Nghiên cứu đề xuất cải thiện các biện pháp chống tạm cho đường hầm dẫn nước thuỷ điện đắk đring có chú ý đến các dạng tai biến địa chất

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng Đại học mỏ - ®Þa chÊt
--------------Õ--------------

NGUYỄN DUY HỒNG

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN BIỆN PHÁP CHỐNG TẠM
CHO ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC THỦY ĐIỆN ĐẮK ĐRINH
CÓ CHÚ Ý ĐẾN CÁC DẠNG TAI BIẾN ĐỊA CHẤT

LuËn văn thạc sĩ kỹ thuật

Hà Nội - 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
--------------Õ--------------

NGUYỄN DUY HOÀNG

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN BIỆN PHÁP CHỐNG TẠM
CHO ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC THỦY ĐIỆN ĐẮK ĐRINH
CÓ CHÚ Ý ĐẾN CÁC DẠNG TAI BIẾN ĐỊA CHẤT
CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM,
MỎ VÀ CƠNG TRÌNH ĐẶC BIỆT
MÃ SỐ: 60.58.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS. NGUYỄN QUANG PHÍCH

HÀ NỘI - 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình khác nào.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2013

Tác giả luận văn

Nguyễn Duy Hoàng


MỤC LỤC

Trang

NỘI DUNG

Trang phụ bìa......................................................................................
Lời cam đoan........................................................................................
Mục lục.................................................................................................

Danh mục các hình vẽ..........................................................................
Danh mục các bảng biểu......................................................................
MỞ ĐẦU......................................................................................................
CHƯƠNG 1:

TỔNG

QUAN VỀ

CÁC

1

KẾT CẤU CHỐNG

TẠM.......................................................................................................

4

1.1 Khái quát về các kết cấu chống trong xây dựng cơng trình
ngầm...............................................................................................

4

1.2 Các phương pháp lựa chọn kết cấu chống tạm.............................

12

1.3 Vấn đề thiết kế kết cấu chống........................................................

20

CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI KẾT CẤU CHỐNG TẠM ĐƯỢC LỰA
CHỌN VÀ THIẾT KẾ Ở THỦY ĐIỆN ĐĂKĐRINH …………………..

25

2.1 Khái quát về công trình Thủy điện Đakđrinh...............................

25

2.2 Điều kiện địa chất cơng trình Thủy điện Đakdrinh…...................

25

2.1.1 Địa tầng, magma và cấu trúc địa chất........................................

25

2.1.1.1 Địa tầng....................................................................................

25

2.2.1.2 Magma xâm nhập…………………………………………..

26

2.2.1.3 Kiến tạo, đứt gãy ……………………………………………

28

2.2.2 Đặc điểm địa chất thủy văn và tính thấm đất đá ……………..

33

2.2.3 Điều kiện địa chất cơng trình Tuyến năng lượng……………..

35

2.2.3.1 Địa hình, địa mạo…………………………………………….

35

2.2.3.2 Địa tầng, thạch học…………………………………………..

35


2.3.3.3 Đứt gãy………………………………………………………...

35

2.3.3.4 Điều kiện địa chất cơng trình…………………………………..

36

2.3 Các loại kết cấu chống tạm đang được sử dụng tại cơng trình
Thủy điện Đăkdrinh...............................................................................

41

2.4. Nhận xét........................................................................................

50

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHỈNH KẾT CẤU CHỐNG TẠM
CHO HẦM DẪN NƯỚC THỦY ĐIỆN ĐĂKĐRINH CÓ CHÚ Ý TAI
BIẾN ĐỊA CHẤT……………………….....................................................

53

3.1 Tai biến địa chất, các dạng xuất hiện và vấn đề dự báo………….

53

3.2 Dự báo, phân tích tai biến địa chất bằng khảo sát tại hiện trường.

63

3.2.1 Vị trí cơng trình...........................................................................

63

3.2.2 Phương pháp khảo sát và thu thập số liệu...............................

64

3.2.3 Kết quả khảo sát………………………………..…………………

65

3.2.4 Kết luận và kiến nghị……………………………………………..

90

3.3 Dự báo tai biến địa chất bằng mô phỏng số..................................

91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................

93

Tài liệu tham khảo................................................................................

