Nghiên cứu các phương pháp đánh giá chất lượng khối đá tại hiện trường phục vụ thi công hầm dẫn nước thuỷ điện bắc bình bằng công nghệ natm

TÔ QUANG HÒA NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ðÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KHỐI ðÁ TẠI HIỆN TRƯỜNG PHỤC VỤ THI CÔNG HẦM DẪN NƯỚC THỦY ðIỆN BẮC BÌNH BẰNG CÔNG NGHỆ NATM Chuyên ngành: ðịa chất công trì

TÔ QUANG HÒA

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ðÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KHỐI ðÁ TẠI HIỆN TRƯỜNG PHỤC VỤ THI CÔNG HẦM DẪN NƯỚC THỦY ðIỆN BẮC BÌNH

BẰNG CÔNG NGHỆ NATM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2010

TÔ QUANG HÒA

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ðÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KHỐI ðÁ TẠI HIỆN TRƯỜNG PHỤC VỤ THI CÔNG HẦM DẪN NƯỚC THỦY ðIỆN BẮC BÌNH

BẰNG CÔNG NGHỆ NATM

Chuyên ngành: ðịa chất công trình

Mã số: 60.44.65

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Tô Xuân Vu

HÀ NỘI – NĂM 2010

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu riêng của tôi Các kết quả, luận ñiểm trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Tô Quang Hòa

LỜI CẢM ƠN

ðề tài luận văn là một lĩnh vực mới và phức tạp, thời gian nghiên cứu không nhiều, trình ñộ kiến thức cũng như kinh nghiệm của bản thân còn có hạn, do vậy trong luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả luận văn rất mong nhận ñược những ý kiến ñóng góp quý báu của các chuyên gia, các nhà khoa học, các thầy, cô giáo và các bạn ñồng nghiệp ñể kết quả của luận văn hoàn thiện và có tính ứng dụng cao hơn, hiệu quả hơn

Qua ñây, tác giả xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Tô Xuân Vu ñã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn

MỤC LỤC

Trang bìa phụ

Lời cam ñoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các thuật ngữ, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng biểu

Danh mục các hình vẽ, ñồ thị

Mở ñầu

1 Tính cấp thiết của ñề tài

2 ðối tượng và phạm vi nghiên cứu

3 Mục tiêu nghiên cứu

4 Nhiệm vụ của ñề tài

5 Nội dung nghiên cứu

6 Phương pháp nghiên cứu

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

8 Cấu trúc của luận văn

Chương 1 Tổng quan về công nghệ thi công hầm NATM và các phương pháp ñánh giá chất lượng khối ñá

1.1 Tổng quan về công nghệ thi công hầm NATM

1.1.1 Lịch sử ra ñời của NATM

1.1.2 Nguyên lý cơ bản của NATM

1.1.2.1 Khái niệm NATM

1.1.2.2 Những nguyên lý cơ bản của công nghệ NATM

1.1.3 Ưu ñiểm, nhược ñiểm và phạm vi áp dụng của NATM

1.1.3.1 Ưu ñiểm của NATM

1.1.3.2 Nhược ñiểm của NATM

1.1.3.3 Phạm vi áp dụng của NATM

1

2

3

7

8

10

11

11

12

12

12

12

13

13

13

14

14

14

16

16

17

22

22

23

24

1.1.4 Ứng dụng của NATM

1.1.4.1 Ứng dụng của NATM ở châu Âu

1.1.4.2 Ứng dụng của NATM ở Việt Nam

1.2 Các phương pháp ñánh giá chất lượng khối ñá phục vụ thi công hầm bằng công nghệ NATM

1.2.1 Các phương pháp tính toán lý thuyết

1.2.1.1 Phương pháp hàm số phức

1.2.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method)

