Cần hạn chế bố trí vì neo những vị trí mặt lộ của khối đá
1. Đặt vấn đề.
Vì neo là một loại kết cấu đang được dùng rộng rãi để gia cường mặt lộ của khối đá, đặc biệt là mặt lộ của khối đá hình thành sau khi đào công trình ngầm và bờ dốc [1], [2] &[3]. Trong thực tế, quá trình thi công vì neo lại thường phải qua bước tạo lỗ, làm giảm liên kết của khối đá; và ngẫu nhiên, nếu gặp vị trí khối đá có trường ứng suất bất lợi, có thể chính quá trình này lại gây sự cố vỡ lở đá tại đây.
Tuy nhiên, những nghiên cứu về vì neo hiện nay, nói chung đều chưa vạch ra những hạn chế của chúng, do đặc điểm thi công và khả năng bố trí chúng trong khối đá. Cơ sở chọn vị trí và tư thế công tác của hệ thống các vì neo, cũng như thứ tự thi công chúng vẫn chưa rõ ràng. Các thông số này vẫn chỉ được quyết định bởi kinh nghiệm là những kết quả thống kê chưa rõ nguyên nhân, xoay quanh mức định tính về phương vị và mức bình quân về mật độ theo từng nhóm vì neo của từng phần mặt lộ của khối đá; bất kể chính tác động của hầu hết các quá trình thi công vì neo, vừa tiếp tục thay đổi tính lien tục của khối đá, vừa tiếp tục gây ra sự tập trung ứng suất tại đây. Thậm chí một số quá trình thi công vì neo có thể trùng hợp với quá trình gây quá tải cục bộ cho chính các phần tử đá xung quanh phần mặt lộ có các vì neo đó xuyên qua. Riêng các trường hợp đó, công nghệ thi công vì neo hoặc là phải dùng các kết cấu gia cường hỗ trợ sẽ dẫn tới sự lãng phí, hoặc là phải có một quy trình riêng, có giám sát, làm giảm tốc độ thi công chung, hoặc là mạo hiểm theo quy trình chung, có thể dẫn tới sự mất an toàn.
Để quá trình thi công lắp đặt vì neo đỡ lãng phí, đỡ mạo hiểm, đặc biệt là tránh được những sự cố mất an toàn đáng tiếc, dưới đây chúng ta tìm hiểu những vị trí mặt lộ của khối đá cần hạn chế bố trí vì neo, hoặc muốn bố trí vì neo cần có công nghệ riêng để thi công lắp đặt được an toàn.
2. Những nghiên cứu cơ bản:
Khi sử dụng vì neo gia cường khối đá, chúng ta mong muốn khối đá có vì neo anchored rock tương đương như khối bê tông có cốt armatured concrete. Tuy nhiên vì neo ở đây đều mang đặc tính cốt đặt vào khối đá đang chịu tải, bằng cách thay thế một lượng đá trong đó bao gồm cả vì neo đặt trong lỗ khoan taọ trước và vì neo vít; mà khả năng bố trí chúng lại phụ thuộc vào đặc tính hình học của mặt lộ, đặc tính cấu trúc và tính chất cư lý của khối đá, cùng với đặc tính trục thẳng của vì neo, cho nên hệ thống neo ở đây vừa có những điểm giống, vừa có những điểm khác hệ thống cốt cứng và mềm trong bê tông có cốt. Vì neo ở đây cũng có nhiệm vụ chia sẻ phần lớn các ứng suất có khả năng phá hoại khối đá, nhưng thường không được bố trí dọc theo các thớ công tác quan trọng thớ chịu kéo, thớ chịu nén, thớ chịu cắt của khối đá trong trường ứng suất phức tạp vừa chịu uốn với biểu đồ mô men đổi dấu, vừa chịu nén dọc và vừa chịu cắt ngang và chủ yếu là làm việc độc lập với nhau...
