Giáo trình cơ học kết cấu công trình ngầm 1

Chia sẻ: Cinny Cinny | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

372
lượt xem 153
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Xây dựng công trình ngầm ngày càng phát triển, nên việc đi sâu nghiên cứu lý thuyết về áp lực và ổn định kết cấu công trình ngầm, lý thuyết thiết kế kết cấu gia cố công trình ngầm được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Từ góc độ cơ học, kết cấu công trình ngầm mất tính ổn định là do ứng suất vượt quá cường độ ứng suất cho phép, tạo ra vùng đứt gãy và trượt liên tục....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình cơ học kết cấu công trình ngầm 1

Ch−¬ng 1. Më ®Çu 1.1 Kh¸i niÖm vµ ®Þnh nghÜa Mét c«ng tr×nh ngÇm ®−îc hiÓu lµ mét kho¶ng kh«ng gian trèng, ®−îc thi c«ng x©y dùng trong lßng vá tr¸i ®Êt (kÓ c¶ trong n−íc hoÆc d−íi n−íc). Cho ®Õn nay cã nhiÒu lo¹i c«ng tr×nh ngÇm, víi c¸c môc tiªu hay chøc n¨ng sö dông kh¸c nhau. Tïy theo môc ®Ých vµ ph¹m vi sö dông cã thÓ ph©n ra c¸c lo¹i: • C«ng tr×nh ngÇm khai th¸c kho¸ng s¶n, • C«ng tr×nh ngÇm thñy lîi, thñy ®iÖn • C«ng tr×nh ngÇm giao th«ng, • C«ng tr×nh ngÇm c«ng nghiÖp, • C«ng tr×nh ngÇm quèc phßng, • C«ng tr×nh ngÇm d©n dông, • C«ng tr×nh ngÇm ®Æc biÖt. Sau ®©y, ®Ó cho ®¬n gi¶n, sÏ ph©n ra hai nhãm lín lµ • C«ng tr×nh ngÇm trong c¸c má hÇm lß, gäi lµ c«ng tr×nh ngÇm má (CTNM) • C«ng tr×nh ngÇm d©n dông, quèc phßng vµ c«ng nghiÖp, gäi chung lµ c«ng tr×nh ngÇm d©n dông vµ c«ng nghiÖp (CTNDD&CN) Gi÷a hai nhãm c«ng tr×nh ngÇm nµy cã nh÷ng ®Æc ®iÓm kh¸c biÖt râ rÖt, th«ng qua b¶ng so s¸nh ®¬n gi¶n nh− trong b¶ng 1-1. B¶ng 1-1. Mét sè ®Æc ®iÓm liªn quan víi nhãm cong tr×nh ngÇm CTNM CTNDD&CN • -phôc vô khai th¸c kho¸ng s¶n -c¸c môc tiªu kh¸c nhau Chøc n¨ng sö dông • -am hiÓu vÒ c«ng tr×nh ngÇm -kh«ng hoÆc Ýt am hiÓu Nhãm ng−êi sö dông • -cã giíi h¹n -l©u dµi Thêi gian sö dông Qu¸ tr×nh h×nh thµnh vµ tån t¹i cña mét c«ng tr×nh ngÇm cã thÓ ph©n ra ba giai ®o¹n lµ: • ChuÈn bÞ, bao gåm c¸c kh©u lËp dù ¸n, kh¶o s¸t, thiÕt kÕ, • Thi c«ng x©y dùng • Sö dông vµ vËn hµnh Cã thÓ nãi r»ng mäi c«ng viÖc trong ba giai ®o¹n nµy lu«n ®−îc ph¸t triÓn vµ ®æi míi theo thêi gian cïng víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc kü thuËt, cïng víi c¸c kinh nghiÖm thu ®−îc trong qu¸ tr×nh thi c«ng còng nh− trong qu¸ tr×nh sö dông vµ vËn hµnh. 1
