GIÁO TRÌNH: QUY HOẠCH VÀ THIẾT KẾ CẤU TẠO CÔNG TRÌNH NGẦM

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình “Quy hoạch và thiết kế cấu tạo công trình ngầm” do TS. Vũ Đức Quyết (Chủ biên) và ThS. Nguyễn Việt Cường biên soạn, hoàn thành vào ngày 29 tháng 5 năm 2017 tại Quảng Ninh. Tác phẩm được biên soạn với dung lượng 205 trang, chia thành 9 chương nội dung và sử dụng hệ thống 31 tài liệu tham khảo trong và ngoài nước.

Về vị trí trong chương trình đào tạo, giáo trình được thiết kế làm tài liệu giảng dạy và học tập trực tiếp cho sinh viên bậc đại học thuộc chuyên ngành Xây dựng mỏ và Công trình ngầm. Đồng thời, đây cũng là tài liệu tham khảo chuyên môn cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật công trình xây dựng Hầm và Cầu, các kỹ sư thiết kế, cán bộ chỉ đạo và thi công sản xuất trong lĩnh vực xây dựng ngầm.

Mục tiêu học tập của giáo trình là trang bị cho người học phương pháp luận thiết kế, kỹ năng phân tích và tính toán các thông số hình học, kết cấu chống giữ, cũng như quy trình quy hoạch hệ thống công trình ngầm. Khung nội dung bao quát từ các công trình ngầm phục vụ khai thác mỏ khoáng sản đến các dạng công trình ngầm giao thông, đô thị và thủy công.

Cách tiếp cận của giáo trình đi từ các khái niệm nền tảng, cơ sở pháp lý và bài toán kỹ thuật tổng quát ở Chương 1, sau đó đi sâu vào cấu tạo chi tiết của từng hạng mục đơn chiếc trong mỏ (giếng đứng, lò bằng, lò nghiêng, sân giếng, hầm trạm) từ Chương 2 đến Chương 5. Tiếp tục mở rộng, từ Chương 6 đến Chương 9, giáo trình phát triển sang các công trình ngầm ngoài mỏ như hầm đường sắt, hầm đường bộ ô tô, hệ thống metro thành phố và công trình ngầm thủy công - thủy lợi.

Điểm đặc trưng của giáo trình là tính gắn kết chặt chẽ giữa nguyên lý thiết kế công trình với các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia hiện hành và các ví dụ thực tiễn từ hệ thống công trình ngầm tại Việt Nam.


Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình có sự phân công biên soạn cụ thể: ThS. Nguyễn Việt Cường đảm nhận Chương 1, Chương 4, Chương 5; TS. Vũ Đức Quyết đảm nhận Chương 2, Chương 3, Chương 6, Chương 7, Chương 8 và Chương 9. Cấu trúc 9 chương gồm các nội dung trọng tâm:

  • Chương 1: Tổng quan về quy hoạch hệ thống công trình ngầm trong mỏ (Trang 1 - 23): Giới thiệu khái niệm không gian ngầm, phân loại công trình ngầm theo công dụng, thế nằm, diện tích tiết diện đào; phân tích các sơ đồ mở vỉa (bằng lò bằng, giếng nghiêng, giếng đứng); trình bày các bước giải quyết bài toán kỹ thuật và quy trình thiết kế 1 bước, 2 bước, 3 bước.
  • Chương 2: Thiết kế quy hoạch cấu tạo giếng đứng (Trang 24 - 49): Cung cấp nguyên lý lựa chọn mặt cắt ngang, kết cấu chống giữ; thiết kế cốt giếng cứng (dầm thép chữ I, thép hộp kín, bê tông cốt thép) và cốt giếng mềm; tính toán tiết diện ngang theo kích thước thùng trục (thùng skíp, thùng cũi), kiểm tra theo điều kiện thông gió và lưu lượng khí thải; thiết kế cấu tạo ngăn thang bộ, cổ giếng dạng bậc/vòng và đáy giếng.
  • Chương 3: Thiết kế quy hoạch cấu tạo lò bằng và lò nghiêng (Trang 51 - 75): Trình bày kỹ thuật thiết kế lò bằng trên mặt cắt dọc, bình đồ và mặt cắt ngang; thiết kế các công trình ngầm nghiêng (giếng nghiêng, lò thượng, lò hạ, lò nghiêng tháo than); giải pháp kết cấu chống giữ tại các nút giao cắt bằng gỗ, kim loại, bê tông.
  • Chương 4: Thiết kế quy hoạch cấu tạo sân giếng (Trang 76 - 93): Lựa chọn hình dạng sân giếng đứng và sân giếng nghiêng; thiết kế sơ đồ công nghệ vận tải, tính toán bán kính cung cong đường ray, độ dốc trắc dọc, kích thước trụ bảo vệ, rãnh thoát nước và xác định khả năng thông qua của sân giếng.
  • Chương 5: Thiết kế quy hoạch cấu tạo hầm trạm trong sân giếng (Trang 96 - 122): Thiết kế tổ hợp hầm tháo tải, định lượng, rót tải cho giếng thùng skíp; hầm trạm bơm ngầm trung tâm và hầm chứa nước; trạm biến áp ngầm; tổ hợp kho chứa thuốc nổ; các hầm sửa chữa tàu điện (cần vẹt, ắc quy) và các hầm trạm phụ trợ (cứu thương, cứu hỏa, cấp cứu mỏ, điều phối, vệ sinh).
  • Chương 6: Thiết kế quy hoạch đường hầm đường sắt (Trang 123 - 148): Thiết kế tuyến trên mặt cắt dọc và bình đồ; lựa chọn số lượng đường xe, khổ hầm và mặt cắt ngang; vật liệu, kết cấu vỏ hầm; thiết kế cửa hầm, hầm tránh và hệ thống rãnh thoát nước.
  • Chương 7: Thiết kế quy hoạch đường hầm ô tô (Trang 149 - 167): Xác định đường bao gần đúng, số làn xe; kết cấu vỏ hầm; nguyên lý thiết kế trục đường hầm dưới sông - biển; giải pháp thông gió (đẩy, hút, hỗn hợp), chống thấm, chiếu sáng và bố trí thiết bị phụ trợ.
  • Chương 8: Thiết kế quy hoạch hệ thống tàu điện ngầm thành phố (Trang 168 - 186): Nguyên lý chọn tuyến hầm metro trên bình đồ và trắc dọc; thiết kế hầm nối liên ga, hầm rẽ, hầm phân nhánh; phân loại, xác định kích thước và kết cấu chống giữ các ga tàu điện ngầm.
  • Chương 9: Thiết kế quy hoạch cấu tạo các công trình ngầm thuỷ công - thuỷ lợi (Trang 187 - 206): Phân loại, xác định kích thước mặt cắt ngang và chọn tuyến hầm thủy công; thiết kế bố trí cụm hầm trạm trong nhà máy thủy điện ngầm; thiết kế các công trình ngầm thủy lợi đặc thù (hầm dẫn thải, hầm nắn dòng chảy, hầm cho phương tiện thủy qua lại).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống lý thuyết dựa trên các phân loại và nguyên lý kỹ thuật:

