Bước đầu nghiên cứu hệ thống cống đỡ cho phương pháp NATM

2 Chương 1 Giới thiệu tổng quan về NATM trên thế giới vμ ở Việt Nam 1.1 Tổng quan về hiện trạng thiết kế và thi công các công trình ngầm theo NATM trên thế giới 1.1.1 Giới thiệu về phư

1

Đề tài NCKH cấp Viện năm 2005

Bước đầu nghiên cứu các hệ thống chống đỡ trong xây dựng công trình

ngầm theo NATM trong điều kiện Việt Nam

Nguyễn Đức Toản, Vũ Thị Thùy Giang

Phòng Công trình ngầm, Viện KH & CN GTVT

2

Chương 1

Giới thiệu tổng quan về NATM trên thế giới vμ ở Việt Nam

1.1 Tổng quan về hiện trạng thiết kế và thi công các công trình ngầm theo NATM trên thế giới

1.1.1 Giới thiệu về phương pháp đào hầm mới của áo (NATM):

1.1.1.1 Vài nét lịch sử của ngành xây dựng công trình ngầm:

Từ thời thượng cổ con người đã biết đào các hầm ngầm đặc biệt để khai thác quặng mỏ và than đá Người Ai Cập cách đây khoảng 5.000 năm đã biết làm các hầm dẫn xuống lăng mộ Người Babylon (2180 T.C.N) đã xây một hầm dưới

sông Euphrates sử dụng phương pháp mà ngày nay gọi là “đào và lấp” cover): dòng chảy trước tiên được chuyển hướng, sau đó đào một hào rộng qua

(cut-and-đáy sông, xây một đường ống bằng gạch trong đó rồi lấp lại Lăng Ly Sơn của Tần Thủy Hoàng ở Hàm Dương - Trung Quốc được xây dựng vào những năm

220 T.C.N có chu vi dài 2,5km và cao 15m Người Hy Lạp và La Mã cổ đã xây dựng các hầm để dẫn nước và khai mỏ; một số hầm của người La Mã đến nay vẫn còn sử dụng tốt Sau khi đế quốc La Mã sụp đổ (thế kỷ V), xây dựng ngầm trên thế giới đi vào thời kỳ suy thoái kéo dài

Vào cuối thời kỳ trung cổ, người ta lại bắt đầu xây dựng các hầm đường thủy do nhu cầu mở rộng giao thương giữa các nước Năm 1556 cuốn sách đầu tiên về xây dựng các đường hầm “De re Metallica” của một người Đức là Georg Bauer1

đã được xuất bản bằng tiếng Latin Đây là cuốn sách quan trọng nhất của thế kỷ XVI về ngành mỏ

Vào khoảng thế kỷ thứ XVII, các hầm đường thủy được xây dựng Vì chưa có

đường bộ hay đường sắt để vận chuyển nguyên liệu từ nông thôn đến thành thị, các con đường thủy trở thành phương tiện tốt nhất để đưa hàng hóa đi xa Công trình ngầm hiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas, dài 165m cao 8m do Pierre-

1 Bauer = Peasant/Agriculturist có nghĩa là “nhà nông” Ông là nhà vật lý, nhà khoáng vật học và nhà luyện kim,

có tên Latin là Georgius Agricola, sinh tại Glauchau, xứ Saxony ngày 24-3-1494, mất năm 1555 Cuốn “De re Metallica” [Về bản chất của các kim loại] đã được dịch sang tiếng Italia và tiếng Đức năm 1557, tiếng Anh năm

1912, tiếng Czech năm 1933 và tiếng Nga năm 1962 Cuốn sách này đã lấy cảm hứng từ cuốn “De la pirotechnia” của Biringuccio xuất bản ở Venecia năm 1540 (Calvo Rebollar, 1999)

3

Paul Riquet xây dựng từ năm 1676-1681 cho kênh đào Canal du Midi ở miền nam nước Pháp ở Anh, một trong những hầm nổi tiếng đầu tiên là thuộc kênh Grand Trunk Canal, hoàn thành năm 1777 dài 3,2km

Từ thế kỷ thứ XVIII trở lại đây, loài người cần không gian dưới đất ngày càng nhiều, do vậy công tác nghiên cứu công trình dưới đất có bước phát triển đột phá mãnh liệt Đến thế kỷ thứ XIX, đặc biệt vào thế kỷ XX, do yêu cầu của xã hội

mà giao thông đường bộ, đường thủy, đường sắt và giao thông đô thị đã phát triển mạnh mẽ, nhất là hầm đường bộ, đường sắt, đường thủy, và hầm cho tàu

điện ngầm

Hầm đường sắt đôi đầu tiên dài 1,06 km đã được George Stephenson xây dựng vào năm 1826-1830 trên tuyến đường Liverpool - Manchester ở Anh (hầm Edge Hill)

Năm 1857-1871 xây dựng hầm đường sắt đôi Frộjus (Mont Cộnis) giữa Modane (Pháp) và Bardonecchia (ý), dài 12,2km và tăng lên đến 13,7km vào năm 1881, lần đầu tiên máy khoan đập xoay khí nén được sử dụng

Năm 1855-1876 xây dựng hầm đường sắt đơn Hoosac thuộc tuyến Boston - Troy

ở Massachusetts (Mỹ), dài 7,65km Lần đầu tiên một máy khoan hầm toàn tiết diện đã được sử dụng, nhưng không thành công Nó là hầm dài nhất Bắc Mỹ trước khi hoàn thành hầm Moffat vào năm 1928

Năm 1872-1882 xây dựng hầm đường sắt đôi Gotthard ở Thụy Sỹ dài 14,98km lần đầu tiên sử dụng thuốc nổ dynamite

Năm 1880-1884 xây dựng hầm đường sắt đôi Arlberg ở áo dài 10,25km với thời

gian thi công rất ngắn, lần đầu tiên dùng đinh găm trong đá (rock nails)

Năm 1898-1906 đã xây dựng hầm đường sắt đơn Simplon thứ nhất qua dãy núi Pennine Alps nằm giữa Wallis (Valais, Thụy Sỹ) và Piemonte (ý) dài 19,73 km với tầng đất phủ dày 2135m, nhiệt độ của đá lên tới 550C

