GIÁM SÁT THI CÔNG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH HẦM

Cần nói thêm rằng, trong phơng pháp mỏ sau này ngời ta đã sử dụng vì chống neo và có trờng hợp kết hợp với cả bê tông phun nhng vẫn chỉ coi là kết cấu chống đỡ trong quá trình thi công,

Tài liệu Bồi dỡng kiến thức giám sát thi công xây dựng công trình

chuyên đề giám sát thi công xây dựng công trình hầm

Hµ néi 2005

chuyên đề giám sát thi công xây dựng công trình hầm

PGS T.S Phạm Duy Hoà PGS T.S Phan Duy Pháp

Bộ môn Cầu Hầm- Trờng Đại học Xây dựng

1.1.3 Phân loại đất đá trong xây dựng hầm

a Phân loại đất đá theo hệ số kiên cố f của Protodiaconov

b Phân loại đất đá theo Terzaghi

c Phân loại đất đá theo RQD (Rock Quality Designation)

d Phân loại đất đá theo RMR (Rock Mass Rating)

1.2 Sơ lợc về quá trình phát triển xây dựng hầm ở Việt Nam

1.3 Một số công trình hầm tiêu biểu tại việt nam

Chơng Ii- Phơng pháp Xây dựng hầm NATM

2.1 Sơ lợc về lịch sử và quá trình phát triển phơng pháp NATM

2.2 Các khái niệm và nguyên tắc cơ bản của phơng pháp xây dựng hầm natm

2.3 Các phơng pháp chống đỡ, gia cố vòm đất đá xung quanh hầm và chức năng của các thiết bị gia cố, chống đỡ.

2.3.1 Phơng pháp chống đỡ và gia cố vỏ hầm bằng bê tông phun

2.3.2 Phơng pháp chống đỡ vỏ hầm bằng neo đá

2.3.3 Các kết cấu gia cố chống đỡ khác:

2.4 Kết cấu vỏ hầm

2.5 Đo đạc và xử lý trong thi công của NATM

2.6 u nhợc điểm của phơng pháp NATM

2.7 Một số hình ảnh xây dựng hầm hải Vân theo phơng pháp natm

Phần II - Giám sát thi công xây dựng công trình hầm

Chơng I- yêu cầu chung

1.1 Các tài liệu và tiêu chuẩn kỹ thuật dùng cho xây dựng công trình hầm.

1.2 Kiểm tra đồ án thiết kế thi công của Nhà thầu

1.3 Kiểm tra các Tiêu chuẩn thi công và Quy trình công nghệ của Nhà thầu

1.4 Kiểm tra vật liệu, cấu kiện xây dựng, sản phẩm xây dựng

Chơng II- Giám sát công tác đào, chống hầm

2.1 Giám sát công tác khoan nổ

2.2 Giám sát công tác xúc bốc và vận chuyển đất đá

2.3 Giám sát thi công hệ thống kết cấu chống đỡ

2.3.1 Giám sát thi công lới thép

2.3.2 Giám sát thi công vòm thép

2.3.3 Giám sát thi công lớp bê tông phun

2.3.4 Giám sát thi công neo

Chơng III- Giám sát công tác đo ứng suất biến dạng kết cấu chống đỡ

3.1 Nguyên tắc chung.

3.2 Số lợng và vị trí đo ứng suất, biến dạng.

3.2.1 Đo độ hội tụ và biến dạng.

3.2.2 Đo biến dạng và ứng suất đá xung quanh hầm

3.2.3 Đo ứng suất bê tông phun.

3.2.4 Đo ứng suất thanh neo.

3.3 Thiết bị và phơng pháp đo.

3.3.1 Đo hội tụ và biến dạng.

3.3.2 Đo biến dạng và ứng suất đá xung quanh hầm

3.3.3 Đo ứng suất bê tông phun.

3.3.4 Đo ứng suất thanh neo.

Chơng IV- giám sát quá trình thi công lớp phòng nớc và vỏ hầm

4.1 giám sát Xây dựng lớp phòng nớc

4.1.1 Kết cấu lớp phòng nớc

4.1.2 Kiểm tra chất lợng lớp vải địa kỹ thuật và phòng nớc

4.1.3 Giám sát công tác lắp đặt lớp vải địa kỹ thuật và lớp phòng nớc

4.2 giám sát xây dựng Vỏ hầm.

4.2.1 Vật liệu và công nghệ thi công

4.2.2 Giám sát quá trình thiết kế và chế tạo ván khuôn hầm

4.2.3 Giám sát quá trình lắp đặt, định vị ván khuôn hầm

4.2.3 Giám sát công tác đổ bê tông vỏ hầm.

Phần i - những vấn đề chung về xây dựng hầm

+ Phân loại theo mục đích sử dụng:

- Hầm giao thông (hầm đờng sắt, hầm đờng bộ, hầm đờng thuỷ, metro)

- Hầm thuỷ lợi

- Hầm kỹ thuật công chính

- Hầm mỏ

- Hầm sử dụng cho các mục đích đặc biệt

+ Phân loại theo khu vực xây dựng:

Do đặc điểm nằm hoàn toàn dới đất, xây dựng hầm bao bồm 2 quá trình chính:

- Đào đất đá để tạo không gian cho hầm Hay còn gọi là đào đất đá ngầm

- Xây dựng kết cấu chống đỡ bảo vệ không gian hầm, để đảm bảo điều kiện khai thác của công trình

Những năm trớc đây, ở nớc ta, Liên xô cũ và các nớc trên thế giới vẫn sử dụng phơng pháp mỏ để thi công các đờng hầm Nội dung cơ bản của phơng pháp mỏ là: Sau khi đào hầm, để giữ ổn định đất đá xung quanh hầm ngời ta tiến hành dựng các vì chống tạm bằng gỗ hoặc chống bằng vòm thép Kết cấu vỏ hầm đợc thi công bằng biện pháp đổ bê tông hoặc xây đá theo từng phân đoạn sau khi đào xong hầm một khoảng thời gian Sau khi bê tông vỏ hầm đạt cờng độ cho phép, để tạo sự liên kết chặt chẽ giữa

vỏ hầm và đất đá xung quanh ngời ta tiến hành bơm ép vữa vào phía sau vỏ Đó chính

là một quá trình tổng quát của phơng pháp mỏ

Việc xác định áp lực địa tầng

tác dụng lên vỏ hầm là tuỳ thuộc vào

điều kiện địa chất và trạng thái của

khối đất đá Terzaghi và

Protodiaconov đã đa ra cách phân

loại đất đá và cách xác định áp lực

địa tầng với giả thiết coi môi trờng

đất đá xung quanh là vật thể rời rạc

Vòm áp lực

Môi trường rời rạc

Thuyết tạo vòm Protodiakonov

Cần nói thêm rằng, trong phơng pháp mỏ sau này ngời ta đã sử dụng vì chống neo và có trờng hợp kết hợp với cả bê tông phun nhng vẫn chỉ coi là kết cấu chống đỡ trong quá trình thi công, quan điểm về áp lực địa tầng vẫn nh cũ nên công nghệ thiết kế

và xây dựng hầm vẫn không có gì thay đổi

Tóm lại, đối với phơng pháp xây dựng hầm truyền thống, toàn bộ áp lực địa tầng là do vỏ hầm chịu Khi thiết kế kết cấu vỏ ngời ta bỏ qua vai trò của kết cấu chống tạm

