SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN THĂM DÒ TRONG KHẢO SÁT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH HẦM

TRỊNH VIỆT BẮC1, ĐINH VĂN TOÀN2, BÙI HỮU DÂN2, TỐNG VĂN PHÚ3

1Viện Địa chất, Viện KH&CN Việt Nam. 84 Phố Chùa Láng, Đống Đa, Hà Nội.
2Viện Cơ học, Viện KH&CN Việt Nam. Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội.
3Liên đoàn Vật lý – Địa chất, Thanh Xuân, Hà Nội.

Tóm tắt: Trong bài báo này, bằng các tính toán trên mô hình và số liệu thực tế, các tác giả cho thấy trong khảo sát xây dựng các công trình hầm ngầm, nếu không tính đến yếu tố ảnh hưởng địa hình trong xử lý phân tích tài liệu, có thể dẫn tới sai sót trong kết quả thu được. Các kết quả khảo sát địa chấn tại các công trình hầm Núi Pháo và Đèo Ngang cho phép xây dựng bình đồ cấu trúc các lớp đất đá và vạch ra các đới xung yếu cần phải lưu ý khi thiết kế và thi công công trình.


MỞ ĐẦU

Hiện nay ở nước ta, sự phát triển nhanh của nền kinh tế đòi hỏi xây dựng nhiều công trình hầm cho đường sắt, đường bộ và các công trình khác, như trong khai thác hầm lò hay xây dựng công trình thuỷ điện. Chi phí xây dựng các công trình này vốn rất tốn kém, lại tăng lên đáng kể nếu gặp sự cố như mạch nước ngầm hay gặp đất đá có độ ổn định kém. Để có thể chủ động phòng tránh các sự cố kể trên, công tác khảo sát có vai trò quan trọng và nếu được thực hiện tốt sẽ mang lại hiệu quả kinh tế lớn. Trong bài này, chúng tôi trình bày đặc điểm của việc sử dụng phương pháp địa chấn thăm dò trong khảo sát địa chất công trình ngầm và kết quả thực tế tại công trình hầm đường bộ Đèo Ngang (tỉnh Quảng Bình) và hầm đường sắt Núi Pháo (huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên).

I. ĐẶC ĐIỂM ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN

Trong xử lý phân tích tài liệu khảo sát địa vật lý [1] thường áp dụng mô hình đơn giản hoá, trong đó có việc coi bề mặt quan sát là mặt phẳng. Một số phần mềm xử lý tài liệu địa chấn thăm dò cũng dựa trên giả thiết đó, như phần mềm REFRACT chẳng hạn. Tuy nhiên, các mô hình tính toán đã chỉ ra rằng sự biến đổi của độ cao địa hình nếu không được tính đến trong việc xử lý tài liệu sẽ làm sai lệch kết quả khảo sát. Trong một số trường hợp địa hình cụ thể, nếu không tính tới yếu tố địa hình, biểu đồ thời khoảng thu thể hiện thêm các lớp ảo không có trên thực tế; vận tốc truyền sóng tính được cũng bị sai lệch đáng kể: nếu như tuyến đo đi qua đỉnh núi có độ dốc hai bên sườn là 300 thì giá trị vận tốc các lớp đất đá tính được bị giảm đi đến 11%, còn nếu độ dốc là 450 thì vận tốc giảm đến 24% tương đương với sự có thể luận giải nhầm thành sự tồn tại đới phá huỷ đi qua đỉnh núi. Trường hợp tuyến khảo sát đi qua địa hình lõm như suối chẳng hạn thì ta có bức tranh ngược lại.

Một đặc điểm của các công trình ngầm là chúng đều nằm trên vùng có địa hình phức tạp. Vì vậy, công tác khảo sát địa chấn công trình ngầm cần phải có độ cao địa hình khi có trắc địa đi kèm hoặc gắn với bản đồ địa hình chi tiết.

Hình 1 là kết quả phân tích một tuyến đo cụ thể là tuyến ở vùng Núi Pháo, trong đó Hình 1a là kết quả phân tích khi coi mặt địa hình phẳng và Hình 1b có tính đến yếu tố biến đổi độ cao địa hình. Có thể thấy rõ sự sai khác rõ rệt giữa hai kết quả trên cả về hình thái các lớp cũng như­ giá trị vận tốc của chúng. Điều này càng đ­ược thể hiện rõ ở phần đầu và cuối tuyến như­ ở cọc 150 m độ sâu đến lớp thứ nhất là 4 m ở phương án 1 và 14 m ở phương án 2, bề dày của lớp thứ 2 theo phương án 1 là 11 m, còn ở phương án 2 lớp này đã bị vát nhọn – không có lớp thứ 2.

