Giáo trình cơ học kết cấu công trình ngầm 3 docx

13
hình thành do các quá trình biến đổi cơ học trong khối đất/đá, đợc gọi là kết
cấu thụ động hay kết cấu chống đỡ.


Kết cấu tích hợp Khung chống Vỏ chống
Tính
năng
Chủ yếu đóng vai trò tích cực gia cố hay
chủ động, kể cả ở dạng liên kết cới các kết
cấu chống khác
Chủ yếu đóng vai rò kết cấu chống thụ
động, tiếp nhận các loại tải trọng

6. Phân loại theo tính chất hay biểu hiện cơ học của kết cấu
Theo tính chất hay biểu hiện biến dạng và khả năng chịu tải, có thể phân
các kết cấu chống thành các nhóm là rất cứng, cứng và mềm với các đặc điểm
đợc định nghĩa nh trong bảng 1-2.

Bảng 1-2. Loại kết cấu và các khả năng nhận tải tơng đối
Khả năng nhận tải tơng đối
Kết cấu
chống
Biểu hiện cơ học
mômen lực dọc
rất cứng nh một cố thể-biến dạng
ít
lớn nhỏ
cứng nh bán cố thể- biến dạng
nhỏ

lớn nhỏ
mềm biến dạng nhiều nhỏ lớn

Ngoài ra, tùy thuộc vào các điều kiện áp lực, dịch chuyển của khối đá,
các kết cấu chống có thể có cấu tạo đặc biệt cho phép biến đổi về hình dạng
và/ hoặc kích thớc. Tơng ứng với các khả năng này các kết cấu chống đợc
gọi là kết cấu chống linh hoạt hình dạng và linh hoạt kích thớc.

7. Phân loại theo mức độ liên kết, tiếp xúc với khối đất, đá
Tùy theo sự liên kết cũng nh tiếp xúc với khối đá vây quanh khoảng
không gian ngầm, các loại kết cấu chống đợc phân ra các nhóm sau:
- kết cấu xâm nhập, hòa nhập vào khối đất/đá, hay tích hợp với khối đất/ đá,
ví dụ các loại neo, vữa khoan phụt, các kết cấu cọc, ván thép và ô ống;
- kết cấu không liên kết, liên kết ít, hoặc liên kết hoàn toàn với khối đá vây
quanh không gian ngầm, thể hiện qua khả năng tiếp nhận ứng suất tiếp xuất
hiện tại bề mặt hay vị trí tiếp xúc giữa mặt lộ của khối đất/đá và kết cấu chống
-tiếp xúc giữa kết cấu chống và khối đất/đácó thể ở dạng tiếp xúc điểm (neo)
tiếp xúc đờng (khung chống) hoặc tiếp xúc mặt (vỏ chống)



14
Sau đây phân tích và giải thích rõ hơn một số khái niệm và vấn đề cơ
bản.

Kết cấu chống tạm.
Kết cấu chống tạm cũng còn gọi là kết cấu bảo vệ, có nhiệm vụ trớc
tiên là chống giữ khoảng không gian ngầm từ sau khi đào cho đến khi lắp dựng
kết cấu chống cố định. Mặc dù chỉ đợc gọi là tạm thời, song kết cấu này đặc
biệt có ý nghĩa trong xây dựng công trình ngầm, bởi lẽ khả năng biến dạng,

