Cơ học kết cấu công trình ngầm - Chương 4

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

Chương 4 Vỏ chống

4.1 Khái quát

Vỏ chống bao gồm toàn bộ các kết cấu chống tiếp xúc mặt với mặt lộ

của khối đá hoặc với các kết cấu chống cùng loại (khi có nhiều lớp vỏ khác nhau) Các loại vỏ chống cơ bản gồm có

từ thép, gang và vỏ thép tấm có chiều dày không lớn do khả năng chịu tải cao

và tùy thuộc vào chức năng sử dụng

Vỏ chống có thể phủ một phần mặt lộ khối đá (bê tông phun), toàn bộ phần tường và vòm các đường lò, đường hầm hoặc bao kín toàn bộ biên khai

đào, đặc biệt là ở các giếng mỏ, các hầm trạm ngầm, các công trình ngầm dân dụng và quân sự Hình 4.1 là ví dụ sử dụng vỏ bê tông phun ở các dạng khác nhau

Liên tục Không liên tục

Phủ kín hoàn toàn Phủ vòm và tườngHình 4.1

Cáu tạo của các loại vỏ chống phụ thuộc vào loại vỏ, yêu cầu của chức năng sử dụng và các điều kiện địa cơ học, địa chất, địa chất thủy văn, nên rất

đa dạng và phức tạp Hình 4.2 là ví dụ về cấu tạo các vỏ hầm khi xây bằng gạch đá (a), vỏ bê tông với các hệ thống thông gió (b), cách nước hoàn toàn (c), thu gom nước phía trên (d) và vỏ tổ hợp ở giếng mỏ trong điều kiện địa chất phức tạp (đ)

Về mặt tĩnh học, nói chung các vỏ chống liền khối từ bê tông và gạch,

đá thường là các kết cấu ít biến dạng Do vậy trong thực tế cũng đã sử dụng nhiều biện phác khác nhau để có thể tạo nên tính linh hoạt cho loại kết cấu này Chẳng hạn, bằng cách sử dụng các loại gỗ đệm có thể tạo ra khả năng linh hoạt nhất định cho tường xây và bêtông, hoặc để lại khe dãn cách khi sử dụng bê tông phun Tuy nhiên các khả năng này cũng chỉ đạt được ở mức độ hạn chế, trừ trường hợp sử dụng gạch bê tông và đệm nhiều lớp gỗ, do vậy tường xây và bê tông hầu như không được sử dụng cho khu vực khai thác và các đường lò chuẩn bị trong các mỏ hầm lò

Xét tổng thể các kết cấu vỏ công trình ngầm bằng gạch, đá và bê tông

có cùng các ưu và nhược điểm sau đây

Ưu điểm: có khả năng mang tải lớn và tuổi thọ cao; chống được các

tác động phong hoá đối với khối đá và ngăn nước chảy vào không gian ngầm; sức cản khí động học nhỏ; có thể tạo ra từ các vật liệu địa phương, rẻ tiền; không cháy; cho phép tạo nên các kết cấu với kích thứoc và hình dạng đa dạng

đ)

Hình 4.2

Nhược điểm: trọng lượng lớn; chi phí vận chuyển và lắp dựng

cao;thời gian thi công dài; sửa chữa các chỗ bị hư hỏng không thuận tiện;

độ linh hoạt nhỏ hoặc rất hạn chế, nếu không có các giải pháp hỗ trợ khác

Khả năng mang tải cao có được nhờ vào độ bền cao của vật liệu và

chiều dày lớn Trong điều kiện thông thường, kết cấu chống loại này được

coi là kết cấu chống cứng Dưới tác dụng của tải trọng (chủ yếu là tải trọng

tĩnh) kết cấu chống thường có tuổi thọ cao hơn kết cấu bằng gỗ và thép Khả

năng chống các tác động hoá học và sinh học cũng góp phần làm tăng tuổi thọ của kết cấu chống này Dạng kết cấu chống kín còn hạn chế được tác

động phong hoá dến khối dá vây quanh và trong nhiều trường hợp còn ngăn nước xâm nhập vào đường lò, không gian ngầm Ngoài ra do bề mặt tương

đối nhẵn, kết cấu chống này còn có sức cản khí động học nhỏ hơn so với kết cấu bằng gỗ và thép

