19 Két cấu chống hai lớp là kết cấu thông thờng hay truyền thống. Trớc tiên chúng đợc phân biệt rõ ràng qua chức năng là vỏ chống tạm và vỏ chống cố định. Lớp vỏ ngoài, hay lớp thứ nhất đợc lắp dựng trong quá trình đào khoảng trống ngầm và kết hợp với khả năng tự mang tải của khối đá tạo nên kết cấu bảo vệ, kể từ thời điểm sau khi đào, tạo ra khoảng trống ngầm đến khi lắp dựng vỏ chống cố định. Hai lớp vỏ thờng đợc ngăn cách bởi một lớp chống thấm hay cách nớc, chẳng hạn bằng một lớp chất dẻo cùng với các hệ thống bảo vệ khác (nh vải địa kỹ thuật); hoặc bằng một lớp vỏ ngăn cách, nh vải nhựa polyetylen, nếu lớp vỏ trong là bê tông cách nớc (không thấm), đồng thời cũng để phân cách không cho hai lớp vỏ liên kết với nhau. Kết cấu vỏ hai lớp cũng có thể không có lớp cách nớc hay lớp ngăn cách, chẳng hạn lớp vỏ bê tông phía trong là bê tông chống thấm đợc đổ trực tiếp kế theo lớp vỏ bê tông phun bên ngoài, trong trờng hợp thi công hầm ở điều kiện có nớc ngầm. Nói chung, với quan điểm vỏ hai lớp thì lớp vỏ ngoài thờng đợc xem là lớp vỏ sẽ bị hủy hoại theo thời gian, có tuổi thọ ngắn. Do vậy, lớp vỏ trong phải đáp ứng các yêu cầu về độ bền, độ ổn định lâu dài và các tính năng sử dụng. Điều này xuất phát từ giả định là lớp vỏ ngoài bị phá hủy và coi nh không tồn tại. Ngợc lại, cũng có quan điểm cho rằng, lớp vỏ ngoài đóng vai trò chính làm kết cấu chịu tải, lởp vỏ trong chỉ mang ý nghĩa cấu tạo và các yêu cầu thẩm mỹ, hoặc chống lại các tác nhân phá hoại hình thành trong quá trình vận hành. Kết cấu chống của đờng hầm Hải Vân là ví dụ điển hình cho loại kết cấu này. Tuy nhiên trong thực tế có nhiều ví dụ chứng tỏ rằng, lớp vỏ ngoài, tại trạng thái cuối cùng vần có khả năng mang tải và có thể tính toán, kiểm định đợc và ý tởng về kết cấu một vỏ đợc hình thành có ba yếu tố: Lớp vỏ ngoài thực tế không bị phá hủy đến mức nh vẫn tồn tại trong các giả định lý thuyết; Ngày nay hoàn toàn có thể sử dụng bê tông phun ở dạng bê tông kết cấu. Nh vậy, nếu đã xem lớp vỏ ngoài là một bộ phận của vỏ chống cố định, việc tạo ra lớp vỏ trong chỉ nên xem là tạo một lớp bổ sung của lớp vỏ đã tồn tại, để đảm bảo đáp ứng đ ợc các yêu cầu về độ bền và độ ổn định lâu dài. Nh vậy có thể giảm đợc khối lợng hay thể tích đá đào ra cũng nh khối lợng hay thể tích của kết cấu; Bằng cách sử dụng bê tông sợi thép cũng nh bê tông phun sợi thép cho phép rút ngắn đợc thời gian thi công. Đơng nhiên kết cấu một lớp cần thiết phải đảm bảo đợc các yêu cầu khác nhau trong từng giai đọan khác nhau cũng nh là kết cấu tổng thể đối với các yêu cầu cuối cùng, lâu dài. Thực hiện đợc ý tởng này sẽ mang lại hiệu quả kinh tế nhất định. Điều kiện để có thể tích hợp lớp vỏ ngoài thành một bộ 20 phận của lớp vỏ chống cố định là phải tạo ra mối liên kết toàn phần của khe công tác giữa hai lớp. Trong thực tế cũng còn nói đến kết cấu vỏ nhiều lớp, phân biệt bởi đặc điểm cấu tạo, vật liệu trong từng lớp và các lớp này có thể đợc thiết kế riêng rẽ, song về khả năng chịu tải tổng thể vẫn có thể xem là kết cấu một vỏ hay kết cấu một lớp. 1.4. Vài nét về lịch sử phát triển Cho đến khoảng thập kỷ 50 của thế kỷ 20 để chống đỡ (bảo vệ) các công trình ngầm