Giáo trình xây dựng công trình ngầm 1

BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP QUẢNG NINH

GIÁO TRÌNH

XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM 1
DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC
(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

QUẢNG NINH - 2020


LỜI NÓI ĐẦU
Trong nền kinh tế quốc dân hiện nay, việc xây dựng các cơng trình ngầm
đang ngày càng trở nên cấp thiết đặc biệt trong lĩnh vực giao thông đường sắt,
đường bộ, giao thông trong các đô thị lớn, xây dựng các cơng trình kỹ thuật hạ tầng.
Các cơng trình ngầm được xây dựng trong lịng đất, lịng núi sẽ chịu ảnh hưởng của
nhiều yếu tố, liên quan đến nhiều giải pháp kỹ thuật khác nhau do đó phải xem xét
tổng hợp nhiều vấn đề: qui mô và tầm quan trọng của cơng trình, điều kiện địa kỹ
thuật, kích thước mặt cắt ngang cơng trình, khả năng thi cơng ... Vì vậy có thể thấy,
xây dựng cơng trình ngầm là một cơng việc phức tạp, khó khăn, tốn kém, địi hỏi
người xây dựng phải có đam mê thực sự tuy nhiên cũng tạo nên các cơng trình vơ
cùng thú vị.
Với mục đích phát triển nguồn tài liệu học tập và tham khảo cho sinh viên
trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, Giáo trình “Xây dựng cơng trình ngầm
1” đã được biên soạn theo chương trình đào tạo bậc đại học chun ngành Xây
dựng mỏ & Cơng trình ngầm; Cơng nghệ kỹ thuật xây dựng cơng trình Hầm & Cầu.
Giáo trình cung cấp các kiến thức cơ bản về các giải pháp kết cấu và phương pháp
thi công các công trình ngầm tiết diện nhỏ trong điều kiện thơng thường, với các nội
dung chính sau:
Chương 1. Khái qt về cơng tác xây dựng các cơng trình ngầm

Chương 2. Kết cấu chống giữ cơng trình ngầm
Chương 3. Thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ
Chương 4. Thi công hầm trạm và ngã ba
Do kiến thức về thi cơng cơng trình ngầm còn hạn chế, nên mặc dù đã cố
gắng nghiên cứu và cập nhật các kiến thức mới song chắc chắn giáo trình vẫn cịn
nhiều vấn đề chưa làm thỏa mãn người đọc. Nhóm tác giả mong nhận được những
sự góp ý từ phía người đọc để giáo trình được bổ sung và hoàn thiện.
Tác giả

1


Chương 1
KHÁI QT VỀ CƠNG TÁC XÂY DỰNG
CÁC CƠNG TRÌNH NGẦM
1.1. Phân loại các cơng trình ngầm
Cơng trình ngầm là cơng trình được xây dựng dưới bề mặt đất; chúng liên
kết trực tiếp với khối đất, đá xung quanh. Trong xây dựng cơng trình ngầm, khối đất
đá, kết cấu cơng trình ngầm và q trình thi cơng có mối liên quan mật thiết, địi hỏi
phải có nhiều kinh nghiệm, lí thuyết của các lĩnh vực chuyên môn khác nhau như cơ
học kết cấu, địa cơ học, công nghệ xây dựng ....
Cơng trình ngầm có thể được phân chia thành các loại khác nhau dựa trên cơ
sở đặc điểm công dụng, vị trí thế nằm, diện tích tiết diện hoặc tương quan giữa kích
thước tiết diện ngang và chiều dài cơng trình....
1.1.1. Theo cơng dụng
Tùy theo mục đích sử dụng cơng trình ngầm có thể chia cơng trình ngầm ra
làm một số nhóm:
 Cơng trình ngầm khai thác khống sản: đây là loại cơng trình sử dụng để
khai thác tài ngun khống sản như hệ thống các cơng trình ngầm, hầm trạm phục
vụ trong các mỏ than hầm lò, các mỏ quặng v.v. Đây là những cơng trình có tuổi thọ

tùy theo sản lượng của các mỏ và có yêu cầu kiến trúc không cao nên người ta chỉ
cần bảo đảm an tồn trong khi sử dụng chứ ít quan tâm đến tính thẩm mỹ của nó.
 Cơng trình ngầm cơng nghiệp: gồm các cơng trình ngầm thủy lợi, thủy điện,
kho chứa ngầm. Những cơng trình ngầm trong hệ thống thuỷ lợi, thuỷ điện này
thường có chiều dài lớn, thường có các giai đoạn làm việc khác nhau và chế độ làm
việc cũng khác nhau đó là chế độ làm việc khi khơng có nước chảy bên trong (khi
thi cơng và khi sửa chữa) và khi đi vào hoạt động. Ngoài áp lực đất đá bên ngồi tác
động cịn có nước và áp lực nước bên trong nên khi thiết kế và thi cơng các cơng
trình ngầm trong nhóm này cũng có những đặc điểm và u cầu riêng.
 Cơng trình ngầm dân dụng: Những cơng trình ngầm trong nhóm này bao
gồm các cơng trình ngầm giao thơng (ơ tơ, tàu hoả, tàu điện, người đi bộ), tầng hầm

2


trong các nhà cao tầng, các gara để xe ngầm, hệ thống đường hầm kỹ thuật dùng để
đặt ống nước sinh hoạt, nước thải, cáp điện, cáp quang ... phục vụ nhu cầu sinh hoạt
của nhân dân. Những cơng trình này có yêu cầu về kiến trúc cao hơn hẳn những
cơng trình phục vụ khai thác khống sản vì chúng có tuổi thọ cao hơn hẳn và thời
gian tồn tại lâu dài.
 Cơng trình ngầm đặc biệt: đây là nhóm những cơng trình ngầm phục vụ mục
đích qn sự, quốc phịng, các nhà máy ngầm ... Nhóm những cơng trình này có đặc
điểm là cần sự kiên cố cao và nằm bí mật trong lịng đất.
Khác với các cơng trình ngầm trong mỏ phục vụ khai thác khống sản, các
cơng trình ngầm dân dụng và cơng nghiệp thường có thời gian tồn tại lâu dài (vĩnh
cửu); hình dạng kích thước tiết diện ngang đa dạng phụ thuộc vào mục đích sử
dụng; có thể đào trong đá cứng (qua núi) hoặc trong khối đất mềm (cơng trình ngầm
xây dựng trong đơ thị); tiết diện thay đổi từ nhỏ đến lớn (có thể tới hàng trăm m2)
và liên quan đến nó là mức độ ổn định của cơng trình ngầm có những thay đổi đáng
kể; có thể xây dựng trong khu vực có hoặc khơng có dân cư sinh sống dẫn đến các

