LỰA CHỌN KẾT CẤU CHỐNG HỢP LÝ CHO HẦMPHỤ CỦA THỦY ĐIỆN NẬM CỦN

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ THỦY ĐIỆN NẬM CỦN 1.1. Giới thiệu chung về công trình Công trình thủy điện Nậm củn nằm trên Suối Bo, thuộc địa phận xã Thanh Phú huyện Sapa tỉnh Lào Cai, có toạ độ địa lý như sau: Toạ độ địa lý tuyến đập: 10401232 kinh độ Đông, 2200643 vĩ độ Bắc; Toạ độ địa lý nhà máy: 10401313 kinh độ Đông, 2200730 vĩ độ Bắc. Công trình thuỷ điện Nậm Củn có công suất lắp máy 40MW, sản lượng điện hàng năm: 167Kwh, dự định hoàn thành phát điện vào Quý I năm 2018. Phía thượng lưu là công trình thuỷ điện Sử Pán 2 có công suất lắp máy là 37MW, phía hạ lưu là công trình thuỷ điện Tà Thàng với công suất lắp máy là 60MW. Dự án xây dựng thuỷ điện Nậm Củn là một trong nhiều dự án xây dựng thuỷ điện nói riêng và xây dựng các ngành nghề nói chung. Nhiệm vụ Công trình thuỷ điện Nậm Củn được xây dựng với nhiệm vụ khai thác dòng chảy trên Suối Bo, kết hợp dâng đập và tận dụng cột nước địa hình để phát điện với công suất 40W và điện lượng trung bình hàng năm Eo = 167KWh cùng với đó là tạo nguồn điện cung cấp cho phát triển kinh tế và đời sống nhân dân từ lưới điện quốc gia, tạo nguồn nước bổ xung cho khu vực hạ lưu vào mùa kiệt, đáp ứng nhu cầu phục vụ nước sinh hoạt, công nghiệp và đẩy mạnh tham gia chống lũ tiểu mãn, giảm lũ đầu vụ cho vùng hạ lưu. Ngoài ra, việc đầu tư xây dựng thuỷ điện Nậm Củn sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển kinh tế xã hội của khu vực. Sau khi kết thúc xây dựng công trình, khu vực công trình Nậm Củn với các cơ sở dân cư, văn hoá, xã hội sẽ trở thành một điểm tập trung dân cư với cơ sở hạ tầng tương đối đầy đủ. Hệ thống giao thông phục vụ thi công vận hành công trình sẽ tạo ra khả năng giao lưu về kinh tế và xã hội của khu vực xây dựng công trình với các trung tâm kinh tế, xã hội của địa phương.

ĐỀ TÀI:

LỰA CHỌN KẾT CẤU CHỐNG HỢP LÝ CHO HẦM PHỤ CỦA THỦY ĐIỆN NẬM CỦN

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ THỦY ĐIỆN NẬM CỦN

1.1 Giới thiệu chung về công trình

Công trình thủy điện Nậm củn nằm trên Suối Bo, thuộc địa phận xã ThanhPhú huyện Sapa tỉnh Lào Cai, có toạ độ địa lý như sau:

- Toạ độ địa lý tuyến đập: 104012'32" kinh độ Đông, 22006'43" vĩ độ Bắc;

- Toạ độ địa lý nhà máy: 104013'13" kinh độ Đông, 22007'30" vĩ độ Bắc

Công trình thuỷ điện Nậm Củn có công suất lắp máy 40MW, sản lượng điệnhàng năm: 167Kwh, dự định hoàn thành phát điện vào Quý I năm 2018 Phíathượng lưu là công trình thuỷ điện Sử Pán 2 có công suất lắp máy là 37MW, phía

hạ lưu là công trình thuỷ điện Tà Thàng với công suất lắp máy là 60MW

Dự án xây dựng thuỷ điện Nậm Củn là một trong nhiều dự án xây dựng thuỷđiện nói riêng và xây dựng các ngành nghề nói chung Nhiệm vụ Công trình thuỷđiện Nậm Củn được xây dựng với nhiệm vụ khai thác dòng chảy trên Suối Bo, kếthợp dâng đập và tận dụng cột nước địa hình để phát điện với công suất 40W vàđiện lượng trung bình hàng năm Eo = 167KWh cùng với đó là tạo nguồn điện cungcấp cho phát triển kinh tế và đời sống nhân dân từ lưới điện quốc gia, tạo nguồnnước bổ xung cho khu vực hạ lưu vào mùa kiệt, đáp ứng nhu cầu phục vụ nướcsinh hoạt, công nghiệp và đẩy mạnh tham gia chống lũ tiểu mãn, giảm lũ đầu vụcho vùng hạ lưu

Ngoài ra, việc đầu tư xây dựng thuỷ điện Nậm Củn sẽ tạo điều kiện thuận lợicho sự phát triển kinh tế xã hội của khu vực Sau khi kết thúc xây dựng công trình,khu vực công trình Nậm Củn với các cơ sở dân cư, văn hoá, xã hội sẽ trở thànhmột điểm tập trung dân cư với cơ sở hạ tầng tương đối đầy đủ Hệ thống giaothông phục vụ thi công vận hành công trình sẽ tạo ra khả năng giao lưu về kinh tế

và xã hội của khu vực xây dựng công trình với các trung tâm kinh tế, xã hội củađịa phương.

Hầm phụ có tác dụng tạo thêm gương đào phục vụ quá trình thi công hầm dẫndòng được nhanh hơn Khi thi công xong hầm dẫn chính có thể lấp hầm phụ hoặc

để lại làm hầm chứa phục vụ cho công tác kiểm tra, theo dõi

Hầm phụ được thi công tại tọa độ HP1 X2465055.8075 : Y422432.4338, cócao trình là 320.00m, chiều dài 160m

Cửa hầm có hình dạng vòm 1 tâm có chiều rộng 4m, cao 4,4, bán kính vòm2m được thi công qua lớp đất đá phong hóa

1.2 Vị trí địa lí, khí hậu, điều kiện hạ tầng giao thông, dân cư và xã hội nhân văn

1.2.1 Vị trí địa lí

Thủy điện Nậm Củn được triển khai xây dựng tại xã Thanh Phú, huyện Sapa, tỉnh Lào Cai Nằm cách thành phố Lào Cai 50km về phía nam, cách thị trấn Sapa 25km về hướng tây nam Để đi vào vị trí khai trường có thể đi theo 2 lối, đi từ thị trấn Sapa đi xuống và đi từ ngã 3 Xuân Giao, huyện Bảo Thắng đi lên

- Phía Đông giáp với xã Suối Thầu và Bản Phùng, huyện Sapa;

- Phía Tây là dãy núi Phan Xi-Păng;

- Phía Nam là Rừng quốc gia Hoàng Liên Sơn;

- Phía Bắc là sông Ngòi Bo

Địa bàn khai trường thuộc vùng núi cao, địa hình thấp dần từ Tây sang Đông,

có suối chảy dọc theo hướng Tây đổ về sông Hồng Phía tây là dãy núi Phan Păng nên địa hình dốc, độ cao trung bình 600m

Xi-1.2.2 Điều kiện khí hậu

Thủy điện Nậm Củn thuộc khu vực khí hậu á ôn đới và cận nhiệt đới nênquanh năm mát mẻ, nhiệt độ không khí trung bình khoảng 15C, mùa hè khôngnóng Nhiệt độ ban ngày từ 20C-25C, nhiệt độ ban đêm từ 10C-15C Mùa đôngthường có mây mù bao phủ và rất lạnh, nhiệt độ có khi xuống dưới 0C

- Mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 8, lượng mưa trung bình từ 400mm;

- Mùa khô bắt đầu từ tháng 9 đến tháng 4, lương mưa trung bình khoàng90mm

1.2.3 Điều kiện hạ tầng giao thông

Khai trường nằm trên đường giao thông TL152 từ ngã ba Xuân Giao, huyệnBảo Thắng đi thẳng lên thị trấn Sapa, huyện Sapa

Nguồn cung cấp điện là 2 đường dây trên không 35kV, dây dẫn AC-70 Bố trítrên trạm biến áp 400+560KVA-35/0,4KV

Nguồn nước cung cấp chủ yếu cho sinh hoạt và sản xuất của khai trường lànước suối và nước khe trên núi

1.2.4 Tình hình dân cư, văn hóa, xã hội

Dân cư chủ yếu sinh sống trong khu vực là công nhân của các thủy điện, xínghiệp khai thác, người dân tộc làm nông nghiệp, lâm nghiệp, dịch vụ chủ yếusống dọc theo tuyến giao thông chính

1.3 Điều kiện địa chất, địa chất thủy văn, địa chất chung của khu vực dự án

b, Nhiệt độ không khí

Chế độ nhiệt trong khu vực biến đổi theo mùa và theo độ cao địa hình mộtcách rõ rệt Tương tự như các vùng miền núi khác ở phía Bắc, mùa hè ở đâythường kéo dài từ tháng IV tới tháng IX, và mùa Đông từ tháng X tới tháng III nămsau Lưu vực Nậm Củn nằm ở vùng thượng lưu nên có mùa đông khá lạnh, nhiệt

