Chương 6 – ĐÀO HẦM TRONG ĐÁ

\begin{aligned} \end{aligned}

6.1 GIỚI THIỆU

Các Chương 6 đến 10 trình bày các khuyến nghị và yêu cầu thiết kế đối với tất cả các loại hầm đường bộ đào bằng phương pháp đào và khoan. Chương 6 đề cập đến phân tích, thiết kế và các vấn đề thi công đối với hầm trong đá, bao gồm cơ chế phá hoại đá, phân loại khối đá, phương pháp đào, hệ chống đỡ hố đào và các vấn đề thiết kế đối với vỏ hầm cố định, kiểm soát nước ngầm và các biện pháp kiểm soát nền khác. Chương 10 đề cập đến thiết kế các loại vỏ hầm cố định khác nhau áp dụng cho hầm trong đá.

Do phạm vi ứng xử của hầm trong đá rất rộng, từ môi trường liên tục đồng nhất đến môi trường không liên tục, các biện pháp ổn định có thể thay đổi từ không cần hệ chống đỡ đến dùng bolt thép, bê tông phun cường độ cao và nhiều biến thể, tổ hợp khác nhau ở giữa. Các biến đổi này chắc chắn sẽ xuất hiện khi đi từ hầm này sang hầm khác, nhưng thường cũng cần thiết ngay trong một hầm vì địa chất và/hoặc hình học tuyến hầm thay đổi. Vì vậy, kỹ sư phải nhận thức được nhu cầu thay đổi và chuẩn bị thiết kế cho phép điều chỉnh tại hiện trường để thích ứng phương pháp, thiết bị và trình tự thi công với các thách thức do tính biến thiên của tự nhiên gây ra. Chương này cung cấp cho kỹ sư các công cụ cơ bản để tiếp cận thiết kế; đây không phải là sách dạy nấu ăn cung cấp các giải pháp/thiết kế tức thời cho người thiết kế mới vào nghề.

Các dữ liệu cần thiết cho phân tích và thiết kế hầm trong đá, cùng các kỹ thuật khảo sát để thu thập dữ liệu, được thảo luận trong Chương 3. Kết quả phân tích và thiết kế trình bày sau đây thường được đưa vào biên bản ghi nhớ thiết kế địa kỹ thuật/kết cấu (Chương 4) và là cơ sở của Báo cáo Nền tảng Địa kỹ thuật (Chương 4). Người đọc được dẫn chiếu đến Chương 7 về các vấn đề hầm trong nền đất mềm. Các điều kiện nền có vấn đề như đất chảy và đất rất mềm được thảo luận trong Chương 8. Phương pháp đào tuần tự dựa trên các nguyên lý của phương pháp đào tuần tự (SEM) được thảo luận trong Chương 9.

6.2 CƠ CHẾ PHÁ HOẠI CỦA ĐÁ

Chỉ trong nửa thế kỷ gần đây, cơ học đá mới phát triển thành một ngành riêng, thay vì chỉ là một nhánh của cơ học đất. Đồng thời, đã có “sự hợp nhất giữa lý thuyết đàn hồi, vốn chiếm ưu thế trong các tài liệu tiếng Anh về chủ đề này, với cách tiếp cận môi trường không liên tục của châu Âu” (Hoek, 2000). Hai hiện tượng này cũng diễn ra trong bối cảnh nhu cầu về hầm kinh tế ngày càng tăng. Vì vậy, thiết kế và thi công hầm trong đá đã có một động lực và vai trò mới trong lĩnh vực xây dựng nặng nói chung, đặc biệt khi áp dụng cho hạ tầng.

Việc hiểu cơ chế phá hoại của khối đá xung quanh một khoảng mở ngầm là rất cần thiết trong thiết kế hệ chống đỡ cho khoảng mở đó. Cơ chế phá hoại phụ thuộc vào mức ứng suất tại hiện trường và các đặc trưng của khối đá đã cho. Ở độ sâu nông, nơi khối đá có dạng khối và có nhiều khe nứt, các vấn đề ổn định thường liên quan đến hiện tượng các khối nêm rơi do trọng lực từ nóc và vách hầm, vì mức độ bó giữ của đá thường thấp. Khi độ sâu dưới mặt đất tăng lên, ứng suất trong đá tăng và có thể đạt đến mức gây phá hoại khối đá. Dạng phá hoại khối đá này có thể bao gồm bong tách, tách phiến và nổ đá nghiêm trọng.

Ngược lại, việc đào một khoảng mở ngầm trong khối đá nguyên khối chưa phong hóa có thể là điều kiện lý tưởng nhất. Khi điều kiện này tồn tại, cùng với mức ứng suất tương đối thấp, hố đào thường sẽ không gặp các vấn đề ổn định nghiêm trọng; do đó, yêu cầu chống đỡ sẽ ở mức tối thiểu.

(spalling, slabbing, rock burst)

Trong cơ học đá/hầm, ba thuật ngữ này đều là dạng phá hoại do ứng suất cao trong đá, nhưng mức độ khác nhau:

spalling → bong tách mặt đá / bong vỡ mặt đá
Là hiện tượng các mảnh đá mỏng hoặc vảy đá bị bong ra khỏi bề mặt hầm do ứng suất tập trung quanh khoảng đào. Thường xảy ra ở vùng đá cứng, giòn, khi ứng suất nén quanh hầm vượt quá khả năng chịu của đá gần bề mặt.

slabbing → tách lớp dạng phiến / bong tách dạng phiến
Là dạng phá hoại trong đó đá bị tách thành các phiến/bản mỏng gần bề mặt hầm. So với spalling, slabbing thường gợi hình ảnh các lớp đá mỏng, tương đối phẳng, bị tách ra do ứng suất.

rock burst → nổ đá / bục đá do ứng suất
Là hiện tượng phá hoại đột ngột, dữ dội của khối đá do năng lượng ứng suất tích lũy được giải phóng nhanh. Thường gặp ở hầm sâu, mỏ sâu, hoặc vùng đá cứng chịu ứng suất lớn.

6.2.1 Phá hoại dạng nêm

Do kích thước khoảng mở hầm (so với khoảng cách khe nứt đá) trong hầu hết các ứng dụng hạ tầng, đá xung quanh hầm có xu hướng ứng xử giống môi trường không liên tục hơn. Ứng xử của hầm trong vật liệu liên tục phụ thuộc vào cường độ nội tại và các đặc tính biến dạng của vật liệu đó; trong khi đó, ứng xử của hầm trong vật liệu không liên tục phụ thuộc vào đặc điểm và khoảng cách của các mặt không liên tục. Thiết kế trong trường hợp thứ nhất tự nhiên phù hợp hơn với mô hình phân tích, tương tự như hầu hết hầm trong đất; còn thiết kế trong trường hợp thứ hai cần xem xét khả năng dịch chuyển hoặc phá hoại của các khối đá hoặc nêm đá, trong đó cách tiếp cận thiết kế là giữ khối đá lại với nhau. Bằng cách đó, đá buộc phải hình thành một “vòm đất” quanh khoảng mở và nhờ vậy phân phối lại lực, để bản thân nền đất/đá chịu phần lớn “tải trọng”.

Để ổn định các khối hoặc nêm đá, và do đó ổn định khoảng mở, bước đầu tiên là xác định số lượng, phương hướng và điều kiện của các khe nứt. Hệ Q, được mô tả trong mục 6.3.4, cung cấp các thông tin cơ bản cần thiết cho các hệ khe nứt:

• Số lượng khe nứt
• Độ nhám khe nứt
• Mức độ biến đổi khe nứt
• Điều kiện nước trong khe nứt
• Điều kiện ứng suất khe nứt

Khi các tham số này đã được xác định, có thể phân tích ổn định khối hoặc nêm đá và hệ chống đỡ cần thiết để nâng mức ổn định lên mức thỏa đáng. Đối với các hầm nhỏ có hình học thông thường, phân tích ban đầu, nếu chưa phải là phân tích cuối cùng, có thể được ước tính bằng phương pháp vật thể tự do đơn giản.

Đối với các hầm lớn có hình học phức tạp và/hoặc hệ khe nứt phức tạp hơn, khuyến nghị sử dụng chương trình máy tính như Unwedge để phân tích khoảng mở. Sau khi các tham số cơ bản của bài toán được nhập vào chương trình, có thể thực hiện một loạt lần chạy để đánh giá ảnh hưởng của các biến thiên này đến hệ chống đỡ tính toán cần thiết cho khoảng mở. Thực hành thiết kế sử dụng Unwedge sẽ được giới thiệu trong Mục 6.6.2.

Như đã nêu trước đó, ngoại trừ các hầm nhỏ trong đá rất nguyên khối, khái niệm “đá liền khối” thường là một nhận thức sai. Do đó, ứng xử của nền xung quanh hầm trong đá thường là sự kết hợp giữa môi trường dạng khối và môi trường liên tục. Vì vậy, các “tải trọng” tác dụng lên hệ chống đỡ hầm thường không đều và không đồng nhất. Điều này trái ngược với hầm trong nền đất mềm, nơi nền đôi khi có thể được xấp xỉ bằng các giả thiết đàn hồi hoặc đàn hồi-dẻo, hoặc nơi các tham số đưa vào mô hình số dễ được xấp xỉ hợp lý hơn nhiều.

Nói một cách đơn giản nhất, thách thức trong việc chống đỡ hầm trong đá là ngăn xu hướng tự nhiên của đá bị “bung rời”. Hầu hết các phá hoại trong hầm đá được khởi phát bởi một khối đá, được Goodman (1980) gọi là “khối then chốt”, có xu hướng lỏng ra và rơi ra ngoài. Khi khối đá đó rơi thành công, các khối khác có xu hướng lỏng ra và tiếp tục rơi theo. Quá trình này có thể tiếp diễn cho đến khi hầm sụp đổ hoàn toàn, hoặc cho đến khi hình học và điều kiện ứng suất đạt trạng thái cân bằng và quá trình bung rời dừng lại. Ngược lại, nếu khối đầu tiên đó được giữ cố định tại chỗ, ứng suất sẽ tự sắp xếp lại vào vòm đất quanh hầm và đạt được ổn định. Hình 6-1 minh họa cách ứng xử bất lợi của các khối đá lan truyền, trong khi Hình 6-2 cho thấy việc giữ khối then chốt tại chỗ có thể ổn định khoảng mở như thế nào (theo Deere, 1969).

6.2.2 Phá hoại do ứng suất gây ra

Khi độ sâu của hầm tăng lên, hoặc khi có các kết cấu ngầm lân cận và điều kiện đất nền/khối đá trở nên kém thuận lợi hơn, ứng suất trong khối đá xung quanh tăng lên và phá hoại xảy ra khi ứng suất vượt quá cường độ của khối đá. Dạng phá hoại này có thể dao động từ bong tách nhỏ hoặc tách lớp dạng phiến trên bề mặt đá đến nổ đá khi xảy ra phá hoại của một thể tích khối đá đáng kể.

Bước 1 – Khối A rơi xuống
Bước 2 – Khối B xoay ngược chiều kim đồng hồ và rơi ra
Bước 3 – Khối C xoay ngược chiều kim đồng hồ và rơi ra
Bước 4 – Khối D rơi ra, tiếp theo là khối E
Bước 5 – Khối E rơi ra, tiếp theo là khối F
Bước 6 – Khối F xoay theo chiều kim đồng hồ và rơi ra

Bước 1 – Khối A và C được giữ tại chỗ bằng bu lông đá và bê tông phun
Bước 2 – Khối B được giữ tại chỗ bởi các khối A và C
Bước 3 – Khối D được giữ tại chỗ bởi các khối A, B và C
Bước 4 – Các khối E và F được giữ tại chỗ bởi các khối A, B và D, với sự hỗ trợ của bu lông đá và bê tông phun

Khả năng phá hoại do ứng suất gây ra có thể được khảo sát bằng cách sử dụng hệ số cường độ (SF) đối với phá hoại cắt, được định nghĩa là:\(SF = \dfrac{\sigma_{1f} – \sigma_3}{\sigma_1 – \sigma_3}\) trong đó \((\sigma_{1f} – \sigma_3)\) là cường độ của khối đá, còn \((\sigma_1 – \sigma_3)\) là ứng suất gây ra. \(\sigma_1\) và \(\sigma_3\) lần lượt là ứng suất chính lớn và ứng suất chính nhỏ, còn \(\sigma_{1f}\) là ứng suất chính lớn tại phá hoại.

SF lớn hơn 1.0 cho thấy cường độ khối đá lớn hơn ứng suất gây ra, tức là không có tình trạng quá ứng suất trong khối đá. Khi SF nhỏ hơn 1.0, ứng suất gây ra lớn hơn cường độ khối đá, và khối đá bị quá ứng suất, có khả năng ứng xử trong phạm vi dẻo.

6.2.3 Ép trồi và trương nở

Đá ép trồi liên quan đến sự hình thành một vùng dẻo quanh khoảng mở và mất ổn định nghiêm trọng tại gương đào. Xét từ góc độ thiết kế hầm, một khối đá được xem là yếu khi cường độ nén một trục tại chỗ của nó thấp hơn đáng kể so với các ứng suất tự nhiên và ứng suất do đào gây ra tác dụng lên khối đá xung quanh hầm.

Hoek và cộng sự (2000) đã đề xuất một biểu đồ để dự đoán các vấn đề ép trồi dựa trên biến dạng khi không có hệ chống đỡ, như thể hiện trong Hình 6-3. Là một phép xấp xỉ rất đơn giản, Hình 6-3 có thể được dùng trực tiếp để dự đoán khả năng ép trồi bằng cách so sánh cường độ khối đá với ứng suất tại chỗ. Nếu có kết quả phân tích phần tử hữu hạn, có thể dự đoán đơn giản khả năng ép trồi dựa trên các biến dạng tính toán từ phân tích phần tử hữu hạn.

Ví dụ, các vấn đề ép trồi, nếu hầm được đào ở độ sâu dự kiến, sẽ nghiêm trọng khi biến dạng tính toán từ phân tích phần tử hữu hạn đạt 2.5% hoặc lớn hơn. Cần lưu ý rằng các biến dạng trong Hình 6-3 dựa trên các hầm chưa lắp đặt hệ chống đỡ.

Ngược lại, đá trương nở liên quan đến sự gia tăng hàm lượng ẩm của đá. Đá trương nở đôi khi có thể đi kèm với đá ép trồi, nhưng cũng có thể xảy ra mà không hình thành vùng dẻo. Hiện tượng trương nở thường liên quan đến các khoáng vật sét, đá phiến sét hoặc đá phiến sét sét kết, dù đã bị cố kết hay chưa, hút nước và nở ra.

Một thí nghiệm trương nở tương đối đơn giản trong phòng thí nghiệm sẽ cho phép dự đoán mức độ trương nở, đồng thời cung cấp “áp lực trương nở”. Áp lực trương nở được định nghĩa là áp lực cần tác dụng lên đá để ngăn trương nở.

Rõ ràng, hệ chống đỡ phải có đủ khối lượng/kích thước để kháng ít nhất toàn bộ áp lực trương nở nhằm ngăn chuyển vị trương nở. Đá phiến montmorillonitic, basalt nontronite phong hóa, và một số muối gặp trong các mỏ evaporite là các loại đá trương nở điển hình. Chương 8 trình bày chi tiết hơn về đất nền có vấn đề do ép trồi và trương nở.

6.3 PHÂN LOẠI KHỐI ĐÁ

6.3.1 Giới thiệu

Các hệ thống phân loại khối đá đã được phát triển nhằm hỗ trợ, chủ yếu, việc chia đá thành các nhóm chung hoặc nhóm tương tự nhau. Hệ thống đầu tiên thực sự có tổ chức được đề xuất bởi TS. Karl Terzaghi (1946), và sau đó là nhiều hệ thống do các tác giả khác đề xuất. Hệ thống của Terzaghi chủ yếu mang tính định tính, trong khi một số hệ thống khác có tính định lượng hơn. Các tiểu mục sau giải thích ba hệ thống và cho thấy cách chúng có thể được dùng để bắt đầu xây dựng và áp dụng các điểm số đánh giá bằng số cho việc lựa chọn hệ chống đỡ và lớp lót hầm trong đá. Mục này thảo luận các hệ thống phân loại khối đá khác nhau, chủ yếu được sử dụng cho các dự án thiết kế và thi công hầm trong đá.

6.3.2 Phân loại của Terzaghi

Ngày nay, hầm trong đá thường được thiết kế có xét đến tương tác giữa đá và đất nền, tức là sự phân bố lại ứng suất vào trong khối đá thông qua việc hình thành vòm đá. Tuy nhiên, khái niệm tải trọng vẫn tồn tại và có thể được áp dụng ở giai đoạn đầu trong thiết kế để “nắm bắt sơ bộ” yêu cầu chống đỡ. Khái niệm này nhằm cung cấp hệ chống đỡ cho một chiều cao đá, tức tải trọng đá, có xu hướng rơi ra khỏi mái hầm (Terzaghi, 1946). Các mô tả định tính của Terzaghi về các cấp đá được tóm tắt trong Bảng 6-1.

Bảng 6-1. Phân loại khối đá của Terzaghi

Điều kiện đá	Mô tả
Đá nguyên khối	Không chứa khe nứt cũng như vết nứt nhỏ. Do đó, nếu bị phá vỡ, đá sẽ phá vỡ ngang qua khối đá nguyên vẹn. Do đá bị tổn thương do nổ mìn, các mảnh đá bong vỡ có thể rơi khỏi mái hầm vài giờ hoặc vài ngày sau khi nổ mìn. Hiện tượng này được gọi là điều kiện bong tách. Đá nguyên khối cứng cũng có thể gặp trong điều kiện popping, liên quan đến sự tách bật tự phát và dữ dội của các phiến đá khỏi thành hoặc mái hầm.
Đá phân lớp	Gồm các lớp đá riêng biệt, có rất ít hoặc không có sức kháng chống tách rời dọc theo ranh giới giữa các lớp. Các lớp đá có thể hoặc không bị suy yếu bởi các khe nứt ngang. Trong loại đá này, điều kiện bong tách khá phổ biến.
Đá nứt nẻ vừa phải	Chứa các khe nứt và vết nứt nhỏ, nhưng các khối giữa các khe nứt có sự gắn kết cục bộ hoặc liên kết chặt đến mức các tường thẳng đứng không cần chống đỡ ngang. Trong loại đá này, có thể gặp cả điều kiện bong tách và popping.
Đá dạng khối và có khe hở	Gồm các mảnh đá còn nguyên vẹn hoặc gần như nguyên vẹn về mặt hóa học, được tách rời hoàn toàn khỏi nhau và liên kết với nhau không hoàn hảo. Trong loại đá này, các tường thẳng đứng có thể cần chống đỡ ngang.
Đá bị nghiền nhưng còn nguyên vẹn về mặt hóa học	Có đặc trưng giống vật liệu chạy qua máy nghiền. Nếu phần lớn hoặc toàn bộ các mảnh có kích thước nhỏ như hạt cát mịn và không xảy ra hiện tượng tái gắn kết, đá nghiền nằm dưới mực nước ngầm sẽ thể hiện các tính chất của cát chứa nước.
Đá ép trồi	Từ từ dịch chuyển vào trong hầm mà không có sự tăng thể tích nhận thấy được. Điều kiện tiên quyết để xảy ra ép trồi là có tỷ lệ cao các hạt vi mô và siêu vi mô của khoáng vật mica hoặc khoáng vật sét có khả năng trương nở thấp.
Đá trương nở	Dịch chuyển vào trong hầm chủ yếu do sự trương nở. Khả năng trương nở dường như bị giới hạn ở những loại đá chứa khoáng vật sét như montmorillonite, có khả năng trương nở cao.

\(\\\)

6.3.3 RQD

Năm 1966, Deere và Miller đã phát triển chỉ số Rock Quality Designation (RQD) nhằm cung cấp một phương pháp có hệ thống để mô tả chất lượng khối đá dựa trên kết quả nhật ký lõi khoan. Deere mô tả RQD là chiều dài, tính theo phần trăm của tổng chiều dài lõi khoan, của các đoạn lõi đá nguyên vẹn và lành lặn có chiều dài 4 in. (10 cm) hoặc lớn hơn.

Một số phương pháp sử dụng RQD để thiết kế hầm trong đá đã được đề xuất. Tuy nhiên, việc sử dụng chính của RQD trong thiết kế hầm hiện đại là một hệ số chính trong các hệ thống phân loại khối đá Q hoặc RMR được mô tả trong các tiểu mục sau. Người đọc có thể tham khảo Subsurface Investigation Manual (FHWA, 2002) để biết thêm chi tiết.

6.3.4 Hệ thống Q

Dựa trên việc đánh giá một số lượng lớn các hồ sơ thực tế về hố đào ngầm, Barton và cộng sự (1974) thuộc Norwegian Geotechnical Institute đã đề xuất Chỉ số Chất lượng Hầm (Q) để xác định các đặc trưng khối đá và yêu cầu chống đỡ hầm. Theo các tác giả, Q được phát triển nhằm:

“Ứng dụng truyền thống của giá trị Q sáu tham số trong kỹ thuật đá là lựa chọn các tổ hợp phù hợp của bê tông phun và bu lông đá để gia cố khối đá và chủ yếu dùng cho các dự án xây dựng dân dụng.”

