Giáo trình cơ học kết cấu công trình ngầm và câu hỏi ôn tập

ü, vËt lÝ khÝ hËu vµ ®Æc biÖt lµ ®é bÒn v÷ng hay æn ®Þnh l©u dµi (bÒn l©u). Ngµy nay c¸c thµnh tùu nghiªn cøu cña c¸c lÜnh vùc c¬ häc ®Êt/®¸ ®· kh¼ng ®Þnh r»ng khi thi c«ng x©y dùng c¸c c«ng tr×nh ngÇm cÇn thiÕt ph¶i ®¶m b¶o, g×n gi÷ ®−îc ®é bÒn hay kh¶ n¨ng mang t¶i cña khèi ®Êt/®¸, ®Ó cã thÓ ph¸t huy, sö dông khèi ®Êt/®¸ thµnh mét bé ph©n chÞu t¶i. V× vËy c¸c biÖn ph¸p chèng gi÷ ®−îc sö dông còng cÇn ®¸p øng yªu cÇu lµ ph¸t huy, hç trî còng nh− g©y ¶nh h−ëng tèt ®Õn kh¶ n¨ng tù mang t¶i cña khèi ®¸. Trong tr−êng hîp lý t−ëng chØ nªn coi kÕt cÊu chèng lµ mét d¹ng gia cè hay gia c«ng bÒ mÆt cho khèi ®¸. Tuy nhiªn, trong thùc tÕ c¸c kÕt cÊu chèng còng th−êng ®¹t ®−îc ®é cøng v÷ng nhÊt ®Þnh, nªn cã thÓ tiÕn hµnh tÝnh to¸n thiÕt kÕ vµ kiÓm chøng ®−îc. Nãi chung, ®Ó ®¶m b¶o, gi÷ g×n ®−îc kh¶ n¨ng tù mang t¶i cña khèi ®¸, còng nh− ®¶m b¶o æn ®Þnh, bÒn v÷ng l©u dµi cho c¸c c«ng tr×nh ngÇm, cÇn thiÕt ph¶i chó ý c¸c ®iÒu kiÖn hay kh¶ n¨ng sau: Lùa chän vÞ trÝ hîp lý bè trÝ c«ng tr×nh ngÇm; Lùa chän ®−îc h×nh d¹ng hîp lý cho c«ng tr×nh ngÇm, chó ý ®Æc biÖt ®Õn ®iÒu kiÖn cô thÓ vÒ c¸c tÝnh chÊt cña khèi ®Êt/®¸; Lùa chän c¸c ph−¬ng ph¸p vµ gi¶i ph¸p thi c«ng hîp lý; Lùa chän ph−¬ng ph¸p chèng gi÷ hîp lý; Chó ý ®Õn yÕu tè thêi gian ®èi víi c¶ khèi ®¸/®Êt vµ kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm; ¸p dông c¸c ph−¬ng ph¸p khai ®µo kh«ng hoÆc Ýt g©y t¸c ®éng xÊu ®Õn khèi ®Êt/®¸-(cã thÓ gäi lµ c¸c ph−¬ng ph¸p ®µo b¶o d−ìng khèi ®Êt/®¸)- tøc lµ Ýt g©y ¶nh h−ëng lµm thay ®æi ®é bÒn vµ kh¶ n¨ng biÕn d¹ng cña khèi ®Êt/®¸. 8 MÆc dï c¸c kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm cã thÓ ®−îc lùa chän vµ thiÕt kÕ theo c¸c ph−¬ng ph¸p, quan ®iÓm kh¸c nhau tïy theo c¸c chøc n¨ng kh¸c nhau cña c¸c c«ng tr×nh ngÇm, song nãi chung khi lùa chän vµ tÝnh to¸n c¸c kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm ®Òu xuÊt ph¸t tõ c¸c yªu cÇu chung, mang tÝnh tæng thÓ lµ: 1)Yªu cÇu kü thuËt KÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm ph¶i ®¶m b¶o cã ®é bÒn vµ ®é æn ®Þnh nhÊt ®Þnh. KÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm ph¶i bÒn, nghÜa lµ ph¶i chÞu ®−îc c¸c t¸c dông cña ngo¹i lùc còng nh− c¸c tr¹ng th¸i øng suÊt sinh ra trong c¸c cÊu kiÖn cña kÕt cÊu chèng trong giíi h¹n cho phÐp. KÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm ph¶i æn ®Þnh tøc lµ d−íi t¸c dông cña ¸p lùc ®Êt ®¸, c¸c lo¹i t¶i träng vµ c¸c t¸c ®éng kh¸c cña m«i tr−êng, vÉn ph¶i gi÷ ®−îc kÝch th−íc vµ h×nh d¹ng ban ®Çu, hoÆc kÝch th−ícvµ h×nh d¹ng nhÊt ®Þnh theo yªu cÇu sö dông cô thÓ. Tïy theo yªu cÇu sö dông cô thÓ kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm cÇn ph¶i bÒn v÷ng l©u dµi. 2)Yªu cÇu theo chøc n¨ng sö dông Nãi chung c¸c kÕt cÊu chèng kh«ng ®−îc g©y ra c¸c trë ng¹i cho c¸c qu¸ tr×nh s¶n xuÊt, thi c«ng vµ ph¶i cho phÐp ¸p dông ®−îc c¸c kh¶ n¨ng c¬ giíi hãa trong thi c«ng (tïy theo yªu cÇu); chiÕm Ýt kh«ng gian, thuËn tiÖn cho viÖc sö dông kho¶ng kh«ng gian ngÇm tuú theo môc ®Ých cô thÓ; ®¶m b¶o kh¶ n¨ng th«ng giã, an toµn vÒ ch¸y; søc c¶n thñy ®éng nhá, trong nhiÒu tr−êng hîp cßn ph¶i ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu vÒ c¸ch n−íc, thÈm mü. 3)Yªu cÇu kinh tÕ KÕt cÊu chèng ph¶i phï hîp víi thêi gian tån t¹i cña c«ng tr×nh ngÇm do vËy ®−îc lùa chän vµ thiÕt kÕ sao cho tæng vèn ®Çu t− ban ®Çu vµ gi¸ thµnh b¶o d−ìng, söa ch÷a ph¶i lµ nhá nhÊt. 1.3 Lo¹i h×nh kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm Cïng víi sù tiÕn bé kh«ng ngõng cña khoa häc kü thuËt, ®Æc biÖt lµ nh÷ng kÕt qu¶, hiÓu biÕt míi trong lÜnh vùc c¬ häc ®Êt, c¬ häc ®¸ vµ thµnh tùu cña lÜnh vùc khoa häc vËt liÖu, c¸c kÕt cÊu chèng ®ù¬c ph¸t triÓn vµ sö dông trong lÜnh vùc x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm ngµy cµng phong phó vµ ®a d¹ng. Sù ph¸t triÓn ®ã còng gãp phÇn ph¸t triÓn nh÷ng c«ng nghÖ, ph−¬ng ph¸p thi c«ng míi, ngµy cµng cã hiÖu qu¶ h¬n. §ång thêi chÝnh nh÷ng ®ßi hái vÒ chÊt l−îng ngµy cµng cao h¬n, kinh tÕ h¬n trong thùc tÕ còng ®· t¹o c¬ së cho viÖc ph¸t triÓn nhiÒu lo¹i vËt liÖu vµ kÕt cÊu chèng míi. §Ó cã thÓ h×nh dung ®−îc mét c¸ch tæng thÓ vÒ c¸c lo¹i h×nh kÕt cÊu chèng c¸c c«ng tr×nh ngÇm, phôc vô viÖc ph©n tÝch lùa chän theo nh÷ng yªu cÇu kh¸c nhaucã thÓ s¬ bé ph©n lo¹i c¸c kÕt cÊu chèng theo nh÷ng dÊu hiÖu kh¸c nhau. 9 1. Ph©n lo¹i theo ®Æc ®iÓm cÊu t¹o Dùa theo ®Æc ®iÓm cÊu t¹o, c¸c kÕt cÊu chèng ®−îc ph©n ra ba nhãm chÝnh lµ: khung chèng, vá chèng vµ kÕt cÊu tÝch hîp hay "hoµ nhËp" vµo khèi ®¸. Trªn b¶ng 1-3 lµ vÝ dô ph©n nhãm c¸c d¹ng kÕt cÊu chèng theo ®Æc ®iÓm cÊu t¹o, ®ång thêi còng s¬ l−îc giíi thiÖu vÒ vËt liÖu chèng còng nh− h×nh d¹ng vµ tÝnh n¨ng, chøc n¨ng cña c¸c lo¹i kÕt cÊu chèng ®ã. B¶ng 1-3. C¸c lo¹i kÕt cÊu chèng c¬ b¶n KÕt cÊu tÝch hîp Khung chèng Vá chèng Kh¸i niÖm C¸c thµnh phÇn cña kÕt cÊu nh©n t¹o x©m nhËp vµo khèi ®¸ hay tÝch hîp víi khèi ®¸ L¾p ghÐp tõ c¸c cÊu kiÖn d¹ng thanh (th¼ng hay cong) L¾p ghÐp tõ c¸c cÊu kiÖn d¹ng khèi, d¹ng tÊm hay ®æ, x©y t¹i chç, phun t¹i chæ C¸c d¹ng kÕt cÊu c¬ b¶n • khoan phôt • ®ãng b¨ng • cäc, v¸n, èng • neo • khung gç • khung kim lo¹i • khung bª t«ng cèt thÐp ®óc tr−íc • khung hçn hîp hay khung kÕt hîp tõ c¸c d¹ng khung vµ vËt liÖu kh¸c nhau • vá x©y b»ng g¹ch, ®¸, ®¸ bª t«ng • vá l¾p ghÐp tõ c¸c cÊu kiÖn ®óc tr−íc: tÊm pa nen bª t«ng cèt thÐp, c¸c tÊm tuyp-bing (gang, thÐp, bª t«ng cèt thÐp, bª t«ng sîi thÐp) • vá bª t«ng liÒn khèi: bª t«ng phun, bª t«ng th−êng, bª t«ng cèt thÐp • vá thÐp 10 11 Mét kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm cã thÓ ë d¹ng ®éc lËp cña c¸c kÕt cÊu c¬ b¶n d¹ng khung, d¹ng vá hay d¹ng tÝch hîp; cã thÓ hîp thµnh tõ mét hay nhiÒu lo¹i vËt liÖu; cã thÓ ë d¹ng tæ hîp hay hçn hîp cña c¸c d¹ng kÕt cÊu kh¸c nhau. Còng v× vËy ®«i chç cßn sö dông kh¸i niÖm tæ hîp kÕt cÊu chèng hay hÖ thèng kÕt cÊu chèng. Nãi chung mét tæ hîp kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm ®−îc lùa chän vµ thiÕt kÕ phô thuéc chñ yÕu vµo c¸c yÕu tè sau: • møc ®é æn ®Þnh vµ c¸c ®Æc ®iÓm ®Þa chÊt, ®Þa kü thuËt cña khèi ®¸, • chøc n¨ng cña c«ng tr×nh ngÇm, • ph−¬ng ph¸p thi c«ng x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm. 2. Ph©n lo¹i theo vËt liÖu Nãi chung trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm, mäi lo¹i vËt liÖu x©y dùng nh− gç; thÐp, kim lo¹i; g¹ch, ®¸, bªt«ng; vËt liÖu tæng hîp...