Các loại vật liệu cơ bản của kết cấu chống bằng gạch, đá, bê tông thường sẵn có và rẻ tiền hơn so với các loại vật liệu khác Mặt khác kết cấu tường xây và bê tông không bị cháy, do vậy chẳng hạn khi xảy ra cháy mỏ hoặc trong các đường hầm, khả năng lan truyền cháy sẽ hạn chế nếu sử dụng kết cấu chống này

Tuy nhiên, những ưu điểm nêu trên của vỏ chống bằng gacgh, đá và bê tông bị hạn chế bởi các nhược điểm là trọng lượng lớn và chiều dày lớn so với khả năng nhận tải, kèm theo đó là chi phí vận chuyển và lắp dựng (xây,

đổ bêtông ) cao Tiết diện đào khoảng trống ngầm cũng thường phải lớn hơn so với khi sử dụng gỗ và thép, do vậy đòi hỏi thêm chi phí đào Ngoài ra

để có được kết cấu hoàn chỉnh cần nhiều thời gian hơn để đảm bảo có được khả năng nhận tải nhất định, do yêu cầu của thời gian hóa cứng Khi kết cấu

bị phá huỷ do tác động quá mức của tải trọng, áp lực đá, thì việc sửa chữa thường phức tạp hơn và chi phí cao hơn so với kết cấu bằng gỗ và thép

4.1 Vỏ gạch, đá xây

Trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm dân dụng và công nghiệp các vỏ chống xây bằng gạch, đá đã được sử dụng trong thời kỳ phát triển đầu tiên (Hình 4-3)

Ngày ngay, do tiến bộ kỹ thuật, do các yêu cầu về tiến độ thi công, nên các loại kết cấu đó được thay thế bằng các kết cấu từ bê tông, ở dạng bê tông phun cũng như bê tông cốp pha đổ tại chỗ (Hình 4-4)

Trong ngành mỏ các kết cấu chống bằng gạch, đá, bê tông thường

được sử dụng chủ yếu tại các đường lò và giếng có tuổi thọ cao và dưới tác

Hình 4-3 Thi công đường hầm Simplon

1898 - 1905 theo Markus

Hình 4-4 Kết cấu bằng gạch xây a)và kết hợp với bê tông b)

dụng của các tải trọng (áp lực) tĩnh Bê tông với các dạng và tính năng khác nhau được sử dụng phổ biến trong xây dựng các công trình ngầm

Đá thiên nhiên được khai thác hoặc đá thải ra trong quá trình thi công

có thể được gia công tạo dạng khối đều hoặc tấm, để xếp thành tường, hoặc kết hợp với vữa xây để xây tường hay vỏ chống trong công trình ngầm Tuy nhiên, trong thực tế chúng chỉ được sử dụng làm kết cấu bổ trợ, kết hợp với các kết cấu khác

Một số loại đá như đá badan, granit và gneis thường có độ bền nén rất lớn, dao động trong khoảng 100MPa đến 400MPa và do đó cứng hơn so với các loại gạch nung Tuy nhiên, trong quá trình khai thác đá hoặc nổ mìn phá

đá, thông thường các cục đá vỡ ra có hình dạng và kích thước bất kỳ Do vậy

để có được các cục đá có hình dạng và kích thước tương đối đồng đều đòi hỏi phải chế biến lại thận trọng Trong thực tế, công việc này được thực hiện thủ công và đòi hỏi nhiều công sức Mặt khác tường xếp từ các cục đá này thường không tận dụng được khả năng nhận tải cao của đá, bởi vì do các cục

đá rất đa dạng nên các điểm hay diện tiép xúc là bất kỳ, nên tải trọng được truyền đi cũng rất không quy luật Vì thể tường xếp từ các cục đá có khả năng nhận tải thường nhỏ hơn nhiều so với bản thân các cục đá Các điều kiện không thuận lợi đó cũng xảy ra tương tự đối với tường xây bằng đá và vữa xây Một nhược điểm chung nữa là khả năng chịu các tải trọng cắt hay trượt kém

Vì các lý do nêu trên và chi phí vận chuyển cao mà đá thiên nhiên, khai thác từ các công trường khai thác đá, rất ít được sử dụng để làm kết cấu chống cho các công trình ngầm trong mỏ hầm lò và cũng chỉ được sử dụng hạn chế làm tường xây cho các công trình ngầm khác, ngoại trừ trường hợp