94


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
TT
1
2
3
4
5
6

Tên hình vẽ
Hình 1.1 – Lựa chọn kết cấu chống tạm theo chỉ số RQD của
Deere

Hình 1.2 – Lựa chọn kết cấu chống theo phân loại RMR của
Bieniawski
Hình 1.3 – Lựa chọn kết cấu chống theo chỉ tiêu phân loại Q
của Barton, Lien và Lunde
Hình 1.4 – Sơ đồ tính với các điều kiện biên được mơ phỏng
bằng lưới sai phân
Hình 1.5 – Các biểu đồ nội lực khi có và khơng có chú ý liên
kết tựa giữa khung thép và khối đá.
Hình 1.6 – Sơ đồ lựa chọn, thiết kế vật liệu và kết cấu chống
(KCC) hợp lí

Trang
14
15
15
22
22
24

7

Hình 2.1 – Kết cấu chống tạm dạng 1 và dạng 9

42

8

Hình 2.2 – Kết cấu chống tạm dạng 2

43

9

Hình 2.3 – Kết cấu chống tạm dạng 3

44

10

Hình 2.4 – Kết cấu chống tạm dạng 3A

45

11

Hình 2.5 – Kết cấu chống tạm dạng 4

46

12

Hình 2.6 – Kết cấu chống tạm dạng 5

47

13

Hình 2.7 – Kết cấu chống tạm dạng 6

48

14

Hình 2.8 – Kết cấu chống tạm dạng 7 và chống cố định

49

15

Hình 2.9 – Kết cấu chống tạm dạng 8 và chống cố định

50

16
17

Hình 3.1 – Ảnh hưởng của các vị trí lớp sét đến q trình dịch
chuyển, phá hủy
Hình 3.2 – Ảnh hưởng của hình dạng đường lò
đến trạng thái cơ học của khối đá

56
57


18

Hình 3.3 – Phát triển của vùng phá hủy (a) và dịch chuyển trong
khối đá (b) theo thời gian

57

19

Hình 3.4 – Hình thành khối nêm do giao cắt giữa các khe nứt

61

20

Hình 3.5 – Sập lở trong khối đá phân lớp ngang

61

21

Hình 3.6 – Ví dụ về các dạng mất ổn định, hay tai biến địa chất
là hàm số của chỉ số RMR và tỷ số giữa ứng suất nguyên sinh
lớn  1 nhất và độ bền nén đơn trục của đá  c , do Hoek và n.n.k
mô phỏng (1995)

62

22

23

Hình 3.7 – Ảnh gương hầm đoạn từ Km3+343,44 đến
Km3+213,44
Hình 3.8 – Ảnh gương hầm đoạn từ Km3+213,44 đến Km

Km3+31,5

66

67

24

Hình 3.9 – Ảnh gương hầm đoạn từ Km3+31,5 đến Km2 +973

68

25

Hình 3.10 – Ảnh gương hầm đoạn từ Km2 +973 đến Km2 +800

69

Hình 3.11 – Ví dụ kết quả phân tích ảnh hưởng của các thế nằm
26

khác nhau của hai hệ khe nứt đến mức độ ổn định của khối đá,
hay khả năng xuất hiện tai biến địa chất

92


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
TT
1

2
3
4
5

Tên bảng
Bảng 1.1 – Các loại kết cấu chống sử dụng trong cơng trình
ngầm
Bảng 1.2 – Xác định áp lực và chọn kết cấu chống theo phân
loại của Terzaghi
Bảng 1.3 – Lựa chọn kết cấu chống tạm (bảo vệ) theo phân loại
của Rabcewicz, Spaum và Golser
Bảng 1.4 – Lựa chọn kết cấu chống cho các đường lò cơ bản
nằm ngang
Bảng 1.5 – Lựa chọn kết cấu chống tạm cho đường hầm giao
thông

Trang
5
14
16
17
17
18

7

Bảng 1.6 – Lựa chọn kết cấu chống cho cơng trình ngầm giao
thơng
Bảng 1.7 – Các giải pháp bảo vệ hay chống tạm

8

Bảng 2.1 – Phân loại các đứt gãy và khe nứt kiến tạo

31

6

9
10
11

12

13

Bảng 2.2 – Hệ thống các đứt gãy trong phạm vi xây dựng cơng
trình
Bảng 2.3 – Bảng phân chia đất đá theo mức độ phong hóa
Bảng 2.4 – Sự khác biệt trong thiết kế kết cấu cơng trình trong
lĩnh vực xây dựng dân dụng và xây dựng cơng trình ngầm
Bảng 3.1 – Các dạng phá hủy khi xây dựng cơng trình ngầm
trong khối đá bằng phương pháp thi công ngầm và giải pháp
bảo vệ chống giữ
Bảng 3.2 – Các dạng sự cố khi đào CTN trong khối đất bừng
phương pháp ngầm và các giải pháp bảo vệ, chống giữ

19

31
40
52

59

60


14

Bảng 3.3 – Các chỉ tiêu cơ lý của các đới đá

70

15

Bảng 3.4 – bảng thống kê các đặc trưng khe nứt

72

16

Bảng 3.5 – Kết quả đánh giá điều kiện địa chất, địa kỹ thuật của
đá dọc gương 2.

