Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số cấu trúc khối đá đến độ ổn định khối nêm khi sử dụng kết cấu chống giữ bằng vì neo

Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số cấu trúc khối đá đến độ ổn định khối nêm khi sử dụng kết cấu chống giữ bằng vì neo trình bày khái quát chung kết cấu chống giữ vì neo; Nguyên lý gia cố khối đá; Phân loại neo; Phân tích ảnh hưởng của thông số cấu trúc khối đá đến độ ổn định khối nêm bằng phần mềm Unwedge 3.0.

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CẤU TRÚC KHỐI ĐÁ ĐẾN ĐỘ ỔN ĐỊNH KHỐI NÊM KHI SỬ DỤNG KẾT CẤU CHỐNG GIỮ BẰNG VÌ NEO Đỗ Ngọc Thái Trường Đại học Mỏ-Địa chất Email: dongocthai@humg.edu.vn TĨM TẮT Trong cơng tác thi cơng đường hầm hay cơng trình ngầm qua khối đá nứt nẻ độ sâu không lớn, xuất dạng phá hủy phổ biến phá hủy dạng cấu trúc liên quan đến khối nêm rơi từ trượt khỏi thành bên khoảng trống công trình ngầm Các khối nêm hình thành đặc điểm cấu trúc khối đá, từ hệ khe nứt giao cắt với biên đào khoảng trống cơng trình ngầm Khi mặt thống tự tạo cách thi công khoảng trống cơng trình ngầm phần ngăn cản dịch chuyển khối nêm bị loại bỏ, lúc hay nhiều khối nêm rơi trượt vào khoảng trống cơng trình ngầm Khi đó, cần thiết phải thực phương pháp nghiên cứu xác định vị trí, mức độ ổn định khối nêm Từ thông số cấu trúc khối đá thông số kỹ thuật cơng trình ngầm cho phép xác định vị trí, hình dạng kích thước khối nêm ổn định hình thành xung quanh vùng chống cơng trình ngầm Từ đó, cho phép tính tốn thiết kế kết cấu chống giữ cần thiết neo để nâng cao độ ổn định khối nêm nhằm đảm bảo hệ số an toàn cho khối nêm Bài báo sử dụng phương pháp mô số phần mềm địa kỹ thuật Rocscience-Unwedge 3.0 để phân tích ảnh hưởng thông số cấu trúc khối đá đến độ ổn định khối nêm sử dụng phương pháp chống giữ neo Nghiên cứu cho thấy thông số cấu trúc khối đá cần thiết cho cơng tác tối ưu hóa thiết kế kết cấu chống giữ Từ khóa: đường hầm, neo, khối nêm ổn định, hệ số an toàn ĐẶT VẤN ĐỀ Sau khai đào tạo khoảng trống công trình ngầm xuất hai dạng ổn định ổn định cấu trúc ổn định biến đổi học Mất ổn định cấu trúc tức dạng ổn định hình thành khối nêm khối nứt giao cắt với biên khoảng trống cơng trình ngầm, tượng xuất tạo khoảng trống ngầm cắt qua nhiều mặt phân cách khối đá tồn hệ khe nứt Mất ổn định biến đổi học tác động học trình khai đào vượt khả chịu tải khối đá Trong thực tế, tùy theo điều kiện cụ thể dạng ổn định xuất độc lập, dạng hỗn hợp thúc đẩy lẫn Đối với cơng tác thi cơng đường hầm hay cơng trình ngầm qua khối đá nứt nẻ độ sâu khơng lớn dạng phá hủy phổ biến phá hủy cấu trúc liên quan đến khối nêm rơi từ trượt khỏi thành bên khoảng trống cơng trình ngầm Để xác định vị trí, kích thước hình dạng mức độ ổn định khối nêm bị phá hủy xung quanh khoảng trống công trình ngầm thơng số cấu trúc khối đá cần khảo sát, thu thập để làm sở cho công tác thiết kế kết cấu chống giữ công trình ngầm Đối với cơng trình ngầm thi cơng qua khối đá nứt nẻ có nguy ổn định dạng cấu trúc việc sử dụng kết cấu chống giữ neo mang lại hiệu cao sử dụng rộng rãi lĩnh vực thi cơng cơng trình ngầm giao thơng, đường hầm dẫn nước cho nhà máy thủy điện hay CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 25 XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ đường lị khai thác khống sản Một số thơng số cấu trúc khối đá có ảnh hưởng đến độ ổn định khối nêm hình thành xung quanh khoảng trống cơng trình ngầm bao gồm: tồn hệ khe nứt; hình dạng, kích thước khoảng trống cơng trình ngầm; vị trí hướng tương