Giáo trình cơ học kết cấu công trình ngầm và câu hỏi ôn tập
NQP/CHCTN 4- 1Chơng 4. Vỏ chống 4.1 Khái quát Vỏ chống bao gồm toàn bộ các kết cấu chống tiếp xúc mặt với mặt lộ của khối đá hoặc với các kết cấu chống cùng loại (khi có nhiều lớp vỏ khác nhau). Các loại vỏ chống cơ bản gồm có vỏ xây bằng gạch, đá, đá bê tông vỏ lắp ghép từ các cấu kiện đúc trớc: tấm pa nen bê tông cốt thép, các tấm tuyp-bing (gang, thép, bê tông cốt thép, bê tông sợi thép) vỏ bê tông liền khối: bê tông phun, bê tông thờng, bê tông cốt thép vỏ thép Kết cấu chống bằng gạch, đá và bê tông (ngoại trừ các khung bê tông cốt thép đúc trớc) rất thích hợp để tạo nên nhiều dạng kết cấu khác nhau trong lĩnh vực xây dựng các công trình ngầm. Các dạng vỏ chống từ đá, gạch xây hoặc gạch bê tông, bê tông đúc trớc (vỏ lắp ghép) bê tông đổ tại chỗ, bê tông nén ép tại chỗ thờng có chiều dày tơng đối lớn. Các loại vỏ lắp ghép từ thép, gang và vỏ thép tấm có chiều dày không lớn do khả năng chịu tải cao và tùy thuộc vào chức năng sử dụng. Vỏ chống có thể phủ một phần mặt lộ khối đá (bê tông phun), toàn bộ phần tờng và vòm các đờng lò, đờng hầm hoặc bao kín toàn bộ biên khai đào, đặc biệt là ở các giếng mỏ, các hầm trạm ngầm, các công trình ngầm dân dụng và quân sự .Hình 4.1 là ví dụ sử dụng vỏ bê tông phun ở các dạng khác nhau Liên tục Không liên tụcPhủ kín hoàn toàn Phủ vòm và tờngHình 4.1 NQP/CHCTN 4- 2Cáu tạo của các loại vỏ chống phụ thuộc vào loại vỏ, yêu cầu của chức năng sử dụng và các điều kiện địa cơ học, địa chất, địa chất thủy văn, nên rất đa dạng và phức tạp. Hình 4.2 là ví dụ về cấu tạo các vỏ hầm khi xây bằng gạch đá (a), vỏ bê tông với các hệ thống thông gió (b), cách nớc hoàn toàn (c), thu gom nớc phía trên (d) và vỏ tổ hợp ở giếng mỏ trong điều kiện địa chất phức tạp (đ). Về mặt tĩnh học, nói chung các vỏ chống liền khối từ bê tông và gạch, đá thờng là các kết cấu ít biến dạng. Do vậy trong thực tế cũng đã sử dụng nhiều biện phác khác nhau để có thể tạo nên tính linh hoạt cho loại kết cấu này. Chẳng hạn, bằng cách sử dụng các loại gỗ đệm có thể tạo ra khả năng linh hoạt nhất định cho tờng xây và bêtông, hoặc để lại khe dãn cách khi sử dụng bê tông phun. Tuy nhiên các khả năng này cũng chỉ đạt đợc ở mức độ hạn chế, trừ trờng hợp sử dụng gạch bê tông và đệm nhiều lớp gỗ, do vậy tờng xây và bê tông hầu nh không đợc sử dụng cho khu vực khai thác và các đờng lò chuẩn bị trong các mỏ hầm lò. Xét tổng thể các kết cấu vỏ công trình ngầm bằng gạch, đá và bê tông có cùng các u và nhợc điểm sau đây. Ưu điểm: có khả năng mang tải lớn và tuổi thọ cao; chống đợc các tác động phong hoá đối với khối đá và ngăn nớc chảy vào không gian ngầm; sức cản khí động học nhỏ; có thể tạo ra từ các vật liệu địa phơng, rẻ tiền; không cháy; cho phép tạo nên các kết cấu với kích