Cơ học kết cấu công trình ngầm - Chương 4

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

3.3 Khung chống bằng thép

3.3.1 Khái quát

Thép được sử dụng ngày càng nhiều và thay thế gỗ từ cuối thể kỷ 19, bởi vì thép cho phép tạo nên các kết cấu mẫu và chế tạo trước

Ưu điểm:

• Có thể chế tạo trước,

• Có khả năng nhận tải ngay, nếu tiếp xúc với khối đá,

• Có thể lắp dựng thẳng đứng hoặc nghiêng so với gương đào tùy theo yêu cầu

Nhược điểm:

• Lắp dựng khó khăn, khi sử dụng loại thép hình nặng,

• Mức độ linh động kém (khó thay đổi hình dạng và kích thước tại vị trí thi công),

• Trong nhiều trường hợp phải đặt hàng trước, mất nhiều thời gian

Thép hình

Nói chung trong xây dựng công trình ngầm mỏ và dân dụng thường sử dụng một số loại thép hình đặc biệt, ngoài những loại thép hình thông thường trong xây dựng Trên hình là một số ví dụ về các loại thép hình thông dụng trong xây dựng công trình ngầm

Thép đường

ray

Thép chữ I

Thép lòng

mo

Thép hình chuông

Thép lòng máng

Thép hình lòng mo

Thép

tròn

Thép

chữ U

Thép

ống

Thép hình sao Thép

chữ H

3.3.2 Các loại khung thép trong xây dựng mỏ và công trình ngầm

Khung thép có thể chế tạo trực tiếp từ thép hình, nhưng cũng có thể

được chế tạo bằng cách hàn ghép, kết nối từ các loại thép tròn có đường kính

khác nhau Do vậy trong thực tế thường phân biệt khung thép hình và khung thép tổ hợp ( Hình )

Hình dạng và kích thước của các khung chống thép hình được chế tạo tùy theo hình dạng tiết diện của khoảng trống được khai đào Vì vậy các khung chống bằng thép được chế tạo trước theo kích thước, tuy nhiên trong ngành khai thác mỏ hầm lò cũng thường sử dụng các khung chống mẫu hay tiêu chuẩn theo các thiết kế mẫu

3.3.3 Khung thép hình

Thông thường, để thuận tiện và nhẹ nhàng khi sử dụng, các khung chống bằng thép được chia ra nhiều đoạn Tùy theo tính năng và yêu cầu các mối nối có thể được chế tạo hay gia công ở các dạng khác nhau Trong thực

tế phân biệt các mối nối cứng hay khớp cứng, và mối nối linh hoạt hay khớp linh hoạt Mối nối linh hoạt lại được phân ra hai loại là khớp trượt và khớp xoay

Khớp cứng thường ở dạng liên kết bản đệm hay mặt bích, nối cứng với

nhau bằng đinh ốc hoặc then, chốt Khung chống khớp cứng thường được sử dụng cho các đường lò đá trong ngành mỏ Trong xây dựng công trình ngầm

Khung thép hình và khung thép tổ hợp

khung khớp cứng đ−ợc sử dụng làm khung chống tạm khi gặp các khối đá dễ tróc lớp hay sập lở và sau đó trở thành cốt cứng trong vỏ chống cố định Tuy nhiên ngày nay khung thép tổ hợp ngày càng đ−ợc sử dụng rộng rãi, thay thế cho loại khung cứng trong xây dựng công trình ngầm dân dụng với các lý do khác nhau, sẽ đề cập trong mục khung thép tổ hợp

xà thép bản đệm cột thép

thanh khung chữ I

đệm

ốc vít

Tấm đệm l−ợn sóng theo Froehlich và Schmidt 1963

Mối nối dạng chốt cứng theo Spruth

1959

Chốt móc theo Froehlich và Schmidt 1963

Tấm đệm dạng chữ U theo Spruth 1959

Cấu tạo tấm đệm cong

Khớp trượt là khớp nối cho phép hai đọan khung nối với nhau có thể

trượt lồng vào nhau (hay trượt chồng lên nhau) một đoạn xác định Khớp

trượt được tạo nên theo nguyên lý ma sát nên còn gọi là khớp ma sát và trong

thực tế có khá nhiều dạng khác nhau (Hình ) Khớp trượt hạn chế hay cũng còn gọi là khớp linh hoạt hạn chế thường được sử dụng khi khung thép được chế tạo từ thép chữ I; hai đoạn khung được kết nối trong hộp trượt với đoạn

