PHÁ HỦY MẶT ĐẤT KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM
BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGẦM
Nguyễn Tiến Huy, Đặng Đình Hoàng, Trịnh Ngọc Tiến, Ngô Văn Tiến, Lê Đức Anh.
Lớp: Xây dựng công trình ngầm và mỏ 56
Khoa Xây dựng
Đại học Mỏ địa chất
TÓM TẮT: Báo cáo trình bày các kết quả tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu…Qua đó xem xét
những hiện tượng tai biến xảy ra tại bề mặt đất khi thi công công trình ngầm bằng
phương pháp ngầm và nêu ra một số giải pháp nhằm hạn chế hiện tượng phá hủy và khắc
phục các sự cố xảy ra với bề mặt đất.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Xây dựng công trình ngầm đang là xu thế tất yếu của công tác xây dựng công trình
khi diện tích bề mặt ngày càng bị thu hẹp. Để nhường chỗ cho các khoảng không gian tự
nhiên trên bề mặt đất thì công trình ngầm là một giải pháp tối ưu để sử dụng được khoảng
không gian rộng lớn trong lòng đất mà không ảnh hưởng tới điều kiện trên bề mặt đất.
Khi công trình ngầm được thi công bằng phương pháp ngầm sẽ ít gây nên những
biến đổi – phá hủy mạnh về địa hình. Nhưng với những công trình nằm nông và những
công trình ngầm đặt trong tầng đất yếu sẽ gây ra các hiện tượng dịch chuyển biến dạng
trong môi trường đất đá gây ảnh hưởng bất lợi tới khối đất và bề mặt đất.
Tác động của lún khi thi công các công trình ngầm nằm nông hoặc trong đất đá
mềm yếu rất nguy hiểm tới bề mặt đất và các công trình lân cận như: các tòa nhà, cơ sở hạ
tầng và công trình công cộng. Việc nghiên cứu, đánh giá và dự báo trước các ảnh hưởng,
tác động của quá trình thi công công trình ngầm tới các công trình trên bề mặt nếu làm
được, sẽ giúp cho các công tác thiết kế kỹ thuật, thiết kế thi công các công trình ngầm
nằm gần mặt đất được chính xác, giảm thiểu các sự cố, rủi ro khi thi công công trình
ngầm và đặc biệt sẽ làm giảm đi các ảnh hưởng của quá trình thi công này tới các công
trình bề mặt.
Vấn đề quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp thi công công trình ngầm là
việc: Trong phương pháp xây dựng ngầm, tỷ lệ phần công tác khôi phục hoặc cải tạo nền
đất sẽ có giá trị NHỎ HƠN so với phương pháp xây dựng lộ thiên.

2. MỘT SỐ HIỆN TRẠNG VỀ PHÁ HỦY BỀ MẶT ĐẤT KHI XÂY DỰNG
CÔNG TRÌNH NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGẦM
2.1. Lún sụt hầm vòm phía nam đèo Hải Vân
Trong giai đoạn thi công Hầm đường bộ Hải Vân. Ngày 10/9 tại cửa hầm phía
1


nam, điểm cuối cùng của đường hầm đang thi công đã xảy ra hiện tượng lún sụt. Với diện
tích trên mặt đất bị lún sụt là 128 m2. Bán kính lỗ hổng dưới vòm hầm là 3 m, bề dày từ
mặt đất xuống vòm hầm là 15 m... Nguyên nhân là do mưa lớn và ảnh hưởng của mạch
nước ngầm.