75


1

MỞ ĐẦU
1 – Tính cấp thiết của đề tài
Sau khi khai đào, khối đá xung quanh các cơng trình ngầm có thể vẫn
ổn định hoặc mất ổn định với các mức độ khác nhau. Trong trường hợp sau,
để đảm bảo an tồn cho người và thiết bị thi cơng, góp phần tăng khả năng ổn
định khối đá lâu dài, tùy theo loại cơng trình ngầm, các kết cấu chống tạm cần
được lựa chọn, thiết kế và lắp đặt kịp thời. các kết cấu chống cố định thường
được lựa chọn, thiết kế có chú ý đặc biệt đến chức năng của cơng trình ngầm,
song cũng phải chú ý đến mức độ ổn định của khối đá và xu thế chung là chú
ý đến kết cấu chống tạm, để có thể giảm chi phí, nhưng vẫn đảm bảo chất
lượng cho cơng trình.
Ở nước ta, đến nay đã xây dựng nhiều cơng trình ngầm trong các lĩnh
vực thủy điện, thủy lợi, giao thông. Nhìn chung, các cơng trình đều được thi
cơng đảm bảo chất lượng, theo kịp và vượt tiến độ và nhiều cơng trình đã và
đang được sử dụng cho thấy chất lượng đảm bảo. Tuy nhiên cũng có nhiều
cơng trình đã xảy ra phá hủy trước và ngay cả sau khi đã lắp dựng các kết cấu
chống tạm, đã xảy ra nứt nẻ vỏ chống cố định, ngấm nước, thậm chí bị phá
hủy ngay sau khi đưa vào sử dụng.
Để có được các cơng trình có chất lượng ngày càng tốt hơn, để có thể
tránh được hoặc hạn chế được các sự số, tai biến địa chất có thể xảy ra, cần
thiết phải chú ý hơn nữa chất lượng của từng công việc trong chuỗi các công
việc khác nhau. Một trong các công đoạn quan trọng là lựa chọn, thiết kế và
lắp dựng hợp lý các kết cấu chống tạm. Nghiên cứu để có được giải pháp hợp
lý do vậy ln là mục đích của những người làm khoa học, kỹ thuật trong lĩnh
vực xây dựng cơng trình ngầm. Xây dựng cơng trình ngầm đồng nghĩa với
việc vật lộn với những điều kiện địa chất phức tạp, luôn biến động và nhiều


2

trường hợp khơng thể lường trước được. Cũng vì vậy luôn cần thiết phải tổng
hợp và đúc rút kinh nghiệm, phát triển các khả năng phân tích tốt hơn để có
được kết cấu chống hợp lý.
2 – Mục đích nghiên cứu
Mục đích của cơng tác nghiên cứu trong khn khổ bản Luận văn này
là đề xuất được các biện pháp điều chỉnh kết cấu chống tạm đường hầm dẫn
nước thủy điện ĐắkĐrinh có chú ý đến sự xuất hiện của các dạng tai biến địa
chất, cụ thể là các sự cố có nguyên nhân là các điều kiện địa chất tiềm ẩn
trong khối đá như: các hiện tượng tróc vỡ, sập lở cục bộ trong khối đá nứt nẻ.
3 – Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Hiện nay, kết cấu chống tạm thường được lựa chọn và thiết kế theo các
tiêu chuẩn, quy định của từng nước, hoặc theo kinh nghiệm, theo các cách
phân loại khối đá. Thực tế cho thấy do các điều kiện địa chất biến động, nên
không phải mọi kết cấu chống tạm theo thiết kế đã là hợp lý. Trong thực tế thi
công, nhất thiết phải theo dõi, đánh giá lại điều kiện địa chất để điều chỉnh,
cải thiện kết cấu chống tạm. Trong khuôn khổ của Luận văn, phạm vi được
nghiên cứu sẽ hạn chế cho một số điểm của đường hầm dẫn nước của thủy
điện ĐắkĐrinh.
4 – Nội dung nghiên cứu
+ Tổng hợp và phân tích tổng quan về các kết cấu chống tạm hiện nay,
cùng với các phương pháp lựa chọn, thiết kế.
+ Tổng hợp và phân tích các kết cấu chống tạm được lựa chọn và thiết
kế tại thủy điện ĐắkĐrinh.
+ Nghiên cứu, đánh giá điều kiện địa chất thực tế, đề xuất kết cấu
chống tạm trong q trình thi cơng một vài đoạn hầm.
5 – Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu:

3

+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết;
+ Phương pháp nghiên cứu khảo sát, thống kê, thu thập số liệu;
+ Phương pháp phân tích, đánh giá thực nghiệm.
6 – Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết cấu chống tạm được lựa chọn, thiết kế theo các kinh nghiệm, quy
chuẩn khác nhau, do vậy khó khẳng định tính hợp lý sau khi thiết kế, vì theo
các phương pháp tính toán khác nhau thường cho các kết quả khác nhau. Do
vậy điều chỉnh kết cấu chống cho phù hợp với điều kiện cụ thể là quan trọng.
Các kết quả nghiên cứu sẽ khẳng định nhận xét nêu trên, tạo cơ sở cho
cơng tác nghiên cứu hồn thiện trong tương lai để có được các phương pháp
lựa chọn, thiết kế có thể đi đến sự thống nhất hơn.
7 – Cấu trúc của luận văn
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại Bộ mơn Xây dựng cơng
trình ngầm và mỏ - Khoa Xây dựng – Trường Đại học Mỏ - Địa chất, tôi được
nhận đề tài luận văn Thạc sĩ kỹ thuật: “Nghiên cứu, đề xuất cải thiện các biện
pháp chống tạm cho đường hầm dẫn nước Thủy điện ĐắkĐrinh có chú ý đến các
dạng tai biến địa chất”. Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của

