Địa kỹ thuật trong xây dựng công trình ngầm dân dụng và công nghiệp

TS. NGUYỄN ĐỨC NGUÔN

TT TT-TV * ĐHQGHN

624.1

NG-N
2008
01030
NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG


TS. NGUYỄN ĐỨC NGUÔN

ĐỊA KỸ THUẬT
TRONG XÂY DỰNG CỒNG TRÌNH NGẦM
■

DÂN DUNG VÀ CÔNG NGHIÊP

NHÀ XUẤT BẢN XÂY DỰNG
HÀ NỘI - 2 0 0 8


LỜI NÓI ĐẦU

K h a i th á c k h ô n g g ia n n g ầ m g iá i q uyết được n h iề u vă n đ ề K in h tê X ã hội, đ ấ t đ a i xâ y d ự n g đô thị, m ôi trường... Do đó xâ y d ự n g công trìn h
n g ầ m đ a n g trở th à n h m ộ t x u hư ớng tấ t y ế u trong x â y d ự n g các đô th ị
h iện đại.
N h a n h chóng tiếp cận với n h ữ n g kỹ th u ậ t k h a i thác k h ô n g g ia n
n g ầ m là m ộ t bài toán th ự c tế, rấ t cần th iết đôi với k ỹ s ư xâ y dựng.

X ả y d ự n g công trìn h n g ầ m d â n d ụ n g công ng h iệp là m ộ t bài toán khó
khăn

liên q u a n đến n h iều vấ n đ ề p h ứ c tạp về đ ịa ch ấ t công trìn h , đ ịa

ch ấ t th u ỷ văn, nền và m óng.
T à i liệu được biên soạn n h ằ m g iả i q u yết m ộ t p h ầ n khó k h ă n trong
lĩn h vực đ ịa kỹ th u ậ t xây d ự n g công trìn h n g ầ m th i công băn g p h ư ơ n g
p h á p lộ thiên.
T ro n g tà i liệu trìn h bày n h ữ n g vấ n đ ề cơ bản liên q u a n đến tín h toán
th iế t kê n ền m ó n g , k ế t cấu công trìn h n g ầ m d â n d ụ n g và công nghiệp.
T à i liệu s ử d ụ n g tro n g việc g iả n g d ạ y và học tậ p cho s in h viên n g à n h
x à / d ự n g công trin h n g ầ m đô th ị và có thê là m tà i liệu th a m kh ả o cho
n h ữ n g ai q u a n tâ m đến lĩn h vực xả y d ự n g n g ầ m nói riêng và xâ y d ự n g
cơ b ả n nói chung.
Tác g iả x in ch â n th à n h cám ơn n h ữ n g ỷ kiến góp ỷ q u ỷ báu của
G S .T S K H N g u y ễ n vă n Q u ả n g , G S .T S . Đ ỗ N h ư T rá n g và P G S .T S Lê
Thanh H uấn.
Do trin h độ và k in h n g h iệm còn n h iều h ạ n chê' chắc rằ n g cuốn sách
còrt n h iề u th iếu sót, m o n g bạn đọc th ô n g cảm và góp ý kiến.

T á c g iả

3


Chương I

KHẢO SÁT KỸ THUẬT PHỤC v ụ THIÊT KẾ VÀ XÂY DỤNG
CÁC CÔNG TRÌNH NGÂM (CTN)

Công tác khảo sát là một phần không thể thiếu trong thiết kế và xây dựng cồng trình
ngầm. Các tài liệu khảo sát địa chất và địa chất thuỷ văn là căn cứ rất quan trọng cho
việc đánh giá tính hình nền đất khu vực, đề xuất các giải pháp kỹ thuật đảm bảo xây
dựng, khai thác cô ng trình an toàn và kinh tế.
Công tác khảo sát địa chất (KSĐC) bao gồm: thu thập, phân tích và khái quát hoá
diều kiện tự nhiên của vùng xây dựng, trong đó có các tài liệu đã thăm dò trong quá khứ,
các tài liệu đã có nhưng chưa hệ thống về địa chất công trình. Công tác KSĐC được tiến
hành trên cơ sở nhiệm vụ kháo sát. Nhiệm vụ KSĐC kỹ thuật do đon vị thiết k ế lập,
được chủ đầu tư chấp nhận và chuyển cho đơn vị khảo sát. Đ ó là tài liệu cơ bản đê thực
hiện công tác k h ảo sát, nội dung cần thê hiện đầy đủ các giai đoạn thiết kế, địa điểm,
các đặc điếm kết cấu, tải trọng, đặc điểm thi công, thông số cơ bản của cồng trình, các
lài liệu đã điều tra trước đây.
1.1. N H Ũ N G Đ Ặ C ĐIỂM CỦA C Ỏ N G TÁ C K H ẢO S Á T ĐỊA C H A T XÂY DỤNG
CTN
So với các côn g trình nổi trên mạt đất, công tác khảo sát địa chất cho CTN có những
đặc điểm sau đây:
Chiều sâu m ó n g CTN thường là 4^15m khi thi cồng đào lộ thiên, 20-ỉ-30m khi hạ
giếng (có công trình tới 5 0-rl00m ), nên độ sâu khảo sát cũng thường lớn hơn so với
công trình trên m ặt đất.
Giải pháp thiết kế CTN có liên quan chặt chẽ với các giải phấp thi công, nên trước khi
kháo sát chi tiết và lựa chọn giải pháp kết cấu cần xác định phương pháp và công nghệ
thi công.
Do phạm vi ảnh hưởng và chịu ảnh hường của công trình ngầm lớn theo cả chiều sâu
và trên mặt bằng, nên khi khảo sát cần miêu tả tỉ mỉ sự thay đổi địa chất, thuỷ văn trong
phạm vi khảo sát theo cả 2 hướng nêu trên.
Mức độ thay đổi có thể xác định bằng tỷ số giữa m ôđun biến dạng lớn nhất và bé
nhất ở các vị trí khác nhau, sự thay đối tính chất của đất đặc trưng bằng hệ số thay đổi
5

áp lực bèn, tính như tý số các áp lực hên theo 2 bán kính vuông góc với nhau và hệ số
thay đổi độ bền giới hạn của đất dưới tường, móng công trình. Mức độ thay đổi này có
thế được đánh giá trên cơ sở kết quả khảo sát bằng phương pháp xuyên tĩnh.
1.2. C Á C G IA I Đ O Ạ N VÀ P H Ư Ơ N G P H Á P K H Ả O S Á T Đ ỊA C H Ấ T (K S D C ) C T N
Công tác khảo sát được chia thành nhiều giai đoạn tương ứng với các giai đoạn thiết kế:
• Giai đoạn lập báo cáo đầu tư, lập d ự án - thiết k ế c ơ sở): Công tác kháo sát được
tiến hành với khối lượng đảm bảo nhận đưực tài liệu địa chất còng trình đủ để:
- Lựa chọn phương án, định vị, vạch tuyến tối ưu cho công trình;
- Lựa chon loại kết cấu và các phương pháp thi công hợp lý cũng như giảm thiếu ánh
hưởng tới môi trường xung quanh;
- Thiết kế cơ sở các tuyến liên kết, đường lên xuống, bản thân công trình, các giếng
đứng, những công trình ngầm và nổi khác.
ơ giai đoạn này cần nghiên cứu tài liệu lưu trữ và các văn bản liên quan. Khi lựa chọn
phương án địa điểm xây dựng, nghiên cứu khái quát khu vực, quan sát lộ trình, có thể
phải tiến hành quan trắc bằng máy bay. Tiến hành khoan, xuyên với số lượng hạn chế
nhưng cần có độ sâu đủ lớn (vào tới lớp đất có thê làm nền cho m óng công trình ít nhất
6 m), đo địa vật lý, thử nghiệm đất và nước dưới đất, khi cần thì đào các hang riêna rẽ

(hố, rãnh, giếng).
• Giai đoạn khảo sát kỹ thuật: Ớ giai đoạn này công tác khảo sát được tiến hành
nhằm mục đích chi tiết hoá những thông tin về điều kiện đ ịa chất công trình, chính xác
hoá tình hình địa chất - công trình trên các khu vực sử dụng các phương pháp chuyên
dùng và khi cần thiết, có thể tiến hành theo dõi tình hình địa chất thuỷ văn.
Mục tiêu chính của khảo sát kỹ thuật - nhận được sô liệu để dự tính tải trọng tác dựng
lên kết cấu công trình ngầm, đê lựa chọn sơ đồ tính toán công trình, các phương pháp
đào đất, các thông số ổn định tạm thời v.v... cũng như dự đoán tính động học của sự phái
triển các quá trình địa vật lý, các trạng thái ứng suất - biến dạng của khối đất, các ch ế .độ
nhiệt và nước ngẩm.
Ở giai đoạn này cần xác định vùng dân cư, vùng công nghiệp, vùng nghỉ ngơi, các

vùng nhạy cảm phát triển giao thông. Đế làm việc này cần dựa trên các bản đồ phan
vùng địa chất công trình của khu vực, bán đồ địa chất công trình vùng lân cận thành phố,
các bán đồ được thành lập trong quá trình đo vẽ địa chất côn g trình. Kết quả khảo sát địa
chất thực hiện trong giai đoạn này phục vụ việc quyết định cuối cùng tổng mặt bằng bõ
trí các hạng mục công trình, các giải pháp kết cấu và quy hoạch, giá thành xây dưng
công trình và đề xuất các biện pháp bảo vệ môi trường.