1.2.1.3 Phương pháp phân tích biến dạng không liên tục (DDA-Discontinuous Deformation Analysis)

1.2.1.4 Phương pháp phần tử phân tán (DEM-Disperse Element Method)

1.2.1.5 Phương pháp sai phân hữu hạn (FLAC-Fast Lagrangian Analysis of Continua)

1.2.1.6 Phương pháp phần tử biên (BPAM-Basic Partitioned Access Method)

1.2.1.7 Phương pháp phân tích phần tử khối - lò xo (Mass Spring Element Method)

1.2.2 Các phương pháp thực nghiệm

1.2.2.1 Phương pháp RMR

1.2.2.2 Phương pháp Q

1.2.2.3 Phương pháp RMi

Chương 2 Xây dựng phương pháp ñánh giá chất lượng khối ñá tại hiện trường phục vụ thi công hầm bằng công nghệ NATM 2.1 Những vấn ñề bất cập phát sinh khi sử dụng các phương pháp ñánh giá chất lượng khối ñá và giải pháp khắc phục

2.1.1 Phân tích ưu nhược ñiểm của các phương pháp Q, RMR và RMi

2.1.1.1 Ưu nhược ñiểm của phương pháp Q

2.1.1.2 Ưu nhược ñiểm của phương pháp RMR

2.1.1.3 Ưu nhược ñiểm của phương pháp RMi

24

24

25

27

27

27

27

28

28

28

29

29

30

30

35

42

47

47

47

47

48

48

2.1.2 Giải pháp khắc phục các tồn tại trong việc ựánh giá chất lượng khối

ựá

2.2 Cơ sở của sự kết hợp phương pháp Q và RMR trong ựánh giá chất lượng khối ựá

2.2.1 Mối tương quan giữa phương pháp Q và RMR

2.2.2 Ảnh hưởng của các chỉ số trong Q và RMR

2.2.3 Khả năng ứng dụng kết hợp phương pháp Q và RMR

2.3 Các tiêu chuẩn ựánh giá chất lượng khối ựá sử dụng RMR và Q

2.3.1 đánh giá chất lượng khối ựá theo kết quả RMR

2.3.2 đánh giá chất lượng khối ựá theo kết quả Q

2.4 Quy trình ựánh giá chất lượng khối ựá kết hợp phương pháp Q và RMR phục vụ thi công hầm dẫn nước bằng công nghệ NATM

2.4.1 Mô tả ựiều kiện ựịa chất, tắnh toán các giá trị Q và RMR

2.4.2 Chọn phương án gia cố chống ựỡ tạm thời

2.4.3 Theo dõi các biểu hiện ựịa chất bất thường

2.4.4 Các giải pháp tăng cường chống ựỡ trong ựiều kiện ựịa chất bất lợi

Chương 3 đặc ựiểm ựịa chất công trình tuyến hầm dẫn nước công trình thủy ựiện Bắc Bình

3.1 điều kiện tự nhiên khu vực Thủy ựiện Bắc Bình

3.1.1 Vị trắ ựịa lý

3.1.2 đặc ựiểm ựịa hình

3.1.3 Khắ hậu

3.1.4 Cấu trúc ựịa chất

3.1.4.1 địa tầng

3.1.4.2 Kiến tạo

3.1.5 đặc ựiểm ựịa chất thủy văn

3.1.6 Các quá trình và hiện tượng ựịa chất vật lý

3.1.6.1 Phong hóa

3.1.6.2 Mương xói

49

50

50

52

58

59

59

60

61

61

62

63

63

65

65

65

65

66

66

66

69

70

71

71

72

3.2 đặc ựiểm ựịa chất công trình tuyến hầm

3.2.1 Cấu tạo ựịa chất

3.2.2 đặc tắnh nứt nẻ của ựá

3.2.3 đặc trưng cơ lý khối ựá

3.2.4 Nước ngầm

Chương 4 đánh giá chất lượng khối ựá phục vụ thi công hầm dẫn nước thủy ựiện Bắc Bình bằng công nghệ NATM