®Òu cã thÓ ®−îc sö dông, tïy theo yªu cÇu vµ chøc n¨ng cña c«ng tr×nh ngÇm còng nh− nh÷ng ®ßi hái ®èi víi c¸c kÕt cÊu chèng. Ngoµi c¸c vËt liÖu x©y dùng th«ng th−êng, trong lÜnh vùc x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm còng ph¸t triÓn mét sè vËt liÖu víi tÝnh n¨ng hay ®Æc ®iÓm sö dông riªng, nh− c¸c lo¹i thÐp h×nh, c¸c v¸n thÐp... KÕt cÊu tÝch hîp Khung chèng Vá chèng VËt liÖu CÊu kiÖn c¬ b¶n lµ neo tõ (gç, tre) thÐp thanh, c¸p, thÐp èng, thanh chÊt dÎo vµ c¸c chÊt dÝnh kÕt; c¸c lo¹i dung dÞch khoan phôt; èng thÐp, cäc thÐp, v¸n thÐp; vïng ®−îc ®ãng b¨ng VËt liÖu chÝnh lµ gç, thÐp h×nh (thÐp c¸n ®Þnh h×nh), thÐp x©y dùng, kim lo¹i, bª t«ng cèt thÐp ®óc s½n d¹ng thanh, (c¸c tÊm chÌn b»ng gç hay bª t«ng ®óc s½n) VËt liÖu c¬ b¶n cã thÓ lµ ®¸, g¹ch, bª t«ng phun hoÆc bª t«ng ®æ t¹i chç (cã hoÆc kh«ng cã cèt thÐp, sîi thÐp, l−íi thÐp), bª t«ng cèt thÐp, sîi thÐp ®óc s½n d¹ng tÊm hay m¶ng, tÊm thÐp, gang, kim lo¹i 3. Ph©n lo¹i theo h×nh d¹ng kÕt cÊu C¸c kÕt cÊu chèng cã thÓ ®−îc lùa chän, thiÕt kÕ vµ l¾p dùng víi nhiÒu h×nh d¹ng kh¸c nhau, tïy thuéc vµo ®Æc ®iÓm xuÊt hiÖn ¸p lùc hay t¶i träng lªn kÕt cÊu chèng, tïy thuéc vµo lo¹i vµ h×nh d¹ng cña c«ng tr×nh ngÇm, ®Æc ®iÓm cÊu tróc cña khèi ®¸ vµ c¸c yªu cÇu kü thuËt. Nãi chung trong thùc tÕ c¸c kÕt cÊu chèng th−êng cã c¸c d¹ng dÇm ®¬n, cét ®¬n, d¹ng h×nh thang, h×nh ®a gi¸c, h×nh ch÷ nhËt, h×nh vßm, h×nh mãng ngùa, mâm nh¸i, trßn, ellÝp...; c¸c kÕt cÊu cã thÓ ë d¹ng kÕt cÊu kÝn (bao kÝn mÆt lé cña khèi ®¸) hay kÕt cÊu hë. 12 KÕt cÊu tÝch hîp Khung chèng Vá chèng H×nh d¹ng, cÊu t¹o Liªn kÕt víi mét vïng khèi ®¸ t¹o ra dÇm,vµnh hay vßng chÞu t¶i; treo chèt gi÷, gia cè, « èng...; t¹o nªn vïng ®−îc gia cè, ®−îc ®«ng cøng. H×nh d¹ng bÊt kú KÕt cÊu chèng d¹ng khung h×nh thang, ch÷ nhËt, ®a gi¸c, c¸c d¹ng h×nh vßm, trßn, ellÝp... Khung chèng d¹ng kÝn hay hë. KÕt cÊu chèng d¹ng vá ch÷ nhËt, ®a gi¸c, vßm, trßn, ellÝp.... TiÕp xóc diÖn víi mÆt lé khèi ®¸, víi c¸c d¹ng liªn kÕt kh¸c nhau. Bª t«ng phun, thÝch hîp víi h×nh d¹ng bÊt kú, gia cè bÒ mÆt khèi ®¸. 4. Ph©n lo¹i theo chøc n¨ng, nhiÖm vô Tïy thuéc vµo møc ®é mÊt æn ®Þnh cña khèi ®Êt/®¸, tïy thuéc vµo ph−¬ng ph¸p thi c«ng vµ tïy thuéc vµo lo¹i c«ng tr×nh ngÇm, mét sè lo¹i kÕt cÊu nh©n t¹o cã thÓ ®−îc l¾p dùng tr−íc, trong hoÆc sau khi thi c«ng kho¶ng kh«ng gian ngÇm. C¸c kÕt cÊu nh©n t¹o nµy th−êng ®−îc gäi lµ kÕt cÊu chèng t¹m hay kÕt cÊu b¶o vÖ. Còng tïy thuéc vµo lo¹i khèi ®Êt/®¸, tïy thuéc vµo chøc n¨ng cña c«ng tr×nh ngÇm còng nh− thêi gian cÇn sö dông (tuæi thä), mét sè lo¹i kÕt cÊu nh©n t¹o ®−îc l¾p dùng ®Ó ®¶m b¶o bÒn v÷ng vµ æn ®Þnh c«ng tr×nh ngÇm trong suèt qu¸ tr×nh sö dông, vËn hµnh kho¶ng kh«ng gian ngÇm, tháa m·n c¸c yªu cÇu theo chøc n¨ng cña c«ng tr×nh ngÇm. Lo¹i kÕt cÊu nµy ®−îc gäi lµ kÕt cÊu chèng cè ®Þnh. KÕt cÊu tÝch hîp Khung chèng Vá chèng Chøc n¨ng Gia cè tr−íc, chèng tr−íc, chèng t¹m, chèng cè ®Þnh hay mét bé phËn cña kÕt cÊu chèng cè ®Þnh tïy theo ®iÒu kiÖn cô thÓ Chèng t¹m vµ chèng cè ®Þnh t¹i c¸c má hÇm lß. Chèng t¹m, hoÆc lµ mét bé phËn cña kÕt cÊu chèng cè ®Þnh t¹i c«ng tr×nh ngÇm d©n dông Chñ yÕu lµm kÕt cÊu chèng cè ®Þnh, riªng bª t«ng phun, vá tuyp-bing cã thÓ cã chøc n¨ng chèng t¹m vµ chèng cè ®Þnh 5. Ph©n lo¹i theo tÝnh n¨ng kü thuËt Tïy theo tÝnh n¨ng kü thuËt, c¸c kÕt cÊu chèng th−êng ®−îc ph©n biÖt theo hai nhãm lµ kÕt cÊu tÝch cùc, gia cè hay chñ ®éng vµ kÕt cÊu thô ®éng, chèng ®ì KÕt cÊu chèng cã thÓ c¶i thiÖn ®−îc tr¹ng th¸i cña khèi ®¸, hoÆc c¶i thiÖn ®−îc kh¶ n¨ng nhËn t¶i vµ biÕn d¹ng cña khèi ®¸ ®−îc gäi lµ kÕt cÊu tÝch cùc, chñ ®éng hay kÕt cÊu gia cè khèi ®¸ vµ còng cßn ®−îc gäi lµ kÕt cÊu chèng gi÷. C¸c kÕt cÊu víi chøc n¨ng chñ yÕu lµ tiÕp nhËn c¸c t¸c ®éng c¬ häc 13 h×nh thµnh do c¸c qu¸ tr×nh biÕn ®æi c¬ häc trong khèi ®Êt/®¸, ®−îc gäi lµ kÕt cÊu thô ®éng hay kÕt cÊu chèng ®ì. KÕt cÊu tÝch hîp Khung chèng Vá chèng TÝnh n¨ng Chñ yÕu ®ãng vai trß tÝch cùc gia cè hay chñ ®éng, kÓ c¶ ë d¹ng liªn kÕt cíi c¸c kÕt cÊu chèng kh¸c Chñ yÕu ®ãng vai rß kÕt cÊu chèng thô ®éng, tiÕp nhËn c¸c lo¹i t¶i träng 6. Ph©n lo¹i theo tÝnh chÊt hay biÓu hiÖn c¬ häc cña kÕt cÊu Theo tÝnh chÊt hay biÓu hiÖn biÕn d¹ng vµ kh¶ n¨ng chÞu t¶i, cã thÓ ph©n c¸c kÕt cÊu chèng thµnh c¸c nhãm lµ rÊt cøng, cøng vµ mÒm víi c¸c ®Æc ®iÓm ®−îc ®Þnh nghÜa nh− trong b¶ng 1-2. B¶ng 1-2. Lo¹i kÕt cÊu vµ c¸c kh¶ n¨ng nhËn t¶i t−¬ng ®èi Kh¶ n¨ng nhËn t¶i t−¬ng ®èi KÕt cÊu chèng BiÓu hiÖn c¬ häc m«men lùc däc rÊt cøng nh− mét cè thÓ-biÕn d¹ng Ýt lín nhá cøng nh− b¸n cè thÓ- biÕn d¹ng nhá lín nhá mÒm biÕn d¹ng nhiÒu nhá lín Ngoµi ra, tïy thuéc vµo c¸c ®iÒu kiÖn ¸p lùc, dÞch chuyÓn cña khèi ®¸, c¸c kÕt cÊu chèng cã thÓ cã cÊu t¹o ®Æc biÖt cho phÐp biÕn ®æi vÒ h×nh d¹ng vµ/ hoÆc kÝch th−íc. T−¬ng øng víi c¸c kh¶ n¨ng nµy c¸c kÕt cÊu chèng ®−îc gäi lµ kÕt cÊu chèng linh ho¹t h×nh d¹ng vµ linh ho¹t kÝch th−íc. 7. Ph©n lo¹i theo møc ®é liªn kÕt, tiÕp xóc víi khèi ®Êt, ®¸ Tïy theo sù liªn kÕt còng nh− tiÕp xóc víi khèi ®¸ v©y quanh kho¶ng kh«ng gian ngÇm, c¸c lo¹i kÕt cÊu chèng ®−îc ph©n ra c¸c nhãm sau: - kÕt cÊu x©m nhËp, hßa nhËp vµo khèi ®Êt/®¸, hay tÝch hîp víi khèi ®Êt/ ®¸, vÝ dô c¸c lo¹i neo, v÷a khoan phôt, c¸c kÕt cÊu cäc, v¸n thÐp vµ « èng; - kÕt cÊu kh«ng liªn kÕt, liªn kÕt Ýt, hoÆc liªn kÕt hoµn toµn víi khèi ®¸ v©y quanh kh«ng gian ngÇm, thÓ hiÖn qua kh¶ n¨ng tiÕp nhËn øng suÊt tiÕp xuÊt hiÖn t¹i bÒ mÆt hay vÞ trÝ tiÕp xóc gi÷a mÆt lé cña khèi ®Êt/®¸ vµ kÕt cÊu chèng -tiÕp xóc gi÷a kÕt cÊu chèng vµ khèi ®Êt/®¸cã thÓ ë d¹ng tiÕp xóc ®iÓm (neo) tiÕp xóc ®−êng (khung chèng) hoÆc tiÕp xóc mÆt (vá chèng) 14 Sau ®©y ph©n tÝch vµ gi¶i thÝch râ h¬n mét sè kh¸i niÖm vµ vÊn ®Ò c¬ b¶n. KÕt cÊu chèng t¹m. KÕt cÊu chèng t¹m còng cßn gäi lµ kÕt cÊu b¶o vÖ, cã nhiÖm vô tr−íc tiªn lµ chèng gi÷ kho¶ng kh«ng gian ngÇm tõ sau khi ®µo cho ®Õn khi l¾p dùng kÕt cÊu chèng cè ®Þnh. MÆc dï chØ ®−îc gäi lµ t¹m thêi, song kÕt cÊu nµy ®Æc biÖt cã ý nghÜa trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm, bëi lÏ kh¶ n¨ng biÕn d¹ng, mèi liªn kÕt víi khèi ®Êt/®¸ vµ thêi ®iÓm l¾p dùng chóng cã ¶nh h−ëng lín ®Õn sù thµnh c«ng vÒ kü thuËt vµ kinh tÕ cña mét biÖn ph¸p x©y dùng. Trong thùc tÕ, nhÊt thiÕt ph¶i cã biÖn ph¸p b¶o