6


Nội dung khảo sát bao gồm những công tác cơ bản sau:
- Thu thạp, tổng hợp và phân tích các tài liệu địa chất công trình lưu trữ;
- Thăm dò, điều tra vị trí và dọc tuyến công trình;
- Vấn đề đảm bảo an toàn cho công trình ngầm;
- Đào các hố thăm dò;
- Nghiên cứu đất tại hiện trường, trong đó có xuyên tĩnh, xuyên động;
- Nghiên cứu địa vật lý;
- Nghiên cứu các tính chất của đất và thành phần hoá học của nước ngầm trong phòng
thí nghiệm;
- Xử lý sô liệu, lập báo cáo khảo sát và các bảng biểu.
Trong các điều kiện địa chất công trình phức tạp, khi cần thiết, nên tiến hành các
cóng tác nghiên cứu khoa học.
Việc thăm dò địa chất công trình được bắt đầu khi đã biết (mặc dừ là sơ bộ) ranh giới
cửa nhà và công trình lân cận, tác động tương hỗ của chííng với mỏi trường địa chất.
•

G iai đoạn khảo sát thi công: Trong giai đoạn này chủ yếu nghiên cứu sự thay đổi

tính chất của đất trong quá trình thi cồng, chi tiết hoá những khu vực phát sinh hoặc dự
đoán chưa đầy đủ trong giai đoạn khảo sát kỹ thuật, nghiên cứu khả năng ảnh hưởng đến

các công trình lân cận, theo dõi khả năng biến dạng của nền đất xung quanh, nguồn
nước ngầm trong quá trình thi công.
Tỷ lệ khối lượng công tác kháo sát trong giai đoạn lập dự án có thể đạt tới: 30- 40%;
lập hổ sơ thiết kế: 60-50% và trong giai đoạn thi công khoảng: 10% tống khối lượng
khảo sát cho công trình.
Đối Vii công trình ngầm nằm ở độ sâu không quá 6 m và điều kiện địa chất đơn giản,
khi có đủ thông tin lưu trữ về điều kiện địa chất công trình, công tác khảo sát địa chất có
ihc liến hành trong một giai đoạn.
Ngoài các cồng tác khảo sát nêu trên, khi hoàn thành xây dựng công trình ngầm, cần
tiên hành quan trắc lâu dài trạng thái ổn định của bản thân công trình và các công trình
lan cận.
C ác phươnụ p h á p khảo sú t cơ bản: đirợc lựa chọn sau khi nghiên cứu nhiệm vụ kỹ
thuật và các thông tin ban đầu. Các phương pháp KSĐC bao gồm: đào hang, khoan, địa
vật lý, nghiên cứu hiên trường (quan sát, thí nghiệm, xuyên), nghiên cứu trong phòng thí
nghiệm và quan sát lâu dài. Trước khi thăm dò ĐCCT thường đã có quy hoạch vùng
hoặc sơ đồ tổng m ặt bằng xây dựng công trình tại khu vực.
- Phương pháp khoan thăm dò:
Đế lấy mẫu nguyên dạng sử dụng các phương pháp hạ ống mẫu như sau: đóng, ép,
khoan, chấn động và xoay. Đường kính lỗ khoan ít nhất là 108mm - trong sét, cát và
89m m - trong đá.
7


Ngày nay người ta tạo ra các máy khoan nằm ngang kết hợp lấy mẫu, cho phép khoan
lỗ đường kính 45-Hl20mm tới chiều sâu đến 500m và lớn hơn, với tốc độ tới lOOrn/ngày
đêm. Lỗ khoan ngang có thể tạo khả năng giảm khối lượng khoan rất nhiều và tăng độ
chính xác cho việc dự đoán các điều địa chất công trình.
C h iêu sáu lỗ k h o a n : phụ thuộc vào chiều sâu vùng chịu nén. Chiều sâu vùng chịu
nén phụ thuộc vào thể tích công trình, tải trọng, kích thước mặt bằng. Khi đặt sâu thì
lực ma sát giữa m ặt bên công trình và khối địa tầng tăng, mực nước ngầm cao khả

năng đẩy nổi cũng lớn, trong trường hợp này, vùng chú động tạo ra không phải do tái
trọng plui mà do dỡ tải khối địa tầng. Trong tài liệu tiêu chuẩn không có những chí dẫn
rõ ràng về vùng chủ động này. Quy ước lấy bằng 1/2 chiều rộng công trình khi chiều
sâu công trình đến 50m, bằng 1/4 chiều rộng khi chiểu sâu từ 5CM00m. Giếng hạ có
chiều sâu 20-h30 iti, có khi tới lOOm.
Chiểu sâu lỗ khoan thường sâu hơn đáy công trình ngầm ÓH-lOm hoặc khoan sâu vào
lớp bền nước 2-r3m. Đối với giếng hạ sâu, chiều sâu lỗ khoan có thể thay đối từ 30 h- 1 lOm.
Đối với kết cấu “tường trong đất” chiều sâu các lỗ khoan kiến nghị bằng l,5H +5m
(H- chiểu sâu tường).
Khi nghiên cứu thế nằm của các lớp đất cần đào hang ngầm. Ưu điểm của đào hang là
nhận được những thông tin tin cậy hơn về thành phần và thế nằm của đất đá, có thể trực
tiếp thử và ép tĩnh trên diện tích lớn.
Vị trí và khoảng cách giữa các l ố khoan, hô' đào: xác định tuỳ thuộc vào khuôn khổ
công trình, kết cấu công trình, mức độ nghiên cứu của chúng, phương pháp thi cóng,
tính phức tạp của điều kiện địa chất. Những điểm khảo sát nên bố trí trong vùng có đặl
các tải trọng tập trung, bố trí theo cha vi tường công trình, dưới đáy công trình, những
chỗ giao nhau của các trục nơi tập trung các tải trọng từ cột, thiết bị lớn.
Đối với các công trình ngầm kéo dài (các đường hầm giao thông và bộ hành, các gara
dạng tuyến), các lỗ khoan được bố trí dọc trục và theo phương vuông góc với trục của
chúng, cách nhau 1504-200m (cho giai đoạn thiết k ế kỹ thuật) cho thế nằm của các lớp
đất đều đặn, 100-r 150m cho khu vực có các lớp đất uốn nếp, địa tầng khá phức tạp, nước
ngầm nằm cao hơn cao trình chôn móng, 60-ỉ-100m cho khu vực địa tầng uốn nép phức
tạp, có các hiện tượng địa vật lý phức tạp, mức nước ngầm nằm cao hơn cao trình dự
kiến chôn móng.
Khi khảo sát theo tuyến công trình ngầm có kích thước giới hạn trong mặt bằng ớ
cao độ lối đi bộ và gara dạng phòng ngăn, các tổ họp giao thông v.v..., các lỗ khoan
được bố trí theo chu vi tường và theo trục cột của kết cấu, trong đó khoảng cách giữa các
lỗ khoan có thể thay đổi từ 150 đến 20 m.
Tuỳ thuộc vào công trình và phương pháp thi công, số lượng và chiều sâu lỗ khoan
cho một công trình có thể có sự khác nhau. Ví dụ: khi hạ giếng đường kính <15m thì sô

