25 Lựa chọn các loại kết cấu và vật liệu chống khả dĩ theo yêu cầu về chức năng của công trình ngầm, kinh nghiệm thực tế; Mô hình hoá các kết cấu chống khả dĩ để xây dựng và lựa chọn sơ đồ tính; phân tích tơng tác giữa kết cấu chống và khối đá, chọn các giải pháp kỹ thuật có thể áp dụng và ảnh hởng đến mối tơng tác đó, Tính toán và thiết kế kích thớc của các kết cấu đã đợc chọn theo các yêu cầu về khả năng chịu tải và ổn định, cụ thể: xác định nội lực, ứng suất, biến dạng; kiểm định theo các tiêu chuẩn bền, tiêu chuẩn ổn định Dự tính kinh tế để lựa chọn kết cấu hợp lí, Đo đạc, quan trắc, phân tích kinh tế thực tế, khi cần thiết phải điều chỉnh lại thiết kế cho phù hợp với điều kiện thực tế. Đơng nhiên, trong thực tế, không phải bao giờ cũng có thể giải quyết đợc bài toán đặt ra một cách mỹ mãn, bởi lẽ vấn đề này chịu ảnh hởng của nhiều yếu tố rất phức tạp khác nhau. Chẳng hạn, nh đã biết trong cơ học đá, riêng mức độ ổn định của khối đá cũng đã phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố khác nhau, ví dụ các yếu tố cơ bản có thể xếp vào 4 nhóm sau: 1) Bản chất của khối đá/đất, đợc đánh giá qua các đặc điểm địa chất (thành phần vật chất, cấu tạo, kiến trúc), các điều kiện địa chất thuỷ văn, các tính chất cơ lý của đá và khối đá, của hệ thống các mặt phân cách, gián đoạn (các khe nứt, các mặt phân lớp, các nếp uốn, các đứt gãy và phay phá) trong khối đá. 2)Trạng thái ứng suất nguyên sinh trong khối đá/đất dới tác động của lực trọng trờng và lực kiến tạo. 3)Các tác động kỹ thuật, đặc trng bởi công nghệ đào, hình dạng, kích thớc và chức năng sử dụng của công trình ngầm. 4)Môi trờng xung quanh đặc trng bởi độ ẩm, nhiệt độ trong không gian sau khi đào liên quan đến tác động phong hoá làm biến đổi cấu trúc cũng nh tính chất cơ lý của khối đá. Sự phức tạp của vấn đề cần nghiên cứu không chỉ do số l ợng lớn các yếu tố ảnh hởng mà còn do tính đa dạng và ngẫu nhiên của các yếu tố đã nêu. Ngoài ra vấn đề đặt cũng còn phụ thuộc vào các yếu tố 'chủ quan' của đơn vị đầu t, đơn vị sản xuất, thi công cụ thể là: điều kiện cung cấp vật t, thiết bị điều kiện công nghệ 26 Cơ học công trình ngầm bao hàm ngoài việc tính toán thiết kế kết cấu công trình ngầm còn có những nghiên cứu cơ học khác liên quan với công tác xây dựng công trình ngầm (mô phỏng quá trình thi công). Việc tính toán, thết kế kết cấu công trình ngầm đợc thực hiện bởi các phơng thức khác nhau, có thể phân ra ba nhóm là: Tính toán theo trực giác, cụ thể là các chuyên gia công trình ngầm xem xét đá, khối đá (chẳng hạn từ các lõi khoan thăm dò) và xác định theo cảm nhận về kết cấu neo, lực kéo căng neo cũng nh chiều dày vỏ bê tông; Tính toán theo kinh nghiệm, thực nghiệm, nghĩa là từ các nguyên tắc kinh nghiệm đúc rút từ thực tế có thể lựa chọn và xác định kích thớc kết cấu công trình ngầm phù hợp với chất lợng của khối đá; hiện tại bằng phơng thức này loại kết cấu chống và kích thớc đợc sử dụng sẽ đợc lựa chọn dựa vào các bảng phân loại khối đá. Thông thờng các nguyên tắc kinh nghiệm đợc diễn đạt bằng bảng biểu, đồ thị hoặc các công thức không chặt chẽ về thứ nguyên; Tính toán hợp lý, cụ thể là từ các kết quả đo đạc, thí nghiệm, phân tích và mô tả toán học về các tính chất của vật liệu sẽ dẫn dắt đến các phơng trình, có chú ý đến các quy luật cơ học, để mô tả các tính chất, đặc điểm của khối đá và của kết cấu công trình cũng nh tác động tơng