giải pháp thi công chú ý tới vấn đề bảo vệ mơi trường, giảm thiểu tác động xấu của
q trình thi công tới môi trường xung quanh, trong một số trường hợp, đóng vai trị
rất quan trọng đối với sự thành cơng của dự án; đối tượng sử dụng có thể là những
người có chun mơn hoặc cộng đồng dân cư khơng có chun mơn về cơng trình
ngầm. Chính vì vậy, phương pháp thi công, phá vỡ đất đá, sơ đồ công nghệ đào,
thiết bị thi công, giải pháp chống giữ , v.v... cũng có sự khác biệt với thi cơng các
cơng trình ngầm phục vụ mục đích khai thác khoáng sản.

3


Phân nhóm cơng trình ngầm

Theo cơng dụng

- Cơng trình ngầm
phục vụ khai thác
khống sản
- Cơng trình cơng
nghiệp
- Cơng trình ngầm
dân dụng
- Cơng trình ngầm
đặc biệt

Theo vị trí thế nằm

- Cơng trình nằm
ngang
- Cơng trình ngầm

nằm nghiêng
- Cơng trình ngầm
thẳng đứng
- Cơng trình ngầm
nằm gần mặt đất
- Cơng trình ngầm
nằm dưới sâu

Theo diện tích sử dụng

- Cơng trình ngầm tiết
diện nhỏ
- Cơng trình ngầm tiết
diện trung bình
- Cơng trình ngầm tiết
diện lớn

Hình 1.1. Sơ đồ phân nhóm cơng trình ngầm

4

Tương quan giữa chiều dài và
chiều rộng cơng trình ngầm

- Các đường hầm khi
chiều dài lớn hơn
chiều rộng nhiều lần
- Các hầm trạm khi
kích thước ba chiều
khơng chênh lệch

nhau q nhiều


1.1.2. Theo vị trí, thế nằm
Cơng trình ngầm có thể có những dạng thế nằm khác nhau, trong xây dựng
cơng trình ngầm tùy thuộc vào góc nghiêng của trục cơng trình ngầm với phương
nằm ngang có thể chia ra:
 Cơng trình ngầm nằm ngang (khi góc nghiêng của trục cơng trình ngầm với
phương ngang  khơng q 100)
 Cơng trình ngầm nằm nghiêng (khi góc nghiêng 100< <75 0)
 Cơng trình ngầm thẳng đứng (khi góc nghiêng   750)
1.1.3. Theo diện tích tiết diện đào
Tùy theo diện tích tiết diện gương đào có thể chia cơng trình ngầm ra làm 3
nhóm:
 Cơng trình ngầm tiết diện nhỏ: những cơng trình ngầm dạng này thường có
tiết diện sử dụng S < 20m2. Loại này có thể gặp tại những cơng trình ngầm dân
dụng, cơng nghiệp và các đường lị trong các mỏ.
 Cơng trình ngầm tiết diện trung bình: thường có S = (20  40)m 2, chủ yếu là
các cơng trình ngầm dẫn nước;
 Cơng trình ngầm tiết diện lớn: khi S > 40m2. Đa số chúng là các cơng trình
giao thơng và thủy điện trung bình và lớn.
Cách thức phân loại trên chỉ mang tính chất tương đối, có thể thay đổi khi
năng lực thiết bị thi cơng, trình độ người thi cơng thay đổi.
1.1.4. Theo tương quan giữa chiều dài và chiều rộng cơng trình ngầm
Theo đặc điểm kích thước giữa hai chiều cơng trình ngầm người ta có thể
chia cơng trình ngầm ra làm hai nhóm:
 Các cơng trình ngầm có kích thước chiều dài lớn hơn nhiều lần chiều rộng và
chiều cao, thường gọi chung chúng là các đường hầm. Những cơng trình ngầm dạng
này thì có thể có chiều dài từ vài chục, vài trăm thậm chí hàng chục kilơmét.
 Các hầm trạm: những cơng trình ngầm có tương quan chênh lệch giữa chiều

dài, chiều rộng và chiều cao không quá lớn, những công trình ngầm như vậy thường
gọi là các hầm trạm ví dụ như: các gian máy trong hệ thống nhà máy thủy điện
ngầm, các hầm sữa chữa đề pô tầu điện ngầm, trạm bơm, trạm biến áp ngầm, v.v...

5


1.2. Hình dạng, kích thước tiết diện ngang cơng trình ngầm
Quá trình lựa chọn hình dạng tiết diện ngang cho cơng trình ngầm phụ thuộc
vào tổ hợp các yếu tố sau đây: Tính chất của các lớp đất đá mà cơng trình ngầm đào
qua, cường độ và hướng tác dụng của tải trọng đất đá lên cơng trình ngầm; thời gian
tồn tại của cơng trình ngầm; kết cấu của khung vỏ chống và vật liệu chống giữ và
một số yếu tố khác. Hiện nay, trên thực tế của nước ta và các nước khác trên thế
giới thường sử dụng các cơng trình ngầm có tiết diện ngang hình vịm, hình thang
và chữ nhật. Trong những điều kiện xây dựng phức tạp có thể sử dụng một số dạng
tiết diện ngang hình cong vịng kín (hình vịm có vịm ngược, hình elíp ngang hoặc
đứng, hình trịn) tuỳ theo điều kiện địa cơ học cụ thể của khu vực xây dựng.
Kích thước tiết diện ngang sử dụng (kích thước phía trong khung vỏ chống)
của cơng trình phụ thuộc vào cơng dụng của cơng trình ngầm. Kích thước tiết diện
ngang cơng trình ngầm được xác định dựa trên cơ sở kích thước, số lượng của các
phương tiện vận tải sử dụng và các khoảng cách an tồn theo quy phạm. Ngồi ra,
kích thước tiết diện cơng trình ngầm cịn phải thoả mãn các yêu cầu về đi lại cho
công nhân và yêu cầu thơng gió (nếu cần).
1.3. Kết cấu chống giữ cơng trình ngầm
1.3.1. Phân loại kết cấu chống giữ
Để có thể hình dung được một cách tổng thể về các loại hình kết cấu chống
các cơng trình ngầm có thể tổng hợp, phân tích và xem xét chúng dựa theo những
dấu hiệu khác nhau; cụ thể là theo các cách phân loại các kết cấu chống theo nhiều
dấu hiệu khác nhau như:
 Phân loại theo vật liệu gồm: gỗ; thép, kim loại; bêtông, gạch, đá; vật liệu