được chế biến làm đá ốp lát Tuy nhiên, trong những thời kỳ phát triển đầu tiên của ngành xây dựng công trình ngầm, với các phương pháp thi công cổ

điển, đã thiên nhiên cũng đã được chế biến để làm vật liệu xây tường, đặc biệt như cho các tường cửa hầm

Sử dụng đá thải ngay từ các công trường xây dựng ngầm hoặc các mỏ hầm lò kinh tế hơn so với đá từ các công trường khai thác đá Do vậy đá thải

ở các mỏ hầm lò có thể được sử dụng để xếp thành tường ngăn giữa khu vực

lò khai thác và lò vận chuyển Trên thế giới, cho đến đầu thế kỷ 19, loại kết cấu bảo vệ này đã được sử dụng nhiều trong khai thác muối và quặng, vì lương lao động không cao Do chi phí lương lao động ngày càng cao và cũng nhờ các tiến bộ kỹ thuật mà loại kết cấu bảo vệ này ngày càng ít được sử dụng

Yêu cầu cần có hình dạng và kích thước đồng đều sẽ không chặt chẽ nếu đá chỉ được sử dụng làm vật liệu hỗ trợ, kết hợp với các kết cấu loại khác Sơ chế đơn giản chỉ cần thiết cho các trường hợp sau:

• Tường chắn trong các đường lò khai thác (phía sau kết cấu gỗ hay thép);

• Xếp lấp đầy các cũi gỗ;

• Vật liệu chèn cho các kết cấu chống đường lò bằng thép hoặc bằng gỗ để tạo tiếp xúc tốt cho các tấm chèn;

• Vật liệu lấp đầy phía sau các

Tường xây bằng gạch và vữa

chủ yếu được sử dụng làm kết cấu

chống cho các công trình ngầm tiết

diện lớn, tuy nhiên cả các đường lò

chính, giếng và các đường lò có tuổi

thọ lớn Tường xây được coi là kết cấu

bảo đảm tiết diện sử dụng của công

trình và chủ yếu chỉ chịu tải trọng tĩnh

dạng phẳng hay cong Các tám cong ghép lại tạo thành vỏ chống tròn thường

được gọi là vỏ tuyp-bing (tubing) Vỏ tuýp bing thường được sử dụng khi

đào bằng máy khoan hầm TBM hoặc máy khiên đào SM hoặc bằng phương pháp kích ép ống cống

Vỏ bê tông, bê tông cốt thép hoặc bê tông sợi thép lắp ghép được chế tạo hay đúc trước tại xí nghiệp bê tông Vỏ lắp ghép cũng có thể đợc cấu

thành từ các tấm gang và thép đúc trước Nói chung vỏ lắp ghép từ các tấm

Hình 4-5 Vỏ xây bằng gạch ở vị trí sân giếng

tuýp bing gang và thép có khả năng nhận và biến dạng tốt hơn vỏ bê tông, bê tông cốt thép cũng như bê tông sợi thép

ưu điểm cơ bản của loại vỏ này là có thể nhận tải ngay sau khi lắp dựng, đảm bảo đúng kích thước hình học và dễ kiểm tra, đảm bảo chất lượng

Tuy nhiên loại vỏ này có nhược điểm là không linh hoạt về dạng hình học, thiếu liên kết ma sát với khối đá và do được chế tạo trước nên không thích ứng hết được trong điều kiện có biến đổi về địa chất Ngoài ra các cấu kiện đúc trước cũng thường có trọng lượng khá lớn, nên việc vận chuyển lắp ghép đòi hỏi phải có các phương tiện phù hợp

Tren hình 4-6 cho thấy một dạng vỏ lắp ghép từ các tấm phẳng, khi

đường hầm được thi công bằng phương pháp đào hở

Hình 4-6 Vỏ lắp ghép khi thi công bằng phương pháp đào hở

Vỏ tuyp bing là dạng vỏ thông dụng trong xây dựng các đường hầm Chúng đẫ được phát triển ở nhiều thể loại với các dạng hình học của các tấm

và mối liên kết giữa chúng Trên hình 4-7 là một số loại vỏ tuyp bing điển hình dạng mặt nhẵn liên kết bu lông (a), dạng mặt trong lõm (dang kat-set),

liên kết bu lông (b) và các tấm dạng đặc biệt, liên kết với nhau ỏa dạng các

đầu nối lồi lõm và neo chốt (c)