hỗ giữa chúng. Bằng phơng thức này đã xuất hiện nhiều phơng pháp tính toán khác nhau với các sơ đồ tính, mô hình vật liệu, quan hệ tơng tác giữa kết cấu với môi trờng đất đá khác nhau. Các bài toán hình thành trên cơ sở này đợc giải bằng phơng pháp giải tích hoặc phơng pháp số. Bằng cách này chó phép có thể rút ra những nhận định, kết luận một cách đơn giản hơn, nh GAUSS đã nói: ngay cả trong những tr ờng hợp thật phức tạp, nếu không có sự hỗ trợ này thì các vĩ nhân cũng có thể bị ngất xỉu. Trong thực tế ba phơng thức này ít khi xuất hiện riêng lẻ. Thông thờng chúng đợc kết hợp lại, tùy theo quan điểm, thói quen của ngời làm công tác thiết kế. Liệu một trong các phơng thức nêu trên là có ích hay cần thiết, là một vấn đề vẫn đợc các nhà chuyên môn với các trờng phái khác nhau tranh luận. Cũng vì vậy một trong những yêu cầu và mục tiêu quan trọng đối với công tác nghiên cứu khoa học là chuyển hóa đợc các nguyên tắc thiết kế trực giác, thiết kế theo kinh nghiệm vào trong các tính toán thiết kế hợp lý. Chỉ có nh vậy mới có thể đa ra những khẳng định cho phép kiểm chứng đợc và mới có khả năng nâng cao đợc nhận thức, hiểu biết. Hiện nay, vẫn còn có 27 quan điểm cho rằng phơng thức tính toán hợp lý trên cơ sở môi trờng liên tục là không áp dụng đợc, bởi lẽ khối đất đá thực sự là môi trờng phức tạp, không đồng nhất. Đơng nhiên quan điểm này là không lô dích, bởi lẽ tính không đồng nhất không còn là nguyên nhân hạn chế phơng thức tính toán hợp lý mà hoàn toàn có thể chú ý đợc trong tính toán. Ngoài ra, bằng các phơng pháp số, với sự trợ giúp của máy tính thì phơng pháp tính toán hợp lý không còn là vấn đề nan giải. Cũng vì vậy, trong tài liệu này sẽ chủ yếu đề cập đến các bài toán giải bằng phơng pháp giải tích, dẫn đến các biểu thức hay công thức giải tích. Mục đích là cho ngời học, ngời đọc có đợc hiểu biết khái quát về các vấn đề trong cơ học công trình ngầm. Tính toán, thiết kế công trình ngầm đơng nhiên còn phải sử dụng các mô hình môi trờng liên tục, đặc trng ở mức độ đơn giản hóa, lý tởng hóa cao. Điều này là khó tránh khỏi, vì: Vấn đề cần nghiên cứu thực sự là bài toán không gian về các trờng ứng suất và biến dạng, ít nhiều có biến động theo thời gian; Các biểu hiện của vật liệu là phức tạp (dị hớng, biến dạng không hồi phục, quan hê giữa ứng suất và biến dạng là đa dạng và phí tuyến, chảy dẻo, long rời, giảm bền, trơng nở, nứt nẻ, lu biến); Biến động mạnh trong không gian về các tính chất vật liệu (điều kiện địa chất, địa chất thủy văn), mà trong thực tế khó thâu tóm hết đợc. Mặc dù cho đến nay có nhiều phơng pháp nghiên cứu đã đợc phát triển và áp dụng, song nói chung các tính toán địa cơ học luôn chỉ là những tính toán, những dự đoán gần đúng. Lý do đơn giản là công tác xây dựng công trình ngầm có bản chất khác cơ bản so với việc xây dựng các công trình trên mặt đất. Sự khác nhau đó có thể nhận thấy qua so sánh đơn giản sau: Tải trọng: o Công trình xây dựng trên mặt đất đợc tính toán, thiết kế với tải trọng cho tr ớc khá chính xác o Đối với các công trình ngầm, khối đất/đá là vật liệu xây dựng, vừa là thực thể gây tải trọng cũng vừa là thành phần chịu tải; hệ thống khối đất/đá và kết cấu chống hợp thành hệ thông chịu tải, nhng cũng lại gây tải trọng qua tác dụng tơng hỗ lẫn nhau Phơng thức chịu tải: o Các công trình xây dựng trên mặt đất nhận tải dần dần (tự trọng) và sau khi đã xây dựng (tải trọng