Cơ học kết cấu công trình ngầm - Chương 2

Giáo trình cơ học kết cấu công trình ngầm và câu hỏi ôn tập

Chương 2 Kết cấu chống tích hợp với khối đá

Trong nhóm các kết cấu tích hợp vào khối đá, có thể phân sơ bộ theo tính năng thành hai nhóm là:

1 Các kết cấu và giải pháp cải thiện khả năng mang tải của khối đá bao gồm

• khoan phụt,

• đóng băng,

• neo,

Kết cấu neo được sử dụng với các chức năng khác nhau Tuy nhiên chức năng cải thiện khả năng nhận tải, hạn chế biến dạng của khối đất đá là cơ bản, tuy nhiên vấn đề này, do tính phức tạp, nên đến nay còn đang được nghiên cứu phát triển tiếp

2 Ngoài ra các kết cấu sau đây cũng có thể coi là biện pháp cải tạo khối

đất/đá nhưng ở mức độ hạn chế và thường chỉ là một bộ phận của kết cấu hoàn chỉnh:

• cọc gỗ,

• cọc thép,

• ván thép

• ống thép

Tất cả các loại vật liệu, cấu kiện và giải pháp này thường được triển khai với mục tiêu là cải thiện một số tính chất của khối đất đá, để có thể tiến hành đào thuận lợi, hoặc để cải thiện lâu dài khả năng mang tải và biến dạng của khối đất/đá

2.1 Khoan phụt (khoan phun, khoan ép) và đóng băng

Các giải pháp này sẽ được đề cập nhiều trong bài giảng “Thi công công trình ngầm bằng phương pháp đặc biệt” Do vậy ở đây chỉ lược qua và cho thấy xu thế phát triển hiện tại

Khoan phụt là một phương pháp bơm ép các chất lỏng dạng nhũ tương, huyền phự hoặc vữa vào trong khối đất đá, có khả năng đông cứng sau thời gian xỏc định, với mục đích lằm tăng khả năng nhận tải, tăng độ cứng (giảm khả năng biến dạng), tăng độ chặt, tăng độ kín nước của khối đỏ

Có ba phương pháp cơ bản là

• Khoan phụt áp lực thấp, (low pressure grouting)

• Khoan phụt cân bằng, (compensation grouting)

• Khoan phụt áp lực cao, cũn gọi là phụt tia (jet grouting)

Khoan phụt áp lực thấp

Vật liệu phụt được bơm ép vào các lỗ

hổng, khe nứt, nhờ có các nút hai đầu (nút

đôi (double packer) di chuyển được, với

áp lực đủ lớn để có thể bơm chất phụt vào

khối đá, nhưng cũng đủ nhỏ để không gây

ra thêm các vết nứt trong khối đá

Khoan phụt cân bằng

Khoan phụt tia (Jet grouting)

• Mục đích là làm phá vỡ khối đất đá với áp lực tăng dần, đưa chất khoan phụt vào để làm ‘’trương’’ khối đất

đá (tăng thể tích)

• Sử dụng để cân bằng hiện tượng sụt lún mặt đất, nhằm ‘nâng’ mặt đất về trạng thái ban đầu

• Cũng còn gọi là kích ép bằng chất khoan phụt (grout- jacking)

• Phải thận trọng vì sẽ gây tải trọng mới tác dụng lên kết cấu chống

• Sử dụng áp lực cao (300 đến

600 bar) để phụt vữa xi măng

vào khối đất (rời) nhờ vòi phụt

ngang ở phía dưới của ống

khoan phụt,

• Tia khí phụt làm tơi rời đất

Trong khi ống khoan phụt

được xoay đều và được kéo

dần ra, vữa xi măng được phụt

vào khối đất đá xung quanh,

tạo nên một cột hỗn hợp hình

trụ;

• Hiện tại có các kỹ thuật phụt

khác nhau: tia đơn, tia kép đôi,

tia kép ba

• Tia đơn

• Tia kép đôi

• Tia kép ba

Vữa phụt được bơm qua ống vào vòi phụt ngang, với tốc độ đến 200m/s Năng lượng phụt này làm tơi rời đất , đưa và trộn vữa phụt vào với đất Trong loại đất sỏi cuội, cột vữa-đất có thể đật đường kính từ 0,6 đến 1,2m Trong đất rời, cát có thể đạt đường kính lớn hơn Khoan phụt tia đơn ít có hiệu quả đối với khối đất dính, đất bột

