BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP & XÂY DỰNG

BÀI GIẢNG MÔN HỌC
ĐÀO CHỐNG LÒ
Dùng cho hệ Cao đẳng chuyên nghiệp
(Lưu hành nội bộ)
Người biên soạn: Đỗ Trọng Tiến
Uông Bí, năm 2010
1
A
C
B
A
B
C
CHƯƠNG 1 : ÁP LỰC ĐẤT ĐÁ
1.1 Khái niệm về áp lực
1.1.1 Khái niệm về áp lực mỏ
Chúng ta có thể hiểu chung rằng: tổng hợp tất cả các lực trong khối đá xung
quanh các đường lò tác dụng lên vỏ chống gọi là “áp lực mỏ”, hay hiểu một cách hẹp
hơn áp lực của đất đá xung quanh các đường lò tác dụng lên vỏ chống gọi là “áp lực
mỏ”.
Đặc tính của sự xuất hiện áp lực mỏ phụ thuộc nhiều yếu tố:
+ Hình dạng và kích thước đường lò
+ Chiều sâu bố trí đường lò
+ Tính chất cơ lý của đất đá bao quanh đường lò .
+ Thời gian sử dụng đường lò
1.1.2 Nguyên nhân phát sinh ra áp lực mỏ:
Khi chúng ta đào các đường lò, hầm trạm vào trong đất đá nguyên khối, thì trạng
thái cân bằng ứng lực tự nhiên của đất đá bị phá vỡ. Sau một khoảng thời gian nhất định,
đất đá xung quanh đường lò sẽ bị rạn nứt, có khuynh hướng dịch chuyển và sụt lở vào
trong khoảng trống và tạo lên áp lực mỏ tác dụng lên các vỏ chống.
Vậy nguyên nhân phát sinh ra áp lực mỏ là do trạng thái cân bằng ứng lực tự nhiên
trong đất đá bị phá vỡ.
1.2. Lý thuyết về tường chắn đất(của Coulomb)
1.2.1. Áp lực chủ động
Giả sử ta có tường chắn đất như hình vẽ
Do trọng lượng bản thân của khối lăng trụ tam giác
ABC, nó sẽ có khuynh hướng trượt theo mặt trượt
AC, mặt trượt AC nghiêng so với mặt phẳng nằm
ngang 1 góc α, nhưng bị tường chắn đất ngăn lại.
Khối lăng trụ trượt ABC có khuynh hướng dịch
chuyển xuống, gây nên áp lực làm tường chắn đổ
ngược chiều kim đồng hồ, áp lực dó gọi là áp lực
chủ động.
1.2.2. Áp lực bị động
Cũng với tường chắn đất như trên, trong trường hợp
này sẽ có một lực Q tác dụng vào tường chắn, làm
cho tường chắn có khuynh hướng đổ theo chiều kim
đồng hồ, gây áp lực lên lăng trụ ABC. Lúc này lăng
trụ tam giác ABC có khuynh hướng bị trượt lên trên
theo mặt trượt AC, áp lực đó gọi là áp lực bị động.
1.3. Áp lực xung quanh đường lò
1.3.1. Giả thiết về áp lực đất đá trên nóc lò bằng của giáo sư M.M Prôtdiacônôp
Xuất phát từ thí nghiệm mô hình (với cát ẩm) và quan trắc thực tế Prôtôđiakônốp
cho rằng, sau khi khai đào, phía nóc khoảng trống hình thành vòm sụt lún dịch chuyển
thẳng về phía khoảng trống. Khối đá phía ngoài vòm sụt lún ở trạng thái cân bằng ổn
2
định, trọng lượng đá vòm sụt lún là nguyên nhân gây ra áp lực ở phía nóc lên khung,
vỏ chống (hình 1-3-1).
Theo kết quả phân tích của Prôtôđiakônốp, vòm áp lực có dạng parabol
Như vậy chiều cao tại đỉnh vòm phá huỷ là:
f
a
b
(1-3-1-1)
trong đó: a - nửa chiều rộng khoảng trống (m)
f - hệ số kiên cố của đất đá phía nóc
Điều đó có nghĩa là vòm áp lực chỉ phụ thuộc vào chiều rộng khoảng trống (a) và
tính chất cơ học của đá nóc (f).
Tính áp lực tập trung cho một đơn vị chiều dài của khoảng trống ta có:
f
a
Qn
.
4
32
(KN/m) (1-3-1-2)
trong đó: Qn- áp lực tập trung phía nóc;kN
- dung trọng của đất đá phía nóc (kN/m3).
Hình 1-3-1: Vòm áp lực theo Prôtôdiakonốp
Các công thức cho thấy áp lực không phụ thuộc kết cấu chống và độ sâu bố trí
công trình.
1.3.2. Giả thuyết của Bierbaumer cho các đường lò nằm gần mặt đất.
Trong thực tế, ta phải thi công xây dựng các công trình ngầm nằm gần mặt đất
như các đường hầm xuyên qua các vùng đồi núi thấp các công sự bố trí nông, các đoạn
cửa lò bằng mở vỉa cho mỏ, cũng như các đoạn cổ giếng nghiêng bố trí ở vùng bằng
phẳng, v..v…
Bierbaumer cho rằng, sau khi khai đào khoảng trống ABCD, khối đá phía nóc
CDEF bị phá huỷ và có xu hướng sụt lún. Khối CDKE có khả năng chuyển dịch vào
khoảng trống. Sự chuyển dịch này bị cản trở bởi các lực ma sát trên các mặt CI và DK.
