Cơ học kết cấu công trình ngầm - Chương 3

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

Chương 3 Kết cấu chống dạng khung- Khung chống

3.1 Khái niệm và kết cấu cơ bản

Khung chống là kết cấu chịu tải bị động (tiếp nhận và chống lại các dạng tác động từ phía khối đá), được lắp ghép từ các cấu kiện dạng thanh thẳng hoặc thanh cong với các cách ghép nối khác nhau, cho phép tạo nên nhiều dạng kết cấu với tính năng và chức năng khác nhau

Nói chung một kết cấu chống dạng hệ khung thường bao gồm các bộ phận cơ bản sau:

• khung cơ bản, là bộ phận chịu tải cơ bản của kết cấu, kín hoặc hở

• văng, thường ở dạng thanh, được đóng vào giữa các khung, với nhiệm

vụ chính là đảm bảo khoảng dãn cách đều giữa các khung cơ bản và

đôi khi cũng đóng vai trò truyền tải dọc theo trục của hệ khung,

• giằng, là kết cấu có tác dụng giằng các khung lại với nhau và cùng

với các thanh văng có tác dụng đảm bảo tính ổn định không gian của

hệ khung,

• chèn, được sử dụng để chèn phía sau các khung cơ bản cũng như

khoảng trống giữa các khung, với mục đích tạo khả năng tiếp nhận và truyền đều tải trọng (hay áp lực từ phía khối đá lên khung) cũng như giữ ổn định khối đá trong phạm vi đó; vật liệu chèn rất đa dạng và

được sử dụng tùy thuộc vào loại công trình cũng như các yêu cầu cụ thể

o vỏ chèn, thường bằng bê tông phun hoặc bê tông phun kết hợp

với lưới thép, hoặc tấm Bernold với vữa nghèo, thường được sử dụng kết hợp với khung thép khi gặp khối đá yếu, kém ổn định,

o tấm chèn, thường được lắp gối lên hai khung (hoặc nhiều

khung) và có chức năng tiếp nhận tải trọng từ phía khối đá rồi phân bố đều lên các khung (bằng tấm, thanh gỗ; băng các tấm

bê tông lưới thép đúc trước, các tấm thép)

o đá chèn, được sử dụng chủ yếu tại các mỏ hầm lò, với mục đích

chính là lấp đầy các khoảng hở sau khung chống, sau các tầm chèn,

o túi hay ống chèn, thường bằng túi vải gai được cài khi lắp dựng

khung và sau đó bơm đầy vữa để lấp kín khoảng hở giữa khung

và biên khoảng trống, cách chèn này dược gọi là phương pháp Bufflex

• nêm, có thể được sử dụng để nêm chốt tại các vị trí cần thiết góp phần

giữ ổn định khung cơ bản khung ổn định trên mặt phẳng của khung cơ bản (nêm đầu cột, nêm đầu xà)

Ngoài ra, tùy thuộc vào loại vật liệu, loại liên kết giữa các thanh khung,

tùy theo yêu cầu về chức năng sử dụng, mà các khung chống có thể được

liên kết với nhau bằng đinh đỉa (khung gỗ), mặt bích, gông, lặp là cũng

như các dạng khớp khác nhau

3.2 Khung chống bằng gỗ

3.2.1 Khái quát chung

Trong công tác thi công xây dựng các công trình ngầm, gỗ có thể được

sử dụng để làm kết cấu tạm hoặc cố định

Kết cấu bằng gỗ với chức năng làm kết cấu chống cố định chỉ được sử

dụng trong ngành mỏ, tại các đường lò có tuổi thọ nhỏ, thường không quá 2

đến 3 năm ở điều kiện áp lực mỏ nhỏ và ít biến đổi Gỗ được xử lý cũng có

thể đạt tuổi thọ 3 đên 6 năm hoặc lâu hơn Một số loại gỗ và các chỉ tiêu cơ

bản được thống kê trong bảng 2.1

Bảng 3.1.Ví dụ đặc tính một số loại gỗ chống giữ hầm lò của Việt Nam

Giới hạn bền daN/cm2

thể tích (KN/m3)