Hình 1: Sụt lở phát triển tới bề mặt tại cửa hầm phía nam dự án hầm Hải Vân [4]

2.2. Phá hủy bề mặt đất khi có sự cố thi công hầm nhà cao tầng
Hiện nay, khi xây dựng các tòa nhà cao tầng thì việc xuống sâu của tầng hầm là
điều tất yếu. Bởi các công năng sử dụng và tiện nghi không thể phủ định của nó. Khi thi
công nhà cao tầng bằng phương pháp top – down điển hình thì các công tác quan trọng
nhất trong thi công hầm là:
-

Thi công tường trong đất;

-

Quan trắc biến dạng;

-


Đào đất hầm;

Trong thi công hầm nhà cao tầng không cho phép xảy ra sự cố. Nếu có sự cố xảy ra
thì hậu quả rất là nghiêm trọng, đặc biệt là trong khu vực xen kẽ và đông dân cư. Các sự
cố về tường Barret thường làm cho đất đá dịch chuyển lan tới bề mặt công trình, gây sụt
lún – phá hủy bề mặt đất và gây hư hại các công trình lân cận. Điển hình như:
Công trình cao ốc Pacific (43-45-47 Nguyễn Thị Minh Khai, Q1, tp Hồ Chí Minh)
có 5 tầng hầm, 1 tầng trệt và 18 tầng lầu. Tường tầng hầm bằng bêtông cốt thép, dày 1m,
khi đào đất để thi công tầng hầm thứ 5 thì phát hiện một lỗ thủng lớn ở tường tầng hầm có
kích thước 0,2m x 0,7m, dòng nước rất mạnh kéo theo nhiều đất cát chảy từ ngoài vào
qua lỗ thủng của tường tầng hầm.

2


Sự cố công trình này đã làm sụp đổ hoàn toàn công trình Viện nghiên cứu Khoa
học xã hội Nam Bộ ngay bên cạnh, tòa nhà Sở Ngoại Vụ cũng bị lún nứt nghiêm trọng,
Cao ốc YOCO 12 tầng và các tuyến đường xung quanh công trình Pacific cũng bị lún nứt.

Hình 2: Hiện trạng phá hủy mặt đất
Viện nghiên cứu Khoa học xã hội Nam Bộ [3]

2.3. Phá hủy bề mặt đất khi khai thác khoáng sản bằng phương pháp hầm lò
Khai thác khoáng sản bằng phương pháp hầm lò đặc biệt là khi áp dụng phương
pháp điều khiển áp lực mỏ bằng phá hỏa toàn phần sẽ gây sụt lún bề mặt địa hình phía
trên, làm hư hại các công trình công nghiệp, dân dụng, văn hoá, tín ngưỡng… trên mặt
mỏ.
Công tác khai thác khoáng sản sẽ thúc đẩy sự phát triển quá trình chuyển dịch đất
đá trong toàn bộ vùng khối đá nằm phía trên khu vực khai đào từ độ sâu khai thác cho tới
mặt đất. Sự chuyển dịch của đất đá sẽ gây nên trong khối đá các quá trình cơ học nén ép,

đẩy trồi, kéo và trượt. Đất đá trong trường hợp này sẽ bị biến dạng (đàn hồi, đàn hồi-nhớt,
đàn hồi-nhớt-dẻo…) và phá hủy.

3


Hình 3: Hố tử thần khu khai thác mỏ Solikamsk-2 [7]

Các vùng đất đá đặc trưng bởi những mức độ phá hủy đá khác nhau như sau:
-

Vùng đất đá sụt lở;

-

Vùng đất đá biến dạng uốn với quá trình phá hủy đặc tính liền khối của các
lớp đất đá dưới dạng khe nứt, nứt nẻ;

-

Vùng đất đá biến dạng uốn đều đặn không có hiện tượng phá hủy đặc tính
liền khối của các lớp đất đá.

Khi khai thác các vỉa than, chúng ta đã lấy đi hầu hết than chứa trong vỉa và để lại
một khoảng trống rộng lớn trong lòng đất. Khoảng trống này sẽ được dần lấp đầy theo
thời gian khi các lớp đá phía trên sập đổ. Tuy nhiên, việc khai thác không chỉ một vỉa, với
chiều dày một hai mét mà còn khai thác nhiều vỉa với tổng chiều dày đến vài chục mét, do
đó, đá sập đổ không đủ để chèn kín khoảng trống khai thác, làm sụt lún, dịch chuyển, biến
dạng địa hình trên mặt mỏ.