Năm 1906 xây dựng hầm đường sắt đôi Loetschberg ở Thụy Sỹ dài 14,60km, nhưng đã bị sập trong khi thi công vào năm 1908

Năm 1918-1922 xây hầm đường sắt đơn Simplon thứ hai dài 19,75km

4

Năm 1931-1939 xây dựng tuyến phía bắc của hầm tàu điện ngầm London,

đường kính 3,7m và dài 28,8km vỏ hầm bằng gang

Năm 1964-1985 xây dựng hầm Seikan dưới eo biển Tsugaru nối đảo Honshu và Hokkaido của Nhật Bản Đây là hầm đường sắt đôi có hầm công vụ chạy song song, chiều dài 53,9km trong đó có 23,3km chạy dưới biển Hầm Seikan là hầm

đường sắt dài nhất thế giới, nhưng kỉ lục này đã bị vượt qua khi xây dựng hầm

St Gotthard Base Tunnel với chiều dài 57km

Năm 1988-1993 xây dựng hai hầm đường sắt đơn qua eo biển Manche (English Channel) nối Anh và Pháp, chạy ở giữa hai hầm chính này là một hầm công vụ Tổng chiều dài là 49,2km, trong đó có 37,5km dưới biển

Năm 1995-2000, hầm đường bộ Lổrdal Tunnel (Lổrdalstunnelen) được xây dựng dài 24,5km nối Laerdal và Aurland ở hạt Sogn og Fjordane phía tây Na

Uy, trên xa lộ E16 giữa Oslo và Bergen Hiện nay, đây là hầm đường bộ dài nhất thế giới Trước đó hầm đường bộ giữ kỷ lục này là St Gotthard qua dãy Apl của Thụy Sỹ (dài 16,4km hoàn thành năm 1980)

Tuyến xe điện ngầm đầu tiên trên thế giới là tuyến đường xe điện ngầm ở

London (“Metropolitan Railway”), chạy trên một đoạn dài bốn dặm mà hiện nay

gọi là tuyến Bakerloo, chạy giữa phố Paddington và Farringdon St Tuyến này bắt đầu hoạt động ngày 10/01/1863, và nó cũng mở đầu thời kỳ xây dựng các hệ thống metro ở các thành phố lớn trên thế giới Đến thế kỷ XX ở các thủ đô lớn trên thế giới đã xây dựng nhiều mạng lưới tàu điện ngầm đô thị hiện đại Đến nay trên thế giới đã đưa vào vận hành trên 150 hệ thống xe điện ngầm ở 152 thành phố thuộc 50 nước, trong đó có một số dự án đang thi công Trong số những hệ thống xe điện ngầm này, có không ít hầm nối ga và tổ hợp nhà ga của chúng được xây dựng bằng NATM

Trong tiến trình xây dựng ngầm lâu dài đó của nhân loại, NATM mới chỉ xuất hiện từ những năm 1960 Tuy nhiên, nhánh triết lý/kỹ thuật làm hầm này đã có những đóng góp đáng kể, và cho đến nay có rất nhiều hầm đã được xây dựng theo NATM Có thể dự báo rằng, trong thiên niên kỷ thứ ba sẽ tiếp tục có thêm nhiều hầm được xây dựng theo NATM

5

1.1.1.2 Lịch sử của NATM

Sự phát triển theo thời gian của phương pháp NATM đã được nhiều nhà nghiên cứu liên quan đến các hệ thống chống đỡ tổng kết sử dụng (Bảng 1) ở đây chỉ trình bày những bước phát triển lịch sử chính dẫn đến NATM, 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 NATM Marc Isambard Brunel (1769-1849) ở đầu thế kỷ 19 đã ứng dụng khiên đào hình tròn

để đào hầm Thames Tunnel trong đất yếu giai đoạn 1825-1843 (tunnelling shield, bản quyền của Anh số 4204) Sau đó, Rizha - một kỹ sư hầm người Đức -

đã có những đóng góp quan trọng khác Ông sử dụng sườn chống thép thay cho việc sử dụng 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 vai trò của đất đá xung quanh như một phần của hệ thống chống đỡ, điều này được cho là nguyên tắc cơ bản của NATM mà Rabcewicz đã đề xuất (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, bê tông phun 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 thống chống đỡ hai lớp vỏ (hệ thống chống đỡ ban đầu và cuối cùng) 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 Kalman Kovỏri (1994) lại coi trọng ý tưởng 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 = Neuer ệsterreichischer Tunnelbauweise), cụm từ này được Ladislaus von Rabcewicz

đưa ra trong một bài giảng năm 1962 ở Salzburg (một thành phố phía tây nước

áo) 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 (mêtrô) ở Frankfurt Đức năm 1969

6

Bảng 1 - Sự phát triển theo thời gian của NATM (theo Sauer 1988 & 1990;

Rabcewicz 1964)

1811 Brunel phát minh ra khiên đào tròn

1848 Wejwanow thử ứng dụng vữa đông cứng nhanh trong xây dựng hầm

1872 Rziha thay thế hệ chống gỗ bằng vì chống thép

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

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

1948 Rabcewicz giới thiệu hệ thống vỏ hầm kép (hai lớp)

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

làm hầm

1955 Rabcewicz phát triển hệ neo đất

1960 Mỹller công nhận tầm quan trọng của việc kiểm soát kĩ thuật trong

NATM

1962

Rabcewicz giới thiệu NATM 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 do Rabcewicz đ−a ra lần đầu

tiên xuất hiện trong các tài liệu kỹ thuật Xây dựng hầm Schwaikheim

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 của 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

