3 3 thiết kế hệ thống chống đỡ đường hầm

Nơi nào các điều kiện đất đá không thuận lợi hoặc có có những điều kiện đặc biệt ví dụ có nhà hoặc các công trình trên mặt đất với lớp đất đá phủrất mỏng thì lớp bê tông vỏ hầm được xem

3.3 Thiết kế hệ thống chống đỡ đường hầm3.3.1 Đại cương

ĐIỀU 38 Đại cương

(1) Hệ thống chống đỡ đường hầm được thiết kế để giữ ổn định ngay sau khi khai đào xong

do tạo ra một kết cấu vững chắc kết hợp với đất đá xung quanh Nơi nào sự dịch chuyển của đất đá có thể gây ra tác động đến đất mặt hoặc các kết cấu xung quanh thì phải áp dụng hệ thống chống đỡ đường hầm phù hợp không có bất kỳ tác động bất lợi nào đến đất mặt hoặc các kết cấu xung quanh

(2) Hệ thống chống đỡ đường hầm được thiết kế để bảo đảm thực hiện an toàn và có hiệu quả tất cả các hoạt động trong đường hầm

[Giải thích]

(1) Nói chung, những thành phần của hệ thống chống đỡ đường hầm là bê tông phun, neo đávà các hệ thống chống đỡ bằng thép Nơi nào các điều kiện đất đá không thuận lợi hoặc có có những điều kiện đặc biệt (ví dụ có nhà hoặc các công trình trên mặt đất với lớp đất đá phủrất mỏng) thì lớp bê tông vỏ hầm được xem là một phần của hệ thống chống đỡ đường hầm

Vấn đề cơ bản là phân tích các đặc điểm của mỗi thành phần của hệ thống chống đỡ và dùng riêng từng thành phần hay phối hợp với nhau để thiết kế một hệ thống chống đỡ đường hầm hiệu quả

ĐIỀU 39 Xác định loại hệ thống chống đỡ đường hầm

Xem xét kỹ lưỡng các đặc điểm của điều kiện đất đá và phương pháp xây dựng đường hầm là cần thiết để thiết kế hệ thống chống đỡ đường hầm Dựa trên các điều kiện đất đá chọn các thành phần của hệ thống chống và xác định loại hệ thống chống đỡ

[Giải thích]

Hệ thống chống đỡ đường hầm phải sử dụng có hiệu quả những tính chất chống đỡ vốn có của đất đá gốc Để thiết kế hệ thống chống đỡ hiệu dụng cần phải đánh giá tất cả các

điều kiện đất đá như địa lý, địa chất, các đặc điểm vật lý, chiều sâu tầng đất đá phủ, khả năng có dòng nước chảy vào, các mặt cắt khai đào đường hầm, hạn chế về độ lún bề mặt, phương pháp đào đường hầm, v v

Các điều kiện địa chất ở Nhật thường thay đổi và phức tạp, khó dự báo những điều kiện đất đá chính xác trước khi khai đào, cũng khó thiết kế hệ thống chống đỡ đường hầm phù hợp trước khi đào đường hầm

Do đó, các hệ phân loại đất đá theo các chỉ số địa chất phù hợp là những yếu tố quan trọng để thiết kế hệ thống chống đỡ đường hầm Trước khi khai đào đường hầm, cần phải xác định các mô hình hệ thống chống đỡ đường hầm là những cách phối hợp của bê tông phun, neo đá hoặc hệ thống chống đỡ bằng thép đối với mỗi hệ phân loại đất đá Dùng những mô hình hệ thống chống đỡ đường hầm như trên làm thiết kế sơ bộ của hệ thống chống đỡ đường hầm

Trong quá trình đào đường hầm sẽ tiến hành thẩm định thiết kế sơ bộ này thông qua quan trắc và theo dõi, nếu cần thì thay đổi, và sẽ được một thiết kế phù hợp của hệ thống chống đỡ đường hầm đối với điều kiện đất đá

Xem xét chức năng của từng thành phần của hệ thống chống đỡ đường hầm là điều quan trọng để phối hợp các thành phần đó như bê tông phun, neo đá và hệ thống chống đỡ bằng thép (nếu dùng)

