1. Qui hoạch cho vị trí xây dựng công trình ngầm

Ở Việt Nam tồn tại 2 dạng môi trường đất – đá khác nhau, môi trường đá cứng và đá mềm rời. Qui hoạch chọn vị trí xây dựng công trình ngầm ở 2 dạng môi trường đất – đá khác nhau có những vấn đề chuyên môn khác nhau.

Ở khu vực thuộc môi trường đá, nếu gặp điều kiện cấu tạo địa chất tốt, ứng suất địa tĩnh không lớn, địa tầng gồm các lớp đá có bề dày lớn và đá có cường độ cao, trong trường hợp như vậy công trình ngầm có thể được thiết kế không có kết cấu khung vỏ bảo vệ giữ ổn định, hoặc nếu cần chỉ thiết kế kết cấu nhẹ. Nhưng nếu gặp trường hợp cấu tạo địa chất kém, có nhiều đứt gãy đi qua, nhiều hệ thống khe nứt và đới vỡ vụn, ứng suất địa tĩnh rất lớn, đá trầm tích với các lớp đá có bề dày nhỏ, đá bị phong hóa nghiêm trọng, chứa nhiều nước v.v..., trong trường hợp như vậy kết cấu khung vỏ chống đỡ của công trình ngầm sẽ chịu một áp lực đá vây quanh rất lớn, nếu kết cấu khung vỏ chống đỡ yếu sẽ có thể xảy ra các sự cố nghiêm trọng như sập lở, biến dạng mất ổn định hoàn toàn.

Trong môi trường đá khô hoặc ít chứa nước, khi thiết kế khung vỏ chống đỡ thường thì đều thiết kế thoát nước bên trong lẫn bên ngoài khung vỏ chống đỡ, do đó cũng không xét đến áp lực thủy tĩnh do nước ngầm gây ra. Tuy nhiên khi chọn vị trí xây dựng công trình ngầm thường phải tránh những khối đá nhiều khe nứt để phòng tránh nước thấm vào công trình ngầm những khi mưa bão hoặc lũ lụt, bất thường. Đối với những trường hợp trong môi trường đá có nước ngầm phong phú, khi thiết kế công trình ngầm bắt buộc phải đặc biệt chú ý đến thiết kế chống thấm bên trong công trình, đồng thời phải xét đến tác dụng của áp lực nước từ bên ngoài, thường giá trị của nó bằng áp lực nước tại điểm có chiều sâu nằm dưới mặt đất của công trình nhân với một hệ số có giá trị bằng 1 hoặc nhỏ hơn 1 tùy mức độ nứt nẻ của đá và tình trạng thoát nước tốt hay kém.

Nếu thiết kế và thi công xây dựng công trình ngầm ở trong môi trường đất mềm rời thì có 2 vấn đề về địa chất công trình phải được đặc biệt chú ý, đó là cường độ chịu lực của đất và mức độ phong phú của nước ngầm. Bao giờ cũng phải chọn địa điểm xây dựng có các lớp đất dày và đất có khả năng chịu lực cao, không có nước ngầm hoặc nước ngầm không phong phú, tránh những vùng có đất bùn yếu, cát chảy, đất lún ướt, nhiều nước ngầm 

2. Khảo sát địa chất công trình cho xây dựng công trình ngầm cần đặc biệt chú ý nghiên cứu địa mạo, tức nghiên cứu các đặc trưng hình thái của địa hình và quá trình động lực làm biến đổi địa hình. Bởi vì các đặc trưng địa mao sẽ chi phối việc quy hoạch chọn nơi đặt cửa vào và đường trục của công trình ngầm, cao độ của nó, tiết diện và chiều dài của công trình. Ở trong môi trường đá cửa vào thường được chọn nơi địa tầng có lớp đá dày và đá có cường độ cao, độ dốc địa hình cao, không nhỏ hơn 45⁰, không được chọn những nơi có vách đá cao dễ sạt lở, có hiện tượng trượt, đá đổ, lũ đá. Những nơi ứng suất kiến tạo cao thì đường trục công trình phải chọn theo hướng song song với phương của ứng suất chính trên mặt phẳng nằm ngang. Đường trục công trình phải giao cắt nhau với đường phương của địa tầng hoặc đường phương của đứt gãy thành một góc lớn không nhỏ hơn 40⁰, đồng thời bố trí dọc theo đường đỉnh của khối núi, không được bố trí cắt qua vùng trũng thấp hoặc các khe hẻm. Trường hợp bất khả kháng phải bố trí đường trục công trình đi qua những đơn nguyên địa mạo kém ổn định thì bắt buộc phải có biện pháp gia cố, thoát nước hoặc thiết kế kết cấu chống đỡ.

3. Điều kiện địa chất là một trong những yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự ổn định của công trình ngầm. Qui hoạch chọn địa điểm, thiết kế và thi công công trình ngầm phải dựa trên cơ sở đánh giá định tính sự ổn định của công trình. Trong quá trình khảo sát địa chất công trình điều quan trọng chủ yếu là phải dự báo đánh giá sự ổn định của đá vây quanh công trình sau khi đã xây dựng xong, nhằm mục đích cung cấp dữ liệu cho thiết kế và thi công công trình. Có 2 yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự ổn định của công trình, yếu tố địa chất và yếu tố xây dựng gồm thiết kế và thi công. Đối với yếu tố địa chất chú ý đến đặc trưng kết cấu của thể đá nguyên trạng, cường độ chịu lực của thể đá nguyên trạng và hoạt động của nước ngầm.

