Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Quy hoạch và thiết kế cấu tạo công trình ngầm do TS. Vũ Đức Quyết làm chủ biên (đảm nhận biên soạn các chương 2, 3, 6, 7, 8, 9) cùng ThS. Nguyễn Việt Cường (đảm nhận biên soạn các chương 1, 4, 5) hoàn thành vào ngày 29 tháng 5 năm 2017 tại Quảng Ninh. Tài liệu được biên soạn phục vụ công tác giảng dạy và học tập chính khóa cho sinh viên bậc đại học thuộc chuyên ngành Xây dựng mỏ và Công trình ngầm, đồng thời là tài liệu tham khảo cho chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật công trình xây dựng Hầm và Cầu cùng các kỹ sư tham gia công tác thiết kế, chỉ đạo thi công sản xuất trong lĩnh vực xây dựng ngầm.

Về dung lượng và cấu trúc, giáo trình có độ dày 205 trang, chia thành 9 chương với 31 tài liệu tham khảo chuyên ngành trong và ngoài nước. Mục tiêu đào tạo của giáo trình tập trung vào việc cung cấp các khái niệm quy hoạch không gian ngầm, nguyên lý giải bài toán kỹ thuật thiết kế, phương pháp xác định kích thước hình học, tính toán tải trọng và thiết kế kết cấu chống giữ cho các loại công trình ngầm chuyên dụng: từ hệ thống đường lò mỏ, giếng đứng, sân giếng, hầm trạm kỹ thuật đến đường hầm đường sắt, hầm ô tô qua núi, hầm ô tô dưới sông/biển, hệ thống tàu điện ngầm đô thị và công trình ngầm thủy công – thủy lợi.

Cách tiếp cận của giáo trình đi từ tổng quan lý thuyết quy hoạch, cơ sở pháp lý và quy chuẩn kỹ thuật xây dựng tại Việt Nam đến các quy trình tính toán thiết kế kỹ thuật và thiết kế thi công chi tiết. Điểm đặc trưng về mặt học thuật của tài liệu là sự liên kết đồng bộ giữa công nghệ ngầm trong khai thác khoáng sản và công nghệ ngầm dân dụng, hạ tầng giao thông đô thị và năng lượng.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung 9 chương của giáo trình được triển khai theo hệ thống logic kỹ thuật chặt chẽ:

