Nghiên cứu đề xuất các tiêu chẩn lựa chọn kết cấu chống tạm cho môi trường đất đá rời rạc, khi thi công công trình ngầm

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học mỏ - địa chất

Nguyễn thị hoàng minh trang

Nghiên cứu đề xuất các tiêu chuẩn lựa chọn
kết cấu chống tạm cho môi trờng đất đá rời rạc,
khi thi công Công trình ngầm

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hà nội - 2010


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và cha từng đợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2010

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Hoàng Minh Trang


Mục lục
Trang phụ bìa
Lời cam đoan

Mục lục
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ
Mở đầu ...................................................................................................................1
Chơng 1: môi trờng đất đá rời rạc ...................................... 4
1.1 Khái quát.................................................................................................... 4
1.2 Định nghĩa và phân loại đất ..................................................................... 4
1.2.1 Định nghĩa ............................................................................................... 4
1.2.2 Phân loại đất............................................................................................ 8
1.3 Định nghĩa và phân loại đá..................................................................... 10
1.3.1 Định nghĩa ............................................................................................. 10
1.3.2 Phân loại đá ........................................................................................... 10
1.3.2.1 Phơng pháp phân loại của M.M.Prôtôđiakônốp .............................. 12
1.3.2.2 Phơng pháp phân loại của Bieniawski .............................................. 13
1.3.2.3 Phơng pháp phân loại của Barton, Lien và Lunde ........................... 15
1.3.2.4 Phân loại khối đá theo Rabcewicz, Spacher và Golser ....................... 17
1.4 Tổng hợp và đề xuất về khái niệm khối đá rời rạc trong xây dựng
công trình ngầm............................................................................................. 24
chơng 2: kết cấu chống tạm trong xây dựng công
trình ngầm .............................................................................................. 26
2.1 Tổng quan về kết cấu chống tạm ........................................................... 26
2.2 Các loại kết cấu chống tạm..................................................................... 28
2.2.1 Kết cấu chống bằng gỗ .......................................................................... 28


2.2.2 KÕt cÊu chèng b»ng thÐp....................................................................... 29
2.2.3 Neo ......................................................................................................... 32
2.2.4 Bê tông phun ......................................................................................... 33
2.2.5 Khoan phụt, tạo ô vòm tiến trớc, đóng băng nhân tạo...................... 34
Chơng 3: đề xuất các tiêu chuẩn lựa chọn kết cấu

chống tạm trong môi trờng đất đá rời rạc ................. 35
3.1 Lựa chọn kết cấu chống tạm theo phơng pháp thi công .........................36
3.1.1 Phơng pháp thi công lộ thiên ............................................................. 36
3.1.2 Phơng pháp thi công ngầm................................................................. 36
3.1.2.1 Khoan phụt .......................................................................................... 39
3.1.2.2 Tạo ô vòm tiÕn tr−íc (cäc, èng, v¸n thÐp) ........................................... 45
3.1.2.3 Khoan phơt, đóng băng nhân tạo ........................................................ 48
3.1.2.4 Thoát nớc .......................................................................................... 52
3.2 Lựa chọn kết cấu chống tạm theo yêu cầu bảo vệ của khối đất đá .... 53
3.3 Lựa chọn kết cấu chống tạm cho trờng hợp đặc biệt trong khối đất
rời có lẫn tảng lăn, đá mồ côi ....................................................................... 54
3.4 Mét sè vÝ dơ vỊ lùa chän kÕt cÊu chèng tạm cho công trình ngầm qua
môi trờng đất đá rời rạc trên thế giới và tại Việt Nam theo những tiêu
chí khác nhau ................................................................................................. 56
3.4.1 Đờng hầm thoát nớc Hull tại nớc Anh năm 1999 ......................... 56
3.4.2 Hầm đờng bộ Hải Vân ........................................................................ 57
3.4.2.1. Điều kiện địa chất đoạn hầm từ 0+29 đến 0+78 ............................... 57
3.4.2.2 Biện pháp đào và gia cố hầm dẫn trớc.............................................. 57
3.4.2.3 Đào mở rộng và gia cố ........................................................................ 58
3.4.2.4 Biện pháp đào hạ nền và gia cè .......................................................... 61


3.5 Đề xuất các tiêu chuẩn lựa chọn kết cấu chống tạm trong môi trờng
đất đá rời rạc.................................................................................................. 65
Kết luận và kiến nghị ...................................................................... 70
Danh mục công trình của tác giả ........................................... 72
Tài liệu tham khảo ............................................................................ 73


Danh mục bảng biểu

Trang
Bảng 1.1 Phân chia nhóm hạt ........................................................................... 6
Bảng 1.2 Phân loại độ chặt của đất theo hệ số rỗng .......................................... 8
Bảng 1.3 Tiêu chuẩn phân loại đất rời ............................................................... 9
Bảng 1.4 Tiêu chuẩn phân loại đất dính .......................................................... 10
Bảng 1.5 Các hệ thống phân loại khối đá điển hình ........................................ 11
Bảng 1.6 Các nhóm khối đá theo Barton, Lien và Lunde................................ 16
Bảng 1.7 Phân loại khối đá theo Rabcewicz, Spacher và Golser .................... 19
Bảng 1.8 Các dạng sự cố khi đào công trình ngầm trong khối đất bằng phơng
pháp ngầm và các giải pháp bảo vệ, chống giữ ............................................... 23
Bảng 3.1 Phân nhóm các phơng pháp thi công ngầm .................................. 37
Bảng 3.2 Các phơng pháp thi công đào hầm (tách bóc đất/đá) ..................... 38
Bảng 3.3 Các giải pháp bảo vệ hay chống tạm ................................................ 39
Bảng 3.4 Phạm vi áp dụng của các giải pháp đặc biệt tùy theo yêu cầu bảo vệ
riêng ................................................................................................................. 53
Bảng 3.5 Đề xuất các tiêu chuẩn lựa chọn kết cấu chống tạm trong môi trờng
đất đá rời rạc, khi thi công công trình ngÇm ................................................... 67


