công nghệ thi công công trinh ngầm NATM t8 2018 công nghệ mới của áo

Phương pháp đào hầm mới của Áo (the New australian Tunnelling Method NATM) được thế giới biết đến vào năm 1948, khi GS L.v.Rabcewicz đăng ký bản quyền sáng chế phát minh của mình. Tư tưởng (hay triết lý) chủ đạo của phương pháp này là: khối đá chứa công trình ngầm (CTN) cần được tận dụng thành một bộ phận mang tải cơ bản của công trình, khối đá sẽ cùng với các thành phần kết cấu chống khác giữ ổn định công trình trong giai đoạn thi công cũng như trong giai đoạn sử dụng. Yêu cầu này chỉ có thể đạt được khi sử dụng một chu trình đào và chống giữ công trình một cách hợp lý. Song trong thực tế, một điều đã được thừa nhận: Xây dựng các công trình ngầm là một lĩnh vực mang tính nghệ thuật.

Chương III Phương pháp thi công hầm mới của áo NATM

3 Phương phỏp thi cụng hầm mới của Áo

3.1 Khỏi quỏt

Trong những thập kỷ 50, 60 của thế kỷ 20, cỏc quan điểm mới trong xõy dựng cụng trỡnh ngầm được nờu ra và trao đổi mạnh mẽ Cơ sở của cỏc quan điểm mới này một mặt là dựa trờn những nhận thức về yếu tố thời gian thường gặp trong quỏ trỡnh xõy dựng cụng trỡnh ngầm, theo cỏc luận điểm được Rabcewicz (1944) phõn tớch; mặt khỏc dựa trờn những suy luận về những tỏc động tương hỗ tớch cực, thụ động giữa khối đỏ và kết cấu cụng trỡnh ngầm, được nhiều tỏc giả phõn tớch, minh chứng định tớnh như Pacher (1964), Rabcewicz (1963, 1965, 1969), sau đú là định lượng như Egger (1973) Đồng thời cỏc cụng trỡnh của Sondderegger (1956) cũng như của tỏc giả Brunner (1955), người thi cụng nhiều cụng trỡnh ngầm thành cụng, đặc biệt là của Rabcewicz (1961) đó phõn tớch tỷ mỷ về việc bảo vệ khoảng trống sau khi đào bằng bờ tụng phun Theo cỏc tỏc giả này, với bờ tụng phun cú thể trỏm bớt nhanh và cú hiệu quả cỏc khoảng trống mới đào ra, như đó được cỏc thế hệ trước nhận xột và lưu ý như Heim (1905), Rothpeletz (1918), Maillart (1923), Andrea (1925,1926)

Sự tổng hợp ba vấn đề, gồm hai vấn đề mang tớnh lý thuyết cựng với những nhận thức thực tế, cụ thể là ảnh hưởng của yếu tố thời gian, tỏc dụng tương hỗ giữa khối đỏ và kết cấu cụng trỡnh và khả năng trỏm bớt bề mặt khoảng trống, đó dẫn đến sự hỡnh thành một con đường mới trong xõy dựng cụng trỡnh ngầm Trờn cơ sở đú Rabcewicz (1963) đó đưa ra khỏi niệm mới,

được nhiều người cho là cú ý nghĩa lịch sử, đú là „Phương phỏp thi cụng hầm mới của Áo‟

trong bỏo cỏo của mỡnh Đương nhiờn, phương phỏp (đỳng nghĩa hiểu theo tiếng ỏo là phương thức) đào hầm mới này, đó chỳ ý đến cỏc kinh nghiệm, cỏc nghiờn cứu về ỏp lực đất/đỏ cũng như

mối liờn quan giữa ỏp lực đất/đỏ với cụng nghệ thi cụng, với cỏc vấn đề về địa cơ học và phương thức thi cụng, đó được nhiều nhà khoa học, cỏc chuyờn gia thực tế đỳc rỳt và tổng hợp, như Bierbaumer, ệrlay, Rabcewicz, Stini, Terzaghi và Tschernig

Bờtụng phun là yếu tố bảo vệ cơ bản của phương phỏp thi cụng hầm mới của ỏo đó khẳng định tớnh kinh tế rất rừ ràng Phương phỏp thi cụng này, theo đăng kớ bản quyền của Rabcewiez

cú cỏc đặc điểm cơ bản sau:

Rabecwicz, L.v.: Patentschrift ệsterreichisches Paten Nr.165573 (1948) Rabecwicz, L.v.: Gebirgsdruck und Tunnelbau Wien 1944

 Phương phỏp thi cụng hầm mới của Áo quan tõm chủ yếu đến ba loại kết cấu cơ bản là: bờtụng phun, neo và khung thộp hỡnh hoặc khung thộp hàn tổ hợp, được sử dụng riờng rẽ hoặc phối hợp

 Nhờ cú lớp vỏ mỏng bờtụng phun nờn hiện tượng dịch chuyển, tơi rời của khối đỏ được hạn chế căn bản và quỏ trỡnh biến đổi cơ học được lan rộng vào trong khối đỏ, qua đú hỡnh thành một “vành chịu tải” trong khối đỏ

 Kết cấu chống được xõy dựng sau đú chỉ phải tiếp nhận tải trọng tỏc dụng nhỏ vỡ vậy cú thể thiết kế với kớch thước nhỏ hơn

 Đo đạc biến dạng, dịch chuyển của khối đỏ kết hợp với thi cụng nhanh kết cấu nền hay vũm ngược phớa nền, tạo cơ sở cho cỏc quyết định, nhận định về tớnh toỏn và thi cụng

Như vậy, cốt lừi của „phương phỏp thi cụng hầm mới của Áo‟ chớnh là sử dụng bờ tụng phun

làm kết cấu chống tạm, hay bảo vệ, nhanh, kịp thời Cũng vì vậy, nhiều nhà khoa học và thực tế khác của Châu Âu quan niệm rằng phương pháp thi công hầm mới của áo chỉ là một dạng của

„phương pháp-hay phương thức bê tông phun‟, đã được nhiều nơi sử dụng Mặt khác ngoài bê

tông phun, các kết cấu chống tạm hay bảo vệ khác cũng được sử dụng độc lập hay phối hợp như neo, khung thép, cọc, ván ; các sơ đồ thi công được xây dựng trên cơ sở các sơ đồ thi công kinh điển, do vậy ở Châu âu, phạm vi áp dụng được coi là „phương pháp thi công hầm mới của Áo‟ cũng được giới hạn lại (hình 2.2), cụ thể là trong phạm vi khối đá từ ổn định đến tróc lở Khi khối đá có các biểu hiện tróc lở mạnh đến có áp lực mạnh, phương pháp thi công được thực hiện theo nguyên tắc đón đỡ, hay theo phương pháp thi công của Bỉ Khi biểu hiện của khối đá thuộc các nhóm từ áp lực mạnh đến dạng tơi rời, chảy, thì phương pháp thi công hợp lý là phương pháp chia gương có nhân đỡ (đào các đường lò hay đường hầm hai bên hông trước rồi đào phía nóc sau), còn được gọi là phương pháp thi công (có nhân đỡ) của Đức Các phương pháp đó đã được coi là các phương pháp cổ điển, tùy theo sơ đồ đào và sơ đồ thi công

Tuy nhiên, mặc dù bê tông phun với vai trò làm chức năng bảo vệ đã được sử dụng rất sớm, song lần đầu tiên đã được các chuyên gia Áo phân tích kỹ và xây dựng thành phương pháp, do vậy trên thế giới khái niệm phương pháp thi công hầm mới của Áo đã được áp dụng rộng rãi và quen biết với khái niệm NATM (New Austrian Tunneling Method)

H×nh 3.1 Ph¹m vi øng dông cña ph-¬ng ph¸p NATM Trong thực tế có nhiều tác giả nêu các quan điểm nghi ngờ về NATM, như MUIR WOOD (1973) hay KOVARI (1993), song cho đến nay NATM được áp dụng và thành công tại nhiều nước trên thế giới Hình ảnh về NATM, đào bằng phương pháp khoan-nổ mìn, được thể hiện tổng thể như trên hình 3.3 tại Nhật

