Cơ học kết cấu công trình ngầm - Chương 4

NQP/CHCTN 4-
1
Chơng 4. Vỏ chống

4.1 Khái quát

Vỏ chống bao gồm toàn bộ các kết cấu chống tiếp xúc mặt với mặt lộ
của khối đá hoặc với các kết cấu chống cùng loại (khi có nhiều lớp vỏ khác
nhau). Các loại vỏ chống cơ bản gồm có
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
Kết cấu chống bằng gạch, đá và bê tông (ngoại trừ các khung bê tông
cốt thép đúc trớc) rất thích hợp để tạo nên nhiều dạng kết cấu khác nhau
trong lĩnh vực xây dựng các công trình ngầm. Các dạng vỏ chống từ đá, gạch
xây hoặc gạch bê tông, bê tông đúc trớc (vỏ lắp ghép) bê tông đổ tại chỗ, bê
tông nén ép tại chỗ thờng có chiều dày tơng đối lớn. Các loại vỏ lắp ghép
từ thép, gang và vỏ thép tấm có chiều dày không lớn do khả năng chịu tải cao
và tùy thuộc vào chức năng sử dụng.
Vỏ chống có thể phủ một phần mặt lộ khối đá (bê tông phun), toàn bộ
phần tờng và vòm các đờng lò, đờng hầm hoặc bao kín toàn bộ biên khai
đào, đặc biệt là ở các giếng mỏ, các hầm trạm ngầm, các công trình ngầm
dân dụng và quân sự...Hình 4.1 là ví dụ sử dụng vỏ bê tông phun ở các dạng
khác nhau

Liên tục Không liên tục
Phủ kín hoàn toàn Phủ vòm và tờng
Hình 4.1
NQP/CHCTN 4-
2
Cáu tạo của các loại vỏ chống phụ thuộc vào loại vỏ, yêu cầu của chức
năng sử dụng và các điều kiện địa cơ học, địa chất, địa chất thủy văn, nên rất
đa dạng và phức tạp. Hình 4.2 là ví dụ về cấu tạo các vỏ hầm khi xây bằng
gạch đá (a), vỏ bê tông với các hệ thống thông gió (b), cách nớc hoàn toàn
(c), thu gom nớc phía trên (d) và vỏ tổ hợp ở giếng mỏ trong điều kiện địa
chất phức tạp (đ).

Về mặt tĩnh học, nói chung các vỏ chống liền khối từ bê tông và gạch,
đá thờng là các kết cấu ít biến dạng. Do vậy trong thực tế cũng đã sử dụng
nhiều biện phác khác nhau để có thể tạo nên tính linh hoạt cho loại kết cấu
này. Chẳng hạn, bằng cách sử dụng các loại gỗ đệm có thể tạo ra khả năng
linh hoạt nhất định cho tờng xây và bêtông, hoặc để lại khe dãn cách khi sử
dụng bê tông phun. Tuy nhiên các khả năng này cũng chỉ đạt đợc ở mức độ
hạn chế, trừ trờng hợp sử dụng gạch bê tông và đệm nhiều lớp gỗ, do vậy
tờng xây và bê tông hầu nh không đợc sử dụng cho khu vực khai thác và
các đờng lò chuẩn bị trong các mỏ hầm lò.
Xét tổng thể các kết cấu vỏ công trình ngầm bằng gạch, đá và bê tông
có cùng các u và nhợc điểm sau đây.
Ưu điểm: có khả năng mang tải lớn và tuổi thọ cao; chống đợc các
tác động phong hoá đối với khối đá và ngăn nớc chảy vào không gian ngầm;
sức cản khí động học nhỏ; có thể tạo ra từ các vật liệu địa phơng, rẻ tiền;
không cháy; cho phép tạo nên các kết cấu với kích thứoc và hình dạng đa
dạng.
a)
b)
c)

d)
1. khối đá
2. neo
3. lới thép
4. vành bê
tông
5.khe phân
cách với
vành đá bê
tông