vẫn chủ yếu sử dụng kết cấu khung bằng gỗ. Sau đó các kết cấu khung thép, bê tông phun và neo mới dần dần đợc sử dụng. Tuy nhiên, ngay từ lâu, trớc đó, đã có các ý tởng thúc đẩy việc tìm các phơng án thay dần gỗ trong xây dựng mỏ và công trình ngầm, vì các yếu điểm của loại kết cấu này là tốn nhiều thời gian và công sức khi đào vợt tiết diện nhiều, tính linh họat kém và dễ bị cháy. Kết cấu thép đợc sử dụng đầu tiên ở dạng các thép đờng ray đã qua sử dụng và lúc đầu thờng ở dạng phối hợp với kết cấu gỗ. Sự ra đời của ngành cán thép vào đầu thế kỷ 19 đã góp phần thay thế kết cấu khung gỗ bằng kết cấu khung thép ngày càng nhiều hơn. Cho đến khoảng cuối thể kỷ 19, đầu thế kỷ 20 tại các nớc phát triển trên thế giới, hầu nh gỗ đã bị thay thế hòan toàn trong xây dựng công trình ngầm khi đào qua các khối đá có áp lực mạnh (Fayol 1885; Mathet 1888; Koehler 1900). Một ví dụ, đợc coi là điển hình, là sử dụng kết cấu thép khung chữ nhật 2,5x2,8m để chống giữ đoạn hầm áp lực lớn tại đờng hầm Simplon (Pressel 1906). Lịch sử áp dụng bê tông phun trong xây dựng công trình ngầm gắn liền với sự phát triển của các loại máy phun có tính năng kỹ thuật ngày càng tốt hơn và độ an toàn, tính ổn định ngày càng cao hơn. Ngay sau khi đăng ký bản quyền máy phun khô đầu tiên (cement gun) của Akeley 1911, một đờng hầm ở Mỹ đã đợc sửa chữa bằng bê tông phun (Teichert 1979). Cũng tại Mỹ, trong lĩnh vực khai thác hầm lò đã bắt đầu sử dụng bê tông phun để chống giữ các đờng lò tại các mỏ Bruceton, Pennsylvania từ 1914 (Rice 1918). Trớc 1920 vỏ bê tông phun kết hợp với lới thép đã đợc sử dụng để bảo vệ đờng hầm đờng sắt ở Illinois. Vào đầu thế kỷ 20, các máy bê tông phun khô (bê tông phun trộn khô) đã xâm nhập vào châu Âu, đặc biệt là tại vùng núi Alp. Các đ ờng hầm áp lực của nhà máy điện Buendner và của nhà máy điện Amsteg đã sử dụng bê tông phun (gunit) làm kết cấu bảo vệ. Tại đờng hầm đờng sắt Coldrerio và Massagno ở Tessin đã sử dụng bê tông phun để sửa chữa. Hình 1-5 cho thấy hình ảnh sử dụng bê tông phun để cải tạo đờng hầm 21 đờng sắt thành đờng hầm ô tô Ulmberg tại Zuerich vào năm 1927 (Kovari 2001). Năm 1922, đờng hầm áp lực dài 6 km của nhà máy điện Heimbach tại Đức đã đợc phun phủ bằng bê tông phun. Tuy nhiên bê tông phun đợc sử dụng nhiều, bắt đầu cùng với sự ra đời của các máy phun công suất cao. Máy phun có kết cấu trục xoắn do Senn phát triển mới đợc coi là máy phun bê tông thực sự đầu tiên, bởi lẽ lần đầu tiên cho phép sử dụng cốt liệu đến 25 mm, với công suất đạt đợc là 3m 3 /giờ. Từ đó hình thành khả năng sử dụng bê tông phun nh là một bộ phận chủ đạo trong xây dựng công trình ngầm. Một số ví dụ áp dụng nh các đờng hầm dẫn nớc Maggia của nhà máy điện tại Tessin 1952, hai đờng hầm của tuyến đờng ô tô Axen (Frey-Baer 1955; Sonderegger 1955; Sonderegger 1956) tại áo. Từ 1957 tại ý và từ 1964 tại Đức đã sử dụng bê tông phun trong thi công công trình ngầm tiết diện lớn trong lĩnh vực giao thông. Lịch sử áp dụng neo có lẽ đợc bắt đầu với các giải trình bản quyền của Stephan, Froehlich và Kloepfel vào những năm 1913 (Hình 1-6). Sự bùng nổ của chiến tranh thế giới thứ nhất đã gây trì hoãn công bố bản quyền này