3. ĐẶC ĐIỂM VÀ CƠ CHẾ XUẤT HIỆN BIẾN DẠNG PHÁ HỦY BỀ MẶT
ĐẤT KHI KHAI ĐÀO KHÔNG GIAN NGẦM
Đặc tính phá hủy bề mặt đất khi xây dựng công trình ngầm bằng các phương pháp
ngầm phụ thuộc vào các yếu tố ngầm khác nhau như: Kích thước của không gian đường
hầm, độ sâu đường hầm.... Chính các yếu tố này sẽ xác định mức độ biến đổi cơ học của
4


mặt đất và khối đá. Trên thực tế, bất kỳ một khoảng trống công trình ngầm nào được tạo
ra cũng đều gây ra những biến đổi cho vùng đất đá xung quanh tùy thuộc và mức độ được
phân loại theo bảng.
Bảng 1: Các loại hiện tượng phụ thuộc mức độ biên đổi địa cơ học

Mức độ biến đổi địa cơ học
Hiện tượng
Nhẹ và trung bình
Hình thành các phễu lún nhẹ trên bề mặt đất.
Hình thành các hệ nứt nẻ, đứt gãy… lan truyền tới bề
Nghiêm trọng
mặt đất.
Rất nghiêm trọng
Các nứt nẻ tách lớp và các bậc sụt lún.
Đặc biệt nghiêm trọng
Hình thành các phễu sụt lở riêng biệt và sập đổ lớn.
Sự chuyển dịch của khối đá kèm theo hiện tượng phá hủy độ liền khối của khối đất
đá và dẫn đến sự xuất hiện các dạng sụt lở lớn khác nhau trên mặt đất và những dịch
chuyển không rõ nét của các vùng sụt lở. hậu quả của hiện tượng này là sự phá hủy địa
hình và trạng thái địa chất thủy văn nước dưới đất.
a, Đất đá có độ liền khối không xảy ra phá
hủy


b, Sụt lở theo từng khối lớn kèm theo sự
phá hủy độ liền khối của
đất đá

c, Độ liền khối của khối đá bị phá hủy toàn
bộ kèm theo sự dịch chuyển
lớn.

Hình 4: Các loại chuyển dịch đặc trưng của đất đá khi xây dựng công trình ngầm
bằng phương pháp ngầm

Nguyên nhân lún bề mặt là do sự kết hợp của việc đất đá bị lấy đi khi thi công
công trình ngầm, sự hội tụ của khoảng không ngầm và sự dịch chuyển do có khoảng cách
giữa kết cấu chống của công trình ngầm và đất đá. Đất đá lấy đi trong công trình ngầm
làm bề mặt đất lún xuống, đặc biệt là khi đào trong đất dính kết và trong các công trình
ngầm nằm nông. Sự biến dạng khối đất xung quanh khoảng trống công trình ngầm có thể
đưa ra đặc điểm và cơ chế xuất hiện biến dạng:
5


- Xây dựng hầm luôn đi kèm với sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng
(ƯSBD) tự nhiên của khối đất và có thể gây ra sự phá huỷ không thể hồi phục lại
của đất nền;
- Sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng tương tự như vậy dẫn đến sự xuất hiện
trường biến dạng (chuyển dịch) trong khối đất xung quanh hầm;
- Sự phân bố biến dạng trong khối đất từ nguồn biến dạng (khoảng trống công trình
ngầm) diễn ra theo tất cả các hướng từ khoảng không khai đào và mang đặc tính
tắt dần;
- Hướng của trường biến dạng tập trung vào tâm của khoảng trống công trình