GS.TS Nguyễn Quang Phích, với cấu trúc bao gồm: Phần Mở đầu, 3 chương
(26 hình vẽ và 16 bảng biểu), Phần Kết luận và Kiến nghị.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Quang Phích,
người đã giành nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn Tác giả trong suốt thời
gian thực hiện bản luận văn tốt nghiệp này.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, các cô trong
Bộ môn Xây dựng công trình ngầm và mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất,
cũng như các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả trong q trình hồn thành
luận văn tốt nghiệp của mình.

4

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT CẤU CHỐNG TẠM
1.1. Khái quát về các kết cấu chống trong xây dựng cơng trình ngầm:
Ngày nay, cùng với sự tiến bộ của các ngành khoa học kỹ thuật, đặc biệt là
các lĩnh vực có liên quan đến xây dựng cơng trình ngầm như Cơ học đất, Cơ học
đá, khoa học vật liệu… Các kết cấu chống được phát triển và sử dụng trong xây
dựng cơng trình ngầm nói chung ngày càng đa dạng và phong phú. Việc xây
dựng cơng trình ngầm ở nước ta hiện nay từng bước cũng có những cải tiến
nhằm đẩy nhanh chất lượng kết cấu chống theo hướng đảm bảo giữ được độ bền
hay khả năng mang tải của khối đá, hỗ trợ và gây ảnh hướng tốt đến khả năng
mang tải của khối đá.
Nhằm giữ cho công trình ổn định trong giai đọan thi cơng cũng như trong
q trình vận hành, sử dụng cơng trình, đã có nhiều loại kết cấu chống được phát
triển và sử dụng; các loại kết cấu chống được giới thiệu, phân theo các nhóm với
các tiêu chí khác nhau. Để có thể dễ dàng hình dung được về các loại kết cấu
chống này, cũng như dễ nhận thức được các vấn đề liên quan với các mơ hình
tính tốn, chúng tơi đề xuất chỉ nên phân loại các kết cấu chống cơ bản hiện đang
sử dụng ra ba nhóm chính là (bảng 1.1):
 Các kết cấu chống tích hợp với khối đất đá. Thuộc vào nhóm này là
các kết cấu chống xâm nhập vào trong khối đất đá xung quanh cơng
trình ngầm, bằng các biện pháp kỹ thuật khác nhau. Với đặc điểm đó,
các kết cấu này ít nhiều có khả năng cải tạo các biểu hiện, tính chất của
khối đất đá, kết hợp với khối đất đá tạo nên tổ hợp kết cấu “khối đất đákết cấu chống” và thường đòi hỏi có các mơ hình tính tốn riêng, đa
dạng tùy theo chức năng cụ thể.


5

Bảng 1.1. Các loại kết cấu chống sử dụng trong cơng trình ngầm.
KHUNG CHỐNG

VỎ CHỐNG

Lắp ghép từ các cấu
Khái
kiện dạng khối, dạng
niệm
tấm hay đổ, xây tại chỗ,
phun tại chỗ
Vật liệu cơ bản có thể là
Vật liệu chính là
đá, bê tơng phun hoặc
Vật
thép hình, thép xây bê tơng đổ tại chỗ (có
liệu
dựng, kim loại
hoặc khơng có cốt thép,
sợi thép, lưới thép)
Kết cấu chống dạng
vịm
Hình Kết cấu chống
Tiếp xúc với mặt lộ của
dạng, dạng hình vịm
khối đá, với các dạng
cấu Khung chống dạng liên kết khác nhau.
tạo kín hay hở
Bê tơng phun thích hợp
với hình dạng bất kỳ,

gia cố bề mặt khối đá.
Lắp ghép từ các
cấu kiện dạng
thanh

Chống tạm hoặc là
một bộ phận của
Chức
kết cấu chống cố
năng
định tại cơng trình
ngầm
Các
dạng
kết
cấu
cơ
bản

 Khung kim
loại
 Khung hỗn
hợp hay
khung kết
hợp từ các
dạng khung
và vật liệu
khác nhau