vÖ ng−êi vµ thiÕt bÞ khi tiÕp tôc ®µo mét chu kú míi hay mét ®o¹n c«ng tr×nh ngÇm míi, nÕu khèi ®¸ kh«ng cã ®ñ thêi gian æn ®Þnh kh«ng chèng cÇn thiÕt. KÕt cÊu chèng t¹m ®−îc l¾p dùng tïy thuéc møc ®é æn ®Þnh cña khèi ®¸, cô thÓ: • cã thÓ ph¶i l¾p dùng tr−íc khi ®µo, hoÆc • cã thÓ l¾p dùng trùc tiÕp ngay sau khi ®µo hay sau mét kho¶ng thêi gian nhÊt ®Þnh sau khi ®µo, hoÆc • phèi hîp c¶ tr−íc vµ sau khi ®µo kho¶ng kh«ng gian ngÇm. Khi thêi gian tån t¹i æn ®Þnh (thêi gian æn ®Þnh kh«ng chèng) cña khèi ®Êt/®¸ rÊt nhá (vµi gi©y, vµi phót), b¾t buéc ph¶i sö dông c¸c gi¶i ph¸p chèng tr−íc ®Ó b¶o vÖ kháang kh«ng gian ngÇm sau khi ®µo, tøc lµ tiÕn hµnh l¾p dùng kÕt cÊu chèng t¹m thÝch hîp tr−íc khi tiÕn hµnh ®µo kho¶ng trèng. KÕt cÊu chèng tr−íc cã nhiÒu d¹ng kh¸c nhau. C¸c kÕt cÊu cæ ®iÓn th−êng lµ ®ãng nhãi, ®ãng cäc b»ng gç; ngµy nay ®−îc thay thÕ b»ng cäc thÐp, v¸n thÐp; ngoµi ra tïy theo ®iÒu kiÖn thùc tÕ cßn sö dông c¸c biÖn ph¸p nh− khoan phôt (khoan Ðp gia cè), neo khoan phôt, « èng b¶o vÖ... VÝ dô mét kÕt cÊu chèng t¹m kÕt hîp chèng tr−íc vµ chèng sau khi ®µo, sö dông trong tr−êng hîp gÆp khèi ®Êt/®¸ kÐm æn ®Þnh, th−êng ë d¹ng tæ hîp cña c¸c lo¹i h×nh trªn nh− cäc thÐp kÕt hîp víi bª t«ng phun vµ khung thÐp. C¸c kÕt cÊu chèng t¹m l¾p dùng sau khi ®µo th−êng ®−îc t¹o nªn tõ bªt«ng phun, neo, l−íi thÐp, l−íi chÊt dÎo, khung gç, khung thÐp ë quy m« vµ møc ®é kÕt hîp nhÊt ®Þnh, tïy thuéc vµo møc ®é æn ®Þnh cña khèi ®¸. ThÐp tÊm hay v¸n thÐp ®−îc sö dông chñ yÕu khi thi c«ng c«ng tr×nh ngÇm ®−îc bè trÝ trong khèi ®Êt. Chóng ®−îc bè trÝ lÖch nhau, cã ®o¹n chång lªn nhau. Do kü thuËt thi c«ng th−êng t¹o nªn c¸c kho¶ng rçng, do vËy c¸c kho¶ng rçng l¹i ph¶i ®−îc lÊp ®Çy b»ng v÷a hay bª t«ng phun, nh»m h¹n chÕ dÞch chuyÓn. Sau ®ã trong qu¸ tr×nh ®µo c¸c khung thÐp ®−îc l¾p dùngvµ 15 kho¶ng hë gi÷a khung thÐp vµ v¸n Ðp b»ng thÐp l¹i ®−îc phu phñ b»ng bª t«ng phun. Khi thi c«ng trong khèi ®Êt/®¸ mµ kh«ng thÓ Ðp v¸n thÐp n÷a, cäc thÐp sÏ ®−îc sö dông. Cäc thÐp cã thÓ ®−îc ®ãng vµo c¸c kho¶ng hë trong khèi ®Êt/®¸ mÒm nhê bóa khoan khÝ nÐn hay thñy lùc hoÆc ®ãng vµo lç khoan khi gÆp ®¸ cøng, ®−¬ng nhiªn trong tr−êng hîp sau kÕt hîp víi v÷a chÌn. ChiÒu dµi c¸c cäc th−êng ph¶i lín h¬n ba lÇn kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c khung thÐp. KÕt cÊu chèng t¹m cã thÓ lµm nhiÖm vô tr¸m chèt bÒ mÆt khèi ®¸ trªn biªn kho¶ng trèng ngÇm sau khi ®µo, nh»m h¹n chÕ hiÖn t−îng t¬i rêi, trãc vì ®¸ vµo kho¶ng trèng ®ang thi c«ng vµ t¹o kh¶ n¨ng h×nh thµnh vïng chÞu t¶i trong khèi ®¸. Môc tiªu nµy ®¹t ®−îc b»ng sö dông bª t«ng phun víi chiÒu dµy tõ 3cm ®Õn 5cm. Trong thùc tÕ, líp vá máng bª t«ng phun nµy kh«ng chØ lµm nhiÖm vô bÝt tr¸m, hay chèt gi÷ mµ cßn cã kh¶ n¨ng h¹n chÕ biÕn d¹ng cña khèi ®¸ ë møc ®é nhÊt ®Þnh; ngoµi ra còng t¹o nªn mét líp vá máng b¶o vÖ khèi ®¸ tr−íc t¸c ®éng phong hãa. Bª t«ng phun cã thÓ ®−îc phun rÊt sím vµ trë thµnh mét bé phËn cña khèi ®¸, cã kh¶ n¨ng tù mang t¶i. Còng chÝnh v× thÕ gi¶i ph¸p nµy cho phÐp h¹n chÕ biÕn d¹ng, ng¨n chÆn kh¶ n¨ng gi¶m bÒn cña khèi ®¸. C¸c lo¹i khung vµ vá chèng t¹m cã thÓ cã ®é cøng kh¸c nhau, tõ rÊt cøng, cøng ®Õn mÒm. KÕt cÊu chèng t¹m rÊt cøng lµ kÕt cÊu cã thÓ tù ®øng v÷ng, hay tån t¹i mµ kh«ng cÇn cã ¶nh h−ëng cña khèi ®¸ (ngay c¶ khi kh«ng tùa vµo khèi ®¸) vµ th−êng chØ biÕn d¹ng nhá khi chÞu t¸c ®éng c¬ häc. V× vËy dÞch chuyÓn còng nh− biÕn d¹ng do ph©n bè l¹i øng suÊt cña khèi ®¸ sÏ bÞ h¹n chÕ. §−¬ng nhiªn chÝnh v× thÕ trong kÕt cÊu b¶o vÖ rÊt cøng cã thÓ xuÊt hiÖn t¶i träng (øng suÊt) lín h¬n lµ ë kÕt cÊu cã thÓ biÕn d¹ng nhiÒu. §iÒu nµy ®· ®−îc gi¶i thÝch khi ph©n tÝch t−¬ng t¸c gi÷a khèi ®¸ vµ kÕt cÊu chèng trong c¬ häc ®¸.Thùc tÕ t¶i träng sinh ra do biÕn ®æi cña tr¹ng th¸i øng suÊt rÊt khã x¸c ®Þnh hîp lý khi thiÕt kÕ, ®Æc biÖt lµ viÖc x¸c ®Þnh tû sè gi÷a ¸p lùc hay t¶i träng theo hai ph−¬ng vu«ng gãc víi nhau. V× vËy c¸c lo¹i kÕt cÊu b¶o vÖ rÊt cøng, ®−îc l¾p dùng tr−íc khi tr¹ng th¸i øng suÊt thø sinh h×nh thµnh æn ®Þnh, th−êng còng ®−îc thiÕt kÕ qu¸ lín. Còng chÝnh v× vËy kÕt cÊu b¶o vÖ rÊt cøng th−êng chØ ®−îc sö dông khi cÇn thiÕt ph¶i h¹n chÕ hoÆc ng¨n chÆn biÕn d¹ng lín. KÕt cÊu chèng t¹m cøng th−êng ®−îc thiÕt kÕ, sao cho chóng lµ æn ®Þnh ë tr¹ng th¸i ®éc lËp, nh−ng cho phÐp tiÕp nhËn biÕn d¹ng cña khèi ®¸ ®Õn møc ®é nhÊt ®Þnh, ®Ó cã thÓ ph¸t huy khèi ®¸ trë thµnh mét bé phËn chÞu t¶i cña hÖ thèng kÕt cÊu chèng-khèi ®¸. Lo¹i h×nh nµy ®−îc sö dông lµm kÕt cÊu chèng t¹m khi c«ng tr×nh ngÇm ®i qua c¸c vïng khèi ®¸ bÞ ph¸ hñy (®íi ph¸ hñy, khu vùc khai th¸c) hoÆc ®−îc bè trÝ ë ®é s©u nhá (chiÒu dµy líp phñ nhá), bëi v× ë 16 ®é s©u nhá vïng chÞu t¶i hay nhËn t¶i trong khèi ®¸ ch¾c ch¾n kh«ng thÓ h×nh thµnh ®−îc, hoÆc sù liªn kÕt víi khèi ®¸ rÊt h¹n chÕ hay kh«ng cã ®−îc. KÕt cÊu mÒm lµ kÕt cÊu cã kh¶ n¨ng biÕn d¹ng nhiÒu. Nhê cã kh¶ n¨ng biÕn d¹ng lín cña kÕt cÊu nªn qu¸ tr×nh biÕn ®æi øng suÊt tõ tr¹ng th¸i nguyªn sinh sang tr¹ng th¸i thø sinh x¶y ra nh− mét qu¸ tr×nh tù ®iÒu khiÓn hay tù ®iÒu chØnh. Nãi chung lo¹i kÕt cÊu nµy chñ yÕu chØ tiÕp nhËn ®−îc lùc nÐn däc theo mÆt c¾t, kh¶ n¨ng chèng uèn nhá, do vËy còng huy ®éng ®−îc kh¶ n¨ng tù mang t¶i cña khèi ®¸ vµ lµm cho t¸c ®éng g©y uèn trong kÕt cÊu b¶o vÖ chØ h×nh thµnh ë møc ®é nhá. Trong tr−êng hîp giíi h¹n cã thÓ coi kÕt cÊu nµy lµ vá gia cè bÒ mÆt. HiÖn nay kÕt cÊu nµy th−êng lµ bª t«ng phun kh«ng hoÆc cã l−íi thÐp, cèt thÐp. Trong t−¬ng lai gÇn sÏ tÝnh tíi kh¶ n¨ng ¸p dông réng r·i bª t«ng phun víi sîi thÐp. Gi÷a khèi ®¸ vµ kÕt cÊu cã thÓ cã thÓ h×nh thµnh nh÷ng mèi liªn kÕt ë møc ®é nhÊt ®Þnh. §−¬ng nhiªn hÖ thèng tæng hîp kÕt cÊu chèng-khèi ®¸ chØ cã thÓ lµm viÖc tèt, nÕu nh− ®¶m b¶o cã ®−îc sù tiÕp nhËn hay chuyÓn tiÕp tèt c¸c thµnh phÇn lùc ph¸p tuyÕn vµ tiÕp tuyÕn gi÷a khèi ®¸ vµ biªn ®µo. C¸c kÕt cÊu d¹ng khung nh− khung gç, khung thÐp, khung bª t«ng cèt thÐp ®óc tr−íc th−êng kh«ng cho phÐp tiÕp nhËn ¸p lùc tiÕp tuyÕn, bëi lÏ chóng chØ tiÕp xóc víi khèi ®¸ ë d¹ng kh«ng chÆt chÏ, ë d¹ng ®iÓm hoÆc mÆt côc bé, nÕu kh«ng kÓ ®Õn c¸c biÖn ph¸p t¹o tiÕp xóc kh¸c. Bª t«ng phun lµ mét d¹ng kÕt cÊu chèng lý t−ëng t¹o ra liªn kÕt toµn phÇn víi khèi ®¸. Thêi gian l¾p dùng kÕt cÊu chèng t¹m cã ý nghÜa rÊt quan träng trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm, bëi v× nã cã ¶nh h−ëng