Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ CÔNG TÁC XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH NGẦM 1. Phân loại các công trình ngầm Công trình ngầm là công trình được xây dựng dưới bề mặt đất; chúng liên kết trực tiếp với khối đất, đá xung quanh. Trong xây dựng công trình ngầm, khối đất đá, kết cấu công trình ngầm và quá trình thi công có mối liên quan mật thiết, đòi hỏi phải có nhiều kinh nghiệm, lí thuyết của các lĩnh vực chuyên môn khác nhau như cơ học kết cấu, địa cơ học, công nghệ xây dựng. Công trình ngầm có thể được phân chia thành các loại khác nhau dựa trên cơ sở đặc điểm công dụng, vị trí thế nằm, diện tích tiết diện hoặc tương quan giữa kích thước tiết diện ngang và chiều dài công trình.
Theo công dụng Tùy theo mục đích sử dụng công trình ngầm có thể chia công trình ngầm ra làm một số nhóm: Công trình ngầm khai thác khoáng sản: đây là loại công trình sử dụng để khai thác tài nguyên khoáng sản như hệ thống các công trình ngầm, hầm trạm phục vụ trong các mỏ than hầm lò, các mỏ quặng v. Đây là những công trình có tuổi thọ tùy theo sản lượng của các mỏ và có yêu cầu kiến trúc không cao nên người ta chỉ cần bảo đảm an toàn trong khi sử dụng chứ ít quan tâm đến tính thẩm mỹ của nó. Công trình ngầm công nghiệp: gồm các công trình ngầm thủy lợi, thủy điện, kho chứa ngầm. Những công trình ngầm trong hệ thống thuỷ lợi, thuỷ điện này thường có chiều dài lớn, thường có các giai đoạn làm việc khác nhau và chế độ làm việc cũng khác nhau đó là chế độ làm việc khi không có nước chảy bên trong (khi thi công và khi sửa chữa) và khi đi vào hoạt động.
Ngoài áp lực đất đá bên ngoài tác động còn có nước và áp lực nước bên trong nên khi thiết kế và thi công các công trình ngầm trong nhóm này cũng có những đặc điểm và yêu cầu riêng. Công trình ngầm dân dụng: Những công trình ngầm trong nhóm này bao gồm các công trình ngầm giao thông (ô tô, tàu hoả, tàu điện, người đi bộ), tầng hầm 2 trong các nhà cao tầng, các gara để xe ngầm, hệ thống đường hầm kỹ thuật dùng để đặt ống nước sinh hoạt, nước thải, cáp điện, cáp quang. phục vụ nhu cầu sinh hoạt của nhân dân. Những công trình này có yêu cầu về kiến trúc cao hơn hẳn những công trình phục vụ khai thác khoáng sản vì chúng có tuổi thọ cao hơn hẳn và thời gian tồn tại lâu dài.
Công trình ngầm đặc biệt: đây là nhóm những công trình ngầm phục vụ mục đích quân sự, quốc phòng, các nhà máy ngầm. Nhóm những công trình này có đặc điểm là cần sự kiên cố cao và nằm bí mật trong lòng đất. Khác với các công trình ngầm trong mỏ phục vụ khai thác khoáng sản, các công trình ngầm dân dụng và công nghiệp thường có thời gian tồn tại lâu dài (vĩnh cửu); hình dạng kích thước tiết diện ngang đa dạng phụ thuộc vào mục đích sử dụng; có thể đào trong đá cứng (qua núi) hoặc trong khối đất mềm (công trình ngầm xây dựng trong đô thị); tiết diện thay đổi từ nhỏ đến lớn (có thể tới hàng trăm m2) và liên quan đến nó là mức độ ổn định của công trình ngầm có những thay đổi đáng kể; có thể xây dựng trong khu vực có hoặc không có dân cư sinh sống dẫn đến các giải pháp thi công chú ý tới vấn đề bảo vệ môi trường, giảm thiểu tác động xấu của quá trình thi công tới môi trường xung quanh, trong một số trường hợp, đóng vai trò rất quan trọng đối với sự thành công của dự án; đối tượng sử dụng có thể là những người có chuyên môn hoặc cộng đồng dân cư không có chuyên môn về công trình ngầm. Chính vì vậy, phương pháp thi công, phá vỡ đất đá, sơ đồ công nghệ đào, thiết bị thi công, giải pháp chống giữ , v.
