2. Bê tông trong xây dựng công trình ngầm
Xây dựng công trình ngầm là một lĩnh vực đặc biệt có sử dụng rộng rãi bê tông và các biến thể của nó. Để sử dụng không gian phía trong công trình ngầm một cách an toàn và hiệu quả thì cần thiết phải có các biện pháp gia cố, hạn chế sự dịch chuyển và biến dạng cũng như các hiện tượng bất lợi của đất đá xung quanh vào khoảng sử dụng bên trong công trình ngầm. Kết cấu gia cố, bảo vệ bằng bê tông và bê tông cốt thép cũng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình ngầm và mỏ.
Trong những năm 60 của thế kỷ 20, bê tông được sử dụng rất hạn chế trong xây dựng công trình ngầm bởi 2 nguyên nhân cơ bản: thời gian rắn chắc của bê tông quá dài 28 ngày trong điều kiện bình thường, không bắt kịp với đặc tính xuất hiện và tác dụng của áp lực đất đá dưới ngầm; quá trình thi công bê tông quá phức tạp ở các khâu nhào trộn, đổ khuôn và đầm chắc, cấu tạo ván khuôn lắp ghép cồng kềnhkhông phù hợp với điều kiện xây dựng công trình ngầm. Nhưng ngày nay nhờ có những tiến bộ của công nghiệp chế tạo vật liệu xây dựng, công nghiệp chế tạo máy thi công và nhờ các chất phụ gia chúng ta có thể dễ dàng điều chỉnh thời gian đông cứng cũng như mọt loạt các tính chất khác của bê tông cho phù hợp với điều kiện sử dụng, cũng như có thể cơ giới hoá toàn bộ quá trình thi công bê tông trong xây dựng công trình ngầm, đặc biệt là sử dụng các ván khuôn di động [ván khuôn trượt]. Bởi vậy, bê tông ngày càng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình ngầm.
Trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm và mỏ, vỏ bê tông và bê tông cốt thép được sử dụng ở các dạng sau: vỏ chống bê tông và bê tông cốt thép liền khối và lắp ghép, bê tông phun, neo bê tông cốt thép và các dạng kết hợp của chúng.
Vỏ chống bằng bê tông được dùng để chống các công trình ngầm có tuổi thọ lớn, chịu áp lực đất đá tác động lớn, không chịu ảnh hưởng của công tác khai thác như các đường lò, hầm trạm, sân giếng các đường lò xuyên vỉa chính, các tuy nen giao thông. Riêng vỏ chống bằng bê tông cốt thép liền khối được dùng để chống những đường lò cơ bản quan trọng trong các mỏ than hầm lò, các đường hầm giao thông thuỷ lợi, hoặc các công trình ngầm có tuổi thọ lớn và chịu tác động của các lực lớn phân bố không đều, hoặc tác dụng không đối xứng. Đây là những vỏ chống có tính liền khối lớn, có khả năng cách nước cao, khả năng chịu lực rất lớn, có thể sử dụng trong những điều kiện khác nhau với nhiều dạng độ bền khác nhau.
Cốt thép cho các vỏ bê tông liền khối có thể là cốt cứng hay cốt mềm. Cốt mềm là các thanh thép có đường kính từ 6 đến 40 mm, với hàm lượng được xác định theo tính toán chuyên môn, được đặt vào để tăng cường khả năng chịu lực của toàn bộ kết cấu. Cốt thép thường được đặt vào miền chịu kéo để tăng cường khả năng chịu kéo của bê tông, nhưng cốt thép cũng được đặt vào miền chịu nén để tăng cường khả năng chịu nén của kết cấu, là giảm kích thước mặt cắt ngang của kết cấu...
Cốt cứng thường là các kết cấu chống tạm bằng thép hoặc các đà giáo phục vụ thi công không được tháo ra mà để lại trong ván khuôn để làm cốt cứng. Việc sử dụng cốt cứng là bần cùng, bất đắc dĩ, bởi vì nó không hợp lý cả về mặt kinh tế lẫn kỹ thuật: cốt cứng không phải khi nào cũng đặt vào đúng vị trí cần thiết, khối lượng cốt cứng là một đại lượng cố định có sẵn mà không được xác định thông qua tính toán.