trùc tiÕp ®Õn qu¸ tr×nh thi c«ng còng nh− phô thuéc vµo qu¸ tr×nh ®ã. Cô thÓ lµ thêi gian l¾p dùng phô thuéc vµo ®Æc ®iÓm c¬ häc cña khèi ®Êt/®¸ (thêi gian tån t¹i æn ®Þnh kh«ng chèng) vµ l¹i cã quan hÖ phô thuéc víi biÖn ph¸p thi c«ng. NÕu cã thÓ kh¼ng ®Þnh hay hy väng lµ trong qu¸ tr×nh biÕn ®æi øng suÊt khèi ®¸ vÉn ë tr¹ng th¸i ®µn håi, hoµn toµn cã thÓ l¾p dùng kÕt cÊu b¶o vÖ sím nh− cã thÓ (chØ ®Ó ng¨n ngõa ®¸ r¬i). Nh−ng nÕu ph¶i tÝnh ®Õn kh¶ n¨ng xuÊt hiÖn biÕn d¹ng dÎo, thêi gian l¾p dùng kÕt cÊu b¶o vÖ ph¶i ®−îc lùa chän tïy thuéc vµo ®−êng ®Æc tÝnh cña khèi ®¸ vµ ®−êng ®Æc tÝnh cña kÕt cÊu b¶o vÖ, sao cho biÕn d¹ng cña khèi ®¸ ®−îc ®iÒu khiÓn ®Ó chØ x¶y ra ë møc h¹n chÕ vµ t¶i träng t¸c dông lªn kÕt cÊu chèng chØ xuÊt hiÖn ë giíi h¹n nhÊt ®Þnh. Trong tr−êng hîp thi c«ng ®µo theo s¬ ®å chia g−¬ng, thêi gian l¾p dùng kh«ng chØ ®−îc lùa chän cho phÇn vßm, mµ cßn ph¶i chó ý ®Õn thêi ®iÓm cã thÓ t¹o kÕt cÊu kÝn tßan bé trªn chu vi kho¶ng trèng (thêi gian kÕt thóc t¹o vµnh b¶o vÖ), tøc lµ thêi ®iÓm t¹o vµnh b¶o vÖ còng nh− hÖ thèng b¶o vÖ kÕt cÊu chèng-khèi ®¸. Thêi gian kÕt thóc vµnh b¶o vÖ lµ kho¶ng thêi gian kÓ tõ lóc më g−¬ng ®µo cho ®Õn lóc kÕt thóc l¾p dùng kÕt cÊu chèng trªn mÆt c¾t 17 ngang. Nãi chung cã thÓ ph¸t biÓu r»ng, biÓu hiÖn cña khèi ®¸ ®−îc ®iÒu chØnh cµng thuËn lîi, nÕu thêi gian kÕt thóc vµnh b¶o vÖ cµng ng¾n. Thêi gian kÕt thóc vµnh b¶o vÖ cã thÓ rót ng¾n nhê lùa chän hîp lý biÖn ph¸p thi c«ng vµ ®Æc biÖt lµ vËt liÖu chèng t¹m thÝch hîp. Trong t−¬ng lai, ch¾c ch¾n bª t«ng phun sîi thÐp sÏ t¹o ®−îc kh¶ n¨ng rót ng¾n tèi ®a thêi gian kÕt thóc vµnh b¶o vÖ, v× nhê gi¶m ®−îc c¸c c«ng viÖc vµ c¸c c«ng ®o¹n thi c«ng; hiÖn t¹i cã thÓ gi¶m ®−îc 1/3 thêi gian l¾p dùng kÕt cÊu b¶o vÖ nÕu sö dông bª t«ng phun sîi thÐp so víi c¸c kÕt cÊu chèng kh¸c cho tr−êng hîp t−¬ng ®−¬ng. Kh«ng kÓ ®Õn ph−¬ng ph¸p thi c«ng c¸c c«ng tr×nh ngÇm b»ng m¸y khoan hÇm, cã thÓ nhËn thÊy r»ng, xu h−íng cña x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm hiÖn ®¹i lµ sö dông kÕt cÊu b¶o vÖ trªn c¬ së bª t«ng phun. KÕt cÊu b¶o vÖ trªn c¬ së bª t«ng phun th−êng bao gåm c¸c bé phËn lµ: • bª t«ng phun, cã thÓ cã l−íi thÐp, sîi thÐp, • neo, • khung thÐp h×nh hay khung thÐp tæ hîp . Bª t«ng phun cho phÐp t¹o ra kÕt cÊu liªn kÕt toµn phÇn víi khèi ®¸, kh«ng cã kho¶ng rçng, khe hë. Víi kh¶ n¨ng ®−îc coi lµ gia cè t¹m thêi cho khèi ®¸, sÏ t¹o nªn kÕt cÊu liªn hîp kÕt cÊu chèng-khèi ®¸, víi khèi ®¸ lµ bé phËn chÞu t¶i chÝnh. Bª t«ng phun cã thÓ ®−îc phun kh«ng hoÆc cã cèt b»ng l−íi thÐp hay sîi thÐp. Th«ng th−êng kh«ng thÓ lo¹i bá cèt khi sö dông bª t«ng phun. Khung thÐp tõ thÐp h×nh còng nh− khung thÐp tæ hîp (lµ khung thÐp ®−îc hµn tõ c¸c thanh thÐp trßn theo kiÓu d¸ng nhÊt ®Þnh) lµ lo¹i kÕt cÊu ®¶m b¶o ch¾c ch¾n chøc n¨ng b¶o vÖ, ®Æc biÖt lµ khi kÕt hîp víi bª t«ng phun sÏ cho phÐp cã kh¶ n¨ng mang t¶i ngay tøc thêi. Ngoµi ra nã tháa m·n yªu cÇu cña cèt kÝn, t¹o nªn vµnh kÝn cho vá bª t«ng phun, ®ång thêi lµ bé phËn phô trî t¹o d¸ng, ®Þnh h×nh vµ cho phÐp thùc hiÖn c«ng t¸c ®o ®¹c, ®iÒu chØnh ®−îc thuËn lîi. T¸c dông cña hÖ kÕt cÊu chèng-khèi ®¸ ®−îc t¨ng c−êng phÇn nµo chÝnh nhê cã c¸c lo¹i neo. Víi chøc n¨ng gia cè khèi ®¸, neo g©y ra c¸c t¸c ®éng lµm gi¶m ¶nh h−ëng cña tÝnh bÊt ®ång nhÊt trong khèi ®¸ nh− do sù cã mÆt cña c¸c líp ®¸, c¸c hÖ khe nøt kh¸c nhau, hoÆc c¸c khe nøt h×nh thµnh do qu¸ tr×nh t¬i rêi do næ m×n hoÆc do biÕn d¹ng. Khi kÕt cÊu neo ®−îc l¾p dùng thµnh hÖ thèng neo, sÏ huy ®éng ®−îc vïng khèi ®¸ réng h¬n tham gia vµo vµnh hay vßm chÞu t¶i. Víi c¸c gi¶i ph¸p kü thuËt kh¸c nhau, vÝ dô t¹o khe biÕn d¹ng däc theo trôc c«ng tr×nh ngÇm, cã thÓ kh¾c phôc ®−îc kh¶ n¨ng g©y ph¸ hñy do xuÊt hiÖn biÕn d¹ng lín, ngay chØ b»ng bª t«ng phun. Sù xuÊt hiÖn cña bª t«ng phun sîi thÐp ®¸nh dÊu mét b−íc tiÕn bé míi cña c«ng nghÖ bª t«ng phun. Nhê ®ã kh«ng chØ rót ng¾n ®−îc c«ng t¸c thi 18 c«ng, gi¶m bít c«ng ®o¹n, mµ cã thÓ t¹o nªn vá bª t«ng phun cã kh¶ n¨ng nhËn t¶i cao, ®ång ®Òu. §ång thêi khi kÕt hîp víi khung thÐp sÏ cho phÐp cã thÓ phun ®−îc mét líp bª t«ng phun ®ñ dµy theo yªu cÇu. Tõ d÷ liÖu thi c«ng ®−êng hÇm Crapteig ë Thôy sü cho thÊy, khi sö dông bª t«ng phun sîi thÐp cã thÓ gi¶m chiÒu dµy vá chèng ®−îc 3cm, cô thÓ lµ cßn 10cm, kinh phÝ chØ cßn b»ng 75% so víi bª t«ng phun cã cèt thÐp. Ngoµi ra, b×nh th−êng mét chu kú ®µo trong ®¸ phiÕn mÊt 12 giê, khi sö dông bª t«ng phun sîi thÐp chØ cßn cÇn 9 giê. Nhê ®ã tiÕn ®é thi c«ng ®· t¨ng tõ 4,5m lªn 6m mét ngµy. KÕt cÊu chèng cè ®Þnh. KÕt cÊu chèng cè ®Þnh cã nhiÖm vô ®¶m b¶o ®é bÒn vµ ®é æn ®Þnh l©u dµi còng nh− ®¸p øng c¸c chøc n¨ng kü thuËt cña c«ng tr×nh ngÇm trong suèt thêi gian sö dông c«ng tr×nh ngÇm. Th«ng th−êng, trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm d©n dông, kÕt cÊu chèng cè ®Þnh ®−îc l¾p dùng sau khi qu¸ tr×nh biÕn ®æi c¬ häc, cô thÓ lµ ph©n bè l¹i øng suÊt vµ biÕn d¹ng, ®· kÕt thóc vµ chóng ®−îc thiÕt kÕ ë d¹ng kÕt cÊu cøng hoÆc rÊt cøng. Trong lÜnh vùc khai th¸c hÇm lß, kÕt cÊu cøng ®−îc sö dông chñ yÕu cho c¸c c«ng tr×nh cã tuæi thä l©u dµi, n»m ngoµi khu vùc khai th¸c má, nh− c¸c hÇm tr¹m, c¸c lß c¸i vËn chuyÓn chÝnh, kÕt cÊu giÕng má. Trong c¸c tr−êng hîp kh¸c, ch¼ng h¹n cho c¸c ®−êng lß c¬ b¶n, lß chuÈn bÞ t¹i c¸c má hÇm lß, kÕt cÊu chèng cè ®Þnh nhiÒu khi chØ kh¸c kÕt cÊu chèng t¹m ë mËt ®é, hoÆc ë giai ®o¹n lµm viÖc cña kÕt cÊu; trong nhiÒu tr−êng hîp Ýt cã sù ph©n biÖt ®¸ng kÓ gi÷a kÕt cÊu chèng t¹m vµ chèng cè ®Þnh. KÕt cÊu chèng cè ®Þnh th−êng lµ bª t«ng cèt thÐp hoÆc bª t«ng ®æ t¹i chç. Tuy nhiªn, trong ngµnh má vµ khi thi c«ng c¸c c«ng tr×nh ngÇm d©n dông b»ng m¸y khoan hÇm còng sö dông c¸c tÊm bª t«ng cèt thÐp ®óc s½n, cßn gäi lµ c¸c tÊm tuýp-bing khi c«ng tr×nh cã d¹ng trßn. KÕt cÊu chèng hai líp vµ kÕt cÊu chèng mét líp Trong c«ng t¸c x©y dùng c¸c c«ng tr×nh ngÇm d©n dông, nh− c¸c ®−êng hÇm, th−êng nãi ®Õn d¹ng kÕt cÊu chèng hai líp vá hoÆc kÕt cÊu mét líp vá. Tr−íc ®©y, còng nh− hiÖn t¹i, th«ng th−êng vá chèng c¸c c«ng tr×nh ngÇm ®−îc chia ra thµnh líp vá ngoµi (vá chèng t¹m) vµ líp vá trong (vá chèng cè ®Þnh). Vá chèng v× vËy ®−îc gäi lµ vá hai líp hay kÕt cÊu chèng hai líp. Do yªu cÇu vÒ tÝnh kinh tÕ, nªn xu thÕ chung cho thÊy cÇn thiÕt ph¶i tÝch hîp líp vá thø nhÊt víi líp vá thø hai, ®Ó sao cho trong tr−êng hîp