1.1.3 Phân loại đất đá trong xây dựng hầm

a Phân loại đất đá theo hệ số kiên cố f của Protodiaconov

Theo đó đất đá đợc chia làm 10 nhóm (I - X) có hệ số kiên cố thay đổi trong phạm vi từ 20 – 0.1 Hệ số kiên cố trong thực tế đợc xác định nh sau:

+ Trong đá cứng: f = R/100

với R là cờng độ nén dọc trục của đá (kg/cm2) Thí nghiệm mẫu đá hình trụ ờng kính 42cm, cao 42mm

đ-+ Trong đất rời và dính: f =tgϕ

với ϕ là góc nội ma sát quy ớc

II Rất chắc Granit rất chắc, Porfia thạch anh, phiến thạch, silic, quaejit, cát kết và đá vôi chắc nhất 15III Chắc Granit chặt, cát kết và đá vôi rất chắc, quặng thạch anh, cuội kết chắc và quặng sắt rất chắc 10IIIa Chắc Đá vôi chắc, granit không chắc, cát kết chắc, đá hoa, đôlômít chắc 8

V Trung bình Phiến thạch sét chắc, cát kết và đá vôi không chắc, cuội kết mềm 4

Va Trung bình Phiến thạch không chắc, các loại đá mác chặt 3

VI Khá mềm Phiến thạch mềm, đá vôi, đá phân, muối mỏ, thạch cao rất mềm, đá mác thờng 2

b Phân loại đất đá theo Terzaghi

Năm 1946 Terzaghi đề xuất phơng pháp phân loại đất đá sử dụng để mô tả đất

đá và xác định ALĐT lên kết cấu chống hầm dạng vòm thép

1 Đá cứng và nguyên khối 0 Chỉ cần vỏ hầm nhẹ khi có hiện tợng đá rơi hoặc bắn đá

2 Đá cứng phân tầng hoặc đá phiến 0 – 0.5B Kết cấu chống đỡ nhẹ chủ yếu để tránh đá rơi.

3 Đá khối, nứt nẻ ít 0 – 0.25B Kết cấu chống đỡ nhẹ chủ yếu để tránh đá rơi, áp lực đá có thể thay đổi thất thờng từ điểm này sang

điểm khác.

4 Đá phân khối nhẹ 0.25B–0.35(B+Ht) Không có áp lực bên

5 Đá phân khối mạnh (0.35-1.10)( B+Ht) áp lực bên nhỏ hoặc không có

6 Đá vỡ vụn hoàn toàn nhng

không thay đổi về phơng diện hoá

học

1.10 (B+Ht) áp lực bên đáng kể Giảm yếu do thấm dới đấy hầm

đòi hỏi phải tiếp tục chống đỡ phần chân vòm thép hoặc dùng khung thép dạng tròn.

Cần dùng khung thép dạng tròn, trong trờng hợp

c Phân loại đất đá theo RQD (Rock Quality Designation)

Năm 1967 Deere đề xuất phơng pháp phân loại đất đá dựa trên cơ sở phần trăm lõi khoan thu đợc đặt tên cách phân loại này là RQD (Rock Quality Designation) Chỉ

số RQD là tổng phần trăm chiều dài các phần lõi khoan (dài tối thiểu 4 inh hay 10cm) thu đợc trên tổng chiều dài lỗ khoan

RQD = (Tổng chiều dài các phần lõi khoan dài hơn 10cm) x 100%/ Tổng chiều dài khoan

d Phân loại đất đá theo RMR (Rock Mass Rating)

Năm 1973 Bieniawski công bố hệ thống phân loại địa cơ hay hệ thống phân loại khối đá theo điểm RMR Hệ thống phân loại này dựa trên cơ sở đánh giá mức độ quan trọng tơng đối lẫn nhau của 6 thông số chính của khối đá bằng cách cho điểm với tổng

số điểm lớn nhất là 100 điểm nh sau:

ứng với từng thông số

1.2 Sơ lợc về quá trình phát triển xây dựng hầm ở Việt Nam

Hầm đờng sắt đầu tiên đợc xây dựng ở Việt Nam là dới thời thuộc Pháp vào khoảng năm 1901-1905 trên tuyến đờng sắt Bắc Nam Hà Nội- TP Hồ Chí Minh Tính

đến nay VN có 41 hầm đờng sắt với tổng chiều dài 11.900m Hầm đờng sắt dài nhất 1182m là hầm Ba bô nô (đoạn đèo Cả Km 1224 + 221) Các hầm đờng sắt đợc xây dựng chủ yếu vào hai thời kỳ:

- Từ năm 1901- 1936: (dới thời Pháp thuộc) 27 hầm trên tuyến đờng sắt Bắc Nam nối Hà Nội- TP Hồ Chí Minh Thời gian đầu vỏ hầm đợc xây dựng bằng đá hộc, sau này bằng BT Kết cấu vỏ hầm điển hình của thời kỳ này là tờng bằng đá hộc xây, vòm bằng BT Các hầm này có tiết diện ngang nhỏ, xây dựng đã lâu lại bị ảnh hởng của chiến tranh nhiều đoạn vỏ hầm bị phong hoá vỡ lở và rỉ nớc cần gia cố sửa chữa để đảm

bảo an toàn giao thông Trong những năm 90, các hầm số 7, 9, 10, 13 (khu vực Hải Vân) đã đợc gia cố sửa chữa lại bằng nguồn vốn do chính phủ Pháp tài trợ Biện pháp sửa chữa cũng do t vấn của Pháp đa ra là phá dỡ vòm BT cũ Gia cố lại đất đá bằng neo

và BT phun

- Từ năm 1968- 1970: 14 hầm trong đó đa số (12 hầm) do Trung Quốc thiết kế

và xây dựng trên các tuyến đờng sắt phía Bắc Các hầm này bằng BT hiện vẫn khai thác bình thờng

Tất cả các hầm đờng sắt đều do nớc ngoài (Pháp hoặc Trung Quốc) thiết kế, xây dựng Các hầm này đều đợc xây dựng bằng thủ công với nhân công địa phơng Một số hầm đợc xây dựng trong thời chiến Các tài liệu và kinh nghiệm để lại hầu nh không có gì

Mốc đánh dấu sự phát triển của lĩnh vực xây dựng hầm tại VN là công trình thuỷ điện Sông Đà Gần 20km hầm các loại với kích thớc khác nhau đã đợc xây dựng với sự giúp đỡ của các chuyên gia Liên Xô Trên công trình này đội ngũ cán bộ kỹ thuật và công nhân VN lần đầu tiên đã đợc tiếp cận với công nghệ cũng nh các thiết bị máy móc thi công hầm