  • Chương 1: Tổng quan về quy hoạch hệ thống công trình ngầm trong mỏ: Phân tích khái niệm không gian xây dựng ngầm, 3 sơ đồ mở vỉa cơ bản (lò bằng, giếng nghiêng, giếng đứng) cùng các sơ đồ kết hợp; hệ thống phân loại công trình ngầm theo công dụng, thế nằm (nằm ngang $\alpha \le 5^\circ$, nằm nghiêng $5^\circ < \alpha < 85^\circ$, thẳng đứng $\alpha = 90^\circ \pm 5^\circ$), chiều sâu (gần mặt đất $\le 12\text{ m}$, nằm sâu $> 12\text{ m}$) và diện tích đào ($S < 18\text{ m}^2$, $S = 18 - 32\text{ m}^2$, $S > 32\text{ m}^2$); nguyên lý giải bài toán kỹ thuật thiết kế và các giai đoạn thiết kế 1 bước, 2 bước, 3 bước.
  • Chương 2: Thiết kế quy hoạch cấu tạo giếng đứng: Trình bày hình dạng mặt cắt ngang, kết cấu chống; cấu tạo cốt giếng đứng (hệ thống xà thép hình chữ I, xà thép hộp kín, xà bê tông cốt thép; đường định hướng bằng gỗ $160\times 160\text{ mm}$ đến $200\times 200\text{ mm}$, đường định hướng ray P.38, P.43, thép hộp và cáp mềm); thiết kế ngăn thang thoát hiểm (độ dốc $\le 80^\circ$, khoảng cách sàn $\le 8\text{ m}$, chiều rộng $\ge 0,4\text{ m}$); tính toán tiết diện giếng theo thùng skíp, thùng cũi và kiểm tra vận tốc gió thông gió ($v \le 8\text{ m/s}$ cho giếng phụ, $v \le 12\text{ m/s}$ cho giếng chính, $v \le 15\text{ m/s}$ cho giếng thông gió); thiết kế cổ giếng kiểu bậc và kiểu vòng.
  • Chương 3: Thiết kế quy hoạch cấu tạo lò bằng và lò nghiêng: Phương pháp thiết kế tuyến trên bình đồ và trắc dọc; xác định kích thước mặt cắt ngang đường lò; quy hoạch cấu tạo lò thượng, lò hạ, lò nghiêng tháo than; giải pháp kết cấu chống giữ các vị trí giao cắt bằng gỗ, kim loại, bê tông liền khối và giao cắt giữa lò bằng với lò nghiêng.
  • Chương 4: Thiết kế quy hoạch cấu tạo sân giếng: Quy hoạch sân giếng đứng và sân giếng nghiêng; các sơ đồ công nghệ vận tải đường sắt mỏ; tính toán bán kính cung cong, độ dốc rãnh thoát nước, kích thước trụ bảo vệ và đánh giá khả năng thông qua của sân giếng.
  • Chương 5: Thiết kế quy hoạch cấu tạo hầm trạm trong sân giếng: Cấu tạo các hầm trạm chức năng gồm hầm nối giếng cũi, cụm hầm tháo tải – bunke – hầm định lượng giếng skíp cho than và mỏ quặng; trạm bơm ngầm trung tâm, trạm biến thế ngầm, kho thuốc nổ ngầm, hầm sửa chữa đầu tàu điện (tàu cần vẹt, tàu ắc quy) và các hầm phụ trợ (cứu thương, cứu hỏa, cấp cứu mỏ, điều phối).
  • Chương 6: Thiết kế quy hoạch đường hầm đường sắt: Nguyên tắc vạch tuyến trên bình đồ và trắc dọc; xác định khổ hầm, số lượng đường xe; vật liệu và kết cấu vỏ hầm; thiết kế cửa hầm, hầm tránh và rãnh thoát nước.
  • Chương 7: Thiết kế quy hoạch đường hầm ô tô: Nguyên lý thiết kế tuyến, xác định đường bao gần đúng, số làn xe; kết cấu chống hầm xuyên núi và hầm dìm dưới sông – biển; hệ thống thông gió hầm, các biện pháp chống thấm, hệ thống chiếu sáng và hầm bố trí thiết bị.
  • Chương 8: Thiết kế quy hoạch hệ thống tàu điện ngầm thành phố: Tuyến hầm metro trên bình đồ và trắc dọc; kết cấu hầm nối giữa các ga, hầm rẽ, hầm phân nhánh và giếng thông hơi; phân loại, xác định kích thước và kết cấu chống giữ cho ga tàu điện ngầm.
  • Chương 9: Thiết kế quy hoạch cấu tạo các công trình ngầm thủy công – thủy lợi: Thiết kế tuyến và mặt cắt ngang hầm dẫn nước; sơ đồ bố trí hệ thống hầm trạm trong nhà máy thủy điện ngầm; thiết kế hầm xả lũ, hầm nắn dòng thi công và hầm giao thông cho tàu thuyền qua lại.
Tiến trình nội dung giáo trình:
[Chương 1: Tổng quan & Nguyên lý thiết kế]
[Chương 2 - 5: Công trình ngầm khai thác mỏ]
[Chương 6 - 8: Công trình ngầm giao thông & Đô thị]
[Chương 9: Công trình ngầm thủy công - Thủy điện]

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống lý thuyết dựa trên ba nền tảng cơ bản:

  1. Lý thuyết quy hoạch không gian ngầm và phân vùng địa chất: Đánh giá ảnh hưởng của áp lực đất đá, cấu trúc địa tầng, điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn đến vị trí, thế nằm và độ ổn định của công trình ngầm.
  2. Cơ sở cơ học và tính toán kết cấu chống giữ: Phương pháp xác định tải trọng tác dụng lên vỏ hầm và cốt giếng; lý thuyết tương tác giữa khối đất đá xung quanh và các loại kết cấu chống (vì gỗ, vì kim loại, vì neo, bê tông phun, bê tông liền khối và bê tông lắp ghép).
  3. Hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật: Khung pháp lý chuẩn hóa công tác thiết kế gồm 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, QCVN 08:2009/TT-BXD (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia công trình ngầm đô thị), Quyết định 35/2006/QĐ-BCN và QCVN 01:2011/BCT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lò).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Tính toán kích thước hình học mặt cắt ngang giếng và đường lò; xác định thể tích thùng skíp ($V = Q/\gamma$), kiểm tra thời gian vận chuyển người bằng thùng cũi ($T_{ng} \le 0,5\text{ h}$); tính toán lưu lượng thông gió mỏ ($Q_1, Q_2, Q_3$) và diện tích tiết diện theo điều kiện khí động ($S_{SD-TG} = Q / (v \times 60)$); lập hộ chiếu thi công và hộ chiếu chống giữ.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích, so sánh các phương án kỹ thuật – kinh tế để lựa chọn sơ đồ mở vỉa hợp lý; lựa chọn kết cấu cốt giếng (bố trí xà mang tải độc lập, nửa độc lập hoặc khung kín; đường định hướng trượt hoặc con lăn); đánh giá điều kiện khí động học và sức cản của vỏ chống giếng.
  • Kỹ năng thực hành chuyên môn (Practical competencies): Khả năng lập bản vẽ thiết kế kỹ thuật trên bình đồ và trắc dọc; xây dựng quy trình công nghệ thi công 6 bước (khoan nổ mìn/đào máy, bốc xúc, chống giữ, thông gió, thoát nước, lắp đặt hạ tầng kỹ thuật); kiểm tra các khoảng cách an toàn tĩnh không theo quy phạm cho thiết bị vận tải và người đi lại.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp tiếp cận sư phạm

Giáo trình triển khai phương pháp tiếp cận sư phạm dựa trên việc giải quyết bài toán kỹ thuật có cấu trúc. Quá trình thiết kế được phân tích theo chu trình 6 bước lặp hình xoáy trôn ốc:

$$\text{Đặt vấn đề} \longrightarrow \text{Xác định mục đích} \longrightarrow \text{Hình thành ý tưởng} \longrightarrow \text{Phân tích kỹ thuật (Khái niệm hóa & Tối ưu hóa)} \longrightarrow \text{Lập phương án} \longrightarrow \text{Giám định, thông qua}$$

Cách thức này rèn luyện cho người học tư duy hệ thống, khả năng chuyển đổi từ dữ liệu khảo sát ban đầu sang các giải pháp hình học và kết cấu thực tế.

Mô hình giải bài toán kỹ thuật thiết kế:
[Dữ liệu đầu vào: Địa chất, Địa hình, Công suất]
[Xác định bài toán: Mục tiêu, Tiêu chuẩn kỹ thuật]
[Ý tưởng thiết kế: Sơ đồ nguyên tắc, Chọn dạng kết cấu]
[Phân tích kỹ thuật: Tính toán kiểm tra & Tối ưu hóa]
[Lập hồ sơ thiết kế: Bản vẽ, Hộ chiếu chống giữ, Dự toán]
[Giám định & Phê duyệt theo Quy chuẩn hiện hành]

