Đào hầm bằng bằng TBM trong nền đất khu vực đô thị

Bài viết này tổng hợp các phân tích chuyên sâu về những thách thức, công nghệ và chiến lược quản lý rủi ro trong việc đào hầm tại các khu vực đô thị bằng máy đào hầm (TBM) trong điều kiện nền đất. Các phân tích được trình bày trong bài giảng "Urban tunnelling in soft ground using TBM's" của ITA.

Việc thi công hầm trong môi trường đô thị phải đối mặt với nhiều khó khăn đặc thù, bao gồm tầng phủ nông, sự có mặt của các công trình  trên mặt đất, các vật cản không xác định trong lòng đất, và điều kiện địa chất phức tạp, thay đổi liên tục.

Hai kịch bản rủi ro chính được xác định là sụp đổ hầm lên đến bề mặt và hư hỏng các công trình lân cận do biến dạng nền đất. Để đối phó với những rủi ro này, hai công nghệ TBM chính được sử dụng là Khiên đào Dung dịch Bentonite (Slurry Shield) và Khiên đào Cân bằng Áp lực Đất (EPB Shield). Mỗi công nghệ có nguyên tắc hoạt động riêng để ổn định gương đào, nhưng cũng đi kèm với những thách thức vận hành, đặc biệt là liên quan đến việc kiểm soát áp lực và ảnh hưởng của nước ngầm.

Một giải pháp kỹ thuật then chốt và hiệu quả cao để giảm thiểu rủi ro là việc tạo ra một khối đất gia cố bằng vữa (grouted body). Giải pháp này mang lại bốn lợi ích chính: (1) Tăng cường đáng kể mức độ an toàn chống sụp đổ; (2) Giảm thiểu lún bề mặt, bảo vệ các công trình hiện hữu; (3) Tạo điều kiện an toàn cho việc bảo trì, sửa chữa trong buồng máy TBM; và (4) Giúp kiểm soát và đảm bảo tiến độ thi công. Trong một số điều kiện địa chất nhất định, chẳng hạn như sỏi cát không có hạt mịn, việc áp dụng khối gia cố là yếu tố quyết định để dự án có thể thực hiện được.

Kết luận chung là sự thành công của các dự án đào hầm đô thị trong đất mềm phụ thuộc vào sự kết hợp của năm yếu tố cốt lõi: công nghệ TBM hiệu quả, quy trình thiết kế đáng tin cậy, phương pháp điều hòa đất cải tiến, công nghệ phun vữa tiên tiến, và một hệ thống quản lý rủi ro toàn diện, có hệ thống.

--------------------------------------------------------------------------------

1. Bối Cảnh và Thách Thức Đặc Thù của Việc Đào Hầm Đô Thị

Việc thi công hầm bằng TBM trong môi trường đô thị có những đặc điểm riêng biệt đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng và các giải pháp chuyên biệt.

Môi trường Đô thị Phức tạp

• Lớp phủ nông: Các đường hầm đô thị thường có lớp đất phủ phía trên rất mỏng, đặc biệt khi kết hợp với đường kính hầm lớn, làm tăng nguy cơ ảnh hưởng đến bề mặt. Dự án Hầm đường sắt Zimmerberg ở Zurich với đường kính 12.3 m là một ví dụ điển hình.

• Công trình bề mặt: Sự tồn tại của các tòa nhà, đường bộ, đường sắt và cầu cống đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ biến dạng nền đất để tránh gây hư hỏng. Mức độ nhạy cảm của các công trình này đối với hiện tượng lún là rất khác nhau.

• Vật thể lạ trong lòng đất: Các vật cản ẩn như giếng cổ, neo đất, cọc cừ, các đường ống tiện ích bị bỏ hoang, hoặc thân cây có thể gây ra những khó khăn đột xuất cho TBM.

• Hạn chế về tuyến hầm: Việc lựa chọn hướng tuyến cả theo phương ngang và phương đứng bị giới hạn đáng kể, thường phải đi ngầm dưới các công trình hiện hữu.

• Hạn chế về thi công: Việc lựa chọn vị trí tấn công, lập kế hoạch vận chuyển vật liệu và tiếp cận TBM gặp nhiều khó khăn. Các hoạt động khảo sát, kiểm soát nước ngầm hay gia cố nền đất cũng bị hạn chế tương tự.

• Mức độ chú ý của công chúng: Bất kỳ thiệt hại nào đối với các tòa nhà và đường sá đều được dư luận chú ý cao, dẫn đến tâm lý e ngại rủi ro và có thể gây ra sự phản đối đối với các dự án ngầm trong tương lai.

CÁC KỊCH BẢN RỦI RO CHÍNH

1. Sụt đến bề mặt đất: Đây là rủi ro nghiêm trọng nhất, có thể tạo ra các hố sụt lớn trên mặt đất.

2. Thiệt hại do biến dạng nền đất (lún): Gây ảnh hưởng đến các công trình và cơ sở hạ tầng trên bề mặt.

Điều Kiện Địa Chất Bất Lợi

• Các thành tạo địa chất trẻ, thường là đất yếu.

• Điều kiện địa chất thường xuyên thay đổi do sự hiện diện của các thấu kính, lớp đất khác nhau, tảng lăn, v.v.

• Mực nước ngầm nằm phía trên hoặc cắt ngang qua mặt cắt hầm đòi hỏi sự quan tâm đặc biệt.

• Các đặc tính địa chất quan trọng ảnh hưởng đến việc vận hành TBM bao gồm:

    ◦ Phân bố thành phần hạt: Yếu tố quyết định khi lựa chọn giữa TBM loại Slurry và EPB.

    ◦ Cường độ kháng cắt: Lực dính (cohesion) của đất, dù nhỏ, cũng có vai trò quyết định đến sự ổn định của gương đào.

    ◦ Tính thấm: Rất quan trọng khi có nước ngầm, ảnh hưởng đến sự ổn định và các biện pháp kiểm soát.

    ◦ Đặc tính của đá và đá yếu: Bao gồm các khe nứt, mức độ phong hóa.

    ◦ Gương đào hỗn hợp (Mixed face): Sự hiện diện đồng thời của đất và đá gây ra khó khăn lớn cho sự ổn định và việc điều khiển máy.

    ◦ Hàm lượng thạch anh: Ảnh hưởng đến mức độ mài mòn của dụng cụ cắt.

    ◦ Cột nước áp lực: Ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định của gương đào và áp suất khí nén cần thiết khi bảo trì.

2. Công Nghệ TBM và Cơ Chế Hoạt Động

Sự ổn định của gương đào là yếu tố quan trọng nhất, được đảm bảo bằng ba phương pháp chính: dung dịch bentonite (slurry), đất đã đào, hoặc khí nén.

Khiên Đào Dung Dịch Bentonite (Slurry Shield)

• Nguyên tắc ổn định: Áp lực dư (∆p) của dung dịch bentonite tạo ra một "lớp màng lọc" (filtercake) trên bề mặt gương đào. Lớp màng này hoạt động như một màng ngăn, không cho dung dịch thấm vào đất và truyền áp lực hỗ trợ lên gương đào.

• Rủi ro:

    ◦ Thấm nhập: Nếu dung dịch thấm vào đất, hiệu quả hỗ trợ giảm nhanh chóng. Ví dụ, khi dung dịch thấm sâu bằng một nửa đường kính hầm, lực hỗ trợ có thể giảm xuống còn khoảng 40%.

    ◦ Mất dung dịch đột ngột: Có thể xảy ra khi đi qua vùng đất có tính thấm cao bất ngờ hoặc gặp các vật thể lạ, dẫn đến sụt giảm áp lực trong buồng đào và gây mất ổn định.

Khiên Đào Cân Bằng Áp Lực Đất (EPB Shield)

• Nguyên tắc ổn định: Dựa vào áp lực hiệu quả giữa các hạt đất trong buồng đào để chống lại áp lực đất và nước từ phía trước.

• Ảnh hưởng của nước ngầm:

    ◦ Chênh lệch cột nước giữa buồng đào và nền đất sẽ tạo ra lực thấm (seepage forces). Các lực này có thể làm giảm đáng kể sự ổn định của gương đào.

    ◦ Việc duy trì cột nước áp lực cao trong buồng đào (tương đương với bên ngoài) sẽ làm giảm đáng kể áp lực hỗ trợ hiệu quả cần thiết.

• Các vấn đề khi áp lực hỗ trợ hiệu quả cao:

    ◦ Phân bố áp lực hỗ trợ không kiểm soát được.

    ◦ Mài mòn dao cắt quá mức và tăng mô-men xoắn của đầu cắt.

    ◦ Hiện tượng vòm hóa (arching) tại cửa vào của băng tải trục vít, gây tắc nghẽn.

• Biện pháp khắc phục: Điều hòa đất (soil conditioning) bằng các chất phụ gia và/hoặc lắp đặt một máy bơm vật liệu đặc (thick matter pump) ở cuối băng tải trục vít để kiểm soát áp lực.

3. Quản Lý Rủi Ro Hệ Thống

Quản lý rủi ro đòi hỏi một quy trình có hệ thống và cấu trúc tốt, trong đó "Kế hoạch An toàn" là công cụ hiệu quả nhất.

Kế Hoạch An Toàn (Safety Plan)

Đây là một tài liệu trực quan hóa, trình bày một cách có hệ thống các dữ kiện, giả định, kiến thức khoa học và hướng dẫn vận hành cho một đoạn hầm cụ thể. Kế hoạch này bao gồm:

• Dữ liệu: Địa hình, các công trình bề mặt, địa chất, điều kiện nước ngầm, các vật thể lạ.

• Phân tích: Xác định các sự kiện không mong muốn (kịch bản rủi ro), các cơ chế có thể kích hoạt chúng.

• Giải pháp: Đề ra các biện pháp đối phó dự kiến.

• Tính năng động: Kế hoạch phải được cập nhật liên tục theo tình hình thực tế và kiến thức mới.

Các Biện Pháp Giảm Thiểu Rủi Ro

Rủi ro (R) được định nghĩa là tích của xác suất xảy ra (w) và mức độ thiệt hại (D): R = w x D. Các biện pháp giảm thiểu rủi ro nhắm vào việc giảm một hoặc cả hai yếu tố này.

Biện Pháp	Chi Tiết
Biện pháp Thi công	- Cải tạo nền đất: Phun vữa (grouting) để tăng cường độ và/hoặc giảm tính thấm của đất.  - Chuẩn bị trạm dừng TBM: Tạo ra các khu vực đã được gia cố trước để TBM có thể dừng lại bảo trì một cách an toàn mà không cần khí nén.  - Phun vữa ổn định khối đá: Giữ các khối đá rời không bị rơi ra trong quá trình cắt.  - Xây dựng kết cấu hỗ trợ: Các kết cấu như ô che bằng ống thép (pipe umbrella) hoặc dầm bê tông dự ứng lực trên cọc mini để bảo vệ hầm khi lớp phủ quá mỏng.
Quan trắc	Giám sát có hệ thống các biến dạng nền đất, lún bề mặt, hành vi của các công trình lân cận, mực nước ngầm và hiệu suất của máy TBM. Đây là một phần không thể thiếu của mọi kế hoạch an toàn.
Biện pháp Bổ sung	Đóng đường tạm thời hoặc sơ tán các tòa nhà khi đi qua các khu vực đặc biệt nhạy cảm để giảm thiểu mức độ thiệt hại tiềm tàng.

4. Giải Pháp Then Chốt: Khối Đất Gia Cố Bằng Vữa (Grouted Body)

Trong nhiều trường hợp, khối đất gia cố bằng vữa là một phần không thể thiếu của dự án đào hầm bằng TBM, mang lại nhiều lợi ích về an toàn và vận hành.

Lập Kế Hoạch và Thi Công

• Bố trí: Tùy thuộc vào điều kiện địa chất, khối gia cố có thể chỉ là một lớp khiêm tốn ở nóc hầm hoặc một khối lớn bao quanh một phần hoặc toàn bộ chu vi hầm. Các dạng gia cố ở nóc và hai bên hông là phổ biến nhất.

• Thi công: Việc khoan và phun vữa thường được thực hiện từ bề mặt, từ giếng hoặc từ một hầm phụ trợ song song.

• Công nghệ và yêu cầu: Để đạt được cường độ kháng cắt tối thiểu và độ đồng nhất cần thiết, cần áp dụng các phương pháp ghi nhận và xử lý dữ liệu tiên tiến để theo dõi lượng vữa, áp suất và phân bố.

Phân Tích Thiết Kế và Lợi Ích

• Cơ chế chịu lực: Khối gia cố hoạt động như một "vòm ảo" (virtual arch) ở trạng thái giới hạn, phân phối tải trọng thẳng đứng sang hai bên. Khả năng chịu tải của nó phụ thuộc vào hình dạng hình học (chiều cao, độ dày, nhịp) và cường độ chịu nén đơn trục của vật liệu đã được gia cố.

• Tối ưu hóa thiết kế: Có thể tăng kích thước của khối gia cố để giảm yêu cầu về cường độ vật liệu vữa, mang lại lợi ích kinh tế.

• Giảm áp lực hỗ trợ gương đào: Sự hiện diện của khối gia cố ở nóc hầm giúp loại bỏ tải trọng thẳng đứng tác động lên khối trượt phía trước gương đào. Phân tích cho thấy nó có thể giảm áp lực hỗ trợ cần thiết xuống một nửa trong đất không dính.

• Lợi ích vận hành:

    ◦ Với Slurry Shield: Ngăn chặn hoặc giảm thiểu sự thấm nhập của dung dịch.

    ◦ Với EPB Shield: Yêu cầu ít điều hòa đất hơn, giảm mài mòn dụng cụ và mô-men xoắn, và giúp xử lý đất đào dễ dàng hơn.

5. Kết Luận

Việc đào hầm an toàn và kinh tế trong đất mềm dưới các khu vực đô thị có thể được đảm bảo thông qua sự tích hợp của các yếu tố sau:

1. Công nghệ TBM hiệu quả: Lựa chọn và vận hành đúng loại máy TBM (Slurry hoặc EPB).

2. Quy trình thiết kế đáng tin cậy: Dựa trên các mô hình phân tích ổn định và rủi ro chính xác.

3. Phương pháp điều hòa đất cải tiến: Tối ưu hóa các đặc tính của đất đào để hỗ trợ gương đào.

4. Công nghệ phun vữa tiên tiến: Tạo ra các khối gia cố đồng nhất và đáng tin cậy.

5. Quản lý rủi ro đáng tin cậy: Áp dụng một quy trình có hệ thống, như Kế hoạch An toàn, để xác định, phân tích và giảm thiểu rủi ro.

Xây dựng trên địa hình dốc

 

Khi xây dựng trên/trong khu vực địa hình dốc, nên ưu tiên bố trí công trình theo hướng bậc thang hoặc giật cấp, hạn chế việc đào – đắp quá mức để giảm thay đổi địa hình tự nhiên.

Ở Việt Nam, khi xây dựng có tình trạng san gạt, đào đắp tùy tiện để lấy mặt bằng xây dựng. Ở nhiều nơi miền núi, người dân có xu hướng cắt taluy, đắp nền trên sườn dốc mà không có biện pháp chống trượt, không xây tường chắn hay rãnh thoát nước. Điều này khiến hiện tượng sạt lở, xói mòn xảy ra ngày càng nhiều, đặc biệt trong mùa mưa. Ngay cả các công trình của nhà nước cũng gặp tình trạng kiểu này, dẫn đến để đảm bảo ổn định công trình cần áp dụng các giải pháp địa kỹ thuật như móng thiết kế sâu đến lớp đất ổn định, sử dụng móng cọc, tường chắn, neo đất, hoặc hệ thống thu nước mặt và nước ngầm phức tạp ... dẫn đến chi phí tốn kém.

Thay vì san phẳng toàn bộ khu vực bằng cách đào sâu phần cao và đắp đầy phần thấp – dễ gây mất cân bằng ứng suất, hình thành khối trượt hoặc sụt lở, thiết kế bậc thang cho phép công trình “thích ứng” với độ dốc hiện hữu. Mỗi khối công trình hoặc nền móng được đặt trên một cao độ tương đối ổn định, được liên kết với nhau bằng tường chắn, tường biên hoặc taluy bảo vệ, giúp giảm áp lực đất lên công trình phía dưới.

Xây dựng theo cấu trúc dạng bậc thang có nhiều lợi ích kỹ thuật và môi trường như:

- Giảm khối lượng đào – đắp đất, tiết kiệm chi phí thi công và hạn chế phá vỡ cân bằng tự nhiên.

- Giảm dòng chảy tập trung trên bề mặt, hạn chế xói mòn và rửa trôi đất.

- Tạo điều kiện bố trí hệ thống thoát nước phân tầng, giúp nước chảy tự nhiên, tránh thấm ngược vào mái dốc.

- Về kiến trúc cảnh quan, dạng giật cấp giúp công trình hòa nhập với địa hình, tạo tầm nhìn đa hướng và tận dụng tối đa không gian.

Các dạng trượt mái dốc trong đất tàn tích

 

Hiện tượng trượt và sạt lở đất trong đất phong hóa thường được kích hoạt bởi mưa lớn, và là kết quả của sự gia tăng tạm thời áp lực lỗ rỗng trong mái dốc. Đây là một điểm khác biệt quan trọng so với đất trầm tích, nơi mà mực nước ngầm có xu hướng duy trì ở vị trí cân bằng lâu dài và không bị ảnh hưởng bởi thời tiết. Động đất mạnh cũng có thể là yếu tố kích hoạt hiện tượng trượt hoặc sạt lở đất. Nguyên nhân của nhiều trận sạt lở đất lớn trong đất phong hóa thực chất là do hoạt động của con người. Các hoạt động như đào cắt mái dốc, đắp đất trên sườn dốc, làm ngăn cản hệ thống thoát nước tự nhiên và đường thấm, cũng như nạn phá rừng đều là các yếu tố làm giảm độ ổn định của mái dốc và có thể dẫn đến sạt lở.

Các quan sát thực tế cho thấy trượt trong đất tàn tích rất hay gặp dạng cung tròn nông, trượt tịnh tiến theo mặt ranh giới giữa tầng phong hóa mạnh với tầng đất đá tốt hơn, trượt dạng khối theo ranh giới giữa tầng phong hóa mạnh và tầng đất đá tốt hơn bên dưới.

Có nhiều trường hợp mái dốc trong đất phong hóa có thể còn bị chi phối bởi sự hiện diện của các mặt yếu. các mặt yếu thường là các khe nứt có sẵn từ khi đá chưa bị phong hóa, độ bền kháng cắt dọc các khe nứt này thường yếu hơn và đặc biệt là nơi nước tập trung thấm vào. Điều này có khả năng xảy ra với những loại đất đã chịu tác động biến dạng kiến tạo, hoặc được hình thành từ các loại đá đã chịu biến dạng như vậy. Sự tồn tại của các mặt yếu này khiến việc xác định kiểu trượt có thể xảy ra và giá trị của các tham số sức kháng của đất trở nên vô cùng khó khăn, do đó kết quả phân tích ổn định thường không đáng tin cậy. Đối với trường hợp khi các vết nứt định hướng theo một hướng nhất định như ở đất phong hóa có nguồn gốc từ đá trầm tích có thể chứa các mặt yếu phản ánh những lớp yếu cụ thể trong vật liệu gốc. Trong trường hợp này có thể xác định được các tham số cắt trong những lớp yếu đó và sử dụng chúng trong phân tích ổn định hợp lý. 

Hệ số độ bền Protod'yakonov (hệ số kiên cố của đất đá)

Khi nói tới các hệ phân loại khối đá, sẽ là một thiếu sót lớn khi không nhắc tới phân loại theo Hệ số độ bền Protod'yakonov của đá, hệ số này thường gọi trong các tài liệu tiếng Việt là hệ số kiên cố f. Hệ phân loại này có thể coi là hệ phân loại khối đá mang tính định lượng sớm nhất trên thế giới, và nó cũng là cơ sở hay nguồn cảm hứng cho một số hệ phân loại sau này. Trong khi Wasabi vẫn đề cập tới hệ số f này như một hệ số thường dùng trong quá khứ, mang tính giáo khoa, thì ngoài thực tế, trong công tác khai thác mỏ ở Việt Nam hiện tại vẫn đang dùng hệ số này phục vụ cho thiết kế khai thác và đào chống lò (bởi một số lý do khác nhau sẽ trình bày ở phần ưu điểm của nó).

Bài này hơi dài, Wasabi viết theo cấu trúc có các phần sau:

Giới thiệu chung, Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chính xác của hệ số kiên cố, Các ưu điểm và hạn chế của hệ kiên cố, Kết luận

Giới thiệu chung

Hệ số kiên cố f của đá, một khái niệm do Giáo sư M. M. Protod'yakonov, một nhà khoa học khai thác mỏ lỗi lạc người Nga, tiên phong đề xuất từ 1926. Hệ số này được tạo ra nhằm mục đích cung cấp một thước đo định lượng, thống nhất để đánh giá các tính chất cơ học của đá, thay thế cho các phương pháp phân loại định tính, thiếu phối hợp trước đây.

Ý tưởng chính của Protod'yakonov là các chỉ số khác nhau về độ cứng tương đối của đá (ví dụ, khả năng chống lại việc khoan, nổ mìn, hoặc áp lực lên vì chống) trong thực tế là tương quan chặt chẽ với nhau. Ông đề xuất một hệ số f không thứ nguyên duy nhất để thể hiện độ cứng tổng thể này.

Bản chất: Hệ số kiên có f được định nghĩa là độ bền tương đối trung bình của một loại đá, được xác định thông qua nhiều phương pháp phá hủy khác nhau. Nó không chỉ đơn thuần là một phần trăm của cường độ chịu nén đơn trục như được trình bày phổ biến trong các sách giáo khoa.

Việc sử dụng một hệ số f giúp đơn giản hóa đáng kể việc so sánh và tổng quát hóa dữ liệu trên các quy trình khai thác khác nhau. Điều này mang lại một công cụ thực tiễn và hiệu quả hơn nhiều so với việc phải quản lý một loạt các chỉ số độc lập, không tương quan. Cơ sở của hệ số f nằm ở mối quan hệ tỷ lệ thuận với năng lượng phá hủy riêng, được coi một chỉ số cơ học phổ quát.

Hệ số f thường được hiểu đơn giản là = một phần trăm của độ bền nén đơn trục của đá (tức là f = σ_c / 100, với σ_c có đơn vị là kN/cm2).  Tuy nhiên, Protod'yakonov định nghĩa nó là độ bền tương đối trung bình của đá được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau. Có thể sử dụng các giá trị của bất kỳ cường độ giới hạn nào, hoặc tốt hơn nữa là giá trị trung bình của các cường độ giới hạn khác nhau. Chúng ta cũng có thể sử dụng lượng lao động tiêu hao trong các hoạt động khai thác khác nhau, lượng thuốc nổ cần thiết, áp lực do loại đá này hay khác tạo ra, v.v.

Các phương pháp xác định hệ số kiên cố của đất đá có thể kể đến

• Phương pháp giã mẫu đá sử dụng mẫu rơi hoặc dụng cụ đập để phá mẫu chuẩn, đo năng lượng phá hủy rồi quy đổi sang độ bền kháng nén 1 trục.
• Xác định theo độ bền kháng nén 1 trục
• Xác định theo công khoan 1 cm³ bằng phương pháp khoan thủ công
• Xác định theo năng xuất thợ khoan trong một ca (khoan thủ công) (chiều dài khoan trong 1 ca)
• Xác định theo khối lượng thuốc nổ tiêu hao Q (kg) để phá vỡ 1cm³ đất đá khi đào lò có tiết diện S.

Ví dụ việc đánh giá một lớp đá cứng theo các phương pháp khác nhau, theo dữ liệu của Protod'yakonov cho thấy:

• Nén đơn trục các khối lập phương: f = 9.4 - 10.0

• Khai thác theo phương pháp Rzhikha: f = 10.0

• Khoan bằng búa khí nén: f = 11.2

• Áp lực lên vì chống: f = 10.0

• Giá trị trung bình: f ≈ 10.0

 Điều này cho thấy f là một giá trị tổng hợp, đại diện cho thuộc tính cố hữu của đá, được thể hiện thông qua các chỉ số riêng lẻ hội tụ quanh một giá trị trung bình chung. Các độ lệch riêng lẻ so với giá trị trung bình (với hệ số biến thiên trung bình khoảng 14%) không vượt quá sự khác biệt do tính không đồng nhất của đá trong cùng một gương lò.

 Hệ số độ bền Protodyakonov là một thước đo không thứ nguyên về cường độ tương đối của đá. Mặc dù f được thiết lập dựa trên nguyên tắc thống nhất cường độ đá qua nhiều phương pháp phá hủy khác nhau, nhưng độ chính xác của nó vẫn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố địa kỹ thuật nội tại của đá và các quy trình lấy mẫu/thử nghiệm.

Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ số kiên cố

I. Các yếu địa kỹ thuật ảnh hưởng tới độ độ chính xác của hệ số kiên cố f

Độ chính xác và sự phân tán dữ liệu của hệ số cường độ Protodyakonov (f) chịu ảnh hưởng từ các đặc tính tự nhiên của đá:

1. Tính không đồng nhất của đá:

    ◦ Sự khác biệt trong hệ số cường độ ( f ) được xác định bằng các phương pháp phá hủy khác nhau có thể được ước tính bằng hệ số biến thiên trung bình khoảng 14%, và sự khác biệt này không vượt quá sự khác biệt phát sinh do tính không đồng nhất của đá trong cùng một khu vực khai thác.

    ◦ Tính không đồng nhất là một đặc điểm nổi bật của đá, dẫn đến sự phân tán dữ liệu đo lường không thể tránh khỏi khi đo độ bền.

    ◦ Đối với các loại đá không đồng nhất (ví dụ: đá có hạt khoáng lớn), kích thước mẫu thử cần được điều chỉnh sao cho phù hợp với kích thước của các phần tử không đồng nhất (ví dụ: kích thước hạt khoáng).

2. Các đặc điểm cấu trúc và các nứt nẻ:

    ◦ Sự có mặt các cấu trúc gián đoạn (các khe nứt), đặc biệt khi tính nứt nẻ mạnh sẽ dẫn đến việc đánh giá khối đá qua chỉ số f từ thí nghiệm mẫu đá sẽ có sai khác. Ví dụ: Nếu đá granit bị phá vỡ bởi các khe nứt lớn (nứt nẻ mạnh), hệ số f để khoan lỗ có thể là f=10 , nhưng đối với việc nổ mìn,  f  có thể được lấy nhỏ hơn, ví dụ 8 hoặc 6, tùy thuộc vào hoàn cảnh. Đây là một sự sai lệch khỏi quy luật cơ bản.

    ◦ Hiệu ứng tỷ lệ (kích thước mẫu thí nghiệm), tức là sự khác biệt trong kết quả thử nghiệm từ các mẫu có kích thước khác nhau, được giải thích về mặt lý thuyết bằng sự gia tăng lượng các phần tử không đồng nhất và vi nứt khi kích thước mẫu tăng lên.

 3. Tính dị hướng :

    ◦ Tính dị hướng đề cập đến các loại đá có các đặc tính khác nhau theo các hướng khác nhau (ví dụ: sự phân lớp của đá phiến, đá trầm tích).

    ◦ Đối với các loại đá này, hướng của mẫu thử có thể có tác động cao hơn nhiều đến các thông số đá thu được so với bản thân thiết lập thử nghiệm.

4. Ảnh hưởng của độ ẩm:

    ◦ Các loại đá yếu hoặc kém bền (như đá trầm tích sét bột kết, một số loại đá biến chất) có thể bị phân hủy nhanh chóng khi tiếp xúc với nước hoặc không khí.

    ◦ Các đặc tính cơ học của đá bị ảnh hưởng đáng kể bởi những thay đổi trong hàm lượng nước.

 II. Các yếu tố về quy trình lấy mẫu và thí nghiệm

Độ chính xác của các thông số cơ học của đá, bao gồm cả các thông số liên quan đến f (như cường độ nén một trục UCS, bị ảnh hưởng nhiều bởi quy trình lấy mẫu:

1. Các vấn đề về quy trình thí nghiệm:

Độ chính xác của chỉ số Protodyakonov, được xác định bằng quy trình chuẩn (thí nghiệm đập), rất dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như Thời gian sàng, Mức độ nén chặt của hạt mịn (fines) trong máy đo thể tích, số lần đập : Việc này ảnh hưởng đến độ chính xác của  f . Trong các đá mềm, có thể xảy ra hiện tượng nghiền lại hạt mịn. Trong đá cứng, năng lượng có thể được sử dụng vào biến dạng đàn hồi và nứt thay vì tạo ra đủ hạt mịn.

2. Các vấn đề về mẫu thí nghiệm và công tác lấy mẫu:

• Kích thước mẫu thí nghiệm: Kích thước mảnh vụn ít ảnh hưởng đến f trong khoảng 15–22 mm. Tuy nhiên, đối với kích thước nhỏ hơn, f có sự khác biệt, đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ kích thước.

• Độ ẩm tự nhiên: Khi xử lý các loại đá có khả năng yếu hoặc không bền, cần giữ độ ẩm tự nhiên của mẫu và tránh làm khô hoặc làm ướt thêm.

• Bảo quản mẫu: Các biện pháp để tránh phân hủy và bảo toàn mẫu bao gồm:◦ Chọn phương pháp lấy mẫu ngăn mẫu tiếp xúc với nước, không khí ẩm. ◦ Bọc mẫu ngay lập tức bằng giấy bạc/nhựa, sáp hoặc silicone. ◦ Vận chuyển ngay lập tức và theo phương ngang đến phòng thí nghiệm.

• Tính đại diện mẫu: Mẫu đá phải tiêu biểu cho đơn vị địa chất mà nó thuộc về. Việc chỉ tập trung nghiên cứu chuyên sâu vào một đơn nguyên đá, trong khi bỏ qua các đơn nguyên đá liên quan khác, có thể tạo ra rủi ro lớn cho dự án.

• Định hướng mẫu trong đá có tính dị hướng: Đối với đá dị hướng, mẫu cần được định hướng rõ ràng (thường là vuông góc hoặc song song với trục của các yếu tố dị hướng). Nếu lấy mẫu bằng khoan lõi, hướng khoan phải được điều chỉnh cẩn thận.

• Điều kiện thí nghiệm: như bản chất kết quả thí nghiệm đá luôn phụ thuộc vào bản chất đá, tải trọng và tốc độ gia tải. Tốc độ gia tả có thể coi là một điều kiện thí nghiệm ảnh hưởng tới kết quả xác định hệ số f.

các Ưu điểm và hạn chế của việc sử dụng hệ số kiên cố f

I.   Các ưu điểm của Hệ số Protodyakonov ( f )

Các ưu điểm chính của hệ số Protodyakonov xoay quanh tính phổ quát, đơn giản và khả năng thống nhất các chỉ số cường độ khác nhau của đá:

1. Nguyên tắc thống nhất độ bền

M. M. Protod'yakonov đã thiết lập bảng hệ số cường độ tương đối dựa trên nhận định cơ bản rằng cường độ của đá trong các khía cạnh khác nhau (với các phương pháp phá hủy khác nhau) là xấp xỉ giống nhau.

• Tính phổ quát: Khái niệm cường độ này áp dụng cho bất kỳ loại phá hủy cơ học nào, bao gồm các quá trình phức tạp như đục rãnh, khoan, phá vỡ, nổ mìn, và nghiền.

• Khả năng so sánh: f là biện pháp đo lường cường độ tương đối. M. M. Protod'yakonov đã chứng minh rằng các chỉ số khác nhau về cường độ tương đối của đá thực tế không khác biệt với nhau.

• Chỉ số đơn lẻ: Việc sử dụng các hệ số cường độ đơn lẻ (f) giúp so sánh và tổng quát hóa dữ liệu về các loại phá hủy khác nhau.

• Không phụ thuộc vào ứng suất: Đặc tính quan trọng nhất của f là chúng cho phép so sánh các loại đá với nhau mà không cần biết các ứng suất trong chúng và cách chúng được tạo ra.  f  là một thuộc tính khách quan của đá chỉ phụ thuộc vào bản thân đá chứ không phụ thuộc vào quá trình phá hủy mà nó thể hiện.

2. Tính ứng dụng thực tiễn và đơn giản

• Tính đơn giản: Ý nghĩa và sự đơn giản của hệ số cường độ Protod'yakonov đã khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong thực tế

• Tiêu chuẩn hóa: Hệ số  f  đã trở thành cơ sở để tính toán các quy trình phục hồi đá và hỗ trợ công trình.

• Đánh giá định lượng:  f cung cấp một đánh giá định lượng đầu tiên về các tính chất cơ học của đá, điều mà trước đó (trước thế kỷ 20) chỉ được đánh giá bằng các thuật ngữ định tính như "cứng" hay "giòn".

• Ứng dụng thực tế đơn giản: Trong thực tế, việc sử dụng một chỉ số duy nhất là hệ số cường độ  f  đơn giản hơn đáng kể so với việc sử dụng nhiều chỉ số độc lập. Kết hợp với tiêu chuẩn thiết kế khai thác và thiết kế chống đỡ làm cho việc thiết kế đơn giản và nhanh chóng.

3. Có cơ sở vật lý vững chắc

• Tương quan với năng lượng:  f  được chứng minh là tỷ lệ thuận trực tiếp với công cụ thể tích phá hủy. Công cụ thể tích này là một chỉ số vật lý phổ quát.

• Khả năng dự đoán: Mối quan hệ tỷ lệ thuận trực tiếp này giải thích tại sao hệ số cường độ  f  phản ánh rất tốt các đặc tính cơ học khác nhau của đá trong quá trình phá hủy và ăn sâu vào thực tiễn khai thác mỏ.

II. Các Hạn chế và Thách thức về Độ chính xác của  hệ số kiên cố f

 Mặc dù có tính phổ quát, độ chính xác của f chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố địa kỹ thuật nội tại của đá và các vấn đề liên quan đến quy trình thử nghiệm tiêu chuẩn:

1. Độ nhạy của quy trình thí nghiệm

Độ chính xác của chỉ số Protodyakonov, khi được xác định bằng quy trình chuẩn (thử nghiệm va đập và đo thể tích hạt mịn), rất dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố quy trình sau:

• Thời gian sàng.

• Mức độ nén chặt của hạt mịn trong máy đo thể tích, phụ thuộc vào số lần gõ .

• Số lần va đập: Số lần va đập tối ưu thay đổi tùy thuộc vào độ cứng của đá. Không có cách dễ dàng để ước tính số lần đập tối ưu cho các loại đá khác nhau để có được giá trị  f  có thể so sánh được.

    ◦ Trong đá mềm, có thể xảy ra hiện tượng nghiền lại hạt mịn . Hiện tượng này tạo ra sự thay đổi trong chỉ số  f .

    ◦ Trong đá cứng, năng lượng có thể được sử dụng vào biến dạng đàn hồi và nứt thay vì tạo ra đủ hạt mịn.

• Kích thước mẫu thí nghiệm: Đối với kích thước mảnh vụn nhỏ hơn 15 mm, chỉ số  f  thay đổi, đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ kích thước để có kết quả chính xác.

(Lưu ý: Do những hạn chế này, các chỉ số khác như năng lượng cụ thể (specific energy) đã được đề xuất, vì chúng cho thấy giá trị ổn định hơn, không bị ảnh hưởng bởi khối lượng mẫu, kích thước mảnh vụn hay số lần đập trong một phạm vi rộng hơn).

 2. Tính không đồng nhất và độ không chính xác

• Đá không phải là vật liệu lý tưởng: Kết luận về sự thống nhất cường độ chỉ có thể áp dụng cho đá thực tế với một sai số nhất định vì đá thực tế không phải là vật thể lý tưởng.

• Sự phân tán dữ liệu: Sự khác biệt giữa các giá trị f cá nhân và giá trị trung bình là khoảng 14% (dao động từ 7% đến 26%). Sự khác biệt này không vượt quá sự khác biệt phát sinh do tính không đồng nhất của đá trong cùng một khu vực khai thác.

• Điều kiện thí nghiệm không thống nhất.

3. Sự sai lệch khỏi quy luật cơ bản (Tính dị hướng và cấu trúc của khối đá)

Mặc dù tính thống nhất là một quy luật cơ bản, nhưng vẫn có những trường hợp cụ thể xảy ra sự sai lệch khỏi quy luật cơ bản đó:

• Ảnh hưởng của khe nứt lớn:  f  có thể khác biệt đáng kể khi khối đá bị phá vỡ bởi các đặc điểm cấu trúc mạnh mẽ. Ví dụ: Nếu đá granit ( f=10 ) bị phá vỡ bởi các sự nứt nẻ mạnh, hệ số  f  đối với khoan lỗ mìn có thể vẫn là 10, nhưng đối với hoạt động nổ mìn, f  có thể được lấy nhỏ hơn, ví dụ 8 hoặc 6, tùy thuộc vào hoàn cảnh.

• Tính dị hướng: Đối với các loại đá dị hướng (có các đặc tính khác nhau theo các hướng khác nhau), hướng của mẫu thử có thể có tác động cao hơn nhiều đến các thông số đá thu được so với bản thân thiết lập thử nghiệm.

• Đá yếu/không bền: Các loại đá này có thể bị ảnh hưởng đáng kể bởi những thay đổi trong độ ẩm. Việc xác định  f  cho các loại đá này đòi hỏi phải bảo tồn hàm lượng ẩm tự nhiên và tránh sấy khô hoặc làm ướt thêm.

KẾT LUẬN

Tóm lại, dù có không ít hạn chế mà ngay cả chính tác giả của hệ số Protod'yakonov cũng thừa nhận có những trường hợp ngoại lệ dẫn đến việc sử dụng hệ số f dẫn đến sai khác thực tế. Tuy nhiên, những trường hợp này là ngoại lệ chứ không phải quy luật. Hệ số độ cứng f của Protod'yakonov có thể coi là "di sản" và vẫn là một công cụ nền tảng và có giá trị trong khoa học khai thác mỏ hiện đại. 

Kết luận hơi ngắn vì Wasabi đang bận rửa bát cho vợ