7

1.1.1.3 Các điểm đặc trưng và triết lý của NATM

Thật ra NATM là một kỹ thuật làm hầm hay là một nguyên tắc? Đó là câu hỏi của nhiều chuyên gia xây dựng hầm đặt ra Trả lời được những câu hỏi này tức là xác định rõ những quan niệm thực sự của NATM, sẽ đảm bảo rằng những

nguyên tắc của “triết lý”(“philosophy”) hay “kỹ thuật” (“technique”) NATM

được hiểu đúng trong ngành xây dựng hầm

Trở lại nguồn gốc của NATM, khi đó giáo sư L.v Rabcewicz (tháng 11/1964) - người sáng tạo chính - đã giải thích phương pháp này như là: “… Một phương pháp mới bao gồm một vỏ hầm bêtông phun mỏng, được khép kín vào thời điểm sớm nhất bằng 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”

Rabcewicz nhấn mạnh ba điểm cơ bản, đó là việc sử dụng vỏ hầm bêtông phun mỏng, sau đó khép kín hệ thống chống đỡ càng sớm càng tốt, và thứ ba là đo đạc biến dạng một cách có hệ thống

Định nghĩa nêu trên đã được ủy ban quốc gia về Xây dựng ngầm của áo (ANCUC) trực thuộc Hiệp hội Xây dựng hầm Quốc tế (ITA) định nghĩa lại 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:

“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 về NATM do Sauer (1988) phát biểu về NATM như sau:

“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 đá nhằm tạo

ra sự ổn định cho hang ngầm”

Như vậy, với việc sử dụng “mọi phương tiện có sẵn”, Sauer đã định nghĩa NATM theo một cách thức tổng quát hơn so với định nghĩa trước đây của các kỹ sư đồng nghiệp áo

8

Một trong những người ủng hộ NATM là GS TS Leopold Mỹller (1978) cho 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 cụ thể để xây dựng một đường hầm

Từ những phát biểu trên, những người đề xướng 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 Mỹller (1990), là người đã có nhiều đóng góp trong việc giải thích các nguyên tắc cơ bản của NATM, đã tổng kết những đặc điểm quan trọng của NATM trong

số hai mươi hai (22) nguyên tắc có thể nhắc đến một số nguyên tắc chính như sau:

• 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

• Sức chịu tải của khối đá phải được bảo tồn bằng cách sử dụng các thành phần chống đỡ bổ sung

• 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

• Thời gian khép kín vỏ hầm có tầm quan trọng thiết yếu và việc này phải

được thực hiện càng sớm càng tốt

• 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 Mỹller về thời gian khép kín 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 khi họ báo cáo năm 1975 (Golser 1979), trong đó cho rằng:

“Nguyên tắc khép kín vỏ chống đỡ càng nhanh càng tốt chỉ đúng với các hầm trong đá có các ứng suất chính nhỏ Trong các hầm có chiều dày lớp đất phủ lớn

9

và chất lượng đá kém thì chỉ có một ứng suất lớn nhất có thể đạt được mục tiêu Tất nhiên, sự giải phóng ứng suất sẽ kéo dài trong nhiều tháng, cần phải được kiểm soát một cách chính xác bằng các phép đo đạc hiện trường”

Như vậy, chúng ta có thể rút ra bảy 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):

• 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

• 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

• Các hệ thống chống đỡ ban đầu và chủ yếu bao gồm hệ bu lông hay neo đá bố trí một cách hệ thống và vỏ hầm bêtông phun mỏng sẽ được

sử dụng để đạt được các mục đích đặc biệt nêu trên Các công tác về hệ thống chống đỡ cuối cùng thường được tiến hành ở giai đoạn sau

• Việc khép kín hệ chống đỡ phải được điều chỉnh với thời gian xác định thích hợp, mà thời điểm này biến đổi phụ thuộc vào các điều kiện đất hay đá

• 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

• Những người 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 dựa trên tinh thần cộng tác trong việc giải quyết bất kỳ vấn

đề nào nảy sinh tại hiện trường

• 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 nhiên, Murphy (1994) cũng nhấn mạnh rằng:

10

“…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”

1.1.2 Một số hầm thi công theo NATM

Trong mấy chục năm qua, đã có hàng trăm hầm và công trình ngầm được xây

dựng bằng NATM Chúng tôi chỉ xin giới thiệu một số công trình tiêu biểu nhất

định

Bảng 2 – Một số hầm thi công theo NATM

1 Anh UK Section of Channel

2 USA Metro Washington D.C., Section E005 -

Greenbelt Line

Hầm:2 x 303 Ga: 100 1986 - 1991

5 Tây ban

nha Rubira - Barcelona

Ngoài những thành công to lớn, NATM cũng đã gặp phải những vụ sập lở tai

tiếng không chỉ ở châu Âu mà trên toàn thế giới Việc tìm hiểu về các trường hợp

sập đổ là điều cần thiết để tìm ra các nguyên nhân đằng sau những thất bại này

Do đó, ở bảng 3 đưa ra một danh sách không đầy đủ các vụ sập hầm NATM trên

phạm vi thế giới Trong bảng này cũng đưa ra vị trí của các vụ sập đổ trong hầm

Các sập đổ loại “A” - sập vòm - xảy ra trong vùng nằm giữa gương hầm và vòng

vỏ chống bêtông phun đầu tiên mới hoàn thành, và các sập đổ loại “B” xảy ra

trong vùng mà vỏ hầm bêtông phun đã được hoàn thành Loại sập đổ “C” xảy ra

tại những phần khác nhau của đường hầm nằm cách xa vùng xảy ra sập đổ loại A

và B, ví dụ sập đổ tại các cửa hầm hay tại những chỗ nối thông giữa hầm ngang

và giếng đứng

11

Bảng 3 - Các vụ tai nạn sập đổ hầm xây dựng theo NATM trên thế giới

(theo báo cáo của HSE, 1996)

Seoul Metro, Nam

Vỡ đường ống dẫn khí gas

12 27/11/1991,

A

Seoul Metro, Nam

Seoul Metro, Nam

Hạ tầng kỹ thuật bị phá hỏng, gây vấn

đề cho giao thông

12

Bảng 3 (tiếp theo) – Các vụ tai nạn sập đổ hầm xây dựng theo NATM trên

thế giới (theo báo cáo của HSE, 1996)