tổng hợp
 Phân loại theo chức năng, nhiệm vụ gồm: tạm thời, cố định
 Phân loại theo tính năng kỹ thuật gồm: tích cực, gia cố, chủ động; thụ động,
chống đỡ
 Phân loại theo đặc điểm; hình dạng kết cấu gồm: khung chống, vỏ chống,
"hồ nhập" vào khối đá; hình thang, chữ nhật đa giác, trịn ellíp; vịm, móng ngựa,
mõm nhái...

6


 Phân loại theo tính chất hay biểu hiện cơ học của kết cấu gồm: rất cứng,
cứng, mềm.
 Phân loại theo mức độ liên kết với khối đất, đá gồm: khơng, liên kết ít, liên
kết hồn tồn; tiếp xúc giữa kết cấu chống và khối đá: điểm, diện.
Trong thực tế kết cấu chống giữ cơng trình ngầm cịn được phân loại dựa
theo tính chất mối tác động giữa kết cấu chống với mơi trường đất đá bao quanh.
Theo đó, kết cấu chống được phân thành hai loại: “kết cấu chống bị động” và “kết
cấu chống chủ động”.
Bất kỳ loại kết cấu chống nào khơng có tính “chủ động” sinh ra lực đẩy
chống lại khối đá ngay sau khi lắp đặt đều được coi là kết cấu chống “bị động”. Đối
với kết cấu chống bị động, nó chỉ phát huy tác dụng chống giữ khi mà biên cơng
trình ngầm đã có sự dịch chuyển “đủ lớn” hay nói cách khác là đến một giới hạn
nào đó để gây ra sự “nén ép” tác dụng lên vỏ chống và khi đó vỏ chống sẽ sinh ra
những lực chống lại nhằm hạn chế sự dịch chuyển của khối đá. Sự phản ứng này
của kết cấu chống tuỳ thuộc vào độ cứng của chúng và thời gian lắp đặt. Hầu hết
các dạng kết cấu chống giữ truyền thống như: khung chống gỗ, khung chống thép là
những dạng kết cấu chống bị động.
Kết cấu chống mang tính chủ động là những loại có khả năng gây tác động
gia cố khối đá và hạn chế biến dạng của khối đá ngay cả trong trờng hợp khối đá chưa có biến dạng dịch chuyển sau khi đào. Neo ứng suất trớc, vỏ bê tơng phun là

những ví dụ điển hình cho dạng kết cấu chống chủ động.
1.3.2. Nhiệm vụ, yêu cầu và sự phá hủy của kết cấu chống giữ cơng trình ngầm
1.3.2.1. Nhiệm vụ của kết cấu chống
Mục đích của việc tạo ra kết cấu chống kết cấu chống là để giữ ổn định
khoảng không ngầm, bảo vệ, đảm bảo an tồn và hoạt động bình thờng cho con
người, các thiết bị, phương tiện kỹ thuật, v..v trong khơng gian ngầm đó. Tuy nhiên,
các nhiệm vụ cụ thể của kết cấu chống được đặt ra tuỳ thuộc vào mục tiêu sử dụng
cơng trình ngầm.
Nhìn chung, nhiệm vụ chủ yếu của kết cấu chống là:

7


 Ngăn chặn đá rơi, sập lở vào người lao động, hỏng hóc trang thiết bị kỹ
thuật;
 Hạn chế dịch chuyển của khối đá và giữ ổn định khoảng trống đảm bảo các
công tác vận hành, vận chuyển và thông gió hay nói cách khác là khả năng thơng
qua của cơng trình ngầm.
Ngồi hai nhiệm vụ chính đó các kết cấu chống cịn có những nhiệm vụ khác
tuỳ thuộc những đòi hỏi từ điều kiện thực tế như:
 Bảo vệ khối đá xung quanh các cơng trình ngầm trước các tác động phá huỷ
của các tác nhân phong hoá;
 Bảo vệ các cơng trình ngầm bị nước xâm nhập.
Trong nhiều trường hợp, các nhiệm vụ phụ này khơng có ý nghĩa, song có
những trường hợp nó lại trở thành rất quan trọng, chẳng hạn khi phải đào qua các
lớp đá chứa nước.
Ngày nay, trên cơ sở các thành tựu nghiên cứu của lĩnh vực cơ học đá cho
thấy rằng khi thi cơng xây dựng các cơng trình ngầm cần thiết phải đảm bảo gìn giữ
được độ bền hay khả năng mang tải của khối đất, đá. Các biện pháp chống giữ cần
thoả mãn các nhiệm vụ là phát huy, hỗ trợ cũng như gây ảnh hưởng tốt đến khả

năng tự mang tải của khối đá. Trong trờng hợp lý tưởng chỉ nên coi kết cấu chống là
một dạng gia cố hay gia cường cho bề mặt cho khối đá. Tuy nhiên, trong thực tế các
kết cấu chống thường đạt được độ cứng vững nhất định, có thể tính tốn và kiểm
chứng được.
Nhìn chung, để đảm bảo giữ gìn được khả năng tự mang tải của khối đá, cần
thiết phải chú ý các điều kiện hay khả năng sau:
 Lựa chọn được hình dạng hợp lý cho cơng trình ngầm, chú ý đặc biệt đến
điều kiện cụ thể về các tính chất của khối đá;
 Lựa chọn các phương pháp và giải pháp thi công hợp lý;
 Lựa chọn phương pháp chống giữ hợp lý;
 Chú ý đến yếu tố thời gian đối với cả khối đá và kết cấu chống;
 Áp dụng các phương pháp đào không gây tác động xấu đến khối đá - tức là ít
gây ảnh hưởng đến độ bền của khối đá.