Danh mục hình vẽ
Trang
Hình 1.1 Phân loại khối đá theo Bieniawski ................................................... 14
Hình 1.2 Phân loại khối đá theo Grimmstad và Barton ................................... 16
Hình 2.1 Kết cấu chống bằng gỗ. .................................................................... 29
Hình 2.2 Khung chống thép linh hoạt kích thớc .......................................... 31
Hình 2.3 Neo chất dẻo cốt thép ....................................................................... 33
Hình 3.1 Mô hình khoan phụt ......................................................................... 39
Hình 3.2 Khoan phụt áp lực thấp..................................................................... 40
Hình 3.3 Khoan phụt cân bằng ........................................................................ 40
Hình 3.4 Khoan phụt áp lực cao ...................................................................... 41

Hình 3.5 Phơng pháp đón đỡ của Bỉ .............................................................. 42
Hình 3.6 Sơ đồ thi công ................................................................................... 43
Hình 3.7 Sơ đồ khoan phụt .............................................................................. 43
Hình 3.8 Khoan phụt phủ đơn, phủ kép .......................................................... 44
Hình 3.9 Sơ đồ bố trí lỗ khoan dạng quạt........................................................ 44
Hình 3.10 Các dạng của các khối đợc khoan phụt ........................................ 45
Hình 3.11 Ô vòm tiến trớc bằng cọc thép .................................................... 46
Hình 3.12 Sơ đồ bố trí ống thép ...................................................................... 47
Hình 3.13 Thi công một ô(vòm) bảo vệ bằng ống thép ................................ 47
Hình 3.14 Một vài dạng ván thép, tấm chèn sử dụng trong xây dựng công trình
ngầm ................................................................................................................ 48
Hình 3.15 Gơng hầm trong khối đất có lẫn các tảng lăn............................... 54
Hình 3.16 Khoan cắm cọc khi đào qua lớp đất đá chứa tảng lăn, đá mồ côi .... 55
Hình 3.17 Đờng hầm thoát nớc ở Hull, sụt lún mặt đất và giếng thi công . 56
Hình 3.18 Đất gặp nớc ngầm trở thành bùn .................................................. 57


Hình 3.19 Khoan phụt tạo ô ............................................................................ 60
Hình 3.20 Đào mở rộng hầm dẫn trớc ........................................................... 61
Hình 3.21 Khoan cắm neo phần vòm ngợc .................................................. 62


1

Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, nhu cầu phát triển cơ sở hạ tầng, các nhà
máy, tòa nhà và nhiều dự án khác, phục vụ cho sự nghiệp công nghiệp hóa
hiện đại hóa đất nớc ngày càng lớn. Công trình ngầm là một thành phần gần
nh không thể thiếu trong những công trình trên. Chúng bao gồm các công

trình ngầm công nghiệp (công trình ngầm thủy điện, thủy lợi, kho chứa
ngầm); công trình ngầm dân dụng (công trình ngầm giao thông, gara để xe
ngầm, hệ thống đờng hầm ngầm kỹ thuật đặt cáp ngầm, đặt đờng ống thoát
nớc...); các công trình ngầm đặc biệt (công trình ngầm quốc phòng, quân sự ).
Tuy nhiên vấn đề thi công công trình ngầm trong môi trờng đá rắn cứng
hay đá rời rạc đặt ra những khó khăn, thử thách khác nhau, chúng ta cũng đ
có nhiều kinh nghiệm thi công trong môi trờng đá rắn cứng nh tại các công
trình nhà máy thủy điện Hòa Bình, thủy điện Yali, các công trình ngầm giao
thông đờng bộ nh: Hầm đờng bộ Hải Vân. Còn trong môi trờng địa kỹ
thuật phức tạp khối đá rời rạc hết sức khó khăn, kinh nghiệm cha có nhiều,
công nghệ thi công cha đợc đề cập chi tiết. Việc tìm ra giải pháp hữu hiệu
để thi công công trình trong điều kiện trên là hết sức quan trọng và cần thiết.
Nó không chỉ cã ý nghÜa vỊ mỈt kinh tÕ - kü tht mà còn đóng góp cho chúng
ta lý luận trong việc đa ra các phơng pháp đào, chống giữ với mục đích an
toàn và hiệu quả.
Kết cấu chống đợc lắp dựng với mục đích giữ ổn định khoảng không
gian ngầm, bảo vệ, đảm bảo an toàn và hoạt động bình thờng cho con ngời,
các thiết bị và phơng tiện kỹ thuật làm việc cũng nh vận hành trong đó. Với
mỗi mục đích sử dụng khác nhau của công trình ngầm mà các kết cấu chống
có nhiệm vụ riêng.
Để đáp ứng các nhu cầu xây dựng các công trình ngầm trong tơng lai ở
Việt Nam, thi công công trình trong môi trờng đất đá rời rạc, trong khuôn