Các lỗ để cắm

neo dọc trục

n là số tấm tuyp bing trong một vòng vỏ chống

c)

Hình 4-7 Các dạng vỏ tuyp bing

Hình 4-9 cho thấy các tấm tuyp bing sau khi được chế tạo và vỏ chống sau khi được lắp dựng

Vỏ tuyp bing lần đầu tiên được sử dụng ở nước ta tại thủy điện Đại Ninh Vỏ được cấu thành từ các tấm cong đúc trước và được ghép lại với nhau bằng liên kết bu lông

Các đường hầm nằm dưới đáy sông, biển được thi công bằng phương pháp hạ chìm hay dìm, thường được đúc trước từng đốt, sau đó được kéo ra

vị trí lắp dựng, được hạ chìm và liên kết với nha Trên hình 4-10 là một số dạng và kích thước các đốt hầm đúc trước, theo tính toán thiết kế qua các thời kỳ khác nhau, cho thấy phần nào về tiến bộ trong lĩnh vực này

Hình 4-8 Biện pháp ghép để kín nước

Hình 4-9 Các tấm tuyp bing và vỏ chống sau khi lắp ghép

ở nước ta hầm dưới sông đàu tiên là hầm dỡm Thủ Thiờm, một đường hầm vượt sụng Sài Gũn đang được xõy dựng tại Thành phố Hồ Chớ Minh Đường hầm cú sỏu làn xe ụ tụ, được dỡm dưới lũng sụng Sài Gũn (Hình 4-11)

Trờn hỡnh 4-12 là vỏ thộp lắp ghộp được chuẩn bị trước khi thả xuống giếng

Hình 4-10

Hình 4-11 Các đốt hầm đúc trước cho đường hầm Thủ thiêm

phá vỡ, tơi rời của khối đá Như

vậy có thể cải thiện được biểu

hiện của khối đá Thông thường

bộ phận chịu tải cơ bản vẫn chính

là khối đá (Hình 4-13)

Tuy nhiên, với những tiến bộ về kỹ thuật và công nghệ bê tông phun,

vỏ bê tông phun có thể được sử dụng với các chức năng khác nhau tù thuộc vào chiều dày, dạng kết hợp với các kết cấu chống khác (Hình 4-14)

- Gia cố bảo vệ toàn bộ hay từng phần bề mặt khối đá (khi chiều dày của lớp phun từ 3-10cm)

Hỡnh 4-12

- Tạo ra một lớp vỏ chịu tải liên kết chặt chẽ với khối đá (khi chiều dày 35cm)

>10-Để tăng khả năng mang tải có thể sử dụng một đến hai lớp cốt, với các mục tiêu đặc biệt có thể sử dụng bê tông phun sợi thép Ưu điểm của bê tông phun là tính biến dạng đàn hồi dẻo, đặc biệt là ở trạng thái vữa Biến dạng và dịch chuyển của khối đá ở giai đoạn bê tông phun đã hoá cứng rất dễ gây ra nứt nẻ trong lớp bê tông phun Và cũng nhờ các vết nứt có thể nhận biết được

sự dịch chuyển sớm ở công trình, đồng thời cũng cho biết các vấn đề liên quan tới sự ổn định của công trình Về mặt công nghệ có thể sử lý bằng cách tạo khe (rãnh) trong lớp bê tông phun, khe (rãnh) này chạy song song với trục của đường hầm

Đặc điểm cơ bản của bê tông phun là liên kết toàn diện với khối đá Bằng cách cho thêm phụ gia sẽ có được vỏ bê tông phun có độ bền sớm tốt hơn

ứng dụng của bê tông phun trong công trình ngầm có thể lí giải theo các dấu hiệu sau:

- Phủ và làm chặt được thực hiện đồng thời

- Có thể tạo ra lớp liên kết ngay cả phía đỉnh đầu mà không cần cốp pha

- Liên kết liên tục (không có khoảng trống) với khối đá

- Dính kết tốt với khối đá tạo ra hệ thống mang tải cho/cùng khối đá

- Có thể tạo ra chiều dày lớp linh hoạt khác nhau ngay trong một chu trình

Hình 4-14

- Có thể phun phủ sớm trong mọi phạm vi khácnhau

- Trong thời kỳ bê tông phun đông cứng, vỏ bêtông phun mềm mại (linh hoạt) khi chịu uốn