4.1 Những ựặc ựiểm cơ bản trong thiết kế kỹ thuật tuyến hầm dẫn nước

4.2 Áp dụng quy trình ựánh giá chất lượng khối ựá bằng phương pháp Q và RMR phục vụ thi công hầm dẫn nước Thủy ựiện Bắc Bình

4.3 Lựa chọn biện pháp gia cố tạm thời cho hầm dẫn nước Thủy ựiện Bắc Bình

4.3.1 Các biện pháp gia cố hầm theo phương pháp Q

4.3.2 Các biện pháp gia cố hầm theo phương pháp RMR

4.3.3 Lựa chọn biện pháp gia cố cho hầm dẫn nước thủy ựiện Bắc Bình kết hợp phương pháp Q và RMR

4.4 Phân tắch kết quả ựánh giá chất lượng khối ựá kết hợp Q và RMR

4.5 Kiểm toán ổn ựịnh khối ựá xung quanh hầm

4.6 Những vấn ựề cần lưu ý khi ựánh giá chất lượng khối ựá theo phương pháp kết hợp Q và RMR

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo Phụ lục

72

72

73

75

79

80

80

81

86

86

86

88

90

94

100

102

104

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Sự phát triển công nghệ theo thời gian dẫn ñến NATM

Bảng 1.2 Các thông số phân loại từ A1 ñến A5 trong RMR

Bảng 1.3 Thông số phân loại A6 trong RMR (hướng khe nứt)

Bảng 1.4 Phân loại các ñiều kiện khe nứt (A4)

Bảng 1.5 Phân loại ảnh hưởng ñường phương và góc dốc của các khe nứt, ñứt gẫy tới việc ñào hầm (A6)

Bảng 1.6 Chất lượng khối ñá ñược xác ñịnh theo tổng số ñiểm RMR Bảng 1.7 Ý nghĩa của cấp chất lượng khối ñá

Bảng 1.8 Bảng chỉ dẫn công tác ñào và gia cố hầm (hầm rộng 10m)

Bảng 1.9 Chỉ tiêu chất lượng ñá RQD

Bảng 1.10 Số hệ khe nứt

Bảng 1.11 ðộ nhám khe nứt

Bảng 1.12 Sự biến ñổi bề mặt khe nứt

Bảng 1.13 Mức ñộ chứa nước trong khe nứt

Bảng 1.14 Yếu tố suy giảm ứng suất

Bảng 1.15 Chất lượng khối ñá ñược xác ñịnh theo giá trị Q

Bảng 1.16 Bảng giá trị hệ số gia cố hầm (ESR)

Bảng 1.17 Giá trị các thông số ñầu vào của RMi

Bảng 2.1 Mức ñộ ảnh hưởng của các tính chất cơ bản của khối ñá tới các giá trị RMR và Q (theo Milne và nnk, 1998)

Bảng 2.2 Quan hệ Q và RMR tại các công trình khác nhau

Bảng 2.3 Tổng quan về các thông số ñầu vào của RMR và Q

Bảng 2.4 So sánh ñặc ñiểm các thông số ñầu vào của RMR và Q

Bảng 3.1 Bảng phân loại ñứt gãy và khe nứt kiến tạo

Bảng 3.2 Bảng phân cấp ñất ñá Thủy ñiện Bắc Bình

Bảng 3.3 Chỉ số RQD khu vực hầm dẫn nước (theo lõi khoan)

15

31

32

32

33

33

33

34

36

37

37

37

38

39

41

41

43

50

52

52

53

70

71

74

Bảng 3.4 Bảng tổng hợp các chỉ tiêu ñặc trưng cơ lý khối ñá hầm

thủy ñiện Bắc Bình

Thủy ñiện Bắc Bình

Bảng 4.3 Biện pháp gia cố hầm theo giá trị Q và RMR

Bảng 4.4 Tổng hợp các loại gia cố hầm dẫn nước Thủy ñiện Bắc

Bình

ñá

nguồn gốc thành tạo của ñá

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ

Hình 1.1

Hình 2.1

Hình 2.2

Hình 2.3

Hình 4.1

Hình 4.2

Hình 4.3

Hình 4.4

Hình 4.5

Hình 4.6

Hình 4.7

Hình 4.8

Hình 4.9

Hình 4.10

Hình 411

Hình 4.12

Biểu ñồ tính toán giá trị RMi

Quan hệ RMR-Q và khoảng dao ñộng giá trị

Biểu ñồ tương quan giữa thời gian ổn ñịnh không chống, khẩu ñộ vòm hầm và giá trị RMR