độ có khi xuống dưới 00C nhưng lại có mùa hè mát mẻ, nhiệt độ trung bình nămdao động từ (17  20)0C

c, Chế độ gió

Do ảnh hưởng của địa hình, hướng gió thịnh hành cho toàn khu vực là hướngTây và Tây Nam Trong năm có hai mùa gió phân biệt: Gió mùa Đông từ tháng XIđến tháng IV năm sau với gió thịnh hành là gió mùa Đông Bắc mang không khílạnh và khô, gió mùa hè với hướng gió thình hành Tây Nam xuất hiện từ tháng Vtới tháng X Tốc độ gió lớn nhất đã quan trắc được tại các trạm trong khu vực nhưsau: Than Uyên Vmax = 32m/s, Mù Cang Chải Vmax = 30m/s, Sa Pa Vmax = 37m/s

1.3.2 Đặc điểm địa hình

Lưu vực thuộc loại điạ hình miền núi cao với độ dốc sườn núi và độ dốc lòngsông khá lớn, điạ hình bị chia cắt mạnh Lưu vực có dạng nan quạt, đường phânlưu ở thượng nguồn đi qua các đỉnh có cao độ 1500m đến 2500m, độ cao thấp dần

về hạ du Địa hình núi cao, bị chia cắt, cộng với lượng mưa dồi dào đã tạo nênmạng lưới sông dày đặc trên lưu vực

d, Độ ẩm không khí

Độ ẩm tương đối trung bình năm thay đổi không nhiều giữa các vùng daođộng khoảng từ (85 87) % Độ ẩm tương đối trung bình nhỏ nhất ở Sa Pa là 82%xuất hiện vào tháng III, lớn nhất là 91 % vào tháng X

e, Bốc hơi

Tương ứng với chế độ nhiệt ẩm, lượng bốc hơi khu vực cũng biến đổi rõ rệttheo mùa và chịu ảnh hưởng của địa hình.

Lượng bốc hơi tiềm năng trên lưu vực thường được đánh giá qua số liệu đobốc hơi bằng ống Piche đặt ở các trạm khí tượng Tại trạm khí tượng Than Uyên,trạm đại biểu cho các đặc trưng khí hậu của khu vực lượng bốc hơi tương đối lớn,Lượng bốc hơi trung bình tháng lớn nhất xuất hiện vào tháng III đo được tại ThanUyên là 101mm Lượng bốc hơi trung bình tháng nhỏ nhất tại Than Uyên vàotháng VII là 58,6mm

1.3.3 Điều kiện địa chất chung khu vực dự án

1.3.3.1 Đặc điểm địa hình - địa mạo

Khu vực của Dự án nằm ở ranh giới giữa vùng đông bắc và tây bắc của ViệtNam, thuộc địa hình vùng núi cao trung bình Ở khu vực lòng hồ, sườn núi hai bêndốc đến rất dốc Tại khu vực đầu mối, địa hình dốc đến rất dốc Khu vực nhà máy

và đường ống áp lực, địa hình thoải hơn, đôi chỗ 15-200 Khu vực tuyến hầm dẫnnước có điều kiện địa hình từ thoải đến dốc

1.3.3.2 Cấu trúc địa chất

Vùng nghiên cứu nằm trong miền kiến tạo Tây Bắc Việt Nam, có lịch sử pháttriển địa chất lâu dài và phức tạp với nhiều thời kỳ và giai đoạn khác nhau và đượcxác lập với tên gọi miền kiến trúc Tây Bắc Bộ Việt Nam và mang đặc trưng củakiến tạo Tây Bắc Việt Nam Nằm tiếp giáp giữa 3 đới cấu trúc, đó là đới cấu trúcPhan Xi-Păng ở phía Tây Bắc, ở phía Đông là đới trượt bằng Sông Hồng và phíaTây Nam là đới Tú Lệ Trong Kainozoi chịu một phần ảnh hưởng hoạt động củađới trượt bằng Sông Hồng và một phần hoạt động của đới Tú Lệ

1.3.3.3 Hoạt động động đất

Toàn bộ vùng công trình Nậm Củn nằm trong huyện Sapa, theo tiêu chuẩnthiết kế chống động đất TCXDVN 375-2006 thì huyện Sapa có gia tốc động đấtcực đại a=0.0567g tức là có phông động đất cấp VI (theo thang MSK-64)

1.3.3.4 Tính chất cơ lý của đất đá

Trên cơ sở kết quả thí nghiệm, kết quả khảo sát của giai đoạn trước và thamkhảo các tài liệu đã có trong vùng, đưa ra các chỉ tiêu kiến nghị tính toán cho đới

dQ và đới edQ+IA1 trong vùng theo bảng sau:

Bảng 1.1 Giá trị kiến nghị tính toán của đất

Hệ sốthấm

Tựnhiên

Bãohòa

Tự nhiên Bão hòa

φ, độ

C,MPa

φ, độ

- Công trình đầu mối gồm đập không tràn và đập tràn;

- Đập chính: Tuyến đập 2, đập bê tông trọng lực kết hợp với đập tràn;

- Tuyến năng lượng gồm: Cửa lấy nước, đường hầm dẫn nước, tháp điều áp.Đường ống áp lực và kênh xả;

- Hầm phụ phục vụ công tác thi công hầm dẫn dòng

Bảng 1.2 Giá trị kiến nghị tính toán chỉ tiêu cơ lý khối đá

đoạn hầm trước khi đến tháp điều áp có bẫy đá Đoạn đường hầm này đi qua đất đátương đối ổn định có hệ số kiên cố đất đá f=5÷8.

 Hầm được thi công chia làm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1 từ km0 đến km0+402,30 có độ dốc thiết kế i=8%;

- Giai đoạn 2 từ km0+402,30 đến km2+324,31 có độ dốc thiết kế i=0,7%;

- Giai đoạn 3 từ km2+324,31 đến nhà máy vận hành có độ dốc thiết kế i=2,5%

 Công dụng và sự cần thiết phải thiết kế xây dựng đường hầm

Hầm dẫn nước dùng để tạo áp lực chênh lệch cột nước từ đập thông quaGiếng điều áp tới tuabin của tổ máy phát điện

Tạo dòng chảy ổn định, chiếm ít diện tích đất mặt, giảm chiều dài tuyến nănglượng, giảm tổn thất thủy lực mang lại lợi ích lớn cho nhà máy

1.4.2 Tuyến đầu mối

 Đập không tràn:

Kết cấu đập chính bằng bê tông trọng lực Mặt thượng lưu đập thẳng đứng,mái hạ lưu đập xuất phát từ mặt thượng lưu tại cao trình đỉnh đập với hệ số máidốc m=0.8 Cao độ thiết kế 388,00m, chiều rộng đập không tràn là 7,5m để phục

vụ việc đi lại và đặt máy móc

 Đập tràn

Công trình tháo lũ kiểu đập tràn nằm trong khu vực lòng sông, với 3 khoangtràn kích thước BxH=13,5x16,5m đảm bảo tháo được lưu lượng tối đaQmax=2281,89m3/s… Công trình tràn bố trí 3 cửa van cung, được điều khiển bằng

xi lanh thủy lực Nối tiếp sau đập tràn kiểu phun xa tiêu năng bằng hố xói

1.4.3 Tuyến năng lượng 1

 Cửa lấy nước:

Cửa lấy nước bằng bê tông cốt thép bố trí bên bờ trái đập rộng 12m Cửa lấynước thiết kế dạng khối bê tông, nền đặt trên lớp IIA Cao trình ngưỡng cửa lấynước 373.00m Cao trình đỉnh cửa lấy nước lấy bằng cao trình đỉnh đập là 383,5m

 Đường hầm dẫn nước:

Phần cửa hầm dẫn nước có kích thước 2x4x6m đào qua đứt gãy, đất đá kém

ổn định Phần thân hầm được đào qua đất đá ổn định có dạng hình móng ngựa cóchiều rộng 6m chiều cao 6m

 Giếng điều áp:

Giếng điều áp dạng kết cấu bê tông cốt thép đặt cuối đường hầm dẫn nước cótoạ độ tâm (X = 2447460.15; Y = 444865.19) Giếng điều áp có kết cấu hình trụđược chia làm hai phần: Buồng dưới có nằm trong đá đường kính trong 5,1m chiềudày thành giếng 0,5m, cao độ đáy 297,817m cao độ đỉnh 360,00m Buồng trên nằmtrong lớp đá phong hoá mạnh và đất có đường kính 16m, chiều dày thành giếng1.0m, cao độ đáy 360,0m, cao độ đỉnh 405,50m

Công tác đào giếng được thực hiện tiên phong bằng máy khoan ROBBIN từcao độ 403,00m đến cao độ 302,916m được tiến hành sau khi đào xong phần hởTháp điều áp và hầm dẫn nước đến chân tháp Trước tiên khoan dẫn hướng từ cao