Chống tạm và chống cố

định

 Vỏ bê tông liền
khối: bê tông
phun, bê tơng
thường, bê tơng
cốt thép
 Vỏ thép

KẾT CẤU
TÍCH HỢP
Xâm nhập vào khối đá
hay tích hợp với khối đá
Cấu kiện cơ bản là neo
từ thép thanh, cáp, thép
ống, chất dẻo và các
chất dính kết; các loại
dung dịch khoan phụt
Liên kết với một vùng
khối đá tạo ra dầm, vành
hay vòng chịu tải; treo
chốt giữ, gia cố… tạo
nên vùng được gia cố,
được đông cứng. hình
dạng bất kỳ
Gia cố trước, chống
trước, chống tạm, chống
cố định hay một bộ phận
của kết cấu chống cố
định tùy theo điều kiện

cụ thể

 Khoan phụt
 Neo


6

 Các kết cấu chống có dạng khung hay khung chống. Loại kết cấu
này là những tổ hợp từ các cấu kiện dạng thanh (thẳng hay cong), tiếp
xúc với khối đất, đá xung quanh trên mặt lộ ở dạng “tuyến” hay
“đường”.
 Các kết cấu chống có dạng vỏ hay vỏ chống. Đây là các kết cấu tiếp
xúc hoặc liên kết với khối đất đá ở dạng “mặt” hay “diện”.
Kết cấu chống tạm có nhiệm vụ trước tiên là chống giữ khoảng không gian
ngầm từ sau khi đào cho đến khi lắp dựng kết cấu chống cố định. Mặc dù được
gọi là tạm thời, song kết cấu này đặc biệt có ý nghĩa trong xây dựng cơng trình
ngầm, bởi lẽ khả năng biến dạng, mối liên kết với khối đất đá và thời điểm lắp
dựng chúng có ảnh hưởng lớn đến sự thành công về kỹ thuật và kinh tế của một
biện pháp xây dựng.
Kết cấu chống tạm được lắp dựng tùy thuộc vào mức độ ổn định của khối
đá, cụ thể:
 Có thể lắp dựng trước khi đào;
 Có thể lắp dựng trực tiếp ngay sau khi đào hay sau một khoảng thời
gian nhất định sau khi đào;
 Phối hợp cả trước 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
trước để bảo vệ khoảng không gian ngầm sau khi đào, tức là tiến hành lắp dựng
kết cấu chống tạm thích hợp trước khi tiến hành đào khoảng trống. Kết cấu

chống trước có nhiều dạng khác nhau. Các kết cấu cổ điển thường là đóng nhói,
đóng cọc bằng gỗ; ngày nay được thay thế bằng cọc thép, ván thép; ngoài ra tùy


7

theo điều kiện thực tế còn sử dụng các biện pháp như khoan phụt (khoan ép gia
cố), neo khoan phụt, ô ống bảo vệ...
Ví dụ một kết cấu chống tạm kết hợp chống trước và chống sau khi đào, sử
dụng trong trường hợp gặp khối đất/đá kém ổn định, thường ở dạng tổ hợp của
các loại hình trên như cọc thép kết hợp với bê tông phun và khung thép.
Các kết cấu chống tạm lắp dựng sau khi đào thường được tạo nên từ bê
tông phun, neo, lưới thép, lưới 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 được sử dụng chủ yếu khi thi cơng cơng trình ngầm
được bố trí trong khối đất. Chúng được bố trí lệch nhau, có đoạn chồng lên
nhau. Do kỹ thuật thi cơng thường tạo nên các khoảng rỗng, do vậy các khoảng
rỗng lại phải được lấp đầy bằng vữa hay bê tông phun, nhằm hạn chế dịch
chuyển. Sau đó trong q trình đào các khung thép được lắp dựng và khoảng hở
giữa khung thép và ván ép bằng thép lại được phun phủ bằng bê tông phun.
Khi thi công trong khối đất/đá mà không thể ép ván thép nữa, cọc thép sẽ
được sử dụng. Cọc thép có thể được 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, đương nhiên trong trường hợp sau kết hợp với vữa chèn. Chiều dài các
cọc thường 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 tượng tơi rời, tróc vỡ đá vào
khoảng trống đang thi cơng và tạo khả năng hình thành vùng chịu tải trong khối
đá. Mục tiêu này đạt được bằng sử dụng bê tông phun với chiều dày từ 3cm đến
5cm. Trong thực tế, lớp vỏ mỏng bê tông phun này khơng chỉ làm nhiệm vụ bít