Ví dụ trên cho thấy trong khảo sát địa chấn thăm dò nói chung, đặc biệt trong khảo sát phục vụ thi công hầm, hai thông số được quan tâm nhất là độ sâu đến các lớp đất đá và vận tốc truyền sóng địa chấn trong các lớp đó liên quan đến thành phần và độ rắn chắc của đất đá tạo nên các lớp đó, để từ đó có thể xác định đới không ổn định như bị nứt nẻ hay các đới đứt gãy. Vì vậy, việc xử lý phân tích nhất thiết phải tính đến yếu tố ảnh hưởng của điều kiện địa hình trên cơ sở các số liệu địa hình chi tiết ở từng vị trí nổ và các máy thu sóng.

II. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐỊA CHẤN TRONG XÂY DỰNG HẦM

Trong phần này có 2 ví dụ được trình bày về việc sử dụng phương pháp địa chấn thăm dò trong việc khảo sát xây dựng hầm đường sắt Núi Pháo (Đại Từ, Thái Nguyên) hiện đang chuẩn bị thi công và hầm đường bộ Đèo Ngang (Quảng Bình) trên QL.1A đã xây dựng xong và đang khai thác.

Hình 1. Kết quả xử lý tuyến 2, Núi Pháo:
a – Không tính đến độ cao địa hình, b – Có tính đến độ cao địa hình.
Ký hiệu: 1- Lớp đất trồng và sản phẩm phong hoá, 2- Lớp phong hoá nứt nẻ, 3- Đá gốc.

Nhiệm vụ của công tác khảo sát là xác định sự phân bố các lớp đất đá ở dưới sâu, chú ý đến đáy lớp phủ bở rời, bề mặt lớp đá rắn chắc, vị trí và diện phân bố của các đới phong hoá nứt nẻ mạnh cũng như vị trí và các thông số của các đứt gãy kiến tạo.

Một trong các nhiệm vụ của dự án mỏ wolfram – đa kim Núi Pháo là phải dịch chuyển một đoạn của đường sắt và đường QL.13A về vị trí mới. Việc này đòi hỏi phải xây dựng hầm đường sắt chui qua núi Bình Hương thuộc xóm 2, xã Hà Thượng. Công tác khảo sát địa chấn được đặt ra nhằm cung cấp thông tin về cấu trúc địa tầng phân lớp đất đá, về sự tồn tại, diện phân bố của các đới phá huỷ kiến tạo cũng như của các đới phong hoá, nứt nẻ mạnh ở chỗ hầm đường sắt đi qua.

Về mặt địa chất, vùng khảo sát nằm ở rìa đông bắc võng núi lửa Tam Đảo trên miền cấu trúc Đông Bắc Bộ thuộc miền uốn nếp Việt-Trung. Ở đây các trầm tích lục nguyên hệ tầng Phú Ngữ tuổi O-S và các trầm tích chứa than tuổi Trias (Nori-Ret) bị khối granit Núi Pháo xuyên cắt.

Ngay tại vùng khảo sát, từ dưới lên trên theo cột địa tầng có thể gặp các lớp đất đá sau:

– Đá granit thuộc khối xâm nhập Núi Pháo thuộc phức hệ Núi Điệng tuổi Trias giữa, mặt trên của khối bị phong hoá ở các mức độ khác nhau.

– Tiếp lên phía trên lại là tầng có tuổi cổ hơn tiếp xúc với khối granit này, đó là các trầm tích lục nguyên hệ tầng Phú Ngữ tuổi O-S, có thành phần chủ yếu là cát kết, bột kết, đá phiến… và các trầm tích chứa than tuổi Trias (Nori-Ret).

– Trên cùng là lớp bề mặt bao gồm lớp đất trồng và các sản phẩm phong hoá triệt để của đá gốc.

