19
KÐt cÊu chèng hai líp lµ kÕt cÊu th«ng th−êng hay truyÒn thèng. Tr−íc
tiªn chóng ®−îc ph©n biÖt râ rµng qua chøc n¨ng lµ vá chèng t¹m vµ vá chèng
cè ®Þnh. Líp vá ngoµi, hay líp thø nhÊt ®−îc l¾p dùng trong qu¸ tr×nh ®µo
kho¶ng trèng ngÇm vµ kÕt hîp víi kh¶ n¨ng tù mang t¶i cña khèi ®¸ t¹o nªn
kÕt cÊu b¶o vÖ, kÓ tõ thêi ®iÓm sau khi ®µo, t¹o ra kho¶ng trèng ngÇm ®Õn khi
l¾p dùng vá chèng cè ®Þnh. Hai líp vá th−êng ®−îc ng¨n c¸ch bëi mét líp
chèng thÊm hay c¸ch n−íc, ch¼ng h¹n b»ng mét líp chÊt dÎo cïng víi c¸c hÖ
thèng b¶o vÖ kh¸c (nh− v¶i ®Þa kü thuËt); hoÆc b»ng mét líp vá ng¨n c¸ch, nh−
v¶i nhùa polyetylen, nÕu líp vá trong lµ bª t«ng c¸ch n−íc (kh«ng thÊm), ®ång
thêi còng ®Ó ph©n c¸ch kh«ng cho hai líp vá liªn kÕt víi nhau. KÕt cÊu vá hai
líp còng cã thÓ kh«ng cã líp c¸ch n−íc hay líp ng¨n c¸ch, ch¼ng h¹n líp vá
bª t«ng phÝa trong lµ bª t«ng chèng thÊm ®−îc ®æ trùc tiÕp kÕ theo líp vá bª
t«ng phun bªn ngoµi, trong tr−êng hîp thi c«ng hÇm ë ®iÒu kiÖn cã n−íc ngÇm.
Nãi chung, víi quan ®iÓm vá hai líp th× líp vá ngoµi th−êng ®−îc xem lµ líp
vá sÏ bÞ hñy ho¹i theo thêi gian, cã tuæi thä ng¾n. Do vËy, líp vá trong ph¶i
®¸p øng c¸c yªu cÇu vÒ ®é bÒn, ®é æn ®Þnh l©u dµi vµ c¸c tÝnh n¨ng sö dông.
§iÒu nµy xuÊt ph¸t tõ gi¶ ®Þnh lµ líp vá ngoµi bÞ ph¸ hñy vµ coi nh− kh«ng tån
t¹i. Ng−îc l¹i, còng cã quan ®iÓm cho r»ng, líp vá ngoµi ®ãng vai trß chÝnh
lµm kÕt cÊu chÞu t¶i, lëp vá trong chØ mang ý nghÜa cÊu t¹o vµ c¸c yªu cÇu
thÈm mü, hoÆc chèng l¹i c¸c t¸c nh©n ph¸ ho¹i h×nh thµnh trong qu¸ tr×nh vËn
hµnh. KÕt cÊu chèng cña ®−êng hÇm H¶i V©n lµ vÝ dô ®iÓn h×nh cho lo¹i kÕt
cÊu nµy.
Tuy nhiªn trong thùc tÕ cã nhiÒu vÝ dô chøng tá r»ng, líp vá ngoµi, t¹i
tr¹ng th¸i cuèi cïng vÇn cã kh¶ n¨ng mang t¶i vµ cã thÓ tÝnh to¸n, kiÓm ®Þnh
®−îc vµ ý t−ëng vÒ kÕt cÊu mét vá ®−îc h×nh thµnh cã ba yÕu tè:
• Líp vá ngoµi thùc tÕ kh«ng bÞ ph¸ hñy ®Õn møc nh− vÉn tån t¹i trong c¸c
gi¶ ®Þnh lý thuyÕt;
• Ngµy nay hoµn toµn cã thÓ sö dông bª t«ng phun ë d¹ng bª t«ng kÕt cÊu.