trám, hay chốt giữ mà cịn có khả năng hạn chế biến dạng của khối đá ở mức độ


8

nhất định; ngoài ra cũng tạo nên một lớp vỏ mỏng bảo vệ khối đá trước tác động
phong hóa. Bê tơng phun có thể được 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
khơng cần có ảnh hưởng của khối đá (ngay cả khi không tựa vào khối đá) và
thường chỉ biến dạng nhỏ khi chịu tác động cơ học. Vì vậy dịch chuyển cũng
như biến dạng do phân bố lại ứng suất của khối đá sẽ bị hạn chế. Đương 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 được giải thích khi phân
tích tương 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 phương vng
góc với nhau. Vì vậy các loại kết cấu bảo vệ rất cứng, được lắp dựng trước khi
trạng thái ứng suất thứ sinh hình thành ổn định, thường cũng được thiết kế q
lớn. Cũng chính vì vậy kết cấu bảo vệ rất cứng thường chỉ được sử dụng khi cần
thiết phải hạn chế hoặc ngăn chặn biến dạng lớn.
Kết cấu chống tạm cứng thường được thiết kế, sao cho chúng là ổn định ở
trạng thái độc lập, nhưng 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 được sử dụng làm kết cấu chống tạm khi
cơng trình ngầm đi qua các vùng khối đá bị phá hủy (đới phá hủy, khu vực khai
thác) hoặc được bố trí ở độ sâu nhỏ (chiều dày lớp phủ nhỏ), bởi vì ở độ sâu nhỏ

9

vùng chịu tải hay nhận tải trong khối đá chắc chắn khơng thể hình thành được,
hoặc sự liên kết với khối đá rất hạn chế hay khơng có được.
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 như một quá trình tự điều khiển hay tự điều
chỉnh. Nói chung loại kết cấu này chủ yếu chỉ tiếp nhận được lực nén dọc theo
mặt cắt, khả năng chống uốn nhỏ, do vậy cũng huy động được 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 trường hợp giới hạn có thể coi kết cấu này là vỏ gia cố bề
mặt. Hiện nay kết cấu này thường là bê tơng phun khơng hoặc có lưới thép, cốt
thép. Trong tương 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. Đương nhiên hệ thống tổng hợp kết cấu chống - khối đá chỉ có thể
làm việc tốt, nếu như đảm bảo có được 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 như khung gỗ, khung thép, khung bê tông cốt thép đúc trước thường
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 tưởng 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 cơng trình ngầm, bởi vì nó có ảnh hưởng trực tiếp đến q trình thi cơng
cũng như phụ thuộc vào q 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

10

quan hệ phụ thuộc với biện pháp thi công. Nếu có thể khẳng định hay hy vọng là
trong q trình biến đổi ứng suất khối đá vẫn ở trạng thái đàn hồi, hồn tồn có
thể lắp dựng kết cấu bảo vệ sớm như có thể (chỉ để ngăn ngừa đá rơi). Nhưng
nếu phải tính đến khả năng xuất hiện biến dạng dẻo, thời gian lắp dựng kết cấu
bảo vệ phải được lựa chọn tùy thuộc vào đường đặc tính của khối đá và đường
đặc tính của kết cấu bảo vệ, sao cho biến dạng của khối đá được 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 trường hợp thi công đào theo sơ đồ chia gương, thời gian lắp dựng
không chỉ được lựa chọn cho phần vòm, mà còn phải chú ý đến thời điểm có thể
tạo kết cấu kín tồn bộ trên chu vi khoảng trống (thời gian kết thúc tạo vành bảo
vệ), tức là thời điểm tạo vành bảo vệ cũng như hệ thống bảo vệ kết cấu chốngkhối đá. Thời gian kết thúc vành bảo vệ là khoảng thời gian kể từ lúc mở gương
đào cho đến lúc kết thúc lắp dựng kết cấu chống trên mặt cắt ngang. Nói chung
có thể phát biểu rằng, biểu hiện của khối đá được 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 tương lai, chắc chắn bê tơng phun sợi thép sẽ tạo được khả
năng rút ngắn tối đa thời gian kết thúc vành bảo vệ, vì nhờ giảm được các công
việc và các công đoạn thi công; hiện tại có thể giảm được 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 trường hợp tương đương.
Không kể đến phương pháp thi công các cơng trình ngầm bằng máy
khoan hầm, có thể nhận thấy rằng, xu hướng của xây dựng cơng trình ngầm hiện


11

đại là sử dụng kết cấu bảo vệ trên cơ sở bê tông phun. Kết cấu bảo vệ trên cơ sở
bê tông phun thường bao gồm các bộ phận là:
 bê tơng phun, có thể có lưới thép, sợi thép;
 neo;
 khung thép hình hay khung thép tổ hợp.
Bê tơng phun cho phép tạo ra kết cấu liên kết toàn phần với khối đá,
khơng có khoảng rỗng, khe hở. Với khả năng được 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 tơng phun có thể được phun khơng hoặc có cốt bằng lưới
thép hay sợi thép. Thơng thường không thể loại bỏ cốt khi sử dụng bê tông phun.
Khung thép từ thép hình cũng như khung thép tổ hợp (là khung thép được
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 tơng phun sẽ cho phép có
khả năng mang tải ngay tức thời. Ngồi 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 cơng tác đo đạc, điều chỉnh được thuận lợi.
Tác dụng của hệ kết cấu chống-khối đá được tăng cường phần nào chính
nhờ có các loại neo. Với chức năng gia cố khối đá, neo gây ra các tác động làm
giảm ảnh hưởng của tính bất đồng nhất trong khối đá như 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 được lắp dựng thành hệ thống
neo, sẽ huy động được vùng khối đá rộng hơn tham gia vào vành hay vòm chịu
tải.