mối liên kết với khối đất/đá và thời điểm lắp dựng chúng có ảnh hởng lớn đến
sự thành công về kỹ thuật và kinh tế của một biện pháp xây dựng. Trong thực
tế, nhất thiết phải có biện pháp bảo vệ ngời và thiết bị khi tiếp tục đào một
chu kỳ mới hay một đoạn công trình ngầm mới, nếu khối đá không có đủ thời
gian ổn định không chống cần thiết.
Kết cấu chống tạm đợc lắp dựng tùy thuộc mức độ ổn định của khối đá,
cụ thể:
có thể phải lắp dựng trớc khi đào, hoặc
có thể lắp dựng trực tiếp ngay sau khi đào hay sau một khoảng thời gian
nhất định sau khi đào, hoặc
phối hợp cả trớc và sau khi đào khoảng không gian ngầm.
Khi thời gian tồn tại ổn định (thời gian ổn định không chống) của khối
đất/đá rất nhỏ (vài giây, vài phút), bắt buộc phải sử dụng các giải pháp chống
trớc để bảo vệ khỏang không gian ngầm sau khi đào, tức là tiến hành lắp
dựng kết cấu chống tạm thích hợp trớc khi tiến hành đào khoảng trống. Kết
cấu chống trớc có nhiều dạng khác nhau. Các kết cấu cổ điển thờng là đóng
nhói, đóng cọc bằng gỗ; ngày nay đợc thay thế bằng cọc thép, ván thép;
ngoài ra tùy theo điều kiện thực tế còn sử dụng các biện pháp nh khoan phụt
(khoan ép gia cố), neo khoan phụt, ô ống bảo vệ
Ví dụ một kết cấu chống tạm kết hợp chống trớc và chống sau khi đào,
sử dụng trong trờng hợp gặp khối đất/đá kém ổn định, thờng ở dạng tổ hợp
của các loại hình trên nh cọc thép kết hợp với bê tông phun và khung thép.
Các kết cấu chống tạm lắp dựng sau khi đào thờng đợc tạo nên từ
bêtông phun, neo, lới thép, lới chất dẻo, khung gỗ, khung thép ở quy mô và
mức độ kết hợp nhất định, tùy thuộc vào mức độ ổn định của khối đá.
Thép tấm hay ván thép đợc sử dụng chủ yếu khi thi công công trình
ngầm đợc bố trí trong khối đất. Chúng đợc bố trí lệch nhau, có đoạn chồng
lên nhau. Do kỹ thuật thi công thờng tạo nên các khoảng rỗng, do vậy các
khoảng rỗng lại phải đợc lấp đầy bằng vữa hay bê tông phun, nhằm hạn chế
dịch chuyển. Sau đó trong quá trình đào các khung thép đợc lắp dựngvà

15
khoảng hở giữa khung thép và ván ép bằng thép lại đợc phu phủ bằng bê tông
phun.
Khi thi công trong khối đất/đá mà không thể ép ván thép nữa, cọc thép
sẽ đợc sử dụng. Cọc thép có thể đợc đóng vào các khoảng hở trong khối
đất/đá mềm nhờ búa khoan khí nén hay thủy lực hoặc đóng vào lỗ khoan khi
gặp đá cứng, đơng nhiên trong trờng hợp sau kết hợp với vữa chèn. Chiều
dài các cọc thờng phải lớn hơn ba lần khoảng cách giữa các khung thép.
Kết cấu chống tạm có thể làm nhiệm vụ trám chốt bề mặt khối đá trên
biên khoảng trống ngầm sau khi đào, nhằm hạn chế hiện tợng tơi rời, tróc vỡ
đá vào khoảng trống đang thi công và tạo khả năng hình thành vùng chịu tải
trong khối đá. Mục tiêu này đạt đợc bằng sử dụng bê tông phun với chiều dày
từ 3cm đến 5cm. Trong thực tế, lớp vỏ mỏng bê tông phun này không chỉ làm
nhiệm vụ bít trám, hay chốt giữ mà còn có khả năng hạn chế biến dạng của
khối đá ở mức độ nhất định; ngoài ra cũng tạo nên một lớp vỏ mỏng bảo vệ
khối đá trớc tác động phong hóa. Bê tông phun có thể đợc phun rất sớm và
trở thành một bộ phận của khối đá, có khả năng tự mang tải. Cũng chính vì thế
giải pháp này cho phép hạn chế biến dạng, ngăn chặn khả năng giảm bền của
khối đá.
Các loại khung và vỏ chống tạm có thể có độ cứng khác nhau, từ rất
cứng, cứng đến mềm.
Kết cấu chống tạm rất cứng là kết cấu có thể tự đứng vững, hay tồn tại
mà không cần có ảnh hởng của khối đá (ngay cả khi không tựa vào khối đá)
và thờng chỉ biến dạng nhỏ khi chịu tác động cơ học. Vì vậy dịch chuyển
cũng nh biến dạng do phân bố lại ứng suất của khối đá sẽ bị hạn chế. Đơng
nhiên chính vì thế trong kết cấu bảo vệ rất cứng có thể xuất hiện tải trọng (ứng
suất) lớn hơn là ở kết cấu có thể biến dạng nhiều. Điều này đã đợc giải thích
khi phân tích tơng tác giữa khối đá và kết cấu chống trong cơ học đá.Thực tế
tải trọng sinh ra do biến đổi của trạng thái ứng suất rất khó xác định hợp lý khi

