1
Chơng 1. Mở đầu

1.1 Khái niệm và định nghĩa
Một công trình ngầm đợc hiểu là một khoảng không gian trống, đợc
thi công xây dựng trong lòng vỏ trái đất (kể cả trong nớc hoặc dới nớc).
Cho đến nay có nhiều loại công trình ngầm, với các mục tiêu hay chức năng sử
dụng khác nhau. Tùy theo mục đích và phạm vi sử dụng có thể phân ra các loại:
Công trình ngầm khai thác khoáng sản,
Công trình ngầm thủy lợi, thủy điện
Công trình ngầm giao thông,
Công trình ngầm công nghiệp,
Công trình ngầm quốc phòng,
Công trình ngầm dân dụng,
Công trình ngầm đặc biệt.
Sau đây, để cho đơn giản, sẽ phân ra hai nhóm lớn là
Công trình ngầm trong các mỏ hầm lò, gọi là công trình ngầm mỏ
(CTNM)
Công trình ngầm dân dụng, quốc phòng và công nghiệp, gọi chung
là công trình ngầm dân dụng và công nghiệp (CTNDD&CN)
Giữa hai nhóm công trình ngầm này có những đặc điểm khác biệt rõ rệt,
thông qua bảng so sánh đơn giản nh trong bảng 1-1. Bảng 1-1. Một số đặc điểm liên quan với nhóm cong trình ngầm

CTNM
CTNDD&CN
Chức năng sử dụng
Nhóm ngời sử dụng

khối đá, sau đây gọi chung là khối đất/đá.
Để thi công xây dựng các công trình ngầm đã có nhiều phơng pháp
đợc phát triển, có thể phân ra hai nhóm chính là:
Các phơng pháp thi công ngầm (cũng còn gọi là phơng pháp mỏ)
Các phơng pháp thi công lộ thiên
Thi công ngầm có đặc điểm là mọi công tác tách bóc đất/đá và lắp
dựng kết cấu nhân tạo đều đợc thực hiện trong lòng đất. Theo phơng thức
hay phơng pháp đào, tách bóc đất/đá có thể phân các phơng pháp thi công
ngầm ra hai nhóm, nh trên sơ đồ hình 1-1).

đào
hầm
nhỏ
máy khoan
hầm TBM
hở
có
khiên
Các phơng pháp
thi công ngầm

3
công thông thờng là các phơng pháp cho phép tách phá đất/đá tạo nên
khoảng trống ngầm có tiết diện với hình dạng và kích thớc bất kỳ. Các
phơng pháp thi công bằng máy thờng cho phép tạo nên các khoảng trống
ngầm với tiết diện có dạng xác định (chủ yếu là hình tròn), ít biến động trong
quá trình thi công. Trong thực tế cũng còn nhiều cách phân nhóm khác nhau,
tùy theo tiêu chí đợc sử dụng để phân nhóm. Chẳng hạn nếu chú ý chu trình
đào có thể phân thành hai nhóm là thi công theo chu kỳ và thi công liên tục, ví
dụ nh trên hình 1-2.


theo quy trình đào

4
khối đất/đá chuyển sang trạng thái mất ổn định với các mức độ thể hiện
đa dạng. Nếu dới các dạng tác động khác nhau, khối đất/đá vẫn ổn định và đáp
ứng các yêu cầu theo chức năng sử dụng của công trình ngầm trong khoảng
thời gian cần sử dụng, khi đó có thể sử dụng khoảng trống mà không cần đến
các biện pháp kỹ thuật nào cả. Ngợc lại, nếu khối đất/đá mất ổn định (nghĩa
là có thể xuất hiện các hiện tợng tróc vỡ, tróc lở, sập lở, trợt lở..., cũng nh