Một hệ ống kép được sử dụng để có thể phụt riêng rẽ hai pha là vữa phụt và khí vào vòi phun Tia vữa làm rời và trộn vào

đất Tia khí tăng khả năng làm rời đất và

đẩy vữa vào sâu trong khối đất Cột hỗn hợp đạt trên 1m trong đất chặt trung bình

và chăt, trong đất rời, cột hỗn hợp đật trên 1,8m Phun tia kép đôi có hiệu quả trong

đất dính hơn so với tia đơn

Vữa phụt, khí và nước được bơm vào riêng rẽ qua ống đến các vòi phụt Các tia khí và nước

đồng hướng kính tốc độ cao làm tơi rời khối

đất Tia vữa phụt được đẩy vào ở vòi phía dưới với áp lực nhỏ hơn Bằng cách này quá trình làm tơi rời và trộn cứng được tách riêng rẽ và tạo cột hỗn hợp chất lượng tốt hơn Có thể đạt

đường kính cột hỗn hợp từ 0,9m đến 1,5m Phương pháp này được sử dụng tốt với khối đất dính kết

Dựa vào thời điểm tiến hành khoan phụt người ta phân thành hai nhóm:

• Khoan phụt trước (pregrouting)

• Khoan phụt sau (postgrouting)

áp dụng trong xây dựng công trình ngầm

• Khoan phụt được sử dụng để tăng khả năng chịu tải, giảm biến dạng của khối đá, hay nói cách khác là làm tăng chất lượng khối đá xung quanh công trình ngầm, ngăn chặn tác động phá họi của nước và xâm nhập của nước;

• Các lỗ khoan so le, chiều dài đến 20m, được khoan từ gương và phụt các tia vữa chồng nhau có thể tạo ra vòm hay ‘ô’ bảo vệ cho công tác thi công

Ví dụ áp dụng

Tạo các vòm bảo vệ được gia cố, vòm chống thấm; tạo các “cột” đỡ các kết cấu chống đã thi công ở phần vòm, tạo thành kết cấu “đón đỡ” theo phương thức đón đỡ của Bỉ

Sơ đồ thi công

Khi thi công hầm trong khối đất hoặc khối đá yếu, vòm bảo vệ bằng khối

đất đá được khoan phụt được thi công vượt trước, tiếp đó là công tác đào, xúc…

Tùy theo sự phủ chồng lên nhau của các phần khối đất đá được khoan phụt, chúng ta phân biệt giữa khoan phụt phủ đơn hay phủ kép, phụ thuộc vào mức

độ ổn định của khối đất, đá

Khối vật liệu khoan phụt vào các đới phá hủy thường được ép, phụt vào giữa hai nút, từ các lỗ khoan cắm vào khu vực cần khoan phụt

Chiều dài lỗ khoan thông thường 20m đến 30m Khoảng cách giữa miệng lỗ khoan 1,5m đến 2m

Các lỗ khoan cũng có thể được khoan tỏa ra từ các đường hầm để gia cố, hoặc làm tăng khả năng chống thấm cho khối đá vây quanh

Sơ đồ thi công khi sử dụng TBM thi công hầm

• Sơ đồ bố trí lỗ khoan dạng quạt

• Chiều dài lỗ khoan 21m

• Khoảng cách giữa các lỗ khoan 1,2 m

Tình trạng điển hình khi khoan

phụt trong thi công bằng TBM

Hình dạng và kích thước các khối khoan phụt được thiết kế và thi công tùy thuộc vào các điều kiện và yêu cầu cụ thể Nhiều loại vật liệu khác nhau

được sử dụng làm vật liệu khoan phụt, được lựa chọn sử dụng tùy theo điều kiện cụ thể, phụ thuộc vào đặc tính, hình dạng, kích thước của các hệ thống khe nứt, tính thẩm thấu, yêu cầu gia cố hay chống thấm, hoặc kết hợp cả hai chức năng đó