17 2/2/1993, A Seoul Metro, Nam

Mất máy móc xây dựng

21 30/7 và

1/8/1994, A

Hầm đường bộ Montemor, Bồ Đào Nha

1.2 Tổng quan về tình hình thiết kế /thi công các công trình ngầm theo NATM ở Việt Nam

1.2.1 Quá trình du nhập của NATM vào Việt Nam

NATM thực sự được áp dụng ở Việt Nam từ khi tiến hành nghiên cứu khả thi dự

án hầm đường bộ qua đèo Hải Vân nối Huế và Đà Nẵng, vào năm 1996 Dự án này đã được khởi công từ năm 2000 và đã chính thức thông xe vào tháng 6/2005 Sau đó NATM còn được áp dụng cho ba hầm đường bộ khác là hầm Đèo Ngang (nối Hà Tĩnh và Quảng Bình, 2003-2004), hầm A Roàng 1 và A Roàng 2 thuộc tỉnh Thừa Thiên - Huế (2002-2003) Sắp tới, hầm đường bộ qua đèo Cả cũng có thể được thi công theo phương pháp này

1.2.2 Một số vấn đề về NATM khi chuyển giao công nghệ trong xây dựng từ nước ngoài vào Việt Nam

Khi ứng dụng NATM lần đầu tiên tại hầm Hải Vân, tư vấn nước ngoài đã thực hiện chuyển giao công nghệ này cho phía Việt Nam (11/2002) ở Việt Nam, hiện nay khi nói đến NATM người ta thường nghĩ ngay đến hai mươi hai nguyên

tắc cơ bản của nó (22 Principals for NATM) Hai mươi hai nguyên tắc này đầu

tiên do tiến sỹ Leopold Mỹller giới thiệu bằng tiếng Đức năm 1978

(Grundgedanken und Grundsọtze der "Neuer ệsterreichischer Tunnelbauweise"), sau đó được Hội cơ học đất và kỹ thuật nền móng Nhật Bản

dịch sang tiếng Nhật khoảng năm 1980 Khi các kỹ sư Nhật đưa các tài liệu về NATM sang Việt Nam (tại dự án hầm Hải Vân), 22 nguyên tắc này đã được dịch sang tiếng Việt và in trên Tạp chí Cầu đường Việt Nam số 5/2002

Tuy nhiên, khi thực hiện các dự án hầm đường bộ Hải Vân và đèo Ngang, cả tư vấn và nhà thầu đều gặp khó khăn trong quá trình thi công xây dựng công trình Nhắc lại rằng, NATM là một phương pháp thực nghiệm mà trong đó quá trình thiết kế và thi công thường xuyên được bổ sung và đối chiếu lẫn nhau Do đó, khi thi công xây dựng công trình hầm theo NATM luôn phải đối mặt với các rủi

ro làm tăng chi phí xây dựng, chậm tiến độ thi công thậm chí cả các vấn đề về an toàn lao động, Điển hình, trong quá trình xây dựng hầm Hải Vân thì sự cố sập cửa hầm phía Nam và mất ổn định bờ dốc phía tây đã làm tăng đáng kể chi phí xây dựng công trình và tiến độ thi công (chậm 6 tháng) dẫn đến nhà thầu Sông

Đà - DongAh phải mở thêm một ngách thi công để kịp tiến độ Hay sự số gặp túi nước ngầm ở phía Bắc Hải Vân (vị trí hầm thông gió) cũng là một bài học đắt giá

về việc khảo sát địa kĩ thuật trước và trong quá trình thi công xây dựng hầm và các công trình ngầm

Hình 1: Sự cố trượt mái dốc phía tây cửa hầm nam Hải Vân

13

Như vậy, bên cạnh các yếu tố tích cực thì NATM cũng đã gặp không ít khó khăn trong quá trình thi công xây dựng các dự án hầm Điều này cho thấy, việc sử dụng NATM không phải là một công cụ vạn năng của lĩnh vực xây dựng công trình ngầm Để xây dựng thành công một dự án hầm cần có sự phối hợp của nhiều biện pháp, nhiều yếu tố và sự linh động của tư vấn cũng như những người trực tiếp tham gia xây dựng

Hình 2: Sự cố sụt nóc hầm phía nam Hải Vân

ngày 30 tháng 8 năm 2001

Hình 3: Sự cố trượt gương hầm phía nam Hải Vân

ngày 5 tháng 9 năm 2001

14

Hình 4: Sự cố thủng nóc hầm phía nam Hải Vân

ngày 10 tháng 9 năm 2001

Kết luận chương 1

Trong 40 năm kể từ khi xuất hiện thì NATM đã có những đóng góp đáng kể trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam Tuy nhiên, vẫn còn những tranh cãi về bản chất của vấn đề và việc ứng dụng NATM trong thực tiễn xây dựng hầm và công trình ngầm Bên cạnh đó, những trường hợp không áp dụng thành công phương pháp NATM của nhiều công trình hầm ở nhiều nước khác nhau cho thấy sự cần thiết của việc điều chỉnh và hoàn thiện NATM khi áp dụng trong điều kiện của Việt Nam

Nội dung của việc nghiên cứu NATM trong điều kiện nước ta hiện nay được tập trung chủ yếu vào việc thiết kế cũng như thi công và các kiểm soát kĩ thuật trong thi công hầm theo NATM Các nội dung này sẽ được trình bày cụ thể trong các chương sau

15

16

Chương 2

Nghiên cứu phương pháp thiết kế các hệ thống chống đỡ

công trình ngầm theo NATM ở Việt Nam

2.1 Đặc trưng của hầm và công trình ngầm:

So với các lĩnh vực xây dựng khác thì xây dựng công trình ngầm có những đặc thù riêng biệt và có mối quan hệ mật thiết với môi trường đất đá Việc xây dựng một dự án hầm thành công hay thất bại đều dựa trên việc xử lý mối tương tác giữa đất đá và đường hầm Việc thi công công trình ngầm trong diện công tác chật hẹp và yêu cầu thông gió trong suốt quá trình thi công đòi hỏi các công tác lập kế hoạch, thiết kế, thi công, an toàn lao động, phải được nghiên cứu xem xét một cách thận trọng Do đó, quá trình xây dựng một dự án hầm đòi hỏi tất cả các công tác đều gắn kết chặt chẽ với nhau và luôn được đối chiếu, bổ sung và sửa đổi khi cần thiết