2

khổ luận văn thạc sĩ kỹ thuật sẽ tiến hành tổng hợp, phân tích và đề xuất các
tiêu chuẩn lựa chọn kết cấu chống tạm phù hợp trong điều kiện thi công ở
nớc ta.
2. Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu, đề xuất các tiêu chuẩn lựa chọn kết cấu chống tạm cho môi
trờng đất đá rời rạc, khi thi công công trình ngầm.
3. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tợng nghiên cứu của đề tài là kết cấu chống tạm đợc sử dụng gia
cố trong quá trình thi công công trình ngầm trong môi trờng đất đá rời rạc.
4. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu, phân tích các phơng pháp phân loại của khối đất đá rời rạc,
các phơng pháp thi công công trình ngầm, các yêu cầu đặc biệt của từng công
trình ngầm từ đó đa ra các tiêu chuẩn lựa chọn kết cấu chống tạm hợp lý.
5. Phơng pháp nghiên cứu
Tổng hợp, phân tích các kinh nghiệm chống giữ thi công các công trình
ngầm qua đất, đá bở rời.
6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc lựa chọn kết cấu chống tạm hợp lý khi thi công công trình ngầm
trong môi trờng đất đá rời rạc có ý nghĩa hết sức quan trọng góp phần đảm
bảo độ ổn định công trình và tăng hiệu quả kinh tế. Đáp ứng nhu cầu xây dựng
công trình ngầm trong tơng lai ở Việt Nam trong môi trờng đất đá rời rạc.
Qua việc nghiên cứu đề tài, tác giả mong muốn xây dựng một cơ sở dữ
liệu phục vụ cho công tác dự báo, lựa chọn kết cấu chống tạm khi thi công
công trình ngầm trong môi trờng đất đá rời rạc.
7. Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm: 03 chơng với 73 trang, 26 hình vẽ và 13 bảng biểu.
Luận văn: Nghiên cứu đề xuất các tiêu chuẩn lựa chọn kết cấu chống
tạm cho môi trờng đất đá rời rạc, khi thi công công trình ngầm hoàn


3

thành nhờ sự hớng dẫn nhiệt tình của thầy giáo hớng dẫn khoa học
GS.TS. Nguyễn Quang Phích.

Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến thầy giáo
GS.TS. Nguyễn Quang Phích đ hết lòng hớng dẫn, tạo mọi điều kiện để tác
giả hoàn thành công việc nghiên cứu đề tài khoa học của mình.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trờng Đại học Mỏ - Địa chất,
Phòng Đại học và Sau Đại học, Khoa xây dựng, Các cán bộ tại Công ty Cổ
phần Sông Đà 10 đ giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp đ khích lệ, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Luận văn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong
nhận đợc những ý kiến đóng góp để luận văn hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ¬n !


4

Chơng 1
môi trờng đất đá rời rạc
1.1 Khái quát
Với nhu cầu xây dựng nói chung và xây dựng công trình ngầm nói riêng
ngày càng lớn, đặc biệt là ở các nớc công nghiệp đang phát triển, hàng loạt
các giải pháp kỹ thuật đ đợc hình thành và hoàn thiện tùy theo các điều
kiện, yêu cầu thi công. Với những tiến bộ khoa học kỹ thuật và trình độ công
nghệ trong xây dựng công trình ngầm hiện nay cho phép có thể thi công xây
dựng các công trình ngầm trong các môi trờng đất đá khác nhau, điều kiện
địa chất khác nhau.
1.2 Định nghĩa và phân loại đất
1.2.1 Định nghĩa
Đất là sản phẩm phong hóa từ đá gốc (đá mác ma, đá trầm tích, đá biến
chất) đất tồn tại rất phổ biến trên lớp vỏ trái đất, đất gồm các hạt đất (hạt
khoáng vật) tổ hợp thành. Chỗ tiếp xúc giữa các hạt đất hoặc không có liên kết

(đất rời) hoặc có liên kết (đất dính) nhng cờng độ liên kết của chúng rất bé
so với cờng độ liên kết bản thân nó, giữa các hạt hình thành những lỗ rỗng,
trong lỗ rỗng thờng chứa nớc và khí.
Sự phá hoại và làm thay đổi thành phần của đá gốc dới tác dơng vËt lý,
hãa häc cđa c¸c u tè kh¸c nhau gọi là quá trình phong hóa. Do tác dụng của
phong hóa nên các khối đá không thể giữ nguyên đợc trạng thái ban đầu của
nó, mà luôn thay đổi, bị vỡ vụn, bị rời ra, bị các dòng nớc và gió cuốn đi,
hình thành các lớp đất phủ quanh phần lớn mặt ngoài của vỏ quả đất. Phong
hóa vật lý: sinh ra chđ u cã liªn quan víi sù thay đổi của nhiệt độ, gây nên
nở nhiệt không đều về thể tích, làm cho các đá gốc bị phá hoại và phân vụn ra
thành những hạt to nhỏ không đều nhau, nhng không làm thay đổi về thành
phần hóa học của khoáng vật. Do đó sản phẩm của phong hóa vật lý tạo ra các
loại đất rời: đá dăm, cuội sỏi, các hạt cát có thành phần khoáng vật tơng tù


5

với đá gốc. Phong hóa hóa học: sinh ra là do các tác nhân nh nớc, oxy, axit
cacbonic và các axit khác hòa tan trong nớc, làm cho các đá gốc bị phá hoại
kèm theo sự thay đổi thành phần khoáng vật mới ổn định hơn, tạo ra các loại
đất sét khác nhau có kích thớc hạt nhỏ và cực kỳ nhỏ, phần lớn không phân
biệt bằng mắt thờng đợc. Thông thờng quá trình phong hóa vật lý và hóa
học xảy ra cùng một lúc và hỗ trợ cho nhau. ở vùng khí hậu khô lạnh thì
phong hóa vật lý là chủ yếu, còn vùng khí hậu nóng ẩm, nh nớc ta chẳng
hạn, thì phong hóa hóa học đóng vai trò quan trọng hơn. Các sản phẩm cuối
cùng của sự phong hóa có thể nằm ngay tại chỗ hình thành ban đầu của nó
hoặc có thể bị di chuyển đi chỗ khác bởi dòng nớc hoặc gió và tạo thành các
dạng trầm tích của đất.
* Thành phần vật chất cấu tạo thành đất
a) Thể rắn