thứoc và hình dạng đa dạng. a) b) c) d) 1. khối đá 2. neo 3. lới thép 4. vành bê tông 5.khe phân cách với vành đá bê tông đ) Hình 4.2 NQP/CHCTN 4- 3 Nhợc điểm: trọng lợng lớn; chi phí vận chuyển và lắp dựng cao;thời gian thi công dài; sửa chữa các chỗ bị h hỏng không thuận tiện; độ linh hoạt nhỏ hoặc rất hạn chế, nếu không có các giải pháp hỗ trợ khác. Khả năng mang tải cao có đợc nhờ vào độ bền cao của vật liệu và chiều dày lớn. Trong điều kiện thông thờng, kết cấu chống loại này đợc coi là kết cấu chống cứng. Dới tác dụng của tải trọng (chủ yếu là tải trọng tĩnh) kết cấu chống thờng có tuổi thọ cao hơn kết cấu bằng gỗ và thép. Khả năng chống các tác động hoá học và sinh học cũng góp phần làm tăng tuổi thọ của kết cấu chống này. Dạng kết cấu chống kín còn hạn chế đợc tác động phong hoá dến khối dá vây quanh và trong nhiều trờng hợp còn ngăn nớc xâm nhập vào đờng lò, không gian ngầm. Ngoài ra do bề mặt tơng đối nhẵn, kết cấu chống này còn có sức cản khí động học nhỏ hơn so với kết cấu bằng gỗ và thép. Các loại vật liệu cơ bản của kết cấu chống bằng gạch, đá, bê tông thờng sẵn có và rẻ tiền hơn so với các loại vật liệu khác. Mặt khác kết cấu tờng xây và bê tông không bị cháy, do vậy chẳng hạn khi xảy ra cháy mỏ hoặc trong các đờng hầm, khả năng lan truyền cháy sẽ hạn chế nếu sử dụng kết cấu chống này. Tuy nhiên, những u điểm nêu trên của vỏ chống bằng gacgh, đá và bê tông bị hạn chế bởi các nhợc điểm là trọng lợng lớn và chiều dày lớn so với khả năng nhận tải, kèm theo đó là chi phí vận chuyển và lắp dựng (xây, đổ bêtông .) cao. Tiết diện đào khoảng trống ngầm cũng thờng phải lớn hơn so với khi sử dụng gỗ và thép, do vậy đòi hỏi thêm chi phí đào. Ngoài ra để có đợc kết cấu hoàn chỉnh cần nhiều thời gian hơn để đảm bảo có đợc khả năng nhận tải nhất định, do yêu cầu của thời gian hóa cứng. Khi kết cấu bị phá huỷ do tác động quá mức của tải trọng, áp lực đá, thì việc sửa chữa thờng phức tạp hơn và chi phí cao hơn so với kết cấu bằng gỗ và thép. NQP/CHCTN 4- 44.1 Vỏ gạch, đá xây Trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm dân dụng và công nghiệp các vỏ chống xây bằng gạch, đá đã đợc sử dụng trong thời kỳ phát triển đầu tiên (Hình 4-3) Ngày ngay, do tiến bộ kỹ thuật, do các yêu cầu về tiến độ thi công, nên các loại kết cấu đó đợc thay thế bằng các kết cấu từ bê tông, ở dạng bê tông phun cũng nh bê tông cốp pha đổ tại chỗ (Hình 4-4) Trong ngành mỏ các kết cấu chống bằng gạch, đá, bê tông thờng đợc sử dụng chủ yếu tại các đờng lò và giếng có tuổi thọ cao và dới tác Hình 4-3 Thi công đờng hầm Simplon 1898 - 1905 theo Markus Hình 4-4. Kết cấu bằng gạch xây a)và kết hợp với bê tông b) NQP/CHCTN 4- 5dụng của các tải trọng (áp lực) tĩnh. Bê tông với các dạng và tính năng khác nhau đợc sử dụng phổ biến trong xây dựng