vào năm 1918. Bản giải trình bản quyền này bao gồm các ý tởng của kết cấu chống bằng neo và nêu hai ví dụ áp dụng là tu sửa kết cấu bị phá hủy tại sờn một đờng hầm và chốt giữ khối phá hủy tại nóc một đờng hầm. Tuy nhiên phát kiến này cha đợc các nhà chuyên môn quan tâm ngay. Mãi 25 năm sau Hình 1- 5. Sử dụn g bê tôn g p hun tại Thụ y s ỹ ( đờn g hầm Ulmber g 1927) 22 ngời ta mới thấy một báo cáo về thử nghiệm neo vào những năm 1936 và 1937 tại mỏ khai thác kền ở phía nam Misouri ở Mỹ (Weigel 1943). Vào thập kỷ 40, ngời Hà Lan Beyl có báo cáo về kết quả thử nghiệm neo thành công tại Anh (Beyl 1945/1946). Bằng cách đo dịch chuyển, hội tụ của đờng hầm ông ta đã khảo sát ảnh hởng của neo đến các biểu hiện của khối đá và khẳng định rằng, cần thiết cắm neo ngay sau khi đào. Sau năm 1945 neo đợc sử dụng ngày càng nhiều, bắt đầu là trong khai thác mỏ ở Mỹ (Conway 1948; Thomas 1948) và sau 1952 ở châu Âu, tại các mỏ ở Anh, Pháp, Đức. So với khung thép và bê tông phun, neo đợc hạn chế sử dụng trong ngành mỏ từ lâu; song sau một khoảng thời gian ngắn kết cấu neo đã thay thế kết cấu gỗ trên thế giới. Kết cấu neo đợc sử dụng trong công trình ngầm đầu tiên là tại đờng hầm dẫn nớc tại đập nớc Keyhole, Wyo ở Mỹ vào năm 1950 (Anonymous 1951). Đột phá sử dụng neo thực sự xảy ra trong xây dựng công trình ngầm là tại đờng hầm dẫn nớc 42km của dự án Delaware Water Supply Aqueduct ở New York (Nolan 1952; Pierce 1953). Tại đây, do khả năng cung cấp các khung thép gặp khó khăn, nên neo kết hợp với bê tông phun đã đợc sử dụng thay thế khung thép hình vòm. Trên 19,5 km đờng hầm đã đợc bảo vệ thành công bằng neo và cũng vì thế đã giảm đợc khoảng 85% lợng thép, nếu sử dụng khung thép. Nh vậy, với những cải tiến của công nghệ bê tông phun trong thập kỷ 50 thế kỷ 20, vai trò của khung chống gỗ đã bị loại trừ trên thế giới, kể cả Hình 1-6 . Hình ảnh sử dụng neo đầu tiên trong lĩnh vực khai thác mỏ năm 1913) t h a n cát k ết sét k ết t h a n tấm thé p neo lỗ khoan tờn g đá lỗ khoan vòng hình côn 23 trong lĩnh xây dựng công trình ngầm. Thêm vào đó là việc áp dụng thành công các kết cấu phối hợp bê tông phun, neo và khung thép. Tuy nhiên, tại nhiều mỏ hầm lò của Việt Nam, gỗ vần còn là một loại vật liệu quan trọng. Nói chung , trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm và mỏ, việc cải tiến và phát triển các kết cấu bảo vệ vẫn luôn là vấn đề đợc quan tâm thích đáng. Kết cấu hợp lý không chỉ đảm bảo đợc các yêu cầu về kỹ thuật mà thờng đem lại hiệu quả kinh tế đáng kể. 1.5. Nguyên tắc và phơng pháp lựa chọn, thiết kế kết cấu chống Nói chung, trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trong Cơ học đá, kết hợp với sự phát triển của các loại vật liệu và kết cấu chống mới, sự phát triển của các phơng pháp tính toán, thiết kế, kết hợp với kinh nghiệm thực tế cho thấy rằng để có thể có đợc một giải pháp hợp lý về kinh tế và kỹ thuật đối với kết cấu công trình ngầm cần thiết phải tiến hành các công tác cơ bản sau: Nghiên cứu, đánh giá mức độ ổn định của khối đá xung quanh các đờng lò, các công trình ngầm sau khi đào, từ đó cho phép dự báo áp lực đất/đá hay áp lực mỏ, trên cơ sở phân loại khối đá, kinh