NQP/CHCTN 4- 1 Chơng 4. Vỏ chống 4.1 Khái quát Vỏ chống bao gồm toàn bộ các kết cấu chống tiếp xúc mặt với mặt lộ của khối đá hoặc với các kết cấu chống cùng loại (khi có nhiều lớp vỏ khác nhau). Các loại vỏ chống cơ bản gồm có vỏ xây bằng gạch, đá, đá bê tông vỏ lắp ghép từ các cấu kiện đúc trớc: tấm pa nen bê tông cốt thép, các tấm tuyp-bing (gang, thép, bê tông cốt thép, bê tông sợi thép) vỏ bê tông liền khối: bê tông phun, bê tông thờng, bê tông cốt thép vỏ thép Kết cấu chống bằng gạch, đá và bê tông (ngoại trừ các khung bê tông cốt thép đúc trớc) rất thích hợp để tạo nên nhiều dạng kết cấu khác nhau trong lĩnh vực xây dựng các công trình ngầm. Các dạng vỏ chống từ đá, gạch xây hoặc gạch bê tông, bê tông đúc trớc (vỏ lắp ghép) bê tông đổ tại chỗ, bê tông nén ép tại chỗ thờng có chiều dày tơng đối lớn. Các loại vỏ lắp ghép từ thép, gang và vỏ thép tấm có chiều dày không lớn do khả năng chịu tải cao và tùy thuộc vào chức năng sử dụng. Vỏ chống có thể phủ một phần mặt lộ khối đá (bê tông phun), toàn bộ phần tờng và vòm các đờng lò, đờng hầm hoặc bao kín toàn bộ biên khai đào, đặc biệt là ở các giếng mỏ, các hầm trạm ngầm, các công trình ngầm dân dụng và quân sự Hình 4.1 là ví dụ sử dụng vỏ bê tông phun ở các dạng khác nhau Liên tục Khôn g liên tục Phủ kín hoàn toàn Phủ vòm và tờn g Hình 4.1 NQP/CHCTN 4- 2 Cáu tạo của các loại vỏ chống phụ thuộc vào loại vỏ, yêu cầu của chức năng sử dụng và các điều kiện địa cơ học, địa chất, địa chất thủy văn, nên rất đa dạng và phức tạp. Hình 4.2 là ví dụ về cấu tạo các vỏ hầm khi xây bằng gạch đá (a), vỏ bê tông với các hệ thống thông gió (b), cách nớc hoàn toàn (c), thu gom nớc phía trên (d) và vỏ tổ hợp ở giếng mỏ trong điều kiện địa chất phức tạp (đ). Về mặt tĩnh học, nói chung các vỏ chống liền khối từ bê tông và gạch, đá thờng là các kết cấu ít biến dạng. Do vậy trong thực tế cũng đã sử dụng nhiều biện phác khác nhau để có thể tạo nên tính linh hoạt cho loại kết cấu này. Chẳng hạn, bằng cách sử dụng các loại gỗ đệm có thể tạo ra khả năng linh hoạt nhất định cho tờng xây và bêtông, hoặc để lại khe dãn cách khi sử dụng bê tông phun. Tuy nhiên các khả năng này cũng chỉ đạt đợc ở mức độ hạn chế, trừ trờng hợp sử dụng gạch bê tông và đệm nhiều lớp gỗ, do vậy tờng xây và bê tông hầu nh không đợc sử dụng cho khu vực khai thác và các đờng lò chuẩn bị trong các mỏ hầm lò. Xét tổng thể các kết cấu vỏ công trình ngầm bằng gạch, đá và bê tông có cùng các u và nhợc điểm sau đây. Ưu điểm: có khả năng mang tải lớn và tuổi thọ cao; chống đợc các tác động phong hoá đối với khối đá và ngăn nớc chảy vào không gian ngầm; sức cản khí động học nhỏ; có thể tạo ra từ các vật liệu địa phơng, rẻ tiền; không cháy; cho phép tạo nên các kết cấu với kích thứoc và hình dạng đa dạng. a) b) c) d) 1. khối đá 2. neo 3. lới thép 4. vành bê tông 5.khe phân cách với vành đá bê tông đ) Hình 4.2 NQP/CHCTN 4- 3 Nhợc điểm: trọng