§¸NH GI¸ CHÊT L¦îNG KHèI §¸ §Ó THIÕT KÕ X¢Y DùNG HÇM C¸C C¤NG TR×NH THñY C¤NG

TS. Phan Sü Hïng Thanh

Phã Tæng Gi¸m ®èc

1. KHÁI NIỆM VỀ KHỐI ĐÁ

Khối đá là một không gian địa chất có kích thước đủ lớn dùng làm nền móng công trình xây dựng, do có kích thước lớn nên mức độ không đồng nhất về cấu trúc của khối đá thường rất cao so với mẫu đá. Vì thế, các đặc trưng cơ học của khối đá luôn thấp hơn mẫu đá và phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc khối đá, như : đơn thể cấu trúc, nhóm khoáng vật, các mặt phân lớp, phân phiến, các hệ khe nứt, vật chất lấp nhét, nước ngầm.v.v.

2. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CHỦ YẾU CỦA ĐÁ

2.1. Đặc trưng biến dạng

Biến dạng của đá phụ thuộc vào biến dạng của các khối nứt (cục đá, mẫu đá), vật chất lấp nhét, mức độ hay độ mở của khe nứt, sự chuyển dịch của các khối nứt so với khối đá. Đặc trưng cho biến dạng đàn hồi của đá gồm có modul đàn hồi E (modul young) và hệ số biến dạng ngang ν (hệ số poisson).

2.2. Đặc trưng độ bền

Tính chất của đá dưới tác dụng của tải trọng ngoài trong điều kiện nhất định mà không bị phá hoại gọi là độ bền của đá. Độ bền cơ học của đá được đặc trưng bởi các chỉ tiêu cường độ kháng nén, kháng cắt, kháng kéo, kháng uốn…

Đối với đá, cường độ uốn rất khó xác định, cường độ kháng kéo thường rất nhỏ nên độ bền của khối đá chủ được đặc trưng bởi cường độ kháng cắt và cường độ kháng nén.

2.2.1. Cường độ kháng cắt

Cường độ kháng cắt của khối đá là đại lượng thể hiện giá trị ứng suất cắt tới hạn mà tại đó đá bị cắt (ký hiệu là τs, tính bằng kg/cm2 hay MPA). Cường độ kháng cắt của đá được xác định bằng thực nghiệm, nó đặc trưng cho khả năng chịu tải và độ ổn định của đá.

Với khối đá, cường độ kháng cắt có tính dị hướng rất lớn so với cường độ kháng nén. Thường theo các hướng song song với mặt phân lớp hay các mặt khe nứt thì cường độ kháng cắt có giá trị thấp nhất. Nếu trên mặt phân lớp chứa các chất có tính bôi trơn như sét, xerixit, mica… và nhất là nước thì độ bền cắt lại càng giảm mạnh. Các số liệu về độ bền cắt của khối đá thường không ổn định.

2.2.2. Cường độ kháng nén

Cường độ kháng nén của đá là đại lượng đặc trưng cho khả năng chống lại lực nén của đá, thường rất thấp hơn nhiều so với mẫu đá và phụ thuộc nhiều vào hướng tác dụng

1

của lực. Cường độ kháng nén của khối đá thay đổi trong phạm vi rộng, với các đá cứng, giòn, độ bền nén của khối đá thường biến đổi trong khoảng 5-30MPA.

Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ kháng nén của khối đá bao gồm các yếu tố bên trong và các yếu tố bên ngoài.

Các yếu tố bên trong gồm các yếu tố phản ánh bản chất của đá như thành phần khoáng vật, cấu trúc của đá và tuỳ thuộc vào tính chất của thành phần khoáng vật và cấu trúc mà yếu tố nào ảnh hưởng nhiều hay ít đến giá trị cường độ kháng nén của khối đá.

Các yếu tố bên ngoài rất đa dạng và phức tạp bao gồm yếu tố kích thước mẫu thí nghiệm, phương pháp gia tải, tốc độ gia tải. Kích thước hoặc thể tích của khối đá càng lớn thì xác suất phát hiện tính không đồng nhất của nó càng lớn và ngược lại kích thước hoặc thể tích của khối đá càng nhỏ thì xác suất này càng nhỏ và khi mẫu đá càng bé bao nhiêu thì khuyết tật nó có thể có càng ít bấy nhiêu, do đó độ bền của đá theo số liệu kích thước nhỏ thường lớn hơn so với mẫu đá có kích thước lớn.

Tốc độ tăng tải cũng ảnh hưởng rất lớn đến cường độ kháng nén, khi đặt tải với tốc độ lớn thì cường độ kháng nén nhỏ vì tốc độ tăng tải lớn sẽ gây ra lực động do đó dễ gây ra phá huỷ khối đá cho nên cần tăng tải từ từ. Cường độ kháng nén của khối đá theo hướng vuông góc với các mặt phân lớp, mặt cấu trúc thì cao hơn so với theo mặt lớp, mặt cấu trúc.

3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA KHỐI ĐÁ

Ngoài các yếu tố thuộc về bản chất như thành phần khoáng vật, kiến trúc, cấu tạo, độ lỗ rỗng… các đặc trưng cơ học của khối đá còn bị ảnh hưởng bởi nhiều các yếu tố khác nhau như nhe nứt, nước trong khối đá, trạng thái ứng suất tự nhiên, mức độ phong hóa.