2.2 Hệ thống chống đỡ truyền thống cho các công trình ngầm

2.2.1 Lịch sử

Phương pháp thi công hầm bằng khoan nổ, che chống bằng cấu kiện thép, gỗ

được gọi là phương pháp mỏ truyền thống (Conventional/Traditional Tunnelling Method) Cho đến giữa thế kỷ XX, trong xây dựng hầm, ban đầu người ta vẫn

dùng gỗ và sau đó dùng vòm thép để che chống tạm thời cho đến khi hệ chống cuối cùng được dựng lên Hệ chống cuối cùng là một lớp vỏ hầm bằng gạch hay

bê tông Phương pháp làm hầm này là tương tự nhau ở mọi nước trên thế giới, trong đó phương pháp áo cũ không phải là ngoại lệ

Hệ thống chống đỡ là một trong hai vấn đề cốt lõi (gồm đào hầm và che chống) trong các phương pháp làm hầm và công trình ngầm nói chung Chương này đề cập đến phương pháp thiết kế hệ thống chống đỡ hầm và công trình ngầm theo một phương pháp cụ thể là NATM Trong phần đầu của chương sẽ khái quát lại

về hệ chống đỡ theo phương pháp truyền thống để tiện so sánh giữa hai phương pháp và làm rõ sự khác biệt của phương pháp truyền thống so với NATM

Thi công bằng phương pháp mỏ truyền thống có thể thích ứng với điều kiện địa chất không tiện che chống bằng phun neo, dùng để xử lý đất sụt cũng có hiệu

ắ Đo đạc, đánh giá địa chất và địa kỹ thuật;

ắ Thiết kế kĩ thuật chi tiết (kể cả công tác quan trắc nếu cần);

ắ Xác định mô hình hợp đồng xây dựng và các tài liệu hợp đồng;

2.2.2.2 Nguyên tắc cơ bản của thi công hầm bằng phương pháp mỏ truyền thống

Nguyên tắc cơ bản của thi công bằng phương pháp mỏ truyền thống có thể được thể hiện như sau: “ít xáo động, che chống sớm, tháo dỡ cẩn thận, xây vỏ nhanh”

♦ ít xáo động: Khi tiến hành đào hầm, hết sức giảm thiểu số lần chấn động, cường độ, phạm vi chấn động và thời gian liên tục chấn động đối với đất đá bị

18

ảnh hưởng quanh hang đào, các vấn đề này đều thống nhất với NATM Nếu dùng hệ che chống bằng thép có thể tăng thêm khẩu độ mặt cắt trong một lần

đào, giảm thiểu số lần chia gương để đào, do đó mà giảm thiểu số lần xáo

động đối với đất đá xung quanh đường hầm Tuy nhiên với các đường hầm có diện tích mặt cắt ngang lớn cần tiến hành thi công theo từng gương nhỏ để tránh số lượng thuốc nổ quá lớn gây mất ổn định hầm do tác dụng của sóng nổ

♦ Che chống sớm: Sau khi đào xong phải kịp thời lắp cấu kiện che chống, không để cho đất đá bị long rời mà phát sinh mất ổn định, và cũng để cho hệ che chống nhận ngay tải trọng long rời của thời kỳ đầu Thường xuyên kiểm tra hệ che chống, nếu thấy biến dạng nghiêm trọng hoặc xuất hiện dấu hiệu hư hỏng thì phải kịp thời tăng thêm thanh chống để gia cường Cũng có thể sử dụng lí thuyết áp lực đất đá để tính toán thiết kế vỏ hầm vĩnh cửu nhằm xác

định tải trọng đất đá tác dụng lên hệ chống tạm Thiết kế kết cấu che chống tạm dùng phương pháp tính toán kết cấu

♦ Tháo dỡ cẩn thận: Khi tháo dỡ hệ che chống tạm thời để dựng ván khuôn

đổ bê tông vỏ hầm vĩnh cửu cần cẩn thận, đề phòng đất đá sụt lở mất ổn định trong quá trình tháo dỡ và thay đổi Phạm vi và trình tự thời gian của mỗi lần tháo dỡ thay đổi phải dựa trên tình hình ổn định của đất đá và chịu lực của hệ che chống mà quyết định Nếu dự tính khả năng không thể tháo dỡ được thì cần chú ý xem xét khi xác định độ lớn của mặt cắt đào, cũng như lựa chọn vật liệu cho hệ che chống Sử dụng hệ che chống tạm bằng thép thì có thể tránh

được phiền phức và nguy hiểm vì có thể để lại trong bê tông vỏ hầm

♦ Xây vỏ nhanh: Sau khi tháo dỡ hệ che chống tạm thời phải kịp thời đổ bê tông vỏ hầm, để cho vỏ hầm tham gia sớm vào việc chịu tải Nếu dùng hệ che chống tạm bằng thép thì có thể không cần tháo dỡ Việc xây dựng vỏ hầm vẫn dựa trên cơ sở tính toán áp lực đất đá ban đầu mà không đưa giai đoạn gia cố hầm trong giai đoạn thi công vào các tổ hợp tải trọng

2.3 Thiết kế hầm theo NATM:

2.3.1 Trình tự thi công theo NATM được biểu diễn bằng sơ đồ sau:

Hình 5: Trình tự thi công theo NATM

Từ sơ đồ, thấy rằng các đường hầm thi công theo NATM lập thành mối quan hệ chặt chẽ giữa các yếu tố: khảo sát, thiết kế, thi công và đo đạc hiện trường Tất cả các yếu tố này đều tác động qua lại lẫn nhau

♦ Công tác khảo sát: công việc này phải được tiến hành từ lúc bắt đầu lập dự

án, thi công cho đến khi công trình đã hoàn thành đưa vào sử dụng Đây là

19

20

công tác quan trọng nhất đối với một dự án hầm xây dựng theo NATM

♦ Công tác thiết kế: luôn được bổ sung và thay đổi để phù hợp với các dữ liệu đo đạc ở hịên trường Các số liệu này là cơ sở để đảm bảo hầm và công trình ngầm được thiết kế một cách an toàn và hiệu quả nhất