đối hệ khe nứt với với khoảng trống cơng trình ngầm; lực dính kết c, (MPa); góc ma sát φ, (độ); áp lực nước ngầm p, (MPa); góc ma sát, độ gồ gề mặt trượt φb, (độ); độ bền cắt đá mặt trượt τ, (MPa) Để phân tích ảnh hưởng thơng số cấu trúc khối đá đến độ ổn định khối nêm sử dụng phương pháp chống giữ cơng trình ngầm kết cấu chống giữ neo tác giả sử dụng phương pháp mô số phần mềm địa kỹ thuật Rocscience-Unwedge 3.0 NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI ngầm Khi neo sử dụng để treo, chốt, liên kết khối nêm, vùng giảm yếu vào khối nguyên bền vững phía trên, Hình H.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Khái quát chung kết cấu chống giữ neo Neo kết cấu chống giữ sử dụng thi cơng cơng trình ngầm đường lị phục vụ khai thác khoảng sản, neo sử dụng độc lập hay kết hợp với loại kết cấu chống giữ khác với nguyên lý treo, chốt khối nêm vùng giảm yếu liên kết vào khối đá bền vững tạo thành dầm mang tải ngăn ngừa khả rơi, trượt lở xuống khoảng trống cơng trình ngầm Neo loại kết cấu chống tích hợp, chế tạo từ cấu kiện dạng chịu kéo, gắn kết tích hợp vào khối đá thơng qua lỗ khoan, liên kết trực tiếp gián tiếp với khối đá, để gắn kết vùng đá ổn định vào vùng đá ổn định H.1 Neo sử dụng chức treo, liên kết khối nêm - Tạo dầm mang tải : Các công trình ngầm đào qua đá trầm tích phân lớp nằm ngang, khối đá thường có chứa mặt phẳng phân lớp yếu Trong trường hợp này, sử dụng kết cấu neo đá để liên kết lớp đá yếu tạo thành dầm mang tải chống giữ nóc, Hình H.2 2.2 Ngun lý gia cố khối đá Neo sử dụng nhằm tăng khả mang tải khối đá, lắp đặt cắm xuyên vào khối đá để treo, chốt giữ khối nêm hay vùng giảm yếu liên kết vào khối đá bền vững hay tạo ứng lực trước biến khối đá thành vòm mang tải Nguyên lý gia cố khối đá neo bao gồm: - Treo, liên kết khối nêm: Trong q trình thi cơng cơng trình qua khối đá tồn hệ khe nứt, giao cắt khe nứt đường biên cơng trình ngầm tạo khối nêm hay vùng giảm yếu có nguy rơi, sập lở vào khoảng trống 26 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 H.2 Neo sử dụng với chức tạo dầm mang tải - Tạo vòm mang tải: Để cải thiện trạng thái ứng suất khối đá biên cơng trình ngầm, sau khai đào tạo khoảng trống ngầm sử dụng neo ứng suất trước tạo điều kiện hình thành vùng khối đá ổn định có khả mang tải tốt hơn, Hình H.3 NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ rơi, sụt lở vào khoảng trống cơng trình ngầm Giả sử, khối nêm bị trượt lở vào khoảng trống cơng trình tác dụng trọng lượng thân lực chống trượt lở lực ma sát hai mặt phân cách khả mang tải neo Để thấy rõ tham số cấu trúc khối đá có ảnh hưởng đến dịch chuyển hay độ ổn định khối nêm sử dụng kết cấu chống giữ neo, ta thấy Hình H.5 [3] H.3 Neo sử dụng với chức tạo vòm mang tải 2.3 Phân loại neo Hiện có nhiều cách phân loại neo khác Có thể phân loại neo theo vật liệu chế tạo neo, chiều dài neo, phạm vi áp dụng, đặc điểm nguyên tắc làm việc neo Tuy nhiên theo làm việc kết cấu neo ta phân loại neo Hình H.4 [3] H.4 Sơ đồ phân loại kết cấu chống neo 2.4 Phân tích đặc điểm thơng số cấu trúc khối đá Phương pháp gia cố khối đá neo thiết kế chủ yếu để giữ ổn định khối đá, hạn chế sụt lở khối đá, hạn chế dịch chuyển khối đá phá hủy hay ổn định cấu trúc Như để đánh giá hiệu sử dụng neo đánh giá khả dính kết, treo khối nêm phá hủy vào phần đá bền vững hay hạn chế dịch chuyển, sụt lở khối đá nêm phá hủy vào cơng trình Khi khối đá phá hủy, ổn định rơi, trượt tác dụng trọng lượng thân Khi xác định chiều dài neo dựa sở kích thước khối đá, cho phần