cuối cùng bên ngoài); o Khoảng không gian ngầm đợc đào từ khối đất/đá đã chịu tải trớc; trạng thái ứng suất nguyên sinh cũng nh ban đầu rất khó xác định. Phơng pháp tính: 28 o Việc tính toán, thiết kế các kết cấu của công trình trên mặt đất đợc tiến hành trên cơ sở tổ hợp tải trọng khả dĩ; o Tính toán các công trình ngầm thực chất trên cơ sở dự báo ứng suất, biến dạng, bởi vì có sự phụ thuộc phức tạp vào công tác thi công và trình tự thi công;Tác động cơ học không hình thành do chất tải vào khối đá mà do giảm tải (không thuận lợi); Về vật liệu o Trong xây dựng trên mặt đất, vật liệu xây dựng đợc lựa chọn, thông qua tính toán cơ học, phân tích kinh tế; o Trong xây dựng công trình ngầm, một phần vật liệu xây dựng là khối đất/đá không thể lựa chọn đợc (tồn tại tự nhiên) và nói chung không thể gây ảnh hởng cơ bản đến các tính chất của chúng; Trạng thái ảnh hởng đến mức độ ổn định: o Đối với các công trình trên mặt đất, nói chung trạng thái cuối cùng là trạng thái quyết định; o Trong xây dựng công trình ngầm, thông thờng các trạng thái trung gian trong quá trình thi công có tính quan trọng hơn là trạng thái cuối cùng. Cũng vì vậy mà trên thế giới vẫn luôn có câu hỏi đợc đặt ra là: có nhất thiết phải tính toán, thiết kế kết cấu công trình ngầm hay không? Câu trả lời của đa số các chuyên gia là; tính toán thiết kế kết cấu công trình ngầm không chỉ là có ích mà còn là cần thiết, bởi vì nó cung cấp nhận thức về các quá trình cơ học diễn ra trong khối đất đá và kết cấu. Nh đã nhắc đến, cơ học công trình ngầm làm việc với các mô hình. Đơng nhiên rất khó có thể bao quát hết bằng mô hình. Và điều quan trọng là không đợc nhầm lẫn giữa mô hình và thực thể. Mô hình hình thành bởi sự suy tởng đơn giản hóa, lý tởng hóa thực tế, thông qua những gì còn đặc trng trong mô hình. Việc lựa chọn mô hình hợp lý phản ánh nhận thức và suy nghĩ kỹ thuật, đánh giá trực giác đúng đắn. Trong mọi trờng hợp, mô hình cần phải phù hợp, đợc định nghĩa rõ ràng và có tính bao quát. Đồng thời mô hình tính phải tuân thủ các nguyên tắc cơ bản trong cơ học (chẳng hạn các điều kiện cân bằng ). Hiện tại trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm vẫn còn có các mô hình đợc sử dụng, đợc xây dựng từ cảm nhận trực giác về điều kiện địa chất, địa kỹ thuật, song không đảm bảo đủ chính xác để đợc coi là mô hình cơ học. Các mô hình này chỉ nên xem là mô hình khởi đầu cho một giai đoạn mới trớc khi có đợc mô hình cơ học hợp lý. 29 Nếu việc tính toán cơ học đợc thực hiện trên cơ sở mô hình cơ học hợp lý, thì sẽ cho phép có đợc những nhận định quan trọng cho công tác xây dựng công trình ngầm. Các nhận định này cần thể hiện ở dạng các phơng trình và phải thể hiện rõ ràng là chúng hình thành trên cơ sở nào. Tuy nhiên các kết quả số lại cần phải sử dụng có cân nhắc cẩn trọng, bởi vì nh đã nhắc đến là: Các dữ liệu vào không chính xác; Các phơng trình có đợc từ mô hình đã mô phỏng đơn giản hóa thực tế. Mặc dù vậy, các phơng trình này vẫn có ý nghĩa quan trọng, vì chúng cho thấy đợc đại lợng vật lý nào thể hiện vai trò quan trọng trong vấn đề đợc khảo sát. Ngoài ra các kết quả định tính của các phơng trình này hoàn toàn có thể sử dụng để thiết kế, xác định kích thớc kết cấu công trình, kết hợp với các hệ số an toàn, ổn định đã đợc khẳng định bằng trực giác, kinh nghiệm. Ngoài ra các phơng trình này cũng đợc sử dụng khi có sự cố xảy ra, để phân