Giáo trình cơ học kết cấu công trình ngầm 5 docx

25
Lựa chọn các loại kết cấu và vật liệu chống khả dĩ
theo yêu cầu về chức năng của công trình ngầm, kinh nghiệm thực tế;
Mô hình hoá các kết cấu chống khả dĩ để
xây dựng và lựa chọn sơ đồ tính; phân tích tơng tác giữa kết cấu chống và
khối đá,
chọn các giải pháp kỹ thuật có thể áp dụng và ảnh hởng đến mối tơng
tác đó,
Tính toán và thiết kế kích thớc của các kết cấu đã đợc chọn theo các yêu
cầu về khả năng chịu tải và ổn định, cụ thể:
xác định nội lực, ứng suất, biến dạng; kiểm định theo các tiêu chuẩn bền,
tiêu chuẩn ổn định
Dự tính kinh tế để lựa chọn kết cấu hợp lí,
Đo đạc, quan trắc, phân tích kinh tế thực tế, khi cần thiết phải
điều chỉnh lại thiết kế cho phù hợp với điều kiện thực tế.

Đơng nhiên, trong thực tế, không phải bao giờ cũng có thể giải quyết đợc
bài toán đặt ra một cách mỹ mãn, bởi lẽ vấn đề này chịu ảnh hởng của nhiều
yếu tố rất phức tạp khác nhau. Chẳng hạn, nh đã biết trong cơ học đá, riêng
mức độ ổn định của khối đá cũng đã phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố khác
nhau, ví dụ các yếu tố cơ bản có thể xếp vào 4 nhóm sau:
1) Bản chất của khối đá/đất, đợc đánh giá qua các đặc điểm địa chất
(thành phần vật chất, cấu tạo, kiến trúc), các điều kiện địa chất thuỷ văn, các
tính chất cơ lý của đá và khối đá, của hệ thống các mặt phân cách, gián đoạn
(các khe nứt, các mặt phân lớp, các nếp uốn, các đứt gãy và phay phá) trong
khối đá.
2)Trạng thái ứng suất nguyên sinh trong khối đá/đất dới tác động của lực
trọng trờng và lực kiến tạo.
3)Các tác động kỹ thuật, đặc trng bởi công nghệ đào, hình dạng, kích
thớc và chức năng sử dụng của công trình ngầm.

4)Môi trờng xung quanh đặc trng bởi độ ẩm, nhiệt độ trong không gian
sau khi đào liên quan đến tác động phong hoá làm biến đổi cấu trúc cũng nh
tính chất cơ lý của khối đá.
Sự phức tạp của vấn đề cần nghiên cứu không chỉ do số l
ợng lớn các
yếu tố ảnh hởng mà còn do tính đa dạng và ngẫu nhiên của các yếu tố đã nêu.
Ngoài ra vấn đề đặt cũng còn phụ thuộc vào các yếu tố 'chủ quan' của đơn vị
đầu t, đơn vị sản xuất, thi công cụ thể là:
điều kiện cung cấp vật t, thiết bị
điều kiện công nghệ

26

Cơ học công trình ngầm bao hàm ngoài việc tính toán thiết kế kết cấu
công trình ngầm còn có những nghiên cứu cơ học khác liên quan với công tác
xây dựng công trình ngầm (mô phỏng quá trình thi công).
Việc tính toán, thết kế kết cấu công trình ngầm đợc thực hiện bởi các
phơng thức khác nhau, có thể phân ra ba nhóm là:
Tính toán theo trực giác, cụ thể là các chuyên gia công trình ngầm
xem xét đá, khối đá (chẳng hạn từ các lõi khoan thăm dò) và xác định
theo cảm nhận về kết cấu neo, lực kéo căng neo cũng nh chiều dày vỏ
bê tông;
Tính toán theo kinh nghiệm, thực nghiệm, nghĩa là từ các nguyên tắc
kinh nghiệm đúc rút từ thực tế có thể lựa chọn và xác định kích thớc
kết cấu công trình ngầm phù hợp với chất lợng của khối đá; hiện tại
bằng phơng thức này loại kết cấu chống và kích thớc đợc sử dụng sẽ
đợc lựa chọn dựa vào các bảng phân loại khối đá. Thông thờng các
nguyên tắc kinh nghiệm đợc diễn đạt bằng bảng biểu, đồ thị hoặc các
công thức không chặt chẽ về thứ nguyên;
Tính toán hợp lý, cụ thể là từ các kết quả đo đạc, thí nghiệm, phân tích