Nén dọc thớ

Uốn ngang thớ

uốn dọc thớ

Khi thi công xây dựng các công trình ngầm dân dụng hoặc các hầm trạm có tiết diện lớn, kết cấu gỗ chỉ được sử dụng làm kết cấu chống tạm thời

và đương nhiên sẽ được dỡ bỏ sau đó

Ngày nay, do sự ra đời của các loại vật liệu và kết cấu chống mới hợp

lý hơn như thép, bêtông phun, bêtông sợi thép và neo vai trò kết cấu chống bằng gỗ trong xây dựng công trình ngầm ngày càng hạn chế Tuy nhiên gỗ vẫn còn được sử dụng để xử lí trong các trường hợp đặc biệt như khi thi công

đào theo sơ đồ chia gương, tại các vị trí tiết diện công trình ngầm thay đổi và

đặc biệt là khi khắc phục hiện tượng sập lở cục bộ Gỗ với đặc điểm dễ chế biến nên rất thích hợp làm vật liệu dự trữ không thể thiếu được ở mọi công trường xây dựng khi cần phải có các biện pháp xử lí ngay, kịp thời

Kết cấu chống bằng gỗ nói chung có các ưu, nhược điểm sau:

ưu điểm:

⇒Cho phép nhận thấy và nghe thấy khi áp lực đất đá phát triển đến trạng thái nguy hiểm (khi sắp bị phá hủy có thể phát ra tiếng kêu răng rắc);

⇒Vận chuyển dễ dàng;

⇒Chế biến và gia công đơn giản, dễ thích ứng với điều kiện biến đổi

Nhược điểm:

⇒Không liên kết với khối đá;

⇒Biến dạng nhiều khi chịu tải;

⇒Hầu như không sử dụng lại được;

⇒Kết cấu chống tạm và cố định quá hạn phải dỡ bỏ, do vậy gây ra quá trình biến đổi cơ học trong khối đá; khi dỡ bỏ hoặc thay đổi cần phải có biện pháp gia cố và bảo vệ;

⇒Dễ cháy, dễ mục nát và gây ra lực cản khí động học lớn;

⇒Đòi hỏi người thi công có tay nghề thủ công nhất định để chế biến

3.2.2 Kết cấu chống gỗ các công trình ngầm

nằm ngang và nằm nghiêng

Khung chống bằng gỗ hiện tại còn được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam trong khai thác than hầm lò, đặc biệt là trong các đường lò chuẩn bị, xuất phát từ điều kiện kinh tế cũng như hệ thống khai thác, các công nghệ và kỹ thuật đang sử dụng và điều kiện địa chất mỏ phức tạp

Nói chung, với các công trình ngằm ngang và nghiêng (lò bằng và lò nghiêng trong các mỏ hầm lò, đường hầm trong xây dựng dân dụng), khi thi công xây dựng các công trình ngầm nằm ngang tiết diện lớn bằng sơ đồ chia gương, kết cấu chống bằng gỗ thường được sử dụng dưới hai dạng chính là:

• dạng 'khung cửa' hay khung hộp

• dạng 'khung đánh khuôn'

Dạng khung cửa hay khung hộp

Tùy thuộc và khả năng có thể xảy ra phá hủy của khối đá xung quanh các công trình mà kết cấu gỗ có thể được sử dụng ở các dạng khác nhau: từ dạng dầm (xà) đơn, dầm xà và một cột, kết cấu hở hay kín (Hình 3.1)

Hình 3-1

Khung hở bao gồm các cấu kiện chính là hai cột và một xà (xà nóc); khung kín có thêm dầm nền cho trường hợp xuất hiện áp lực nền (Hình 3-2) Các cột, xà và dầm nền thường bằng gỗ tròn đường kính từ 15 cm đến 30cm

cột

xà

dầm nền

không có

chèn hông

nêm văng dọc nhói chèn

cọc

Hình 3-2: Kết cấu chống bằng gỗ cho CTN nằm ngang, nghiêng

Ngoài ra một loạt các cấu kiện khác như nêm, dằng, chèn, đệm và

đinh đỉa cũng được sử dụng, nhằm tạo tiếp xúc tốt với khối dá và phân bố lực

đều lên xà, cột cũng như dầm nền , đảm bảo cho khung chống cũng như toàn

bộ kết cấu không gian ổn định Trên hình 3-3 là một kết cấu gỗ hở được xem

là kết cấu hoàn chỉnh, đầy đủ, đương nhiên hãn hữu gặp trong thực tế

Trên hình 3-4 là hình ảnh một kết cấu chống bằng gỗ sử dụng cho đường lò hai đường xe