♦ Công tác thi công: công tác này phải luôn đảm bảo yêu cầu an toàn và ổn

định cho công trình Bất cứ một thay đổi về điều kiện địa chất hoặc các số liệu đo đạc từ hiện trường đều phải xem xét lại phương án thi công đã phù hợp hay không

♦ Công tác đo đạc, giám sát hiện trường: là cơ sở để khẳng định thiết kế đưa

ra có phù hợp và an toàn hay cần phải sửa đổi để phù hợp với điều kiện thực

tế của hiện trường Đây là điều khác biệt cơ bản giữa một dự án hầm truyền thống và dự án hầm được xây dựng theo NATM Công tác này luôn được tiến hành song song với quá trình thi công hầm và có thể kéo dài tới khi đường hầm đã được khai thác một cách ổn định và không phát sinh các hiện tượng bất thường về lún, thấm, nứt,

2.3.2 Cơ sở lí thuyết:

Nguyên lí chung của phương pháp NATM là giữ cho môi trường đất đá xung quanh đường hầm không bị phá hoại, có khả năng tự ổn định Do vậy, các kết cấu chống tạm và giải pháp công nghệ nhằm ngăn chặn sự phát triển bất lợi của ứng suất xung quanh hầm, làm cho vùng biến dạng dẻo không phát triển, hoặc

đá không bị phá hoại giòn gây sập đổ công trình

Ta biết rằng, đất đá ở dưới sâu chịu tác dụng của trọng lượng các lớp địa tầng nằm bên trên và chịu tác dụng của trọng lượng bản thân nó Do đó, ứng suất nguyên sinh của khối địa tầng chủ yếu là do trọng lượng của cột địa tầng Khi

đào hầm, một khối lượng đất đá bị bóc đi mà bình thường chúng có chức năng tiếp nhận áp lực do trọng lượng của đất đá nằm trên nóc hầm nên trong khối đất

đá xung quanh hầm phát sinh ứng suất kéo, đôi khi đạt trị số khá lớn Việc chuyển từ trạng thái ứng suất nén ba trục sang trạng thái ứng suất hai trục do giải phóng ứng suất quanh chu vi hang đào kéo theo sự phát sinh biến dạng của đất

đá xung quanh biên đào Khi đất đá trên vòm hang biến đổi, các hoạt động của

quá trình xây dựng hầm được thực hiện với mục đích duy trì hoặc cải thiện khả năng chịu tải của khối đá, nhằm phát huy tối đa khả năng chống đỡ và tạo ra sự phát triển thuận lợi của trường ứng suất chủ yếu trong khối đá

Nhiệm vụ của công tác thiết kế và thi công hầm theo NATM là ngăn chặn tình trạng suy giảm ứng suất đất đá xung quanh đường hầm, làm cho vùng biến dạng dẻo không phát triển hoặc không để đá bị phá hoại dòn gây sập đổ công trình Khi nghiên cứu lý thuyết phá hoại của Rabcewicz với 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 6 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 Mohr và chuyển dịch về phía hang (I) Trong giai đoạn II, nhịp hầm tăng lên của 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 thông thường vì các hố đào là khá nông so với mặt đất

Hình 6: Quá trình cơ học và trình tự phá hoại xung quanh một hang ngầm

do áp lực đất đá trong quá trình phân bố lại ứng suất (theo Rabcewicz 1964)

21

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

gọi là “vùng bảo vệ” (“protective zone”), và khả năng chịu tải của hệ thống chống đỡ, gọi là “lớp vỏ kháng bền” (“skin resistance”) (Rabcewicz 1964)

Kastner trình bày về mặt toán học của những mối quan hệ này như sau:

2sin

1 sincos cos 1 sin

φ ư

Các giá trị của hệ số n được cho như là một hàm của po và ϕ (xem Rabcewicz 1964) Giả thiết rằng không có vùng đất bảo vệ tức là r = R, thì hang ngầm sẽ đạt

đến cân bằng mà không có biến dạng nào Các phương trình nêu trên được rút ra

từ sự phân bố ứng suất sau khi hang đã thi công xong, như minh họa trong hình 7 dưới đây

22

Hình 7: Phân bố ứng suất xung quanh một hang ngầm dưới áp lực thủy tĩnh

(theo Kastner, trích dẫn bởi Rabcewicz 1964)

Đường cong tương tác của đất (Hình 8) thể hiện sự tương tác đất nền/hệ chống

đỡ và các biến dạng theo thời gian Đây là 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 nhỏ 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 vừa phải đã đủ khả năng chịu biến dạng theo yêu cầu như trong trường hợp của 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 rời rạc rất lớn"

và áp lực chống đỡ cần có để ngăn chặn quá trình rời rạc 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

Rabcewicz cũng đưa ra những kết luận về mối quan hệ tương hỗ giữa hệ thống chống đỡ ban đầu của NATM, là bêtông phun và vòm đá được lắp neo:

23

Hình 8: Các đường cong tương tác giữa đất nền- kết cấu chống

(theo Fenner & Pacher, được Rabcewicz trích dẫn, 1973)

♦ Với cùng một loại đất và chiều dày lớp phủ, mối quan hệ giữa kích thước của các khối bị phân chia bởi khe nứt và diện tích đào sẽ có tính chất quyết

định đến việc huy động sự làm việc của lớp vật liệu này

♦ Với những tiết diện đào nhỏ (10-16 m2) thì thường chỉ cần một lớp bêtông phun phủ kín đơn giản dày d = 3 cm = 0,017xR để ổn định khoang hầm;

♦ 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

Trong lĩnh vực hầm và công trình ngầm, mối tương quan giữa môi trường (nền

đất) và hệ thống chống đỡ là một khái niệm căn bản Mối tương quan này phải

đạt được trạng thái cân bằng và tương thích Xây dựng hầm là một nghệ thuật, trong đó có các quá trình chính là lập kế hoạch/nghiên cứu khảo sát, thiết kế, và thi công Hầm cần phải được thiết kế sao cho đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh

tế, căn cứ vào số liệu khảo sát chính xác, mục đích sử dụng và chế độ khai thác hầm