các công trình ngầm. Đá thiên nhiên đợc khai thác hoặc đá thải ra trong quá trình thi công có thể đợc gia công tạo dạng khối đều hoặc tấm, để xếp thành tờng, hoặc kết hợp với vữa xây để xây tờng hay vỏ chống trong công trình ngầm. Tuy nhiên, trong thực tế chúng chỉ đợc sử dụng làm kết cấu bổ trợ, kết hợp với các kết cấu khác. Một số loại đá nh đá badan, granit và gneis thờng có độ bền nén rất lớn, dao động trong khoảng 100MPa đến 400MPa và do đó cứng hơn so với các loại gạch nung. Tuy nhiên, trong quá trình khai thác đá hoặc nổ mìn phá đá, thông thờng các cục đá vỡ ra có hình dạng và kích thớc bất kỳ. Do vậy để có đợc các cục đá có hình dạng và kích thớc tơng đối đồng đều đòi hỏi phải chế biến lại thận trọng. Trong thực tế, công việc này đợc thực hiện thủ công và đòi hỏi nhiều công sức. Mặt khác tờng xếp từ các cục đá này thờng không tận dụng đợc khả năng nhận tải cao của đá, bởi vì do các cục đá rất đa dạng nên các điểm hay diện tiép xúc là bất kỳ, nên tải trọng đợc truyền đi cũng rất không quy luật. Vì thể tờng xếp từ các cục đá có khả năng nhận tải thờng nhỏ hơn nhiều so với bản thân các cục đá. Các điều kiện không thuận lợi đó cũng xảy ra tơng tự đối với tờng xây bằng đá và vữa xây. Một nhợc điểm chung nữa là khả năng chịu các tải trọng cắt hay trợt kém. Vì các lý do nêu trên và chi phí vận chuyển cao mà đá thiên nhiên, khai thác từ các công trờng khai thác đá, rất ít đợc sử dụng để làm kết cấu chống cho các công trình ngầm trong mỏ hầm lò và cũng chỉ đợc sử dụng hạn chế làm tờng xây cho các công trình ngầm khác, ngoại trừ trờng hợp đợc chế biến làm đá ốp lát. Tuy nhiên, trong những thời kỳ phát triển đầu tiên của ngành xây dựng công trình ngầm, với các phơng pháp thi công cổ điển, đã thiên nhiên cũng đã đợc chế biến để làm vật liệu xây tờng, đặc biệt nh cho các tờng cửa hầm. Sử dụng đá thải ngay từ các công trờng xây dựng ngầm hoặc các mỏ hầm lò kinh tế hơn so với đá từ các công trờng khai thác đá. Do vậy đá thải ở các mỏ hầm lò có thể đợc sử dụng để xếp thành tờng ngăn giữa khu vực lò khai thác và lò vận chuyển. Trên thế giới, cho đến đầu thế kỷ 19, loại kết cấu bảo vệ này đã đợc sử dụng nhiều trong khai thác muối và quặng, vì lơng lao động không cao. Do chi phí lơng lao động ngày càng cao và cũng nhờ các tiến bộ kỹ thuật mà loại kết cấu bảo vệ này ngày càng ít đợc sử dụng. Yêu cầu cần có hình dạng và kích thớc đồng đều sẽ không chặt chẽ nếu đá chỉ đợc sử dụng làm vật liệu hỗ trợ, kết hợp với các kết cấu loại khác. Sơ chế đơn giản chỉ cần thiết cho các trờng hợp sau: Tờng chắn trong các đờng lò khai thác (phía sau kết cấu gỗ hay thép); NQP/CHCTN 4- 6 Xếp lấp đầy các cũi gỗ; Vật liệu chèn cho các kết cấu chống đờng lò bằng thép hoặc bằng gỗ để tạo tiếp xúc tốt cho các tấm chèn; Vật liệu lấp đầy phía sau các khung