đ)
Hình 4.2
NQP/CHCTN 4-
3
Nhợc điểm: trọng lợng lớn; chi phí vận chuyển và lắp dựng
cao;thời gian thi công dài; sửa chữa các chỗ bị h hỏng không thuận tiện;
độ linh hoạt nhỏ hoặc rất hạn chế, nếu không có các giải pháp hỗ trợ khác.
Khả năng mang tải cao có đợc nhờ vào độ bền cao của vật liệu và
chiều dày lớn. Trong điều kiện thông thờng, kết cấu chống loại này đợc
coi là kết cấu chống cứng. Dới tác dụng của tải trọng (chủ yếu là tải trọng
tĩnh) kết cấu chống thờng có tuổi thọ cao hơn kết cấu bằng gỗ và thép. Khả
năng chống các tác động hoá học và sinh học cũng góp phần làm tăng tuổi
thọ của kết cấu chống này. Dạng kết cấu chống kín còn hạn chế đợc tác
động phong hoá dến khối dá vây quanh và trong nhiều trờng hợp còn ngăn
nớc xâm nhập vào đờng lò, không gian ngầm. Ngoài ra do bề mặt tơng
đối nhẵn, kết cấu chống này còn có sức cản khí động học nhỏ hơn so với kết
cấu bằng gỗ và thép.
Các loại vật liệu cơ bản của kết cấu chống bằng gạch, đá, bê tông
thờng sẵn có và rẻ tiền hơn so với các loại vật liệu khác. Mặt khác kết cấu

tờng xây và bê tông không bị cháy, do vậy chẳng hạn khi xảy ra cháy mỏ
hoặc trong các đờng hầm, khả năng lan truyền cháy sẽ hạn chế nếu sử dụng
kết cấu chống này.
Tuy nhiên, những u điểm nêu trên của vỏ chống bằng gacgh, đá và bê
tông bị hạn chế bởi các nhợc điểm là trọng lợng lớn và chiều dày lớn so
với khả năng nhận tải, kèm theo đó là chi phí vận chuyển và lắp dựng (xây,
đổ bêtông...) cao. Tiết diện đào khoảng trống ngầm cũng thờng phải lớn
hơn so với khi sử dụng gỗ và thép, do vậy đòi hỏi thêm chi phí đào. Ngoài ra
để có đợc kết cấu hoàn chỉnh cần nhiều thời gian hơn để đảm bảo có đợc
khả năng nhận tải nhất định, do yêu cầu của thời gian hóa cứng. Khi kết cấu
bị phá huỷ do tác động quá mức của tải trọng, áp lực đá, thì việc sửa chữa
thờng phức tạp hơn và chi phí cao hơn so với kết cấu bằng gỗ và thép.












NQP/CHCTN 4-
4
4.1 Vỏ gạch, đá xây

Trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm dân dụng và công
nghiệp các vỏ chống xây bằng gạch, đá đã đợc sử dụng trong thời kỳ phát

triển đầu tiên (Hình 4-3)


















Ngày ngay, do tiến bộ kỹ thuật, do các yêu cầu về tiến độ thi công,
nên các loại kết cấu đó đợc thay thế bằng các kết cấu từ bê tông, ở dạng bê
tông phun cũng nh bê tông cốp pha đổ tại chỗ (Hình 4-4)

Trong ngành mỏ các kết cấu chống bằng gạch, đá, bê tông thờng
đợc sử dụng chủ yếu tại các đờng lò và giếng có tuổi thọ cao và dới tác
Hình 4-3
Thi công đờng
hầm Simplon
1898 - 1905
theo Markus
Hình 4-4. Kết cấu bằng gạch xây a)và kết hợp với bê tông b)
NQP/CHCTN 4-
5
dụng của các tải trọng (áp lực) tĩnh. Bê tông với các dạng và tính năng khác
nhau đợc sử dụng phổ biến trong xây dựng các công trình ngầm.
Đá thiên nhiên đợc khai thác hoặc đá thải ra trong quá trình thi công
có thể đợc gia công tạo dạng khối đều hoặc tấm, để xếp thành tờng, hoặc
kết hợp với vữa xây để xây tờng hay vỏ chống trong công trình ngầm. Tuy
nhiên, trong thực tế chúng chỉ đợc sử dụng làm kết cấu bổ trợ, kết hợp với
các kết cấu khác.
Một số loại đá nh đá badan, granit và gneis thờng có độ bền nén rất
lớn, dao động trong khoảng 100MPa đến 400MPa và do đó cứng hơn so với
các loại gạch nung. Tuy nhiên, trong quá trình khai thác đá hoặc nổ mìn phá
đá, thông thờng các cục đá vỡ ra có hình dạng và kích thớc bất kỳ. Do vậy
để có đợc các cục đá có hình dạng và kích thớc tơng đối đồng đều đòi hỏi