lý t−ëng sÏ trë thµnh mét vá chèng thèng nhÊt, tøc lµ t¹o ra kÕt cÊu chèng mét líp. Tuy nhiªn, ®Ó ®¹t ®−îc môc tiªu nµy, sù h×nh thµnh c¸c lo¹i vá ®ã ®ßi hái c¸c kü thuËt vµ c«ng nghÖ kh¸c nhau, ®−îc giíi thiÖu kh¸i qu¸t sau ®©y. 19 KÐt cÊu chèng hai líp lµ kÕt cÊu th«ng th−êng hay truyÒn thèng. Tr−íc tiªn chóng ®−îc ph©n biÖt râ rµng qua chøc n¨ng lµ vá chèng t¹m vµ vá chèng cè ®Þnh. Líp vá ngoµi, hay líp thø nhÊt ®−îc l¾p dùng trong qu¸ tr×nh ®µo kho¶ng trèng ngÇm vµ kÕt hîp víi kh¶ n¨ng tù mang t¶i cña khèi ®¸ t¹o nªn kÕt cÊu b¶o vÖ, kÓ tõ thêi ®iÓm sau khi ®µo, t¹o ra kho¶ng trèng ngÇm ®Õn khi l¾p dùng vá chèng cè ®Þnh. Hai líp vá th−êng ®−îc ng¨n c¸ch bëi mét líp chèng thÊm hay c¸ch n−íc, ch¼ng h¹n b»ng mét líp chÊt dÎo cïng víi c¸c hÖ thèng b¶o vÖ kh¸c (nh− v¶i ®Þa kü thuËt); hoÆc b»ng mét líp vá ng¨n c¸ch, nh− v¶i nhùa polyetylen, nÕu líp vá trong lµ bª t«ng c¸ch n−íc (kh«ng thÊm), ®ång thêi còng ®Ó ph©n c¸ch kh«ng cho hai líp vá liªn kÕt víi nhau. KÕt cÊu vá hai líp còng cã thÓ kh«ng cã líp c¸ch n−íc hay líp ng¨n c¸ch, ch¼ng h¹n líp vá bª t«ng phÝa trong lµ bª t«ng chèng thÊm ®−îc ®æ trùc tiÕp kÕ theo líp vá bª t«ng phun bªn ngoµi, trong tr−êng hîp thi c«ng hÇm ë ®iÒu kiÖn cã n−íc ngÇm. Nãi chung, víi quan ®iÓm vá hai líp th× líp vá ngoµi th−êng ®−îc xem lµ líp vá sÏ bÞ hñy ho¹i theo thêi gian, cã tuæi thä ng¾n. Do vËy, líp vá trong ph¶i ®¸p øng c¸c yªu cÇu vÒ ®é bÒn, ®é æn ®Þnh l©u dµi vµ c¸c tÝnh n¨ng sö dông. §iÒu nµy xuÊt ph¸t tõ gi¶ ®Þnh lµ líp vá ngoµi bÞ ph¸ hñy vµ coi nh− kh«ng tån t¹i. Ng−îc l¹i, còng cã quan ®iÓm cho r»ng, líp vá ngoµi ®ãng vai trß chÝnh lµm kÕt cÊu chÞu t¶i, lëp vá trong chØ mang ý nghÜa cÊu t¹o vµ c¸c yªu cÇu thÈm mü, hoÆc chèng l¹i c¸c t¸c nh©n ph¸ ho¹i h×nh thµnh trong qu¸ tr×nh vËn hµnh. KÕt cÊu chèng cña ®−êng hÇm H¶i V©n lµ vÝ dô ®iÓn h×nh cho lo¹i kÕt cÊu nµy. Tuy nhiªn trong thùc tÕ cã nhiÒu vÝ dô chøng tá r»ng, líp vá ngoµi, t¹i tr¹ng th¸i cuèi cïng vÇn cã kh¶ n¨ng mang t¶i vµ cã thÓ tÝnh to¸n, kiÓm ®Þnh ®−îc vµ ý t−ëng vÒ kÕt cÊu mét vá ®−îc h×nh thµnh cã ba yÕu tè: • Líp vá ngoµi thùc tÕ kh«ng bÞ ph¸ hñy ®Õn møc nh− vÉn tån t¹i trong c¸c gi¶ ®Þnh lý thuyÕt; • Ngµy nay hoµn toµn cã thÓ sö dông bª t«ng phun ë d¹ng bª t«ng kÕt cÊu. Nh− vËy, nÕu ®· xem líp vá ngoµi lµ mét bé phËn cña vá chèng cè ®Þnh, viÖc t¹o ra líp vá trong chØ nªn xem lµ t¹o mét líp bæ sung cña líp vá ®· tån t¹i, ®Ó ®¶m b¶o ®¸p øng ®−îc c¸c yªu cÇu vÒ ®é bÒn vµ ®é æn ®Þnh l©u dµi. Nh− vËy cã thÓ gi¶m ®−îc khèi l−îng hay thÓ tÝch ®¸ ®µo ra còng nh− khèi l−îng hay thÓ tÝch cña kÕt cÊu; • B»ng c¸ch sö dông bª t«ng sîi thÐp còng nh− bª t«ng phun sîi thÐp cho phÐp rót ng¾n ®−îc thêi gian thi c«ng. §−¬ng nhiªn kÕt cÊu mét líp cÇn thiÕt ph¶i ®¶m b¶o ®−îc c¸c yªu cÇu kh¸c nhau trong tõng giai ®äan kh¸c nhau còng nh− lµ kÕt cÊu tæng thÓ ®èi víi c¸c yªu cÇu cuèi cïng, l©u dµi. Thùc hiÖn ®−îc ý t−ëng nµy sÏ mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ nhÊt ®Þnh. §iÒu kiÖn ®Ó cã thÓ tÝch hîp líp vá ngoµi thµnh mét bé 20 phËn cña líp vá chèng cè ®Þnh lµ ph¶i t¹o ra mèi liªn kÕt toµn phÇn cña ‘khe c«ng t¸c’ gi÷a hai líp. Trong thùc tÕ còng cßn nãi ®Õn kÕt cÊu vá nhiÒu líp, ph©n biÖt bëi ®Æc ®iÓm cÊu t¹o, vËt liÖu trong tõng líp vµ c¸c líp nµy cã thÓ ®−îc thiÕt kÕ riªng rÏ, song vÒ kh¶ n¨ng chÞu t¶i tæng thÓ vÉn cã thÓ xem lµ kÕt cÊu mét vá hay kÕt cÊu mét líp. 1.4. Vµi nÐt vÒ lÞch sö ph¸t triÓn Cho ®Õn kho¶ng thËp kû 50 cña thÕ kû 20 ®Ó chèng ®ì (b¶o vÖ) c¸c c«ng tr×nh ngÇm vÉn chñ yÕu sö dông kÕt cÊu khung b»ng gç. Sau ®ã c¸c kÕt cÊu khung thÐp, bª t«ng phun vµ neo míi dÇn dÇn ®−îc sö dông. Tuy nhiªn, ngay tõ l©u, tr−íc ®ã, ®· cã c¸c ý t−ëng thóc ®Èy viÖc t×m c¸c ph−¬ng ¸n thay dÇn gç trong x©y dùng má vµ c«ng tr×nh ngÇm, v× c¸c yÕu ®iÓm cña lo¹i kÕt cÊu nµy lµ tèn nhiÒu thêi gian vµ c«ng søc khi ®µo v−ît tiÕt diÖn nhiÒu, tÝnh linh häat kÐm vµ dÔ bÞ ch¸y. KÕt cÊu thÐp ®−îc sö dông ®Çu tiªn ë d¹ng c¸c thÐp ®−êng ray ®· qua sö dông vµ lóc ®Çu th−êng ë d¹ng phèi hîp víi kÕt cÊu gç. Sù ra ®êi cña ngµnh c¸n thÐp vµo ®Çu thÕ kû 19 ®· gãp phÇn thay thÕ kÕt cÊu khung gç b»ng kÕt cÊu khung thÐp ngµy cµng nhiÒu h¬n. Cho ®Õn kho¶ng cuèi thÓ kû 19, ®Çu thÕ kû 20 t¹i c¸c n−íc ph¸t triÓn trªn thÕ giíi, hÇu nh− gç ®· bÞ thay thÕ hßan toµn trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm khi ®µo qua c¸c khèi ®¸ cã ¸p lùc m¹nh (Fayol 1885; Mathet 1888; Koehler 1900). Mét vÝ dô, ®−îc coi lµ ®iÓn h×nh, lµ sö dông kÕt cÊu thÐp khung ch÷ nhËt 2,5x2,8m ®Ó chèng gi÷ ®o¹n hÇm ¸p lùc lín t¹i ®−êng hÇm Simplon (Pressel 1906). LÞch sö ¸p dông bª t«ng phun trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm g¾n liÒn víi sù ph¸t triÓn cña c¸c lo¹i m¸y phun cã tÝnh n¨ng kü thuËt ngµy cµng tèt h¬n vµ ®é an toµn, tÝnh æn ®Þnh ngµy cµng cao h¬n. Ngay sau khi ®¨ng ký b¶n quyÒn m¸y phun kh« ®Çu tiªn (“cement gun“) cña Akeley 1911, mét ®−êng hÇm ë Mü ®· ®−îc söa ch÷a b»ng bª t«ng phun (Teichert 1979). Còng t¹i Mü, trong lÜnh vùc khai th¸c hÇm lß ®· b¾t ®Çu sö dông bª t«ng phun ®Ó chèng gi÷ c¸c ®−êng lß t¹i c¸c má Bruceton, Pennsylvania tõ 1914 (Rice 1918). Tr−íc 1920 vá bª t«ng phun kÕt hîp víi l−íi thÐp ®· ®−îc sö dông ®Ó b¶o vÖ ®−êng hÇm ®−êng s¾t ë Illinois. Vµo ®Çu thÕ kû 20, c¸c m¸y bª t«ng phun kh« (bª t«ng phun trén kh«) ®· x©m nhËp vµo ch©u ¢u, ®Æc biÖt lµ t¹i vïng nói Alp. C¸c ®−êng hÇm ¸p lùc cña nhµ m¸y ®iÖn Buendner vµ cña nhµ m¸y ®iÖn Amsteg ®· sö dông bª t«ng phun (gunit) lµm kÕt cÊu b¶o vÖ. T¹i ®−êng hÇm ®−êng s¾t Coldrerio vµ Massagno ë Tessin ®· sö dông bª t«ng phun ®Ó söa ch÷a. H×nh 1-5 cho thÊy h×nh ¶nh sö dông bª t«ng phun ®Ó c¶i t¹o ®−êng hÇm 21 ®−êng s¾t thµnh ®−êng hÇm « t« Ulmberg t¹i Zuerich vµo n¨m 1927 (Kovari 2001). N¨m 1922, ®−êng hÇm ¸p lùc dµi 6 km cña nhµ m¸y ®iÖn Heimbach t¹i §øc ®· ®−îc phun phñ b»ng bª t«ng phun. Tuy nhiªn bª t«ng phun ®−îc sö dông nhiÒu, b¾t ®Çu cïng víi sù ra ®êi cña c¸c m¸y phun c«ng suÊt cao. M¸y phun cã kÕt cÊu trôc xo¾n do Senn ph¸t triÓn míi ®−îc coi lµ m¸y phun bª t«ng ’thùc sù’ ®Çu tiªn, bëi lÏ lÇn ®Çu tiªn cho phÐp sö dông cèt liÖu ®Õn 25 mm, víi c«ng suÊt ®¹t ®−îc lµ 3m3/giê. Tõ ®ã h×nh thµnh kh¶ n¨ng sö dông bª t«ng phun nh− lµ mét bé phËn chñ ®¹o trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm. Mét sè vÝ dô ¸p dông nh− c¸c ®−êng hÇm dÉn n−íc Maggia cña