cũng có sự khác biệt với thi công các công trình ngầm phục vụ mục đích khai thác khoáng sản. 3 Phân nhóm công trình ngầm Theo công dụng Theo vị trí thế nằm Theo diện tích sử dụng Tương quan giữa chiều dài và chiều rộng công trình ngầm - Công trình ngầm - Công trình nằm - Công trình ngầm tiết - Các đường hầm khi phục vụ khai thác ngang diện nhỏ chiều dài lớn hơn khoáng sản - Công trình ngầm - Công trình ngầm tiết chiều rộng nhiều lần - Công trình công nằm nghiêng diện trung bình - Các hầm trạm khi nghiệp - Công trình ngầm - Công trình ngầm tiết kích thước ba chiều - Công trình ngầm thẳng đứng diện lớn không chênh lệch dân dụng - Công trình ngầm nhau quá nhiều - Công trình ngầm nằm gần mặt đất đặc biệt - Công trình ngầm nằm dưới sâu Hình 1. Sơ đồ phân nhóm công trình ngầm 4 1. Theo vị trí, thế nằm Công trình ngầm có thể có những dạng thế nằm khác nhau, trong xây dựng công trình ngầm tùy thuộc vào góc nghiêng của trục công trình ngầm với phương nằm ngang có thể chia ra: Công trình ngầm nằm ngang (khi góc nghiêng của trục công trình ngầm với phương ngang không quá 100) Công trình ngầm nằm nghiêng (khi góc nghiêng 100< <75 0) Công trình ngầm thẳng đứng (khi góc nghiêng 750) 1.
Theo diện tích tiết diện đào Tùy theo diện tích tiết diện gương đào có thể chia công trình ngầm ra làm 3 nhóm: Công trình ngầm tiết diện nhỏ: những công trình ngầm dạng này thường có tiết diện sử dụng S < 20m2. Loại này có thể gặp tại những công trình ngầm dân dụng, công nghiệp và các đường lò trong các mỏ. Công trình ngầm tiết diện trung bình: thường có S = (20 40)m 2, chủ yếu là các công trình ngầm dẫn nước; Công trình ngầm tiết diện lớn: khi S > 40m2. Đa số chúng là các công trình giao thông và thủy điện trung bình và lớn.
Cách thức phân loại trên chỉ mang tính chất tương đối, có thể thay đổi khi năng lực thiết bị thi công, trình độ người thi công thay đổi. Theo tương quan giữa chiều dài và chiều rộng công trình ngầm Theo đặc điểm kích thước giữa hai chiều công trình ngầm người ta có thể chia công trình ngầm ra làm hai nhóm: Các công trình ngầm có kích thước chiều dài lớn hơn nhiều lần chiều rộng và chiều cao, thường gọi chung chúng là các đường hầm. Những công trình ngầm dạng này thì có thể có chiều dài từ vài chục, vài trăm thậm chí hàng chục kilômét. Các hầm trạm: những công trình ngầm có tương quan chênh lệch giữa chiều dài, chiều rộng và chiều cao không quá lớn, những công trình ngầm như vậy thường gọi là các hầm trạm ví dụ như: các gian máy trong hệ thống nhà máy thủy điện ngầm, các hầm sữa chữa đề pô tầu điện ngầm, trạm bơm, trạm biến áp ngầm, v.