Các biện pháp ñào và gia cố hầm theo phương pháp Q

Biểu ñồ giá trị Q toàn tuyến hầm

Biểu ñồ giá trị RMR toàn tuyến hầm

Mặt cắt dọc các dạng gia cố thực hiện

Biểu ñồ tương quan Q-RMR toàn tuyến hầm

Ứng suất σ1 trong ñá cát bột kết

Ứng suất σ3 trong ñá cát bột kết

Hệ số ổn ñịnh của hầm trong ñá cát bột kết

Mức ñộ biến dạng của hầm trong ñá cát bột kết

Ứng suất σ1 trong ñá ña xit

Ứng suất σ3 trong ñá ña xit

Hệ số ổn ñịnh của hầm trong ñá ña xit

Mức ñộ biến dạng của hầm trong ñá ña xit

46

51

59

60

82

82

89

92

96

96

97

97

98

98

99

99

MỞ đẦU

1 Tắnh cấp thiết của ựề tài

đánh giá chất lượng và phân loại khối ựá là một công việc rất cần thiết nhằm phục vụ cho công tác thiết kế cũng như xác ựịnh phương án gia cố chống ựỡ hợp lý cho các công trình ngầm, ựặc biệt là các công trình ngầm thi công theo công nghệ ựào hầm NATM

Các công trình ngầm có thể ựào trong các ựới ựất ựá khác nhau, tại những vùng có ựiều kiện ựịa hình phức tạp Trong quá trình xây dựng thường xảy ra các vấn ựề ựịa chất bất lợi như nước ngầm từ các khe nứt, các ựứt gãy cục bộ, các hệ thống khe nứt lớn, ựá yếu Các vấn ựề này ựôi khi luôn thay ựổi trong những khoảng cách rất nhỏ (chỉ vài mét) gây nhiều khó khăn cho công tác thi công (phải thay ựổi liên tục các loại chống ựỡ cho phù hợp với ựiều kiện ựịa chất) trong khi các kết quả khảo sát ựịa chất trong giai ựoạn trước không dự báo ựược Khi ựó các phương pháp ựánh giá chất lượng và phân loại khối ựá theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm là giải pháp ựược sử dụng ựể ựánh giá ựộ ổn ựịnh khối ựá và xác ựịnh yêu cầu chống ựỡ

Hiện nay, có nhiều phương pháp ựánh giá chất lượng khối ựá theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm như phương pháp Rock Mass Rating (RMR) của Bieniawski, phương pháp Rock Tunnelling Quality Index (Q) của Barton, phương pháp RMi của Palmstrom Các phương pháp này ựã ựược áp dụng rộng rãi trong việc xây dựng các công trình ngầm, ựặc biệt là xây dựng hầm ở nhiều nơi trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản và các nước châu Âu khác

Các phương pháp ựánh giá chất lượng khối ựá theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm ựược xây dựng trên cơ sở các số liệu thống kê thu thập ựược tại những công trình nhất ựịnh Nhưng trong thực tế, khối ựất ựá luôn biến ựộng theo không gian và thời gian Hơn nữa, do mỗi phương pháp không thể chú ý tới ựồng thời tất cả các

yếu tố ảnh hưởng tới ñặc tính cơ lý của khối ñất ñá, nên mỗi phương pháp ñều có

ưu, nhược ñiểm riêng Chính vì vậy, không thể áp dụng một cách máy móc các kết quả nghiên cứu của một phương pháp nào mà cần phải có sự nghiên cứu ñể lựa chọn phương pháp ñánh giá chất lượng khối ñá phù hợp cho công trình cụ thể khi

thiết kế và thi công Bởi vậy, ñề tài “Nghiên cứu các phương pháp ñánh giá chất lượng khối ñá tại hiện trường phục vụ thi công hầm dẫn nước Thủy ñiện Bắc Bình bằng công nghệ NATM” là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn quan trọng

