một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của áo (natm)

TÓM TẮT: Mục đích của bài báo này là nhằm khảo sát một phương pháp làm hầm đặc biệt, được biết đến như là Phương pháp Làm hầm Mới của Áo New Austrian Tunnelling Method - NATM, mà nó xuấ

MỘT CÁI NHÌN KỸ HƠN VỀ PHƯƠNG PHÁP LÀM

HẦM MỚI CỦA ÁO (NATM)

(An Insight into the New Austrian Tunnelling Method)

Tác giả: M Karakuş1 & R.J Fowell2

1 Department of Mining Engineering, Inonu University Malatya 44069 Turkey

2 Department of Mining & Mineral Engineering, Leeds University LS2 9JT UK

KS CN Nguyễn Đức Toản (biên dịch)

Viện KHCN GTVT Sinh viên cao học về hầm tại Italia

Email: ngdtoanhanoi@yahoo.com

Lời giới thiệu của người dịch (Introduction of the Translator):

Bài báo này của hai tác giả TS Karakus (Thổ Nhĩ Kỳ) và TS Fowell (Anh) được viết vào năm 2004 là cực kỳ quan trọng cho những ai đã, đang và sẽ tìm hiểu về NATM Một bài

báo khác, mà tôi nghĩ tầm quan trọng của nó còn lớn hơn, đó là bài “Những quan niệm

sai lầm đằng sau NATM” của giáo sư Kovári, cần được đọc kèm với bài này

Chúng tôi đã xin phép bằng văn bản TS Karakus và GS Kovári để tiến hành chuyển ngữ sang tiếng Việt và cho phép lưu hành rộng rãi ở Việt Nam (mặc dù chúng tôi đã dịch xong từ năm ngoái) Trước hết chúng tôi xin công bố bài thứ nhất Bài thứ hai sẽ sớm được công bố tiếp, kèm theo ý kiến mới đây của chính tác giả của nó

Bài của TS Karakus và TS Fowell nhìn chung là đại diện cho quan điểm của phái ủng

hộ NATM (vì luận án tiến sỹ của TS Karakus là về NATM) Bài của GS Kovári là quan điểm của những người chống NATM Quan điểm riêng của người dịch sẽ được trình bày trong một tài liệu khác Nhưng người dịch khuyến nghị rằng, những người viết Tài liệu tổng kết xây dựng hầm đường bộ Hải Vân của Bộ GTVT nên đọc hai bài này để kịp có những điều chỉnh và/hoặc cập nhật cần thiết cho tài liệu tổng kết rất dày dặn đó

Người dịch xin bày tỏ lòng cảm ơn đến các tác giả của hai bài viết nói trên, vì đã cho phép dịch và lưu hành rộng rãi, cũng như đã giúp đỡ người dịch vượt qua một số khó khăn trong quá trình dịch văn bản

N.Đ.T

Permit of Translation: “You are free to translate my paper entitled “An Insight into the New Austrian Tunnelling Method” into Vietnamese I am very much appreciated if you provide me one copy of translation” - Dr Murat Karakus

TÓM TẮT: Mục đích của bài báo này là nhằm khảo sát một phương pháp làm hầm

đặc biệt, được biết đến như là Phương pháp Làm hầm Mới của Áo (New Austrian Tunnelling Method - NATM), mà nó xuất hiện lần đầu trong các tài liệu bằng tiếng Anh vào năm 1964 NATM được mô tả như một phương pháp làm hầm hiện đại bởi L v Rabcewicz Trong suốt quá trình khảo sát tài liệu, đã gặp phải vô số sự không rõ ràng và

nghệ làm hầm lại bị chia rẽ thành ba nhóm Nhóm thứ nhất là những người đồng tình với những vị tiền bối của NATM, coi NATM như một phương pháp làm hầm hiện đại mới (Müller 1978; Golser 1979); nhóm thứ hai phản đối coi NATM chẳng có gì là mới và chẳng có gì là của Áo cả; và nhóm thứ ba đứng trung gian Sự phản đối gay gắt nhất chống lại NATM, đến mức phủ nhận sự tồn tại của nó, là quan điểm của Kovári (1994) Tuy nhiên, những ứng dụng của phương pháp này đã phát triển mạnh trên khắp thế giới

do những đặc điểm có lợi mang tính chủ đạo của nó so với các phương pháp làm hầm truyền thống khác Đôi khi, NATM được nói đến bằng nhiều tên gọi khác nhau, như: Vỏ

hầm Bêtông Phun (SCL - Sprayed Concrete Lining, theo ICE, 1996), Phương pháp Đào

Tuần tự (SEM - Sequential Excavation Method) để phân biệt với NATM (Brandt và nnk

do ICE 1996 trích dẫn lại), NATM có Tường Phân chia Trung tâm (CDNATM - Centre Dividing wall NATM, theo Kobayashi và nnk 1994), Phương pháp Tường ngăn Trung tâm

(CDM - Centre Diaphragm Method, Seki và nnk 1989) hoặc Phương pháp Tường ngăn

Mặt cắt (CRD-NATM, Cross Diaphragm Method, Narasaki 1989) và Phương pháp chia

nhỏ gương đào phía trên (UHVS, Upper half vertical subdivision method, Seki và nnk 1989) Các định nghĩa chi tiết về NATM hiện có trong rất nhiều tài liệu, bài báo này sẽ thảo luận bối cảnh lịch sử cùng các đặc điểm đặc trưng của chúng