độ 403.00m xuống cao độ 302,917m bằng lỗ khoan D=311mm sau đó khoan doabằng lỗ khoan mở rộng D=1400mm, đào mở rộng tháp theo thiết kế bằng khoan

nổ, đá nổ mìn được đẩy xuống đáy tháp cao độ 297,817m theo giếng tiên phong vàđược xúc chuyển bằng tổ hợp máy xúc cào vơ kết hộ oto vận chuyển 12-15 tấn vậnchuyển ra ngoài theo hướng Tháp điều áp-Nhà máy Công tác gia cố tạm được tiếnhành song song với công tác đào mở rộng

 Đường ống áp lực:

Tuyến đường ống áp lực bắt đầu từ sau giếng điều áp và tim ống có góc ngoặt

so với tim tuyến hầm một góc 56.2o Đường ống áp lực được chia làm 2 phần: phầnống ngầm (hầm áp lực) tính từ giếng điều áp đến cửa ra hầm ở cao độ 300,367m,phần ống hở từ cửa ra hầm đến nhà máy thuỷ điện Đoạn hầm áp lực dài 114,18mnằm hoàn toàn nằm trong lớp IIA của đá granit được bọc bê tông cốt thép dày 0.5mmặt trong được lót thép có chiều dày 14mm

1.4.4 Nhà máy thuỷ điện và trạm phân phối điện

 Nhà máy thuỷ điện:

Nhà máy thuỷ điện bằng bê tông cốt thép đặt trên nền đá cứng lớp IIA Trongnhà máy bố trí 2 tổ máy thuỷ lực với tuốc bin tâm trục Francis công suất mỗi tổ9MW

Kích thước tổng thể nhà máy (dài x rộng x cao) = 35.2x25.1x45.4m Khoảngcách giữa các tim tổ máy là 10.0m, chiều rộng gian máy 14.5m Cao trình gianmáy 278,00m Cao trình sàn lắp máy 265,50

Trong nhà máy bố trí cầu trục, sức nâng lớn nhất 45 tấn, sức nâng nhỏ nhất 25tấn, tầm với xa nhất 40m, đặt tại cao trình 264.00m tại hạ lưu hố móng nhà máy

 Kênh dẫn ra:

Kênh dẫn ra có mặt cắt hình thang Độ dốc đáy kênh i=0 Chiều rộng đáykênh 15.0m, mái kênh đào trong lớp đất, cuội sỏi m=1.5

 Trạm phân phối điện ngoài trời:

Trạm phân phối 110kV (TPP-110kV) NMTĐ Nậm Củn có nhiệm vụ truyềntải công suất từ nhà máy vào HTĐ quốc gia Trạm phân phối điện ngoài trời được

bố trí cạnh giếng điều áp Cao trình đặt trạm 212.0m Kích thước trạmBxL=36x50m

1.4.5 Hầm phụ phục vụ quá trình thi công hầm dẫn nước

Hầm phụ được thi công tại tọa độ HP1 X2465055.8075 : Y422432.4338, cócao trình là 320.00m, chiều dài 160m

Cửa hầm có hình dạng vòm 1 tâm có chiều rộng 4m, cao 4,4, bán kính vòm2m được thi công qua lớp đất đá phong hóa

Sau khi thi công hầm phụ đến tọa độ HP4 X=2464881.2200 : Y=422478.5700tiến hành xác định vị trí tim hầm dẫn nước và thi công song song về 2 hướng

CHƯƠNG 2 CÁC LOẠI KẾT CẤU CHỐNG

VÀ CƠ SỞ LỰA CHỌN KẾT CẤU CHỐNG 2.1 Các dạng kết cấu chính trong công trình ngầm

2.1.1 Các loại kết cấu chống bằng thép

 Ưu điểm:

Đặc tính cơ học thuận lợi; tuổi thọ cao; chiếm ít không gian; mức độ linh hoạt, biến hình cao của kết cấu thép nhờ tạo dáng các cấu kiện bằng thép một cách thích hợp; khả năng sử dụng lại tốt

 Nhược điểm:

Chi phí vật liệu cao, trọng lượng thể tích cao; vận chuyển và lắp ráp không đơn giản; các loại thép xây dựng thông thường đễ bị ăn mòn trong môi trường khắcnghiệt

Trên thế giới thép được sử dụng để chống lò đã từ giữa thể kỷ 19 Tuy nhiên

từ đó cho đến cuối thế kỷ 19, đầu 20 thép không đóng vai trò đặc biệt và thực sựđựơc chú ý cũng như ngày càng có ý nghĩa quan trọng trong vòng 70 năm qua

Ưu điểm căn bản của thép là khả năng mang tải lớn, điều mà không có loạivật liệu nào sánh kịp Do có khả năng mang tải lớn và khả năng chống lại các tácđộng sinh học một cách triệt để, nên nói chung các cấu kiện bằng thép có được tuổithọ lớn hơn hẳn các cấu kiện bằng gỗ

Khả năng mang tải cao của các cấu kiện bằng thép cũng thuận lợi ngay cả khichỉ cần khoảng không gian nhỏ, bởi lẽ khi sử dụng kết cấu chống bằng thép có thểtiết kiệm được tiết diện đào Ngay cả trong lò chợ, so với kết cấu bằng gỗ với cùngkhả năng mang tải thì kết cấu thép dễ cơ động hơn

Những khả năng chế tạo các loại thép hình đặc biệt trong thực tế là vô hạn, vìthế người ta đã chế tao ra các cấu kiện, các loại hình chống giữ bằng thép rất đadạng với các khả năng mang tải khác nhau, với mức độ linh hoạt và khả năng biếnhình khác nhau Đặc biệt là có thể điều khiển, điều chỉnh dễ dàng để tạo ra mốitương quan thích hợp giữa mức độ linh hoạt và khả năng mang tải

Chính vì các lí do đó mà vật liệu thép dễ thích ứng với các điều kiện địa cơhọc khác nhau, đa dạng hơn là gỗ, tường xây và bêtông Phạm vi áp dụng kỹ thuậtcủa thép nhờ đó cũng rộng hơn so với các loại vật liệu khác.

Tuổi thọ cao, như đã nhắc đến, cũng thuận lợi cho việc thu hồi, sử dụng lạinhiều lần các cấu kiện bằng thép

Tuy nhiên, những ưu điểm đã kể đến cũng kèm theo nhược điểm là giá thànhcao và trọng lượng của kết cấu chống lớn Nhược điểm nữa thể hiện rõ nét khiphải vận chuyển trong điều kiện không thuận lợi (chẳng hạn trong khu vực khaithác vỉa dốc) Cũng vì lí do này mà thép chưa thể thay thế được gỗ ở các khu vựckhai thác các vỉa có chiều dày lớn hơn 3 đến 4m Thép xây dựng còn dễ bị ăn mòn,đương nhiên cũng có thể hạn chế nhờ sơn hoặc tạo các lớp phủ bảo vệ

 Điều kiện sử dụng:

Khung chống kim loại là một trong những loại kết cấu chống được sử dụngrộng rãi và có hiệu quả nhất để chống giữ các đường lò So với kết cấu chống gỗ,kết cấu chống bằng kim loại có nhiều ưu điểm hơn:

- Có khả năng mang tải lớn;

- Thuận tiện cho việc lắp đặt, sử dụng được trong các đất đá có độ bền bất kỳ, trongcác đường lò có áp lực mỏ đã xác định cũng như trong các đường lò nằm ở trongvùng ảnh hưởng của công tác khai thác;

- Làm khung chống tạm thời cũng như làm khung chống cố định, làm khung chốngcứng cũng như làm khung chống linh hoạt

Khung chống tạm thời bằng thép có thể sử dụng được nhiều lần Khung chống

cố định bằng thép có thể sử dụng với nhiều thời gian phục vụ khác nhau, thôngthường đường lò cần phục vụ từ 5-7 năm trở lên đều có thể chống bằng khungchống thép Trong những điều kiện thông thường, nên sử dụng khung chống thépvới những đường lò có thời gian tồn tại 20-25 năm Nhưng có một điều cần lưu ý

là thép kim loại rễ bị han rỉ trong môi trường ẩm ướt, có nước xâm thực Vì vậykhi sử dụng khung chống thép trong các đường lò có nước cần phải có biện phápchống rỉ cho thép

Các khung chống thép được sử dụng ở lò bằng và lò nghiêng có thể phân chiathành: kết cấu chống cứng, kết cấu linh hoạt kích thước và kết cấu linh hoạt hìnhdáng.

2.1.1.1 Kết cấu chống cứng

 Khung chống hình thang.

