3.1. Các giải pháp nâng cao ổn định bờ mỏ
3.1.1. Gia cường khối đá bằng bê tông phun
Bê tông phun bao gồm các loại cốt liệu mịn hoặc thô (cát và đá dăm), xi măng, nước và đôi khi cho thêm các chất phụ gia để đông cứng nhanh hoặc để cho dễ phun (Lorman, 1968; Poad và Serbousek, 1972, Readinh 1973).
Loại vật liệu phun cùng loại và tiền thân của nó (Gunite) là vữa xi măng phun, không chứa các cốt liệu thô và được sử dụng hạn chế do giá thành cao và hiệu quả có phần còn kém. Loại vật liệu này có thể sử dụng trực tiếp cho đá không cần các loại vỏ chống khác hoặc có thể phun lên lưới thép, bu lông đá và khung thép để tạo thành một phần của hệ vỏ chống thống nhất. Có thể đưa thêm vào các sợi thép để tạo nên bê tông phun cốt thép đan, loại vật liệu vỏ chống bền đặc biệt (Kaden, 1974).
Ngoài ra còn một loại áo Chunam (hình 3.1) là áo xi măng Pooc lăng hoặc vữa vôi được trát bằng bay. Sử dụng để tăng cường ổn định bờ dốc ở Hồng Kông cốt liệu gồm cát granit hạt thô lấy từ đá granit phong hoá mảnh vụn tại nơi đã sử dụng Chunam (Phòng kiểm tra địa kỹ thuật, 1982).
1. Phương pháp sử dụng
Bê tông phun sử dụng chủ yếu để tăng mức độ ổn định cho các mặt lộ đá, nếu không có thể gặp rắc rối vì sự nứt nẻ dày đặc hoặc chúng có thể bị hư hại dưới các điều kiện biến đổi do ướt và khô. Nó cũng có thể làm việc tốt đối với đất. Cát và đá dăm rời
50
rạc ở đường tàu điện ngầm Milan và các mảnh vụn rời do trượt và sét ướt của tuyến đường hầm cao tốc Serra Ripoli là “...hai ví dụ nổi nhất của công tác phun bê tông trong những điều kiện thi công đường hầm xấu nhất ” (Sutcliffe và McClure, 1969; curzio và nnk...1973).
Hình 3.1. Vữa Chunam được sử dụng để tăng cường ổn định cho đá phong hoá và đất tàn tích (Hồng Kông)
Bê tông phun được sử dụng rộng rãi để nâng cao ổn định các bờ dốc đá và tường các hố đào sâu (Piteau và Peckover, 1978). Deere và Patton (1971) đã thông báo về sự ổn định của bờ dốc trong đất lở tích, tàn tích và đá phong hoá nằm ở trên cửa ra vào một đường hầm ở miền Tây Hoa Kỳ. Đất yếu và bở đã được cắt đi với độ dốc 11,5 và được phủ bởi một lớp lưới thép neo bằng các chốt vữa không chịu kéo dài 2,5 m cách nhau theo tâm là 2,5 m. Sau đó, bờ dốc được xử lý bằng vữa phun Gunite dày 70100 mm. Đã ngăn chặn được sự xói mòn, sự long rời ở mái dốc. Bê tông phun cũng được áp dụng để sửa chữa những chỗ bê tông bị phá hủy và hư hại, và để phun lót các kênh đào, hố chứa và bể bơi. Bê tông phun đặc biệt có hiệu quả để nâng cao ổn định ở các công trình ngầm, thường kết hợp với lưới thép, bu lông,
51
và khi cần thiết, kết hợp với khung thép nhẹ; nó là vật liệu cơ bản trong thi công đường hầm áo kiểu mới (NATM). Hệ thống đỡ bê tông phun duy trì sự tiếp xúc chặt chẽ với mặt đá và cũng giảm sự dịch chuyển của đá đến mức độ nhỏ nhất.
Đá đứt gãy và biến chất hay được khai đào và thay thế bằng bê tông phun, rồi được gia cường để chống lại bất cứ sự tính toán trước nào. Thí dụ, trong đường hầm, hầm kiểu vòng bê tông gia cường được xây dựng bằng cách này và neo với đá gốc bằng bu lông đá.