Hình 3.2 Sơ đồ công nghệ thi công bằng NATM trong đá cứng Hình 3.2 là ví dụ về một sơ đồ thi công bằng NATM trong đá rắn cứng sử dụng kết cấu chống tạm là bê tông phun và neo, theo sơ đồ hạ bậc có vòm nền Hình 3.3 là sơ đồ thi công trong đá bở rời, cho thấy sự khác nhau, mặc dù cũng sử dụng bê tông phun Ở đây, để bảo vệ phải sử dụng ván thép (cọc thép) tạo vòm hay ô bảo vệ trước khi đào tiến gương

Hình 3.3 Sơ đồ thi công hầm trong đất đá lở rời

Hình 3.4 Thi công trong khối đá bở rời, sử dụng ván thép tạo ô bảo vệ

Để hiểu được bản chất lý luận của NATM, Mueller đã tổng hợp thành 21 nguyên lý cơ bản của NATM, cụ thể là:

Mueller, L: Der Felsbau 3Bd: Tunnelbau Stuttgart Ferdinand Enke Verlag 1978

1 Bộ phận chịu tải chính của kết cấu công trình ngầm là khối đá

2 Để cho khối đá tiếp nhận các tác động do quá trình biến đổi vật chất (phân bố lại ứng suất)

do thi công xây dựng công trình ngầm, cần thiết phải giữ gìn khối đá ở trạng thái không mất đi độ bền nguyên thuỷ (ban đầu) (hoặc chỉ suy giảm ở mức độ nhỏ tối thiểu)

3 Vì khối đá tiếp nhận biến dạng giảm tải (dãn nở) kém hơn là chất tải thêm, cho nên cần thiết phải loại trừ các trạng thái ứng suất hai trục và đơn trục

4 Phù hợp với các yêu cầu trên, nên các thành phần biến dạng của khối đá một mặt chỉ được phép phát triển ở chừng mực sao cho các phản ứng chống lại trạng thái biến dạng ở khu vực xung quanh công trình ngầm được huy động, để hình thành “vùng bảo vệ” quanh khoảng trống và ngăn chặn dịch chuyển của khối đá về phía khoảng trống Mặt khác dịch chuyển của khối đá cần phải được hạn chế ở mức giới hạn sao cho cường độ và mức độ phát triển của nó không hình thành vùng tơi rời do quá tải và nhờ vậy không gây ra giảm bền và tổn hại đến khả năng chịu tải

5 Để đạt được mục tiêu này thì kết cấu bảo vệ và chống giữ tạm được sử dụng Chức năng của nó là phải điều chỉnh biến dạng của khối đá thông qua sự hình thành phản lực trong kết cấu hoặc phát triển kháng lực tích cực theo ý nghĩa trên Nó không phải tiếp nhận những gì

do khối đá giảm bền gây nên, mà cơ bản là có nhiệm vụ đảm bảo giữ khối đá ở trạng thái

có khả năng mang tải, chống lại hiện tượng tơi rời và giảm bền

6 Để đáp ứng mục tiêu này một cách tối ưu, kết cấu chống cần được “lắp dựng” đúng thời điểm, nghĩa là không phải là nhanh nhất như có thể, mà là không quá sớm và cũng không quá muộn, nhằm tạo ra các tác động thuận lợi Thời gian cần có để khối đá biến dạng được lựa chọn và tận dụng sao cho phản lực của kết cấu chống đủ phát triển trước khi xuất hiện hiện tượng giảm bền, nhưng vẫn hỗ trợ sự hình thành vùng bảo vệ

7 Để đạt được điều đó phải chú ý đến yếu tố thời gian, đặc thù của từng loại khối đá và phải

có các nhận định, đánh giá đúng đắn theo đặc điểm này

8 Phục vụ nguyên lý trên một mặt là các thí nghiệm trước đó trong khối đá và mặt khác là

công tác đo dịch chuyển và biến dạng trong quá trình thi công

9 Để bảo vệ khối đá, cơ bản là sử dụng bê tông phun do khả năng đảm bảo liên kết cần thiết

và đều khắp cũng như phản ứng tác dụng tăng theo thời gian, thường kết hợp với neo và lưới bảo vệ, cũng như với khung thép Nó không hoạt động theo ý nghĩa của một vỏ vòm mang tải, mà cơ bản như là một bộ phận liên kết chốt giữ trong một kết cấu tổng thể bao

gồm bê tông, thép và khối đá Trong nhiều loại khối đá chỉ cần sử dụng các hệ thống bảo

vệ riêng rẽ như bê tông phun với khung chống, có hoặc không có neo, không có khung chống cũng như riêng bê tông phun, neo

10 Vỏ bê tông phun rất thích ứng về chức năng tĩnh học, không chú ý đến sự liên kết với khối

đá, nhờ các tính chất biến dạng và tính chất bền của nó trong tổng thể kết cấu được lắp dựng, ở dạng vỏ mỏng dễ uốn Sự suy giảm của ứng suất uốn, trong trạng thái biến dạng đầu tiên huy động phản lực của vỏ chống, được hình thành nhờ biểu hiện dẻo cũng như từ biến của vỏ và hỗn hợp thích hợp của bê tông phun

11 Tương ứng với quan điểm xem công trình ngầm như là một ống dày, phần kết cấu nền được lắp ghép vào thời điểm đòi hỏi vỏ bê tông phun phải nhận tải theo chức năng tĩnh học

12 Lớp vỏ ngoài (trong trường hợp nhất định cấu thành với kết cấu neo) có thể được xem là

bộ phận của kết cấu tổng thể, chừng nào chúng không bị phá huỷ do ăn mòn hoặc đòi hỏi phải bảo vệ chống ăn mòn

13 Khoảng thời gian xảy ra các quá trình đó được gọi là thời gian khép liền kết cấu nền là yếu

tố cơ bản trong thi công và trong những điều kiện địa chất phức tạp cho việc phân tích (dự đoán nhờ vào những thử nghiệm trước khi tiến hành thi công và được kiểm chứng và điều chỉnh nhờ kết quả đo đạc trong quá trình thi công)

14 Hình dạng của đường hầm phải chú ý đến việc xem kết cấu là một ống kín về mặt tĩnh học,

do vậy ưu tiên sử dụng tiết diện trơn chu - hình tròn hay hình ôvan, loại trừ tập trung ứng suất như khi có các góc Do vậy không mở rộng vai vòm và không sử dụng kết cấu đế móng rộng

15 Để hạn chế số lượt các quá trình phân bố lại ứng suất và sự giao cắt của các “vỏ bảo vệ”, nên cố gắng thi công đào với ít công đoạn và ưu tiên đào toàn tiết diện hoặc thi công toàn tiết diện với phần vòm tiến trước

16 Để tăng cường mức độ an toàn và để lắp dựng một lớp ngăn cách nước cần có một lớp vỏ thứ hai cũng đủ mảnh, liên kết nhờ chịu tải (không bằng liên kết ma sát hoặc chịu cắt (chống trượt)) và không chịu ứng suất uốn

17 Lớp vỏ trong và vỏ ngoài được tăng cường nhờ đặt cốt, khung thép hình vòm hoặc đặt cốt cho lớp bê tông phun Trong nhiều trường hợp cũng thực hiện bằng cách tăng mật độ và chiều dài neo

18 Khi có nhận định phải tăng tính ổn định hoặc độ ổn định cho kết cấu tổng thể, thì cần thiết phải tăng cường hoặc giảm chiều dài, chiều dày của kết cấu được khẳng định; việc phân tích dựa vào kết quả đo dịch chuyển và hội tụ của công trình

19 Để xác định kích thước của lớp vỏ ngoài phải tiến hành đo ứng suất trong bê tông và ứng suất tiếp xúc giữa lớp vỏ và khối đá

20 Nếu lớp ngoài đã được tính toán đủ khỏe thì lớp trong được thiết kế với vai trò dự trữ bền

Còn nếu lớp ngoài có cấu tạo yếu hoặc phải tính đến khả năng bị han rỉ trong quá trình sử dụng thì lớp trong được tính toán không chỉ để đảm bảo dự trữ bền mà phải có chức năng đảm bảo ổn định cả hệ thống