phải chế biến lại thận trọng. Trong thực tế, công việc này đợc thực hiện thủ
công và đòi hỏi nhiều công sức. Mặt khác tờng xếp từ các cục đá này
thờng không tận dụng đợc khả năng nhận tải cao của đá, bởi vì do các cục
đá rất đa dạng nên các điểm hay diện tiép xúc là bất kỳ, nên tải trọng đợc
truyền đi cũng rất không quy luật. Vì thể tờng xếp từ các cục đá có khả
năng nhận tải thờng nhỏ hơn nhiều so với bản thân các cục đá. Các điều
kiện không thuận lợi đó cũng xảy ra tơng tự đối với tờng xây bằng đá và
vữa xây. Một nhợc điểm chung nữa là khả năng chịu các tải trọng cắt hay
trợt kém.
Vì các lý do nêu trên và chi phí vận chuyển cao mà đá thiên nhiên,
khai thác từ các công trờng khai thác đá, rất ít đợc sử dụng để làm kết cấu
chống cho các công trình ngầm trong mỏ hầm lò và cũng chỉ đợc sử dụng
hạn chế làm tờng xây cho các công trình ngầm khác, ngoại trừ trờng hợp
đợc chế biến làm đá ốp lát. Tuy nhiên, trong những thời kỳ phát triển đầu
tiên của ngành xây dựng công trình ngầm, với các phơng pháp thi công cổ
điển, đã thiên nhiên cũng đã đợc chế biến để làm vật liệu xây tờng, đặc
biệt nh cho các tờng cửa hầm.
Sử dụng đá thải ngay từ các công trờng xây dựng ngầm hoặc các mỏ
hầm lò kinh tế hơn so với đá từ các công trờng khai thác đá. Do vậy đá thải
ở các mỏ hầm lò có thể đợc sử dụng để xếp thành tờng ngăn giữa khu vực
lò khai thác và lò vận chuyển. Trên thế giới, cho đến đầu thế kỷ 19, loại kết
cấu bảo vệ này đã đợc sử dụng nhiều trong khai thác muối và quặng, vì
lơng lao động không cao. Do chi phí lơng lao động ngày càng cao và cũng
nhờ các tiến bộ kỹ thuật mà loại kết cấu bảo vệ này ngày càng ít đợc sử
dụng.
Yêu cầu cần có hình dạng và kích thớc đồng đều sẽ không chặt chẽ
nếu đá chỉ đợc sử dụng làm vật liệu hỗ trợ, kết hợp với các kết cấu loại khác.
Sơ chế đơn giản chỉ cần thiết cho các trờng hợp sau:
Tờng chắn trong các đờng lò khai thác (phía sau kết cấu gỗ hay thép);
NQP/CHCTN 4-

6
Xếp lấp đầy các cũi gỗ;
Vật liệu chèn cho các kết cấu chống đờng lò bằng thép hoặc bằng gỗ để
tạo tiếp xúc tốt cho các tấm chèn;
Vật liệu lấp đầy phía sau các
khung chống cứng bằng thép hoặc
kết cấu bằng tờng bê tông đá đúc
(bê tông giá rẻ).
Cũng vì vậy nên trong khai thác
than hầm lò đá thải vần còn đợc sử
dụng làm một bộ phận của kết cấu
chống.
Tờng xây bằng gạch và vữa
chủ yếu đợc sử dụng làm kết cấu
chống cho các công trình ngầm tiết
diện lớn, tuy nhiên cả các đờng lò
chính, giếng và các đờng lò có tuổi
thọ lớn. Tờng xây đợc coi là kết cấu
bảo đảm tiết diện sử dụng của công
trình và chủ yếu chỉ chịu tải trọng tĩnh.
Do chí phí nhân công lắp dựng cao,
tốc đọ thi công chậm, nên tờng xây
bằng gách ngày càng đợc sử dụng ở
mức hạn chế hơn (Hình 4-50.