Thể rắn của đất bao gồm các hạt đất (hạt khoáng vật) có kích thớc vài
centimét đến vài phần nghìn milimét hoặc bé hơn nữa. Thành phần khoáng
vật, hình dạng kích thớc và cấp phối hạt có ảnh hởng trực tiếp đến tính chất
cơ học của đất.
Thành phần khoáng vật của hạt đất phụ thuộc thành phần khoáng vật tạo
đá và tác dụng phong hóa đá, tác động phong hóa khác nhau sẽ tạo ra các
khoáng vật khác nhau ngay cả khi tác dụng phong hóa trên cùng một đá gốc.
Thành phần khoáng vật hạt đất có thể chia ra làm ba loại: khoáng vật nguyên
sinh, khoáng vật thứ sinh (hai loại này gọi là khoáng vật vô cơ) và chất hóa
hợp hữu cơ.
Khoáng vật nguyên sinh thờng gặp là thạch anh, mica và fenpát, các hạt
đất có khoáng vật nguyên sinh thờng có kích thớc lớn, kích thớc lớn hơn
0,005mm.
Khoáng vật thứ sinh đợc chia làm hai loại, khoáng vật không hòa tan
trong nớc và khoáng vật hòa tan trong nớc. Khoáng vật không hòa tan trong


6

nớc thờng gặp là kaolinít, ilit, và monmorilonít chúng là thành phần chủ yếu
của các hạt sét trong đất nên gọi là khoáng vật sét trong đất. Khoáng vật hòa
tan trong nớc thờng gặp là canxit, dolomit, thạch cao, muối má. C¸c kho¸ng
vËt thø sinh th−êng cã kÝch th−íc nhá, nhỏ hơn 0,005mm. Chất hóa hợp hữu
cơ là sản phẩm tạo ra từ di tích thực vật và động vật, ở giai đoạn phá hủy hoàn
toàn sản phẩm này gọi là mùn hữu cơ. Trong bảng 1.1 cho thấy cách phân loại
các nhóm hạt trong đá rời.
Bảng 1.1 Phân chia nhóm hạt [1]
Nhóm hạt

Kích thớc hạt

Tính chất chủ yếu

(mm)

Đá lăn, đá tảng

800 ữ 200

Tính thấm lớn, không dính, độ dâng cao

Dăm, cuội

200 ữ 20

của nớc mao dẫn rất nhỏ, không dẫn đợc

Sỏi sạn

20 ữ 2

nớc.

Hạt cát: To

2 ữ 0,5

Dễ thấm nớc, không dính, độ dâng lên của

Vừa

0,5 ữ 0,25

nớc mao dẫn không lớn, gặp nớc không

Nhỏ

0,25 ữ 0,05

nở ra, khi khô không co lại, lúc khô rời rạc,

0,05 ữ 0,01

Tính thấm nhỏ lúc ớt hơi dính, gặp nớc

Hạt bụi: To
Nhỏ

không thể hiện tính dẻo, tính ép co rất nhỏ.

0,01 ữ 0,005 në ra, khi kh« kh«ng co nhiỊu, n−íc mao
dÉn dâng lên tơng đối cao và nhanh.

Hạt sét

0,005 ữ

Hầu nh không thấm nớc, tác dụng của

Hạt keo

0,002

nớc màng mỏng rõ rệt, khi ẩm có tính

< 0,002

dẻo, tính dính lớn, gặp n−íc në nhiỊu.

b) ThĨ láng trong ®Êt
Trong ®iỊu kiƯn tù nhiên đất luôn chứa một lợng nớc nhất định, nớc
luôn có những tác động hóa lý đối với các hạt khoáng vật trong đất, do đó ảnh
hởng tới tính chất vật lý, hóa học và cơ học của đất. Nớc trong đất đợc chia
làm 3 loại chủ yếu sau:


7

+ Nớc trong khoáng vật;
+ Nớc kết hợp mặt ngoài hạt đất (nớc hút bám, nớc kết hợp mạnh,
nớc kết hỵp u);
+ N−íc tù do ( n−íc mao dÉn, n−íc trọng lực).
c) Thể khí trong đất
Các lỗ rỗng trong đất chứa đầy nớc và khí, căn cứ vào sự ảnh hởng
của khí đến tính chất cơ lý của đất ta chia khí trong đất làm 2 loại:
+ Loại khí thông với khí quyển;
+ Loại khí không thông với khí quyển.
Khí không thông với khí quyển, đợc bọc kín, thờng là trong đất dính
chủ yếu là đất sét, sự tồn tại các bọc khí kín này làm giảm tính thấm trong đất,
có ảnh hởng tới quá trình co ép do tác dụng của ngoại lực.

Tính co ép và biến dạng của đất:
Đất gồm các hạt sắp xếp một cách tự nhiên trong quá trình thành tạo
nên cốt đất có tính rỗng cao, trong lỗ rỗng có chứa nớc và không khí, khi đất
chịu tác dụng của tải trọng công trình trớc hết các khoáng vật bị biến dạng
tức thời tiếp đến là liên kết giữa các hạt đất bị phá vỡ, các hạt đất dịch chuyển
do bị dồn nén dới tác dụng của tải trọng làm các lỗ rỗng bị thu hẹp, thể tích
mẫu đất bị giảm và chặt lại, thực tế bản thân hạt đất và nớc bị nén ép không
đáng kể có thể bỏ qua, nh vậy đất bị co ép và chặt lại chủ yếu là do lỗ rỗng bị
thu ép lại. Tính biến dạng của đất là tính biến đổ hình dạng của đất dới tác
dụng của tải trọng, tính co ép của đất làm cho đất giảm thể tích và hình dạng
mẫu đất thay đổi, đây là biến dạng thể tích. ở đây biến dạng của vật thể đợc
hiểu là dới tác dụng của tải trọng, ứng suất tại các điểm trong vật thể bị biến
đổi gây nên sự chuyển vị các chất điểm, chuyển vị này là nguyên nhân làm vật
thể biến dạng.
Các nhân tố ảnh hởng đến tính co ép và biến dạng của ®Êt:
- Liªn kÕt kÕt cÊu cđa ®Êt, nÕu liªn kÕt kết cấu của đất bị phá vỡ thì tính co ép
và biến dạng của đất là lớn, nếu liên kết kết cấu của đất cha bị phá vỡ thì tính
co ép và biến dạng của đất là nhỏ hơn