21 Để chống lại áp lực nước từ phía ngoài và áp lực nước do chuyển động dòng trong khối đá thì trong lớp vỏ ngoài và nhiều khi cả ở lớp vỏ trong phải bố trí các ống nhận nước và hệ thống thoát nước

Sau đây, để hiểu về NATM, sẽ tổng hợp các nguyên lý đó và trình bày dưới hai nguyên tắc

cơ bản Các tài liệu công bố liên quan với NATM khá nhiều, cho phép có thể tìm hiểu đầy đủ và

kỹ hơn

3.2 Nguyên tắc thứ nhất

Nguyên tắc thứ nhất là „Bộ phận chịu tải cơ bản của kết cấu bảo vệ là khối đá‟, thể hiện trên hình 3.5 Nếu như trong các lý thuyết cổ điển, „kết cấu chống‟ được thiết kế phải tiếp nhận toàn bộ áp lực đất/đá, thi hiện nay một vùng khối đá gần, xung quanh công trình ngầm, hình thành vành hày vùng nhận tải, có kể đến cả vỏ bê tông phun mỏng Trước đây khối đá không được coi có chức năng tĩnh học, mà chỉ là nguồn gây tải trọng

Hình 2.5 Nguyên tắc thứ nhất của NATM: Bộ phận chị u tải cơ bản

Từ đó hình thành hai yêu cầu cơ bản khác nhau đối với công tác thi công và thiết kế

Yêu cầu thứ nhất đối với công tác thi công

Muốn cho một bộ phận của khối đá xung quanh khoảng trống tạo thành một vành nhận tải (có tác dụng tĩnh học), thì khả năng chịu tải (độ bền) của khối đá, trong và sau khi đào ra khoảng trống ngầm, phải được bảo tồn Bởi vì biến dạng tơi rời sẽ gây ra hiện tượng giảm bền trong khối

tơi rời

Hình 3.6 Lắp dựng ngay kết cấu bảo vệ mặt lộ khối đá

Hình 3.7 Tiếp xúc kín và chịu lực giữa khối dá và kết cấu bảo vệ Hai đòi hỏi cuối được thỏa mãn, bằng cách tạo một lớp vỏ bê tông phun lên mặt lộ khối

đá Nhiều trường hợp vẫn cần phải gia cố khối đá, cải thiện độ bền Điều này được thực hiện nhờ một hệ thống neo, vừa có khả năng tăng bền, vừa cải thiện được trạng thái ứng suất trong khối đá như trên hình 3.8

Nếu giả thiết rằng khả năng chịu tải của khối đá được mô hình hóa bởi tiêu chuẩn Coulomb  = .tg + c, như vậy trước khi neo hoặc phun bê tông, khả năng nhận tải tối đa của khối đá trên biên là *N (độ bền nén một trục) Nhờ có thành phần ứng suất r, hình thành do lắp dựng hệ thống neo hoặc bê tông phun, khối đá có thể tiếp nhận một ứng suất tác dụng tiếp tuyến lớn hơn  > *N (hình 2-10)

Mohr-Hình 3.8 Cải thiện trạng thái ứng suất nhờ hệ thống neo

Yêu cầu thứ hai đối với công tác thi công

Muốn có được một vành nhận tải xung quanh khoảng trống ngầm, cần thiết phải tạo ra điều kiện cho khối đá để hình thành vành nhận tải hay vành có tác dụng tĩnh học này Vành nhận tải khi đó được coi như một vỏ ống dày, từ vật liệu tổ hợp (bao gồm neo, khối đá, vỏ bê tông phun), có thể tạm coi như từ các lớp khác nhau (khối đá, vỏ bê tông phun) Từ yêu cầu này dẫn đến nguyên lý phù hợp cho công tác thi công, cụ thể:

 Để cho một vành nhận tải có thể hình thành và dưới tác dụng của áp lực nén, nhất thiết phải xuất hiện biến dạng hướng tâm về phía khoảng trống Điều này đòi hỏi vỏ bảo vệ mong, có khả năng biến dạng (hình 3.9);

 Vì một ống dày chỉ có biểu hiện tĩnh học, nếu nó liên tục, hay kín, không bị phân cắt, do

vậy việc tạo một „kết nối vành kín‟có ý nghĩa quan trọng (hình 3.10) Vỏ bảo vệ (kết cấu

chống) cần có dạng vành kín, hoặc ở dạng mõm nhái, dạng quả trứng, để bao bọc kín mặt

lộ khoảng trống, khi khối đá phần nền không đủ bền để có thể hình thành vành khép kín Như vậy nghĩa là không để nền hở như trong các phương pháp cổ điển;

 Nên sử dụng các dạng tiết diện trơn tròn, bởi vì các cạnh gấp khúc, các góc sẽ dẫn đến trạng thái ứng suất không thuận lợi (hình 3.11)

 Kết nối vành kín cần thực thi kịp thời Chừng nào chưa kết nối kín, biến dạng còn phát triển và không cho phép tạo ra một vành nhận tải (cũng gọi là vành bị nén ép), như vậy biến dạng đó là không có nghĩa Ngoài ra biến dạng này còn có thể nguy hiểm vì nó dẫn đến hiện tượng tơi rời của khối đá Do vậy phần vòm chỉ nên vượt trước ở mức độ nhất định (hình 3.12), theo quy luật là càng nhỏ khi khả năng mang tải của khối đá càng kém Khi phần vòm vượt trước nhiều, kết cấu bảo vệ trong phạm vi này sẽ phải chịu tác động uốn bất lợi

 Vành nhận tải tổ hợp (khối đá-kết cấu chống) cần tiếp nhận được các lực dọc, là lực nén Khi đó kết cấu chống có thể thiết kế dạng vỏ mỏng, làm giảm các tác động uốn, tương tự như trong khối đá, chỉ còn các lực dọc

Bây giờ Ngày xưa

Hình 3.9 Khả năng biến dạng, hình thành vành nhận tải nhờ vỏ bảo vệ mỏng của khối đá càng kém, khoảng vượt trước của phần vòm càng ngắn

Hình 3.10.Kết cấu dạng vỏ khép kín tạo điều kiện kết nối vành kín

3.3 Nguyên tắc thứ hai

Nguyên tắc thứ hai là: Tải trọng từ phía khối đá (ứng suất) phần lớn được phân bố,

truyền vòng xung quanh khoảng trống ngầm, tạo nên tác dụng của vòm áp lực quanh khoảng trống, do vậy vành nhận tải (khối đá-kết cấu chống) không phải tiếp nhận toàn bộ áp lực, mà lại được giảm tải (hình 2-15) Suy luận này cũng đã hình thành trong lý thuyết cổ điển về công trình ngầm, dưới khái niệm „vỏ bảo vệ‟ Đương nhiên khi đó quan niệm rằng vòm hay vỏ bảo vệ chỉ hình thành phía nóc khoảng trống và không nên lẫn với „vành nhận tải‟

Hình 3.11 Các dạng tiết diện trơn tròn, không có góc cạnh lồi lõm

Hình 3.12 Kết nối vành kín nên kịp thời, nghĩa là nâng cao khả năng chịu tải

Hình 3.14 Hai nguyên lý cơ bản của NATM: hình thành vành nhận tải và vỏ bảo vệ Một vòm bảo vệ, có tác dụng phân bố ứng suất được hình thành trong khối đất/đá, nếu có một phạm vi nào đó mất khả năng nhận tải do biến dạng („chỗ mềm yếu‟) Điều này minh họa cho sự hợp lý của nguyên tắc thứ hai của NATM, là phải tạo ra biến dạng nhất định Từ đó dẫn đến yêu cầu thứ ba đối với công tác thi công

Yêu cầu thứ ba đối với công tác thi công

Kết cấu chống cần được lắp dựng kịp thời (đặc biệt là phải tạo „kết nối vành kín‟ đúng lúc)

và có độ cứng hợp lý (ví dụ lựa chọn, phỏng đoán đúng chiều dày của vành nhận tải và từ đó xác định chiều dài hợp lý của neo, chiều dày hợp lý vỏ bê tông phun cũng như các kết cấu chống tăng sức như khung thép), như vậy sự hình thành vòm áp lực sẽ chỉ dấn đến áp lực đất/đá tối thiểu Có thể nhận thức rõ ý nghĩa của yêu cầu này thông qua các vấn đề trình bày sau đây