Vật liệu phụt

• Vữa xi măng

• Xi măng mịn

• Huyền phù coloid silic

• Hóa chất

• Polyurethan

• Vữa acrilic

• Nhựa epoxy

• Vữa dẻo nhiệt

Các dạng của các khối được khoan phụt

2.2 Ván, cọc, ống thép

Khi thi công khối đất/đá mềm yếu

có thể sử dụng các tấm chèn bằng thép để

ngăn chặn đất/đá rơi, sập lở vào khoảng

chống

Thép chèn được sử dụng ở dạng ván thép,

cọc thép hoặc lưới thép với các quy cách

khác nhau

Ván thép

Ván thép được sử dụng để chèn lấp giữa các khung chống bằng thép,

tương tự như ván gỗ trong xây dựng công trình ngầm đã xuất hiện nhiều loại ván thép khác nhau, tùy theo điều kiện áp dụng

Thông thường trong các phương pháp thi công ccổ điển, đào hầm trong đất ván thép được ép vào phía trước gương, gối trên các khung thép làm nhiệm vụ bảo vệ phía nóc hoặc cả phần vòm của khoảng trống chuẩn bị

đào Khi thi công trong khối đất rời, có xu thể rơi, chảy vào khoảng trống, sẽ tạo nên các khoảng hở, đặc biệt là ở khu vực các tấm ván gối lên nhau Từ kinh nghiệm thực tế cho thấy có thể hạn chế sụt lở, sụt lún bằng cách lấp đầy các khoảng hở bằng vữa bê tông hoặc bê tông phun, cũng như nêm, chốt Biện pháp này đồng thời cũng để đảm bảo điều kiện gối tựa, tránh gây sập lở Một lớp vỏ bê tông phun đồng thời cũng góp phần hạn chế biến dạng của các tấm thép

chốt gỗ, nêm khung thép tấm thép

bê tông

tăng đơ

ván đỡ

gương

dầm đỡ

khung thép văng

chèn gương

dầm nền

Chống đỡ trước bằng ván thép theo phương thức ở Koeln

Hình Một vài dạng ván thép, tấm chèn sử

dụng trong xây dựng công trình ngầm

65

90

180

Ván thép a),b) được ép vào khối , đất, có nhiều dạng khác nhau, có hoặc không có bộ phận dẫn, định hướnh hai bên sườn, tùy theo cường độ tác dụng của tải trọng

Tấm chèn c) thường có dạng hình thang và được đặt gối lên hau khung chống liền kề

t=4; 5; 6 mm

a)

b)

c)

đất/đá rời

ống ép vữa

bêtông phun vữa ép ván thép

khung thép ván thép vữa lấp

đầy

Sử dụng vữa lấp đầy giữa các tấm thép, tại Muehlheim 1978

mặt cắt A-A

Cọc thép, ống thép

Cọc thép (cũng là một loại neo với nghĩa neo tiến trước) được chế tạo

từ thép đặc hay thép ống, đường kính trên 20mm Thép ống có các lỗ để ép vữa vào lỗ khoan và khối đất/đá

Cọc thép thực hiện nhiệm vụ tương tự như các tấm ván thép Cọc thép

được đóng (ấn ép) vào khối đất, đá bằng các búa khí nén hay búa thủy lực, hoặc được cắm vào các lỗ khoan khi gặp khối đá rắn và nhờ công tác phụt vữa mà được gắn với khối đá bởi vữa phụt (một dạng đặc biệt là neo khoan phụt IBO hoặc OBO) Cọc thép có tính năng tạo nên vành mang tải nhiều hơn là tính năng nhận tải Chiều dài của cọc phụ thuộc vào tiến độ đào và khoảng cách giữa các khung thép Tuy nhiên, theo kinh nghiệm và cũng là ý nghĩa cơ học, chiều dài tối thiểu các cọc phải bằng ba lần khoảng cách giữa các khung chống

Ván hay cọc thép dài 2,5m

bê tông phun

đỡ gương

nêm

khung thép

bê tông phun

đá

ván thép

bê tông phun khung thép

12 lỗ, để vữa thóat ra ren, để nối với ống ép vữa

Sơ đồ bỗ trí ống thép

Chồng lên nhau

Hướng đào

ống thép cắm trước

Kết cấu cọc thép có các ưu, nhược điểm sau:

Ưu điểm:

• có thể sử dụng cả cho khối đất và khối đá, khi không thể đóng ván thép

• thời gian thi công ngắn (nhanh), nên gây ảnh hưởng tốt đến biểu hiện của khối đất, đá

• giá thành hợp lý

Nhược điểm:

• có mô men chống uốn nhỏ hơn các tấm thép, nên khả năng nhận tải nhỏ

• không thể chèn, che chắn toàn phần, nên đất vẫn có thể chảy, trôi qua các khe hở