Về mặt kết cấu, khung chống thép hình thang tương tự khung chống gỗ, cũnggồm có một xà nóc và hai cột (và có thể có thêm dầm nền) Các khung chống théphình thang có thể là khung kín hoặc khung hở Các cấu kiện của khung chốngthường được chế tạo từ thép đường ray cũ hoặc từ các dầm thép chữ I số hiệu 16-

20 hoặc hơn nữa Cột và xà nóc của khung chống hình thang có thể liên kết vớinhau như bản đệm, thép góc với bu lông bản ốp v v… như hình vẽ (Hình 6)

Các thanh giằng thường bằng thép góc hoặc thép bản dày 10-15mm bắt bulông giữ vào cột chống

Chèn có thể bằng gỗ, bằng các tấm thép hình gợn sóng…v.v

Hình 2.1 Khung chống cứng hình thang bằng thép

Ở khung chống hở, chân cột đặt trực tiếp vào hố chân cột dưới nền Khi đất đádưới nền mềm yếu, để tránh khả năng lún chân cột thì chân cột được hàn thêm mộtbản đệm hoặc tỳ lên dầm dọc bằng gỗ qua bản đệm hàn

- Ưu điểm của khung chống hình thang là đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt.

- Nhược điểm: kết cấu là kết cấu cứng, khả năng mang tải kém hơn khung chốnghình vòm có cùng chi phí

4 phía Khi đó khả năng mang tải của kết cấu chống kín được tận dụng tối đa.Cũng giống như kết cấu chống dạng vòm, mối nối giữ các cấu kiện là vị trí yếunhất trong toàn bộ khung chống

Hình 2.2 Khung chống cứng hình vòm bằng thép

Hình 2.3 Khung chống cứng kín bằng thép

2.1.1.2 Khung chống kim loại linh hoạt kích thước

Khung chống được uốn bằng thép lòng máng Nó gồm có một xà cong và haicột cong Xà cong và cột cong được nối với nhau bằng một liên kết đặc biệt là liênkết bu lông - gông (mỗi liên kết 2 bộ gông), chính nhờ có liên kết này mà đầu xàđược lồng vào trong lòng cột

Hình 2.4 Khung chống thép linh hoạt về kích thước

Với áp lực nhỏ, khung chống làm việc như một khung chống cứng Khi áp lựcđất đá lớn hơn lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa các cấu kiện (lực ma sát này tạo

ra nhờ lực xiết các bu lông gông) các cấu kiện bắt đầu bị trượt lên nhau, cụ thể là

xà bị trượt trên cột Tốc độ biến dạng của khối đất đá bên trên nhờ vậy mà giảm đi,

áp lực tác dụng lên khung chống nhỏ hơn lực ma sát các cấu kiện không bị trượtnữa Biến dạng của đá nóc tăng dần theo thời gian, áp lực lên khung chống lại lớndần và đến một lúc nào đó lại lớn hơn lực ma sát, các cấu kiện lại trượt Cứ nhưvậy cho đến khi khai thác hết độ linh hoạt của khung chống Độ linh hoạt củakhung chống theo phương thẳng đứng đạt đến 300-500mm Để tăng độ linh hoạtcủa khung chống trong trường hợp cần thiết có thể sử dụng khung chống gồ 5 đoạncấu kiện (hình 10)

Khung chống thép linh hoạt hình vòm được sử dụng rất rộng rãi đặc biệt làtrong các đường lò chịu ảnh hưởng của công tác khai thác, ở đó áp lực đất đá thayđổi

Hình 2.5 Khung chống linh hoạt kích thước gồm 5 đoạn cấu kiện

2.1.1.3 Khung chống kim loại linh hoạt về hình dạng

Khung chống có hai loại khung chống năm khớp và khung chống ba khớp.Các thanh cấu kiện của khung chống lằm bằng thép I hay thép ray và được sử dụng

ở những nơi có áp lực tác dụng thay đổi về hướng hoặc tác dụng lệch Loại khungchống ba khớp có kết cấu đơn giản hơn vì chúng gồm hai đoạn cung cong bằngthép chữ I hoặc thép đường ray, ở đầu có hàn các bản đệm cong để ôm lấy các thìu

gỗ (hoặc bê tông cốt thép) tạo thành khớp (hình 11a) Loại khung chống năm khớphai đoạn xà cong, hai cột và ba thìu (hình 11b) Hai đầu của đoạn xà cong được hàn

đế cong để ôm thìu nóc và thìu hông Đường kính thìu gỗ bằng 18 - 22cm, chiềudài của thìu gỗ thường bằng 2-3 lần khoảng cách giữa các khung chống, tức là trênmỗi thìu gỗ có đặt 2-3 khung chống

Cột của mỗi khung chống có thể bằng gỗ, thép hoặc bê tông cốt thép Nhờ cókhớp mà khi có tải trọng thay đổi hướng hoặc tác dụng lệch thì các cấu kiện có khảnăng xoay quanh khớp giảm mô men uốn đi, khung chống bị biến dạng mà khôngmất khả năng mang tải

 Nhược điểm: Trọng lượng lớn; chi phí vận chuyển và lắp dựng cao; sửa chữakhông thuận tiện các chỗ bị hư hỏng; độ linh hoạt nhỏ hoặc rất hạn chế

 Phạm vi áp dụng: Chủ yếu tại các đường lò và giếng có tuổi thọ cao và dưới tácdụng của các tải trọng (áp lực) tĩnh Ngoài ra phạm vi áp dụng của bêtông cònđược mở rộng thông qua việc chế tạo các cấu kiện, các tấm bêtông làm khung

chống hoặc tấm chèn Bêtông trong ngành mỏ cũng đã được áp dụng ở dạngbêtông phun, vổ bê tông đổ tại chỗ, vỏ bê tông đúc sẵn (tubing), v v…

2.1.2.1 Vỏ chống lắp ghép từ các khối bêtông đúc sẵn

 Điều kiện sử dụng

Vỏ chống bằng bê tông cốt thép đúc sẵn chưa được sử dụng rộng rãi nhưnghiện nay đã có khá nhiều loại vỏ chống đã được thiết kế và sử dụng với nhiều điềukiện địa chất khác nhau đã cho kết quả khá tốt Trong tương lai, cùng với việc tăngmức độ cơ giới hoá trong các mỏ, khung chống bê tông cốt thép đúc sẵn sẽ được sửdụng rộng rãi Các cấu kiện của khung chống bê tông cốt thép lắp ghép được sảnsuất hàng loạt bằng bê tông thông thường hoặc bê tông ứng suất trước ở phânxưởng trên mặt đất

So với vỏ chống bê tông liền khối, khung chống bê tông cốt thép đúc sẵn córất nhiều ưu điểm : Có thể lắp đặt dễ dàng và nhanh chóng đồng thời với các côngtác khác trong gương lò, các cấu kiện của nó được chế tạo hàng loạt được đôngcứng trong điều kiện dưỡng hộ tốt nên chất lượng cao hơn Tuy nhiên nó cũng cónhược điểm là trọng lượng các cấu kiện nặng và chi phí kim loại lớn

 Cấu tạo

Vỏ chống lắp ghép từ các khối bê tông cốt thép đúc sẵn là một kết cấu chốnglinh hoạt nhiều khớp Vỏ chống được lắp dựng từ các khối bê tông đúc sẵn hìnhnêm Tại các vị trí mối nối, để kết cấu chống có tính linh hoạt và đảm bảo tínhtruyền lực theo mặt tiếp xúc giữa các tấm thường bố trí các tấm đệm gỗ dầy 30 đến40mm Khoảng trống sau vỏ chống phải được lấp đầy bằng đá hay loại vật liệukhác để đảm bảo sự tiết xúc giữa bề mặt ngoài vỏ chống với đất đá bao quanh

Vỏ chống lắp ghép từ các khối bê tông cốt thép đúc sẵn có hai dạng: vỏ chốngkín và không kín (hở) Dạng vỏ chống kết cấu kín được dùng để chống giữ trongcác đường lò xây dựng trong đất đá mềm yếu, không ổn định, chịu tác dngj của áplực đất đá từ cả bốn phía Dạng vỏ chống kết cấu hở không có vòm ngược đượcdùng trong khối đá tương đối ổn định, không có hiện tượng bùng nền Chiều dầycủa mỗi tấm bê tông cốt thép đúc sẵn được xác định tuỳ thuộc vào yêu cầu mang

tải cả vỏ chống và có thể đến 400mm Các khối nóc có lỗ trung tâm để lắp ráp, treothiết bị và phun ép vữa lấp đầy hoặc gia cố phía sau vỏ chống nếu cần

Hình 2.7 Vỏ chống lắp ghép từ các khối bê tông đúc sẵn

2.1.2.2 Kết cấu vỏ chống bê tông liền khối

Trong đa số các trường hợp, đòi hỏi phải áp dụng biện pháp chống tạm trướckhi thi công lắp dựng vỏ chống bê tông liền khối, kết quả là làm tăng chi phí thicông Khi sử dụng loại vỏ chống bê tông liền khối trong môi trường có tính ănmòn, xâm thực lớn, tuổi thọ của kết cấu chống giảm