ngầm.
Quá trình chuyển dịch của đất dưới tác động của việc đào hầm bắt đầu xung quanh
khoảng trống ngầm và diễn ra liên tục, và khi tồn tại lớp đất yếu tương đối ở phía trên
khoảng trống ngầm thì chuyển dịch này đạt đến bề mặt đất. Quá trình này tiếp tục cho đến
khi thiết lập sự cân bằng của trạng thái ứng suất - biến dạng trong khối đất bao xung
quanh khoảng trống hoặc khi lắp đặt hệ kết cấu chống cứng vĩnh cửu cùng với việc bơm
vữa lấp khe hở thi công.
Nguyên nhân chính do sự suy giảm thể tích của đất nền (Vs);

Hình 5: Sơ đồ mô phỏng sự suy giảm thể tích của đất nền

Công thức:
Vs = VL-∆V

(1)

Trong đó:
Vs – Thể tích biến dạng lún của mặt đất;
VL – Thể tích biến dạng của đất nền ( tổng các biến dạng tức thời xung quanh biên
hầm);
∆V – Phần thể tích thay đổi trong nền đất (Tổng của các biến dạng tức thời);
6


Mức độ mất mát thể tích của đất nền trong quá trình thi công có thể xảy ra phụ
thuộc rất nhiều yếu tố:
• Đặc điểm địa chất, thủy văn khu vực đường hầm;
• Biện pháp thi công và tay nghề công nhân;
• Tốc độ thi công;
•


Kích thước của đường hầm

•

Hình dạng kết cấu chống;

Ngoài ra, do sự thay đổi cao độ mực nước ngầm cũng dẫn đến khả năng phá hoại
bề mặt đất. Điều này phụ thuộc rất nhiều vào loại đất đá và phân bố của đất mà đường
hầm sẽ đi qua. Trong đó phải nói đến khả năng thấm nước của đất là cao hay thấp.

a, Độ thấm cao hay thấp

b, Độ thấm khác nhau

Hình 6: Sơ đồ mức độ của dòng thấm tới đường hầm

* Khi khai thác than trong lò chợ dài

7


Hình 7: Lún bề mặt theo dạng đường cong Gauss [5]

Từ sơ đồ hình 1 ta dễ dàng nhận thấy, bán kính mặt cong lún “r” phụ thuộc vào góc
trượt β và chiều sâu vùng khai thác “H”. Mặt khác, độ lớn của góc trượt phụ thuộc vào
hàng loạt các yếu tố về cấu, kiến tạo, công nghệ khai thác, phương pháp điều khiển áp lực
mỏ. Khi cột địa tầng từ mặt đất đến lò chợ là các tập đá có độ bền và chiều dày lớn, khi
đó góc trượt sẽ có giá trị lớn hơn và ngược lại v.v… Vì vậy, các nhà khoa học đã nghiên
cứu và đưa ra các giá trị về vùng ảnh hưởng của sụt lún, biến dạng, như sau:

* Vùng ảnh hưởng chính đến công trình trên bề mặt mỏ.
r=

H
tg β

(2)

Trong đó:
H - Chiều sâu khai thác, m;
β - Góc trượt, độ.
* Chiều sâu sụt lún bề mặt
Theo Knothe St, phương trình sụt lún bề mặt có dạng:
x2

ω max ∞ −π r 2
ω=
e
.dx
r ∫x

(3)

Trong đó:
w - Dịch chuyển theo chiều thẳng đứng của điểm x trên bề mặt mỏ, m
wmax - Dịch chuyển theo chiều thẳng đứng cực đại khi khai thác hết các vỉa than
trong lòng đất, m.
Liên quan đến sự hình thành vùng lún trên mặt mỏ còn có các hiện tượng như sự
8



nghiêng, độ cong của mặt đất, đặc biệt vị trí của điểm uốn và tác động đối với các công
trình bố trí trên mặt đất cũng như vị trí hình thành các khe nứt phá huỷ.
* Độ nghiêng lớn nhất của bề mặt đất, khu vực sụt lún.
Tmax =

ωmax
tg β
= ωmax
r
H

, mm/m

(4)

Do đơn vị độ nghiêng Tmax là mm/m, nên biểu thức (3) có dạng:
Tmax = 1000.