neo nằm khối đá rắn cứng có đủ khả giữ trọng lượng khối đá có khả H.5 Gia cố khối nêm trượt Ở phân tích khối nêm trượt phía bên trái khoảng trống cơng trình ngầm Trọng lượng khối nêm (W) phân làm hai thành phần: thành phần song song với mặt phân cách (Wt=W sinβ) thành phần vng góc với mặt phân cách (Wp=W.cosβ) Thành phần gây trượt thành phần song song với mặt phân cách Wt, Wt lớn tổng lực ma sát hai mặt phân cách khả mang tải hệ neo chống giữ khối nêm bị trượt vào khoảng trống cơng trình ngầm Từ ta thấy thành phần lực ma sát mặt phân cách có tác dụng chống trượt khối nêm, thành phần lực ma sát mặt phân cách có ảnh hưởng tới khả chịu tải neo Theo [4], số lượng neo xác định theo cơng thức: CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 27 XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ W (sin β − cos β tg φ ) − c A N= R.(cos α tg φ + Fs sin α ) NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI (1) Trong đó: N - Số lượng neo, neo; W - Trọng lượng khối nêm, T; Fs - hệ số an toàn khối nêm, thông thường 1,5≤FsFstk=2 nên đảm bảo an tồn, khối nêm số có hệ số an toàn Fs=1,415 < Fstk=2 nên chưa đảm bảo an tồn Khối nêm phía số bị ổn định cấu trúc, khối nêm treo vào khối đá nguyên khối ổn định phía trên, để đảm bảo an toàn cần tăng độ ổn định cho khối nêm phía số 8, chống giữ kết cấu chống neo bê tơng cốt thép Giải pháp: Cắm neo bê tông cốt thép để giữ ổn định Để xét hiệu làm việc kết cấu chống neo bê tơng cốt thép, ta xét hiệu chống giữ cho khối nêm phía số 8, ta có tham số kỹ thuật neo sau: Độ bền kéo: Rk=0,24 MN, độ bền kéo đệm thép: 0,1 MN, khả mang tải, treo chốt neo: R=0,34 MN/m, chiều dài neo Ln=2,5 m; mật độ lắp đặt neo: axa=1x1 mxm Sau lắp dựng kết cấu chống giữ neo bê tơng cốt thép, chương trình tính phân tích độ ổn định cho khối nêm phía số ta Hình H10 NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ H10 Gia cố neo giữ ổn định khối nêm phía số Kết phân tích cho thấy, sau lắp đặt kết cấu chống giữ neo hệ số an tồn Fs khối nêm phía số tăng lên từ 1,415 lên 2,413 đạt mức an tồn, thơng số khối nêm phía số thể Bảng Bảng Thông số kỹ thuật khối nêm phía số Trước lắp đặt kết cấu chống giữ Sau lắp đặt kết cấu chống giữ neo neo Khối nêm phía số [8] Hệ số an tồn: FS=1.415 Thể tích: 1.812 m3 Trọng lượng: 0.048 MN Chiều dài theo trục Z: 7.96 m Diện tích mặt lộ: 4.51 m2 Chiều cao lớn nhất: 1.35 m Khối nêm phía số [8] Hệ số an tồn: FS=2.413 Thể tích: 1.812 m3 Trọng lượng: 0.048 MN Chiều dài theo trục Z: 7.96 m Diện tích mặt lộ: 4.51 m2 Chiều cao lớn nhất: 1.35 m Để phân tích ảnh hưởng tham số cấu trúc khối đá đến độ ổn định của khối nêm sử dụng phương pháp chống giữ neo, ta thay đổi thông số cấu trúc hệ khe nứt để xác định độ ổn định cho khối nêm phía số xem Hình H.11 đến Hình H.15: H.11 Biểu đồ quan hệ lực dính kết c (MPa) Giá trị hệ số an tồn khối nêm phía số H.12 Biểu đồ quan hệ góc ma sát φ (độ) giá trị hệ số an toàn khối nêm phía số CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 31 XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ H.13 Biểu đồ quan hệ áp lực nước ngầm p (MPa) giá trị hệ số an toàn khối nêm phía số H.14 Biểu đồ quan hệ góc ma sát mặt trượt khe nứt φb (độ) giá trị hệ số an toàn khối nêm phía số H.15 Biểu đồ quan hệ độ bền cắt đá mặt mặt trượt τ (MPa) giá trị hệ số an tồn khối nêm phía số KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết phân tích phần mềm địa kỹ thuật Rocscience-Unwedge 3.0 cho phép xác định vị trí, kích thước hình dạng hệ số an toàn, độ ổn định khối nêm