Với kinh nghiệm có đợc từ công trình thuỷ điện Sông Đà trong những năm 90 của thế kỷ 20 một loạt công trình thuỷ điện ngầm khác nh Yaly, Sông Hinh, Hàm Thuận Đa Mi đã đ… ợc xây dựng và đa vào sử dụng

Các hầm đờng bộ ở VN xuất hiện muộn hơn Hầm đờng bộ đầu tiên ở VN đợc xây dựng vào năm 1982 trên công trờng thuỷ điện Sông Đà Mặc dù là hầm giao thông

đờng bộ nhng hầm này thuộc dự án thuỷ điện Hoà Bình

Trong những năm gần đây nhiều dự án nâng cấp cải tạo và xây dựng mới các tuyến đờng giao thông đã đợc triển khai Một loạt các hầm đờng bộ đã đợc xây dựng (hầm Dốc xây, hầm Hải Vân, hầm A Roàng, hầm Đèo Ngang) và đang chuẩn bị xây dựng các công trình hầm Đèo Cả, hầm Thủ Thiêm qua sông Sài gòn…

Dự báo trong tơng lai hầm và công trình ngầm sẽ đợc xây dựng nhiều ở Việt nam, đất nớc có ba phần t diện tích lãnh thổ là núi và cao nguyên Các tuyến đờng giao thông quan trọng đều phải vợt qua các đèo núi cao Ngoài ra, với tốc độ đô thị hoá nhanh chóng, sự bùng nổ của các phơng tiện giao thông đã dẫn đến sự quá tải của hệ thống hạ tầng GTVT gây nên tình trạng tắc nghẽn giao thông trong các đô thị Để giải quyết vấn nạn này xu hớng phát triển giao thông ngầm gần nh là giải pháp duy nhất

hiệu quả và triệt để.

1.3 Một số công trình hầm tiêu biểu tại việt nam

+ Công trình ngầm thuỷ điện Sông Đà: Trong những năm 80 nhà máy thuỷ

điện Hòa Bình trên sông Đà đợc thiết kế và xây dựng với sự giúp đỡ của Liên xô Tổ hợp công trình ngầm của thuỷ điện Sông Đà gồm gần 20Km hầm các loại với kích thớc

và hình dạng khác nhau đợc xây dựng chủ yếu trong đá cứng, thi công bằng phơng pháp khoan nổ mìn với trang thiết bị máy móc của Liên xô chủ yếu hoạt động bằng khí nén

Công trình thuỷ điện Sông Đà là mốc quan trọng trong quá trình phát triển của lĩnh vực xây dựng hầm tại Việt nam Tại đây, nhiều vấn đề kỹ thuật thi công hầm phức tạp đã đợc giải quyết nh công nghệ thi công hầm tiết diện lớn (hầm gian máy dài 264,5m, rộng 26m-phần vòm và 19,6m -phần tờng, chiều cao hầm 56,8m), đào giếng ngợc, nổ mìn tạo biên, neo ứng suất trớc đã đ… ợc giải quyết

Về kết cấu chống đỡ hầm đã sử dụng neo, BT phun và lới thép Tuy nhiên chúng chỉ đợc sử dụng nh kết cấu chống tạm trớc khi vỏ hầm vĩnh cửu bằng BTCT đợc xây dựng

Về chống thấm cho hầm, không sử dụng lớp phòng nớc mềm mà dùng biện pháp ép vữa lấp đầy sau vỏ hầm hoặc biện pháp khoan thu nớc ngầm

Các hầm giao thông và các hầm thuỷ điện khác đợc xây dựng trong thập kỷ 90 cũng thi công theo công nghệ này tuy nhiên máy móc thiết bị thi công đã đợc hiện đại hoá hoạt động bằng thuỷ lực nên tốc độ đào hầm tăng hơn nhiều

+ Hầm đờng bộ qua đèo Hải Vân là một trong 30 hầm đờng bộ có qui mô lớn,

kỹ thuật công nghệ hiện đại nhất của thế giới hiện nay Ngân hàng thế giới (WB) đã cung cấp khoản kinh phí trợ giúp kỹ thuật (TA) để lập báo cáo NCTKT thông qua tổ chức T vấn của Hiệp hội đờng cao tốc Nhật Bản Kinh phí cho giai đoạn khảo sát đặc biệt (thay thế cho báo cáo NCTKT), thiết kế chi tiết và xây dựng công trình đợc đầu t bằng nguồn vốn vay từ JBIC-Nhật Bản và vốn đối ứng của Chính phủ Việt Nam Liên danh t vấn bao gồm tập đoàn Nippon Koei (Nhật Bản), tập đoàn Louis Berger (Hoa Kỳ)

và Tổng Công ty thiết kế GTVT (TEDI)

Tại công trình hầm Hải Vân, lần đầu tiên phơng pháp NATM đợc áp dụng ở Việt nam Hầm đợc thiết kế dựa trên sự kết hợp giữa các tiêu chuẩn AASHTO-1994, tiêu chuẩn JHPC của Nhật, Tiêu chuẩn thiết kế hầm đờng sắt và hầm đờng ô tô TCVN

4527-88 và các tiêu chuẩn chuyên ngành khác

Hầm có quy mô gồm một hầm chính dài 6280m, rộng 11,9m cao 7,5m đợc thiết

kế với tốc độ xe chạy 80Km/h, một hầm cứu nạn rộng 4,7m cao 4m, nằm song song và cách hầm chính 30m Giữa hầm chính và hầm cứu nạn có 15 hầm ngang để thoát hiểm khi có tai nạn Trong đó có 4 hầm cho ô tô (rộng 9m cao 7,3m) và 11 hầm dành cho ngời đi bộ (rộng 2,8m cao 3,2m)

Hầm đờng bộ Hải vân (cửa phía Bắc)

Tại công trình hầm Hải Vân bên cạnh việc áp dụng phơng pháp xây dựng hầm NATM, nhiều kỹ thuật tiên tiến và vật liệu mới đã đợc áp dụng trong các lĩnh vực phòng nớc, thông gió, chiếu sáng, phòng cháy và chữa cháy, giám sát và điều khiển giao thông…

Thông gió cho hầm dùng sơ đồ thông gió dọc kết hợp với lọc bụi tĩnh điện Hầm thông gió có chiều dài 1887m, tiết diện 36.2m2, độ nghiêng 8%, có tờng bêtông cốt thép ở giữa chia làm 2 phần theo phơng dọc trục hầm Một phần để xả khí bẩn từ trong hầm ra ngoài, một nửa còn lại để cung cấp khí sạch từ bên ngoài vào hầm Để phục vụ cho công tác cấp khí và xả khí có 2 quạt cấp khí và 2 quạt xả khí đờng kính 2,8m đặt trong nhà thông gió ở phía cửa hầm thông gió