- Có thể sử dụng phối hợp với neo, lưới thép, bê tông và khung thép

Ngày nay bê tông phun không chỉ được sử dụng làm kết cấu chống tạm (kết cấu bảo vệ) mà còn làm kết cấu chịu tải trong hệ tổ hợp khối đá- vỏ

bê tông phun

Khi bê tông phun được sử dụng làm lớp vỏ bảo vệ (chống tạm), tại thời

điểm phun khối đá chịu thêm tác động của trọng lượng bê tông phun và chưa thật sự được bảo vệ (chưa có phản lực), tuy nhiên do áp lực phun cao nên bê tông phun xâm nhập vào các khe nứt, kẽ hở tạo nên hiệu ứng nêm, chốt, do vậy ngăn chặn được hiện tượng tróc vỡ tơi rời của các khối nứt

Nếu trên mặt lộ của khối đá xuất hiện nước, thì việc phun phủ sẽ gặp nhiều khó khăn Trong trường hợp này cần tìm cách thu nước, dẫn nước và thoát nước Tuy nhiên nếu lượng nước nhỏ có thể tiến hành phun bê tông nhưng chỉ là một lớp mỏng (2cm) với phụ gia đông cứng thật nhanh (chẳng hạn loại phụ gia Sika shot), có tác dụng hãm ngăn cản xuất nước

Trường hợp gặp các loại nước có tính bào mòn (xâm thực) cao, lúc này

xi măng, các loại phụ gia, cốt liệu, chất bổ trợ đều phải có yếu tố bền với sunfat và bêtông phun cần chặt xít, ít lỗ rỗng sao cho độ sâu xâm nhập của nước rất nhỏ Khi nước ngầm có tính bào mòn cao mà cốt liệu lại không bền axit thì có thể dẫn tới hiện tượng nguy hiểm do lắng đọng trong quá trình thoát nước Do vậy cốt liệu cần không chứa vôi; chất phụ gia đông cứng nhanh được chọn để sử dụng không có hiện tượng kết tụ, không làm độ bền giảm nhiều và không chứa hợp chất clo (chất lượng), hoặc tạo nên hợp chất clo

Trong lĩnh vực xây dựng, bê tông phun được sử dụng với nhiều chức năng khác nhau Tính dễ thích ứng, tính kinh tế của loại vật liệu xây dựng này là cơ sở của ứng dụng bê tông phun không chỉ trong xây dựng dân dụng nói chung, mà đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm

Các ví dụ ứng dụng sau đây là khá phổ biến:

• Chống tạm hay bảo vệ trong xây

Hình 4-15

Đương nhiên phạm vi sử dụng đặc biệt có ý nghĩa là trong xây dựng công trình ngầm, mỏ và tu sửa các kết cấu bê tông Trong xây dựng các công trình ngầm, mỏ bê tông phun được sử dụng với hai chức năng là kết cấu chống bảo vệ và có thể làm kết cấu chống cố định cho phần vòm Ngoài ra

bê tông phun cũng được áp dụng cho mọi công tác bê tông khác Ngày nay, cùng với kết cấu bê tông đổ tại chỗ, vỏ tuýp-bing, bê tông phun đã trở thành một loại kết cấu quan trọng trong phương pháp thi công, được gọi là phương pháp bê tông phun Những hạn chế còn có trong ứng dụng hiện nay là do những nguyên nhân kỹ thuật và kinh tế so với các phương pháp bê tông khác

Đương nhiên cả về kỹ thuật và công nghệ, bê tông phun ngày càng được cải thiện và phát triển

Với phương pháp đào hầm mới của áo, bê tông phun được sử dụng làm vỏ chống bảo vệ cả cho các công trình tiết diện lớn được đào trong đieuf kiện địa chất xấu (Hình 4-15)

4.3.2 Vỏ bê tông đổ tại chỗ

Trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm, bê tông liền khối hay bê tông đổ tại chỗ, cũng còn gọi là bê tông cốp pha được sử dụng chủ yếu cho các kết cấu chống cố định Do các nguyên nhân về thi công, nên chiều dày tối thiểu thường dao động trong khoảng 20cm đến 30cm

Tùy theo các yêu cầu cụ thể, liên quan với chức năng của công trình ngầm, phụ thuộc vào các điều kiện địa chất, địa chất thủy văn của khối đá,