nghiệm thực tế, phân tích lý thuyết, đo đạc; Nói chung các kết cấu chống cố định của công trình ngầm thờng phải chịu tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Các yếu tố cơ bản đợc thể hiện trong bảng 1-4. Bảng 1-4. Các loại tải trọng tác dụng lên kết cấu chống Từ phía khối đá: Các loại áp lực và tải trọng. Hậu quả do sụt lún, sập lở đất đá. Động đất. áp lực nớc. Các tác động xâm thực của nớc hoặc các thành phần có tính xâm thực trong đất đá. Từ quá trình thi công: Tự trọng của kết cấu trong khi thi công; các tải trọng từng phần trong trạng thái thi công. Tỏa nhiệt trong quá trình thủy phân, co ngót (bê tông) áp lực khi bơm ép chèn các khe, chèn phía nóc. Các trạng thái vận chuyển đối với các kết cấu đúc sẵn ( các tấm lắp ghép, tuýpbing, các ống đúc sẵn). Các lực nén ép khi thi công, các tải trọng do kéo các cấu kiện, dụng cụ khác. Từ điều kiện sử dụng, khai thác: Tác dụng của nhiệt độ từ không khí, nớc thải, cũng nh các yếu tố tơng tự. Các tác động hóa học bởi khí thải, nớc Các tác động do giao thông, vận chuyển. Tác động của các hạt đá, cuội có trong nớc (đối với các đờng hầm dẫn nớc). Tác động do cháy trong các công trình giao thông ngầm. 24 Hình 1-7. Sơ đồ lựa chọn, thiết kế vật liệu và kết cấu chống (KCC) hợp lí Tính toán, thiết kế kết cấu chống nhất thiết phải chú ý đến các yếu tố tác động này, tùy theo từng chức năng, nhiệm vụ cụ thể của công trình ngầm và điều kiện cụ thể của khối đất/đá. Công tác thiết kế và thi công kết cấu chống cố định dựa trên cơ sở tác động tơng hỗ giữa kết cấu chống và khối đá, điều kiện địa chất, địa chất thủy văn cũng nh chiều dài công trình ngầm. Các bớc công tác đợc cụ thể hóa nh trên trên sơ đồ hình 1-7. Phản ứng, tính chất của kết cấu chống Giải pháp tăng cờng cho kết cấu chống Phân tích mức độ ổn định, dự đoán áp lc, tải trọng tác d ụ n g lên kết cấu chốn g Lựa chọn loại kết cấu chống: kết cấu chống tạm, cố định (neo, bê tông phun, khung thép, bê tông v v ) Lý thuyết, kinh nghiệm. Các kiến thức thực tế. Đo đạc và quan sát tại hiện trờng. Các điều kiện địa tầng. Chức năng công trình. Kích thớc công trình Thời gian tồn tại Giá thành hệ thống kết cấu chống Phơng pháp thi công Mô hình KCC, mô hình tơng tác khối đá - KCC Mô hình tính Phân tích kết cấu chống Các thành phần nội lực (M; N; Q). Dịch chuyển. Ưng suất Xác định kích thớc của kết cấu chống Các tiêu chuẩn bền và ổn định Lý thuyết đàn hồi. Lý thuyết dẻo Lu biến Quan sát, đo đạc thực tế tại hiện trờng. Phân tích hiệu quả kinh tế tổng thể. Tính ổn định. Giá thành của kết cấu chống. Đánh giá lại thiết kế . là kết cấu một vỏ hay kết cấu một lớp. 1 .4. Vài nét về lịch sử phát triển Cho đến khoảng thập kỷ 50 của thế kỷ 20 để chống đỡ (bảo vệ) các công trình ngầm vẫn chủ yếu sử dụng kết cấu. năng, nhiệm vụ cụ thể của công trình ngầm và điều kiện cụ thể của khối đất/đá. Công tác thiết kế và thi công kết cấu chống cố định dựa trên cơ sở tác động tơng hỗ giữa kết cấu chống và khối đá,. phơng pháp lựa chọn, thiết kế kết cấu chống Nói chung, trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trong Cơ học đá, kết hợp với sự phát triển của các loại vật liệu và kết cấu chống mới, sự phát triển