đường trượt khoảng 200 đến 400mm (đương nhiên cũng có trường hợp đến 600mm, song khi đó khả năng chống uốn của khung bị giảm đi) Khớp trượt thường được sử dụng cho các khung chống thép tại các đường lò trong ngành

mỏ khi gặp các trường hợp khối đá có biến dạng lớn (ví dụ gần khu vực khai thác, lò chuẩn bị) hoặc trong xây dựng công trình ngầm, khi trong khối đá xuất hiện biến dạng dẻo Khung chống có khớp trượt hay ma sát thường được

gọi là khung trượt, khung ma sát hay khung chống linh hoạt kích thước

khớp trượt nối bằng gông thép tròn

Khớp trượt gông bằng thép tấm, bắt vít

hoặc cài then

khớp

ma sát, sử dụng thép tấm

gông thép tròn có móc kéo

gông tròn với bản

đệm đúc, cán trước

Khớp trượt cài then

khớp trượt hạn chế, khung thép chữ I

Hộp trượt Gerlach, theo Gimm 1959

Hướng dịch chuyển chính

Sơ đồ mô phỏng tính năng của khung chống

thép ba thanh (hai khớp) linh hoạt kích thước

Theo Schuermann 1963

Khớp xoay là mối nối cho phép kết cấu có thể xoay quanh khớp ở mức

độ nhất định Khung chống có khớp xoay, thường gọi ngắn là khung chống khớp có thể biến hình hay khung chống linh hoạt hình dạng, nghĩa là có thể

tự điều khiển để thích ứng với biến dạng của khối đá mà ít gây ra biến dạng trong từng đoạn của khung Khung chống càng nhiều khớp thì các đoạn càng ngắn và tác động gây uốn càng nhỏ Tuy nhiên số lượng khớp cũng có giới hạn và thường không quá 3 Khi sử dụng nhiều khớp hơn sẽ có thể dẫn đến khả năng nguy hiểm là ba khớp nào đó có thể nằm trên một đường thẳng, trong quá trình biến dạng, dẫn đến khung mất ổn định Thông thường khi sử dụng khung dạng khớp bao giờ cũng có một khớp trên nóc, có thể được bố trí chính giữa nóc đường hầm và tại vị trí nằm giữa nóc và sườn đường hầm Khung chống khớp bốn đoạn, thường có dạng đối xứng, có thêm hai khớp phía sườn đường hầm, để nối đoạn khung nóc hay xà nóc với các cột Dạng

Vị trí khớp hợp lý thuỳ thuộc và hướng tác động của áp lực, theo

Voss 1962

Hướng áp lực

Hoạt động của khớp khi áp lực lệch

khung không đối xứng thường chỉ có thêm một hoặc không có khớp sườn, ngoài khớp nóc Thông thường các khớp (làm bằng thanh gỗ cứng, dài) cũng

có vai trò làm thìu dọc, liên kết các khung riêng rẽ với nhau

Các loại khớp thép tròn, dời

khớp nối bắt vít

khớp nối hai chốt Các loại khớp

thép, chốt cứng

Nhằm phát huy những ưu điểm và khắc phục các hạn chế của các loại khung với cácdạng khớp nối khác nhau đã xuất hiện ý tưởng về một loại khung vạn năng

Lắp dựng Khung thép hình được lắp dựng ngay sau khi tạo ra khoảng

trống ngầm Các trang bị hỗ trợ như sàn công tác, giá lắp dựng được chế tạo

và sử dụng để có thể lắp dựng nhẹ nhàng, ngay cả khi các đoạn khung dài và nặng Cũng vì vậysố lượng các mối nối không cần thiết sẽ được giảm đi