8


1.3.2.2. Những yêu cầu cơ bản khi thiết kế kết cấu chống giữ
Những yêu cầu cơ bản khi thiết kế kết cấu chống giữ cơng trình ngầm có thể
phân chia ra thành các yêu cầu về chức năng, kỹ thuật và kinh tế.
 Yêu cầu mang tính kỹ thuật:
Kết cấu chống phải đảm bảo có độ bền và độ ổn định nhất định trong thời
gian tồn tại. Kết cấu chống phải bền, nghĩa là phải chịu được các tác dụng của ngoại
lực cũng như các trạng thái ứng suất sinh ra trong các cấu kiện của kết cấu chống
trong giới hạn cho phép và không bị phá hoại. Kết cấu chống phải ổn định tức là dưới tác dụng của áp lực đất đá và các loại tải trọng, kết cấu chống phải giữ được
kích thước và hình dạng ban đầu hoặc theo yêu cầu sử dụng cụ thể. Nói chung, hai
yêu cầu về độ bền và độ ổn định hiện nay thông thường nên được kết hợp lại thành
một yêu cầu chung về khả năng mang tải của kết cấu chống.
 Yêu cầu về chức năng sử dụng:
Kết cấu chống không được gây ra các trở ngại cho các q trình sản xuất, thi

cơng và phải cho phép khả năng cơ giới hóa (theo u cầu); chiếm ít khơng gian,
thuận tiện cho việc sử dụng khoảng không gian ngầm tuỳ theo mục đích cụ thể; đảm
bảo khả năng thơng gió, an tồn về cháy nổ; trong nhiều trờng hợp còn phải đảm
bảo các yêu cầu về cách nước, thẩm mỹ.
 Yêu cầu kinh tế:
Kết cấu chống phải phù hợp với thời gian tồn tại của cơng trình ngầm. Tổng
vốn đầu tư ban đầu và giá thành bảo dưỡng, sửa chữa phải nhỏ nhất.
1.3.2.3. Sự phá hủy của kết cấu chống
Sau một thời gian sử dụng, kết cấu chống sẽ bị suy giảm về khả năng chịu
lực dẫn đến hỏng hóc, phá hủy hay giảm khả năng mang tải. Sự phá hủy của kết cấu
chống có thể do một số ngun nhân sau:
 Do q trình tính tốn thiết kế, kết cấu chống không đảm bảo khả năng chịu
lực dẫn đến phá hủy.
 Trong q trình thi cơng, điều kiện địa chất thay đổi, áp lực đất đá thay đổi
làm kết cấu chống bị suy yếu dẫn đến phá hủy.

9


 Chất lượng làm kết cấu chống cũng là nguyên nhân dẫn đến vỏ chống không
đảm bảo độ bền.
 Công tác thi cơng khơng đảm bảo u cầu. Ngồi ra, khi thi cơng cơng trình
ngầm qua vùng đất sét gặp nước xảy ra hiện tượng bùng nền cũng làm kết cấu
chống bị phá hủy.
Để đảm bảo cho cơng trình làm việc bình thường, đảm bảo cho cơng trình
ngầm hoạt động một cách liên tục chúng ta phải thường xuyên kiểm tra tình hình
nhằm phát hiện ra chỗ hư hỏng để sửa chữa kịp thời.
1.4. Phương pháp và sơ đồ thi cơng các cơng trình ngầm
1.4.1. Các phương pháp thi cơng
Phương pháp thi công chủ yếu phụ thuộc vào độ ổn định và mức độ ngậm

nước của khối đá mà công trình ngầm đào qua. Hiện nay, người ta phân chia các
phương pháp thi cơng thành hai nhóm phương pháp chủ yếu:
 Các phương pháp thơng thường thi cơng cơng trình ngầm trong khối đá
tương đối ổn định, vững chắc. Nghĩa là cơng trình ngầm được thi cơng trong khối
đá cho phép lưu không (lộ mặt) trong một khoảng thời gian nhất định nào đó. Trong
trường hợp này, các mặt lộ hơng, nóc và gương lị khơng cần phải tiến hành chống
giữ ngay sau khi tạo khoảng trống hoặc không cần phải áp dụng các biện pháp đặc
biệt để khắc phục lượng nước chảy vào gương lò.
 Các phương pháp đặc biệt được áp dụng khi thi cơng cơng trình ngầm trong
khối đá không ổn định, không vững chắc (khối đá mềm yếu, nứt nẻ mạnh, ngậm
nước lớn, đất chảy, cát chảy...) hoặc trong khối đá rắn cứng, song nứt nẻ mạnh,
chứa nhiều nước địi hỏi phải có biện pháp phụ trợ để ngăn ngừa không cho nước
chảy vào trong công trình; hoặc tại các vỉa than có đặc tính phụt than, phụt khí đột
ngột phải áp dụng các biện pháp thi công riêng. Các phương pháp đặc biệt thi công
công trình ngầm sẽ được giới thiệu trong một giáo trình riêng. Vì vậy, trong bài
giảng này chỉ đề cập tới những cơng nghệ đào lị cơ bản và hầm trạm bằng phương
pháp thông thường.

10


Trong q trình thi cơng các cơng trình ngầm và hầm trạm, cơng trình có thể
được xây dựng trong khối đá đồng nhất hoặc không đồng nhất, nghĩa là, gương thi
cơng có thể được đào trong một hay vài loại đất đá.
Tuỳ thuộc vào hệ số kiên cố “f” của đất đá và khống sản trong q trình thi
cơng cơng trình ngầm có thể áp dụng các phương pháp phá vỡ đất đá và khoáng sản
khác nhau. Trong xây dựng cơng trình ngầm ở nước ta, chủ yếu sử dụng phương
pháp khoan nổ mìn để phá vỡ đất đá. Trong một số trường hợp khi đất mềm yếu, có
thể sử dụng phương pháp đào toàn tiết diện với máy khoan hầm (phương pháp
TBM). Khi thi cơng các cơng trình ngầm trong đá rắn cứng có hệ số kiên cố f =