Bảng* 3.2 giới thiệu những hạng mục để chọn các thành phần của hệ thống chống đỡ.Thường thiết kế hệ thống chống đỡ theo cách sau:

1) Áp dụng thiết kế tiêu chuẩn,

2) Áp dụng thiết kế theo các điều kiện đất đá tương tự,

3) Áp dụng phương pháp giải tích

1) Áp dụng thiết kế tiêu chuẩn

Cần phải có kỹ năng và kinh nghiệm cùng với số liệu xây dựng đường hầm để xác định các mô hình của hệ thống chống đỡ đường hầm Sẽ là thuận lợi và thiết thực để quyết

định những mô hình của hệ thống chống đỡ đường hầm dựa trên các mô hình tiêu chuẩn của hệ thống chống đỡ được xác định bằng các số liệu của đường hầm đã xây dựng.

Bảng* 3.3 giới thiệu các mô hình tiêu chuẩn của hệ thống chống đỡ hầm đường bộ

2) Áp dụng thiết kế theo các điều kiện đất đá tương tự

Khi các điều kiện thiết kế như điều kiện đất đá hoặc mặt cắt đường hầm tương tự nhau thì có thể thiết kế hệ thống chống đỡ đường hầm theo ví dụ tương tự đó Trường hợp này yêu cầu những nội dung sau:

i) thu thập mọi thông tin về đường hầm đã xây dựng như địa chất, phương pháp đào đường hầm trong thời gian xây dựng, và đo đạc và quan trắc theo dõi, v v

ii) phân tích, đánh giá những thông tin trên đây, đối chiếu với tất cả kết quả khảo sát

iii) thêm những phân tích mới vào các mô hình của hệ thống chống đỡ của ví dụ đã dùng, xác định các mô hình phù hợp của các hệ thống chống đỡ đường hầm

Bảng* 3.2 Những hạng mục để chọn các thành phần của hệ thống chống đỡ

(mặt cắt khai đào 20 – 100 m2)

Thành phần của hệ thống

chống đỡ

Phương pháp phụ

khi tác động lên bê tông vỏ hầm

cho mặt gương phần vòm

Thường

có nứt nẻ

- Đá rơi

- Áp lực đất đá bị tơi

- Áp lực của đất

Ổn định mặt gương (Mặt gương và vòm hầm)

Bảo đảm các điều kiện tốt cho bề mặt bên dưới, bê tông vòm ngược được ưa chuộng

kiện tốt cho bề mặt bên dưới, cần có bê tông vòm ngược cho trường hợp bùn kết

- Áp lực của đất

cần thiết lập sớm

- Áp lực của đất

Ổn định gương (mặt gương)

- Thiết lập sớm các mặt cắt kín

- Bê tông phun tính năng cao

- Quan trắc biến dạng lún

- Giới hạn cho phép chuyển dịch cuối cùng

Đất đá bị ép

vắt

- Áp lực đất đá bị tơi

- Áp lực của đất

- Áp lực ép vắt

Ổn định mặt gương (Ổn định mặt gương và gia cố chân tường hầm)

- Thiết lập sớm các mặt cắt kín

- Bê tông phun tính năng cao

- Lớp bê tông vỏ hầm thứ hai là thành phần của hệ thống chống đỡ

- Theo dõi lún do biến dạng

- Giới hạn cho phép chuyển dịch cuối cùng

Đất đá không

bền vững (đất

đá phủ ít)

- Áp lực đất đá bị tơi

- Lún bề mặt

Ổn định mặt

gương, bảo vệ lún bề mặt và kết cấu kề bên

- Thiết lập sớm các mặt cắt kín

- Lớp bê tông vỏ hầm thứ hai là thành phần của hệ thống chống đỡ

3) Áp dụng phương pháp giải tích

Nơi nào xem ra khó áp dụng cách 1) và 2) nêu trên, như trong các trường hợp sau đây, thì

việc thiết kế hệ thống chống đỡ đường hầm có thể xác định bằng phương pháp giải tích

i) Khi dự kiến gặp những điều kiện đất đá đặc biệt, ví dụ áp lực lớn của đất lên đường hầm, biến dạng lớn bất thường, v.v…

ii) Khi các mặt cắt khai đào đường hầm rất đặc biệt,

iii) Khi khó tìm được những đường hầm tương tự làm ví dụ vì những điều kiện đặc biệt