8


lượng lỗ khoan không nhỏ hơn 3, khoan sâu hơn độ sâu đặt giếng là 6 m. Đc thi công
“tường trong đ ấl”các lỗ khoan đề nghị bố trí theo lưới 20 x 20 m hoặc theo tuyến công
Irinh không thưa hơn 20 m.
- Đ ào iỊÌê/UỊ thăm dò:
Để quan sát cấu tạo khối đất bằng mắt, lấy mẫu từng lớp đất, xác định đặc tính độ
bổn và biến dạng, ngoài khoan lấy mẫu, người ta còn đào hố thăm dò: giếng, hố đào, các
giếng đứng, các đường hầm nhánh. Các hố đào này thường kết hợp tại vị trí sẽ bố trí
giếng đứng, giếng nghiêng cứa công trình.
- CôiiiỊ túc lấy m ầu:
Mấu đất được thu thập nhằm m ục đích xác định các chi tiêu cơ lý trong phòng thí
nghiệm. Mỗi tầng địa chất cần lấy ít nhất 6 mẫu. Nếu trường hợp lớp đất đồng nhất
dày thì lấy 3 m ẫu (trên, giữa và dưới lớp đất) nhưng khoảng cách theo chiều sâu giữa
các vị trí lấy m ẫu không quá 3-ỉ-5m. Thông thường việc lấy m ẫu đất được tiến hành
Iheo lớp 0,5-^lm.
Xác định các đặc trưng cơ lý cơ bản của đất:
Tính chất của đ ất quyết định công nghệ xây lắp, phương pháp đào và đắp đất, loại gia
cố tạm thời. Đặc điểm tính chất của đất cần thiết để xác định giá trị tải trọng lên kết cấu
ngầm, lựa chọn sơ đồ tính toán công trình ngầm, xác định các thông số gia cố tạm thời...
Phương pháp thí nghiệm trong phòng là phương pháp chính để xác định độ bền của
đất cho từng dạng xây dựng. Cần dùng phương pháp này để xác định m a sát trong và ma
sát ngoài của đất, các chỉ tiêu vật lý và cơ học của đất, phương pháp này cũng có thể xác
đinh chỉ tiêu biến dạng khi nén cố kết.
- C ác c h ỉ tiêu vật lý: dung trọng của đất, độ ẩm (WTN, W c, w u). Các chỉ tiêu cần được
xác định là độ rỗng, hệ số rỗng, mức độ ẩm, chỉ số dẻo, độ sệt, giới hạn nhão.
- Các ch i tiêu c ơ học: gồm chỉ tiêu biến dạng (m ôđun biến dạng, hệ số biến dạng
ngang - hệ sô pausson, hệ số áp lực bên...) và chỉ tiêu độ bền ( íó c nội m a sát, lực dính,
giới hạn bền nén 1 trục...).

Ngoài những chí tiêu tính chất cơ lý của đất nêu trên, khi cần thiết xác định tốc độ
sóng dọc và ngang, các hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung và nhiệt riêng, giới hạn độ bền chịu
kéo, trương nở và áp lực trương nở tương đối của đất sét, các tính chất từ biến, hệ

số lực

kháng đàn hồi, tính mài mòn và tính nhớt của đất.
- PIiiíơihị p h á p xu yên thâm dò:
Khi xác định các chỉ tiêu độ bền nên dùng phương pháp xuyên (động, tĩnh). Sử dụng
phương pháp này cũng có thể xác định chỉ tiêu biến dạng ở độ sâu đến 20m. Trong đó,
tính chất biến dạng của đất được xác định trực tiếp trong lỗkhoan bằng cách hạ vào

đó

thiết bị chuyên dụng - thiết bị đo áp lực và đo chuyển vị.
9


Đ á n h giá tính c h ấ t x â y d ự n g củ a đ ấ t th eo từ n g lớp:
Việc nghiên cứu tỷ mi hình học, thành phần và tính chất cơ lý của các lớp đất riêng rẽ
là cơ sở của việc đánh giá địa tầng.
Cần đặc biệt lưu ý thành phần, trang thái và tính chất đặc biệt của các lớp đất trony
phạm vi vùng tác động tương hỗ, ví dụ như hang động, castơ, trương nở, lún sập trong
quá trình thi còng cũ ng như khai thác
Cần nêu được các điểm đặc biệt của điều kiện địa chất: Kha năng thay đổi chế độ
nước ngầm, sự xói m òn, sự phát triển của các quá trình và hiện tượng địa vật lý bất lợi
trong quá trình thi công và khai thác công trình.
-

H iếu biết tính ch ấ t của đ ấ t theo sô liệu th í nghiệm vẫn chưa đủ dê thiết kê các cô/iiỊ

trình ngầm:
Một loại đất cùng tính chất như nhau có thể có th ế nằm khác nhau trên tuyến công
trình ngầm. Theo đặc điểm thành tạo có thể là đồng nhất nhưng các tính chất của tầng
đất yếu vẫn thay đổi theo chiều rộng (mặt bằng) và chiều sâu (khi trọng lượng công trình
có thể nhỏ hơn trọng lượng lớp đất, độ lún dưới còng trình có thể không có nhưng chính
những lớp đất này x ung quanh công trình với áp lực tự nhiên đủ lớn có thể vẫn lún, ncn
đất vẫn võng xuống).
Quá trình thi cóng cần theo dõi sự phù hợp điều kiện địa chất thực tế (nhất là mẫu đất
và thành phần hạt) với điểu kiện áp dụng trong thiết kế, khi cần thiết có thẻ phái tiến
hành khảo sát bổ sung.
Cần kết hợp chặt chẽ giữa kỹ sư khảo sát với các nhà thiết kế trong quá trình khảo sát,
thiết k ế cũng như quá trình thi công.
Khi thiết kế và xây dựng các công trình ngầm cần tính đến trạng thái động học của
khu vực đô thị có ảnh hưởng nhiều đến điều kiện địa chất công trình xây dựng. Trạng
thái động học được biểu thị bằng khả năng xuất hiện và tăng cường độ các hiện tượng và
quá trình địa vật lý không thuận lợi: trượt lở, các dòng chảy, sự xói lở cũ và mới, sự phá
hoại kiến tạo, động đất, các dòng thấm... Ngoài những hiện tượng địa vật lý, cần lưu ý
đến các quá trình và các hiện tượng địa chất công trình gắn với xây dựng công trình nổi
và công trình ngầm lân cận.
Ngoài các lỗ khoan thăm dò tạm thời, người ta còn khoan các lỗ khoan địa chất và địa
chất thuỷ văn tác dụng lâu dài để tiến hành quan sát cô định.
Các p h ư ơ n g p h á p k h á o sá t k h á c :
Ngoài các phương pháp trên, trong thiết k ế và xây dựng CTN người ta còn sử dụng
rộng rãi các phương pháp thăm dò địa vật lý. Các phương pháp này được áp dụng đế lập
bán đồ cấu trúc ranh giới thạch học, cho phép đánh giá tính cơ học của đá, tính nứt né,
có thể dùng ờ mặt đất, dưới sâu, trong các lỗ khoan, đường hầm:
10

- phư ơ u ạ pháp địa chấn: đo tốc độ truyền sóng âm (tỷ số giữa khoảng cách truyền
sóng và thời gian truyền sóng của khối đá), có phương pháp phản xạ và khúc xạ sóng
;ìm. Nguồn phát xạ có thể là búa, súng lục, kíp nổ, m áy thu có thể là 1 bộ chuyển đổi
diện áp hoặc m áy địa âm điện từ.
- Phương p háp (ío diện trỏ suất: Đ iện trở suất của đất được chia thành 12 bậc, dựa
vào đó có thê xác định được ranh giới các lớp đất đá. Phương pháp này dùng 4 điện cực
đong thau cắm vào đất đá, cho 1 dòng điện đi qua 1 cặp điện cực, sự sụt áp ở cặp còn lại
cho biết điện trở của đất đá, tăng khoảng cách giữa các cực sẽ đo được sâu hơn.
- Phươnẹ plìủp ra đa xuyên đất: Sử dụng sóng điện từ dải từ Ì-flOOOMHZ dế phát
lìiện ranh giới địa chất, mực nước ngầm , các vật dị thường trong đất.
- Phương p háp đo trọng lực và từ lực: Dùng trọng lực kế, các vật dị thường được phát
hiện qua đường đẳng trị.
- C úc phương p háp đo địa vật lỷ lổ khoan:
+ Kính ngắm: Là ống soi kính viễn vọng ở 1 đầu, lắp gương nghiêng và chiếu sáng ở
đẩu kia giúp thu thập thông tin về nứt nẻ đến vỡ vụn của đá ở lỗ khoan.
+ Camêra lỗ khoan: D ùng các cam êra treo hoặc truyền hình, ch ún g có gương phẳng
hoặc láp nghiêng đế nhìn mặt bên của thành lỗ khoan. Các cam êra truyền hình ảnh về
màn hình đặt ở m ặt đất có thế sao chép.
+ Nút đánh dấu: Là một biện pháp kỹ thuật thu nhận thông tin về đặc điểm nứt nẻ của
thành lỗ khoan. Một ống nút bằng cao su đặc biệt được thả tới vị trí cần thiết thổi phồng
cho đến khi tiếp xúc với đất đá thành lỗ khoan, cao su lưu giữ các vết nứt khi nó bị ép,
sau đó tháo hơi kéo lên mặt đất và đo vết nứt.
-f Karôta lỗ khoan: Là tổ hợp các phương pháp địa vật lý nghiên cứu đất bằng cách đo
các đặc tính cùa chúng trực tiếp trong các lỗ khoan. Hạ thiết bị địa vật lý (những dụng
cu karôta) vào lỗ khoan đê xác định đạc tính khác nhau của đất đá một cách liên tục.
Các Ihỏim số đo thường là vận tốc âm, điện trở suất, điện trường thiên nhiên trong dung
dịch lỗ khoan và bức xạ hạt nhân tự nhiên hoặc bức xạ của đất đá với bức xạ hạt nhân
thoát ra từ đầu dò. Karôta lỗ khoan có thể xác định độ rỗng, độ chặt, độ bão hoà, hàin
lượng sét và các thông tin cơ học liên quan khác.
U n thế cơ bán của phương pháp địa vật lý thăm dò địa chất công trình là ở chỗ, nó có

khá năng nghiên cứu vùng rộng lớn của nền đất, trong khi đó khoan thăm dò chỉ cho
phép nhận được số liệu từng điểm. Nhược điểm của các phương pháp thăm dò địa vật lý
là khó diễn giải kết quả nhận được. Do đó các phương pháp địa vật lý nên sử dụng kết
hợp với các phương pháp thăm dò truyền thống.