nên các công trình ngầm trong ngành mỏ và các công trình ngầm trong xây
dựng dân dụng và công nghiệp đợc quy hoạch, thiết kế và thi công xây dựng
với những quan điểm và yêu cầu khác nhau. Do vậy những yêu cầu và đòi hỏi
về loại hình và quy mô các kết cấu công trình ngầm cũng có những đặc thù
riêng.
Cơ học công trình ngầm (chính xác hơn là Cơ học kết cấu công trình
ngầm) đợc coi là một lĩnh vực chuyên môn với các nhiệm vụ:
nghiên cứu và phát triển các loại hình kết cấu công trình ngầm
nghiên cứu và phát triển các phơng pháp tính toán, thiết kế các kết
cấu công trình ngầm.
Nếu nh trong xây dựng thờng nói đến môn kết cấu công trình và cơ
học kết cấu một cách riêng rẽ, thì trong xây dựng công trình ngầm khái niệm
cơ học kết cấu công trình ngầm bao hàm cả kết cấu công trình ngầm và vấn đề
tính toán thiết kế. Tuy nhiên các loại kết cấu chống và vấn đề tính toán các kết
cấu công trình ngầm cũng nh các phơng pháp lựa chọn, thiết kế riêng biệt
đều có những đặc thù riêng, đặc trng bởi những tác động khác nhau của các
khối đất/đá cũng nh các phơng pháp thi công xây dựng và các quan điểm
phân tích đánh giá khác nhau. Ngày nay, tính toán kết cấu công trình ngầm
không chỉ dừng lại theo các nguyên tắc của cơ học kết cấu, mà còn vận dụng
các kiến thức của cơ học vật rắn biến dạng, cũng nh phát triển các mô hình,
phơng pháp tính riêng, liên quan với những đặc điểm đa dạng của các khối
đất/đá.
Tại đây cũng cần lu ý rằng các kết cấu đợc sử dụng để bảo vệ thành
hào, hố đào...trong phơng pháp thi công hở (Hình 1-4) cũng rất đa dạng và
tùy thuộc vào phơng pháp đào, dạng thành hào, hố đào, cũng nh các điều
kiện về khối đất/đá.
Bởi vì các loại kết cấu này không chỉ liên quan với việc thi công xây
dựng các công trình ngầm, mà còn đợc sử dụng rộng rãi trong quá trình xây

6


Hình 1-4 . Phơng thức đào và bảo vệ hào bằng phơng pháp hở

1.2 Nhiệm vụ và yêu cầu cơ bản đối với kết cấu công trình ngầm
Mục đích chung của việc lắp dựng kết cấu công trình ngầm là để đảm
bảo an toàn, bền vững và ổn định khoảng không gian ngầm, cụ thể nhằm bảo
vệ, đảm bảo an toàn, đảm bảo điều kiện hoạt động bình thờng cho con ngời,
các trang thiết bị, phơng tiện kỹ thuật... trong không gian ngầm. Tuy nhiên
các nhiệm vụ cụ thể của từng loại kết cấu công trình ngầm cũng còn phụ thuộc
cả vào các yêu cầu riêng, mục tiêu sử dụng riêng.
Trong lĩnh vực khai thác mỏ hầm lò, nhiệm vụ chủ yếu của kết cấu công
trình ngầm là:
a) Ngăn chặn đá rơi, sập lở vào ngời lao động, trang thiết bị kỹ thuật;
b) Hạn chế dịch chuyển của khối đá và giữ ổn định khoảng trống đảm bảo các
công tác vận hành, vận chuyển và thông gió.
Bờ dốc đợc
gia cố
Bờ dốc
t
ự nhiên
Tờng có
thể thu hồi
Tờng bảo vệ là bộ phận
của kết cấu côn
g trình

Phơng pháp thi công hở
Để bờ dốc (thành
hào nghiêng)
Thành hào thẳng đứng,

định lâu dài (bền lâu).
Ngày nay các thành tựu nghiên cứu của các lĩnh vực cơ học đất/đá
đã khẳng định rằng khi thi công xây dựng các công trình ngầm cần thiết phải
đảm bảo, gìn giữ đợc độ bền hay khả năng mang tải của khối đất/đá, để có
thể phát huy, sử dụng khối đất/đá thành một bộ phân chịu tải. Vì vậy các biện
pháp chống giữ đợc sử dụng cũng cần đáp ứng yêu cầu là phát huy, hỗ trợ
cũng nh gây ảnh hởng tốt đến khả năng tự mang tải của khối đá. Trong
trờng hợp lý tởng chỉ nên coi kết cấu chống là một dạng gia cố hay gia công
bề mặt cho khối đá. Tuy nhiên, trong thực tế các kết cấu chống cũng thờng
đạt đợc độ cứng vững nhất định, nên có thể tiến hành tính toán thiết kế và
kiểm chứng đợc.
Nói chung, để đảm bảo, giữ gìn đợc khả năng tự mang tải của khối đá,
cũng nh đảm bảo ổn định, bền vững lâu dài cho các công trình ngầm, cần
thiết phải chú ý các điều kiện hay khả năng sau:
Lựa chọn vị trí hợp lý bố trí công trình ngầm;
Lựa chọn đợc hình dạng hợp lý cho công trình ngầm, chú ý đặc biệt
đến điều kiện cụ thể về các tính chất của khối đất/đá;
Lựa chọn các phơng pháp và giải pháp thi công hợp lý;
Lựa chọn phơng pháp chống giữ hợp lý;
Chú ý đến yếu tố thời gian đối với cả khối đá/đất và kết cấu công trình
ngầm;
áp dụng các phơng pháp khai đào không hoặc ít gây tác động xấu
đến khối đất/đá-(có thể gọi là các phơng pháp đào bảo dỡng khối đất/đá)-
tức là ít gây ảnh hởng làm thay đổi độ bền và khả năng biến dạng của khối
đất/đá.

