1 Chơng 1. Mở đầu 1.1 Khái niệm và định nghĩa Một công trình ngầm đợc hiểu là một khoảng không gian trống, đợc thi công xây dựng trong lòng vỏ trái đất (kể cả trong nớc hoặc dới nớc). Cho đến nay có nhiều loại công trình ngầm, với các mục tiêu hay chức năng sử dụng khác nhau. Tùy theo mục đích và phạm vi sử dụng có thể phân ra các loại: Công trình ngầm khai thác khoáng sản, Công trình ngầm thủy lợi, thủy điện Công trình ngầm giao thông, Công trình ngầm công nghiệp, Công trình ngầm quốc phòng, Công trình ngầm dân dụng, Công trình ngầm đặc biệt. Sau đây, để cho đơn giản, sẽ phân ra hai nhóm lớn là Công trình ngầm trong các mỏ hầm lò, gọi là công trình ngầm mỏ (CTNM) Công trình ngầm dân dụng, quốc phòng và công nghiệp, gọi chung là công trình ngầm dân dụng và công nghiệp (CTNDD&CN) Giữa hai nhóm công trình ngầm này có những đặc điểm khác biệt rõ rệt, thông qua bảng so sánh đơn giản nh trong bảng 1-1. Bảng 1-1. Một số đặc điểm liên quan với nhóm cong trình ngầm CTNM CTNDD&CN Chức năng sử dụng Nhóm ngời sử dụng Thời gian sử dụng -phục vụ khai thác khoáng sản -am hiểu về công trình ngầm -có giới hạn -các mục tiêu khác nhau -không hoặc ít am hiểu -lâu dài Quá trình hình thành và tồn tại của một công trình ngầm có thể phân ra ba giai đoạn là: Chuẩn bị, bao gồm các khâu lập dự án, khảo sát, thiết kế, Thi công xây dựng Sử dụng và vận hành Có thể nói rằng mọi công việc trong ba giai đoạn này luôn đợc phát triển và đổi mới theo thời gian cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, cùng với các kinh nghiệm thu đợc trong quá trình thi công cũng nh trong quá trình sử dụng và vận hành. 2 Những kinh nghiệm, nhận thức và các phơng pháp quy hoạch, thiết kế và thi công khác nhau, tích lũy đợc cho đến nay, thực sự là khổng lồ và trong thực tế cũng còn có nhiều quan điểm, xu hớng khác nhau. Tuy nhiên các xu hớng này cũng luôn đợc bổ trợ, hoàn thiện và phát triển. Nhiều quan niệm cũ, lạc hậu dần ít đợc sử dụng, nhng vẫn còn có giá trị kinh điển, cơ bản; các phơng pháp mới, hiện đại ngày càng đợc sử dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế và xã hội cao. Ngày nay, với các phơng pháp đã có, hoàn toàn có thể thi công xây dựng đợc các công trình ngầm trong mọi điều kiện của vỏ trái đất, đơng nhiên có sự khác biệt khi thi công trong khối đất và khối đá, sau đây gọi chung là khối đất/đá. Để thi công xây dựng các công trình ngầm đã có nhiều phơng pháp đợc phát triển, có thể phân ra hai nhóm chính là: Các phơng pháp thi công ngầm (cũng còn gọi là phơng pháp mỏ) Các phơng pháp thi công lộ thiên Thi công ngầm có đặc điểm là mọi công tác tách bóc đất/đá và lắp dựng kết cấu nhân tạo đều đợc thực hiện trong lòng đất. Theo phơng thức hay phơng pháp đào, tách bóc đất/đá có thể phân các phơng pháp thi công ngầm ra hai nhóm, nh trên sơ đồ hình 1-1). Khái niệm phơng pháp thi công thông thờng và phơng pháp thi công bằng máy đợc sử dụng chỉ có ý nghĩa tơng đối, không hoàn toàn liên quan với việc sử dụng các máy thi công. Các phơng pháp thuộc vào nhóm thi Hình 1-1. Phân nhóm và cách gọi các phơng pháp thi công ngầm Phơng pháp thi côn g thôn g thờn g khoan- nổ mìn máy đào xúc, máy xới máy đào lò RH Phơng pháp thi côn g bằn g má y máy khiên đào SM đào toàn gơng đào từng phần gơng kích ép ống, đào hầm nhỏ máy khoan hầm TBM hở có khiên Các phơng pháp thi côn g n g ầm 3 công thông thờng là các phơng pháp cho phép tách phá đất/đá tạo nên khoảng trống ngầm có tiết diện với hình dạng và kích thớc bất kỳ. Các phơng pháp thi công bằng máy thờng cho phép tạo nên các khoảng trống ngầm với tiết diện có dạng xác định (chủ yếu là hình tròn), ít biến động trong quá trình thi công. Trong