Nh÷ng kinh nghiÖm, nhËn thøc vµ c¸c ph−¬ng ph¸p quy ho¹ch, thiÕt kÕ vµ thi c«ng kh¸c nhau, tÝch lòy ®−îc cho ®Õn nay, thùc sù lµ khæng lå vµ trong thùc tÕ còng cßn cã nhiÒu quan ®iÓm, xu h−íng kh¸c nhau. Tuy nhiªn c¸c xu h−íng nµy còng lu«n ®−îc bæ trî, hoµn thiÖn vµ ph¸t triÓn. NhiÒu quan niÖm cò, l¹c hËu dÇn Ýt ®−îc sö dông, nh−ng vÉn cßn cã gi¸ trÞ kinh ®iÓn, c¬ b¶n; c¸c ph−¬ng ph¸p míi, hiÖn ®¹i ngµy cµng ®−îc sö dông réng r·i vµ mang l¹i hiÖu qu¶ kü thuËt, kinh tÕ vµ x· héi cao. Ngµy nay, víi c¸c ph−¬ng ph¸p ®· cã, hoµn toµn cã thÓ thi c«ng x©y dùng ®−îc c¸c c«ng tr×nh ngÇm trong mäi ®iÒu kiÖn cña vá tr¸i ®Êt, ®−¬ng nhiªn cã sù kh¸c biÖt khi thi c«ng trong khèi ®Êt vµ khèi ®¸, sau ®©y gäi chung lµ khèi ®Êt/®¸. §Ó thi c«ng x©y dùng c¸c c«ng tr×nh ngÇm ®· cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p ®−îc ph¸t triÓn, cã thÓ ph©n ra hai nhãm chÝnh lµ: • C¸c ph−¬ng ph¸p thi c«ng ngÇm (còng cßn gäi lµ ph−¬ng ph¸p má) • C¸c ph−¬ng ph¸p thi c«ng lé thiªn Thi c«ng ngÇm cã ®Æc ®iÓm lµ mäi c«ng t¸c t¸ch bãc ®Êt/®¸ vµ l¾p dùng kÕt cÊu nh©n t¹o ®Òu ®−îc thùc hiÖn trong lßng ®Êt. Theo ph−¬ng thøc hay ph−¬ng ph¸p ®µo, t¸ch bãc ®Êt/®¸ cã thÓ ph©n c¸c ph−¬ng ph¸p thi c«ng ngÇm ra hai nhãm, nh− trªn s¬ ®å h×nh 1-1). C¸c ph−¬ng ph¸p thi c«ng ngÇm Ph−¬ng ph¸p thi Ph−¬ng ph¸p thi c«ng b»ng m¸y c«ng th«ng th−êng kÝch m¸y m¸y m¸y khoan m¸y khiªn khoan- ®µo xóc, ®µo lß Ðp hÇm TBM ®µo SM næ m×n m¸y xíi RH èng, ®µo hÇm hë cã ®µo ®µo tõng nhá khiªn toµn phÇn g−¬ng g−¬ng H×nh 1-1. Ph©n nhãm vµ c¸ch gäi c¸c ph−¬ng ph¸p thi c«ng ngÇm Kh¸i niÖm ‘ph−¬ng ph¸p thi c«ng th«ng th−êng’ vµ ‘ph−¬ng ph¸p thi c«ng b»ng m¸y’ ®−îc sö dông chØ cã ý nghÜa t−¬ng ®èi, kh«ng hoµn toµn liªn quan víi viÖc sö dông c¸c m¸y thi c«ng. C¸c ph−¬ng ph¸p thuéc vµo nhãm thi 2
c«ng th«ng th−êng lµ c¸c ph−¬ng ph¸p cho phÐp t¸ch ph¸ ®Êt/®¸ t¹o nªn kho¶ng trèng ngÇm cã tiÕt diÖn víi h×nh d¹ng vµ kÝch th−íc bÊt kú. C¸c ph−¬ng ph¸p thi c«ng b»ng m¸y th−êng cho phÐp t¹o nªn c¸c kho¶ng trèng ngÇm víi tiÕt diÖn cã d¹ng x¸c ®Þnh (chñ yÕu lµ h×nh trßn), Ýt biÕn ®éng trong qu¸ tr×nh thi c«ng. Trong thùc tÕ còng cßn nhiÒu c¸ch ph©n nhãm kh¸c nhau, tïy theo tiªu chÝ ®−îc sö dông ®Ó ph©n nhãm. Ch¼ng h¹n nÕu chó ý chu tr×nh ®µo cã thÓ ph©n thµnh hai nhãm lµ thi c«ng theo chu kú vµ thi c«ng liªn tôc, vÝ dô nh− trªn h×nh 1-2. Ph−¬ng ph¸p ®µo §µo theo chu kú §µo liªn tôc khoan-næ m×n m¸y ®µo xóc m¸y ®µo tõng phÇn m¸y ®µo toµn g−¬ng m¸y