Khung chống vạn năng và dạng mối nối

Một số khung khớp sử dụng trong khai thác mỏ có thìu dọc

Để tạo ra độ cứng vững cho hệ khung dọc theo trục công trình ngầm

được tạo nên nhờ các kết cấu văng và giằng Văng và giằng không chỉ giữ cho các khung thép có thể ổn định mà có khả năng chịu nén, kéo ngay cả khi không phun vữa hoặc chèn Thông thường các văng gỗ có khả năng chịu nén, còn các giằng thép tấm hoặc tròn có khả năng chịu kéo Cũng cần lưu ý rằng, tại công trường có khi sử dụng phương pháp hàn để kết nối các khung thép, nhưng cũng cần nhận thức rằng qua đó sẽ làm giảm khả năng chịu tải của loại thép chất lượng cao đã qua quá trình tôi, ủ Vì vậy, trong điều kiện cho phép nên chuẩn bị hay đặt mua sẵn các kết cấu thép có cả hai chức năng giằng và văng Khi sử dụng khung thép kết hợp với bê tông phun, các kết cấu giằng và văng bằng thép có thể tháo để sử dụng lại sau khỏang thời gian nhất

định

Ưu điểm về khả năng chịu tải ngay của khung

thép sẽ được khai thác, nếu như kịp thời đệm được tốt

các chân khung Nói chung các chân khung thép có thể

đệm bằng gỗ tà vẹt, các tấm gỗ cứng hoặc chính bằng

các đoạn ngắn thép hình Khung thép cũng có thể được

chôn sâu vào khói đá

Tiếp xúc với khối đá có thể đạt được bằng cách

chèn, nêm hoặc kích ép khung về phía khối đá Tuy

nhiên trong thực tế cho thấy ở các mỏ hầm lò nếu chỉ sử dụng nêm gỗ cũng như chèn bằng đá đã không tạo nên tiếp xúc đều trên toàn bộ chiều dài khung thép, gây ra ứng suất tập trung

Tiếp xúc tốt nhất đạt được khi sử dụng bê tông phun tạo liên kết giữa khối đá và khung thép Trên hình cho thấy các khả năng kết hợp sử dụng khung thép và bê tông phun cũng như nbê tông phun sợi thép Đương nhiên phương thức này hiện tại mới chỉ được sử dụng trong xây dựng công trình ngầm dân dụng và công nghiệp

Trong ngành mỏ trên thế giới và ở Việt Nam, khung chống thép thường được chèn chặt bằng các tấm bê tông lưới thép đúc sẵn và đá, đôi khi cũng sử dụng cả chèn gỗ Cũng vì vậy các khung thép lòng mo hay lòng máng thường được lắp dựng theo nguyên tắc khác nhau trong ngành mỏ và trong xây dựng công trình ngầm Cũng nhằm tạo ra khả năng tiếp xúc đều và tốt với khối đá, Công ty Gestein và Tiefbau đã có sáng kiến sử dụng ống vải

đặt trước vào khung thép, sau đó bơm vữa vào ống hay túi vải đó (Hình )

3.3.4 Khung thép hàn (tổ hợp –Gittertraeger- Lattice Girders )

Khung thép hàn (tổ hợp) là loại khung được hàn ghép lại từ các loại thanh thép tròn có kích thước khác nhau

Cấu tạo khung thép tổ hợp của Hãng Pantex và dữ liệu kỹ thuật

Trên thế giới khung thép tổ hợp đang được sử dụng rộng rãi thay thế cho khung thép hình, trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm dân dụng Khung thép tổ hợp dược chế tạo trước thường được sử dụng phối hợp với bê tông phun hoặc bê tông liền khối trong kết cấu chống tạm cũng như kết cấu chống cố định Tương tự như các khung từ thép hình, khung thép tổ hợp trước hết có nhiệm vụ đảm bảo an toàn trong khi thi công, đồng thời cũng là phương tiện giúp đảm bảo căn chỉnh hình dạng của công trình theo thiết kế Kích thước của khung tổ hợp được tính toán tương tự như tính khung thép hình khác Khi phun bê tông theo từng lớp mỏng, kết cấu khung thép và bê

biên đào ống vải và vữa khung thép

biên đào tấm chèn ống vải và vữa khung thép

t«ng phun t¹o nªn kÕt cÊu khung cã chÌn, khi phun phñ ®Çy sÏ cã ®−îc kÕt cÊu ë d¹ng vá chÞu t¶i

