Khảo sát địa chất trong vùng Karst
Một số vấn đề về khảo sát địa chất công trình trong vùng karst phát triển mạnh
Đại học Mỏ - Địa chất, Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội
Tóm tắt: Những năm trước đây nhiều công trình có quy mô và điều kiện khác nhau đã được xây trong vùng karst phát triển mạnh. Một số vấn đềđã được nêu ra đối với khâu khảo sát địa chất công trình đňi hỏi phải giải quyết.
Bài báo đề cập đến một số đặcđiểm phát triển của karst ở vùng karst phát triển mạnh. Mặt khác, bài báo cũng nêu ra một số điều không chắc chắn của việc khảo sát địa chất công trình hiện nay và những khuyến nghị cần thiết nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của việc khảo sát này, sao cho đáp ứng được các yêu cầu của công việc thiết kế xây dựng và cũng như thi công thực tế.
ĐẶT VẤN ĐỀ
Nước ta có nhiều
đá vôi với tuổi
địa chất khác nhau và phân bố trên nhiều vùng lãnh thổ. Mỗi loại
đá vôi
được thành tạo và tồn tại trong những
điều kiện
địa chất nhất
định và có những
đặc điểm riêng về thành phần, kiến trúc và cấu tạo. Những
đặc điểm này ảnh hưởng nhiều
đến khả
năng phát triển karst của từng loại
đá vôi. Thường các loại
đá vôi tuổi Carbon - Permi hoặc Trias có thành phần
đồng nhất, ít lẫn các tạp chất sét hay silic thì khả
năng phát triển karst mạnh hơn các loại
đá vôi khác. Những loại
đá vôi này phân bố ở một số vùng thuộc miền Tây Bắc Bộ như Lai Châu, Sơn La, Hoà Bình, một số vùng ở
Đông Bắc Bộ như Cao Bằng, Lạng Sơn, vùng ven biển như Quảng Ninh, Hải Phòng, Ninh Bình, Thanh Hoá...
Đá vôi không chỉ tạo nên các dạng
địa hình karst trên mặt, mà còn tạo nên các hình thái karst ngầm,
đặc biệt là ở một số vùng
đồng bằng và thung lũng miền núi. Sự phát triển các hình thái karst trên mặt và karst ngầm
đều gây không ít khó
khăn cho công tác khảo sát, thiết kế và xây dựng công trình.
Để phục vụ sự nghiệp công nghiệp hoá
đất nước hiện nay và trong tương lai, nước ta
đã và sẽ còn phải xây dựng nhiều công trình có quy mô khác nhau,
đặc biệt là các công trình hạ tầng. Việc xây dựng các công trình công nghiệp, giao thông, thuỷ lợi, thuỷ
điện... trong vùng karst phát triển mạnh
đňi hỏi phải có những nghiên cứu phù hợp
để có thể
đề ra
được những giải pháp khảo sát, thiết kế và thi công xây dựng công trình hợp lý, là
điều kiện quan trọng bảo
đảm sự ổn
định lâu dài cho công trình và giảm bớt chi phí xây dựng.
ĐẶC ĐIỂM PHÁT TRIỂN KARST VÀ YÊU CẦU CỦA CÔNG TÁC
KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH TRONG VÙNG KARST PHÁT TRIỂN.
Thời gian qua, ở nước ta
đã xây dựng hàng loạt các công trình giao thông, thuỷ lợi, thuỷ
điện và công nghiệp trên vùng karst phát triển mạnh. Nhiều công trình cầu cống, nhà máy xi
măng xây dựng trên
địa hình
đồng bằng hoặc vùng thung lũng, phía dưới lớp phủ trầm tích là nền
đá vôi bị karst hoá mạnh. Từ thực tế khảo sát
địa chất công trình (
ĐCCT)
để xây dựng trên nền
đá vôi có karst phát triển mạnh vừa qua
đã cho thấy những vấn
đề bất cập cần phải xem xét nghiên cứu. Một số công trình xây dựng do không nhận thức
đúng mức
độ phát triển và tác
động bất lợi của karst
đối với công tác khảo sát và thiết kế nên mạng lưới khảo sát và chiều sâu các hố khoan
thăm dò không
đáp ứng
được yêu cầu thiết kế. Nhiều sai sót của thiết kế kỹ thuật công trình dựa trên các tài liệu khảo sát
địa chất công trình này
đã được phát hiện khi tiến hành khảo sát
ĐCCT phục vụ thiết kế thi công. Có công trình gần như phải thiết kế lại toàn bộ phần kết cấu móng, thay
đổi giải pháp kỹ thuật thi công, gây nên những thiệt hại về kinh tế, ảnh hưởng
đến tiến
độ xây dựng công trình. Tài liệu khảo sát một số công trình như cầu D Quảng Ninh, cầu N và Nhà máy xi
măng T Ninh Bình
đều cho thấy, karst phát triển rất phức tạp và
đa dạng về hình thái. Tại vị trí móng trụ cầu có thể phát triển
đồng thời 2,3 thậm chí 5-6 bậc karst khác nhau. Kích thước các hang karst có thể trên dưới 1m, có thể
đến 3-4m. Sự phân bố các hang này không chỉ phân bậc theo chiều sâu mà còn rất biến
đổi theo chiều ngang. Do tính chất phức tạp của karst, người ta
đã khoan tại các vị trí thiết kế cọc trên cùng một trụ cầu và thấy rằng, các hố khoan nằm gần nhau có thể gặp hoặc không gặp hang karst hoặc có thể gặp các bậc hang khác nhau. Hình 1 là các mặt cắt
ĐCCT tại vị trí trụ P1 cầu D.