Trong thực tế, vì neo thường được bố trí vào khối đá để tăng cường liên kết chống trượt và chống tách các thớ lớp công tác quan trọng của khối đá với nhau, theo nguyên lý khâu, treo và ngăn cản phá hoại cục bộ các phần tử đá làm việc chung với chúng, nghĩa là chúng thường có vai trò tương đương với các cốt đai và các cốt xiên trong bê tông có cốt.
Từ đặc điểm vì neo tương đương với cốt đai và cốt xiên đặt vào khối đá [4] đang chịu tải bằng cách thay thế một lượng đá trong đó, cho nên cần hạn chế bố trí chúng vào những vị trí khối đá đang phát triển những ứng suất bất lợi, để quá trình tạo lỗ đặt vì neo không có thể dẫn tới sự tập trung ứng suất gây vỡ lở khối đá.
2.1. Nguyên tắc chung:
2.1.1. Khi đá có độ bền không lớn, nhưng ít nứt nẻ hoặc phân lớp dày trung bình:
Nếu chưa có sự gia cường sơ bộ đường biên khối đá bằng bê tông phun, bằng các cấu kiện cắt lắp ghép theo mặt lộ, bằng các trụ chống, các văng chống..., để tránh gây ra những sự cố bất thường cho khối đá, không nên bố trí vì neo vuông góc với đường biên khối đá tại những điểm có nội lực mômen cực trị tiếp tuyến của biểu đồ mômen tại đây nằm song song với tiếp tuyến của đường biên khối đá tại đây và những điểm có nội lực mômen bằng không nằm xen giữa 2 phần đường biên khối đá có biểu đồ nội lực mômen trái dấu nhau; nhất là khi nội lực mômen cực trị gây căng thớ biên. Bởi vì trong các trường hợp đó, các mặt phẳng vừa song song với trục dọc công trình, vừa vuông góc với mặt lộ khối đá tại điểm này, chính là các mặt phẳng chịu các trạng thái ứng suất nguy hiểm. Thế mà quá trình thi công vì neo, đặc biệt là công đoạn khoan lỗ neo tại các vị trí này, cũng chính là quá trình làm giảm lượng vật chất và tính liên kết trong các mặt phẳng đó của khối đá.
Thêm vào đó, đá nói chung đều là vật liệu chịu kéo và chịu cắt không tốt, cho nên cần đặc biệt tránh bố trí vì neo vuông góc với đường biên khối đá tại những điểm có nội lực mômen cực trị gây căng thớ trong. Bởi vì, mọi hoạt động phá vỡ tính liên kết của đá tại đây, đặc biệt là công đoạn khoan lỗ neo xuyên qua mặt lộ tự do của đá tại đây đều làm tăng đáng kể ứng suất kéo σk thực tế trong mặt phẳng chính qua đây, thậm chí có thể làm cho vòng tròn Mo ứng suất mới của phân tố đá tại đây trở thành cắt qua đường đặc tính bền giới hạn của chính đá đó.
2.1.2. Khi đá rắn nứt nẻ nhiều:
Nếu chưa có sự gia cường sơ bộ cho đường biên khối đá, để tranh gây ra những sự cố bất thường cho khối đá, cùng với yêu cầu hạn chế bố trí neo tại những vị trí đã nêu trong mục 2.1.1; trong trường hợp này, vì đá dòn, cho nên còn cần tránh bố trí neo cả ở những vị trí gần các khe nứt lớn, đặc biệt là ở những vị trí áp sát các mặt phân lớp, các khe nứt rộng cũng như xuyên qua các mảng đá mỏng.
2.2. Biện luận sơ bộ:
2.2.1. Khi mặt lộ khối đá chưa được gia cường sơ bộ, trong số những vi trí hạn chế bố trí vì neo, cần chú ý trước hết là khi đào hầm lò: không bố trí vì neo nằm trong các trục đối xứng nếu mặt cắt ngang hầm lò có mặt cắt ngang đối xứng và chịu tải đối xứng qua các trục đối xứng đó.