Vì nó bền vững, nên vỏ chống bê tông phun có thể hợp nhất vào vỏ chống bê tông đúc cuối cùng, hoặc tăng cường thêm bằng các lớp bê tông phun, lưới thép và bu lông. Bê tông phun hiện được sử dụng làm cả vỏ chống ban đầu và chống cuối cùng và cho độ ổn định lâu dài an toàn, chỉ cần đảm bảo sự kiểm tra chặt chẽ đối với vật liệu và phương pháp lắp ráp (Gullan, 1975). Vỏ chống mềm dẻo của bê tông phun, lưới thép và bu lông đã có xu hướng chịu được nổ mìn, nổ đá hoặc ngay cả các vụ nổ bom gần, khá hơn so với vỏ chống bê tông cứng (Lorman, 1968; Selmer- Olsen, 1970; Kendorski và nnk, 1973).
2. Phương pháp phun bê tông
Có hai phương pháp phun bê tông, phun khô và phun ướt. Trong phương pháp phun khô (hình 3.2a), các cốt liệu thô và mịn, xi măng và đôi khi bột đông cứng nhanh, được bơm bằng khí nén trong điều kiện khô hoặc nửa khô qua ống cấp liệu. Nước được bổ sung ở đầu vòi cấp liệu ngay trước khi bê tông phun ra. Người điều khiển đứng ở mũi vòi phun kiểm soát lượng nước bằng việc điều chỉnh van trên ống cấp nước. Điều này ngược với phương pháp phun ướt (hình 3.2b, c), trong đó bê tông phun có các thành phần khô và ướt trộn với nhau giống như bê tông thường, trước khi được bơm vào ống tiếp liệu. Bê tông phun khô cho các kết quả tốt hơn và độ bền lâu dài lớn hơn, có lẽ do nó đạt được tốc độ bơm lớn hơn. Nó có thể duy trì tỷ lệ nước, xi măng thấp, trong khi trong phương pháp phun ướt lượng nước cần phải đủ lớn mới bơm được. Phương pháp phun khô cũng cho phép bổ sung chất phụ gia tăng bền nhanh tại mũi vòi phun.
Ưu điểm chủ yếu của phương pháp phun ướt là có thể chuyển bê tông phun
52
ướt đến chân công trình bằng các xe chở bê tông. Tỷ lệ nước/xi măng được kiểm tra đầy đủ, trong khi phương pháp phun khô đòi hỏi người điều khiển có nhiều kinh nghiệm để điều tiết lượng nước, từ đó về độ bền lâu dài của vỏ chống. Phương pháp phun khô cũng là một quá trình sinh bụi và thường có tỷ lệ “tung toé” lớn, nghĩa là vữa bị bắn toé khỏi bề mặt được phun và do vậy gây lãng phí. Dây chuyền công nghệ phun gia cường bề mặt được thể hiện trên hình 3.3.
3. Thiết kế thành phần bê tông
Tỷ lệ nước/xi măng rất quan trọng. Khi quá nhiều nước thì bê tông phun giảm độ bền lâu dài, thậm chí không thể dính kết được. Khi quá ít nước thì không thể bơm được (phương pháp phun ướt) hoặc sẽ bị bắn toé nhiều (phương pháp phun khô). Tỷ lệ nước/xi măng tối đa nằm trong phạm vi từ 0,350,50 tăng theo chiều giảm kích thước lớn nhất của cốt liệu.
Hình 3.2. Các phương pháp phun bê tông a). Phương pháp phun khô
Bơm bêtông
Bêtông trộn ướt Phụ gia tăng bÒn nhanh láng và khí nén KhÝ nÐn
Bêtông trộn ướt
Phô gia t¨ng bÒn nhanh láng
Mòi phun KhÝ nÐn
Cốt liệu khô xi măng, phô gia t¨ng bÒn nhanh
Nước
a)
b)
c)
53
b). Phương pháp phun ướt dùng khí nén
c). Phương pháp phun ướt dùng bơm bê tông
Hình 3.3. Sơ đồ dây chuyền công nghệ phun gia cường bề mặt 1. Định lượng 2. Máy trộn khô
3. Máy phun khô 4. Đường ống dẫn - Vòi phun 5. Điều khiển 4. Thiết kế thành phần bê tông
Hình 4.4 Cho thấy giới hạn thường gặp của cấp phối cốt liệu trong bê tông phun. Thông thường, lượng xi măng khoảng 290 hoặc 330 kg được trộn với 14701500 kg cốt liệu. Xi măng Pooc lăng loại I là loại thông thường, nhưng xi măng Pooc lăng loại V chống sun phát có thể được sử dụng khi nước ngầm chứa một lượng sun phát hoà tan có khả năng xâm thực. Độ bền tăng nhanh là quan trọng trong thi công đường hầm, nên xi măng Pooc lăng loại III có thể phù hợp nhất. Tuy vậy, có thể sử dụng các phụ gia tăng bền nhanh để thay thế nó.