• khi khoan cắm chỉ đạt đựoc hiệu quả gia cố nếu kết hợp với ép vữa

ống thép: Sử

dụng các ống thép

tròn ấn vào phần

vòm của công

trình ngầm trước

khi đào sẽ tạo ra

vòm bảo vệ, cũng

được gọi là “ô

ống”, tương tự như

cái ô, nhưng bàng

các ống thép

cọc óng φ 22, lỗ khoan φ 32, ép vữa khung thép

bê tông phun

khung thép bê tông phun cọc thép

Lưới thộp và tấm Bernold

Trong thực tế lưới thép và tấm Bernold thường được sử dụng làm các cấu kiện phụ trợ cho các kết cấu chống khác, ví dụ với neo, khung chống Chúng không thuộc vào nhóm kết cấu chống tích hợp, song để tiện theo dõi, khi nhắc đến trong các loại kết cấu chống sau, ở đây giới thiệu sơ lược thêm hai loại cấu kiện này

Lưới thép

Lưới thép hay lưới chèn là loại lưới đặc biệt, được chế tạo trước với cấu tạo đặc biệt tại vị trí kết nối và xếp chồng lên nhau Lưới thép loại này thường được sử dụng phối hợp với khung thép làm kết cấu chống tạm

móc để treo thanh cốt ngang

bẻ móc lại để xếp các tấm lưới

Thi công một ô(vòm) bảo vệ bằng ống thép

Tấm Bernold (thép cốp pha và cốt)

Khi gặp khối đá có thời gian ổn định nhiều giờ, có thể sử dụng các loại thép tấm đặc biệt vừa làm cốp pha vừa có thể làm cốt thép Một trong loại này là tấm Bernold Với dạng cấu tạo đặc biệt nên các tấm Bernold cũng còn gọi là tấm tôn lượn sóng, có khe hở (Hình)

Sau khi thực hiện công tác đào, xúc bốc vận chuyển đá, lắp dụng khung chống, các tấm tôn được xếp lên các khung thép và tiếp theo vữa được bơm vào sau khi đã lắp các tấm cốp pha đầu rồi sau đó có thể phun bê tông lên bề mặt tấm thép Các khung thép cũng như tấm tôn có thể được được tháo

gỡ ra, sử dụng cho chu kỳ đào tiếp theo, tùy thuộc vào mức độ ổn định của

trải lưới

mặt B

mặt A

khối đá cũng như yêu cầu về kết cấu chống tạm Vì các tấm có khe hở và lượn sóng nên tạo được liên kết tốt với vữa nhưng vữa vẫn không bị tràn ra Các tấm này được ép khoằm lõm hai đầu (khớp móc), do vậy có thể lắp dựng và tháo dỡ dễ dàng, cũng có thể kéo ra cả mảng để lắp dựng tiếp tục ở phía trước Lớp bê tông phun mỏng phủ lên mặt ngoài của tấm tôn thường có chức năng chống ăn mòn Chu trình sử dụng tấm Bernold được minh họa trên hình

Trong xây dựng công trình ngầm, tấm Bernold được sử dụng khá rộng rãi và cho thấy có các ưu, nhược điểm sau:

Ưu điểm

• Một bộ phận hay toàn bộ kết cấu chống tạm có thể được sử dụng làm kết cấu chống cố định,

• Vừa làm cốp pha đồng thời cũng làm vai trò là cốt thép,

• Không đòi hỏi cấu kiện đặc biệt cho cốp pha,

• Cấu tạo bề mặt đặc biệt của tấm Bernold cho phép tạo tiếp xúc tốt với khối bê tông hoặc bê tông phun tiếp theo,

• Tổn thất bê tông ít hơn so với sử dụng bê tông phun,

• Khả năng mang tải ban đầu của khung thép được phối hợp với khả năng mang tải của bê tông sau khi hóa cứng

Nhược điểm

• Đòi hỏi khối đá có thời gian tồn tại ổn định nhiều giờ, nếu không cũng phải kết hợp với phun bê tông trước đó,

• Tiếp xúc với khối đá chỉ có được sau tối thiểu hai giờ, khi bê tông đã hóa cứng,

• Phải tháo hoặc dẫn nước tạo môi trường khô ráo,

• Rất khó kết hợp với neo

khung

thép

tấm ván

Bernold

bê tông phun

Hình Ví dụ sử dụng tấm Bernold