1 GIỚI THIỆU

Sau ứng dụng thành công đầu tiên của NATM trong công nghiệp khai mỏ ở Anh (Deacon & Hughes 1988), các hầm trong ngành giao thông đường bộ ở Anh được thiết kế theo NATM sớm nhất là dự án hầm Round Hill Road (Bowers 1997) Vụ sập hầm ở dự án

Heathrow Express Rail Link Station ngày 21/10/1994 đã khiến cho phải xem xét lại phương pháp này một cách kỹ càng Cơ quan Sức khỏe và An toàn Anh (HSE - Health and Safety Executive) đã tiến hành điều tra và sau đó công bố kết quả nghiên cứu trong một cuốn sách về thiết kế NATM an toàn (1996) Sau đó Viện Kỹ sư Dân dụng Anh (ICE

- Institution of Civil Engineers) cũng tiến hành điều tra khảo sát (1996) Bước vào thiên niên kỷ mới, vẫn còn tồn tại một số mâu thuẫn Do đó, bài báo này nhằm mục đích mô tả các nguyên nhân gây sập đổ hầm NATM và khảo sát các trường hợp thất bại đã xảy ra trong các điều kiện địa chất khác nhau trên thế giới

2 BỐI CẢNH LỊCH SỬ CỦA NATM

Sự phát triển theo thời gian của phương pháp NATM đã được tổng kết bởi nhiều nhà nghiên cứu liên quan đến các hệ thống chống đỡ đã sử dụng (Bảng 1) Những bước phát triển lịch sử này dẫn đến NATM sẽ được trình bày ở đây một lần nữa để có thể thấy được những sự phát triển và ứng dụng của NATM

Một vài nhà tiên phong đã có những đóng góp quan trọng cho ngành xây dựng hầm khiến tạo ra NATM Sir Marc Isambard Brunel ở đầu thế kỷ 19 đã giới thiệu một khiên đào hình tròn để đào hầm trong đất yếu (bản quyền Anh số 4204) Sau sự việc này, Rizha

- một kỹ sư hầm người Đức - đã có những đóng góp quan trọng khác Ông sử dụng sườn chống thép thay cho cột gỗ nặng Ông cũng cho rằng hệ thống chống đỡ cần thiết để xử lý

áp lực đất đá lớn trong nhiều trường hợp bắt nguồn tự chính nó (Sauer 1988), tức là muốn nói đến vai trò của đất đá xung quanh như một phần của hệ thống chống đỡ, điều này được cho rằng sẽ là nguyên tắc cơ bản của NATM đề xuất bởi Rabcewicz sau này (1964) Trong thập kỷ 1910, sau phát minh của máy bơm bêtông kiểu ổ quay của một người làm nghề nhồi bông thú tên là Carl Akeley, bêtông phun (BTP) đã được dùng trong các hầm

mỏ ở Mỹ và lan sang châu Âu vào đầu những năm 1920 Năm 1948, Rabcewicz phát minh hệ chống đỡ hai lớp vỏ (hệ chống ban đầu và cuối cùng) thể hiện quan niệm cho phép đá biến dạng trước khi thi công vỏ hầm cuối cùng để các tải trọng tác dụng lên vỏ hầm sẽ giảm đi Tuy nhiên, giáo sư Kovári (1994) lại coi ý tưởng đằng sau quan niệm này

là hiệu ứng tạo vòm đất đá của Engesser đã được xuất bản từ năm 1882 Quan niệm về vỏ hầm hai lớp sau đó được gọi là Phương pháp Làm hầm Mới của Áo (New Austrian Tunnelling Method), cụm từ này được Rabcewicz đưa ra trong một bài giảng năm 1962 và

nó đã được thế giới công nhận hai năm sau đó Ứng dụng đầu tiên của NATM trong đất yếu là dự án tàu điện ngầm (metro) ở Frankfurt Đức năm 1969

Bảng 1 - Sự phát triển theo thời gian dẫn đến NATM (theo Sauer 1988 & 1990; Rabcewicz 1964)

1811 Phát minh ra khiên đào tròn bởi Brunel

1848 Nỗ lực đầu tiên trong việc sử dụng vữa đông cứng nhanh của

Wejwanow

1872 Thay thế hệ chống gỗ bằng vì chống thép bởi Rziha

1908-1911 Phát minh ra máy phun bêtông kiểu ổ quay bởi Akeley

1914 Ứng dụng đầu tiên của bêtông phun trong các mỏ than ở Denver,

Mỹ

1948 Giới thiệu hệ thống vỏ hầm kép bởi Rabcewicz

1954 Dùng bêtông phun để làm ổn định đất nén ép/chảy trong khi làm

hầm bởi Bruner

1955 Phát triển hệ neo giữ đất bởi Rabcewicz

1960 Công nhận tầm quan trọng của một hệ thống đo đạc có tính hệ

thống bởi Müller

1962 Rabcewicz giới thiệu Phương pháp Làm hầm Mới của Áo trong

một bài giảng tại Hội thảo chuyên đề Địa cơ học lần thứ XIII (the XIII Geomechanics Colloquium) ở Salzburg, Áo