Để tăng phạm vi áp dụng của loại vỏ chống này, đảm bảo cho khả năng làmviệc bình thường của vỏ chống trong những điều kiện mức độ dịch chuyển của

biên lò lớn, có thể kết hợp vỏ chống bê tông liền khối với một lớp vật liệu lấp đầysau khoảng trống giữ bề mặt ngoài cuả vỏ chống với đất đá bao quanh có tính linhhoạt

Do khả năng chịu kéo của bê tông kém nên khi lực gây ứng suất kéo trong vỏchống bê tông lớn đòi hỏi phải bố trí cốt thép trong vỏ chống Cốt thép chịu lựcđường kính thay đổi từ 8 đến 25mm được lắp dựng theo phương vuông góc vớitrục dọc công trình, chiều dầy lớp bê tông bảo vệ lấy theo quy phạm bê tông cốtthép hiện hành Trong thực tế, do sự biến đổi của biểu đồ mômen dọc theo vỏchống trên mặt cắt ngang nên để thuận tiện cho thi công thường sử dụng vỏ chống

bê tông với cốt kép (cốt thép được lắp dựng ở cả mặt trong và mặt ngoài của vỏchống)

Trong nhiều trường hợp, khi khối đá mất ổn định không cho phép tháo vì thépchống tạm trước khi đổ vỏ bê tông liền khối thì có thể lưu vì thép lại trong vỏchống bê tông để làm cốt thép cứng Cốt thép cứng có thể làm bằng vì thép I, théplòng mo Vỏ chống dạng này có thể chế tạo dưới hai dạng: kết cấu chống kín hoặckết cấu chống hở

Một trong những nhược điểm của dạng vỏ chống với khung cốt chịu lực chữ I

là khả năng linh hoạt không cao Vì thế, để khắc phục nhược điểm trên có thể thaythế khung cốt thép cứng chữ I bằng khung cốt thép linh hoạt cấu tạo bằng théplòng mo Các khung thép lòng mo linh hoạt được lắp dựng ngay sát gương lò đóngvai trò làm khung chống tạm Sau khi mất hết khả năng linh hoạt và chuyển sangchế độ làm việc “cứng”, ta sẽ tiến hành đổ vỏ bê tông liền khối và khi đó khung cốtthép đóng vai trò làm cốt cứng

2.1.2.3 Vỏ chống bê tông phun

 Cấu tạo

Vỏ chống bê tông phun là một dạng khác của vỏ chống bê tông liền khối được

sử dụng để chống giữ các đường lò xây dựng trong đất đá ổn định, ít nứt nẻ, nằmngoài vùng ảnh hưởng của công tác khai thác lò chợ Vỏ chống bê tông phun là

loại vỏ chống mới hiện nay đang được sử dụng rất hiệu quả trong các đường lò ởViệt nam và trên thế giới.

Có hai loại bê tông phun cơ bản:

- Bê tông phun trộn khô

- Bê tông phun trộn ướt

Đối với bê tông phun trộn khô, các thành phần trong hỗn hợp bê tông đượctrộn khô với nhau trước khi hoà với nước tại đầu vòi phun

Đối với bê tông phun trộn ướt, các thành phần của nó cũng tương tự như đốivới bê tông phun trộn khô, chỉ khác ở chỗ nước được trộn với các thành phần khácngay tại thùng trộn còn tất cả các phụ gia được thêm vào trong hỗn hợp tại đầu vòiphun Trong thực tế, phương pháp sử dụng bê tông phun trộn khô thông thườngđược sử dụng nhiều nhất

 Phạm vi sử dụng

Vỏ chống bê tông phun có khả năng mang tải ở những mức độ khác nhau:ngăn ngừa, bảo vệ, chống phong hoá cho bề mặt đất đá; làm vỏ chống tạm; thựchiện chức năng mang tải chính

Hỗn hợp vữa bê tông phun lên bề mặt công trình ngầm không chỉ làm giảm

độ gồ ghề của bề mặt mà còn xâm nhập vào các khe nứt trên biên công trình Kếtquả là tạo nên một vòng đá gia cường cùng với vỏ chống thực hiện chức năngmang tải hay nói cách khác là huy động được khả năng mang tải của khối đá.Ngoài ra, vỏ chống bê tông phun còn có ưu điểm là có thể áp dụng cho đường lò cóhình dạng bất kỳ và có khả năng sử dụng kết hợp với nhiều dạng vật liệu chốngkhác

Vỏ chống bê tông phun có thể sử dụng độc lập hoặc kết hợp với các loại vậtliệu chống khác như vì neo, khung chống thép, v…v… Trong những trường hợp

đó, bê tông phun đóng vai trò ngăn ngừa, chống sụt lở của đất đá bề mặt biên đàotrong vùng nằm giữa các khung chống, thanh neo

Để tăng khả năng mang tải của bê tông phun, hiện nay có sử dụng các dạng

bê tông phun có lưới thép, bê tông phun sợi thép

Vỏ chống bê tông phun sử dụng rất hiệu quả khi áp dụng với công nghệ nổmìn tạo biên Bởi vì trong trường hợp đó sẽ giảm được hiện tượng đào lẹm, đảmbảo độ nhẵn phẳng của bề mặt biên đào, giảm mức độ phá huỷ đất đá trên biên.Điều này có tác dụngtránh hiện tượngtập trung ứng suất tại những điểm lồi lõmtrên biên công trình không có lợi cho vỏ chống đồng thời đảm bảo chức năng của

vỏ bê tông phun là huy động khả năng mang tải của khối đá cùng làm việc

2.1.3 Vì neo

 Giới thiệu chung

Vì neo là một dạng kết cấu chống mang tính chủ động hiện nay đang được ápdụng rất rộng rãi trong ngành mỏ Những lý do để neo được sử dụng rộng rãi baogồm:

- Tính đa năng có thể sử dụng với mọi công trình có hình dạng, tiết diện khácnhau;

- Sử dụng đơn giản và nhanh chóng;

- Gía thành tương đối rẻ;

- Có thể cơ giới hoá công tác lắp đặt neo

Khi sử dụng neo, các thông số của chúng như mật độ neo, chiều dài neo cóthể thay đổi, đây là một yêu cầu thường xuyên được đặt ra để sử dụng neo phù hợpvới điều kiện khối đá tại nơi sử dụng Một ưu điểm khác nữa là neo có thể dễ dàngkết hợp với các dạng kết cấu chống khác chẳng hạn như với các kết cấu chống giữmang tính bị động đã đề cập ở trên, lưới thép, BTP hoặc vỏ bê tông đổ tại chỗ.Ngoài ra, việc lắp đặt neo ngay sau khi nổ mìn chính là chìa khoá quan trọng đểduy trì tính liền khối ban đầu của khối đá Có rất nhiều những loại neo có ưu điểm

là cung cấp khả năng mang tải, giữ ổn định khối đá ngay lập tức sau khi lắp đặt

 Phân loại neo

Ngày nay trên thế giới thường sử dụng một số các loại neo khác nhau Nhiềuloại neo cho thấy chúng có sự khác nhau không đáng kể về mặt kết cấu và đều dựatrên cùng một khái niệm (nguyên lý) gia cố chung Trên cơ sở các ứng dụng thực

tế, sau khi xem xét các hệ thống neo điển hình, có thể sắp xếp các loại neo khác

nhau thành các nhóm với những đặc trưng mang tính đại diện cho từng nhóm.Trong phạm vi cuốn sách này, đối với mỗi nhóm neo, chỉ xem xét những loại neođược sử dụng rộng rãi nhất

Các loại neo được xem xét bao gồm:

về phía miệng lỗ khoan Thanh nêm sẽ gây ra lực đẩy các cánh của khoá neo sạngphía bên khiến chúng mở rộng ra và ép sát lên bề mặt thành lỗ khoan Hai cơ chế

chính để khoá neo liên kết với thành lỗ khoan đó là: ma sát và khóa cứng Trong

đó, cơ chế khoá cứng đóng vai trò quan trọng hơn đối với mục đích tạo ra tác độngchống giữ tối ưu của neo

Neo cơ học đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành mỏ, đặc biệt trong khaithác than, ngoài ra chúng cũng được sử dụng rộng rãi trong các dự án xây dựngdân dụng Để có thể sử dụng làm kết cấu chống cố định, khoảng trống giữa thânneo và thành lỗ khoan được lấp đầy bằng các chất lấp nhét Do đặc tính làm việccủa neo nên trong thực tế neo cơ học chỉ được sử dụng trong các điều kiện môitrường đá cứng và tương đối cứng Không nên sử dụng chúng trong điều kiện đárất cứng bởi khi đó đầu neo nở sẽ không có khả năng liên kết tốt với thành lỗkhoan và neo sẽ bị phá huỷ (tách chẻ) dưới tác dụng của tải trọng

2.1.4.2 Neo dính kết và neo cáp

Neo dính kết và neo cáp sử dụng các chất dính kết bên trong lỗ khoan bằngvữa xi măng hoặc chất dẻo Liên kết giữa neo và khối đá trên suốt toàn bộ chiềudài của neo được thực hiện theo 3 cơ chế sau:

Neo dính kết đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới từ 40 năm trước đây trong

cả lĩnh vực khai thác mỏ và các ngành kỹ thuật dân dụng

Hầu hết các loại kết cấu neo dính kết đều bao gồm các thanh thép trơn hoặcthép gân được dính kết trên suốt chiều dài của thanh neo Vật liệu thông thường sửdụng làm chất dính kết là vữa xi măng hoặc chất dẻo Chúng có thể sử dụng để làmkết cấu chống tạm hoặc kết cấu chống cố định trong các điều kiện khối đá khácnhau Loại neo làm từ thép gân thường được sử dụng nhiều nhất để làm vỏ chống

cố định, đặc biệt trong các công trình xây dựng dân dụng

Cách đây một vài năm đã có những dự đoán cho rằng chất dẻo sẽ được sửdụng để thay thế vữa xi măng làm chất dính kết trong neo Song vì một số lý do màchủ yếu là do giá thành còn cao nên hiện chất dẻo vẫn còn ít được sử dụng

 Neo cáp

Neo cáp dính kết đã được sử dụng từ khoảng thời gian 20 đến 30 năm trướcđây để gia cố cho các công trình nằm trong đá Với cùng mục đích đó, neo cáp đãđược sử dụng trong ngành công nghiệp mỏ bắt đầu từ khoảng 15 đến 20 năm trướcđây Neo cáp được định nghĩa là một kết cấu gia cố, thông thường được tạo ra từcác tao hoặc sợi cáp, lắp đặt có ứng suất hoặc không ứng suất trước và được dínhkết bằng vữa xi măng Neo cáp gia cố khối đá có thể có chiều dài bất kỳ

Sử dụng neo cáp trong xây dựng mỏ nói chung khác so với khi sử dụng trongxây dựng dân dụng Trong xây dựng mỏ, chủ yếu sử dụng loại neo cáp không ứngsuất trước dính kết trên toàn bộ chiều dài neo bằng vữa và nói chung chỉ dùng làm

vỏ chống tạm thời Trong khi đó, đối với xây dựng dân dụng, thường sử dụng loại

neo cáp ứng suất trước làm thành kết cấu chống cố định Hầu hết tất cả các loại neocáp đều sử dụng vữa xi măng làm chất dính kết

Cáp thường sử dụng loại có đường kính 15.2 mm, gồm 7 sợi thép bện xoắnvới nhau và thông thường trong mỗi lỗ khoan sử dụng 2 sợi cáp Nhằm mục đíchlàm tăng độ bền liên kết giữa sợi cáp với vữa dính kết cũng như để tăng độ cứngcủa kết cấu neo, sợi cáp thường có cấu tạo kiểu bện hở hoặc kiểu "túm lồng chim".Đối với các sợi cáp loại này cũng thông thường sử dụng hai sợi cáp trong mỗi lỗneo

2.1.4.3 Neo ma sát

Có thể coi neo ma sát là loại neo tiên tiến nhất trong lĩnh vực gia cố đá Hailoại neo ma sát điển hình bao gồm: "neo ống chẻ"- Split set và "neo ống nở"-Swellex Đối với cả hai loại neo trên, sức kháng ma sát chống lại hiện tượng trượt(riêng đối với neo Swellex bao hàm thêm cả cơ cấu khoá) được tạo ra nhờ áp lựchướng kính tác dụng từ neo lên thành lỗ khoan trên suốt chiều dài của neo Neo masát là loại neo duy nhất mà trong đó tải trọng từ khối đá được truyền trực tiếp lênneo không qua bất kỳ kết cấu trung gian nào khác như kết cấu khoá cơ học haychất dính kết sử dụng trong các loại neo cơ học và neo dính kết

Mặc dù ở trên, khi trình bày, ta gộp chung cả hai loại neo trên vào nhóm neo

ma sát song giữa chúng vẫn có những sự khác nhau đáng kể Sự khác nhau đó nằmtrong cơ chế liên kết giữa neo với thành lỗ khoan, tính tác động gia cố đối với khối

đá của từng loại cũng như quy trình lắp đặt chúng Nói một cách chính xác, chỉ códuy nhất loại neo ống chẻ được gọi là neo ma sát và vì vậy đôi khi còn gọi là neo

ma sát ống chẻ ổn định khối đá

Cơ chế liên kết của neo Swellex bao gồm cả ma sát và khoá cứng Đối vớiloại neo Swellex EXL, khi tải trọng tác dụng trong neo đạt tới độ bền kéo cuốicùng của neo thì nó mới bắt đầu trượt Loại neo này có khả năng chịu những biếndạng lớn mà không có sự phá huỷ neo xảy ra

Nhờ đặc tính có khả năng chịu những biến dạng lớn mà hai loại neo: neo ốngchẻ và neo Swellex EXL rất phù hợp để sử dụng trong điều kiện đất đá có tính biếndạng lớn.

Phạm vi áp dụng chủ yếu của neo ống chẻ là trong công nghiệp Mỏ còn đốivới xây dựng dân dụng thì nó rất ít khi được sử dụng Trong khi đó, neo Swellex cóthể sử dụng trong tất cả các lĩnh vực, đặc biệt là sử dụng làm kết cấu gia cố trongcác đường hầm dân dụng

2.1.4.4 Vì neo kết hợp với lưới thép hoặc bê tông phun

 Đặc điểm cấu tạo neo dính kết và bê tông phun

Sử dụng cốt neo là thanh thép và chất dính kết là vữa bê tông hoặc chất dẻo,neo có thể đóng vai trò làm cốt liệu trong khối đá, có thể liên kết các thành phầnkhác nhau của khối đá, cũng có thể tạo ra ứng lực trước, do vậy có thể làm tăngkhả năng mang tải của khối đá và cũng có thể thực hiện chức năng chốt giữ Neocùng với khối đá tạo ra các dần mang tải, vòm chịu tải

bê tông phun neo

Hình 2.8 Neo kết hợp bê tông phun

Bê tông phun ngăn cả sự phong hóa của khối đá, có khả năng mang tải trongđiều kiện đá cứng, lấp nhét các khe nứt và tăng độ bền cho khối đá

 Phạm vi sử dụng: Thường sử dụng vì neo chất dẻo kết hợp lưới thép khi khối đá dễgây mất ổn định, dễ tróc lở đá cục, đá nứt nẻ yêu cầu phải gia cố ngay sau khi khaiđào.

 Ưu điểm

- Dễ dàng lắp đặt và là kết cấu gia cố bền vững;

- Có khả năng mang tải cao trong điều kiện đá cứng;

- Đối với neo chất dẻo;

- Là loại kết cấu chống chủ động, chịu lực toàn thân, liên kết chặt chẽ với khối đáxung quanh;

- Chịu lực ngay khi lắp đặt (sau 1÷2 phút) - đối với neo chất dẻo cốt thép;

- Khả năng mang tải của neo chất dẻo cốt thép lớn, từ 200KN – 300KN/neo (20÷30tấn/neo) Đặc biệt là khả năng mang tải của neo cáp còn lớn hơn nhiều;

- Giảm khối lượng vận chuyển vật liệu vào gương lò, dễ dàng lắp đặt;

- Giảm giá thành xây dựng lò;

- Sử dụng lưới thép kết hợp với vì neo chất dẻo cốt thép sẽ ngăn chặn được hiệntượng đá cục rơi gây nguy hiemr cho người và thiết bị hoạt động trong đường lò;

- Nếu sử dụng chất dẻo đông kết nhanh thì có thể gây ứng suất trước

 Nhược điểm

- Do sử dụng vữa xi măng nên neo chỉ có khả năng chịu tải tối đa theo thiết kế sauvài ngày;

- Không thể sử dụng trong vùng có nước ngầm chảy trong lỗ khoan;

- Đối với neo chất dẻo:

- Không áp dụng được khi chiều dày tầng đá yếu lớn;

- Sử dụng chất dẻo có thể gây nguy hiểm trong quá trình thi công cũng như có thểgây lãng phí;

- Khó có thể lựa chọn đường kình lỗ khoan phù hợp và khó có thể lấp đầy chất dẻocho hình vành khuyên giữa thanh thép và thành lỗ khoan;

- Thời hạn sử dụng của chất dẻo ngắn (2÷3 tháng);

- Hiện tại thì vật liệu chất dẻo phải nhập khẩu;

- Tuổi thọ không cao

2.1.4.5 Vì neo kết hợp lưới thép (hoặc bê tông phun) và vỏ bê tông

 Đặc điểm cấu tạo

Chống tạm bằng vì neo kết hợp với lưới thép (hoặc bê tông phun) Sau đóchống cố định bằng vỏ bê tông có hoặc không có cốt thép

 Phạm vi sử dụng

- Sử dụng trong các đường lò chịu áp lực lớn từ phía khối đá, khối đá mất ổn định;

- Các đường lò đòi hỏi cách nước nhằm bảo vệ các thiết bị vận tải;