610 và f > 10 còn sử dụng phương pháp đào bằng máy combai.
Nhìn chung, trong quá trình xây dựng các cơng trình ngầm, cần phải thực
hiện các cơng việc cơ bản như sau:
 Công tác khai đào hay tách bóc đất đá ra khỏi khối ngun theo hình dạng,
kích thước khoảng trống được thiết kế;
 Cơng tác thơng gió;
 Cơng tác đưa gưng vào trạng thái an tồn;
 Cơng tác xúc bốc, vận chuyển;
 Công tác gia cố, chống tạm và chống cố định;
 Các công tác phụ khác (chiếu sáng; thoát nước …).
Khi thiết kế tổ chức thi công nhất thiết phải xem xét tất cả các công tác này.
Mức độ quan trọng và đặc điểm của các cơng tác đó phụ thuộc vào điều kiện của
khối đất đá, các yêu cầu kỹ thuật cũng như tính năng sử dụng của cơng trình.
Phá vỡ đất đá trong
các đường lị

Thơng gió

Xúc bốc và vận
chuyển đất đá

Các cơng tác phụ khác:
thoát nước, chiếu sáng…

Lắp dựng kết cấu
chống tạm, cố định

Đưa gương vào
trạng thái an tồn

Hình 1.3. Quy trình chung khi thi cơng cơng trình ngầm

11


1.4.2. Các sơ đồ cơng nghệ thi cơng
Hiện nay có rất nhiều phương pháp phân chia các sơ đồ công nghệ thi cơng
cơng trình ngầm. Theo nhiều tác giả nước ngoài, đặc điểm quan trọng nhất để phân
loại các sơ đồ cơng nghệ thi là trình tự hồn thành hai cơng việc chính trong q
trình thi cơng: Cơng tác đào, chống tạm thời (nếu có) và cơng tác chống cố định.
Trên cơ sở mối quan hệ giữa hai công việc chủ yếu trong thi cơng cơng trình ngầm,
có thể phân chia các sơ đồ thi cơng cơng trình ngầm thành sơ đồ thi công nối tiếp, sơ đồ
thi công song song và sơ đồ thi công phối hợp.
1.4.2.1. Sơ đồ thi cơng nối tiếp
Trong q trình thi cơng các cơng trình ngầm có thể áp dụng một trong hai
sơ đồ nối tiếp toàn phần và nối tiếp từng phần. Hai sơ đồ thi cơng nối tiếp trên đây
có những điều kiện sử dụng khác nhau.
a. Sơ đồ thi công nối tiếp tồn phần
Trong sơ đồ thi cơng nối tiếp tồn phần, cơng trình ngầm được đào và chống
tạm thời cho đến hết chiều dài theo thiết kế. Sau đó, người ta mới tiến hành chống
cố định cho cơng trình ngầm. Sơ đồ này được sử dụng đối với các công trình ngầm
có diện tích tiết diện nhỏ và chiều dài ngắn. Sơ đồ này cũng có thể áp dụng khi thi
công các đoạn cửa hầm và các đoạn cổ giếng nghiêng có lối thơng với mặt đất.
b. Sơ đồ thi công nối tiếp từng phần
Trong sơ đồ thi công nối tiếp từng phần, cơng trình ngầm được phân chia
thành từng đoạn. Chiều dài mỗi đoạn có thể chọn bằng 20 – 40m tuỳ thuộc vào độ
ổn định của khối đá xung quanh cơng trình ngầm. Trình tự thi cơng cơng trình ngầm
trong sơ đồ nối tiếp từng phần như sau. Đầu tiên đào và chống tạm thời cho đến hết
chiều dài của đoạn thứ nhất. Sau đó đào và chống tạm thời một phần chiều dài của
đoạn thứ hai (hoặc hết đoạn thứ hai) thì dừng cơng tác thi cơng tại gương và quay

lại chống cố định đoạn thứ nhất. Sau đó tiếp tục đào và chống tạm thời hết đoạn thứ
hai và một phần đoạn thứ ba (hoặc hết chiều dài đoạn thứ ba) thì dừng gương đào và
tiến hành chống cố định cho đoạn lò thứ hai. Bằng phương pháp như vậy người ta
sẽ tiến hành thi công tồn bộ chiều dài cơng trình ngầm. Sơ đồ này được sử dụng để
thi cơng các cơng trình ngầm có diện tích tiết diện nhỏ nhưng có chiều dài lớn.

12


Trong trường hợp này không nên áp dụng sơ đồ nối tiếp tồn phần, bởi vì khung
chống tạm thời sẽ bị hư hỏng hoặc phá huỷ, cơng trình ngầm sẽ bị biến dạng bóp
bẹp do thời gian thay thế vỏ chống cố định quá lâu.
1.4.2.2. Sơ đồ thi công song song
Trong sơ đồ thi công song song, công tác đào và chống tạm thời tại gương
được tiến hành đồng thời với công tác chống cố định thực hiện cách gương một
khoảng cách nào đó. Khoảng cách này được chọn sao cho các thiết bị xúc bốc, vận
chuyển trong gương không gây ảnh hưởng đến công tác chống cố định ở phía ngồi.
Ngồi ra, độ ổn định của khối đá xung quanh cũng gây ra những ảnh hưởng tới
khoảng cách này. Trong trường hợp đất đá ổn định thì khoảng cách này sẽ lớn hơn
so với trong khối đá kém ổn định. Thực tế thi công cho thấy, hai công việc đào và
chống tạm trong gương và chống cố định có ảnh hưởng lẫn nhau ở mức độ khơng
lớn. Ví dụ, trong thời gian nạp nổ mìn trong gương thì đội thợ chống cố định phải
ngừng nghỉ.
Sơ đồ thi công song song có khả năng rút ngắn thời gian thi cơng cơng trình
ngầm so với sơ đồ nối tiếp. Vì vậy, sơ đồ này được sử dụng rộng rãi để thi cơng các
cơng trình ngầm có chiều dài và tiết diện ngang lớn. Nếu trong cơng trình ngầm có
đường xe, thì số lượng đường xe phải không nhỏ hơn hai đường xe.
1.4.2.3. Sơ đồ thi công phối hợp
Trong sơ đồ thi công phối hợp tất cả các công tác đào, chống tạm thời (nếu
cần thiết) và chống cố định được tiến hành ngay trong một chu kỳ công tác, sơ đồ

này thường sử dụng để xây dựng các cơng trình ngầm cơ bản được chống cố định
bằng các khung chống gỗ, kim loại, bê tông cốt thép lắp ghép, neo, bê tông phun...
sơ đồ này cũng được sử dụng để thi cơng các hầm trạm trong mỏ có kích thước tiết
diện ngang lớn cần thi công vỏ chống cố định (bê tông, gạch, đá...) ngay sau mỗi lần
đào phá đất đá trong gương.
Quá trình lựa chọn sơ đồ xây dựng hợp lý trong những điều kiện thi công cụ
thể sẽ phải dựa trên việc so sánh các sơ đồ xây dựng có thể đạt được các chỉ tiêu
kinh tế – kỹ thuật hợp lý nhất.