3.1. Khe nứt

Do trong khối đá có các hệ thống khe nứt khác nhau nên nó tạo ra các khối nứt có hình dạng, kích thước và sự phân bố khác nhau của nó làm cho khối đá trở nên không đồng nhất, có tính dị hướng trong không gian.

- Thế nằm khe nứt

Thế nằm của khe nứt bao gồm, đường phương, góc phương vị đường phương, đường hướng dốc, góc dốc và góc phương vị hướng dốc. Phương của khe nứt so với phương tác dụng của ngoại lực có ảnh hưởng lớn đến độ bền khối đá. Khi đường phương vuông góc với trục đường hầm và mái dốc, góc dốc cắm theo hướng đào nhìn chung là thuận lợi, góc dốc cắm ngược hướng đào nhìn chung là không thuận lợi. Đường phương song song với trục đường hầm nhìn chung là không thuận lợi.

- Độ liên tục của khe nứt

Khe nứt có thể liên tục hoặc đứt đoạn. Giữa các khe nứt đứt quãng là các cầu đá. Tỷ lệ giữa cầu đá và chiều dài khe nứt được gọi là tỷ lệ cầu đá, chúng có ảnh hưởng lớn đến đặc trưng cơ học của khối đá. Khi mặt trượt trùng với mặt khe nứt thì cường độ kháng cắt phụ thuộc vào độ liên tục của mặt hệ thống khe nứt .

2

- Mật độ của khe nứt

Số lượng trung bình các khe nứt song song hay gần song song với nhau (sự sai lệch các yếu tố thế nằm khoảng ±10 - 15% so với trị số trung bình) trên một đơn vị chiều dài theo phương vuông góc với các khe nứt, được gọi là mật độ hay tần suất của khe nứt. Giá trị nghịch đảo của mật độ khe nứt là modul khe nứt. Mật độ khe nứt ảnh hưởng rất nhiều đến tính không đồng nhất của khối đá.

Mật độ nứt nẻ của khối đá (Kkn) là tỷ số giữa diện tích không gian tự do (s) mà các khe nứt chiếm với diện tích bề mặt của đá (S).

Kkn = s*100%/S

Dựa vào mật độ nứt nẻ (Kkn) phân loại khối đá thành 4 loại:

- Đá ít nứt nẻ (Kkn<2%), khe nứt dạng sợi tóc và bề rộng bé hơn 1mm, đôi khi gặp khe nứt rộng 2mm.

- Đá nứt nẻ vừa (Kkn = 2 ÷ 5%), cùng với những khe nứt rộng đến 1mm còn có các khe nứt rộng từ 2÷5mm, cá biệt rộng đến 5÷20mm.

- Đá nứt nẻ mạnh (Kkn =5÷10%), cùng với cá khe nứt rộng 5mm còn có những khe nứt rộng từ 20 đến 100mm.

- Đá nứt nẻ rất mạnh (Kkn = 10÷20%), và nứt nẻ hết sức mạnh (Kkn>20%). Cùng với các khe nứt rộng đến 5mm còn có các khe nứt rộng từ 20÷100mm và lớn hơn.

Tại Việt Nam, đối với các công tình thủy điện, thủy lợi bậc khe nứt được phân chia theo TCVN 4253-1986 (Bảng 1)

Bảng 1. BẢNG PHÂN LOẠI ĐỨT GÃY VÀ KHE NỨT KIẾN TẠO

Bậc đứt gẫy, khe nứt Độ dài phá huỷ Chiều rộng đới phá huỷ

Đứt gãy bậc I-sâu, nguồn gốc địa chấn

Hàng trăm và hàng ngàn kilomet

Hàng trăm và hàng ngàn mét

Đứt gãy bậc II-sâu, không phải nguồn gốc địa chấn

Hàng chục và hàng trăm kilomet

Hàng trăm và hàng chục mét

Đứt gãy bậc III Từ một đến hàng chục kilomet Mét và hàng chục mét

Đứt gãy bậc IV Hàng trăm đến hàng ngàn mét

Hàng chục và hàng trăm centimet

Đứt gãy nhỏ và khe nứt bậc V

Hàng chục và hàng trăm mét Hàng chục centimet

Khe nứt trung bình VI Mét và hàng chục mét Milimet và centimet

Khe nứt nhỏ VII Centimet và mét Milimet và nhỏ hơn milimet

3

- Độ mở khe nứt.

Độ mở khe nứt (∆a) là khoảng cách trung bình giữa hai bờ của khe nứt. Các khe nứt được phân chia theo chiều rộng như sau:

- Khe nứt rất lớn có độ mở ∆a>100mm, khe nứt lớn ∆a =20÷100mm.

- Khe nứt trung bình ∆a =5÷20mm

- Khe nứt nhỏ ∆a =1÷5mm.

- Khe nứt mảnh ∆a <1mm.

- Vi khe nứt ∆a <1µm.

Chiều rộng của khe nứt có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền, tính biến dạng, tính thấm, khả năng chứa nước, chứa khí, chứa vật liệu… và ảnh hưởng tới hiệu quả của việc khoan, khoan nổ.