Hình dạng, kích thước tiết diện ngang công trình ngầm Quá trình lựa chọn hình dạng tiết diện ngang cho công trình ngầm phụ thuộc vào tổ hợp các yếu tố sau đây: Tính chất của các lớp đất đá mà công trình ngầm đào qua, cường độ và hướng tác dụng của tải trọng đất đá lên công trình ngầm; thời gian tồn tại của công trình ngầm; kết cấu của khung vỏ chống và vật liệu chống giữ và một số yếu tố khác. Hiện nay, trên thực tế của nước ta và các nước khác trên thế giới thường sử dụng các công trình ngầm có tiết diện ngang hình vòm, hình thang và chữ nhật. Trong những điều kiện xây dựng phức tạp có thể sử dụng một số dạng tiết diện ngang hình cong vòng kín (hình vòm có vòm ngược, hình elíp ngang hoặc đứng, hình tròn) tuỳ theo điều kiện địa cơ học cụ thể của khu vực xây dựng. Kích thước tiết diện ngang sử dụng (kích thước phía trong khung vỏ chống) của công trình phụ thuộc vào công dụng của công trình ngầm.
Kích thước tiết diện ngang công trình ngầm được xác định dựa trên cơ sở kích thước, số lượng của các phương tiện vận tải sử dụng và các khoảng cách an toàn theo quy phạm. Ngoài ra, kích thước tiết diện công trình ngầm còn phải thoả mãn các yêu cầu về đi lại cho công nhân và yêu cầu thông gió (nếu cần). Kết cấu chống giữ công trình ngầm 1. Phân loại kết cấu chống giữ Để có thể hình dung được một cách tổng thể về các loại hình kết cấu chống các công trình ngầm có thể tổng hợp, phân tích và xem xét chúng dựa theo những dấu hiệu khác nhau; cụ thể là theo các cách phân loại các kết cấu chống theo nhiều dấu hiệu khác nhau như: Phân loại theo vật liệu gồm: gỗ; thép, kim loại; bêtông, gạch, đá; vật liệu tổng hợp Phân loại theo chức năng, nhiệm vụ gồm: tạm thời, cố định Phân loại theo tính năng kỹ thuật gồm: tích cực, gia cố, chủ động; thụ động, chống đỡ Phân loại theo đặc điểm; hình dạng kết cấu gồm: khung chống, vỏ chống, "hoà nhập" vào khối đá; hình thang, chữ nhật đa giác, tròn ellíp; vòm, móng ngựa, mõm nhái.
6 Phân loại theo tính chất hay biểu hiện cơ học của kết cấu gồm: rất cứng, cứng, mềm. Phân loại theo mức độ liên kết với khối đất, đá gồm: không, liên kết ít, liên kết hoàn toàn; tiếp xúc giữa kết cấu chống và khối đá: điểm, diện. Trong thực tế kết cấu chống giữ công trình ngầm còn được phân loại dựa theo tính chất mối tác động giữa kết cấu chống với môi trường đất đá bao quanh. Theo đó, kết cấu chống được phân thành hai loại: “kết cấu chống bị động” và “kết cấu chống chủ động”.
Bất kỳ loại kết cấu chống nào không có tính “chủ động” sinh ra lực đẩy chống lại khối đá ngay sau khi lắp đặt đều được coi là kết cấu chống “bị động”. Đối với kết cấu chống bị động, nó chỉ phát huy tác dụng chống giữ khi mà biên công trình ngầm đã có sự dịch chuyển “đủ lớn” hay nói cách khác là đến một giới hạn nào đó để gây ra sự “nén ép” tác dụng lên vỏ chống và khi đó vỏ chống sẽ sinh ra những lực chống lại nhằm hạn chế sự dịch chuyển của khối đá. Sự phản ứng này của kết cấu chống tuỳ thuộc vào độ cứng của chúng và thời gian lắp đặt. Hầu hết các dạng kết cấu chống giữ truyền thống như: khung chống gỗ, khung chống thép là những dạng kết cấu chống bị động.