Giáo trình cơ học kết cấu công trình ngầm và câu hỏi ôn tập
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. Có ba phơng pháp cơ bản là Khoan phụt áp lực thấp, (low pressure grouting) Khoan phụt cân bằng, (compensation grouting) Khoan phụt áp lực cao, cũn gi l phụt tia (jet grouting) Khoan phụt áp lực thấp Vật liệu phụt đợc bơm ép vào các lỗ hổng, khe nứt, nhờ có các nút hai đầu (nút đôi (double packer) di chuyển đợc, với áp lực đủ lớn để có thể bơm chất phụt vào khối đá, nhng cng đủ nhỏ để không gây ra thêm các vết nứt trong khối đá. Khoan phụt cân bằng Khoan phụt tia (Jet grouting) Mục đích là làm phá vỡ khối đất đá với áp lực tăng dần, đa chất khoan phụt vào để làm trơng khối đất đá (tăng thể tích) Sử dụng để cân bằng hiện tợng sụt lún mặt đất, nhằm nâng mặt đất về trạng thái ban đầu Cũng còn gọi là kích ép bằng chất khoan phụt (grout- jacking) Phải thận trọng vì sẽ gây tải trọng mới tác dụng lên kết cấu chống Sử dụng áp lực cao (300 đến 600 bar) để phụt vữa xi măng vào khối đất (rời) nhờ vòi phụt ngang ở phía dới của ống khoan phụt, Tia khí phụt làm tơi rời đất. Trong khi ống khoan phụt đợc xoay đều và đợc kéo dần ra, vữa xi măng đợc phụt vào khối đất đá xung quanh, tạo nên một cột hỗn hợp hình trụ; Hiện tại có các kỹ thuật phụt khác nhau: tia đơn, tia kép đôi, tia kép ba Tia đơn Tia kép đôi Tia kép ba Vữa phụt đợc bơm qua ống vào vòi phụt ngang, với tốc độ đến 200m/s. Năng lợng phụt này làm tơi rời đất , đa và trộn vữa phụt vào với đất. Trong loại đất sỏi cuội, cột vữa-đất có thể đật đờng kính từ 0,6 đến 1,2m. Trong đất rời, cát có thể đạt đờng kính lớn hơn. Khoan phụt tia đơn ít có hiệu quả đối với khối đất dính, đất bột. Một hệ ống kép đợc sử dụng để có thể phụt riêng rẽ hai pha là vữa phụt và khí vào vòi phun. Tia vữa làm rời và trộn vào đất. Tia khí tăng khả năng làm rời đất và đẩy vữa vào sâu trong khối đất. Cột hỗn hợp đạt trên 1m trong đất chặt trung bình và chăt, trong đất rời, cột hỗn hợp đật trên 1,8m. Phun tia kép đôi có hiệu quả trong đất dính hơn so với tia đơn Vữa phụt, khí và nớc đợc bơm vào riêng rẽ qua ống đến các vòi phụt. Các tia khí và nớc đồng hớng kính tốc độ cao làm tơi rời khối đất. Tia vữa phụt đợc đẩy vào ở vòi phía dới với áp lực nhỏ hơn. Bằng cách này quá trình làm tơi rời và trộn cứng đợc tách riêng rẽ và tạo cột hỗn hợp chất lợng tốt hơn. Có thể đạt đờng kính cột hỗn hợp từ 0,9m đến 1,5m. Phơng pháp này đợc sử dụng tốt với khối đất dính kết. Dựa vào thời điểm tin hnh khoan phụt ngi ta phân thành hai nhóm: Khoan phụt trớc (pregrouting) Khoan phụt sau (postgrouting) áp dụng trong xây dựng công trình ngầm Khoan phụt đợc sử dụng để tăng khả năng chịu tải, giảm biến dạng của khối đá, hay nói cách khác là làm tăng chất lợng khối đá xung quanh công trình ngầm, ngăn chặn tác động phá họi của nớc và xâm nhập của nớc; Các lỗ khoan so le, chiều dài đến 20m, đợc khoan từ gơng và phụt các tia vữa chồng nhau có thể tạo ra vòm hay ô bảo vệ cho công tác thi công. Ví dụ áp dụng Tạo các vòm bảo vệ đợc gia cố, vòm chống thấm; tạo các cột đỡ các kết cấu chống đã thi công ở phần vòm, tạo thành kết cấu đón đỡ theo phơng thức đón đỡ của Bỉ Sơ đồ thi công Khi thi công hầm trong khối đất hoặc khối đá yếu, vòm bảo vệ bằng khối đất đá đợc khoan phụt đợc thi công vợt