- Bề mặt khe nứt

Hình thái bề mặt khe nứt được đặc trưng bởi độ nhám, độ gồ ghề của bề mặt khe nứt. Hệ số nhám của khe nứt ảnh hưởng rất lớn đến góc ma sát của khe nứt và ảnh hưởng đến cường độ kháng cắt theo bề mặt khe nứt. Khi bề mặt khe nứt gồ ghề thì ngoài việc cường độ kháng cắt chịu lực cản do góc ma sát cơ sở thì chúng còn phải chịu một lực cản do góc nghiêng của mặt gồ ghề. N.Barton phân chia và chấm điểm để đánh giá định lượng hệ số nhám JRC của khe nứt (Bảng 2).

Bảng 2: BẢNG HỆ SỐ GỒ GHỀ BỀ MẶT KHE NỨT

Hình thái bề mặt khe nứt JRC

0-2

2-4

4-6 6-8

8-10

10-12

12-14

14-16

16-18

18-20

4

- Đặc điểm vật chất lấp nhét khe nứt

Bên trong khe nứt thường có các loại vật liệu lấp nhét. Dựa vào sự lấp đầy khe nứt có thể chia ra các loại khe nứt không có chất nhét, lấp đầy, không lấp đầy hoàn toàn. Dựa vào thành phần vật chất có thể phân biệt chất lấp nhét là vật liệu sét, cát, các mạch kết tinh … Các chất lấp nhét có ảnh hưởng lớn đến độ bền, tính biến dạng, tính thấm và khả năng chứa nước của khối đá.

- Quan hệ tổ hợp các hệ thống khe nứt

Trong một khối đá luôn luôn tồn tại nhiều hệ thống khe nứt khác nhau. Tổ hợp các hệ thống khe nứt thể hiện mối quan hệ của các hệ thống khe nứt quyết định đến thế nằm của các khối nứt, hình dạng khối nứt, khối trượt và các mặt trượt. Việc xuất hiện các hệ thống khe nứt khác nhau có thể tạo ra các khối trượt có hình dạng khác nhau (thanh, tấm, khối…). Trong từng điều kiện riêng biệt chúng có thể tạo ra các mặt dễ trượt hoặc khó trượt.

3.2.Nước trong khối đá

Nước chứa trong các khe nứt chỉ xuất hiện ở dưới mực nước ngầm và tuỳ theo kích thước và hình dạng của khe nứt mà loại nước này có thể chảy thành dòng, gây áp lực làm ảnh hưởng đến tính chất và độ ổn định của khối đá.

Nước tồn tại trong khối đá do có cột nước và gia tốc trọng trường nên gây ra dòng thấm. Khi có sự chênh lệch lớn hay áp lực nước ngầm cao sẽ làm mất tác dụng của lực tiếp xúc giữa các bề mặt khe nứt, làm giảm ứng suất hiệu quả do vậy làm giảm độ bền ma sát theo các mặt khe nứt cũng như mặt lớp .

Tính chất biến dạng của đá cũng bị thay đổi do ảnh hưởng của nước. Ở trạng thái tĩnh, tính chất đàn hồi giảm xuống còn tính dẻo lại tăng lên. Khi chịu tải trọng động thì độ bền và modul đàn hồi động của đá tăng lên rất mạnh theo độ chứa nước trong đá. Điện trở của đá cũng thay đổi rất nhiều theo lượng nước trong khối đá.

Kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ học của khối đá và mẫu đá ở trạng thái bão hoà nước luôn có giá trị thấp hơn ở trạng thái tự nhiên.

3.3. Trạng thái ứng suất tự nhiên của khối đá

h

I II III Hình 1: Sơ đồ phân bố ứng suất khối đá sườn núi và chân núi theo Ivanov N.P

Sự phân bố ứng suất trong khối đá rất không đồng đều, một số trường hợp phát sinh các đới, các nguồn tập trung ứng suất. Ivanov N.P chia ứng suất trong sườn núi dốc thành 3 vùng (Hình 1).

Vùng I: Xuất hiện do kết quả giảm tải của vùng khối đá gần sườn dốc hướng về thung lũng

Vùng II: Giá trị ứng suất theo phương thẳng đứng lớn hơn giá ứng suất tính theo trọng lượng của các lớp

5

đất đá nằm trên tới 8-10 lần. Tỷ số giữa ứng suất theo phương ngang và phương thẳng đứng thay đổi trong khoảng 0,7- 0,8.

Vùng III: Giá trị ứng suất theo phương ngang vùng này gần bằng hoặc lớn hơn giá trị ứng suất theo phương thẳng đứng.

3.4. Mức độ phong hoá

Khi khối đá bị phong hoá chúng bị thay đổi bề mặt bên ngoài, màu sắc, trạng thái vật lý, thành phần khoáng vật, thành phần hoá học, các tính chất vật lý và tính chất cơ học như tính chứa ẩm, tính chứa nước, độ chặt, độ rỗng, độ bền, độ cứng, độ kiên cố, độ ổn định đối với nước, khả năng chịu tải và tính biến dạng của khối đá bị biến đổi. Trên mặt cắt thẳng đứng từ trên xuống dưới của vỏ phong hoá có thể phân biệt được các đới khác nhau nhờ các dấu hiệu quan trọng như sự thay đổi trạng thái vật lý, xuất hiện và biến đổi các khe nứt theo chiều sâu, mức độ phân rã và tơi xốp của đá, giảm mật độ và tăng độ rỗng, xuất hiện các lỗ rỗng, giảm độ bền cũng như tính biến dạng của đá.