24

25

Theo Sauer (2004), sự thành công của việc áp dụng NATM dựa trên bốn tiền đề sau đây:

♦ Thiết kế thận trọng chu đáo bởi một đội ngũ kỹ sư có kinh nghiệm

♦ Thi công bởi một nhà thầu lành nghề

& Lye 1983) cho những nghiên cứu trong cơ học đá

Tuy các khối đá có bản chất không đồng nhất cố hữu, nhưng các máy tính ngày nay có thể thực hiện số lượng lớn các nghiên cứu với các dữ kiện hoặc nghiên cứu theo xác suất một cách dễ dàng nhanh chóng, cho phép khảo sát sự ảnh hưởng của các biến thiên giá trị của mỗi thông số đầu vào, và cho phép đưa ra các nhận định kỹ thuật dựa trên tốc độ thay đổi về giá trị tính được thay vì dựa vào một câu trả lời đơn giản

Các bước chung nhất sau đây để phân tích và thiết kế kết cấu chống đỡ hầm bằng một chương trình phần mềm nào đó:

26

• Tạo lập hoặc sửa đổi mô hình tính để mô tả về phương diện số các yếu

tố hình học, các tính chất của vật liệu, tải trọng, và các thông số phân tích cho kết cấu

• Thực hiện phân tích tính toán mô hình đó

• Xem xét kết quả phân tích tính toán

• Kiểm tra và tối ưu hóa phương án thiết kế của kết cấu

2.3.2.2 Các thành phần của hệ thống chống đỡ [15]

™ Vỏ bêtông phun (chống đỡ ban đầu)

Bê tông phun được sử dụng trong quá trình thi công với mục tiêu là gia cố nhanh

bề mặt đất đá xung quanh vỏ hầm và gương đào sau khi đào xong một phân đoạn hầm Thông thường bê tông phun được sử dụng là hỗn hợp bê tông gồm cát, xi măng, nước và phụ gia đông cứng nhanh Hỗn hợp vật liệu này được phun trực tiếp lên bề mặt địa chất xung quanh vỏ hầm bằng một trong hai phương pháp phun bê tông trộn khô và bê tông trộn ướt

Theo NATM, sau khi khoan nổ một bước đào, bêtông phun được phun trám lên tường hầm, tạo thành một vỏ mỏng, kín, mềm mỏng Các biến dạng cũng như tải trọng liên tục được theo dõi trong khi thi công, cung cấp số liệu cho quá trình ra quyết định theo một chu kỳ kiểm soát khép kín “đào - quan trắc - phân tích số liệu và xử lý - đào tiếp” Mục đích của chu kỳ kiểm soát này là nhằm tối ưu hóa quá trình làm hầm về các mặt giá thành, an toàn cho người, và ổn định hầm lâu dài Các thông số trong đào hầm và những thay đổi của điều kiện địa chất- địa kỹ thuật tại chỗ sẽ tác động đến biến dạng và tải trọng của vỏ hầm bêtông phun Vấn đề phức tạp của sự tương tác đất nền- bê tông phun trong khi làm hầm theo NATM, nhất là với chiều sâu đặt hầm lớn, cần được quan tâm nghiên cứu cẩn thận bằng việc sử dụng các công cụ phân tích số thích hợp

Tác dụng chống đỡ của bê tông phun trong việc gia cố bao gồm các chức năng sau:

ắ Tác dụng chống đỡ do liên kết với đất đá và độ bền chống cắt:

• Liên kết với đất đá để phân bố và truyền tải trọng bên ngoài của bê tông phun đến đất đá xung quanh

ắ Tác dụng gia cố vùng đất đá yếu:

• Nhờ tính linh hoạt nên bê tông phun có thể xuyên vào các kẽ hở của đất

đá bảo vệ các vị trí này khỏi chịu sự tập trung ứng suất

™ Mạng lưới bulông neo:

Mạng lưới neo được thiết kế theo phương pháp NATM là một trong các tổ hợp chống đỡ linh hoạt của phương pháp này Mục đích của hệ thống neo xung quanh biên đào nhằm liên kết các khối đất đá nằm trong vùng phá huỷ, hoặc các khối đất đá bị ảnh hưởng do tác động của nổ mìn khi thi công hầm bằng phương pháp khoan nổ Neo đá được dùng với chức năng liên kết các khối đất đá xung quanh đường hầm cùng với bê tông phun thành một hệ thống gia cố và chống đỡ một cách hiệu quả Neo thường được dùng là neo thép làm việc dựa trên tác dụng của ma sát dọc thân neo với lớp vữa xi măng và đất đá Việc lựa chọn các loại neo đá và sơ đồ bố trí neo phụ thuộc vào địa chất và chức năng của nó Chiều dài của neo được tính toán theo các phân tích trạng thái ổn định của đất đá sau khi khai đào hầm hay trên các phân tích hiện trạng hầm Đôi khi, với các đánh giá phân loại đất đá của NATM đã chỉ dẫn cũng có thể là cơ sở để xác định chiều dài neo mà chỉ dẫn đã nêu ra (phương pháp dựa trên kinh nghiệm – hay công việc đã được thực hiện cho những hoàn cảnh cụ thể trước đó trong điều kiện địa chất tương tự)

28

Chức năng chủ yếu của neo đá trong việc gia cố là:

ắ Neo có tác dụng giữ ổn định đất đá bị rời sau khi nổ mìn, chức năng này

đạt hiệu quả trong các trường hợp đất đá bị nứt nẻ

ắ Liên kết các lớp đất đá lại với nhau, chặt sít lại và chịu ứng suất cắt cho các khe nứt

ắ Tăng khả năng chịu lực của đất đá do lực kéo của neo đá

ắ Tác dụng gia cố đất, cải thiện tính chất cơ lí của đất đá, tăng cường độ chịu nén và sức kháng cắt của đất đá

sử dụng một cách linh hoạt làm cho quá trình phân bố lại ứng suất xung quanh hầm trở nên đồng đều và không bị tập trung ứng suất cục bộ