Nh− vËy, nÕu ®· xem líp vá ngoµi lµ mét bé phËn cña vá chèng cè ®Þnh,
viÖc t¹o ra líp vá trong chØ nªn xem lµ t¹o mét líp bæ sung cña líp vá
®· tån t¹i, ®Ó ®¶m b¶o ®¸p øng ®−îc c¸c yªu cÇu vÒ ®é bÒn vµ ®é æn ®Þnh
l©u dµi. Nh− vËy cã thÓ gi¶m ®−îc khèi l−îng hay thÓ tÝch ®¸ ®µo ra còng
nh− khèi l−îng hay thÓ tÝch cña kÕt cÊu;
• B»ng c¸ch sö dông bª t«ng sîi thÐp còng nh− bª t«ng phun sîi thÐp cho
phÐp rót ng¾n ®−îc thêi gian thi c«ng.
§−¬ng nhiªn kÕt cÊu mét líp cÇn thiÕt ph¶i ®¶m b¶o ®−îc c¸c yªu cÇu
kh¸c nhau trong tõng giai ®äan kh¸c nhau còng nh− lµ kÕt cÊu tæng thÓ ®èi víi
c¸c yªu cÇu cuèi cïng, l©u dµi. Thùc hiÖn ®−îc ý t−ëng nµy sÏ mang l¹i hiÖu
qu¶ kinh tÕ nhÊt ®Þnh. §iÒu kiÖn ®Ó cã thÓ tÝch hîp líp vá ngoµi thµnh mét bé
20
phËn cña líp vá chèng cè ®Þnh lµ ph¶i t¹o ra mèi liªn kÕt toµn phÇn cña ‘khe
c«ng t¸c’ gi÷a hai líp.
Trong thùc tÕ còng cßn nãi ®Õn kÕt cÊu vá nhiÒu líp, ph©n biÖt bëi ®Æc
®iÓm cÊu t¹o, vËt liÖu trong tõng líp vµ c¸c líp nµy cã thÓ ®−îc thiÕt kÕ riªng
rÏ, song vÒ kh¶ n¨ng chÞu t¶i tæng thÓ vÉn cã thÓ xem lµ kÕt cÊu mét vá hay kÕt
cÊu mét líp.
1.4. Vµi nÐt vÒ lÞch sö ph¸t triÓn
Cho ®Õn kho¶ng thËp kû 50 cña thÕ kû 20 ®Ó chèng ®ì (b¶o vÖ) c¸c
c«ng tr×nh ngÇm vÉn chñ yÕu sö dông kÕt cÊu khung b»ng gç. Sau ®ã c¸c kÕt
cÊu khung thÐp, bª t«ng phun vµ neo míi dÇn dÇn ®−îc sö dông. Tuy nhiªn,
ngay tõ l©u, tr−íc ®ã, ®· cã c¸c ý t−ëng thóc ®Èy viÖc t×m c¸c ph−¬ng ¸n thay
dÇn gç trong x©y dùng má vµ c«ng tr×nh ngÇm, v× c¸c yÕu ®iÓm cña lo¹i kÕt
cÊu nµy lµ tèn nhiÒu thêi gian vµ c«ng søc khi ®µo v−ît tiÕt diÖn nhiÒu, tÝnh
linh häat kÐm vµ dÔ bÞ ch¸y.
KÕt cÊu thÐp ®−îc sö dông ®Çu tiªn ë d¹ng c¸c thÐp ®−êng ray ®· qua sö
dông vµ lóc ®Çu th−êng ë d¹ng phèi hîp víi kÕt cÊu gç. Sù ra ®êi cña ngµnh
c¸n thÐp vµo ®Çu thÕ kû 19 ®· gãp phÇn thay thÕ kÕt cÊu khung gç b»ng kÕt
cÊu khung thÐp ngµy cµng nhiÒu h¬n. Cho ®Õn kho¶ng cuèi thÓ kû 19, ®Çu thÕ
kû 20 t¹i c¸c n−íc ph¸t triÓn trªn thÕ giíi, hÇu nh− gç ®· bÞ thay thÕ hßan toµn
trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm khi ®µo qua c¸c khèi ®¸ cã ¸p lùc m¹nh
(Fayol 1885; Mathet 1888; Koehler 1900). Mét vÝ dô, ®−îc coi lµ ®iÓn h×nh, lµ
sö dông kÕt cÊu thÐp khung ch÷ nhËt 2,5x2,8m ®Ó chèng gi÷ ®o¹n hÇm ¸p lùc
lín t¹i ®−êng hÇm Simplon (Pressel 1906).