Xà nóc tiếp nhận áp lực từ phía nóc và truyền qua các cột xuống nền

đường hầm Các cột làm nhiệm vụ đỡ xà nóc và tiếp nhận phần nào áp lực ngang (sườn-hông) Dầm nền, song song với xà nóc, liên kết các cột với nhau

và tiếp nhận áp lực nền

Khung chống hở bằng gỗ thường có dạng hình thang vừa đảm bảo

tính ổn định của khung, vừa cho phép giảm chiều dài xà nóc (như vậy làm giảm mô men uốn ở xà- do mô men uốn tăng theo chiều dài) Góc nghiêng

Hình 3-4 Kết cấu chống gỗ

đường lò hai đường xe

Hình 3-3 Cấu tạo của kết cấu chống hở hoàn chỉnh bằng gỗ

tấm

đệ

mộng xà

nóc

sườn

gốc

ngọn

xà nóc

nêm mộng cột

cột

tấm chèn,

gỗ bìa

độ thách

nền Lỗ chân cột

của cột so với mặt nền đường hầm thường được lấy theo kinh nghiệm từ 700

đến 850 (còn gọi là góc thách, đoạn thu nhỏ một phía của xà nóc so với chiều rộng nền lò được gọi là độ thách), tuỳ thuộc vào tỷ lệ giữa áp lực nóc và áp

lực ngang; thông thường góc nghiêng càng nhỏ khi tỷ lệ giữa áp lực nóc và

áp lực ngang càng lớn Khung hở dạng chữ nhật (góc nghiêng 900) đương nhiên được sử dụng khi áp lực ngang không xuất hiện hoặc không đáng kể

Khung chống kín có dầm nền được sử dụng khi xuất hiện áp lực nền;

có thể có dạng chữ nhật khi cần cho hai cột đỡ có khả năng tiếp nhận áp lực nền tốt hơn (Hỡnh 3-5)

Kết cấu chống dạng khung cửa bằng gỗ thường được lắp dựng vuông góc với trục đường hầm và cách nhau 0,5 đến 1,5m.Tuy nhiên khi áp lực đất

đá (tải trọng tác dụng) đủ lớn, khoảng cách giữa các khung chống được thu nhỏ lại có thể dẫn đến trạng thái các kết cấu dựng sát liền nhau (liền vì) Các

đầu xà và đầu cột được nêm chặt để đảm bảo vị trí ổn định của khung Khoảng hở giữa các khung được lấp kín bằng các tấm chèn, thông thường

bằng gỗ bìa cũng như đá chèn Các tấm chèn được phân bố đều cũng còn có nhiệm vụ phân bố đều áp lực đá dọc theo xà và cột, cũng vì vậy, để đạt mục

đích này, một khung chống hoàn chỉnh thường có thêm tấm đệm và các nêm

Để đảm bảo sự ổn định của hệ khung trong không gian, giữa các khung được

chèn chặt lại với nhau bằng các thanh văng, khi lắp dựng cũng còn dùng

đinh đỉa để kết nối xà với cột

Từ thực tế chống giữ các đường lò nghiêng trong mỏ hầm lò bằng gỗ, đã rút ra các kinh nghiệm và chỉ dẫn sau:

• Khi góc nghiêng của đường lò trong khoảng 10 0 đến 12 0 , cần thiết phải đánh văng ở giữa hai cột của khung chống,

• Khi góc nghiêng của đường lò trong khoảng 12 0

đến 30 0 , cần thiết phải đánh văng ở phía đâu và chân cột của khung chống,

• Khi góc nghiêng của đường lò lớn hơn 30 0 , cần thiết phải đặt cả dầm nền

• Khi góc nghiêng của đường lò lớn hơn 45 0

, kết cấu chống bằng gỗ được lắp dựng như khi thi công giếng đứng

Ngoài ra, nếu thấy có hiện tượng trượt ở phía vách lò, cần thiết dựng khung nghiêng

về phía trên 5 0 đến 7 0 so với mặt cắt vuông góc với trục đường lò; ngược lại khi có hiện

Hỡnh 3-5

tượng trượt ở đá trụ, chân cột được chôn lệch lên phía trên ở phía nền lò với các góc tương tự

Trong trường hợp khối đá có hiện tượng tróc lở, cần thiết phải có biện pháp chống giữ giữa các khung chống Điều đó được thực hiện bằng cách cài

chèn bằng các tấm chèn, hoặc đóng nhói, đóng cọc Các tấm gỗ với chức

năng là tấm chèn được cài đơn giản vào khoảng trống giữa hai khung gỗ Khi

thi công, nếu gặp khối đá mền, khối đất các biện pháp đóng nhói và đóng cọc

sẽ được sử dụng; khi đó các cọc, nhói (tấm chèn vát nhọn đầu) được đóng, ép sâu vào khối đất/đá mềm phía trước gương đào hoặc chỉ để tạo khả năng tiếp xúc chặt với khối đất/đá trước gương đào.Các khoảng hở còn lại cũng phải