chống cứng bằng thép hoặc kết cấu bằng tờng bê tông đá đúc (bê tông giá rẻ). Cũng vì vậy nên trong khai thác than hầm lò đá thải vần còn đợc sử dụng làm một bộ phận của kết cấu chống. Tờng xây bằng gạch và vữa chủ yếu đợc sử dụng làm kết cấu chống cho các công trình ngầm tiết diện lớn, tuy nhiên cả các đờng lò chính, giếng và các đờng lò có tuổi thọ lớn. Tờng xây đợc coi là kết cấu bảo đảm tiết diện sử dụng của công trình và chủ yếu chỉ chịu tải trọng tĩnh. Do chí phí nhân công lắp dựng cao, tốc đọ thi công chậm, nên tờng xây bằng gách ngày càng đợc sử dụng ở mức hạn chế hơn (Hình 4-50. 4.2 Vỏ lắp ghép, vỏ tuýp bing Vỏ lắp ghép là các loại vỏ chống đợc lắp ghép từ các tấm đúc sẵn, có thể bằng bê tông cốt thép, bê tông sợi thép, hoặc gang và thép. Tùy thuộc vào hình dạng của công trình và phơng pháp đào, các tấm đúc trớc có thể ở dạng phẳng hay cong. Các tám cong ghép lại tạo thành vỏ chống tròn thờng đợc gọi là vỏ tuyp-bing (tubing). Vỏ tuýp bing thờng đợc sử dụng khi đào bằng máy khoan hầm TBM hoặc máy khiên đào SM hoặc bằng phơng pháp kích ép ống cống. Vỏ bê tông, bê tông cốt thép hoặc bê tông sợi thép lắp ghép đợc chế tạo hay đúc trớc tại xí nghiệp bê tông. Vỏ lắp ghép cũng có thể đợc cấu thành từ các tấm gang và thép đúc trớc. Nói chung vỏ lắp ghép từ các tấm Hình 4-5. Vỏ xây bằng gạch ở vị trí sân giếng NQP/CHCTN 4- 7tuýp bing gang và thép có khả năng nhận và biến dạng tốt hơn vỏ bê tông, bê tông cốt thép cũng nh bê tông sợi thép. u điểm cơ bản của loại vỏ này là có thể nhận tải ngay sau khi lắp dựng, đảm bảo đúng kích thớc hình học và dễ kiểm tra, đảm bảo chất lợng. Tuy nhiên loại vỏ này có nhợc điểm là không linh hoạt về dạng hình học, thiếu liên kết ma sát với khối đá và do đợc chế tạo trớc nên không thích ứng hết đợc trong điều kiện có biến đổi về địa chất. Ngoài ra các cấu kiện đúc trớc cũng thờng có trọng lợng khá lớn, nên việc vận chuyển lắp ghép đòi hỏi phải có các phơng tiện phù hợp. Tren hình 4-6 cho thấy một dạng vỏ lắp ghép từ các tấm phẳng, khi đờng hầm đợc thi công bằng phơng pháp đào hở. Hình 4-6. Vỏ lắp ghép khi thi công bằng phơng pháp đào hở Vỏ tuyp bing là dạng vỏ thông dụng trong xây dựng các đờng hầm. Chúng đẫ đợc phát triển ở nhiều thể loại với các dạng hình học của các tấm và mối liên kết giữa chúng. Trên hình 4-7 là một số loại vỏ tuyp bing điển hình dạng mặt nhẵn liên kết bu lông (a), dạng mặt trong lõm (dang kat-set), NQP/CHCTN 4- 8liên kết bu lông (b) và các tấm dạng đặc biệt, liên kết với nhau ỏa dạng các đầu nối lồi lõm và neo chốt (c) Để đảm bảo kín nớc, giữa các tấm đợc bố trí các tấm đệm bằng nhựa, đợc ép chặt vào nhau nhờ các mối liên kết (Hình 4-8) a) đệm cách nớc Lỗ bắt bu lông b) thép tấm để tiếp nhận ứng suát pháp và ứng suất tiếp Các lỗ để cắm neo dọc trục n là số tấm tuyp