LÞch sö ¸p dông bª t«ng phun trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm g¾n liÒn
víi sù ph¸t triÓn cña c¸c lo¹i m¸y phun cã tÝnh n¨ng kü thuËt ngµy cµng tèt
h¬n vµ ®é an toµn, tÝnh æn ®Þnh ngµy cµng cao h¬n. Ngay sau khi ®¨ng ký b¶n
quyÒn m¸y phun kh« ®Çu tiªn (“cement gun“) cña Akeley 1911, mét ®−êng
hÇm ë Mü ®· ®−îc söa ch÷a b»ng bª t«ng phun (Teichert 1979). Còng t¹i Mü,
trong lÜnh vùc khai th¸c hÇm lß ®· b¾t ®Çu sö dông bª t«ng phun ®Ó chèng gi÷
c¸c ®−êng lß t¹i c¸c má Bruceton, Pennsylvania tõ 1914 (Rice 1918). Tr−íc
1920 vá bª t«ng phun kÕt hîp víi l−íi thÐp ®· ®−îc sö dông ®Ó b¶o vÖ ®−êng
hÇm ®−êng s¾t ë Illinois. Vµo ®Çu thÕ kû 20, c¸c m¸y bª t«ng phun kh« (bª
t«ng phun trén kh«) ®· x©m nhËp vµo ch©u ¢u, ®Æc biÖt lµ t¹i vïng nói Alp.
C¸c ®−êng hÇm ¸p lùc cña nhµ m¸y ®iÖn Buendner vµ cña nhµ m¸y ®iÖn
Amsteg ®· sö dông bª t«ng phun (gunit) lµm kÕt cÊu b¶o vÖ. T¹i ®−êng hÇm
®−êng s¾t Coldrerio vµ Massagno ë Tessin ®· sö dông bª t«ng phun ®Ó söa
ch÷a. H×nh 1-5 cho thÊy h×nh ¶nh sö dông bª t«ng phun ®Ó c¶i t¹o ®−êng hÇm
21
®−êng s¾t thµnh ®−êng hÇm « t« Ulmberg t¹i Zuerich vµo n¨m 1927 (Kovari
2001).
N¨m 1922, ®−êng hÇm ¸p lùc dµi 6 km cña nhµ m¸y ®iÖn Heimbach t¹i
§øc ®· ®−îc phun phñ b»ng bª t«ng phun. Tuy nhiªn bª t«ng phun ®−îc sö
dông nhiÒu, b¾t ®Çu cïng víi sù ra ®êi cña c¸c m¸y phun c«ng suÊt cao. M¸y
phun cã kÕt cÊu trôc xo¾n do Senn ph¸t triÓn míi ®−îc coi lµ m¸y phun bª
t«ng ’thùc sù’ ®Çu tiªn, bëi lÏ lÇn ®Çu tiªn cho phÐp sö dông cèt liÖu ®Õn 25
mm, víi c«ng suÊt ®¹t ®−îc lµ 3m3/giê. Tõ ®ã h×nh thµnh kh¶ n¨ng sö dông bª
t«ng phun nh− lµ mét bé phËn chñ ®¹o trong x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm. Mét
sè vÝ dô ¸p dông nh− c¸c ®−êng hÇm dÉn n−íc Maggia cña nhµ m¸y ®iÖn t¹i
Tessin 1952, hai ®−êng hÇm cña tuyÕn ®−êng « t« Axen (Frey-Baer 1955;
Sonderegger 1955; Sonderegger 1956) t¹i ¸o. Tõ 1957 t¹i ý vµ tõ 1964 t¹i
§øc ®· sö dông bª t«ng phun trong thi c«ng c«ng tr×nh ngÇm tiÕt diÖn lín
trong lÜnh vùc giao th«ng.