thiết kế, đặc biệt là việc xác định tỷ số giữa áp lực hay tải trọng theo hai
phơng vuông góc với nhau. Vì vậy các loại kết cấu bảo vệ rất cứng, đợc lắp
dựng trớc khi trạng thái ứng suất thứ sinh hình thành ổn định, thờng cũng
đợc thiết kế quá lớn. Cũng chính vì vậy kết cấu bảo vệ rất cứng thờng chỉ
đợc sử dụng khi cần thiết phải hạn chế hoặc ngăn chặn biến dạng lớn.
Kết cấu chống tạm cứng thờng đợc thiết kế, sao cho chúng là ổn định
ở trạng thái độc lập, nhng cho phép tiếp nhận biến dạng của khối đá đến mức
độ nhất định, để có thể phát huy khối đá trở thành một bộ phận chịu tải của hệ
thống kết cấu chống-khối đá. Loại hình này đợc sử dụng làm kết cấu chống
tạm khi công trình ngầm đi qua các vùng khối đá bị phá hủy (đới phá hủy, khu
vực khai thác) hoặc đợc bố trí ở độ sâu nhỏ (chiều dày lớp phủ nhỏ), bởi vì ở

16
độ sâu nhỏ vùng chịu tải hay nhận tải trong khối đá chắc chắn không thể hình
thành đợc, hoặc sự liên kết với khối đá rất hạn chế hay không có đợc.
Kết cấu mềm là kết cấu có khả năng biến dạng nhiều. Nhờ có khả năng
biến dạng lớn của kết cấu nên quá trình biến đổi ứng suất từ trạng thái nguyên
sinh sang trạng thái thứ sinh xảy ra nh một quá trình tự điều khiển hay tự điều
chỉnh. Nói chung loại kết cấu này chủ yếu chỉ tiếp nhận đợc lực nén dọc theo
mặt cắt, khả năng chống uốn nhỏ, do vậy cũng huy động đợc khả năng tự
mang tải của khối đá và làm cho tác động gây uốn trong kết cấu bảo vệ chỉ
hình thành ở mức độ nhỏ. Trong trờng hợp giới hạn có thể coi kết cấu này là
vỏ gia cố bề mặt. Hiện nay kết cấu này thờng là bê tông phun không hoặc có
lới thép, cốt thép. Trong tơng lai gần sẽ tính tới khả năng áp dụng rộng rãi
bê tông phun với sợi thép.
Giữa khối đá và kết cấu có thể có thể hình thành những mối liên kết ở
mức độ nhất định. Đơng nhiên hệ thống tổng hợp kết cấu chống-khối đá chỉ
có thể làm việc tốt, nếu nh đảm bảo có đợc sự tiếp nhận hay chuyển tiếp tốt
các thành phần lực pháp tuyến và tiếp tuyến giữa khối đá và biên đào. Các kết
cấu dạng khung nh khung gỗ, khung thép, khung bê tông cốt thép đúc trớc