nhµ m¸y ®iÖn t¹i Tessin 1952, hai ®−êng hÇm cña tuyÕn ®−êng « t« Axen (Frey-Baer 1955; Sonderegger 1955; Sonderegger 1956) t¹i ¸o. Tõ 1957 t¹i ý vµ tõ 1964 t¹i §øc ®· sö dông bª t«ng phun trong thi c«ng c«ng tr×nh ngÇm tiÕt diÖn lín trong lÜnh vùc giao th«ng. LÞch sö ¸p dông neo cã lÏ ®−îc b¾t ®Çu víi c¸c gi¶i tr×nh b¶n quyÒn cña Stephan, Froehlich vµ Kloepfel vµo nh÷ng n¨m 1913 (H×nh 1-6). Sù bïng næ cña chiÕn tranh thÕ giíi thø nhÊt ®· g©y tr× ho·n c«ng bè b¶n quyÒn nµy vµo n¨m 1918. B¶n gi¶i tr×nh b¶n quyÒn nµy bao gåm c¸c ý t−ëng cña kÕt cÊu chèng b»ng neo vµ nªu hai vÝ dô ¸p dông lµ tu söa kÕt cÊu bÞ ph¸ hñy t¹i s−ên mét ®−êng hÇm vµ chèt gi÷ khèi ph¸ hñy t¹i nãc mét ®−êng hÇm. Tuy nhiªn ph¸t kiÕn nµy ch−a ®−îc c¸c nhµ chuyªn m«n quan t©m ngay. M·i 25 n¨m sau H×nh 1- 5. Sö dông bª t«ng phun t¹i Thôy sü ( ®−êng hÇm Ulmberg 1927) 22 ng−êi ta míi thÊy mét b¸o c¸o vÒ thö nghiÖm neo vµo nh÷ng n¨m 1936 vµ 1937 t¹i má khai th¸c kÒn ë phÝa nam Misouri ë Mü (Weigel 1943). Vµo thËp kû 40, ng−êi Hµ Lan Beyl cã b¸o c¸o vÒ kÕt qu¶ thö nghiÖm neo thµnh c«ng t¹i Anh (Beyl 1945/1946). B»ng c¸ch ®o dÞch chuyÓn, héi tô cña ®−êng hÇm «ng ta ®· kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña neo ®Õn c¸c biÓu hiÖn cña khèi ®¸ vµ kh¼ng ®Þnh r»ng, cÇn thiÕt c¾m neo ngay sau khi ®µo. Sau n¨m 1945 neo ®−îc sö dông ngµy cµng nhiÒu, b¾t ®Çu lµ trong khai th¸c má ë Mü (Conway 1948; Thomas 1948) vµ sau 1952 ë ch©u ¢u, t¹i c¸c má ë Anh, Ph¸p, §øc. So víi khung thÐp vµ bª t«ng phun, neo ®−îc h¹n chÕ sö dông trong ngµnh má tõ l©u; song sau mét kho¶ng thêi gian ng¾n kÕt cÊu neo ®· thay thÕ kÕt cÊu gç trªn thÕ giíi. KÕt cÊu neo ®−îc sö dông trong c«ng tr×nh ngÇm ®Çu tiªn lµ t¹i ®−êng hÇm dÉn n−íc t¹i ®Ëp n−íc Keyhole, Wyo ë Mü vµo n¨m 1950 (Anonymous 1951). §ét ph¸ sö dông neo thùc sù x¶y ra trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm lµ t¹i ®−êng hÇm dÉn n−íc 42km cña dù ¸n Delaware Water Supply Aqueduct ë New York (Nolan 1952; Pierce 1953). T¹i ®©y, do kh¶ n¨ng cung cÊp c¸c khung thÐp gÆp khã kh¨n, nªn neo kÕt hîp víi bª t«ng phun ®· ®−îc sö dông thay thÕ khung thÐp h×nh vßm. Trªn 19,5 km ®−êng hÇm ®· ®−îc b¶o vÖ thµnh c«ng b»ng neo vµ còng v× thÕ ®· gi¶m ®−îc kho¶ng 85% l−îng thÐp, nÕu sö dông khung thÐp. Nh− vËy, víi nh÷ng c¶i tiÕn cña c«ng nghÖ bª t«ng phun trong thËp kû 50 thÕ kû 20, vai trß cña khung chèng gç ®· bÞ lo¹i trõ trªn thÕ giíi, kÓ c¶ H×nh 1-6 . H×nh ¶nh sö dông neo ®Çu tiªn trong lÜnh vùc khai th¸c má n¨m 1913) than c¸t kÕt sÐt kÕt than tÊm thÐp neo lç khoan t−êng ®¸ lç khoanvßng h×nh c«n 23 trong lÜnh x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm. Thªm vµo ®ã lµ viÖc ¸p dông thµnh c«ng c¸c kÕt cÊu phèi hîp bª t«ng phun, neo vµ khung thÐp. Tuy nhiªn, t¹i nhiÒu má hÇm lß cña ViÖt Nam, gç vÇn cßn lµ mét lo¹i vËt liÖu quan träng. Nãi chung , trong lÜnh vùc x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm vµ má, viÖc c¶i tiÕn vµ ph¸t triÓn c¸c kÕt cÊu b¶o vÖ vÉn lu«n lµ vÊn ®Ò ®−îc quan t©m thÝch ®¸ng. KÕt cÊu hîp lý kh«ng chØ ®¶m b¶o ®−îc c¸c yªu cÇu vÒ kü thuËt mµ th−êng ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ ®¸ng kÓ. 1.5. Nguyªn t¾c vµ ph−¬ng ph¸p lùa chän, thiÕt kÕ kÕt cÊu chèng Nãi chung, trªn c¬ së c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu trong C¬ häc ®¸, kÕt hîp víi sù ph¸t triÓn cña c¸c lo¹i vËt liÖu vµ kÕt cÊu chèng míi, sù ph¸t triÓn cña c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n, thiÕt kÕ, kÕt hîp víi kinh nghiÖm thùc tÕ cho thÊy r»ng ®Ó cã thÓ cã ®−îc mét gi¶i ph¸p hîp lý vÒ kinh tÕ vµ kü thuËt ®èi víi kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm cÇn thiÕt ph¶i tiÕn hµnh c¸c c«ng t¸c c¬ b¶n sau: • Nghiªn cøu, ®¸nh gi¸ møc ®é æn ®Þnh cña khèi ®¸ xung quanh c¸c ®−êng lß, c¸c c«ng tr×nh ngÇm sau khi ®µo, tõ ®ã cho phÐp dù b¸o ¸p lùc ®Êt/®¸ hay ¸p lùc má, trªn c¬ së ph©n lo¹i khèi ®¸, kinh nghiÖm thùc tÕ, ph©n tÝch lý thuyÕt, ®o ®¹c; Nãi chung c¸c kÕt cÊu chèng cè ®Þnh cña c«ng tr×nh ngÇm th−êng ph¶i chÞu t¸c ®éng cña nhiÒu yÕu tè kh¸c nhau. C¸c yÕu tè c¬ b¶n ®−îc thÓ hiÖn trong b¶ng 1-4. B¶ng 1-4. C¸c lo¹i t¶i träng t¸c dông lªn kÕt cÊu chèng Tõ phÝa khèi ®¸: • C¸c lo¹i ¸p lùc vµ t¶i träng. • HËu qu¶ do sôt lón, sËp lë ®Êt ®¸. • §éng ®Êt. • ¸p lùc n−íc. • C¸c t¸c ®éng x©m thùc cña n−íc hoÆc c¸c thµnh phÇn cã tÝnh x©m thùc trong ®Êt ®¸. Tõ qu¸ tr×nh thi c«ng: • Tù träng cña kÕt cÊu trong khi thi c«ng; c¸c t¶i träng tõng phÇn trong tr¹ng th¸i thi c«ng. • Táa nhiÖt trong qu¸ tr×nh thñy ph©n, co ngãt (bª t«ng) • ¸p lùc khi b¬m Ðp chÌn c¸c khe, chÌn phÝa nãc. • C¸c tr¹ng th¸i vËn chuyÓn ®èi víi c¸c kÕt cÊu ®óc s½n ( c¸c tÊm l¾p ghÐp, tuýpbing, c¸c èng ®óc s½n). • C¸c lùc nÐn Ðp khi thi c«ng, c¸c t¶i träng do kÐo c¸c cÊu kiÖn, dông cô kh¸c. Tõ ®iÒu kiÖn sö dông, khai th¸c: • T¸c dông cña nhiÖt ®é tõ kh«ng khÝ, n−íc th¶i, còng nh− c¸c yÕu tè t−¬ng tù. • C¸c t¸c ®éng hãa häc bëi khÝ th¶i, n−íc.... • C¸c t¸c ®éng do giao th«ng, vËn chuyÓn. • T¸c ®éng cña c¸c h¹t ®¸, cuéi...cã trong n−íc (®èi víi c¸c ®−êng hÇm dÉn n−íc). • T¸c ®éng do ch¸y trong c¸c c«ng tr×nh giao th«ng ngÇm. 24 H×nh 1-7. S¬ ®å lùa chän, thiÕt kÕ vËt liÖu vµ kÕt cÊu chèng (KCC) hîp lÝ TÝnh to¸n, thiÕt kÕ kÕt cÊu chèng nhÊt thiÕt ph¶i chó ý ®Õn c¸c yÕu tè t¸c ®éng nµy, tïy theo tõng chøc n¨ng, nhiÖm vô cô thÓ cña c«ng tr×nh ngÇm vµ ®iÒu kiÖn cô thÓ cña khèi ®Êt/®¸. C«ng t¸c thiÕt kÕ vµ thi c«ng kÕt cÊu chèng cè ®Þnh dùa trªn c¬ së t¸c ®éng t−¬ng hç gi÷a kÕt cÊu chèng vµ khèi ®¸, ®iÒu kiÖn ®Þa chÊt, ®Þa chÊt thñy v¨n còng nh− chiÒu dµi c«ng tr×nh ngÇm. C¸c b−íc c«ng t¸c ®−îc cô thÓ hãa nh− trªn trªn s¬ ®å h×nh 1-7. • Ph¶n øng, tÝnh chÊt cña kÕt cÊu chèng • Gi¶i ph¸p t¨ng c−êng cho kÕt cÊu chèng Ph©n tÝch møc ®é æn ®Þnh, dù ®o¸n ¸p l−c, t¶i träng t¸c dông lªn kÕt cÊu chèng Lùa chän lo¹i kÕt cÊu chèng: kÕt cÊu chèng t¹m, cè ®Þnh (neo, bª t«ng phun, khung thÐp, bª t«ng v..v..) Lý thuyÕt, kinh nghiÖm. C¸c kiÕn thøc thùc tÕ. §o ®¹c vµ quan s¸t t¹i hiÖn tr−êng. • C¸c ®iÒu kiÖn ®Þa tÇng. • Chøc n¨ng c«ng tr×nh. • KÝch th−íc c«ng tr×nh • Thêi gian tån t¹i • Gi¸ thµnh hÖ thèng kÕt cÊu chèng • Ph−¬ng ph¸p thi c«ng M« h×nh KCC, m« h×nh t−¬ng t¸c khèi ®¸ - KCC M« h×nh tÝnh Ph©n tÝch kÕt cÊu chèng C¸c thµnh phÇn néi lùc (M; N; Q). DÞch chuyÓn. ¦ng suÊt X¸c ®Þnh kÝch th−íc cña kÕt