- Các giếng nghiêng chính, giếng nghiêng phụ…;

- Các công trình thủy điện

 Ưu điểm

Có khả năng mang tải lớn và tuổi thọ cao, chống được các tác động phonghóa đối với khối đá; ngăn nước chảy vào không gian ngầm, sức cản khí động họcnhỏ, tạo ra từ vật liệu địa phương, rẻ tiền, không chảy, cho phép tạo ra hình dạng

và kích thước đa dạng

 Nhược điểm

Trọng lượng lớn, chi phí vận chuyển, lắp dựng cao, thời gian thi công dài, sửachữa chỗ hỏng không thuận tiện, độ linh hoạt rất hạn chế

2.2 Nguyên tắc, các phương pháp lựa chọn và tính toán kết cấu chống

2.2.1 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 antoàn, 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 thường cho con người, các trang thiết

bị, phương tiện kỹ thuật,… trong không gian ngầm Tuy nhiên các nhiệm vụ cụ thểcủa từng loại kết cấu công trình ngầm cũng còn phụ thuộc và cả các yêu cầu riêng,mục tiêu sử dụng riêng…

Trong lĩnh vực thủy điện thì nhiệm vụ chủ yếu của kết cấu công trình ngầmlà:

- Ngăn chặn đá rơi, sập lở vào người lao động, trang thiết bị kỹ thuật

- Hạn chế dịch chuyển khối đá và dữ ổn định khoảng không gian ngầm đảm bảocông tác vận hành, vận chuyển và thông gió.

Ngoài hai nhiệm vụ trên kết cấu công trình ngầm cũng có thể đảm nhậnnhững nhiệm vụ khác, tùy thuộc vào những đòi hỏi các yêu cầu xuất phát từ điềukiện thực tế và tự nhiên như:

- Bảo vệ các khối đá xung quanh công trình ngầm trước các tác động của các tácnhân phong hóa;

- Bảo vệ các đường lò khỏi bị nước xâm nhập;

Trong nhiều trường hợp các nhiệm vụ phụ này không mang ý nghĩa đặc biệt,nhưng cũng có trường hợp chúng lại trở thành rất quan trọng chẳng hạn khi đàoqua lớp đất đá chứa nước

Mặc dù các kết cấu công trình ngầm có thể được lựa chọn và thiết kế theo cácphương pháp, quan điểm khác nhau tùy theo các chức năng khác nhau của cáccông trình ngầm, xong nói chung khi lựa chọn và tính toán các kết cấu công trìnhngầm đều xuất phát từ các yêu cầu chung, mang tính tổng thể là:

- Yêu cầu kỹ thuật

Kết cấu công trình ngầm phải đảm bảo có độ bền, độ ổn định nhất định Kếtcấu công trình ngầm phải bền, nghĩa là phải chịu được các tác dụng của ngoại lựccũng như các trạng thái ứng suất sinh ra trong các cấu kiện của kết cấu chống tronggiới hạn cho phép Kết cấu công trình phải ổn định tức là dưới tác dụng của áp lựcđất đá, các loại tải trọng và các tác động khác của môi trường thì kết cấu vẫn dữđược kích thước và hình dạng ban đầu, hoặc kích thước và hình dạng nhất địnhtheo yêu cầu sử dụng cụ thể Tùy theo yêu cầu sử dụng cụ thể kết cấu công trìnhngầm phải bền vững lâu dài

Kết cấu phải dễ dàng thi công, hạn chế rủi ro trong quá trình thi công

- Yêu cầu theo chức năng sử dụng

Nói chung các kết cấu chống không được gây ra các trở ngại cho các quá trìnhsản xuất, thi công và phải cho phép áp dụng được các khả năng cơ giới hóa trongkhi thi công, chiếm ít không gian, thuận tiện cho việc sử dụng khoảng không gianngầm tùy theo các mục đích cụ thể, đảm bảo khả năng thông gió, an toàn về cháy,

sức cản thủy động nhỏ, trong nhiều trường hợp còn phải đảm bảo yêu cầu về cáchnước, thẩm mỹ.

- Yêu cầu kinh tế

Kết cấu chống phải phù hợp với thời gian tồn tại của công trình ngầm vì vậykết cấu chống được lựa chọn và thiết kế sao cho tổng vốn đầu tư ban đầu và giáthành bảo dưỡng sủa chữa phải nhỏ nhất

2.2.2 Phân loại kết cấu chống

Cùng với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là những kếtquả trong lĩnh vực cơ học đất, cơ học đá và lĩnh vực khoa học vật liệu, các kết cấuchống được sử dụng trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm ngày càng phongphú và đa dạng Để có thể hình dung một cách tổng thể về các loại hình kết cấuchống công trình ngầm phục vụ việc phân tích lựa chọn theo những yêu cầu khácnhau có thể sơ bộ phân loại kết cấu chống theo các dấu hiệu khác nhau

a. Phân loại theo đặc điểm cấu tạo, gồm ba nhóm chính: Khung chống, vỏ chống vàkết cấu tích hợp

b Phân loại theo vật liệu, các loại vật liệu có thể sử dụng trong xây dựng côngtrình ngầm như: gỗ, gạch, đá, bê tông, vật liệu tổng hợp…

c Phân loại theo hình dạng kết cấu, các hình dạng kết cấu thường sử dụngtrong xây dựng công trình ngầm: dạng dầm đơn, cột đơn, hình thang, đa giác, chữnhật, hình vòm, móng ngựa,…các kết cấu có thể ở dạng kín hoặc hở

d Phân loại theo chức năng nhiệm vụ Tùy thuộc vào mức độ ổn định khối đá,thời gian lắp dựng, thời gian tồn tại của công trình ta có kết cấu chống tạm, kết cấubảo vệ và kết cấu chống cố định

e Phân loại theo tính năng kỹ thuật Tùy theo tính năng kỹ thuật kết cấu chốngthường được phân ra hai nhóm kết cấu tích cực, gia cố hay chủ động và kết cấu thụđộng chống đỡ

f Phân loại theo tính chất hay biểu hiện cơ học của kết cấu và khả năng chịutải có thể phân kết cấu thành các nhóm rất cứng, cứng và mềm

 Việc tính toán thiết kế kết cấu công trình ngầm đươc thực hiện bởi cácphương thức khác nhau, có thể phân ra 3 nhóm là:

- Tính toán theo trực giác: Các kỹ sư công trình ngầm xem xét đá, khối đá và xácđịnh theo cảm nhận về kết cấu neo, lực kéo căng neo cũng như chiều dày vỏ bêtông

- Tính toán theo kinh nghiệm, thực nghiệm: nghĩa là từ các nguyên tắc kinh nghiệmđược đúc rút từ thực tế có thể lựa chọn và xác định kích thước kết cấu công trìnhngầm phù hợp với chất lượng khối đá hiện tại Bằng phương thức này loại kết cấuchống và kích thước sử dụng sẽ được lựa chọn dựa vào bảng phân loại khối đá.Thông thường các nguyên tắc kinh nghiệm được diễn đạt bằng bảng biểu hoặc đồthị

- Tính toán theo phương pháp giải tính và phương pháp số: Cụ thể là từ các kết quả

đo đạc, thí nghiệm, phân tích và mô tả toán học về các tính chất vật liệu sẽ dẫn dắtđến các phương trình, có chú ý đên các phương trình, có chú ý đến các quy luật cơhọc, để mô tả các tính chất đặc điểm của khối đá và của kết cấu công trình cũngnhư tác động tương hỗ giữa chúng Bằng phương thức này đã xuất hiện nhiềuphương pháp tính khác nhau với các sơ đồ tính, mô hình vật liệu, quan hệ tươngtác giữa kết cấu với môi trường đất đá khác nhau

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng kết cấu chống công trình ngầm

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến viêc lựa chọn kết cấu chống cho công trìnhngầm như:

- Điều kiện địa chất, địa chất thủy văn, địa chất công trình;

- Hình dạng, kích thước của công trình;

- Thời gian tồn tại của công trình;

 Đối với đất đá mềm yếu có hệ số kiên cố f < 5 loại đất đá này rất dễ bị sập lở trongquá trình thi công do đó sẽ không thể chống giữ bằng các loại kết cấu chống giữnhư lưới thép hay các kết cấu chống có dạng mái bằng Sử dụng các loại kết cấunày sẽ không đảm bảo an toàn cho quá trình thi công và sử dụng Ta phải chọn kếtcấu chống có khả năng chịu lực cao để đảm bảo cho quá trình thi công và sử dụngnhư:

- Kết cấu chống bằng khung chống thép kết hợp tấm chèn bê tông cốt thép;

- Kết cấu chống bằng bê tông cốt thép liền khối;

Loại kết cấu này có khả năng chịu tải cao và có thể sử ụng lâu dài trong quátrình sử dụng