1964 Dạng tiếng Anh của thuật ngữ NATM lần đầu tiên xuất hiện trong

văn liệu kỹ thuật đưa ra bởi Rabcewicz

1969 Ứng dụng NATM lần đầu tiên trong đô thị với điều kiện đất yếu

(Frankfurt am Main)

1980 Định nghĩa lại NATM do có mâu thuẫn tồn tại trong các tài liệu

kỹ thuật bởi Ủy ban quốc gia về Xây dựng ngầm của Áo (ANCUC) trực thuộc Hiệp hội Xây dựng hầm Quốc tế (ITA)

1987 Ứng dụng NATM lần đầu tiên ở Anh tại mỏ Barrow upon Soar

3 CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐẶC TRƯNG VÀ TRIẾT LÝ CỦA NATM

NATM là gì? Những đặc điểm trọng yếu của NATM là gì? NATM là một kỹ thuật làm hầm hay là một triết lý? Những câu hỏi tương tự nảy sinh sau khi thế giới công nhận

NATM đòi hỏi phải được trả lời nhằm đảm bảo rằng những nguyên tắc của “triết lý” hay

“kỹ thuật” này được hiểu đúng trong ngành xây dựng hầm Những vấn đề này thu hút sự

quan tâm của nhiều nhà khoa học, kỹ sư và nhà báo kỹ thuật nhằm xác định những quan niệm thực sự của NATM Do đó, vấn đề này sẽ được xem xét một lần nữa liên quan đến các định nghĩa cũ và mới

Khi chúng ta trở lại nguồn gốc của NATM, giáo sư L.v Rabcewicz (11/1964) - người sáng tạo chính - giải thích phương pháp như là:

“… Một phương pháp mới bao gồm một vỏ hầm bêtông phun mỏng, được khép kín vào thời điểm sớm nhất bởi một vòm ngược thành một vòng hoàn chỉnh - gọi là một “vòm phụ” - mà sự biến dạng của nó được đo đạc theo thời gian cho tới khi đạt được trạng thái cân bằng”

Ông nhấn mạnh ba điểm cơ bản, thứ nhất là sự áp dụng một vỏ hầm bêtông phun mỏng, thứ hai là sự khép kín hệ chống đỡ càng sớm càng tốt, và thứ ba là sự đo đạc biến dạng một cách có hệ thống

Định nghĩa nêu trên đã được định nghĩa lại bởi Ủy ban quốc gia về Xây dựng ngầm của Áo (ANCUC) trực thuộc Hiệp hội Xây dựng hầm Quốc tế (ITA) vào năm 1980 để loại bỏ những mâu thuẫn nảy sinh trong các tài liệu kỹ thuật (Kovári 1994) Định nghĩa mới này phát biểu như sau:

“Phương pháp Làm hầm Mới của Áo (NATM) được dựa trên một quan niệm trong đó địa tầng (đá hay đất) xung quanh một hang ngầm trở thành một bộ phận kết cấu mang tải thông qua sự hình thành một vòng đất đá có khả năng chịu lực”

Một định nghĩa gần đây khác về NATM đưa ra bởi Sauer (1988) phát biểu rằng NATM là:

“Một phương pháp tạo ra không gian ngầm bằng cách sử dụng mọi phương tiện

có sẵn để phát triển khả năng tự mang tải lớn nhất của bản thân đất hay đá nhằm tạo ra sự ổn định cho hang ngầm”

Bằng việc sử dụng cụm từ “mọi phương tiện có sẵn”, tiến sỹ Sauer đã định nghĩa phương pháp theo một cách thức tổng quát hơn so với định nghĩa trước đây của các kỹ sư đồng nghiệp Áo của mình

Một trong những người ủng hộ NATM khác, GS TS Leopold Müller (1978) đề nghị rằng:

“NATM nên hiểu là một quan niệm xây dựng hầm với một tập hợp các nguyên tắc… Do đó theo ý kiến tác giả không thể gọi nó là một phương pháp thi công,

vì từ này nói đến một phương pháp đào một đường hầm”

Do những phát biểu trên, những người đề xướng của Áo đều nhất trí rằng NATM là một cách tiếp cận về xây dựng hầm hoặc triết lý hơn là một tập hợp các kỹ thuật đào và chống đỡ Golser, (1979), Brown, (1990), Hagenhofer (1990), Barton (1994) là những người ủng hộ cho tư tưởng này trong số nhiều nhà khoa học khác GS Müller (1990), người cực kỳ nhiệt tâm trong việc giải thích các nguyên tắc cơ bản của NATM, đã tổng kết những đặc điểm đặc trưng quan trọng của NATM trong số hai mươi hai (22) nguyên tắc rằng:

i Khối đất đá xung quanh là thành phần mang tải chính và khả năng chịu tải của

nó phải được duy trì bằng cách không làm xáo trộn khối đá

ii Sức kháng chống đỡ của khối đá phải được bảo tồn bằng cách sử dụng các thành phần chống đỡ bổ sung

iii Vỏ hầm phải có tường mỏng và nếu cần gia cường bổ sung thì phải dùng lưới thép, sườn chống thép và neo đá chứ không phải bằng cách tăng chiều dày vỏ hầm

iv Thời gian khép kín vỏ hầm có tầm quan trọng thiết yếu và việc này phải được thực hiện càng sớm càng tốt

v Các thí nghiệm sơ bộ trong phòng thí nghiệm và việc đo đạc biến dạng trong hầm phải được tiến hành để tối ưu hóa việc tạo thành vòng đất đá chống đỡ