được chèn chặt

Các tấm chèn có thể được cài chèn liền nhau hoặc có khoảng hở Các tấm chèn thường được sử dụng khi khối đá có thời gian tồn tại ổn định nhất

định Tấm chèn có thể chỉ phục vụ ngăn đá tróc vỡ rơi vào khoảng trống, song cũng có khi phải tiếp nhận áp lực đá Khi đó chúng phải được chèn chặt tạo tiếp xúc tốt với khối đá

Nhói và cọc được sử dụng khi khối đá có thời gian tồn tại ổn định không đáng kể, đòi hỏi phải bảo vệ sớm khu vực trực tiếp trước gương đào Nhói gỗ thường bằng gỗ xẻ, dày 45mm, đầu vát nhọn Nhói được đóng, ép sát phía trên xà nóc vào khối đá bằng búa, búa khí nén hoặc kích ép đến độ sâu cần thiết, thường bằng tiến độ cho chu kỳ đào sau (Hình 3-2 ) Cũng vì vậy xuất hiện các khoảng hở trong khối đất/đá do nhói và cọc biến dạng khi chịu uốn là không tránh khỏi Hiện nay phương pháp thi công sử dụng chèn nhói, cọc gỗ làm kết cấu chống tạm ít được sử dụng Nhói, cọc thép được sử dụng thay cho nhói gỗ; một số dạng chống trước khác với những tính năng

ưu việt cũng đã được sử dụng có hiệu quả

Khung đánh khuôn

Dạng khung đánh khuôn thông thường được sử dụng làm kết cấu chống tạm khi thi công các công trình ngầm dân dụng toàn gương hoặc theo sơ đồ chia gương, khi tiến hành lắp dựng kết cấu chống cố định, hệ khung gỗ này sẽ được dỡ bỏ (Hình 3-6) Các dạng kết cấu này vốn đã được sử dụng khi

thi công theo các phương pháp cổ điển như phương pháp đón đỡ của Bỉ,

phương pháp đào mở rộng của Anh, phương pháp đào hầm của Aó và phương pháp nhân đỡ của Đức Tuy nhiên với những tiến bộ khoa học, ngày

nay các kết cấu chống tạm dạng này đã được thay thể bởi bê tông phun, neo, khung thép , cho phép thi công được nhanh hơn, an toàn hơn và tạo ra các khả năng hỗ trợ khối đá tốt hơn

Trong khai thác mỏ, khung đánh khuôn cũng có thể được sử dụng làm kết cấu chống độc lập, kết cấu tăng sức (tằng cường) để hỗ trợ các khung chống dạng hộp khi gặp áp lực mỏ lớn, như trên hình 3-7

Nói chung, do đặc điểm cấu tạo từ yêu cầu lắp dựng nhanh, nên khung

đánh khuôn rất dễ bị xô dịch, biến dạng Cũng vì vậy cần thiết phải chú ý chốt chặt bằng văng, giằng và đinh đỉa, đảm bảo ổn định cho quá trình thi công

Trên hình 3-8 là một só ví dụ về các dạng khung chống bằng gỗ được

sử dung trong khai thác mỏ, tùy thuộc vào điều kiện địa chất cụ thể

Hình 3-6 Khung đánh khuôn trong xây dựng công trình ngầm tiết diện lớn

chèn gương

thìu doc

cột

tà vẹt

Kết cấu gỗ tại đường hầm Loetschberg (1908-1913)

xà dọc

thìu cột a

b

Hình 3-7 Khung đánh khuôn dạng độc lập a)

và dạng kết cấu tăng cường b)

Hình 3-8 Các dạng kết cấu gỗ thùy theo điều kiện địa chất, áp lực đá

Mối liên kết

Các cấu kiện được kết nối với nhau (giữa đầu xà, và đầu cột, giữa cột với dầm nền, giữa xà nóc với cột bích, văng ) bằng các loại mộng, ngàm như ngàm vuông (bậc thang), ngàm xiên hay ngàm tròn (mồm bích) Quy cách ghép nối tùy thuộc vào cường độ và hướng chính của áp lực (Hình 3-9) cũng như dạng cấu tạo của khung Mối nối giữa xà và cột của khung chống hình hộp thường ở dạng mộng bậc thang hay mộng xiên; giữa cột và dầm nền là mộng xiên Mộng nối giữa các cấu kiện của khung đánh khuôn thường là mộng xiên hay mộng ngàm; giữa cột bích với xà và văng thường là mộng ngàm tròn