Ba hầm lọc bụi tĩnh điện dạng quai chảo đợc bố trí dọc theo hầm Hầm lọc tĩnh

điện có chiều dài 137 m, tiết diện ngang 57,69 m2 Không khí bị nhiễm bẩn do bụi và khói thải của xe cộ khi lu thông dọc theo hầm chính đến hầm lọc bụi tĩnh điện sẽ bị hút vào hầm lọc bụi Tại đây các thành phần bụi bẩn trong không khí sẽ bị ion hoá và

nhiễm điện tích âm Các hạt bụi bị nhiễm điện tích âm đợc đi qua bản cực điện tích âm

và bị đẩy vào bề mặt các tấm kim loại Không khí đợc lọc sạch bụi bẩn sẽ đợc thổi lại vào hầm Các bụi bẩn trên tấm kim loại sẽ đợc rửa sạch bằng nớc, đợc lọc và nén lại dạng cục rắn và đợc mang ra ngoài theo định kỳ

Hệ thống thông gió hầm Hải vân

Các nhà thầu tham gia dựng phần hầm, bao gồm:

- Phần hầm phía Bắc: Liên danh Nhà thầu Hazama-Cienco6 xây dựng 3857 m hầm chính; 3857 m hầm lánh nạn; 1877m hầm thông gió; 2 hầm lọc bụi tĩnh điện

- Phần hầm phía Nam: Liên danh Dong Ah-Sông Đà thực hiện xây dựng 2423m hầm chính; 2435m hầm lánh nạn; 1 hầm lọc bụi tĩnh điện

- Cung cấp lắp đặt hệ thống điện trong hầm: Liên danh Nhà thầu Vinaincon

ABB-Kinden Cung cấp và lắp đặt hệ thống thông gió, cơ khí: Liên danh Nhà thầu Masushita-Itochu

- Cung cấp thiết bị vận hành bảo dỡng hầm: Nhà thầu Itochu

+ Hầm đờng bộ qua ĐèoNgang: Tiếp theo công trình hầm Hải Vân, kỹ s và

công nhânViệt Nam đã thành công trong thi công xây dựng hầm đờng bộ qua Đèo Ngang bằng Phơng pháp NATM Hầm có chiều dài 495m, rộng 11,9m đợc thiết kế cho

2 làn xe, tốc độ 60km/h

Hệ thống tiêu chuẩn thiết kế, quy trình và quy phạm áp dụng bao gồm:

- Tiêu chuẩn thiết kế hầm đờng sắt và đờng ô tô TCVN 4527-88

- Hớng dẫn sử dụng neo và bê tông phun làm kết cấu chống đỡ tạm hầm giao thông.Tiêu chuẩn BCH 126-78 (Liên Xô)

- Tiêu chuẩn thiết kế hầm qua núi, Tiêu chuẩn Nhật Bản - 1996.

- Tiêu chuẩn thiết kế hầm theo phơng pháp NATM dùng cho thiết kế và xây dựng hầm đờng bộ đèo Hải Vân

Từ kinh nghiệm ở công trình hầm Hải Vân, chúng ta đã tự lực từ khâu khảo sát thiết kế, giám sát (TEDI), Thẩm định TKKT, các ứng dụng tiến bộ kỹ thuật, quản lý nhà nớc quá trình thi công (Cục Giám định & QLCLCTGT, Ban QLDA 85), thi công xây dựng công trình (Công ty Sông Đà 10)

Qua các dự án hầm Hải Vân, dự án hầm đèo Ngang, khẳng định chắc chắn cán

bộ quản lý, kỹ s Việt Nam có đủ năng lực và kinh nghiệm thiết kế, thẩm định, giám sát, thi công xây dựng hầm đờng bộ bằng phuơng pháp NATM

Để chuẩn bị cho việc xây dựng các đờng hầm trong tơng lai theo phơng pháp xây dựng đờng hầm tiên tiến NATM, trong tài liệu này sẽ giới thiệu để các kỹ s hiểu đ-

ợc lý thuyết cơ bản của phơng pháp xây dựng đờng hầm đợc xem là hiệu quả nhất hiện nay

Chơng Ii Phơng pháp Xây dựng hầm NATM

Phơng pháp xây dựng hầm mới của áo (New Autrian Tunneling Method đợc viết tắt là NATM) đã đợc nhiều nớc tiên tiến trên thế giới công nhận là phơng pháp xây dựng hầm hiện đại và có nhiều u điểm nổi trội hơn các pháp thông thờng Chính vì tính

u việt của phơng pháp nên NATM đã đợc nhiều nớc đa vào quy trình thi công hầm của mình nh Đức, áo, Nhật Bản ở Việt Nam phơng pháp NATM lần đầu tiên đợc áp dụng để thiết kế và thi công hầm đờng bộ xuyên núi Hải Vân (TP Đà Nẵng) và sau đó

đợc áp dụng thành công vào công trình hầm đờng bộ qua đèo Ngang (Tỉnh Hà Tĩnh)

2.1 Sơ lợc về lịch sử và quá trình phát triển phơng pháp NATM

Nh trên đã trình bày, với phơng pháp xây dựng hầm truyền thống vỏ hầm là kết cấu chống đỡ cuối cùng đảm bảo ổn định của đờng hầm, chịu toàn bộ áp lực địa tầng nên kích thớc tiết diện rất lớn, không kinh tế

Vào khoảng giữa thế kỷ XX, dựa trên lý thuyết biến dạng và việc phân tích áp lực đất, đá, từ kinh nghiệm trực giác nhng hết sức sáng tạo, các kỹ s ngời áo đã rút ra

đợc những kết quả trong quá trình thi công nhiều đờng hầm khác nhau trong nớc và trên thế giới, trong số họ có Rabcewicz, Muller và Pacher

Tửứ kinh nghieọm trong vieọc ủaứo haàm moỷ coự ủoọ saõu lụựn, Rabcewicz ủaừ neõu ra raống quaự trỡnh saọp haàm seừ xaỷy ra theo trỡnh tửù sau:

- Tại đỉnh vòm và đáy hầm đất đá có xu hớng biến dạng vào phía trong nên ở khu vực đó sẽ xuất hiện ứng suất kéo tập trung, đá sẽ bị nứt, rời và cờng độ nguyên thuỷ của đá sẽ giảm đi

- Sau khi phaõn phoỏi laùi aựp lửùc quanh ủửụứng haàm, ửựng suaỏt neựn thaỳng ủửựng seừ taọp trung ụỷ vaựch haàm

- Sau ủoự, vaựch haàm nửựt ra Khối đá trên vòm sẽ không ổn định do suy giảm khả năng chống đỡ của khối đá chân vòm vaứ cuoỏi cuứng haàm ủoồ suùp xuoỏng Hieọn tửụùng naứy goùi laứ “Cherry Pit”

1 Trạng thái ứng suất đơn trục của vách hang

Sau khi đào hầm ứng suất của khối đá xung quanh sẽ

chuyển từ trạng thái ba trục thành đơn trục

2 Biến dạng của đỉnh hang và đáy hang

Do ứng suất kéo tập trung tại đỉnh vòm và đáy hang,

biến dạng của đá dần dần gia tăng do cờng độ chịu kéo

của đá thấp hơn so với chịu nén.