ĐIỀU 40 Thay đổi hệ thống chống đỡ

Kết quả quan sát và theo dõi đo đạc trong quá trình đào đường hầm cho thấy rằng thiết kế hệ thống chống đỡ đường hầm không phù hợp thì phải thay thế ngay thiết kế đó

[Giải thích]

Điều quan trọng là phải đánh giá chính xác tất cả thông tin theo dõi quan trắc kể cả việc quan sát gương đào và dùng kết quả đánh giá đó để thiết kế hệ thống chống đỡ nhằm mục đích thực hiện việc xây dựng đường hầm an toàn, kinh tế và hiệu quả Ở chỗ nào thấy rằng cần thay đổi hệ thống chống đỡ đường hầm để điều chỉnh theo sự thay đổi liên tục của điều kiện đất đá thì không được chậm trễ trong việc thực hiện những thay đổi đó

Xem xét thay đổi hệ thống chống đỡ đường hầm trong hai trường hợp sau:

1) Các thay đổi thiết kế ban đầu của hệ thống chống đỡ dùng cho khu vực không khai đào theo những thông tin quan sát và theo dõi quan trắc

2) Các thay đổi thiết kế ban đầu của hệ thống chống đỡ dùng cho khu vực khai đào vì gặp biến dạng không thể dự kiến trước hoặc một điều tương tự đòi hỏi phải có các biện pháp ổn định đất đá hoặc bảo vệ môi trường xung quanh

Trong Bảng* 3.4 là những thay đổi và các biện pháp đối phó tương ứng

Bảng* 3.4 Những thay đổi chính

i) Thay đổi trong phạm vi mô

hình hệ thống chống đỡ gốc

• Thay đổi bề dày lớp bê tông phun

• Dùng bê tông phun tính năng cao

• Thay đổi chiều dài và số lượng neo đá

• Thay đổi khoảng cách của vì thép ii) Áp dụng phương pháp phụ • Ổn định gương hầm (neo gương)

• Thoát nước (lỗ khoan thoát nước, v v )

• Chống lún bề mặt (đóng cọc trước)

• Bảo vệ kết cấu kề bên (hệ thống chống đỡ có độ

cứng cao hơn, thành kiểu màng, v v )iii) Thay đổi loại đất đá • Thay đổi mô hình hệ thống chống đỡ đường hầmiv) Thiết lập mặt cắt kín • Sớm đặt bê tông vòm ngược.

• Tạm thời thiết lập mặt cắt kín bằng bê tông phun vòm ngược

• Dùng lớp bê tông vỏ hầm tính năng cao

• Bê tông vỏ hầm dự phòngv) Thay đổi phương pháp khai

đào (cách thay đổi thông

thường là từ toàn gương với

bậc nhỏ sang các phương pháp

• Thay đổi bề dày lớp bê tông vỏ hầm

• Thay đổi giá trị biến dạng cuối cùng cho phép

• Thay đổi hình dạng mặt cắt khai đào

3.3.2 Bê tông phun

ĐIỀU 41 Đại cương

Xem xét các điều kiện đất đá, mục đích sử dụng và khả năng chống đỡ để thiết kế lớp bê tông phun đạt chức năng đầy đủ của một thành phần trong hệ thống chống đỡ đường hầm

[Giải thích]

Bê tông phun là một thành phần thường sử dụng nhất của hệ thống chống đỡ đường hầm và có những đặc điểm sau:

i) Sau khi khai đào phải tạo lớp bê tông phun ngay lập tức,

ii) Lớp bê tông phun gắn với bề mặt đất đá,

iii) Tạo ra lớp bê tông phun theo mọi kích thước và hình dạng của đường hầm

Trong Bảng* 3.5 liệt kê nhưng tác dụng của bê tông phun

Bảng* 3.5 Những tác dụng của bê tông phun

ĐIỀU 42 Cường độ nén của bê tông phun

Cường độ thiết kế của bê tông phun được xác định có tính đến mục đích sử dụng và các điều kiện đất đá

[Giải thích]