Giá trị số của chỉ số Q thay đổi theo thang logarit từ 0.001 đến tối đa 1,000, và được ước tính theo biểu thức sau (Barton, 2002):

\[
Q = \left[\frac{RQD}{J_n}\right] \times \left[\frac{J_r}{J_a}\right] \times \left[\frac{J_w}{SRF}\right] \tag{6-1}
\]

trong đó RQD là Rock Quality Designation, \(J_n\) là số bộ khe nứt, \(J_r\) là số độ nhám khe nứt, \(J_a\) là số biến đổi khe nứt, \(J_w\) là hệ số giảm do nước khe nứt, và SRF là hệ số giảm do ứng suất.

Cần lưu ý rằng \(RQD/J_n\) là thước đo kích thước khối đá, \(J_r/J_a\) là thước đo cường độ ma sát của khe nứt, và \(J_w/SRF\) là thước đo ứng suất khe nứt.

Bảng 6-2 từ 6.2-1 đến 6.2-6 đưa ra phân loại các tham số riêng lẻ dùng để xác định Chỉ số Chất lượng Hầm Q cho một khối đá. Cần lưu ý rằng Barton đã đưa vào hơn 1,000 hầm trong quá trình phát triển hệ thống Q.

Bảng 6-2. Phân loại các tham số riêng lẻ cho hệ thống Q (theo Barton và cộng sự, 1974)

Mô tả	Giá trị	Ghi chú
1. Chỉ số chất lượng đá	RQD
A. Rất kém	0 – 25	1. Khi RQD được báo cáo hoặc đo được ≤ 10, kể cả 0, sử dụng giá trị danh nghĩa 10 để tính Q. 2. Các khoảng RQD bằng 5, ví dụ 100, 95, 90, v.v., là đủ chính xác.
B. Kém	25 – 50
C. Trung bình	50 – 75
D. Tốt	75 – 90
E. Rất tốt	90 – 100
2. Số bộ khe nứt	\(J_n\)
A. Nguyên khối, không có hoặc có rất ít khe nứt	0.5 – 1.0	1. Đối với các vị trí giao cắt, dùng: 3.0 × Jn. 2. Đối với cổng hầm, dùng: 2.0 × Jn.
B. Một bộ khe nứt	2
C. Một bộ khe nứt cộng với khe nứt ngẫu nhiên	3
D. Hai bộ khe nứt	4
E. Hai bộ khe nứt cộng với khe nứt ngẫu nhiên	6
F. Ba bộ khe nứt	9
G. Ba bộ khe nứt cộng với khe nứt ngẫu nhiên	12
H. Bốn bộ khe nứt hoặc nhiều hơn, khe nứt ngẫu nhiên, nứt nẻ mạnh, dạng “khối đường”, v.v.	15
J. Đá bị nghiền, giống đất	20
3. Số độ nhám khe nứt	\(J_r\)
a. Có tiếp xúc giữa hai mặt đá
b. Có tiếp xúc giữa hai mặt đá trước khi trượt cắt 10 cm
A. Khe nứt không liên tục	4	1. Cộng thêm 1.0 nếu khoảng cách trung bình của bộ khe nứt liên quan lớn hơn 3 m. 2. Jr = 0.5 có thể dùng cho các khe nứt phẳng, bóng trượt, có đường khía, với điều kiện các đường khía được định hướng theo phương có cường độ nhỏ nhất.
B. Gồ ghề và không đều, dạng lượn sóng	3
C. Nhẵn, dạng lượn sóng	2
D. Bóng trượt, dạng lượn sóng	1.5
E. Gồ ghề hoặc không đều, phẳng	1.5
F. Nhẵn, phẳng	1.0
G. Bóng trượt, phẳng	0.5
c. Không có tiếp xúc giữa hai mặt đá khi bị trượt cắt
H. Các đới chứa khoáng vật sét đủ dày để ngăn tiếp xúc giữa hai mặt đá	1.0 (danh nghĩa)
J. Đới cát, sỏi hoặc đá nghiền đủ dày để ngăn tiếp xúc giữa hai mặt đá	1.0 (danh nghĩa)

\(\\\)

Mô tả	Giá trị	\(\phi_r\), độ (xấp xỉ)	Ghi chú
4. Số biến đổi khe nứt \(J_a\)	\(J_a\)
a. Có tiếp xúc giữa hai mặt đá
A. Khe nứt được hàn gắn chặt, cứng, không mềm hóa, có vật liệu lấp không thấm	0.75		1. Các giá trị \(\phi_r\), tức góc ma sát dư, được dùng như hướng dẫn gần đúng cho các tính chất khoáng vật học của các sản phẩm biến đổi, nếu có.
B. Thành khe nứt không bị biến đổi, chỉ có vết nhuộm màu trên bề mặt	1.0	25 – 35
C. Thành khe nứt bị biến đổi nhẹ, có lớp phủ khoáng vật không mềm hóa, hạt cát, đá phân rã không chứa sét, v.v.	2.0	25 – 30
D. Lớp phủ bụi hoặc sét pha cát, tỷ lệ sét nhỏ, không mềm hóa	3.0	20 – 25
E. Lớp phủ khoáng vật sét mềm hóa hoặc có ma sát thấp, ví dụ kaolinite, mica. Ngoài ra còn có chlorite, talc, gypsum và graphite, v.v., cùng lượng nhỏ sét trương nở. Lớp phủ không liên tục, dày 1 – 2 mm hoặc nhỏ hơn.	4.0	8 – 16
b. Có tiếp xúc giữa hai mặt đá trước khi trượt cắt 10 cm
F. Hạt cát, không chứa sét, đá phân rã, v.v.	4.0	25 – 30
G. Vật liệu lấp khoáng vật sét không mềm hóa, quá cố kết mạnh, liên tục, dày < 5 mm	6.0	16 – 24
H. Vật liệu lấp khoáng vật sét mềm hóa, quá cố kết trung bình hoặc thấp, liên tục, dày < 5 mm	8.0	12 – 16
J. Vật liệu lấp bằng sét trương nở, ví dụ montmorillonite, liên tục, dày < 5 mm. Giá trị Ja phụ thuộc vào tỷ lệ phần trăm hạt sét kích thước trương nở và khả năng tiếp xúc với nước.	8.0 – 12.0	6 – 12
c. Không có tiếp xúc giữa hai mặt đá khi bị trượt cắt
K. Các đới hoặc dải đá bị phân rã hoặc đá nghiền	6.0
L. Đá và sét, xem G, H và J đối với điều kiện sét	8.0
M. Điều kiện sét	8.0 – 12.0	6 – 24
N. Các đới hoặc dải bụi hoặc sét pha cát, tỷ lệ sét nhỏ, không mềm hóa	5.0
O. Các đới hoặc dải sét dày, liên tục	10.0 – 13.0
P. & R. Xem G, H và J đối với điều kiện sét	6.0 – 24.0
5. Hệ số giảm do nước khe nứt	\(J_w\)
A. Hố đào khô hoặc lượng nước chảy vào nhỏ, ví dụ < 5 l/min cục bộ	Jw 1.0	Áp lực nước xấp xỉ (kgf/cm2) < 1.0	1. Các hệ số C đến F là các ước tính thô; tăng Jw nếu có lắp đặt hệ thống thoát nước. 2. Không xét đến các vấn đề đặc biệt do sự hình thành băng gây ra.
B. Lượng nước chảy vào hoặc áp lực trung bình, đôi khi rửa trôi vật liệu lấp khe nứt	0.66	1.0 – 2.5
C. Lượng nước chảy vào lớn hoặc áp lực cao trong đá có khả năng chịu lực tốt, với các khe nứt không có vật liệu lấp	0.5	2.5 – 10.0
D. Lượng nước chảy vào lớn hoặc áp lực cao	0.33	2.5 – 10.0
E. Lượng nước chảy vào hoặc áp lực đặc biệt cao khi nổ mìn, suy giảm theo thời gian	0.2 – 0.1	> 10
F. Lượng nước chảy vào hoặc áp lực đặc biệt cao	0.1 – 0.05	> 10

\(\\\)

Mô tả	Giá trị	Ghi chú
6. Hệ số giảm do ứng suất	SRF
a. Các đới yếu cắt qua hố đào, có thể gây nới lỏng khối đá khi đào hầm
A. Nhiều lần xuất hiện các đới yếu chứa sét hoặc đá bị phân rã về mặt hóa học, đá xung quanh rất rời rạc, bất kỳ chiều sâu nào	10.0	1. Giảm các giá trị SRF này 25 – 50%, nhưng chỉ khi các đới cắt liên quan không cắt qua hố đào.
B. Một đới yếu chứa sét hoặc đá bị phân rã về mặt hóa học, chiều sâu đào < 50 m	5.0
C. Một đới yếu chứa sét hoặc đá bị phân rã về mặt hóa học, chiều sâu đào > 50 m	2.5
D. Nhiều đới cắt trong đá có khả năng chịu lực tốt, không chứa sét, đá xung quanh rời rạc, bất kỳ chiều sâu nào	7.5
E. Một đới cắt trong đá có khả năng chịu lực tốt, không chứa sét, chiều sâu đào < 50 m	5.0
F. Một đới cắt trong đá có khả năng chịu lực tốt, không chứa sét, chiều sâu đào > 50 m	2.5
G. Các khe nứt mở rời rạc, đá nứt nẻ mạnh hoặc dạng “khối đường”, bất kỳ chiều sâu nào	5.0
b. Đá có khả năng chịu lực tốt, các vấn đề do ứng suất trong đá
H. Ứng suất thấp, gần bề mặt	σc/σ1 > 200 σt/σ1 > 13 SRF = 2.5	2. Đối với trường ứng suất nguyên sinh có tính dị hướng mạnh, nếu đo được: khi 5 ≤ σ1/σ3 ≤ 10, giảm σc xuống 0.8σc và σt xuống 0.8σt. Khi σ1/σ3 > 10, giảm σc và σt xuống 0.6σc và 0.6σt, trong đó σc là cường độ nén một trục, σt là cường độ kéo, xác định bằng thí nghiệm tải trọng điểm, còn σ1 và σ3 là ứng suất chính lớn và nhỏ. 3. Có ít hồ sơ thực tế đối với trường hợp chiều sâu đỉnh hầm dưới mặt đất nhỏ hơn chiều rộng nhịp. Đề xuất tăng SRF từ 2.5 lên 5 cho các trường hợp này,xem H.
J. Ứng suất trung bình	σc/σ1 = 200 – 10 σt/σ1 = 13 – 0.66 SRF = 1.0
K. Ứng suất cao, kết cấu rất chặt, thường thuận lợi cho ổn định, nhưng có thể bất lợi cho ổn định thành hầm	σc/σ1 = 10 – 5 σt/σ1 = 0.66 – 0.33 SRF = 0.5 – 2
L. Nổ đá nhẹ, đá nguyên khối	σc/σ1 = 5 – 2.5 σt/σ1 = 0.33 – 0.16 SRF = 5 – 10
M. Nổ đá mạnh, đá nguyên khối	σc/σ1 < 2.5 σt/σ1 < 0.16 SRF = 10 – 20
c. Đá ép trồi, dòng chảy dẻo của đá yếu dưới ảnh hưởng của áp lực đá cao
N. Áp lực đá ép trồi nhẹ	5 – 10
O. Áp lực đá ép trồi mạnh	10 – 20
d. Đá trương nở, hoạt động trương nở hóa học phụ thuộc vào sự có mặt của nước
P. Áp lực đá trương nở nhẹ	5 – 10
R. Áp lực đá trương nở mạnh	10 – 15
Ghi chú bổ sung về việc sử dụng các bảng này Khi ước tính chất lượng khối đá Q, ngoài các ghi chú nêu trong bảng, cần tuân theo các hướng dẫn sau 1. Khi không có lõi khoan, RQD có thể được ước tính từ số khe nứt trên một đơn vị thể tích, trong đó số khe nứt trên mỗi mét của từng bộ khe nứt được cộng lại.Có thể sử dụng quan hệ đơn giản để chuyển số này thành RQD đối với khối đá không chứa sét: RQD = 115 – 3.3Jv(xấp xỉ), trong đó Jv là tổng số khe nứt trên m3 với (0 < RQD < 100 đối với 35 > Jv > 4.5). 2. Tham số Jn, biểu thị số bộ khe nứt, thường bị ảnh hưởng bởi phân phiến, cấu tạo phiến,khe chẻ dạng slate hoặc phân lớp, v.v. Nếu phát triển mạnh, các “khe nứt” song song này rõ ràng cần được tính là một bộ khe nứt hoàn chỉnh. Tuy nhiên, nếu chỉ có một vài “khe nứt” nhìn thấy được, hoặc nếu chỉ thỉnh thoảng có các vết nứt trong lõi khoan do các đặc điểm này, thì sẽ hợp lý hơn khi xem chúng là các khe nứt ngẫu nhiên khi đánh giá Jn. 3. Các tham số Jr và Ja, biểu thị cường độ cắt, nên liên quan đến bộ khe nứt đáng kể yếu nhất hoặc mặt bất liên tục có vật liệu lấp sét trong vùng đang xét. Tuy nhiên, nếu bộ khe nứt hoặc mặt bất liên tục có giá trị Jr/Ja nhỏ nhất lại có phương thuận lợi cho ổn định, thì một bộ khe nứt hoặc mặt bất liên tục khác có phương kém thuận lợi hơn đôi khi có thể quan trọng hơn, và khi đánh giá Q nên sử dụng giá trị Jr/Ja cao hơn của bộ khe nứt đó. Giá trị Jr/Ja thực tế phải phản ánh bề mặt có khả năng cao nhất cho phép phá hoại khởi phát. 4. Khi khối đá chứa sét, cần đánh giá hệ số SRF phù hợp với tải trọng nới lỏng. Trong các trường hợp này, cường độ của đá nguyên vẹn ít được quan tâm. Tuy nhiên, khi khe nứt rất ít và sét hoàn toàn không có, cường độ của đá nguyên vẹn có thể trở thành mắt xích yếu nhất, và khi đó ổn định sẽ phụ thuộc vào tỷ số ứng suất đá/cường độ đá. Trường ứng suất có tính dị hướng mạnh sẽ bất lợi cho ổn định và được xét gần đúng như trong ghi chú 2 của bảng về hệ số giảm do ứng suất. 5. Cường độ nén và cường độ kéo, σc và σt, của đá nguyên vẹn nên được đánh giá trong trạng thái bão hòa nếu điều này phù hợp với điều kiện hiện tại và tương lai. Cần ước tính cường độ theo hướng rất bảo thủ đối với các loại đá bị suy giảm chất lượng khi tiếp xúc với điều kiện ẩm hoặc bão hòa.

\(\\\)

Việc đánh giá các tham số Q này và cách sử dụng Bảng 6-2 có thể được minh họa bằng cách xét một đoạn hầm có các đặc tính sau:

Tham số	Mô tả	Giá trị	Bảng
RQD	75 đến 90	RQD = 80	6-2.1
Bộ khe nứt	Hai bộ khe nứt cộng với các khe nứt ngẫu nhiên	Jn = 6	6-2.2
Độ nhám khe nứt	Nhẵn, dạng lượn sóng	Jr = 2	6-2.3
Biến đổi khe nứt	Thành khe nứt bị biến đổi nhẹ, có lớp phủ khoáng vật không mềm hóa, hạt cát, đá phân rã không chứa sét, v.v.	Ja = 2	6-2.4
Hệ số giảm do nước khe nứt	Lượng nước chảy vào trung bình, đôi khi rửa trôi vật liệu lấp khe nứt	Jw = 0.66	6-2.5
Hệ số giảm do ứng suất	Ứng suất trung bình, điều kiện ứng suất thuận lợi	SRF = 1.0	6-2.6

Với các tham số đã xác định, Q được tính như sau:

\[
Q =
\left[\frac{RQD}{J_n}\right]
\times
\left[\frac{J_r}{J_a}\right]
\times
\left[\frac{J_w}{SRF}\right]\frac{80}{6}
\times
\frac{2}{2}
\times
\frac{0.66}{1}
= 9
\]

Tham khảo Hình 6-25 để được hướng dẫn sử dụng Q trong việc lựa chọn hệ chống đỡ hố đào. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng “hệ thống Q có phạm vi áp dụng tốt nhất trong các khối đá có khe nứt, nơi mất ổn định là do đá rơi. Đối với hầu hết các dạng ứng xử nền đất/khối đá khác trong hầm, hệ thống Q, giống như hầu hết các phương pháp thực nghiệm/phân loại khác, đều có những giới hạn nhất định. Biểu đồ chống đỡ theo Q chỉ đưa ra chỉ dẫn về hệ chống đỡ cần áp dụng, và cần được điều chỉnh bằng phán đoán kỹ thuật hợp lý và thực tiễn” (Palmstream và Broch, 2006).

Hệ thống Q được phát triển từ hơn 1000 dự án hầm, phần lớn ở Scandinavia, và tất cả đều được đào bằng phương pháp khoan và nổ mìn. Khi đào bằng TBM, mức độ xáo trộn đối với đá nhỏ hơn đáng kể so với khoan và nổ mìn. Dựa trên nghiên cứu từ một cơ sở dữ liệu nhỏ hơn nhiều (Barton, 1991), khuyến nghị rằng giá trị Q đối với đào bằng TBM nên được tăng lên theo hệ số 2 đối với các giá trị Q nằm trong khoảng từ 4 đến 30.

6.3.5 Hệ thống Rock Mass Rating (RMR)

Z.T. Bieniawski (1989) đã phát triển hệ thống Rock Mass Rating (RMR) theo hướng khá tương tự với hệ thống Q. Hệ thống RMR sử dụng sáu tham số như sau:

• Cường độ nén một trục của đá
• RQD
• Khoảng cách giữa các mặt bất liên tục
• Điều kiện của các mặt bất liên tục
• Điều kiện nước ngầm
• Hướng của các mặt bất liên tục

Điểm đánh giá cho từng tham số này được lấy từ Bảng 6-3. Tổng điểm của sáu tham số trở thành giá trị RMR cơ bản, như minh họa trong ví dụ sau. Bảng 6-9 trình bày cách sử dụng RMR để xác định yêu cầu chống đỡ cho một hầm có nhịp 33 ft (10 m).