trớc, tiếp đó là công tác đào, xúc Tùy theo sự phủ chồng lên nhau của các phần khối đất đá đợc khoan phụt, chúng ta phân biệt giữa khoan phụt phủ đơn hay phủ kép, phụ thuộc vào mức độ ổn định của khối đất, đá Khối vật liệu khoan phụt vào các đới phá hủy thờng đợc ép, phụt vào giữa hai nút, từ các lỗ khoan cắm vào khu vực cần khoan phụt. Chiều dài lỗ khoan thông thờng 20m đến 30m Khoảng cách giữa miệng lỗ khoan 1,5m đến 2m Phủ đơnPhủ kép Các lỗ khoan cũng có thể đợc khoan tỏa ra từ các đờng hầm để gia cố, hoặc làm tăng khả năng chống thấm cho khối đá vây quanh. Sơ đồ thi công khi sử dụng TBM thi công hầm Sơ đồ bố trí lỗ khoan dạng quạt Chiều dài lỗ khoan 21m Khoảng cách giữa các lỗ khoan 1,2 m Góc nghiêng 70 Tình trạng điển hình khi khoan phụt trong thi công bằng TBM Hình dạng và kích thớc các khối khoan phụt đợc thiết kế và thi công tùy thuộc vào các điều kiện và yêu cầu cụ thể. Nhiều loại vật liệu khác nhau đợc sử dụng làm vật liệu khoan phụt, đợc lựa chọn sử dụng tùy theo điều kiện cụ thể, phụ thuộc vào đặc tính, hình dạng, kích thớc của các hệ thống khe nứt, tính thẩm thấu, yêu cầu gia cố hay chống thấm, hoặc kết hợp cả hai chức năng đó. Vật liệu phụt Vữa xi măng Xi măng mịn Huyền phù coloid silic Hóa chất Polyurethan Vữa acrilic Nhựa epoxy Vữa dẻo nhiệt Các dạng của các khối đợc khoan phụt 2.2 Ván, cọc, ống thép Khi thi công khối đất/đá mềm yếu có thể sử dụng các tấm chèn bằng thép để ngăn chặn đất/đá rơi, sập lở vào khoảng chống. Thép chèn đợc sử dụng ở dạng ván thép, cọc thép hoặc lới thép với các quy cách khác nhau. Ván thép Ván thép đợc sử dụng để chèn lấp giữa các khung chống bằng thép, tơng tự nh ván gỗ. trong xây dựng công trình ngầm đã xuất hiện nhiều loại ván thép khác nhau, tùy theo điều kiện áp dụng. Thông thờng trong các phơng pháp thi công ccổ điển, đào hầm trong đất ván thép đợc ép vào phía trớc gơng, gối trên các khung thép làm nhiệm vụ bảo vệ phía nóc hoặc cả phần vòm của khoảng trống chuẩn bị đào. Khi thi công trong khối đất rời, có xu thể rơi, chảy vào khoảng trống, sẽ tạo nên các khoảng hở, đặc biệt là ở khu vực các tấm ván gối lên nhau. Từ kinh nghiệm thực tế cho thấy có thể hạn chế sụt lở, sụt lún bằng cách lấp đầy các khoảng hở bằng vữa bê tông hoặc bê tông phun, cũng nh nêm, chốt. Biện pháp này đồng thời cũng để đảm bảo điều kiện gối tựa, tránh gây sập lở. Một lớp vỏ bê tông phun đồng thời cũng góp phần hạn chế biến dạng của các tấm thép. [...]... và cũng là ý nghĩa cơ học, chiều dài tối thiểu các cọc phải bằng ba lần khoảng cách giữa các khung chống 12 lỗ, để vữa thóat ra ren, để nối với ống ép vữa cọc óng 22 , lỗ khoan 32, ép vữa khung thép bê tông phun khung thép bê tông phun cọc thép Kết cấu cọc thép có các u, nhợc điểm sau: Ưu điểm: có thể sử dụng cả cho khối đất và khối đá, khi không thể đóng ván thép thời gian thi công ngắn (nhanh),... sử dụng làm các cấu kiện phụ trợ cho các kết cấu chống khác, ví dụ với neo, khung chống Chúng không thuộc vào nhóm kết cấu chng tích hợp, song để tiện theo dõi, khi nhắc đến trong các loại kết cấu chống sau, ở đây giới thiệu sơ lợc thêm hai loại cấu kiện này Lới thép Lới thép hay lới chèn là loại lới đặc biệt, đợc chế tạo trớc với cấu tạo đặc biệt tại vị trí kết nối và xếp chồng lên nhau Lới thép loại... tông phun Hình Ví