1. Định nghĩa và ưu, nhược điểm, đối tượng nghiên cứu, phân loại công trình ngầm.

*) Định nghĩa.

Công trình ngầm là những công trình đặt sâu trong lòng đất mà lớp đất phía trên nó không bị phá hoại và có ít nhất một lối thông lên mặt đất.

Thực ra định nghĩa trên chỉ có tính chất tương đối, trong thực tế có nhiều công trình ngầm được xây dựng theo kiểu đào lộ thiên, sau đó lấp đi, đó thường là các công trình ngầm đặt nông được gọi là công trình ngầm kiểu đào (giống công sự), với chiều dày lớp đất phía trên thậm chí lên đến hàng chục mét.

Kết cấu chịu lực của công trình ngầm là kết cấu chống đỡ thường gọi là kết cấu công trình ngầm , vỏ hầm, hay lớp lát, vì chống, áo hầm...

So sánh với công sự, do có chiều dày lớp đất đá phía trên công trình ngầm lớn nên trong quân sự đôi khi có thể sử dụng khái niệm công sự đặc biệt, vì vậy nó có các đặc điểm sau:

*) Ưu điểm

-Chống đỡ được tác dụng phá hoại cục bộ của bom đạn thường, giảm năng lượng sóng xung kích hạt nhân đến một phạm vi nhất định, chống được các loại bức xạ.

- Không phải sử lý các trường hợp phức tạp như đối với công sự nổi trên mặt đất (áp suất cao, sóng điện từ, nhiệt độ Platma...).

- Có điều kiện nguỵ trang tốt.

- Có khả năng chứa lớn.

*) Nhược điểm

- Diện thi công hạn chế, đặc điểm thi công phức tạp (địa chất, nước ngầm, an toàn lao động...).

- Phải có các trang thiết bị thi công chuyên dùng, có năng suất cao nhưng giá thành lớn.

- Khó khắc phục cứu chữa khi xảy ra sự cố như tai nạn, sập lở...

*) Đối tượng nghiên cứu.

- Nghiên cứu thiết kế tổ chức không gian bên trong công trình ngầm, lựa chon giải pháp mặt bằng tổng thể, mặt cắt, mặt bằng không gian sao cho đáp ứng tốt nhất những yêu cầu đặt ra trong nhiệm vụ chiến- kỹ thuật với giá thành rẻ nhất.

- Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu trong môi trường đất đá, nghiên cứu bài toán tương tác giữa kết cấu với môi trường đất đá, tính chất của môi trường đất đá và sự hình thành tải trọng tác dụng lên kết cấu công trình ngầm, hoàn thiện lý thuyết tính toán tải trọng (áp lực đất đá), cơ chế lan truyền sóng nổ trong đất và ảnh hưởng của nó đến sự làm việc của kết cấu, tính toán kết cấu...

- Công nghệ thi công công trình ngầm gồm phương pháp thi công, trang thiết bị, tổ chức thi công, nghiên cứu giải quyết các nội dung bổ trợ khác trong thi công công trình ngầm như thoát nước, thông gió, trục tải, an toàn...

*) Phân loại công trình ngầm (Trong quân sự).

+) Theo thời hạn sử dụng:

- Công trình ngầm lâu bền (vĩnh cửu).

- Công trình ngầm dã chiến.

+) Theo công dụng.

- Công trình ngầm ẩn nấp và chiến đấu.

- Công trình ngầm công dụng đặc biệt.

- Công trình ngầm kho.

+) Theo vị trí đặt hầm so với mặt đất.

- Công trình ngầm nằm ngang(gặp chủ yếu).

- Công trình ngầm nằm nghiêng.

- Công trình ngầm thẳng đứng (giếng đứng).

- Công trình ngầm kiểu hỗn hợp.

+) Theo kích thước, diện tích mặt cắt ngang đường hầm.

- Công trình ngầm khâu độ nhỏ: lo  4m; So  16m2.

- Công trình ngầm khâu độ trung bình: 4m  lo  10m; 16m2  So  60m2.

- Công trình ngầm khâu độ lớn : lo  10m; So  60m2.

Trong đó:

lo- Khâu độ thi công.

So- Diện tích mặt cắt ngang đường hầm khi đào.

+) Theo kết cấu chịu lực.

- Kết cấu nguyên khối.

- Kết cấu lắp ghép.

- Kết cấu hỗn hợp.

Ngoài ra trong một số trường hợp đất đá ổn định có thể không bố trí kết cấu chịu lực bên trong ta có công trình ngầm không chống hoặc công trình ngầm không lát.

+) Theo vật liệu kết cấu.

- Công trình ngầm làm bằng gỗ.

- Công trình ngầm gạch đá.

- Công trình ngầm bê tông cốt thép.

- Công trình ngầm bằng kim loại.

- Công trình ngầm bê tông phun kết hợp lưới thép...

2. Tác dụng của môi trường đất đá xung quanh tới công trình ngầm.

Công trình ngầm có khối đất đá bên trên khá lớn so với công sự kiểu đào, vì vậy điều kiện tự nhiên của môi trường đất đá xung quanh có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất làm việc của kết cấu và các hoạt động bên trong công trình ngầm. Tác dụng của môi trường đất đá lên công trình ngầm biểu hiện thông qua áp lực đất đá, áp lực đất đá lại phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất đá và đặc điểm cấu tạo của môi trường. Ngoài ra môi trường xung quanh còn ảnh hưởng tới công trình ngầm thông qua các tác dụng khác như nước ngầm, nhiệt độ...

Các tính chất cơ lý của đất đá được trình bày rất kỹ trong các tài liệu về cơ học đất, cơ học đá...Dưới đây chúng ta chỉ điểm qua một số tính chất cơ lý của đất đá.

Tính đồng nhất thể hiện thành phần cấu trúc của đất đá xung quanh công trình ngầm, nếu môi trường xung quanh công trình ngầm được cấu tạo bởi một loại đất đá thì đất đá đó coi là đồng nhất.

Tính đẳng hướng thể hiện hướng cấu trúc của môi trường. Tính đồng nhất và đẳng hướng ảnh hưởng quan trọng tới áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu công trình ngầm.

Tính nứt nẻ và phân lớp của đất đá là do quá trình kiến tạo gây nên. Đất đá càng bị nứt nẻ nhiều thì khả năng sinh ra áp lực tác dụng lên kết cấu công trình ngầm càng lớn, càng khó khăn trong khi đào và chống tạm. Sự phân lớp của đất đá là biểu hiện của tính không đồng nhất và không liên tục của đất đá, các lớp có thể có hướng bất kỳ: ngang, thẳng đứng hoặc xiên, giữa các lớp có thể có liên kết hoặc không có liên kết. Lớp càng mỏng càng dễ gây ra sập lở. Tính phân lớp còn gây nên áp lực không đồng đều, bất lợi đối với sự làm việc vủa kết cấu chịu lực cũng như trong thi công công trình ngầm. Ngoài ra nứt nẻ còn làm cho đất đá bị thấm nước, kém ổn định, nước từ các vết nứt gây ra nhiều phiền toái trong khi đào và đổ vỏ hầm. Thực tế khi xây dựng các đường hầm dài thường gặp phải hiện tượng phân lớp, trong những trường hợp đó cần bằng các biện pháp quy hoạch chọn trục hầm không song song với đường phương của các lớp đất đá mà phải hợp thành một góc nhất định để khỏi cắt chân các lớp đó.

Tính hoà tan của đất đá là khả năng bị hoà tan của nó trong nước, tính hoà tan liên quan đến thành phần cấu tạo của đá, thành phần và nồng độ của chất lỏng. Sự vận động của nước trong những khe nứt (đặc biệt nước ngầm có chứa các chất hoà tan) hoặc giữa các lớp sẽ làm tăng tốc độ hoà tan đối với các loại đất đá có thể bị hoà tan. Trong thiên nhiên, đá vôi do bị hoà tan thường tạo ra các hang động.

Tính trương nở : Đối với những loại đất đá có hàm lượng sét lớn như đất sét, diệp thạch sét hoặc các lại đá do vôi ninh kết, khi bị ninh kết sẽ phát sinh biến dạng và nở ra nhưng không phá vỡ cấu trúc của nó. Tính chất đó gọi là tính trương nở của đất đá, nó có thể làm tăng áp lực tác dụng lên kết cấu công trình ngầm, đặc biệt là về mùa mưa. Nguyên nhân của hiện tưọng đó có thể do áp lực địa tầng sinh ra, hoặc do các lỗ hổng mao dẫn hút nước mà tăng thể tích.

Tính phong hoá của đất đá là khả năng thay đổi thành phần cấu tạo của nó do tác dụng của nguyên nhân bên ngoài như mưa gió, áp suất, nhiệt độ...Do bị phong hoá, đất đá bị ăn mòn và trở nên yếu đi, bởi vậy đối với những khoang hầm không chống cần đặc biệt chú ý kiểm tra và có những biện pháp an toàn.

Để đánh giá đất đá và từ các tiêu chuẩn đó có thể xác định khả năng sinh ra áp lực tác dụng lên kết cấu công trình ngầm người ta tiến hành phân loại chúng. Có nhiều cách phân loại đất đá, những cách phân loại chính hay áp dụng trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm bao gồm:

- Phân loại theo nguồn gốc tạo thành.

- Phân loại theo hệ số độ cứng fkp.

Theo nguồn gốc tạo thành đất đá được phân làm 3 loại: Mácma, trầm tích và biến chất.

Đá mácma tạo thành do kết quả nguội lạnh của các chất silycát nóng chảy nằm trong nhân trái đất, thường ở dạng khối lớn (như granít, quăczít, bazan), nói chung rất thích hợp cho việc xây dựng công trình ngầm.

Đá trầm tích tạo thành từ các trầm tích vụn hữu cơ, hoá học và hỗn hợp (như đá vôi sa thạch, đôlômít, diệp thạch, sét...), có thể cấu tạo thành tầng hay lớp. Loại này hay thường gặp và tính chất của chúng rất khác nhau. Trong thực tế xây dựng công trình ngầm thường gặp đất đá loại này và cần đặc biệt chú ý tới chúng.

Đá biến chất được tạo thành do sự biến hoá sâu sắc của đá mácma hay trầm tích dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ cao (như đá hoa, thạch anh, đá sừngv.v.).

Cần chú ý rằng các loại đất đá trên đây và cách phân loại chúng được trình bày kỹ lưỡng trong các giáo trình chuyên sâu của các môn học địa chất đại cương và địa chất công trình, trong khuôn khổ giáo trình này chỉ nhắc lại những vấn đề chính có liên quan chặt chẽ tới lĩnh vực "công trình ngầm".

Phân loại theo hệ số độ cứng của Protodyakenov:

Hệ số độ cứng fkp biểu thị khả năng liên kết giữa các hạt đất đá đặc trưng cho độ bền của chúng. Bản chất vật lý của hệ số ta sẽ xét trong chương số 4-"áp lực đất đá". Theo giá trị hệ số fkp đất đá được phân ra 5 loại sau:

1. Loại rất cứng, fkp = 10  20 gồm các loại đá mácma và trầm tích cứng nhất, đá vôi và sạ thạch cứng nhất.

2. Loại cứng fkp = 5  8 như đá biến chất (quăczit, đá cứng), đá trầm tích dính kết (sạ thạch, đá vôi).

3. Loại cứng vừa, fkp = 1  4 như sạ thạch mềm, đá vôi mềm, cuội kết, đất sét chặt, hoàng thổ.

4. Loại yếu fkp = 0,6  0,8 như cát pha, sét pha, cát ẩm.

5. Loại không ổn định có fkp  0,3  0,5 như các loại đất cát pha, hoàng thổ và sét bị bão hoà nước, đá cuội, cát chảy, bùn v.v.

Bảng phân loại đất đá theo hệ số độ cứng fkp xem phụ lục "I".

Ngoài ra trong khoan nổ mìn người ta còn phân loại đất đá theo khả năng khoan của A.P.Xukhanov, theo các tham số địa kỹ thuật, cấu trúc tinh thể v.v.

Trên cơ sở phân loại trên đây chúng ta có thể sơ bộ đánh giá khả năng ổn định và sinh ra áp lực của đất đá cũng như những hiện tượng có thể xảy ra trong quá trình thi công và sử dụng.

Vỏ hầm nằm trong môi trường đất đá xung quanh, đối với một số phương pháp thi công đặc biệt như khiên đào, máy đào liên hợp... mép ngoài vỏ hầm luôn luôn tiếp xúc với đất đá bởi vậy các tính chất cơ học của đất đá có liên quan tới tác dụng tương hỗ hệ kết cấu-môi trường đất đá. Các loại đất đá có quan hệ ứng suất-biến dạng rất đa dạng và phức tạp nó không chỉ phụ thuộc vào bản thân đất đá mà còn phụ thuộc vào phương thức gia tải thời gian v.v. Do tính chất phức tạp và đa dạng của đất đá trong tự nhiên khó có thể xây dựng một mô hình vật lý tổng quát cho tất cả nhưng nhìn chung đó là một môi trường đàn-nhớt-dẻo. Các laọi đất đá thường gặp trong thực tế xây dựng công trình ngầm thường thuộc hai nhóm chính hoặc đàn-dẻo hay đàn-nhớt. Đối với đất đá rất cứng không có biến dạng dẻo và tuân theo cơ chế phá hoại dòn. Với đất đá cứng vừa và mềm giới hạn đàn hồi tuyến tính rất nhỏ và hầu như không tồn tại. Dưới tác dụng của tải trọng động do tốc độ gia tải nhanh nên biến dạng dư của đất đá xuất hiện chậm và giới hạn đàn hồi được tăng lên. Trong thực tế tính toán áp lực đất đá hiện nay người ta đã xây dựng được lời giải cho bài toán với mô hình vật lý tổng quát nhưng để đơn giản và thiên về an toàn người ta vẫn xem đất đá là môi trường đàn hồi với các đặc trưng bằng mô đun đàn hồi E và hệ số Poát-xông 0. Mặt khác để xét đến ảnh hưởng biến dạng ngoài đàn hồi người ta cần sử dụng mô đun biến dạng toàn bộ E0 (còn gọi là mô đun biến dạng dọc tổng quát). Giá trị thực nghiệm khi tính toán có thể tham khảo bảng (1-1), hay tính theo công thức thực nghiệm của GS S.S.Đavưđóv như sau:

Đá cứng fkp > 2; E0 = 10.000 fkp3 (T/m2)

Đá mềm fkp  2; E0 = 10.000 fkp2 (T/m2)

Giá trị E0 và 0.

Bảng1.1

Phân loại đất đá theo fkp E0 (T/m2) (x 105) 0

0,6 0,01 0,30,4

1,0 0,05 0,30,4

1,5 0,10 0,30,4

2,0 0,3 0,20,3

3,0 0,7 0,20,3

4,0 1,5 0,10,2

67 420 0,10,2

 8 34 0,10,2

Trong tính toán kết cấu công trình ngầm đặc trưng đàn hồi của đất đá còn được biểu thị bằng hệ số nền K. Hệ số nền phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tải trọng, kích thước kết cấu, tính chất của đất đá, nhưng để đơn giản hoá mà vẫn bảo đảm độ chính xác cần thiết có thể xem xét giá trị của nó là hằng số đối với từng loại đất đá (bảng 1-2).

Để phân biệt tính chất làm việc khác nhau của đất đá ở hông tường và chân tường theo thứ tự đó hệ số nền được ký hiệu là K và K0, quan hệ thực nghiệm giữa K và K0 là K0  1,25 K.

Giá trị hệ số nền K và Ko. Bảng 1-2

Hệ số độ cứng fkp K (T/m3) (x 105) K0 (T/m3)

0,6 0,03  0,05

1,0 0,06  0,12

1,5 0,12  0,2

2 0,2  0,3 K0¬  1,25K

3 0,3  0,4

4 0,4  0,6

5 0,6  0,8

6 0,8  1,2

 8 1,2  2

Các đặc trưng bền của đất đá phụ thuộc vào lực dính giữa các hạt, thành phần cấu tạo, tính phân lớp, nứt nẻ, nhiệt độ, độ ẩm và phương thức gia tải. Về giá trị ta có Rn > Rc > Rk, trong đó theo thứ tự ta có cường độ chịu nén, chịu cắt và chịu kéo. Tương quan giữa cường độ chịu nén và chịu kéo giới hạn đối với mỗi loại đất đá khác nhau và nằm trong khoảng.

(1.1)

Giá trị chính xác của các đại lượng trên đây phải được xác định thông qua thực nghiệm với các mẫu hiện trường. Trong tính toán gần đúng có thể sử dụng công thức thực nghiệm sau:

Rn  100 fkp (Kg/cm2) (1.2)

Để xét đến khả năng suy giảm độ bền do tính nứt nẻ gây ra, người ta đưa vào hệ số nứt nẻ, ký hiệu là KTP, giá trị của KTP = 0,7  0,35 khi đó:

Rn = 100.fkp . KTP (Kg/cm3) (1.3)

Dưới tác dụng của các vụ nổ hạt nhân, trong đất đá sẽ xuất hiện và lan truyền sóng chấn động từ tâm nổ, sóng nén. Các đặc trưng lan truyền sóng phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất đá và thường bao gồm tốc độ lan truyền sóng biến dạng đàn hồi và dẻo.

Tốc độ lan truyền sóng biến dạng đàn hồi xác định theo công thức sau:

(1.4)

Trong đó:

E0: Mô đun biến dạng toàn bộ (T/m2)

: Mật độ đất đá (T.s2/m4).

: Hệ số xét đến biến dạng nở hông của đất đá.

Trong thiết kế có thể lấy gần đúng như sau:

fkp  3 thì  = 1,1

fkp < 3 thì  = 1,35

Tốc độ lan truyền biến dạng dẻo có thể lấy gần đúng như sau:

a1 = (0,25  0,5)a0 (m/sec)

Khi thiết kế công trình ngầm cần phải xét tới khả năng xuyên và phá hoại của bom đạn thường trong môi trường đất đá, khi đó các đặc trưng của môi trường đất đá là hệ số xuyên Kx và hệ số phá hoại Kp. Các giá trị a0, a1, Kx và Kp đã trình bày rõ trong giáo trình công sự và có thể tham khảo trong bảng (1-3).

Giá trị Kx, Kp, a0 và a1. Bảng 1-3

Loại đất đá Kx(x 10-6) Kp a0 (m/s) a1 (m/s)

Đá cứng 10 1,6 0,509 6430 16083215

8 2,0 0,533 4460 11152230

Đá cứng và cứng vừa 6 3 0,557 2930 733  1465

5 3 0,557 2230 558  1115

4 3 0,557 1570 393  785

3 4 0,570 1080 270  540

Đất đá mềm vừa 2 4,5 0,576 665 166  333

1,5 4,5 0,594 385 97  193

Đất mềm 1 5 0,600 270 68  135

0,8 5 0,620 230 58  115

0,6 9 0,678 178 45  89

3. Chiều dày đất đá bảo vệ bên trên công trình ngầm (bom đạn thường, sóng xung kích hạt nhân).

*) Chiều dày đất đá bảo vệ trên công trình ngầm dưới tác dụng của bom đạn thường.

Chiều dầy đất đá bảo vệ an toàn nhỏ nhất trên công trình ngầm dưới tác dụng của bom đạn thường là chiều dày đất đá làm tiêu hao hết năng lượng nổ của bom đạn lên công trình ngầm. Nghĩa là dưới lớp đất đá này có thể xem như công trình ngầm không chịu tác dụng phá hoại của bom đạn thường.

Giá trị của chiều dày đất đá trên đây được xác định trên cơ sở các thông số về bom đạn và tính chất của môi trường đất đá theo công thức thực nghiệm sau đây:

HBV = hx + Krp - T + h (1.5)

Hình 1.1 Chiều dày đất đá bảo vệ dưới tác dụng của bom đạn thường.

Các ký hiệu xem trên hình vẽ trong đó:

Krp - Hệ số an toàn lấy như sau:

- Công trình ngầm dã chiến K = 1,2

- Công trình ngầm lâu dài K = 1,4

- Công trình ngầm quan trọng K = 1,75

- Công trình ngầm không chống (không có vỏ bê tông cốt thép hay vỏ bằng các vật liệu khác chịu lực) K = 2.

- T: Khoảng cách từ tâm nổ đến điểm thấp nhất của đầu đạn, giá trị của nó tuỳ thuộc vào loại bom đạn, trong thiết kế có thể lấy các giá trị sau:

= 1/3 l0 với bom đạn không quân

= 1/2 d với đạn pháo

h: Chiều cao kể đến mặt đất nghiêng:

h = (hx - T) tg  tg  (m)

hx = Chiều sâu xuyên của bom đạn và được xác định theo công thức thực nghiệm sau đây:

12: Các hệ số phụ thuộc vào hình dạng và cỡ của bom đạn, trong thiết kế thường lấy  = 12 = 1,3 với bom Mỹ và  = 1 với đạn pháo.

Kx: Hệ số xuyên của môi trường đất đá, giá trị của Kxlấy theo bảng (1-3).

d: Đường kính bom đạn tính bằng mét (m).

V0: Tốc độ chạm của bom đạn, V0 có thể tính theo các công thức trong giáo trình công sự, có thể lấy các giá trị sau đây để thiết kế:

V0 = 250  400 m/sec đối với đạn pháo.

V0 = 350  400 m/sec đối với bom.

: Góc lập với bởi đường thẳng đứng và tiếp tuyến quỹ đạo đường đạn tại điểm chạm, giá trị  lấy như sau:

 = 0  200 đối với bom

 = 350 đối với pháo

n: Hệ số xuyên lệch, lấy gần đúng bằng 1.

rp: Bán kính phá hoại của bom đạn trong môi trường đất đá, rp xác định theo công thức sau:

Trong đó:

Kp: Hệ số phá hoại, giá trị của nó tuỳ thuộc vào loại đất đá và lấy theo bảng (1.3).

C: Lượng thuốc nổ hữu hiệu, trong thiết kế có thể lấy trọng lượng toàn bộ khối thuốc (kg).

m: Hệ số lèn, lấy theo bảng (1.4)- GT T1 tr20.

Trong trường hợp môi trường nhiều lớp như trên hình vẽ (1.2) thì chiều sâu xuyên hx và bán kính phá hoại rp có thể xác định theo công thức qui đổi tương đương như sau:

Trong đó:

h(n-1): Chiều dày lớp (n-1) (m)

hx(n-1): Chiều sâu xuyên tính theo lớp thứ (n-1) (m).

y(n): Khoảng cách từ tâm nổ đến mép trên của lớp thứ (n+1) (m).

rp: Bán kính phá hoại tính theo lớp thứ n (m).

Kx(1), Kx(2).... Kx(n+1): Hệ số xuyên tương ứng với các lớp 1, 2...n, (n + 1)

Kp(1), Kp(2).... Kp(n+1): Hệ số phá hoại tương ứng với các lớp 1, 2...n, (n + 1)

Hình 1.2 Chiều dày đất đá bảo vệ trong môi trường nhiều lớp

Hình 1.3 Trường hợp gia cố thêm lớp chắn đạn

Sau khi tính được chiều sâu xuyên hx, bán kính phá hoại rp, tính chiều dày an toàn nhỏ nhất hBV.

Để bảo đảm cho năng lượng nổ tập trung về phía mặt đất, chiều dày đất đá bảo vệ an toàn nhỏ nhất phải thoả mãn điều kiện sau:

hBV  2 hx

Khi lớp đất đá ở bên trên công trình ngầm mỏng (thường ở lối ra vào), hoặc do những yêu cầu đặc biệt cần phải bố trí thêm lớp chắn đạn (hình 1.3), khi đó chiều dày lớp chắn đạn có thể tính toán như trong giáo trình công sự theo công thức sau:

hBV  hTx + Krp - T.

Trong đó:

hTx: Chiều sâu xuyên trong lớp chắn đạn

*) Chiều dày đất đá bảo vệ trên công trình ngầm dưới tác dụng của sóng xung kích hạt nhân.

Chiều dày đất đá bảo vệ an toàn nhỏ nhất trên công trình ngầm dưới tác dụng của sóng xung kích hạt nhân là chiều dày đảm bảo sao cho dưới tác dụng của sóng xung kích, cột đất đá trên công trình ngầm không bị sụt xuống.

Nếu xem tác dụng của sóng xung kích như là một tải trọng ngoài thì có thể tính toán được chiều dày đất đá nêu trên từ việc xét điều kiện cân bằng tĩnh của cột đất đá. Ta sẽ xét điều kiện cân bằng như trên hình vẽ 1 - 4 như sau:

Tổng các lực theo phương thẳng đứng:

Kđ.Pmđa1 = H.a1. = H.C + H. f

Trong đó:

Kđ: Hệ số động lực, với tải trọng tác dụng trên mặt đất có thể lấy gần đúng Kđ = 2.

Pmđ : Siêu áp sóng xung kích trên mặt đất (T/m2)

a1: Chiều rộng vòm áp lực

: Góc ma sát trong.

hk: Chiều cao toàn bộ kết cấu.

: Trọng lượng thể tích của đất đá (T/m3)

C: Lực dính trên đơn vị diện tích, có thể lấy giá trị gần đúng C= Rk=10.fkp (T/m2)

f: Lực ma sát trên đơn vị diện tích do tải trọng động nằm ngang sinh ra và có thể tính như sau:

f =  . Kđ . Pmđ .  (T/m2)

: Hệ số áp lực hông

: Hệ số ma sát giữa các hạt đất đá,  = 0,5.

Hình 1.4 Chiều dày đất đá bảo vệ dưới tác dụng của sóng xung kích hạt nhân

Thay các giá trị trên vào biểu thức ( ), sau khi rút gọn ta được

2. Pmđ . a1 + H. a1.  = H (10. fkp + . Pmđ)

Từ đó:

Chiều dày đất đá Hbv phải thoả mãn điều kiện hình thành vòm áp lực khi không có sóng xung kích tác dụng, tức là:

Trong đó h1 là chiều cao vòm áp lực, việc tính toán giá trị h1 sẽ xét ở chương V: tính toán áp lực đất đá.

Trong nhiều trường hợp, phía trên mặt đất thường tồn tại lớp đất trồng trọt mềm tuỳ thuộc vào chiều dày của nó mà có thể bỏ qua trong tính toán.

4. Trụ bảo vệ (áp lực đất đá, bom đạn thường, bom đạn hạt nhân).

Trụ bảo vệ là phần đất đá còn lại giữa hai đường thông hoặc hai buồng kề nhau (hình 1.5). Muốn cho phần đất đá trong trụ bảo vệ được ổn định, không bị phá hoại do sự thay đổi trường ứng suất, biến dạng tạo bởi sự xuất hiện của các khoang hầm cần phải xác định chiều rộng tối thiểu của nó. Chiều rộng tối thiểu đó ta ký hiệu là TBV, giá trị TBV phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất của môi trường đất đá, tác dụng của các phương diện phá hoại, phương pháp thi công v.v.

Hình 1.5 Trụ bảo vệ giữa hai công trình

Dưới đây chúng ta sẽ xét những phương pháp tính toán trụ bảo vệ dưới tác dụng của môi trường đất đá qua trọng lượng bản thân đất đá và của các loại vũ khí.

*) Tính toán chiều rộng tối thiểu của trụ bảo vệ TBV dưới tác dụng của trọng lượng bản thân đất đá.

Các phương pháp tính toán TBV tuỳ thuộc vào tính chất của môi trường đất đá xung quanh và tồn tại hai nhóm sau đây:

- Nhóm thứ nhất dựa theo giả thiết đất đá là vật thể rời rạc, đại diện của nhóm này là phương pháp của M.M.PrôtôđyaKônov.

- Nhóm thứ hai dựa trên cơ sở xem đất đá là môi trường liên tục, trong đó phương pháp của P.M.Simbarevich xem đất đá như môi trường đàn hồi là đơn giản và phổ biến hơn.

Trong thực tế thiết kế công trình ngầm hiện nay do đơn giản và thiên về an toàn, phương pháp của M.M.PrôtôđyaKônov được sử dụng rộng rãi và sau đây cũng chỉ trình bày phương phương pháp đó.

Tư tưởng chính của M.M.PrôtôđyaKônov là xem đất đá như vật thể rời rạc ở một mức độ nào đó và trên mỗi công trình ngầm sẽ hình thành một vòm áp lực riêng, như vậy khi nào hai công trình ngầm đủ gần nhau để hình thành vòm áp lực chung, nói cách khác giá trị T¬BV là bao nhiêu để không xảy ra quá trình đó. Xét sơ đồ tính toán như trên hình (1.6) ta thấy trọng lượng cột đất đá phía trên vòm áp lực được truyền cho trụ bảo vệ và sinh ra ứng suất phụ trong đó. Nếu chiều sâu đặt công trình lớn hoặc chiều rộng trụ bảo vệ nhỏ, ứng suất phụ có thể vượt quá giới hạn bền của đất đá làm cho trụ bảo vệ bị phá hoại và vòm áp lực mất chỗ tựa. Dựa vào giá trị và quy luật phân bố của ứng suất phụ có thể tính toán được giá trị của TBV. Giả thiết ứng suất phụ phân bố tam giác, cường độ lớn nhất là n, chiều rộng phân bố là S, xét điều kiện cân bằng theo phương thẳng đứng ta có:

Hình 1.6 Sơ đồ tính trụ bảo vệ.

Để đơn giản ta xem như toàn bộ cột đất đá trên công trình được truyền cho trụ bảo vệ, tức là bỏ qua thành phần thứ hai của vế trái:

Trong biểu thức trên hai giá trị n và S là chưa biết, giá trị của chúng được M.M.PrôtôđyaKônov xác định qua thí nghiệm theo quan hệ sau:

Thay ( ) vào ( ) ta được:

Giải phương trình trên ứng với chiều rộng trụ bảo vệ bằng 2S, đồng thời xét đến hệ số an toàn K = 2 ta được:

Khi tồn tại nhiều lớp đất đá:

Trong đó:

a - Một nửa khẩu độ thi công của công trình ngầm (m)

H - Chiều sâu từ mặt đất đến đỉnh công trình (m)

 - Trọng lượng thể tích của đất đá (T/m3)

Nếu các công trình ngầm kề nhau có khâu độ khác nhau là 2a1 và 2a2 giá trị a tính toán sẽ là:

Trong thực tế để đảm bảo an toàn trong thi công ngưòi ta quy định như sau:

TBV  2.a (m)

Với đá mềm TBV  4 m

Với đá cứng TBV  3 m

Nếu vì một điều kiện bắt buộc nào đó phải lấy giá trị TBV nhỏ hơn giá trị TBV tính toán, khi đó phải xem là trụ bảo vệ không tồn tại và giữa hai công trình ngầm kề nhau hình thành một vòm áp lực chung.

*) Tính toán chiều rộng tối thiểu của trụ bảo vệ TBV dưới tác dụng của sóng xung kích hạt nhân.

Nếu xem tác dụng của sóng xung kích hạt nhân như là tải trọng ngoài xác định (xem tính toán chiều dầy đất đá bảo vệ) thì có thể áp dụng công thức ở phần trước như sau:

và:

*) Tính toán chiều rộng tối thiểu của trụ bảo vệ TBV dưới tác dụng của bom đạn thường.

Khi thiết kế công trình ngầm chịu tác dụng của bom đạn thường, giá trị của TBV phải thoả mãn điều kiện tính toán theo trọng lượng bản thân của đất đá và thoả mãn điều kiện tính theo tác dụng nổ. Giá trị TBV khi tính toán theo tác dụng của bom đạn xuất phát từ điều kiện sao cho khi nổ của bom đạn dự kiến không đồng thời ảnh hưởng đến cả hai hầm kề nhau.

Hình 1.7 Sơ đồ xác định trụ bảo vệ chịu tác dụng của bom đạn thường

a.Công trình ngầm dã chiến b.Công trình ngầm lâu bền

Giá trị TBV xác định theo sơ đồ trên hình (1.7) theo các công thức sau:

- Đối với công trình ngầm dã chiến.

TBV   . rp - 2a (m)

- Đối với công trình ngầm lâu dài

TBV  2.  . rp - 2a (m)

Trong các công thức trên đây có:

r = H - hx + T

Trong đó: H - chiều dày đất đá bên trên công trình ngầm.

Giá trị TBV giữa hai kho chứa thuốc nổ, bom đạn tính toán theo các công thức sau đây:

- Nếu chỉ một bên chứa thuốc nổ:

- Nếu hai bên đều chứa thuốc nổ:

- Đối với kho chứa bom đạn:

Nếu chiều dài của kho thuốc nổ lớn hơn 8 lần chiều rộng thì chỉ tính lượng thuốc trong phạm vi dài bằng 8 lần chiều rộng mà thôi.

Đối với trường hợp bố trí các kho thuốc nổ ngầm theo từng nhóm thì theo giá trị TBV của trụ bảo vệ giữa các nhóm như trên hình vẽ (1.8,1.9) vẫn tính theo công thức (1.18) hoặc công thức (1.19) nhưng trong đó lượng thuốc nổ C lấy bằng lượng thuốc tổng cộng trong một nhóm.

Hình 1.8 Trụ bảo vệ giữa các kho.

Hình 1.9 Trụ bảo vệ giữa các nhóm kho.

Trụ bảo vệ giữa hai kho kề nhau trong một nhóm có thể giảm xuống và xác định từ điều kiện sao cho khi nổ ở một kho không gây nên nổ trong các kho lân cận của nhóm đó. Trong trường hợp này kích thước trụ bảo vệ tính toán theo các công thức sau đây:

- Đối với kho thuốc nổ:

- Đối với kho đạn:

Trong các công thức trên:

C: Lượng thuốc nổ trong mỗi kho (kg).

CT: Lượng thuốc nổ tổng cộng trong một nhóm (kg)

KP: Hệ số phá hoại của môi trường đất đá

m: Hệ số lèn; trong tất cả các trường hợp đều lấy m = 1,65.

Lối ra vào các kho được nối liền với đường thông của công trình ngầm và để bảo đảm an toàn nên đặt các cửa bảo vệ. Chiều dài lối ra vào kho nối với đường thông phải thoả mãn điều kiện.

5. Trình tự thiết kế công trình ngầm lâu bền.

Quá trình thiết kế công trình ngầm cũng như các công trình khác phải tuân thủ theo thứ tự nhất định như đã ban hành trong các văn bản của Nhà nước. Thứ tự thiết kế một công trình ngầm lâu dài thường gồm các bước sau đây:

*) Thiết kế nhiệm vụ.

Để lập nhiệm vụ chiến - kỹ thuật chính xác phù hợp với yêu cầu sử dụng cần phải tiến hành các công việc dưới đây:

a. Nêu ra các yêu cầu về chiến kỹ thuật:

Những yêu cầu đó như đã trình bày ở phần trên là vai trò nhiệm vụ của công trình, các thành phần của nó, những yêu cầu chiến thuật và kỹ thuật chủ yếu và các vấn đề khác. Văn bản này do cấp trên quyết định và số người tham gia chỉ cho phép trong diện hẹp, nó chưa thể làm tài liệu cho trước để thiết kế vì chưa đầy đủ. Bởi vậy trên cơ sở đó cần phải tiến hành bổ xung để đề ra nhiệm vụ chiến-kỹ thuật cho công trình, trong đó công tác tiến hành chọn vị trí và khảo sát địa hình, địa chất công trình đóng vai trò quan trọng.

b. Chọn vị trí xây dựng công trình:

Để chọn vị trí xây dựng công trình ngầm phải thành lập ban gồm đại diện các bên: đặt hàng (sử dụng) đại diện thiết kế và các cán bộ kỹ thuật trực tiếp tham gia thiết kế công trình.

Khi lựa chọn vị trí xây dựng công trình cần quán triệt các yêu cầu chiến-kỹ thuật đã đưa ra và nghiên cứu kỹ lưỡng các số liệu về:

- Điều kiện địa hình, địa chất công trình, địa chất thuỷ văn, khí hậu và thời tiết khu vực xây dựng.

- Tình hình kinh tế, sản xuất nơi xây dựng, các công trình xung quanh.

- Tình hình dân cư và khả năng thu đất, rời dân giải phóng mặt bằng.

- Khả năng sử dụng mạng giao thông có sẵn, đảm bảo điện và nước v.v.

Trên cơ sở các số liệu đã có, đề xuất các vị trí bố trí công trình và tính toán các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật, so sánh lựa chọn vị trí cuối cùng. Khi kết thúc giai đoạn này phải lập văn bản về việc lựa chọn vị trí xây dựng công trình.

c. Tiến hành đo đạc khảo sát địa hình, địa chất công trình và địa chất thuỷ văn.

Khảo sát địa hình bao gồm:

- Đo vẽ bình đồ khu vực đặt công trình theo tỷ lệ qui định đối với thiết kế. Bản đồ Nhà nước hiện chỉ có tỉ lệ 1/25.000 đối với đồng bằng và 1/100.000 đối với khu vực đồi núi. Còn đối với ku vực đặt công trình tỉ lệ bình đồ cần có thường là 1/1.000  1/2.000.

- Đo đạc lập mạng khống chế cao trình các cửa hầm theo các yêu cầu chiến-thuật đã xác định.

Khảo sát địa chất công trình, địa chất thuỷ văn gồm:

- Quan sát các vết lộ, khoan lấy mẫu nhằm xác định các tính chất cơ lý của đất đá kết hợp với bình đồ lập các mặt cắt địa tầng v.v.

- Xác định mực nước ngầm, nguồn nước ngầm, chú ý các nguồn nước có thể sử dụng cho quá trình thi công sau này:

Về tổ chức lực lượng thường sử dụng hai đội đo đạc địa hình và địa chất với những phương tiện cần thiết, chú ý tới các phương tiện gọn nhẹ thủ công nhưng phải đảm bảo độ chính xác cho phép theo quy định của thiết kế.

Trên cơ sở yêu cầu chiến - kỹ thuật, kết quả lựa chọn vị trí và các số liệu và khảo sát địa hình, địa chất lập ra nhiệm vụ chiến-kỹ thuật-đó là nội dung của giai đoạn thiết kế nhiệm vụ, đây cũng là tài liệu trực tiếp để thiết kế.

Trong nhiệm vụ chiến - kỹ thuật cần nêu ra các nội dung sau đây:

- Chức năng và qui mô công trình.

- Khu vực và vị trí xây dựng công trình

- Thời hạn và giai đoạn thiết kế.

- Cấp kháng lực của công trình.

- Các phương án sử dụng công trình trong thời bình và thời chiến.

- Danh mục các buồng, những yêu cầu và mối quan hệ giữa chúng, định mức diện tích các buồng chính.

- Các số liệu về những thiết bị phi tiêu chuẩn.

- Các yêu cầu về thông gió điều hoà nhiệt độ.

- Các yêu cầu về điện, nước v.v.

Sau khi có nhiệm vụ chiến kỹ thuật cơ quan chức năng sẽ tiến hành các giai đoạn thiết kế.

*) Các giai đoạn thiết kế.

Các giai đoạn thiết kế công trình ngầm cũng giống như những quy định Nhà nước hiện hành gồm 3 giai đoạn:

a. Thiết kế sơ bộ.

Tiến hành trên cơ sở của nhiệm vụ chiến kỹ thuật cùng với các văn bản của hội đồng lựa chọn vị trí, các hồ sơ về khảo sát địa hình và địa chất. Mục đích của thiết kế sơ bộ là tìm ra được phương án thiết kế hợp lý, đáp ứng được các yêu cầu nhiệm vụ của công trình và vị trí xây dựng, đưa ra các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật cơ bản và lập khai toán.

Nội dung cơ bản của thiết kế sơ bộ gồm:

- Thiết kế quá trình công nghệ trong công trình ngầm.

- Thiết kế mặt bằng, mặt cắt công trình.

- Bố trí hệ thống thiết bị bên trong.

- Thống kê, tính toán khối lượng các loại vật liệu, thiết bị.

- Lập dự toán.

b. Thiết kế kỹ thuật.

Được tiến hành sau khi phê duyệt thiết kế sơ bộ và nhằm mục đích xác định lại các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật và giá thành công trình, hoàn chỉnh các bộ phận được thiết kế để giao cho bên thi công và chọn các trang thiết bị máy móc cho công trình.

Nội dung cơ bản của thiết kế kỹ thuật gồm:

- Tính toán khả năng chịu lực của các bộ phận, kết cấu cơ bản theo các phương tiện sát thương đã định, lựa chọn kích thước kết cấu để tiến hành thi công hoặc quyết định sử dụng các cấu kiện chế thức.

- Tính toán các chỉ tiêu về thiết bị bên trong công trình, lựa chọn các thiết bị thích hợp.

- Hoàn chỉnh lại các bộ phận trong công trình, các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật v.v...

- Hoàn chỉnh lại dự toán.

c. Các bản vẽ thi công:

Các bản vẽ thi công thường được tiến hành sau khi đã phê duyệt các giai đoạn trước nhằm mục đích hoàn thiện các bản thiết kế ở mức độ chi tiết và đầy đủ hơn để có thể đảm bảo thi công đúng, chính xác. Các bộ phận và chi tiết theo thiết kế mẫu thì sử dụng theo các bản vẽ thi công đã có sẵn.

Tỷ lệ các bản vẽ thường quy định như sau:

- Mặt bằng công trình 1/100  1/50.

- Mặt cắt công trình 1/25  1/50.

- Các chi tiết 1/20  1/10  1/5.

Trong thực tế khi thiết kế các công trình ngầm lâu bền có thể tiến hành theo 2 hoặc 3 giai đoạn. Đối với những công trình đặc biệt quan trọng quá trình công nghệ và thiết bị bên trong phức tạp thường thiết kế theo 3 giai đoạn như trên. Còn đối với các công trình bình thường, sử dụng được nhiều thiết kế mẫu thì thường thiết kế theo hai giai đoạn, tức là kết hợp giai đoạn thiết kế sơ bộ và thiết kế kỹ thuật làm một.

Để rút ngắn thời gian thiết kế và giảm giá thành xây dựng phương hướng hiện nay là sử dụng các thiết kế mẫu. Đối với công trình ngầm, thiết kế mẫu có thể thực hiện theo các hướng sau:

- Nghiên cứu các khẩu độ mẫu.

- Nghiên cứu các quy hoạch mẫu.

- Nghiên cứu các cấu kiện mẫu, chi tiết mẫu.

Đối với công trình ngầm dã chiến, thứ tự và giai đoạn thiết kế được đơn giản hơn nhiều do những yêu cầu, nhiệm vụ cấp bách của nó. Thậm chí có trường hợp vừa thiết kế bản vẽ thi công vừa thi công. Cần hết sức chú ý tận dụng các thiết kế mẫu, sử dụng tối đa các vật liệu tại chỗ.

6. Các yếu tố ảnh hưởng tới thiết kế công trình ngầm.

Thiết kế công trình ngầm cũng như những công trình xây dựng khác bao gồm những nội dung cơ bản là: lựa chọn vị trí, giải pháp mặt bằng tổng thể, giải quyết các vấn đề kỹ thuật và thiết bị bên trong, các biện pháp và tổ chức thi công v.v. Những nội dung đó phụ thuộc vào nhiều yếu tố gồm: yêu cầu chiến - kỹ thuật, điều kiện địa hình - địa chất, thời hạn xây dựng công trình và điều kiện kinh tế.

*) Yêu cầu chiến - kỹ thuật.

Các yêu cầu chiến kỹ thuật có ảnh hưởng tới các nội dung sau đây:

- Chức năng, qui mô và vị trí công trình trong hệ thống công trình và những nhiệm vụ đặc biệt trong chiến tranh. Ví dụ như các công trình ngầm ẩn nấp và chiến đấu, các sở chỉ huy, các công trình ngầm kho vũ khí và các phương tiện phòng thủ quốc gia, các nhà máy ngầm v.v.

- Các thiết bị kỹ thuật và thiết bị phục vụ khác.

- Danh mục và yêu cầu đối với các buồng, mối liên hệ giữa chúng.

- Bảo đảm công trình chống được tác dụng của các phương tiện sát thương theo dự kiến.

- Thời hạn đưa công trình vào phục vụ.

Các yêu cầu về chiến - kỹ thuật nói chung là yếu tố quyết định nhiệm vụ thiết kế.

*) Điều kiện địa hình - địa chất: có ảnh hưởng tới các nội dung sau:

- Vị trí công trình và kiểu loại lối ra vào.

- Chiều sâu đặt công trình.

- Qui mô, hình dạng mặt bằng.

- Khẩu độ công trình và kiểu loại kết cấu chịu lực.

- Khả năng tận dụng địa hình để làm giảm tác dụng sát thương của các loại vũ khí và tự vệ đầu hầm.

- Điều kiện thông gió và bố trí thiết bị bên trong.

- Khả năng bố trí mặt bằng thi công, các biện pháp kỹ thuật và tổ chức trong quá trình thi công.

- Khả năng tận dụng địa hình để nguỵ trang lối ra vào v.v.

*) Thời gian xây dựng công trình và điều kiện kinh tế xây dựng có liên quan tới các nội dung như thời hạn phục vụ của công trình:

Công trình lâu bền hay dã chiến, vốn và khả năng cung cấp nhân lực, phương tiện thiết bị thi công và vật liệu xây dựng v.v. những nội dung đó có ảnh hưởng tới các vấn đề cụ thể như:

- Qui mô công trình và các thiết bị phục vụ khác.

- Giải pháp mặt bằng và kết cấu công trình.

- Khả năng đảm bảo tiến độ cho từng giai đoạn và cho cả quá trình xây dựng v.v.

Khi thiết kế công trình ngầm-cũng như đối với các công trình bất kỳ khác trên mặt đất, cần phải xét tới tất cả các yếu tố trong mối quan hệ chặt chẽ với nhau và trên cơ sở so sánh những phương án khả dĩ, lựa chọn phương án tối ưu nhất.

7. Lối ra vào công trình ngầm.

Lối ra vào là bộ phận quan trọng nhất và cũng là khâu yếu nhất của công trình ngầm, nó có chức năng nối bên trong với bên ngoài (liên hệ giữa công trình ngầm mặt đất), nó có ảnh hưởng lớn tới đảm bảo và sức sống công trình.

Thiết kế lối ra vào phải thoả mãn các yêu cầu sau đây:

- Đảm bảo giao thông thuận tiện với môi trường bên ngoài, thực hiện tốt chức năng trong quá trình sử dụng ứng với nhiệm vụ chiến kỹ thuật.

- Chống được các phương tiện sát thương theo dự kiến.

- Có điều kiện nguỵ trang kín đáo, được bảo vệ và tự vệ tốt.

*) Phân loại lối ra vào.

Lối ra vào có thể phân loại theo công dụng, theo đặc tính sử dụng trong thời gian tác dụng của các phương tiện sát thương và theo vị trí của nó so với mặt đất.

a. Theo công dụng: Có thể chia thành lối ra vào chính và lối ra vào phụ (dự bị). Lối ra vào chính dùng để hoàn thành chức năng công nghệ của công trình. Đối với sở chỉ huy, đài quan sát, dùng cho người đi lại, đối với kho tàng: dùng để vận chuyển hàng hoá, đối với tầu điện ngầm: cho người ra vào v.v.

Lối ra vào phụ có nhiệm vụ bổ trợ, thay thế cho lối ra vào chính.

b. Theo đặc tính sử dụng có thể phân ra 3 loại sau đây:

- Loại sử dụng trong mọi tình huống (trước, sau và trong thời gian có tác dụng của phương tiện sát thương).

- Loại chỉ cho phép từng người một ra khỏi công trình ngầm trong thời gian tác dụng của các phương tiện sát thương.

- Loại chỉ sử dụng trong một thời gian nhất định như đưa trang thiết bị có kích thước lớn vào hoặc tăng diện tích tác nghiệp trong thi công v.v.

c. Theo vị trí so với mặt đất gồm các loại sau đây.

- Lối ra vào nằm ngang, thường được xây dựng ở nơi địa hình đồi núi có góc dốc hơn 300 nên nhanh chóng đạt được chiều dầy bảo vệ cần thiết. Lối ra vào nằm ngang rất thuận tiện cho việc sử dụng cũng như trong quá trình thi công, nó cho phép sử dụng rộng rãi các phương tiện cơ giới, thoát nước thuận tiện.

Hình 1.10 Các kiểu lối ra vào

a. Nằm ngang b.Nằm nghiêng c. Thẳng đứng

Lối ra vào nằm nghiêng thường được xây dựng ở những địa hình thoải với góc dốc nhỏ nhằm mục đích nhanh chóng đưa công trình đạt được chiều dầy đất đá bảo vệ cần thiết. Loại này không thuận tiện trong sử dụng, thi công và thoát nước khó. Góc nghiêng của lối ra vào không những phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng mà còn phụ thuộc vào tính chất của môi trường đất đá, thông thường có thể lấy như sau:

Trong đất đá đó yếu   300

Trong đất đá trung bình   450

Khi   200 để cho người đi lại được dễ dàng phải làm bậc lên xuống khi  = 150  200 thường chỉ kẻ ô chống trượt là đủ.

- Lối ra vào thẳng đứng (giếng đứng) thường được xây dựng ở những nơi địa hình bằng phẳng. Loại này sử dụng không thuận tiện, thi công và thoát nước khó khăn và đòi hỏi phải có trang thiết bị chuyên dùng, tuy vậy lối ra vào thẳng đứng có ưu điểm là ổn định dưới tác dụng của sóng nổ hạt nhân.

Đối với các công trình ngầm quân sự, thường các lối ra vào thẳng đứng hoặc nằm nghiêng chỉ sử dụng khi có yêu cầu đặt ra như nối đài quan sát với sở chỉ huy, rút ngắn dây ăng ten v.v. hoặc do những lý do kỹ thuật thuần tuý như làm cửa thông hơi, vận chuyển trang thiết bị lớn v.v.

*) Thiết kế lối ra vào

Thiết kế lối ra vào phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ của công trình và điều kiện địa hình nơi xây dựng và bao gồm các nội dung chính: chọn kiểu loại, xác định số lượng mức độ bảo vệ của mỗi cửa, khoảng cách giữa chúng, giải quyết những vấn đề về kết cấu, số lượng, kiểu loại và vị trí cửa bảo vệ, đoạn phòng độc.

Số lượng lối ra vào phụ thuộc vào chức năng của công trình và điều kiện tác dụng của vũ khí sát thương. Trong trường hợp chỉ có bom đạn thường tác dụng nếu số lượng lối ra vào tăng lên thì mức độ bảo vệ của công trình tăng lên. Nhưng đối với vũ khí hạt nhân thì khi nổ, nó tác dụng lên một diện tích khá lớn, dẫn đến kết quả tất cả các lối ra vào của công trình có thể đều nằm trong vùng sát thương. Ngoài hai yếu tố trên khi xác định số lượng cửa ra vào còn phải căn cứ vào những yếu tố khác như thời hạn xây dựng, phương pháp tổ chức và mức độ cơ giới hoá trong thi công. Đôi khi, do yêu cầu trong quá trình thi công có thể phải mở thêm lối ra vào sau đó lấp lại.

Do công trình ngầm có chiều dầy đất đá phía trên khá lớn, khi có sự cố công tác cứu trợ rất khó khăn phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian nên số lượng lối ra vào ít nhất phải là hai. Một số loại công trình ngầm đặc biệt có thể có nhiều cửa như đường hầm pháo, nhà máy ngầm v.v.

Nâng cao sức sống lối ra vào là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong khâu thiết kế. Vì lớp đất đá trên lối ra vào thường nhỏ hơn chiều dầy đất đá bảo vệ cần thiết, bởi vậy phải có kết cấu chống đỡ và biện pháp bố trí mặt bằng thích hợp. Các biện pháp đó là:

- Đảm bảo khoảng cách an toàn giữa các lối ra vào, là khoảng cách bảo đảm không bị phá hoại đồng thời cả hai lối ra vào dưới tác dụng của bom đạn thường theo cỡ "K" dự kiến và xác định theo công thức sau (hình vẽ 1.11).

L  rp

Hay:

Trong đó rp - Bán kính phá hoại trong đất đá theo cỡ K; m = 1,65.

Hình 1.11 Sơ đồ giảm cấp kháng lực lối ra vào công trình ngầm lâu bền

- Chọn vị trí các lối ra vào sao cho tim của chúng hợp với nhau một góc lớn hơn 900 để sóng xung kích không đồng thời tác dụng lên chúng.

- Cấu trúc trán hầm chắc chắn để tạo điều kiện xuất hiện thia lia và các biện pháp kết cấu khác để không cho bom đạn thường rơi vào đường thông lối ra vào.

- Tăng cường lớp chắn đạn phía trên.

- Tăng cường các thiết bị phòng sóng như cửa bảo vệ, góc ngoặt, tường chắn, hố tiêu sóng v.v.

Độ bảo vệ lối ra vào có liên quan tới số lượng của chúng và cấp kháng lực của công trình. Khi xây dựng nhiều công trình ngầm dã chiến có thể ứng dụng lý thuyết xác xuất để tính toán. Đối với các công trình ngầm lâu dài dưới tác dụng của bom đạn thường có thể áp dụng như sau:

- Nếu có ba lối ra vào thì kết cấu của một trong hai lối đó (lối ra vào chính) tính theo cỡ "K-1", nghĩa là giảm đi một cấp (thân hầm tính theo cỡ "K") còn lối ra vào kia chỉ cần đảm bảo chống mảnh.

Hình dạng, kích thước mặt cắt ngang lối ra vào xác định trên cơ sở kích thước và yêu cầu của đối tượng phục vụ. Tính toán kết cấu lối ra vào phụ thuộc vào công dụng và tính chất của công trình.

Đối với công trình ngầm dã chiến không xét tới tác dụng phá hoại cục bộ của bom đạm thường lên đầu hầm vì nếu không thì kết cấu phần này sẽ rất phức tạp, điều kiện thời gian xây dựng và kinh tế không cho phép. Đối với công trình ngầm lâu bền cho phép xác định chiều dầy kết cấu đầu hầm theo tác dụng cục bộ của bom đạn thường và kiểm tra khả năng chịu lực theo tác dụng của sóng nổ thường và sóng nổ hạt nhân.

Trong thực tế, đối với những công trình ngầm có khẩu độ lớn thường không bố trí tấm chắn đạn ở phía trên lối ra vào do dễ bị tắc, giá thành công trình cao và khó ngụy trang. Ngoài ta đối với lối ra vào nằm ngang thường có chiều dầy đất đá bảo vệ bên trên lớn cũng không bố trí lớp chắn đạn (hình 1.12a). Những công trình ngầm có khẩu độ nhỏ khi có yêu cầu đặc biệt (như sở chỉ huy) và lối ra vào nằm nghiêng có thể bố trí lớp chắn đạn như trên hình vẽ (1.12b).

Lối ra vào thẳng đứng (giếng đứng) thường có dạng hình tròn, chữ nhật và vuông phần đầu hầm có thể thiết kế theo công sự nổi trên mặt đất hoặc công sự kiểu đào có lớp chắn đạn như hình vẽ (1.13).

Hình 1.12 Lối ra vào

a. Không có tấm chắn đạn b.Có gia cố tấm chắn đạn

Hình 1.13 Các kiểu lối ra vào giếng đứng

Để đảm bảo lên xuống được thuận tiện phải bố trí thang leo, khi sử dụng thang máy cũng cần có thang leo dự bị.

Dưới tác dụng của các phương tiện sát thương kết cầu lối ra vào phải có độ bền và ổn định tốt khi chịu tác dụng của tải trọng động. Đối với công trình ngầm lâu dài, thường sử dụng kết cấu dạng nguyên khối bằng bê tông cốt thép mác cao, riêng với lối ra vào thẳng đứng có thể sử dụng các khung lắp ghép hay kết cấu kiểu hỗn hợp.

Để ngăn chặn sóng xung kích, chất độc hóa học vi trùng và chất nhiễm phóng xạ trực tiếp hay gián tiếp xâm nhập vào công trình cần bố trí các cửa bảo vệ, cửa kín và lối đi phòng độc. Đặc biệt khi đối phương tập kích bằng hạt nhân và hóa học cần phải tạo ra khu bịt kín trong thân hầm để bảo vệ tập thể.

Thực tế của cuộc kháng chiến chống Mỹ cứu nước đã chứng minh ý nghĩa quan trọng của cửa bảo vệ, nó quyết định sức sống công trình. Nếu không có cửa bảo vệ, sóng xung kích truyền trong đường thông sẽ làm sát thương người, phá hỏng trang thiết bị và kết cấu chịu lực, đặc biệt khi chịu các loại bom điều khiển nổ ở cửa hầm.

Số lượng cửa bảo vệ phụ thuộc vào công dụng lối ra vào, đối với những công trình người có thể ra vào thường xuyên trong thời gian quân địch tập kích bằng các phương tiện sát thương thì tối thiểu phải có hai cửa bảo vệ. Trong công trình ngầm có thiết bị phòng hộ tập thể có hai cửa bảo vệ thì một trong chúng đặt trực tiếp ở đầu hầm còn cửa kia là cửa bảo vệ bịt kín đặt ở gần thân hầm.

Bố trí cửa bảo vệ có thể theo hai phương án:

- Phương án thứ nhất là đặt trực tiếp ở đầu hầm: ưu điểm của phương án này là đóng mở dễ dàng (đối với cửa lớn), tải trọng do sóng xung kích tác dụng lên cửa nhỏ, lợi dụng được chiều dài đường thông. Nhược điểm cơ bản của nó là dễ bị phá hoại do tác dụng cục bộ của bom đạn.

- Phương án thứ hai đặt vào phía trong gần thân hầm, ưu và nhược điểm của phương án này ngược lại với phương án thứ nhất.

Trong thiết kế căn cứ vào điều kiện cụ thể có thể sử dụng một trong hai phương án trên hay kết hợp cả hai phương án đó. Đối với lối ra vào thẳng đứng của công trình ngầm dã chiến cửa bảo vệ thường bố trí ở phía trên. Thiết kế của bảo vệ phụ thuộc vào công trình và tính chất chịu lực của nó. Kết cấu cửa bảo vệ thường là tấm có chiều dày không đổi hay thay đổi bằng thép, hợp kim hay bê tông cốt thép v.v. Tùy theo khẩu độ công trình cửa bảo vệ có thể làm một cách hoặc hai cách, vận hành của cửa bảo vệ có thể theo các phương thức sau đây (hình 1.14).

- Đóng mở theo bản lề quay ngang (1.14a)

- Đóng mở theo kiểu đẩy ngang (1.14b)

- Đóng mở theo kiểu lật (1.14c)

Trong chiến tranh khi đối phương sử dụng vũ khí sát thương hàng loạt cần nghiên cứa tự động hóa đóng mở cửa lúc báo động hay khi địch tập kích để nâng cao khả năng bảo vệ công trình. Đối với cửa bảo vệ có kích thước lớn cần có những giải pháp kết cấu hợp lý nhằm giảm bớt trọng lượng và vận hành dễ dàng, trong đó sử dụng các thiết bị giảm chấn là một trong những biện pháp có hiệu quả và khả thi nhất.

Hình 1.14 Các phương án đóng mở cửa

Đối với những công trình ngầm dã chiến không có điều kiện bố trí các cửa bảo vệ kiểu lâu bền thì có thể áp dụng các biện pháp giảm áp lực sóng xung kích như làm màn cứng hoặc mềm bằng các vật liệu tại chỗ (hình 1.15a), sử dụng các buồng khuyếch tán (hình 1.15b).

Hình 1.15 Một số biện pháp làm giảm áp lực sóng xung kích

Để phòng hộ tập thể phải bố trí các đoạn phòng độc (lối đi phòng độc) có từ 2-3 cửa bịt kín và đặt sau cửa bảo vệ và trong thân hầm nhằm tăng khả năng bảo vệ của chúng. Lối đi phòng độc có nhiệm vụ ngăn chặn các chất có hại trong không khí xâm nhập vào trong công trình (hình 1.16)

Để tẩy rửa chất độc, chất phóng xạ mang theo người vào công trình phải bố trí các đoạn tẩy rửa với các buồng: thay quần áo, buồng tắm, buồng cách ly, buồng mặc quần áo sạch và kiểm tra. Đoạn tẩy rửa thường được bố trí với đoạn phòng độc sao cho chúng vừa có thể làm việc độc lập lại có thể kết hợp với nhau. (hình 1.17).

Hình 1.16 Các phương án bố trí đoạn phòng độc

Hình 1.17 Các phương án bố trí đoạn tẩy rửa.

Nếu có ba đoạn phòng độc thì cửa vào của đoạn tẩy rửa ở đoạn thứ hai và cửa ra ở đoạn thứ ba. Cần chú ý rằng chỉ đối với những công trình yêu cầu phải ra vào thường xuyên trong khi địch tập kích hóa học, vi trùng hay hạt nhân mới yêu cầu bố trí đoạn phòng độc và đoạn tẩy rửa, riêng đoạn tẩy rửa chỉ đặt ở lối ra vào chính.

Thiết kế, tính toán thiết bị phòng độc, tẩy rửa được trình bày trong giáo trình môn học "thông gió điều hoà không khí". Đối với công trình ngầm dã chiến để ẩn nấp và chiến đấu thường dùng phòng độc cá nhân, khi yêu cầu phải cách ly với môi trường bên ngoài thì phải bố trí cửa kín và có thể dùng thiết bị thông gió lọc độc quay tay.

Ngoài những thiết bị lối ra vào trên đây, nếu trong công trình còn có các hệ thống kỹ thuật khác như thông gió, cấp thoát nước, cung cấp điện v.v. thì phải có thiết bị v.v. biện pháp bảo vệ chúng như trong giáo trình "công sự".

Đối với công trình ngầm ẩn nấp và chiến đấu tại các vị trí có thể tiếp cận với địch ngoài hệ thống bảo vệ liên hoàn cần phải bố trí hệ thống tự vệ đầu hầm. Hệ thống công sự tự vệ đó chủ yếu là bố trí bên ngoài và có thể ở cả hai bên trong hầm nhưng phải đảm bảo yếu tố bí mật bất ngờ. Một trong những phương án bố trí tự vệ đầu hầm có thể tham khảo trên hình vẽ 1.18.

Hình 1.18 Tự vệ đầu hầm

Lối vào công trình ngầm không những là một khâu yếu nhất mà còn dễ bị địch phát hiện trong cả quá trình thi công cũng như sử dụng bởi những dấu vết đặc thù của nó. Bởi vậy cần phải chú ý các biện pháp nguỵ trang thường xuyên liên tục trong suốt quá trình thi công và sử dụng. Tích cực chống trinh sát trên không và mặt đất, phải kết hợp chặt chẽ giữa nguỵ trang và công tác bảo vệ. Ngoài ra cần chú ý tới các biện pháp kỹ thuật như lợi dụng địa hình và màn che tự nhiên.

8. Giải pháp mặt bằng, mặt cắt, kết cấu và vật liệu kết cấu.

*) Giải pháp mặt bằng tổng thể.

Mặt bằng tổng thể phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:

- Hoàn thành được chức năng đặt ra trong nhiệm vụ chiến kỹ thuật, thường gồm chức năng chiến đấu và chức năng công nghệ.

- Sắp xếp bố trí hợp lý, thuận tiện giữa các khối, các buồng.

- Chiều dài các công trình phụ là ngắn nhất, cố gắng giảm bớt diện tích mặt cắt ngang và mặt bằng.

- Sử dụng tối đa các phương tiện thi công cơ giới cả chuyên dùng lẫn phổ thông trong xây dựng của nền kinh tế quốc dân.

- Sử dụng tối đa vật liệu tại chỗ và các cấu kiện bê tông cốt thép lắp ghép.

- Giá thành thấp.

Bố trí lối ra vào công trình ngầm như đã trình bày trong phần trước, đối với thân hầm cần căn cứ vào chức năng từ đó xác định danh mục, số lượng và diện tích các bộ phận trong công trình ngầm, thông thường gồm các loại buồng sau: (theo các khối).

- Buồng theo chức năng công nghệ: thành phần và diện tích các buồng phụ thuộc vào từng loại công trình và được nêu trong nhiệm vụ thiết kế. Bố trí các buồng thuộc khối này phải tuân thủ qúa trình công nghệ chặt chẽ.

- Buồng cho hệ thống kỹ thuật: danh mục các buồng này, cách bố trí tuỳ theo chức năng và yêu cầu kỹ thuật cụ thể của chúng và thường gồm các loại buồng sau: buồng cho hệ thống phòng độc cụ thể, buồng cho hệ thống thông gió điều hoà không khí (buồng lọc độc, lọc bụi, buồng máy quạt và điều hoà xử lý không khí v.v.), buồng cho hệ thống cung cấp điện (máy phát, trạm biến thế, trạm phân phối v.v.), buồng cho hệ thống cấp thoát nước (máy bơm, bể chứa v.v.), các buồng phục vụ cho sinh hoạt (ăn, ngủ, tắm, giặt, vệ sinh v.v.).

Đối với buồng phục vụ cho sinh hoạt có thể tham khảo cách phân loại buồng như sau:

- Buông cấp I: có cửa mở ra hành lang, có cách âm, cao h = 2,5  2,8 m, chiều rộng b  3m, diện tích sử dụng SSD  20 m2 như phòng họp, hội nghị, phòng chỉ huy tác chiến v.v.

- Buồng cấp II: b  3m, SSD = 10  15 m2 như trực ban tác chiến, buồng khám quân y.

- Buồng cấp III: dùng cho cán bộ, sĩ quan theo tiêu chuẩn SSD = 2,5  4 m2/người, h = 1,8  2,5m, có thể dùng giường tầng.

- Buồng cấp IV: dùng cho công nhân viên, chiến sĩ theo tiêu chuẩn SSD = 1,5  2,0 m2/người.

Bố trí các buồng có thể theo ba phương án sau đây:

- Kiểu thẳng: bố trí các buồng thẳng song song với đường thông (1.19a), phương án này cho phép sử dụng cơ giới trong thi công ở mức độ cao, các buồng liên hệ với nhau dễ dàng, giao thông thuận tiện, có thể giảm bớt sự khác nhau về kích thước, chủng loại kết cấu tiện cho việc tính toán và sử dụng các tiêu chuẩn sẵn có. Nhược điểm của phường án này là điều kiện cách âm giữa các buồng kém, đặc biệt đối với các buồng phát sinh nhiều tiếng ồn như sở chỉ huy, trạm thông tin v.v. Trong điều kiện địa chất phức tạp, đất đá yếu, khẩu độ công trình nhỏ do đó chiều dài công trình sẽ lớn và không kinh tế. Hơn nữa với phương án này sự bố trí mang tính tập chung cao, cùng trong một đường hầm nên nếu bị phá hoại thì hậu quả sẽ lớn hơn. Tuy vậy phương án này vẫn được sử dụng khá rộng rãi trong thực tế xây dựng công trình ngầm.

- Kiểu cụt: (Hình 1.19b) các hầm bố trí theo hầm cụt và phải bảo đảm khoảng cách của trụ bảo vệ, sử dụng trong điều kiện địa chất phức tạp, đất đá yếu. Nhược điểm không thuận tiện trong sử dụng, điều kiện thông gió khó khăn nhất là thông gió tự nhiên, nhiều loại thông gió khác nhau, khó cơ giới hoá trong thi công . Ưu điểm của phương án này là do phân tán nên mức độ bảo vệ cao hơn (dưới tác dụng của bom đạn thường) và không gây ồn ào giữa các buồng.

Hình 1.19 Các phương án bố trí các buồng trong thân hầm

a) Kiểu thẳng b) Kiểu cụt c)Kiểu hỗn hợp

- Kiểu hỗn hợp: (1.19c) phát huy được ưu điểm và khắc phục được nhược điểm của hai phương án bố trí trên nhưng chỉ sử dụng được với những công trình ngầm lớn khi có nhiều đường hầm như nhà máy ngầm.

Trong khi bố trí các buồng cần phải chú ý tới công dụng và mối tương quan giữa chúng để bố trí cho phù hợp. Ví dụ đối với sở chỉ huy buồng thủ trưởng phải gần buồng tác chiến và cơ quan tham mưu. Đối với hầm ẩn nấp, chiến đấu của phân đội bộ binh kho đạn bố trí xa chỗ nghỉ và gần công sự bắn v.v. Hệ thống thông hơi lọc độc rất dễ ảnh hưởng tới điều kiện sử dụng và kinh tế của công trình do đó cần phải có phương án bố trí hợp lý. Thông thường các buồng thông hơi lọc độc bố trí ở hai đầu công trình và cần chú ý tới một số điêmr sau:

- Buồng lọc bụi, lọc độc bố trí cùng một phía và đặt ở ngoài phạm vi bịt kín vì bị nhiễm độc (có thể ở đoạn phòng độc thứ nhất hoặc thứ hai và phải có cửa kín).

- Buồng máy quạt thông gió bố trí sau hai buồng trên và yêu cầu không được nhiễm độc nên phải đặt trong khu vực bịt kín, mặt khác nó thường sinh ra tiếng ồn nên phải bố trí ở xa nơi làm việc và nghỉ ngơi.

- Buồng điều hoà không khí, sau khi máy quạt đưa ra không khí trong sạch tới đây phải xử lý lại để đảm bảo độ ẩm và nhiệt độ thích hợp rồi đưa đến các buồng sử dụng. Buồng này tất nhiên phải đặt trong khu vực bịt kín, đây là nơi gây ồn nhiều nhất vì vậy phải có biện pháp xử lý âm tốt.

Có thể sử dụng mạng điện Nhà nước hay máy phát điện để cấp điện cho công trình. Nếu dùng mạng điện Nhà nước phải thiết kế đường dây dẫn, trạm biến thế và phân phối điện. Các bộ phận này thường đặt ở hai đầu công trình tại ví trí cửa dự bị và phải có các biện pháp bảo vệ chắc chắn. Nếu sử dụng máy phát nhằm duy trì điện liên tục thì có thể đặt máy phát ở trong hay ngoài công trình, khi đặt bên trong thông thường đặt tại vị trí cửa dự bị, còn nếu đặt bên ngoài cần có công sự bảo vệ chắc chắn và chú ý bảo vệ đường dây dẫn.

Để đảm bảo khối lượng nước nhất định cấp cho công trình nhằm phục vụ cho sinh hoạt và thực hiện các nhu cầu công nghệ cần lựa chọn nguồn nước thích hợp, bố trí trạm bơm, đường ống rãnh, bể chứa, bể dự trữ, chú ý tận dụng nguồn nước ngầm trong công trình và các biện pháp bảo vệ đường ống.

Việc lựa chọn phương án mặt cắt của công trình ngầm phải dựa vào tình hình cụ thể tại vị trí xây dựng trên cơ sở chức năng của từmg bộ phận, mối liên quan giữa các buồng, đặc điểm lối ra vào mà bố trí mặt bằng tổng thể đáp ứng được các yêu cầu đặt ra. Để lựa chọn được phương án mặt bằng tổng thể hợp lý cần tiến hành so sánh các phương án theo các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật, đối với công trình ngầm các chỉ tiêu cơ bản thường gồm:

- Tổng diện tích sử dụng SSD (m2).

- Tổng diện tích S (m2).

- Tổng khối lượng đất đá phải đào (m3).

- Tổng khối lượng bê tông phải đổ (m3).

- Giá thành xây dựng.

- Thời hạn xây dựng.

- Khả năng đáp ứng yêu cầu trong thi công và trong sử dụng.

Để đánh giá các phương án mặt bằng người ta còn đưa vào hệ số sử dụng diện tích K.

Trong đó:

SSD- Diện tích sử dụng.

S - Diện tích toàn bộ.

Phương án hợp lý là phương án có K  1.

*) Giải pháp mặt cắt công trình ngầm.

Hình dạng và kích thước mặt cắt công trình ngầm phụ thuộc vào điều kiện địa chất, kích thước của đối tượng bên trong, yêu cầu kinh tế và phương pháp thi công công trình ngầm.

Mặt cắt công trình ngầm phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Kích thước sử dụng hợp lý.

- Diện tích mặt cắt ngang nhỏ nhất.

- Chịu lực và ổn định tốt.

- Giao thông, thoát nước và thông gió thuận lợi.

- Thi công dễ dàng, sử dụng cơ giới thuận tiện.

Về hình dạng, mặt cắt ngang công trình ngầm thường có các loại sau đây: (hình 1.20).

Hình 1.20 Một số dạng mặt cắt ngang công trình ngầm.

- Hình chữ nhật: sử dụng thuận lợi nhất, diện tích sử dụng tốt nhất, dễ đào nhưng kém ổn định nhất, chỉ sử dụng cho công trình ngầm dã chiến có khẩu độ nhỏ, làm đường thông và chủ yếu áp dụng trong điều kiện địa chất tốt.

- Hình vòm tường thẳng: sử dụng được hầu hết diện tích, có khả năng chịu lực tốt hơn và được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình ngầm quân sự cũng như của nền kinh tế quốc dân.

- Hình móng ngựa, sử dụng diện tích kém hơn so với các hình dạng trên, có khả năng chịu lực tốt hơn, thường áp dụng trong các đường hầm giao thông, thuỷ lợi.

- Hình tròn, có khả năng chịu lực tốt, thi công khó, thường áp dụng trong những điều kiện địa chất phức tạp, sử dụng nhiều trong nền kinh tế quốc dân như trong thuỷ lợi, giao thông, hệ thống bảo đảm điện, nước, hơi nước ngầm trong các thành phố v.v.

Ngoài các hình dạng cơ bản trên ra, trong thực tế xây dựng công trình ngầm còn sử dụng các loại hình dạng khác như hình elíp ngang hay đứng (trong xây dựng tầu điện ngầm). Đối với công trình ngầm khẩu độ lớn hay chiều cao lớn có thể chọn giải pháp nhiều nhịp hay nhiều tầng (hình 1.20h,k) nhằm tăng cường khả năng chịu lực, sử dụng hợp lý không gian bên trong, tạo điều kiện tốt hơn cho công nghệ cũng như bố trí thiết bị, rút ngắn chiều dài đường thông và các công trình phục vụ khác.

Các loại hình dạng như hình móng ngựa, hình tròn, elíp thường sử dụng trong trường hợp áp lực hông lớn, còn khi áp lực lên bản đáy lớn (áp lực gây trồi đất tác dụng từ dưới lên) thường chọn giải pháp đáy là vòm lật (vòm ngược).

Đối với phần thân hầm, điều kiện địa chất là yếu tố có tính chất quyết định hình dạng mặt cắt ngang. Trong những trường hợp cần so sánh chọn phương pháp mặt cắt ngang cũng dựa vào những chỉ tiêu như đã trình bày ở trên.

Đối với công trình ngầm, trừ các đường hầm không lát trong điều kiện địa chất rất thuận lợi, thường được thi công bằng phương pháp đào moi đất đá sau đó lắp đặt kết cấu chống đỡ (chịu lực) vì vậy kích thước, hình dạng mặt cắt ngang trong khi thi công khác với trong sử dụng, thông thường người ta phân biệt bằng khẩu độ sử dụng và khẩu độ thi công:

- Khẩu độ thi công là chiều rộng bên trong công trình ngầm sau khi đã bố trí kết cấu chịu lực ký hiệu là l0, tương tự như vậy ta có chiều cao sử dụng h0. Giá trị của l0 và h0 xác định trên cơ sở yêu cầu sử dụng, kích thước đối tượng và điều kiện an toàn.

- Khẩu độ thi công là chiều rộng mặt cắt ngang trong quá trình thi công trước khi bố trí kết cấu chịu lực và được ký hiệu là 2a.

Đối với những công trình ngầm có khẩu độ lớn như nhà máy ngầm, hầm máy bay, hầm máy thuỷ điện, kho v.v.để thoát nước cần có độ dốc ngang nhất định, thường lấy i = 5%.

Bố trí các hệ thống đường ống, dây điện, dây thông tin và các rãnh ngầm trong mặt cắt ngang phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật của mỗi loại, cần chú ý tới các điểm sau:

- Dây thông tin thường xuyên phải kiểm tra và bị điện xoay chiều làm nhiễu nên phải bố trí ở phía trên và cách xa nguồn điện xoay chiều.

- Cáp tải điện dễ nguy hiểm nên phải bố trí trong rãnh ngầm.

- Dây điện đèn chiếu sáng do không có yêu cầu nghiêm ngặt nên có thể bố trí trên trần hầm hoặc theo các ống thông gió.

- Ống thoát nước nên bố trí ở phía dưới cùng với rãnh thoát gió còn ống cấp nước nên bố trí ở phía trên.

- Để tận dụng hết diện tích mặt cắt ngang các hệ thống đường dây và dẫn gió có thể bố trí trên trần hầm.

- Các rãnh ngầm, rãnh thoát nước có thể bố trí ở giữa hay hai bên.

- Cần chú ý tới đặc điểm khi bố trí hệ thống đường dây dẫn là trong công trình ngầm có nước ngầm và độ ẩm lớn dễ làm mát điện mất an toàn.

Bố trí hệ thống đường ống và đường dây trong công trình ngầm có thể tham khảo theo các phương án trên hình vẽ (1.21).

Hình 1.21 Bố trí các đường ống kỹ thuật trên mặt cắt ngang CTN

Đối với nhữnh công trình ngầm có công dụng đặc biệt như trung tâm thông tin sở chỉ huy cấp cao, hoặc các buồng có yêu cầu kỹ thuật đặc biệt nên thiết kế trần hầm. Trần hầm có tác dụng tốt đối với cách âm, hút âm, tăng thẩm mỹ và làm đường thông gió và phải bảo đảm các yêu cầu như: lâu bền, thi công và sửa chữa dễ dàng có các đặc tính kỹ thuật tốt v.v. vật liệu trần hầm có thể là bê tông cốt thép, xi măng lưới thép, tấm gỗ ép hay gỗ dán đã xử lý ẩm, mục, tẩm chất dẻo v.v.liên kết trần có thể theo nhiều phương án, có thể tham khảo một số ví dụ trên hình vẽ (1.21, 1.22 tr 49 GT-t1).

Để ngăn cách các buồng trong công trình ngầm có thể sử dụng các tường ngăn, vật liệu và chiều dày tường tuỳ thuộc vào công dụng và yêu cầu kỹ thuật. Để làm tường ngăn có thể sử dụng những vật liệu như đối với trần hầm gồm bê tông, bê tông cốt thép, tấm gỗ hay chất dẻo v.v. đối với tường ngăn phòng độc thường dùng bê tông cốt thép, qua thực nghiệm người ta thấy với chiều dày khoảng 20 cm là thoả mãn yêu cầu phòng độc. Chiều dày loại tường ngăn thông thường bằng bê tông cốt thép có thể lấy 10 cm. Tường ngăn trong công trình ngầm nói chung không trực tiếp chịu lực nhưng phải có liên kết tốt tránh khả năng quá tải do gia tốc chuyển động lớn.

Thiết kế mặt cắt dọc phụ thuộc vào kiểu loại lối ra vào các yêu cầu về kỹ thuật thoát nước cũng như giao thông trong công trình. Nên tận dụng thoát nước tự nhiên ở những địa hình có thể độ dốc dọc ra ngoài không nhỏ hơn 1  2%. Để đảm bảo đi lại và vận chuyển trong công trình dễ dàng, độ dốc dọc không được lớn hơn 3%. Với những công trình ngầm có lối ra vào là giếng đứng hay nằm nghiêng, phần thân hầm vẫn phải thoả mãn độ dốc trên đây và bố trí các giếng hay bể thu để bơm nước ra ngoài. Đối với những công trình ngầm có lối ra vào là giếng đứng với qui mô lớn như nhà máy ngầm, tàu điện ngầm, công trình ngầm cho tên lửa xuyên lục địa, sân giếng đứng cấu tạo rất phức tạp vượt ra ngoài phạm vi giảng dạy ở đây.

Hình 1.23 Ví dụ về mặt cắt dọc công trình ngầm.

Thiết kế mặt cắt dọc cần chú ý đánh dấu cọc mốc ở các vị trí đột xuất (điểm ngoặt, khẩu độ mở rộng...) để tiện theo dõi, kiểm tra trong quá trình thi công (hình 1.23).

*) Giải pháp kết cấu công trình ngầm.

Kết cấu công trình ngầm nhìn chung phụ thuộc vào các yêu cầu của nhiệm vụ chiến kỹ thuật nhưu kích thước công trình, tác dụng của vũ khí sát thương, điều kiện địa hình, địa chất, địa chất thuỷ văn và các yếu tố khác như: khả năng cung cấp vật liệu, điều kiện sử dụng các cấu kiện chế thức, trang thiết bị thi công, phương pháp thi công v.v.

Trong công trình ngầm, tuỳ thuộc vào từng điều kiện cụ thể có thể sử dụng các loại kết cấu: nguyên khối, lắp ghép và hỗn hợp.

Kết cấu nguyên khối có khả năng chịu lực tốt, đặc biệt là chịu tác dụng tốt của tải trọng động, chống thấm tốt nhưng thi công phức tạp và không an toàn, không chịu lực được ngay.

Kết cấu lắp ghép có thể chịu lực được ngay, thuận tiện cho việc cơ giới hoá trong thi công, sử dụng được các cấu kiện chế thức, điều kiện an toàn được cải thiện hơn nhưng chống thấm kém.

Kết cấu kiểu hỗn hợp vừa lắp ghép vừa nguyên khối có thể phát huy và khắc phục những ưu điểm và tồn tại của hai loại kết cấu nêu trên và thông thường chỉ sử dụng trong những điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn phức tạp, yêu cầu chống thấm cao.

Trong công trình ngầm lâu dài hiện nay sử dụng chủ yếu kết cấu nguyên khối. Kết cấu hỗn hợp nguyên khối-lắp ghép được sử dụng trong các công trình ngầm phục vụ cho giao thông như tàu điện ngầm, các đường hầm xuyên sông, biển, các hệ thống đường ống kỹ thuật ngầm trong thành phố, trong các trường hợp đó kết cấu lắp ghép đảm nhận cả chức năng chống tạm.

Vật liệu làm kết cấu công trình ngầm thông thường là bê tông và bê tông cốt thép sau đó là kim loại, gỗ và trong tương lai chắc chắn sẽ sử dụng nhiều loại vật liệu từ chất dẻo-compoxit. Đối với công trình ngầm quân sự thường sử dụng bê tông có mác 300 trở lên.

Trong xây dựng công trình ngầm dã chiến thường sử dụng kết cấu lắp ghép được đúc sẵn từ bê tông cốt thép là chính. Kết cấu gỗ nhanh hỏng nên ít được sử dụng làm kết cấu chịu lực chính mà chỉ sử dụng làm khung chống tạm.

9. Thiết kế công trình ngầm sở chỉ huy.

Sở chỉ huy là bộ phận đầu não của đơn vị có chức năng chỉ huy điều khiển các loại hoạt động chiến đấu. Yêu cầu cơ bản khi rhiết kế công trình ngầm sở chỉ huy là:

-Bảo đảm chỉ huy bộ đội được liên tục, kịp thời.

-Chi phí nhân lực, vật lực và thời gian xây dựng ít nhất, trong cả quá trình thiết kế cần luôn luôn quán triệt yêu cầu này.

Công trình ngầm sở chỉ huy có thể phân theo cấp và quân binh chủng như sau:

- Sở chỉ huy tiểu đoàn (thường kết hợp với trung đội hoặc đại đội bộ binh).

- Sở chỉ huy trung đoàn.

- Sở chỉ huy sư đoàn.

- Sở chỉ huy quân đoàn.

- Sở chỉ huy của bộ đội phòng không, không quân, hải quân.

Mỗi loại công trình ngầm sở chỉ huy trên có những yêu cầu và đặc điểm riêng, được nêu ra trong nhiệm vụ chiến kỹ thuật.

Tên và diện tích các buồng trong công trình, phải dựa theo biên chế đội hình chiến đấu, các yêu cầu chiến kỹ thuật và tiêu chuẩn để xác định. Đối với chỉ huy trung đoàn trở xuống thì tương đối đơn giản, còn đối với cấp cao hơn thì tương đối phức tạp. Trong sở chỉ huy cơ bản của các cấp thường có các loại buồng sau:

- Buồng tác chiến.

- Buồng của thủ trưởng quân sự và chính trị.

- Buồng chủ nhiệm các quân binh chủng.

- Buồng cơ quan tham mưu.

- Buồng cơ quan chính trị.

- Buồng cơ quan hậu cần.

- Buồng thông tin.

- Buồng đặt máy móc tính toán và sử lý tin tức.

- Các buồng phục vụ sinh hoạt.

- Buồng đặt các thiết bị bên trong (Thông gió, lọc độc...)

Khi thiết kế các công trình ngầm lâu dài cần chú ý đến diện tích các buồng làm việc và các buồng phụ khác, để thoả mãn các yêu cầu sinh hoạt và làm việc, chiến đấu dài ngày. Đối với sở chỉ huy của các quân chủng phòng không không quân, trong các buồng tác chiến thường có các bảng tiêu đồ để dẫn đường cho máy bay ta, theo dõi máy bay địch có thể để đứng hay để nằm, cần chú ý thiết kế mặt bằng và mặt cắt công trình cho phù hợp.

Vị trí xây dựng công trình ngầm cho sở chỉ huy phải có điều kiện nguỵ trang tự nhiên tốt, phải đủ rộng để triển khai toàn bộ các công trình của nó, không được bố trí gần các mục tiêu dễ bị địch phát hiện và đánh phá, các khu vực dễ làm nhiễu cho các phương tiện thông tin liên lạc hoặc các khu vực dễ bị ngập lụt.

Đối với sở chỉ huy cấp cao, quy mô lớn thường phân thành nhiều công trình nhỏ bố trí xung quanh công trình trung tâm để nâng cao khả năng bảo vệ, rút ngắn thời gian thi công, dễ nguỵ trang và khả năng bảo đảm.

Các trung tâm thông tin thường đặt ra sở chỉ huy và có đường dây nối về sở chỉ huy để đảm bảo bí mật an toàn và thuận lợi cho mọi hoạt động của nó.

Lối ra vào sở chỉ huy phải có ita nhất 2, trong đó phải bố trí các cửa bảo vệ, cửa kín để đề phòng sóng xung kích, chất độc hoá học và vi trùng.

Lối ra vào cho người đi lại và vận chuyển các thiết bị nhỏ (các khối máy thông tin nhỏ...) thường có kích thước 0,8  1,2 m, cao 2,2m.

Khi phải vận chuyển các thiết bị lớn không tháo rời được thì kích thước lối ra vào thường phải theo kích thước thiết bị thường rộng từ 1,2  2m. Kích thước cửa bảo vệ, cửa kín (0,6  1,0)x1,8m, cửa chui 0,5 x 0,5m.

Lối ra vào phải đảm bảo chống được cỡ bom đạn đã nêu ra trong nhiệm vụ chiến kỹ thuật.

Mặt bằng sở chỉ huy được bố trí theo các nguyên tắc và yêu cầu đã nêu trong chương 1, thường lấy buồng tác chiến làm trung tâm để sắp xếp các buồng khác (hình 2.1 tr55).

Để đảm bảo làm việc và bố trí các buồng được thuận tiên cần phân ra các loại khu vực: khu vực của các cơ quan chỉ huy, khu vực đặt phương tiện kỹ thuật, khu vực các bộ phận phục vụ.

Buồng đặt các máy thông tin liên lạc được bố trí gần cửa hầm, theo hướng cần liên lạc để đỡ bị tiêu hao công suất. Trong các sở chỉ huy cấp cao thường bố trí nhiều máy điện thoại cùng làm việc đồng thời dễ ồn và gây ảnh hưởng lẫn nhau, do đó phải bố trí cách âm tốt. Các đường chủ yếu phải được bố trí ở trong thân hầm nơi có khả năng bảo vệ cao nhất. Kích thước mặt cắt các buồng phải thoả mãn yêu cầu sử dụng và đi lại, phải đặc biệt chú ý bố trí đường dây ống hợp lý. Kích thước các rãnh hầm thường lấy cao 0,15  0,25m, chiều rộng tuỳ theo số lượng đường dây, đường ống phía dưới dường thông thì các kích thước trên có thể lấy lớn hơn.

Hệ thống thông gió trong sở chỉ huy lâu dài có thể làm việc theo 3 chế độ:

- Thông gió lọc sạch.

- Thông gió lọc độc.

- Chế độ cách li hoàn toàn.

Thời gian cách ly hoàn toàn tuỳ theo yêu cầu chiến thuật.

Đối với công trình ngầm sở chỉ huy dã chiến, yêu cầu về mặt kỹ thuật thấp hơn, chế độ phòng độc tuỳ theo từng cấp có thể phòng độc cá nhân hoặc tập thể.

10. Thiết kế công trình ngầm ẩn nấp và chiến đấu cho phân đội bộ binh.

Công trình ngầm ẩn nấp và chiến đấu cho phân đội bộ binh có nhiệm vụ che dấu, bảo vệ người vũ khí, khí tài vật chất chống trinh sát và đánh phá của địch, là chỗ dựa để xuất kích tiêu diệt địch và để giữ vững khu vực chiến đấu. Thực tế thường xây dựng công trình ngầm cho từng trung đội cũng có thể kết hợp với sở chỉ huy đại đội.

Với quy mô công trình ngầm cho trung đội, số lượng công trình xây dựng phải vừa phải. Có điều kiện để khống chế các địa hình có lợi, dễ hình thành nhiều mũi, nhiều hướng xuất kích tiêu diệt địch.

Vị trí công trình ngầm phải kín đáo, gần vị trí chiến đấu ở các địa hình có lợi về mặt chiến thuật và phải được hệ thống hoả lực của khu vực bảo vệ.

Công trình ngầm ẩn nấp chiến đấu lâu dài thường được xây dựng trong thời bình theo phương án giữ kín bảo vệ khu vực. Còn các công trình ngầm ẩn nấp chiến đấu dã chiến được xây dựng trong chiến đấu phòng ngự hoặc trong quá trình tấn công cần dừng lại để củng cố khu vực đã chiếm được. Đặc điểm của công trình ngầm ẩn nấp chiến đấu dã chiến là: Lối ra vào thường bố trí về hai phía, lối ra vào chính ở phía bộ đội xuất kích, còn lối kia nối liền với hậu phương phía sau.

Yêu cầu lối ra vào phải kín đáo tận dụng được khả năng che dấu bảo vệ của địa hình, bộ đội xuất kích nhanh chóng và thuận lợi. Kích thước bên trong lối ra vào phải đảm bảo cho người mang vác các loại súng pháo đi cùng (cối DKZ) đi lại được dễ dàng, thông thường rộng 1,0  1,2m, cao 1,8  2,2m.

Đầu lối ra vào phải bố trí các công sự chiến đấu tự vệ để đề phòng địch chiếm cửa hầm. Loại công trình ngầm lâu dài thường dùng các cửa bảo vệ chế thức. Công trình ngầm dã chiến có thể dùng các loại cửa chế thức hoặc chế tạo từ các vật liệu tại chỗ.

Việc tổ chức bảo vệ cửa hầm chống sóng xung kích (nhất là trong chiến tranh có sử dụng vũ khí hạt nhân) là rất quan trọng, nó quyết định khả năng bảo vệ của công trình.

Thiết kế mặt bằng công trình ngầm ẩn nấp cho phân đội bộ binh tương đối đơn giản nó có thể có các buồng sau đây:

- Buồng người ở

- Buồng để các loại súng pháo đi cùng (cối DKZ)

- Kho đạn (có ngòi nổ hay chưa lắp ngòi nổ)

- Kho lương thực, thực phẩm

- Buồng vệ sinh

- Buồng đặt các thiết bị thông gió, các đoạn phòng độc (nếu có)

Công trình ngầm ẩn nấp chiến đấu của phân đội bộ binh thường theo chế độ phòng độc cá nhân kết hợp việc tận dụng khối lượng không khí sạch sẽ có sẵn trong hầm thiết bị thông gió có thể dùng bộ thông gió dã chiến hay tay quay.

Diện tích các buồng dựa theo yêu cầu sử dụng mà xác định vị trí: diện tích cho 1 người nằm có thể lấy 0,55 x 1,8 m. Chỗ nằm của bộ đội có thể bố trí theo hướng vuông góc hoặc song song với đường thông (hình 2.2) chiều rộng của buồng: 2,2 - 2,5 m, cao 2,2 m - 2,35m.

Hình 2.2 Bố trí giường cho bộ đội

Buồng đạn có ngòi phải đặt xa phòng ở và phải được bảo vệ để đảm bảo an toàn. Kết cấu bảo vệ và kết cấu chịu lực của công trình ngầm ẩn nấp chiến đấu có thể nguyên khối hay lắp ghép.

Trong thực tế ngoài công trình ẩn nấp chiến đấu cho phân đội bộ binh có thể thiết kế công trình ẩn nấp phòng không cho người và các phương tiện kỹ thuật.

Về nguyên tắc thiết kế, cơ bản như trên nhưng kích thước thì phụ thuộc vào các đối tượng phục vụ.

Hình 2.3 (tr58- GT t1) là một ví dụ về hầm ẩn nấp của bộ đội.

11. Thiết kế công trình ngầm pháo binh và tên lửa.

*) Thiết kế công trình ngầm cho pháo binh

Thiết kế công trình cho pháo binh phụ thuộc vào nhiệm vụ chiến kỹ thuật của nó. Trường hợp pháo bắn bên ngoài công trình và chỉ khi ẩn nấp mới kéo vào trong thì giống như thiết kế hầm ẩn nấp chiến đấu. Trường hợp pháo bắn bên ngoài trong công trình (công sự bắn của pháo đặt ở đầu hầm) có nhiều vấn đề phức tạp phải giải quyết và thường được sử dụng đối với công trình ngầm lâu dài.

Thiết kế công trình ngầm chiến đấu cho pháo cần phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Bảo đảm xạ giới của pháo lớn nhất (góc tầm và hướng lớn nhất)

- Chuẩn bị chiến đấu nhanh chóng, theo thao tác các pháo thủ thuận lợi

- Nguỵ trang trong quá trình xây dựng và chiến đấu tốt.

- Đảm bảo khả năng bảo vệ chống các phương tiện sát thương được tốt nhất.

¬- Bảo đảm sức khoẻ của bộ đội trong quá trình chiến đấu do ảnh hưởng của tiếng nổ và khói.

- Vị trí của công trình ngầm chiến đấu cho các pháo mặt đất được xác định theo yêu cầu chiến kỹ thuật và điều kiện địa hình địa chất.

Khi đặt pháo trong công trình chỉ bắn được theo một hướng đã định. Để mở rộng hướng bắn cần phải làm thêm các trận địa bắn bên ngoài. Trong thực tế thường thiết kế công trình ngầm cho một trung đội hai khẩu pháo một đại đội 4 khẩu.

Độ cao của trận địa, khoảng cách giữa các khẩu, độ chênh cao và cự ly trung tâm phải theo yêu cầu của từng loại pháo, ví dụ đối với pháo 122, 152, 130.

- Các trận địa ven biển thường phải cao hơn mức nước thuỷ triều cao nhất 520m.

- Giãn cách giữa các khẩu 4550m.

- Độ chênh cao giữa các khẩu với khẩu đầu đạn (số 2) nhỏ hơn 2,5m.

- Cự ly trung tâm giữa các khẩu kế cận phải nhỏ hơn 25m, để khi bắn đường bắn của khẩu này cách tâm của khẩu kia một khoảng an toàn bằng 14m.

Công trình ngầm chiến đấu cho pháo mặt đất gồm 2 bộ phận:

- Các công sự bắn và quan sát ở đầu hầm

- Bộ phận ẩn nấp và chỉ huy ở thân hầm

Thiết kế phần ẩn nấp chỉ huy giống như thiết kế công trình ngầm ẩn nấp chiến đấu, cần phải bảo đảm sinh hoạt và sẵn sàng chiến đấu tốt, chỉ huy kịp thời và liên tục, thường gồm các buồng.

Chỉ huy thông tin, buồng ở, các buồng phục vụ khác.

Hình 2.4 (tr 60- GT t1) công sự đầu pháo.

Thiết kế mặt bằng mặt cắt đầu hầm pháo phụ thuộc vào yêu cầu chiến thuật và tính năng kỹ thuật của mỗi loại pháo, các bộ phận trong công sự đầu hầm pháo gồm có: vị trí đặt pháo bắn, vị trí dấu pháo, hố chứa vỏ đạn, buồng đạn chiến đấu và cửa bảo vệ bên ngoài (hình 2.4).

B1: Khẩu độ sử dụng công sự đầu pháo.

B2: Khoảng cách giữa hai đầu càng pháo

B3: Khẩu độ sử dụng công trình ngầm nơi dấu pháo

B4: Khẩu độ sử dụng lớn nhất nơi đặt pháo bắn

: Góc hướng

: Góc tầm

h0¬: Chiều cao sử dụng công sự đầu pháo

Buồng đạn dự trữ thường bố trí sau cửa bảo vệ bên trong gần công sự bắn để vận chuyển được nhanh chóng.

Công sự đầu hầm pháo tuỳ theo chiều dày lớp đất đá bảo vệ bên trên có thể thiết kế theo công sự kiểu đào hoặc công trình ngầm nguyên khối không có tấm chắn đạn.

Chiều dày kết cấu xác định theo tác dụng cục bộ của bom đạn thường và kiểm tra theo tác dụng sóng xung kích hạt nhân. Miệng công sự pháo rộng, dễ lộ, địch thường dùng các loại bom điều khiển (như bom vô tuyến) để bắn phá, xác suất tương đối cao do đó nên có cửa sơn nguỵ trang đóng lại khi pháo không bắn, đồng thời có các biện pháp nguỵ trang khác để che dấu đầu hầm, bãi bắn để địch khó phát hiện và đánh phá chúng.

Để chống bụi (bụi dễ làm lộ vị trí pháo và ảnh hưởng đến quan sát của pháo thủ) phía trước lỗ bắn cần trồng cỏ và tưới nước.

Để giảm tiếng vọng và giảm khói người ta đưa pháo tiến ra ngoài (mép trước bánh pháo ngang với mặt tường ngoài). Dùng các vật liệu tiêu âm ghép vào tường và trần (như dùng các thanh tre chẻ nhỏ) làm hố đựng vỏ đạn để dập tắt nhanh khói trong vỏ đạn, và làm các đường thoát khói tự nhiên về phía sau:

Trong công trình ngầm chiến đấu của pháo ngoài các đầu hầm pháo còn có lối ra vào cho người về phía hậu phương. Trong chiến tranh có sử dụng vũ khí hạt nhân, dựa vào yêu cầu nhiệm vụ chiến kỹ thuật đã nêu trong nhiệm vụ thiết kế để bố trí hệ thống thiết bị bên trong (hệ thống thông gió lọc độc, cung cấp điện...).

Hình 2.5 là một ví dụ về bố trí mặt bằng tổng quát cho công trình ngầm chiến đấu của một đại đội pháo 4 khẩu.

1. Bãi bắn ngoài trời

2. Công sự đầu pháo

3. Buồng đạn

4. Buồng thông tin

5. Buồng pháo thủ

6. Buồng điện thoại

7. Ban chỉ huy

8. Buồng nhân viên

9. Bể nước

10. Kho gạo

11. WC

12. Thông hơi.

Hình 2.5 (tr62- GT t1)Công trình ngầm chiến đấu của một đại đội pháo 4 khẩu.

*) Thiết kế công trình ngầm cho tên lửa

Hiện nay tên lửa đóng vai trò rất quan trọng trong trang bị quân đội các nước, có loại mang đầu đạn thường, có loại mang đầu đạn hạt nhân (một hoặc nhiều đầu đạn).

Mặc dù có nhiều loại, có cấu tạo khác nhau, phương pháp sử dụng cho mục đích chiến dịch và chiến thuật khác nhau, nhưng tên lửa đều có những đặc điểm chung về tổ chức lắp ráp, nạp nhiên liệu, phóng và điều khiển tới mục tiêu v.v. và đều có thể bố trí trong công trình ngầm.

Tên lửa từ các kho được chở đến trạm kỹ thuật ở đó được tháo vỏ bảo vệ bên ngoài ra, tiến hành kiểm tra các thiết bị được lắp thêm và kiểm tra một số chi tiết và đầu nối khác. Để đảm bảo cho các thiết bị nhậy, phức tạp của tên lửa hoạt động được bình thường, công trình phải có những điều kiện đảm bảo đặc biệt, những yêu cầu được thoả mãn tốt nhất trong công trình ngầm.

Ở trạm kỹ thuật trong công trình ngầm bố trí các kho chứa các bộ phận để lắp ráp các tên lửa hoàn chỉnh và đưa lên bệ phóng, có khu vực để các máy móc thí nghiệm kiểm tra, các kho để nhiên liệu dự trữ không lớn, các buồng cho nhân viên phục vụ và chỉ huy sở.

Trận địa phóng có nhiệm vụ phóng tên lửa đến mục tiêu đã định, đây là mục tiêu của đòn tập kích đầu tiên của địch. Vì là mối đe doạ các mục tiêu của chúng. Nếu trận địa phóng cần được bảo vệ che dấu kín đáo và có trận địa dự bị.

Nguỵ trang các trận địa phóng có kích thước lớn nhất phức tạp và khó khăn, do đó gần đây một số nước tiến hành chuẩn bị và phóng tên lửa từ trong công trình ngầm phóng từ đường hầm thẳng đứng, hoặc nghiêng các bộ phận bệ phóng hoàn toàn dưới mặt đất. Bố trí như vậy cho phép che dấu được hoàn toàn tất cả các khâu, kể từ khâu chuẩn bị như lắp ráp, bơm nhiên liệu, ô xy và kiểm tra lần cuối. Cuối cùng tên lửa đã lắp đầu đạn được đưa lên mặt đất sau khi hiệu chỉnh góc bắn sẽ được phóng đi. Đồng thời trong công trình ngầm còn có các kho và thiết bị để lắp tên lửa phóng tiếp theo.

Bố trí phóng tên lửa từ trong công trình ngầm phải giải quyết nhiều vấn đề kỷ luật phức tạp như cháy, áp lực phụt, đường trượt của tên lửa và hệ thống gió v.v.

Ngoài ra công trình ngầm còn có bố trí các buồng cho bộ phận phục vụ, buồng các thiết bị điện tử máy tính điều khiển tên lửa đưa đầu đạn đến mục tiêu v.v.

Hình 2.6 (Tr 64- GT t1): Một ví dụ về công trình ngầm cho tên lửa.

12. Thiết kế công trình ngầm kho.

Công trình ngầm kho gồm các loại sau:

- Kho thuốc nổ

- Kho đạn dược

- Kho nhiên liệu

- Kho vật tư và khí tài khác

Vị trí kho ngầm thường được đặt sâu trong lòng hậu phương hoặc ở khu vực được bảo vệ tốt.

Công trình ngầm kho cần phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau đây:

- Chống được tác dụng phá hoại của bom đạn đã dự kiến.

- Tổ chức và thực hiện các chế độ bảo quản tốt, đối với các loại hàng khác nhau như nhiệt độ, độ ẩm, cách sắp xếp, kiểm tra.

- Chống được nước xâm nhập vào công trình.

- Bảo đảm khoảng cách giữa các buồng được an toàn.

- Đảm bảo xuất nhập không bị gián đoạn khi địch đánh phá trong một thời gian nhất định và đồng thời không ảnh hưởng lẫn nhau.

- Bảo đảm bốc dỡ thuận tiện và có thể tiến hành đồng thời.

- Có mạng đường xá vận chuyển thuận tiện.

- Có vị trí tập kết kín đáo cho xe cộ trước khi đưa hàng vào kho và sau khi nhận hàng ở kho ra. Bảo đảm nguỵ trang tốt chống được trinh sát phát hiện trên không và dưới đất.

- Thoả mãn được yêu cầu về kinh tế và xây dựng, cũng như chi phí trong quá trình sử dụng.

Giải pháp mặt bằng tổng quát, kích thước của các buồng và cách sắp xếp bố trí bên trong công trình (quá trình công nghệ) phụ thuộc vào các loại hàng hoá, số lượng và kích thước của chúng, yêu cầu sử dụng và thoả mãn các yêu cầu nêu ra ở trên. Mặt khác phải hết sức lợi dụng được cơ giới hoá trong vận chuyển cũng như bốc dỡ hàng hoá.

Để thực hiện tốt các chế độ kiểm tra cần phải có biện pháp sắp xếp hàng hoá hợp lý và bố trí lối đi lại kiểm tra của nhân viên được thuận tiện. Chiều cao sử dụng bên trong công trình phụ thuộc vào khả năng bốc dỡ từng loại hàng và đảm bảo an toàn.

Kích thước của lối ra vào phụ thuộc vào kích thước hàng hoá và xe cộ vận chuyển. Vị trí lối ra vào phải đảm bảo điều kiện vận chuyển và bốc dỡ thuận tiện, kín đáo, an toàn.

Khi thiết kế công trình ngầm kho chất nổ và đạn dược phải thoả mãn điều kiện trụ bảo vệ xác định như trong chương I. Chất nổ và bom đạn sau khi sản xuất ở nhà máy ra đã được đóng gói và sắp xếp trong kho trên các giá (hoặc theo từng chồng). Kích thước của giá (hoặc chồng) xác định theo điều kiện bốc dỡ và an toàn, kích thước của hòm gói và các loại chất nổ, bom đạn. Chiều cao của giá đối với chất nổ và mìn không có ngòi lấy từ 2-2,5m, đối với kíp nổ và ngòi nổ lấy 1,5m.

Chiều rộng của giá từ 1  2m và chiều dài từ 6  8m. Lối đi giữa các giá rộng 1,25  2m và mép giá cách tường 0,75m. Đỉnh giá (chồng) cách vỏ hầm không nhỏ hơn 0,5m.

Hình 2.22 (tr 82 GT t1) Sơ đồ bố trí chất nổ, đạn dược trong kho ngầm.

Hình 2.23 (tr 83 GT t1) Ví dụ bố trí mặt bằng kho đạn ngầm.

Khi thiết kế kho nhiên liệu ngầm, nhiên liệu thường được đựng trong các thùng kim loại và có thể đặt nằm ngang hay thẳng đứng (hình 2.26 tr 85 GT t1). Thể tích của các thùng phụ thuộc vào khối lượng nhiên liệu điều kiện địa chất và trình độ thi công. Giữa các thùng với nhau hoặc giữa với kết cấu vỏ hầm phải đi lại thuận tiện.

Nhiên liệu được chuyển đến trạm bơm và qua hệ thống đường ống và đưa vào các thùng chứa. Đối với kho nhiên liệu cần phải có biện pháp và thiết bị phòng hoả tốt và bảo vệ hệ thống đường ống khỏi bị bom đạn phá hoại.

Trong trường hợp khối lượng nhiên liệu dự trữ không lớn có thể thiết kế bể nhiên liệu thẳng đứng, hoặc dùng phương pháp nổ mìn buồng để xây dựng các bể chứa và dùng các vật liệu chống thấm tốt làm vỏ hầm (hình 2.24, 2.25 tr 84 GT t1).

Thiết kế kho nhiên liệu ngầm cần phải phân tích điều kiện kinh tế kỹ thuật một cách hợp lý, trên cơ sở đó xác định hình thức vận chuyển nhiên liệu trong công trình ngầm (vận chuyển bằng xe hoặc đường ống).

Nguỵ trang công trình ngầm kho nhiên liệu cần chú ý hệ thống đường ống dẫn vào công trình để kẻ địch trên không và mặt đất khó phát hiện được.

Trên thế giới đã xây dựng nhiều kho chứa nhiên liệu và dung tích khổng lồ. Trên hình (2.27 Tr85 GT t1) mô tả một kho nhiên liệu và vật liệu bôi trơn được xây dựng tại căn cứ quân sự Pivlhavbr (Haoai-Mỹ). Kho bao gồm 20 bể chứa hình trụ thẳng đứng có đường kính 33m và chiều cao 80m.

Đáy bể có dạng Kupol hình cầu, chiều rộng trụ bảo vệ giữa các bể lấy bằng 60m. Tất cả các bể chứa được nối với nhau bằng hai đường hầm nằm ngang hình vòng (các đường hầm này có lối thông với mặt đất). Tổng sức chứa của kho là 900.000 m3.

13. Thiết kế công trình ngầm máy bay.

Công trình ngầm ẩn nấp cho máy bay là một trong những công trình quan trọng của căn cứ không quân. Tuỳ theo yêu cầu sử dụng có thể thiết kế công trình ngầm cho máy bay chiến đấu, ném bom và vận tải.

Mặt khác theo yêu cầu nhiệm vụ, có thể thiết kế cho máy bay xuất kích ngay trong hầm nhưng thông thường chỉ để ẩn nấp và tiến hành các giai đoạn kiểm tra chuẩn bị khi có lệnh kéo ra đường băng của sân bay để xuất kích.

Những yêu cầu cơ bản đối với thiết kế công trình ngầm ẩn nấp cho máy bay là:

- Có khả năng bảo vệ nhất định chống vũ khí sát thương đặc biệt phải nâng cao khả năng bảo vệ cửa ra vào.

- Vận hành các máy bay trong công trình ngầm thuận tiện và xuất kích nhanh chóng theo thời gian đã quy định, cần chú ý tới sự phát triển kích thước của các loại máy bay hiện đại để có thể sử dụng các công trình này cả trước mắt và lâu dài. Liên hệ với đường băng chính của sân bay thuận tiện.

- Nên có khả năng tự xử lý nhất định, nghĩa là khi đường băng chính bị phá hoại vẫn có thể tự xuất kích chiến đấu được.

- Thoả mãn yêu cầu sử dụng, bảo quản sửa chữa nhưng phải hết sức kinh tế.

Giải pháp mặt bằng tổng quát của công trình ngầm máy bay phụ thuộc vào kiểu loại và số lượng máy bay, cách vận hành của chúng trong công trình. Yêu cầu sử dụng kiểm tra bảo quản và sửa chữa v.v.

Do sải cánh của máy bay lớn nên khẩu độ của công trình yêu cầu cũng phải lớn, bởi vậy không thể bảo đảm điều kiện xuất kích từng chiếc hoặc từng tốp theo ý muốn được mà phải có sự bố trí sắp xếp trước khi đưa máy bay về công trình.

Nếu không công trình sẽ có khẩu độ rất lớn, không đảm bảo điều kiện thi công an toàn và kinh tế. Thông thường bố trí máy bay theo trung đội (biên đội) và đại đội.

Các bộ phận trong công trình ngầm máy bay bao gồm:

- Lối ra vào bố trí cửa bảo vệ, các thiết bị và các mạng ống kỹ thuật. Dựa theo yêu cầu xuất kích chiến đấu và điều kiện địa hình có thể bố trí một hay hai lối ra vào chính trở nên.

- Các buồng điều khiển đóng, mở tự động hoặc bán tự động các cửa bảo vệ.

- Buồng để máy bay, bảo quản sửa chữa và thực hiện ba giai đoạn chuẩn bị trước khi xuất kích.

- Buồng để sửa chữa dụng cụ kiểm tra.

- Các buồng làm xưởng, sửa chữa nhỏ cho máy bay và các phương tiện phục vụ khác.

- Buồng phát điện và phân phối điện.

- Buồng trực ban điều phối máy bay ra vào công trình cũng như bố trí chỗ đậu của chúng.

- Buồng ở của người lái, công nhân và các buồng phục vụ sinh hoạt khác.

Ngoài các buồng trên tuỳ theo yêu cầu sử dụng có thể bố trí các kho đạn dược, nhiên liệu trong công trình.

Đối với công trình ngầm cho máy bay các yêu cầu về phòng hoả phải được thực hiện nghiêm ngặt.

Các chế độ chuẩn bị cho máy bay cất cánh phải tuân theo tuần tự nhất định (nạp khí nén, nạp ôxy, nạp dầu, tránh nạp điện và nạp dầu cùng một lúc). Bởi vậy phải bố trí các thiết bị và phương tiện phòng hoả đầy đủ. Buồng để máy bay là bộ phận chủ yếu của công trình cho máy bay. Mặt bằng của nó có thể theo kiểu đường thẳng, đường cong hoặc kết hợp (đoạn thẳng với đoạn thẳng hoặc đoạn thẳng với đoạn cong v.v.) như hình 2.10.

Mỗi loại có những ưu nhược điểm riêng của nó, diện tích phần để máy bay phụ thuộc vào cách vận hành và sắp xếp máy bay cho công trình.

Hình 2.10 (tr 72- GT t1) - Các dạng mặt bằng công trình ngầm máy bay

Vận hành máy bay trong công trình ngầm có thể dùng ô tô kéo hoặc các phương tiện kéo khác nhau.

- Kéo bằng ô tô có ưu điểm là thiết bị đơn giản, thuận tiện và nhanh chóng đưa máy bay ra đường băng cất cánh. Nhược điểm là khi quay vòng khẩu độ của công trình phải lớn và xả khói nhiều trong công trình (hình 2.11).

- Kéo bằng xe điện không ray có ưu nhược điểm tương tự như kéo bằng ôtô nhưng không có khói xả ra trong công trình, tốc độ chậm và khi ra khỏi công trình phải thay phương tiện kéo khác.

- Kéo bằng xe điện có ray: loại này có tốc độ nhanh có thể kéo được nhiều máy bay một lần, nhưng thiết bị phức tạp không cơ động (hình 2.12).

- Thiết bị vận chuyển tuần hoàn (hình 2.13) gồm các bánh xe chủ động, đai quay và các trục đỡ loại này có tốc độ vận chuyển nhanh, khối lượng vận chuyển lớn, nhưng phải có thiết bị động lực phức tạp và chỉ sử dụng cho hầm thẳng.

Trong trường hợp yêu cầu máy bay xuất kích ngay trong hầm thì phải thiết kế những thiết bị đặc biệt như đường lăn theo các rãnh cố định khi mở máy, ụ chống lực phụt và các thiết bị thông gió khác.

Hình 2.11, 2-12 (tr 73- GT t1) - Kéo máy bay bằng ô tô và xe điện có ray.

Thường bố trí máy bay trong công trình theo biên đội và theo một số kế hoạch đã định đồng thời phải đảm bảo, điều kiện kiểm tra, sửa chữa và lối đi lại cho các xe phục vụ.

Sắp xếp máy bay trong hầm có thể theo hai cách dọc trục hầm và nghiêng với trục hầm một góc nhất định.

Trong khi bố trí dọc trục hầm cần bảo đảm khoảng cách an toàn giữa ống đo tốc độ của máy bay sau với đuôi của máy bay trước một cự ly nhất định (hình 2.14).

Bố trí theo hình thức này vận hành thuận tiện, nhưng chiếm chiều dài công trình khá lớn.

Khi bố trí lệnh với trục hầm một góc nhất định, tuy chiều rộng công trình có thể tăng lên nhưng rút ngắn được chiều dài trục hầm, đồng thời do máy bay đặt so le nhau nên chiều dài công trình giảm đi đáng kể và có thể dùng nhiều xe kéo cả tốp một lúc, do đó tốc độ vận hành nhanh chóng (hình 2.15). Nhưng có nhược điểm là khi kéo máy bay vào hầm phải dùng người đẩy vào vị trí quy định và điểm cao nhất của cách đuôi không nằm tại vị trí có chiều cao sử dụng lớn nhất của hầm.

Mặc khác khi bố trí nghiêng cần phải bảo đảm khoảng cách giữa mép cánh trước của máy bay trước với ống độ tốc độ của máy bay sau để khi kéo máy bay được an toàn.

Hình 2.13 (tr 74- GT t1) -Thiết bị vận hành máy bay tuần hoàn.

Hình 2.14 (tr 74- GT t1) -Bố trí máy bay dọc trục hầm.

Hình 2.15 (tr 74- GT t1) -Bố trí máy bay nghiêng với trục hầm.

Về mặt cắt ngang công trình cần chú ý đến điều kiện thi công và khả năng chịu lực của kết cấu. Mặt khác phải đảm bảo khoảng cách an toàn giữa máy bay với mép kết cấu vỏ hầm và chú ý tới xu hướng phát triển của máy bay tiêm kích là thân càng dài sải cánh càng thu hẹp và cánh đuôi càng cao lên.

Hình 2.16 (Tr 75- Gt t1) nêu lên một số phương án mặt cắt ngang trong công trình ngầm máy bay.

Do chiều dài của máy bay lớn cộng với chiều dài xe kéo và cần kéo, nên ở những chỗ vòng trục hầm phải có bán kính cong đủ lớn và các đầu nối phải có tiết diện ngang lớn. Để giảm bớt chiều rộng kết cấu đầu nối có thể thiết kế bàn quay như hình 2.17.

Độ dốc lớn trục hầm phải thoả mãn điều kiện máy bay đậu ổn định và vận hành thuận tiện thường không vượt quá 25% và độ dốc ngang phải bảo đảm thoát nước, thường ở đầu hầm lấy 10% và ở thân 5%.

Chiều dày nền hầm dựa vào trọng lượng máy bay và các xe phục vụ khác để xác định, thông thường dùng bê tông số hiệu 300 dầy nhỏ nhất là 16 cm đặt trên lớp đệm sỏi cát 15 cm. Nền của lối ra vào phải cấu tạo dầy hơn.

Lối ra vào là bộ phận yếu nhất của công trình ngầm máy bay vì thường có kích thước lớn địch dễ phát hiện, các lối ra vào phải cố gắng bố trí theo các hướng khác nhau và bố trí sao cho khi bị địch tập kích hạt nhân vào sân bay mức độ phá hoại ở mức thấp nhất. Vị trí của lối ra vào nên chọn ở nơi có điều kiện địa chất tốt, địa hình dốc để tăng chiều dày đất đá bảo vệ và nguỵ trang thuận tiện. Mặt khác phía trước lối ra vào phải có bãi bằng để vận hành và xuất kích được dễ dàng.

Cửa bảo vệ phải có khả năng chịu lực tốt, phải nguỵ trang kín đáo và tìm mọi biện pháp giảm tác dụng phá hoại của bom đạn và sóng xung kích hạt nhân.

*) Thiết kế nhà máy ngầm.

Trong điều kiện không quân địch hoạt động mạnh nhất là trong chiến tranh có sử dụng vũ khí hạt nhân, để bảo đảm cho các nhà máy làm việc liên tục cần bố trí trong công trình ngầm. Trước tiên là các nhà máy của công nghiệp quốc phòng (như nhà máy sản xuất, lắp ráp máy bay, xe tăng và chế tạo bom đạn v.v.).

Xây dựng nhà máy ngầm là một vấn đề rất phức tạp phải phân tích so sánh nhiều yếu tố khác nhau xuất phát từ những yêu cầu đối với nhà máy ngầm.

Những yêu cầu cơ bản đối với thiết kế một nhà máy ngầm là:

- Đảm bảo quá trình công nghệ tốt.

- Chống được các phương tiện sát thương đã dự định.

- Tổ chức tốt công tác nguỵ trang chống trinh sát trên không và công tác bảo vệ ở mặt đất.

- Có nơi bốc dỡ hàng hoá thuận tiện và kín đáo.

Nhà máy ngầm cũng như công trình khác cần phải chọn vị trí xây dựng thích hợp. Vị trí đó phải xét tỷ mỷ đến nhiều yếu tố về chiến kỹ thuật, kinh tế và điều kiện địa hình.

Những yếu tố cơ bản đối với vị trí xây dựng nhà máy ngầm là:

- Những tính chất đặc biệt về địa hình và địa chất thuỷ văn.

- Tình hình mạng đường xá trong khu vực xây dựng.

- Các nguồn nước và sông ngòi hiện có.

- Khoảng cách đến các trung tâm công nghiệp.

- Tình hình nguỵ trang tự nhiên hiện có.

- Điều kiện khí hậu.

Quy định của nhà máy và kích thước của các hầm xác định trước hết theo dây chuyền công nghệ và kích thước của thiết bị bên trong. Trong nhà máy ngầm thì phân xưởng tháo lắp có chiều cao và chiều rộng lớn nhất và có các thiết bị đặc biệt như cần cẩu, sàn cầu chạy. Giữa các phân xưởng cần có đường liên hệ chặt chẽ và thuận tiện theo dây chuyền công nghệ đã được xác định (hình 2.20tr 79).

Trong điều kiện có thể, cần đảm bảo điều kiện làm việc cần giống như các nhà máy trên mặt đất nhưng điều đó đối với nhà máy ngầm khó có thể thực hiện được vì gặp nhiều hạn chế.

Nhà máy ngầm tuỳ thuộc vào cách quy hoạch mặt bằng có thể chia làm hai nhóm: nhà máy có mặt bằng kiểu mạng lưới và kiểu bậc thang.

Hình 2.18 (Tr 78- Gt t1) Mô tả sơ đồ mặt bằng nhà má SaaB (Thuỵ Điển) kiểu mạng lưới.

Các phân xưởng1 phân cách nhau bởi các trụ bảo vệ 2, và được nối với nhau bởi các đường hầm giao thông 3. Việc liên hệ với các mặt được thực hiện bởi các đường hầm giao thông 4 và dành cho người 5. Lối ra vào nhà máy được trang bị các thiết bị nguỵ trang, bảo vệ thông gió. Ngoài ra nhà máy còn có lối thoát dự phòng 7.

Hình 2.19 (Tr 78- Gt t1) Mô tả sơ đồ mặt bằng nhà máy kiểu bậc thang.

Trên hình 2.19 mô tả cụm các nhà máy ngầm hoạt động trước 1945 ở Đức. Trong đó điển hình hơn cả là nhà máy MittelVerk sản xuất tên lửa "v-1" "v-2". Các nhà máy này có mặt bằng kiểu bậc thang. Các nhà máy NittelVerk và Novdverk bao gồm hai đường hầm giao thông song song với chiều dài mỗi đường khoảng 2/3 km và cách nhau 200 m. Các phân xưởng có chiều rộng 10-12m được ngăn cách bởi các trụ bảo vệ rộng 30  35m. Trong một đường hầm giao thông có bố trí đường sắt, ống thông hơi đường ống kỹ thuật và cáp điện. Trong các phân xưởng của MittelVerk lắp đặt 20 ngàn máy cái và thiết bị, tổng số người làm việc là 41,5 ngàn (9 ngàn công nhân Đức và 32,5 ngàn tù nhân của các trại tập trung).

Khi thiết kế nhà máy ngầm cần chú ý tới hệ thông gió điều hoà không khí, nhất là đối với phân xưởng đặc biệt, đồng thời phải đảm bảo các biện pháp và kỹ thuật, an toàn được tốt.

Công tác nguỵ trang nhà máy ngầm phải thường xuyên và toàn diện. Ngoài nguỵ trang lối ra ngoài, vào phải nguỵ trang toàn bộ khu vực xây dựng công trình như mạng đường xá, nhất là các đường cụt dẫn vào công trình ngay trong khi xây dựng và cả quá trình sử dụng sau này. Mặt khác phải tổ chức bảo vệ tốt, thiết lập một khu vực cấm nhất định xung quanh nhà máy ngầm để chống kẻ địch ở mặt đất xuất hiện.

14. Thiết kế công trình ngầm cho tàu ngầm và nhà máy ngầm.

*) Thiết kế công trình ngầm cho tàu ngầm.

Trong chiến tranh hiện đại, với những nước có bờ biển dài. Tàu ngầm là một phương tiện chiến đấu có hiệu quả nhất ở bờ biển và lực lượng chủ yếu của hải quân. Bởi vậy cần có những công trình bảo vệ tổng hợp để bảo đảm chiến đấu, trước hết là các hầm ẩn nấp cho tàu ngầm.

Những đặc điểm cơ bản của thiết kế công trình ngầm cho tàu ngầm là:

- Có những yêu cầu đặc biệt đối với vị trí xây dựng (độ dốc đứng, độ sâu, yên lặng).

- Cần phải có vật chướng ngại một phần nằm dưới nước để bảo vệ cửa ra vào.

- Kích thước lối ra vào thích hợp.

- Đảm bảo yêu cầu xuất kích (cho từng chiếc hay từng tốp).

Giải pháp mặt bằng tốt nhất của công trình ngầm cho tàu ngầm là kiểu đường thẳng và phụ thuộc vào kích thước hình học của tàu, quá trình công nghệ, lối đi làm việc và làm việc của công nhân .vv. Để giảm bớt kích thước tiết diện ngang công trình và có thể sử dụng các phương pháp thi công đã có sẵn, thường chia công trình ngầm của căn cứ tàu ngầm thành nhiều nhóm:

- Nơi đậu của tàu ngầm.

- Sửa chữa

- Đạn dược

- Nhiên liệu

- Năng lượng

- Kho

- Chỉ huy

- Sinh hoạt

- Thông gió

- Quân y

Khi cần thiết có thể bố trí trạm phát điện riêng.

Các thành phần và yêu cầu của các bộ phận trên phải được chỉ rõ trong nhiệm vụ thiết kế.

Trong thiết kế công trình ngầm cho tàu ngầm cần chú ý cửa bảo vệ có kích thước lớn và xét đến tác dụng của nổ trong nước và nổ trong không khí.

Hình 2.8 (tr 68- GT t1) - mặt bằng công trình ngầm cho căn cứ tàu ngầm.

Kích thước hầm tàu đậu phụ thuộc vào kiểu loại số lượng và thứ tự sắp xếp tàu trong hầm.

- Chiều rộng bên trong của hầm nơi tàu đậu xác định theo công thức sau:

B = nd + (n - 1) a + 2a' + bn (m) ( )

Trong đó:

n - số lượng tàu trong tiết diện ngang công trình.

d - chiều rộng của tàu

a - khoảng cách an toàn giữa các tàu với nhau (m)

a' - khoảng cách an toàn giữa các mép tàu với mép tường của vỏ hầm (m)

bn - chiều rộng của bến

- Chiều sâu của nước trong hầm

h0 = T + y (m) ( )

Trong đó:

T - Mớn nước lớn nhất của tàu (m)

y - Khoảng cách an toàn dưới đáy tàu (m)

- Chiều cao bên trong của hầm xác định theo công thức sau:

H = hb+hHP + f.

Trong đó:

hHP- Chiều cao từ mặt nước đến đỉnh cao nhất của tàu.

f - Khoảng cách dự trữ an toàn.

Cần lưu ý rằng f tính trong trường hợp chiều cường

Chiều dài của buồng tàu đậu xác định theo công thức sau:

L = nl + (n - 1) b + 2b' m ( )

Trong đó:

l - Chiều dài của tàu ngầm (m)

b - khoảng cách an toàn giữa các mép tàu theo chiều dọc (m)

b' - khoảng cách an toàn giữa mép tàu và mép tường theo chiều dọc (m)

Đối với tàu phóng lôi và các loại tàu khác cơ sở thiết kế tương tự như trên (hình 2.9).

Trong công trình hải quân còn lợi dụng mức nước thuỷ triều lên xuống để thiết kế các xưởng ngầm sửa chữa tàu. Khi nước thuỷ triều lên đưa tàu vào hầm và khi nước thuỷ triều xuống tiến hành kê kích tàu và đóng cửa chắn lại, sau đó tiến hành bảo quản sửa chữa.

Hình 2.9 (tr 70- GT t1) -Sơ đồ công trình ngầm cho tàu chiến.

*) Thiết kế nhà máy ngầm.

Trong điều kiện không quân địch hoạt động mạnh nhất là trong chiến tranh có sử dụng vũ khí hạt nhân, để bảo đảm cho các nhà máy làm việc liên tục cần bố trí trong công trình ngầm. Trước tiên là các nhà máy của công nghiệp quốc phòng (như nhà máy sản xuất, lắp ráp máy bay, xe tăng và chế tạo bom đạn v.v.).

Xây dựng nhà máy ngầm là một vấn đề rất phức tạp phải phân tích so sánh nhiều yếu tố khác nhau xuất phát từ những yêu cầu đối với nhà máy ngầm.

Những yêu cầu cơ bản đối với thiết kế một nhà máy ngầm là:

- Đảm bảo quá trình công nghệ tốt.

- Chống được các phương tiện sát thương đã dự định.

- Tổ chức tốt công tác nguỵ trang chống trinh sát trên không và công tác bảo vệ ở mặt đất.

- Có nơi bốc dỡ hàng hoá thuận tiện và kín đáo.

Nhà máy ngầm cũng như công trình khác cần phải chọn vị trí xây dựng thích hợp. Vị trí đó phải xét tỷ mỷ đến nhiều yếu tố về chiến kỹ thuật, kinh tế và điều kiện địa hình.

Những yếu tố cơ bản đối với vị trí xây dựng nhà máy ngầm là:

- Những tính chất đặc biệt về địa hình và địa chất thuỷ văn.

- Tình hình mạng đường xá trong khu vực xây dựng.

- Các nguồn nước và sông ngòi hiện có.

- Khoảng cách đến các trung tâm công nghiệp.

- Tình hình nguỵ trang tự nhiên hiện có.

- Điều kiện khí hậu.

Quy định của nhà máy và kích thước của các hầm xác định trước hết theo dây chuyền công nghệ và kích thước của thiết bị bên trong. Trong nhà máy ngầm thì phân xưởng tháo lắp có chiều cao và chiều rộng lớn nhất và có các thiết bị đặc biệt như cần cẩu, sàn cầu chạy. Giữa các phân xưởng cần có đường liên hệ chặt chẽ và thuận tiện theo dây chuyền công nghệ đã được xác định (hình 2.20tr 79).

Trong điều kiện có thể, cần đảm bảo điều kiện làm việc cần giống như các nhà máy trên mặt đất nhưng điều đó đối với nhà máy ngầm khó có thể thực hiện được vì gặp nhiều hạn chế.

Nhà máy ngầm tuỳ thuộc vào cách quy hoạch mặt bằng có thể chia làm hai nhóm: nhà máy có mặt bằng kiểu mạng lưới và kiểu bậc thang.

Hình 2.18 (Tr 78- Gt t1) Mô tả sơ đồ mặt bằng nhà má SaaB (Thuỵ Điển) kiểu mạng lưới.

Các phân xưởng1 phân cách nhau bởi các trụ bảo vệ 2, và được nối với nhau bởi các đường hầm giao thông 3. Việc liên hệ với các mặt được thực hiện bởi các đường hầm giao thông 4 và dành cho người 5. Lối ra vào nhà máy được trang bị các thiết bị nguỵ trang, bảo vệ thông gió. Ngoài ra nhà máy còn có lối thoát dự phòng 7.

Hình 2.19 (Tr 78- Gt t1) Mô tả sơ đồ mặt bằng nhà máy kiểu bậc thang.

Trên hình 2.19 mô tả cụm các nhà máy ngầm hoạt động trước 1945 ở Đức. Trong đó điển hình hơn cả là nhà máy MittelVerk sản xuất tên lửa "v-1" "v-2". Các nhà máy này có mặt bằng kiểu bậc thang. Các nhà máy NittelVerk và Novdverk bao gồm hai đường hầm giao thông song song với chiều dài mỗi đường khoảng 2/3 km và cách nhau 200 m. Các phân xưởng có chiều rộng 10-12m được ngăn cách bởi các trụ bảo vệ rộng 30  35m. Trong một đường hầm giao thông có bố trí đường sắt, ống thông hơi đường ống kỹ thuật và cáp điện. Trong các phân xưởng của MittelVerk lắp đặt 20 ngàn máy cái và thiết bị, tổng số người làm việc là 41,5 ngàn (9 ngàn công nhân Đức và 32,5 ngàn tù nhân của các trại tập trung).

Khi thiết kế nhà máy ngầm cần chú ý tới hệ thông gió điều hoà không khí, nhất là đối với phân xưởng đặc biệt, đồng thời phải đảm bảo các biện pháp và kỹ thuật, an toàn được tốt.

Công tác nguỵ trang nhà máy ngầm phải thường xuyên và toàn diện. Ngoài nguỵ trang lối ra ngoài, vào phải nguỵ trang toàn bộ khu vực xây dựng công trình như mạng đường xá, nhất là các đường cụt dẫn vào công trình ngay trong khi xây dựng và cả quá trình sử dụng sau này. Mặt khác phải tổ chức bảo vệ tốt, thiết lập một khu vực cấm nhất định xung quanh nhà máy ngầm để chống kẻ địch ở mặt đất xuất hiện.

15. Sử dụng công trình ngầm của nền kinh tế quốc dân và các hang động tự nhiên vào mục đích quân sự.

*) Sử dụng công trình ngầm của nền kinh tế quốc dân vào mục đích quân sự.

Các công trình ngầm dânb sự như đường xe điện ngầm, đường cống ngầm trong thành phố, đường hầm giao thông, các đường hầm khai thác than quặng v.v. do nằm chìm dưới đất, có lớp đất dày bên trên và dung lượng khá lớn nên có khả năng bảo vệ nhất định chống các vũ khí sát thương kể cả các yêu tố sát thương của vũ khí hạt nhân. Trong chiến tranh chúng thường được sử dụng vào mục đích quân sự khác nhau: hầm ẩn nấp cho bộ đội và nhân dân, chỉ huy sở hoặc dùng làm kho lương thực đạn dược và các phương tiện chiến tranh khác, đường cơ động trong chiến đấu v.v.

Để kết hợp một cách chủ động và hợp lý nhất trong việc sử dụng các công trình ngầm kinh tế vào mục đích quân sự, người ta phải đặt vấn đề này ngay từ khi qui hoạch xây dựng và trong nhiệm vụ thiết kế, kết hợp chặt chẽ giữa xây dựng phát triển kinh tế với củng cố quốc phòng.

Khi thiết kế và xây dựng, đều phải quán triệt ý đó để khi chiến tranh có thể chủ động và nhanh chóng chuyển từ thời bình sang thời chiến theo một phương án có sẵn.

Đối với công trình ngầm dân sự có sẵn, để có kế hoạch sử dụng hợp lý các yêu cầu quân sự khác nhau cần phải:

- Lập bản đồ vị trí các công trình ngầm kinh tế có sẵn.

- Đánh giá khả năng bảo vệ, dung lượng của công trình.

- Xác định ý định sử dụng và yêu cầu chiến kỹ thuật đối với từng công trình.

- Thiết kế các biện pháp cải tạo theo yêu cầu mới, sẵn sàng triển khai xây dựng khi có yêu cầu.

Nội dung đánh giá khả năng bảo vệ của công trình là:

- Khả năng chống tác dụng phá hoại của vũ khí phía trên, trên toàn bộ công trình.

- Số lượng và khả năng bảo vệ của các lối ra vào đặc biệt là khả năng chống sóng xung kích hạt nhân.

- Khả năng phòng hơi độc và nhiễm phóng xạ.

Ngoài ra còn cần tìm hiểu hệ thống kỹ thuật bảo đảm điện nước, thông gió v.v.của công trình.

Việc cải tạo các công trình ngầm có sẵn vào mục đích quân sự phải căn cứ vào ý nghĩa và tầm quan trọng của từng công trình một. Nếu công trình có vị trí rất quan trọng trong chiến tranh tương lai thì việc cải tạo có tính chất cơ bản và có thể kết hợp tiến hành ngay trong thời bình. Nếu chỉ là công trình thứ yếu thì việc cải tạo chỉ có tính chất cục bộ có thể làm trong thời kỳ chuẩn bị chuyển sang thời chiến.

Phải đặc biệt chú ý tăng cường khả năng bảo vệ của các cửa chống sóng xung kích hạt nhân vì đó là nhân tố phá hoại chủ yếu đối với công trình ngầm.

*) Sử dụng các hang thiên nhiên vào mục đích quân sự.

Nước ta có nhiều vùng núi đá vôi, trong đó có nhiều hang lớn. Hang đã được sinh ra do quá trình xâm thực của nước. Có nhiều hang đã chết (đã ổn định), nhưng cũng có nhiều hang đang hoạt động, đang trong thời kỳ phát triển.

Trong hai cuộc kháng chiến chống Pháp và chống Mỹ chúng ta đã cải tạo rất nhiều hang phục vụ cho mục đích quân sự như làm kho, chỉ huy sở, bệnh viện, nhà máy quốc phòng v.v.(hình 3.1 Tr 88- GT t1) là một ví dụ là hang thiên nhiên phức tạp đã được sử dụng trong chiến tranh chống Mỹ ở miền Bắc nước ta (hang Nhị Thanh ở Lạng Sơn). Ưu điểm của hang thiên nhiên là thường có dung tích lớn, có điều kiện địa hình và nguỵ trang thiên nhiên thuận lợi. Nhược điểm cơ bản của chúng là tính chất địa chất thuỷ văn và cấu tạo của hang rất phức tạp. Hang có thể có nhiều tầng chồng chất lên nhau, kích thước trong hang cao, thấp, rộng, hẹp rất khác nhau, nhiều hang có suối ngầm khi mưa to nước thoát không kịp sinh ra ngập lụt.

Để có kế hoạch sử dụng hợp lý các hang thiên nhiên vẫn phải qua các bước như khi sử dụng các công trình ngầm kinh tế có sẵn phải:

- Lập bản đồ vị trí của hanh thiên nhiên.

- Đánh giá dung lượng và khả năng bảo vệ của chúng.

- Xác định ý định sử dụng và yêu cầu chiến kỹ thuật đối với từng công trình.

- Thiết kế cải tạo thoe yêu cầu chiến kỹ thuật đề ra.

Trong đó bước đánh giá khả năng bảo vệ của hang là quan trọng và khó khăn nhất.

Để đánh giá được đúng khả năng bảo vệ của hang phải tiến hành các công tác khảo sát:

- Khảo sát địa chất và địa chất thuỷ văn.

- Khảo sát địa hình

- Khảo sát khí tượng và thuỷ văn.

16. Phân tích những nguyên nhân hình thành áp lực đất đá, khái niệm áp lực đất đá.

Môi trường đất đá ở trạng thái nguyên sinh tồn tại ứng suất tại các điểm trong lòng nó. Độ lớn của ứng suất tại các điểm này phụ thuộc vào tính chất cơ lý của môi trường, vào vị trí của các điểm.

Khi xây dựng công trình ngầm, do có sự tác động vào môi trường đất đá (khoang hầm được hình thành), đất đá có xu thế dịch chuyển vào khoảng trống do đó tác động lên kết cấu công trình ngầm, sinh ra áp lực lên vỏ công trình ngầm. Độ lớn của áp lực phụ thuộc vào các chỉ tiêu cơ lý và hình dạng, kích thước, chiều sâu đặt công trình ngầm. Về nguyên tắc, môi trường càng bị phá hoại nhiều thì càng tác động nhiều đến công trình

Công trình ngầm sẽ chịu tác dụng của áp lực đất đá thẳng đứng, áp lực hông tùy thuộc vào từng vị trí.

Ở vị trí nóc công trình ngầm, kết cấu nhìn chung chịu tác dụng của khối đất đá có xu thế chuyển động từ trên xuống dưới (tác dụng chuyển dịch theo phương ngang nói chung cũng tồn tại tuy nhiên không lớn), gây nên áp lực thẳng đứng

Ở vị trí hông của công trình ngầm, kết cấu nhìn chung chịu tác dụng của khối đất đá có xu thế chuyển động từ hai bên vào khoảng trống theo phương ngang (tác dụng chuyển dịch từ trên xuống dưới nói chung cũng tồn tại tuy nhiên không lớn), gây nên áp lực ngang

17. Trạng thái ứng suất trước và sau khi đào hầm.

*) Trạng thái ứng suất trước khi đào hầm.

Trạng thái ứng suất ban đầu là trạng thái ứng suất gây ra bởi trọng lượng bản thân của đất đá (tự trọng), trong một số tài liệu khác người ta còn gọi là trạng thái ứng suất trước khi đào hầm hay trạng thái ứng suất nguyên sinh.

Để xác định trạng thái ứng suất ban đầu, xem mặt đất là phẳng và cắt một phân tố đơn vị ở độ sâu h (xem hình vẽ 30), các thành phần ứng suất tác dụng lên phân tố đơn vị đó bao gồm:

Thành phần ứn suất thẳng đứng là:

(T/m2) (2.1)

Trong trường hợp đất đá có nhiều lớp thì:

(T/m2) (2.2)

Do nằm trong trạng thái tự nhiên, đất đá bị nén đều xung quanh và các thành phần ứng suất nằm ngang sẽ là:

(T/m2) (2.3)

Trong đó:

Yi: trọng lượng thể tích lớp thứ i (T/m3):

Hi: Chiều dày của lớp thứ i ( M)

: Hệ số áp lực hông.

Nếu xem đất đá là môi trường đàn hồi thì biến dạng theo phương nằm ngang bất kỳ, giả sử là x sẽ là:

Tổng biến dạng theo phương x sẽ là;

Vì phân tố đơn vị nằm trong đất đá nên ta có:

Suy ra:

Như vậy đối với đất đá đàn hồi thì:

Trong đó là hệ số Poisson.

Cần chú ý rằng phần lớn đất đá trong tự nhiên có tính chất lưu biến do đó không thể xem là đất đá đàn hồi lý tưởng được bởi vậy hệ số áp lực hông cần phải được xác định bằng thực nghiệm có xét tới yếu tố thời gian. Có thể thấy được ảnh hưởng của yếu tố thời gian tới giá trị của hệ số áp lực hông qua bảng 2.

Bảng 2: Giá trị hệ số áp lực hông ngắn hạn và dài hạn.

Loại đất đá Giới hạn độ bền

chịu nén (kg/cm2) Hệ số áp lực hông  ngắn hạn Hệ số áp lực hông  dài hạn

Sét 15,0-70 0,67-0,95 0,70-0,98

Diệp thạch sét 170-240 0,70- 0,89 0,72-0,92

Diệp thạch cát 450-580 0,36-0,53 0,36-0,55

Sa thạch cát nhẹ 150 0,39 0,45

Nếu xem đất đá là vun rời thì có thể vận dụng lý thuyết vật thể vụn rời của coulomb như trên hình vẽ 4

Cắt khối đất đá theo mặt phẳng đứng ab, vứt bỏ phần bên trái và thay vào đó bởi trục D. Xét điều kiện cân bằng của lăng trụ abc trên một đơn vị chiều dài, lăng trụ có xu hướng trượt xuống dưới một góc  nào đó do tác dụng của lực gây trượt là trọng lượng Q. Các phản lực cản lại trượt bao gồm: D, ma sát trượt T và phản lực theo phương pháp tuyến N.

Dựng đa giác lực ta có:

D=Q.tg (-);

Thay vào D:

Từ phương trình này khi  biến thiên từ 00->900 sẽ xuất hiện cực trị, tìm điểm Max. Lấy đạo hàm theo  và cho bằng không, sau khi biến đổi ta có:

Thay vào D ta được

Để xác định x=f(H) lấy đạo hàm của D theo H:

Như vậy

(2.6)

Trong bài toán trên đây ra xem đất đá là vật thể rời rạc lý tưởng ( 0; C=0). Với cát sạch  =300-350; =0,27-0,33.

Theo N.A.Ximbarevitr 0 và C0.

Với một số loại đất đá, hệ số áp lực hông  như sau:

Cát: 0,35 - 0,41

Á sét 0,50-0,70

Sét: 0,70-0,74

Theo các công thức trên đây thì ứng suất tỷ lệ với chiều sâu, với mỗi loại đất đá cụ thể, khi đến một độ sâu hữu hạn nào đó ứng suất trong đất đá sẽ phát triển và vượt quá cường độ giới hạn của nó và làm cho đất bị phá hoại, hoặc chuyển sang trạng thái dẻo.

*) Trạng thái ứng suất trong đất đá sau khi đào hầm.

Sự xuất hiện của khoang hầm sau khi đào sẽ phá vỡ trạng thái cân bằng tự nhiên trong khối đất đá. Trạng thái ứng suất ban đầu (nguyên sinh) bị thay đổi hình thành một trạng thái ứng suất mới, thoả mãn điều kiện cân bằng mới và thường được gọi là trạng thái ứng suất sau khi đào hầm-hay trạng thái ứng suất thứ sinh (trong một số tài liệu khác còn gọi là trạng thái ứng suất thứ hai): Sự hình thành trạng thái ứng suất mới này dẫn đến những biến đổi cơ học trong khối đất đá dưới dạng biến dạng, chuyển vị hay phá hỏng. Các quá trình này được gọi là các quá trình cơ học trong khối đất đá. Sự thay đổi trạng thái ứng suất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như tính chất môi trường, chiều sâu đặt công trình, hình dạng khoang, kích thước khoang, phương pháp thi công...Do vậy việc xác định trạng thái ứng suất lân cận xung quanh khoang hầm (LCXQKH) là một bài toán phức tạp khó có thể tìm được một lời giải chính xác phản ánh một cách đầy đủ trương ứng suất biến dạng LCXQKH trong khối đất đá thực.

Để nghiên cứu các quá trình cơ học LCXQKH trong khối đất đá có thể áp dụng các phương pháp lý thuyết cũng như thực nghiệm trên mô hình hay ngoài hiện trường (xem phần sau). Các phương pháp, như nêu trên, chưa cho phép giải quyết thoả đáng mọi vấn đề do cơ học đá đặt ra.

Do không có điều kiện trình bày hết các phương pháp nghiên cứu trong khuôn khổ của giáo trình này, phần tiếp theo chỉ giới thiệu phương pháp cơ bản nhất - phương pháp của lý thuyết đàn hồi, khi xem đất đá là vật thể đàn hồi tuyến tính và xét bài toán phẳng.

Ngoài ra còn chấp nhận các giả thiết sau đây:

- Đất đá chỉ là môi trường liên tục, đồng nhất, đẳng hướng:

- Chỉ xét tới trường ứng suất - biến dạng do lực trọng trường gây ra, bỏ qua ảnh hưởng của lực kiến tạo và các lực tác động ngẫu nhiên khác:

- Không có các hiện tượng hoá lý làm thay đổi tính chất môi trường:

- Xem môi trường là bán không gian đàn hồi lấy mật đất làm biên giới.

Lời giải của lý thuyết đàn hồi cho trường hợp khoang tròn như sau:

Khoang hầm ở độ sâu H trạng thái ứng suất ban đầu là:

- Thành phần thẳng đứng;

- Thành phần nằm ngang: .

Lời giải trong hệ toạ độ cực như sau:

- Ứng suất do thành phần tải trọng thẳng đứng:

Trong đó: R0 - bán kính khoang hầm tròn.

Trên chu vi khoang (khi r = R0):

r = r0 = 0;

 = z (1 - 2cos 2).

Như vậy ứng suất có giá trị cực đại và cực tiểu tuỳ thuộc vào  như sau:

Khi thì 0max = 3 z (ứng suất nén)

Khi  = 0 hay  =  thì max = - z (ứng suất kéo)

Trên mặt phẳng nằm ngang qua tâm ứng suất thẳng đứng là:

Khi r = 4R0 thì  = 1,037. z  z.

Trên mặt phẳng đứng đi qua tâm ứng suất nằm ngang là:

Khi r tăng thì ứng suất kéo giảm, khi r = R0 thì ứng suất kéo gần bằng không.

ứng suất do thành phần nằm ngang x gây ra là:

(2.8)

ứng suất do tác dụng tổng hợp của cả hai thành phần thẳng đứng z và nằm ngang x là:

Khi r + R0:

- ứng suất:

r = r = 0;

 =(z + x) - 2 ( z - x)cos 2:

- Chuyển vị xuyên tâm:

Khi  = /2:

khi = 0

Khi khoang hầm có dạng êlíp thì ứng suất trên chu vi hầm do z gây ra là:

r = ro = 0.

(2.10)

Trong đó:

: góc tạo bởi trục thẳng đứng với đường kính qua điểm tính toán;

 = ; ( a nửa trục dài; b nửa trục ngắn).

Khi  = 0 thì: 0 = - z;

Khi  = thì

Khi a/b = 1 thì kết quả đúng với trường hợp hình tròn;

Sự phân bố các thành phần ứng suất r và 0 khi đất đá còn nằm giới hạn đạn hồi xem trên hình vẽ 6a

Với khoang hình chữ nhật, kết quả tính toán rất phức tạp. Khi thiết kế có thể tham khảo các giá trị ứng suất cực trị theo bảng 3 và 4 ở sau.

Bài toán về sự tập trung ứng suất LCXQĐH đơn không chống gần giống với bài toán về sự tập trung ứng suất trong tấm vô hạn bị yếu đi bởi lỗ khoét Nội dung của nó có thể tóm tắt gọn như sau:

Trong tấm dài vô hạn nằm trong trạng thái ứng suất đồng nhất chịu kéo theo các hướng, do có tồn tại lỗ khoét với biên xác định L (Hình vẽ 5) trạng thái ứng suất đồng nhất ban đầu bị thay đổi và trở thành không đồng nhất, còn lân cận xung quanh lỗ khoét sẽ xuất hiện sự tập trung ứng suất. Cần xác định trạng thái ứng suất mới và không đồng nhất ấy.

Trạng thái ứng suất đàn hồi không đồng nhất ấy được mô tả trong bài toán phẳng của lý thuyết đàn hồi như sau:

(2.11)

Trong đó hàm biến phức z=x+iy được gọi như là hàm ứng suất;

(2.12)

Bao gồm hai thành phần

- Thành phần thứ nhất (nằm ngoài tổng) ở vế phải biểu diễn trạng thái ứng suất đồng nhất ban đầu của tấm, còn:

và

mô tả sự phân bố lại ứng suất trong tấm và sự tập trung ứng suất LCXQ lỗ khoét.

Các công thức (2.11) và (2.12) được viến lại dưới dạng;

(2.13)

Ký hiệu ứng suất ở vô cùng như sau:

và cho z ->  ta có

(2.14)

(C-lấy giá trị bất kỳ, tiếp theo cho =0

Trong đó:

- p và Q là các ứng suất chính;

- 0 góc giữa trục chính ứng với P và trục OX

Các hàm ứng suất (z) và (z) xác định bởi công thức (2.12) phải thoả mãn các điều kiện trên chu vi L của lỗ khoét như sau:

(2.15)

Trong đó Zo là điểm trên biên L

Như vậy bài toán về sự tập trung ứng suất của tấm vô hạn chịu kéo có lỗ khoét không chịu tải được đưa về việc tìm các hàm ứng suấ (z) và (z) thoả mãn các điều kiện biên (2.15) trên chu vi lỗ khoét L, nghĩa là tìm các hệ số an và a'n ngoài biên L của ccs hàm (z) và 0(z). Các hệ số này phụ thuộc vào các giá trị p, q và t, và đặc trưng trạng thái ứng suất đồng nhất ban đầu của tấm với những đặc trưng về hình học và dạng L của lỗ khoét.

Không có sự tương ứng hoàn toàn giữa hai bài toán về sự tập trung ứng suất trong tấm vô hạn chịu kéo theo các hướng có lỗ khoét, không có tải trọng tác dụng và sự phân bố ứng suất LCXQKH không chống đơn. Cụ thể là trong bài toán về tấm, trạng thái ứng suất ban đầu là đồng nhất ở tất cả các điểm của biên L của lỗ khoét (x=p, y=q, xy=t) thì trong khố đất đá nguyên sinh (thậm chí ngay cả bài toán phẳng) trạng thái ứng suất ban đầu đã là không đồng nhất và khác nhau ở mọi điểm trên biên L của khoang hầm sẽ được đào. Như thế, nếu áp dụng bài toán trên đây về sự tập trung ứng suất trong hấm vô hạn chịu kéo cho trường hợp phân bố lại ứng suất LCXQKH đơn không chống thì các giá trị p, q, t phải là các giá trị ứng suất trung bình (x=p, y=q, xy=t cho miền bên trong biên L (miền náy sau này sẽ đào đi) trong đất đá nguyên sinh và chúng có thể được tính toán theo các công thức của lý thuyết đàn hồi đã biết qua ứng suất trên biên L của khoang hầm. Do kích thước của khoang hầm nhỏ so với kích thước của miền đất đá và các giá trị ứng suất trên biên và tại các điểm trong biên L không khác nhiều so với các giá trị ứng suất trung bình x=p, y=q, xy=t cho miền đó, vì thế trạng thái ứng suất của miền có thẻ coi là đồng nhất còn giá trị ứng suất cho là bằng nhau và bằng giá trị trung bình. Còn bản thân các giá trị trung bình có thể lấy các giá trị ứng suất trong đất đá nguyên sinh tại vị trí trung tâm của tiết diện khoang. Ngoài ra cần chú ý thêm rằng để bài toán trên đây là tương ứng cần thoả mãn điều kiện sao cho khoảng cách từ mép trên khoang tới mặt đất phải đủ lớn (ít nhất phải gấp hai lần kích thước lớn nhất của khoang).

Như vậy trong các điều kiện phân tích ở trên đây ứng với khoang hầm và trạng thái ứng suất trong đất đá nguyên sinh, trạng thái ứng suất của khối đất đá suy giảm đi do tồn tại khoang hầm không chống được mô tả bằng các công thức sau đây:

(2.16)

Trong đó B(x,y), B1(x,y) và C(,y) mô tả trạng thái ứng suất ban đầu của đất đá nguyên sinh còn tổng bên phải - ảnh hưởng của khoang.

Để giải bài toán đặt ra trên đây cho khoang hình vuông có thể áp dụng phương pháp của N.L Muxkhelishvili dùng cho phép ánh xạ bảo giác cho dạng tròn và vuông. Các bước tính trung gian rất cồng kềnh, bỏ qua và ghi lời giải cuối cùng như sau:

(2.17)

Trong đó:

và

p, toạ độ trong hệ độc cực

n, m lấy tổng như nhau

m=0,2,4,6...nếu n chắn

m=1,3,5,7...nếu n lẻ

R: Hằng số

: Hệ số ánh xạ

Trong thiết kế có thể tham khảo bảng dưới đây. ở các góc khoang ứng suất cục bộ thường lớn có thể sử dụng hệ số tập trung ứng suất K trong bảng dưới để tính, trong đó K phụ thuộc tỷ số =p/a; p bán kính cong góc, a: một nửa khẩu độ.

Khi tính toán cho kết cấu hình vòm tường thẳng có thể gần đúng xem vòm như là tròn, còn tường xem như là hình chữ nhật

Bảng 3. Hệ số điều chỉnh ứng suất K ở góc khoang chữ nhật

=p/a 1,9 1/20 1/40

K 3,00 4,60 7,00

Bảng 4: ứng suất trên hang đào hình chữ nhật

Vị trí Tỷ số chiều cao/rộng 18/1

(2) 5/1

(2) 3/1

(2) 1/1

(2) 1/3

(2) 1/5

(2) 1/18

(2)

tải

ở đỉnh emin x=0

x=0,25z -0,80

0,53 -0,80

-0,16 -0,80

-0,23 0,81

0,44 -0,98

-0,64 -1,00

-0,67 -1,01

-0,75

ở hông

emax x=0

x=0,25z 1,05

0,80 1,10

0,96 1,35

1,00 1,50

1,30 2,20

2,00 2,50

2,23 5,00

5,00

Nếu ứng suất phân bố lại trong đất đá vượt quá giới hạn đàn hối thì tuỳ theo loại đất đá sẽ xẩy ra hoặc phá hoại cục bộ hoặc biến dạng dẻo tại những vùng tập trung ứng suất cao. Khi đó xung quanh khoang hầm sẽ tạo vùng ứng suất thấp-khu vực phá hoại hay biến dạng dẻo, còn vùng ứng suất cao sẽ lùi vào phía trong tạo vành đai chịu lực (hình vẽ 6h và hình vẽ 7). Trạng thái ứng suất này tạm gọi là trạng thái ứng suất thứ hai. Lời giải về trạng thái ứng suất thứ hai cũng được đề cập nhiều trong các giáo trình chuyên sâu, do khuông khổ giáo trình này có hạn nên không trình bầy ở đây. Cũng cần thấy rằng sự hình thành vùng ứng suất thấp này là một trong những nguyên nhân chính gây ra áp lực đất đá tác dụng lên kết cấu công trình ngầm.

Càng lùi sâu vào trong đất đá, đất đá càng ổn định và trở về trạng thái ban đầu, phạm vi vùng thay đổi ứng suất - vùng nhiễu động thường bằng (3-5)a với công trình ngầm dạng vòm và (4,5-2,5)a đối với công trình ngầm dạng tròn.

Ngoài ra có thể đưa ra thêm ra khái niệm về trạng thái ứng suất thứ 3-trạng thái ứng suất trong đất đá LCXQKH dưới tác dụng của tải trọng động, trạng thái ứng suất mới này còn ít được đề cập đến và sẽ được nhắc lại trong chương VI-tính toán kết cấu công trình ngầm chịu tác dụng của sóng nổ.

18. Phương pháp tính toán áp lực đất đá thẳng đứng của Prôtôđiacônốp, nhận xét.

M.M Prôtôđjakônôp xem đất đá là những vật thể rời rạc, lực dính giữa các hạt trong đất đá được thể hiện qua hệ ma sát tượng trưng - hay hệ số độ cứng fkp, từ công thức chống trượt trong đất đá ta có:

 = .tg + c;

Trong đó:

: sức bền chống trượt trên một đơn vị diện tích bề mật:

f: hệ số ma sát trong của vật thể rời;

: ứng suất nén trên đơn vị diện tích.

c: lực dính giữa các hạt.

Trong công thức trên đáy rõ ràng nếu đất đá rời thì C = 0, f = tg = fkp (hệ số ma sát trong). Với đá cứng có thể lấy fkp = {Rn}/100.

Từ quan sát thực tế, ông thấy rằng sau khi đào hầm đất đá trên nóc hầm sẽ sụt lở theo một đường cong AOB như trên hình vẽ (10):

Đường cong AOB có chiều cao h1 và chiều rộng 2a1 trọng lượng phần đất đá bên dưới vòm chính là áp lực đất đá thẳng đứng tác dụng lên kết cấu vỏ hầm. Các kích thước vòm AOB được xác định theo lý thuyết vật thể rời.

Xem vòm AOB như một vòm đá chịu tải trọng của cột đất đá phân bố đầu tư phía trên với cường độ p = . H và nằm trong trạng thái cân bằng. Cắt phân tố OA và viết phương trình cân bằng mômen tại điểm A cho một nửa vòm ta có.

 Ma = 0 hay

Từ đáy:

Như vậy vòm có dạng Prabôn bậc hai.

Tại chân vòm x = a1; y = h1 ta có:

T =

Các thành phần phản lực:

- Thành phần thẳng đứng V = p. a1;

- Thành phần nằm ngang: lực xô H chính là lực gây trượt giữa các hạt đất đá và phụ thuộc vào giá trị của V và lực ma sát fkp ta có: H = V. fkp = pa1. fkp.

Để cho vòm ổn định, tại chân vòm phải thoả mãn điều kiện.

T  H = p.a1. fkp. (3.6)

(3.6) là điều kiện cân bằng không ổn định; để cân bằng ổn định cần thêm vào một lượng an toàn với cường độ là ; khi đó điều kiện cân bằng ổn định sẽ là:

. h1 + T = p. a1. fkp;

Thay giá trị của T tại chân vòm và sau khi rút  ta có:

(3.7)

Tìm max bằng cách lấy đạo hàm của nó theo h1 và cho bằng không

hay

Cuối cùng ta có điều kiện để max là:

(3.8)

Thay giá trị của h1 vào biểu thức T ta được:

Như vậy để vòm cân bằng ổn định, lực xô ở đỉnh vòm bằng một nửa lực cản ma sát.

áp lực đất đá thẳng đứng khi đó là trọng lượng thể tích của phần đất đá dưới vòm:

- Tải trọng tập trung trên một đơn vị chiều dài:

(T/m)

Thay giá trị của a1 vào ta có :

(T/m) (3.9)

- Tải trọng phân bố đều:

q = . h1 (T/m) (3.10)

- Tải trọng phân bố hình thang:

q, =  (h, + f,) ; (3.11)

Công thức trên đây chỉ phù hợp với đất đá là vật thể rời, với đất đá cứng kết quả tính toán lớn hơn so với thực tế song đối với các công trình ngầm quán sự do thiên về an toàn có thể sử dụng các công thức trên đây để tính toán. Để áp dụng cụ thể các công thức trên có thể vận dụng các kết quả nghiên cứu của Térsaghi và các kinh nghiệm thực tế để phân biệt các trường hợp tính toán cụ thể như sau:

- Khi công trình ngầm nằm trong đất bão hoà nước, đất bùn, đất xốp rời hoàn toàn, hay thi công theo kiểu đào lộ thiên thì tính toán áp lực đất đá theo công thức cột đất đá.

- Khi công trình ngầm nằm trong đất đá có:

fkp  0,8 và H < (2,0 - 2,5) h1 hoặc

fkp <, 8 và H < 5 a1.

Thì tính toán theo công thức cột đất đá.

- Khi công trình ngầm nằm trong đất đá có:

fkp  0,8 và H  (2,0 - 2,5) h1 hoặc

fkp < 0,8 và H < 5 a1.

Thì tính toán theo công thức vòm.

19. Tính toán áp lực đất đá thẳng đứng theo thuyết cột, điều kiện phân biệt công trình ngầm nông và sâu.

Theo giả thiết này tải trọng tác dụng lên kết cấu công trình ngầm như sau (hình vẽ 8)

- Với công trình ngầm nằm ngang

(3.1)

- Với công trình ngầm thẳng đứng:

(3.2)

Trong đó:

- q: tải trọng phân bố đều theo phương thẳng đứng:

-  : trọng lượng thể tích của đất đá (T/m3)

- H: Chiều sâu đặt công trình (m)

Giải thiết này được Tuale đề xuất vào năm 1838 và A.Heim đề cập lại vào năm 1905. Trên cơ sở của giả thiết về trọng lượng toán bộ cốt đất đá (về thực chất là trường ứng suất tự nhiên), công thức tính tải trọng cho công trình ngầm thẳng đứng (3.2) được tác giả A.H.Dinnik đề xuất vào năm 1925, M.M, Prôtôđjakônôp-1931, P.M.Tsimbarevitr-1933...

Rõ ràng rằng công thức để xác định tải trọng theo giả thiết về toàn bộ trọng lượng cột đất đá chỉ phù hợp với những công trình ngầm nằm trong đất đá yế, bão hoà nước và ở một độ sâu nhất định nào đó hoặc là những công trình ngầm được thi công theo phương pháp đào lộ thiên.

Điều kiện để phân biệt và tính toán công trình ngầm theo mô hình đặt nông và sâu là:

- Khi công trình ngầm nằm trong đất đá có:

fkp  0,8 và H < (2,0 - 2,5) h1 hoặc

fkp <, 8 và H < 5 a1.

Thì xem là công trình ngầm đặt nông và tính toán theo công thức cột đất đá.

- Khi công trình ngầm nằm trong đất đá có:

fkp  0,8 và H  (2,0 - 2,5) h1 hoặc

fkp < 0,8 và H < 5 a1.

Thì xem là công trình đặt sâu và tính toán theo công thức vòm.

20. Áp lực hông và phản lực đàn hồi.

Áp lực hông tác dụng theo phương pháp nằm ngang lên kết cấu công trình do đất đá chuyển dịch vào phía trong khoang hầm gây ra. Để xác định áp lực hông có thể xem tường bên như tường chắn, còn hệ số áp lực hông thì xác định như trong phần trước.

1. Trong đất đá rời rạc:

ey - (q + . y) tg2 (T/m) (3.13)

2. Trong đất đá đàn hồi:

(T/m) (3.14)

Trong do:

q- áp lực đất đá thẳng đứng trên nóc (T/m2)

y - chiều sâu tính từ đỉnh kết cấu tới điểm xét (m)

Trong khi tính toán kết cấu người ta thường tính toán áp lực đất đá tác dụng bên hông tại một số vị trí sau đây (xem hình vẽ 12)

1. Trong đất đá rời

- Tại đỉnh kết cấu:

(T/m2¬) (3.15)

- Tại chân kết cấu:

. (T/m2) (3.16)

2. Trong đất đá đàn hồi.

- Tại đỉnh kết cấu:

. (T/m2) (3.17)

- Tại chân kết cấu:

(T/m2) (3.18)

Nói chung là áp lực hông có ảnh hưởng không nhiều và thường có lợi cho sự làm việc của kết cấu vì thế trong một số trường hợp để đơn giản và thiên về an toàn người ta bỏ qua.

21. Áp lực nền và ảnh hưởng của nó.

Nguyên nhân gây ra áp lực nền tác dụng lên bản đáy công trình là do áp lực đất đá thẳng đứng và trọng lượng bản thân kết cấu truyền qua đáy chân tường làm cho đất đá trồi vào phía trong hầm.

Để chịu áp lực thông thường người ta cấu tạo bản đáy phẳng với trường hợp áp lực nền nhỏ và bản đáy kiểu vòm ngược với trường hợp áp lực nền lớn.

Khi tường bên chịu tải, theo Simbarevich, dưới đáy tường phát sinh áp lực phân bố đều q0, phía bên trái mặt phẳng AB có áp lực ngang là ec.

(T/m2) (3.19)

Dưới tác dụng của ec lăng thể ABC sẽ bị trượt, phía bên phải mặt phẳng AB sẽ phát sinh áp lực bị động eb.

(T/m2) (3.20)

Càng xuống sâu, cả hai thành phần ec và eb đều tăng, nhưng eb tăng nhanh hơn và đến một độ sâu nhất định y0 nào đó thì eb = ec Ở những độ sâu lớn hơn y0¬ thì áp lực bị động sẽ lớn hơn nên giới hạn của lăng thể trượt nằm trong phạm vi độ sâu y0.

¬Tại độ sâu y0 đất đá sẽ đạt tới trạng thái căn bằng giới hạn và không bị dịch chuyển nữa, từ đẳng thức ec = eb ta có:

Từ đây có thể tính được chiều sâu giới hạn như sau:

(m) (3.21)

hay:

(m) (3.22)

Khi đó tổng áp lực chủ động sẽ là:

Tổng áp lực bị động sẽ là:

Eb = 

Áp lực gây trượt thể sẽ là:

(3.23)

Lực D có thể phân thành hai thành phần như sau:

- Thành phần T song song với mặt trượt BC

T = D. cos (3.24)

- Thành phần thẳng góc với mặt trượt BC:

R = D. sin (3.25)

Lực R sẽ gây ra lực ma sát là Rtg. Như vậy lực gây trượt, đẩy lăng thể ABC trồi lên sẽ là:

(3.26)

Lực T0 gây ra lực trượt thẳng đứng ở đáy là:

N0 = T0 sin (3.27)

Cường độ phân bố là:

(3.28)

Tuỳ theo giá trị của y0 và chiều rộng bản đáy, sự phân bố của áp lực nền có thể như trên hình vẽ 14.

22. Ổn định của khoang hầm không chống.

Thực tế khai thác các công trình ngầm ở nước ta và trên thế giới cho thấy rằng có nhiều công trình ngầm không cần hoặc hoàn toàn không cần chống đỡ nhưng vẫn sử dụng được bình thường, đó là những đường hầm trong khai thác than, quặng một số đường hầm kho và đặc biệt là hàng trăm hang động tự nhiên với khả năng chứa rất lớn, đã được sử dụng rất có hiệu quả trong hai cuộc kháng chiến chống ngoại xâm và các cuộc chiến tranh nhằm bảo vệ tổ quốc ta. Hiện nay chúng ta vẫn còn một số lượng lớn các hang động tự nhiên còn chưa được khảo sát đánh giá nhằm sử dụng vào mục đích quốc phòng.

Các công trình này có tiết diện mặt cắt ngang đủ loại và hầu hết được xây dựng trong đất đá cứng, cứng vừa hay rất cứng và nguyên khối, ít nứt nẻ (tham khảo bảng 8)

Bảng 8: công trình ngầm không chống

Tên nước Diện tích mặt cắt ngang (m2) Tổng chiều dài

(m) Ghi chú

Liên Xô cũ 120 2000 Trong đá cứng và cứng vừa

Canađa 140 - 270 8000 Đá cứng

Thổ nhĩ kỳ 38 - 40 2450 Đá cứng

Áo 45 - 50 1400 Đá ít nứt nẻ

Mỹ 65 - 172 11104 Đá cứng

Từ những số liệu trên đây cho thấy rằng việc xét ổn định của hầm không chống có ý nghĩa lớn cả về khoa học kỹ thuật lẫn kinh tế. Vấn đề này hiện nay đang được các nhà khoa học quan tâm giải quyết cả bằng lý thuyết và thực nghiệm. Mặc dù đã có tương đối nhiều công trình khoa học về lĩnh vực này song cho đến thời điểm này vẫn chưa có một phương pháp tổng quát nào nhằm giải quyết nội dung đặt ra.

Về lý thuyết đã xây dựng được các lời giải khác nhau cho bài toán phẳng, không gian, cho các loại mô hình đất đá khác nhau có cũng như không phụ thuộc vào thời gian. áp dụng các phương pháp tính toán cổ điển và những phương pháp hiện đại tận dụng tối đa khả năng của các loại máy tính.

Đánh giá ổn định của hầm không chống được dựa trên cơ sở trường ứng suất lân cận xung quanh khoang hầm.Trong đất đá cứng, ổn định, sự phân bố ứng suất LCXQKH giống như với môi trường liên tuch đàn hồi lý tưởng (nếu ứng suất không vượt quá giới hạn đàn hồi). Do đó nhiều tác giả đã chọn tiêu chuẩn ổn định là sự tương ứng giữa biểu đồ ứng suất trong khối đất đá thực và mô hình đàn hồi lý tưởng của nó, nghĩa là nếu ứng suất trong mô hình đàn hồi vượt quá các đặc trưng độ bền của đất đá thì xem là mất ổn định.

Lời giải về sự phân bố ứng suất LCXQKH trong môi trường đàn hồivới các khoang hầm có hình dạng khác nhau được trình bầy trong các công trình của Lekhnitski, Muskhelisvili, Đinnik. Lời giải trên đây chỉ đúng cho đất đá dòn, có giới hạn đàn hồi đồng thời là giới hạn bền. Nếu đất đá có tính dẻo thì cơ sở để đánh giá ổn định phải là trạng thái ứng suất - biến dạng với mô hình đàn - dẻo.

Nhìn chung, cho đến nay các tiêu chuẩn ổn định đối với đất đá phá hoại dòn được thực tế chấp nhận là ứng với bắt đầu xuất hiện vết nứt ở hai bên hông và so sánh ứng suất cực đại trong mô hình đàn hồi với độ bền của đất đá trong khối.

K. . H   .  .  (3.44)

Hay:

(3.45)

Trong đó S: chỉ tiêu ổn định của đất đá.

Trong đất đá dẻo tiêu chuẩn ổn định là:

K .  . H <  .  . , . Kođ (3.46)

Trong đó:

Kođ = (3.47)

Trong các công thức trên:

K: hệ số tập trung ứng suất;

,: cường độ chịu nén ở dạng "cục"

: hệ số suy giảm cấu trúc.

: Hệ số đặc trưng điều kiện chuyển từ trạng thái dẻo sang phá hỏng:

(3.48)

Theo Wang. F. D, từ kết quả tính toán các bề mặt phá hoại tới hạn rằng phương pháp phân tử hữu hạn đã biểu diễn chúng dưới dạng sau:

Và từ đây, điều kiện ổn định như sau:

Kk .  . H  {Rk} (3.49)

Kn .  . y . H  {Rn} (3.50)

Trong đó:

Kk - Hệ số tập trung ứng suất kéo ở nóc.

Kn - Hệ số trung ứng suất nén ở hai bên hông.

{Rk}, {Rn} - Cường độ giới hạn chịu kéo và nén của đất đá.

Térsaghi. K cũng đưa ra kết luận về ổn định của hầm không chống trong đất đá rời với hình dạng và kích thước như sau:

Trong đó chiều rộng chân vòm là: 2a1  10 .  (3.51)

Chiều cao vòm: (3.52)

Hai mép nghiêng một góc: (3.53)

Tiêu chuẩn ổn định của nền đáy.

Nền đáy được coi là ổn định nếu nó trồi lên không quá 20 cm. Zaslávski. Ju.D đưa ra tiêu chuẩn ổn định của nền như sau:

2a  A (3.54)

Trong đó: A hệ số xét tới định hướng của khoang hầm so với hướng phân lớp của đất đá;

A = 1,6 với hầm nhỏ.

A = 1,22 cho các loại hầm khác

Việc xác định hệ số tập trung ứng suất là tương đối phức tạp, nhất là trong trường hợp chịu tác dụng của sóng nổ. Các phương pháp giải tích cho kết quả chính xác với các dạng hình học đúng như tròn, chữ nhật, êlip nhờ phép biến đổi ánh xạ bảo giác. Việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho phép tính toán với các dạng biên phức tạp và phương pháp thực nghiệm trên mô hình chắc chắn sẽ khắc phục được nhiều hạn chế của các phương pháp kể trên.

23. Thiết kế kết cấu công trình ngầm nguyên khối: Hình dạng, kích thước sơ bộ, kích thước tính toán.

Kết cấu công trình ngầm nguyên khối thuộc hệ siêu tĩnh nhiều bậc, để kiểm tra kết cấu cần phải cho trước kích thước sơ bộ, trên cơ sở tính toán nội lực và kiểm tra hiệu chỉnh, lựa chọn kích thước hợp lý.

Để giảm bớt thời gian tính toán do lặp đi lặp lại nhiều lần, người ta sử dụng các công thức kinh nghiệm để chọn kích thước ban đầu (kích thước sơ bộ). Một số công thức thường hay được sử dụng là:

1. Công thức xác định chiều dày đỉnh vòm của X.X.Đavưđop

(2.1)

Trong đó:

d0: Chiều dày đỉnh vòm (cm)

l0: Khâu độ sử dụng (m)

: Giá trị của  có thể lấy theo bảng dưới đây:

f0: Chiều cao vòm tính theo mép trong

Bảng 9: Giá trị 

fkp 0,6-0,8 1 1,5 2 3-4 5-6 8

=f0/l0 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

2. Công thức tính chiều đỉnh vòm của M.M.Prôđjakônop

(2.2) (cm)

Trong đó:

d0: Chiều dày đỉnh vòm;

a0: Một nửa khâu độ sử dụng của vòm (cm)

[n]: ứng suất cho phép của vật liệu vòm chịu nén (kg/cm2)

Các kích thước còn lại xác định theo các công thức sau đây:

- Chiều dày chân vòm; dcv = (1,25 - 1,5).d0;

- Chiều dày tường: dt = (1,0-2,0).dcv;

- Chiều rộng chân tường: hx = (1-1,5)d0;

- Chiều cao vòm ngửa: fđ = (1/10 - 1/5).l

Các công thức tính toán trên đây chỉ đúng trong trường hợp kết cấu là bê tông và trong trường hợp tải trọng tính toán theo vòm áp lực. Với bê tông cốt thép và các loại vật liệu khấc, hiện chưa có các công thức kinh nghiệm, nhưng trong mỗi điều kiện cụ thể có thể áp dụng công thức trên đây và sau đó tiến hành hiệu chỉnh. Khoảng giới hạn trong các công thức trên có thể lấy như sau:

Khi fkp  4 thì lấy giới hạn thấp;

Khi fkp  0,8 thì lấy giới hạn cao;

Mặt khác các kích thước trên đây phải thoả mãn các quy định trong quy trình và quy phạm cho từng loại vật liệu.

Các kích thước tính toán được xác định theo các kích thước sơ bộ theo các công thức sau đây: (hình 35)

Hình 35

l = l0 + dcv.sincv;

Trong đó:

cv: Góc kẹp giữa chân vòm và trục thẳng đứng, phụ thuộc vào hình dạng trục vòm và được tính như sau:

1. Vòm Parabon

2. Vòm tròn:

Tính toán l và f theo phương pháp gần đúng dần: đầu tiên cho f = f0 và l = l0, xác định được các tham số còn lại, sauđó f và l, tính lại như vậy cho đến khi kết quả thay đổi ít nhất là được (thông thường chỉ cần tính lần thứ hai hay thứ ba là đủ)

Khi tính toán kích thước kết cấu công trình ngầm có thể tham khảo bảng (2) trong phụ lục.

24. Tải trọng tính toán.

Công trình ngầm chịu tác dụng của nhiều loại tải trọng khác nhau. Việc xác định các loại tải trọng đó phải căn cứ vào ý nghĩa sử dụng của công trình, cấp bảo vệ của nó, vị trí của hầm so với mặt đất và điều kiện địa chất nơi xây dựng công trình ngầm.

Người ta phân các loại tải trọng tác dụng liên kết cấu công trình ngầm thành ba loại như sau:

1. Tải trọng thường xuyên: Tác dụng thường xuyên lâu dài như áp lực đất đá, trọng lượng bản thân kết cấu, trọng lượng trang thiết bị trong khai thác, áp lực nước ngầm, tải trọng của các công trình nằm trên mặt đất đối với các công trình ngầm đặt nông.

2. Tải trọng tạm thời: Gồm tải trọng tạm thời trong quá trình sử dụng như tải trọng do bom đạn, lực xung kích của máy hoạt động, hoạt tải của xe, pháo...và tải trọng tạm thời trong quá trình thi công, lắp ráp như áp lực phun vữa bê tông sau vỏ hầm, ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ trong công trình ngầm, ảnh hưởng của co ngót và tự biến của bêtông vỏ hầm, áp lực của các kích khi sử dụng phương pháp khiên đào.

3. Tải trọng đặc biệt: Bao gồm các loại tải trọng xuất hiện có tính chất ngẫu nhiên hoặc do các sự cố bất ngờ như áp lực do động đất, sập lở, túi nước hay một bộ phận nào đó của công trình bị hư hỏng.

Khi tính toán kết cấu công trình ngầm phải xét tới các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất của những tải trọng có thể đồng thời xảy ra.

Có ba loại tổ hợp tải trọng:

1. Tổ hợp tải trọng chủ yếu: là tổ hợp tải trọng thường xuyên với tải trọng tạm thời trong quá trình sử dụng.

2. Tổ hợp phụ: Là tổ hợp của tải trọng thường xuyên với tải trọng tạm thời trong quá trình thi công

3. Tổ hợp đặc biệt: Là tổ hợp tải trọng thường xuyên với tải trọng đặc biệt.

Kết cấu công trình ngầm phải được tính toán với tổ hợp tải trọng chủ yếu và kiểm tra với tổ hợp phụ và tổ hợp đặc biệt.

Trong công trình ngầm quân sự, phải xét tới tác dụng của tải trọng thường xuyên gồm áp lực đất đá, trọng lượng bản thân (gọi là tải trọng tĩnh) cả tải trọng của sóng nổ do bom đạn gây ra (gọi là tải trọng động), còn các loại tải trọng khác thì tuỳ thuộc vào các điều kiện cụ thể theo các quy phạm hiện hành của Nhà nước.

Áp lực nước ngầm tác dụng lên kết cấu công trình ngầm được xác định bằng vị trí của công trình so với mặt thoáng của nước ngầm hoặc mặt áp lực của nước có áp. Đối với vỏ hầm dạng tròn đặt ở chiều sâu h so với mặt thoáng của nước ngầm ở trong tầng ngậm nước, áp lực nước ngầm tác dụng lên kết cấu có thể phân thành hai thành phần: thành phần phân bố đều có trị số bằng chiều cao của cột nước (hình 36) trên đỉnh hầm h và thành phần phân bố không đều có trị số bằng  (1-cos).

Với kết cấu dạng vòm tác dụng của nước ngầm gây ra biến dạng ngược lại với biến dạng do áp lực gây ra. Do đó khi cao độ nước ngầm đạt một vị trí nào đó, nước ngầm có tác dụng làm cho kết cấu chịu lực hợp lý hơn. Áp lực nước ngầm sẽ do vỏ hầm chịu nếu bố trí lớp phòng nước ở mặt ngoài vỏ, hoặc bản thân vỏ có khả năng phòng nước, và sẽ do lớp phòng nước chịu nếu cấu tạo lớp phòng nước ở mặt trong vỏ hầm. Theo quy phạm thiết kế, các công trình ngầm đặt trong vùng có động đất cấp 7 trở lên mới được kể đến ảnh hưởng của sóng địa chấn trong tính toán kết cấu, công trình ngầm ít nguy hiểm hơn dưới tác dụng của động đất vì nó thường có chiều cao nhỏ và lại gắn chặt vào môi trường đất đá xung quanh thành một thể thống nhất, không có khả năng chuyển vị tự do.

Hình 36

Trong khi tính toán kết cấu công trình ngầm, để đơn giản và tăng độ an toàn đôi khi áp lực đất đá tính toán được xem là phân bố đều, khi đất đá xung quanh công trình có hệ số độ cứng fkp > 2 ảnh hưởng của áp lực hông là không đáng kể và có thể bỏ qua. Trọng lượng bản thân vỏ hầm có thể là phân bố đều với cường độ là:

(3.1)

Tải trọng tính toán kết cấu công trình ngầm bằng tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số vượt tải. Giá trị hệ số vượt tải có thể lấy theo bảng dưới đây.

Bảng 10: Hệ số vượt tải

Loại tải trọng Hệ số vượt tải

Áp lực đất đá thẳng đứng:

Theo vòm áp lực: 1,5

Theo cột đấ đá 1,1 (0,9)

Áp lực hông 1,2 (0,8)

Áp lực thuỷ tĩnh 1,1

Trọng lượng bản thân

Kết cấu nguyên khối 1,2

Kết cấu lắp ghép 1,1

Tải trọng tạm thời (phụ)

Thi công lắp ráp 1,3

Ô tô H - 30 1,4

Xe có bánh HK - 80 1,1

(Ghi chú: Các giá trị trong ngoặc lấy khi có khả năng giảm áp lực)

Sơ đồ tải trọng như trên hình vẽ dưới đây (hình 37)

Hình 37

25. Nguyên lý tính toán nội lực trong kết cấu vòm tựa trên đất đá.

Áp dụng trong đất đá cứng vừa và cứng, khi công trình ngầm có khâu độ lớn, chiều cao nhỏ.

Hình 38

Với kết cấu đối xứng chịu tải trọng đối xứng, cắt vòm tại tiết diện đỉnh và thay bằng các nội lực chưa biết là các nội lực chưa biết là các ẩn số mômen M1, lực xô ngang H2, lực cắt Q3 = 0. Dưới tác dụng của tải trọng, chân vòm bị lún gây ra các chuyển vị sau:

Chuyển vị ngang Xcvo;

Chuyển vị góc (góc xoay) cvo;

Chuyển vị thẳng đứng Ycv;

Do bài toán đối xứng chuyển vị thẳng đứng không ảnh hưởng tới nội lực trong vòm, nên không xét đến (hình 39)

Hình 39

Hệ phương trình chính tắc cho nửa vòm có dạng:

Hệ phương trình chíh tắc cho nửa vòm có dạng:

(94.1)

Trong đó các chuyển vị gây ra trong hệ cơ bản là:

11, 22: Chuyển vị ở đỉnh vòm thứ tự do M1 = 1 và H2 = 1 gây ra

12, 21: Chuyển vị đơn vị ở đỉnh vòm trong hệ cơ bản theo phương ẩn số M1 do H2 = 1 gây ra và tương tự.

1p, 2p: Chuyển vị tải ở đỉnh vòm do tải trọng ngoài gây ra.

Các chuyển vị đơn vị trên được xác định theo công thức của Mor - Maxwell như sau:

(4.2)

Trong đó:

: Hệ số Poiison của vật liệu kết cấu;

E: Môđun đàn hồi của vật liệu kết cấu;

J,E: Môđun quán tính và diện tích tiết diện tính toán.

Chú ý rằng trong công thức tính chuyển vị trên đây không xét đến ảnh hưởng của độ cong vòm, của lực cắt và kết cấu công trình ngầm làm việc trong điều kiện biến dạng phẳng trong môi trường đất đá.

cvo và Xcvo là góc xoay và chuyển vị ngang ở chân vòm và có thể xác định theo nguyên lý cộng tác dụng (hình 40)

Hình 40

(4.3)

Trong công thức trên:

- và là góc xoay và chuyển vị ngang ở tiết diện chân vòm dưới tác dụng của mômen đơn vị đặt tại chân vòm (hình 41)

- và góc xoay và chuyển vị ngang tại chân vòm do lực xô đơn vị đặt tại đó gây ra.

- và góc xoay và chuyển vị ngang tại chân vòm do lực thẳng đứng đơn vị đặt tại đó gây ra.

Hình 41. Xác định chuyển vị đơn vị ở chân vòm

Góc xoay và tính như sau:

Theo thuyết biến dạng cục bộ của Wincle, ta có ứng suất ở mép tiết diện chân vòm là:

(4.4)

Trong đó:

- dcv: Chiều rộng chân vòm;

- b: Chiều rộng tính toán.

Góc xoay tương ứng là:

(4.5)

JA: Mômen quán tính tiết diện chân vòm;

(4.6)

Chuyển vị nằm ngang u1 = 0

Dưới tác dụng của lực xô đơn vị H2 =1, thành phần vuông góc với tiết diện coscv, sẽ gây ra lún của tiết diện theo phương của lực là:

Thành phần tiếp tuyến với mặt phẳng của tiết diện sincv sẽ không gây ra chuyển vị của chân vòm.

Trong trường hợp này.

(4.7)

và góc xoay

Tương tự với lực đơn vị thẳng đứng:

(4.8)

Trong đó Fcv: Diện tích tiết diện chân vòm

Chuyển vị tại chân vòm trong hệ cơ bản do tải trọng ngoài gây ra có thể tính toán theo các công thức sau đây:

(4.9)

Trong trường hợp này ta có:

(4.10)

Trong đó , và : Mômen, lực xô và lực thẳng đứng tại chân vòm do tải trọng ngoài gây ra trong hệ cơ bản.

Hệ phương trình chính tắc đối với chuyển vị góc và chuyển vị ngang tại chân vòm có thể viết gọn lại như sau:

(4.11)

Thay (4.11) vào *4.1) ta có:

(4.12)

Đặt:

(4.13)

Ta được hệ phương trình cơ bản tính toán kết cấu công trình ngầm dạng vòm thoải tựa trực tiếp trên đất đá dưới dạng đơn giản sau đây:

(4.14)

Sau khi tìm được nghiệm của hệ phương trình trên đây, ta có thể tìm nội lực tại tiết diện bất kỳ trong vòm theo các công thức sau:

(4.15)

Để kiểm tra độ chính xác trong quá trình tính toán ta dựa vào điều kiện các chuyển vị tương đối ở tiết diện đỉnh vòm phải bằng không, từ đó:

(4.16)

Trong đó M(x), N(x): Mômen và lực dọc tại các tiết diện đã được xác định trong kết cấu.