Việc xác định giá trị RMR bằng Bảng 6-3 có thể được minh họa trong ví dụ sau:

Tham số	Mô tả	Bảng 6-3	Giá trị
Cường độ đá	20,000 psi = 138 MPa	A1	12
RQD	75 đến 90	A2	17
Khoảng cách giữa các mặt bất liên tục	4 ft = 1.2 m	A3	15
Điều kiện của các mặt bất liên tục	Hơi gồ ghề, phong hóa nhẹ	A4	25
Nước ngầm	Nhỏ giọt	A5	4
Hướng của mặt bất liên tục	Trung bình	B	-5
Tổng điểm	Cấp II, đá tốt	C	68

\(\\\)

Bảng 6-3. Hệ thống đánh giá khối đá RMR (theo Bieniawski, 1989)

A. CÁC THAM SỐ PHÂN LOẠI VÀ ĐIỂM ĐÁNH GIÁ
Tham số			Khoảng giá trị
1	Cường độ đá nguyên vẹn	Chỉ số cường độ tải trọng điểm	> 10 MPa	4 – 10 MPa	2 – 4 MPa	1 – 2 MPa	Đối với khoảng giá trị thấp này, nên dùng thí nghiệm nén một trục
		Cường độ nén một trục	> 250 MPa	100 – 250 MPa	50 – 100 MPa	25 – 50 MPa	5 – 25 MPa	1 – 5 MPa	< 1 MPa
	Điểm		15	12	7	4	2	1	0
2	Chất lượng lõi khoan RQD		90% – 100%	75% – 90%	50% – 75%	25% – 50%	< 25%
	Điểm		20	17	13	8	3
3	Khoảng cách giữa các mặt bất liên tục		> 2 m	0.6 – 2 m	200 – 600 mm	60 – 200 mm	< 60 mm
	Điểm		20	15	10	8	5
4	Điều kiện của các mặt bất liên tục (xem E)		Bề mặt rất gồ ghề Không liên tục Không có sự tách mở Thành đá không phong hóa	Bề mặt hơi gồ ghề Tách mở < 1 mm Thành đá hơi phong hóa	Bề mặt hơi gồ ghề Tách mở < 1 mm Thành đá phong hóa mạnh	Bề mặt bóng trượt hoặc Vật liệu lấp khe nứt dày < 5 mm hoặc Tách mở 1 – 5 mm Liên tục	Vật liệu lấp khe nứt mềm dày > 5 mm hoặc Tách mở > 5 mm Liên tục
	Điểm		30	25	20	10	0
5	Nước ngầm	Lưu lượng chảy vào trên 10 m chiều dài hầm (l/min)	Không có	< 10	10 – 25	25 – 125	> 125
		Tỷ số áp lực nước khe nứt / ứng suất chính lớn	0	< 0.1	0.1 – 0.2	0.2 – 0.5	> 0.5
		Điều kiện chung	Hoàn toàn khô	Ẩm	Ướt	Nhỏ giọt	Chảy nước
	Điểm		15	10	7	4	0
B. ĐIỀU CHỈNH ĐIỂM THEO HƯỚNG CỦA MẶT BẤT LIÊN TỤC
Phương và hướng dốc của mặt bất liên tục			Rất thuận lợi	Thuận lợi	Trung bình	Không thuận lợi	Rất không thuận lợi
Điểm		Hầm và mỏ	0	-2	-5	-10	-12
		Móng	0	-2	-7	-15	-25
		Mái dốc	0	-5	-25	-50
C. CẤP KHỐI ĐÁ XÁC ĐỊNH TỪ TỔNG ĐIỂM
Điểm			100 – 81	80 – 61	60 – 41	40 – 21	< 21
Cấp khối đá			I	II	III	IV	V
Mô tả			Đá rất tốt	Đá tốt	Đá trung bình	Đá kém	Đá rất kém
D. Ý NGHĨA CỦA CÁC CẤP ĐÁ
Cấp khối đá			I	II	III	IV	V
Thời gian tự đứng trung bình			20 năm đối với nhịp 15 m	1 năm đối với nhịp 10 m	1 tuần đối với nhịp 5 m	10 giờ đối với nhịp 2.5 m	30 phút đối với nhịp 1 m
Lực dính của khối đá (kPa)			> 400	300 – 400	200 – 300	100 – 200	< 100
Góc ma sát của khối đá (độ)			> 45	35 – 45	25 – 35	15 – 25	< 15
E. HƯỚNG DẪN PHÂN LOẠI ĐIỀU KIỆN MẶT BẤT LIÊN TỤC
Chiều dài mặt bất liên tục, hay độ liên tục			< 1 m	1 – 3 m	3 – 10 m	10 – 20 m	> 20 m
Điểm			6	4	2	1	0
Độ mở			Không có	< 0.1 mm	0.1 – 1.0 mm	1 – 5 mm	> 5 mm
Điểm			6	5	4	1	0
Độ nhám			Rất gồ ghề	Gồ ghề	Hơi gồ ghề	Nhẵn	Bóng trượt
Điểm			6	5	3	1	0
Vật liệu lấp			Không có	Vật liệu lấp cứng < 5 mm	Vật liệu lấp cứng > 5 mm	Vật liệu lấp mềm < 5 mm	Vật liệu lấp mềm > 5 mm
Điểm			6	4	2	2	0
Phong hóa			Không phong hóa	Phong hóa nhẹ	Phong hóa vừa	Phong hóa mạnh	Phân hủy
Điểm			6	5	3	1	0
F. ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG VÀ HƯỚNG DỐC MẶT BẤT LIÊN TỤC TRONG ĐÀO HẦM**
Phương vuông góc với trục hầm					Phương song song với trục hầm
Đào theo hướng dốc 45° – 90°			Đào theo hướng dốc 20° – 45°		Hướng dốc 45° – 90°			Hướng dốc 20° – 45°
Rất thuận lợi			Thuận lợi		Rất thuận lợi			Trung bình
Đào ngược hướng dốc 45° – 90°			Đào ngược hướng dốc 20° – 45°		Hướng dốc 20° – 45°, không phụ thuộc phương*
Trung bình			Không thuận lợi		Trung bình
* Một số điều kiện loại trừ lẫn nhau. Ví dụ, nếu có vật liệu lấp nhét trong khe nứt, độ nhám của bề mặt sẽ bị chi phối bởi ảnh hưởng của gouge. Trong các trường hợp như vậy, dùng trực tiếp A.4. ** Được hiệu chỉnh theo Wickham và cộng sự (1972).

\(\\\)

Bieniawski, Barton và các tác giả khác đã đề xuất nhiều tương quan khác nhau giữa RMR và các tham số khác. Trong phạm vi sổ tay này, tương quan phù hợp nhất giữa Q và RMR được cho bởi:

\[
Q = 10^{\dfrac{RMR – 50}{15}}\tag{6-2}
\]

6.3.6 Ước tính mô đun biến dạng của khối đá bằng phân loại khối đá

Mô đun biến dạng tại hiện trường của khối đá là một tham số thiết yếu cho thiết kế, phân tích và diễn giải dữ liệu quan trắc trong mọi dự án hầm trong đá. Việc đánh giá ứng suất và ứng xử biến dạng của khối đá có khe nứt đòi hỏi mô đun và cường độ của đá nguyên khối phải được giảm xuống để xét đến sự hiện diện của các gián đoạn như khe nứt, lớp phân tầng và các mặt phân phiến trong khối đá. Do mô đun biến dạng tại hiện trường của khối đá rất khó và tốn kém để đo, các kỹ sư thường ước tính tham số này bằng các phương pháp gián tiếp. Đã có nhiều nỗ lực nhằm xây dựng các quan hệ để ước tính mô đun biến dạng của khối đá bằng các phân loại khối đá.

Phương pháp giảm mô đun sử dụng RQD yêu cầu đo mô đun của đá nguyên khối từ các thí nghiệm trong phòng trên mẫu đá nguyên khối, sau đó giảm giá trị trong phòng thí nghiệm này bằng cách xét đến giá trị RQD của khối đá tại hiện trường. Việc giảm giá trị mô đun được thực hiện thông qua một tương quan được chấp nhận rộng rãi giữa RQD (Rock Quality Designation – chỉ số chất lượng đá) và tỷ số giảm mô đun, \(E_M/E_L\), trong đó \(E_L\) là mô đun trong phòng thí nghiệm xác định từ các mẫu đá nguyên khối nhỏ, còn \(E_M\) là mô đun khối đá, như thể hiện trong Hình 6-4. Cách tiếp cận này hiện nay ít khi được sử dụng trực tiếp trong các dự án thiết kế hầm trong đá ở giai đoạn cuối. Tuy nhiên, nó vẫn được xem là một công cụ tốt cho các tính toán sơ bộ và để kiểm chứng kết quả thu được từ đo trực tiếp hoặc từ các phương pháp khác.

Dựa trên phân tích ngược của một số trường hợp thực tế, một số phương pháp đã được đề xuất để đánh giá mô đun biến dạng của khối đá tại hiện trường dựa trên phân loại khối đá. Các phương pháp này được tóm tắt trong Bảng 6-4.

Bảng 6-4 Ước tính mô đun biến dạng của khối đá bằng phân loại khối đá.

* GSI là Geological Strength Index – Chỉ số sức mạnh địa chất. Giá trị GSI dao động từ 10 đối với khối đá cực kỳ kém đến 100 đối với đá nguyên khối.\((
GSI = RMR_{76} = RMR_{89} – 5 = 9\log_e Q + 44)\)

** D là hệ số phụ thuộc vào mức độ xáo động do hư hại nổ mìn và giải phóng ứng suất. Hệ số này thay đổi từ 0 đối với các khối đá tại hiện trường không bị xáo động đến 1 đối với các khối đá bị xáo động rất mạnh. Hướng dẫn lựa chọn D được trình bày trong Bảng 6-5.

Bảng 6-5 Ước tính hệ số xáo động, D

Về bản chất, quá trình này để lại bề mặt đá bị nứt nẻ và xáo động. Vùng xáo động thường lan sâu từ một đến hai mét vào trong khối đá và có thể là nguyên nhân khởi phát phá hoại dạng nêm như đã thảo luận trước đó. Ở mức tối thiểu, điều này thường dẫn đến tiết diện đào lớn hơn so với yêu cầu phục vụ sử dụng, đồng thời cần lắp đặt biện pháp chống đỡ để ổn định phần chu vi của mặt cắt đào vừa hình thành. Để giảm mức độ xáo động, có thể áp dụng kỹ thuật “nổ mìn có kiểm soát” như đã thảo luận trong Mục 6.4.1.1.

6.4.1.1 Nguyên lý nổ mìn có kiểm soát

Thuốc nổ hoạt động thông qua phản ứng hóa học nhanh, tạo ra khí nóng có thể tích lớn hơn nhiều so với thể tích ban đầu của thuốc nổ. Điều này có thể xảy ra vì thuốc nổ chứa cả nhiên liệu và chất oxy hóa. Khi thuốc nổ phát nổ, khí giãn nở nhanh thực hiện hai chức năng: tạo một xung lực đột ngột truyền tới lỗ khoan, làm nứt đá, và xuyên vào các khe nứt, gián đoạn mới hình thành, đẩy tách các mảnh đá ra. Để tạo hiệu quả “hai bước” này, thuốc nổ được phân bố trong khối đá bằng cách khoan một loạt lỗ khoan, sau đó nạp thuốc nổ và kích nổ theo trình tự có trật tự.

6.4.1.2 Giải phóng

Để phá vỡ đá hiệu quả, phải có không gian để các mảnh đá mới hình thành có thể dịch chuyển vào. Nếu không có không gian này, đá chỉ bị nứt nhưng không bị tách rời thành mảnh, và khối đá không ổn định này sẽ vẫn nằm tại chỗ. Do đó, hình học của dãy lỗ khoan phải được thiết kế để cho phép các mảnh đá dịch chuyển. Điều kiện tối ưu là có nhiều hơn một mặt thoáng. Việc tạo một “mặt thoáng” nhân tạo được thảo luận trong Mục 6.4.1.5.

6.4.1.3 Trình tự vi sai

Để tối ưu hóa sự giải phóng, các mặt thoáng bên trong phải được tạo ra trong quá trình nổ mìn. Để làm được điều này, các kíp nổ vi sai mili giây tách thời điểm kích nổ các lượng thuốc nổ bằng các khoảng thời gian rất ngắn. Trước đây, do thời gian kích nổ của kíp nổ pháo điện có độ phân tán, nên các thời gian vi sai “dài” giữa các lỗ khoan, ở cấp hàng trăm mili giây, đã được sử dụng trong hầm và khai thác ngầm, khiến các vụ nổ mìn kéo dài vài giây. Điều này đang thay đổi khi các kíp nổ điện tử chính xác hơn được phát triển.

6.4.1.4 Đặc điểm kỹ thuật nổ mìn trong hầm

Như đã đề cập, nổ mìn trong hầm, tương tự như nổ mìn trong khai thác ngầm, khác với nổ mìn lộ thiên ở chỗ thường chỉ có một mặt thoáng để tạo điều kiện giải phóng. Đối với một số hầm lớn, phần hầm hướng đỉnh (upper heading) được nổ trước, sau đó phần đá còn lại được xử lý bằng nổ mìn phân tầng (bench blast). Tuy nhiên, thông thường toàn bộ gương hầm được khoan và nổ mìn trong cùng một đợt.

Một hệ thống các lỗ mìn được khoan bằng thiết bị khoan hầm chuyên dụng, sau đó tất cả các lỗ được nạp thuốc nổ và kích nổ theo trình tự. Sơ đồ bố trí lỗ khoan được xác định trước khi nổ, có xét đến loại đá, các gián đoạn hiện hữu trong khối đá như khe nứt, nứt gãy, mặt lớp, và hình dạng hầm mong muốn.

Hình 6-5 trình bày một ví dụ đơn giản hóa về một chu kỳ nổ mìn toàn gương hầm với các loại lỗ mìn khác nhau. Trình tự kích nổ bắt đầu bằng Burn Cut, tức các lỗ nằm gần khu vực Open Cut Holes (lỗ cắt mở) trong sơ đồ; tiếp theo là Production Holes (lỗ mìn khai thác), tức các lỗ nằm trong Blast-hole Slash Area (vùng phá đá bằng lỗ mìn); và cuối cùng là Smooth Holes (lỗ tạo biên nhẵn) ở chu vi của vòng nổ.

6.4.1.5 Vùng cắt đột phá (Burn Cut)

Do khi bắt đầu mỗi vùng cắt (cut) với một gương đặc (solid face) chưa có khoảng trống giải phóng (relief), một số lỗ khoan bổ sung thường được khoan và không nạp thuốc nổ ở khu vực ngay gần điểm khởi nổ (initiation point). Các lỗ burn (burn holes) này thường lớn hơn các lỗ có nạp thuốc nổ, nên cần thêm một công đoạn ngoài công tác khoan thông thường. Nhiều dạng bố trí lỗ burn (burn holes) khác nhau được sử dụng để tối ưu hóa vùng cắt (cut), tùy thuộc vào loại đá và hệ khe nứt trong điều kiện địa chất hầm cụ thể. Các lỗ này được kích nổ trước, với thời gian nổ đủ để tạo ra một mặt thoáng (free face) cho các lỗ tiếp theo nở phá vào.

Các lỗ mìn phá đá (Production Holes)

Khối đá, sau khi vùng cắt đột phá (burn cut) được khởi nổ, sẽ được kích nổ theo một trình tự sao cho đá dịch chuyển theo chuỗi đã được kiểm soát, đi vào khu vực đã được mở ra bởi vùng cắt đột phá (burn cut), rồi thoát ra khoảng trống phía trước vụ nổ.

Việc đấu nối các lượng thuốc nổ (charges) theo đúng trình tự có thể là một công việc khó trong môi trường chật hẹp của hầm. Hình 6-6 thể hiện sơ đồ đấu nối (hook-up) của một vòng nổ (blast round) khá phức tạp, trong đó các đầu nối trên bề mặt (surface connectors) được thể hiện bằng màu đỏ, và số vi sai (period), tương ứng với một thời gian vi sai (delay time) cụ thể, được ghi cạnh mỗi lỗ mìn (blast hole).

Trình tự mong muốn sẽ kích nổ các lỗ mìn sao cho có đủ thời gian để đá dịch chuyển ra khỏi vị trí, tức tạo khoảng trống giải phóng (relief), nhưng không quá lâu đến mức khối đá xung quanh các lỗ mìn chưa nổ bị nứt vỡ, gây ra hiện tượng cắt rời đường truyền nổ (cutoff).

Kiểm soát chu vi (Perimeter Control)

Điều quan trọng là phải nổ mìn sao cho tường cuối cùng ổn định và càng gần vị trí thiết kế càng tốt. Các lỗ cuối cùng được nạp thuốc nhẹ hơn, được gọi là lỗ chu vi (perimeter holes) hoặc lỗ tạo biên nhẵn (smoothwall holes), và được kích nổ với thời gian vi sai bổ sung để có đủ thời gian cho đá nứt tách sạch, đồng thời gây rất ít hư hại cho khối đá nằm ngoài đường biên thiết kế (neat line). Dạng hư hại này được gọi là phá vượt biên (overbreak). Các lượng thuốc nổ điển hình cho các lỗ tạo biên nhẵn được thể hiện trong Hình 6-7.

Mặc dù được kích nổ sau khi các lỗ mìn phá đá (Production Holes) đã phát nổ, các lỗ tạo biên nhẵn (Smoothwall Holes) thường được kích nổ trong cùng một cấp vi sai (delay period), tạo ra hiệu ứng “dây kéo” (zipper effect), trong đó các lỗ tạo nên một khe nứt nhẵn dọc theo chu vi.

Tác động môi trường – rung chấn và sóng xung kích không khí (Environmental Effects – Vibration and Airblast)

Không phải toàn bộ năng lượng từ nổ mìn đều dùng để phá vỡ đá; một phần năng lượng không tránh khỏi bị tiêu hao dưới dạng rung chấn lan truyền ra xa khu vực nổ mìn. Rung chấn này có thể gây lo ngại đối với cả sự ổn định của bản thân hầm, cũng như các công trình ngầm và công trình trên mặt đất lân cận.

Airblast là sóng áp suất không khí lan truyền ra xa khỏi vị trí nổ mìn, do sự dịch chuyển của gương đá và cũng có thể do khí nổ thoát ra từ các lỗ khoan. Vấn đề này không quá nghiêm trọng trong thi công hầm, nơi nhân sự được sơ tán khỏi khu vực nổ mìn trước khi nổ, nhưng vẫn phải được xem xét.

Cả hai vấn đề này được trình bày chi tiết hơn trong Chương 15, Quan trắc (Instrumentation).

6.4.1.6 Nổ mìn – Nghệ thuật và khoa học (Blasting – Art vs. Science)

Như đã đề cập trước đó, thuốc nổ đã được sử dụng trong thời gian dài để đào đá. Theo thời gian, các kỹ sư đã nghiên cứu các quan hệ khoa học giữa các tính chất của thuốc nổ, các biến số có thể kiểm soát như hình học của vòng nổ và thời điểm kích nổ, cũng như các biến số không thể kiểm soát như sự thay đổi loại đá và hệ khe nứt, nứt gãy hiện hữu. Nhiều quan hệ có thể chỉ ra cấu hình phù hợp nhất của các lỗ mìn, thời điểm kích nổ và loại thuốc nổ. Tuy nhiên, như có thể thấy từ Hình 6-8 về công tác khoan thực tế cho một đợt nổ mìn trong hầm, điều kiện lý tưởng rất khó đạt được.

Các lỗ được đánh dấu bằng sơn phun trên một bề mặt không đều, và được khoan trong môi trường bẩn, thường ẩm ướt. Vòm hầm được chống đỡ bằng bu lông đá, thể hiện bằng các ô vuông màu đỏ trong Hình 6-8, và lưới thép. Ánh sáng bị hạn chế. Nhìn chung, điều này tạo nên một môi trường làm việc rất thách thức.

Kinh nghiệm, hay “nghệ thuật” nổ mìn, đóng vai trò quan trọng trong việc triển khai thiết kế nổ mìn mong muốn. Việc lựa chọn một nhà thầu nổ mìn có kinh nghiệm và năng lực, cũng như có chuyên gia tư vấn nổ mìn hỗ trợ nhà thầu, là rất quan trọng để đạt được kết quả mong muốn.

6.4.2 Máy khoan hầm TBM (Tunnel Boring Machines – TBM)

Trong khi tiến bộ kỹ thuật và cơ giới hóa vẫn tiếp tục được áp dụng cho phương pháp đào khoan–nổ mìn cho đến tận thập niên 1960, tốc độ đào thực tế vẫn còn khá thấp, thường được đo bằng ft/ngày. Các máy đào hầm cơ giới, hay máy khoan hầm TBM, đã được hình dung trong hơn một thế kỷ, nhưng chưa từng chứng minh được tính thành công.

Điều này bắt đầu thay đổi vào thập niên 1960, khi các nỗ lực được thực hiện nhằm áp dụng công nghệ khoan dầu. Một số tiến bộ đã đạt được, nhưng diễn ra chậm vì cơ chế vật lý khi đó chưa đúng: các máy cố gắng loại bỏ đá bằng cách nghiền đá thay vì đào cắt đá. Tất cả điều này đã thay đổi vào cuối thập niên 1960 với sự ra đời của đĩa cắt (disk cutter), xem Hình 6-9.

Các đĩa cắt (cutter) tạo ra sự phá hoại cắt trong đá, hình thành các phiến/mảnh đá mỏng (slabs/chips) có kích thước tính bằng hàng chục inch khối, thay vì các mảnh vụn nhỏ chỉ bằng phần nhỏ của một inch khối. Phần lớn công lao cho sự phát triển này, hiện cho phép hầm đạt tốc độ đào hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm ft/ngày, thuộc về The Robbins Co.

Ngày nay, máy khoan hầm TBM (Tunnel Boring Machine) đào khối đá bằng cơ chế quay và nghiền/cắt, thông qua việc tạo áp lực rất lớn lên gương đào bằng lực đẩy lớn, đồng thời quay và tạo mảnh đá bằng nhiều đĩa cắt (disc cutters) lắp trên mâm cắt (cutterhead) của máy, như thể hiện trong Hình 6-10. Thiết kế đĩa cắt, số vòng quay/phút (RPM), hình học, khoảng cách bố trí, mức lực đẩy, v.v. nằm ngoài phạm vi của sổ tay này.

6.4.2.1 Loại máy và hệ thống máy

Ngày nay, máy khoan hầm TBM (Tunnel Boring Machines) là các máy đào toàn gương, dạng quay, với mâm cắt (cutter head), và nhìn chung có thể được phân thành hai nhóm chính: Gripper và Segment, như thể hiện trong Hình 6-11. Dựa trên Hình 6-11, có ba loại TBM tổng quát phù hợp cho đào hầm trong đá, gồm Open Gripper/Main Beam, Closed Gripper/Shield, và Closed Segment Shield, như thể hiện trong khung nét đứt trên hình.

Loại TBM open gripper/beam phù hợp nhất với đá ổn định đến dễ vỡ vụn, có các vùng nứt nẻ thỉnh thoảng xuất hiện và dòng nước ngầm có thể kiểm soát được. Như trình bày trong Phụ lục D, ba loại TBM phổ biến thuộc nhóm này gồm Main Beam (Hình 6-12), Kelly Drive, và Open Gripper không có dầm hoặc Kelly.

Loại TBM closed shield trong phần lớn các ứng dụng đào hầm trong đá phù hợp với đá dễ vỡ vụn đến không ổn định, tức loại đá không thể tạo được phản lực ổn định cho áp lực gripper. Loại TBM closed shield có thể tiến lên bằng cách đẩy vào các segment hoặc vào gripper. Lưu ý rằng mặc dù các máy này được phân loại là dạng máy kín, chúng không được tạo áp tại gương đào; do đó không thể xử lý áp lực nước ngầm bên ngoài lớn hoặc dòng nước chảy vào lớn. Các TBM có khiên chắn dùng cho đào hầm trong đá gồm Single Shield (Hình 6-13), Double Shield (Hình 6-14), và Gripper Shield.