 Đường đặc tính khối đá Khái niệm „đường đặc tính của khối đá‟ đã được trình bày trong cơ học đá, và được hiểu là mối quan hệ về sự phát triển của áp lực đất/đá (Pr) với

sự phát triển của biến dạng (∆R) về phía khoảng trống ∆R được đo trên biên mặt lộ và thường được ghi nhận ở dạng tỷ số ∆R/R (hình 2-16) Trước tiên áp lực giảm khi biến dạng tăng, điều này được mô phỏng bằng sơ đồ tấm có lỗ rỗng chịu nén đều P ở xa vô cùng và trên biên lỗ rỗng bàn kính R có phản lực Pr (áp lực = phản lực kết cấu chống) (hình 2-17) Khi P = Pr các đường dòng ứng suất (đường phương của các ứng suất chính) chạy thẳng Áp lực trong càng nhỏ, biến dạng trên biên ∆R càng tăng và các đường dòng ứng suất sẽ dãn ra phía ngoài khoảng trống Trên hình 2-17 b chỉ mô phỏng cho trường hợp chỉ có áp lực theo phương thẳng đứng với Pr = 0

Hình 3.25 Kết cấu chống với độ cứng hợp lý và lắp dựng kịp thời

 Khi thi công, trạng thái này sẽ tồn tại, chừng nào các ứng suất tăng lên chưa vượt qúa khả năng chịu tải của khối đá.Trong thực tế áp lực Pr giảm khi ∆R/R tăng Nhưng khi biến dạng tăng lại có nghĩa là khối đá giảm bền và „vòm áp lực hay vòm cân bằng‟ lại bị nén ép lại, như thế lại làm cho Pr tăng lên, khi biến dạng vượt quá một giá trị nhất định Đây là quá trình động và đường đặc tính của kkhối đá biến đổi theo quy luật như vậy Đương nhiên đường đặc tính như vậy là quy luật điển hình cho khối đá, song không dễ xác định

 Một tính toán tối ưu (nghĩa là cho phép lợi nhất về kinh tế-kỹ thuật) về vành nhận tải (vỏ bê tông phun+khối đá+neo = khung thép+lưới thép) có thể đạt được, nếu bố trí sao cho đường đặc tính khối đá và đường đặc tính của vành nhận tải gặp nhau tại điểm cực tiểu của đồ thị Pr = f(∆R/R)

 Đường đặc tính của vành nhận tải thực tế được hiểu qua mối quan hệ giữa áp lực Pr tác dụng hướng kính lên vành nhận tải với biến dạng tuyệt đối ∆R hay biến dạng tỷ đối

∆R/R của vành nhận tải Như vậy ở đây hiểu rộng hơn, vì kết cấu chịu tải là vành mang

tải, chứ không riêng kết cấu chống nhân tạo

 Một điều quan trọng nữa là, khi thi công đào biến dạng ∆R/R không xuất hiện tức thời,

mà xuất hiện chậm theo thời gian, nghĩa là khối đá có biểu hiện như là môi trường nhớt Tùy thuộc vào loại khối đá, hiệu ứng chậm hay trễ này có thể kéo dài nhiều giờ, nhiều ngày, nhiều tuần, nhiều tháng (Ngay cả khi mô phỏng khối đá là đàn hồi, thì do ảnh hưởng của gương đào, biến dạng cũng là hàm số của khoảng cách đến gương, nếu chú ý đến ý nghĩa của bài toán không gian)

 Kết cấu chống cần được lắp dựng kịp thời, nghĩa là không quá sớm, nhưng cũng không được quá muộn, vì như vậy điểm giao cắt của hai đường đặc tính có thể trước hay sau điểm cực tiểu Sau điểm cực tiểu, có nghĩa là khối đá biến dạng nhiều, giảm bền tối đa,

do vậy tải trọng tác dụng lên kết cấu chống có thêm cả phần trọng lượng do tơi rời tuyệt đối, và vành nhận tải cũng có khả năng nhận tải kém hơn

 Kết cấu chống không nên quá cứng những cũng không được quá mềm Thời gian và độ cứng liên kết tạo nên tổ hợp về đặc tính vành nhận tải

3.4 Thiết kế theo kinh nghiệm

Đường đặc tính của khối đá và kết cấu chống là những yếu khó xác định chính xác và hiện nay cũng vẫn chưa có thể tính toán, dự báo định lượng bằng lý thuyết, bởi vì có khá nhiều yếu tố ảnh hưởng Cũng vì vậy trên thế giới xuất hiện quan điểm thiết kế công trình ngầm theo kinh nghiệm

Trong phương pháp thi công hầm mới của Áo cũng đại diện quan điểm này Trong nhiều tài liệu còn gọi đây là „phương pháp quan sát‟ Khối đá được phân loại dọc theo công trình ngầm, trên

cơ sở các dữ liệu thăm dò (hình 3.17) Từ các kinh nghiệm thi công, người ta biết được kết cấu chống cho từng loại khối đá, nghĩa là số lượng, chiều dài và khả năng mang tải của neo, chiều dày và lưới thép cần thiết của bê tông phun, số lượng và loại khung thép Ngoài ra cũng từ kinh nghiệm có thể xác định được phương pháp đào hợp lý (toàn gương, chia gương và cách thức chia gương) Tuy nhiên cũng cần phải hiểu rõ rằng, khái niệm kinh nghiệm ở đây cũng bao hàm cả các kinh nghiệm nhận được từ các kết quả nghiên cứu cơ bản, tính toán lý thuyết với các công cụ khác nhau, chứ không thuần túy chỉ là kinh nghiệm rút ra từ thi công đơn thuần

Hình 3.17 Nguyên lý thiết kế theo kinh nghiệm Với các kết quả thiết kế dự báo theo nguyên tắc này, với phương pháp thi công được chọn, trong quá trình tiến hành thi công công trình ngầm cần quan trắc bằng các thiết bị đo Trên

cơ sở các dữ liệu đo sẽ quyết định có phải tăng cường kết cấu chống hay không (ví dụ tăng chiều dài neo, tăng chiều dày bê tông phun), hoặc có thể tiết kiệm kết cấu chống trong đoạn thi công sau, hoặc cần phải thay đổi phương pháp thi công

3.5 Đo đạc địa kỹ thuật trong thi công

Khối đá và kết cấu công trình được theo dõi trong quá trình thi công, thông qua các giải pháp sau:

 Đo biến dạng (bằng máy đo độ dãn nở-extensometer hay còn gọi là dãn kế, đo độ hội tụ

và với các công trình gần mặt đất cần đo lún nhờ các máy kinh vĩ (hình 2-19)

 Đo đạc tải trọng tác dụng trên thanh neo (hình 3.18)

 Đo các thành phần ứng suất tác dụng tiếp tuyến trong vỏ bê tông phun và thành phần tác dụng hướng kính (hướng tâm) tại các vị trí tiếp xúc giữa khối đá và vỏ bê tông (hình 3.19)

Hình 3.18 Sơ đồ bó trí đo đạc trong đường hầm: Biến dạng và lực kéo trong neo

Hình 3.19 Sơ đồ đo đạc các thành phần ứng suất trong vỏ bê tông phun

và tại các vị trí tiếp xúc khối đá – vỏ bê tông phun Điều quan trọng là quy luật biến thiên theo thời gian của các giá trị đo Khi quy luật nhận

được có xu thế tiệm cận giá trị nhất định, nhỏ hơn giá trị giới hạn, có thể thi công không cần gia cường thêm kết cấu chống Nhưng nếu cho thấy biến thiên đều, thậm trí với tốc độ tăng nhất thiết phải chú ý đến khả năng gia cố tăng cường, thay đổi kết cấu chống

Các thành phần ứng ứng suất trong vỏ bê tông phun cũng như tại các vị trí tiếp xúc không được vượt quá giới hạn cho phép về độ bền nén của bê tông phun

Các kết quả đo tại một mặt cắt nào đó nhất thiết phải có xu thế nhận tiệm cận khi vị trí thi công cách xa điểm đo khoảng 3 đến 5 lần đường kính tương đương của công trình ngầm Ngoài

ra, biến dạng của những điểm cách xa biên công trình ngầm, xác định bằng dán kế, phải thể hiện theo quy luật giảm dần