Hệ thống bài tập, câu hỏi ôn tập và đánh giá

  • Hệ thống câu hỏi ôn tập cuối chương: Tại cuối mỗi chương (từ Chương 1 đến Chương 9), giáo trình cung cấp hệ thống câu hỏi định hướng nhằm giúp người học củng cố lý thuyết và rèn luyện kỹ năng giải các bài toán thực hành cụ thể: tính toán thông số cốt giếng, xác định kích thước khoang sân giếng, lựa chọn sơ đồ thông gió hầm ô tô, tính toán hình học hầm đường sắt đơn/đôi.
  • Bài tập đồ án môn học: Giáo trình cung cấp đầy đủ các bước tuần tự để sinh viên thực hiện đồ án thiết kế: từ bước thu thập thông tin địa chất, vạch tuyến đường lò, chọn dạng tiết diện, tính toán kích thước hình học bằng phương pháp đồ họa và giải tích, đến tính toán kiểm tra ổn định và lập hộ chiếu đào chống.
  • Phương pháp đánh giá: Đánh giá kết quả học tập thông qua khả năng tính toán định lượng các thông số kết cấu, sự hiểu biết về quy chuẩn an toàn mỏ/đô thị và năng lực thể hiện các bản vẽ kỹ thuật theo đúng quy cách.

Hướng dẫn tự học

Người học cần kết hợp đọc nội dung lý thuyết với việc tra cứu các bảng thông số kỹ thuật được cung cấp sẵn trong giáo trình (như bảng đặc tính cơ lý các loại thép làm xà $108\times 80\times 10$ đến $355\times 125\times 10$, số hiệu thép I số 20, 27, 36; bảng thông số kỹ thuật ray P.38, P.43; bảng kích thước dầm thép hộp $160\times 160\times 12$ đến $220\times 220\times 16\text{ mm}$). Sinh viên cần chủ động vẽ lại các sơ đồ công nghệ, sơ đồ bố trí xà và mặt cắt ngang công trình theo tỷ lệ chuẩn ($1:20$, $1:50$) để nắm vững các quy định về khoảng cách an toàn tĩnh không.

Điểm nổi bật và cập nhật

Tích hợp dữ liệu công trình thực tế tại Việt Nam

Giáo trình liên hệ trực tiếp với các dự án xây dựng ngầm đã và đang triển khai tại Việt Nam nhằm làm rõ tính ứng dụng của lý thuyết thiết kế:

  • Hệ thống hầm giao thông đường bộ: Dẫn chứng các công trình hầm qua núi đã đưa vào khai thác như Hầm đèo Hải Vân, Đèo Ngang, A Roàng 1, A Roàng 2.
  • Hệ thống công trình ngầm thủy điện: Phân tích các tổ hợp nhà máy và tuyến đường hầm thủy công tại Thủy điện Sông Đà (Hòa Bình), Yali, A Vương, Nậm Chiến.
  • Hạ tầng giao thông đô thị hiện đại: Đề cập đến các dự án tàu điện ngầm (metro) đang phát triển tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, cùng các hầm đường bộ qua nút giao thông đô thị.
  • Khai thác mỏ hầm lò: Đúc kết kinh nghiệm mở vỉa, đào lò và bố trí sân giếng tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.

Hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn pháp lý

Tài liệu tích hợp và viện dẫn các văn bản pháp luật, quy chuẩn kỹ thuật xây dựng và an toàn lao động chính thức của Việt Nam:

  • Luật Xây dựng số 16/2003/QH11;
  • Nghị định số 08/2005/NĐ-CP và Thông tư số 15/2005/TT-BXD về quy hoạch xây dựng;
  • Nghị định số 41/2007/NĐ-CP về Xây dựng ngầm đô thị;
  • Nghị định số 39/2010/NĐ-CP về Quản lý không gian xây dựng ngầm đô thị;
  • Nghị định số 12/2009/NĐ-CP về Quản lý dự án đầu tư xây dựng công trình;
  • QCVN 08:2009/TT-BXD (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia công trình ngầm đô thị);
  • Quyết định số 35/2006/QĐ-BCN và Thông tư số 03/2011/TT-BCT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm lò QCVN 01:2011/BCT).