Các bộ phận máy điển hình và hệ thống phụ trợ phía sau cho từng nhóm được thảo luận trong phần tiếp theo. TBM closed shield có tạo áp tại gương đào chủ yếu được sử dụng trong đào hầm trong đất mềm và được thảo luận trong Chương 7. Phụ lục D trình bày mô tả cho nhiều loại TBM khác nhau.

6.4.2.2 Các bộ phận chính và bộ phận hỗ trợ của máy

TBM là một hệ thống phức tạp, gồm thân máy chính và các bộ phận hỗ trợ khác, bao gồm các cơ cấu để cắt, xúc bốc, lái hướng, kẹp giữ, che chắn, khoan thăm dò, chống đỡ nền đất/khối đá, lắp dựng lớp lót, vận chuyển đất đá đào ra ngoài (muck), thông gió và cấp điện. Như thể hiện trong các Hình 6-12, 6-13 và 6-14, thân máy chính của một TBM đào đá điển hình, dù là loại mở hay loại kín, bao gồm một số hoặc tất cả các bộ phận sau:

• Mâm cắt và bộ phận đỡ (Cutterhead and Support)
• Gripper, trừ TBM khiên đơn (Gripper, except Single Shield TBM)
• Khiên chắn, trừ TBM mở (Shield, except Open TBM)
• Xi lanh đẩy (Thrust Cylinder)
• Băng tải (Conveyor)
• Thiết bị gia cố đá (Rock Reinforcement Equipment)

Ngoài ra, thân máy chính của TBM được hỗ trợ bởi một hệ thống kéo theo phía sau để vận chuyển đất đá đào ra và vật liệu, thông gió, cấp điện, v.v. Một TBM được trang bị đầy đủ có thể chiếm hơn 1000 ft chiều dài hầm.

Phụ lục D trình bày các mô tả chi tiết cho từng loại TBM nêu trên.

6.4.2.3 Các bộ phận chống đỡ nền tương thích

Hầu hết các bộ phận chống đỡ nền được thảo luận trong Mục 6.5 đều có thể được chỉ định sử dụng với TBM đào đá cứng, đặc biệt nếu TBM được chế tạo riêng cho dự án.

• Gia cố đá bằng bu lông vòm hầm (roof bolting)
• Đóng cọc ván/forepoling (spiling/forepoling)
• Phun ép trước (pre-injection)
• Dầm vòng thép có hoặc không có tấm chèn (lagging), như lưới thép, gỗ, v.v.
• Segment invert
• Bê tông phun (shotcrete)
• Lớp lót segment bê tông đúc sẵn
• Các biện pháp khác

Chi tiết của các biện pháp chống đỡ nêu trên được thảo luận trong Mục 6.5 của chương này và Chương 10, Lớp lót hầm (Tunnel Lining).

6.4.2.4 Tốc độ xuyên của TBM

Đối với TBM đào đá, tốc độ xuyên chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau, theo Robbins, 1990:

• Tổng lực đẩy của máy
• Khoảng cách giữa các đĩa cắt
• Đường kính đĩa cắt và hình học mép cắt
• Tốc độ quay của mâm cắt, vòng/phút
• Mô men dẫn động mâm cắt
• Đường kính hầm
• Cường độ, độ cứng và tính mài mòn của đá
• Hệ khe nứt, mức độ phong hóa và các đặc trưng khác của đá

Tuy nhiên, tốc độ xuyên, vốn là một tham số tức thời, bản thân nó không bảo đảm tốc độ đào tiến trung bình cao. Tốc độ đào tiến trung bình phụ thuộc vào sự kết hợp tốt giữa tốc độ xuyên và thời gian cắt thực tế. Đến lượt mình, thời gian cắt thực tế chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

• Đường cong học việc/khởi động
• Thời gian dừng để thay đĩa cắt
• Thời gian dừng để sửa chữa/bảo trì máy khác
• Thiết kế quá phức tạp
• Hệ thống phụ trợ phía sau
• Yêu cầu chống đỡ hầm
• Xử lý đất đá đào ra
• Xử lý nước
• Khoan lỗ thăm dò, bơm phụt
• Thời gian khả dụng, tổng cộng và theo ca

Điểm mấu chốt là mức sử dụng thực tế thường chỉ nằm trong khoảng 50%, như thể hiện trong Hình 6-15.

6.4.3 Máy đào roadheader (Roadheaders)

Các TBM điển hình đào các hầm có tiết diện tròn, đây là tiết diện thực tế nhất về mặt thi công, nhưng không phải lúc nào cũng là tiết diện cho thể tích sử dụng lớn nhất so với tổng thể tích đào. Người Nhật và một số bên khác đã phát triển các máy chuyên dụng với nhiều đầu cắt, có thể cắt các “rãnh” (slots) hoặc các hình dạng khác, nhằm tạo thể tích sử dụng hiệu quả hơn.

Một cách tiếp cận khác để đào một khoảng mở gần hơn với tiết diện thực tế yêu cầu là dùng máy đào roadheader (roadheader). Dụng cụ cắt cơ bản của roadheader là một đầu phay lớn lắp trên một cần vươn, cần này được lắp trên hệ bánh xích hoặc trong một khiên chắn. Hình 6-16 thể hiện một roadheader cỡ lớn. Các góc phải được cắt theo độ cong của đầu phay, nhưng phần còn lại của các tường, vòm đỉnh và đáy có thể được cắt gần như theo bất kỳ hình dạng mong muốn nào.

Ngoài ra, trái với TBM, một roadheader đơn lẻ có thể cắt các hình dạng thay đổi hoặc bất thường, mà nếu không thì sẽ phải dùng TBM kết hợp với khoan–nổ mìn hoặc chỉ khoan–nổ mìn. Nhờ tính linh hoạt, khả năng huy động nhanh, thường chỉ vài tháng thay vì một năm hoặc lâu hơn, và chi phí thấp hơn, roadheader cũng là phương pháp được ưu tiên lựa chọn cho các hầm tương đối ngắn, chẳng hạn dài dưới một dặm (1.6km).

Mặt hạn chế là roadheader kém hiệu quả hơn nhiều đối với các đoạn đào dài và trong đá cứng. Các răng cắt (picks) trên roadheader chỉ đạt hiệu quả bóc tách đá khoảng 10% so với các đĩa cắt TBM; chúng phải được thay rất thường xuyên và có thể không hiệu quả trong đá có cường độ nén không nở hông vượt quá 20,000 psi (140 MPa). Tuy nhiên, thiết kế roadheader vẫn đang tiếp tục được thay đổi và cải tiến, và dự kiến điều này sẽ liên tục cải thiện các giới hạn nêu trên.

Danh sách tổng quát sau đây nêu các điều kiện có thể xem xét sử dụng roadheader:

• Cường độ đá dưới khoảng 20,000 psi (140 MPa), tốt nhất là dưới 15,000 psi (103 MPa)
• Các đoạn đào ngắn, dạng cửa mở đơn chiếc
• Hình dạng lạ, không tròn
• Các vị trí nối, đường ngang thông, v.v.
• Độ mài mòn thấp đến trung bình
• Đá tốt nhất là có khả năng tự chống đỡ
• Không có hoặc có rất ít tạp chất — đá phiến sét, v.v.
• Áp lực nước danh định

6.4.4 Các phương pháp đào cơ giới khác

Các phương pháp đào cơ giới khác đang được các nhà sản xuất thiết bị chuyên dụng phát triển nhằm xử lý các vấn đề cụ thể trong khai thác mỏ và công trình dân dụng. Một ví dụ điển hình cho các phát triển này là “Mobile Miner” do Robbins phát triển, một “hệ thống cắt đá cứng không tạo tiết diện tròn dùng trong phát triển mỏ ngầm” (Robbins, 1990). Mobile Miner được mô tả như sau:

“Một cần vươn gắn một bánh cắt lớn, có trục ngang và các răng cắt chỉ bố trí trên chu vi bánh cắt. Khi cần vươn được quét từ bên này sang bên kia, tạo ra một tiết diện đào phẳng ở nóc và đáy, với các vách cong. Mặc dù các máy nguyên mẫu chỉ hoạt động theo chuyển động quét ngang này, để đào được các cửa mở phù hợp với hầm xe chạy thì cần cắt các lỗ mở, trong đó cần cắt có thể được nâng lên và hạ xuống, đồng thời quét từ bên này sang bên kia. Bằng cách này có thể tạo ra tiết diện đào dạng móng ngựa.”

Cho đến nay, các máy như vậy đã đạt được một số thành công trong việc đào các cửa mở gần với dạng móng ngựa hoặc dạng rãnh, nhưng hiện chưa được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên, chúng cho thấy rằng có thể cắt được các hình dạng khác ngoài tiết diện tròn, và các máy sáng tạo, chuyên dụng vẫn đang tiếp tục được phát triển.

6.4.5 Phương pháp đào tuần tự (Sequential Excavation Method – SEM) / Phương pháp đào hầm Áo mới (New Austrian Tunneling Method – NATM)

Trong thực tế, Phương pháp đào tuần tự (SEM) / Phương pháp đào hầm Áo mới (NATM) đã được điều chỉnh từ khái niệm ban đầu, vốn chỉ áp dụng cho hầm trong đá, thành một khái niệm tổng quát hơn áp dụng cho hầm trong đất hoặc đá. Người đọc có thể xem Chương 9, “Đào hầm SEM”, để biết thêm thảo luận chi tiết.

6.5 CÁC LOẠI GIA CỐ VÀ CHỐNG ĐỠ ĐÀO HẦM TRONG ĐÁ

6.5.1 Các lựa chọn chống đỡ đào hầm

Mục đích của hệ chống đỡ ban đầu, đôi khi được gọi là lớp lót tạm thời hoặc chống đỡ tạm thời cho hố đào, trong đào hầm trong đá là giữ cho khoảng mở được thông thoáng, ổn định và an toàn cho đến khi lớp lót cuối cùng được lắp đặt và công tác thi công hoàn tất. Do đó, hệ chống đỡ ban đầu trong hầm đá có thể là một hoặc tổ hợp của nhiều lựa chọn sau:

• Gia cố đá, ví dụ thanh neo đá (rock dowels), bu lông đá (rock bolts), neo đá (rock anchors), v.v.
• Sườn thép (steel ribs)
• Gỗ hoặc tấm chèn khác (lagging)
• Dầm lưới (lattice girders)
• Bê tông phun (shotcrete)
• Spiles hoặc forepoling
• Bê tông
• Lưới thép cốt (re-steel mats)
• Tấm lưới thép (steel mats)
• Cáp (cables)
• Segment bê tông đúc sẵn (precast concrete segments)
• Các biện pháp khác

Năm lựa chọn đầu tiên nêu trên là phổ biến nhất trong các dự án ở Hoa Kỳ; trong số đó, tổ hợp bu lông đá hoặc thanh neo đá và bê tông phun là phổ biến nhất. Đặc biệt trong các hầm đá có chất lượng tốt hoặc tốt hơn, các máy khoan bu lông đá hiện đại cho phép bố trí hệ chống đỡ điều chỉnh nhanh, gần ngay sau gương đào, giúp kẹp giữ vòm đá tại chỗ và tận dụng tối đa khả năng tự chống đỡ của đá.

Tốt nhất là, nếu cần, nên bổ sung bê tông phun có đường kính hoặc chiều dày phù hợp phía sau gương đào, nơi bụi và cốt liệu bay không còn là vấn đề đối với cả công nhân và thiết bị, như tại khu vực heading. Khi có lo ngại về các mảnh đá rơi nhỏ, hệ thống có thể dễ dàng được điều chỉnh bằng cách thêm bê tông phun gần hơn với gương đào hoặc, phổ biến hơn, bằng cách nhúng một trong nhiều loại tấm lưới thép vào trong bê tông phun.

Khi chất lượng đá thấp hơn, hiện có xu hướng thay thế sườn thép bằng dầm lưới, có lẽ ở châu Âu nhiều hơn ở Hoa Kỳ. Giống như sườn thép, dầm lưới tạo thành một dạng khuôn cho bê tông phun và cho spiling. Tuy nhiên, dầm lưới nhẹ hơn và có thể lắp dựng nhanh hơn. Để đạt cùng khả năng chống đỡ, hệ dầm lưới có thể yêu cầu lượng bê tông phun lớn hơn trên danh nghĩa, ví dụ bổ sung thêm 1/2 đến 1 in. (13 đến 25 mm), nhưng điều này thường được bù lại nhiều hơn bởi việc lắp dựng dễ hơn và nhanh hơn.

Xu hướng thứ hai là sử dụng bê tông phun cốt sợi thép. Sợi thép không làm thay đổi đáng kể cường độ chịu nén của bê tông phun nhưng làm tăng đáng kể độ dai hoặc độ dẻo dai của bê tông phun. Chương 9 trình bày chi tiết hơn về bê tông phun và dầm lưới.

6.5.2 Gia cố đá (Rock Reinforcement)

Gia cố đá, bao gồm thanh neo đá (rock dowels) và bu lông đá (rock bolts), được sử dụng để giữ các khối đá rời, quan trọng, tại chỗ và/hoặc để liên kết vòm đá/nền (ground arch) thực sự tạo ra khả năng chống đỡ cho một khoảng mở trong đá. Thanh neo đá và bu lông đá nhìn bề ngoài có thể rất giống nhau, nhưng sự khác biệt về cơ chế làm việc của chúng có thể khá đáng kể.

6.5.2.1 Thanh neo đá (Rock Dowel)

Thanh neo đá, như thể hiện trong Hình 6-17a, là các phần tử gia cố bị động, cần có một mức dịch chuyển nền nhất định để được huy động. Tương tự như cốt thép bị động trong bê tông, hiệu quả gia cố của thanh neo được huy động bởi sự dịch chuyển của vật liệu xung quanh.

Đặc biệt, khi xảy ra dịch chuyển dọc theo các gián đoạn, thanh neo chịu cả ứng suất cắt và ứng suất kéo, xem Hình 6-17b. Mức độ ứng suất cắt và kéo, cũng như tỷ số giữa chúng khi xảy ra dịch chuyển, phụ thuộc vào các đặc tính của nền xung quanh, đặc tính của vật liệu vữa lấp đầy khe vòng giữa thanh neo và nền, cũng như các tham số cường độ và độ dẻo của bản thân thanh neo. Ngoài ra, mức độ giãn nở thể tích trong quá trình dịch chuyển cắt cũng ảnh hưởng đến mức ứng suất tác dụng trong thanh neo.

Bảng 6-6 mô tả các loại thanh neo đá khác nhau. Ngoài ra, Bảng 9-5 tóm tắt các loại thanh neo đá thường dùng và các lưu ý khi lắp đặt như một phần của hệ chống đỡ ban đầu trong đào hầm SEM trong đá.

Ví dụ, một thanh #9 dài 10 ft (3.0 m) sẽ phải giãn dài gần 0.2 in (5 mm) trước khi đạt khả năng thiết kế đầy đủ là 40,000 lb (178 kN). Điều này có thể không đáng lo ngại trong hầu hết các ứng dụng, nơi có sự khóa móc nhất định giữa các khối đá do độ nhám tự nhiên trên bề mặt gián đoạn.

6.5.2.2 Chốt đá (Rock Bolts)

Chốt đá (Hình 6-18) có bộ phận neo bằng ma sát hoặc bằng vữa trong khối đá và được kéo căng ngay khi đạt được khả năng neo giữ, nhằm chủ động tạo ra lực nén vào khối đất đá xung quanh. Lực dọc trục này tác dụng lên các khe nứt/bề mặt bất liên tục của khối đá, từ đó làm tăng khả năng chịu cắt của chúng; lực này được tạo ra bằng cách căng trước thanh chốt.

Hệ thống này yêu cầu một “chiều dài liên kết” (bond length) để cho phép chốt được kéo căng. Chốt đá thường được liên kết hoàn toàn với khối đất đá xung quanh sau khi căng, nhằm phục vụ các yêu cầu truyền tải trọng lâu dài. Chúng có thể được bơm vữa toàn bộ chiều dài hoặc không.

Trong mọi trường hợp, các thanh chốt bắt đầu chống đỡ hoặc “khâu giữ” khối đá ngay khi được kéo căng, nghĩa là khối đá không có thời gian bắt đầu dịch chuyển trước khi chốt phát huy tác dụng. Bảng 6-6 mô tả các loại chốt đá khác nhau. Ngoài ra, Bảng 9-5 tóm tắt các loại chốt đá thường dùng và các lưu ý áp dụng khi lắp đặt như một phần của hệ chống đỡ ban đầu trong thi công hầm đá bằng phương pháp đào tuần tự SEM.

Bảng 6-6 Các loại chốt đá

6.5.3 Sườn thép và tấm chèn (Ribs and Lagging)

Sườn thép và tấm chèn (Hình 6-19) hiện nay không còn được sử dụng phổ biến như vài thập kỷ trước. Tuy nhiên, vẫn có những trường hợp ứng dụng phù hợp như: các tiết diện hầm không thông thường, các vị trí giao cắt, các đoạn hầm khởi đầu ngắn cho TBM, và các đoạn hầm nơi có thể xảy ra hiện tượng đất đá bị ép trồi (squeezing) hoặc trương nở (swelling).

Năm 1946, Proctor và White, với sự đóng góp chính của Tiến sĩ Karl Terzaghi, đã viết cuốn sách kinh điển “Rock Tunneling with Steel Supports” (Đào hầm trong đá với hệ chống đỡ bằng thép). Phương pháp thiết kế của họ giả định rằng các sườn thép chỉ chịu lực dọc trục và mô-men uốn; trong đó mô-men uốn là hàm phụ thuộc vào khoảng cách bố trí các tấm chèn hoặc khối chèn (blocking) phía sau sườn thép. Phương pháp này vẫn còn giá trị khi sử dụng gỗ hoặc các vật liệu chèn khác với sườn thép, do đó không được nhắc lại chi tiết ở đây.

Trong các ứng dụng hiện nay, sườn thép thường được lắp đặt cùng với bê tông phun (shotcrete), thay vì dùng gỗ làm tấm chèn/khối chèn. Khi sử dụng bê tông phun, bê tông phun thường không lấp kín tuyệt đối toàn bộ khoảng rỗng giữa thép và khối đá. Do đó, với bê tông phun được thi công đúng cách, nên lấy khoảng cách tối đa giữa các điểm chèn là 20 in. (khoảng 508 mm) và tiếp tục thiết kế theo quy trình của Proctor và White.

6.5.4 Bê tông phun

Bê tông phun đơn giản là bê tông được phun vào vị trí thi công thông qua vòi phun. Nó có chứa các phụ gia để đạt cường độ nhanh hơn và duy trì tính công tác cho đến khi được phun. Bê tông phun có thể được chế tạo có hoặc không có sợi gia cường, và có thể được phun xung quanh cũng như xuyên qua các thanh cốt thép hoặc dầm lưới.

Cả chất lượng và các đặc tính của bê tông phun có thể tương đương với bê tông đổ tại chỗ, nhưng chỉ khi việc chăm sóc và kiểm soát toàn bộ quy trình thi công được duy trì xuyên suốt. Người đọc được dẫn chiếu đến Mục 9.5.1 để biết thêm chi tiết liên quan đến thiết kế và sử dụng bê tông phun như một vật liệu chống đỡ và lớp vỏ hầm.

6.5.5 Dầm lưới

Dầm lưới là các cấu kiện chống đỡ được tạo thành từ các thanh cốt thép liên kết với nhau, thường theo dạng tiết diện tam giác, và được uốn/lốc để phù hợp với hình dạng của mặt cắt đào. Do diện tích tiết diện của chúng thường rất nhỏ so với bê tông phun xung quanh, bản thân dầm lưới không đóng góp nhiều vào khả năng chống đỡ tổng thể của khoảng mở. Tuy nhiên, chúng mang lại hai lợi ích quan trọng:

1. Chúng thường được bố trí với khoảng cách tương tự như rock bolts, do đó nhanh chóng tạo ra chống đỡ tạm thời cho các khối đá có xu hướng bị long rời và rơi xuống ngay lập tức.
2. Chúng tạo ra một khuôn mẫu sẵn có để bảo đảm rằng bê tông phun được thi công với chiều dày đầy đủ.

Nhìn chung, dầm lưới được sử dụng thường xuyên hơn nhiều trong các hầm thi công bằng phương pháp đào tuần tự. Vì vậy, người đọc được dẫn chiếu đến Chương 9 để xem phần thảo luận chi tiết hơn về các hệ chống đỡ này.

6.5.6 Spiles và Forepoles

Spiles và forepoles (Hình 6-21) là các thuật ngữ được dùng thay thế cho nhau để mô tả các cấu kiện chống đỡ gồm ống, ván đầu nhọn hoặc thanh được đóng/đẩy vào phía trước vì chống thép hoặc dầm lưới. Các cấu kiện này, ở đây gọi là spiles, tạo ra lớp bảo vệ tạm thời phía trên trong khi việc đào và lắp đặt vì chống hoặc dầm lưới tiếp theo được thực hiện.