LÞch sö ¸p dông neo cã lÏ ®−îc b¾t ®Çu víi c¸c gi¶i tr×nh b¶n quyÒn cña
Stephan, Froehlich vµ Kloepfel vµo nh÷ng n¨m 1913 (H×nh 1-6). Sù bïng næ
cña chiÕn tranh thÕ giíi thø nhÊt ®· g©y tr× ho·n c«ng bè b¶n quyÒn nµy vµo
n¨m 1918. B¶n gi¶i tr×nh b¶n quyÒn nµy bao gåm c¸c ý t−ëng cña kÕt cÊu
chèng b»ng neo vµ nªu hai vÝ dô ¸p dông lµ tu söa kÕt cÊu bÞ ph¸ hñy t¹i s−ên
mét ®−êng hÇm vµ chèt gi÷ khèi ph¸ hñy t¹i nãc mét ®−êng hÇm. Tuy nhiªn
ph¸t kiÕn nµy ch−a ®−îc c¸c nhµ chuyªn m«n quan t©m ngay. M·i 25 n¨m sau
H×nh 1- 5. Sö dôn
g
bª t«n
g
p
hun t¹i Thô
y
s
ü
( ®−ên
g
hÇm Ulmber
g
1927)
22
ng−êi ta míi thÊy mét b¸o c¸o vÒ thö nghiÖm neo vµo nh÷ng n¨m 1936 vµ
1937 t¹i má khai th¸c kÒn ë phÝa nam Misouri ë Mü (Weigel 1943). Vµo thËp
kû 40, ng−êi Hµ Lan Beyl cã b¸o c¸o vÒ kÕt qu¶ thö nghiÖm neo thµnh c«ng
t¹i Anh (Beyl 1945/1946). B»ng c¸ch ®o dÞch chuyÓn, héi tô cña ®−êng hÇm
«ng ta ®· kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña neo ®Õn c¸c biÓu hiÖn cña khèi ®¸ vµ kh¼ng
®Þnh r»ng, cÇn thiÕt c¾m neo ngay sau khi ®µo. Sau n¨m 1945 neo ®−îc sö
dông ngµy cµng nhiÒu, b¾t ®Çu lµ trong khai th¸c má ë Mü (Conway 1948;
Thomas 1948) vµ sau 1952 ë ch©u ¢u, t¹i c¸c má ë Anh, Ph¸p, §øc.
So víi khung thÐp vµ bª t«ng phun, neo ®−îc h¹n chÕ sö dông trong
ngµnh má tõ l©u; song sau mét kho¶ng thêi gian ng¾n kÕt cÊu neo ®· thay thÕ
kÕt cÊu gç trªn thÕ giíi. KÕt cÊu neo ®−îc sö dông trong c«ng tr×nh ngÇm ®Çu
tiªn lµ t¹i ®−êng hÇm dÉn n−íc t¹i ®Ëp n−íc Keyhole, Wyo ë Mü vµo n¨m
1950 (Anonymous 1951). §ét ph¸ sö dông neo thùc sù x¶y ra trong x©y dùng
c«ng tr×nh ngÇm lµ t¹i ®−êng hÇm dÉn n−íc 42km cña dù ¸n Delaware Water
Supply Aqueduct ë New York (Nolan 1952; Pierce 1953). T¹i ®©y, do kh¶
n¨ng cung cÊp c¸c khung thÐp gÆp khã kh¨n, nªn neo kÕt hîp víi bª t«ng phun
®· ®−îc sö dông thay thÕ khung thÐp h×nh vßm. Trªn 19,5 km ®−êng hÇm
®· ®−îc b¶o vÖ thµnh c«ng b»ng neo vµ còng v× thÕ ®· gi¶m ®−îc kho¶ng 85%
l−îng thÐp, nÕu sö dông khung thÐp.
Nh− vËy, víi nh÷ng c¶i tiÕn cña c«ng nghÖ bª t«ng phun trong thËp kû
50 thÕ kû 20, vai trß cña khung chèng gç ®· bÞ lo¹i trõ trªn thÕ giíi, kÓ c¶
H×nh 1-6 . H×nh ¶nh sö dông neo ®Çu tiªn trong lÜnh vùc
khai th¸c má n¨m 1913)
t
h
a
n
c¸t
k
Õt
sÐt
k
Õt
t
h
a
n
tÊm thÐ
p
neo lç
khoan
t−ên
g
®¸
lç khoan
vßng
h×nh c«n
23
trong lÜnh x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm. Thªm vµo ®ã lµ viÖc ¸p dông thµnh c«ng
c¸c kÕt cÊu phèi hîp bª t«ng phun, neo vµ khung thÐp. Tuy nhiªn, t¹i nhiÒu má
hÇm lß cña ViÖt Nam, gç vÇn cßn lµ mét lo¹i vËt liÖu quan träng.