Tuy nhiên, kết luận của Müller về một thời gian khép kín thật nhanh vỏ chống đỡ trong những hầm đặt sâu để giảm thiểu các biến dạng đã không nhận được sự đồng tình của Rabcewicz và Pacher căn cứ vào báo cáo của họ năm 1975 (Golser 1979), trong đó nói rằng:

“Tuy nhiên, nguyên tắc khép kín vỏ chống đỡ càng nhanh càng tốt chỉ thích hợp với các hầm trong đá có các ứng suất ban đầu nhỏ Trong các hầm có chiều dày lớp đất phủ lớn và chất lượng đá kém thì chỉ có một sự giải phóng ứng suất đến mức độ lớn nhất mới có thể giúp đạt được mục tiêu1 Tất nhiên, sự giải phóng ứng suất này, mà nó sẽ kéo dài trong nhiều tháng, phải được kiểm soát một cách chính xác nhất bằng các phép đo đạc hiện trường”

Tóm lại, chúng ta có thể rút ra những nguyên tắc chính tạo thành NATM sau đây, dựa vào các tài liệu của: tạp chí Tunnels & Tunnelling (1990), Will (1989), Brown (1990), Wallis (1995), ICE (1996), HSE (1996), Bowers (1997), Fowell & Bowers, (1998):

i Cường độ có sẵn của đất hay đá xung quanh phạm vi hầm phải được bảo tồn

và phải được chủ động huy động với mức tối đa có thể được

1 Với các hầm có chiều dày lớp đất phủ lớn và chất lượng đá kém, việc khép kín vỏ chống đỡ càng nhanh càng tốt chỉ có thể làm được nếu một sự giải phóng ứng suất đến khoảng cách lớn nhất xung quanh hang hầm đã xảy ra Nói cách khác, nếu tồn tại ứng suất ban đầu lớn cộng với điều kiện khối đá yếu, thì việc khép kín vỏ chống đỡ vào thời điểm sớm nhất là không nên làm cho tới khi đã diễn ra sự

ii Sự huy động có thể đạt được nhờ kiểm soát lượng biến dạng của nền đất

Phải tránh để xảy ra biến dạng quá mức vì nó sẽ gây ra mất mát cường độ hay lún sụt mặt đất lớn

iii Các hệ thống chống đỡ ban đầu và chủ yếu bao gồm hệ bulông hay neo đá bố

trí một cách có hệ thống và vỏ hầm bêtông phun mỏng nửa-mềm sẽ được sử dụng để đạt được các mục đích đặc biệt nêu trong điểm (ii) Các công tác về

hệ thống chống đỡ cuối cùng thường được tiến hành ở giai đoạn sau

iv Việc khép kín hệ chống đỡ phải được điều chỉnh với sự xác định thời gian

thích hợp, mà thời điểm này có thể biến đổi phụ thuộc vào các điều kiện đất hay đá

v Phải tiến hành các thí nghiệm trong phòng và thực hiện việc theo dõi biến

dạng của các hệ thống chống đỡ cũng như nền đất

vi Những ai liên quan đến việc thi công, thiết kế và giám sát xây dựng hầm theo

NATM đều phải hiểu rõ và công nhận cách tiếp cận của NATM, và phải phản ứng trên tinh thần cộng tác trong việc giải quyết bất kỳ vấn đề nào nảy sinh tại hiện trường

vii Chiều dài của đoạn hầm chưa được chống đỡ trong khi đào phải để lại càng

ngắn càng tốt

Bảy điểm/nguyên tắc trên đây nhằm mục đích bao quát tất cả những định nghĩa đã

có, bao gồm nhiều dạng yêu cầu khác nhau trong xây dựng hầm cũng như các điều kiện địa chất Tuy vậy, Murphy, (1994) vẫn bình luận:

“…Có thể nói rằng một ứng dụng (làm hầm) nhất định không nhất thiết phải bao hàm mọi nguyên tắc trên đây - mà thực ra cũng không bao giờ có trường hợp như vậy - để có thể được gọi một cách chính thức là một dự án NATM”

3.1 Lý thuyết phá hoại cắt quanh một hang ngầm của Rabcewicz

Khi nghiên cứu lý thuyết phá hoại của Rabcewicz khi một hang được tạo ra trong đá, thấy rằng sự phân bố lại ứng suất xảy ra trong ba giai đoạn như thể hiện ở Hình 1 Trước hết, các khối đất hình nêm ở cả hai bên hầm bị tách ra dọc theo các mặt phẳng phá hoại theo lý thuyết Mohn và chuyển dịch về phía hang (I) Trong giai đoạn II, sự tăng lên của nhịp hầm dẫn đến sự dịch chuyển lại gần nhau của nóc và sàn hang Biến dạng tại đỉnh vòm và sàn hang tăng lên hơn nữa và khối đá bị oằn gãy vào trong hang hầm dưới áp lực ngang không đổi (III) Áp lực tăng lên trong giai đoạn III được gọi là “áp lực nén ép” và hiếm khi xảy ra trong các hoạt động xây dựng dân dụng vì các hố đào là khá nông Sau

