trong khuôn khổ thời gian được đơn vị chủ quản cho phép.

- Tất cả cán bộ thực hiện quan trắc cần được phải được học về nội qui an toàn làm việc trong hầm và phải được trang bị đầy đủ các dụng cụ bảo hộ cá nhân cần thiết cho công việc.

- Không làm các công việc gây tổn hại đến môi trường xung quanh. Khi kết thúc công việc cần thu dọn khu làm việc sạch sẽ tránh để các vật dụng có thể gây cản trở hoặc nguy hiểm cho các phương tiện lưu thông trong hầm.

4. Kết luận

Phương pháp quan trắc đường hầm trên đây khá đơn giản, tiện lợi và cho độ chính xác tốt. Các phương tiện chủ yếu để thực hiện quan trắc như máy toàn đạc điện tử có tích hợp nguồn sáng laser có chế độ đo trực tiếp không gương hoặc phần mềm để xử lý số liệu đều rất thông dụng. Vì vậy, đây là phương pháp có tính khả thi rất cao.

Tài liệu tham khảo

[1]. Trần Đắc Sử (2007), Trắc địa công trình, NXB. GTVT, Hà Nội.

[2]. Phan Văn Hiến, Ngô Văn Hợi và nnk (1999), Giáo trình Trắc địa công trình, NXB. GTVT, Hà Nội.

[3]. Ngô Văn Hợi, Trần Khánh và nnk (2014), Quan trắc công trình bằng phương pháp Trắc địa, Tài liệu giảng dạy cho các lớp đào tạo cán bộ làm công tác quan trắc công trình theo dự án 151 của Bộ Xây dựng, Hà Nôi.