bing trong một vòng vỏ chống c) Hình 4-7. Các dạng vỏ tuyp bing NQP/CHCTN 4- 9 Hình 4-9 cho thấy các tấm tuyp bing sau khi đợc chế tạo và vỏ chống sau khi đợc lắp dựng. Vỏ tuyp bing lần đầu tiên đợc sử dụng ở nớc ta tại thủy điện Đại Ninh. Vỏ đợc cấu thành từ các tấm cong đúc trớc và đợc ghép lại với nhau bằng liên kết bu lông. Các đờng hầm nằm dới đáy sông, biển đợc thi công bằng phơng pháp hạ chìm hay dìm, thờng đợc đúc trớc từng đốt, sau đó đợc kéo ra vị trí lắp dựng, đợc hạ chìm và liên kết với nha. Trên hình 4-10 là một số dạng và kích thớc các đốt hầm đúc trớc, theo tính toán thiết kế qua các thời kỳ khác nhau, cho thấy phần nào về tiến bộ trong lĩnh vực này. Hình 4-8. Biện pháp ghép để kín nớcHình 4-9. Các tấm tuyp bing và vỏ chống sau khi lắp ghép NQP/CHCTN 4- 10 ở nớc ta hầm dới sông đàu tiên là hm dỡm Th Thiờm, mt ng hm vt sụng Si Gũn ang c xõy dng ti Thnh ph H Chớ Minh. ng hm cú sỏu ln xe ụ tụ, c dỡm di lũng sụng Si Gũn (Hình 4-11) Trờn hỡnh 4-12 l v thộp lp ghộp c chun b trc khi th xung ging. Hình 4-10 Hình 4-11. Các đốt hầm đúc trớc cho đờng hầm Thủ thiêm [...]... kết cấu bê tông (thay Lớp chống bào mòn bê tông, gia cố kết cấu bê tông Lớp chịu tải mỏng cho các công tăng chiều dày) trình đặc biệt Trùng tu các công trình kiến trúc Tạo dáng cổ NQP/CHCTN 4- 13 Đơng nhiên phạm vi sử dụng đặc biệt có ý nghĩa là trong xây dựng công trình ngầm, mỏ và tu sửa các kết cấu bê tông Trong xây dựng các công trình ngầm, mỏ bê tông phun đợc sử dụng với hai chức năng là kết. .. tải cơ bản vẫn chính là khối đá (Hình 4- 1 3) Hình 4- 1 3 Tuy nhiên, với những tiến bộ về kỹ thuật và công nghệ bê tông phun, vỏ bê tông phun có thể đợc sử dụng với các chức năng khác nhau tù thuộc vào chiều dày, dạng kết hợp với các kết cấu chống khác (Hình 4- 1 4) - Gia cố bảo vệ toàn bộ hay từng phần bề mặt khối đá (khi chiều dày của lớp phun từ 3-1 0cm) NQP/CHCTN 4- 11 - Tạo ra một lớp vỏ chịu tải liên kết. .. của vỏ cấu tạo, hạn chế các tác động phong hóa, hủy hoại khối đá từ môi trờng không khí trong công trình ngầm khi vận hành, ví dụ ngăn hơi nớc, khí thải tại các đờng hầm giao thông vào khối đá, hoặc các kết cấu phía ngoài Hình Cấu tạo vỏ chống cố định bằng bê tông cốt thép NQP/CHCTN Hình 4- 1 6 Cấu tạo vỏ hầm dẫn nớc 4- 15 Chẳng hạn ở các công trình ngầm giao thông trong khu vự đô thị các kết cấu là... sau: - Phủ và làm chặt đợc thực hiện đồng thời - Có thể tạo ra lớp liên kết ngay cả phía đỉnh đầu mà không cần cốp pha - Liên kết liên tục (không có khoảng trống) với khối đá - Dính kết tốt với khối đá tạo ra hệ thống mang tải cho/cùng khối đá - Có thể tạo ra chiều dày lớp linh hoạt khác nhau ngay trong một chu trình - Tạo dáng bất kỳ NQP/CHCTN 4- 12 - Có thể phun phủ sớm trong mọi phạm vi khácnhau -. .. bê tông e) Vữa chèn Hỡnh 4- 1 9 NQP/CHCTN 