ωmax
r

* Biến dạng ngang lớn nhất có dạng:
εmax = 0,6.Tmax

(5)

Biến dạng cực đại thường xuất hiện tại vị trí có khoảng cách ± 0,4. r = ±

H

tgβ

* Điểm uốn đạt giá trị lớn nhất trên mặt đất:
K max

ω max
ω max .tg 2 β
= 1,52 2 = 1,52
r
H2

, m-1

(6)

Tương ứng với bán kính cong nhỏ nhất trên mặt lún:
Rmin = 0,65

r2
0,65.H 2
=
ω max ω max .tg 2 β

,m

(7)

Giá trị wmax phụ thuộc vào chiều dày khai thác và có dạng (7):
wmax = η.m


(8)

Trong đó:
m - Chiều dày vỉa than, m;
η - Hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào phương pháp điều khiển áp lực mỏ khi
khai thác, có thể xác định bằng đo đạc, sử dụng máy đo trắc địa:
η = 0,7 khi điều khiển áp lực bằng phá hoả toàn phần,
η = 0,5 khi khai thác sử dụng chèn lò khô,
η = 0,12 khi sử dụng chèn lò ướt,
9


η = 0,05 – 0,03 khi phá hoả toàn phần và để lại các trụ than bảo vệ,
η = 0,02 khi khai thác buồng sử dụng chèn lò, đá vách là cát kết bền vững.
Góc trượt β ảnh hưởng rất lớn đến diện tích lún bề mặt, phụ thuộc vào đặc điểm
đất đá phía trên vỉa than, góc β đạt giá trị nhỏ khi độ bền của các lớp đá phía trên nhỏ và
ngược lại. Độ bền của trung bình của các lớp đá, tính theo trung bình trọng số đối với
chiều dày của các lớp và độ bền của mỗi lớp được xác định theo công thức:
σ 1.m1 + σ 2 .m2 + ... + σ n .mn
m1 + m2 + ... + mn

σ tb = ∑

(9)

Khi khai thác lò chợ, trên nóc lò hình thành dầm chịu lực, độ võng của dầm tính theo:
ω ( x ,t c )

E


.t c
1 p z .x 4 5 p z .l.x 3 1 p z .l 2 .x 2
=( .
− .
+ .
)(1 − e λ ),
24 JE
48 JE
16
JE

m

(10)

Và độ võng cực đại:
ω max

E

tc
p z .l 4
=
(1 − e λ ),
180 .J .E

( m)

(11)


Trong đó:
w - Giá trị độ võng tại điểm x trên dầm nóc, m;
pz - Khẩu độ của dầm nóc trên nền đàn hồi, m;
J - Mô men quán tính của dầm, m4;
E - Mô đun Young của đá dầm, Pa;
x - Toạ độ theo trục ngang;
E/λ - Nghịch đảo số thời gian chậm đàn hồi 1/ năm;
λ - Hệ số độ dẻo của dầm;
ts - Thời gian tính từ khi bắt đầu khai thác, năm

4. KHÔI PHỤC BỀ MẶT ĐẤT BỊ PHÁ HỦY DO XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
NGẦM
Vấn đề cơ bản khôi phục môi trường bao quanh bị các công tác xây dựng công
trình ngầm và mỏ phá hủy thể hiện ở chỗ: cần phải lôi kéo nền, khối đất đá bị phá hủy vào
mục đích sử dụng cho sản xuất và cho các hoạt động có ích khác bằng cách hình thành hệ
thống cân bằng sinh thái có đặc tính quý báu về kinh tế và thẩm mỹ.
Lời giải cho vấn đề trên bao gồm 2 giai đoạn:
10


-

Giai đoạn khôi phục nền đất đá bị phá hủy;

-

Giai đoạn cải thiện nền đất đá bị phá hủy.