2 ðối tượng và phạm vi nghiên cứu

- ðối tượng nghiên cứu là các yếu tố cấu trúc ñịa chất làm cơ sở ñánh giá chất lượng khối ñá tại hiện trường phục vụ cho việc thi công công trình ngầm

- Phạm vi nghiên cứu là môi trường ñịa chất, nơi xảy ra quan hệ tương tác ảnh hưởng ñến sự ổn ñịnh của tuyến hầm dẫn nước công trình thủy ñiện Bắc Bình khi thi công bằng công nghệ NATM

3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài là làm sáng tỏ phương pháp ñánh giá chất lượng khối ñá tại hiện trường phục vụ thi công hầm dẫn nước bằng công nghệ NATM, áp dụng tại công trình thủy ñiện Bắc Bình

4 Nhiệm vụ của ñề tài

Nhiệm vụ của ñề tài là nghiên cứu các phương pháp ñánh giá chất lượng khối

ñá và ñiều kiện ñịa chất thực tế tuyến hầm ñể lựa chọn phương pháp ñánh giá phù hợp, phục vụ thi công hầm trong ñá bằng công nghệ NATM

5 Nội dung nghiên cứu

Với mục tiêu và nhiệm vụ như trên, nội dung nghiên cứu của ñề tài bao gồm:

- Phân tích tổng quan về công nghệ thi công hầm NATM và các phương pháp ñánh giá chất lượng khối ñá

- Xây dựng phương pháp ñánh giá chất lượng khối ñá tại hiện trường phục vụ

thi công hầm bằng công nghệ NATM

- Làm rõ các ựặc ựiểm ựịa chất công trình của tuyến hầm dẫn nước công trình Thủy ựiện Bắc Bình

- đánh giá chất lượng khối ựá phục vụ thi công hầm dẫn nước thủy ựiện Bắc Bình bằng công nghệ NATM

- đề xuất giải pháp gia cố tạm thời hầm dẫn nước Thủy ựiện Bắc Bình theo kết quả ựánh giá chất lượng khối ựá

6 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn ựã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp phân tắch, tổng hợp tài liệu nhằm tận dụng các tài liệu ựã có, phân tắch, ựịnh hướng và lập kế hoạch nghiên cứu tiếp theo

- Phương pháp ựịa chất: khảo sát hiện trường, quan sát và mô tả ựịa chất, lấy mẫu thắ nghiệm trong phòng

- Phương pháp thống kê: tổng hợp số liệu, phân tắch tắnh toán và xử lý và tổng hợp số liệu, rút ra kết quả và nhận xét

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ựề tài

- Kết quả nghiên cứu của ựề tài làm rõ thêm các phương pháp ựánh giá chất lượng khối ựá tại hiện trường phục vụ thi công hầm dẫn nước theo công nghệ NATM, từ ựó lựa chọn phương pháp phù hợp ựối với một công trình cụ thể

- Có thể sử dụng kết quả nghiên cứu của ựề tài trong thi công hầm dẫn nước của các công trình thủy ựiện và các công trình ngầm khác có ựiều kiện ựịa chất tương tự

8 Cấu trúc của luận văn

Luận văn ựược trình bày trong 105 trang bao gồm: Phần mở ựầu, 4 chương, kết luận và kiến nghị với 16 hình minh họa và 32 bảng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG HẦM NATM

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ðÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KHỐI ðÁ