8

- Các loại đất khác nhau thì tính co ép và biến dạng là khác nhau, đất dính có
tính biến dạng lớn hơn đất rời.
- Độ chặt ban đầu của đất có ảnh hởng đến tính co ép và biến dạng của đất
- ảnh hởng do tốc độ tăng tải, cùng một tải trọng nh nhau nếu tốc độ tăng
tải càng lớn thì biến dạng càng lớn.
- ảnh hởng của tải trọng động, tải trọng động làm đất cát nén chặt mạnh.
1.2.2 Phân loại đất
Đất đợc hình thành và tồn tại trong tự nhiên rất phức tạp và đa dạng, sắp

xếp và phân loại đất với mục đích làm cơ sở để chọn phơng pháp nghiên cứu
và đánh giá phù hợp.
- Tiêu chuẩn phân loại đất rời:
Đất rời là đất chứa ít hạt sét, chủ yếu là nhiều hạt thô lớn hơn hạt bụi,
thành phần khoáng vật thờng là khoáng vật nguyên sinh. Độ lớn và cấp phối
hạt phản ánh đầy đủ tính chất cơ học của đất nh tính thấm, tính co ép và tính
chống trợt ...
Trạng thái và chỉ tiêu trạng thái vật lý của đất rời, để đánh giá trạng thái
vật lý về đất rời thờng sử dụng khái niệm về độ chặt, đất rời càng chặt khả
năng chịu lực càng lớn, tính co ép và tính thấm càng nhỏ và ngợc lại.
Sử dụng hệ số rỗng và độ chặt D để đánh giá độ chặt của đất.
Hệ số rỗng : Theo tài liệu thống kê và tính toán các hệ số rỗng ở các
trạng thái chặt nhất và xốp nhất xác định từ trong phòng thí nghiệm, đối với
các loại đất cát thạch anh khác nhau đem đánh giá với độ chặt thiên nhiên của
chúng và điều chỉnh lại, để đánh giá độ chặt của đất ta sử dụng bảng sau:
Bảng 1.2 Phân loại độ chặt của đất theo hệ số rỗng [1]
Độ chặt
Loại đất

Chặt

Chặt võa

Xèp

C¸t sái, c¸t to, c¸t võa

ε < 0,55

0,55 ≤ ε ≤ 0,70

ε < 0,70

C¸t nhá

ε < 0,60

0,60 ≤ ε ≤ 0,75

ε < 0,75

C¸t bơi

ε < 0,60

0,60 ≤ ε ≤ 0,80

ε < 0,80


9

Tuy nhiên sử dụng hệ số rỗng chỉ sử dụng cho các loại đất cát thạch
anh, để đánh giá độ chặt của các loại đất bất kỳ, trong thực tế ngời ta sử dụng
độ chặt D. Độ chặt đợc xác định theo biểu thức [1]: D =

max ε 0
ε max − ε min

trong ®ã: ε0 - hƯ số rỗng của đất cát ở trạng thái tự nhiên;

max - hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái xốp nhất;
min - hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái chặt nhất.
Trong phòng thí nghiệm max đợc xác định từ mẫu cát khô xốp nhất, min
đợc xác định từ mẫu cát ở trạng thái chặt nhất. Khi đó độ chặt đợc chia ra
làm 3 mức:
Đất cát chặt:

D > 0,67

Đất cát chặt vừa:

0,67 D 0,33

Đất cát xốp:

D > 0,33.

Bảng 1.3 là tiêu chuẩn phân loại đất rời theo cỡ hạt. Căn cứ vào bảng 1.3 và D
để đánh giá trạng thái độ chặt của đất để chúng ta có những hiểu biết tơng
đối đầy đủ về tính chất cơ học của một loại đất rời nào đó.
Bảng 1.3 Tiêu chuẩn phân loại đất rời [1]
Tên đất

Tiêu chuẩn phân loại

Đất hòn lớn
- Dăm, cuội Trọng lợng hạt có đờng kính lớn hơn 10mm chiếm trên 50%
Trọng lợng hạt có đờng kính lớn hơn 2mm chiếm trên 50%
- Sỏi, sạn
Đất cát

- Cát sỏi

Trọng lợng hạt có đờng kính lớn hơn 2mm chiếm trên 25%

- Cát to

Trọng lợng hạt có đờng kính lớn hơn 0,5mm chiếm trên 50%

- Cát vừa

Trọng lợng hạt có đờng kính lớn hơn 0,25mm chiếm trên 50%

- Cát nhỏ

Trọng lợng hạt có đờng kính lớn hơn 0,1mm chiếm bằng 75%

- Cát bụi

Trọng lợng hạt có đờng kính lớn hơn 0,1mm chiếm dới 75%

- Tiêu chuẩn phân loại đất dính:


10

Đối với các loại đất dính, bao gồm đất á cát, đất á sét đặc biệt đất sét, có
tính chất phụ thuộc chủ yếu vào thành phần khoáng vật, tính chất của đất dính
đợc thể hiện qua chỉ số dẻo ta có bảng tiêu chuẩn phân loại đất dính sau:
Bảng 1.4 Tiêu chuẩn phân loại đất dính [1]
Tên đất