Với các hầm lò bằng và nghiêng hình thang, hình vòm...chỉ đối xứng và chịu tại đối xứng qua mặt phẳng thẳng đứng chứa trục hầm lò, không nên bố trí vì neo trong mặt phẳng thẳng đứng đó không nên bố trí vì neo tại vị trí giữa nóc
Với các hầm lò bằng và nghiêng hình tròn, hình elip...đối xứng và chịu tải đối xứng qua mặt phẳng thẳng đứng chứa trục dọc hầm lò và mặt phẳng nghiêng vừa vuông góc với mặt phẳng nghiêng vừa vuông góc với mặt phẳng thẳng đứng nói trên, vừa chứa trục dọc hầm lò, không nên bố trí vì neo trong các mặt phẳng đối xứng thẳng đứng và nằm nghiêng đó.
Với các giếng đứng hình tròn chịu tải đối xứng toả tròn, không nên bố trí vì neo trong các mặt phẳng thẳng đứng xuyên tâm.
2.2.2. Muốn vì neo làm việc có hiệu quả tại những phần mặt lộ có nội lực mô men căng thớ trong, có thể dựa vào biểu đồ nội lực mô men để gia cường khối đá bằng vì neo kết hợp với 1 hoặc 1 số kết cấu khác, bắt đầu từ bước kết hợp các vì neo ở các vị trí mặt lộ an toàn với các kết cấu lắp ghép hỗ trợ nào đó dầm đỡ, tấm chắn, lưới chắn... cũng như với kết cấu bê tông phun, rồi mới tiến đến bước bổ sung các vì neo ở các vị trí mặt lộ tuy ban đầu có nội lực mô men căng thớ trong, nhưng đã được gia cường sơ bộ bởi các vì neo lân cận và các kết cấu lắp ghép hỗ trợ vừa thi công.
2.2.3. Khi muốn thi công lắp đặt vì neo tại những vị trí mặt lộ nguy hiểm, tuy không có kết cấu gia cường khác cùng làm việc, nhưng cho phép dùng kết cấu gia cường tạm thời, trước tiên cần thực hiện bước gia cường tạm thời cho đá tại đay. Biện pháp đơn giản nhất trong trường hợp này là sử dụng các kích, các cột đôi và các văng tạm thời để duy trì trạng thái ổn định, thậm chí tạo dự ứng lực cho đá trênmặt lộ tại đây trong suốt thời gian thi công.
Hơn nữa, các vì neo này chỉ nên thiết kế làm việc theo nguyên lý treo, nghĩa là phải có phần mũi vì neo bầu vì neo bám chặt vào vùng đá nguyên khối ổn định lâu dài. Thực tế, biện pháp này thường phức tạp và cản trở các công việc khác, đồng thời gây tốn kém không khác gì sử dụng vì neo kết hợp với các kết cấu lắp ghép hỗ trợ, nhưng vẫn không đem lại hiệu quả kỹ thuật đáng kể; cho nên tốt nhất là hạn chế bố trí các vì neo độc lập tại các vị trí mặt lộ nguy hiểm.
2.2.4. Khi trường ứng suất thực tế với các ứng suất cực trị không nguy hiểm, để hạn chế tác hại của quá trình thi công vì neo đến trường ứng suất trong khối đá, có thể thực hiện quy trình thi công vì neo lấn dần rồi thôn tính nghĩa là thực hiện thi công các vì neo an toàn nằm xa các vị trí có các ứng suất cực trị, rồi sau đó, lấn dần cho đến khi chiếm lĩnh mặt lộ có các ứng suất này. Thêm vào đó, chỉ nên thiết kế các vì neo làm việc tại các vị trí ứng suất cực trị này theo nguyên lý treo.
2.2.5. Việc thi công lắp đặt vì neo tại các vị trí mặt lộ kém an toàn khi không có gia cường sơ bộ và gia cường tạm thời, cũng như không được phối hợp với các kết cấu khác, hoặc các vì neo lân cận, chỉ có thể thành công khi khối đá đang rất bền vững, nên các vì neo tại đó đã có dự trữ bền khá lớn đến mức không phải làm việc để ngăn chặn sự hình thành trạng thái ứng suất nguy hiểm cho khối đá, thậm chí đã quá thừa bền đến mức lãng phí.