8
Mặc dù các kết cấu công trình ngầm có thể đợc lựa chọn và thiết kế
theo các phơng pháp, quan điểm khác nhau tùy theo các chức năng khác nhau
của các công trình ngầm, song nói chung khi lựa chọn và tính toán các kết cấu

ngày càng cao hơn, kinh tế hơn trong thực tế cũng đã tạo cơ sở cho việc phát
triển nhiều loại vật liệu và kết cấu chống mới.
Để có thể hình dung đợc một cách tổng thể về các loại hình kết cấu
chống các công trình ngầm, phục vụ việc phân tích lựa chọn theo những yêu
cầu khác nhaucó thể sơ bộ phân loại các kết cấu chống theo những dấu hiệu
khác nhau.

9
1. Phân loại theo đặc điểm cấu tạo
Dựa theo đặc điểm cấu tạo, các kết cấu chống đợc phân ra ba nhóm chính
là: khung chống, vỏ chống và kết cấu tích hợp hay "hoà nhập" vào khối đá.
Trên bảng 1-3 là ví dụ phân nhóm các dạng kết cấu chống theo đặc điểm
cấu tạo, đồng thời cũng sơ lợc giới thiệu về vật liệu chống cũng nh hình
dạng và tính năng, chức năng của các loại kết cấu chống đó.

Bảng 1-3. Các loại kết cấu chống cơ bản Kết cấu tích hợp Khung chống Vỏ chống
Khái
niệm
Các thành phần của kết
cấu nhân tạo xâm nhập
vào khối đá hay tích hợp
với khối đá
Lắp ghép từ các cấu kiện
dạng thanh (thẳng hay
cong)
Lắp ghép từ các cấu kiện
dạng khối, dạng tấm hay

vỏ bê tông liền khối:
bê tông phun, bê tông
thờng, bê tông cốt thép
vỏ thép

10
11

Một kết cấu công trình ngầm có thể ở dạng độc lập của các kết cấu cơ
bản dạng khung, dạng vỏ hay dạng tích hợp; có thể hợp thành từ một hay
nhiều loại vật liệu; có thể ở dạng tổ hợp hay hỗn hợp của các dạng kết cấu
khác nhau. Cũng vì vậy đôi chỗ còn sử dụng khái niệm tổ hợp kết cấu chống
hay hệ thống kết cấu chống.
Nói chung một tổ hợp kết cấu công trình ngầm đợc lựa chọn và thiết kế
phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau:
mức độ ổn định và các đặc điểm địa chất, địa kỹ thuật của khối đá,
chức năng của công trình ngầm,
phơng pháp thi công xây dựng công trình ngầm.

2. Phân loại theo vật liệu
Nói chung trong xây dựng công trình ngầm, mọi loại vật liệu xây dựng
nh gỗ; thép, kim loại; gạch, đá, bêtông; vật liệu tổng hợp...đều có thể đợc sử
dụng, tùy theo yêu cầu và chức năng của công trình ngầm cũng nh những đòi
hỏi đối với các kết cấu chống. Ngoài các vật liệu xây dựng thông thờng, trong
lĩnh vực xây dựng công trình ngầm cũng phát triển một số vật liệu với tính
năng hay đặc điểm sử dụng riêng, nh các loại thép hình, các ván thép... Kết cấu tích hợp Khung chống Vỏ chống
Vật
liệu
Cấu kiện cơ bản là neo
từ (gỗ, tre) thép thanh,
cáp, thép ống, thanh