Hình 3.20 là một ví dụ về kết quả đo sụt lún khi thi công đường hầm trong khối đá yếu (đất) gần mặt đất Có thể nhận thấy rằng, độ lún có xu thế nhận giá trị tiệm cận

Hình 3.21 Ví dụ về kết quả đo lún sụt Hình 3.21.cũng cho thấy biến dạng đo được có xu hướng nhận giá trị giới hạn, với quy luật giảm dần theo thời gian, theo các chu kỳ đào khác nhau Lớp vỏ trong được lắp dựng khi biến dạng có xu hướng ổn định

Hình 3.21 Sơ đồ minh họa đo biến dạng trong đường hầm

3.6 Vỏ –kết cấu phía trong

Theo phương pháp thi công hầm mới của Áo, kết cấu chống được cấu thành bởi hai lớp vỏ,

cụ thể là một lớp sau khi đào và một lớp sau khi biến dạng của khối đá đã ngừng lại Lớp vỏ thứ hai chẳng hạn bằng bê tông được thi công với cốp pha di chuyển

 Tác dụng tĩnh học của lớp vỏ bảo vệ: Nếu trong khối đá có nước ngầm, có tính xâm thực, lớp vỏ trong được tính toán nhận tải lâu dài Đây là kinh nghiệm gặp khi xây dựng các công trình ngầm thành phố Trong khối đất/đá không có nước xâm thực, lớp vỏ ngoài (lớp đầu tiên) cũng được tính đến để nhận tải lâu dài Khi hai lớp vỏ không có liên kết cứng chịu cắt, các thành phần nội lực được phân bổ cho cả hai lớp theo độ cứng Khi tạo nên tiếp xúc chịu cắt bằng biện pháp thi công, các lực cắt được tính cho toàn bộ vỏ Tuy nhiên trong thực tế khó khẳng định khả năng chịu cắt tuyệt đối Khi hai lớp vỏ cách biệt, tức là không có liên kết chặt chẽ, liên quan đến khả năng chịu cắt, thì lớp vỏ trong sẽ tiếp nhận tải trọng, chỉ khi có biến dạng phát triển

 Cách nước cho công trình ngầm: Khi trong khối đá có nước xâm thực, nhất thiết phải tạo

lớp cách nước dưới dạng màng cách nước để bảo vệ lớp vỏ trong Hiện nay lớp màng

cách nước thường là tấm vải nhựa dày 1,5mm đến 2mm, tuy nhiên trên mặt bê tông phun nhám phải có lớp lót bảo vệ bằng vật liệu xốp hoặc vật liệu đặc biệt (dụ vải địa kỹ thuật) dày đến 10mm.Tại các vị trí chốt chặt, các tấm nhựa phải được hàn kín, được đóng chặt vào khối đá Các tấm nhựa được chốt chặt bằng một chốt ở phần nền, hai chốt ở phần thân và ba chốt ở phần vòm, tính trên một m2 Các tấm nhựa lại được hàn chặt với nhau Nếu mực nước ngầm không phủ kín công trình ngầm, không nhất thiết phải tạo vỏ kín chẳng hạn chỉ tạo vỏ chắn, dạng ô, để dẫn nước đến các hệ thống thoát nước

Hình 3.22 Chốt chặt các tấm cách nước vào lớp bê tông phun

 Khi có nước áp lực, màng cách nước phải phủ kín toàn bộ công trình ngầm và khi đó lớp

vỏ trong nên là vỏ bê tông cách nước Tuy nhiên, các kinh nghiệm hiện nay cho thấy, tại các công trình ngầm tiết diện lớn bê tông cách nước chưa đáp ứng được các yêu cầu về cách nước Khi duy tu, sửa chữa các vị trí xuất hiện nước rất tốn kém Với công trình tiết diện nhỏ, bê tông cách nước tỏ ra đáp ứng được các yêu cầu cách nước

Chương 4 Thiết kế kết cấu hầm theo NATM

4.1.Một số nột khỏi quỏt

Trong thực tế, kể cả ở các n-ớc tiên tiến không phải bao giờ cũng có thể giải quyết đ-ợc bài toán đặt ra một cách mỹ mãn, bởi lẽ vấn đề này chịu ảnh h-ởng của nhiều yếu tố rất phức tạp khác nhau Chẳng hạn riêng mức độ ổn định của khối đá cũng đã phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau Các yếu tố cơ bản có thể xếp vào 4 nhóm sau:

Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu lựa chọn kết cấu và vật liệu chống hợp lí

1) Bản chất của khối đá, đ-ợc đánh giá qua các đặc điểm địa chất (thành phần vật chất, cấu tạo, kiến trúc), các điều kiện địa chất thuỷ văn, các tính chất cơ lý của đá và khối đá, của hệ thống các mặt phân cách, gián đoạn (các khe nứt, các mặt phân lớp, các nếp uốn, các đứt gãy và phay phá) trong khối đá

2) Trạng thái ứng suất nguyên sinh trong khối đá d-ới tác động của lực trọng tr-ờng và lực kiến tạo

3) Các tác động kỹ thuật, đặc tr-ng bởi công nghệ đào, hình dạng, kích th-ớc và chức năng sử dụng của CTN

4) Môi tr-ờng xung quanh đặc tr-ng bởi độ ẩm, nhiệt độ trong không gian sau khi đào liên quan đến tác động phong hoá làm biến đổi cấu trúc cũng nh- tính chất cơ lý của khối đá

Sự phức tạp của vấn đề cần nghiên cứu không chỉ do số l-ợng lớn các yếu tố ảnh h-ởng

mà còn do tính đa dạng và ngẫu nhiên của các yếu tố đã nêu

Ngoài ra, vấn đề đặt cũng còn phụ thuộc vào các yếu tố 'chủ quan' của đơn vị sản xuất, cụ thể là:

 điều kiện cung cấp vật t-, thiết bị

Trong xây dựng công trình ngầm, khung chống đ-ợc sử dụng ở nhiều dạng khác nhau, tùy theo đặc tính và công dụng có thể phân biệt thành các dạng nh- sau:

 Theo hình dạng và kết cấu: khung chống có thể chia thành:

- Khung chống đa giác

- Khung chống hình vòm

- Khung chống kín

 Theo thời hạn phục vụ: có hai dạng là khung chống tạm thời và khung chống cố

định Khung chống tạm đ-ợc lắp dựng ngay sau khi đào để giữ ổn định khối đá và sẽ đ-ợc tháo ra tr-ớc khi thi công lớp vỏ chống cố định Còn khung chống cố định thì sẽ đ-ợc sử dụng để chống giữ CTN trong suốt thời gian sử dụng

 Theo tính chất chế độ làm việc: của khung chống ng-ời ta chia thành khung

chống loại “cứng” và loại khung chống “linh hoạt bao gồm linh hoạt hình dạng và linh hoạt kích

thước”

 Theo chủng loại thép:

- Thép hình: thép chữ I, chữ H, thép ống, lòng máng, v.v…

- Thép tổ hợp: từ thép hình hoặc từ thép tròn

Khả năng mang tải của hệ thống khung chống trong quá trình sử dụng đ-ợc đảm bảo bằng cách tăng giảm kích th-ớc mặt cắt ngang khung thép, khoảng cách giữa các khung thép cũng nh- kết hợp sử dụng khung chống thép với các loại hình kết cấu chống khác nh- neo, l-ới thép, bê tông phun và bê tông liền khối

Trong tr-ờng hợp khối đá nứt nẻ mạnh có tính mất ổn định cao thì cần sử dụng tấm chèn giữa các khung chống thép để tránh đá rơi

Hỡnh 2.2 Một số loại khung chống thép cơ bản

4.2.2.Bê tông phun

Vật liệu xây dựng ''bê tông phun'' ngày càng thể hiện vai trò quan trọng trong xây dựng các công trình ngầm ở n-ớc ta, đến nay bê tông phun đã đ-ợc áp dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình ngầm thủy điện, đ-ờng ngầm đ-ờng bộ, đ-ờng sắt

