Giới thiệu công nghệ thi công hầm theo công nghệ NATM

Khái niệm Quan điểm thiết kế thi công hầm theo phương pháp cổ truyền là coi đất đá xung quanh gây ra áp lực tác dụng lên vỏ hầm.. Do đó khi thi công hầm theo phương pháp cổ truyền, sau

Giới thiệu công nghệ thi công hầm theo phương pháp NATM (New

Austrial tunneling method)

pgs ts Nguyến viết trung

ks nguyễn đức vương

Bộ môn CTGiao thông TP - ĐH GTVT

Tóm tắt: Bμi viết nμy trình bμy khái niệm chung nhất về phương pháp thi công hầm mới

của Người áo (NATM), giới thiệu trình tự thiết kế, thi công, các ưu nhược điểm vμ phạm vi áp dụng của phương pháp

Summary: This paper presents the general concept of New Austrian Tunneling Method,

introducing design sequence, tunneling construction, advantages, disadvantages and the field

of application of this method

1 Khái niệm

Quan điểm thiết kế thi công hầm theo

phương pháp cổ truyền là coi đất đá xung

quanh gây ra áp lực tác dụng lên vỏ hầm Vỏ

hầm khi đó là kết cấu chịu lực chính Do đó

khi thi công hầm theo phương pháp cổ truyền,

sau khi khai đào ta cần nhanh chóng xây

dựng kết cấu chống đỡ và vỏ hầm để chịu sự

tác động của đất đá xung quanh

Đến những năm 1957 - 1965 kỹ sư mỏ

người áo, Giáo sư Tiến sỹ L V Rabcewicz đã

phát triển thành phương pháp mới về thi công

hầm từ những kinh nghiệm thi công hầm

Phương pháp này thay đổi quan điểm thiết kế

thi công hầm Nó tỏ ra có nhiều ưu thế hơn

các phương pháp cổ truyền và đã áp dụng ở

nhiều nước trên thế giới thông qua các công

trình thực tiễn trong nhiều lĩnh vực như đường

bộ, đường sắt và đường thuỷ ở Việt Nam

phương pháp này được áp dụng đầu tiên tại

dự án Hầm đường bộ Hải Vân và sắp tới sẽ áp

dụng cho Dự án Hầm Đèo Ngang

Phương pháp NATM bao gồm các biện pháp mà việc hình thành đất đá xung quanh hầm được liên kết thành kết cấu vòm chống

Do đó việc liên kết này tự bản thân nó sẽ trở thành một phần của kết cấu đỡ hầm Khi đào hầm, sự cân bằng hiện có nguyên thuỷ của các lực trong khối đá sẽ chuyển sang tình trạng cân bằng mới, thứ cấp và cũng ổn định

Điều này chỉ có thể đạt được thông qua sự kế tiếp của các giai đoạn trước mắt cùng với tiến trình phân bổ lại các ứng suất đa dạng Mục

đích của NATM là kiểm soát được các tiến trình chuyển đỏi này trong khi vẫn cân nhắc

về mặt kinh tế và an toàn

2 Trình tự thiết kế cơ bản của phương pháp

2.1 Lập tuyến

Việc lập tuyến hầm được thực hiện theo chức năng của hầm chẳng hạn như các điều kiện địa chất, vị trí hầm, kiểm soát an toàn trong và sau quá trình thi công, ảnh hưởng