13


Câu hỏi ơn tập
1. Cơng trình ngầm được phân chia thành những loại nào?
2. Hình dạng, kích thước tiết diện ngang của cơng trình ngầm phụ thuộc vào những
yếu tố nào?
3. Kết cấu chống giữ cơng trình ngầm được phân chia thành những dạng nào?
Nhiệm vụ của kết cấu chống giữ cơng trình ngầm là gì?
4. Những u cầu cơ bản khi thiết kế kết cấu chống giữ cơng trình ngầm?
5. Trong q trình thi cơng các cơng trình ngầm có thể áp dụng sơ đồ thi cơng nào?

14


CHƯƠNG 2
CHỐNG GIỮ CƠNG TRÌNH NGẦM
2.1. Kết cấu chống bằng gỗ
2.1.1. Khái niệm
Trong công tác thi công xây dựng các cơng trình ngầm, gỗ có thể được sử
dụng để làm kết cấu tạm hoặc cố định.

Kết cấu bằng gỗ với chức năng làm kết cấu chống cố định chỉ được sử dụng
trong ngành mỏ, tại các cơng trình ngầm có tuổi thọ nhỏ, thường không quá 2 đến 3
năm ở điều kiện áp lực nhỏ và ít biến đổi. Gỗ được xử lý cũng có thể đạt tuổi thọ 3
đến 6 năm hoặc lâu hơn.
Ngày nay, do sự ra đời của các loại vật liệu và kết cấu chống mới hợp lý hơn
như thép, bêtông phun, bêtông sợi thép và neo... vai trò kết cấu chống bằng gỗ trong
xây dựng cơng trình ngầm ngày càng hạn chế. Tuy nhiên gỗ vẫn cịn được sử dụng
để xử lí trong các trường hợp đặc biệt như khi thi công đào theo sơ đồ chia gương,
tại các vị trí tiết diện cơng trình ngầm thay đổi và đặc biệt là khi khắc phục hiện
tượng sập lở cục bộ. Gỗ với đặc điểm dễ chế biến nên rất thích hợp làm vật liệu dự
trữ không thể thiếu được ở mọi công trường xây dựng khi cần phải có các biện pháp
xử lí ngay, kịp thời.
Kết cấu chống bằng gỗ nói chung có các ưu, nhược điểm sau:
Ưu điểm:
 Cho phép nhận thấy và nghe thấy khi áp lực đất đá phát triển đến trạng thái
nguy hiểm (khi sắp bị phá hủy có thể phát ra tiếng kêu răng rắc);
 Vận chuyển dễ dàng, chế biến và gia cơng đơn giản, dễ thích ứng với điều
kiện biến đổi .
Nhược điểm:
 Không liên kết với khối đá, biến dạng nhiều khi chịu tải;
 Hầu như không sử dụng lại được;
 Kết cấu chống tạm và cố định quá hạn phải dỡ bỏ, do vậy gây ra quá trình
biến đổi cơ học trong khối đá; khi dỡ bỏ hoặc thay đổi cần phải có biện pháp

15


gia cố và bảo vệ;
 Dễ cháy, dễ mục nát và gây ra lực cản khí động học lớn địi hỏi người thi
cơng có tay nghề thủ cơng nhất định.

Vì chống gỗ được sử dụng khá nhiều ở mỏ hầm lò, đặc biệt là ở các đường lò
chuẩn bị và những đường lị có thời gian tồn tại 12 năm.
2.1.2. Cấu tạo vì chống
Kết cấu của một vì chống gỗ cơ bản là một khung hình chữ nhật hay hình
thang, gồm có một xà và hai cột bằng gỗ trịn có đường kính 1530 cm (vì chống
khuyết) (hình 2.1a). Vì chống khuyết là loại vì chống khơng chống hết các phía của
cơng trình ngầm. Trong đó xà (1) chống đỡ áp lực nóc, hai cột (2) chống đỡ áp lực
hơng, góc thách =750850 (trong tính tốn ta lấy =800). Dạng vì chống này
thường sử dụng ở những cơng trình ngầm chỉ có áp lực nóc và hơng.
a)

b)

4

3


5




1


2
6







Hình 2.1. Kết cấu vì chống gỗ
Ở các cơng trình ngầm có hiện tượng bùng nền hoặc đất đá nền mềm yếu,

phải đặt thêm cấu kiện chịu lực thứ tư gọi là dầm nền (6). Khi đó ta có vì chống đầy
đủ. Vì chống đầy đủ là loại vì chống chống hết cả bốn phía của cơng trình ngầm, nó
được sử dụng khi cơng trình ngầm có cả áp lực nóc, hơng và nền (hình 2.1b).
Ngồi ra, để định vị vì chống trong q trình dựng phải dùng các nêm đầu
cột và nêm đầu xà (3). Nếu hai vì chống đặt cách nhau một khoảng nào đó (thường
0,5  1 m) phải dùng các thanh chèn (4) nhằm ngăn cản đất đá ở khoảng giữa hai vì
chống sụt lở và phân bố đều áp lực lên tồn bộ xà và cột. Chèn có thể cài thưa hay

16


mau tuỳ thuộc vào độ ổn định của đất đá. Nếu đất đá xung quanh yếu gây áp lực
lớn, phải chống các vì chống sát nhau, lúc đó khơng cần chèn. Các thanh văng (5)
có tác dụng liên kết các vì chống và đảm bảo khoảng cách giữa các vì chống với
nhau.
Khung chống có dạng hình thang sẽ giảm được 1520% chiều dài của xà so
với khung chống hình chữ nhật, do đó xà chịu lực tốt hơn vì mơ men uốn tỷ lệ với
bình phương khoảng cách giữa hai gối tựa. Cột đặt nghiêng một góc = 75850
cũng tạo ra khả năng chịu lực tốt
hơn cho vì chống.

d/4

3d/4

Để liên kết xà và cột của vì
chống người ta thường sử dụng
loại mộng bậc. Khi gia công




mộng cột hoặc mộng xà cần chú

d/3

50 - 7 0


ý:
Chiều cong của xà, cột tiếp
Hình 2.2. Kết cấu mộng bậc

xúc với đất đá nóc và hơng (gia
cơng mộng ở phía bụng cây gỗ).