Vùng biến dạng kéo

3 Tập trung của ứng suất nén

Do biến dạng kéo, ứng suất kéo tại đỉnh vòm và đáy

hang giảm, ứng suất nén tập trung sẽ gia tăng tại vách

hầm

4 Vách hầm bị nứt ra

Dới tác dụng của ứng suất nén tập trung, đá vách hầm

bị nứt lở vào phía trong hầm

5 Gia tăng vùng biến dạng

Khối đá trên đỉnh vòm trở nên không ổn định do suy

giảm sức chịu tải tại chân vòm Cuối cùng thì vùng

biến dạng của đất đá trên nóc hầm sẽ diễn tiến theo đề

xuất của K.Terzaghi

Quá trình sập hầm khi không chống đỡ (theo Rabcewicz)

Trong khi quan sát và giám sát những khả năng chống đỡ của khối đất đá trong

đờng hầm, Rabcewicz và các cộng sự cố gắng tạo cho khối đá thực hiện đúng chức năng của nó nh một thành phần rất quan trọng của đờng hầm, cố gắng giúp nó khỏi mất

đi sự chống đỡ tự có và khi cần thiết sẽ gia cố thêm lực bằng một giải đá Khái niệm này là một thành tựu tiên phong nó khuyến khích các kỹ s sử dụng những lớp bê tông phun mỏng thay vì phải dùng một khối lợng gỗ lớn kèm theo những tấm thép và những vòm hầm bê tông dày lúc bấy giờ

Một thời gian ngắn sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, sự phát triển của bê tông phun đã cho phép những ngời xây dựng đờng hầm càng ngày càng sử dụng nhiều để xây dựng các đờng hầm mới Việc chế tạo ra máy phun bê tông cho phép sử dụng một khối lợng lớn bê tông phun để thi công gia cố các khối đá trong hầm (vào thời điểm này gọi là "Torcret") Phơng pháp phun bê tông lên bất kỳ bề mặt nào và sử dụng phụ gia hoá học để tạo độ cứng ngay từ ban đầu cho phép tạo một chu kỳ khoan hầm nhanh hơn Việc áp dụng các vì chống mềm bằng neo thép kết hợp với bê tông phun và lới thép cho phép hạn chế đợc biến dạng của khối đất đá xung quanh hầm sau khi đào hầm

và liên kết đợc các khối đá lại với nhau một cách có hiệu quả, làm cho đất đá xung quanh hầm trở thành một phần của kết cấu chống đỡ hầm

Sau phát minh quan trọng, kết hợp với sự phát triển của thiết bị hiện đại và sự ra

đời của nhiều loại vật liệu mới, phơng pháp xây dựng hầm NATM bắt đầu hình thành

và phát triển thành một phơng pháp xây dựng hầm tiên tiến trên thế giới

Giản đồ về khái niệm NATM của Rabcewicz

Trong cuốn sách của mình "Gebigtack und Tunnelbau"-1944, L.V Rabcewicz

đ-a rđ-a một hệ thống áp lực củđ-a đá và giải thích các hiện tợng đó Nhiều nguyên tắc củđ-a NATM đã đợc đề cập trong cuốn sách này Trong bản quyền sáng chế 1948 của ông, các nguyên tắc NATM đã đợc hình thành Các nguyên tắc này đợc kiểm tra bằng các biện pháp trong các tình huống biến dạng cụ thể

Từ năm 1956 đến năm 1958 đờng hầm cỡ lớn đã đợc Rabcewicz xây dựng ở Venezuela theo các nguyên tắc NATM

Tại áo các thử nghiệm đầu tiên đợc tiến hành vào những năm năm mơi với đờng hầm dới nớc cỡ nhỏ Năm 1963 phơng pháp xây dựng đờng hầm NATM đã đợc đa ra giới thiệu tại Hội thảo cơ học- địa chất tại Sazburg Phơng pháp này đợc gọi là “mới” vì lúc đó đã có phơng pháp truyền thống của áo

Vaứo naờm 1978, tieỏn sú Muler cuứng nhieàu chuyeõn gia haàm ủaừ tham dửù hoọi nghũ quoỏc teỏ chuyeõn ủeà Cụ hoùc ủaự ủửụùc toồ chửực taùi Tokyo Vaứo thụứi gian naứy, Coõng

ty ẹửụứng Saột Quoỏc gia Nhaọt Baỷn ủeà nghũ xaõy dửùng ủửụứng xe lửỷa cao toỏc Tohoku Bullet theo phửụng phaựp NATM vụựi muùc ủớch giaỷm thieồu chi phớ xaõy dửùng haàm trong caực ủieàu kieọn ủũa chaỏt khoõng thuaọn lụùi Coự 3 ủửụứng haàm ủang ủửụùc xaõy dửùng dửù kieỏn xuyeõn qua ủaự granit phong hoựa naởng vụựi taàng ủaỏt phuỷ moỷng dửụựi 30m Tuy nhieõn do hieồu sai vaứ thieỏu kinh nghieọm veà coõng ngheọ NATM, vieọc thi coõng ủaừ gaởp nhieàu trụỷ ngaùi nhử ủoọ luựn ủaỏt beà maởt lụựn, caực voứm theựp bũ luựn dửụựi chaõn phaàn ủaứo treõn voứm haàm, vv , ủaừ khieỏn cho toồng chi phớ xaõy dửùng dửù kieỏn leõn raỏt cao Tieỏn

sú Muller ủaừ ủeỏn coõng trửụứng vaứ hửụựng daón thi coõng haàm theo coõng ngheọ NATM Lyự thuyeỏt veà NATM cuỷa oõng ủửụùc in trong cuoỏn “ẹuụứng haàm BAU” Caực khaựi nieọm vaứ nguyeõn taộc cụ baỷn veà coõng ngheọ NATM ủeà caọp trong cuoỏn saựch naứy nhaốm giụựi thieọu khaựi nieọm chuỷ yeỏu cuỷa NATM

Phơng pháp này đã đợc tiếp tục phát triển về trình tự đào và chống đỡ khối đất

đá xung quanh vỏ hầm Các phơng tiện chống đỡ và các biện pháp phụ trợ đã đợc cải tiến, các thiết bị, kỹ thuật và các kỹ năng của phơng pháp NATM đã đợc triển khai và

áp dụng đối với nền móng biến dạng lớn, đối với nền yếu và đối với các đoạn đờng hầm có hình dạng hình học phức tạp

2.2 Các khái niệm và nguyên tắc cơ bản của phơng pháp xây dựng hầm natm

Phơng pháp xây dựng hầm mới của áo (NATM) là phơng pháp xây dựng hầm

đợc hình thành trên cơ sở lý thuyết đúc rút từ việc xây dựng hầm trong thời gian dài nó

bao gồm các trình tự, biện pháp thi công và xử lý khối đá trên vòm hầm sao cho đất đá xung quanh hầm đợc liên kết thành kết cấu vòm chống đỡ, tự bản thân nó sẽ trở thành một phần kết cấu chống đỡ hầm (định nghĩa này cùng các nguyên lý cơ bản đợc xuất bản vào năm 1980).