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên đại học: Giáo trình được thiết kế trực tiếp cho sinh viên năm thứ 3 và năm thứ 4 chuyên ngành Xây dựng mỏ và Công trình ngầm; sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật công trình xây dựng Hầm và Cầu. Sinh viên sử dụng tài liệu để học tập các học phần chuyên môn, làm bài tập lớn và thực hiện đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần cơ sở ngành: Toán giải tích, Hình họa – Vẽ kỹ thuật xây dựng, Cơ học đất, Cơ học đá, Địa chất công trình, Địa chất thủy văn, Sức bền vật liệu và Cơ học kết cấu.
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng giáo trình làm khung đề cương bài giảng chi tiết, xây dựng ngân hàng đề thi, bài tập lớn và hướng dẫn đồ án môn học thiết kế công trình ngầm.
  • Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật: Tài liệu phục vụ tra cứu cho các kỹ sư tư vấn thiết kế, cán bộ giám sát, chỉ đạo thi công tại các ban quản lý dự án hầm giao thông, công trình metro, thủy điện và các công ty khai thác mỏ hầm lò.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp cho đối tượng người học nào?

Giáo trình được biên soạn làm tài liệu học tập chính khóa cho sinh viên đại học chuyên ngành Xây dựng mỏ và Công trình ngầm, tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Cầu Hầm, đồng thời phục vụ kỹ sư thiết kế và thi công công trình ngầm.

2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi tiếp cận giáo trình?

Người học cần nắm vững kiến thức về Cơ học đất đá, Địa chất công trình, Địa chất thủy văn, Sức bền vật liệu, Kết cấu xây dựng và kỹ năng đọc – lập bản vẽ kỹ thuật xây dựng.

3. Giáo trình có đề cập đến các công trình ngầm giao thông và đô thị không hay chỉ tập trung vào công trình ngầm trong mỏ?

Giáo trình bao quát toàn diện cả công trình ngầm mỏ (Chương 1 đến 5) và công trình ngầm dân dụng, giao thông, thủy công (Chương 6 đến 9), bao gồm hầm đường sắt, hầm ô tô qua núi/dưới nước, hệ thống tàu điện ngầm (metro) và hầm thủy điện.

4. Phương pháp tính toán tiết diện công trình ngầm trong giáo trình dựa trên những nguyên lý nào?

Kích thước tiết diện được xác định kết hợp giữa phương pháp đồ họa (dựa vào khổ tĩnh không của thiết bị vận tải, thùng trục skíp/cũi, quy định khoảng cách an toàn) và phương pháp giải tích kiểm tra theo điều kiện thông gió, thoát nước và mức chi phí nhỏ nhất.

5. Giáo trình có trích dẫn các tiêu chuẩn, quy chuẩn xây dựng hiện hành không?

Giáo trình viện dẫn đầy đủ hệ thống văn bản quy phạm pháp luật và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia của Việt Nam như Luật Xây dựng, Nghị định 41/2007/NĐ-CP, Nghị định 39/2010/NĐ-CP, QCVN 08:2009/TT-BXD và QCVN 01:2011/BCT.

Kết luận

Giáo trình Quy hoạch và thiết kế cấu tạo công trình ngầm (205 trang, 9 chương) do TS. Vũ Đức Quyết chủ biên là tài liệu học thuật tổng hợp hệ thống lý thuyết quy hoạch, phương pháp tính toán và giải pháp cấu tạo kết cấu công trình ngầm tại Việt Nam. Nội dung tài liệu phản ánh tiến trình kỹ thuật hoàn chỉnh: từ khảo sát địa chất, lập sơ đồ nguyên tắc, tính toán kích thước mặt cắt ngang đến thiết kế kết cấu chống giữ và bố trí công nghệ cho cả 4 lĩnh vực: khai thác mỏ, giao thông vận tải, đô thị và thủy điện.

Lộ trình học tập đề xuất cho người học là nghiên cứu tuần tự từ nguyên lý mở vỉa, thiết kế giếng đứng và đường lò mỏ (Chương 1–5), tiếp tục mở rộng sang đường hầm giao thông, metro và hầm thủy công (Chương 6–9), kết hợp giải quyết hệ thống câu hỏi ôn tập cuối mỗi chương. Để nghiên cứu chuyên sâu, người học có thể tra cứu thêm 31 tài liệu tham khảo chuyên ngành được liệt kê ở phần cuối giáo trình.