Cường độ thiết kế của bê tông phun thường áp dụng là 18 Mpa Sau 28 ngày, giá trị này gần bằng cường độ của bê tông vỏ hầm Một trong những mục đích của bê tông phun là nhằm làm cho đất đá ổn định sớm hơn, vì vậy cần phải xác định cường độ ngắn hạn và độ bền lâu dài đối với cường độ thiết kế dựa trên những điều kiện đất đá và mục đích sử dụng

ĐIỀU 43 Hỗn hợp bê tông phun thiết kế

(1) Thiết kế hỗn hợp bê tông phun để nhận được các tính chất cần thiết là cường độ, độ bền, “không rò nước”, sự liên kết và khả năng thực hiện

(2) Xác định hỗn hợp thiết kế của bê tông phun trên cơ sở cường độ yêu cầu hoặc cường độ thiết kế của bê tông có tính đến các điều kiện địa điểm

2) Tỷ số cát – cốt liệu thô (S/A)

Đối với loại bê tông thường, cường độ của bê tông phun tăng tỉ lệ với môđun cỡ hạt của cốt liệu thô Sử dụng cốt liệu thô cỡ lớn hơn có thể gây ra tỉ lệ rơi vãi lớn hoặc là vấn đề bơm bê tông phun, vì vậy sử dụng cốt liệu thô cỡ lớn hơn không khả thi Thông thường, kích thước lớn nhất của cốt liệu thô là (Gmax) dùng cho bê tông phun là 10 mm hoặc 15 mm

3) Chất phụ gia cho bê tông phun

Phụ gia chủ yếu dùng cho bê tông phun là chất làm đông cứng Liều lượng chất làm đông cứng khoảng 5-8% trọng lượng xi măng theo phương pháp sử dụng ướt, tuy nhiên liều lượng này có thể tăng lên tùy các điều kiện tại vị trí làm việc hoặc lưu lượng nước

(2) Không giống như loại bê tông thường, cường độ của bê tông phun chịu ảnh hưởng lớn bởi các điều kiện tại vị trí làm việc, do đó cường độ thay đổi lớn hơn so với bê tông thường Đề nghị xác định cường độ của hỗn hợp bê tông dựa vào số liệu của những trường hợp đã có trong quá khứ và/hoặc những thí nghiệm hỗn hợp bê tông trước khi sử dụng nhằm đáp ứng cường độ yêu cầu của các kết cấu

Bọt silic cũng là một phụ gia có thể dùng để cải thiện cường độ, tính không rò nước, độ bền của bê tông phun, và cũng cải thiện khả năng thực hiện như giảm tỉ lệ rơi vãi

ĐIỀU 44 Bề dày thiết kế của bê tông phun

Xác định hợp lý bề dày thiết kế của bê tông phun sau khi xem xét các điều kiện đất đá, mục đích sử dụng và diện tích mặt cắt ngang của đường hầm

[Giải thích]

Bề dày thiết kế của bê tông phun có thể giảm ở nơi nào không có áp lực của đất đá trong điều kiện đá cứng và ở nơi phải sử dụng bê tông phun để đề phòng đá rơi hoặc các khối đá bị trượt Bề dày thiết kế của bê tông phun phải lớn hơn để tăng khả năng chịu tải và độ cứng của hệ thống chống đỡ đường hầm ở những nơi gặp áp lực lớn của đất đá hoặc bị biến dạng lớn trong đất đá bị ép vắt, hoặc ở những nơi đất đá có khả năng chịu tải nhỏ hoặc khả năng chịu biến dạng thấp trong đất đá không bền vững; hoặc ở những nơi phải giảm đến tối thiểu sự lún đất đá với tầng đất đá phủ mỏng

ĐIỀU 45 Gia cố bê tông phun

Nơi nào cần gia cố bê tông phun thì sẽ xem xét kỹ lưỡng vật liệu và phương pháp gia cố

[Giải thích]

Thông thường, việc gia cố bê tông phun với lưới thép hàn hoặc sợi thép sẽ được xem xét ở nơi nào có yêu cầu về độ bền kéo hoặc độ bền dai đối với bê tông phun Trong một số trường hợp loại hỗn hợp bê tông cường độ cao hoặc gia cố kết cấu bằng phối hợp với vì thép cũng được xem xét