cÊu chèng C¸c tiªu chuÈn bÒn vµ æn ®Þnh • Lý thuyÕt ®µn håi. • Lý thuyÕt dÎo • L−u biÕn • Quan s¸t, ®o ®¹c thùc tÕ t¹i hiÖn tr−êng. • Ph©n tÝch hiÖu qu¶ kinh tÕ tæng thÓ. TÝnh æn ®Þnh. Gi¸ thµnh cña kÕt cÊu chèng. §¸nh gi¸ l¹i thiÕt kÕ 25 • Lùa chän c¸c lo¹i kÕt cÊu vµ vËt liÖu chèng kh¶ dÜ theo yªu cÇu vÒ chøc n¨ng cña c«ng tr×nh ngÇm, kinh nghiÖm thùc tÕ; • M« h×nh ho¸ c¸c kÕt cÊu chèng kh¶ dÜ ®Ó x©y dùng vµ lùa chän s¬ ®å tÝnh; ph©n tÝch t−¬ng t¸c gi÷a kÕt cÊu chèng vµ khèi ®¸, chän c¸c gi¶i ph¸p kü thuËt cã thÓ ¸p dông vµ ¶nh h−ëng ®Õn mèi t−¬ng t¸c ®ã, • TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ kÝch th−íc cña c¸c kÕt cÊu ®· ®−îc chän theo c¸c yªu cÇu vÒ kh¶ n¨ng chÞu t¶i vµ æn ®Þnh, cô thÓ: x¸c ®Þnh néi lùc, øng suÊt, biÕn d¹ng; kiÓm ®Þnh theo c¸c tiªu chuÈn bÒn, tiªu chuÈn æn ®Þnh • Dù tÝnh kinh tÕ ®Ó lùa chän kÕt cÊu hîp lÝ, • §o ®¹c, quan tr¾c, ph©n tÝch kinh tÕ thùc tÕ, khi cÇn thiÕt ph¶i ®iÒu chØnh l¹i thiÕt kÕ cho phï hîp víi ®iÒu kiÖn thùc tÕ. §−¬ng nhiªn, trong thùc tÕ, kh«ng ph¶i bao giê còng cã thÓ gi¶i quyÕt ®−îc bµi to¸n ®Æt ra mét c¸ch mü m·n, bëi lÏ vÊn ®Ò nµy chÞu ¶nh h−ëng cña nhiÒu yÕu tè rÊt phøc t¹p kh¸c nhau. Ch¼ng h¹n, nh− ®· biÕt trong c¬ häc ®¸, riªng møc ®é æn ®Þnh cña khèi ®¸ còng ®· phô thuéc vµo hµng lo¹t c¸c yÕu tè kh¸c nhau, vÝ dô c¸c yÕu tè c¬ b¶n cã thÓ xÕp vµo 4 nhãm sau: 1) B¶n chÊt cña khèi ®¸/®Êt, ®−îc ®¸nh gi¸ qua c¸c ®Æc ®iÓm ®Þa chÊt (thµnh phÇn vËt chÊt, cÊu t¹o, kiÕn tróc), c¸c ®iÒu kiÖn ®Þa chÊt thuû v¨n, c¸c tÝnh chÊt c¬ lý cña ®¸ vµ khèi ®¸, cña hÖ thèng c¸c mÆt ph©n c¸ch, gi¸n ®o¹n (c¸c khe nøt, c¸c mÆt ph©n líp, c¸c nÕp uèn, c¸c ®øt g·y vµ phay ph¸) trong khèi ®¸. 2)Tr¹ng th¸i øng suÊt nguyªn sinh trong khèi ®¸/®Êt d−íi t¸c ®éng cña lùc träng tr−êng vµ lùc kiÕn t¹o. 3)C¸c t¸c ®éng kü thuËt, ®Æc tr−ng bëi c«ng nghÖ ®µo, h×nh d¹ng, kÝch th−íc vµ chøc n¨ng sö dông cña c«ng tr×nh ngÇm. 4)M«i tr−êng xung quanh ®Æc tr−ng bëi ®é Èm, nhiÖt ®é trong kh«ng gian sau khi ®µo liªn quan ®Õn t¸c ®éng phong ho¸ lµm biÕn ®æi cÊu tróc còng nh− tÝnh chÊt c¬ lý cña khèi ®¸. Sù phøc t¹p cña vÊn ®Ò cÇn nghiªn cøu kh«ng chØ do sè l−îng lín c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng mµ cßn do tÝnh ®a d¹ng vµ ngÉu nhiªn cña c¸c yÕu tè ®· nªu. Ngoµi ra vÊn ®Ò ®Æt còng cßn phô thuéc vµo c¸c yÕu tè 'chñ quan' cña ®¬n vÞ ®Çu t−, ®¬n vÞ s¶n xuÊt, thi c«ng cô thÓ lµ: • ®iÒu kiÖn cung cÊp vËt t−, thiÕt bÞ • ®iÒu kiÖn c«ng nghÖ 26 C¬ häc c«ng tr×nh ngÇm bao hµm ngoµi viÖc tÝnh to¸n thiÕt kÕ kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm cßn cã nh÷ng nghiªn cøu c¬ häc kh¸c liªn quan víi c«ng t¸c x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm (m« pháng qu¸ tr×nh thi c«ng…). ViÖc tÝnh to¸n, thÕt kÕ kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm ®−îc thùc hiÖn bëi c¸c ph−¬ng thøc kh¸c nhau, cã thÓ ph©n ra ba nhãm lµ: • TÝnh to¸n theo trùc gi¸c, cô thÓ lµ c¸c chuyªn gia c«ng tr×nh ngÇm xem xÐt ®¸, khèi ®¸ (ch¼ng h¹n tõ c¸c lâi khoan th¨m dß) vµ x¸c ®Þnh theo c¶m nhËn vÒ kÕt cÊu neo, lùc kÐo c¨ng neo còng nh− chiÒu dµy vá bª t«ng; • TÝnh to¸n theo kinh nghiÖm, thùc nghiÖm, nghÜa lµ tõ c¸c nguyªn t¾c kinh nghiÖm ®óc rót tõ thùc tÕ cã thÓ lùa chän vµ x¸c ®Þnh kÝch th−íc kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm phï hîp víi chÊt l−îng cña khèi ®¸; hiÖn t¹i b»ng ph−¬ng thøc nµy lo¹i kÕt cÊu chèng vµ kÝch th−íc ®−îc sö dông sÏ ®−îc lùa chän dùa vµo c¸c b¶ng ph©n lo¹i khèi ®¸. Th«ng th−êng c¸c nguyªn t¾c kinh nghiÖm ®−îc diÔn ®¹t b»ng b¶ng biÓu, ®å thÞ hoÆc c¸c c«ng thøc kh«ng chÆt chÏ vÒ thø nguyªn; • TÝnh to¸n hîp lý, cô thÓ lµ tõ c¸c kÕt qu¶ ®o ®¹c, thÝ nghiÖm, ph©n tÝch vµ m« t¶ to¸n häc vÒ c¸c tÝnh chÊt cña vËt liÖu sÏ dÉn d¾t ®Õn c¸c ph−¬ng tr×nh, cã chó ý ®Õn c¸c quy luËt c¬ häc, ®Ó m« t¶ c¸c tÝnh chÊt, ®Æc ®iÓm cña khèi ®¸ vµ cña kÕt cÊu c«ng tr×nh còng nh− t¸c ®éng t−¬ng hç gi÷a chóng. B»ng ph−¬ng thøc nµy ®· xuÊt hiÖn nhiÒu ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n kh¸c nhau víi c¸c s¬ ®å tÝnh, m« h×nh vËt liÖu, quan hÖ t−¬ng t¸c gi÷a kÕt cÊu víi m«i tr−êng ®Êt ®¸ kh¸c nhau. C¸c bµi to¸n h×nh thµnh trªn c¬ së nµy ®−îc gi¶i b»ng ph−¬ng ph¸p gi¶i tÝch hoÆc ph−¬ng ph¸p sè. B»ng c¸ch nµy chã phÐp cã thÓ rót ra nh÷ng nhËn ®Þnh, kÕt luËn mét c¸ch ®¬n gi¶n h¬n, nh− GAUSS ®· nãi: “ngay c¶ trong nh÷ng tr−êng hîp thËt phøc t¹p, nÕu kh«ng cã sù hç trî nµy th× c¸c vÜ nh©n còng cã thÓ bÞ ngÊt xØu”. Trong thùc tÕ ba ph−¬ng thøc nµy Ýt khi xuÊt hiÖn riªng lÎ. Th«ng th−êng chóng ®−îc kÕt hîp l¹i, tïy theo quan ®iÓm, thãi quen cña ng−êi lµm c«ng t¸c thiÕt kÕ. LiÖu mét trong c¸c ph−¬ng thøc nªu trªn lµ cã Ých hay cÇn thiÕt, lµ mét vÊn ®Ò vÉn ®−îc c¸c nhµ chuyªn m«n víi c¸c tr−êng ph¸i kh¸c nhau tranh luËn. Còng v× vËy mét trong nh÷ng yªu cÇu vµ môc tiªu quan träng ®èi víi c«ng t¸c nghiªn cøu khoa häc lµ chuyÓn hãa ®−îc c¸c nguyªn t¾c thiÕt kÕ trùc gi¸c, thiÕt kÕ theo kinh nghiÖm vµo trong c¸c tÝnh to¸n thiÕt kÕ hîp lý. ChØ cã nh− vËy míi cã thÓ ®−a ra nh÷ng kh¼ng ®Þnh cho phÐp kiÓm chøng ®−îc vµ míi cã kh¶ n¨ng n©ng cao ®−îc nhËn thøc, hiÓu biÕt. HiÖn nay, vÉn cßn cã 27 quan ®iÓm cho r»ng ph−¬ng thøc tÝnh to¸n hîp lý trªn c¬ së m«i tr−êng liªn tôc lµ kh«ng ¸p dông ®−îc, bëi lÏ khèi ®Êt ®¸ thùc sù lµ m«i tr−êng phøc t¹p, kh«ng ®ång nhÊt. §−¬ng nhiªn quan ®iÓm nµy lµ kh«ng l« dÝch, bëi lÏ tÝnh kh«ng ®ång nhÊt kh«ng cßn lµ nguyªn nh©n h¹n chÕ ph−¬ng thøc tÝnh to¸n hîp lý mµ hoµn toµn cã thÓ chó ý ®−îc trong tÝnh to¸n. Ngoµi ra, b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p sè, víi sù trî gióp cña m¸y tÝnh th× ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n hîp lý kh«ng cßn lµ vÊn ®Ò nan gi¶i. Còng v× vËy, trong tµi liÖu nµy sÏ chñ yÕu ®Ò cËp ®Õn c¸c bµi to¸n gi¶i b»ng ph−¬ng ph¸p gi¶i tÝch, dÉn ®Õn c¸c biÓu thøc hay c«ng thøc gi¶i tÝch. Môc ®Ých lµ cho ng−êi häc, ng−êi ®äc cã ®−îc hiÓu biÕt kh¸i qu¸t vÒ c¸c vÊn ®Ò trong c¬ häc c«ng tr×nh ngÇm. TÝnh to¸n, thiÕt kÕ c«ng tr×nh ngÇm ®−¬ng nhiªn cßn ph¶i sö dông c¸c m« h×nh m«i tr−êng liªn tôc, ®Æc tr−ng ë møc ®é ®¬n gi¶n hãa, lý t−ëng hãa cao. §iÒu nµy lµ khã tr¸nh khái, v×: • VÊn ®Ò cÇn nghiªn cøu thùc sù lµ bµi to¸n kh«ng gian vÒ c¸c tr−êng øng suÊt vµ biÕn d¹ng, Ýt nhiÒu cã biÕn ®éng theo thêi gian; • C¸c biÓu hiÖn cña vËt liÖu lµ phøc t¹p (dÞ h−íng, biÕn d¹ng kh«ng håi