thờng không cho phép tiếp nhận áp lực tiếp tuyến, bởi lẽ chúng chỉ tiếp xúc
với khối đá ở dạng không chặt chẽ, ở dạng điểm hoặc mặt cục bộ, nếu không
kể đến các biện pháp tạo tiếp xúc khác. Bê tông phun là một dạng kết cấu
chống lý tởng tạo ra liên kết toàn phần với khối đá.
Thời gian lắp dựng kết cấu chống tạm có ý nghĩa rất quan trọng trong
xây dựng công trình ngầm, bởi vì nó có ảnh hởng trực tiếp đến quá trình thi
công cũng nh phụ thuộc vào quá trình đó. Cụ thể là thời gian lắp dựng phụ
thuộc vào đặc điểm cơ học của khối đất/đá (thời gian tồn tại ổn định không
chống) và lại có quan hệ phụ thuộc với biện pháp thi công. Nếu có thể khẳng
định hay hy vọng là trong quá trình biến đổi ứng suất khối đá vẫn ở trạng thái
đàn hồi, hoàn toàn có thể lắp dựng kết cấu bảo vệ sớm nh có thể (chỉ để ngăn
ngừa đá rơi). Nhng nếu phải tính đến khả năng xuất hiện biến dạng dẻo, thời
gian lắp dựng kết cấu bảo vệ phải đợc lựa chọn tùy thuộc vào đờng đặc tính
của khối đá và đ
ờng đặc tính của kết cấu bảo vệ, sao cho biến dạng của khối
đá đợc điều khiển để chỉ xảy ra ở mức hạn chế và tải trọng tác dụng lên kết
cấu chống chỉ xuất hiện ở giới hạn nhất định.
Trong trờng hợp thi công đào theo sơ đồ chia gơng, thời gian lắp dựng
không chỉ đợc lựa chọn cho phần vòm, mà còn phải chú ý đến thời điểm có
thể tạo kết cấu kín tòan bộ trên chu vi khoảng trống (thời gian kết thúc tạo
vành bảo vệ), tức là thời điểm tạo vành bảo vệ cũng nh hệ thống bảo vệ kết
cấu chống-khối đá. Thời gian kết thúc vành bảo vệ là khoảng thời gian kể từ
lúc mở gơng đào cho đến lúc kết thúc lắp dựng kết cấu chống trên mặt cắt

17
ngang. Nói chung có thể phát biểu rằng, biểu hiện của khối đá đợc điều chỉnh
càng thuận lợi, nếu thời gian kết thúc vành bảo vệ càng ngắn. Thời gian kết
thúc vành bảo vệ có thể rút ngắn nhờ lựa chọn hợp lý biện pháp thi công và
đặc biệt là vật liệu chống tạm thích hợp. Trong tơng lai, chắc chắn bê tông
phun sợi thép sẽ tạo đợc khả năng rút ngắn tối đa thời gian kết thúc vành bảo

vệ, vì nhờ giảm đợc các công việc và các công đoạn thi công; hiện tại có thể
giảm đợc 1/3 thời gian lắp dựng kết cấu bảo vệ nếu sử dụng bê tông phun sợi
thép so với các kết cấu chống khác cho trờng hợp tơng đơng.
Không kể đến phơng pháp thi công các công trình ngầm bằng máy
khoan hầm, có thể nhận thấy rằng, xu hớng của xây dựng công trình ngầm
hiện đại là sử dụng kết cấu bảo vệ trên cơ sở bê tông phun. Kết cấu bảo vệ trên
cơ sở bê tông phun thờng bao gồm các bộ phận là:
bê tông phun, có thể có lới thép, sợi thép,
neo,
khung thép hình hay khung thép tổ hợp .
Bê tông phun cho phép tạo ra kết cấu liên kết toàn phần với khối đá, không
có khoảng rỗng, khe hở. Với khả năng đợc coi là gia cố tạm thời cho khối đá,
sẽ tạo nên kết cấu liên hợp kết cấu chống-khối đá, với khối đá là bộ phận chịu
tải chính. Bê tông phun có thể đợc phun không hoặc có cốt bằng lới thép hay
sợi thép. Thông thờng không thể loại bỏ cốt khi sử dụng bê tông phun.
Khung thép từ thép hình cũng nh khung thép tổ hợp (là khung thép
đợc hàn từ các thanh thép tròn theo kiểu dáng nhất định) là loại kết cấu đảm
bảo chắc chắn chức năng bảo vệ, đặc biệt là khi kết hợp với bê tông phun sẽ
cho phép có khả năng mang tải ngay tức thời. Ngoài ra nó thỏa mãn yêu cầu
của cốt kín, tạo nên vành kín cho vỏ bê tông phun, đồng thời là bộ phận phụ
trợ tạo dáng, định hình và cho phép thực hiện công tác đo đạc, điều chỉnh đợc
thuận lợi.
Tác dụng của hệ kết cấu chống-khối đá đợc tăng cờng phần nào chính
nhờ có các loại neo. Với chức năng gia cố khối đá, neo gây ra các tác động
làm giảm ảnh hởng của tính bất đồng nhất trong khối đá nh
do sự có mặt
của các lớp đá, các hệ khe nứt khác nhau, hoặc các khe nứt hình thành do quá
trình tơi rời do nổ mìn hoặc do biến dạng. Khi kết cấu neo đợc lắp dựng thành
hệ thống neo, sẽ huy động đợc vùng khối đá rộng hơn tham gia vào vành hay
vòm chịu tải.