và mô tả toán học về các tính chất của vật liệu sẽ dẫn dắt đến các
phơng trình, có chú ý đến các quy luật cơ học, để mô tả các tính chất,
đặc điểm của khối đá và của kết cấu công trình cũng nh tác động tơng
hỗ giữa chúng. Bằng phơng thức này đã xuất hiện nhiều phơng pháp
tính toán khác nhau với các sơ đồ tính, mô hình vật liệu, quan hệ tơng
tác giữa kết cấu với môi trờng đất đá khác nhau. Các bài toán hình
thành trên cơ sở này đợc giải bằng phơng pháp giải tích hoặc
phơng pháp số. Bằng cách này chó phép có thể rút ra những nhận định,
kết luận một cách đơn giản hơn, nh GAUSS đã nói: ngay cả trong
những tr
ờng hợp thật phức tạp, nếu không có sự hỗ trợ này thì các vĩ
nhân cũng có thể bị ngất xỉu.

Trong thực tế ba phơng thức này ít khi xuất hiện riêng lẻ. Thông thờng
chúng đợc kết hợp lại, tùy theo quan điểm, thói quen của ngời làm công tác
thiết kế. Liệu một trong các phơng thức nêu trên là có ích hay cần thiết, là
một vấn đề vẫn đợc các nhà chuyên môn với các trờng phái khác nhau tranh
luận. Cũng vì vậy một trong những yêu cầu và mục tiêu quan trọng đối với
công tác nghiên cứu khoa học là chuyển hóa đợc các nguyên tắc thiết kế trực
giác, thiết kế theo kinh nghiệm vào trong các tính toán thiết kế hợp lý. Chỉ có
nh vậy mới có thể đa ra những khẳng định cho phép kiểm chứng đợc và
mới có khả năng nâng cao đợc nhận thức, hiểu biết. Hiện nay, vẫn còn có

27
quan điểm cho rằng phơng thức tính toán hợp lý trên cơ sở môi trờng liên
tục là không áp dụng đợc, bởi lẽ khối đất đá thực sự là môi trờng phức tạp,
không đồng nhất. Đơng nhiên quan điểm này là không lô dích, bởi lẽ tính
không đồng nhất không còn là nguyên nhân hạn chế phơng thức tính toán
hợp lý mà hoàn toàn có thể chú ý đợc trong tính toán. Ngoài ra, bằng các
phơng pháp số, với sự trợ giúp của máy tính thì phơng pháp tính toán hợp lý

không còn là vấn đề nan giải. Cũng vì vậy, trong tài liệu này sẽ chủ yếu đề cập
đến các bài toán giải bằng phơng pháp giải tích, dẫn đến các biểu thức hay
công thức giải tích. Mục đích là cho ngời học, ngời đọc có đợc hiểu biết
khái quát về các vấn đề trong cơ học công trình ngầm.
Tính toán, thiết kế công trình ngầm đơng nhiên còn phải sử dụng các mô
hình môi trờng liên tục, đặc trng ở mức độ đơn giản hóa, lý tởng hóa cao.
Điều này là khó tránh khỏi, vì:
Vấn đề cần nghiên cứu thực sự là bài toán không gian về các trờng ứng
suất và biến dạng, ít nhiều có biến động theo thời gian;
Các biểu hiện của vật liệu là phức tạp (dị hớng, biến dạng không hồi
phục, quan hê giữa ứng suất và biến dạng là đa dạng và phí tuyến, chảy
dẻo, long rời, giảm bền, trơng nở, nứt nẻ, lu biến);
Biến động mạnh trong không gian về các tính chất vật liệu (điều kiện
địa chất, địa chất thủy văn), mà trong thực tế khó thâu tóm hết đợc.
Mặc dù cho đến nay có nhiều phơng pháp nghiên cứu đã đợc phát triển
và áp dụng, song nói chung các tính toán địa cơ học luôn chỉ là những tính
toán, những dự đoán gần đúng. Lý do đơn giản là công tác xây dựng công trình
ngầm có bản chất khác cơ bản so với việc xây dựng các công trình trên mặt đất.
Sự khác nhau đó có thể nhận thấy qua so sánh đơn giản sau:
Tải trọng:
o Công trình xây dựng trên mặt đất đợc tính toán, thiết kế với tải
trọng cho tr
ớc khá chính xác
o Đối với các công trình ngầm, khối đất/đá là vật liệu xây dựng, vừa
là thực thể gây tải trọng cũng vừa là thành phần chịu tải; hệ thống
khối đất/đá và kết cấu chống hợp thành hệ thông chịu tải, nhng
cũng lại gây tải trọng qua tác dụng tơng hỗ lẫn nhau
Phơng thức chịu tải:
o Các công trình xây dựng trên mặt đất nhận tải dần dần (tự trọng)
và sau khi đã xây dựng (tải trọng cuối cùng bên ngoài);

o Khoảng không gian ngầm đợc đào từ khối đất/đá đã chịu tải
trớc; trạng thái ứng suất nguyên sinh cũng nh ban đầu rất khó
xác định.
Phơng pháp tính:

28
o Việc tính toán, thiết kế các kết cấu của công trình trên mặt đất
đợc tiến hành trên cơ sở tổ hợp tải trọng khả dĩ;
o Tính toán các công trình ngầm thực chất trên cơ sở dự báo ứng
suất, biến dạng, bởi vì có sự phụ thuộc phức tạp vào công tác thi
công và trình tự thi công;Tác động cơ học không hình thành do
chất tải vào khối đá mà do giảm tải (không thuận lợi);
Về vật liệu
o Trong xây dựng trên mặt đất, vật liệu xây dựng đợc lựa chọn,
thông qua tính toán cơ học, phân tích kinh tế;
o Trong xây dựng công trình ngầm, một phần vật liệu xây dựng là
khối đất/đá không thể lựa chọn đợc (tồn tại tự nhiên) và nói
chung không thể gây ảnh hởng cơ bản đến các tính chất của
chúng;
Trạng thái ảnh hởng đến mức độ ổn định:
o Đối với các công trình trên mặt đất, nói chung trạng thái cuối
cùng là trạng thái quyết định;
o Trong xây dựng công trình ngầm, thông thờng các trạng thái
trung gian trong quá trình thi công có tính quan trọng hơn là trạng
thái cuối cùng.
Cũng vì vậy mà trên thế giới vẫn luôn có câu hỏi đợc đặt ra là: có nhất
thiết phải tính toán, thiết kế kết cấu công trình ngầm hay không? Câu trả lời
của đa số các chuyên gia là; tính toán thiết kế kết cấu công trình ngầm không
chỉ là có ích mà còn là cần thiết, bởi vì nó cung cấp nhận thức về các quá trình
cơ học diễn ra trong khối đất đá và kết cấu.

Nh đã nhắc đến, cơ học công trình ngầm làm việc với các mô hình.
Đơng nhiên rất khó có thể bao quát hết bằng mô hình. Và điều quan trọng là
không đợc nhầm lẫn giữa mô hình và thực thể. Mô hình hình thành bởi
sự suy tởng đơn giản hóa, lý tởng hóa thực tế, thông qua những gì còn đặc
trng trong mô hình. Việc lựa chọn mô hình hợp lý phản ánh nhận thức và suy
nghĩ kỹ thuật, đánh giá trực giác đúng đắn. Trong mọi trờng hợp, mô hình
cần phải phù hợp, đợc định nghĩa rõ ràng và có tính bao quát. Đồng thời mô
hình tính phải tuân thủ các nguyên tắc cơ bản trong cơ học (chẳng hạn các
điều kiện cân bằng
). Hiện tại trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm vẫn
còn có các mô hình đợc sử dụng, đợc xây dựng từ cảm nhận trực giác về
điều kiện địa chất, địa kỹ thuật, song không đảm bảo đủ chính xác để đợc coi
là mô hình cơ học. Các mô hình này chỉ nên xem là mô hình khởi đầu cho một
giai đoạn mới trớc khi có đợc mô hình cơ học hợp lý.


29
Nếu việc tính toán cơ học đợc thực hiện trên cơ sở mô hình cơ học hợp lý,
thì sẽ cho phép có đợc những nhận định quan trọng cho công tác xây dựng
công trình ngầm. Các nhận định này cần thể hiện ở dạng các phơng trình và
phải thể hiện rõ ràng là chúng hình thành trên cơ sở nào. Tuy nhiên các kết quả
số lại cần phải sử dụng có cân nhắc cẩn trọng, bởi vì nh đã nhắc đến là:
Các dữ liệu vào không chính xác;
Các phơng trình có đợc từ mô hình đã mô phỏng đơn giản hóa thực tế.
Mặc dù vậy, các phơng trình này vẫn có ý nghĩa quan trọng, vì chúng cho
thấy đợc đại lợng vật lý nào thể hiện vai trò quan trọng trong vấn đề đợc
khảo sát. Ngoài ra các kết quả định tính của các phơng trình này hoàn toàn có
thể sử dụng để thiết kế, xác định kích thớc kết cấu công trình, kết hợp với các
hệ số an toàn, ổn định đã đợc khẳng định bằng trực giác, kinh nghiệm.
Ngoài ra các phơng trình này cũng đợc sử dụng khi có sự cố xảy ra, để phân