Cây gỗ làm cột, gốc phải quay lên phía trên (tránh bị chẻ mộng, tăng diện
tích tiếp xúc giữa mộng xà và cột).

Hình 2.3. Một số mối nối giữa các cấu kiện vì chống

17

Chân cột của vì chống khơng đầy đủ thường được chơn sâu xuống nền
lị từ 1030 cm. Khi đất đá nền mềm yếu, chân cột được chặt bằng để chống lún.
Nếu đất đá nền lò rắn cứng, chân cột phải đẽo vát hoặc khoan các lỗ khoan nhỏ ở
phần dưới chân cột để tạo độ linh hoạt về kích thước cho vì chống.

Hình 2.4. Các dạng chân cột và mộng chân cột
a)

b)

c)







Hình 2.5. Vì chống gỗ đặc biệt

b)

a)

c)

e)

d)

Hình 2.6. Một số loại khung chống có vì tăng sức và các khung chống khác

18


Trong một số trường hợp, người ta còn dùng các khung chống gỗ hình thang
lệch cho các cơng trình ngầm dọc vỉa. Tuỳ thuộc vào thế nằm và góc nghiêng của
vỉa mà bố trí cho phù hợp. Với góc nghiêng của vỉa đến 120 (vỉa thoải) và đá vách
liền khối tương đối bền vững (sa thạch, đá vôi), tốt nhất là đặt xà nghiêng theo góc
nghiêng của vỉa (hình 2.5a). Còn nếu vỉa dốc ( > 70 0), hợp lý nhất là đặt cột áp
theo độ dốc của vỉa (hình 2.5b). Nếu đất đá hông ổn định chỉ cần xà chống đỡ phần
nóc.
2.1.3. Kĩ thuật thi cơng vì chống

Bước 1. Sửa biên hầm theo kích thước thiết kế

Bước 2. Đào lỗ chân cột

Bước 3. Dựng cột vì chống

Bước 3. Dựng cột vì chống

Bước 4. Lên xà

19


Bước 5. Điều chỉnh vì chống;

đóng nêm đầu xà, đầu cột

Bước 6. Cài chèn

Hình 2.7. Trình tự dựng vì chống gỗ
 Trước khi dựng vì chống, phải xác định hướng cơng trình ngầm.
 Sửa hơng theo kích thước tiết diện thiết kế.
 Xác định lỗ chân cột và đào lỗ chân cột (vì chống khuyết) hay đào rãnh đặt
dầm nền (vì chống đầy đủ). Khi đào lỗ chân cột khơng được đào kiểu trên to dưới
nhỏ để tránh hiện tượng chân cột khơng tiếp xúc với đáy lỗ. Cịn trường hợp đào
rãnh đặt dầm nền, chiều sâu rãnh bằng 1/21 đường kính của dầm nền.
 Đo và dựng từng cột một. Cột được giữ bằng các thanh chèn gài vào cột của
vì chống cũ hoặc dùng chng để ghim giữ.
 Sửa nóc và lên xà. Điều chỉnh cho xà ăn khớp với cột, khơng có hiện tượng
“treo cằm” và “chùng cằm”.
 Điều chỉnh vì chống để đảm bảo khoảng cách giữa hai vì chống, độ cao, độ
thách của cột và tồn bộ vì chống nằm trong mặt phẳng vng góc với trục cơng
trình ngầm theo thiết kế.
 Đóng nêm ở đầu xà và đầu cột để cố định vì chống.
 Cài chèn: cài chèn từ nóc xuống và từ vách sang. Nếu phía nóc và hơng có
khoảng trống, ta phải chèn kích chặt.
Một vì chống đúng kỹ thuật khi nó đảm bảo các yêu cầu:
 Đủ các chi tiết của vì chống theo thiết kế.
 Tồn bộ vì chống phải nằm trong cùng một mặt phẳng (mặt phẳng vì chống)
và vng góc với trục của cơng trình ngầm trong bất cứ trường hợp nào.

20


 Hai đầu thanh chèn phải gác lên hai vì chống kề nhau, chèn phải vng góc

với xà và cột.
 Đủ nêm và nêm đúng vị trí đầu cột và đầu xà.
 Khơng chùng cằm hay treo cằm.
 Khơng có khoảng trống phía sau vì chống ở nóc và hơng.
Chú ý:
Khi nóc yếu thì đóng chèn nhói ở nóc để ngăn đất đá nóc sụt lở. Trong
trường hợp này có thể lên xà trước, dựng cột sau.
2.1.4. Tính tốn vì chống gỗ
2.1.4.1. Ngun lý chung
Trước khi tiến hành tính tốn kết cấu chống giữ cơng trình ngầm ta cần xác
định và phân chia các loại kết cấu chịu lực trong kết cấu, bao gồm:
Kết cấu chịu lực chính và kết cấu chịu lực phụ, trong kết cấu gỗ thường kết
cấu chịu lực chính là các xà và cột cịn kết cấu phụ là văng, chèn và khung tăng
sức. Tại mỗi liên kết có các hệ thống phản lực truyền từ đất đá sang và từ cấu kiện
này sang cấu kiện kia. Vì vậy cần phải xác định được đầy đủ các lực tác dụng lên
kết cấu, phải xác định được đâu là tải trọng ngoài tác dụng lên hệ thống kết cấu, đâu
là phản lực của hệ thống sinh ra do tải trọng ngồi tác dụng sau đó mới đi vào tính
tốn nội lực trong kết cấu của hệ thống. Q trình tính tốn nội lực cũng cần phải
tách riêng từng chi tiết để xác định nội lực của từng chi tiết một.
Sau khi có các giá trị nội lực ở trong từng cấu kiện thì ta tiến hành kiểm tra
bền và sự ổn định làm việc cho kết cấu. Sau khi tính tốn, kiểm tra xong ta cũng cần
phải đưa ra khái niệm lắp ráp thi công để đảm bảo tính kinh tế theo điều kiện đặt ra.
Các bước thiết kế tính tốn bao gồm:
 Xác định sơ bộ hình dạng, quy cách kết cấu (sơ đồ kết cấu, sơ đồ tính tốn);
 Tính tốn ngoại lực (tải trọng và phản lực tác dụng);
 Phân chia các bộ phận (cấu kiện) trong kết cấu. Trong đó cần xác định rõ
những bộ phận, chi tiết chịu lực chính, phụ, có thể chọn theo cấu tạo một số cấu
kiện;
 Tính tốn kết cấu, cấu kiện cho từng chi tiết;