Khi không cần dầm nền, để tránh trượt chân cột, chân cột thường chôn sâu 10 ữ 30 cm trong đá tùy theo mức độ cứng chắc của đá Phía đặt rãnh nước, cột được chôn sâu hơn đáy rãnh 10 ữ 12cm Tương tự như vậy, trong trường hợp phải sử dụng dầm nền hay dầm chân cột (dầm dọc) cần phải chôn dầm sâu xuống khoảng 3/4 đường kính dầm

Hình 3-9: Các dạng mộng( mối nối) giữa các cấu

kiện chính của khung chống bằng gỗ

Để tạo khả năng linh hoạt cho khung chống gỗ, các chân cột có thể

được đẽo vát nhọn, dạng nhình nêm hay hình chóp (chiều dài đoạn vát nhọn bằng 1,5 đến 3 lần đường kính thanh gỗ, chiều rộng tối thiểu ở chân cột-dầu vát nhọn- bằng khoảng 1/4 đến 1/3 đường kính thanh gỗ) Khi gặp tải trọng lớn, phần vát nhọn sẽ bị nén ép bẹp hay phá hủy trước, tạo khả năng biến dạng của cột gỗ (né tránh tải trọng lớn) Trong thực tế có thể tính đến khả năng linh hoạt khoảng 10cm với khung chống gỗ

3.2.3 Khung chống gỗ cho công trình thẳng đứng (giếng đứng)

Khi thi công giếng đứng, các kết cấu chống gỗ thường được sử dụng làm kết cấu chống tạm Kết cấu gỗ chỉ được sử dụng làm kết cấu chống cố

định khi thi công các giếng thăm dò, khi khai thác mỏ nhỏ Gỗ được sử dụng thường là gỗ tròn, đoi khi cũng sử dụng cả gỗ xẻ Tiết diện giếng khi sử dụng kết cấu chống bằng gỗ thường có dạng hình vuông hoặc chữ nhật, có thể

được chia làm các ngăn khác nhau tùy theo công dụng của giếng Tùy thuộc vào điều kiện địa chất, địa cơ học cũng như mức độ ổn định của khối đất/đá, khung gỗ thường có ba dạng là khung chống liền nhau, khung chốn có văng

đội và khung chống có móc treo

Khung chống gỗ liền nhau hay liền kề

Khung chống liền nhau thích hợp cho khối đất/đá dễ bị biến dạng và

vỡ lở Hiện nay khung chống gỗ liền kề thường được sử dụng cho các giếng thăm dò địa chất khi đào qua các loại đất/ đá mềm yếu Tại một số mỏ nhỏ khai thác than của Việt nam cũng còn có sử dụng loại kết cấu này

Khung chống bao gồm bốn thanh ghép với nhau thành khung chữ nhật hoặc hình vuông, kết nối bằng mộng bậc đơn giản hoặc mông đuôi cá (Hình 3-10) Khung đầu tiên nằm ngay trên mặt đất Do các khung đặt liền nhau nên thường không có cài chèn Nếu sử dụng thêm vữa nghèo (cát, xi măng), hắc ín trộn mùn cưa, kết cấu sẽ có thể cáh nước hoàn toàn

Tùy theo chiều sâu của giếng, cứ khoảng 5m đến 10m bố trí một

khung cơ bản hay khung đỡ Khung cơ bản có cấu tạo như khung bình

thường, song có hai thanh khung (thường là thanh ngắn) được chôn ngàm vào khối đất đá khoảng 0,5m đến 0,8m (gọi là tai vì) Khối đất/đá càng mềm yếu thì khoảng cách giữa các khung cơ bản càng ngắn.Trong trường hợp đào qua đất sét hoặc đá mềm có chứa sét, anhydrít có khả năng trương nở, các khung có thể dãn cách nhau khoảng 5 cm đến 8cm, khi đó phải dùng nêm đễ tạo khoảng dãn cách

Thông thường giếng được đào một khẩu hay một đốt có chiều dài nhất

định chưa chống, tiếp đó khung cơ bản được lắp dựng và các khung khác

được xếp chồng lên khung cơ bản