Nói tóm lại là: Lợi dụng tính lún của bề mặt để sử dụng với mục đích khác nhau
nhằm tạo lợi ích.

Như vậy, vấn đề bảo vệ, sử dụng hợp lý nguồn đất trong quá trình xây dựng, khai
thác công trình ngầm và mỏ cần được hiểu như tổ hợp các giải pháp có khả năng đảm bảo
làm suy giảm đến mức nhỏ nhất hoặc loại bỏ triệt để hiện tượng quá hủy mặt đất.
Các giải pháp được chia làm 2 nhóm sau:
Thứ nhất: giải pháp sinh học:
 Khôi phục chất lượng mỹ thuật khu vực mặt đất bị phá hủy
 Thường xuyên thực hiện các giải pháp chống xói mòn
 Khôi phục toàn bộ tiềm năng sinh học của đất bị phá hủy
 Lựa chọn các loại cây xanh, cỏ phù hợp và phủ xanh mặt đất
 Phủ lên bề mặt bãi thải và các nền đất cần phải khôi phục một lớp đất mùn
trồng trọt, bón phân cho đất
Thứ hai: Giải pháp kỹ thuật:
 Sữa chữa, đầm nén và quy hoạch nền đất phá hủy
 Biến đổi đất đá của các bãi thãi xây dưng trở thành vật liệu xây dựng và các
chất độn bê tông
 Công tác hoàn nguyên bề mặt, gia cố kỹ các lớp phủ
 Tính toán các tải trọng tác dụng lên bề mặt công trình, lựa chọn hợp lý các
lại vật liệu gia cố.
 Tháo khô các công trình nằm trong khu vực có mực nước ngầm, thực hiện
các biện pháp gia cố trước khi thi công như: đóng băng nhân tạo, phụt
vữa…

5. KẾT LUẬN
Sự phá hủy bề mặt đất khi thi công xây dựng công trình ngầm là một trong những
trở ngại khi xây dựng công trình ngầm trong các địa bàn đông dân cư và tồn tại các công
trình trên mặt. Quá trình phá hủy bề mặt gây ra những tổn thất to lớn về kinh tế cũng như
môi trường. Để giảm thiểu các hiện tượng phá hủy bề mặt, cần phải tiến hành các biện
pháp gia cố khối đất trước khi thi công và biện pháp thi công hợp lý.
Khi xuất hiện các hiện tượng phá hủy bề mặt. Cần nhanh chóng tìm ra nguyên
nhân, đưa ra các biện pháp khắc phục và ngăn chặn sự lan rộng của hiện tượng. Tránh gây

tổn thất hư hại cho các công trình trên mặt và lân cận.
11


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. GS. TS. Võ Trọng Hùng – Bảo vệ môi trường trong xây dựng công trình ngầm và
mỏ. NXB Khoa học tự nhiên và công nghệ – 2013, 560tr.
2. BÙI VĂN DƯỠNG – Nghiên cứu ảnh hưởng lún bề mặt do thi công đường hầm
Metro đặt nông trong đất bằng máy đào tổ hợp TBM. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật.
Đại học giao thông vận tải – 2007.
3. TS. Nguyễn Văn Quyển – Sự cố kĩ thuật trong xây dựng công trình ngầm. Dự báo
phòng ngừa và khắc phục – Trường đại học Mỏ địa chất.

4. />5. TS. Phạm Minh Đức, TS. Lê Văn Công, KS. Phí Văn Long - Sự lún bề mặt địa
hình do khai thác than hầm lò và những tác động của khối công trình trên bề mặt
cũng như chiều sâu khai thác đến độ ổn định các công trình khai thác hầm lò Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Vinacomin.

12