Phun lên bề mặt lộ một lớp bê tông cho phép chèn trám nhanh các khe hở, vết nứt và ngăn chặn đ-ợc quá trình tơi rời của khối đá, hạn chế hiện t-ợng giảm bền, giảm khả năng chịu tải của khối đá Nhờ vậy khối đá thực sự trở thành bộ phận mang tải chính trong tổ hợp kết cấu chống-khối đá Cũng chình vì thế sử dụng bê tông phun sẽ cho phép giảm giá thành chống giữ các công trình ngầm Từ những khả năng sử dụng trên thế giới và những năm gần đây ở trong n-ớc có thể nói rằng, bê tông phun là một loại vật liệu xây dựng không thể thiếu đ-ợc trong ngành xây dựng công trình ngầm hiện đại

khối đá; hay nói cách khác vỏ bê tông phun giúp khối đá duy trì độ bền, khả năng mang tải và vì thế có khả năng tiếp nhận các tác động cơ học Phun một lớp bê tông có khả năng làm cho biên

đ-ờng hầm 'trơn đều' hơn, giảm đ-ợc sự tập trung ứng suất cao, nâng cao mức độ ổn định của khối đá Lớp bê tông phun tiếp xúc toàn phần với khối đá, do đó trong quá trình cùng biến dạng với khối đá sẽ hình thành phản lực phân bố trên toàn mặt lộ của khối đá, nhờ vậy sẽ tạo ra trạng thái ứng suất ba trục ngay trên biên đ-ờng hầm và làm tăng tính ổn định Khi bê tông phun còn 'non', tính biến dạng mang biểu hiện dẻo nhiều hơn, vì vậy phản ứng linh hoạt hơn đối với các tác dụng uốn, một mặt vừa chống lại phá hủy do uốn , mặt khác tăng khả năng ''tự điều khiển'' của khối đá, làm xuất hiện vùng giảm tải xung quanh công trình ngầm Trong khối đá hình thành ''vùng bảo vệ'' làm tăng khả năng ổn định của khối đá Ph-ơng pháp đào hầm mới của áo, sử dụng

bê tông phun làm vật liệu chống cơ bản, đã đ-ợc hình thành trên cơ sở các triết lí này

Kết hợp với neo, vỏ bê tông phun nói chung vẫn giữ các chức năng gia cố nói trên, đặc biệt là khi khối đá nứt nẻ nhiều, vỏ bê tông phun sẽ đảm bảo tránh tụt lở các vùng phá hủy hình thành giữa các neo Nhờ vậy vỏ neo-bê tông phun sẽ gia cố đ-ợc toàn bộ vùng đ-ợc neo và phun xung quanh công trình ngầm

Vỏ bê tông phun kết hợp với l-ới thép hoàn toàn làm việc nh- vỏ bê tông cốt thép, nh-ng -u điểm hơn là vì giữa khối đá và vỏ chống có liêt kết toàn phần, phát huy các đặc tính của bê tông phun

Bê tông phun kết hợp với khung chống đã và đang đ-ợc áp dụng nhiều trên thế giới Trong tr-ờng hợp này, vỏ chống đ-ợc thi công d-ới dạng vỏ một hay hai lớp, có/hoặc không kết hợp với sợi thép, cho phép thi công nhanh, khả năng cơ giới hóa cao, không cần cốp pha Bê tông phun gia c-ờng bằng sợi thép (bê tông phun sợi thép) có thể hiểu nh- bê tông phun hay bê tông cốt thép, nh-ng với cốt thép phân bố đều trong bê tông Nhờ đó khả năng mang tải, cũng nh- sự phân bố tải trọng sẽ đều hơn trong vỏ bê tông, hạn chế phá hủy cục bộ, tập trung

Các ph-ơng pháp phun bê tông

Ngày nay các ph-ơng pháp phun đ-ợc xếp vào hai nhóm chính là ph-ơng pháp phun khô

và ph-ơng pháp phun -ớt Cơ sở của hai ph-ơng pháp này là dựa vào hỗn hợp trộn khô hay trộn -ớt tr-ớc khi đ-a vào máy phun và ph-ơng thức vận chuyển vật liệu phun

Hình 2.3 Sơ đồ khái quát về các ph-ơng pháp phun

Ph-ơng pháp phun khô

Ph-ơng pháp phun khô th-ờng đ-ợc phân ra ba nhóm hay ba hệ thống khác nhau, tuỳ thuộc và hỗn hợp trộn ban đầu, ph-ơng thức vận chuyển và tiếp liệu các thành phần cho bê tông phun (hình 2.4)

- Ph-ơng pháp phun khô thông th-ờng với cốt liệu sấy khô

- Hệ thống phun khô thông th-ờng với hỗn hợp ban đầu và chất dính kết sấy khô

- Hệ thống bán khô (NATS- viết tắt của New Austrian Tokret System với hỗn hợp ban đầu là cốt liệu ẩm tự nhiên và chất dính kết

Hình 2.4 Ph-ơng pháp và hệ thống phun khô

Ph-ơng pháp phun -ớt

Thực chất của ph-ơng pháp này là hỗn hợp bê tông -ớt sau khi đ-ợc nhào trộn đủ thành phần sẽ đ-ợc chuyển tới bunke của máy phun bê tông chạy khí nén Tại đây hỗn hợp bê tông -ớt

sẽ đ-ợc trộn với phụ gia đông cứng nhanh (nếu có) và đ-ợc phun lên bề mặt cần gia cố Hỗn hợp

bê tông phun -ớt này phụ thuộc vào ph-ơng thức vận chuyển, ph-ơng pháp vận hành (hình 2.5),

từ đó sẽ cho ba dạng chính của hỗn hợp trộn -ớt là dạng dòng loãng, dòng gián đoạn hay dòng

đặc Khí nén đ-ợc đ-a trực tiếp vào máy phun

Hình 2.5. Ph-ơng pháp phun -ớt

 Khe dãn cách

Xuất hiện giữa hai khối đổ liên tiếp với mục đích chính là tránh hiện t-ợng bê tông bị nứt khi co giãn, tuy nhiên chiều rộng khe dãn cách cần phải đ-ợc tính toán cụ thể để đảm bảo sau quá trình giãn nở của bê tông thì khe công tác gần nh- đ-ợc lấp kín Chiều rộng của khe công tác phụ thuộc vào loại bê tông đ-ợc dùng, nhiệt độ bê tông khi đổ và kích th-ớc khối đổ Trong tr-ờng hợp có sự chênh lệch lớn về nhiệt độ, nhất thiết phải sử dụng các băng (dải) chèn khe thích hợp, để có thể tạo ra kết cấu hợp lí Nếu chênh lệch về biến đổi nhiệt độ không đáng kể, có thể dùng vật liệu chèn khe dạng nén ép vào Nếu lớp vỏ bên trong là bê tông cách n-ớc, bắt buộc phải sử dụng các tấm chèn khe cách n-ớc có chiều dày không d-ới 30cm

 Khe công tác

Khi sử dụng dàn hay hệ thống cốp pha tách riêng cho vòm và nền thì giữa chúng suất hiện

khe công tác giữa phần vòm và phần nền

Theo quy phạm, khe công tác phải đảm bảo không tạo ra sự phân cách lớn giữa hai phần

bê tông vòm và nền, vì vậy tại bề mặt công tác khi thi công phải đ-ợc thi công sao cho ảnh h-ởng của khe công tác đến điều kiện làm việc của bê tông là ít nhất

Để cải thiện vấn đề này tại các công tr-ờng nên quan tâm đến công tác đầm bê tông cũng nh- khống chế thời gian từ lúc trộn bê tông cho tới khi đổ bê tông để tránh tình trạng xuất hiện các khe nối phân tầng giữa các lớp bê tông Để làm tốt việc này thì bề mặt thi công đã thi công

tr-ớc tại chỗ nối nên đ-ợc tạo nhám cẩn thận và vệ sinh sạch sẽ

 Sợi thép

Bê tông sợi thép có thể sử dụng thay cho bê tông cốt thép trong những tr-ờng hợp nhất