lợng lớn; chi phí vận chuyển và lắp dựng cao;thời gian thi công dài; sửa chữa các chỗ bị h hỏng không thuận tiện; độ linh hoạt nhỏ hoặc rất hạn chế, nếu không có các giải pháp hỗ trợ khác. Khả năng mang tải cao có đợc nhờ vào độ bền cao của vật liệu và chiều dày lớn. Trong điều kiện thông thờng, kết cấu chống loại này đợc coi là kết cấu chống cứng. Dới tác dụng của tải trọng (chủ yếu là tải trọng tĩnh) kết cấu chống thờng có tuổi thọ cao hơn kết cấu bằng gỗ và thép. Khả năng chống các tác động hoá học và sinh học cũng góp phần làm tăng tuổi thọ của kết cấu chống này. Dạng kết cấu chống kín còn hạn chế đợc tác động phong hoá dến khối dá vây quanh và trong nhiều trờng hợp còn ngăn nớc xâm nhập vào đờng lò, không gian ngầm. Ngoài ra do bề mặt tơng đối nhẵn, kết cấu chống này còn có sức cản khí động học nhỏ hơn so với kết cấu bằng gỗ và thép. Các loại vật liệu cơ bản của kết cấu chống bằng gạch, đá, bê tông thờng sẵn có và rẻ tiền hơn so với các loại vật liệu khác. Mặt khác kết cấu tờng xây và bê tông không bị cháy, do vậy chẳng hạn khi xảy ra cháy mỏ hoặc trong các đờng hầm, khả năng lan truyền cháy sẽ hạn chế nếu sử dụng kết cấu chống này. Tuy nhiên, những u điểm nêu trên của vỏ chống bằng gacgh, đá và bê tông bị hạn chế bởi các nhợc điểm là trọng lợng lớn và chiều dày lớn so với khả năng nhận tải, kèm theo đó là chi phí vận chuyển và lắp dựng (xây, đổ bêtông ) cao. Tiết diện đào khoảng trống ngầm cũng thờng phải lớn hơn so với khi sử dụng gỗ và thép, do vậy đòi hỏi thêm chi phí đào. Ngoài ra để có đợc kết cấu hoàn chỉnh cần nhiều thời gian hơn để đảm bảo có đợc khả năng nhận tải nhất định, do yêu cầu của thời gian hóa cứng. Khi kết cấu bị phá huỷ do tác động quá mức của tải trọng, áp lực đá, thì việc sửa chữa thờng phức tạp hơn và chi phí cao hơn so với kết cấu bằng gỗ và thép. NQP/CHCTN 4- 4 4.1 Vỏ gạch, đá xây Trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm dân dụng và công nghiệp các vỏ chống xây bằng gạch, đá đã đợc sử dụng trong thời kỳ phát triển đầu tiên (Hình 4-3) Ngày ngay, do tiến bộ kỹ thuật, do các yêu cầu về tiến độ thi công, nên các loại kết cấu đó đợc thay thế bằng các kết cấu từ bê tông, ở dạng bê tông phun cũng nh bê tông cốp pha đổ tại chỗ (Hình 4-4) Trong ngành mỏ các kết cấu chống bằng gạch, đá, bê tông thờng đợc sử dụng chủ yếu tại các đờng lò và giếng có tuổi thọ cao và dới tác Hình 4-3 Thi công đờng hầm Simplon 1898 - 1905 theo Markus Hình 4-4. Kết cấu bằng gạch xây a)và kết hợp với bê tông b) NQP/CHCTN 4- 5 dụng của các tải trọng (áp lực) tĩnh. Bê tông với các dạng và tính năng khác nhau đợc sử dụng phổ biến trong xây dựng các công trình ngầm. Đá thiên nhiên đợc khai thác hoặc đá thải ra trong quá trình thi công có thể đợc gia công tạo dạng khối đều hoặc tấm, để xếp thành tờng, hoặc kết hợp với vữa xây để xây tờng hay vỏ chống trong công trình ngầm. Tuy nhiên, trong thực tế chúng chỉ đợc sử dụng làm