  • Hệ thống phân loại công trình ngầm:
    • Theo thế nằm: Nằm ngang (góc nghiêng trục $\alpha \le 5^\circ$), nằm nghiêng ($5^\circ < \alpha < 85^\circ$), thẳng đứng ($\alpha = 90^\circ \pm 5^\circ$).
    • Theo chiều sâu: Gần mặt đất (chiều sâu đặt $\le 12\text{ m}$ so với mặt lộ) và nằm sâu trong lòng đất ($> 12\text{ m}$).
    • Theo diện tích đào: Tiết diện nhỏ ($S < 18\text{ m}^2$), trung bình ($S = 18 - 32\text{ m}^2$), lớn ($S > 32\text{ m}^2$).
    • Theo tương quan hình học: Dạng đường hầm/đường lò (chiều dài lớn hơn nhiều chiều rộng/cao) và dạng hầm trạm (kích thước ba chiều chênh lệch không đáng kể).
  • Hệ thống pháp lý và tiêu chuẩn áp dụng: Luật Xây dựng số 16/2003/QH11; Nghị định 08/2005/NĐ-CP, Nghị định 41/2007/NĐ-CP (Xây dựng ngầm đô thị), Nghị định 39/2010/NĐ-CP (Quản lý không gian ngầm đô thị); QCVN 08:2009/TT-BXD; Quyết định 35/2006/QĐ-BCN; Thông tư 03/2011/TT-BCT ban hành QCVN 01:2011/BCT về an toàn khai thác than hầm lò.
  • Nguyên lý giải quyết bài toán kỹ thuật: Mô hình chu trình lặp nhiều bước dạng xoáy trôn ốc gồm 6 giai đoạn: Đặt vấn đề $\rightarrow$ Xác định bài toán $\rightarrow$ Hình thành ý niệm giải pháp $\rightarrow$ Phân tích kỹ thuật (khái niệm hóa và tối ưu hóa) $\rightarrow$ Lựa chọn phương án $\rightarrow$ Trình bày, giám định và phê duyệt thiết kế.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng tính toán kỹ thuật: Xác định năng suất trục tải giờ ($A_h$), chu kỳ trục tải ($T \approx 4\sqrt{H}$), thể tích thùng chứa ($V = Q/\gamma$), tính toán lưu lượng gió cần thiết ($Q_1$ theo khí mêtan, $Q_2$ theo số lượng nhân công với định mức $4\text{ m}^3/\text{phút/người}$), và kiểm tra vận tốc gió cho phép ($V \le 15\text{ m/s}$ cho giếng thông gió, $V \le 12\text{ m/s}$ cho giếng chính, $V \le 8\text{ m/s}$ cho giếng phụ).
  • Kỹ năng lựa chọn kết cấu: Đánh giá ưu nhược điểm của các loại vỏ chống (vì gỗ, vì kim loại hình vòm/thang, bê tông liền khối, bê tông lắp ghép, vì neo kết hợp bê tông phun khi hệ số kiên cố đá $f > 4$); so sánh các dạng xà đỡ cốt giếng (dầm hộp kín giúp mômen chống uốn tăng 3,6 - 4,7 lần, giảm sức cản khí động 2,2 - 2,4 lần so với thép chữ I).
  • Kỹ năng thiết kế đồ họa và bố trí: Phương pháp họa đồ xác định tiết diện sử dụng và tiết diện đào; thiết kế các khoảng cách an toàn giữa thùng trục, vỏ chống và xà ngang theo quy chuẩn; bố trí kích thước ngăn thang thoát hiểm (góc nghiêng $\le 80^\circ$, sàn cách nhau $\le 8\text{ m}$, kích thước khoang thông $\ge 0,7 \times 0,6\text{ m}$, bề rộng thang $\ge 0,4\text{ m}$).

Phương pháp giảng dạy và học tập

Tiếp cận sư phạm

Giáo trình kết hợp giữa phương pháp giải tích lý thuyết và phương pháp mô tả hình học trực quan. Mọi cấu kiện kỹ thuật từ mặt cắt đường lò, cụm chi tiết cốt giếng, liên kết vì neo, cổ giếng dạng bậc đến sơ đồ công nghệ sân giếng đều được minh họa bằng sơ đồ kỹ thuật chi tiết. Cách thức này hỗ trợ việc chuyển hóa từ khái niệm lý thuyết sang tư duy thiết kế bản vẽ thi công.

Bài tập và câu hỏi củng cố

Cuối mỗi chương đều có phần Câu hỏi ôn tập (từ Chương 1 đến Chương 9). Hệ thống câu hỏi yêu cầu người học tổng hợp các luận điểm kỹ thuật, phân tích ưu nhược điểm của từng phương án kết cấu (như so sánh đường định hướng ray, dầm gỗ và dầm kim loại hộp kín; so sánh các sơ đồ bố trí xà mang tải độc lập, nửa độc lập và khung kín), giúp rèn luyện tư duy phản biện kỹ thuật.