11


1.3. K H ẢO SÁT ĐỊA C H A T TH U Ỷ VẢN
Điều kiện địa chất thuỷ văn có ý nghĩa quan trọng không những trong thiết kế, thi
công m à còn trong quá trình khai thác. Độ sâu đặt công trình ngầm có thê đạt đến lOOm
và hơn nữa nên hầu như công trình ngầm nào cũng có nước ngầm.
- Nguồn nước ngầm : từ những hang nước tự nhiên, các tầng đất chứa nước, sông ngòi,
ao hồ, nước mặt, đặc biệt là các nguồn nước có áp chảy vào công trình ngầm nhờ tính
thám thấu và các vết nứt của đất đá.
- K ết quả đo: cần nhận được chi tiết tất cả các tầng chứa nước, loại nước, thành phần
của địa tầng, các điều kiện thế nằm của mặt bão hoà, mật độ bão hoà, thành phần hoấ
học, các điều kiện tiếp nhận, chuyến động, giảm tải của nước, các số liệu dự báo sự thay
đối của chúng.
- L ỗ khoan: thăm dò địa chất có thể dùng để khảo sát địa chất thuỷ vãn.
- Phạm vi khảo sút: cần nghiên cứu điều kiện địa chất thuỷ văn trong diện rộng đê
biết rõ về sự tác động tương hỗ giữa cỏng trình và môi trường địa chất.
- C úc thông s ố địa chất tỉìuỷ van bao gồm: hệ số thấm, hệ số hút nước, thoát nước, hệ
số thoát nước đàn hồi, độ rỗng tích cực, hệ số mao dẫn, hệ số chảy quá, độ ngậm nước
dơn vị, độ bão hoà không khí đơn vị. Xác định hệ số thấm (để tính toán hạ mực nước
ngầm) có thê theo bảng, theo công thức và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và hiện
tnrờng, theo kết quả quan trắc lâu dài (mốc quan trắc được bố trí trên mặt bằng từ dính
phân thuỷ đến các điểm dỡ tải - vị trí thoát nước) theo tất cả các phân tố địa chất.
- H oạt dộng của con người cũng làm ảnh hưởng xấu đến môi trường địa chất. Có 4
đạng nhiễm bẩn nước ngầm: hoá học, sinh học, nhiệt và phóng xạ. Cần dự báo lính

nhiễm bẩn và tính xâm thực đối với kết cấu.
- M ưu nước: nên lấy trong từng lóp nước, trong mỗi vùng khảo sát lấy ít nhất 3 mẫu
(phía trên, phía giữa và phía đáy lớp nước).
- M ực nước ngầm : được xác định qua giếng có sẵn hoặc đào mới, thông qua cấc
giếng này còn có thể xác định nhiệt độ, hướng và tốc độ dòng chảy.
- Thành phẩn hoủ học: có hại nhiều đến vỏ công trình ngầm là H 2S 0 4, HC1, Na:S 0 4,
M g S 0 4, F e S 0 4, muối amồniac N H 4K, H 2S...
Mực nước ngầm trong đất nâng cao do nước mặt hoặc áp lực nước ngầm , nước thoát
từ các nguồn và nước trong đất, nước chảy dò từ các tuyến ống dẫn nước v.v... có thê
gây nên sự đẩy nổi, làm ngập công trình ngầm, thay đổi độ sâu đông kết, làm trương
nở đất v.v...
Mực nước trong nền đất bị giảm do khai thác các nguồn nước mặt, xây dựng các hệ
thống giếng nước, hạ mực nước ngầm... làm cho khối đất bị ép lún, nền biến dạng do
thoát nước.
12


Tất cá các điều đó cuối cùng, làm cho đất chặt hơn hoặc dãn nở, tạo nên các mặt
nuhiêng và mái dốc không ổn định cùng với sự biến dạng, trượt của đất, phá hoại độ ổn
dinh ncn nhà và côngo trình.
Nêu công trình ngầm đặt ở vùng đất chứa khí, cần có các biện pháp dặc biệt đế ngăn
ngừa khá năng cháy và nổ, cũng như loại trừ tác động của khí lên con người và lên vật
liệu cong trình, các lớp ốp lát. Đế làm được điểu đó, tnrớc tiên cần xác định loại khí
ngầm, vị trí thoát ra và khối lượng khả dĩ.
Khi thiết k ế các công trình ngầm, cần hiếu biết cả điều kiện khí hậu của vùng đô thị
dó. Nỏ có thế ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn hệ thống và các chí số thông gió
nhân tạo của công trình ngầm, sự chiếu sáng lối ra vào của xe và người đi bộ, hệ thống
Ihoát nước, các phương pháp cấp nhiệt cho từng đoạn đường ngầm giao thông và các lối
xuống của đường ngầm bộ hành.
Trong trường hợp cần thiết, đê dự đoán sự tác động tương hỗ của kết cấu ngầm với

đất, có thế nghiên cứu thực nghiêm ở giai đoạn khảo sát địa chất công trình.
Các lỗ khoan trong quá trình khảo sát bắt buộc phải loại trừ bằng cách chèn vữa dọc
lỗ khoan. Biên bản chèn vữa lỏ khoan, có chí dẫn phương pháp, được đưa vào số liệu
khào sát.
Khi lỗ khoan nằm trong tiết diện hố đào sâu của công trình thiết kế hoặc lỗ khoan
năm cách chu tuyến công trình một khoảng nhò hơn lOm, biên bán chèn vữa và toạ độ
lò khoan chuyến cho dơn vị thi công đê thành lập dồ án thi cồng trong vùng có lỗ khoan.
1.4. Y ÊU CẨU ĐỐ I VỚI BÁO CÁO, K ẾT Q UẢ K H À O SÁT, N H Ũ N G Đ IỂM
CẨN LƯU Ý
Bấo cáo kết quá khảo sát địa chất công trình cần phải có các phẩn sau:
- M ớ (tần: nêu mục đích và nhiệm vụ khảo sát, chương trình KS, lập luận về độ phức
lạp, tính tương hỗ cùa công trình và môi trường, đặc trưng công trình, nhiệm vụ, khối
lượng, phương pháp KS.
- Các điêu kiện địa vật /v tự nhién: Điều kiện khí hậu, đặc điếm vùng lãnh thổ chưa
khai phá, các vùng giống nước có ảnh hưởng đến thiết kế và thi công.
- Si/ ỉhc/y (lỏi cúc điêu kiện tự nhiên: Những thăm dò nghiên cứu trước đây, công trình
lốn tai, tranuc thái biến dang.
• c
- Cấu trúc địa chất vù cúc điểu kiện địa chất thiiỷ vủn: Thứ tự phản lớp, cơ

SƯ

phân

chia các yếu tô địa chất, đặc tính của chúng; giới hạn thế nằm; mức độ nứt nẻ của đấ;
cao dỏ nước ngẩm, vị trí các lớp trong không gian, phều castơ, dường trượt; cần đối
chiếu kết quá thí nghiệm trong phòng với hiện trường (vì việc phân chia theo độ chặt độ
sệt chỉ là quy ước không sát thực tế, các mặt cắt địa chất không phân chia thành các
phẩn ỉử địa chất, các vị trí phức tạp chưa được chú ý); cần phân tích điều kiện thế nám,
13