Chỉ số dẻo

Lợng chứa nhóm hạt sét (%)

- Đất sét

A >17

> 30

- ¸ sÐt

17 ≥ A > 7

30 -:- 10

- ¸ c¸t

7≥A≥1

10 -:- 3

1.3 Định nghĩa và phân loại đá
1.3.1 Định nghĩa
Đá là tập hợp các khoáng vật, hình thành và tồn tại tự nhiên. Khối đá là
tập hợp từ các loại đá cùng với các loại mặt phân cách nhất định, trong khối đá
có thể chứa nớc ngầm hoặc khí.
Khác với khối đá liền khối, khối đá rời rạc là khối đá cứng rắn có nứt nẻ
mạnh, phân lớp, phân phiến, phay phá, đứt g y, giữa các khối nứt tồn tại mối

liên kết yếu, nói cách khác các phần tử cấu tạo nên khối đá có mối liên kết với
nhau thông qua lực ma sát (hầu nh không có lực dính kết hoặc lực dính kết
rất nhỏ).
Công tác thi công công trình ngầm qua khối đá rời rạc là rất khó khăn,
phức tạp và tốn kém, chúng có thể gây sập lở ngay, do đó để chống giữ
khoảng không gian ngầm là rất khó và thông thờng chúng ta phải có biện pháp
gia cố bảo vệ khối đá trớc hoặc trong quá trình đào khoảng không gian ngầm.
1.3.2 Phân loại đá
Với mục đích xây dựng, các khối đá đợc phân ra thành từng loại theo
một hệ thống phản ánh đúng và khách quan các tính chất cơ học của chúng,
làm cơ sở cho công tác nghiên cứu cũng nh sử dụng chúng vào các mục đích
xây dựng khác nhau. Là những vật thể địa chất phức tạp, các tính chất c¬ häc


11

của đá thờng biến đổi trong không gian và thay đổi theo thời gian, công tác
phân loại đá từ lâu đ là nhu cầu của những ngời làm việc trong lĩnh vực xây
dựng để phục vụ công tác thiết kế, thi công các công trình xây dựng đặc biệt
là trong xây dựng công trình ngầm.
Ngày nay, với nhận thức của con ngời ngày càng đầy đủ hơn, chi tiết
hơn về khối đá, công tác thiết kế và thi công ngày càng có những đòi hỏi cao
hơn về chất lợng, độ chính xác, hợp lý và kinh tế nên hàng loạt các phơng
pháp phân loại đ đợc đề xuất và đợc áp dụng.
Để đánh giá mức độ ổn định của khối đất đá xung quanh công trình
ngầm, nhiều tác giả đ đa ra các phơng pháp phân loại đất đá dựa trên các
tiêu chí khác nhau từ đó đa ra các loại kết cấu chống hợp lý. Khi phân loại
khối đá, trên cơ sở xem xét các yếu tố có ảnh hởng trực tiếp đến độ ổn định
công trình, cho phép đánh giá đợc đặc tính theo từng nhóm, tơng ứng với
mỗi nhóm này có mức độ ổn định khác nhau. Kết quả phân loại khối đá là cơ

sở để thiết kế, lựa chọn kết cấu chống đỡ, phơng pháp thi công ...
Dới đây là tổng hợp một số phơng pháp phân loại đ và đang đợc sử
dụng trong xây dựng công trình ngầm.
Bảng 1.5 Các hệ thống phân loại khối đá điển hình
Chỉ tiêu phân loại

Tác giả,
năm đề xuất

Xuất sứ

Hệ số bền vững: f

M.M.Prôtôđiakônốp
, 1926

Cấu trúc khối đá

Terzaghi, 1946

Mỹ

Thời gian ổn định
không chống

Lauffer, 1958

áo

Liên Xô

Phạm vi ứng dụng
Đánh giá độ ổn định
cho khối đá rắn cứng
đến bở rời.
Xác định vùng sụt lở,
chống bằng khung
thép.
Biện pháp chống giữ,
thi công.


12

Cấu trúc khối đá
Chất lợng khối đá
RQD
Điểm số cấu trúc đá
RSR
Điểm số khối đá
RMR
Chất lợng tuynen Q
Kích thớc - độ bền
Chất lợng khối đá
MR

Rabcewicz, Pacher
và Muller, 1964

áo

Giải pháp thiết kế và
thi công bằng phơng
pháp đào hầm mới
của áo.

Deere, 1967

Mỹ

Wickham.1972

Mỹ

Bieniawski, 1973
Barton, Lien, Lunde
1974
Franklin, Louis,
1975
Costa, Pereira,
Rodrigúe,

Nam Phi
Nauy

Biện pháp chống giữ.
Thi công, xác định áp
lực.
Thi công xây dựng
mỏ, công trình ngầm.

Thi công công trình
ngầm.

Anh, Pháp Thi công đờng hầm.
Bồ Đào Nha Thi công hầm.