Khi xây dựng công trình ngầm trong những vùng đất đá mềm yếu, cát chảy... thì áp lực đất đá phát sinh và phát triển rất nhanh ngay sau khi đào, đòi hỏi các vỏ chống bằng bê tông cốt thép phải có khả năng chịu lực ngay sau khi thi công lắp ghép. Trong những trường hợp ấy người ta sử dụng các vỏ chống bằng bê tông cốt thép lắp ghép [đúc sẵn].
Vỏ chống bằng bê tông, bê tông cốt thép lắp ghép là những vỏ chống mà các bộ phận, cấu kiện hay chi tiết của chúng được chế tạo tại các nhà máy, xí nghiệp bê tông ở dạng khối lớn, tấm tubing, thanh, ống, tấm... và được vận chuyển vào trong công trình ngầm để lắp ráp lại thành một vỏ chống hoàn chỉnh.
Vỏ chống lắp ghép đã khắc phục được những nhược điểm của vỏ bê tông, bê tông cốt thép liền khối. Chúng có thể chịu áp lực đất đá xung quanh công trình ngầm ngay sau khi lắp dựng. Các cấu kiện của chúng được chế tạo, gia công và dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn, nên có khả năng đạt cường độ cao; đặc biệt là có điều kiện áp dụng bê tông cốt thép ứng suất trước, nên rất tiết kiệm vật liệu.
Trong thực tế có nhiều loại kết cấu lắp ghép khác nhau, dạng vòng lắp ghép tựa trực tiếp hoặc không có liên kết. Dạng không có liên kết, tuy kết cấu đơn giản nhưng khi tải trọng tác dụng không đối xứng thì sẽ gây biến hình trong kết cấu. Dạng này chỉ được áp dụng trong điều kiện tải trọng phân bố có tính đối xứng, trong trường hợp này do có biến dạng rất nhỏ nên khả năng tự ổn định của kết cấu cao. Trong trường hợp mô men gây uốn lớn, nội lực tác dụng lớn nên chiều dầy của kết cấu tương đối lớn. Mặc dù có chuyển vị xoay đôi chút nhưng mặt tựa của kết cấu vẫn đủ lớn nên vẫn đảm bảo khả năng làm việc chung của kết cấu, nên trong thực tế người ta thường sử dụng các kết cấu lắp ghép dạng khối. Kết cấu lắp ghép thường được áp dụng trong những điều kiện ở môi trường ít nước, lượng nước chảy vào công trình nhỏ và công trình thường không có hạn chế độ ẩm.
Nhược điểm cơ bản của các vỏ chống lắp ghép là trọng lượng của các cấu kiện lắp ghép tương đối lớn, cần phải cơ giới hoá khâu vận chuyển và lắp ghép. Hiện nay người ta thường sử dụng các vỏ chống bê tông khối lớn, các vỏ tubing cốt thép và các vỏ chống bê tông cốt thép lắp ghép khác để chống các công trình ngầm và mỏ.
Ngoài kết cấu dạng vỏ lắp ghép người ta còn có kết cấu dạng khung bê tông cốt thép đúc sẵn lắp ghép. Hình dạng của các khung lắp ghép thường là các thanh bê tông cốt thép chữ T để tận dụng khả năng chịu lực của kết cấu.
Các vỏ chống bê tông cốt thép đúc sẵn được áp dụng tương đối rộng rãi, được thiết kế rất đa dạng. Các cấu kiện của chúng có thể có dạng ống, dạng tấm, dạng thanh với hình dạng mặt cắt ngang khác nhau. Các cấu kiện này có thể là thẳng, có thể là cong với liên kết giữa các cấu kiện cũng rất đa dạng: có thể là liên kết tựa, liên kết khớp hoặc liên kết bu lông để tạo nên các kết cấu chống giữ dạng khung hoặc dạng vòm, dạng vỏ.
Kết cấu chống bê tông phun
Như chúng ta đã biết, trong nhiều trường hợp công trình ngầm được xây dựng trong vùng đất đá kiên cố và ổn định, việc xây dựng các vỏ chống cố định bằng bê tông liền khối với chiều dày 200 300 mm như thường thấy là không hợp lý. Trong các trường hợp này, công dụng chính của vỏ chống chỉ là giữ cho đất đá xung quanh khỏi bị phong hoá và ngăn các cục đá nhỏ khỏi rơi vào khoảng trống bên trong công trình ngầm. Để chống giữ trong điều kiện kể trên, người ta thường dùng bê tông phun. Bê tông phun hay còn gọi là bê tông không ván khuôn là loại bê tông được thi công bằng cách dùng năng lượng của dòng khí nén để phun lên bề mặt đất đá cần gia cố. Khi bay đến bề mặt cần gia cố, một phần vữa xi măng sẽ chui vào các kẽ nứt đất đá, chèn lấp các khe nứt đồng thời bao phủ, liên kết các đất đá nứt nẻ, phân lớp với nhau tạo nên một vỏ chống hỗn hợp bao gồm có bê tông và đất đá cùng chịu lực.
Vỏ bê tông phun với chiều dày mỏng có thể đóng vai trò làm vỏ chống tạm, chống phong hoá, hạn chế biến dạng. Nếu được phun dày thì vỏ chống sẽ có khả năng chịu lực lớn và đóng vai trò làm vỏ chống cố định. Vỏ chống bê tông phun có những ưu điểm sau đây:
+ Làm kết cấu chống tạm có hiệu quả cao hơn kết cấu khác do có khả năng chèn lấp các vết nứt trong đất đá, bảo vệ mặt lộ đất đá. Quá trình rắn chắc từ từ của bê tông phun tương thích với đặc tính xuất hiện và tác dụng của áp lực đất đá nên vỏ bê tông phun mang đặc tính của một vỏ chông linh hoạt.
+ Nhờ áp lực vữa phun, một phần vữa xi măng có khả năng chui vào các kẽ nứt đất đá, bịt kín đất đá nên tạo được một lớp vỏ chống nhân tạo xung quanh biên công trình ngầm.
+ Tạo được bề mặt nhẵn, do đó giảm tổn thất khí động học trong khi thông gió cho đường hầm, cũng như sự tập trung ứng suất tại những nơi gồ ghề.
+ Có khả năng cơ giới hoá, năng suất phun lớn, không cần ván khuôn.
Để tăng hiệu quả của công tác chống giữ, người ta còn sử dụng kết hợp bê tông phun và lưới thép hoặc bê tông phun có sợi thép, sợi thuỷ tinh hữu cơ... Việc có thêm lưới thép sẽ giảm được tính mất ổn định của đất đá xung quanh vào khoảng trống công trình ngầm. Không những vậy, có thêm cốt thép thì tính chịu kéo của bê tông cũng được tăng thêm, hạn chế được tính nứt nẻ trong bê tông làm cho vỏ chống có tính ổn định cao hơn.
Neo bê tông cốt thép
Neo bê tông cốt thép được chế tạo bằng cách lấp đầy bê tông vào trong lỗ khoan với cốt thép được đặt trước hoặc sau khi cho bê tông vào. Đầu thanh cốt thép nhô vào trong công trình ngầm một đoạn nào đó dùng để treo gá tấm đệm hay tấm đỡ và thường tiện ren để bắt bu lông. Đường kính lỗ khoan thường lấy 36 42 mm. Khi dùng cốt thép xoắn, đường kính cốt là 12 20 mm, còn khi dùng cốt tròn trơn đường kính cốt là 14 22 mm. Đôi khi người ta dùng 2 4 rãnh cáp hoặc các đoạn cáp trục cũ đã được chải sạch dầu mỡ làm cốt thép. Bê tông thường có mác 300 400 và không có cốt liệu lớn. Kết cấu neo bê tông cốt thép chỉ làm việc được khi bê tông đã có đủ độ bền cần thiết cho nên cần dùng các phụ gia đông cứng nhanh khi trộn bê tông. Hình vẽ ví dụ kết cấu neo BTCT
Trên cơ sở kết cấu neo bê tông cốt thép truyền thống người ta đã thiết kế ra nhiều kiểu cốt neo khác nhau: neo cốt cáp, neo cốt ống, mở ra một lĩnh vực sử dụng mới rộng rãi hơn cho các vì neo.
3. Kết luận
Có thể nói bê tông và bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng của thời đại. Ở vật liệu này hội đủ các ưu điểm cần thiết: độ bền cao, khả năng chống thấm tốt, chống cháy tốt... và được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực xây dựng, đặc biệt là các lĩnh vực xây dựng công trình ngầm và mỏ. Chính trong quá trình sử dụng, người ta càng tìm ra các biện phápđể hoàn thiện các tính chất của bê tông làm cho lĩnh vực áp dụng của bê tông ngày càng rộng rãi hơn, đa dạng hơn và khối lượng sử dụng ngày càng lớn hơn.
Nguồn: TC Xây dựng, số 11/2008