đến môi trường và hiệu quả kinh tế

- Định tuyến hầm trên bình đồ và trắc dọc

của hầm được thiết kế đảm bảo các chức

năng và mục đích của hầm như là một phần

của tuyến đường theo địa hình, địa chất, môi

trường dựa trên kết quả đo đạc tại hiện trường

- Vị trí cửa hầm: Các yếu tố chính để

quyết định vị trí của cửa hầm là tuyến bình đồ

và trắc ngang của đường, điều kiện địa hình,

địa chất khu vực cửa hầm Các điều kiện địa

chất xung quanh khu vực cửa hầm khó mong

đợi được khả năng tự chống đỡ của đất đá do

tầng phủ mỏng và các điều kiện địa chất

không thuận lợi Để có hiệu ứng vòm đất xung

quanh hầm, độ dày tối thiểu của lớp phủ phải

lớn hơn 2 lần đường kính hầm

- Mặt cắt ngang hầm: Kích thước hầm và

mặt cắt bên trong hầm sẽ được ước tính theo

loại và mục đích sử dụng Mặt cắt bên trong

hầm sẽ phù hợp theo kích thước hầm, thiết bị

thông gió, thiết bị chiếu sáng, thiết bị cấp cứu,

các biển báo và dung sai cho phép của các

sai sót trong thi công

- Thiết kế khu vực cửa hầm

2.2 Khảo sát chi tiết và phân loại đất

đá khu vực tuyến hầm

Loại đá được đánh giá dựa vào điều kiện

địa chất, màu sắc trên bề mặt đá, phân bố

các khe nứt và cú đập của búa địa chất Loại

hệ thống chống đỡ được phân loại theo tiêu

chuẩn kỹ thuật (chiều dày bê tông phun, chiều

dài, khoảng cách các neo đá, kết cấu khung

thép) Loại đá và hệ thống chống đỡ có liên

quan với nhau qua hệ thống phân loại điểm số

khối đá (RMR) Hệ thống phân loại điểm số

khối đá (RMR) được xác định dựa trên các

thông số: Độ bền nén đơn trục của đá, chỉ số

chất lượng đá RQD, khoảng cách giữa các

khe nứt, tình trạng nước ngầm, sự định hướng

của các khe nứt

2.3 Xử lý số liệu để phân tích thiết kế

Số liệu về địa chất được đệ trình là kết

quả của sự kiểm tra địa kỹ thuật và địa chất

theo yêu cầu cần phải được đánh giá theo quan điểm của kỹ sư hầm Các công việc là phân tích thí nghiệm trong phòng, đánh giá các tính chát vật lý của khối đá, các tính chất vật lý sử dụng trong tính toán thiết kế

2.4 Tính toán thiết kế

Phương pháp NATM là phương pháp sử dụng bê tông phun và neo đá như là yếu tố chống đỡ chính để ổn định hầm Cường độ bê tông phun và neo đá sẽ dần dần được tăng lên theo thời gian Vì vậy, yếu tố thời gian là quan trọng trong thiết kế chống đỡ hầm Nhân

tố giải phóng ứng suất (tác động 3 chiều của gương hầm) luôn là nhân tố có tác động tương

tự như yếu tố thời gian và nó thường được áp dụng trong thiết kế hầm được đào theo phương pháp khoan và nổ mìn là phương pháp có các thành phần của hệ thống chống

đỡ được lắp đặt ở vùng lân cận xung quanh gương hầm Dưới đây giới thiệu một số phương pháp tính toán:

A Phương pháp đường cong phản lực đất

đá sử dụng cho thiết kế hệ thống chống đỡ

Phương trình vi phân đàn hồi - dẻo được

sử dụng để tính toán đường cong phản lực đất

đá

Các kiện để giải phương trình vi phân này là:

+ Kiểu đường hầm tròn đào trong môi trường đồng nhất dưới áp lực thuỷ tĩnh

+ Điều kiện uốn của khối đất đá được tính theo tiêu chuẩn đường cong Morh - Coulomb + Quy tắc dòng chảy được áp dụng để tính toán ứng suất và sức căng của trạng thái dẻo

- Mặt cắt thiết kế

- Tải trọng thiết kế

Điều kiện áp suất thuỷ tĩnh được giả thiết tương ứng với tầng phủ, nghĩa là bao gồm cả áp suất nước ứng suất xung

quanh hầm dự tính cao hơn áp suất nước

và kết quả của việc tính toán sẽ chuyển

sang phía an toàn hơn

- Tính toán khả năng chống đỡ:

- Bê tông phun: Bê tông phun được xem

như một lớp vỏ mỏng hình trụ rỗng có áp suất

đồng dạng ở mặt ngoài Khả năng chống đỡ

của bê tông phun và sự dịch chuyển của bê

tông phun được tính theo phương trình cường

độ bê tông phun

c

c is

R

h

h E

) 1 ( P U

sc

2 sc is sc

υ

ư

=

trong đó:

Psi - khả năng chống đỡ của bê tông

phun;

σc - cường độ đơn trục của bê tông phun;

h - độ dày của lớp bê tông phun;

Rc - bán kính của lớp bê tông phun;

Usc - sự chuyển dịch của bê tông phun;

Esc - mô duyn đàn hồi của bê tông phun;

υsc - hệ số Poison của bê tông phun (giả

sử υsc = 0,2);

- Neo đá: Khả năng chống đỡ của neo

đá được tính theo phương trình:

B B B

B 2 R l .S

Tổng khả năng chịu tải cho số neo lắp

đặt dọc theo đường kính hầm:

B 0

B iB

L R 2

C n P

π

=

trong đó:

CB - khả năng chống đỡ một đơn vị của

neo đá (một neo đá);

R0 - bán kính của neo đá;

lB - chiều dài của neo đá;

SB - cường độ của neo đá;

LB - khoảng cách giữa các neo đá dọc theo trục hầm

Khả năng tới hạn của neo đá nhỏ hơn độ bền vật liệu neo đá và gần như bằng với độ bền của đinh ốc Khả năng chống đỡ của neo

đá sẽ được điều chỉnh bằng khả năng tới hạn

- Khung thép

Phương trình đối với vỏ ống hình trụ mỏng được sử dụng để đánh giá khả năng chống đỡ của khung thép:

S S

S S iSP

l

R

A

=

trong đó:

RiSP - khả năng chống đỡ của khung thép;

σS - độ bền của khung thép;

AS - diện tích tiết diện của khung thép;

RS - bán kính của khung thép;

lS - khoảng cách của khung thép dọc theo trục hầm;

• Tính toán đường cong phản lực của đất

đá:

Đường cong này được tính toán như sau: + Toàn bộ áp suất tầng phủ sẽ tác động lên hầm

+ áp suất phân bố sung quanh gương hầm được xác định bằng hệ số giải phóng ứng suất

+ Hành vi của khối đá trong trạng thái biến dạng được mô tả theo đàn hồi dẻo lý tưởng

+ Bỏ qua sự nén ép của khối đá

• Kết quả và đánh giá tính toán

B Mô hình phân tích bằng máy

Theo đà phát triển của ngành công nghệ

máy tính, nhiều loại khác nhau của mô hình

tính số được phát triển trên khắp thế giới Một

phương pháp điển hình để mô hình hoá sự

phân tích là phương pháp phần tử hữu hạn -

một phương pháp đã có một lịc sử phát triển

gần 40 năm và là phương pháp rất hữu ích để

đánh giá sự phân bố ứng suất và sức căng

trên một mẫu liên tục

Trình tự tính toán:

- Tính toán trường ứng suất ban đầu

- Mô phỏng thi công đào hầm và tính

toán ứng suất và sự dịch chuyển xung quanh

hầm

- Tính toán khu vực uốn và thay đổi mô

duyn đàn hồi và lực kết dính của khu vực uốn

- Tính toán lại ứng suất và sự dịch

chuyển xung quanh hầm

- Lập lại các bước trên

Khả năng chống đỡ được tính toán theo

phương pháp ứng suất bên trong

3 Các bước thi công chính của

phương pháp NATM

• Thi công khai đào bằng nổ mìn, bằng

máy hoặc nhân công Việc khai đào có thể

tiến hành toàn bộ mặt cắt, phương pháp cắt

bậc trước hoặc phương pháp lò phụ trước,…

tuỳ thuộc vào điều kiện đất đá, tiết diện mặt

cắt ngang, giai đoạn xây dựng, điều kiện địa

điểm Việc khai đào hầm được thực hiện sao

cho đất đá không bị rời ra để giữ cho đất đá

có chức năng chống đỗ ở mức tối đa và mặt

cắt của gương càng lớn càng tốt

• Bốc xúc đất đá: được tiến hành phù hợp

với điều kiện đất đá, điều kiện địa điểm, kích

thước mặt cắt ngang hầm, chiều dài đường

hầm, độ dốc, phương pháp khai đào, hệ thống

truyền động trong đường hầm, loại bốc xúc,

và cự ly vận chuyển đến bải thải…

• Thi công hệ thống chống đỡ Công tác chống đỡ được tiến hành ngay sau khi khai đào để tạo cho đất đá xung quanh sớm có chức năng chống đỡ Hệ thống chống đỡ kết hợp với đất đá hoặc bám sát đất

đá càng gần càng tốt để cho đất đá ổn định

Hệ thống chống đỡ trong phương pháp NATM gồm: bê tông phun, neo đá và khung thép Loại hệ thống chống đỡ được chọn tuỳ thuộc vào điều kiện đất đá

Khi điều kiện đất đá rắn chắc tiến hành phun vữa, tiếp đó thi công neo đá

Khi điều kiện đất đá yếu: tiến hành phun vữa lần đầu, hệ thống chống bằng thép, phun vữa lần hai, tiếp đó là thi công neo đá

Đặc biệt, công tác phun vữa phải được tiến hành ngay sau khi khai đào để giảm thiểu

sự sập gương và làm tơi vùng xung quanh trong điều kiện đất đá yếu

• Quan trắc đo đạc sự biến dạng của vỏ hầm

• Thi công lớp phòng chống nước

• Thi công lớp bê tông vỏ hầm Lớp bê tông vỏ hầm được thi công khi biến dạng vỏ hầm ở một chỉ số cho phép Trình tự thi công là: Lắp đặt hệ thống ván khuôn, đổ bê tông vỏ hầm

4 Các ưu nhược điểm vμ phạm vi áp dụng của phương pháp NATM

- Sử dụng triệt để sự chống đỡ tự nhiên của đất đá xung quanh Vữa phun, neo đá, hệ thống chống đỡ bằng thép… bảo đảm sự ổn

định của đất đá khi thi công

- Kích thước mặt cắt ngang lớn có thể thiết kế lớn hơn so với phương pháp cổ truyền Với mặt cắt lớn thì NATM hiệu quả hơn phương pháp cổ truyền

- Đối với đất đá cứng phương pháp NATM

tỏ ra hiệu quả hơn Do vậy phương pháp này

được áp dụng khi điều kiện đất đá tốt Khi đất

đá yếu, rời rạc vẫn có thể thi công theo NATM tuy nhiên chi phí tốn kém hơn do phải dùng các phương pháp phụ trợ

Kết luận: Trong lĩnh vực thi công hầm,

trên thế giới đã và đang tồn tại nhiều phương pháp thi công Mỗi phương pháp thi công đều

có những ưu nhược điểm riêng Phạm vi áp dụng của mỗi phương pháp phụ thuộc vào

điều kiện đất đá, chức năng của đường hầm, các điều kiện địa điểm, tác động đến môi trường xung quanh và hiệu quả kinh tế Với mỗi dự án cụ thể chúng ta cần xem xét, phân tích, đánh giá kỹ các điều kiện để lựa chọn phương pháp thi công hầm hợp lý cả về mặt

kỹ thuật, an toàn và kinh tế Bài viết trên giới thiệu đến bạn đọc những gì chung nhất của phương pháp NATM, chi tiết công nghệ sẽ trình bày ở các bài sau

Tài liệu tham khảo

[1] Japan Society of Civil Engineers - Japanese Standard for mountain Tunneling

[2] Hai Van Pass Tunnel Project

[3] NATM Training Program (course A & B) Ă