thực tế cũng còn nhiều cách phân nhóm khác nhau, tùy theo tiêu chí đợc sử dụng để phân nhóm. Chẳng hạn nếu chú ý chu trình đào có thể phân thành hai nhóm là thi công theo chu kỳ và thi công liên tục, ví dụ nh trên hình 1-2. Các phơng pháp thi công thuộc nhóm thi công lộ thiên có đặc điểm chung là toàn bộ hay từng đoạn, từng bộ phận của kết cấu nhân tạo đợc thi công trên mặt đất hay trong các hào thi công, hoặc các hố đào. Các phơng pháp thi công lộ thiên có thể đợc phân ra ba nhóm, theo phơng thức lắp dựng các kết cấu nhân tạo nh trên hình 1-3. Nói chung, dù thi công bằng phơng pháp ngầm hay bằng phơng pháp lộ thiên, công việc quan trọng là phải tách bóc đợc một phần đất/đá để tạo ra khoảng trống ngầm (ngoại trừ phơng pháp hạ chìm trong nớc), nghĩa là gây tác động làm thay đổi trạng thái vật chất của khối đất/đá. Trong trờng hợp này biến đổi trạng thái vật chất sẽ gây ra các biến đổi trạng thái vật lý/cơ học ban đầu và do vậy trong khối đất/đá xung quanh khoảng trống ngầm sẽ diễn ra những quá trình biến đổi cơ học khác nhau. Các kết quả nghiên cứu, phân tích của cơ học đất/đá đã chứng tỏ rằng hậu quả của các quá trình biến đổi đó sẽ dẫn đến các dạng biểu hiện khác nhau là: khối đất/đá có thể vẫn ở trạng thái ổn định hoặc Phơng pháp đào Đào theo chu kỳ Đào liên tục khoan-nổ mìn máy đào xúc máy đào từng phần máy đào toàn gơng má y khoan hầm TBM má y khiên đào SM Hình 1-2. Phân nhóm theo quy trình đào 4 khối đất/đá chuyển sang trạng thái mất ổn định với các mức độ thể hiện đa dạng. Nếu dới các dạng tác động khác nhau, khối đất/đá vẫn ổn định và đáp ứng các yêu cầu theo chức năng sử dụng của công trình ngầm trong khoảng thời gian cần sử dụng, khi đó có thể sử dụng khoảng trống mà không cần đến các biện pháp kỹ thuật nào cả. Ngợc lại, nếu khối đất/đá mất ổn định (nghĩa là có thể xuất hiện các hiện tợng tróc vỡ, tróc lở, sập lở, trợt lở , cũng nh biến dạng, dịch chuyển đủ lớn), cần thiết phải áp dụng các biện pháp kỹ thuật thích hợp để có thể: đảm bảo an toàn và ổn định khoảng không gian ngầm cũng nh khối đất/đá theo các yêu cầu nhất định trong quá trình thi công; đảm bảo bền vững và ổn định trong quá trình khai thác, vận hành; bảo vệ đợc các công trình đã và đang đợc xây dựng ở khu vực lân cận. Các kết cấu nhân tạo cần thiết đợc lắp dựng để có thể sử dụng khoảng không gian ngầm an toàn và ổn định trong các điều kiện nhất định, đợc gọi chung với khái niệm kết cấu công trình ngầm hay kết cấu chống. Tuy nhiên, với những nhận thức hiện nay, khối đất/đá, đặc biệt là khối đá cũng đợc sử dụng, phát huy để có thể tiếp nhận hoặc tham gia tiếp nhận các tác động cơ học (tải trọng), cho nên trong nhiều trờng hợp khái niệm kết cấu công trình ngầm cũng đợc hiểu là tổ hợp bao gồm các kết cấu nhân tạo và khối đất/đá, nghĩa là toàn bộ hay một bộ phận của khối đất/đá cũng đợc coi là một bộ Hình 1-3. Các phơng pháp thi công lộ thiên Phơng pháp thi công lộ thiên Thi công hở H ạ dần hạ chìm 5 phận của kết cấu công trình ngầm. Cũng vì vậy, thông thờng sẽ sử dụng khái niệm kết cấu chống, nếu chỉ đề cập riêng đến các kết cấu nhân tạo. Khái niệm kết cấu công trình ngầm đợc sử dụng mang tính tổng quát hơn. Các loại kết cấu chống cùng với các phơng pháp lắp dựng cũng đợc hiểu với khái niệm phơng pháp chống. Cho đến nay có nhiều dạng kết cấu công trình ngầm đã đợc phát triển với những đặc thù sử dụng khác nhau. Nói chung các kết cấu đợc hình thành trớc hết phụ thuộc vào điều kiện ổn định của khối đất/đá vây quanh khoảng trống, phụ thuộc vào phơng pháp thi công và phụ thuộc vào chức năng của công trình ngầm. Với những đặc điểm khác nhau về mục tiêu sử dụng, thời hạn sử dụng, nên các công trình