Thông thường, spiles được đóng/đẩy theo bố trí chồng lấn như trong Hình 6-21, để không bao giờ có khoảng hở trong phạm vi che phủ. Việc thiết kế spiles tốt nhất có thể được mô tả là mang tính “trực giác”, vì thiết kế phải được giữ linh hoạt và liên tục điều chỉnh tại hiện trường khi quan sát ứng xử của đất đá trong quá trình thi công.

Ước tính sơ bộ ban đầu cho tải trọng thiết kế có thể lấy bằng chiều cao khối đá từ 0.1B đến 0.25B, trong đó B là chiều rộng của khoảng mở. Mục 9.5.4.1 trình bày các biện pháp chống đỡ trước khi đào, bao gồm spiling hoặc vòm ống bơm vữa, tạo cầu vượt qua vòng đào chưa được chống đỡ.

6.5.7 Lớp vỏ hầm bằng segment đúc sẵn

Lớp vỏ hầm gồm các segment đúc sẵn có thể được sử dụng trong hệ lớp vỏ một lượt hoặc hai lượt để chống đỡ tải trọng đá và áp lực nước. Nhìn chung, các segment bê tông được gia cường bằng thanh cốt thép hoặc sợi. Vòng segment thường gồm từ năm đến bảy segment cùng với một segment khóa.

Kích thước vòng và segment có thể được tối ưu hóa theo các yêu cầu cụ thể của dự án như đường kính hầm, kích thước tối đa phục vụ vận chuyển và lắp đặt bằng thiết bị dựng segment, số lượng kích thủy lực và cách bố trí chúng trong phạm vi vòng. Hình 6-22 minh họa một lớp vỏ hầm bê tông điển hình gồm bảy segment và một segment khóa. Một chốt vòng điển hình (Hình 6-22a) và bu lông hướng tâm (Hình 6-22b) cũng được trình bày.

Lớp vỏ hầm bê tông bằng segment đúc sẵn chủ yếu được sử dụng trong các dự án hầm thi công bằng TBM, và hiện nay được dùng thường xuyên hơn trong hầm đất mềm. Vòng segment được lắp dựng trong khiên đuôi của TBM; trong quá trình tiến lên, các kích tác dụng lên vòng segment. Vòng segment không bao giờ độc lập với TBM, do đó thiết kế của TBM và vòng segment phải được hài hòa với nhau.

Các kích phải tác dụng lên các vị trí đã được chuẩn bị sẵn của vòng, cho phép khiên hầm lăn quanh trục hầm, và phải xét đến độ côn của vòng. Trục kích phải trùng với trục vòng. Độ côn của vòng cần được thiết kế theo khả năng chạy cong của TBM, chứ không chỉ theo trục hầm thiết kế. Chi tiết về các xem xét thiết kế đối với lớp vỏ hầm bằng segment đúc sẵn sẽ được trình bày trong Chương 10.

6.6 THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ CHỐNG ĐỠ HẦM

Hiện có nhiều loại hệ chống đỡ hầm khác nhau như đã trình bày trong các mục trước. Trong những năm gần đây, cộng đồng xây dựng hầm đã chuyển từ cách tiếp cận dựa chủ yếu vào chống đỡ (support) sang cách tiếp cận dựa trên gia cường (reinforcement) làm phương pháp cơ bản.

Nghĩa là, thay vì cung cấp các kết cấu chịu lực nặng, chủ yếu là sườn thép và tấm chèn (ribs and lagging), người ta chuyển sang sử dụng rock bolts và dowels, spiling, dầm lưới (lattice girders) và bê tông phun (shotcrete).

Trong tất cả các hệ sau này, mục tiêu là giữ cho khối đá không dịch chuyển và ngăn các khối đá bị long rời bằng cách tránh để một phần lớn tĩnh tải của đá truyền lên hệ chống đỡ. Nói cách khác, các hệ này giữ khối đá liên kết với nhau, làm cho vùng đất đá xung quanh khoảng mở hình thành một vòm đất đá tự nhiên có khả năng tự chống đỡ (natural and self-supporting ground arch) quanh khoảng mở.

Xu hướng này bắt đầu tại Hoa Kỳ trong hệ thống tàu điện ngầm Washington D.C., nơi mà ở hai đoạn liên tiếp, lượng thép kết cấu chống đỡ đã được giảm bớt ba phần tư. Điều này đạt được bằng cách giữ khối đá ổn định tại chỗ bằng các chốt đá (rock bolts) cho đến khi lớp vỏ cuối cùng bằng bê tông phun gia cường sợi, với các vì chống thép (ribs) nhẹ bố trí cách nhau 4 ft (khoảng 1.22 m) từ tim đến tim, có thể được lắp đặt và phát huy tác dụng, giúp khối đá tự tham gia chống đỡ.

Ngược lại, đoạn trước đó dựa vào các sườn thép để chịu tĩnh tải của đá, do đó cần lượng thép gấp đôi với khoảng cách bố trí chỉ bằng một nửa.

Thiết kế hệ chống đỡ hầm là một quá trình lặp, bao gồm việc giả định loại hệ chống đỡ được lắp đặt và đánh giá áp lực chống đỡ mà hệ đó cung cấp. Bảng 6-7 liệt kê các hệ chống đỡ hầm điển hình đang được sử dụng trong thực tế hiện nay cho các điều kiện đất đá khác nhau. Bảng này có thể được dùng để lựa chọn sơ bộ hệ chống đỡ ban đầu, nhằm khởi động quá trình tương tác và lặp trong thiết kế.

Bảng 6-7 Các hệ chống đỡ ban đầu và lớp vỏ hầm điển hình được sử dụng trong thực tế hiện nay (TRB, 2006)

Đất đá	Chốt đá	Chốt đá với lưới thép	Chốt đá với bê tông phun	Sườn thép và dầm lưới với bê tông phun	Bê tông đổ tại chỗ	Segment bê tông
Đá cứng	O	O
		O	O
Đá trung bình		O	O	O
			O	O	O
Đá mềm				O	O	O
				O	O	O
Đất				O	O	O

Tuy nhiên, khi lựa chọn các biện pháp chống đỡ cho một dự án cụ thể, cần xem xét đầy đủ phạm vi các hệ chống đỡ có thể áp dụng, vì mỗi dự án đều có tính đặc thù riêng. Các yếu tố cần xem xét bao gồm:

1. Tập quán địa phương: các nhà thầu thường muốn sử dụng những hệ thống mà họ quen thuộc.
2. Chi phí tương đối: ví dụ, việc thiết kế bolts với khả năng chống ăn mòn phù hợp để bảo đảm tính lâu dài có hiệu quả về mặt chi phí hay không.
3. Tính sẵn có của vật liệu.

Mục này giới thiệu thực hành thiết kế và đánh giá hệ chống đỡ ban đầu cho hầm, bao gồm các phương pháp kinh nghiệm, phân tích và số. Thiết kế công trình ngầm có thể dựa phần lớn vào kinh nghiệm trước đây và các quan sát trong quá trình thi công để đánh giá khả năng làm việc dự kiến của các hệ chống đỡ đất đá được chỉ định.

6.6.1 Phương pháp kinh nghiệm

Phân loại của Terzaghi về điều kiện đá và tải trọng đá khuyến nghị dành cho người đào hầm, được biểu thị theo hàm của kích thước hầm, được trình bày trong Bảng 6-8. Các khuyến nghị này xuất phát từ các quan sát hiện trường của Terzaghi và các thí nghiệm cửa sập của ông trong phòng thí nghiệm.

Bảng 6-8 Chiều cao tải trọng đá quy đổi đề xuất theo phân loại khối đá của Terzaghi

Điều kiện đá	Ciều cao tải trọng đá quy đổi (rock load), Hp (ft)	Ghi chú
Đá cứng và nguyên khối	Không	Lớp lót nhẹ, chỉ yêu cầu nếu xảy ra spalling hoặc popping.
Đá cứng phân lớp hoặc dạng phiến	0 đến 0.5B	Chống đỡ nhẹ. Tải trọng có thể thay đổi thất thường từ điểm này sang điểm khác.
Đá khối lớn, nứt nẻ vừa phải	0 đến 0.25B
Đá dạng khối vừa phải và nhiều khe nứt	0.25B đến 0.35(B + Ht)	Không có áp lực bên.
Đá rất dạng khối và nhiều khe nứt	(0.35 đến 1.10)(B + Ht)	Áp lực bên nhỏ hoặc không có.
Đá bị nghiền nát hoàn toàn nhưng còn nguyên vẹn về mặt hóa học	1.10(B + Ht)	Áp lực bên đáng kể. Ảnh hưởng làm mềm của hiện tượng thấm nước về phía đáy hầm thường đòi hỏi phải có chống đỡ liên tục cho các đầu dưới của sườn thép hoặc dùng sườn thép dạng vòng.
Đá squeezing, ở độ sâu vừa phải	(1.10 đến 2.10)(B + Ht)	Áp lực bên lớn, cần có thanh chống invert. Khuyến nghị dùng sườn thép dạng vòng.
Đá squeezing, ở độ sâu lớn	(2.10 đến 4.50)(B + Ht)
Đá swelling	Đến 250 ft (khoảng 76.2 m), không phụ thuộc vào giá trị của (B + Ht)	Cần dùng sườn thép dạng vòng. Trong các trường hợp cực đoan, dùng hệ chống đỡ yielding.

Là ước tính sơ bộ đầu tiên để lựa chọn rock bolt hoặc dowel, Cording và nnk. (1971) đã cung cấp một tập hợp các trường hợp thực tế đối với các hố đào ngầm trong đá, dựa trên kích thước đào, gồm chiều rộng nhịp và chiều cao, như thể hiện trong Hình 6-23 và Hình 6-24. Theo Cording và nnk. (1971), các giá trị sau được khuyến nghị:

• Áp lực chống đỡ tại vòm hầm bằng với tải trọng đá có chiều cao 0.3B.
• Áp lực chống đỡ tại thành hầm bằng 0.15H.
• Chiều dài bolt tại vòm hầm bằng 0.33B.
• Chiều dài bolt tại thành hầm bằng 0.33H.

Trong đó B là chiều rộng khoảng mở. Trong đá có RQD lớn hơn 75%, dự kiến áp lực tại thành hầm thường sẽ nhỏ hơn giá trị ước tính nêu trên, thường bằng không, và chỉ cần bố trí spot bolts để giữ các khối nêm dễ nhận thấy.

Hai hệ phân loại khối đá được sử dụng rộng rãi nhất là RMR và Q, trong đó có xét đến các tham số địa kỹ thuật, hình học và kỹ thuật. Bằng cách sử dụng phân loại khối đá và kích thước tương đương của hầm, được định nghĩa là tỷ số giữa kích thước hầm và ESR (Excavation Support Ratio – tỷ số chống đỡ hố đào), Barton và nnk. (1974) đã đề xuất một số nhóm chống đỡ, sau đó biểu đồ này được Grimstad và Barton (1993) cập nhật. Biểu đồ cập nhật sử dụng hệ Q được trình bày trong Hình 6-25. Bảng 6-9 trình bày cách áp dụng RMR để thiết kế hệ chống đỡ cho hầm có nhịp 10 m.

Các nhóm gia cường (Reinforcing Categories):
(1) Không chống đỡ (Unsupported)
(2) Bố trí bolt cục bộ (Spot Bolting)
(3) Bố trí bolt có hệ thống (Systematic Bolting)
(4) Bố trí bolt có hệ thống kết hợp với bê tông phun không gia cường dày 40–100 mm (Systematic bolting with 40-100mm unreinforced shortcrete)
(5) Bê tông phun gia cường sợi dày 50–90 mm, kết hợp với bolt (Fiber reinforced shotcrete, 50 – 90 mm, and bolting)
(6) Bê tông phun gia cường sợi dày 90–120 mm, kết hợp với bolt (Fiber reinforced shotcrete, 90 – 120 mm, and bolting)
(7) Bê tông phun gia cường sợi dày 120–150 mm, kết hợp với bolt (Fiber reinforced shotcrete, 120 – 150 mm, and bolting)
(8) Bê tông phun gia cường sợi dày >150 mm, có sườn bê tông phun gia cường và kết hợp với bolt (Fiber reinforced shotcrete, > 150 mm with reinforced ribs of shotcrete and bolting)
(9) Lớp vỏ hầm bê tông đổ tại chỗ (Cast concrete lining)

Cần lưu ý rằng hệ Q được áp dụng tốt nhất cho các khối đá có khe nứt, nơi mất ổn định là do đá rơi. Đối với hầu hết các dạng ứng xử khác của nền đất đá trong hầm, hệ Q, giống như phần lớn các phương pháp kinh nghiệm khác dựa trên phân loại, đều có những hạn chế. Biểu đồ chống đỡ theo hệ Q đưa ra chỉ dẫn về loại chống đỡ cần áp dụng, và cần được điều chỉnh bằng phán đoán kỹ thuật hợp lý và thực tế (Palmström và Broch, 2006).

Cũng cần lưu ý rằng hệ Q được phát triển từ hơn 1000 dự án hầm, phần lớn nằm ở khu vực Scandinavia và tất cả đều được đào bằng phương pháp khoan nổ. Khi đào bằng TBM, mức độ xáo động đối với khối đá nhỏ hơn đáng kể so với phương pháp khoan nổ. Dựa trên nghiên cứu từ một cơ sở dữ liệu nhỏ hơn nhiều, Barton (1991) khuyến nghị rằng giá trị Q đối với đào bằng TBM nên được tăng lên theo hệ số 2 đối với Q_s nằm trong khoảng từ 4 đến 30.

Bảng 6-9 Hướng dẫn đào và chống đỡ hầm đá có nhịp 10 m theo hệ thống RMR (theo Bieniawski, 1989)

Cấp khối đá	Đào	Rock bolts (đường kính 20 mm, bơm vữa toàn bộ)	Bê tông phun	Vì chống thép
I – Đá rất tốt RMR: 81–100	Đào toàn tiết diện Tiến gương 3 m	Nhìn chung không yêu cầu chống đỡ, ngoại trừ bố trí bolt cục bộ.
II – Đá tốt RMR: 61–80	Đào toàn tiết diện, tiến gương 1–1.5 m. Hoàn thành chống đỡ cách gương đào 20 m.	Cục bộ, bố trí bolts dài 3 m tại vòm hầm, khoảng cách 2.5 m, thỉnh thoảng kết hợp với lưới thép.	50 mm tại vòm hầm khi cần.	Không.
III – Đá trung bình RMR: 41–60	Đào vòm trước và bậc dưới, tiến gương 1.5–3 m ở phần vòm trước. Bắt đầu chống đỡ sau mỗi đợt nổ mìn. Hoàn thành chống đỡ cách gương đào 10 m.	Bố trí bolts có hệ thống, dài 4 m, khoảng cách 1.5–2 m tại vòm hầm và thành hầm, có lưới thép tại vòm hầm.	50–100 mm tại vòm hầm và 30 mm tại thành hầm.	Không.
IV – Đá kém RMR: 21–40	Đào vòm trước và bậc dưới, tiến gương 1.0–1.5 m ở phần vòm trước. Lắp đặt chống đỡ đồng thời với đào, cách gương đào 10 m.	Bố trí bolts có hệ thống, dài 4–5 m, khoảng cách 1–1.5 m tại vòm hầm và thành hầm, có lưới thép.	100–150 mm tại vòm hầm và 100 mm tại thành hầm.	Vì chống thép nhẹ đến trung bình, bố trí cách nhau 1.5 m khi cần.
V – Đá rất kém RMR: < 20	Nhiều drift. Tiến gương 0.5–1.5 m ở phần vòm trước. Lắp đặt chống đỡ đồng thời với đào. Thi công bê tông phun càng sớm càng tốt sau khi nổ mìn.	Bố trí bolts có hệ thống, dài 5–6 m, khoảng cách 1–1.5 m tại vòm hầm và thành hầm, có lưới thép. Bố trí bolt tại invert.	150–200 mm tại vòm hầm, 150 mm tại thành hầm, và 50 mm trên gương đào.	Vì chống thép trung bình đến nặng, có tấm chèn thép và forepoling nếu cần. Đóng invert.
Ghi chú: Bảng 6-9 ở trên giả định đào bằng phương pháp khoan nổ.

Barton và cộng sự (1980) đã đề xuất chiều dài rock bolt, nhịp không chống đỡ lớn nhất và áp lực chống đỡ mái hầm để bổ sung cho các khuyến nghị về chống đỡ. Chiều dài của rock bolt, \(L\), có thể được ước tính từ bề rộng khai đào, \(B\), và Tỷ số Chống đỡ Khai đào (Excavation Support Ratio – ESR) như sau:

\[
L=\frac{2+0.15B}{ESR} \tag{6-3}
\]

trong đó \(L\) tính bằng mét.

Nhịp không chống đỡ lớn nhất có thể được ước tính như sau:

\[
\text{Nhịp không chống đỡ lớn nhất}=2ESR Q^{0.4} \tag{6-4}
\]

trong đó nhịp tính bằng mét.

Grimstad và Barton (1993) đã đề xuất mối quan hệ giữa giá trị \(Q\) và áp lực chống đỡ mái hầm lâu dài, \(P_{roof}\), như sau:

\[
P_{roof}(MPa)=\frac{2\sqrt{J_n},Q^{-1/3}}{3J_r} \tag{6-5}
\]

Giá trị của Tỷ số Chống đỡ Khai đào (Excavation Support Ratio – ESR) liên quan đến mức độ an toàn yêu cầu đối với hệ thống chống đỡ được lắp đặt nhằm duy trì ổn định của công trình khai đào. Barton và cộng sự (1974) đã đề xuất các giá trị ESR cho nhiều loại công trình ngầm khác nhau, như trình bày trong Bảng 6-10. Giá trị ESR bằng 1.0 được khuyến nghị cho các dự án hầm dân dụng.

Bảng 6-10. Giá trị Tỷ số Chống đỡ Khai đào (ESR) cho các loại công trình ngầm khác nhau
(Barton và cộng sự, 1974)

Loại khai đào		Giá trị ESR đề xuất
A	Các khoảng mở mỏ tạm thời	3 – 5
B	Các khoảng mở mỏ lâu dài; hầm dẫn nước cho thủy điện, không bao gồm đường ống áp lực cao; hầm dẫn hướng, drift và heading cho các công trình khai đào lớn	1.6
C	Kho chứa, nhà máy xử lý nước, hầm đường bộ và đường sắt nhỏ, buồng điều áp, hầm tiếp cận	1.3
D	Nhà máy điện, hầm đường bộ và đường sắt chính, buồng phòng thủ dân sự, các đoạn giao cắt khu vực cửa hầm	1.0
E	Nhà máy điện hạt nhân ngầm, ga đường sắt, công trình thể thao và công cộng, nhà máy	0.8

6.6.2 Phương pháp phân tích

Trạng thái ứng suất do khai đào hầm có thể được tính toán bằng các nghiệm giải tích đàn hồi dạng khép kín. Nghiệm đàn hồi dạng khép kín của Kirsch là một trong những nghiệm giải tích thường được sử dụng và được trình bày trong Phụ lục E. Nghiệm dạng khép kín này chỉ giới hạn cho các mô hình hình học đơn giản và vật liệu danh định, do đó thường có giá trị thực tiễn hạn chế. Tuy nhiên, nghiệm này được xem là một công cụ tốt để “kiểm tra hợp lý” các kết quả thu được từ phân tích số.

Sự tương tác giữa kết cấu chống đỡ đá và khối đất đá xung quanh được mô tả tốt bằng đường cong phản ứng nền (Hình 6-26), thể hiện mối quan hệ giữa áp lực chống đỡ bên trong và độ hội tụ thành hầm. Mô tả tổng quát về đường cong phản ứng nền được Hoek (1999) trình bày khá đầy đủ.

Như thể hiện trong Hình 6-26a, chuyển vị bằng không xảy ra khi áp lực chống đỡ bằng với ứng suất tại hiện trường, tức là \(P_i = P_o\). Khi áp lực chống đỡ lớn hơn áp lực chống đỡ tới hạn và nhỏ hơn ứng suất tại hiện trường, tức là \(P_o > P_i > P_{cr}\), chuyển vị đàn hồi xảy ra. Khi áp lực chống đỡ nhỏ hơn áp lực chống đỡ tới hạn, tức là \(P_i < P_{cr}\), chuyển vị dẻo xảy ra.

Sau khi hệ chống đỡ được lắp đặt và tiếp xúc đầy đủ, hiệu quả với khối đá xung quanh, hệ chống đỡ bắt đầu biến dạng đàn hồi. Chuyển vị đàn hồi lớn nhất mà hệ chống đỡ có thể chịu được là \(u_{sm}\), và áp lực chống đỡ lớn nhất, \(P_{sm}\), được xác định bởi cường độ chảy của hệ chống đỡ. Như thể hiện trong Hình 6-26b, chuyển vị thành hầm đã xảy ra trước khi hệ chống đỡ được lắp đặt, và độ cứng cũng như khả năng chịu lực của hệ chống đỡ kiểm soát chuyển vị thành hầm.