kết cấu bổ trợ, kết hợp với các kết cấu khác. Một số loại đá nh đá badan, granit và gneis thờng có độ bền nén rất lớn, dao động trong khoảng 100MPa đến 400MPa và do đó cứng hơn so với các loại gạch nung. Tuy nhiên, trong quá trình khai thác đá hoặc nổ mìn phá đá, thông thờng các cục đá vỡ ra có hình dạng và kích thớc bất kỳ. Do vậy để có đợc các cục đá có hình dạng và kích thớc tơng đối đồng đều đòi hỏi phải chế biến lại thận trọng. Trong thực tế, công việc này đợc thực hiện thủ công và đòi hỏi nhiều công sức. Mặt khác tờng xếp từ các cục đá này thờng không tận dụng đợc khả năng nhận tải cao của đá, bởi vì do các cục đá rất đa dạng nên các điểm hay diện tiép xúc là bất kỳ, nên tải trọng đợc truyền đi cũng rất không quy luật. Vì thể tờng xếp từ các cục đá có khả năng nhận tải thờng nhỏ hơn nhiều so với bản thân các cục đá. Các điều kiện không thuận lợi đó cũng xảy ra tơng tự đối với tờng xây bằng đá và vữa xây. Một nhợc điểm chung nữa là khả năng chịu các tải trọng cắt hay trợt kém. Vì các lý do nêu trên và chi phí vận chuyển cao mà đá thiên nhiên, khai thác từ các công trờng khai thác đá, rất ít đợc sử dụng để làm kết cấu chống cho các công trình ngầm trong mỏ hầm lò và cũng chỉ đợc sử dụng hạn chế làm tờng xây cho các công trình ngầm khác, ngoại trừ trờng hợp đợc chế biến làm đá ốp lát. Tuy nhiên, trong những thời kỳ phát triển đầu tiên của ngành xây dựng công trình ngầm, với các phơng pháp thi công cổ điển, đã thiên nhiên cũng đã đợc chế biến để làm vật liệu xây tờng, đặc biệt nh cho các tờng cửa hầm. Sử dụng đá thải ngay từ các công trờng xây dựng ngầm hoặc các mỏ hầm lò kinh tế hơn so với đá từ các công trờng khai thác đá. Do vậy đá thải ở các mỏ hầm lò có thể đợc sử dụng để xếp thành tờng ngăn giữa khu vực lò khai thác và lò vận chuyển. Trên thế giới, cho đến đầu thế kỷ 19, loại kết cấu bảo vệ này đã đợc sử dụng nhiều trong khai thác muối và quặng, vì lơng lao động không cao. Do chi phí lơng lao động ngày càng cao và cũng nhờ các tiến bộ kỹ thuật mà loại kết cấu bảo vệ này ngày càng ít đợc sử dụng. Yêu cầu cần có hình dạng và kích thớc đồng đều sẽ không chặt chẽ nếu đá chỉ đợc sử dụng làm vật liệu hỗ trợ, kết hợp với các kết cấu loại khác. Sơ chế đơn giản chỉ cần thiết cho các trờng hợp sau: Tờng chắn trong các đờng lò khai thác (phía sau kết cấu gỗ hay thép); . lò, không gian ngầm. Ngoài ra do bề mặt tơng đối nhẵn, kết cấu chống này còn có sức cản khí động học nhỏ hơn so với kết cấu bằng gỗ và thép. Các loại vật liệu cơ bản của kết cấu chống bằng. thác từ các công trờng khai thác đá, rất ít đợc sử dụng để làm kết cấu chống cho các công trình ngầm trong mỏ hầm lò và cũng chỉ đợc sử dụng hạn chế làm tờng xây cho các công trình ngầm khác,. với vữa xây để xây tờng hay vỏ chống trong công trình ngầm. Tuy nhiên, trong thực tế chúng chỉ đợc sử dụng làm kết cấu bổ trợ, kết hợp với các kết cấu khác. Một số loại đá nh đá badan, granit