góc phương vị và góc dốc của các lớp địa chất; cần liệt kê tỷ I11Í đặc tính của các mặt bão
hoà nước, dự báo lượng nước ngầm vào hố móng từ các khu vực xung quanh; cơ sở thoát
và hạ nước ngầm, các hiện tượng trương nở; đề xuất các biện pháp chống thấm, thoát
nước ngầm, tính xâm thực của nước ngầm và đất, nhiệt độ nước ngầm và đất.
- Các quá trình và hiện tượng địa vật lý: Cần vẽ hiên của khu vực, vùng phát triển
m ạnh các hiện tượng địa vật lý, hiện tượng castơ, các đoạn có khả năng trượt, các quy
luật pliát triển và cách mô tả chúng.
- Cúc tínli chất cơ lý cùa đất: Nghiên cứu trong phòng và hiện trường, nghiên cứu chi
tiêu đê giải bài toán cụ thể, ví dụ thành phần hạt dùng đế xác định hệ số thấm, suy luận
về góc dốc tự nhiên, tính nén, chiều cao mao dẫn; có thê phân tích các chí tiêu xác định
bằng các phương pháp khác nhau; các chỉ tiêu, tính chất có thể thay đổi trong không
gian và khả năng thay đổi khi xây dựng và khai thác.
- Các điêu kiện địa chất công trình: Cần có mặt bằng theo những đặc điểm địa hình,
điều kiện thế nằm , tính chất cơ lý, điều kiện địa chất thuỷ văn, các quá trình và hiện
tượng địa vật lý, tình hình hơi và khí độc.
- Các kết luận: Tóm tắt những điều kiện đất có ảnh hưởng đến việc lựa chọn các giải
pháp thiết kế, thi công, những kiến nghị cần thiết. Các phụ lục về kết quả thí nghiệm, cột
địa tầng...
Yêu cầu nêu trên so với thực tế còn có khoảng cách (do đơn vị khảo sát, nhiệm vụ
khảo sát). Do đó cần phải xem xét các tài liệu tiêu chuẩn, công trình thực tế, cần phân
tích toàn diện có sự tham gia của các chuyên gia khảo sát, không nên chí sử dụng tài liệu
khảo sát một cách máy móc.
N hững điểm cần lưu ý trong nội dung báo cáo K S tìC :
ì . Cấu tạo địa tầng, rình liìnli phân lớp, thành phần các láp: Thuyêt m inh tý mỷ
những đoạn có cấu tạo bất lợi và khả năng về áp lực địa tầng. Trong đó hao gồm các
trường hợp sau:
- Tnrờng hợp các tầng đá nguyên khối.
- Trường hợp tầng đá phân lớp: có thể có vết nứt, nước ngầm.

+ Khi có nhiều lớp nằm ngang: áp lực địa tầng phức tạp, cần xác định độ dầy các lớp,
gợi ý các biện pháp chống nước ngầm và sạt lở.
+ Klii có nhiều lớp đá nghiêng: áp lực địa tầng khác nhau, không đối xúng, cần xác
định mặt phàn lớp, độ nghiêng, nước ngầm chảy vào đường hầm, nên mở rộng diện tích
thăm dò tạo điều kiện thiết kế tránh những vị trí này, khả năng trượt lóp nọ lên lớp kia
khi xây dựng vỏ hầm.
+ Khu vực có những lớp đá thẳng đứng: nguy cơ sụt các lớp khi m ở hầm là rất lớn vì
lực dính giữa các lớp yếu.
14


- Trường hợp tầng đá uốn nếp:
+ Khi hầm nằm song song với đường phương của nếp uốn. Trong phạm vi nếp lồi:
cần xác định khả năng nứt nẻ, khả năng nước ngầm chảy vào cóng trình, áp lực địa tầng
(>• đày thường không lớn; công trình nằm trong nếp lõm: khi đào hầm dễ bị sụt lở vì các
vết nứt có thể nhỏ ở trên to ở dưới, ở đây tích tụ nước ngầm nhiều, áp lực địa tầng khá
lớn; hầm nằm trong phạm vi nếp uốn: áp lực thường lớn và không đối xứng.
+ Khi hầm nằm thẳng góc với đường phương của nếp uốn: hầm cắt qua nhiều lớp, áp
lực lớn và tác dụng lên vì chống khác nhau, nước ngầm nhiều, đặc biệt là đá rơi.
Trường hợp hầm nằm trong vùng đứt gãy: ở đâv đất thường nát vụn, rời rạc, có nước
ngầm tích tụ. Trong trường hợp này cần khảo sát tỷ mỉ vị trí đường đứt gãy kiến tạo,
cảnh báo cho đơn vị thiết k ế khả nãng ảnh hưởng của nó và nên bố trí tuyến hầm vuông
góc với nó.
Trường hợp hầm nằm bên sườn núi có lớp phủ dầy: khi đào hầm có thể bị trượt, áp
lực địa tầng tăng, cấu tạo vỏ hầm phức tạp, nên tránh và tìm cách đưa sâu vào trong lớp
đá cơ bản. Do đó trong trường hợp này cần lưu ý khoan thăm dò sâu vào lớp đá và cần
tranh thủ ý kiến của đơn vị thiết kế, chủ đầu tư.
2. Xúc định độ kiên cố, tình hình phong liocí, tính chất vật lý:
Hiện tượng xói ngầm và cát chảy: x ả y ra trong các vùng đất rời rạc, cát các loại đặc
biệt là cát hạt nhó, mịn có dòng thấm cuốn trôi các hạt nhỏ - xói ngầm làm đất xung

quanh bị rỗng m ất khả năng chịu tải và dẫn đến sụt lở; hiện tượng cát chảy thường xảy
ra trong cát đểu hạt chịu áp lực thấm. Hiện tượng cát chảy sẽ xảy ra, nếu độ dốc thuỷ
lực lớn hơn độ dốc giới hạn, đối với cát, hệ số không đồng nhất D 50/ D |0 <1. Đối với
sói, nếu hàm lượng hạt nhỏ (d < 0 ,lc m ) chiếm trên 30%, nếu hàm lượng hạt nhỏ dưới
20% dễ xảy ra xói ngầm. Đối với đất hạt nhỏ bão hoà nước, trong đó có hàm lượng sét
và hữu cơ làm cho đất có dung dịch nhờn khi không có áp lực thuỷ động cũng có thể
có hiện tượng cát chảy.
Hiện tượng chảy dẻo: Đối với đất sét có độ chênh lệch về ứng suất chính thường
phát sinh hiện tượng chảy dẻo, bung nền. Hệ số ổn định sau đây nhỏ hơn 1 có thể mất
ổn định:
K = 2c/(ơị -

g 3)

Hiện tượng phong hoá: Do tác động của khí hậu, thời tiết thành phần khoáng vật có
thế biến dổi thành hạt sét (silicat thứ sinh) có cường độ và lực dính giảm làm cho cấu
Iriic thay đổi. Trong các tầng phong hoá đá trờ nên rời rạc, lẫn bùn và đá mồ côi, khi đào
hầm dề bị sạt lở, nước ngầm, áp lực địa tầng lớn.
Hiện tượng hang động: Hay xảy ra trong đá vôi, đá bạch vân, đá thạch cao. Khi thiết
kế cần tránh hoặc nhồi bê tông vào các ngách hoặc có các biện pháp gia cố thích hợp.
15


Tính chất đất đá: Anh hưởng lớn đến cấu tạo và biện phấp thi công công trình.
4* Đá phún xuất, đá biến chất: It nứt nẻ thì ấp lực lên công trình nhỏ, ít gặp nước

ngẩm , nhưng khi nằm dưới sâu thì nhiệt độ thường cao, vỏ hầm trong đá này có the
không cán làm, chí cần trát đám báo Iĩìỹ quan.
+ Đá trầm tích có độ dính kết kém hoặc có khe nứt: Thường có nước ngầm, đôi khi có
khí C O : và hơi độc. Loại đá này có kết cấu, độ kiên cố, thê nằm rất khác nhau nên kết

cấu vò và phương pháp thi công cũng cần phải khác nhau.
+ Đất đá rời rạc: Hình thành do trầm tích hiện đại nên chưa được dính kết với nhau.
Khi đào hầm có áp lực lớn, nước ngầm nhiều, có thê gặp xói ngầm, cát cháy.
+ Trong phạm vi 1 công trình có thể gặp nhiều loại đất đá khác nhan nên cần pnài
thăm dò chi tiết để chọn cấu tạo và biện pháp thi công hợp lý.
3. Tì/ìlì lììỉìlì nước ngâm (nguồn gốc, trữ lượng, ílỉủnlì phún hoú học, tốc độ ílc/iy
chay, lượng nước có thê chảy vào công trình). Nước ngầm gây rất nhiều khó khăn khi thi
công giếng đứng, giếng xiên, dễ gây tai nạn bất ngờ, làm tăng áp lực địa tầng, tăng nhiệt
độ khi có nguồn nước nóng. Tất cả các yêu tố ảnh hưởng của nước ngầm cần được >ác
định trong khi kháo sát và xét đến trong thiết kế.
4. Tình hình độỉìg đất. Động đất ít ảnh hưởng đến công trình ngẩm hơn so với công
trình nhà cao tầng, nhưng công trình ngầm không nên xây dựng ờ những vùng động (lất
cấp 9 trở lên.
5. Tình hình n hiệt độ trong hổm : Công trình đặt càng sâu nhiệt độ càng lớn, nó ánh
hưởng đến sức khoẻ và năng suất lao động nhất là khi độ ẩm lớn.
6. Tình hình cúc loại hoi độc, hơi cháy: Đó là các chất nguy hiểm như mê tan C I 14,
khí các bô ních C O :, sun phua hyđrồ H :S.
7. C ác hiện tượng địa chất khúc có thê ảnh hưởng đến cóng trình.
1.5. HỒ S ơ KSĐC
- Bán thuyết m inh về tình hình địa chất khu vực

xây dựng công trình thế hiện đầy
nội dung và những đặc điểm nêu trên;
- Bán đồ địa chất khu vực;
- Các loại mặt cắt địa chất (dọc, ngang, cắt tại các vị trí cửa ra vào, lối lên xuống cia
công trình...);
- Bán đồ nước ngầm, kết quả thí nghiệm hút nước và thành phần

nước;