4- 22 Trên hình 4- 2 0 cho thấy các vỏ thép tấm đợc hàn kín làm lớp vỏ trong chịu áp lực nớc trong các đờng hầm dẫn nớc củ công trình thủy điện Các vỏ thép thờng có thể dày từ 10mm đến 40 mm trong trờng hợp áp lực nớc cao trên 100m cốt nớc Trong khi thi công vỏ thếp đợc lắp trớc vf đợc sử dụng nh là cốp pha để đổ vỏ bê ông phía ngoài Hình 4- 2 0 Để tránh hiện tợng mất... phơng pháp bê tông khác Đơng nhiên cả về kỹ thuật và công nghệ, bê tông phun ngày càng đợc cải thiện và phát triển Với phơng pháp đào hầm mới của áo, bê tông phun đợc sử dụng làm vỏ chống bảo vệ cả cho các công trình tiết diện lớn đợc đào trong đieuf kiện địa chất xấu (Hình 4- 1 5) Hình 4- 1 5 4. 3.2 Vỏ bê tông đổ tại chỗ Trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm, bê tông liền khối hay bê tông đổ tại chỗ, cũng... của công trình Tuy nhiên do các yêu cầu về hiệu quả kinh tế, nên đã nảy sinh các nhu NQP/CHCTN 4- 16 cầu đối với công tác nghiên cứu phát triển là làm sao để có thể tận dụng toàn bộ hay một phần lớp vỏ ngoài (vỏ bảo vệ) làm chức năng của vỏ cố định, hoặc kết hợp để tạo thành dạng kết cấu một lớp vỏ Từ kinh nghiệm thực tế trên thế giới hình thành các chỉ dẫn sau trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm. .. cho các kết cấu chống cố định Do các nguyên nhân về thi công, nên chiều dày tối thiểu thờng dao động trong khoảng 20cm đến 30cm Tùy theo các yêu cầu cụ thể, liên quan với chức năng của công trình ngầm, phụ thuộc vào các điều kiện địa chất, địa chất thủy văn của khối đá, NQP/CHCTN 4- 14 vỏ bê tông đợc sử dụng có thể ở dạng bê tông thờng, bê tông cốt thép, bê tông sợi thép, bê tông cách nớc (hình 4- 1 6)... trình ngầm, mỏ bê tông phun đợc sử dụng với hai chức năng là kết cấu chống bảo vệ và có thể làm kết cấu chống cố định cho phần vòm Ngoài ra bê tông phun cũng đợc áp dụng cho mọi công tác bê tông khác Ngày nay, cùng với kết cấu bê tông đổ tại chỗ, vỏ tuýp-bing, bê tông phun đã trở thành một loại kết cấu quan trọng trong phơng pháp thi công, đợc gọi là phơng pháp bê tông phun Những hạn chế còn có trong... trình ngầm : Kết cấu chống không có liên kết chống trợt giữa hai lớp vỏ Trong trờng hợp này nội lực có thể phân bố cả trong hai lớp vỏ tùy theo độ cứng của mỗi lớp, đơng nhiên để cho đơn giản nhiều khi trong tính toán thiết kế thờng không chú ý đến lớp ngoài ; Kết cấu có khả năng truyền lực tiếp tuyến giữa hai lớp Trong trờng hợp này có thể tính nội lực trong kết cấu với giả thiết kết cấu là vỏ một . 4- 14Hình 4- 1 5Đơng nhiên phạm vi sử dụng đặc biệt có ý nghĩa là trong xây dựng công trình ngầm, mỏ và tu sửa các kết cấu bê tông. Trong xây dựng các công. có tuổi thọ cao và dới tác Hình 4- 3 Thi công đờng hầm Simplon 1898 - 1905 theo Markus Hình 4- 4 . Kết cấu bằng gạch xây a)và kết hợp với bê tông b) NQP/CHCTN