định Khi sử dụng sợi thép, các vết nứt và chiều rộng chiều sâu sẽ dàn trải ra và thuận lợi hơn so với khi sử dụng cốt thép và do vậy cải thiện tính năng sử dụng của bê tông Mặt khác sẽ không cần các công tác đặt cốt Càng tăng l-ợng sợi thép sẽ làm tăng khả năng mang tải của bê tông Tuy nhiên do hạn chế của quá trình chế biến mà hàm l-ợng sợi thép cũng chỉ có giới hạn Nếu kết cấu vỏ có màng cách n-ớc bằng vải nhựa thì cần giải trình biện pháp tr-ớc khi thi công, để không gây hại đến màng chống thấm

Sợi thép

Trên thế giới, sợi thép đã đ-ợc sử dụng vào thành phần cấp phối của bê tông phun, ở n-ớc

ta đến nay ch-a có kinh nghiệm trong phạm vi này Ngoài những -u điểm khi sử dụng, cũng cần chú ý đến các hạn chế, do đặc điểm công nghệ, nên có thể trong t-ơng lai cần phải có những nghiên cứu thử nghiệm để có thể triển khai sử dụng Kinh nghiệm cho thấy chiều dài của sợi thép không nên vựơt quá 2/3 đ-ờng kính nhỏ nhất của ống dẫn bê tông và lớn hơn 2 lần đ-ờng kính hạt cốt liệu lớn nhất

Sợi thép và vê tông phun sợi thép

4.2.3.Neo

Mục đích chủ yếu của việc chống giữ các công trình ngầm là nhằm giúp khối đá bao quanh nó tự giữ ổn định Nguyên tắc này đ-ợc áp dụng đối với các dạng kết cấu chống mang tính gia cố, ví dụ nh- neo đá, làm thành một phần bên trong của khối đá, cũng nh- các kết cấu chống mang tính chống đỡ (chống giữ bị động) nh- vì thép, chúng không làm thành một phần bên trong của khối đá mà chống giữ khối đá từ bên ngoài Trong khi neo có tác dụng gia cố, đồng thời huy

động độ bền vốn có của khối đá thì các kết cấu chống giữ nh- vì thép và bê tông phun (BTP) có tác dụng ngăn chặn sự dịch chuyển của khối đá từ phía bên ngoài khối đá

Các dạng neo và các kết cấu chống giữ từ bên ngoài khác thông th-ờng đ-ợc sử dụng kết hợp với nhau để đạt đ-ợc hiệu quả tác động cao nhất có thể đối với sự ổn định của khối đá Trong thực tế, sử dụng neo kết hợp với l-ới thép và/hoặc BTP có tác dụng gia cố giữ ổn định bề mặt khối đá giữa các thanh neo, tạo ra một kết cấu chống tối -u Một kết cấu chống giữ nh- vậy có thể sử dụng làm kết cấu chống tạm hay kết cấu chống cố định

Những lý do để neo đ-ợc sử dụng rộng rãi bao gồm:

- Tính đa năng có thể sử dụng với mọi công trình có hình dạng, tiết diện khác nhau;

- Sử dụng đơn giản và nhanh chóng;

- Gía thành t-ơng đối rẻ;

- Có thể cơ giới hoá công tác lắp đặt neo

Khi sử dụng neo, các thông số của chúng nh- mật độ neo, chiều dài neo có thể thay đổi,

đây là một yêu cầu th-ờng xuyên đ-ợc đặt ra để sử dụng neo phù hợp với điều kiện khối đá tại nơi sử dụng Một -u điểm khác nữa là neo có thể dễ dàng kết hợp với các dạng kết cấu chống khác chẳng hạn nh- với các kết cấu chống giữ mang tính bị động đã đề cập ở trên, l-ới thép, BTP hoặc vỏ bê tông đổ tại chỗ Ngoài ra, việc lắp đặt neo ngay sau khi nổ mìn chính là chìa khoá quan trọng để duy trì tính liền khối ban đầu của khối đá Có rất nhiều những loại neo có -u điểm

là cung cấp khả năng mang tải, giữ ổn định khối đá ngay lập tức sau khi lắp đặt

Một sơ đồ thể hiện quy trình sử dụng biện pháp gia cố bằng neo đ-ợc đ-a ra trên hình2.8 Một điều rất quan trọng đó là tất cả các kỹ s- thiết kế đều phải nắm đ-ợc và hiểu rõ quy trình này

Hình 2.8: Sơ đồ thi công neo

Các loại neo

Hình 2.9 Cấu tạo neo Ngày nay trên thế giới th-ờng sử dụng một số các loại neo khác nhau Nhiều loại neo cho thấy chúng có sự khác nhau không đáng kể về mặt kết cấu và đều dựa trên cùng một khái niệm (nguyên lý) gia cố chung Trên cơ sở các ứng dụng thực tế, sau khi xem xét các hệ thống neo

điển hình, có thể sắp xếp các loại neo khác nhau thành các nhóm với những đặc tr-ng mang tính

đại diện cho từng nhóm Trong phạm vi cuốn sách này, đối với mỗi nhóm neo, chỉ xem xét những loại neo đ-ợc sử dụng rộng rãi nhất

Các loại neo đ-ợc xem xét bao gồm:

khoan Hai cơ chế chính để khoá neo liên kết với thành lỗ khoan đó là: ma sát và khóa cứng

Trong đó, cơ chế khoá cứng đóng vai trò quan trọng hơn đối với mục đích tạo ra tác động chống giữ tối -u của neo

Neo cơ học đã đ-ợc ứng dụng rộng rãi trong ngành mỏ, đặc biệt trong khai thác than, ngoài ra chúng cũng đ-ợc sử dụng rộng rãi trong các dự án xây dựng dân dụng Để có thể sử dụng làm kết cấu chống cố định, khoảng trống giữa thân neo và thành lỗ khoan đ-ợc lấp đầy bằng các chất lấp nhét Do đặc tính làm việc của neo nên trong thực tế neo cơ học chỉ đ-ợc sử dụng trong các điều kiện môi tr-ờng đá cứng và t-ơng đối cứng Không nên sử dụng chúng trong

điều kiện đá rất cứng bởi khi đó đầu neo nở sẽ không có khả năng liên kết tốt với thành lỗ khoan

và neo sẽ bị phá huỷ (tách chẻ) d-ới tác dụng của tải trọng

Neo cơ học – Neo vỏ (đầu) nở, neo chờn, neo nở

Đặc tính kỹ thuật điển hình Hệ đơn vị SI Hệ đơn vị Mét Hệ đơn vị U.S

Steel quality designation 700N/mm2

70kp/mm2

102kpsi

Trong l-ợng neo không kể tấm đệm

và bulông

Chiều dài neo Chiều dài bất kỳ theo yêu cầu

-u điểm:

Gía thành t-ơng đối rẻ Neo phát huy khả năng mang tải ngay sau khi lắp đặt Do khi lắp

đặt sử dụng biện pháp xoay thanh neo nên tại đầu neo và thân neo tồn tại những lực xoắn và lực kéo có tác dụng nh- những lực ứng suất tr-ớc Khi sử dụng trong đá cứng, neo có khả năng mang tải cao

Nh-ợc điểm:

Chỉ hạn chế sử dung trong điều kiện đá có độ cứng trung bình và cứng Khó có khả năng lắp đặt chính xác Phải kiểm tra và đánh giá sự phù hợp của quá trình kéo thanh neo khi lắp đặt Neo có thể bị mất khả năng mang tải khi chịu tác động của sóng nổ mìn hoặc khi phần đá áp sát tấm đệm neo bị phá huỷ do lực tác dụng quá lớn Chỉ sử dụng làm kết cấu chống tạm trừ khi đ-ợc

bảo vệ chống ăn mòn và đ-ợc lấp đầy bằng các chất dính kết

Neo dính kết và neo cáp

Neo dính kết và neo cáp sử dụng các chất dính kết bên trong lỗ khoan bằng vữa xi măng hoặc chất dẻo Liên kết giữa neo và khối đá trên suốt toàn bộ chiều dài của neo đ-ợc thực hiện theo 3 cơ chế sau:

- Liên kết hoá học

- Liên kết ma sát và

- Khoá cứng

Hai dạng sau là những cơ chế liên kết quan trọng nhất Biện pháp sử dụng liên kết bằng hoá học ít khi đ-ợc sử dụng