Thể đá nguyên trạng được hiểu là một khối đá với kích thước bất kỳ còn đang hiện diện trong môi trường tự nhiên của nó. Đặc trưng kết cấu của thể đá nguyên trạng chỉ các bề mặt xuyên cắt trong nó, gồm các bề mặt phân cách địa tầng (các lớp đất-đá), bề mặt khe nứt, bề mặt đứt gãy. Các bề mặt xuyên cắt này làm cho thể đá nguyên trạng mất đi tính nguyên khối (liền khối) ở những mức độ khác nhau. Để đánh giá định lượng mức độ nguyên khối người ta đưa ra hệ số nguyên khối K_V, và dựa vào đó đánh giá trạng thái nguyên khối của thể đá nguyên trạng.

Cường độ của thể đá nguyên trạng được đánh giá trên cơ sở dựa vào cường độ kháng nén ở trạng thái bảo hòa của đá kết hợp với đánh giá mức độ nguyên khối của nó.

Tác động của nước ngầm đối với ổn định của công trình ngầm là gây ra áp lực thủy tĩnh tác dụng lên các kết cấu khung vỏ chống đỡ, làm giảm cường độ chịu lực của đất-đá vây quanh, gây ra biến dạng và mất ổn định cho đất-đá vây quanh; gây ra các hiện tượng dẫn đến sự uy hiếp đối với ổn định của công trình ngầm như hiện tượng phong hóa phát triển, hiện tượng ăn mòn hóa học tạo nên hang động trong đất-đá vây quanh, công trình ngầm trong nền đất có thể xuất hiện áp lực thủy động, từ đó gây ra các hiện tượng cát chảy xói ngầm, đồng thời nước ngầm thấm vào trong không gian của công trình ngầm, gây khó khăn cho thi công và những hoạt động sau này của công trình.

4. Trạng thái ứng suất ban đầu của môi trường đất-đá là một trong những yếu tố cần phải xét đến khi thiết kế và thi công xây dựng công trình ngầm. Trạng thái ứng suất ban đầu gồm có ứng suất địa tĩnh và ứng suất kiến tao, chúng hiện diện trong môi trường đất-đá tự nhiên trước khi công trình được khởi công.

Ứng suất địa tĩnh là do trọng lượng bản thân của đất-đá tạo nên, được đặc trưng bằng 3 giá trị ứng suất chính, một theo phương thẳng đứng s_Z và hai theo phương nằm ngang s_X và s_Y, trong đó tính s_Z, s_X và s_Y như sau

, trong đó g_i và h_i là dung trọng và bề dày của lớp đất-đá thứ i

s_X = s_Y = K₀s_Z , trong đó K₀ là hệ số áp lực hông

Ứng suất kiến tạo gây nên bởi lực kiến tạo phát sinh từ các vận động địa chất nội lực trong vỏ trái đất. Môi trường đất-đá sau khi đã hình thành, trong suốt quá trình tồn tại nó luôn trải qua nhiều kì vận động địa chất như vận động nâng hạ mặt đất, vận động tạo núi. Ưng suất kiến tạo theo phương thẳng đứng và phương nằm ngang đều có giá trị khác nhau, đồng thời trên mặt phẳng nằm ngang thường xuất hiện ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất, giá trị của chúng không bằng nhau. Một lần xảy ra vận động địa chất sẽ tạo nên ứng suất kiến tạo hiện diện bên trong địa tầng, về sau chúng có thể biến đổi và giải thoát gây nên các hiện tượng địa chất trong công trình ngầm, tạo nên những biến dạng dị thường hoặc hiện tượng phụt mãnh đá, gây mất ổn định của công trình

5. Phương pháp và nội dung khảo sát địa chất công trình cho xây dựng công trình ngầm

Thiết kế và thi công xây dựng công trình ngầm có những vấn đề chuyên môn mang tính đặc thù riêng của nó, vì vậy khảo sát địa chất công trình cho xây dựng công trình ngầm cũng có những mục đích và yêu cầu riêng. Về phương pháp, thường áp dụng đầy đủ các phương pháp như đo vẽ thực địa, khoan đào, thăm dò địa vật lý, thí nghiệm trong phòng và hiện trường, kể cả phương pháp quan trắc hiện trường.

Đo vẽ thực địa nghiên cứu các bề mặt kết cấu, các tổ chức khe nứt, vị trí thế nằm các đứt gãy, kích thước và trạng thái gắn kết và mức độ chứa nước của đứt gãy, của khe nứt, nghiên cứu các đặc trưng địa mạo và các hiện tượng địa chất ngoại sinh, hình thái và sự ổn định của địa hình.

Phương pháp khoan đào kết hợp địa vật lý nghiên cứu đặc trưng địa tầng, sự phân bố của địa tầng và môi trường đất-đá, bề dày của tầng phủ và đới phong hóa, xác minh qui luật của các đứt gãy, các tổ hợp khe nứt, các lớp kẹp mềm yếu và các hang động.

Phương pháp thí nghiệm trong phòng nghiên cứu các tính chất cơ-lý của đất và đá, những tính chất đặc trưng riêng như hệ số hóa mềm của đá, tính chất ăn mòn tạo hang động, tính trương nở, tính lún ướt.

Thí nghiệm hiện trường nghiên cứu các đặc trưng cơ học của thể đá nguyên trạng và của các bề mặt kết cấu, nghiên cứu phạm vi phát triển của đới xáo động trong đá vây quanh và trạng thái ứng suất tự nhiên, các đặc trưng sóng đàn hồi của thể đá nguyên trạng, nghiên cứu địa nhiệt và khả năng chứa khí cháy và khí độc trong môi trường đất-đá.

Phương pháp quan trắc theo dõi diễn biến lâu dài của các hiện tượng biến dạng và ứng suất trong đất-đá vây quanh, áp lực đất-đá và hoạt động của nước ngầm, sự xuất hiện của khí cháy và khí độc.

Nhiều thông tin bổ ích, cảm ơn Thầy nhgiangxd