Thông thường phong hoá giảm dần theo chiều sâu do càng xuống sâu các yếu tố phong hoá hoá học càng giảm dần, phong hoá vật lý phát triển. Ngoài ra do trong khối đá có các mặt cấu trúc (mặt phân lớp, khe nứt, đứt gẫy) mềm yếu các tác nhân phong hoá tác động vào các bề mặt cấu trúc làm chúng bị phong hoá mạnh hơn.

Trên cơ sở nghiên cứu các dấu hiệu bên ngoài (trạng thái vật lý của khối đá, sự hình thành có tính chất ưu thế những khoáng vật nào đó trong mỗi đới) có thể phân chia khối đá thành các đới phong hoá riêng biệt (phong hoá mãnh liệt, phong hoá mạnh, phong hoá vừa, phong hoá nhẹ, đới tương đối nguyên khối).

4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KHỐI ĐÁ

Do tính phức tạp của khối đá nên có rất nhiều các phương pháp phân loại đánh giá chất lượng. Tuy nhiên, các phương pháp phổ biến nhất hiện nay là phương pháp đánh giá theo chỉ số chất lượng khối đá RQD (Deere), chỉ số chất lượng RMR (Bieniawski), và chỉ số chất lượng Q (N.Barton).

4.1. Phương pháp đánh giá theo chỉ số chất lượng RQD (Deere).

Phương pháp đánh giá chất lượng khối đá theo chỉ số chất lượng RQD (Rock Quality Designation) do Deere đề xuất vào năm 1963. Deere đã đề nghị lấy tổng chiều dài các thỏi khoan làm tham số phản ánh chất lượng khối đá và đưa ra khái niệm chỉ số chất lượng và xác định theo công thức sau:

LtLpRQD =

Trong đó :

Lp- Tổng chiều dài các thỏi khoan có chiều dài không nhỏ hơn 2 lần đường kính lỗ khoan tại đoạn lỗ khoan cần khảo sát. ( )cmlLp 10≥=∑ , khi đường kính lõi khoan là 5cm;

6

Lt - Chiều dài đoạn lỗ khoan được khảo sát.

Dựa vào quan sát thực nghiệm, Deere chia các khối đá ra làm 5 loại tương ứng với các trị số RQD khác nhau như trong bảng 3.

Giá trị RQD còn được xác định tại vách hố đào, vách tường lò thông qua công thức thực nghiệm của Palmstrom (1982):

VJRQD .3,3115 −=

Trong đó: JV- mật độ khe nứt tính theo 1m3 khối đá

Hoặc theo công thức của Priest and Huson (1976):

( ) KNkKN ekRQD 1,0.1.1,0100 −+=

Trong đó kKN là mật độ khe nứt (số khe nứt /1m chiều dài đường hầm khảo sát). Bằng cách này, từ một số liệu đo vẽ nứt nẻ của khối đá (ví dụ kKN) có thể tính được RQD và đánh giá phân loại được chất lượng khối đá.

Bảng 3: PHÂN LOẠI KHỐI ĐÁ THEO DEERE

RQD Phân loại chất lượng

Số khe nứt trên 1m dài

Tỷ lệ modul biến dạng

Tỷ số vận tốc

Vd-k/Vd-m

0 - 25 Rất xấu >15 - 0,0 – 0,2

25 – 50 Xấu 15 – 8 < 0,2 0,2 – 0,4

50 - 75 Trung bình 8 – 5 0,2 – 0,5 0,4 – 0,6

75 – 90 Tốt 5 -1 0,5 – 0,8 0,6 – 0,8

90 – 100 Rất tốt <1 0,8 – 1 0,8 – 1

4.2. Phương pháp đánh giá theo chỉ số chất lượng RMR (Bieniawski)

Bieniawski đã đưa ra bảng phân loại trong công trình ngầm dựa theo thang điểm có chú ý đến 6 yếu tố khác nhau và được xác định theo công thức:

RMR = I1 + I2 + I3 + i5 + I5 + I6

Trong đó: I1- tham số xét đến độ bền nén đơn trục của đá;

I2- tham số thể hiện lượng thu hồi lõi khoan RQD;

I3- tham số thể hiện khoảng cách giữa các khe nứt;

I4 -tham số thể hiện bề mặt khe nứt;

I5- tham số thể hiện điều kiện ngậm nước;

I6- tham số thể hiện tương quan giữ thế nằm các lớp, các hệ khe nứt và hướng đào của tuyến công trình ngầm.

7

Cách tính các tham số I1, I2, I3, I4, I5, I6 được xác định theo bảng 4.