phôc, quan hª gi÷a øng suÊt vµ biÕn d¹ng lµ ®a d¹ng vµ phÝ tuyÕn, ch¶y dÎo, long rêi, gi¶m bÒn, tr−¬ng në, nøt nÎ, l−u biÕn); • BiÕn ®éng m¹nh trong kh«ng gian vÒ c¸c tÝnh chÊt vËt liÖu (®iÒu kiÖn ®Þa chÊt, ®Þa chÊt thñy v¨n), mµ trong thùc tÕ khã th©u tãm hÕt ®−îc. MÆc dï cho ®Õn nay cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu ®· ®−îc ph¸t triÓn vµ ¸p dông, song nãi chung c¸c tÝnh to¸n ®Þa c¬ häc lu«n chØ lµ nh÷ng tÝnh to¸n, nh÷ng dù ®o¸n gÇn ®óng. Lý do ®¬n gi¶n lµ c«ng t¸c x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm cã b¶n chÊt kh¸c c¬ b¶n so víi viÖc x©y dùng c¸c c«ng tr×nh trªn mÆt ®Êt. Sù kh¸c nhau ®ã cã thÓ nhËn thÊy qua so s¸nh ®¬n gi¶n sau: • T¶i träng: o C«ng tr×nh x©y dùng trªn mÆt ®Êt ®−îc tÝnh to¸n, thiÕt kÕ víi t¶i träng cho tr−íc kh¸ chÝnh x¸c o §èi víi c¸c c«ng tr×nh ngÇm, khèi ®Êt/®¸ lµ vËt liÖu x©y dùng, võa lµ thùc thÓ g©y t¶i träng còng võa lµ thµnh phÇn chÞu t¶i; hÖ thèng khèi ®Êt/®¸ vµ kÕt cÊu chèng hîp thµnh hÖ th«ng chÞu t¶i, nh−ng còng l¹i g©y t¶i träng qua t¸c dông t−¬ng hç lÉn nhau • Ph−¬ng thøc chÞu t¶i: o C¸c c«ng tr×nh x©y dùng trªn mÆt ®Êt nhËn t¶i dÇn dÇn (tù träng) vµ sau khi ®· x©y dùng (t¶i träng cuèi cïng bªn ngoµi); o Kho¶ng kh«ng gian ngÇm ®−îc ®µo tõ khèi ®Êt/®¸ ®· chÞu t¶i tr−íc; tr¹ng th¸i øng suÊt nguyªn sinh còng nh− ban ®Çu rÊt khã x¸c ®Þnh. • Ph−¬ng ph¸p tÝnh: 28 o ViÖc tÝnh to¸n, thiÕt kÕ c¸c kÕt cÊu cña c«ng tr×nh trªn mÆt ®Êt ®−îc tiÕn hµnh trªn c¬ së tæ hîp t¶i träng kh¶ dÜ; o TÝnh to¸n c¸c c«ng tr×nh ngÇm thùc chÊt trªn c¬ së dù b¸o øng suÊt, biÕn d¹ng, bëi v× cã sù phô thuéc phøc t¹p vµo c«ng t¸c thi c«ng vµ tr×nh tù thi c«ng;T¸c ®éng c¬ häc kh«ng h×nh thµnh do chÊt t¶i vµo khèi ®¸ mµ do gi¶m t¶i (kh«ng thuËn lîi); • VÒ vËt liÖu o Trong x©y dùng trªn mÆt ®Êt, vËt liÖu x©y dùng ®−îc lùa chän, th«ng qua tÝnh to¸n c¬ häc, ph©n tÝch kinh tÕ; o Trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm, mét phÇn vËt liÖu x©y dùng lµ khèi ®Êt/®¸ kh«ng thÓ lùa chän ®−îc (tån t¹i tù nhiªn) vµ nãi chung kh«ng thÓ g©y ¶nh h−ëng c¬ b¶n ®Õn c¸c tÝnh chÊt cña chóng; • Tr¹ng th¸i ¶nh h−ëng ®Õn møc ®é æn ®Þnh: o §èi víi c¸c c«ng tr×nh trªn mÆt ®Êt, nãi chung tr¹ng th¸i cuèi cïng lµ tr¹ng th¸i quyÕt ®Þnh; o Trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm, th«ng th−êng c¸c tr¹ng th¸i trung gian trong qu¸ tr×nh thi c«ng cã tÝnh quan träng h¬n lµ tr¹ng th¸i cuèi cïng. Còng v× vËy mµ trªn thÕ giíi vÉn lu«n cã c©u hái ®−îc ®Æt ra lµ: cã nhÊt thiÕt ph¶i tÝnh to¸n, thiÕt kÕ kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm hay kh«ng? C©u tr¶ lêi cña ®a sè c¸c chuyªn gia lµ; tÝnh to¸n thiÕt kÕ kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm kh«ng chØ lµ cã Ých mµ cßn lµ cÇn thiÕt, bëi v× nã cung cÊp nhËn thøc vÒ c¸c qu¸ tr×nh c¬ häc diÔn ra trong khèi ®Êt ®¸ vµ kÕt cÊu. Nh− ®· nh¾c ®Õn, c¬ häc c«ng tr×nh ngÇm lµm viÖc víi c¸c m« h×nh. §−¬ng nhiªn rÊt khã cã thÓ bao qu¸t hÕt b»ng m« h×nh. Vµ ®iÒu quan träng lµ kh«ng ®−îc nhÇm lÉn gi÷a “m« h×nh” vµ “thùc thÓ”. M« h×nh h×nh thµnh bëi sù suy t−ëng ®¬n gi¶n hãa, lý t−ëng hãa thùc tÕ, th«ng qua nh÷ng g× cßn ®Æc tr−ng trong m« h×nh. ViÖc lùa chän m« h×nh hîp lý ph¶n ¸nh nhËn thøc vµ suy nghÜ kü thuËt, ®¸nh gi¸ trùc gi¸c ®óng ®¾n. Trong mäi tr−êng hîp, m« h×nh cÇn ph¶i phï hîp, ®−îc ®Þnh nghÜa râ rµng vµ cã tÝnh bao qu¸t. §ång thêi m« h×nh tÝnh ph¶i tu©n thñ c¸c nguyªn t¾c c¬ b¶n trong c¬ häc (ch¼ng h¹n c¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng…). HiÖn t¹i trong lÜnh vùc x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm vÉn cßn cã c¸c m« h×nh ®−îc sö dông, ®−îc x©y dùng tõ c¶m nhËn trùc gi¸c vÒ ®iÒu kiÖn ®Þa chÊt, ®Þa kü thuËt, song kh«ng ®¶m b¶o ®ñ chÝnh x¸c ®Ó ®−îc coi lµ m« h×nh c¬ häc. C¸c m« h×nh nµy chØ nªn xem lµ m« h×nh khëi ®Çu cho mét giai ®o¹n míi tr−íc khi cã ®−îc m« h×nh c¬ häc hîp lý. 29 NÕu viÖc tÝnh to¸n c¬ häc ®−îc thùc hiÖn trªn c¬ së m« h×nh c¬ häc hîp lý, th× sÏ cho phÐp cã ®−îc nh÷ng nhËn ®Þnh quan träng cho c«ng t¸c x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm. C¸c nhËn ®Þnh nµy cÇn thÓ hiÖn ë d¹ng c¸c ph−¬ng tr×nh vµ ph¶i thÓ hiÖn râ rµng lµ chóng h×nh thµnh trªn c¬ së nµo. Tuy nhiªn c¸c kÕt qu¶ sè l¹i cÇn ph¶i sö dông cã c©n nh¾c cÈn träng, bëi v× nh− ®· nh¾c ®Õn lµ: • C¸c d÷ liÖu vµo kh«ng chÝnh x¸c; • C¸c ph−¬ng tr×nh cã ®−îc tõ m« h×nh ®· m« pháng ®¬n gi¶n hãa thùc tÕ. MÆc dï vËy, c¸c ph−¬ng tr×nh nµy vÉn cã ý nghÜa quan träng, v× chóng cho thÊy ®−îc ®¹i l−îng vËt lý nµo thÓ hiÖn vai trß quan träng trong vÊn ®Ò ®−îc kh¶o s¸t. Ngoµi ra c¸c kÕt qu¶ ®Þnh tÝnh cña c¸c ph−¬ng tr×nh nµy hoµn toµn cã thÓ sö dông ®Ó thiÕt kÕ, x¸c ®Þnh kÝch th−íc kÕt cÊu c«ng tr×nh, kÕt hîp víi c¸c “hÖ sè an toµn, æn ®Þnh” ®· ®−îc kh¼ng ®Þnh b»ng trùc gi¸c, kinh nghiÖm. Ngoµi ra c¸c ph−¬ng tr×nh nµy còng ®−îc sö dông khi cã sù cè x¶y ra, ®Ó ph©n tÝch nguyªn nh©n, t×m gi¶i ph¸p kh¾c phôc. Trong thùc tÕ x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm c¸c ph−¬ng tr×nh nµy còng ®−îc sö dông lµm c¬ së cho “ph−¬ng ph¸p quan tr¾c”, trong ®ã c¸c biÓu hiÖn cña kÕt cÊu (trong vµ sau khi x©y dùng) ®−îc ®¸nh gi¸ th«ng qua ®o ®¹c. Ch¼ng h¹n tõ c¸c kÕt qu¶ ®o ®¹t ®−îc gi¸ trÞ x¸c ®Þnh nµo ®ã, cã thÓ cho phÐp ®−a ra biÖn ph¸p xö lý hîp lý. Ngoµi ra còng kh«ng nªn ®¸nh gi¸ thÊp c¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n gi¶i tÝch nhËn ®−îc tõ c¸c bµi to¸n ®¬n gi¶n, bëi v× chóng l¹i cho phÐp kiÓm tra, kiÓm ®Þnh ®−îc tÝnh chÝnh x¸c, hîp lý cña c¸c ph−¬ng ph¸p sè (vÝ dô ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n). C¸c tµi liÖu tham kh¶o tiÕng ViÖt: 1) PhÝ V¨n LÞch: ¸p lùc ®Êt ®¸ vµ chèng gi÷ c«ng tr×nh ngÇm. TËp I vµ II. §¹i häc Má -§Þa chÊt 1972. 2) §inh Xu©n B¶ng, NguyÔn TiÕn C−êng, PhÝ V¨n LÞch, Lª V¨n Th−ëng: C¬ së thiÕt kÕ c«ng tr×nh ngÇm. Nhµ xuÊt b¶n khoa häc vµ kü thuËt. Hµ Néi 1981. PhÇn thø ba: Ch−¬ng VI, VII, VIII, IX vµ X. 3) NguyÔn V¨n QuyÓn, NguyÔn V¨n §−íc: C¬ së x©y dùng ngÇm trong má. TËp I. §¹i häc Má -§Þa chÊt 1991.Ch−¬ng V,VI,VII. 4) NguyÔn ThÕ Phïng, NguyÔn Quèc Hïng: ThiÕt kÕ c«ng tr×nh hÇm giao th«ng. Nhµ xuÊt b¶n Giao th«ng vËn t¶i. Hµ Néi 1998.Ch−¬ng V,VI. 5)TrÇn Thanh Gi¸m, T¹ TiÕn §¹t: TÝnh to¸n thiÕt kÕ c«ng tr×nh ngÇm. Nhµ xuÊt b¶n X©y dùng-2002. 6)An Young Xon: ThiÕt kÕ c«ng tr×nh ngÇm. Nhµ xuÊt b¶n X©y dùng, Hµ Néi 2002