Thực hành tính toán

Người học được hướng dẫn trực tiếp quy trình tính toán số liệu thiết kế:

  1. Thu thập số liệu đầu vào về địa chất, công suất mỏ, điều kiện địa hình.
  2. Tính toán lựa chọn kích thước thiết bị vận tải (thùng skíp, thùng cũi, đoàn xe goòng).
  3. Vẽ đồ giải mặt cắt ngang theo tỷ lệ quy định (1:20 hoặc 1:50), tích hợp ngăn thang và hệ thống đường ống, cáp điện.
  4. Tính toán kiểm tra tiết diện theo yêu cầu lưu lượng thông gió và tốc độ chuyển động của luồng khí.
  5. Thiết lập hộ chiếu chống giữ và thuyết minh kỹ thuật.

Hướng dẫn tự học

Sinh viên có thể sử dụng cấu trúc phân cấp chi tiết trong mục lục để lập kế hoạch tự học từng mô-đun. Giáo trình cung cấp quy trình 6 bước trong thiết kế kỹ thuật và thiết kế thi công, đóng vai trò như bản chỉ dẫn thực hiện các đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp ngành xây dựng công trình ngầm.


Điểm nổi bật và cập nhật

Tích hợp hệ thống văn bản quy chuẩn hiện hành

Giáo trình cập nhật và trích dẫn trực tiếp các quy chuẩn xây dựng, tiêu chuẩn an toàn khai thác mỏ hầm lò của Việt Nam ban hành trong giai đoạn 2003 - 2011. Việc đưa các văn bản quy phạm pháp luật vào nội dung bài giảng giúp sinh viên và kỹ sư nắm vững các ràng buộc pháp lý bắt buộc trong hoạt động lập dự án và thiết kế kỹ thuật.

Dẫn chứng công trình thực tế tại Việt Nam

Nội dung giáo trình phản ánh thực trạng phát triển công trình ngầm thông qua các dự án cụ thể:

  • Hầm giao thông đường bộ: Hầm Hải Vân, Hầm Đèo Ngang, Hầm A Roàng 1, Hầm A Roàng 2.
  • Hầm thủy công - thủy điện: Thủy điện Sông Đà, Yali, A Vương, Nậm Chiến.
  • Hệ thống giao thông đô thị: Các dự án đường sắt đô thị/tàu điện ngầm tại Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh, cùng hệ thống hầm đường bộ qua các nút giao thông đô thị.

Mở rộng phạm vi chuyên môn

Bên cạnh lĩnh vực khai thác mỏ hầm lò truyền thống, giáo trình dành 4 chương (Chương 6 đến Chương 9) để trình bày quy hoạch và thiết kế các công trình ngầm hạ tầng kỹ thuật đô thị, giao thông đường sắt, đường ô tô ngầm qua sông - biển và nhà máy thủy điện ngầm, đáp ứng xu hướng đa dạng hóa không gian xây dựng ngầm.


Đối tượng sử dụng giáo trình

Nhóm đối tượng Mục đích và phương thức sử dụng
Sinh viên ngành Xây dựng mỏ và Công trình ngầm Sử dụng làm giáo trình chính khóa cho các học phần quy hoạch, thiết kế kết cấu hầm lò, giếng đứng và sân giếng mỏ.
Sinh viên ngành Cầu - Hầm Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nội dung thiết kế hầm đường bộ, hầm đường sắt, hầm metro và giải pháp thông gió, chiếu sáng hầm.
Học viên cao học & Nghiên cứu sinh Tra cứu các mô hình tính toán kích thước giếng, khí động học thông gió mỏ và giải pháp quy hoạch không gian ngầm đô thị.
Giảng viên chuyên ngành Sử dụng làm khung đề cương bài giảng, xây dựng bài tập môn học, hướng dẫn đồ án môn học và đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
Kỹ sư thiết kế & Cán bộ thi công Sử dụng làm tài liệu tra cứu kích thước tiêu chuẩn, khoảng cách an toàn, quy cách vật liệu và sơ đồ công nghệ trạm ngầm.