Bảng 4: CÁC THAM SỐ PHÂN LOẠI KHỐI ĐÁ THEO BIENIAWSKI

Tham số Trị số (điểm)

Chỉ số nén điểm ISRM (1972) >8 3-8 2-3 1-2 -

Độ bền nén đơn trục mẫu đá >200 100-200 50-100 25-50 10-25 1

I1 15 12 7 4 2

Trị số RQD (%) 90-100 75-90 50-75 25-50 <25 2

I2 20 17 13 8 3

Khoảng cách khe nứt >3 m 1-3 m 0.3-1m 50-30 mm <50 mm 3

I3 30 25 20 10 5

Bề mặt khe nứt

Bề mặt rất nhám, không

xuyên suốt, không lấp

nhét

Bề mặt nhám nhẹ, cứng, độ

mở <1mm

Bề mặt nhám nhẹ,

mềm, độ mở 1 mm

Bề mặt nhẵn, trơn, độ mở 1-5mm, có

chất lấp nhét, khe nứt xuyên

suốt

Chất lấp nhét mềm, độ mở

>5mm, khe nứt xuyên

suốt

4

I4 25 20 12 6 0

chảy vào trong 10m đường hầm Không nước chảy <25

l/phút 25-125 l/phút > 125 l/phút

Áp lực nước/ứng suất lớn nhất 0 0 - 0.2 0.2-0.5 >0.5 Nước

ngầm

Trạng thái chung Hoàn toàn khô ráo Ẩm ướt Nước với áp

lực nhỏ Xử lý nước khó ngăn

5

I5 10 7 4 0

Góc cắm và đường phương của khe nứt

Rất thuận lợi Thuận lợi Trung

bình Không thuận

lợi Rất không thuận lợi

Đường hầm 0 -2 -5 -10 -12

Nền móng 0 -2 -7 -15 -25 6

I6

Mái dốc 0 -5 -25 -50 -60

Tham số thể hiện tương quan giữa thế nằm các lớp, các hệ khe nứt và hướng đào của tuyến công trình ngầm được tra tại bảng 5.

8

Bảng 5: ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ KHE NỨT KHI THI CÔNG HẦM

Đường phương vuông góc với trục đường lò

Cắm theo hướng đào Cắm ngược hướng đào

Đường phương song song với trục đường lò

Góc dốc (góc cắm)

45o-90o 20o-45o 45o-90o 20o-45o 45o-90o 20o-45o 0o-20o

Rất thuận lợi Thuận lợi Trung

bình Không

thuận lợi Rất không thuận lợi

Trung bình

Trung bình

Trên cơ sở chỉ số chất lượng RMR tính được, Bieniawski đã đề suất bảng phân loại khối đá theo đặc điểm và cấp ổn định của khối đá (bảng 6).

Bảng 6: PHÂN LOẠI CHẤT LƯỢNG KHỐI ĐÁ THEO BIENIAWSKI

Số điểm RMR 81-100 61-80 41-60 21-40 <20

Nhóm chất lượng Loại I Loại II Loại III Loại IV Loại V

Đặc điểm Rất tốt Tốt Trung bình Xấu Rất xấu

Lực dính kết MN/m2 0.3 0.2-0.3 0.15-0.2 0.1-0.15 <0.1

Góc ma sát trong >450 400 - 450 350 - 400 300 - 350 <300

Ngoài ra, giá trị RMR còn được sử dụng để xác định giá trị gần đúng của modul biến dạng của khối đá:

Với RMR >50: ( )100.2 −≅ RMREm

Với RMR <50:⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

≅ 4010

10RMR

mE

Hệ thống phân loại RMR được sử dụng rộng rãi trên thế giới bởi các thông số và cách tính toán mang tính tổng quát và được chia thành những trường hợp cụ thể, dễ áp dụng.

Bieniawski (1989) đã xuất bản hướng dẫn biện pháp gia cố hầm theo các giá trị RMR đã được xác định. Bản hướng dẫn này áp dụng cho hầm hình móng ngựa rộng 10m, thi công bằng phương pháp khoan nổ mìn (bảng 7).

9

Bảng 7: BIỆN PHÁP GIA CỐ HẦM THEO CHỈ SỐ RMR CHO HẦM MÓNG NGỰA

Loại đá Phương pháp đào Neo đường kính

20mm có bơm vữa Phun vữa bê

tông Chống vì thép

Loại I

Đào toàn gương, tiến 3m Nói chung không yêu cầu gia cố, đôi chỗ neo cục bộ

Loại II

Đào toàn gương, tiến 1-1,5m. Gia cố hoàn toàn cách gương 20m

Neo cục bộ ở vòm hầm, neo dài 3m, bước 2,5m, cục bộ có lưới thép

Dầy 50mmở vòm khicó yêu cầu

-

Loại III

Đào trước vòm hầm 1,5 -3m, sau đó đào phần dưới.Gia cố sau mỗi lần nổ mìn. Gia cố hoàn toàn cách gương 10m

Neo hệ thống dài 4m có bước 1,5-2m ở vòm và tường. Tại vòm có lưới thép

Dầy 50-100

mm ở vòmvà 30mm ởtường

-

Loại IV

Đào trước vòm hầm 1,0-1,5m, sau đó đào phần dưới. Gia cố đồng thời với công tác đào. Gia cố hoàn toàn cách gương 10 m

Neo hệ thống dài 4-5m ở vòm và tường

có lưới thép

100-150 mm

ở vòm và100

mm ở tường

Chống vì thép nhẹđến trung bình khicó yêu cầu

Loại V

Đào phân mảnh, vòm hầm tiến trước 0,5 -1,0

m. Gia cố đồng thời với công tác đào. Phun vữa bê tông ngay sau khi nổ mìn

Neo hệ thống dài 5-6m, bước 1-1,5m ở vòm và tường

Với lưới thép.