1.3.2.1 Phơng pháp phân loại của M.M.Prôtôđiakônốp
Năm 1926 M.M.Prôtôđiakônốp đa ra phơng pháp phân loại khối đá
dựa vào mức độ ổn định khối đá theo tải trọng tác dụng.
Từ thí nghiệm mô hình với cát ẩm và quan trắc thực tế ông cho rằng sau
khi khai đào, phía nóc khoảng trống hình thành một vòm sụt lún dịch chuyển
vào khoảng trống nguyên nhân là do áp lực đất đá phía nóc gây lên và chiều
cao vòm phá hủy chỉ phụ thuộc vào chiều rộng đờng hầm và hệ số kiên cố (f)
của đá. Tức là độ ổn định của khối đá ở nóc hầm không phụ thuộc vào độ sâu
của đờng hầm.
Sử dụng hệ số bền vững (hệ số kiên cố) khối đá (f) đặc trng cho đặc
tính cơ học của đá, ông chia đất, đá thành 10 cấp từ đá rắn chắc nhất đến chắc,
mềm và rời chảy (đất chảy).
Theo M.M.Prôtôđiakônốp đất đá mềm (Sét chặt, than đá mềm. Đất bồi
chắc f =1; Sét cát nhẹ, đất lót có f= 0,8), đất (đất trồng, than bùn, cát pha nhẹ)


13

f = 0,6; đá rời ( cát, lở tích, dăm nhỏ, đất đắp...) f = 0,5; đất chảy ( đất cát
chảy, đất lầy, đất lót bị chảy nh o và các loại đất chảy nh o khác) f = 0,3
Phơng pháp phân loại của M.M.Prôtôđiakônốp dựa trên hệ số kiên cố
(f) của mẫu đá (và tơng quan kích thớc đờng hầm dẫn tới khả năng sụt lở
từ nóc công trình) phơng pháp phân loại này áp dụng cho môi trờng khối đá
đồng nhất, trong ngành khai thác mỏ sử dụng rất rộng r i, hệ số kiên cố (f) là

một thông số rất quan trọng trong công tác đánh giá độ ổn định của khối đá
xung quanh khoảng không gian ngầm, tuy nhiên phơng pháp cha chú ý
nhiều đến các các đặc tính cấu trúc của khối đá nh mật độ khe nứt, chất lấp
nhét, lợng nớc ngầm trong khối đá. Trên cơ sở hệ số kiên cố của đất đá rời
rạc ta có thể tính toán các thông số cho kết cấu chống tạm khung thép, khoan
phụt...
1.3.2.2 Phơng pháp phân loại của Bieniawski
Năm 1973 Bieniawski (Nam Phi) đ đa ra bảng phân loại với phơng
pháp đánh giá khối đá theo thời gian ổn định không chống, tức là thời gian ổn
định của không gian ngầm khi cha có vỏ chống. Phơng pháp phân loại của
Bieniawski dựa trên các thông số đợc đo đạc trên hiện trờng và kết quả phân
tích các mẫu đá thu đợc trong lỗ khoan thăm dß [3]:
RMR = I1 + I2 +I3 +I4 +I5 +I6
Trong ®ã:

(2.1)

I1_Tham sè xÐt ®Õn ®é bỊn nÐn mét trơc cđa đá
I2_Tham số thể hiện lợng thu hồi lõi khoan RQD
I3_Tham số thể hiện khoảng cách giữa các khe nứt
I4_Tham số thể hiện trạng thái của khe nứt
I5_Tham số thể hiện điều kiện ngậm nớc
I6_Tham số thể hiện tơng quan giữa thế nằm của các lớp và

hớng đào của công trình.
Mỗi tham số ảnh hởng đợc xét đến trong phơng pháp phân loại RMR
đều đợc tính toán tùy theo từng điều kiƯn cơ thĨ. Bieniawski cịng ® thiÕt lËp


14

mối tơng quan giữa các giá trị RMR với "thời gian tồn tại ổn định" và "khẩu

Chiều rộng công trình ngầm

độ không chống" ( hình 1.1).

Sập lở
ngay

Không cần chống

Thời gian tồn tại ổn định, giờ
Hình 1.1 Phân loại khối đá theo Bieniawski. [3]
Theo bảng phân loại khối đá đợc chia ra làm 5 cấp, khối đá cấp 5 là rất
xấu có giá trị RMR nhỏ hơn 20, độ bền nén đơn trục của khối đá rất nhỏ từ 25
MN/m2 trở xuống, giá trị RQD < 25%, khoảng cách khe nứt 60 -:- 200mm
lợng nớc chảy vào khu vực dạng chảy giọt đến chảy dòng với lu lợng lớn
hơn 125 l/phút và với khối đá rất xấu thời gian ổn định không chống chỉ kéo
dài dới 2 giờ và khoảng cách không chống chỉ nhỏ hơn 0,8m.
Phơng pháp của Bieniawski đ đợc phát triển và bổ sung bởi nhiều tác
giả khác nhau, đặc biệt là trong mối liên hệ với kết cấu chống, nh của
Cummings & Kendorski 1982. Tuy nhiên phơng pháp này cha đa ra phân
loại cụ thể với môi trờng đất đá rời rạc và cha đa ra kết cấu chống hợp lý.
Ngày nay trong công tác thi công công trình mỏ và ngầm phơng pháp
phân loại của Bieniawski đợc sử dụng rất rộng r i, đặc biệt là các công trình
ngầm giao thông, thủy điện ... phơng pháp phân loại này có chú ý đến nhiều


15

các thông số cơ học, đặc điểm cấu trúc của khối đá, các thông này có ảnh
hởng trực tiếp đến các phản ứng, biểu hiện của khối đá khi chúng ta có
những tác động kỹ thuật, các thông số này đợc thu thập, khảo sát ngoài thực
tế, hiện trờng hoặc từ kết quả phân tích các mẫu đá thu đợc trong lỗ khoan
thăm dò.
1.3.2.3 Phơng pháp phân loại của Barton, Lien và Lunde
Từ kết quả phân tích, quan trắc của 200 trờng hợp xây dựng các công
trình ngầm, năm 1974 BARTON và các cộng sự của Viện Địa kỹ thuật Na Uy
(Norwegian Geotechnical Institut NGI) đ kiến nghị một phơng pháp phân
loại khối đá theo chỉ tiêu gọi là chất lợng tuy-nen -Tunnel Quality Q. Chỉ
tiêu này đợc đánh giá qua 6 tham số hay chỉ số, định nghĩa bởi biểu thức:[3]
Q=