ngầm trong ngành mỏ và các công trình ngầm trong xây dựng dân dụng và công nghiệp đợc quy hoạch, thiết kế và thi công xây dựng với những quan điểm và yêu cầu khác nhau. Do vậy những yêu cầu và đòi hỏi về loại hình và quy mô các kết cấu công trình ngầm cũng có những đặc thù riêng. Cơ học công trình ngầm (chính xác hơn là Cơ học kết cấu công trình ngầm) đợc coi là một lĩnh vực chuyên môn với các nhiệm vụ: nghiên cứu và phát triển các loại hình kết cấu công trình ngầm nghiên cứu và phát triển các phơng pháp tính toán, thiết kế các kết cấu công trình ngầm. Nếu nh trong xây dựng thờng nói đến môn kết cấu công trình và cơ học kết cấu một cách riêng rẽ, thì trong xây dựng công trình ngầm khái niệm cơ học kết cấu công trình ngầm bao hàm cả kết cấu công trình ngầm và vấn đề tính toán thiết kế. Tuy nhiên các loại kết cấu chống và vấn đề tính toán các kết cấu công trình ngầm cũng nh các phơng pháp lựa chọn, thiết kế riêng biệt đều có những đặc thù riêng, đặc trng bởi những tác động khác nhau của các khối đất/đá cũng nh các phơng pháp thi công xây dựng và các quan điểm phân tích đánh giá khác nhau. Ngày nay, tính toán kết cấu công trình ngầm không chỉ dừng lại theo các nguyên tắc của cơ học kết cấu, mà còn vận dụng các kiến thức của cơ học vật rắn biến dạng, cũng nh phát triển các mô hình, phơng pháp tính riêng, liên quan với những đặc điểm đa dạng của các khối đất/đá. Tại đây cũng cần lu ý rằng các kết cấu đợc sử dụng để bảo vệ thành hào, hố đào trong phơng pháp thi công hở (Hình 1-4) cũng rất đa dạng và tùy thuộc vào phơng pháp đào, dạng thành hào, hố đào, cũng nh các điều kiện về khối đất/đá. Bởi vì các loại kết cấu này không chỉ liên quan với việc thi công xây dựng các công trình ngầm, mà còn đợc sử dụng rộng rãi trong quá trình xây 6 dựng các công trình xây dựng khác, với các chức năng khác nhau, do vậy việc tính toán, thiết kế các kết cấu này đợc giới thiệu riêng trong giáo trình Kỹ thuật nền móng. Hình 1-4 . Phơng thức đào và bảo vệ hào bằng phơng pháp hở 1.2 Nhiệm vụ và yêu cầu cơ bản đối với kết cấu công trình ngầm Mục đích chung của việc lắp dựng kết cấu công trình ngầm là để đảm bảo an toàn, bền vững và ổn định khoảng không gian ngầm, cụ thể nhằm bảo vệ, đảm bảo an toàn, đảm bảo điều kiện hoạt động bình thờng cho con ngời, các trang thiết bị, phơng tiện kỹ thuật trong không gian ngầm. Tuy nhiên các nhiệm vụ cụ thể của từng loại kết cấu công trình ngầm cũng còn phụ thuộc cả vào các yêu cầu riêng, mục tiêu sử dụng riêng. Trong lĩnh vực khai thác mỏ hầm lò, nhiệm vụ chủ yếu của kết cấu công trình ngầm là: a) Ngăn chặn đá rơi, sập lở vào ngời lao động, trang thiết bị kỹ thuật; b) Hạn chế dịch chuyển của khối đá và giữ ổn định khoảng trống đảm bảo các công tác vận hành, vận chuyển và thông gió. Bờ dốc đợc g ia cố Bờ dốc t ự nhiên Tờng có thể thu hồi Tờng bảo vệ là bộ phận của kết cấu côn g trình Phơng pháp thi công hở Để bờ dốc (thành hào nghiêng) Thành hào thẳng đứng, có tờng bảo vệ Neo, chốt Các giải pháp gia cờng, tăng sức Tờng cọc-ván Tờng cọc cừ Tờng cọc khoan nhồi Tờng hào nhồi Khung chống . kết cấu công trình ngầm. Nếu nh trong xây dựng thờng nói đến môn kết cấu công trình và cơ học kết cấu một cách riêng rẽ, thì trong xây dựng công trình ngầm khái niệm cơ học kết cấu công trình. riêng. Cơ học công trình ngầm (chính xác hơn là Cơ học kết cấu công trình ngầm) đợc coi là một lĩnh vực chuyên môn với các nhiệm vụ: nghiên cứu và phát triển các loại hình kết cấu công trình ngầm. trình ngầm thủy lợi, thủy điện Công trình ngầm giao thông, Công trình ngầm công nghiệp, Công trình ngầm quốc phòng, Công trình ngầm dân dụng, Công trình ngầm đặc biệt. Sau đây, để cho