Quá trình khảo sát
ĐCCT trong vùng karst phát triển mạnh thường gây nên một số khó
khăn sau cho công tác khảo sát
ĐCCT:
1) Gây mất dung dịch khoan mạnh khi gặp hang karst. Trường hợp có sự phát triển nhiều bậc hang karst khác nhau thì
đňi hỏi phải áp dụng các biện pháp công nghệ khoan
đặc biệt như khoan chống ống nhiều cấp. Mỗi bậc phát triển karst mạnh
đều phải thực hiện một cấp
đường kính ống chống. Việc sử dụng công nghệ này
đňi hỏi mất nhiều công sức và tốn kém, hạn chế
năng suất khoan.
2) Tầng
đá phát triển nhiều bậc hang karst sẽ làm cho
đất đá bị nứt nẻ và vỡ vụn, tỷ lệ mẫu khoan lấy
được rất thấp nên trị số
đánh giá chất lượng
đá RQD thường rất thấp, không bảo
đảm yêu cầu thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM. Với công nghệ và thiết bị khoan hiện nay, nhiều
đoạn RQD = 0 hoặc chỉ
đạt 10 -30%. Muốn có RQD >50%
đňi hỏi phải khoan sâu hơn vào vùng
đá ít bị nứt nẻ.
Theo tiêu chuẩn BS 5930 : 1981 [1] thì việc phân loại chất lượng
đá theo chỉ số RQD như sau:
RQD(%)
Đánh giá chất lượng đá
0 - 25
Rất xấu
25 - 50
Xấu
50 - 75
Khá
75 - 90
Tốt
90 - 100
Rất tốt
Thực tế khoan khảo sát
ĐCCT trong vùng karst cho thấy,
đối với
đá trong khu vực karst phát triển mạnh, việc
đạt giá trị RQD > 75 % với công nghệ và thiết bị khoan hiện nay ở nước ta là rất khó
khăn.
Để cung cấp tài liệu khảo sát
ĐCCT đáp ứng
được các yêu cầu của công tác thiết kế và chọn giải pháp thi công công trình trong vùng
đá vôi có karst phát triển mạnh, quá trình khoan
thăm dò cần làm rõ và chính xác một số nội dung sau:
1)
Đặc điểm địa tầng với sự phân bố chính xác của các bậc hang karst.
2) Kích thước các hang karst.
3) Vật chất lấp nhét và mức
độ lấp nhét trong hang karst.
4) Lượng mất dung dịch khoan khi khoan qua các khu vực phát triển hang karst.
Việc xác
định hang karst có vật chất lấp nhét hay không, thành phần vật chất lấp nhét là gì và mức
độ lấp nhét trong hang có ý nghĩa rất quan trọng trong việc xác
định công nghệ khoan và thi công cọc khoan nhồi. Vấn
đề này còn
được làm sáng tỏ hơn nếu có số liệu và biết phân tích kết quả xác
định lượng tiêu hao dung dịch trong từng
đoạn bậc hang karst. Thực tế cho thấy, có trường hợp khi thi công cọc khoan nhồi qua vị trí có phát triển karst với kích thước lớn nhưng
đã lấp
đầy vật chất lấp nhét với thành phần là
đất loại sét, hoặc hang karst có kích thước nhỏ, ít có khả
năng liên thông, lượng mất dung dịch ít, thì nhìn chung không cần phải áp dụng giải pháp thi công
đặc biệt. Trường hợp hang karst không chứa hoặc chứa ít vật chất lấp nhét, lượng mất dung dịch lớn, tầng
đá phát triển nhiều bậc hang karst khác nhau, muốn thi công cọc khoan nhồi,
đňi hỏi phải kết cấu ống vách với một hay nhiều cấp
đường kính khác nhau tuỳ thuộc số bậc hang.
Việc xác
định chính xác các thông tin
ĐCCT trên
đây sẽ cho phép chủ
động xác
định công nghệ thi công cho từng cọc khoan nhồi, bảo
đảm chất lượng công trình và nâng cao hiệu quả xây dựng.
Để thu thập
được đầy đủ các thông tin theo yêu cầu, trong quá trình khảo sát
ĐCCT đňi hỏi phải theo dõi nghiêm ngặt quá trình khoan, mô tả chi tiết cột
địa tầng, theo dõi và ghi chép tốc
độ khoan trong từng khoảng
độ sâu và
đặc biệt phải xác
định và
đánh giá
đúng lượng tổn hao dung dịch khoan trong những
đoạn phát triển hang karst.
Hình 1. Mặt cắt ĐCCT ở trụ P1 cầu D
Hiện nay, khi thiết kế cọc khoan nhồi
để xây dựng các công trình theo tiêu chuẩn ASTM, người ta dựa vào chỉ số chất lượng
đá RQD
để tính toán sức chịu tải cho cọc. Thực tế công tác khảo sát thiết kế theo tiêu chuẩn này cho thấy cũng còn một số vấn
đề cần lưu ý. Việc tính toán sức chịu tải của cọc theo trị số RQD
được xây dựng trên cơ sở công nghệ và thiết bị khoan
thăm dò
đúng tiêu chuẩn. Hiện nay ở nước ta chủ yếu sử dụng các thiết bị khoan do Trung Quốc chế tạo. Mũi khoan sử dụng thường là ống mẫu
đơn, chế
độ kỹ thuật khoan không
được tính toán và tuân thủ
đúng mực, nên
đối với
đá nứt nẻ, khả
năng lấy mẫu rất thấp do
đá bị vỡ vụn trong quá trình khoan.
Điều này
đã làm cho giá trị RQD thấp, ảnh hưởng
đến việc xác
định vị trí
đặt mũi cọc cũng như thông số
đưa vào tính toán thiết kế sức chịu tải của cọc. Trong một số trường hợp, nếu áp dụng một cách máy móc tiêu chuẩn thiết kế này có thể dẫn
đến những tốn kém không cần thiết do vị trí
đặt mũi cọc quá sâu, sức chịu tải của cọc xác
định được thấp. Thực tế cho thấy, nhiều trường hợp chỉ số RQD thấp, trong
đó có cả nguyên nhân do công nghệ và thiết bị khoan gây nên.
Để khắc phục những nhược
điểm này, ngoài việc cần
đổi mới trang thiết bị
đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật và thực hiện tốt chế
độ kỹ thuật khoan, còn cần phải biết phân tích
đúng đắn đặc điểm nứt nẻ của
đá thông qua lượng thấm mất dung dịch khoan và tốc
độ khoan.
KẾT LUẬN.
Từ thực tiễn công tác khảo sát
ĐCCT và những vấn
đề đã nêu ở trên, khi tiến hành công tác khảo sát, thiết kế xây dựng công trình trong vùng karst phát triển mạnh, cần phải chú ý một số vấn
đề sau:
1)
Tăng cường mật
độ hố khoan
thăm dò một cách phù hợp. Trên diện tích móng xây dựng công trình,
đối với giai
đoạn thiết kế kỹ thuật cần bố trí tối thiểu 4 hố khoan
thăm dò trên
đường biên chu vi móng công trình. Vị trí công trình
thăm dò bảo
đảm khống chế về mặt không gian theo các hướng.
2) Trường hợp karst phát triển mạnh và phức tạp thì giai
đoạn lập bản vẽ thi công nhất thiết phải khoan vào từng vị trí cọc khoan nhồi. Tuy nhiên,
để giảm chi phí khảo sát, việc tiến hành khoan cần theo một trình tự hợp lý trong phạm vi móng công trình. Sử dụng phương pháp khoan cách quãng các
điểm thăm dò trong phạm vị móng. Việc quyết
định khoan những hố khoan còn lại xen kẽ tuỳ thuộc vào kết quả
thăm dò của các hố khoan
đã khoan ở hai bên.
3) Trong quá trình khoan phải theo dõi chặt chẽ và mô tả
địa tầng chi tiết, ghi chép chính xác tốc
độ khoan, lượng mất dung dịch trên từng
đoạn khoan qua,
đặc biệt là ở khu vực có phát triển hang karst. Việc phân tích
đúng đắn tốc
độ khoan , nhất là trong khu vực
đất đá bị nứt nẻ mạnh sẽ phần nào khắc phục
được những thông tin sai lệch về giá trị RQD do thiết bị và công nghệ khoan gây nên.
4) Mô tả cụ thể mức
độ lấp nhét,
đặc điểm thành phần vật chất lấp nhét bằng việc lấy mẫu chất lấp nhét trong hang karst.
5)
Để tránh làm vỡ mẫu
đất đá cần có chế
độ khoan và loại ống mũi khoan hợp lý, phù hợp với
điều kiện nứt nẻ của
đất đá. Trong trường hợp
đá nứt nẻ mạnh, tốt nhất nên khoan với tốc
độ không lớn, áp lực khoan thấp, sử dụng mũi khoan là ống mẫu nòng
đôi.
tham khảo
1. Hướng dẫn thực hành về khảo sát xây dựng. Tiêu chuẩn Anh - BS 5930: 1981.
Nxb Giáo dục, Hà Nội.
2. Tiêu chuẩn về khảo sát và
đo đạc xây dựng, 2000.
Nxb Xây dựng, Hà Nội.