dụ sử dụng tấm Bernold Trong xây dựng công trình ngầm, tấm Bernold đợc sử dụng khá rộng rãi và cho thấy có các u, nhợc điểm sau: Ưu điểm Một bộ phận hay toàn bộ kết cấu chống tạm có thể đợc sử dụng làm kết cấu chống cố định, Vừa làm cốp pha đồng thời cũng làm vai trò là cốt thép, Không đòi hỏi cấu kiện đặc biệt cho cốp pha, Cấu tạo bề mặt đặc biệt của tấm Bernold cho phép tạo tiếp... gia cố nếu kết hợp với ép vữa ống thép: Sử dụng các ống thép tròn ấn vào phần vòm của công trình ngầm trớc khi đào sẽ tạo ra vòm bảo vệ, cũng đợc gọi là ô ống, tơng tự nh cái ô, nhng bàng các ống thép ống thép cắm trớc Chồng lên nhau Hớng đào Sơ đồ bỗ trí ống thép Thi công một ô(vòm) bảo vệ bằng ống thép Li thộp v tm Bernold Trong thực tế lới thép và tấm Bernold thờng đợc sử dụng làm các cấu kiện phụ... tấm chèn sử dụng trong xây dựng công trình ngầm đất/đá rời khung thép ván thép ống ép vữa vữa lấp đầy bêtông phun vữa ép gỗ, nêm ván thép tấm thép chốt khung thép mặt cắt A-A Sử dụng vữa lấp đầy giữa các tấm thép, tại Muehlheim 1978 bê tông tăng đơ ván đỡ gơng dầm đỡ khung thép văng chèn gơng dầm nền Chống đỡ trớc bằng ván thép theo phơng thức ở Koeln Ván hay cọc thép dài 2, 5m đóng vào khe hở đỡ gơng... Sau khi thực hiện công tác đào, xúc bốc vận chuyển đá, lắp dụng khung chống, các tấm tôn đợc xếp lên các khung thép và tiếp theo vữa đợc bơm vào sau khi đã lắp các tấm cốp pha đầu rồi sau đó có thể phun bê tông lên bề mặt tấm thép Các khung thép cũng nh tấm tôn có thể đợc đợc tháo gỡ ra, sử dụng cho chu kỳ đào tiếp theo, tùy thuộc vào mức độ ổn định của khối đá cũng nh yêu cầu về kết cấu chống tạm Vì... loại này thờng đợc sử dụng phối hợp với khung thép làm kết cấu chống tạm móc để treo thanh cốt ngang bẻ móc lại để xếp các tấm lới trải lới Tấm Bernold (thép cốp pha và cốt) Khi gặp khối đá có thời gian ổn định nhiều giờ, có thể sử dụng các loại thép tấm đặc biệt vừa làm cốp pha vừa có thể làm cốt thép Một trong loại này là tấm Bernold Với dạng cấu tạo đặc biệt nên các tấm Bernold cũng còn gọi là tấm... chống tạm Vì các tấm có khe hở và lợn sóng nên tạo đợc liên kết tốt với vữa nhng vữa vẫn không bị tràn ra Các tấm này đợc ép khoằm lõm hai đầu (khớp móc), do vậy có thể lắp dựng và tháo dỡ dễ dàng, cũng có thể kéo ra cả mảng để lắp dựng tiếp tục ở phía trớc Lớp bê tông phun mỏng phủ lên mặt ngoài của tấm tôn thờng có chức năng chống ăn mòn Chu trình sử dụng tấm Bernold đợc minh họa trên hình khung thép... nghĩa neo tiến trớc) đợc chế tạo từ thép đặc hay thép ống, đờng kính trên 20 mm Thép ống có các lỗ để ép vữa vào lỗ khoan và khối đất/đá Cọc thép thực hiện nhiệm vụ tơng tự nh các tấm ván thép Cọc thép đợc đóng (ấn ép) vào khối đất, đá bằng các búa khí nén hay búa thủy lực, hoặc đợc cắm vào các lỗ khoan khi gặp khối đá rắn và nhờ công tác phụt vữa mà đợc gắn với khối đá bởi vữa phụt (một dạng đặc biệt... của bê tông sau khi hóa cứng Nhợc điểm Đòi hỏi khối đá có thời gian tồn tại ổn định nhiều giờ, nếu không cũng phải kết hợp với phun bê tông trớc đó, Tiếp xúc với khối đá chỉ có đợc sau tối thiểu hai giờ, khi bê tông đã hóa cứng, Phải tháo hoặc dẫn nớc tạo môi trờng khô ráo, Rất khó kết hợp với neo . 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. 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