2.4 Thiết kế hệ thống chống đỡ NATM tùy thuộc điều kiện đất đá hiện trường (phương pháp bán kinh nghiệm [17])

2.4.1 Các phương pháp phân loại đá chủ yếu

Việc đánh giá độ ổn định của đá, xếp khối đá đang xét vào các cấp bậc ổn định khác nhau để có các giải pháp kỹ thuật công nghệ ban đầu là công việc có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế, xây dựng, và do vậy, là đối tượng được nhiều chuyên gia quan tâm nghiên cứu

Hiện có rất nhiều phương pháp phân loại khối đá được sử dụng trong công trình ngầm Theo phương pháp luận có thể chia các phương pháp hiện hành thành hai nhóm:

♦ Các phương pháp đánh giá mức độ ổn định theo tải trọng khối đá

♦ Các phương pháp đánh giá mức độ ổn định theo thời gian

2.4.1.1 Phương pháp phân loại theo tải trọng

Nguyên tắc chung của nhóm phân loại này là xác định vùng phá hủy của khối đá

ở nóc đường hầm mà trọng lượng của nó gây sập lở hầm Sau đây sẽ giới thiệu ba phương pháp đại diện

2

H

B h

Góc nội ma sát ϕ (độ)

Bảng 5 - Phân loại cấp đất đá theo Terzaghi

Cấp đất đá Chiều cao vùng

A - Đá cứng cấu

Có thể nổ đá, sập lở nhỏ, không có áp lực bên sườn hầm

C - Đá cứng, nứt

nẻ không đều

0,25 - 0,35 (b+h)

32

Hình 10: Sơ đồ tính toán vùng mất ổn định quanh hầm theo K Terzaghi

Hình 4.11.áp lực đất suy giảm được tính toán theo công thức của Terzaghi

Phương pháp V M Mostkov Mostkov (1974) cho rằng xung quanh hầm sẽ tạo

thành vùng đá yếu bị phá hoại Vùng này ban đầu có thể coi như môi trường rời nằm trong trạng thái cân bằng giới hạn Phân tích các đường giới hạn vùng phá hủy, Mostkov đã biểu diễn được chúng bằng phương trình của đường cong logarit:

ρ = R0 em ψ (4) Trong đó:

ρ = khoảng cách từ tâm vòm hầm đến đường giới hạn bị phá hủy; Ro = bán kính vòm hầm; m = hệ số phụ thuộc vào tính chất của đá, được xác định bằng phương pháp thống kê các tài liệu thực tế trong quá trình xây dựng, biến đổi

từ 0 - 0,3; ψ = góc hợp giữa phương nằm ngang và bán kính vectơ nối điểm

đang xét với đỉnh vòm

Chiều sâu vòm phá hủy lớn nhất tính tại đỉnh vòm giới hạn, ứng với ψ = π/2

được xác định theo công thức sau:

1 2

π

α

ư

=h

33

Trong đó: b = bề rộng hầm; α0 = góc ở tâm của vòm hầm

Hình 11: Sơ đồ tính toán vùng mất ổn định quanh hầm theo V M Mostkov

2.4.1.2 Phương pháp đánh giá theo thời gian ổn định:

Sau đây giới thiệu bốn phương pháp đại diện

Phương pháp H Lauffer Lauffer (1958) cho rằng thời gian tồn tại (stand-up time) của khẩu độ hầm đá không có vỏ chống có liên quan với các loại khối đá

khác nhau thì khác nhau Thời gian tồn tại được coi là thời gian đường hầm ổn

định không cần vỏ chống, kể từ khi khai đào Phân loại nguyên thủy của Lauffer

đã được một số tác giả điều chỉnh, nhất là F Pacher và nnk (1974), và ngày nay

đã tạo thành một phần của NATM Tư tưởng chính của nó là: nếu tăng khoảng cách không chống đỡ của đường hầm thì thời gian tồn tại ổn định của khối đá sẽ giảm Lauffer chia khối đá thành 7 loại theo mức độ ổn định từ A đến G như

Hình 12 Trên Hình 12, trục tung thể hiện khẩu độ giữa hai vì chống (roof span), trục hoành là thời gian ổn định không cần chống (stand-up time) Biểu đồ thể

hiện hướng suy giảm ổn định của khối đá theo chiều từ phải sang trái Các thông

số thường gặp trong thi công đường hầm nằm trong vùng kẻ sọc của biểu đồ Khi dùng máy khoan hầm TBM, biểu đồ Lauffer được điều chỉnh như hình 13

Hình12: Biểu đồ phân loại khối đá theo thời gian tự ổn định (Lauffer 1958)

34

Hình 13: Biểu đồ của Lauffer điều chỉnh năm 1988

để đánh giá phân loại khối đá khi đào hầm bằng TBM

Phương pháp Z T Bieniawski Bieniawski (1976) đề xuất phương pháp chỉ số/điểm số của khối đá (RMR - Rock Mass Rating), dựa trên 6 thông số đo được

ở hiện trường và trong lỗ khoan RMR được xác định theo công thức:

RMR = R

35

β S + RRQD + Rdj + R + Rcj oj + R w (6) Trong đó:

R = thông số kể đến độ bền nén đơn trục của mẫu đá; βS

RRQD = xét tới chỉ số RQD (Rock Quality Designation, chỉ tiêu chất lượng

đá);

= xét khoảng cách mặt gián đoạn/khe nứt (discontinuities);

Rdj

Rcj = xét đặc điểm gián đoạn;

R = xét hướng của các mặt gián đoạn; oj

Rw = xét ảnh hưởng của nước trong khối đá;

RMR được áp dụng rất rộng rãi trong đánh giá khối đá ở nền công trình, ở mái dốc đá, cũng như khối đá quanh đường hầm Cách tính điểm các thông số nêu trên cho ở các bảng Theo RMR khối đá được phân chia thành 5 cấp Tùy thuộc vào điểm số RMR, thời gian ổn định của khối đá không cần chống thay đổi từ 0,5 giờ đến 20 năm