4.2 Vỏ lắp ghép, vỏ tuýp bing

Vỏ lắp ghép là các loại vỏ chống đợc lắp ghép từ các tấm đúc sẵn, có
thể bằng bê tông cốt thép, bê tông sợi thép, hoặc gang và thép. Tùy thuộc vào
hình dạng của công trình và phơng pháp đào, các tấm đúc trớc có thể ở
dạng phẳng hay cong. Các tám cong ghép lại tạo thành vỏ chống tròn thờng
đợc gọi là vỏ tuyp-bing (tubing). Vỏ tuýp bing thờng đợc sử dụng khi
đào bằng máy khoan hầm TBM hoặc máy khiên đào SM hoặc bằng phơng
pháp kích ép ống cống.
Vỏ bê tông, bê tông cốt thép hoặc bê tông sợi thép lắp ghép đợc chế
tạo hay đúc trớc tại xí nghiệp bê tông. Vỏ lắp ghép cũng có thể đợc cấu
thành từ các tấm gang và thép đúc trớc. Nói chung vỏ lắp ghép từ các tấm
Hình 4-5. Vỏ xây bằng gạch ở vị trí sân giếng
NQP/CHCTN 4-
7
tuýp bing gang và thép có khả năng nhận

và biến dạng tốt hơn vỏ bê tông, bê
tông cốt thép cũng

nh bê tông sợi thép
.

u điểm cơ bản của loại vỏ này là có thể nhận tải ngay sau khi lắp
dựng, đảm bảo đúng kích thớc hình học và dễ kiểm tra, đảm bảo chất lợng.
Tuy nhiên loại vỏ này có nhợc điểm là không linh hoạt về dạng hình
học, thiếu liên kết ma sát với khối đá và do đợc chế tạo trớc nên không
thích ứng hết đợc trong điều kiện có biến đổi về địa chất. Ngoài ra các cấu
kiện đúc trớc cũng thờng có trọng lợng khá lớn, nên việc vận chuyển lắp
ghép đòi hỏi phải có các phơng tiện phù hợp.

Tren hình 4-6 cho thấy một dạng vỏ lắp ghép từ các tấm phẳng, khi

đờng hầm đợc thi công bằng phơng pháp đào hở.






















Hình 4-6. Vỏ lắp ghép khi thi công bằng phơng pháp đào hở

Vỏ tuyp bing là dạng vỏ thông dụng trong xây dựng các đờng hầm.
Chúng đẫ đợc phát triển ở nhiều thể loại với các dạng hình học của các tấm
và mối liên kết giữa chúng. Trên hình 4-7 là một số loại vỏ tuyp bing điển
hình dạng mặt nhẵn liên kết bu lông (a), dạng mặt trong lõm (dang kat-set),
NQP/CHCTN 4-

8
liên kết bu lông (b) và các tấm dạng đặc biệt, liên kết với nhau ỏa dạng các
đầu nối lồi lõm và neo chốt (c)

Để đảm bảo kín nớc, giữa các tấm đợc bố trí các tấm đệm bằng
nhựa, đợc ép chặt vào nhau nhờ các mối liên kết (Hình 4-8)

a)
đệm cách
nớc
Lỗ bắt bu
lông
b)
thép tấm để
tiếp nhận ứng
suát pháp và
ứng suất tiếp
Các lỗ để cắm
neo dọc trục
n là số tấm tuyp
bing trong một
vòng vỏ chống
c)
Hình 4-7. Các dạng vỏ tuyp bing
NQP/CHCTN 4-

9















Hình 4-9 cho thấy các tấm tuyp bing sau khi đợc chế tạo và vỏ chống
sau khi đợc lắp dựng.

Vỏ tuyp bing lần đầu tiên đợc sử dụng ở nớc ta tại thủy điện Đại
Ninh. Vỏ đợc cấu thành từ các tấm cong đúc trớc và đợc ghép lại với
nhau bằng liên kết bu lông.
Các đờng hầm nằm dới đáy sông, biển đợc thi công bằng phơng
pháp hạ chìm hay dìm, thờng đợc đúc trớc từng đốt, sau đó đợc kéo ra
vị trí lắp dựng, đợc hạ chìm và liên kết với nha. Trên hình 4-10 là một số
dạng và kích thớc các đốt hầm đúc trớc, theo tính toán thiết kế qua các
thời kỳ khác nhau, cho thấy phần nào về tiến bộ trong lĩnh vực này.


Hình 4-8. Biện pháp ghép để kín nớc
Hình 4-9. Các tấm tuyp bing và vỏ chống sau khi lắp ghép