Bột tăng bền nhanh được bổ sung vào hỗn hợp xi măng - cốt thép trong khoảng 36% trọng lượng xi măng. Tuy nhiên, độ ẩm trong cốt liệu phải đủ lớn để xảy ra phản ứng trước khi cốt liệu được đẩy tới vòi phun. Một phương pháp khác là bổ sung thêm phụ gia tăng bền nhanh lỏng vào nước đang chảy tới vòi phun. Dù lựa chọn bất kỳ phương pháp nào, thì cũng cần thí nghiệm trước về sự tương thích giữa xi măng và phụ gia.
Tiêu chuẩn ACI 505-66 khuyên rằng các độ bền lớn hơn 4000 Ib/in2 (27,6
54
MPa) chỉ được chỉ định đối với các công tác bê tông phun được thực hiện và thiết kế cẩn thận nhất (ACI, 1966). Brekke (1972) kiến nghị rằng, đối với hầu hết công tác bê tông thông thường, độ bền 28 ngày nhỏ nhất yêu cầu cần đạt được nên thấp hơn, thí dụ bằng 2500 Ib/in2 (17,2 Mpa) khi sử dụng nhiều phụ gia tăng bền nhanh và bằng 3000 Ib/in2 (20,7 MPa) khi sử dụng ít hoặc không sử dụng phụ gia.
4. Áp dụng thực tế
Thường không cần xử lý trước bề mặt đá bởi vì bê tông phun là vật bào mòn và tự làm sạch mặt đá. Lưới thép, nếu được đưa vào làm cốt, thì mắt lưới tối thiểu bằng 100 mm, và thích hợp là 150 mm để bê tông phun dễ dàng lọt qua, nếu không sự bắn toé bê tông sẽ tăng lên. Lưới thép và mọi vật liệu địa cơ học khác sẽ nằm lại trong bê tông phun đều phải buộc rất chắc chắn không thì chúng sẽ bị xê dịch khi va đập với vật liệu phun áp lực cao. Áp lực thích hợp trong phương pháp phun bê tông trộn khô thường nằm trong khoảng 480÷550 kPa. Nước được bổ sung ở mũi vòi dưới áp lực khoảng 410 kPa. Bình thường cát được sử dụng có độ ẩm đủ lớn để có thể đáp ứng khoảng một nửa lượng nước cần thiết.
Chỉ với kỹ năng tinh xảo mới có thể tạo được lớp áo đồng nhất với bề dày cần thiết mà không có túi khí giữa đá, khung và lưới thép. Dòng phun phải vuông góc với mặt khối đá để giảm đến mức tối thiểu sự bắn toé. Bề dày lớn nhất được áp dụng cho một lớp đơn khoảng là 100 mm. Những lớp dày hơn dễ bị tách rời khỏi đá gốc để lại những khoảng trống giữa bê tông phun và đá; hoặc rời ra toàn bộ, để chừa ra các vùng đá phải phun lại bê tông.
55
Hình3.4. Cấp phôi hạt tiêu biểu của cốt liệu bê tông phun. Bê tông phun khô, với cốt liệu thô tròn cạnh hướng tới đường cong thấp, trong khi bê tông phun ướt và
cốt liệu đá nghiền hướng tới đường cong cao (mịn hơn) 5. Những ưu điểm của phương pháp bê tông phun
Làm việc trong những đường hầm lớn, thì máy phun bê tông tự động (robot shotoretinh machine) đảm bảo che chắn tốt hơn cho người điều khiển vòi phun và làm cho nó dễ dàng phun vuông góc với mặt đá hơn. Phun vuông góc thủ công là không thuận tiện vì sự bắn toé vật liệu, và có thể nguy hiểm do các thỏi đá bị long rời.
Gần đây có xu hướng loại bỏ phương pháp thủ công bê tông phun khô và hướng tới phương pháp ướt điều khiển từ xa có bổ sung thêm chất microsilica và sợi thép. Phương pháp bê tông phun ướt nâng cao sản lượng, giảm vật liệu bắn toé và tạo ra điều kiện an toàn hơn, vệ sinh hơn (Overlie và Rippentropp, 1987).
Việc cho thêm 810% chất microsilica theo trọng lượng xi măng làm cho việc trộn bê tông dễ dàng hơn, bơm và phun được cải thiện. Chất microsilica, một sản phẩm phế liệu phụ của công nghiệp thép, gồm các hạt silicat (CSH) làm tăng độ bền, giảm tính thấm của bê tông phun cứng chắc.
