Giáo trình cơ học kết cấu công trình ngầm 2 pps

7
Ngoài hai nhiệm vụ chính đó các kết cấu công trình ngầm mỏ cũng có thể
phải đảm nhận những nhiệm vụ phụ khác, tuỳ thuộc vào những đòi hỏi, các
yêu cầu xuất phát từ điều kiện thực tế và tự nhiên nh:
Bảo vệ khối đá xung quanh các công trình ngầm trớc các tác động phá
huỷ của các tác nhân phong hoá;
Bảo vệ các đờng lò khỏi bị nớc xâm nhập.
Trong nhiều trờng hợp, các nhiệm vụ phụ này không mang ý nghĩa đặc
biệt, song cũng có những trờng hợp chúng lại trở thành rất quan trọng, chẳng
hạn khi phải đào qua các lớp đất/đá chứa nớc.
Các công trình xây dựng dân dụng, quốc phòng và công nghiệp thờng
có tuổi thọ cao hơn, thậm chí vĩnh cửu, cho nên ngoài nhiệm vụ đáp ứng các
mục tiêu chung đề ra cho các kết cấu công trình ngầm, tùy theo chức năng của
công trình, chúng còn phải thoả mãn những yêu cầu cụ thể khác nhau nh cách
nớc, chống cháy, thẩm mỹ, vật lí khí hậu và đặc biệt là độ bền vững hay ổn
định lâu dài (bền lâu).
Ngày nay các thành tựu nghiên cứu của các lĩnh vực cơ học đất/đá
đã khẳng định rằng khi thi công xây dựng các công trình ngầm cần thiết phải
đảm bảo, gìn giữ đợc độ bền hay khả năng mang tải của khối đất/đá, để có
thể phát huy, sử dụng khối đất/đá thành một bộ phân chịu tải. Vì vậy các biện
pháp chống giữ đợc sử dụng cũng cần đáp ứng yêu cầu là phát huy, hỗ trợ
cũng nh gây ảnh hởng tốt đến khả năng tự mang tải của khối đá. Trong
trờng hợp lý tởng chỉ nên coi kết cấu chống là một dạng gia cố hay gia công
bề mặt cho khối đá. Tuy nhiên, trong thực tế các kết cấu chống cũng thờng
đạt đợc độ cứng vững nhất định, nên có thể tiến hành tính toán thiết kế và
kiểm chứng đợc.
Nói chung, để đảm bảo, giữ gìn đợc khả năng tự mang tải của khối đá,
cũng nh đảm bảo ổn định, bền vững lâu dài cho các công trình ngầm, cần
thiết phải chú ý các điều kiện hay khả năng sau:
Lựa chọn vị trí hợp lý bố trí công trình ngầm;

Lựa chọn đợc hình dạng hợp lý cho công trình ngầm, chú ý đặc biệt
đến điều kiện cụ thể về các tính chất của khối đất/đá;
Lựa chọn các phơng pháp và giải pháp thi công hợp lý;
Lựa chọn phơng pháp chống giữ hợp lý;
Chú ý đến yếu tố thời gian đối với cả khối đá/đất và kết cấu công trình
ngầm;
áp dụng các phơng pháp khai đào không hoặc ít gây tác động xấu
đến khối đất/đá-(có thể gọi là các phơng pháp đào bảo dỡng khối đất/đá)-
tức là ít gây ảnh hởng làm thay đổi độ bền và khả năng biến dạng của khối
đất/đá.

8
Mặc dù các kết cấu công trình ngầm có thể đợc lựa chọn và thiết kế
theo các phơng pháp, quan điểm khác nhau tùy theo các chức năng khác nhau
của các công trình ngầm, song nói chung khi lựa chọn và tính toán các kết cấu
công trình ngầm đều xuất phát từ các yêu cầu chung, mang tính tổng thể là:
1)Yêu cầu kỹ thuật
Kết cấu công trình ngầm phải đảm bảo có độ bền và độ ổn định nhất
định. Kết cấu công trình ngầm phải bền, nghĩa là phải chịu đợc các tác dụng
của ngoại lực cũng nh các trạng thái ứng suất sinh ra trong các cấu kiện của
kết cấu chống trong giới hạn cho phép. Kết cấu công trình ngầm phải ổn định
tức là dới tác dụng của áp lực đất đá, các loại tải trọng và các tác động khác
của môi trờng, vẫn phải giữ đợc kích thớc và hình dạng ban đầu, hoặc kích
thớcvà hình dạng nhất định theo yêu cầu sử dụng cụ thể. Tùy theo yêu cầu sử
dụng cụ thể kết cấu công trình ngầm cần phải bền vững lâu dài.
2)Yêu cầu theo chức năng sử dụng
Nói chung các kết cấu chống không đợc gây ra các trở ngại cho các
quá trình sản xuất, thi công và phải cho phép áp dụng đợc các khả năng cơ
giới hóa trong thi công (tùy theo yêu cầu); chiếm ít không gian, thuận tiện cho
việc sử dụng khoảng không gian ngầm tuỳ theo mục đích cụ thể; đảm bảo khả

năng thông gió, an toàn về cháy; sức cản thủy động nhỏ, trong nhiều trờng
hợp còn phải đảm bảo các yêu cầu về cách nớc, thẩm mỹ.
3)Yêu cầu kinh tế
Kết cấu chống phải phù hợp với thời gian tồn tại của công trình ngầm
do vậy đợc lựa chọn và thiết kế sao cho tổng vốn đầu t ban đầu và giá thành
bảo dỡng, sửa chữa phải là nhỏ nhất.

