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
• Chøc n¨ng sö dông
• Nhãm ng−êi sö dông
• Thêi gian sö dông
-phôc vô khai th¸c kho¸ng s¶n
-am hiÓu vÒ c«ng tr×nh ngÇm
-cã giíi h¹n
-c¸c môc tiªu kh¸c nhau
-kh«ng hoÆc Ýt am hiÓu
-l©u dµi
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.
2
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).
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
H×nh 1-1. Ph©n nhãm vµ c¸ch gäi c¸c ph−¬ng ph¸p thi c«ng ngÇm
Ph−¬ng ph¸p thi
c«n
g
th«n
g
th−ên
g
khoan-
næ m×n
m¸y
®µo xóc,
m¸y xíi
m¸y
®µo lß
RH
Ph−¬ng ph¸p thi
c«n
g
b»n
g
m¸
y
m¸y khiªn
®µo SM
®µo
toµn
g−¬ng
®µo tõng
phÇn
g−¬ng
kÝch
Ðp
èng,
®µo
hÇm
nhá
m¸y khoan
hÇm TBM
hë cã
khiªn
C¸c ph−¬ng ph¸p
thi c«n
g
n
g
Çm
3
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.
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
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
TBM
m¸
y
khiªn ®µo
SM
H×nh 1-2. Ph©n nhãm
theo quy tr×nh ®µo
4
• khèi ®Êt/®¸ chuyÓn sang tr¹ng th¸i mÊt æn ®Þnh víi c¸c møc ®é thÓ hiÖn
®a d¹ng.
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
H×nh 1-3. C¸c ph−¬ng ph¸p thi c«ng lé thiªn
Ph−¬ng ph¸p thi c«ng lé thiªn
Thi c«ng hë H
¹
dÇn h¹ ch×m
5
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