12

Với các giải pháp kỹ thuật khác nhau, ví dụ tạo khe biến dạng dọc theo
trục cơng trình ngầm, có thể khắc phục được 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 bước tiến bộ mới của
công nghệ bê tông phun. Nhờ đó khơng chỉ rút ngắn được cơng tác thi cơng,
giảm bớt cơng đoạn, mà có thể tạo nên vỏ bê tơng phun có khả năng nhận tải
cao, đồng đều. Đồng thời khi kết hợp với khung thép sẽ cho phép có thể phun
được một lớp bê tơng phun đủ dày theo yêu cầu. Từ dữ liệu thi công đường hầm
Crapteig ở Thụy sỹ cho thấy, khi sử dụng bê tơng phun sợi thép có thể giảm
chiều dày vỏ chống được 3cm, cụ thể là cịn 10cm, kinh phí chỉ cịn bằng 75% so
với bê tơng phun có cốt thép. Ngồi ra, bình thường một chu kỳ đào trong đá
phiến mất 12 giờ, khi sử dụng bê tông phun sợi thép chỉ cịn cần 9 giờ. Nhờ đó
tiến độ thi công đã tăng từ 4,5m lên 6m một ngày.
1.2. Các phƣơng pháp lựa chọn kết cấu chống tạm:
Trên cơ sở các nghiên cứu trong Cơ học đá, kết hợp với sự phát triển của
các loại vật liệu và kết cấu chống mới, sự phát triển của các phương pháp tính
tốn, thiết kế, kết hợp với kinh nghiệm thực tế cho thấy rằng để có thể có được
giải pháp hợp lý về kinh tế và kỹ thuật đối với kết cấu cơng trình ngầm.
Kết cấu chống tạm được lắp dựng trước hoặc sau khi đào để đảm bảo an
toàn cho khoảng trống ngầm, cho đến khi kết cấu cố định được lắp dựng. Tuy
nhiên với các quan điểm mới và yêu cầu về kinh tế, nên kết cấu chống tạm cũng
có thể có chức năng như kết cấu chống cố định hoặc sẽ là một bộ phận của kết
cấu chống cố định. Cũng vì vậy kết cấu chống tạm được lựa chọn có chú ý đến
cả hai chức năng là chống tạm và chống cố định, do những đặc điểm rất đa dạng


13

của khối đất đá, cho nên hệ thống kết cấu chống tạm thường không phải là đối
tượng của các công tác thiết kế có tính chặt chẽ. Loại kết cấu này thường được
lựa chọn theo các nguyên tắc khác nhau hoặc được thiết kế theo những giả thiết
khác nhau. Hiện tại có ba phương pháp khác nhau được sử dụng để lựa chọn kết
cấu chống tạm và một trong ba phương pháp này có thể sử dụng:

1. Theo kinh nghiệm;
2. Phương pháp phân tích lý thuyết hay nửa lý thuyết, được xây dựng trên
cơ sở của một hay nhiều phương thức giả định về biểu hiện;
3. Quan điểm cơ bản, trên cơ sở bao hàm định nghĩa về dạng phá hủy căn
bản và lựa chọn hay thiết kế các kết cấu để ngăn chặn sự phá hủy này.
Cho đến nay, các kết cấu chống tạm được lựa chọn chủ yếu trên cơ sở các
phương pháp phân loại khối đá quen biết như phân loại khối đá theo Terzaghi,
Lauffer, RQD, RMR, Q, MRMR, RMI, các phương pháp phân loại và lực chọn
kết cấu chống của Nga. Sau đây liệt kê một số phương pháp lựa chọn kết cấu
chống, theo các tài liệu [1, 2].
Trong thế kỷ 19 kết cấu chống thường được lựa chọn theo kinh nghiệm.
Người thợ mỏ và xây dựng cơng trình ngầm đã sử dụng gỗ để chống tạm. Nếu
kết cấu được sử dụng bị phá hủy thì họ sử dụng kết cấu tăng sức. Viết ra các quy
tắc lựa chọn kết cấu chống đầu tiên là Terzaghi(1946). Tiếp đó xuất hiện phân
loại khối đá theo RQD và dẫn đến chỉ dẫn về lựa chọn kết cấu theo RQD có chú
ý với phương pháp Terzaghi. Chiều cao vùng phá huỷ H ph cho trường hợp
đường hầm có chiều rộng B, chiều cao H, đặt tại độ sâu >1,5C; C=B+H.