Có neo ngược ở đáy hầm

Dầy 100-150mm ởvòm và100mm ởvách

Dựng vì thép trungbình và nặng cóbước 0,75m với tấmthép chắn. Neo vượttrước nếu yêu cầu.Neo ngược dầy đáyhầm

4.3. Phương pháp đánh giá theo chỉ số chất lượng Q (Barton)

Dựa trên cơ sở một số lượng lớn các công trình khai đào ngầm trong lịch sử, Barton (1974) đã đề xuất chỉ số chất lượng đường hầm Q cho việc quyết định đặc thù của khối đá và yêu cầu chống giữ hầm.

Giá trị bằng số của Q thay đổi dựa trên tỉ lệ logarit từ 0.001 tới cực đại là 1000 và được định nghĩa như sau:

SRFJ

JJ

JRQDQ w

a

r

n

××=

Trong đó: RQD/Jn đặc trưng cho kích thước các khối nứt;

10

Jr/Ja đặc trưng cho độ bền cắt hay trượt giữa các khối khe nứt;

Jw/SRF đặc trưng cho ứng suất hữu hiệu tác dụng vào khối đá.

Các giá trị Jn, Jr, Ja, Jw, SRF là các đại lượng phụ thuộc vào số hệ khe nứt, độ nhám bề mặt khe nứt, mức độ phong hóa bề mặt khe nứt, ảnh hưởng của nước ngầm và trị số suy giảm ứng suất.

Các giá trị này được xác định tại các bảng tương ứng 8, 9, 10, 11, 12.

Bảng 8: CHỈ SỐ Jn VỀ SỐ LƯỢNG CÁC HỆ KHE NỨT TRONG KHỐI ĐÁ

Số lượng hệ khe nứt Jn

a. Không có hoặc rất ít khe nứt 0.5-1.0

b. Một hệ khe nứt 2

c. Một hệ khe nứt với vài khe nứt lộn xộn 3

d. Hai hệ khe nứt 4

e. Hai hệ khe nứt với vài khe nứt lộn xộn 6

f. Ba hệ khe nứt 9

g. Ba hệ khe nứt với vài khe nứt lộn xộn 12

h. Bốn hệ khe nứt hoặc nhiều hơn, có các khe nứt tự do nứt nẻ mạnh, dạng cục 15

i. Đá phong hoá hoàn toàn, đất 20

Bảng 9: CHỈ SỐ Ja XÉT TỚI MỨC ĐỘ PHONG HÓA BỀ MẶT CÁC KHE NỨT

Chỉ số mức độ lấp nhét của khe nứt Ja

a. Dính kết với tường khe nứt

A. Gắn chặt, cứng, chất lấp nhét không thấm nước, không hoá mềm 0.75

B. Tường khe nứt không bị biến đổi, chỉ bề mặt khe nứt bị biến màu do oxit sắt 1.0

C. Tường khe nứt bị biến đổi nhẹ, có KV không bị mềm hoá bao phủ, khe nứt lấp nhét cát, ...... 2.0

D. Màng á sét hoặc á cát, sét không bị mềm hoá. 3.0

E.

Bề mặt phủ lớp mỏng khoáng vật sét hoá mềm hoặc một ít sét trương nở khe nứt rộng không quá 2mm, 4.0

b. Dính kết với tường khe nứt trước đới cắt 10cm

11

Chỉ số mức độ lấp nhét của khe nứt Ja

F. Các hạt cát, đá vụn nát thành sét. 4.00

G.

Chất lấp đầy là khoáng vật sét cứng, quá cố kết, không bị hoá mềm (khe nứt liên tục và chiều dày nhỏ hơn 5mm) 6.00

H.

Chất lấp đầy là khoáng vật sét mềm, cố kết trung bình, bị hoá mềm (khe nứt liên tục và nhỏ hơn 5mm). 8.00

J.

Chất lấp đầy là sét trương nở. Giá trị Ja phụ thuộc vào thành phần sét trương nở và kiểu tiếp xúc với nước. 8.0-12.0

c. Không dính kết với tường khe nứt khi cắt K.

Đới hoặc dải đá bị phá huỷ hay vò nhàu, sét cứng, quá cố kết (khe nứt nhỏ hơn 5mm)

6.00

L.

Đới hoặc dải đá bị phá huỷ hay vò nhàu, sét mềm, cố kết trung bình (khe nứt nhỏ hơn 5mm).