Trớc khi đào hầm khối địa tầng ở trong trạng thái cân bằng ổn định và trạng thái ứng suất của nó đợc xác định bởi trọng lợng bản thân của địa tầng, bởi quá trình kiến tạo vỏ trái đất, bởi ảnh hởng của nhiệt độ và nớc ngầm Tuy nhiên trong thực tế công trình ngầm thờng nằm rất nông so với bề dày của vỏ trái đất và thời gian sử dụng cũng rất ngắn cho nên trong thiết kế ta có thể bỏ qua ảnh hởng của trạng thái ứng suất do quá trình kiến tạo, do nhiệt độ và nớc ngầm Nh vậy ứng suất ban đầu trong khối địa tầng chủ yếu là do trọng lợng bản thân của lớp đá nằm trên nó gây ra Việc đào hầm đã lấy đi một khối lợng đất đá, mà bình thờng chúng có chức năng tiếp nhận áp lực do trọng lợng của đất đá nằm trên nóc hang, do đó 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 3 trục sang ứng suất hai trục kéo theo sự phát sinh biến dạng của đất đá bao quanh

Khi đất đá trên vòm hang biến đổi, các hoạt động trong quá trình xây dựng hầm

đợc thực hiện với mục đích duy trì hoặc cải thiện khả năng đỡ của khối đá, nhằm phát huy tối u khả năng chống đỡ vào tạo ra sự phát triển thuận lợi của trờng ứng suất trong khối đất đá

Mục đích là duy trì trạng thái ứng suất ba trục đối với tất cả các giai đoạn thi công và giảm thiểu trạng thái ứng suất đơn trục hoặc hai trục lên khối đá

Xuất phát từ mục tiêu trên, phơng pháp NATM khi áp dụng luôn luôn đảm bảo các nguyên tắc cơ bản và đợc tiến sĩ Muller giới thiệu gọi là “22 nguyên tắc NATM”

2 Vỡ thế, điều quan trọng là phải giữ độ bền vững của khối đỏ.Cỏch chống đỡ truyền thống bằng gỗ hoặc bằng vũm thộp khụng thể ngăn ngừa sự biến dạng của khối

đỏ xung quanh hầm Bờ tụng được phun ngay sau khi đào hầm cú thể ngăn sự biến dạng của khối đỏ một cỏch hữu hiệu

Vẫn có một khoảng trống giữa hệ thống chống đỡ và khối đá Khối đá xung quanh chỉ được chống đỡ ở điểm tiếp xúc, kết quả là khối đá sẽ biến dạng hướng vào phía trong đường hầm nhằm lấp đầy khoảng không gian nói trên, và sự phân rã của khối đá sẽ có xu hướng phát triển đến độ sâu nào đó tính từ tường hầm Bêtông phun trực tiếp và gắn chặt với bề mặt khối đá quanh đường hầm có thể ngăn không cho khối đá biến dạng.

Sự khác biệt trong phấn bố ứng suất xung quanh hầm

3 Sự phân rã của khối đá (loosening) phải được ngăn chặn vì nĩ làm cho cường

độ của đá giảm đi

Khái niệm này chủ yếu áp dụng đối với đá cứng Cường độ đá mềm, chẳng hạn như lớp đá trầm tích sau Kỷ Đệ Tam đến Kỷ Đệ Tứ, tương đối yếu và hành vi của chúng sẽ phụ thuộc vào lực kết dính và góc nội ma sát của các hạt đất riêng

4 Khối đá phải được giữ trong trạng thái ứng suất nén ba trục Cường độ của khối đá với ứng suất nén đơn trục, hai trục thấp hơn cường độ trong điều kiện ba trục.

Cường độ chịu nén của khối đá ở điều kiện nén ba trục sẽ cao hơn trong điều kiện nén một trục Sau khi đào hầm, vách hầm sẽ ở trong điều kiện ứng suất nở hông cho đến khi hệ thống chống đỡ được lắp đặt Để duy trì trạng thái ứng suất nén ba trục và sự ổn định của khối đá, vách hầm phải được phủ kín bằng bêtông phun

5 Biến dạng của khối đá phải được ngăn chặn từ xa Phải thiết lập hệ thống chống

đỡ để ngăn chặn sự phân rã và nguy cơ đổ sập của khối đá Tính kinh tế và chất lượng của việc đào hầm sẽ tăng nếu các hệ thống chống đỡ được thiết lập một cách thích hợp.

Ngăn chặn biến dạng nghĩa là biến dạng xung quanh hầm phải được giảm thiếu tối đa do những biến dạng xảy ra trong hầm là không thể tránh khỏi, ví dụ biến dạng đàn hồi hoặc biến dạng do nổ mìn Vì thế, giới hạn biến dạng cho phép cần được tính đến vào mỗi loại hệ thống chống đỡ và nên được sửa đổi từ các kết quả đo đạc quan trắc Địa kỹ thuật

Mối quan hệ giữa ưÙng suất và chuyển vị của vách hầm

6 Hệ thống chống đỡ và vỏ hầm phải được lắp đặt kịp thời Lắp đặt các hệ thống chống đỡ quá sớm hay quá muộn sẽ đem lại kết quả bất lợi Hơn nữa, hệ thống chống đỡ cũng khơng được quá mềm hay quá cứng Các hệ thống chống đỡ cần cĩ một độ mềm dẻo thích hợp để duy trì cường độ của khối đá.

Mối quan hệ giữa tải trọng tác dụng lên hệ thống chống đỡ và chuyển vị của hầm được trình bày ởø “Đường cong Fenner - Pacher” –hình 6 Đường cong này đưa

ra khái niệm giảm thiểu tải trọng tác dụng lên kết cấu chống đỡ

Nếu hệ thống chống đỡ đợc lắp đặt quá sớm, áp lực tác dụng lên kết cấu chống

đỡ sẽ rất cao Mặt khác áp lực sẽ tiếp tục tăng lên khi lắp đặt hệ thống chống đỡ chậm

Hệ thống chống đỡ đợc lắp đặt đúng lúc có khả năng giảm tải trọng đến nhỏ nhất Nếu

hệ thống chống đỡ quá cứng sẽ đắt và hoặc quá mềm thì sẽ biến dạng nhiều Tải trọng tác động lên hệ thống chống đỡ sẽ giảm đến nhỏ nhất khi hệ thống chống đỡ có độ mềm dẻo thích hợp

7 Để xỏc định thời gian thớch hợp lắp đặt hệ thống chống đỡ, cần phải nghiờn cứu khảo sỏt ứng xử của khối đỏ

8 Khụng chỉ là việc thớ nghiệm trong phũng mà việc tiến hành quan trắc sự biến dạng của hầm rất quan trọng để xỏc định thời gian thớch hợp chống đỡ vỏch đào Thời gian tự đứng vững của vỏch hầm, tốc độ biến dạng và loại đỏ cũng là những nhõn tố quan trọng để xỏc định thời gian chống đỡ vỏch đào.