Điều kiện tiên quyết (Prerequisites)

Để tiếp thu hiệu quả nội dung giáo trình, người học cần hoàn thành các khối kiến thức cơ sở kỹ thuật:

  • Địa chất công trình và Địa chất thủy văn: Nhận định tính chất cơ lý của đất đá, góc dốc vỉa, áp lực nước ngầm.
  • Cơ học đất đá và Cơ học công trình: Tính toán ứng suất, tải trọng tác dụng lên vỏ chống và kết cấu cốt giếng.
  • Vẽ kỹ thuật và Hình học họa hình: Đọc, lập bản vẽ trắc dọc, bình đồ và mặt cắt ngang công trình ngầm.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng đào tạo nào?

Tài liệu phục vụ trực tiếp cho sinh viên đại học chuyên ngành Xây dựng mỏ và Công trình ngầm, đồng thời là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật công trình xây dựng Hầm và Cầu, học viên sau đại học cùng các kỹ sư thiết kế, thi công trong ngành xây dựng ngầm.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học?

Người học cần có kiến thức cơ bản về Địa chất công trình, Địa chất thủy văn, Cơ học đất đá, Sức bền vật liệu, Vẽ kỹ thuật xây dựng và các nguyên lý cơ bản trong khai thác mỏ hoặc công trình ngầm.

3. Giáo trình có đề cập đến công trình ngầm ngoài ngành mỏ không?

Có. Giáo trình dành 4 chương chuyên biệt (từ Chương 6 đến Chương 9) để phân tích nguyên lý quy hoạch và cấu tạo của đường hầm đường sắt, đường hầm ô tô (bao gồm hầm qua sông/biển), hệ thống tàu điện ngầm thành phố (metro) và công trình ngầm thủy công - thủy lợi (nhà máy thủy điện ngầm, hầm dẫn dòng).

4. Các giải pháp tính toán trong giáo trình dựa trên cơ sở nào?

Các công thức tính toán dựa trên cơ sở giải tích kỹ thuật (năng suất trục tải, chu kỳ nâng, kiểm toán lưu lượng thông gió) kết hợp phương pháp họa đồ mặt cắt ngang và các định mức an toàn quy định tại QCVN 08:2009/TT-BXD, QCVN 01:2011/BCT.

5. Giáo trình có bao nhiêu tài liệu tham khảo và hệ thống đánh giá thế nào?

Giáo trình sử dụng 31 tài liệu tham khảo chuyên ngành trong và ngoài nước. Để đánh giá và củng cố kiến thức, cuối mỗi chương (từ Chương 1 đến Chương 9) đều có hệ thống câu hỏi ôn tập lý thuyết và bài tập phân tích kỹ thuật.


Kết luận

Giáo trình “Quy hoạch và thiết kế cấu tạo công trình ngầm” cung cấp hệ thống lý thuyết chuẩn mực và phương pháp tính toán cụ thể cho các loại hình công trình ngầm. Nội dung sách gắn liền giữa lý thuyết thiết kế với hệ thống quy chuẩn kỹ thuật quốc gia và thực tiễn thi công tại Việt Nam.

Lộ trình học tập khuyến nghị bắt đầu từ việc nắm vững khái niệm mở vỉa, phân loại và quy trình giải quyết bài toán kỹ thuật tại Chương 1; tiếp tục nghiên cứu sâu thiết kế cấu tạo các công trình ngầm mỏ đơn chiếc và sân giếng tại Chương 2, 3, 4, 5; sau đó mở rộng sang quy hoạch các công trình ngầm giao thông đô thị và thủy công tại Chương 6, 7, 8, 9.

Người học có thể khai thác 31 tài liệu tham khảo được liệt kê ở cuối sách cùng các văn bản quy chuẩn như QCVN 08:2009/TT-BXD và QCVN 01:2011/BCT để mở rộng nghiên cứu chuyên sâu.