0 20 40 60 80 100
0,2 0,6 2 6 20 60
0,06
Mịn Trung bình Thô Mịn Trung bình Thô
56
Các sợi thép thường được sử dụng để gia cường cho hỗn hợp bê tông phun. Dùng chúng sẽ không cần thời gian lắp dựng lưới thép và tiết kiệm được chi phí cho vật liệu bắn toé khỏi lưới thép và chiều dày bê tông phun phụ thêm cần thiết để chống ăn mòn khi dùng lưới thép. Các sợi thép sẽ có khả năng biến dạng tốt hơn để liên kết tốt hơn. Trung bình, chúng dài khoảng 1520 mm và chiếm khoảng 1% tổng trọng lượng bê tông
6. Kiểm tra và thí nghiệm
Để đảm bảo bê tông phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật và kỹ thuật áp dụng là tốt nhất. Trên thực tế, bê tông phun có một khoảng tự điều chỉnh nào đó. Thực vậy, bê tông phun xấu thì không thể dính bám được, nó sẽ rơi khỏi mặt đá; có thể thấy là 10% sẽ bắn khỏi tường và 20% khỏi nóc hầm. Ban đầu, chủ yếu là các hạt cốt liệu thô bắn ra, để lại lớp vữa lót trên mặt tiếp xúc giữa bê tông phun và đá.
Công tác kiểm tra bao gồm việc kiểm tra độ dày đã định của vỏ bê tông đã được phun. Bề mặt kết thúc còn ẩm nếu xi măng đang đông kết và cứng dần lên. Có thể “gõ” để kiểm tra các vùng rỗng, nếu phát hiện ra phải phá bỏ và phun lại ngay lập tức.
Công tác kiểm tra được bổ sung bằng một chương trình kiểm tra chất lượng, bằng thí nghiệm được thiết kế để đưa ra những kết quả sớm nhất. Những thí nghiệm lâu dài thông thường , như độ bền của lõi bê tông phun sau 28 ngày có ích cho việc đánh giá chất lượng bê tông phun, là rất tốt, nhưng không thể dùng được cho mục đích còn quan trọng hơn nhiều là điều chỉnh ngay tức thì những thiếu sót trong thi công.
Các thí nghiệm lõi khoan là các thí nghiệm lâu dài và tin cậy nhất. Các lõi khoan được lấy từ bê tông phun tại chỗ bằng khoan kim cương và thí nghiệm độ bền nén đơn trục trong các khoảng thời gian 4 ngày; 7 ngày và 28 ngày sau khi phun bê tông.
Phương pháp kém chính xác hơn, nhưng nhanh hơn là “thí nghiệm panel”.
Trong đó, bê tông phun được phun vào những hộp hoặc những panel đặc biệt tại cùng vị trí, và phun vào cùng thời điểm khi bề mặt đá được phun. Các tấm bê tông
57
phun được lấy ra khỏi hộp, được cắt thành những mẫu hình lập phương bằng lưỡi cưa tròn và sau đó được thí nghiệm độ bền nén. Kết quả có tương quan, nhưng không đồng nhất, với kết quả của thí nghiệm lõi, bởi vì kích thước và hình dạng các mẫu thì khác nhau và dung trọng cũng khác nhau do sự co giãn của panel gỗ dán lớn hơn.
Một phương pháp khác là thí nghiệm kéo. Một số neo nhỏ được lắp vào các hố khoan trong bê tông phun để lắp các thiết bị kéo vào đó. Một nón bê tông phun nhỏ bị kéo khỏi bề mặt. Độ bền kéo tức thời của hình nón có tương quan chặt chẽ với độ bền nén lâu dài và do đó, nó có thể được sử dụng như một chỉ số kiểm tra chất lượng trong khi xây dựng. Một phương pháp thí nghiệm khác nữa là xuyên bê tông phun đã được Sallstrom phát triển (1970).
Thí nghiệm độ cứng bật nẩy Schmidt trong chức năng thí nghiệm đá cũng có thể áp dụng với bê tông phun. Tuy nhiên, độ nhám của bề mặt bê tông phun sẽ dẫn đến sự phân tán kết quả đáng kể.
Mọi ứng suất phát triển trong hệ vỏ chống bê tông phun đều biểu lộ bằng sự hội tụ và bằng kiểu rạn nứt bê tông phun có thể được phát hiện nhanh chóng. Vì vậy, vỏ chống bê tông phun cần có hệ thống quan trắc gài bên trong chúng, và không giống như vỏ chống cứng, chúng có thể được tăng bền dễ dàng khi cần thiết kế bằng cách lắp thêm bu lông hoặc phun thêm các lớp bê tông.