(H1) [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [cm²] [kg\m] [cm] [cm²*²] [cm³] [cm²*²] [cm³]

50 18 26 94 100 10 10,40 10,0 4,82 138 29 89 18

20 30 100 100 10 13,35 12,3 5,03 193 38 106 21

70 18 26 114 140 10 10,40 10,2 5,79 223 39 192 27

20 30 120 140 10 13,35 12,5 5,97 306 51 232 33

22 32 124 140 10 15,64 14,3 6,31 375 60 272 39

26 34 130 140 10 19,70 17,5 7,9 501 71 356 51

95 18 26 139 180 10 10,40 10,7 7,01 359 51 356 37

20 26 141 180 10 11,59 11,7 7,69 405 53 406 45

20 30 245 180 10 13,35 13,1 7,14 485 66 407 45

22 32 149 180 10 15,64 14,9 7,53 589 78 482 54

26 34 155 180 10 19,70 18,2 8,44 774 92 641 71

115 18 26 159 220 12 10,40 11,7 7,99 491 61 521 47

20 30 165 220 12 13,35 14,1 8.09 658 78 634 58

22 32 169 220 12 15,64 15,9 8,50 795 94 752 68

26 34 175 220 12 19,70 19,2 9,52 1040 109 1010 92

130 18 26 174 220 12 10,40 11,7 8,72 603 69 521 47

20 30 180 220 12 13,35 14,1 8,79 805 87 634 58

22 32 184 220 12 15,64 15,9 9,23 971 105 752 68

26 34 190 220 12 19,70 19,2 10,33 1264 122 1010 92

Để chốt giữ khung thép thường sử dụng neo cắm qua các vòng liên kết riêng (ví dụ hàn các vòng thép vào khung thép, tạo các hộp khóa, hay bản

đệm có lỗ cắm neo, liên kết với khung thép), hoặc neo qua các lỗ khoan trên khung thép hình, riêng với khung thép tổ hợp sẽ khắc phục được hiện tượng khoan qua khung

Trên hình là ví dụ kết hợp khung tổ hợp

kết hợp với lưới thép và bê tông phun làm

kết cấu chống tạm trong thi công công

trình ngầm Khi “chống tạm“ lớp bê tông

phun không được phun phủ tòan bộ khung

tổ hợp Khi chống cố định bằng bê tông

phun sợi thép hoặc bê tông thường, vỏ bê

tông sẽ phủ kín khung tổ hợp Dạng kết

cấu lắp dựng kiểu này thường được gọi là

vỏ chống một lớp (lớp chống tạm và cố

định kết hợp làm một)

3.2.5 Một số ví dụ áp dụng

Như vậy bằng cách tổ hợp và phối hợp các cấu kiện khác nhau bằng thép, với các dạng liên kết khác nhau cho phép có được các dạng khung chống phù hợp với những yêu cầu sử dụng nhất định Trên hình và hình là sơ

đồ về các loại khung thép phổ biến được sử dụng trong ngành mỏ và xây dựng công trình ngầm dân dụng

khe công tác khe công tác

cốt chờ

khung hép cøng khung hép ma s¸t

khung vßm cøng khung vßm ma s¸t

khung

trßn

cøng

khung trßn

ma s¸t

khíp ®a

gi¸c

Khung khíp,vßm

Mét sè d¹ng kÕt cÊu thÐp th«ng th−êng trong ngµnh má

lrx lx

khung vòm khung từ các cung tròn khung mõm nhái

khung tròn khung yên ngựa khung yên ngựa đáy rộng

kết cấu khung

thi công bằng

phương pháp

đón đỡ của Bỉ

kết cấu khung khi thi công bằng phương pháp nhân

đỡ của Đức

kết cấu khung khi thi công bằng phương pháp

đào hầm mới của áo Kết cấu thép thường sử dụng trong xây dựng công trình ngầm dân dụng