3. Đôi điều liên hệ:
Trạng thái ứng suất của mỗi phần tố taị mặt lộ khối đá nói chung là không giống nhau. Cho nên, không những nhiệm vụ của từng nhóm vì neo theo tư thế của mặt lộ đã khác nhau mà ngay cả nhiệm vụ của từng vì neo trong mỗi nhóm đó cũng có phần khác nhau. Vì vậy khi quy cách các vì neo gần như nhau thì việc bố trí chúng theo mật độ bình quân nói chung là chưa hợp lý.
3.1. Khi đường biên trên nóc hầm lò có dạng cong vòm, tròn, ô van... và khối đá ở đây có 2 hệ khe nứt cắt nhau và không song song với các trục đối xứng, nếu thiết kế gia cố bằng hệ vì neo bố trí gần như vuông góc với mặt lộ như trong các tài liệu [3], [6],[7] với hy vọng mọi khối đá sụt từ trên nóc xuống đều là những khối nêm tự chèn; nhưng chưa chú ý tới những vị trí mặt lộ bị căng và bị cắt, để có những điều chỉnh về mật độ, hướng và độ dài, cùng với yêu cầu thi công; cho nên nói chung là chưa hợp lý và có thể dẫn tới sự cố trong quá trình thi công.
3.2. Khi đường biên trên nóc nằm ngang và khối đá ở đây phân lớp ngang, nếu thiết kế gia cố bằng hệ vì neo bố trí gần như vuông góc với mặt phân lớp của đá như trong tài liệu [8], vơí hy vọng giảm được chiều dài neo đến mức tối thiểu; nhưng chưa chú ý tới hiện tượng đá nóc bị uốn võng, gây căng mặt lộ ở khoảng giữa nhịp với cường độ cực đại và gây cắt mặt lộ ở khoảng gần góc tường với cường độ cực đại, để có những điều chỉnh về mật độ hướng và độ dài cùng với yêu cầu thi công; cho nên nói chung là chưa hợp lý và có thể dẫn tới sự cố trong quá trình thi công.
3.3. Việc sử dụng vì neo hiện nay, mặc dù chỉ theo chủ nghĩa bình quân về chức năng, nhưng vẫn thành công, có thể nói hoặc là nhờ thiết kế dự trữ khả năng làm việc quá lớn, hoặc là nhờ thiết kế thời gian làm việc độc lập quá ngắn, đủ cho chúng làm việc có hiệu quả ngay cả ở các vị trí mặt lộ có thể xuất hiện ứng suất kéo cực trị khi chưa được gia cố hỗ trợ.
4. Kết luận:
Hiệu quả sử dụng vì neo để gia cường khối đá nói chung là to lớn, nhưng tâm lý lo ngaị vẫn chưa hết, cho nên thiết kế gia cường khối đá bằng vì neo hầu như đều chưa xuất phát từ yêu cầu tải giới hạn, mà chủ yếu xuất phát từ yêu cầu tăng cường hệ số ổn định của khối đá.
Để tránh những sự cố đáng tiếc khi thi công hệ thống vì neo đã thiết kế theo yêu cầu mang tải giới hạn, góp phần tăng cường hiệu quả sử dụng chúng; mỗi khi sử dụng vì neo đều phải thực hiện thiết kế theo đặc điểm phân bố ứng suất trong khối đá và thực hiện thi công theo chu trình kiểu PDCA của Deming [9] trong điều kiện cụ thể này: Thiết kế thi công – đo đạc, kiểm tra ứng suất của đá trước, trong và sau khi có vì neo để đánh giá chất lượng thiết kế và chất lượng thi công – điều chỉnh thiết kế và quy trình thi công.
Nguồn: Tạp chí Người Xây dựng, số 10/2006