- Hồ sơ thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của đất đá.
- Các lưu ý, đề xuất của đơn vị khảo sát cho
trình ngầm.
16

công tác thiết k ế và thi công côr.g


- Cốt cao độ các h ố khoan so với cốt chuẩn.
Đế đạt được những nội dung trên cẩn tiến hành theo các hước sau: Điều tra các tài
liệu lưu trữ hiện có của khu vực, quan sát sơ bộ đê xác định hành trình khảo sát; tiến
hành khảo sát thực địa theo lộ trình đã vạch ra và theo địa hình thực tế; dùng các thiết bị
thám dò địa vật lý đê’ bố sung các tài liệu đã có và xác định các điểm cần khảo sát kỹ
bằng khoan hay đ ào hang thăm dò; tiến hành thí nghiệm các chi tiêu cơ lý trong phòng
và ngoài hiện trường.
Những thông tin đó cần xét đến đặc điểm công trình và sự hợp tác giữa kỹ sư xây
dựng và kỹ sư địa chất công trình kế từ khi khảo sát, chọn mặt bằng xây dựng và trong
suốt quá trình thiết k ế và thi công, giám sát còng trình. Trong quá trình này cần chính
xác hoá lại điều kiện thê nằm của địa tầng, nước ngầm, thành phần và tính chất của đất
đá, chính xác hoá sự thay đổi của đất trong điều kiện địa chất phức tạp.

ĐAI HỌC QUỐC GIA HÀ NÔI
TRUNG ĨÂM THÕNG TIN ĨHƯ VIỆN
17


Chương II

TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN CTN (CTN)

2.1. Đ Ặ C Đ IỂM TÍNH T O Á N KẾT CÂU, NEN

mỏng

CTN

Vỏ CTN tác dụng tương hỗ với đất bao quanh tạo nên một hệ thống nhất (vó hầm khối đất). Sự tác động tương hỗ nằm ờ chỗ khối đất tác dụng lên vỏ hầm như tải trọng và
mòi trường biến dạng của chúng gây ảnh hưởng lớn đến trạng thái ứng suất toàn hệ. Lực
trong kết cấu CTN phụ thuộc vào ứng suất, xuất hiện theo chu vi tiếp xúc vỏ công trình
với đất.
Trong khi đó, ứng suất tiếp xúc phụ thuộc vào tính chất khối đất, tnrờng ứng suất
trong khối đất, hình dạng mặt cắt hầm đào, sơ đồ, độ mềm và tính biến dạng của kết cẩu
vỏ công trình. Ngoài ra, tính chất CƯ học của kết cấu và khối đất thay đổi trong quá trình
xây dựng và khai thác CTN, chúng phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ m ở hầm và tác
động của cóng trình.
Những điều đó tạo nên sự khác biệt trong tính toán kết cấu, nền móng CTN so với các
công trình trên m ặt đất và dược giải thích bằng sự tồn tại của nhiều phương pháp tính
toán dựa trên các giả thiết khác nhau về nguyên lý.
Tồn tai hai hướngo cơ bán xét đến đăc
hỗ của kết cấu CTN với
. điểm tác dung
.
0 tương
0
nền đất xung quanh.
/. H ướnạ thử nhất: Ap lực đất lên CTN được coi như tổng tải trọng chủ động và bị
động của đất. Tải trọng chủ động thông thường được cho trcn một phần chu vi vỏ cồng
trình, còn phán lực bị động xác định trên phẩn kia của chu vi, nơi vò công trình bị biến
dạng dưới tấc dộng của áp lực chủ động về hướng khối đất. Ví dụ, tái trọng chủ động là

áp lực đất lên mái hoặc phán vòm của vỏ hầm, còn áp lực bị động xác định theo chu vi
tường bên và đáy công trình. Ví dụ khác dễ hiểu hơn - tường chán mòng: Trên một phần
chu vi vỏ cho áp lực chu động còn phần kia - xác định sức kháng bị động - phản lực.
Phản lực bị động giảm nhẹ điều kiện làm việc cho CTN bằng cách hạn ch ế biến dạng
của chúng và giảm giá trị m ôm en uốn.
Hướng giải quyết nêu trên gọi là tính toán theo tai trọny chủ động cho trước. Trong
đó, tải trọng chủ động được lấy không phụ thuộc vào tính biến dạng và độ m ềm cua kết
cấu CTN. Theo hướng này tổn tại nhiều phương pháp tính toán khác nhau dựa trên sự
phân bố và cường độ phán lực bị động. Phương plìáp chặt chẽ hơn cả là xét đến điều kiện
18

>
p


cùn g chuyến vị vỏ công trình và khối đất xung quanh trên đoạn chu vi vỏ tương ứng.
Phương pháp đơn gian nhất là xác định giá trị phản lực bị động không tính đến điều kiện
cu ihê tác dộng tương hỗ vỏ công trình với đất.
Nhược điểm cơ bản của các phương pháp tính toán theo tải trọng cho trước là không tính
hét các diều kiện tác động tương hỗ thực tê của vỏ công trình với khối đất xung quanh.
2.

H iiớiiìị thứ hai: dựa trên giá thiết rằng, công trình làm việc trong ch ế độ biến dạng

ánh hưởng tương hỗ với khối đất, khi tính toán, vỏ hầm và khối đất xung quanh được xét
như một khối thống nhất, v ỏ được xét như khung kín (dạng bất kỳ), gắn mép hầm đào
trong nền đất chịu tải trọng của lực trọng trường. Trong đó có thê tính đến tính chất từ
biên thục của đất, vỏ công trình và các đặc điểm công nghệ đưa vỏ vào làm việc.
Phương pháp tính toán của hướng thứ 2 rất phức tạp và đồ sộ, được sử dụng kết hợp
m áy tính chủ yếu đế tính toán công trình xây dựng bằng phương pháp kín (đào ngầm,

kích đẩy).
Để tính toán CTN trong xây dựng dân dụng và công nghệp thi công bằng phương
pháp lộ thiên, thông thường sử dụng bước tiếp cận thứ nhất, nghĩa là tính toán trên tải
trọng chú động cho trước. Tính toán được tiến hành theo 2 bước: bước 1 là xác định tải
trọng chủ động tác dụng lên vỏ công trình; bước 2 là tính toán vỏ có xét đến hoặc không
xét đến tác động tương hỗ của nó với khối đất xung quanh.
Kết cấu CTN và nền của chúng được tính toán theo nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất
và thứ 2 tương ứng với yêu cầu các tiêu chuẩn hiện hành về thiết kế kết cấu bê tông,
BTCT, gạch đá và kết cấu kim loại, nền và móng công trình, v ỏ công trình được tính toán
iheo cường độ, biến dạng và m ở rộng vết nứt, nền theo ổn định và biến dạng.
Kết ( ấu CTN tạm thời, không tính đến m ở rộng vết nứt.
Khi xây dựng CTN trong đất no nước, cần kiểm tra độ ổn định chống nổi của chúng.
Tái trọng từ nền đất tác dụng lên công trình bao gồm áp lực đồng thời của nước và đất
n o n g trạng thái đáy nối.
Tính toán kết cấu, nền móng CTN tiến hành với tố hợp tải Irọng bất lợi nhất:
- Trong thời gian xây dựng - theo các sơ đồ tính toán xét đến trình tự thi công và sự
lổn tại trên mặt đất các máy móc xây dựng, thiết bị bốc dỡ, các phương tiện vận chuyển,
vật liệu xếp đống;
- Trong điều kiện khai thác - theo các sơ đồ tính toán xét đến sự tồn tại của tường bên
trong, cột. sàn, đáy và sự tồn tại của tải trọng từ thiết bị bên trong, kết cấu bên trên, tải
trọng trên mặt đất, tải trọng từ công trình lân cận. Tất cả tính toán theo nhóm trạng thái
mới hạn thứ nhất được thực hiện trên tổ hợp cơ bản và đặc biệt của tải trọng tính toán với
sức kháng tính toán của vật liệu kết cấu và đất. Tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai
chi tiến hành đối với tổ hợp cơ bản, tải trọng tiêu chuẩn và các đặc tính tiêu chuẩn của
vật liệu và đất.
19