21


 Xác định nội lực cho từng chi tiết cơ bản;
 Xác định độ bền, ổn định cho từng bộ phận, nếu vượt quá độ bền thì cần phải
điều chỉnh hình dạng kích thước và quy cách;
 Đưa ra một số khái niệm về thi công lắp ráp;
 Lập bảng thống kê dự trù vật liệu.
2.1.4.2. Các phương pháp tính tốn kết chống gỗ
Khi tính tốn các kết cấu chống bằng gỗ, hoặc thép ta thường đưa về hệ
phẳng tĩnh định. Vì vậy ta có thể áp dụng các ngun lý cơ bản của hệ phẳng tĩnh
định để giải các bài toán này. Theo cơ học kết cấu nội lực trong hệ phẳng tĩnh định
chỉ do tác dụng của tải trọng gây nên mà không do nhiệt độ và chuyển vị cưỡng bức
liên kết tựa. Trong hệ phẳng tĩnh định phản lực và nội lực được xác định nhờ các
phương trình cân bằng tĩnh học lập được trong mặt phẳng của hệ với giả thiết bỏ
qua biến dạng. Trình tự tính tốn kết cấu chống gỗ thường qua các bước sau:
1. Xác định áp lực, tải trọng tác dụng vào kết cấu chống (theo các giả thuyết
trong cơ học đá)
2. Xác định phản lực liên kết tựa
Phản lực được xác định từ điều kiện cân bằng giữa chúng với tải trọng tác
dụng trên hệ. Trong mặt phẳng nếu xét cân bằng của tồn hệ ta lập được ba phương
trình cân bằng tĩnh học. Nếu số phản lực trong hệ lớn hơn 3 thì cịn phải căn cứ vào
đặc điểm của kết cấu để xét cân bằng của một bộ phận, từ đó lập thêm số phương
trình đủ để xác định phản lực.
3. Xác định nội lực
Để xác định nội lực áp dụng nguyên lý mặt cắt: dùng mặt cắt đi qua tiết
diện đang cần tìm nội lực và chia kết cấu ra làm hai phần. Từ điều kiện cân bằng
giữa nội lực xuất hiện tại các tiết diện có mặt cắt đi qua với ngoại lực (tải trọng và
phản lực) trên một phần kết cấu ta lập được các phương trình xác định các nội lực
cần tìm.

22


2.1.4.5. Tính tốn kết cấu chống gỗ dạng hình thang và hình chữ nhật
Tính tốn kết cấu chống gỗ tương đương với việc đi xác định được kích
thước (đường kính hay chiều dày) xà nóc, cột, tấm chèn và các cấu kiện khác. Sơ đồ
bài tốn thể hiện trong hình 2.8.
q
q

VD

1

D

VA

q

hD

b

n

VC
hC C



q

1

VB

A hA

2a

2

hB B

q
2

Hình 2.8. Sơ đồ tính tốn kết cấu chống dạng hình thang
Để đơn giản cho tính tốn thay qs =

q1  q2
ta đưa tải trọng hông về dạng
2

tải trọng phân bố đều .
Xác định phản lực gối tựa.
Tại A, B, C, D được coi như các khớp vì vậy có hai thành phần lực là phản
lực theo phương thẳng đứng và theo phương nằm ngang.

q
VD
D

hD

b

q

n

VC
hC C

VD
D

Hình 2.9. Sơ đồ tính xà CD

n
Q
x
M

hD x

x

Hình 2.10. Sơ đồ tính xà nóc

Do hệ có tính đối xứng nên VA=VB; HA=HB ;VC = VD ; HC = HD
Xét trạng thái cân bằng của hệ :
Y = 0  qn.2a - 2.VB =0
 VA =VB = qn.a.

(2.1)

Mc = 0
 Pd.

2a  b
h
2a  b
+Pn. +HB.h -VB.
=0
2. 2
2
2

23


 qn.

2a  b 2a  b
h
2a  b
.

+ qs.h. + HB.h - qn .a.
=0
2
2. 2
2
2

h
4a 2  b 2
- q s.
 HA = HB = qn.
2
8.h

(2.2)

Xét xà CD:
Y = 0  qn.b - 2.VC = 0
 VC =VD =

qn..b
2

(2.3)

X = 0  HC - HB - qs.h = 0

h
4a 2  b 2
 HC = HD = q n.

+ q s. .
2
8.h

(2.4)

Xác định nội lực.
Xác định nội lực trong xà.
Xét mặt cắt cách đầu D của xà một khoảng x ta có :
Lực cắt: Qx = VD - q n.x
s

(2.5)

Mô men :

Mx=

x
2

qn..b
(b  x )
x
.x-q n. x. = q n. x.
2
2
2

pnx

VB

2a-b hB B

2a-b

qs

2

qn. .b
b

- qn.x = 0  x= .
2
2
q n .b 2
8

qs

ph

(2.6)

Xét Qx = 0

Khi đó M = Mmax=

pdx p
C hC v
VC pc

lx

Mx= VD.x - q n.x.

qqn

hh

qn. .b
 Qx =
- qn.x
2

Hình 2.11. Sơ đồ tính cột chống
(2.7)

Xác định nội lực trong cột.
Cột được xem như một dầm đặt nghiêng một góc  so với phương ngang
trên hai gối tựa, cột chịu tác dụng của tải trọng nóc qn và q s phân bố đều và ứng lực
của xà nóc Hc, Vc truyền sang.

24