8.00

M. Đới hoặc dải đá bị phá huỷ hay vò nhàu, sét trương nở (khe nứt nhỏ hơn 5mm).

8-12.0

N. Đới hoặc dải đá bụi, sét pha, sét phủ một phần khá cứng chắc 5.00 O. Đới hoặc dải đá bụi, sét pha, sét phủ một phần khá cứng chắc 10.0-13 P.R (Xem G, H, J cho điều kiện sét). 6.0-24.0

Bảng 10: CHỈ SỐ Jr VỀ ẢNH HƯỞNG ĐỘ NHÁM CÁC BỀ MẶT KHE NỨT

Chỉ số mức độ gồ ghề bề mặt khe nứt Jr

a. Dính kết với tường khe nứt trước đới cắt 10cm A. Khe nứt không liên tục 4.0 B. Gồ ghề không đều, lợn sóng 3.0 C. Lợn sóng đều 2.0 D. Lợn sóng tại mặt nghiêng (mặt trượt) 1.5 E. Gồ ghề không đều, phẳng 1.5 F. Lợn sóng đều, phẳng 1.0 G. Mặt trượt, phẳng 0.5 b. Không dính kết với tường khe nứt khi cắt H. Khu vực có chứa khoáng vật sét với chiều dày đủ lớn để ngăn chặn tiếp xúc giữa khe nứt và tường 1.0

J. Khu vực có chứa khoáng vật cát sỏi với chiều dày đủ lớn để ngăn chặn tiếp xúc giữa khe nứt và tường 1.0

12

Bảng 11: CHỈ SỐ Jw XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC NGẦM

5. Chỉ tiêu mô tả đặc tính biến đổi nước trong khe nứt "Jw" Áp lực n.ngầm kG/cm2

Jw

A Trạng thái khô ráo hoặc lưu lượng nước ngầm hạn chế; lưu lượng nước ngầm nhỏ hơn 5 lít/phút tại một vài vị trí < 1 1.00

B Lưu lượng nước ngầm hoặc áp lực nước ngầm trung bình; đôi khi xảy ra hiện tượng rửa trôi khoáng vật lấp nhét khe nứt

1÷2,5 0.66

C Lưu lượng nước ngầm hoặc áp lực nước ngầm lớn trong một khối đá đủ lớn với các khe nứt không có chất lấp nhét. 2,5÷10 0.50

D Lưu lượng nước ngầm hoặc áp lực nước ngầm lớn; hay xảy ra hiện tượng rửa trôi khoáng vật lấp nhét khe nứt 2,5÷10 0.33

E Lưu lượng nước ngầm hoặc áp lực nước ngầm đặc biệt lớn xuất hiện tiếp theo sau công tác khoan nổ mìn và hiện tượng sụt lở của đất đá theo thời gian

>10 0,2÷0,1

F Lưu lượng nước ngầm hoặc áp lực nước ngầm đặc biệt lớn tiếp tục xuất hiện mà không có hiện tượng sụt lở đất đá rõ rệt

>10 0,1÷ 0,05

Bảng 12: CHỈ SỐ SRF TÍNH ĐẾN SỰ SUY GIẢM ỨNG SUẤT

6 Chỉ tiêu mô tả trang thái ứng suất SRF

a. Công trình ngầm phải đào qua vùng đá yếu; vùng này có thể là nguyên nhân gây ra sụt lở khối đá khi thi công công trình ngầm

A Các vùng đá yếu có thể xảy ra các hiện tượng phức tạp bao gồm sét hoặc đá bị phân rã hoá học tại độ sâu bất kỳ 10

B Các vùng đá yếu thường bao gồm đá sét hoặc đá bị phân rã hoá học tại độ sâu ≤50m 5

C Các vùng đá yếu thường bao gồm đá sét hoặc đá bị phân rã hoá học tại độ sâu >50m 2.5

D Các vùng đá trượt, dịch chuyển phức tạp trong khối đá khá tốt (có sét tự do); sụt lở trong vùng đá bao quanh tại độ sâu bất kỳ 7.5

E Các vùng đá trượt, dịch chuyển phức tạp trong khối đá khá tốt (sét tự do); sụt lở trong vùng đá bao quanh tại độ sâu ≤50m 5.0

13

6 Chỉ tiêu mô tả trang thái ứng suất SRF

F Các vùng đá trượt, dịch chuyển phức tạp trong khối đá khá tốt (sét tự do); sụt lở trong vùng đá bao quanh tại độ sâu >50m 2.5

G Các khe nứt mở rộng (liên kết kém); nứt nẻ rất mạnh hoặc đá có dạng " các cục đường" hình khối lập phương tại độ sâu bất kỳ. 5.0

Chú ý : Cần giảm giá trị chỉ tiêu SRF xuống 25%÷50% nếu các vùng trượt thích hợp chỉ gây ra các ảnh hưởng mà không cắt chéo hướng đào công trình ngầm

b. Khối đá khá tốt, các vấn đề liên quan đến trường ứng suất khối đá Rn/σ1

Rnd/Rn

SRF

H Trường ứng suất thấp; gần mặt đất; các khe nứt mở >200 <0,01 2.5

J Trường suất trung bình; các điều kiện ứng suất khá tốt 200÷10 0,01÷

0,3 1.0

Dựa chỉ số chất lượng Q, các khối đá được xếp vào 9 nhóm theo bảng 13 sau:

Bảng 13: PHÂN LOẠI CHẤT LƯỢNG KHỐI ĐÁ THEO CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG Q