Kêì cấu các CTN có chiều dài lớn (chiều dài lớn hơn chiều rộng rất nhiều), nằm tronạ
nền đất đồng nhất được tính toán theo các điều kiện bài toán phẳng. Nếu kích thước các

mặt cắt ngang tương đương với chiều dài công trình, ngoại tải thay đổi nhiều llieo chiểu
dài hoặc nền xuất hiện độ lún không đều thì cần giải bài toán không gian.
Thông thường khi thiết k ế các kết cấu CTN, người ta sử dụng các phương pháp tính
toán gần đúng khá đơn gián kết hợp với các phương pháp cơ học kết cấu. Đầu tiên xác
định tất cả các tải trọng chú động tác dụng lên vỏ công trình, sau dó tính toán chúng như
hệ thanh có xét đến hoặc không xct đến gối tựa đàn hồi của đất. Cấc phương pháp tính
toán dựa trên lời giải của các bài toán tiếp xúc theo lý thuyết môi trường liên tục, sử
dụng lý thuyết đàn hồi dẻo hoặc cân bằng giới hạn. Trạng thái ứng suất của kết cấu
ngầm và khối đất được xác định từ điều kiện kết hợp chuyến vị của vò và chu tuyến hầm
đào. Trong đó, nội lực trong vỏ có thể nhận được bằng phương pháp cơ học kết cấu.
Ngày nay tự động hoá quá trình tính toán bằng cách sử dụng m áy tính điện tử giảm
độ khó nhọc rất nhiều và nhanh chóng nhận được kết quả cần tìm. Trong đó, có thê xét
được nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc tĩnh của kết cấu, tăng độ chính xác của kết
quả tính toán v.v...
2.2. TẢ I TR O N G TÁ C Đ Ộ N G LÊN CTN
2.2.1. Nguvén tắc chung
Kết cấu CTN chịu tác động của các ngoại tải khác nhau, đặc điểm phàn bố và cường độ
của chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: chiều sâu chôn m óng, điểu kiện địa chất công
trình, đặc điểm xây dựng đô thị và giao thông trên m ặt đất, công nghệ thi công.
Khi tính toán CTN xét đến các tải trọng và tác động xuất hiện trong các điều kiện xây
dựng và khai thác, còn đối với cấu kiện lắp ghép cả tải trọng xuất hiện khi sản xuất, vận
chuyển, xếp chồng và lắp đặt chúng.
Tất cả các dạng tải trọng có thể được chia ra loại thường xuyên, tạm thời (dài hạn,
ngắn hạn), tải trọng đặc biệt.
- C úc tái trọng thường xuyên: Bao gồm trọng lượng bản thân CTN, trọng lượng các
lớp áo đường và các m ạng kỹ thuật, áp lực đất và nước cũng như tải trọng do trọng lượng
nhà và còng trình lân cận hố đào ngầm gây nên, lượng ứng suất trước của cốt thép, lực
căng nco.
- T ai trọniỊ rụm thời dài hạn bao gồm: T rọng lương các thiết bị c ố định của CTN
(máy móc, mô tơ, băng tải, vật thể cứng và inrớc, thiết bị bơm phụt v.v...); áp lực thuý

tĩnh nước ngầm; áp lực chất lỏng và khí dốt trong bể chứa; tái trọng lên vách ngăn tư
khối vật liệu trên mặt đất; tác động của công nghệ, nhiệt độ, tải trọng do con người lên
mái, sàn; các tải trọng tạo nên do hấp thụ độ ẩm mưa và từ biến vật liệu.

20


- T ủi trọn ạ tạm thời ngắn hạn bao {Ịồm: Áp lực bổ sung của đất do tái trọng chuyên
(lộng bô trí trên m ặt đất tạo nên (từ m áy bốc dỡ, phương tiện vận chuyên, các cơ cấu lắp
ráp); các tác dộng nhiệt độ, khí hậu.
- T ài trọniỊ đặ c b iệt ba o ỊỊồm: Tải trọng đ ộ n g đất, tác động nổ mìn; các tác động
gây nên do biến dạng nền khi ẩm ướt, đất lún sụt và đỏng lạnh đất hoặc do sự cố nào
đó gây nên.
2.2.2. Tải trọng thường xuyên
Tải trọng bản thân kết cấu được coi là phân bố đều trên mái CTN. Trọng lượng các
lóp áo đường và các m ạng kỹ thuật, áp lực đất và nước cũng như tải trọng do trọng lượng
nhà và công trình lân cận tạo nên áp lực đứng và áp lực ngang lên tường bên CTN.

/Pv

1— r V

Ỷ ỉ

N
V
s

Ns

rs

ss

ss

'Ks
s

s
s

V

s

t 1
V

Hình 2.1. Các sơ đồ xác dinh áp lực đất lên công trình
(lạng vòm (a, c), dạng tròn (h, nì) và dạng chữ nhật (cl, e, I)

21


2.2.3. Tải trọng tạm thời từ các phưưnịỊ tiện giao thỏnịí
Tái trong động tạm thời từ các phương tiện giao thông lên CTN được xác định dựa
vào chiều sâu chôn ngầm của chúng, vị trí phần đường xe chạy và dạng phương tiện giao
thông. Tái trọng tạm thời tạo nên áp lực thẳng đứng và áp lực ngang tác động lên CTN.
Khi tính toán kết cấu CTN dặt nông, cần xét đến tải trọng động của các phương tiện

giao thòng chuyển động trên phố và trên các đường trục mà dưới dó có CTN. Ngoài ra,
trong quá trình thi công CTN bằng phương pháp lộ thiên, trên khối trượt có thể tác động
tài trọng từ các máy móc xây dựng và các phương tiện vận chuyển (loại xe nhiều bánh
SO tấn, loại xe xích T60. loại Belaz — 540, 548, 549 sức chở 30, 45 và 75 tấn).

+

6000

6T(13T)

1600

6T(13T)

H - 30

*

'/////) ///yy/y<h?777>77:
3i

di

45°

^ \j

>

/
R-u

45°

B

a2

B0 = 0.3(0,6)M

0,2M

Ỷ

6T(13T)
10T
cz

Ỉ/O

V
• /

.

%

/

lỉl

%

8 0,

. B'o

ao = 0,2A/

B', = 0,8M

B’

Hình 2.2. Sơ dồ chất tài tạm thời từ cút' phươỉìẹ tiện giao thỏnq H.30 và II.so


Khi chiều sâu đặt mái của CTN lớn hơn 1,0h- 1,5 m tải trọng tạm thời được thay bằng
các lớp đất tương đương có chiều cao:
Pbp

h-TĐ =
trong đó:

Pbp -

( 2 . 1)

Y

cường độ tải trọng tạm thời;

y - trọng iượng thế tích của đất.
Khi có ôtô (ví dụ H-30) chạy trên mái CTN, phụ thuộc vào chiều rộng mái, cần lấy số
lượng bánh tạo nên nội lực lớn nhất trong kết cấu (hình 2.2b). Các òtỏ được bố trí cách
nhau lOm có xét đến chuyến động của các trục theo một hướng, trong dó khoảng thông
thuỷ giữa các thùng xe trong các trục lân cận không nhỏ hơn lOcm, còn thùng xe không
được đua ra ngoài phần đường xe chạy. Khi chiều dài mái CTN lớn hơn 25m, giá trị tải
trọng tính toán được giảm xuống 10, 20 và 30% tương ứng với số lượng dãy trục xe là 2,
3, 4 và lớn hơn.
Tải trọng bánh xe HK-80 thường được bố trí vuông góc với trục CTN ở vị trí bất lợi
nhất nhưng không gần hơn 25cm tính từ vành bánh đến m ép đường (hình 2.2c).
Tải trọng đứ ng tạm thời từ các phương tiện di chuyển, trên các tuyến đường công
công có thế lấy tương ứng với tải trọng tiêu chuẩn (xem bảng 2 . 1).
Tái trọng di động được bố trí dọc hoặc ngang công trình, trên mái và trên các khối
trượt, c ố gắng lựa chọn tổ hợp tải trọng gây nên nội lực lớn nhất trong kết cấu công
trình. Theo nguyên tắc, điều kiện bất lợi nhất đối với sự làm việc của kết cấu công trình
xuất hiện khi có tải trọng di động như sau (hình 2.3):
3)

b)

c)
bp

Y

m ETÉEED m

p

/ /

X
7 7 7

/ 7 7 '7

/ 7

-7

;/

/7 7

7 7 7

pbp

________________ X

V77
7 7 7

/ / /

cE n n n n m ịpl p
\

\

u lllìíu ii L ^
n i I n

\

pbP

\T

n

ị I E D --P

O

0

0

0

10
uo o

V
urĩO0
o

LO

ọ

ư~>

0

0
0 T
”

0
ỊO

LÕ

14000-16000

o0
up
0

14000-16000

14000-16000

Hình 2.3. Xác dinh điều kiện chất tải hất lợi nhất
a) Chi trên múi; b) Chỉ trẽn lãng thể trượt; c) Trên mái và trên lú/ig thểtrượt.
Kích thước diện tích vệt tiếp xúc và tải trọng tiêu chuẩn lên bánh xe cho trong bảng 2.1