 Neo dính kết

Hầu hết các loại kết cấu neo dính kết đều bao gồm các thanh thép trơn hoặc thép gân

đ-ợc dính kết trên suốt chiều dài của thanh neo Vật liệu thông th-ờng sử dụng làm chất dính kết

là vữa xi măng hoặc chất dẻo Chúng có thể sử dụng để làm kết cấu chống tạm hoặc kết cấu chống cố định trong các điều kiện khối đá khác nhau Loại neo làm từ thép gân th-ờng đ-ợc sử dụng nhiều nhất để làm vỏ chống cố định, đặc biệt trong các công trình xây dựng dân dụng

Neo cốt thép dính kết vữa xi măng

Đặc tính kỹ thuật điển hình Hệ đơn vị SI Hệ đơn vị Mét Hệ đơn vị U.S

Steel quality designation 570N/mm2 58kp/mm2 83kpsi

Trong l-ợng neo không kể tấm đệm

và bulông

Chiều dài neo Chiều dài bất kỳ theo yêu cầu

chảy trong lỗ khoan Chỉ có thể gây ứng suất tr-ớc trong neo khi sử dụng quy trình lắp đặt neo

đặc biệt

Neo cốt thép dính kết bằng chất dẻo

Đặc tính kỹ thuật điển hình Hệ đơn vị SI Hệ đơn vị Mét Hệ đơn vị U.S

Steel quality designation 570N/mm2 58kp/mm2 83kpsi

Trong l-ợng neo không kể tấm đệm

và bulông

Đ-ờng kính lỗ khoan tối đa 30mm tối đa 30mm 1 1/8in

Chiều dài neo Chiều dài bất kỳ theo yêu cầu

Ưu điểm:

Lắp đặt dễ dàng và là kết cấu chống có hiệu quả cao với tuổi thọ lâu bền Neo chất dẻo có khả năng mang tải cao trong điều kiện đá cứng và mang tải ngay sau khi lắp đặt (thời gian đông kết của chất dẻo rất ngắn) Nếu sử dụng vật liệu là chất dẻo đông kết nhanh tại đáy lỗ khoan, có thể sử dụng biện pháp ứng suất tr-ớc đối với loại neo dính kết trên toàn bộ chiều dài thân neo

Nh-ợc điểm:

Khó có thể lựa chọn đ-ờng kính lỗ khoan phù hợp cho quá trình hoà trộn và đông cứng của hỗn hợp chất dẻo cũng nh- rất khó để lấp đầy hoàn toàn khoảng trống hình vành khuyên giữa thanh thép với thành lỗ khoan Mức độ đáng tin cậy khi sử dụng các túi chất dẻo trong điều kiện d-ới ngầm không cao Sử dụng chất dẻo có thể gây nguy hiểm khi thi công cũng nh- có thể gây lãng phí Tuổi thọ bền vững của chất dẻo không lớn

 Neo cáp

Neo cáp đ-ợc định nghĩa là một kết cấu gia cố, thông th-ờng đ-ợc tạo ra từ các tao hoặc sợi cáp, lắp đặt có ứng suất hoặc không ứng suất tr-ớc và đ-ợc dính kết bằng vữa xi măng Neo cáp gia cố khối đá có thể có chiều dài bất kỳ và th-ờng sử dụng làm thành kết cấu chống cố định Hầu hết tất cả các loại neo cáp đều sử dụng vữa xi măng làm chất dính kết

Cáp th-ờng sử dụng loại có đ-ờng kính 15.2 mm, gồm 7 sợi thép bện xoắn với nhau và thông th-ờng trong mỗi lỗ khoan sử dụng 2 sợi cáp Nhằm mục đích làm tăng độ bền liên kết giữa sợi cáp với vữa dính kết cũng nh- để tăng độ cứng của kết cấu neo, sợi cáp th-ờng có cấu tạo kiểu bện hở hoặc kiểu "túm lồng chim" Đối với các sợi cáp loại này cũng thông th-ờng sử dụng hai sợi cáp trong mỗi lỗ neo

Neo cáp dính kết vữa xi măng – 2 tao thép

Thông số kỹ thuật Giá trị

Chất l-ợng thép (độ bền kéo) 1950 N/mm2

Sức chịu tải cuối cùng của cáp 500 KN

Giá trị biến dạng dọc trục của cáp 4,8 %

Đ-ờng kính lỗ khoan kiến nghị 48 - 64 mm

Ưu điểm:

Giá thành rẻ, dễ lắp đặt và là tạo ra kết cấu chống có tính hiệu quả cao, tuổi thọ lâu bền Loại neo này có khả năng mang tải cao trong điều kiện đá cứng Neo cáp có thể lắp đặt với chiều dài bất kỳ trong các đ-ờng hầm gần mặt đất

Nh-ợc điểm:

Khi sử dụng vữa xi măng, khả năng mang tải tối đa của neo chỉ đạt đ-ợc sau một thời gian nhất định Khó kiểm tra chất l-ợng của vữa và quá trình phụt vữa cũng nh- duy trì chất l-ợng công việc ổn định Không thể sử dụng neo cáp trong lỗ khoan có n-ớc Chỉ có thể kéo gây ứng suất tr-ớc trong neo nếu sử dụng quy trình lắp đặt đặc biệt

Neo ma sát

Có thể coi neo ma sát là loại neo tiên tiến nhất trong lĩnh vực gia cố đá Hai loại neo ma sát điển hình bao gồm: "neo ống chẻ"- Split set và "neo ống nở"- Swellex Đối với cả hai loại neo trên, sức kháng ma sát chống lại hiện t-ợng tr-ợt (riêng đối với neo Swellex bao hàm thêm cả cơ cấu khoá) đ-ợc tạo ra nhờ áp lực h-ớng kính tác dụng từ neo lên thành lỗ khoan trên suốt chiều dài của neo Neo ma sát là loại neo duy nhất mà trong đó tải trọng từ khối đá đ-ợc truyền trực tiếp lên neo không qua bất kỳ kết cấu trung gian nào khác nh- kết cấu khoá cơ học hay chất dính kết sử dụng trong các loại neo cơ học và neo dính kết

Mặc dù ở trên, khi trình bày, ta gộp chung cả hai loại neo trên vào nhóm neo ma sát song giữa chúng vẫn có những sự khác nhau đáng kể Sự khác nhau đó nằm trong cơ chế liên kết giữa neo với thành lỗ khoan, tính tác động gia cố đối với khối đá của từng loại cũng nh- quy trình lắp

đặt chúng Nói một cách chính xác, chỉ có duy nhất loại neo ống chẻ đ-ợc gọi là neo ma sát và vì vậy đôi khi còn gọi là neo ma sát ống chẻ ổn định khối đá

Cơ chế liên kết của neo Swellex bao gồm cả ma sát và khoá cứng Đối với loại neo Swellex EXL, khi tải trọng tác dụng trong neo đạt tới độ bền kéo cuối cùng của neo thì nó mới bắt đầu tr-ợt Loại neo này có khả năng chịu những biến dạng lớn mà không có sự phá huỷ neo xảy ra

Nhờ đặc tính có khả năng chịu những biến dạng lớn mà hai loại neo: neo ống chẻ và neo Swellex EXL rất phù hợp để sử dụng trong điều kiện đất đá có tính biến dạng lớn

Phạm vi áp dụng chủ yếu của neo ống chẻ là trong công nghiệp Mỏ còn đối với xây dựng dân dụng thì nó rất ít khi đ-ợc sử dụng Trong khi đó, neo Swellex có thể sử dụng trong tất cả các lĩnh vực, đặc biệt là sử dụng làm kết cấu gia cố trong các đ-ờng hầm dân dụng

Neo ma sát - Neo ống chẻ (SS-39/SS-46.)

Đặc tính kỹ thuật điển hình Hệ đơn vị SI Hệ đơn vị Mét Hệ đơn vị U.S

Giới hạn dẻo của ống thép 90/135kN 9/13.5tấn 10/15tấn

Sức chịu tải cuối cùng của ống thép 110/163kN 11/16.3tấn 12/18tấn

Biến dạng dọc trục cuối cùng của

ống thép