30,621,313,68,8

2) Sợi thép

Sử dụng bê tông gia cố bằng sợi thép có hiệu quả ở chỗ có dự báo xảy ra ứng suất phức tạp hoặc biến dạng lớn tại lối vào đường hầm hoặc các chỗ giao nhau Bê tông phun có sợi thép có những đặc điểm sau đây:

i) Độ bền kéo, uốn và cắt cao,

ii) Độ bền tàn dư cao khi vượt quá độ bền kéo cực đại,

iii) Cực kỳ bền dai, và để chuyển ứng suất kéo sau khi xuất hiện vết nứt,

iv) Cực kỳ mềm dẻo,

v) Có tính bền chống va đập, đóng băng và băng tan

Giản đồ H*.3.3 cho thấy rằng không có khác biệt gì lớn về cường độ nén của bê tông và bê tông cốt sợi thép Ngược lại, bê tông cốt sợi thép có cường độ cắt, cường độ uốn và cường độ kéo lớn hơn bê tông thường Hơn nữa, giản đồ H*.3.4 còn cho thấy rằng bê tông cốt sợi thép có một ưu điểm mà bê tông thường không có Đó là sau khi xuất hiện vết nứt trong bê tông, cường độ vẫn còn đáng kể cho đến khi bê tông bị phá hủy hoàn toàn Bê tông cốt sợi thép có ưu thế vì bền dai

Sợi thép thường dùng có chiều dài 25 mm, đường kính 0,6mm và tỉ số chiều dài/đường kính khoảng 40 – 60 Lượng sợi thép dùng cho hỗn hợp thường là 0,75 – 1% theo thể tích Trong Bảng* 3.7 là một ví dụ hỗn hợp thiết kế tiêu biểu của bê tông cốt sợi thép

3.3.3 Neo đá

ĐIỀU 46 Đại cương

Các neo đá được thiết kế có tính đến các điều kiện đất đá, mục đích sử dụng, tác dụng mong muốn và khả năng thực hiện

[Giải thích]

Neo đá liên kết với cấu tạo của đất đá có chức năng chống đỡ, vì vậy xem xét cẩn thận sự xê dịch của đất đá để xác định cách bố trí neo đá, chiều dài, đường kính, kiểu liên kết và vật liệu Trong Bảng* 3.8 giới thiệu những tác dụng của neo đá

ĐIỀU 47 Kiểu liên kết của neo đá

Xác định kiểu liên kết của neo đá dựa vào sự xem xét mục đích sử dụng neo, điều kiện đất đá và khả năng thực hiện

Bảng* 3.8 Khái niệm về các tác dụng bắt neo đá vào đá

ĐIỀU 48 Các kích thước và bố trí neo đá

Thiết kế các kích thước và bố trí neo đá theo sự xem xét mục đích sử dụng neo, các điều kiện đất đá và mặt cắt ngang của đường hầm

[Giải thích]

1) Bố trí neo đá

Về nguyên tắc, neo đá được phân bố với mong muốn là để gia cố khu vực bị ảnh hưởng bởi việc khai đào đường hầm Thông thường, sử dụng neo đá phù hợp với cách bố trí đã quy định khi thiết kế có tính đến các điều kiện đất đá

Hình* 3.5 giới thiệu một vài ví dụ tiêu biểu về cách bố trí neo đá trong những điều kiện đất đá khác nhau

H*.3.5 Những cách bố trí neo đá tiêu biểu

2) Chiều dài và đường kính của neo đá

Việc xác định chiều dài của neo đá phụ thuộc vào những tác dụng dự kiến của neo đá Nơi nào dự kiến neo đá có “Tác dụng treo” khối đá hoặc “Tác dụng làm xà hỗn hợp” thì phải lắp neo đá quá vùng đất đá bị tơi Nơi nào dự kiến có “Tác dụng chịu tải”, “Tác dụng vòm đất đá” hoặc “Tác dụng gia cố đất đá” thì cần bảo vệ đất đá bị biến dạng và chống lại ứng suất của đất đá bằng độ bền kéo của neo đá Vì vậy việc xác định chiều dài cần thiết của neo đá là để có đủ lực liên kết Đường kính của neo đá thường từ 21 – 25 mm