áp lực nóc tác dụng lên khung, vỏ chống sẽ bằng trọng lượng cột đá CIKD trừ đi các
lực ma sát. Trọng lượng cột khối đá CIKD tính cho một đơn vị chiều dài khoảng trống
là:
Q = 2.a.H.(kN/m) (1-3-2-1)
Với giả thiết khối đá là môi trường rời, các lăng trụ trượt CEI và DKF gây ra các
lực chủ động Qcđ vào khối CIKD. áp lực chủ động tập trung đó được xác định theo
công thức sau:
y
b
2a
x
3
Q H tg
cd
1
2
90
2
2 2
0
(kN/m) (1-3-2-2)
Trong đó: H - Độ sâu kể từ mặt đất đến đỉnh của khoảng trống (m).
Tác dụng của các lực Qcd gây ra các lực ma sát (hay lực chống trượt) T thoả
mãn điều kiện cân bằng của môi trường rời, ta có:
T = Qcd . tg(kN/m) (1-3-2-3)
Từ (1-2-2-1) và (1-2-2-3) tính được áp lực nóc tập trung cho một đơn vị chiều dài
khoảng trống theo biểu thức sau:
].).
2
90
(
2
1[22
0
2
tgtg
a
H
HaTQQn
(kN/m) (1-3-2-4)
Hình 1-3-2 – Sơ đồ tính áp lực nóc theo Bierbaumer
Biểu thức (1-3-2-4) chỉ có nghĩa khi Qn 0, từ đó rút ra :
tgtg
H
H
2
900
2
= Hgh (m) (1-3-2-5)
Điều đó có nghĩa là, giả thuyết áp lực của Bierbaumer chỉ có thể được áp dụng
khi điều kiện (1-12) được thoả mãn.
Vậy các công trình bố trí ở độ sâu là H < Hgh thì sử dụng công thức (1-3-2-4)
để tính áp lực nóc, còn nếu H > Hgh ta phải dùng các giả thuyết tính áp lực của
các tác giả khác.
1.4.3. Giả thuyết về áp lực đất đá bên hông lò của PM ximbarevic
Trong trường hợp lò đào qua khu vực có đất đá tại cả nóc và hông lò đều kém ổn
định (bở rời, mềm yếu), áp lực đá không chỉ xuất hiện ở phần nóc lò mà còn xuất hiện
cả ở phần hông lò. Trong trường hợp này vòm phá huỷ ở nóc sẽ mở rộng do đó tải
trọng ở nóc lò cũng lớn hơn.
Áp lực mỏ lên vì chống từ phía hông lò xuất hiện trong điều kiện khi ứng suất
trong đất đá hông vượt giới hạn bền của đất đá khi nén một trục.
Chiều cao lăng trụ bằng chiều cao đường lò và góc nghiêng của mặt phẳng lún có
thể tiếp nhận bằng (90
0
+) /2
Chiều rộng của vòm cân bằng tự nhiên: (2a+2d)
Chiều cao vòm cân bằng: b1
Theo Ximbarevich thì sự gia tải lên các lăng trụ tạo ra do đất đá nằm trong vòm
cân bằng tự nhiên.
Nửa chiều rộng vòm cân bằng tự nhiên:
a
1
= a+d = a+h cotg (
2
900
) (m) (1-4-3-1)
P
T
T
2a
2
900
Qcd
Qcd
H
B
A
D
C
F
K
I
E
4
trong đó: - góc ma sát trong của đá (độ).
Chiều cao vòm áp lực:
b1 = a
1
/f = [a+h cotg
2
900
]/ tg(m) (1-4-3-2)
trong đó: f- hệ số kiên cố của đá.
Tải trọng thẳng đứng: Q = 2a b1(kN/m) (1-4-3-3)
trong đó: - dung trọng của khối đá.
Hình 1-4-3 : Giả thiết vòm áp lực theo Ximbarevich
Áp lực hông ở chân vòm cân bằng:
P1= b1 tg2
2
900
(kN/m2) (1-4-3-4)
Áp lực hông ở nền lò:
P2 = (b1+h) tg2
2
900
(kN/m2) (1-4-3-5)
1.4.4 Giả thuyết áp lực đất đá tác dụng ở nền lò của PM Ximbarevich
Áp lực tác dụng từ phía nền vào khoảng trống công trình ngầm được gọi là áp
lực nền. Tuỳ theo nguyên nhân gây ra áp lực nền dẫn đến hiện tượng bùng nền có
nhiều phương pháp, giả thuyết được xây dựng để tính áp lực nền. Dưới đây giới thiệu
giả thuyết của Tximbarêvich (hình 1-4-4-1).
Dưới tác dụng của tải trọng giới hạn P0 (do tác dụng của cột đá BCDĐ và trọng
lượng của khung vỏ chống gây ra), khối đá ABC có thể bị dịch chuyển xuống phía
dưới dọc theo AB. Coi mặt AC là tường chắn giả định, mặt AC chịu tác dụng của áp
lực chủ động Qcđ. Tác động đó đẩy khối ACE trồi lên khoảng trống, dọc theo mặt trượt
AE. Như vậy, khối ACE gây ra áp lực bị động Qbđ lên AC.
Theo lý thuyết áp lực lên tường chắn trong cơ học đất và dựa vào sơ đồ (hình 1-
2-4-1) chúng ta có:
qcđ = (p0 + .x) . tg2 (45-/2) (1-4-4-1)
qbđ = .x . tg2 (45+/2) (1-4-4-2)
Tại độ sâu x0 thoả mãn điều kiện: qcđ= qbđ khi x= x0