tích nguyên nhân, tìm giải pháp khắc phục. Trong thực tế xây dựng công trình
ngầm các phơng trình này cũng đợc sử dụng làm cơ sở cho phơng pháp
quan trắc, trong đó các biểu hiện của kết cấu (trong và sau khi xây dựng)
đợc đánh giá thông qua đo đạc. Chẳng hạn từ các kết quả đo đạt đợc giá trị
xác định nào đó, có thể cho phép đa ra biện pháp xử lý hợp lý.
Ngoài ra cũng không nên đánh giá thấp các kết quả tính toán giải tích nhận
đợc từ các bài toán đơn giản, bởi vì chúng lại cho phép kiểm tra, kiểm định
đợc tính chính xác, hợp lý của các phơng pháp số (ví dụ phơng pháp phần
tử hữu hạn).

Các tài liệu tham khảo tiếng Việt:
1) Phí Văn Lịch: áp lực đất đá và chống giữ công trình ngầm. Tập I và II.
Đại học Mỏ -Địa chất 1972.
2) Đinh Xuân Bảng, Nguyễn Tiến Cờng, Phí Văn Lịch, Lê Văn Thởng:
Cơ sở thiết kế công trình ngầm. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. Hà Nội
1981. Phần thứ ba: Chơng VI, VII, VIII, IX và X.
3) Nguyễn Văn Quyển, Nguyễn Văn Đớc: Cơ sở xây dựng ngầm trong mỏ.
Tập I. Đại học Mỏ -Địa chất 1991.Chơng V,VI,VII.
4) Nguyễn Thế Phùng, Nguyễn Quốc Hùng: Thiết kế công trình hầm giao
thông. Nhà xuất bản Giao thông vận tải. Hà Nội 1998.Chơng V,VI.
5)Trần Thanh Giám, Tạ Tiến Đạt: Tính toán thiết kế công trình ngầm. Nhà
xuất bản Xây dựng-2002.
6)An Young Xon: Thiết kế công trình ngầm. Nhà xuất bản Xây dựng, Hà
Nội 2002

Chơng 2. Kết cấu chống tích hợp với khối đá

Trong nhóm các kết cấu tích hợp vào khối đá, có thể phân sơ bộ theo tính
năng thành hai nhóm là:
1. Các kết cấu và giải pháp cải thiện khả năng mang tải của khối đá bao

gồm
khoan phụt,
đóng băng,
neo,
Kết cấu neo đợc sử dụng với các chức năng khác nhau. Tuy nhiên
chức năng cải thiện khả năng nhận tải, hạn chế biến dạng của khối đất đá là
cơ bản, tuy nhiên vấn đề này, do tính phức tạp, nên đến nay còn ang đợc
nghiên cứu phát triển tiếp.
2. Ngoài ra các kết cấu sau đây cũng có thể coi là biện pháp cải tạo khối
đất/đá nhng ở mức độ hạn chế và thờng chỉ là một bộ phận của kết
cấu hoàn chỉnh:
cọc gỗ,
cọc thép,
ván thép
ống thép
Tất cả các loại vật liệu, cấu kiện và giải pháp này thờng đợc triển
khai với mục tiêu là cải thiện một số tính chất của khối đất đá, để có thể tiến
hành đào thuận lợi, hoặc để cải thiện lâu dài khả năng mang tải và biến dạng
của khối đất/đá.


2.1 Khoan phụt (khoan phun, khoan ép) và đóng băng

Các giải pháp này sẽ đợc đề cập nhiều trong bài giảng Thi công công trình
ngầm bằng phơng pháp đặc biệt. Do vậy ở đây chỉ lợc qua và cho thấy xu
thế phát triển hiện tại

Khoan phụt là một phơng pháp bơm ép các chất lỏng dng nh tng,
huyn phự hoặc vữa vào trong khối đất đá, có khả năng đông cứng sau thi
gian xỏc nh, với mục đích lằm tăng khả năng nhận tải, tăng độ cứng (giảm

khả năng biến dạng), tăng độ chặt, tăng độ kín nớc ca khi ỏ.