Hoek (1999) đã đề xuất áp lực chống đỡ tới hạn cần thiết để ngăn ngừa phá hoại khối đá xung quanh hầm như sau:

\[
P_{cr}=\frac{2P_o-\sigma_{cm}}{1+k}, \qquad k=\frac{1+\sin\phi}{1-\sin\phi}\tag{6-6}
\]

trong đó:
\(\qquad P_{cr} = \) áp lực chống đỡ tới hạn
\(\qquad P_o = \) áp suất thủy tĩnh
\(\qquad \sigma_{cm} = \) cường độ nén một trục của khối đá
\(\qquad \phi = \) góc ma sát của khối đá

Nếu áp lực chống đỡ bên trong, \(P_i\), lớn hơn áp lực chống đỡ tới hạn \(P_{cr}\), thì không xảy ra phá hoại; khối đá xung quanh hầm vẫn ở trạng thái đàn hồi và chuyển vị hướng vào trong của hầm được kiểm soát.

Một thiết kế thực tế hơn, đặc biệt đối với các hầm lớn và các công trình khai đào ngầm lớn, được dựa trên ứng xử thực của rock bolt: đóng vai trò gia cường cho vòm đá xung quanh khoảng mở. Sự gia cường đá này làm tăng khả năng chịu lực đẩy của vòm đá. Mục tiêu thiết kế là làm cho phần tăng khả năng chịu lực đẩy đó tương đương với áp lực chống đỡ bên trong được tính toán là cần thiết để ổn định khoảng mở.

Phần tăng khả năng chịu lực đẩy đơn vị \((\Delta T_A)\) của vùng được gia cường (vòm đá) thể hiện trong Hình 6-27 được xác định theo phương trình do Bischoff và Smart (1977) phát triển (xem Hình 6-27):

\[
\Delta T_A = \tan^2\left(45^\circ+\frac{\phi}{2}\right)
\frac{T_b A_b}{S^2}t\tag{6-7}
\]

Trong đó, \(\Delta T_A\) là phần tăng khả năng chịu lực đẩy đơn vị của vòm đá; \(\phi\) là góc ma sát hữu hiệu của khối đá; \(T_b\) là ứng suất tại giới hạn chảy của thép gia cường đá, tức rock bolt được bơm vữa toàn chiều dài; \(A_b\) là diện tích mặt cắt ngang của thép gia cường; \(S\) là khoảng cách của thép gia cường, tính theo cả hai phương; \(t\) là chiều dày hữu hiệu của vòm đá \((= L – s)\); và \(L\) là chiều dài của thép gia cường.

Các nghiệm giải tích dùng để tính độ cứng chống đỡ và áp lực chống đỡ lớn nhất đối với bê tông/bê tông phun, bộ chống thép, và rock bolt/cáp neo không bơm vữa được neo bằng cơ học hoặc hóa học được tóm tắt trong Bảng 6-11.

Bảng 6-11. Các nghiệm giải tích cho độ cứng chống đỡ và áp lực chống đỡ lớn nhất đối với các hệ chống đỡ khác nhau
(Brady & Brown, 1985)

Hệ chống đỡ	Độ cứng chống đỡ (K) và áp lực chống đỡ lớn nhất \((P_{max})\)
Lớp lót bê tông / bê tông phun	\(\displaystyle K=\frac{E_c}{(1+\nu_c)}\frac{r_i^2-\left(r_i-t_c\right)^2}{(1-2\nu_c)r_i^2+\left(r_i-t_c\right)^2}\) \(\\\) \(\displaystyle P_{max}=\frac{\sigma_{cc}}{2}\left[1-\frac{\left(r_i-t_c\right)^2}{r_i^2}\right]\)
Bộ chống thép được chèn kín	\(\displaystyle \frac{1}{K}=\frac{S r_i}{E_s A_s}+\frac{S r_i^3}{E_s I_s}\left[\frac{\theta(\theta+\sin\theta\cos\theta)}{2\sin^2\theta}\right]+\frac{2S\theta t_B}{E_B W^2}\) \(\\\) \(\displaystyle P_{max}= \frac{3A_s I_s \sigma_{ys}} {2S r_i \theta \left\{3I_s+XA_s\left[r_i-\left(t_B+0.5X\right)\right]\left(1-\cos\theta\right)\right\}}\)
Rock bolt hoặc cáp neo không bơm vữa, được neo bằng cơ học hoặc hóa học	\(\displaystyle \frac{1}{K}=\frac{s_c s_l}{r_i}\left(\frac{4l}{\pi d_b^2 E_b}+Q\right)\)\(\\\) \(\displaystyle P_{max}=\frac{T_{bf}}{s_c s_l}\)

KÝ HIỆU:
\(K\) = độ cứng chống đỡ; \(P_{max}\) = áp lực chống đỡ lớn nhất; \(E_c\) = mô đun Young của bê tông;
\(t_c\) = chiều dày lớp lót (Hình 6-28a); \(r_i\) = bán kính trong của hầm (Hình 6-28a);
\(\sigma_{cc}\) = cường độ nén một trục của bê tông hoặc bê tông phun;
\(W\) = bề rộng bản cánh của bộ chống thép và chiều dài cạnh của khối chèn vuông; \(X\) = chiều sâu tiết diện của bộ chống thép;
\(A_s\) = diện tích mặt cắt ngang của bộ chống thép; \(I_s\) = mô men quán tính diện tích của bộ chống thép;
\(E_s\) = mô đun Young của thép; \(\sigma_{ys}\) = cường độ chảy của thép;
\(S\) = khoảng cách bộ chống thép theo trục hầm; \(\theta\) = nửa góc giữa các điểm chèn, tính bằng radian (Hình 6-28b);
\(t_B\) = chiều dày khối chèn; \(E_B\) = mô đun Young của vật liệu chèn; \(l\) = chiều dài tự do của rock bolt hoặc cáp neo;
\(d_b\) = đường kính rock bolt hoặc đường kính cáp neo tương đương; \(E_b\) = mô đun Young của rock bolt hoặc cáp neo;
\(T_{bf}\) = tải trọng phá hoại cực hạn trong thí nghiệm kéo tuột; \(s_c\) = khoảng cách rock bolt theo chu vi;
\(s_l\) = khoảng cách rock bolt theo phương dọc hầm; \(Q\) = hằng số tải trọng–biến dạng của neo và đầu neo.

Kích thước và hình dạng của các nêm hình thành trong khối đá xung quanh công trình khai đào hầm phụ thuộc vào hình học và hướng tuyến của hầm, cũng như hướng của các tập khe nứt. Các bài toán hình học ba chiều có thể được giải bằng các chương trình máy tính như UNWEDGE (Rocscience Inc.).

UNWEDGE là một chương trình phân tích ổn định và trực quan hóa ba chiều dành cho các công trình khai đào ngầm trong đá có các gián đoạn cấu trúc giao cắt nhau. UNWEDGE cung cấp các mô hình chống đỡ nâng cao cho rock bolt, bê tông phun và áp lực chống đỡ; có khả năng tối ưu hóa hướng hầm; và có tùy chọn xem xét các tổ hợp khác nhau của ba tập khe nứt dựa trên danh sách gồm nhiều hơn ba tập khe nứt.

Trong UNWEDGE, hệ số an toàn được tính cho các nêm có khả năng mất ổn định, và yêu cầu chống đỡ có thể được mô hình hóa bằng nhiều kiểu bố trí rock bolt theo mạng và rock bolt cục bộ, cũng như bê tông phun. Hình 6-28 trình bày một nêm được tạo bởi UNWEDGE trong hầm dạng móng ngựa.

6.6.3 Phương pháp số

Một công cụ thiết kế mạnh khác là phân tích ứng suất đàn hồi–dẻo bằng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc sai phân hữu hạn. Phân tích phần tử hữu hạn hoặc sai phân hữu hạn đã được sử dụng cho nhiều loại dự án kỹ thuật trong vài thập kỷ qua.

Các mô hình phức tạp, nhiều giai đoạn có thể được tạo lập dễ dàng và phân tích nhanh chóng. Các phân tích này cung cấp các tùy chọn mô hình hóa vật liệu phức tạp, đồng thời cho phép mô hình hóa nhiều loại hệ chống đỡ khác nhau.

Các phần tử lớp lót, thường được mô hình hóa dưới dạng phần tử dầm, có thể được áp dụng trong mô hình hóa bê tông phun, các lớp bê tông và bộ chống thép. Một bố trí phân tích phần tử hữu hạn điển hình để thiết kế hệ chống đỡ được trình bày trong Hình 6-30.

Hầu như mọi dự án hiện nay đều yêu cầu mô hình số để dự báo ứng xử của kết cấu và nền đất đá, và hiện có rất nhiều chương trình phân tích số để lựa chọn. Quan điểm về mô hình số trong lĩnh vực hầm đã thay đổi mạnh mẽ trong vài thập kỷ gần đây.

Trước đây, mô hình số thường được cho là không phù hợp hoặc chưa đủ chính xác. Hiện nay, khi các kỹ thuật số ngày càng phát triển, trọng tâm đã chuyển sang các tính toán số. Trên thị trường hiện có một số chương trình máy tính thương mại; vấn đề nằm ở việc biết cách sử dụng các chương trình này một cách hiệu quả và hiểu được ưu điểm cũng như hạn chế của chúng.

Tất cả các chương trình đều yêu cầu người dùng có hiểu biết vững chắc về các mô hình số nền tảng và các quy luật cấu thành. Giao diện người dùng đang được cải thiện với các chương trình Windows mới nhất, mặc dù không nên đánh giá thấp quá trình học sử dụng tất cả các chương trình này.

Một số phương pháp số đã được phát triển trong thực hành kỹ thuật dân dụng. Các phương pháp này bao gồm phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp sai phân hữu hạn (FDM), phương pháp phần tử biên (BEM), phương pháp phần tử rời rạc (DEM) và hydrocodes. Các chương trình mô hình số thương mại hiện có trong thiết kế và phân tích hầm được giới thiệu tóm tắt trong Bảng 6-12.

Phân tích môi trường liên tục

FEM, FDM và BEM được gọi là các phương pháp phân tích môi trường liên tục, trong đó miền phân tích được giả định là môi trường đồng nhất. Các phương pháp này được sử dụng rộng rãi để phân tích các bài toán thiết kế khai đào ngầm.

Để xét đến sự hiện diện của các gián đoạn, các đặc tính cơ học và thủy lực của khối đá được suy giảm từ các giá trị đo được trên mẫu đá nguyên khối. (Tham khảo Mục 6.3.6).

Bảng 6-12. Các chương trình mô hình số được sử dụng trong thiết kế và phân tích hầm

Chương trình	Mô tả	Ứng dụng
FLAC FDM	Mã sai phân hữu hạn hai chiều Được sử dụng rộng rãi trong phân tích tổng quát và như một công cụ thiết kế áp dụng cho nhiều loại bài toán Sử dụng các mô hình cấu thành do người dùng định nghĩa và các hàm FISH; rất phù hợp để mô hình hóa nhiều giai đoạn, chẳng hạn như khai đào tuần tự, lắp đặt hệ chống đỡ và lớp lót, lấp lại và chất tải Là một tùy chọn, chương trình này cho phép phân tích động, phân tích nhiệt, phân tích từ biến và phân tích dòng chảy hai pha Quá trình nghiệm tường minh của mã sai phân hữu hạn cho phép các tính toán số ổn định; tuy nhiên, cần thời gian chạy lớn khi có hình học phức tạp và/hoặc mô hình hóa theo trình tự	Ứng xử cơ học của đất và khối đá Tương tác giữa ứng xử thủy lực và cơ học của đất Rất phù hợp cho hầm hoặc khai đào trong đất Tổng quan toàn cục về nghiệm kỹ thuật trong khối đá, trong đó các đặc tính tương đương của khối đá cần được đánh giá đúng Phân tích động đất
FLAC 3D FDM	Phiên bản ba chiều của FLAC Phần mềm tạo lưới được khuyến nghị cho hình học phức tạp	Ứng xử hình học ba chiều phức tạp Phù hợp cho nghiên cứu tương tác đối với các hầm giao cắt
PLAXIS FEM	Gói phần tử hữu hạn cho phân tích hai chiều và ba chiều Trình tạo lưới phần tử hữu hạn tự động Thân thiện với người dùng	Hầm và khai đào trong đất Tương tác giữa ứng xử thủy lực và cơ học Mô hình hóa áp lực nước lỗ rỗng thủy tĩnh và phi thủy tĩnh trong đất
PHASE2 FEM	Phân tích ứng suất phần tử hữu hạn đàn hồi–dẻo hai chiều Rất phù hợp cho kỹ thuật đá Trình tạo lưới phần tử hữu hạn tự động Dễ sử dụng	Hầm và khai đào trong đá Tổng quan toàn cục về nghiệm kỹ thuật trong khối đá
SEEP/W	Mã phần tử hữu hạn dùng để phân tích các bài toán thấm nước ngầm và tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng dư trong vật liệu rỗng Có thể áp dụng từ các bài toán đơn giản, trạng thái ổn định bão hòa đến các bài toán phức tạp, bão hòa–không bão hòa phụ thuộc thời gian Dòng chảy bão hòa và không bão hòa	Phân tích thấm nước ngầm trạng thái ổn định và không ổn định cho hầm và công trình khai đào Các đặc tính tương đương của khối đá cần được đánh giá đúng
MODFLOW FDM	Mô hình dòng chảy nước ngầm sai phân hữu hạn dạng mô đun Công cụ được sử dụng rộng rãi nhất để mô phỏng dòng chảy nước ngầm Dùng để mô phỏng các hệ tầng chứa nước trong đó: (1) tồn tại điều kiện dòng chảy bão hòa, (2) áp dụng định luật Darcy, (3) khối lượng riêng của chất lỏng không đổi, và (4) các phương chính của độ dẫn thủy lực hoặc hệ số truyền nước không thay đổi trong hệ	Dòng chảy ba chiều ở trạng thái ổn định và không ổn định Mô hình hóa hệ tầng chứa nước không đồng nhất, dị hướng Mô hình hóa vận mệnh và vận chuyển chất cho các bài toán địa môi trường với gói chương trình có sẵn
UDEC DEM	Mã phần tử rời rạc hai chiều Rất phù hợp cho các bài toán liên quan đến hệ đá có khe nứt hoặc tập hợp các khối rời rạc chịu điều kiện tựa tĩnh hoặc động Mô hình hóa biến dạng lớn dọc theo các hệ khe nứt Đá nguyên khối, tức các khối đá, có thể là cứng hoặc biến dạng được Có đầy đủ khả năng phân tích động với biên hấp thụ và đầu vào sóng Dữ liệu khe nứt có thể được nhập bằng trình tạo tập khe nứt dựa trên thống kê Mô hình hóa tương tác thủy lực và cơ học	Hầm và khai đào trong khối đá có khe nứt Rất phù hợp nếu các mặt yếu chi phối được xác định rõ và các đặc tính của chúng được lượng hóa đúng Phân tích khả năng phát sinh hydraulic jacking cho hầm áp lực, yêu cầu chi tiết về dòng chảy khe nứt, khẩu độ và quan hệ đóng mở khe nứt Phân tích động đất
3DEC DEM	Mở rộng ba chiều của UDEC Được thiết kế chuyên biệt để mô phỏng phản ứng tựa tĩnh hoặc động đối với tải trọng của khối đá chứa nhiều hệ khe nứt giao cắt Có đầy đủ khả năng mô phỏng tương tác thủy–cơ	Ứng xử hình học ba chiều phức tạp Phù hợp cho nghiên cứu tương tác đối với các hầm giao cắt trong khối đá có khe nứt Phân tích khả năng phát sinh hydraulic jacking cho hầm áp lực
UNWEDGE	Tạo nêm giả ba chiều và phân tích ổn định cho hầm Phân tích hệ số an toàn đơn giản Cần ba tập khe nứt để hình thành nêm	Công cụ phân tích ý tưởng cho thiết kế chống đỡ hầm Nghiên cứu tham số cho biểu đồ tải trọng nêm đối với hầm
SWEDGE	Phân tích nêm bề mặt giả ba chiều cho mái dốc và công trình khai đào Công cụ phân tích dễ sử dụng để đánh giá hình học và ổn định của nêm bề mặt Nêm được hình thành bởi hai mặt gián đoạn giao cắt nhau và một mặt mái dốc	Thiết kế ý tưởng mái dốc Nghiên cứu tham số cho biểu đồ tải trọng nêm đối với mái dốc và công trình khai đào
LSDYNA	Chương trình phần tử hữu hạn động không ổn định đa dụng Được tối ưu hóa cho các nền tảng Unix, Linux và Windows dùng bộ nhớ chia sẻ và phân tán Phân tích động phi tuyến Euler–Lagrange kết hợp Được sử dụng rộng rãi trong phân tích va chạm và phân tích động	Phân tích va chạm Phân tích nổ Phân tích động đất/rung động Mô hình hóa động lực học chất lưu tính toán
AUTODYN	Hydrocode dựa trên phần tử hữu hạn, thể tích hữu hạn và phần tử hữu hạn Phân tích động phi tuyến Euler–Lagrange kết hợp Thư viện vật liệu thuận tiện Được sử dụng rộng rãi trong phân tích động	Phân tích nổ Phân tích va chạm Phân tích động đất/rung động Mô hình hóa động lực học chất lưu tính toán

Các mã phân tích môi trường liên tục đôi khi được hiệu chỉnh để xét đến các gián đoạn như đứt gãy và vùng cắt đi qua miền phân tích. Tuy nhiên, chuyển vị không đàn hồi hầu hết được giới hạn trong các bậc độ lớn được cho phép bởi các nguyên lý giải tích được sử dụng khi xây dựng các quy trình nghiệm.

FLAC, PHASES, PLAXIS, SEEP/W và MODFLOW là các chương trình được sử dụng rộng rãi cho phân tích môi trường liên tục. Hình 6-31 trình bày một ví dụ về biểu đồ đường đồng mức của hệ số sức kháng (SF) đối với một hầm tròn trong đá gneiss, từ phân tích phần tử hữu hạn (Choi và cộng sự, 2007).

Dựa trên các biểu đồ đường đồng mức SF thể hiện trong Hình 6-31, hệ số SF nhỏ nhất đối với phá hoại cắt gần hầm là 40, nghĩa là cường độ khối đá lớn hơn 40 lần so với ứng suất cảm sinh, cho thấy toàn bộ miền phân tích không bị quá ứng suất và không dự kiến có vấn đề mất ổn định do ứng suất gây ra.

Phân tích phần tử rời rạc

Nếu miền phân tích chứa các mặt yếu chi phối, liên tục và có hướng bất lợi đối với công trình khai đào, thì phân tích nên xét đến các đặc trưng riêng của các mặt yếu này. Trong trường hợp này, độ cứng cơ học, tức đặc trưng lực–chuyển vị, hoặc độ dẫn thủy lực, tức quan hệ áp lực–lưu lượng, của các mặt gián đoạn có thể khác nhiều so với đá nguyên khối.

Khi đó, có thể xem xét phương pháp phần tử rời rạc (DEM) để giải loại bài toán này. Khác với phân tích môi trường liên tục, DEM cho phép phân tích biến dạng lớn và biến dạng hữu hạn của một tập hợp các vật thể biến dạng được hoặc cứng, tức các khối đá nguyên khối, tương tác với nhau thông qua các tiếp xúc biến dạng được và có ma sát, tức các khe nứt trong đá.

Trong phân tích thủy lực, DEM cho phép phân tích mạng dòng chảy, phù hợp trong phân tích dòng chảy nước ngầm trong các khối đá có khe nứt.

Phân tích thủy–cơ kết hợp là một ưu điểm mạnh khác của DEM, vì dòng chảy trong khối đá có khe nứt liên quan chặt chẽ đến tải trọng tác dụng. Loại phân tích này yêu cầu chi tiết về dòng chảy qua khe nứt, khẩu độ khe nứt và quan hệ đóng–mở khe nứt, và phù hợp nếu các mặt yếu chi phối được xác định rõ cùng với các đặc tính của chúng được lượng hóa đúng.

UDEC và 3DEC là các chương trình phổ biến nhất, trong khi UNWEDGE và SWEDGE là các lựa chọn thay thế tốt cho mục đích thiết kế ý tưởng. Một ví dụ về phân tích phần tử rời rạc được trình bày trong Hình 6-32.

6.6.4 Chống đỡ trước và các phương pháp cải thiện nền khác

Chống đỡ trước được sử dụng trong cả hầm đá và hầm đất, có lẽ thường gặp hơn trong hầm đất. Trong các ứng dụng hầm đá, chống đỡ trước có thể được yêu cầu khi hầm gặp các vùng đá phong hóa mạnh và/hoặc đá nứt vỡ. Trong loại đá như vậy, thời gian tự đứng vững có thể quá ngắn để lắp đặt hệ chống đỡ thông thường.

Chống đỡ trước có thể bao gồm một số kỹ thuật. Ví dụ, spile và forepoling thường được lắp đặt xuyên qua và phía trước gương hầm. Các cấu kiện này được đóng hoặc khoan, như minh họa sơ đồ trong Hình 6-21, và đi qua phía trên hệ chống đỡ gần gương hầm nhất, đồng thời đi dưới hoặc xuyên qua hệ chống đỡ kế tiếp phía sau gương hầm. Vì vậy, các “nón” spile chồng lấn nhau được hình thành, tạo ra dạng răng cưa theo biên dạng khoảng mở.