RQD
ì
J
n

J
r ì w
J
SRF
a
J

(2.2)

Trong đó: RQD (Rock Quality Designation) là chỉ số chất lợng đá;
Jn là chỉ số chú ý đến số lợng các hệ khe nứt trong khối đá;

Jr là chỉ số xét tới ảnh hởng của độ nhám của các mặt khe nứt;
Ja là chỉ số xét đến mức độ phong hoá bề mặt của các khe nứt;
Jw là chỉ số kể tới ảnh hởng của nớc ngầm;
SRF là chỉ số tính đến sự suy giảm ứng suất.
Dựa vào số điểm tổng hợp Q thu đợc, các khối đá đợc xếp vào 9 nhóm khác
nhau nh trong bảng 1.6.
Giá trị của 6 tham số liên quan với các dấu hiệu thu nhận đợc về các
đặc điểm tơng ứng của khối đá (1977), Nh vậy sáu tham số phân loại đợc
kết hợp thành ba cặp thừa số với ý nghĩa sau:
+ RQD/Jn đặc trng cho kích thớc của các khối nứt,
+ Ja/Jr đặc trng cho độ bền cắt hay trợt giữa các khối nứt,
+ Jw/SRF đặc trng cho "ứng suất hữu hiệu", tác dụng vào khối đá.


16

Bảng 1.6 Các nhóm khối đá theo Barton, Lien và Lunde

> 400

Cấp ổn định - nhóm
khối đá
I

Đặc điểm ổn định của
khối đá
Đặc biệt tốt

100-400

II

Cực kỳ tốt

40-100

III

Rất tốt

10-40

IV

Tốt

4-10

V

Trung bình

1-4

VI

Yếu

0,1-1,0

VII

Rất yếu

0,01-0,1

VIII

Cực kỳ yếu

Giá trị của chỉ tiêu: Q

0,001-0,01
IX
Đặc biệt yếu
Từ bảng phân loại theo hệ Q, các tác giả đa ra biện pháp chống đỡ hầm
khi khai đào. Năm 1993 N. Barton và E.Grimstad đ cải tiến và bổ sung
phơng pháp phân loại khối đá theo hệ Q, có xét tới biện pháp và khối lợng
gia cố tuynen. Trên hình 1.3 là sơ đồ phân loại và các kết cấu chống do
Grimmstad và Barton cải tiến năm 1993.
Cực kỳ yếu

Rất yếu

trung
bình

Yếu

Chiều rộng hoặc chiều cao (m)/ESR

100
50

20
10

rất cực kỳ đặc
tốt
tốt
biệt tốt

2,5m
2,1m 2,3m

khoảng cách giữa
các neo trong vùng
có bê tông phun
1,2m

tốt

1,3m

1,5m

1,7m

10

7
5

1,0m

(9)

(8)

(7)

(6)

(5) (4) (3)

(2)

(1)
4,0m

5

250mm

150mm

90mm
50mm

120mm

1,5m

1

1,3m
1,0m
0,004 0,01

0,04 0,1

0,4

1

4

10

40

khoảng cách
giữa các neo
trong vùng
không có bê
tông phun
100

3
2,4

3,0m

400mm
2,0m

2

0,001

20

400

1000

Hình 1.2 Phân loại khối đá theo Grimmstad và Barton

1,5

Chiều dài neo (m) khi ESR=1

Đặc biệt yếu


17

Trong hình 1.2 các con số trong dấu () có ý nghĩa nh sau:
1: Không chống

5: Bêtông phun sợi thép dày 50 ữ90mm với neo

2: Neo điểm

6: Bêtông phun sợi thép dày 90 ữ 120mm với neo

3:Neo hệ thống

7: Bêtông phun sợi thép dày 120 ữ 150mm với neo

4: Neo hệ thống với bêtông
phun dày 40 đến 100mm

8: Bêtông phun sợi thép dày >150mm với neo
9: Bêtông liền khối

Tuy nhiên phơng pháp này cũng cha đa ra phân loại cụ thể với môi
trờng đất đá rời rạc và kết cấu chống hợp lý cho môi trờng này.
1.3.2.4 Phân loại khối đá theo Rabcewicz, Spacher và Golser
Theo phơng pháp thi công hầm mới của áo (New Austrian Tunneling
Method-NATM) việc phân loại khối đá cần thiết đợc thống nhất cho từng dự
án, theo biểu hiện của khối đá. Tuy nhiên cần thiết phải gắn liền việc phân
loại với các biện pháp đào và chống. Ngoài ra các tiêu chí phân loại cần rất rõ
ràng để tránh gây nên những bất đồng trong quá trình thi công. Bảng 1.7 là
bảng phân loại của Rabcewics, Pacher và Golser, đợc xây dựng trên cơ sở
phơng pháp phân loại của Lauffer. Bảng phân loại này liên quan với một
đờng hầm có tiết diện 80 đến 140m2, tơng đơng với khẩu độ (chiều rộng)
10 đến 14m.
Các nhóm khối đá rời rạc đợc đề cập khá rõ ràng cũng nh các biện
pháp thi công đào, chống đợc xem xét cho mỗi dự án sao cho mọi điều kiện

có thể của khối đá đều đợc chú ý đầy đủ.
Nhóm V. Khối đá bị nén ép.
Phơng thức đào: đào phần vòm trớc
Tiến độ đào

: 1,0 đến 2,5m

Kết cấu chống tạm: bê tông phun có một hoặc hai lớp lới thép đơn, dày 15 đến
20cm, khung thép khoảng cách 1,2 đến 1,5m, neo hệ thống. Phần nền cần thiết phải
thi công 1 đến 2 tuần sau khi thi công phần vòm. Phải bảo vệ, chống đỡ gơng.