đó, Rabcewicz (1964) rút ra một kết luận rằng:

“Công nhận hiện tượng diễn ra liên tục của áp lực như trên, bởi vì, với các phương pháp đã cũ sử dụng vào thời gian đó, các tiết diện hầm thường không được đào toàn gương mà được phân chia thành các gương đào nhỏ được mở rộng ra nối tiếp nhau…”

Ông khẳng định phương pháp đào phải là tuần tự chứ không phải là toàn gương theo

lý thuyết cắt của mình

Hình 1 - Quá trình cơ học và trình tự phá hoại xung quanh một hang ngầm gây bởi

áp lực trong quá trình tái phân bố ứng suất (theo Rabcewicz 1964)

3.2 Các hệ thống chống đỡ NATM đề nghị bởi Rabcewicz

Các hệ thống chống đỡ như được đề nghị bởi Rabcewicz (1973) có hai nhóm chính

“Nhóm thứ nhất là một thiết kế hệ chống đỡ có tính chất bảo vệ hay vòm vỏ bên ngoài mềm dẻo nhằm ổn định hóa kết cấu một cách thích hợp, và bao gồm một vòm đá được neo bulông một cách có hệ thống kết hợp với lớp bảo vệ bề mặt chủ yếu bằng bêtông phun, thường được gia cường thêm bằng các sườn thép và khép kín bằng vòm ngược

Phương tiện chống đỡ thứ hai là một vòm bên trong bằng bêtông mà nói chung

sẽ không được thi công cho tới khi vòm bên ngoài đã đạt được trạng thái cân bằng…”

Để có thể thiết kế khả năng chịu tải của vỏ hầm cho nhiều loại đất hay đá khác nhau, cần phải phân tích và hiểu rõ hiện tượng phá hoại cắt như đã trình bày ở trên Cần phải thiết lập mối quan hệ giữa khối đất bị xáo trộn quanh hang ngầm, gọi là “vùng bảo vệ”

(“protective zone”), và khả năng chịu tải của hệ thống chống đỡ, gọi là “sức kháng biên hang” (“skin resistance”) (Rabcewicz 1964) Việc trình bày về mặt toán học của những

mối quan hệ này được đưa ra bởi Kastner như sau:

Bỏ qua lực dính c, Phương trình (1) trở thành:

Hình 2 - Phân bố ứng suất xung quanh một hang ngầm dưới áp lực địa tĩnh

(theo Kastner, trích dẫn bởi Rabcewicz 1964)

Đường cong đáp ứng của đất (Hình 3) thể hiện sự tương tác đất nền/hệ chống đỡ và các biến dạng theo thời gian Nó cho ta một công cụ để mô hình hóa độ cứng hệ chống đỡ

và thời gian lắp đặt Khi lựa chọn một hệ chống đỡ cứng hơn (đường 2), nó sẽ chịu một tải trọng lớn hơn bởi vì khối đá xung quanh hang vẫn chưa biến dạng đủ để đạt tới trạng thái cân bằng ứng suất Do đó, hệ số an toàn sẽ tăng lên nhiều Sau điểm C, sự làm việc của đất không còn tuyến tính nữa Nếu hệ chống đỡ (1) được lắp đặt sau khi đã xảy ra một chuyển vị nào đó (điểm A), thì hệ thống đạt đến cân bằng với một tải trọng bé hơn trên kết cấu Vì thế, Rabcewicz (1973) kết luận: "Một điểm đặc biệt của NATM là các điểm giao cắt luôn luôn xảy ra tại nhánh đi xuống của đường cong" Điều này có nghĩa chỉ cần một hệ chống đỡ ít cứng hơn mà nó sinh ra sự biến dạng yêu cầu như trong trường hợp của một ứng dụng NATM Hơn nữa, ông nhấn mạnh rằng hệ chống đỡ đất đá không được quá cứng hoặc quá mềm Sau điểm B sẽ xảy ra "sự rão rời ghê gớm" và áp lực chống đỡ cần có để ngăn chặn quá trình rão rời sẽ tăng lên rất nhiều Tuy nhiên, nếu hệ chống đỡ được lắp đặt đúng thời điểm để có được lượng biến dạng thích hợp, thì áp lực hệ chống

đỡ sẽ có giá trị nhỏ nhất tại điểm này

Hình 3 - Các đường cong tương tác đất nền-hệ chống đỡ (theo Fenner & Pacher,

ii Với những tiết diện đào nhỏ (10-16 m2) và các khối phân chia khoảng vài

dm3, thì thường chỉ cần một lớp bêtông phun phủ kín đơn giản dày d = 3 cm

= 0,017xR để ổn định hóa hang hầm;

iii Nhưng nếu có một gian máy phát điện ngầm khoảng 400-600 m2, thì nền đá với các khối phân chia kích cỡ như trên sẽ làm việc như một khối không dính, và một vỏ bêtông phun đơn giản cỡ 0,017xR = 19-24 cm sẽ là không

đủ để chịu lực Trong trường hợp này bắt buộc phải tạo ra một vòm đá được lắp đặt neo một cách có hệ thống