14

Bảng 1.2. Xác định áp lực và chọn lết cấu chống theo phân loại của Terzaghi
Loại khối đá

H ph

RQD%

1.Đá cứng, liền khối
2. Đá cứng, phân

lớp,phiến
3. Đá khối, nứt nẻ trung
bình
4. Nứt nẻ thành từng
cục, khối có kích thước
trung bình
5. Nứt nẻ mạnh thành
từng cục, khối nhỏ
6. Đá bị cà nát, vẫn có
các tính chất cơ học

10. Khối đá trương nở

đến
Kết cấu chống nhẹ (neo),
khi có tróc vỡ đá

95-100

0

0

90-95

0

0 - 0,25B

Kết cấu chống nhẹ

85-90

0

0 - 0,5B

Áp lực đá có thể biến
động

75-85

0

30-75

0 đến 0,6C

0,25B -0,35C

Khơng có áp lực ngang
(hơng)
Áp lực ngang nhỏ hoặc
bằng không

0,54-1,2C

0,35 - 1,1C
0,2 - 0,6C*
0,6 - 1,1C*

1,1 - 1,4C*
0,62-1,38C

0,94-1,2C

1,08-1,38C

3-30
0-3

7 Sỏi và cát
8. Khối đá bị nén ép, độ
sâu trung bình
9. Khối đá bị nén ép, độ
sâu lớn

từ

-

1,1 - 2,1C

-

2,1 - 4,5C

-

Đến 75mét,
không kể tới

trị số của C

Áp lực ngang đáng kể
áp lực ngang
Ph=0,3(0,5H+Hp
h)
Áp lực ngang lớn, sử
dụng vòm ngược khi cần
Chặt
Rời

Khung thép hình trịn
Khung thép trịn. Trường
hợp đặt biệt kết cấu linh
hoạt

(*) do Deere và Rose điều chỉnh.
Hình 1.1. Lựa chọn kết cấu chống tạm theo chỉ số RQD của Deere
100

Giá trị RQD [%]

75

không chống
hoặc neo cục
bộ

hệ thống
neo (khoảng

cách 1-2m)

50

25

Kết cấu chống
liên quan với
RQD theo
Merritt

khung thép

0
0

5

10

15

Chiều rộng cơng trình [m]

20


15

Hình 1.2. Lựa chọn kết cấu chống theo phân loại RMR của Bieniawski

10

2
30
50
40
0
Neo trung bình, lưới hoặc
bản thép

Vùng khơng ổn định

90
8
100
0
Neo đơn chiếc
Neo thưa
Neo dày, lưới hoặc bản thép
7
0

60

Neo dày trung bình với bê tơng
phun
Neo dày. Bê tơng phun với lưới thép,
trong ít trường hợp khung thép hoặc gỗ
khung thép loại nhẹ
hoặc khung chống gỗ trung bình, vỏ kín

khung thép loại trung bình
hoặc khung chống gỗ vững chắc, vỏ kín
Vùng ổn định
khung thép loại nặng, bê tông phun
gương hoặc cắm cọc theo yêu cầu
RMR

0

10

20

90
3
4
50
60
70
100
80
0
0
Sơ đồ lựa chọn loại hình chống giữ hợp lý cho cơng trình ngầm theo

Cummings & Kendorski 1982
Hình 1.3. Lựa chọn kết cấu chống theo chỉ tiêu phân loại Q của Barton, Lien và
Lunde

Chiều rộng hoặc chiều cao (m)/ESR

100
50
20

Cực kỳ yếu

khoảng cách giữa các
neo trong vùng có bê
tông phun

1,0m
(9)

1,2m

Rất yếu

1,3m

1,5m

1,7m

(8)

(7)

(6)

10
7

(5) (4) (3)

(2)

(1)
4,0m

250mm

150mm 120mm

90mm
50mm 400mm
2,0m
1,5m

2

1,3m

3,0m

0,004 0,01

0,04 0,1

Chất lượng khối đá

0,4

1

Q

4

10

J
RQD J r

 w
J
J
SRF
n
a

40

100

khoảng cách giữa
các neo trong
vùng không có bê
tơng phun

400

3
2,4

1,0m

1
0,001

rất cực kỳ đặc
tốt
tốt biệt tốt 20

5

10
5

trung tốt
bình
2,5m
2,1m2,3m

Yếu

1000

1,5

Chiều dài neo (m) khi ESR=1

Đặc biệt yếu


16

Trong hình trên các con số trong dấu () có ý nghĩa như sau:
1: Không chống
2: Neo điểm
3:Neo hệ thống
4: Neo hệ thống với
bêtông phun dày 40 đến
100mm

5: Bêtông phun sợi thép dày 50 90mm với neo
6: Bêtông phun sợi thép dày 90  120mm với neo
7: Bêtông phun sợi thép dày 120  150mm với neo
8: Bêtông phun sợi thép dày >150mm với neo
9: Bêtông liền khối

Bảng 1.3. Lựa chọn kết cấu chống tạm (bảo vệ) theo phân loại của Rabcewicz,
Spaum và Golser