23


Bảng 2.1
Tái trọng

Tái trọng tiêu
Kích thước diện
chuẩn lên bánh xe tích tiếp xúc
D„ ,111
(xích), KN
a0xb0, m

- Từ các phương tiện ô tồ:
+ Dạng dái (AK0,5):

9,81

0,2 X 0,6

2,5

98

0,2x ,83

5

- Từ phương tiện vận chuyển trên đường sắt (XK):

24,5

-

-

- Từ phương tiện bánh xích (T-60):

294

0,7x5,0

3,3

+ Dạng bánh xe (HK-80):

Ghi chú: a0- chiều dài tiếp xúc bánh xe với mặt đường (dọc tuyến chuyến động);
b0- chiều rộng tiếp xúc bánh xe với mặt đường (ngang tuyến chuyến động),
D0- khoáng cách giữa các mép ngoài bánh xe hoặc bánh xích.
2.2.4. C ác dạng tái trọng khác
Ngoài nhưng tải trọng nêu trên, kết cấu CTN có thể chịu tác động của nhiều tải trọng
động và tĩnh xuất hiện ở giai đoạn xây dựng và khai thác.
- T ả i trọng tạm thời từ các đoàn người đi trên hoặc trong CTN. Chịu tác dụng của các
tái trọng đó là các kết cấu đường ngầm giao thông cơ giới và đường ngầm bộ hành đặt
nóng so với mặt đất và dầm, sàn của các gara và các CTN khác. Tải trọng từ đoàn người
chí được tính trong trường hợp, nếu không có tải trọng của các phương tiện giao thông.
Tải trọng tiêu chuẩn tạm thời từ các đoàn người được coi là phân bố đều có cường độ
4 0 0 0 N /n r (4kN /m 2).
- T á c động của n h iệt độ lên kết cấu CTN có thê xuất hiện ngoài các kết cấu siêu tĩnh
và được xác định dựa vào nhiệt độ không khí, có xél đến hình dạng CTN và tính chất

nhiệt vật lý của vật liệu kết cấu. Giá trị nhiệt độ tiêu chuẩn được xác định theo đường
đắng nhiệt tương ứng với vị trí của CTN, chiều sâu chôn m óng của nó và mức độ xàm
nhập nhiệt độ nóng và lạnh của không khí. Chúng được tính đến khi dao động nhiệt độ
theo m ùa lớn hơn 30°c.
- Tác độm> của lực trưotìg nơ lên các CTN đật ở các vùng đất sét ám hoặc cát bụi chịu
đông lạnh theo m ùa (hoặc gia cường bằng phương pháp đông lạnh).
Trong một số trường hợp, người ta xét đến các tải trọng lên CTN do co ngót và từ
biến của bê tông cũng như độ lún của nền gây nên.
Trong tải trọng đặc biệt lên CTN có tải trọng động đất, tải trọng va đập, tải trọng
xung kích do nổ mìn, trọng lượng chìm hoặc nổi của tàu và các tải trọng có tính chất tức
thời và sự cố khác.
Tất cả các loại tải trọng có thể tác dụng lên CTN đồng thời hoặc vào các thời điểm
khác nhau, do các tổ hợp tải trọng khác nhau, gây nên các trạng thái ứng suất khác nhau
24


trong kết cấu. Trong tính toán cần tính theo tổ hợp tải trọng bất lợi nhất từ các tố hợp cơ
han và đặc biệt.
Trong tố hợp c ơ bản bao gồm các tải trọng thường xuyên và các tải trọng tạm thời
do các phương tiện giao thông gây nên, kể cả các tải trọng khai thác và xây dựng.
-

Trong tố hợp đặc biệt ngoài tải trọng cố định, tải trọng lâu dài và ngắn hạn, còn có

một trong sô các tải trọng đặc biệt.
Tải trọng tạm thời đưa vào tố hợp được nhân với hệ số tổ hợp T < 1, giá trị của chúng
phu thuộc vào số lượng tải trọng tạm thời tác dụng đồng thời. Đưa các tải trọng này hay
tái trọng khác vào tố hợp cơ bản hoặc tổ hợp đặc biệt m ang tính chất quy ước và phụ
thuộc vào tình hình cụ thể, trong đó cùng một tải trọng có thế nằm trong tổ hợp đặc biệt
và cơ bản. Trong nhiều trường hợp, tính toán được tiến hành theo tổ hợp tải trọng cơ bản

va kiêm tra cho tổ hợp đặc biệt.
Tất cả tải trọng nằm trong tổ hợp cơ bán và đặc biệt là những tải trọng tiêu chuẩn.
Tương ứng với các tiêu chuẩn hiện hành, tính toán tĩnh học của CTN được tiến hành theo
tái trọng tính toán, giá trị của chúng xác định bằng cách nhân giá trị tiêu chuẩn của nó
với hệ số vượt tải tương ứng.
R rr = RTC.ki

(2.2)

Hệ số vượt tái kj được chia nhỏ cho từng loại tải trọng cũng như cho từng tổ hợp tải
trọng. Đối với cùng loại tải trọng trong giới hạn nhất định của đường ngầm, các hệ số
vượt tái được lấy như nhau. Hệ số vượt tải đối với một số tải trọng thường xuyên cho
trong báng 2 .2 .
Báng 2.2. Hệ sô vượt tải đôi với một sô tải trọng thường xuyên
Tái trọng

Hệ số
vượt tải k

Tải trọng

Hệ số
vượt tải k

Ị

2

/

2

Ti ọ/ì í' lượmỊ l iớ/iíỊ kết cấu
Kim loại
Bô tông, BTCT, gạch đá, gạch đá
1CÔI thép và gỗ

Lực kéo của neo
1,05 (0,9) Tải trong động đất
1,1 (0,9)

Các lớp cách ly, làm phảng, hoàn thiện
(tàm, vạt liệu băng cuộn, đất đáp, vữa ...)
được thực hiện:

1,1
1,0

Áp lực chú động của đất:
+

Khi tạo thành vòm:

Trong điều kiện Iìhà máy

1-2 (0,9)

Thang đứng

1,5

Trên cỏng trường

1,3 (0,9)

Nằm ngang

1,8( 1,2 )*

Trong trạng thái tự nhiên

ụ (0,9)

+ Từ khối đất hờ:

Trạng thái đáp

1,15 (0,9)

Tháng đứng

1,4

1,1 (0,9)

Nằm ngang

1,2

i Áp lực ngang cơ bán của đất lên tường

/
Ap lực ngang bổ sung của đất do độ
nghiêng của lớp đất gây nên

1,1 (0,9)

1

Ị

2

Từ trọng lượng của cột đất:

u

Áp lực ngang bố sung của đất do tải trọng
cô định trên mặt đất găy nên

1,0

Thẳng đứng

1,3(0/))

Ap lực ngang bổ sung của đất do tải trọng
tạm thời trên mặt đất gây nên (các máy
móc nàng chuyển, vật liệu xếp chồng)

1,2

Nằm ngang

1,2 (0 ,8)

Phản lực cua đất (lực kháng
đàn hồi)

1, 1(0,9)

Lắp ghép

1,1(0,9)
1,3(0,7)

Trọng lượng ban thân nền đường sắt

1,3 (0,9)

Tải trọng phương tiện vận chuyển trên
đường sắt (XK):
Tác động thẳng đứng

1,3

Áp lực thuỷ lĩnh

Tác động nằm ngang

1,2

Kết cấu ứng suât trước

Từ các phương tiện vận chuyển ôtó (AK)

1,2

Tải trọng máy kéo(HK80) và bánh xích
T-60 và tác động của chúng

1,15-1,2

Ap lực từ lớp cách nước, từ các
lớp báo vệ khác cũng như từ áo
đường của phán dường xe chạy
và các vỉa hè.

•

1,5(0,9)

Trong ngoặc cho giá trị các hệ s ố vượt tải cần chọn khi giảm giá trị tải trạm* (lẫn đến
tài hất lợi cho kết cấu.

• Giá trị trong ngoặc sử dụng trong các trường hợp, khi sự giảm tài trọnẹ làm kớĩìì di
diều kiện ìàm việc của kết cấu.
• Giá trị tron ỊỊ ngoặc sử (lụng trong các trường hợp khi sư giam tai trọng làm kem di
điều kiện làm việc của kết cấu.

Hệ số vượt tải đối với tải trọng tạm thời được xác định dựa vào loại tổ hợp tải trọng
(bảng 2.3).
B ảng 2.3. H ệ sô vượt tải đói với tải trọn g tạm thòi
Tải trọng

Hệ số vượt tải k khi tổ hợp tải trọng
Cơ bản

Đặc biệt

Tải ôtô H30

1,4

1,0

Bánh xe HK-80

1,2

-

Tải đường sắt XK-14
Có chất tải

0,7

Khồng có tải

1,0

-

Tàu điện ngầm

1,3

-

Tải máv bay

26

1, 1- 1,3*