3.3 Nên gọi là Vỏ hầm Bêtông Phun hay gọi là NATM?

Như đã thảo luận ở trên, NATM đã từng được định nghĩa lại bởi một số tổ chức và thậm chí bởi vài cá nhân bằng cách bổ sung những đặc trưng mới hay bỏ qua một số nguyên tắc cơ bản của nó nhằm phục vụ các mục đích làm hầm đặc thù của họ hoặc nhằm làm rõ những cái gọi là mâu thuẫn đã từng nảy sinh từ những nguyên tắc cơ bản đó Họ

đã điều chỉnh lại nó như là một triết lý và/hoặc kỹ thuật làm hầm đặc biệt để thích hợp với những định nghĩa này NATM đã được đổi tên thành Vỏ hầm bêtông phun (SCL) bởi Tổ chức Kỹ sư Dân dụng Anh (ICE, 1996) để áp dụng cho các ứng dụng trong đất yếu Quan

điểm của họ là bất kỳ ứng dụng nào của NATM trong đất yếu cũng liên quan đến những biện pháp chủ yếu sau đây:

a) Các giai đoạn đào hầm phải đủ ngắn, cả về mặt kích thước và thời gian; b) Việc hoàn thiện lớp chống đỡ ban đầu, đặc biệt là việc khép kín "vành" bêtông phun phải không được chậm trễ

Vì hai biện pháp này là không thích hợp với triết lý NATM ban đầu đối với đất yếu, nên bất kỳ áp dụng nào của nó trong các vùng đô thị cũng đều là việc áp dụng đầu tiên của Vỏ hầm Bêtông Phun (SCL) (IEC 1996) Hơn nữa, quan điểm này còn được mở rộng như sau:

"Trong thực hành, trong các vùng đô thị đất yếu, cái mà được nói đến như là NATM chính là việc phun lớp bêtông đầu tiên làm nhiệm vụ chống đỡ ban đầu, theo sau đó một quãng thời gian xác định là việc lắp đặt một vỏ hầm vĩnh cửu Các chi tiết của hệ chống

đỡ ban đầu (vd chiều dày lớp bêtông phun) được quyết định bởi người thiết kế và sau đó thường là không bị thay đổi Việc đo đạc quan trắc được dùng để kiểm soát tính năng làm việc và độ an toàn của hệ chống đỡ ban đầu và nhờ đó xác minh được tính đúng đắn thiết

kế của nó

Tóm lại, việc dùng vỏ bêtông phun cho hầm trong đất yếu trong đô thị không sử dụng bất kỳ triết lý NATM nguyên bản nào, mà đúng hơn, nó chính là sự sử dụng các kỹ thuật thi công thường đi liền với NATM "

Còn một định nghĩa khác đưa ra bởi Cơ quan An toàn và Sức khỏe Anh (HSE) sau khi xảy ra vụ sập Hầm Cao tốc Heathrow Express Rail Link Station (HEX) Báo cáo của HSE nhấn mạnh đến các biện pháp an toàn cần áp dụng trong khi và sau khi xây dựng một đường hầm, và làm sao để có thể thiết kế các biện pháp đó một cách an toàn bất kể thuật ngữ nào dùng để gọi NATM Theo định nghĩa này, NATM (biểu thị bằng chữ đậm

in nghiêng) được miêu tả là:

"Một hầm được xây dựng bằng cách sử dụng các kỹ thuật đào gương mở và với một

vỏ hầm xây dựng ở bên trong hầm bằng bêtông phun để tạo ra hệ chống đỡ đất thường có

sử dụng thêm các neo đất, bulông và thanh căng một cách thích hợp"

Bowers (1997) đã tổng kết khá kỹ cả về lý thuyết và ứng dụng của NATM với hai trường hợp lịch sử (Bowers 1997; New & Bowers 1994) và ông đã nhận xét về định nghĩa của Cơ quan Sức khỏe và An toàn Anh (HSE) như sau:

"Tuy nhiên, vấn đề của định nghĩa này là ở chỗ nó ít tương xứng với các biện pháp thi công an toàn so với bản chất của các thủ tục đã từng được sử dụng, và

do vậy đã không được khai thác một cách triệt để"

Tóm lại, bất kể NATM được gọi hay được định nghĩa thế nào, nó vẫn mang những đặc trưng riêng biệt so với các phương pháp làm hầm quen thuộc khác và việc áp dụng nó vẫn tiếp tục diễn ra dưới những cái tên khác nhau trên khắp thế giới Tuy vậy, tất cả những định nghĩa này tựu trung đều gặp nhau ở mấy điểm sau:

i Việc sử dụng nền đất như một phần của hệ chống đỡ là vấn đề quan trọng

nhất;

ii Xây dựng một vỏ hầm ban đầu để đạt được trạng thái cân bằng tại độ biến

dạng tối ưu (tức là lượng biến dạng tốt nhất chứ không phải lớn nhất!) bằng

nhiều bộ phận chống đỡ bổ sung có thể được, như neo đá, cột, sườn chống thép, v.v ;

iii Khép kín vòng vỏ che chống tại một thời điểm thích hợp bằng cách sử dụng

đường cong tương tác đất - hệ chống và theo dõi đáp ứng của đất bằng các hệ thống đo đạc được lắp đặt một cách có hệ thống trong hầm;

iv Ổn định hóa hang hầm bằng cách dùng một vỏ hầm thứ hai;