Với các giải pháp kỹ thuật khác nhau, ví dụ tạo khe biến dạng dọc theo
trục công trình ngầm, có thể khắc phục đợc khả năng gây phá hủy do xuất
hiện biến dạng lớn, ngay chỉ bằng bê tông phun.
Sự xuất hiện của bê tông phun sợi thép đánh dấu một bớc tiến bộ mới
của công nghệ bê tông phun. Nhờ đó không chỉ rút ngắn đợc công tác thi

18
công, giảm bớt công đoạn, mà có thể tạo nên vỏ bê tông phun có khả năng
nhận tải cao, đồng đều. Đồng thời khi kết hợp với khung thép sẽ cho phép có
thể phun đợc một lớp bê tông phun đủ dày theo yêu cầu. Từ dữ liệu thi công
đờng hầm Crapteig ở Thụy sỹ cho thấy, khi sử dụng bê tông phun sợi thép có
thể giảm chiều dày vỏ chống đợc 3cm, cụ thể là còn 10cm, kinh phí chỉ còn
bằng 75% so với bê tông phun có cốt thép. Ngoài ra, bình thờng một chu kỳ
đào trong đá phiến mất 12 giờ, khi sử dụng bê tông phun sợi thép chỉ còn cần 9
giờ. Nhờ đó tiến độ thi công đã tăng từ 4,5m lên 6m một ngày.

Kết cấu chống cố định.
Kết cấu chống cố định có nhiệm vụ đảm bảo độ bền và độ ổn định lâu
dài cũng nh đáp ứng các chức năng kỹ thuật của công trình ngầm trong suốt
thời gian sử dụng công trình ngầm. Thông thờng, trong xây dựng công trình
ngầm dân dụng, kết cấu chống cố định đợc lắp dựng sau khi quá trình biến
đổi cơ học, cụ thể là phân bố lại ứng suất và biến dạng, đã kết thúc và chúng
đợc thiết kế ở dạng kết cấu cứng hoặc rất cứng.
Trong lĩnh vực khai thác hầm lò, kết cấu cứng đợc sử dụng chủ yếu cho
các công trình có tuổi thọ lâu dài, nằm ngoài khu vực khai thác mỏ, nh các
hầm trạm, các lò cái vận chuyển chính, kết cấu giếng mỏ. Trong các trờng
hợp khác, chẳng hạn cho các đờng lò cơ bản, lò chuẩn bị tại các mỏ hầm lò,
kết cấu chống cố định nhiều khi chỉ khác kết cấu chống tạm ở mật độ, hoặc ở
giai đoạn làm việc của kết cấu; trong nhiều trờng hợp ít có sự phân biệt đáng
kể giữa kết cấu chống tạm và chống cố định.

Kết cấu chống cố định thờng là bê tông cốt thép hoặc bê tông đổ tại
chỗ. Tuy nhiên, trong ngành mỏ và khi thi công các công trình ngầm dân dụng
bằng máy khoan hầm cũng sử dụng các tấm bê tông cốt thép đúc sẵn, còn gọi
là các tấm tuýp-bing khi công trình có dạng tròn.

Kết cấu chống hai lớp và kết cấu chống một lớp
Trong công tác xây dựng các công trình ngầm dân dụng, nh các đờng
hầm, thờng nói đến dạng kết cấu chống hai lớp vỏ hoặc kết cấu một lớp vỏ.
Trớc đây, cũng nh hiện tại, thông thờng vỏ chống các công trình ngầm
đợc chia ra thành lớp vỏ ngoài (vỏ chống tạm) và lớp vỏ trong (vỏ chống cố
định). Vỏ chống vì vậy đợc gọi là vỏ hai lớp hay
kết cấu chống hai lớp. Do
yêu cầu về tính kinh tế, nên xu thế chung cho thấy cần thiết phải tích hợp lớp
vỏ thứ nhất với lớp vỏ thứ hai, để sao cho trong trờng hợp lý tởng sẽ trở
thành một vỏ chống thống nhất, tức là tạo ra kết cấu chống một lớp. Tuy nhiên,
để đạt đợc mục tiêu này, sự hình thành các loại vỏ đó đòi hỏi các kỹ thuật và
công nghệ khác nhau, đợc giới thiệu khái quát sau đây.