1.3 Loại hình kết cấu công trình ngầm

Cùng với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là
những kết quả, hiểu biết mới trong lĩnh vực cơ học đất, cơ học đá và thành tựu
của lĩnh vực khoa học vật liệu, các kết cấu chống đựơc phát triển và sử dụng
trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm ngày càng phong phú và đa dạng. Sự
phát triển đó cũng góp phần phát triển những công nghệ, phơng pháp thi công
mới, ngày càng có hiệu quả hơn. Đồng thời chính những đòi hỏi về chất lợng
ngày càng cao hơn, kinh tế hơn trong thực tế cũng đã tạo cơ sở cho việc phát
triển nhiều loại vật liệu và kết cấu chống mới.
Để có thể hình dung đợc một cách tổng thể về các loại hình kết cấu
chống các công trình ngầm, phục vụ việc phân tích lựa chọn theo những yêu
cầu khác nhaucó thể sơ bộ phân loại các kết cấu chống theo những dấu hiệu
khác nhau.

9
1. Phân loại theo đặc điểm cấu tạo
Dựa theo đặc điểm cấu tạo, các kết cấu chống đợc phân ra ba nhóm chính
là: khung chống, vỏ chống và kết cấu tích hợp hay "hoà nhập" vào khối đá.
Trên bảng 1-3 là ví dụ phân nhóm các dạng kết cấu chống theo đặc điểm
cấu tạo, đồng thời cũng sơ lợc giới thiệu về vật liệu chống cũng nh hình
dạng và tính năng, chức năng của các loại kết cấu chống đó.

Bảng 1-3. Các loại kết cấu chống cơ bản


Kết cấu tích hợp Khung chống Vỏ chống
Khái
niệm
Các thành phần của kết
cấu nhân tạo xâm nhập
vào khối đá hay tích hợp
với khối đá
Lắp ghép từ các cấu kiện
dạng thanh (thẳng hay
cong)
Lắp ghép từ các cấu kiện
dạng khối, dạng tấm hay
đổ, xây tại chỗ, phun tại
chổ
Các
dạng
kết
cấu
cơ
bản
khoan phụt
đóng băng
cọc, ván, ống
neo

khung gỗ
khung kim loại

khung bê tông cốt
thép đúc trớc
khung hỗn hợp hay
khung kết hợp từ các
dạng khung và vật liệu
khác nhau

vỏ xây bằng gạch, đá,
đá bê tông
vỏ lắp ghép từ các cấu
kiện đúc trớc: tấm pa
nen bê tông cốt thép, các
tấm tuyp-bing (gang,
thép, bê tông cốt thép, bê
tông sợi thép)
vỏ bê tông liền khối:
bê tông phun, bê tông
thờng, bê tông cốt thép
vỏ thép

10

11

Một kết cấu công trình ngầm có thể ở dạng độc lập của các kết cấu cơ
bản dạng khung, dạng vỏ hay dạng tích hợp; có thể hợp thành từ một hay
nhiều loại vật liệu; có thể ở dạng tổ hợp hay hỗn hợp của các dạng kết cấu
khác nhau. Cũng vì vậy đôi chỗ còn sử dụng khái niệm tổ hợp kết cấu chống
hay hệ thống kết cấu chống.
Nói chung một tổ hợp kết cấu công trình ngầm đợc lựa chọn và thiết kế
phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau:
mức độ ổn định và các đặc điểm địa chất, địa kỹ thuật của khối đá,
chức năng của công trình ngầm,
phơng pháp thi công xây dựng công trình ngầm.