ẹoỏi vụựi coõng ngheọ NATM, coõng vieọc khoõng theồ thieỏu ủửụùc laứ thieỏt bũ quan traộc Nhửừng yếu tố ủửụùc nhaộc ủeỏn ụỷ treõn ủửụùc xaực ủũnh tửứ keỏt quaỷ ủo ủaùc quan traộc vaứ nhửừng tớnh toaựn mang tớnh thoỏng keõ dửùa treõn keỏt quaỷ cuỷa vieọc quan traộc raỏt coự ớch cho vieọc ủoaựn trửụực ủửụùc sửù bieỏn daùng ụỷ bửụực ủaứo haàm tieỏp theo Khaựi nieọm veà thụứi gian tửù ủửựng vửừng cuỷa khoỏi ủaự ủửụùc Lauffer giụựi thieọu, khaựi nieọm naứy ủửụùc sửỷ duùng trong vieọc phaõn loaùi ủaự vaứ caực phửụng phaựp thieỏt keỏ ủụn giaỷn cho heọ thoỏng choỏng ủụừ chaỳng haùn nhử phửụng phaựp RMR, Q

Phaõn loaùi thụứi gian tửù ủửựng vửừng cuỷa ủaự (Lauffer, H 1958)

9 Nếu biến dạng hoặc sự phân rã của khối đá được dự đốn là lớn, thì bề mặt hang phải được phun bê tơng (shotcrete) che kín Chống đỡ bằng gỗ và thép chỉ tiếp xúc với bề mặt tường hầm ở các điểm chống, vì vậy trong khoảng giữa các điểm tiếp xúc biến dạng và sự phân rã của khối đá vẫn sẽ phát triển

10 Vỏ hầm phải mỏng và cĩ độ mềm dẻo thích hợp nhằm triệt tiêu mơ men uốn

và tránh được phá hoại do ứng suất uốn gây ra Khơng chỉ lớp vỏ hầm ban đầu (shotcrete) mà cả lớp vỏ hầm hồn thiện cũng cần phải mỏng

11 Trong trường hợp cần thiết phải tăng cường hệ thống chống đỡ (ban đầu) thì

sử dụng các thanh thép, khung chống thép và neo Tăng chiều dày lớp bê tơng vỏ hầm sẽ khơng cĩ lợi vì giảm diện tích tiết diện hầm.

12 Thời gian và phương pháp thi cơng vỏ hầm được quyết định dựa trên kết quả quan trắc của các thiết bị

Thông thường lớp bê tông vỏ hầm được thi công sau khi biến dạng của hầm đã ổn định Nếu chuyển vị có xu hướng gia tăng, cần kiểm tra kỹ nguyên nhân Lớp bê tông vỏ hầm phải được thiết kế đủ cường độ chống lại áp lực của đá tác dụng lên

13 Về mặt lý thuyết, kết cấu của hầm giống như một ống hình trụ gồm vịm đất đá,

hệ thống chống đỡ và vỏ hầm liên hợp với nhau làm cho hầm tự ổn định.

Hệ thống chống đỡ truyền thống gồm phần vòm và tường đỡ, khối đá xung quanh được xem như là tải trọng tác dụng lên hầm Theo lý thuyết NATM, hầm tính như là một kết cấu liên hợp gồm khối đá, hệ thống chống đỡ và vỏ hầm

Taực ủoọng voứm đá cuỷa heọ thoỏng choỏng ủụừ NATM

14 Cấu tạo vũm ngửa (đỏy hầm) tạo nờn hầm cú dạng ống trụ kớn Kết cấu này cho phộp tăng khả năng chịu ỏp lực của đất đỏ.

15 Ứng xử của khối đỏ phụ thuộc vào tiến trỡnh đào hầm và sự lắp đặt hệ thống chống đỡ cho đến khi kết cấu kớn của hầm được hỡnh thành Mụ men uốn bất lợi xuất hiện tại khu vực tiếp giỏp của phần vũm và tường do hiệu ứng hẫng nếu như khoảng cỏch giữa bề mặt gương đào phần vũm và phần tường xa nhau.

16 Từ quan điểm phõn bố lại ứng suất, phương phỏp đào toàn tiết diện tốt hơn cỏc phương phỏp khỏc Khi phõn mảnh sẽ làm cho chất lượng khối đỏ xung quanh giảm

đi nhanh chúng do phõn bố lại ứng suất

Tuyứ thuoọc vaứo quaự trỡnh ủaứo haàm, vieọc phaõn boỏ ửựng suaỏt cuỷa khoỏi ủaự xung quanh seừ xaỷy ra vaứ cuoỏi cuứng ủaùt ủeỏn moọt traùng thaựi ửựng suaỏt mụựi Khoỏi ủaự xung quanh haàm gaởp phaỷi tỡnh traùng coự taỷi vaứ khoõng taỷi laởp ủi laởp laùi trong suoỏt quaự trỡnh phaõn boỏ laùi ửựng suaỏt ẹoõi khi traùng thaựi naứy laởp laùi daón ủeỏn keỏt quaỷ khoỏi ủaự bũ phaự hoaùi Tuy nhieõn, raỏt khoự thửùc hieọn phửụng phaựp ủaứo toaứn maởt caột ụỷ nhửừng vuứng ủaự xaỏu nhử ủaự phong hoaự naởng hoaởc ủaỏt Trong caực trửụứng hụùp nhử vaọy ta phaỷi chia gửụng haàm thaứnh nhửừng gửụng nhoỷ vaứ caàn phaỷi ủo ủaùc kieồm tra tớnh oồn ủũnh cuỷa moói phaàn haàm ủoự

17 Phương phỏp đào hầm cú ảnh hưởng rất lớn đến khối đỏ xung quanh, chẳng hạn chu kỳ và sự liờn tục của việc đào hầm, thời gian thi cụng vỏ hầm, thời gian kết thỳc… cỏc yếu tố này cần được kiểm soỏt để tạo ra kết cấu liờn hợp đảm bảo ổn định của đường hầm.

18 Mỗi bộ phận hầm nờn cú hỡnh dạng đường trũn nhằm trỏnh ứng suất tập trung bất lợi.

19 Nếu hầm được thiết kế cú vỏ kộp thỡ vỏ hầm bờn trong phải mỏng Ứng suất cắt giữa vỏ ngoài và khối đỏ sẽ khụng truyền vào vỏ trong Cũn lực hướng tõm sẽ truyền cho kết cấu vỏ kộp.

20 Kết cấu liờn hợp của khối đỏ và kết cấu chống đỡ ban đầu phải hỡnh thành trước khi thi cụng lớp bờ tụng vỏ hầm trong Lớp vỏ hầm bờn trong chỉ cú tỏc dụng làm tăng hệ số an toàn cho hầm Tuy nhiờn, độ ổn định của kết cấu hầm cần được tớnh toỏn bao gồm cả lớp bờ tụng vỏ hầm bờn trong khi hầm gặp nước thấm cú lưu lượng lớn hoặc khi tớnh đến khả năng cỏc neo bị ăn mũn.