Nãi chung , trong lÜnh vùc x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm vµ má, viÖc c¶i
tiÕn vµ ph¸t triÓn c¸c kÕt cÊu b¶o vÖ vÉn lu«n lµ vÊn ®Ò ®−îc quan t©m thÝch
®¸ng. KÕt cÊu hîp lý kh«ng chØ ®¶m b¶o ®−îc c¸c yªu cÇu vÒ kü thuËt mµ
th−êng ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ ®¸ng kÓ.
1.5. Nguyªn t¾c vµ ph−¬ng ph¸p lùa chän, thiÕt kÕ kÕt cÊu chèng
Nãi chung, trªn c¬ së c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu trong C¬ häc ®¸, kÕt hîp
víi sù ph¸t triÓn cña c¸c lo¹i vËt liÖu vµ kÕt cÊu chèng míi, sù ph¸t triÓn cña
c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n, thiÕt kÕ, kÕt hîp víi kinh nghiÖm thùc tÕ cho thÊy
r»ng ®Ó cã thÓ cã ®−îc mét gi¶i ph¸p hîp lý vÒ kinh tÕ vµ kü thuËt ®èi víi kÕt
cÊu c«ng tr×nh ngÇm cÇn thiÕt ph¶i tiÕn hµnh c¸c c«ng t¸c c¬ b¶n sau:
• Nghiªn cøu, ®¸nh gi¸ møc ®é æn ®Þnh cña khèi ®¸ xung quanh c¸c ®−êng lß,
c¸c c«ng tr×nh ngÇm sau khi ®µo, tõ ®ã cho phÐp dù b¸o ¸p lùc ®Êt/®¸ hay ¸p
lùc má, trªn c¬ së
ph©n lo¹i khèi ®¸, kinh nghiÖm thùc tÕ, ph©n tÝch lý thuyÕt, ®o ®¹c;
Nãi chung c¸c kÕt cÊu chèng cè ®Þnh cña c«ng tr×nh ngÇm th−êng ph¶i
chÞu t¸c ®éng cña nhiÒu yÕu tè kh¸c nhau. C¸c yÕu tè c¬ b¶n ®−îc thÓ hiÖn
trong b¶ng 1-4.
B¶ng 1-4. C¸c lo¹i t¶i träng t¸c dông lªn kÕt cÊu chèng
Tõ phÝa khèi ®¸:
• C¸c lo¹i ¸p lùc
vµ t¶i träng.
• HËu qu¶ do sôt
lón, sËp lë ®Êt ®¸.
• §éng ®Êt.
• ¸p lùc n−íc.
• C¸c t¸c ®éng
x©m thùc cña n−íc
hoÆc c¸c thµnh
phÇn cã tÝnh x©m
thùc trong ®Êt ®¸.
Tõ qu¸ tr×nh thi c«ng:
• Tù träng cña kÕt cÊu trong
khi thi c«ng; c¸c t¶i träng tõng
phÇn trong tr¹ng th¸i thi c«ng.
• Táa nhiÖt trong qu¸ tr×nh
thñy ph©n, co ngãt (bª t«ng)
• ¸p lùc khi b¬m Ðp chÌn c¸c
khe, chÌn phÝa nãc.
• C¸c tr¹ng th¸i vËn chuyÓn ®èi
víi c¸c kÕt cÊu ®óc s½n ( c¸c
tÊm l¾p ghÐp, tuýpbing, c¸c
èng ®óc s½n).
• C¸c lùc nÐn Ðp khi thi c«ng,
c¸c t¶i träng do kÐo c¸c cÊu
kiÖn, dông cô kh¸c.
Tõ ®iÒu kiÖn sö dông, khai th¸c:
• T¸c dông cña nhiÖt ®é tõ kh«ng
khÝ, n−íc th¶i, còng nh− c¸c yÕu
tè t−¬ng tù.
• C¸c t¸c ®éng hãa häc bëi khÝ
th¶i, n−íc....
• C¸c t¸c ®éng do giao th«ng, vËn
chuyÓn.
• T¸c ®éng cña c¸c h¹t ®¸,
cuéi...cã trong n−íc (®èi víi c¸c
®−êng hÇm dÉn n−íc).
• T¸c ®éng do ch¸y trong c¸c
c«ng tr×nh giao th«ng ngÇm.