v Phân chia hầm thành các phần đào nhỏ hơn tùy thuộc vào điều kiện địa chất

3.4 Các tiêu chí thiết kế và các đặc điểm của NATM

Các nguyên tắc cho một phương pháp luận thiết kế thích hợp cho NATM có thể chia làm hai nhóm thiết kế chính Nhóm thứ nhất có thể xem là một hàm của các yêu cầu kỹ thuật của NATM với các ứng dụng trong đất yếu hay đá mềm liên quan đến hệ thống chống đỡ Nhóm thứ hai phụ thuộc vào các bó buộc bên ngoài, chẳng hạn như vấn đề lún, tác động môi trường, an toàn, công nghệ xây dựng, và các ràng buộc về tài chính và hợp đồng/pháp lý Ví dụ, Golser & Mussger (1978) đã lưu ý về tầm quan trọng của việc thiết

kế về mặt hợp đồng cho NATM mà nó đóng một vai trò rất lớn cho việc áp dụng thành công NATM về mặt kinh tế Ngoài ra, các yêu cầu về hợp đồng của một khách hàng/chủ đầu tư có thể ảnh hưởng đến sự hoàn thành đúng hạn của công trình với giá thành nhỏ nhất, điều này có thể sinh ra các thay đổi đối với toàn bộ thủ tục thiết kế

Tổ chức Kỹ sư Dân dụng Anh (ICE, 1996) đã phân loại các triết lý thiết kế hầm thành ba nhóm lớn như minh họa ở Hình 4 Sự phân loại tổng quát này cũng được đối chiếu với từng triết lý làm hầm tùy theo hệ chống đỡ được sử dụng Nhờ đó, NATM được hiểu như là một sự kết hợp của các triết lý làm hầm trong đất yếu và đá cứng truyền thống

Các khía cạnh cơ bản cho thiết kế được minh họa trong Hình 5 như một triết lý thiết

kế chung cho NATM Vì mỗi một trong số những khía cạnh này là một phần của toàn bộ quá trình thiết kế, nên nếu thiết kế riêng biệt các đặc điểm này mà không kết hợp với nhau thì có thể dẫn đến sự thất bại của NATM Sau khi xác định hình dạng và kích thước tùy theo ứng dụng của nó trong đất yếu và/hoặc đá cứng, thiết kế NATM liên quan chủ yếu đến các đặc điểm hệ chống đỡ của nó

Hình 4 - Mối tương quan giữa các triết lý thiết kế hầm (theo ICE 1996)

Hình 5 - Các khía cạnh thiết kế chung cho NATM

3.4.1 Thiết kế hệ chống đỡ đầu tiên và cuối cùng

Thiết kế hệ chống cho cả bêtông phun ban đầu và vỏ hầm bêtông cuối cùng là phần chính của thiết kế kỹ thuật theo NATM Trong khi thiết kế hệ chống đỡ, người ta đã phải xét đến sự mềm dẻo và chiều dày của vỏ hầm ban đầu với sự bổ sung của lưới thép hàn hay sợi thép gia cường và neo đá, thanh neo dẫn trước và các tấm/cọc chống, đặc biệt là

để giữ ổn định gương đào Cũng cần phải xem xét kỹ tính chất tùy thuộc vào thời gian của việc thi công vỏ hầm Nhờ đó cũng có thể tối ưu hóa sự xác định thời gian cho việc khép kín vành vỏ chống đỡ

Đối với thiết kế hệ chống ban đầu, Rabcewicz (1965) đề nghị rằng:

"Thiết kế bêtông phun phải đạt được cường độ cao càng nhanh càng tốt, và nó phải cứng và vững chắc sao cho nó trám bít được bề mặt đất đá một cách chặt chẽ và hầu như kín khít"

Ông chỉ ra một điểm quan trọng rằng bêtông phun phải đạt được cường độ lớn nhất của nó trong một thời gian ngắn

Mặt khác, Vavrovsky (1995) đưa ra một khảo sát khá kỹ về biến dạng của đá và hiện tượng phân bố lại ứng suất liên quan đến các ứng dụng NATM trong đá và đất, ông nhấn mạnh rằng:

" Phạm vi của thiết kế do vậy không chỉ là để tự "chống đỡ" chính nó mà phải là một "gói" những biện pháp bao gồm phủ trám kín bề mặt hang, gia cố và chống đỡ khối

đá trong quá trình phân bố lại ứng suất "

Do đó, việc thiết kế hệ thống chống đỡ được yêu cầu phải tích hợp với các đặc điểm biến dạng của nền đất Nhờ vậy, khả năng chịu tải của môi trường và hệ thống chống đỡ

có thể được hiểu cặn kẽ nhất bằng sơ đồ tương tác nền và hệ chống (xem Hình 3) Từ đường cong này, có thể biết được khối lượng chống đỡ cần có để làm ổn định hầm Việc cung cấp một hệ chống đỡ đủ vào thời điểm tối ưu sẽ tạo ra một khối lượng chống đỡ nhỏ dẫn đến chi phí thấp hơn Nếu các bộ phận chống đỡ được lắp đặt trong sự tiếp xúc chặt chẽ với nền đất xung quanh, đó chính là trường hợp của bêtông phun, bulông và neo đá, thì chúng sẽ biến dạng cùng với nền đất và tiếp nhận tải trọng bởi vì các ứng suất trong đất được phân bố lại