Các spile này thường được lựa chọn dựa trên kinh nghiệm và phán đoán, vì hiện chưa có phương pháp thiết kế đã biết. Do đó, việc áp dụng thành công thường phụ thuộc vào công nhân tại hiện trường, vì họ ở ngay gương hầm và phải đưa ra quyết định theo thời gian thực trong thời gian ngắn khi nền được lộ ra và ứng xử của nó được quan sát.

6.6.5 Trình tự khai đào và lắp đặt hệ chống đỡ ban đầu

Như trình bày trong Mục 6.4, ba phương pháp khai đào chính đối với hầm đá như sau:

• Khoan và nổ mìn, bao gồm SEM/NATM, để đào toàn tiết diện hoặc đào nhiều heading, với bất kỳ hình dạng nào trong mọi loại đá.
• Roadheader để đào toàn tiết diện hoặc đào nhiều heading, với hình dạng trong đá có cường độ đến trung bình.
• TBM để đào toàn tiết diện, thường chỉ dạng tròn, trong mọi loại đá.

Khi một công trình khai đào được thực hiện trong đá nguyên khối bằng bất kỳ phương pháp nào, sẽ có sự điều chỉnh, hoặc phân bố lại, ứng suất trong đá xung quanh công trình khai đào. Tuy nhiên, sự điều chỉnh này nhanh chóng tiêu tán, và sự thay đổi chỉ khoảng sáu phần trăm tại khoảng cách rõ ràng bằng ba lần bán kính tính từ thành khoảng mở. Ứng suất tại hiện trường trong đá nguyên khối nói chung thấp đối với hầu hết các hầm đường bộ vì các hầm này có chiều sâu tương đối nông. Do đó, trong đá nguyên khối, các ứng suất “đàn hồi” phát sinh do sự phân bố lại này không vượt quá cường độ đá để gây mất ổn định.

Tuy nhiên, trên thực tế đá là vật liệu có khe nứt, dạng khối, và chính ứng xử của khối đá dạng khối gần như luôn chi phối ứng xử của hầm. Evert Hoek mô tả ứng xử này như sau (Hoek, 2000):

“Trong các hầm được khai đào trong khối đá có khe nứt ở chiều sâu tương đối nông, các dạng phá hoại thường gặp nhất là các phá hoại liên quan đến nêm rơi từ mái hầm hoặc trượt ra khỏi thành bên của khoảng mở. Các nêm này được hình thành do các đặc trưng cấu trúc giao cắt nhau, chẳng hạn như mặt phân lớp và khe nứt, chia khối đá thành các mảnh rời rạc nhưng vẫn cài khóa với nhau. Khi một mặt tự do được tạo ra do khai đào khoảng mở, sự cản giữ do khối đá xung quanh tạo ra sẽ bị loại bỏ. Một hoặc nhiều nêm trong số này có thể rơi hoặc trượt khỏi bề mặt nếu các mặt giới hạn liên tục, hoặc nếu các cầu đá dọc theo các gián đoạn bị phá vỡ.”

Nếu không có biện pháp chống đỡ các nêm rời này, độ ổn định của mái và thành của khoảng mở có thể suy giảm nhanh chóng. Mỗi nêm được phép rơi hoặc trượt sẽ làm giảm sự cản giữ và sự cài khóa của khối đá; điều này sẽ cho phép các nêm khác rơi. Quá trình phá hoại này sẽ tiếp tục cho đến khi sự tạo vòm tự nhiên trong đá ngăn cản sự tháo rời thêm, hoặc cho đến khi khoảng mở bị lấp đầy bằng vật liệu đã rơi.

Các bước cần thiết để xử lý vấn đề này như sau:

Bước 1: Xác định góc dốc trung bình và hướng dốc trung bình của các tập gián đoạn đáng kể.
Bước 2: Xác định các nêm tiềm năng có thể trượt hoặc rơi từ mái hoặc thành hầm.
Bước 3: Tính toán hệ số an toàn của các nêm này, tùy theo dạng phá hoại.
Bước 4: Tính toán lượng gia cường cần thiết để đưa hệ số an toàn của từng nêm lên đến mức chấp nhận được.

Các khái niệm và ứng dụng của trình tự khai đào và lắp đặt hệ chống đỡ ban đầu nói chung dựa trên khai đào bằng khoan và nổ mìn, nhưng cũng áp dụng cho khai đào bằng roadheader. Các khái niệm này có thể được tóm tắt trong “một câu” như sau: không được đào nhiều hơn mức có thể được dọn đi nhanh chóng và được chống đỡ nhanh chóng, để việc kiểm soát nền không bao giờ bị ảnh hưởng.

6.6.6 Ổn định gương hầm

Nhìn chung, ổn định gương hầm trong hầm đá không phải là vấn đề đáng lo ngại như trong hầm đất, vì đá thường có xu hướng uốn vòm ứng suất sang hai bên và phía trước gương hầm. Tuy nhiên, trong đá cường độ thấp, tại các khu vực đá bị nứt vỡ hoặc nơi đá bị phong hóa mạnh, ổn định gương hầm có thể là một vấn đề.

Như đã thảo luận trong Chương 7 và Mục 6.6.5, bí quyết để đào hầm khi ổn định gương hầm có thể là vấn đề là phải bảo đảm rằng từng heading không quá lớn đến mức không thể được khai đào nhanh chóng và chống đỡ nhanh chóng. Ngoài ra, khi có nước ngầm, cần tháo nước hạ áp hoặc kiểm soát nước ngầm bằng cách khác, vì như Terzaghi đã lưu ý, nền không ổn định thường liên quan đến, hoặc bị làm trầm trọng thêm bởi, áp lực nước ngầm.

6.6.7 Chống đỡ bề mặt

Chống đỡ bề mặt trong hầm đá có thể được thực hiện bằng ribs và lagging như đã thảo luận ở trên; hoặc hiện nay thường gặp hơn là bằng bê tông phun kết hợp với rock bolt hoặc dowel, bộ chống thép, lattice girder, lưới thép hoặc nhiều loại thảm gia cường khác nhau. Phần lớn các hầm đá hiện đại được chống đỡ bằng bê tông phun và rock bolt hoặc lattice girder.

Cả hai hệ này đều tạo ra hệ chống đỡ linh hoạt, tận dụng cường độ vốn có của đá, nhưng có thể được làm cứng đơn giản và nhanh chóng bằng cách bổ sung rock bolt, lattice girder và/hoặc bê tông phun. Ngoài ra, lattice girder cung cấp một khuôn mẫu đơn giản để đánh giá chiều dày bê tông phun. Đối với các trường hợp khác, lưới thép hoặc thảm gia cường đã được chứng minh có khả năng ngăn giữ hiệu quả hiện tượng unraveling và giữ vật liệu raveling cục bộ cho đến khi có thể phun đủ bê tông phun để liên kết toàn bộ hệ lại với nhau và giữ hệ này cho đến khi bê tông phun đạt cường độ.

6.6.8 Chuyển vị nền

Phần lớn chuyển vị nền xung quanh hầm đá có thể được ước tính từ lý thuyết đàn hồi hoặc được tính toán bằng một trong số các chương trình máy tính. Lý thuyết đàn hồi cho phép tính gần đúng chuyển vị nền xung quanh hầm tròn trong đá, như thể hiện trong Hình 6-33. Chuyển vị hướng tâm gần đúng tại một điểm ngay xung quanh hầm trong đá đàn hồi được cho bởi:

\[
u=\frac{P_z(1+\nu)}{E}\frac{a^2}{r}\tag{6-8}
\]

trong đó:
\(\qquad u = \)chuyển vị hướng tâm, in.
\(\qquad P_z = \) ứng suất trong nền
\(\qquad \nu = \) hệ số Poisson
\(\qquad E =\) mô đun đàn hồi của đá
\(\qquad a = \) bán kính khoảng mở
\(\qquad r = \) bán kính đến điểm quan tâm, như trình bày trong Hình 6-33

Đối với bất kỳ hình dạng nào khác ngoài hình tròn, thường có thể phác họa một đường tròn gần đúng nhất với khoảng mở thực tế và dùng bán kính của đường tròn đó trong nghiệm trên để tính chuyển vị gần đúng. Tuy nhiên, trong những trường hợp hiếm gặp khi cần xác định chính xác giá trị chuyển vị, nên xác định bằng phân tích số. Các đường đồng mức chuyển vị do hai công trình khai đào hầm gây ra, được tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn, được trình bày trong Hình 6-34.

6.7 KIỂM SOÁT NƯỚC NGẦM TRONG QUA TRÌNH KHAI ĐÀO

Kiểm soát nước ngầm trong đá có thể có nhiều hình thức, tùy thuộc vào bản chất và phạm vi của vấn đề. Trên thực tế, trong nhiều trường hợp, kinh nghiệm đã chứng minh rằng sự kết hợp các phương pháp kiểm soát có thể là giải pháp tốt nhất. Đối với một hầm cụ thể, cũng có thể thấy rằng các giải pháp khác nhau được áp dụng tại các vị trí khác nhau dọc theo tuyến.

6.7.1 Tháo nước tại gương hầm

Tháo nước tại gương hầm là phương pháp kiểm soát nước ngầm phổ biến nhất. Phương pháp này đơn giản là cho phép nước thoát vào hầm qua gương hầm, thu gom nước và dẫn về phía sau bằng các rãnh thoát nước hoặc bằng bơm. Sau đó, nước này được đưa vào hệ thống xử lý/xả nước tại công trường. Lưu ý rằng nếu có rò rỉ hoặc tràn dầu thủy lực hay các chất khác tại TBM hoặc thiết bị khác trong hầm, các chất ô nhiễm đó sẽ có trong nước này.

6.7.2 Thoát nước phía trước gương hầm từ các lỗ thăm dò

Các lỗ thăm dò phía trước hầm có thể được bố trí để kiểm tra các đặc trưng của đá, từ đó cung cấp thông tin phục vụ vận hành máy và kiểm soát. Các lỗ này cũng sẽ thoát nước cho khối đá và cảnh báo trước, đồng thời thoát dẫn, bất kỳ khí mê-tan, hydro sulfide hoặc khí khác, dầu mỏ, hoặc chất ô nhiễm nào có thể hiện diện.

Tại các khu vực đã biết có các tích tụ khí hoặc chất ô nhiễm khác như vậy, thông thường và được khuyến nghị là duy trì một hoặc nhiều lỗ thăm dò phía trước máy. Khi gặp các vật chất này, các lỗ thăm dò sẽ cảnh báo công nhân về nhu cầu tăng tần suất đo khí, tăng lưu lượng thông gió, hoặc thực hiện các biện pháp khác khi cần để tránh vấn đề khí bất ngờ hoặc quá mức trong hầm.

6.7.3 Thoát nước từ pilot bore / hầm dẫn hướng

Các hầm dẫn hướng có thể mang lại một số lợi ích cho việc đào một hầm lớn hơn, bao gồm:

• Thoát nước ngầm
• Thoát khí hoặc các chất ô nhiễm khác
• Thông tin thăm dò về địa chất
• Các gallery để bơm vữa hoặc lắp bolt phục vụ chống đỡ trước cho một khoảng mở lớn hơn
• Thông tin về ứng xử/chất tải của đá để thiết kế khoảng mở lớn hơn

Vấn đề về vị trí và kích thước của hầm dẫn hướng luôn dẫn đến nhiều tranh luận sôi nổi, vì không có hai hầm nào hoàn toàn giống nhau. Các hầm dẫn hướng thường có kích thước 8 ft (2.44 m) là phổ biến và có thể được bố trí tại một hoặc nhiều vị trí.

Ví dụ, trong dự án H-3 tại Hawaii, có lo ngại rằng có thể gặp khối lượng nước rất lớn. Đây là tuyến đường bộ dài 36 ft (10.97 m) xuyên qua núi sang phía đối diện của đảo. Các lỗ khoan chỉ hạn chế, nhưng không cho thấy có khối lượng nước lớn. Tuy nhiên, người ta biết rõ rằng các vị trí tương tự có các hang rỗng chứa nước đủ lớn để ca-nô đi qua, và có lo ngại rằng một thể tích nước lớn tương tự sẽ được phát hiện trong hầm H-3.

Hầm dẫn hướng đã chứng minh rằng nước không phải là vấn đề lớn; đồng thời hầm này mang lại lợi ích thứ hai, không mong đợi: nhờ có thể quan sát và phân tích đá dọc theo toàn bộ lỗ hầm, nhà thầu trúng thầu xác định rằng có thể thực hiện phần lớn công tác khai đào bằng cách xé phá đá bằng các máy ripper cỡ lớn hiện đại, thay vì sử dụng kỹ thuật khoan và nổ mìn.

Nhờ đánh giá này, nhà thầu đã có thể tiết kiệm hàng triệu đô la trong giá thầu và rút ngắn tiến độ thi công vài tuần. Một lợi ích bổ sung là hầm dẫn hướng đã được mở rộng nhẹ và hiện là lối tiếp cận lâu dài, thông qua các drift đặc biệt, để lực lượng bảo trì tiếp cận toàn bộ chiều dài hầm bằng xe bán tải nhỏ mà không cần sử dụng các làn giao thông đang hoạt động.

6.7.4 Bơm vữa

Nước ngầm chảy vào hầm đá hầu như chỉ đi qua các khe nứt, mặt phân lớp, đới cắt, đới đứt gãy và các khe nứt khác. Vì các vị trí này có thể được xác định, bơm vữa là phương pháp kiểm soát nước ngầm được sử dụng phổ biến nhất. Một số loại vật liệu vữa khác nhau được sử dụng tùy thuộc vào kích thước của khe hở và lưu lượng nước chảy vào.

Cách tiếp cận thiết kế trước hết là phát hiện các vùng có khả năng có lưu lượng nước ngầm lớn bằng cách khoan các lỗ thăm dò phía trước gương hầm. Thứ hai, các vùng này được đặc trưng hóa và, hy vọng, các khe nứt chính mang nước được xác định sơ bộ. Sau đó, một loạt lỗ bơm vữa được khoan để cắt qua các khe nứt này, cách gương hầm hoặc thành hầm từ 10 ft (3.05 m) đến một đường kính hầm.

Tiếp theo, sử dụng các tube-a-manchettes, vữa xi măng và/hoặc vữa phản ứng với nước được bơm vào để bịt nước đến mức sao cho các lỗ khoan tiếp theo được khoan ở bước thứ năm và bơm bằng các loại vữa mịn hơn, thấm sâu hơn, chẳng hạn như xi măng siêu mịn hoặc xi măng siêu mịn đặc biệt và/hoặc natri silicat, nhằm hoàn tất quá trình bịt kín.

Dựa trên đánh giá mức độ thành công của công tác bơm vữa, có thể cần bổ sung thêm các lỗ khoan và bơm vữa để cuối cùng giảm lưu lượng nước chảy vào xuống mức chấp nhận được. Thông thường, các bước bốn và năm sẽ phải được lặp lại, theo cách thử – sai, cho đến khi đạt được mức giảm lưu lượng yêu cầu.

6.7.5 Đóng băng

Trong một số trường hợp hiếm gặp, có thể cần thử phương pháp đóng băng để kiểm soát nước ngầm trong hầm đá. Điều này có thể xảy ra, ví dụ, tại một giếng đứng, nơi cần kiểm soát cục bộ nước ngầm để TBM phá ra vào khối đá xung quanh.

Nếu khi bắt đầu khai đào buồng phóng TBM phát hiện lưu lượng nước chảy vào quá lớn, các phương pháp kiểm soát thay thế sẽ là bơm vữa như đã thảo luận ở trên, hoặc có thể là đóng băng.

Các tác giả không biết đến ví dụ nào ở Hoa Kỳ trong đó phương pháp đóng băng đã được sử dụng trong hầm đá, có lẽ vì một lý do rất đơn giản: lưu lượng nước lớn gặp trong hầm đá thường sẽ tập trung tại các khe nứt hiện diện trong đá.

Sự tập trung này thường tạo ra vận tốc dòng chảy tương đối lớn. Vận tốc đó thường vượt quá 6 ft/ngày (1.83 m/ngày), là vận tốc nước ngầm lớn nhất mà tại đó việc đóng băng hiệu quả còn khả thi.

Do đó, phần lớn trường hợp trong hầm đá sẽ không sử dụng phương pháp đóng băng, ngoại trừ rất cục bộ như đã thảo luận ở trên; và ngay cả khi đó, có thể cần sử dụng nitơ lỏng để thực hiện đóng băng.

6.7.6 Máy đào gương kín

Máy đào gương kín có thể được sử dụng cho thi công hầm đá trong điều kiện lưu lượng nước ngầm lớn trên các đoạn ngắn. Trên thực tế, loại máy này sẽ giống máy cân bằng áp lực đất (EPB) hơn, với các dao cắt đá đủ khả năng khai đào đá.

Đối với bất kỳ chiều dài kéo dài nào lớn hơn vài trăm feet, giải pháp này thường sẽ không kinh tế. Máy sẽ phải nghiền vụn các mảnh đá và trộn phần “hạt mịn” tạo ra với lượng lớn chất điều hòa và nước hiện có để tạo thành vật liệu dẻo. Điều này là cần thiết để EPB kiểm soát gương đào phía trước vách ngăn và đưa vật liệu từ trạng thái chịu áp tại gương đào xuống trạng thái áp suất khí quyển thông qua băng tải vít của EPB. Xem Chương 7.

Vì các lý do này, thông thường người ta sẽ không lập kế hoạch chế tạo một máy đào đá gương kín, mà sẽ trang bị cho EPB các dao cắt đá để đào các đoạn ngắn trong đá thuộc một hầm đất yếu dài hơn. Một ngoại lệ đối với nhận định chung này là hầm đá trong đá yếu hoặc đá mềm như đá phấn, marl, shale hoặc sandstone có cường độ khá thấp, đến mức về cơ bản ứng xử của chúng giống nền đất yếu cường độ cao.

6.7.7 Các biện pháp kiểm soát nước ngầm khác

Các phương pháp kiểm soát nước ngầm đã thảo luận ở trên có lẽ chiếm hơn 95% các trường hợp cần kiểm soát nước ngầm trong hầm đá. Đối với một số hầm hoặc giếng đứng đặc biệt, khi cần biện pháp khác, người thiết kế có thể phải dựa vào kinh nghiệm và sự sáng tạo để đưa ra giải pháp. Một số gợi ý được nêu ở đây, nhưng các giải pháp thực sự sáng tạo có thể phải được phát triển theo từng trường hợp cụ thể.

Compressed Air – Khí nén

từng là biện pháp chủ đạo để kiểm soát nước ngầm, hoặc các điều kiện nền chảy / nền ép trồi, nhưng hiện nay rất ít được sử dụng trong xây dựng hiện đại. Khi hầm hoặc giếng đứng có thể được ổn định bằng áp suất tương đối thấp, khoảng 10 psi (69 kPa) hoặc nhỏ hơn, phương pháp này vẫn có thể được sử dụng. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu trạm máy nén khí, cửa khóa khí, thiết bị y tế chuyên dụng cho trường hợp khẩn cấp và thời gian giảm áp.

Panning – Đặt máng hứng nước

có thể hấp dẫn trong một số trường hợp khi lưu lượng nước chảy vào không quá lớn và tập trung tại các điểm và/hoặc khe nối cụ thể. Trong trường hợp này, các máng được đặt trên các vị trí rò rỉ và được cố định tại chỗ bằng bê tông phun. Nước được dẫn trong máng hoặc ống xuống invert và xả vào hệ thống thoát nước của hầm.

Drainage Fabric – Vải thoát nước

hiện được sử dụng thường xuyên trong hầm đá. Các loại vải địa kỹ thuật này có thể được lắp đặt trên toàn bộ chu vi hầm, hoặc thường hơn là theo các dải với một bố trí nhất định hoặc tại nơi xảy ra rò rỉ. Được cố định vào bề mặt đá, với màng chống thấm hoặc phần vải quay vào trong hầm, loại vải này sau đó được kẹp giữ tại chỗ bằng lớp lót bê tông đổ tại chỗ. Phần xơ sợi của vải tạo ra đường thoát nước vòng quanh và xuống dọc theo thành hầm, rồi vào hệ thống thu gom tại invert hầm.

6.8 CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ VỎ HẦM CỐ ĐỊNH

6.8.1 Giới thiệu

Đối với nhiều hầm, mục đích chính của vỏ hầm hoàn thiện là chuẩn bị hầm cho mục đích sử dụng cuối cùng, ví dụ như cải thiện tính thẩm mỹ cho người sử dụng hoặc cải thiện đặc tính dòng chảy trong trường hợp dẫn nước. Do đó, vỏ hầm hoàn thiện có thể gồm bê tông đổ tại chỗ, các tấm bê tông đúc sẵn, hoặc bê tông phun.