2. Phân loại theo vật liệu
Nói chung trong xây dựng công trình ngầm, mọi loại vật liệu xây dựng
nh gỗ; thép, kim loại; gạch, đá, bêtông; vật liệu tổng hợp đều có thể đợc sử
dụng, tùy theo yêu cầu và chức năng của công trình ngầm cũng nh những đòi
hỏi đối với các kết cấu chống. Ngoài các vật liệu xây dựng thông thờng, trong
lĩnh vực xây dựng công trình ngầm cũng phát triển một số vật liệu với tính
năng hay đặc điểm sử dụng riêng, nh các loại thép hình, các ván thép


Kết cấu tích hợp Khung chống Vỏ chống
Vật
liệu
Cấu kiện cơ bản là neo
từ (gỗ, tre) thép thanh,
cáp, thép ống, thanh
chất dẻo và các chất
dính kết; các loại dung
dịch khoan phụt; ống
thép, cọc thép, ván thép;
vùng đợc đóng băng
Vật liệu chính là gỗ, thép
hình (thép cán định
hình), thép xây dựng, kim
loại, bê tông cốt thép đúc
sẵn dạng thanh, (các tấm
chèn bằng gỗ hay bê tông
đúc sẵn)
Vật liệu cơ bản có thể là
đá, gạch, bê tông phun
hoặc bê tông đổ tại chỗ (có

hoặc không có cốt thép, sợi
thép, lới thép), bê tông cốt
thép, sợi thép đúc sẵn dạng
tấm hay mảng, tấm thép,
gang, kim loại


3. Phân loại theo hình dạng kết cấu
Các kết cấu chống có thể đợc lựa chọn, thiết kế và lắp dựng với nhiều
hình dạng khác nhau, tùy thuộc vào đặc điểm xuất hiện áp lực hay tải trọng lên
kết cấu chống, tùy thuộc vào loại và hình dạng của công trình ngầm, đặc điểm
cấu trúc của khối đá và các yêu cầu kỹ thuật. Nói chung trong thực tế các kết
cấu chống thờng có các dạng dầm đơn, cột đơn, dạng hình thang, hình đa
giác, hình chữ nhật, hình vòm, hình móng ngựa, mõm nhái, tròn, ellíp ; các
kết cấu có thể ở dạng kết cấu kín (bao kín mặt lộ của khối đá) hay kết cấu hở.


12

Kết cấu tích hợp Khung chống Vỏ chống
Hình
dạng,
cấu
tạo
Liên kết với một vùng
khối đá tạo ra dầm,vành
hay vòng chịu tải; treo
chốt giữ, gia cố, ô ống ;
tạo nên vùng đợc gia
cố, đợc đông cứng.

Hình dạng bất kỳ
Kết cấu chống dạng
khung hình thang, chữ
nhật, đa giác, các dạng
hình vòm, tròn, ellíp
Khung chống dạng kín
hay hở.
Kết cấu chống dạng vỏ chữ
nhật, đa giác, vòm, tròn,
ellíp
Tiếp xúc diện với mặt lộ
khối đá, với các dạng liên
kết khác nhau.
Bê tông phun, thích hợp với
hình dạng bất kỳ, gia cố bề
mặt khối đá.

4. Phân loại theo chức năng, nhiệm vụ
Tùy thuộc vào mức độ mất ổn định của khối đất/đá, tùy thuộc vào
phơng pháp thi công và tùy thuộc vào loại công trình ngầm, một số loại kết
cấu nhân tạo có thể đợc lắp dựng trớc, trong hoặc sau khi thi công khoảng
không gian ngầm. Các kết cấu nhân tạo này thờng đợc gọi là kết cấu chống
tạm hay kết cấu bảo vệ.
Cũng tùy thuộc vào loại khối đất/đá, tùy thuộc vào chức năng của công
trình ngầm cũng nh thời gian cần sử dụng (tuổi thọ), một số loại kết cấu nhân
tạo đợc lắp dựng để đảm bảo bền vững và ổn định công trình ngầm trong suốt
quá trình sử dụng, vận hành khoảng không gian ngầm, thỏa mãn các yêu cầu
theo chức năng của công trình ngầm. Loại kết cấu này đợc gọi là kết cấu
chống cố định.

Kết cấu tích hợp Khung chống Vỏ chống
Chức
năng
Gia cố trớc, chống
trớc, chống tạm, chống
cố định hay một bộ phận
của kết cấu chống cố
định tùy theo điều kiện
cụ thể
Chống tạm và chống cố
định tại các mỏ hầm lò.
Chống tạm, hoặc là một
bộ phận của kết cấu
chống cố định tại công
trình ngầm dân dụng
Chủ yếu làm kết cấu chống
cố định, riêng bê tông
phun, vỏ tuyp-bing có thể
có chức năng chống tạm và
chống cố định

5. Phân loại theo tính năng kỹ thuật
Tùy theo tính năng kỹ thuật, các kết cấu chống thờng đợc phân biệt
theo hai nhóm là kết cấu tích cực, gia cố hay chủ động và kết cấu thụ động,
chống đỡ
Kết cấu chống có thể cải thiện đợc trạng thái của khối đá, hoặc cải
thiện đợc khả năng nhận tải và biến dạng của khối đá đợc gọi là kết cấu tích
cực, chủ động hay kết cấu gia cố khối đá và cũng còn đợc gọi là kết cấu
chống giữ. Các kết cấu với chức năng chủ yếu là tiếp nhận các tác động cơ học