Tiến sỹ G Sauer (1998) cho rằng vành vỏ chống phải được gia cố đầy đủ trong phạm vi 1,5D (trong đó D = đường kính hầm) kể từ mặt gương đối với một hầm đơn trong điều kiện đá không ổn định Tuy nhiên, đối với đất không dính và/hoặc kém dính, trường ứng suất ba chiều cần phải được chống đỡ thêm bằng một đoạn kéo dài của màng chống đỡ về phía trước gương đào, tức là hệ thanh gia cố trước, hoặc bằng cách để lại một tường đất không đào để chống đỡ gương

Th.R Kuesel (1987) chỉ ra rằng việc định kích thước và các chi tiết của vỏ hầm chủ yếu là liên quan đến các xem xét về ứng suất Ông đề nghị rằng điều cần xét đến đầu tiên

là nước lỗ rỗng Do đó, nếu vỏ hầm phải chịu áp lực thủy tĩnh, thì điều này phải được khống chế bởi thiết kế vỏ hầm Để loại trừ nước ngầm, có thể dùng hệ thống thoát nước hay màng cách nước Xem xét thứ hai của Kuesel là tính khả xây dựng hay tính tương thích của thiết kế vỏ hầm mà nó phù hợp với điều kiện địa chất dự kiến, điều này chủ yếu

là liên quan đến thời gian tự chống giữ của đất

Rõ ràng là các lời giải giải tích khép kín (closed-form solutions) hiện có cho việc

phân tích hầm tròn đưa ra bởi Muir Wood (1975), Peck và nnk (1972), Mohraz và nnk (1975), Sulem và nnk (1987) là không thích hợp cho việc thiết kế vỏ hầm của các hầm không tròn, tức là NATM Tiến sỹ Watson cũng cho rằng:

“Chúng (các lời giải khép kín) có thể sử dụng đến một mức độ nhất định cho việc đánh giá ban đầu về tải trọng thiết kế lớn nhất lên vỏ hầm ban đầu dạng tròn theo NATM, nhưng chúng không xem xét được tác dụng có ích của việc giải phóng ứng suất ở phía trước gương đào hay tác động trọng yếu của trình tự thi công đến sự phát triển các điều kiện tải trọng tạm thời lên vỏ hầm”

Do đó, thiết kế vỏ hầm và tương tác vỏ hầm - đất nền đã được đưa vào mô hình hóa phân tích và tính toán số Ví dụ, Ito và Hisatake (1981) đã tiến hành một nghiên cứu phân tích để đánh giá các áp lực đất và chuyển vị của hệ chống thép và bêtông phun theo Phương pháp Làm hầm Mới của Áo bằng cách xem xét ứng xử đàn-dẻo của vỏ hầm Leca

& Clough (1992) đã phân tích vỏ hầm bêtông phun bằng Phương pháp Phần tử Hữu hạn (FE) Họ đã đề xuất một phương pháp đơn giản để thiết kế sơ bộ hệ chống đỡ hầm NATM, phương pháp này đánh giá các lực nén và mômen trong vỏ hầm

Tóm lại, đối với thiết kế bêtông phun và vỏ hầm thứ hai, cần xem xét những điều sau:

i Các đặc trưng của đất, chẳng hạn như phải xác định cường độ và thời gian tự

đứng vững/ổn định Sau đó đưa ra đường cong tương tác giữa kết cấu và đất nền

ii Nước ngầm cần được tính đến và phải duy trì việc thoát nước hay cách nước

theo yêu cầu

a) Nếu cần thoát nước, sự ổn định lâu dài của các lỗ thoát nước phải được duy trì và phải tính toán số lượng các lỗ này dựa trên lượng nước chảy vào b) Khi chọn phương án cách nước, áp lực nước ngầm cần được xem xét trong thiết kế để tính toán tải trọng lên vỏ hầm Sự ổn định lâu dài của màng cách nước cũng phải được xem xét

iii Cần sử dụng các thành phần chống đỡ bổ sung như neo đá, cọc cừ, dầm

chống mắt cáo, lưới thép hàn hay cốt sợi thép để làm tăng cường độ của bêtông phun Các vật liệu chế tạo bêtông phun cần được xem xét trong thiết

kế vỏ hầm để tối ưu hóa ứng xử theo thời gian nhằm đáp ứng tính mềm dẻo

và khả năng chịu tải cần thiết

iv Cần phải thực hiện kiểm soát các ứng suất trên/trong vỏ hầm và biến dạng

v Thiết kế sơ bộ cho vỏ hầm BTP ban đầu phải được thực hiện bằng cách dùng

các phương tiện phân tích có sẵn như các phương pháp kinh nghiệm dựa trên tài liệu có sẵn và/hoặc các quan trắc, các phương pháp tính toán số và các mô hình vật lý nhỏ hay mô hình theo kích thước thật

vi Vỏ hầm thứ hai thường là một vỏ hầm bêtông đúc sẵn và chúng được lắp đặt

sau khi lớp bêtông phun đã được làm xong Các tấm/bản bêtông này nói chung được liên kết với nhau bằng mối nối, chúng có thể là các mối nối phẳng hay đinh ốc, mối nối lõm/lồi, và mối nối ghép mộng (Craig & Muir Wood 1978)