nguy hiểm tham số kỹ thuật khối nêm Trong điều kiện tốn, ta thấy khối nêm phía số có hệ số an tồn Fs=1,415 < Fstk=2 nên chưa đảm bảo an toàn Sau thi thiết kế, thi công lắp đặt kết cấu chống giữ neo hệ số an tồn Fs khối nêm phía số tăng lên từ 1,415 lên 2,413 đạt mức an toàn Để phân tích ảnh hưởng thơng số cấu trúc khối đá đến độ ổn định của khối nêm sử dụng phương pháp chống giữ neo, ta thay đổi thông số cấu trúc hệ khe nứt để xác định độ ổn định cho khối nêm phía số 8: - Theo kết phân tích Hình H.11 - Biểu đồ quan hệ lực dính kết c (MPa) giá trị hệ số an toàn khối nêm phía số ta thấy lực dính kết c (MPa) có tỉ lệ thuận với hệ số độ an tồn khối nêm, lực dính kết c (MPa) tăng từ 0,005 32 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI đến 0,03 (MPa) hệ số an tồn khối nêm sau lắp đặt neo tăng từ 2,333 đến 2,733 - Theo kết phân tích Hình H.12 - Biểu đồ quan hệ góc ma sát φ (độ) giá trị hệ số an tồn khối nêm phía số ta thấy góc ma sát φ (độ) có tỉ lệ thuận với hệ số độ an tồn khối nêm, góc ma sát tăng từ 10 đến 35 (độ) hệ số an tồn khối nêm sau lắp đặt neo tăng từ 2,283 đến 2,569 - Theo kết phân tích Hình H.13 - Biểu đồ quan hệ áp lực nước ngầm p (MPa) giá trị hệ số an toàn khối nêm phía số ta thấy áp lực nước ngầm p (MPa) có tỉ lệ nghịch với hệ số độ an toàn khối nêm, áp lực nước ngầm tăng từ 0,045 đến 0,07 (MPa) hệ số an toàn khối nêm sau lắp đặt neo giảm từ 2,495 đến 2,038 - Theo kết phân tích Hình H.14 - Biểu đồ quan hệ góc ma sát mặt trượt khe nứt φb (độ) giá trị hệ số an tồn khối nêm phía số ta thấy góc ma sát, độ gồ gề mặt trượt φb (độ) có tỉ lệ thuận với hệ số độ an tồn khối nêm, góc ma sát mặt trượt khe nứt tăng từ đến (độ) hệ số an tồn khối nêm sau lắp đặt neo tăng từ 2,402 đến 2,451 - Theo kết phân tích Hình H.15 - Biểu đồ quan hệ độ bền cắt đá mặt mặt trượt τ (MPa) giá trị hệ số an tồn khối nêm phía số ta thấy độ bền cắt đá mặt trượt τ (MPa) có tỉ lệ thuận với hệ số độ an tồn khối nêm, độ bền cắt đá mặt mặt trượt tăng từ 0,15 đến 0,4 (MPa) hệ số an toàn khối nêm sau lắp đặt neo tăng từ 2,103 đến 3,654 KẾT LUẬN Công tác thi cơng cơng trình ngầm ln có rủi ro gây phá hủy khối đá xung quanh biên đào, thi cơng cơng trình ngầm qua khối đá nứt nẻ độ sâu không lớn xuất dạng phá hủy phổ biến phá hủy dạng cấu trúc liên quan đến khối nêm rơi từ trượt khỏi thành bên khoảng trống cơng trình ngầm Cơng tác xác định vị trí, mức độ ổn định khối nêm nguy hiểm từ đề xuất kết cấu chống giữ đảm bảo kỹ thuật, tránh lãng phí tốn cần thiết thiết kế thi cơng cơng trình ngầm Kết phân tích phần mềm địa kỹ thuật Rocscience-Unwedge 3.0 cho phép xác định vị trí hệ số an toàn, độ ổn định khối nêm nguy hiểm tham số kỹ thuật khối nêm Với liệu điều kiện tốn phân tích, sau khai đào khoảng trống ngầm hình thành khối nêm nguy hiểm xung quanh biên đào, NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI đặc biệt khối nêm phía số sử dụng kết cấu chống giữ neo bê tơng cốt thép để nâng cao độ ổn định, an tồn cho khối nêm phía số Kết phân tích cho thấy, sau lắp đặt kết cấu chống giữ neo hệ số an tồn Fs khối nêm phía số tăng từ 1,415 lên 2,413 đạt mức an tồn Các kết phân tích ảnh hưởng thông số cấu trúc khối đá đến giá trị hệ số an tồn khối nêm phía số sử dụng kết cấu chống neo cho thấy: XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ - Lực dính kết c (MPa) có tỉ lệ thuận với hệ số an tồn khối nêm - Góc ma sát φ (độ) có tỉ lệ thuận với hệ số an tồn khối nêm - Áp lực nước ngầm p (MPa) có tỉ lệ nghịch với hệ số an toàn khối nêm - Góc ma sát, độ gồ gề mặt trượt φb (độ) có tỉ lệ thuận với hệ số an tồn khối nêm - Độ bền cắt đá mặt trượt τ (MPa) có tỉ lệ thuận với hệ số an toàn khối nêm ❏ TÀI LIỆU THAM KHẢO Đỗ Ngọc Thái, (2010) Bài giảng - Cơ sở xây dựng cơng trình ngầm mỏ Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Đỗ Ngọc Thái, (2018) Bài giảng - Thi cơng cơng trình ngầm Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Nguyễn Quang Phích, (2006) Bài giảng - Cơ học đá, NXB Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Văn Mạnh, (2007) Bài giảng - Tin học ứng dụng xây dựng cơng trình ngầm mỏ Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Trần Tuấn Minh, (2013) Bài giảng - Cơ học cơng trình ngầm tính tốn kết cấu chống giữ Trường đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc, (2005) Cơ học đá ứng dụng xây dựng cơng trình ngầm khai thác mỏ Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội Rocscience.com RESEARCH ON THE EFFECT OF INTERSECTING SOME STRUCTURAL FEATURES ON THE EFFICIENCY OF USING ROCK BOLT Do Ngoc Thai ABSTRACT In tunnels and underground excavated in jointed rock masses at relatively shallow depth, the most common types of failure are those involving wedges falling from the roof or sliding out of the sidewalls of the openings These wedges are formed by intersecting structural features, such as bedding planes and joints, which separate the rock mass into discrete but interlocked pieces When a free face is created by the excavation of the opening, the restraint from the surrounding rock is removed One or more of these wedges can fall or slide from the surface if the bounding planes are continuous or rock bridges along the discontinuities are broken For this it was essential to carry out an analysis of wedges to better locate unstable blocks Then, while taking into account the geometrical, mechanical data of the discontinuities as well as the geometrical data of the excavation, we were able to detect the shape and the size of the unstable blocks and the sets of discontinuities delimiting them and which favor their sliding and tilting Thus, we calculated the number of anchor bolts needed to stabilize these blocks in order to ensure an acceptable safety factor The paper uses a numerical simulation method by geotechnical software Rocscience-Unwedge 3.0 to analyze the influence of rock mass structure parameters on the stability of the wedge block when using the rock bolt This study shows clearly how a wedge analysis of the rock mass can guide and optimize the support work Keywords: tunnel, rock bolt, wedge stability, factor of safety Ngày nhận bài: 21/5/2021; Ngày gửi phản biện: 25/5/21; Ngày nhận phản biện: 14/6/21; Ngày chấp nhận đăng: 28/7/21 Trách nhiệm pháp lý tác giả báo: Các tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm số liệu, nội dung công bố báo theo Luật Báo chí Việt Nam CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 33 ... tham số cấu trúc khối đá đặc trưng cho độ bền chống trượt khối đá có ảnh hưởng đến hiệu sử dụng neo Các tham số cấu trúc khối đá ảnh hưởng đến độ ổn định, an toàn khối nêm hiệu sử dụng neo bao... tham số cấu trúc khối đá đến độ ổn định của khối nêm sử dụng phương pháp chống giữ neo, ta thay đổi thơng số cấu trúc hệ khe nứt để xác định độ ổn định cho khối nêm phía số xem Hình H.11 đến Hình... khối nêm phía số tăng lên từ 1,415 lên 2,413 đạt mức an tồn Để phân tích ảnh hưởng thông số cấu trúc khối đá đến độ ổn định của khối nêm sử dụng phương pháp chống giữ neo, ta thay đổi thơng số