Để thu sóng, chúng tôi sử dụng thiết bị ghi số BISON-5000 (Mỹ) gồm 12 kênh, khoảng cách giữa các kênh là 5 m. Máy có chế độ lọc sóng tần số thấp thay đổi từ 0 đến 375 Hz và tần số cao đến 2000 Hz. Với khoảng cách đến điểm nổ lớn có thể đặt thời gian trễ. Bộ khuếch đại có thể tự động xác lập bằng cách nổ thí nghiệm. Máy có 2 chế độ ghi: “Manual” ứng với nổ một lần (dùng thuốc nổ) và “Auto arm” ứng với nổ nhiều lần có cộng sóng sử dụng khi điểm nổ ở xa nhằm hạn chế nhiễu ngẫu nhiên và do đó tăng độ sâu khảo sát. Số liệu được xử lý bằng chương trình phần mềm REFRACT của BISON và SIP của Rimrock Geophysics (Mỹ), trong đó phần mềm thứ nhất chỉ cho phép tính toán với giả thiết mặt quan sát phẳng và đồng thời xử lý được 2 biểu đồ xuôi và ngược, phần mềm thứ 2 hoàn thiện hơn: có thể xử lý cùng lúc 5 trạm máy có tính đến độ cao địa hình. Ở phần mềm này, trước khi dựng mặt cắt có thể đưa vào các số liệu về vận tốc và độ cao địa hình mặt quan sát, vận tốc sóng được tính theo phương pháp Hopson – Overton. Kết quả phân tích định lượng được tính trên cơ sở tính mô hình tia sóng ở mặt khúc xạ trên cùng (gần mặt đất nhất) so sánh với biểu đồ thời khoảng ở lớp tương ứng và chọn độ sâu mặt khúc xạ sao cho sai số nhỏ nhất bằng phương pháp tối thiểu hoá. Sau đó, bằng phương pháp toán học hạ tất cả các đầu thu cũng như điểm nổ xuống mặt trên của lớp thứ 2 và tất cả lại tiếp tục như đối với lớp thứ nhất (phương pháp bóc lớp). Quá trình lặp lại cho đến lớp dưới cùng.

Từ các điều kiện địa chất và mục tiêu khảo sát đặt ra, chúng tôi đã tiến hành đo theo quy trình sau: nếu mỗi trạm máy được quy ước đo từ 0 đến 55 m thì các điểm nổ được bố trí như sau: điểm nổ xa ở điểm -55 m; điểm nổ đầu trạm máy: 0 m; điểm nổ giữa trạm máy: 27,5 m; điểm nổ cuối trạm máy: 55 m và điểm nổ xa: 110 m. Ngoài ra, ở một số trạm máy có tiến hành đo bổ sung một điểm nổ ở xa hơn nữa là điểm -110 và 165 m.

Chúng tôi đã tiến hành đo địa chấn trên 6 tuyến. Vị trí các tuyến được xác định trước trên bản đồ. Việc bố trí các tuyến đo nếu không được đặt vuông góc với phương cấu trúc có thể ảnh hưởng phần nào đến kết quả đo. Các tuyến địa chấn bao gồm (xem Hình 2). Cả 6 tuyến này đều đi qua vùng có địa hình bị phân cắt mạnh, độ dốc lớn.

Sau đây trình bày kết quả khảo sát tại 1 tuyến dọc tim hầm là tuyến 3.

Phần lớn tuyến dọc tim hầm T3 là mặt cắt 3 lớp (xem Hình 3), riêng phần giữa tuyến ở vùng xung quanh đỉnh núi xác định đựơc vùng phá huỷ mạnh trong đá gốc. Trên cùng là lớp có vận tốc (v) nhỏ, biến đổi từ 420 đến 620 m/s liên quan đến lớp đất trồng và đất đá bở rời với bề dày thay đổi từ 0 đến gần 15 m, điểm đáng lưu ý là lớp này ở nửa phía đông của tuyến dày hơn hẳn cánh phía tây.

Hình 2. Vị trí các tuyến đo khảo sát địa chấn vùng Núi Pháo
(Đại Từ, Thái Nguyên)

Hình 3. Kết quả khảo sát địa chấn tuyến 3 dọc tim hầm vùng Núi Pháo

Ký hiệu: 1- Lớp đất trồng và sản phẩm phong hoá đá gốc, 2 – Lớp phong hoá mạnh của đá gốc, 3 – Lớp đá gốc, 4 – Giá trị vận tốc truyền sóng, 5 – Lỗ khoan khảo sát địa chất công trình, 6 – Nơi giao các tuyến, 7 – Điểm đặt máy thu địa chấn, 8 – Vùng đứt gãy kiến tạo, 9 – Vùng đá gốc nứt nẻ mạnh, 10 – Đường hầm dự kiến.

Lớp thứ 2 có bề dày thay đổi tương đối lớn, từ một vài mét ở sườn phía tây của núi đến 20 m ở thung lũng phía tây và sườn đông và thung lũng phía đông của núi. Riêng xung quanh đỉnh núi, lớp này rất dày, có chỗ đến trên 40 m. Giá trị vận tốc cũng thay đổi rất mạnh, từ 1000 đến 1600 m/s, riêng vùng xung quanh đỉnh núi vận tốc giảm đột ngột – đến 700-800 m/s – tương đương với lớp đất phủ trên mặt. Lớp này có lẽ liên quan đến trầm tích lục nguyên tầng Phú Ngữ ở hai thung lũng đầu và cuối tuyến, còn ở hai bên sườn núi liên quan đến các sản phẩm phong hoá của đá granit. Riêng ở hai bên đỉnh núi là đới phá huỷ liên quan đến hoạt động sụt lún xảy ra sau này.