21 Thiết bị đo quan trắc đúng vai trũ quan trọng đối với cụng tỏc thiết kế và thi cụng đường hầm Việc đo ứng suất, chuyển vị của vỏ hầm cú ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi thi cụng hầm.

22 Áp lực của nước ngầm xuất hiện trong khối địa tầng cần phải giải phúng bằng

hệ thống thoỏt nước.

Aựp lửùc thuỷy túnh xung quanh ủửụứng haàm seừ thay ủoồi tuứy thuoọc vaứo sửù bieỏn ủoồi mửùc nửụực ngaàm Heọ thoỏng thoaựt nửụực ngaàm laứ caựch laứm giaỷm aựp lửùc thuỷy túnh hửừu ớch nhaỏt Tuy nhieõn nhửừng chi tieỏt veà ửựng suaỏt thuỷy ủoọng lửùc trong khoỏi ủaự cho ủeỏn nay vaón chửa ủửụùc heọ thoỏng ủaày ủuỷ

2.3 Các phơng pháp chống đỡ, gia cố vòm đất đá xung quanh hầm

và chức năng của các thiết bị gia cố, chống đỡ.

Để đảm bảo tuân thủ các nguyên tắc cơ bản nêu trong mục trớc việc lựa chọn và

áp dụng các hệ thống chống đỡ trong hầm có tính chất quyết định đến sự thành công của phơng pháp NATM

Việc chống đỡ phần hầm đã đợc đào để đạt đợc mục đích chính là tạo hiệu quả cho vòm đất, đá xung quanh vỏ hầm trở thành phần chịu lực chính của hệ thống

Hệ thống gia cố, chống đỡ vỏ hầm là một kết cấu phức hợp bao gồm khối đá bao quanh hầm và các hệ thống chống đỡ khác nhau nh neo, bê tông phun, dầm thép và các thiết bị khác Tuỳ theo từng điều kiện địa chất, hệ thống gia cố, chống đỡ đợc áp dụng khác nhau Trong NATM, về cơ bản điều kiện địa chất đợc phân thành 6 loại địa chất theo mức độ rời rạc của đất đá Tơng ứng với mỗi loại địa chất có một hệ thống chống

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

bề mặt đất đá xung quanh vỏ hầm và gơng đào sau khi đào xong một phân đoạn hầm Thông thờng bê tông phun đợc sử dụng là hỗn hợp bê tông gồm cát, xi măng có độ mịn cao, nớc và phụ gia đông cứng nhanh Hỗn hợp vật liệu này đợc phun trực tiếp lên bề mặt địa chất xung quanh vỏ hầm bằng một trong hai phơng pháp phun bê tông là phơng pháp trộn khô và phơng pháp trộn ớt

Chức năng của lớp bê tông phun trong việc gia cố và chống đỡ vỏ hầm bao gồm:

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

- Liên kết với đất đá để phân bố và truyền tải trọng ra đất đá xung quanh

- Tăng độ bền kháng cắt tại các vị trí có khe nứt của khối đá, giữ cho đá đ ợc toàn khối và tạo vòm đá dọc xung quanh vòm và tờng hầm

4 Tác dụng gia cố vùng đất đá yếu:

Nhờ tính linh hoạt, bê tông phun có thể chui vào các kẽ hở của đất đá

5 Tác dụng che chắn:

Bằng cách che chắn bề mặt đất đá ngay sau khi khai đào, bê tông phun bảo vệ

đất đá không bị phong hoá, bào mòn đất đá, rò rỉ nớc ngầm

Chức năng chủ yếu của neo đá trong việc gia cố và chống đỡ vỏ hầm là:

1 Chức năng neo: Có tác dụng giữ ổn định đất đá bị tơi sau khi nổ mìn Chức

năng này hiệu quả trong các trờng hợp đá nứt nẻ

2 Liên kết các lớp đá lại với nhau: Neo đá đợc sử dụng tạo cho các lớp đá chặt

sít lại và chịu ứng suất cắt tại các khe nứt

3 Tăng khả năng chịu lực của đất đá: Neo đá có chức năng làm tăng khả năng

chịu lực của đất đá do lực kéo của neo đá.

4 Tăng hiệu ứng vòm: Do neo đá làm tăng khả năng chịu lực của đất đá do đó

hiệu ứng vòm trong đất đá đợc cải thiện rõ rết

5 Tác dụng gia cố đất đá: Neo đá sau khi lắp đặt có thể làm tăng tính chất cơ lý

của đất đá, tăng cờng độ chịu nén và sức kháng cắt của đất đá

2.3.3 Các kết cấu gia cố chống đỡ khác:

Ngoài các dạng gia cố chống đỡ vỏ hầm chính ở trên trong những trờng hợp đất yếu cụ thể ngời ta có thể sử dụng thêm các thiết bị gia cố khác nh dầm thép, lới thép, khoan phun gia cố

2.4 Kết cấu vỏ hầm

Vỏ hầm cùng các hệ thống chống đỡ trên tạo thành kết cấu tiếp nhận và chịu toàn bộ tải trọng đất đá Vỏ hầm là kết cấu bê tông đúc tại chỗ có chiều dày khoảng 30cm Khác với các phơng pháp khác, trong phơng pháp NATM do đất đá đợc gia cố bằng các hệ thống nh đã nói ở trên có thể tự bản thân tiếp nhận một phần tải trọng bản thân đất đá do đó chiều dày lớp vỏ hầm thờng mỏng hơn rất nhiều

Nhìn chung quá trình linh hoạt trên giúp cho việc đào hầm đạt hiệu quả tối u theo thực trạng địa chất thực tế

2.5 Đo đạc và xử lý trong thi công của NATM

Việc do đạc và kiểm tra trực tiếp, liên tục các biểu hiện của đờng hầm cũng nh các phơng tiện chống đỡ khác nhau là một tính chất thống nhất của NATM Các thông

số về chống đỡ đợc tính toán trớc và nếu cần sẽ đợc xác định lại trong quá trình tiến hành đào hầm Vì vậy, việc sử dụng có hiệu quả tối đa các biện pháp chống đỡ tuỳ theo

sự biến dạng cho phép hoặc các tiêu chuẩn an toàn là có thể thực hiện đợc Các biện pháp đo đạc, cho phép tối u hoá về mặt kết cấu và đa ra một sự đánh giá khách quan trong quá trình thi công

Bên cạnh việc cân bằng thờng xuyên tính cơ lý và các chuyển động của vòm đất

đá, các điểm tập trung ứng suất trên thành cũng cần đợc tính toán cận thận Sự phát triển của lớp đất đá bị tách ra phía ngoài của vòm đất đá trong khoảng thời gian nhất

định cho thấy sự biến dạng dới tác động của việc phân bố lại áp lực Các phơng pháp

đo đạc hiện đại cho phép đánh giá và phân tích sự biến dạng của lớp đất đá để kịp thời

đa ra biện pháp chống đỡ