tích nguyên nhân, tìm giải pháp khắc phục. Trong thực tế xây dựng công trình ngầm các phơng trình này cũng đợc sử dụng làm cơ sở cho phơng pháp quan trắc, trong đó các biểu hiện của kết cấu (trong và sau khi xây dựng) đợc đánh giá thông qua đo đạc. Chẳng hạn từ các kết quả đo đạt đợc giá trị xác định nào đó, có thể cho phép đa ra biện pháp xử lý hợp lý. Ngoài ra cũng không nên đánh giá thấp các kết quả tính toán giải tích nhận đợc từ các bài toán đơn giản, bởi vì chúng lại cho phép kiểm tra, kiểm định đợc tính chính xác, hợp lý của các phơng pháp số (ví dụ phơng pháp phần tử hữu hạn). Các tài liệu tham khảo tiếng Việt: 1) Phí Văn Lịch: áp lực đất đá và chống giữ công trình ngầm. Tập I và II. Đại học Mỏ -Địa chất 1972. 2) Đinh Xuân Bảng, Nguyễn Tiến Cờng, Phí Văn Lịch, Lê Văn Thởng: Cơ sở thiết kế công trình ngầm. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. Hà Nội 1981. Phần thứ ba: Chơng VI, VII, VIII, IX và X. 3) Nguyễn Văn Quyển, Nguyễn Văn Đớc: Cơ sở xây dựng ngầm trong mỏ. Tập I. Đại học Mỏ -Địa chất 1991.Chơng V,VI,VII. 4) Nguyễn Thế Phùng, Nguyễn Quốc Hùng: Thiết kế công trình hầm giao thông. Nhà xuất bản Giao thông vận tải. Hà Nội 1998.Chơng V,VI. 5)Trần Thanh Giám, Tạ Tiến Đạt: Tính toán thiết kế công trình ngầm. Nhà xuất bản Xây dựng-2002. 6)An Young Xon: Thiết kế công trình ngầm. Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội 2002 Chơng 2. Kết cấu chống tích hợp với khối đá Trong nhóm các kết cấu tích hợp vào khối đá, có thể phân sơ bộ theo tính năng thành hai nhóm là: 1. Các kết cấu và giải pháp cải thiện khả năng mang tải của khối đá bao gồm khoan phụt, đóng băng, neo, Kết cấu neo đợc sử dụng với các chức năng khác nhau. Tuy nhiên chức năng cải thiện khả năng nhận tải, hạn chế biến dạng của khối đất đá là cơ bản, tuy nhiên vấn đề này, do tính phức tạp, nên đến nay còn ang đợc nghiên cứu phát triển tiếp. 2. Ngoài ra các kết cấu sau đây cũng có thể coi là biện pháp cải tạo khối đất/đá nhng ở mức độ hạn chế và thờng chỉ là một bộ phận của kết cấu hoàn chỉnh: cọc gỗ, cọc thép, ván thép ống thép Tất cả các loại vật liệu, cấu kiện và giải pháp này thờng đợc triển khai với mục tiêu là cải thiện một số tính chất của khối đất đá, để có thể tiến hành đào thuận lợi, hoặc để cải thiện lâu dài khả năng mang tải và biến dạng của khối đất/đá. 2.1 Khoan phụt (khoan phun, khoan ép) và đóng băng Các giải pháp này sẽ đợc đề cập nhiều trong bài giảng Thi công công trình ngầm bằng phơng pháp đặc biệt. Do vậy ở đây chỉ lợc qua và cho thấy xu thế phát triển hiện tại Khoan phụt là một phơng pháp bơm ép các chất lỏng dng nh tng, huyn phự hoặc vữa vào trong khối đất đá, có khả năng đông cứng sau thi gian xỏc nh, với mục đích lằm tăng khả năng nhận tải, tăng độ cứng (giảm khả năng biến dạng), tăng độ chặt, tăng độ kín nớc ca khi ỏ. . ngầm còn có những nghiên cứu cơ học khác liên quan với công tác xây dựng công trình ngầm (mô phỏng quá trình thi công) . Việc tính toán, thết kế kết cấu công trình ngầm đợc thực hiện bởi các phơng. sản xuất, thi công cụ thể là: điều kiện cung cấp vật t, thiết bị điều kiện công nghệ 26 Cơ học công trình ngầm bao hàm ngoài việc tính toán thiết kế kết cấu công trình ngầm còn có những. biểu thức hay công thức giải tích. Mục đích là cho ngời học, ngời đọc có đợc hiểu biết khái quát về các vấn đề trong cơ học công trình ngầm. Tính toán, thiết kế công trình ngầm đơng nhiên