Hình 4. Sơ đồ phân bố đới nứt nẻ nguy hiểm dọc hầm đường sắt Núi Pháo.

Hình 5. Kết quả khảo sát địa chấn tuyến dọc tim hầm Đèo Ngang trên QL.1A.
1- Lớp phủ bề mặt, 2- Lớp cát sét, bột sét và tàn dư phong hoá mạnh của đá gốc,
3- Đá ryolit porphyr phong hoá nứt nẻ, 4- Đá gốc nguyên dạng, 5- Vị trí hầm,
6- Đới nứt nẻ mạnh

Đáy lớp thứ hai thuộc bề mặt đá gốc là lớp granit rắn chắc có mật độ tương đối cao với v trên 3000 m/s. Nếu tính từ mặt đất thì độ sâu đến lớp này thay đổi từ vài mét ở sườn phía tây đến 20 m ở hai thung lũng hai bên. Ở rìa thung lũng phía tây, nơi tiếp xúc với  thân núi phát hiện một đới phá huỷ – đứt gãy kiến tạo nhỏ rộng khoảng 40 m, nghiêng về phía tây. Còn ở lân cận đỉnh núi liên quan đến đới sụt đã mô tả ở trên, giá trị vận tốc của lớp thứ ba ở đây giảm rất mạnh, đến 1600-1700 m/s, chỉ tương đương với v của lớp thứ hai là tầng trầm tích – phong hoá còn bề mặt khối granit rắn chắc nằm ở rất sâu, có lẽ đến hàng trăm mét.

Kết quả khảo sát các tuyến ngang góp phần định vị rõ hơn diện phân bố của các đới phong hoá nứt nẻ mạnh đã phát hiện trên tuyến dọc hầm để từ đó xây dựng bản đồ tổng hợp kết quả đo địa chấn, trên đó đã chỉ ra vị trí của các đới xung yếu. Tuy nhiên, do không có đủ số liệu trên diện nên ranh giới của đới ở nhiều chỗ chỉ là phỏng đoán.

Tại công trình hầm đường bộ Đèo Ngang, nhiệm vụ và hệ phương pháp quan sát thực địa cũng tương tự như ở Núi Pháo. Ở đây, đã tiến hành đo 1 tuyến dọc theo tim hầm và 3 tuyến ngang ở các vị trí đỉnh núi và hai cửa hầm. Kết quả phân tích số liệu đã phân được 4 lớp như ở Hình 5 của tuyến dọc tim hầm. Các kết quả khảo sát đã được sử dụng hiệu quả trong thiết kế và thi công hầm để đưa vào sử dụng đúng kế hoạch.

KẾT LUẬN

Từ các kết quả trình bày ở trên có thể đưa ra một số kết luận sau:

– Để áp dụng phương pháp địa chấn thăm dò trong khảo sát các công trình hầm phải lưu ý đến các yếu tố đặc thù của nó là ảnh hưởng của yếu tố biến đổi địa hình mạnh có thể làm sai lệch kết quả thu được. Biện pháp giải quyết là phải có số liệu địa hình ở từng vị trí nổ và thu sóng địa chấn và chúng phải được tính đến khi xử lý phân tích số liệu.

– Các ví dụ thực tế khảo sát tại 2 hầm Núi Pháo và Đèo Ngang cho thấy khả năng ứng dụng của phương pháp địa chấn trong khảo sát hầm có thể mang lại hiệu quả kinh tế lớn, do nó có thể đưa ra thông tin hữu ích về cấu trúc các lớp đất đá dưới sâu cũng như thành phần và tính chất của chúng, đồng thời vạch ra các đới không ổn định như các đới nứt nẻ, đứt gãy… Các thông tin trên góp phần có ý nghĩa trong thiết kế và thi công công trình, tránh các rủi ro đáng tiếc có thể xảy ra.

VĂN LIỆU

1. Trịnh Việt Bắc, Đinh Văn Toàn, Bùi Hữu Dân, 1999. Áp dụng phương pháp địa chấn thăm dò trong khảo sát địa chất công trình. Tuyển tập HN Cơ học vật rắn toàn quốc lần 6, tr. 29-140. Hà Nội.

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: