Vì sao độ bền đá xung quanh công trình ngầm thường thấp hơn độ bền mẫu đá trong phòng thí nghiệm?

Mẫu đá nhỏ trong phòng thí nghiệm là mẫu đá nguyên vẹn liền khối, trong khi khối đá xung quanh trong tự nhiên chứa nhiều hệ thống khe nứt, mặt lớp và đứt gãy địa chất làm giảm đáng kể khả năng chịu tải tổng thể.

Tiêu chuẩn Hoek-Brown dùng để xác định độ bền đá xung quanh như thế nào?

Tiêu chuẩn Hoek-Brown mô tả mối quan hệ phi tuyến giữa ứng suất chính lớn nhất và ứng suất giam giữ, sử dụng độ bền nén đơn trục của đá nguyên vẹn kết hợp các tham số thực nghiệm để tính toán sức chịu tải của khối đá nứt nẻ.

Hiện tượng tróc vỡ (spalling) ở vách đá xung quanh đường hầm xuất hiện khi nào?

Trong khối đá cứng giòn chịu ứng suất cao, hiện tượng tróc vỡ xảy ra khi ứng suất tiếp tuyến cực đại tại biên đào đạt hoặc vượt ngưỡng khoảng 0,4 lần cường độ nén đơn trục của đá nguyên khối.

Độ bền đá xung quanh (surrounding rock strength) là gì?

Độ bền đá xung quanh là khả năng chịu tải và chống lại sự biến dạng dẻo hoặc phá hủy cơ học của khối đá bao quanh công trình ngầm hoặc đường lò dưới tác động của trường ứng suất nguyên sinh và ứng suất tập trung hình thành sau quá trình đào.

Bản chất cơ học và sự khác biệt về quy mô

Trong địa kỹ thuật và xây dựng công trình ngầm, độ bền của khối đá xung quanh tại hiện trường thường có sự suy giảm đáng kể so với độ bền xác định trên mẫu đá nguyên vẹn trong phòng thí nghiệm do ảnh hưởng của hiệu ứng quy mô và các gián đoạn cấu trúc địa chất. Mẫu đá nhỏ được gia công cẩn thận trong phòng thí nghiệm phản ánh cơ tính của chất đá liền khối không chứa các đứt gãy kiến tạo. Ngược lại, khối đá xung quanh công trình ngầm là môi trường không liên tục, bị phân cắt bởi các hệ thống khe nứt, mặt lớp, phân phiến và đứt gãy địa chất.

Theo tiêu chuẩn thực hành của Hiệp hội Cơ học Đá Quốc tế (ISRM) do Bieniawski và Bernede (1979) công bố, mẫu đá thí nghiệm nén đơn trục trong phòng cần được gia công dạng hình trụ với tỷ lệ chiều cao trên đường kính nằm trong khoảng từ 2,5 đến 3,0 nhằm loại trừ ảnh hưởng của hiệu ứng kiềm chế và ma sát đầu nén lên trạng thái ứng suất và độ bền đo được ở phần giữa mẫu thử. Tuy nhiên, khi chuyển từ thang đo mẫu thử sang quy mô khối đá xung quanh công trình ngầm, sự hiện diện của các gián đoạn cấu trúc làm sức chịu tải thực tế suy giảm nhiều lần so với giá trị thu được trên mẫu nguyên khối.

Tiêu chuẩn phá hủy Hoek-Brown cho khối đá xung quanh

Để định lượng độ bền của khối đá nứt nẻ bao quanh các hầm ngầm và khai trường mỏ, Hoek và Brown (1980) đã thiết lập tiêu chuẩn phá hủy thực nghiệm phi tuyến mô tả mối quan hệ giữa ứng suất chính lớn nhất và ứng suất chính nhỏ nhất:

\sigma_1 = \sigma_3 + \sigma_{ci} \sqrt{m \frac{\sigma_3}{\sigma_{ci}} + s}

Trong đó:

$\sigma_1$ là ứng suất chính lớn nhất tác dụng lên khối đá tại trạng thái phá hủy giới hạn.
$\sigma_3$ là ứng suất chính nhỏ nhất đóng vai trò ứng suất giam giữ bao quanh.
$\sigma_{ci}$ là cường độ nén đơn trục của vật liệu đá nguyên vẹn.
$m$ là tham số thực nghiệm phụ thuộc vào đặc tính khoáng vật và cấu trúc của khối đá.
$s$ là tham số thực nghiệm thể hiện mức độ liên tục của khối đá. Đối với mẫu đá nguyên vẹn chưa bị phân cắt bởi khe nứt, Hoek và Brown (1980) quy định tham số $s$ nhận giá trị chuẩn bằng 1,0; giá trị này giảm dần về gần không khi khối đá xung quanh bị nứt nẻ mạnh.

Tại biên đào tự do của đường hầm, nơi áp lực giam giữ triệt tiêu ( $\sigma_3 = 0$ ), cường độ nén đơn trục của khối đá xung quanh được xác định theo hệ thức:

\sigma_{cm} = \sigma_{ci} \sqrt{s}

Trong biểu thức trên, $\sigma_{cm}$ là cường độ nén đơn trục của khối đá xung quanh (rock mass compressive strength), $\sigma_{ci}$ là cường độ nén đơn trục của đá nguyên vẹn và $s$ là tham số mức độ liên tục của khối đá.

Đến năm 1997, Hoek và Brown phát triển phương pháp ước tính thực nghiệm độ bền khối đá xung quanh công trình ngầm thông qua việc liên kết trực tiếp các tham số độ bền với chỉ số cường độ địa chất (GSI). Sau đó, Hoek và Brown (2019) chuẩn hóa tiêu chuẩn Hoek-Brown tổng quát hiện hành dưới dạng hàm lũy thừa phi tuyến mở rộng:

\sigma_1' = \sigma_3' + \sigma_{ci} \left(m_b \frac{\sigma_3'}{\sigma_{ci}} + s\right)^a

Trong công thức tổng quát trên, $\sigma_1'$ và $\sigma_3'$ lần lượt là ứng suất chính hiệu dụng lớn nhất và nhỏ nhất; $m_b$ là giá trị hiệu chỉnh của tham số vật liệu đá cho khối đá nứt nẻ; tham số $s$ và số mũ $a$ là các hằng số thực nghiệm phản ánh cấu trúc khối đá. Đặc biệt, Hoek và Brown (2019) khẳng định vai trò của số mũ $a$ được xác định theo hàm mũ liên tục dựa trên chỉ số GSI nhằm thay thế cho ngưỡng phân nhánh rời rạc trước đây (từng áp dụng mốc GSI nhỏ hơn 25 trong phiên bản 1997), giúp loại bỏ sự gián đoạn toán học và mô tả chính xác hơn đặc tính suy giảm cường độ chống cắt trong điều kiện ứng suất giam giữ thấp.

Đánh giá chất lượng và lượng hóa độ bền khối đá

Việc xác định độ bền đá xung quanh đòi hỏi khảo sát và phân loại địa kỹ thuật hiện trường. Phương pháp phân loại chất lượng khối đá theo hệ thống Q do Barton, Lien và Lunde (1974) phát triển sử dụng 6 tham số độc lập để đánh giá mức độ ổn định và áp lực tác dụng lên vì chống hầm. Sáu tham số này đại diện cho cấu trúc khối đá, độ nhám khe nứt, mức độ biến đổi thứ sinh của vật liệu lấp nhét, áp lực nước ngầm và điều kiện ứng suất xung quanh.

Nhằm giảm thiểu tính chủ quan khi ước tính độ bền khối đá nứt nẻ theo chỉ số GSI, Cai, Kaiser, Uno, Tasaka và Minami (2004) đã đề xuất phương pháp lượng hóa GSI dựa trên thể tích khối đá thực tế và hệ số điều kiện bề mặt khe nứt. Cách tiếp cận này giúp lượng hóa khách quan cấu trúc khối đá và độ nhám tiếp xúc, phục vụ đắc lực cho việc xác định các tham số độ bền đầu vào trong các mô hình phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn.

Bên cạnh các chỉ tiêu sức kháng phá hủy, mô đun biến dạng của khối đá xung quanh cũng là thông số then chốt quyết định độ lớn chuyển vị biên hầm. Hoek và Diederichs (2006) đã thiết lập công thức thực nghiệm ước tính mô đun biến dạng khối đá dựa trên chỉ số GSI kết hợp với hệ số xáo động thi công $D$ . Hệ số này phản ánh mức độ nứt nẻ và suy giảm liên kết của tầng đá biên do tác động chấn động nổ mìn so với thi công bằng máy đào hầm cơ giới.

Cơ chế phá hủy và hiện tượng tróc vỡ trong khối đá giòn

Trong điều kiện công trình ngầm nằm ở độ sâu lớn hoặc chịu ứng suất kiến tạo mạnh, khối đá xung quanh chịu trường ứng suất tập trung cao quanh biên đào. Theo tổng hợp thực nghiệm của Martin, Kaiser và Christiansson (2003), ở các loại đá cứng và giòn chịu áp lực giam giữ thấp, quá trình phá hủy của đá xung quanh không tuân theo quy luật trượt cắt dẻo thông thường mà bị chi phối bởi ứng suất khởi sinh vi nứt với ngưỡng xuất hiện thực tế nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,5 lần cường độ nén đơn trục của đá nguyên vẹn.

Cũng theo Martin, Kaiser và Christiansson (2003), hiện tượng tróc vỡ phá hủy giòn tại vách đá xung quanh biên hầm xảy ra khi ứng suất tiếp tuyến cực đại đạt hoặc vượt ngưỡng 0,4 lần cường độ nén đơn trục. Quá trình phá hủy giòn tiến triển này bắt đầu từ sự tập trung vi nứt kéo song song với biên tự do, sau đó các phiến đá bị uốn vênh, tách lớp và bung văng đột ngột, hình thành các hốc sập hình chữ V đối xứng dọc theo phương ứng suất tác dụng chính nếu không có kết cấu chống giữ thích hợp kiểm soát chuyển vị.

Phương pháp thí nghiệm hiện trường xác định độ bền đá xung quanh

Do khối đá tự nhiên chứa đựng các yếu tố bất đồng nhất phức tạp, các thí nghiệm hiện trường đóng vai trò kiểm chứng và hiệu chuẩn các mô hình lý thuyết:

Thí nghiệm giãn nở kế trong lỗ khoan (Dilatometer test): Thiết bị giãn nở hình trụ được đưa vào lỗ khoan khảo sát để tác dụng áp lực thủy lực đều lên thành vách đá. Kết quả đo độ giãn nở hướng tâm cho phép xác định trực tiếp mô đun biến dạng và đánh giá khả năng chịu tải của các tầng đá xung quanh ở trạng thái nguyên trạng.
Thí nghiệm nén bàn nén phẳng (Plate bearing test): Thực hiện trong các ngách đào thăm dò bằng cách đặt các tấm đệm thép chịu lực và kích thủy lực để gia tải trực tiếp lên bề mặt khối đá. Thí nghiệm này cung cấp đường cong quan hệ tải trọng và lún biến dạng thực tế của khối đá vây quanh ở quy mô thể tích đại diện lớn.
Thí nghiệm ép nước thí nghiệm thấm: Áp lực nước ép vào các đoạn lỗ khoan bị chặn bởi các nút cao su cho phép đánh giá mức độ nứt nẻ, độ mở rộng của khe nứt và nguy cơ suy giảm độ bền cắt do áp lực thủy tĩnh ngầm gây ra.
Đo vận tốc sóng địa chấn xuyên lỗ khoan: Phương pháp địa vật lý đo vận tốc truyền sóng dọc và sóng ngang trong khối đá giúp tính toán mô đun đàn hồi động và xác định phạm vi đới đá bị nứt nẻ xáo động xung quanh đường hầm sau quá trình nổ mìn đào hầm.

Tương tác cơ học giữa đá xung quanh và kết cấu chống giữ

Trong quan điểm địa kỹ thuật hiện đại, khối đá xung quanh không đơn thuần là nguồn tải trọng tác động lên công trình mà chính là thành phần chịu lực chủ yếu của toàn bộ hệ thống ngầm. Phương pháp hội tụ biến dạng (Convergence-Confinement Method) mô tả sự tương tác động lực học giữa khối đá vây quanh và kết cấu gia cố:

Đường phản ứng khối đá (Ground Reaction Curve): Khi gương hầm tiến về phía trước, khối đá xung quanh giải phóng dần trạng thái ứng suất giam giữ và dịch chuyển hội tụ hướng tâm vào trong lòng hầm. Áp lực đòi hỏi để duy trì cân bằng giảm dần khi khối đá bắt đầu biến dạng đàn hồi dẻo.
Thời điểm kích hoạt kết cấu chống giữ: Nếu lắp đặt vì chống quá sớm khi khối đá chưa kịp giải tỏa ứng suất, kết cấu chống sẽ phải chịu tải trọng cực kỳ lớn dẫn tới nguy cơ biến dạng phá hủy vì thép hoặc nứt vỡ bê tông vỏ hầm. Ngược lại, nếu lắp đặt kết cấu chống quá muộn, khối đá xung quanh sẽ biến dạng dẻo quá mức, mất khả năng tự mang tải và chuyển sang trạng thái sụp đổ lỏng lẻo.
Giải pháp gia cường chủ động: Sử dụng hệ thống bu lông neo kết hợp với bê tông phun sợi thép nhằm khâu dính các khối đá nứt nẻ, gia tăng sức kháng cắt trên các mặt trượt và tạo thành một vòm đá gia cố tự mang tải bao quanh chu vi đường hầm.

Các yếu tố ảnh hưởng và phạm vi áp dụng

Độ bền đá xung quanh chịu sự chi phối chặt chẽ của nhiều điều kiện địa chất công trình và kỹ thuật khai đào:

Mức độ nứt nẻ kiến tạo: Mật độ, hướng phát triển và đặc tính thô nhám của các mặt gián đoạn quyết định cơ chế phá hủy trượt dọc khe nứt hay phá hủy nứt vỡ khối.
Áp lực nước ngầm trong khe nứt: Nước làm giảm ứng suất pháp hữu hiệu trên các mặt tiếp xúc, đồng thời làm mềm hóa và hòa tan các khoáng vật lấp nhét thứ sinh, dẫn tới suy giảm nghiêm trọng độ bền chống cắt của khối đá vây quanh.
Trạng thái ứng suất nguyên sinh: Tỷ số giữa ứng suất ngang và ứng suất đứng ban đầu quyết định vị trí tập trung ứng suất tiếp tuyến cục bộ tại nóc, sườn hoặc nền đường lò, từ đó định hình vị trí xuất hiện các đới phá hủy dẻo.
Kỹ thuật thi công khai đào: Biện pháp nổ mìn tạo chấn động mạnh làm gia tăng mức độ nứt nẻ thứ sinh và làm suy giảm cường độ khối đá biên, trong khi phương pháp đào cơ giới bằng máy khoan hầm duy trì tối đa độ liên tục tự nhiên của khối đá xung quanh.

Tiêu chuẩn Hoek-Brown và các hệ thống phân loại địa kỹ thuật dựa trên giả thiết khối đá xung quanh có tính chất đẳng hướng tương đương ở quy mô vĩ mô khi số lượng khe nứt đủ lớn và phân bố ngẫu nhiên. Trong trường hợp khối đá chỉ có một hoặc hai hệ khe nứt ưu thế chi phối rõ rệt, việc phân tích độ bền đá xung quanh cần chuyển sang mô hình môi trường bất liên tục với các phân tích ổn định nêm trượt phẳng hoặc khối trượt cục bộ theo các mặt gián đoạn địa chất.