khoan hÇm m¸y khiªn ®µo TBM SM H×nh 1-2. Ph©n nhãm theo quy tr×nh ®µo C¸c ph−¬ng ph¸p thi c«ng thuéc nhãm thi c«ng lé thiªn cã ®Æc ®iÓm chung lµ toµn bé hay tõng ®o¹n, tõng bé phËn cña kÕt cÊu nh©n t¹o ®−îc thi c«ng trªn mÆt ®Êt hay trong c¸c hµo thi c«ng, hoÆc c¸c hè ®µo. C¸c ph−¬ng ph¸p thi c«ng lé thiªn cã thÓ ®−îc ph©n ra ba nhãm, theo ph−¬ng thøc l¾p dùng c¸c kÕt cÊu nh©n t¹o nh− trªn h×nh 1-3. Nãi chung, dï thi c«ng b»ng ph−¬ng ph¸p ngÇm hay b»ng ph−¬ng ph¸p lé thiªn, c«ng viÖc quan träng lµ ph¶i t¸ch bãc ®−îc mét phÇn ®Êt/®¸ ®Ó t¹o ra kho¶ng trèng ngÇm (ngo¹i trõ ph−¬ng ph¸p h¹ ch×m trong n−íc), nghÜa lµ g©y t¸c ®éng lµm thay ®æi tr¹ng th¸i vËt chÊt cña khèi ®Êt/®¸. Trong tr−êng hîp nµy biÕn ®æi tr¹ng th¸i vËt chÊt sÏ g©y ra c¸c biÕn ®æi tr¹ng th¸i vËt lý/c¬ häc ban ®Çu vµ do vËy trong khèi ®Êt/®¸ xung quanh kho¶ng trèng ngÇm sÏ diÔn ra nh÷ng qu¸ tr×nh biÕn ®æi c¬ häc kh¸c nhau. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu, ph©n tÝch cña c¬ häc ®Êt/®¸ ®· chøng tá r»ng hËu qu¶ cña c¸c qu¸ tr×nh biÕn ®æi ®ã sÏ dÉn ®Õn c¸c d¹ng biÓu hiÖn kh¸c nhau lµ: • khèi ®Êt/®¸ cã thÓ vÉn ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh hoÆc 3
• khèi ®Êt/®¸ chuyÓn sang tr¹ng th¸i mÊt æn ®Þnh víi c¸c møc ®é thÓ hiÖn ®a d¹ng. Ph−¬ng ph¸p thi c«ng lé thiªn Thi c«ng hë H¹ dÇn h¹ ch×m H×nh 1-3. C¸c ph−¬ng ph¸p thi c«ng lé thiªn NÕu d−íi c¸c d¹ng t¸c ®éng kh¸c nhau, khèi ®Êt/®¸ vÉn æn ®Þnh vµ ®¸p øng c¸c yªu cÇu theo chøc n¨ng sö dông cña c«ng tr×nh ngÇm trong kho¶ng thêi gian cÇn sö dông, khi ®ã cã thÓ sö dông kho¶ng trèng mµ kh«ng cÇn ®Õn c¸c biÖn ph¸p kü thuËt nµo c¶. Ng−îc l¹i, nÕu khèi ®Êt/®¸ mÊt æn ®Þnh (nghÜa lµ cã thÓ xuÊt hiÖn c¸c hiÖn t−îng trãc vì, trãc lë, sËp lë, tr−ît lë..., còng nh− biÕn d¹ng, dÞch chuyÓn ®ñ lín), cÇn thiÕt ph¶i ¸p dông c¸c biÖn ph¸p kü thuËt thÝch hîp ®Ó cã thÓ: • ®¶m b¶o an toµn vµ æn ®Þnh kho¶ng kh«ng gian ngÇm còng nh− khèi ®Êt/®¸ theo c¸c yªu cÇu nhÊt ®Þnh trong qu¸ tr×nh thi c«ng; • ®¶m b¶o bÒn v÷ng vµ æn ®Þnh trong qu¸ tr×nh khai th¸c, vËn hµnh; • b¶o vÖ ®−îc c¸c c«ng tr×nh ®· vµ ®ang ®−îc x©y dùng ë khu vùc l©n cËn. C¸c kÕt cÊu nh©n t¹o cÇn thiÕt ®−îc l¾p dùng ®Ó cã thÓ sö dông kho¶ng kh«ng gian ngÇm an toµn vµ æn ®Þnh trong c¸c ®iÒu kiÖn nhÊt ®Þnh, ®−îc gäi chung víi kh¸i niÖm kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm hay kÕt cÊu chèng. Tuy nhiªn, víi nh÷ng nhËn thøc hiÖn nay, khèi ®Êt/®¸, ®Æc biÖt lµ khèi ®¸ còng ®−îc sö dông, ph¸t huy ®Ó cã thÓ tiÕp nhËn hoÆc tham gia tiÕp nhËn c¸c t¸c ®éng c¬ häc (t¶i träng), cho nªn trong nhiÒu tr−êng hîp kh¸i niÖm ‘kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm’ còng ®−îc hiÓu lµ tæ hîp bao gåm c¸c kÕt cÊu nh©n t¹o vµ khèi ®Êt/®¸, nghÜa lµ toµn bé hay mét bé phËn cña khèi ®Êt/®¸ còng ®−îc coi lµ mét bé 4
phËn cña kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm. Còng v× vËy, th«ng th−êng sÏ sö dông kh¸i niÖm kÕt cÊu chèng, nÕu chØ ®Ò cËp riªng ®Õn c¸c kÕt cÊu nh©n t¹o. Kh¸i niÖm kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm ®−îc sö dông mang tÝnh tæng qu¸t h¬n. C¸c lo¹i kÕt cÊu chèng cïng víi c¸c ph−¬ng ph¸p l¾p dùng còng ®−îc hiÓu víi kh¸i niÖm ‘ph−¬ng ph¸p chèng’. Cho ®Õn nay cã nhiÒu d¹ng kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm ®· ®−îc ph¸t triÓn víi nh÷ng ®Æc thï sö dông kh¸c nhau. Nãi chung c¸c kÕt cÊu ®−îc h×nh thµnh tr−íc hÕt phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn æn ®Þnh cña khèi ®Êt/®¸ v©y quanh kho¶ng trèng, phô thuéc vµo ph−¬ng ph¸p thi c«ng vµ phô thuéc vµo chøc n¨ng cña c«ng tr×nh ngÇm. Víi nh÷ng ®Æc ®iÓm kh¸c nhau vÒ môc tiªu sö dông, thêi h¹n sö dông, nªn c¸c c«ng tr×nh ngÇm trong ngµnh má vµ c¸c c«ng tr×nh ngÇm trong x©y dùng d©n dông vµ c«ng nghiÖp ®−îc quy ho¹ch, thiÕt kÕ vµ thi c«ng x©y dùng víi nh÷ng quan ®iÓm vµ yªu cÇu kh¸c nhau. Do vËy nh÷ng yªu cÇu vµ ®ßi hái vÒ lo¹i h×nh vµ quy m« c¸c kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm còng cã nh÷ng ®Æc thï riªng. C¬ häc c«ng tr×nh ngÇm (chÝnh x¸c h¬n lµ C¬ häc kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm) ®−îc coi lµ mét lÜnh vùc chuyªn m«n víi c¸c nhiÖm vô: • nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn c¸c lo¹i h×nh kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm • nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n, thiÕt kÕ c¸c kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm. NÕu nh− trong x©y dùng th−êng nãi ®Õn m«n kÕt cÊu c«ng tr×nh vµ c¬ häc kÕt cÊu mét c¸ch riªng rÏ, th× trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm kh¸i niÖm c¬ häc kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm bao hµm c¶ kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm vµ vÊn ®Ò tÝnh to¸n thiÕt kÕ. Tuy nhiªn c¸c lo¹i kÕt cÊu chèng vµ vÊn ®Ò tÝnh to¸n c¸c kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm còng nh− c¸c ph−¬ng ph¸p lùa chän, thiÕt kÕ riªng biÖt ®Òu cã nh÷ng ®Æc thï riªng, ®Æc tr−ng bëi nh÷ng t¸c ®éng kh¸c nhau cña c¸c khèi ®Êt/®¸ còng nh− c¸c ph−¬ng ph¸p thi c«ng x©y dùng vµ c¸c quan ®iÓm ph©n tÝch ®¸nh gi¸ kh¸c nhau. Ngµy nay, tÝnh to¸n kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm kh«ng chØ dõng l¹i theo c¸c nguyªn t¾c cña c¬ häc kÕt cÊu, mµ cßn vËn dông c¸c kiÕn thøc cña c¬ häc vËt r¾n biÕn d¹ng, còng nh− ph¸t triÓn c¸c m« h×nh, ph−¬ng ph¸p tÝnh riªng, liªn quan víi nh÷ng ®Æc ®iÓm ®a d¹ng cña c¸c khèi ®Êt/®¸. T¹i ®©y còng cÇn l−u ý r»ng c¸c kÕt cÊu ®−îc sö dông ®Ó b¶o vÖ thµnh hµo, hè ®µo...trong ph−¬ng ph¸p thi c«ng hë (H×nh 1-4) còng rÊt ®a d¹ng vµ tïy thuéc vµo ph−¬ng ph¸p ®µo, d¹ng thµnh hµo, hè ®µo, còng nh− c¸c ®iÒu kiÖn vÒ khèi ®Êt/®¸. Bëi v× c¸c lo¹i kÕt cÊu nµy kh«ng chØ liªn quan víi viÖc thi c«ng x©y dùng c¸c c«ng tr×nh ngÇm, mµ cßn ®−îc sö dông réng r·i trong qu¸ tr×nh x©y 5
dùng c¸c c«ng tr×nh x©y dùng kh¸c, víi c¸c chøc n¨ng kh¸c nhau, do vËy viÖc tÝnh to¸n, thiÕt kÕ c¸c kÕt cÊu nµy ®−îc giíi thiÖu riªng trong gi¸o tr×nh Kü thuËt nÒn mãng. Ph−¬ng ph¸p thi c«ng hë §Ó bê dèc (thµnh Thµnh hµo th¼ng ®øng, hµo nghiªng) cã t−êng b¶o vÖ Bê dèc ®−îc Bê dèc T−êng cã T−êng b¶o vÖ lµ bé phËn gia cè tù nhiªn thÓ thu håi cña kÕt cÊu c«ng tr×nh Khung T−êng T−êng T−êng cäc T−êng hµo cäc-v¸n cäc cõ chèng khoan nhåi nhåi C¸c gi¶i ph¸p gia Neo, chèt c−êng, t¨ng søc H×nh 1-4 . Ph−¬ng thøc ®µo vµ b¶o vÖ hµo b»ng ph−¬ng ph¸p hë 1.2 NhiÖm vô vµ yªu cÇu c¬ b¶n ®èi víi kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm Môc ®Ých chung cña viÖc l¾p dùng kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm lµ ®Ó ®¶m b¶o an toµn, bÒn v÷ng vµ æn ®Þnh kho¶ng kh«ng gian ngÇm, cô thÓ nh»m b¶o vÖ, ®¶m b¶o an toµn, ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn ho¹t ®éng b×nh th−êng cho con ng−êi, c¸c trang thiÕt bÞ, ph−¬ng tiÖn kü thuËt... trong kh«ng gian ngÇm. Tuy nhiªn c¸c nhiÖm vô cô thÓ cña tõng lo¹i kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm còng cßn phô thuéc c¶ vµo c¸c yªu cÇu riªng, môc tiªu sö dông riªng. Trong lÜnh vùc khai th¸c má hÇm lß, nhiÖm vô chñ yÕu cña kÕt cÊu c«ng tr×nh ngÇm lµ: a) Ng¨n chÆn ®¸ r¬i, sËp lë vµo ng−êi lao ®éng, trang thiÕt bÞ kü thuËt; b) H¹n chÕ dÞch chuyÓn cña khèi ®¸ vµ gi÷ æn ®Þnh kho¶ng trèng ®¶m b¶o c¸c c«ng t¸c vËn hµnh, vËn chuyÓn vµ th«ng giã. 6