Ví dụ, đối với hệ thống tàu điện ngầm Washington DC, cả bê tông đổ tại chỗ và các tấm bê tông đúc sẵn đều đã được sử dụng. Đối với các ga trung tâm, nhiều sơ đồ chống đỡ ban đầu khác nhau đã được sử dụng, nhưng vỏ hầm hoàn thiện bằng bê tông đổ tại chỗ với bề mặt trong dạng “ô lưới” được dùng làm cả hệ chống đỡ hoàn thiện và vỏ hầm. Đối với các ga ngoại vi, cả hệ chống đỡ ban đầu và vỏ hầm kết cấu hoàn thiện đều được cung cấp bởi rock bolt, bộ thép chôn sẵn và bê tông phun, tất cả được lắp đặt trong quá trình đào ga. Lớp vỏ segment bê tông đúc sẵn phía trong, có bề mặt dạng ô lưới, được lắp đặt tại các ga ngoại vi chỉ có chức năng kiến trúc — không chịu tải trọng đá.

Các segment bê tông đúc sẵn phổ biến hơn trong hầm đất mềm so với hầm đá, vì trong đất mềm chúng vừa là hệ chống đỡ ban đầu, đôi khi là hệ chống đỡ hoàn thiện, vừa tạo phản lực để đẩy máy tiến về phía trước. Trong hầm đá, máy thường tự tiến bằng phản lực chống lại các gripper ép vào đá.

6.8.2 Xem xét tải trọng đá

Như đã thảo luận trong Mục 6.6, tải trọng đá có thể được đánh giá theo kinh nghiệm hoặc bằng phân tích. Tải trọng đá tính toán thường được mô tả là tải trọng mái, tải trọng bên và tải trọng lệch tâm; trong đó tải trọng mái và tải trọng bên là tải trọng phân bố đều (Hình 6-35).

Khuyến nghị rằng lớp lót vĩnh cửu nên được thiết kế dựa trên các tải trọng phân bố đều, gồm tải trọng mái và tải trọng bên, đồng thời được kiểm tra với trường hợp tải trọng lệch tâm. Các xem xét chi tiết về tải trọng được trình bày trong Chương 10 “Lớp lót hầm”.

Câu hỏi nên sử dụng “tải trọng” nào để thiết kế lớp lót vĩnh cửu của hầm trong đá luôn đặt ra những thách thức thú vị. Về cơ bản, có thể có ba điều kiện:

1. Nếu hệ chống đỡ ban đầu được lắp đặt sớm và đúng cách, có thể chứng minh rằng chúng sẽ không suy giảm trong suốt tuổi thọ thiết kế của kết cấu, và nếu khoảng mở ổn định, thì không cần lớp lót cuối cùng mang tính kết cấu. Xem Hình 6-36.
2. Nếu hệ chống đỡ ban đầu được lắp đặt sớm và đúng cách, khoảng mở ổn định, không tiếp tục bị loosening, nhưng không thể chứng minh rằng hệ chống đỡ ban đầu sẽ duy trì hiệu quả hoàn toàn trong suốt tuổi thọ thiết kế của kết cấu, thì tải trọng tác dụng lên lớp lót cuối cùng về cơ bản có thể được xem là tải trọng của hệ chống đỡ ban đầu.Một ví dụ cho trường hợp này là hầm H-3 tại Hawaii, nơi hệ chống đỡ ban đầu được cung cấp bằng rock bolt dài 14 ft (4.27 m), và tải trọng tác dụng lên lớp lót cuối cùng được giả định là 14 ft (4.27 m) đá, được phân tích theo ba cách:

• Tải trọng phân bố đều trên toàn bộ bề rộng hầm
• Tải trọng phân bố đều trên một nửa bề rộng hầm
• Tải trọng tam giác trên toàn bộ bề rộng hầm, với giá trị lớn nhất tại tim hầm

3. Nếu hệ chống đỡ ban đầu tạo ra một khoảng mở có vẻ ổn định, nhưng biết rằng cần có chống đỡ bổ sung để bảo đảm ổn định lâu dài, thì hệ chống đỡ đó phải được cung cấp bởi lớp lót cuối cùng. Một ví dụ cho tình huống này là Superconducting Super Collider, nơi các hầm trong đá phấn ban đầu được ổn định bằng rock bolt bố trí theo mạng tại vòm hầm và rock bolt cục bộ ở các vị trí khác. Tuy nhiên, vài tháng sau, hiện tượng bong tách, và có thể cả từ biến, đã tạo ra các nêm tuyến tính có kích thước lên đến khoảng một phần ba đường kính hầm; các nêm này “hoạt động” và đôi khi rơi vào các hầm đã được đào và chống đỡ nhiều tháng trước đó. Để ổn định lâu dài, cần có một lớp lót hoặc các rock bolt vĩnh cửu bổ sung có khả năng chống đỡ các nêm hoặc khối đá này.
   Như minh họa ở trên, việc xác định yêu cầu và giá trị của “tải trọng” dùng để thiết kế lớp lót cuối cùng trong hầm không thể được quy định theo cách giống như đối với dầm và cột. Thay vào đó, cần hiểu rõ và áp dụng các đặc thù biến thiên của tự nhiên bởi toàn bộ nhóm thiết kế và thi công.

6.8.3 Xem xét tải trọng nước ngầm

Đối với các hầm thi công theo phương pháp thông thường, mực nước ngầm bị hạ thấp do khai đào hầm, vì hầm đóng vai trò như một hệ thoát nước. Khi xét hệ không thoát nước, các biện pháp hạ mực nước ngầm bị gián đoạn sau khi lớp lót cuối cùng được lắp đặt và mực nước ngầm sẽ thiết lập lại vị trí ban đầu.

Đối với hệ thoát nước, nước ngầm được hạ thấp và sẽ tiếp tục được hạ thấp miễn là lượng mưa hoặc nước thấm tại công trường không đủ để nâng mực nước ngầm lên lại. Đối với các hầm dưới nước, nước ngầm phía trên hầm được giữ gần như không đổi do khối nước phía trên hầm, và áp lực nước thủy tĩnh toàn phần nên được xét với hệ không thoát nước, trừ khi thực hiện chương trình bơm vữa mạnh trong nền xung quanh.

Mục này thảo luận các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy nước ngầm và sự tương tác với lớp lót bê tông, cũng như các phương pháp ước tính tải trọng nước ngầm trong thiết kế lớp lót, bao gồm phương pháp kinh nghiệm, nghiệm giải tích và phương pháp số.

6.8.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng lớp lót do dòng chảy nước

Tải trọng nước ngầm tác dụng lên lớp lót hầm dưới nước có thể được giảm bằng hệ thoát nước trong khi vẫn giữ mực nước ngầm không đổi. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tải trọng nước lên lớp lót hầm dưới nước do dòng chảy là:
(1) độ thấm tương đối giữa nền và lớp lót;
(2) độ cứng tương đối giữa nền và lớp lót; và
(3) các yếu tố hình học, chẳng hạn như chiều sâu bên dưới khối nước.

Tải trọng nước lên lớp lót phụ thuộc rất lớn vào độ thấm tương đối giữa lớp lót và nền xung quanh. Đối với hầm có lớp lót có độ thấm tương đối thấp so với nền xung quanh, lớp lót sẽ ứng xử gần như không thấm, hầu như không có cột nước nào bị mất trong nền xung quanh; do đó, áp lực nước thủy tĩnh sẽ tác dụng trực tiếp lên lớp lót.

Ngược lại, lớp lót tương đối thấm sẽ ứng xử như một hệ thoát nước và gần như toàn bộ cột nước sẽ bị mất khi nước chảy qua lớp lót; do đó, không có tải trọng trực tiếp nào tác dụng lên lớp lót. Tải trọng do nước ngầm chỉ tác dụng gián tiếp lên lớp lót thông qua tải trọng do lực thấm tác dụng lên nền xung quanh.

Ảnh hưởng của độ cứng tương đối có thể được hình dung rõ đối với các hầm trong khối đá cứng, nơi lớp lót không được thiết kế chịu toàn bộ áp lực nước thủy tĩnh nhờ sử dụng hệ thoát nước. Đối với các hầm trong nền đất yếu, lớp lót thường được thiết kế để chịu toàn bộ tải trọng thủy tĩnh.

6.8.3.2 Tải trọng nước ngầm theo kinh nghiệm

Các điều kiện tải trọng nước ngầm theo kinh nghiệm được sử dụng để thiết kế lớp lót hầm tại New York được thể hiện trong Hình 6-37 và dựa trên dữ liệu kinh nghiệm. Như chỉ ra trong Hình 6-37, biểu đồ tải trọng nước ngầm tuân theo áp lực thủy tĩnh đến cột nước lớn nhất tại đường lò xo của hầm, \(H_s\), được giữ không đổi trên vùng thành bên có chiều cao bằng \(1/3H_{SW}\), sau đó giảm xuống còn 10% áp lực thủy tĩnh tại invert \((0.1H_W)\).

Các tải trọng kinh nghiệm thể hiện trong Hình 6-37 dựa trên giả thiết rằng hệ thoát nước gồm một lớp thoát nước phía sau thành hầm, tức vải lọc; các ống thu nước tại invert đặt phía sau thành hầm và bên dưới sàn cavern; cùng một lớp chăn thoát nước bằng đá dăm, được bao bọc bởi một lớp lọc bằng vải không dệt tại invert. Tải trọng nước tại cao độ invert được giảm xuống còn 10% áp lực nước thủy tĩnh tại cao độ invert với điều kiện có lớp chăn thoát nước được thiết kế đúng và có kích thước giếng thu, ống thoát nước tại invert phù hợp, tức có các dự phòng thích hợp và các biện pháp theo dõi để bảo trì dài hạn.

Trong các trường hợp khác, khuyến nghị lấy 25% áp lực nước thủy tĩnh tại cao độ invert. Các tải trọng kinh nghiệm này có thể là bảo thủ, nhưng phản ánh mối lo ngại rằng nước ngầm thấm qua khối đá thành hầm theo thời gian có thể làm tắc lớp thoát nước, tức vải lọc đặt bên ngoài lớp lót bê tông, gây tích tụ áp lực nước ngầm vượt quá giá trị giả định khi xem rằng lớp chăn thoát nước dày tại invert và các ống thu nước vẫn tiếp tục hoạt động.

Fernandez (1994) chỉ ra rằng tổn thất cột nước qua lớp lót, được chuẩn hóa theo tổng tổn thất cột nước của toàn hệ, được biểu diễn như sau:

\[
\frac{\Delta h_L}{\Delta h_w} = \frac{1}{1+C\frac{k_L}{k_m}} \qquad C= \frac{\ln(L/b)}{\ln(b/a_1)}\tag{6-9}
\]

Trong đó, \(k_L\) và \(k_m\) lần lượt là hệ số thấm của lớp lót và nền xung quanh; \(b\) và \(a_1\) lần lượt là bán kính ngoài và bán kính trong của lớp lót. \(L\) có thể được ước tính bằng hai lần chiều sâu của hầm bên dưới mực nước ngầm, trừ khi có một gallery thoát nước được đào song song với hầm.

Nếu một gallery thoát nước được khoan song song với hầm, giá trị \(L\) có thể được điều chỉnh và lấy bằng khoảng cách tim–tim giữa hầm áp lực và gallery. Trong thực hành kỹ thuật thông thường, tổn thất cột nước thủy lực qua lớp lót có thể bằng 80–90% cột nước thủy lực thuần đối với các lớp lót tương đối không thấm, với \(k_L/k_m\) xấp xỉ bằng 1/80 đến 1/100.

6.8.3.4 Phương pháp số

Phân tích thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn có thể được sử dụng để dự báo phản ứng thủy lực của nền trong vùng lân cận công trình hầm (Hình 6-39). Trong phân tích phần tử hữu hạn, cả lớp lót hầm và nền xung quanh đều được lý tưởng hóa là môi trường đẳng hướng và đồng nhất.

Chế độ dòng chảy thực tế qua khối đá có khe nứt và bê tông nứt có thể là dòng chất lưu qua các mạng khe nứt; do đó, giá trị tuyệt đối của phản ứng thủy lực và cơ học của khối đá và lớp lót bê tông có thể khác với dự báo dựa trên giả thiết môi trường đẳng hướng, đồng nhất và rỗng.

Cần lưu ý rằng phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn này tập trung vào ứng xử tổng thể của khối đá, xem khối đá là môi trường rỗng, liên tục, đẳng hướng, chứ không phải vật liệu rời rạc, tức dạng khối.

Cách tiếp cận phần tử hữu hạn, tức xét khối đá thay vì các khối đá rời rạc, xem xét hệ số thấm tương đương của khối đá; trong đó ảnh hưởng của các đặc trưng thủy lực của dòng chảy chất lưu qua các khe nứt trong đá được xét đến và xấp xỉ bằng hệ số thấm tương đương của khối đá.

Cách tiếp cận này đã được sử dụng thường xuyên cho các bài toán dòng chảy nước ngầm trong lĩnh vực kỹ thuật hầm. Tuy nhiên, việc ước tính hệ số thấm tương đương của khối đá với độ chính xác gần hơn một bậc độ lớn là một thách thức lớn và chắc chắn cần được chú ý đặc biệt.

Việc sử dụng phân tích phần tử rời rạc đôi khi rất khó, vì nó yêu cầu các tham số đầu vào chi tiết của khe nứt trong đá, chẳng hạn như thế nằm khe nứt, khoảng cách khe nứt, tính liên thông của khe nứt, khẩu độ thủy lực của khe nứt, độ cứng pháp tuyến và độ cứng cắt.

Ảnh hưởng kết hợp giữa ứng xử cơ học và thủy lực của khe nứt trong đá cũng đòi hỏi phải hiểu mối quan hệ giữa sự đóng mở cơ học và khẩu độ thủy lực của khe nứt. Nếu không có các tham số đầu vào phù hợp, kết quả từ phân tích phần tử rời rạc sẽ không đáng tin cậy.

6.8.4 Hệ thoát nước và hệ không thoát nước

Hệ chống thấm có thoát nước

Hệ chống thấm có thoát nước làm giảm tải trọng thủy tĩnh tác dụng lên kết cấu, cho phép thiết kế lớp lót mỏng hơn và cốt thép nhẹ hơn. Trong khối đá có khe nứt, lưu lượng nước ngầm lớn thường đi vào hệ thoát nước, ngay cả sau khi đã bơm vữa khối đá, dẫn đến tăng chi phí bơm. Lưu lượng lớn cũng có thể làm tăng sự lắng đọng kết tủa canxi trong ống. Trong các điều kiện này, hệ không thoát nước có thể hiệu quả hơn.

Trong các hệ chống thấm có thoát nước, các ống và lớp thoát nước cần được duy trì ở trạng thái thông thoáng và có dòng chảy để ngăn tích tụ áp lực thủy tĩnh. Cần kiểm tra và bảo trì hệ thống thoát nước thường xuyên nhằm ngăn tải trọng thủy tĩnh tăng đến mức có thể vượt quá khả năng chịu lực của kết cấu. Hình 6-40 trình bày bố trí mặt cắt ngang của một hệ chống thấm có thoát nước điển hình.

Lưu lượng nước thấm cho phép thay đổi tùy theo mục đích sử dụng của hầm, kích thước hầm và các yêu cầu của luật môi trường địa phương. Lưu lượng thấm cho phép mà chủ đầu tư chấp nhận phải được quy định trong hồ sơ hợp đồng. Một số chủ đầu tư đã sử dụng giá trị 1 gallon/phút trên 1000 ft chiều dài hầm, tương đương khoảng 3.785 L/phút trên 304.8 m chiều dài hầm. Giới hạn thấm cục bộ là 0.25 gallon/ngày trên 10 ft² diện tích, tương đương khoảng 0.946 L/ngày trên 0.929 m² diện tích, và 1 giọt/phút tại bất kỳ vị trí nào.

Hệ chống thấm không thoát nước

Hệ chống thấm không thoát nước sử dụng một màng chống thấm bao quanh toàn bộ chu vi hầm, với mục tiêu ngăn hoàn toàn nước ngầm xâm nhập. Lớp lót cuối cùng được thiết kế để chịu toàn bộ áp lực nước thủy tĩnh.

Do đó, thành dạng bản phẳng hoặc invert thường có chiều dày lớn, trong khi lớp lót dạng cong thường cần ít gia cường cường độ hơn. Khối lượng khai đào tăng thêm để tạo lớp lót cong hoặc invert dày hơn thường được bù lại nhờ giảm phần khai đào cho invert bằng sỏi và các ống thoát nước thành bên. Hình 6-41 trình bày bố trí mặt cắt ngang của một hệ chống thấm không thoát nước điển hình.

Trong hệ không thoát nước, không bố trí hệ thống thoát nước ngầm, nhờ đó tiết kiệm chi phí do loại bỏ các ống đục lỗ ở thành bên, bê tông rỗng, ống ngang và lớp sỏi. Nếu chất lượng thi công ban đầu cao, chi phí vận hành và bảo trì sẽ thấp, vì không cần bơm nước và nước ngầm không đi vào hệ thống thoát nước của hầm; các kết tủa calcite cũng tích tụ chậm hơn nhiều. Việc giảm lưu lượng nước chảy vào và hạ thấp mực nước ngầm cũng làm giảm khả năng phải xử lý nước bị ô nhiễm.

6.8.5 Điều kiện đẩy nổi

Vấn đề lực đẩy nổi tác dụng lên lớp lót hầm cũng phải được xem xét đối với hầm trong đá, đặc biệt nếu hầm được thiết kế theo hệ không thoát nước. Khi gặp điều kiện squeezing hoặc swelling, các lực này tác dụng hướng lên trên invert, giống như chúng tác dụng ở bất kỳ vị trí nào khác quanh chu vi hầm.

Khi hầm mới được đào, các lực này có thể được giảm ít nhất một phần do quá trình khai đào, và cũng phần nào giảm do trọng lực chống lại các lực hướng lên này. Tuy nhiên, theo thời gian, các lực hướng lên do swelling và/hoặc squeezing sẽ phát huy đầy đủ, như tại bất kỳ vị trí nào khác quanh khoảng mở. Ngay cả khi các tải trọng đá này không phát sinh, cột nước tác dụng lên hầm không thoát nước chắc chắn sẽ bằng áp lực nước ngầm tại hiện trường.

Dù là do swelling, squeezing, áp lực nước hay bất kỳ tổ hợp nào của các yếu tố này, invert của hầm sẽ chịu các lực hướng lên. Thông thường, điều này có nghĩa là invert nên được điều chỉnh sang dạng hình học cong để chịu các lực hướng lên này, vì việc phát triển kết cấu cong ổn định sẽ dễ hơn so với ổn định lâu dài một invert phẳng.

Ngay cả khi không có squeezing hoặc swelling, tải trọng nước đẩy nổi cũng có thể khá tốn kém để chống lại nếu dùng invert phẳng so với invert cong. Vì vậy, giải pháp kinh tế nhất thường là chuyển trực tiếp sang cấu hình cong, trong đó dạng cong, khi được đỡ bằng các sườn thép, sẽ chịu được gần như gấp đôi tải trọng so với invert thẳng hoặc thành thẳng (Proctor, 1968).

6.8.6 Chống thấm

Phần lớn các hầm trong đá được chống thấm bằng một cấu tạo “sandwich” gồm:

• Một lớp vải địa kỹ thuật thoát nước được đặt trực tiếp áp vào đá, liên tục hoặc theo từng dải. Lớp này có thể được giữ cố định bằng chốt hoặc đinh đóng/bắn vào đá.
• Tiếp theo, một màng chống thấm liên tục được lắp đặt. Màng này có thể là polyethylene mật độ cao (HDPE), polyvinyl chloride (PVC) hoặc vật liệu tương tự khác. Để đảm bảo tính liên tục, màng phải được cắt và lắp khít với mọi hình dạng và góc phức tạp gặp trong hầm, sau đó được hàn nối với nhau bằng nhiệt để tạo thành một màng chống thấm liên tục trong hầm. Việc lắp đặt thành công phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề thi công ở ba khía cạnh:
  • Tránh đâm thủng, xé rách hoặc gây hư hại tương tự cho màng.
  • Thực hiện và kiểm tra đúng tất cả các mối nối.
  • Kết nối màng chống thấm với tường mà không tạo ra rò rỉ.
• Cuối cùng, một lớp lót bê tông đổ tại chỗ được thi công để giữ toàn bộ cấu tạo sandwich lại với nhau và tạo bề mặt bên trong mong muốn cho hầm. Tất nhiên, thách thức là phải đổ bê tông mà không làm hư hại màng; điều này đặc biệt khó khi bê tông đổ tại chỗ cần được bố trí cốt thép.

Các hầm không có lớp lót và hầm có lớp lót một phần khá phổ biến trong nhiều hầm miền núi ngắn, nằm trong đá tốt, và được ổn định bằng rock bolt bố trí theo mạng hoặc không cần rock bolt trên bề mặt đá lộ ra (Hình 6-37). Nước ngầm chảy vào được chấp nhận và thu gom. Xem Chương 16 để biết các biện pháp kiểm soát nước ngầm.

Hỗ trợ duy trì trang:

Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.

Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.

Qua USD (Buy Me a Coffee)

BIDV • STK: 3101226659 • HOANG HAI HA