Chỉ số chất lượng Q Cấp ổn định cho khối đá Đặc điểm ổn định của khối đá

>400 I Cực kỳ tốt

100÷400 II Đặc biệt tốt

40÷100 III Rất tốt

10÷40 IV Tốt

4÷10 V Trung bình

1÷4 VI Yếu

0,1÷1 VII Rất yếu

0,01÷0,1 VIII Đặc biệt yếu

0,001÷0,01 IX Cực kỳ yếu

Để kết hợp chỉ tiêu chất lượng khối đá Q với lựa chọn nhu cầu chống giữ khi thi công công trình ngầm, Barton đã đề xuất thêm một chỉ tiêu gọi là “Kích cỡ đào tương đương” “Dc” và đưa ra kiến nghị gia cố hầm dựa trên chỉ số chất lượng Q và kích thước đào tương đương “Dc” tại hình 2 và bảng 15.

14

Trong đó:

Bảng

Loại

A Các c

B Các cnước

C Các đđường

D Các đngang

E Các nngầm

Hình

Dc=

Chỉ số chống giữ CT ngầm ESR

Chỉ số chống giữ công trình ngầm ESR được tra tại bảng 14

14: BẢNG TRA CHỈ SỐ ESR THEO DẠNG CÔNG TRÌNH

Đặc tính chủng loại công trình ngầm Chỉ số ESR

ông trình tạm thời trong mỏ khai thác lộ thiên 3÷5

ông trình cố định trong mỏ lộ thiên; các đường hầm dẫn (đường hầm thủy công) không áp 1.6

ường hầm giao thông đường bộ có mặt cắt ngang nhỏ; các hầm đường sắt; cửa vào của các đường hầm 1.3

ường hầm giao thông đường bộ và đường sắt có mặt cắt lớn; nhà máy thuỷ điện 1.0

hà máy điện hạt nhân xây dựng ngầm; hệ thống ga đường sắt ; các công trình công cộng, văn hoá, thể thao; nhà máy ngầm 0.8

2: Kiến nghị biện pháp gia cố hầm dựa trên chất lượng chỉ số Q

Khẩu độ, đường kính hay chiều cao

15

Bảng 15: KIẾN NGHỊ GIA CỐ HẦM THEO CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG Q (N.Barton)

Vùng Mô tả

1 Không phải chống giữ

2 Phải chống giữ bằng vì neo cục bộ, sb

3 Phải chống giữ bằng vì neo, B

4 Phải chống giữ bằng vì neo(và bê tông phun bình thường 4–10cm), B(+S)

5 Phải chống giữ bằng hệ thống “vì neo+ bê tông phun+ lưới thép” Fsr +B

6 Phải chống giữ bằng hệ thống “vì neo+ Bê tông phun + lưới thép” tăng cường, chiều dày bê tông phun bằng 9 – 12 cm, Sfr+B

7 Phải chống giữ bằng hệ thống “vì neo+ Bê tông phun + lưới thép” tăng cường, chiều dày bê tông phun bằng 12 – 15 cm, Sfr+B

8 Phải chống giữ bằng hệ thống “vì neo+ Bê tông phun + lưới thép” tăng cường, chiều dày bê tông phun bằng >15 cm. Bê tông phun lưới thép có tạo thành gân, gờ và vì neo, Sfr, RRS+B

9 Phải chống giữ bằng bê tông liên khối thông thường, CCA

Khi xem xét mối quan hệ giữa hai phương pháp phân loại RMR và chỉ số chất lượng Q ở nhiều công trình khác nhau, các nhà địa cơ học nhận thấy rằng hai chỉ tiêu khối đá RMR và Q hoàn toàn không giống nhau.

Vì vậy, khi thiết kế công trình ngầm trong những điều kiện cụ thể, người thiết kế cần phải có những nghiên cứu bổ sung nhằm chính xác hóa phương pháp xác định chỉ tiêu chất lượng của khối đá RMR và Q., xem bảng 16.

Bảng 16: MỐI QUAN HỆ GIỮA HAI HỆ SỐ Q & RMR

Mối quan hệ toán học thực nghiệm Điều kiện sử dụng

RMR=13,5.logQ+43

RMR=9.lnQ+44

RMR=12,5.logQ+55,2

Đường hầm xây dựng

RMR=10,5.lnQ+41,8 Đường hầm mỏ, đá mềm

RMR=12,11.logQ+50,81 Đường hầm mỏ, đá cứng

RMR=8,7.lnQ+38 Đường hầm xây dựng, đá trầm tích

RMR=10.lnQ+39 Đường hầm mỏ, đá cứng

16

Tổng hợp các phương pháp có thể xác lập quan hệ giữa các chỉ số chất lượng khối đá Q, RMR như bảng 17.

Bảng 17: SO SÁNH CHỈ SỐ KHỐI ĐÁ GIỮA HỆ THỐNG PHÂN LOẠI Q & RMR

Loại đá Chất lượng đá Hệ thống Q Hệ thống RMR

I Rất tốt (very good) > 40 81 -100

II Tốt (Good) 10 - 40 61 – 80

III Trung bình (fair) 4 – 10 41 – 60

IV Xấu (poor) 1 – 4 21 – 40

V Rất xấu (very poor) < 1 ≤ 20

17