 Đối với đá rắn chắc, nứt lẻ ít có hệ số kiên có f ≥ 5 có thể sử dụng kết cấu chốngbằng neo, lưới thép kết hợp bê tông phun Sử dụng loại kết cấu chống này sẽ tiếtkiệm được chi phí chống giữ và giảm được diện tích đào của công trình mang lạihiệu quả cao hơn kết cấu chống bằng khung thép hay bê tông chống cố định

 Đối với rắn chắc nhưng nứt lẻ nhiều sẽ rất khó sủ dụng neo vì khi sử dụng neotrong điều kiện đất đá nứt nẻ nhiều các thanh neo sẽ rất khó liên kết được với toàn

bộ khối đá và việc sử dụng neo sẽ không hiệu quả do đó cần có biện pháp làm chokhối đá liên kết tốt hơn như việc sủ đụng bê tông phun có thể làm tăng khả năng tựmang tải và còn làm giảm quá trình phong hóa của khối đá

 Đối với đất đá có chịu ảnh hưởng của nước ngầm: Thi công trong khu vực có chứanước ngầm sẽ gặp rất nhiều khó khăn nó ảnh hưởng trực tiếp tới việc lựa chọn kêtcấu chống

 Khi sử dụng neo trong điều kiện địa chất có nước ngầm sẽ rất khó Nước ngầm sẽthấm qua các lỗ khoan làm giảm khả năng liên kết giữa thanh neo với vữa bê tông

và làm cho bê tông rất lâu đông cứng để liên kết với thanh neo và khối đá tiếp xúc.Ngoài ra trong thành phần hóa học của nước ngầm còn rất phức tạp, chúng có thể

có tính axit cao làm ô xi hóa mạnh các kết cấu bằng thép

Do đó để thi công trong khu vực có chứa nước ngầm cần có những biện pháp

xử lý nước ngầm như tháo khô dong nước ngầm bằng cách khoan các lỗ khoanthoát nước, sủ dụng các thiết bị để hút nước ngầm

2.3.2 Ảnh hưởng của mục đích sử dụng công trình tới việc lựa chọn kết cấu chống

Mục đích sử dụng của công trình là cơ sở để lựa chọn kết cấu chống cho côngtrình ngầm Vì vậy việc lựa chọn kết cấu chống cho công trình trước tiên phải xácđịnh được chức năng hay mục đích dử dụng của công trình để lựa chọn loại hìnhkết cấu chống cho phù hợp

- Các công trình xây dựng dân dụng, giao thông, quốc phòng và công nghiệp thường

sử dụng kết cấu bê tông cốt thép liền khối sẽ đảm bảo cho công trình được sử dụnglâu dài và còn có khả năng cách nước, chống cháy, thẩm mỹ

- Công trình có mục đích chính là để thông gió thì nên sử dụng kết cấu chống có bềmặt trơn nhẵn để đảm bảo cho khả năng lưu thông của gió được dễ dàng như đổ bêtông cốt thép liền khối hay sử dụng bê tông phun

- Công trình có chức năng là hầm dẫn nước thì thường sử dụng kết cấu chống dạnghình tròn

- Công trình sử dụng trong khai thác than thường sử dụng khá nhiều loại kết cấuchống như: Khung thép, lưới thép, neo, kết cấu chống bằng gỗ

2.3.3 Ảnh hưởng của thời gian tồn tại công trình tới việc lựa chọn kết cấu chống

Việc lựa chọn kết cấu chống phù hợp với thời gian sử dụng sẽ giảm được giáthành kinh tế

 Công trình có thời gian sử dụng nhỏ hơn 5 năm ta nên sử dụng kết cấu chống bằng

gỗ vì sử dụng các dạng kết cấu khác như bê tông liền khối hay khung chống thép

2.3.4 Ảnh hưởng của hình dạng, kích thước tới việc lựa chọn kết cấu chống

Các kết cấu chống có thể được lựa chọn, thiết kế và lắp dựng với nhiều hìnhdạng khác nhau, tùy thuộc vào đặc điểm xuất hiện áp lực hay tải trọng lên kết cấu

chống, tùy thuộc vào hình dạng của công trình ngầm vì thế hình dạng và kíchthước của công trình ngầm cũng sẽ quyết định tới việc lựa chọn kết cấu chống.Tương ứng với khả năng này kết cấu chống được gọi là kết cấu chống linh hoạt vềhình dạng và kích thước.

 Công trình có áp lực không đối xứng thì ta chọn kết cấu linh hoạt về hìnhdạng

- Khi có áp lực nóc lớn thì công trình chọn có dạng hình vòm tường thẳng;

- Khi có áp lực nóc và áp lực hông lớn thì công trình sẽ được chọn dạng tường congnóc vòm;

- Khi áp lực phân bố đều thì công trình có dạng hình tròn

Khi đó các kết cấu chống cũng phải thiết kế theo đúng hình dạng và kíchthước của công trình

Công trình có dạng nóc bằng có thể sử dụng kết cấu chống bằng gỗ Nhưngkhi kích thước công trình lớn thì không thể sử dụng kết cấu chống này vì khi sửdụng khung gỗ sẽ không bền

2.3.5 Ảnh hưởng của phương pháp thi công tới việc lựa chọn kết cấu chống

Có nhiều phương pháp thi công công trình ngầm và việc thi công theo phươngpháp khác nhau sẽ dẫn đến có nhiều phương án lựa chọn loại kết cấu chống khácnhau

 Thi công bằng máy khoan đào TBM thì kết cấu được sử dụng là các kết cấu đượcđúc sẵn;

 Thi công theo phương pháp khoan nổ mìn có thể sử dụng rất nhiều kết cấu chốngkhác nhau;

 Thi công theo phương pháp lộ thiên thì các kết cấu sử dụng thường là đổ bê tôngliền khối

Ngoài ra, theo điều kiện về phương pháp thi công thì các kết cấu chống khôngđược gây ra chở ngại cho các quá trình sản xuất, thi công và phải cho phép áp dụngđược các khả năng cơ giới hóa trong thi công (tùy theo yêu cầu), chiếm ít khônggian

CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CHỐNG KHẢ THI

3.1 Chức năng và nhiệm vụ của hầm phụ

Hầm phụ phục vụ thi công hầm dẫn nước đoạn cuối đến giếng nghiêng, thicông giếng nghiêng, thi công tháp điều áp của công trình thủy điện Nậm Củn.Việc xấy dựng hầm phụ nhằm mục đích đẩy nhanh tiến độ thi công, giúp choviệc thi công hầm chính một cách nhanh chóng, dễ dàng hơn vì việc thiết kế hầmphụ nhằm mục đích hỗ chợ thi công hầm chính như: xúc bốc đất đá, thông gió đổ

bê tông và hoàn thiện phần hầm chính, đồng thời mở được 2 gương thi công vềphía cửa nhận nước và phía hạ lưu Đặc biệt trong quá trình xây dựng hệ thốngcông trình ngầm của các nhà máy thủy điện thì tiến độ thi công đóng vai trò vôcùng quan trọng nhằm sớm đưa nhà máy vào vận hành, đảm bảo yêu cầu về mặt kỹthuật Ngoài nhiệm vụ vận chuyển đất đá thải, bê tông, vật tư, hầm được dùng làmđường tiêu thoát nước và thông gió cho hầm dẫn nước trong quá trình thi công.3.2 Xác định hình dạng, kích thước sử dụng của đường hầm

Việc lựa chọn hình dạng mặt cắt ngang đường lò hợp lý là một trong nhữnggiải pháp nhằm đảm bảo độ ổn định của công trình, giảm thiểu khối lượng công tácđào

Hình dạng mặt cắt ngang phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

- Tính chất cơ lý, áp lực đất đá xung quanh đường lò đào qua;

- Thời gian tồn tại công trình;

- Chức năng của công trình;

- Phương pháp thi công và trang thiết bị phục vụ thi công;

- Các yêu cầu về kỹ thuật

Dựa vào điều kiện địa chất, địa chất thủy văn cũng như sự tồn tại của côngtrình là tạm thời ta có thể chọn cho đường hầm có dạng là tường thẳng đứng vòmmột tâm Với ưu điểm chịu được áp lực nóc lớn, tận dụng được diện tích nền cao

do vậy dễ thi công trong công tác khoan nổ mìn cũng như xúc bố dễ dàng do nền

bằng phẳng, nhược điểm là chịu áp lực hông kém nhưng do đặt vào lớp đất đátương đối cứng vững nên áp lực hông tác dụng cũng nhỏ.

Hình 3.1 Hình dạng mặt cắt ngang của đường hầm

Dựa trên cơ sở tính toán của công ty tư vấn ta có chiều rộng sử dụng Bsd = 5,2

m, chiều cao tường Hsd = 2,6 m, bán kính sử dụng Rsd = 2,6 m

Diện tích sử dụng của hầm dẫn nước là:

2 sd

Hsd = 2,6, m là chiều cao tường sử dụng Bsd = 5,2, m là chiều rộng sử dụng Rsd = 2,6, m là bán kính sử dụng

Hình 3.2 mặt cắt ngang sử dụng