1.1 Tổng quan về công nghệ thi công hầm NATM

1.1.1 Lịch sử ra ñời của NATM

Công nghệ làm hầm mới của Áo (NATM - New Austrian Tunnelling

Method) ñược xây dựng trên cơ sở hệ thống lý luận chống ñỡ hiện ñại ñược ñề xuất

vào những năm 1950, gọi là “Lý luận ñất ñá chịu lực” ðại biểu cho hệ thống lý luận này có các chuyên gia như L.V Rabcewicz, L Müller, F Pacher, J Golser, v.v Lý luận này rất chú ý ñến quá trình chuyển vị và biến dạng của khối ñất ñá bao quanh ñường hầm và tiến hành khống chế quá trình này, tức là lợi dụng ñầy ñủ năng lực chịu tải của ñất ñá bao quanh ñường hầm

Tên gọi của công nghệ này ñược Rabcewicz (kỹ sư người Áo, giáo sư ñại học) ñưa ra lần ñầu tiên trong một bài giảng năm 1962 và ñược thế giới công nhận hai năm sau ñó

Quá trình hình thành và phát triển của công nghệ NATM ñã ñược nhiều nhà nghiên cứu tổng kết thông qua việc thống kê các kiểu chống ñỡ ñã sử dụng Những bước phát triển công nghệ dẫn ñến việc hình thành NATM ñược trình bày dưới ñây

ñể có thể thấy ñược quá trình phát triển và ứng dụng của NATM (bảng 1.1)

Trong số các nhà tiên phong có những ñóng góp quan trọng cho ngành xây dựng hầm và ñặt nền móng cho công nghệ NATM có Sir Marc Isambard Brunel Vào ñầu thế kỷ 19, ông ñã giới thiệu một khiên ñào hình tròn ñể ñào hầm trong ñất yếu (bản quyền Anh số 4204) Sau ñó, Rizha - một kỹ sư hầm người ðức ñã có những ñóng góp quan trọng khác Ông sử dụng sườn chống thép thay cho cột gỗ nặng, ông cũng cho rằng hệ thống chống ñỡ cần thiết ñể giải quyết bài toán áp lực ñất ñá lớn trong nhiều trường hợp bắt nguồn tự chính nó, tức là muốn nói ñến vai trò của ñất ñá xung quanh hầm như một phần của hệ thống chống ñỡ, luận ñiểm này

trở thành nguyên tắc cơ bản của công nghệ NATM ñề xuất bởi Rabcewicz sau này (1964)

Trong thập kỷ 1910, sau phát minh của máy bơm bê tông kiểu ổ quay của một người làm nghề nhồi bông thú tên là Carl Akeley, bê tông phun ñã ñược dùng trong các hầm mỏ ở Mỹ và lan sang châu Âu vào ñầu những năm 1920

Năm 1948, Rabcewicz phát minh hệ chống ñỡ hai lớp vỏ (hệ chống ban ñầu

và cuối cùng) thể hiện quan niệm cho phép ñất ñá biến dạng trước khi thi công vỏ hầm cuối cùng ñể các tải trọng tác dụng lên vỏ hầm ñược giảm bớt

Ứng dụng ñầu tiên của NATM trong ñất yếu là dự án tàu ñiện ngầm (metro)

ở Frankfurt, ðức năm 1969

(theo Sauer 1988 & 1990; Rabcewicz 1964)

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

trong quá trình xây dựng hầm

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

văn liệu kỹ thuật do Rabcewicz ñưa ra

ñất yếu (Frankfurt am Main)

1980

ðịnh 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) thuộc Hiệp hội Xây dựng hầm Quốc tế (ITA)

1.1.2 Những nguyên lý cơ bản của công nghệ NATM

1.1.2.1 Khái niệm NATM

Giáo sư L.V Rabcewicz (11/1964) - người sáng tạo chính giải thích NATM

như là “… Một công nghệ mới bao gồm một vỏ hầm bê tông phun mỏng, ñược khép kín vào thời ñiểm sớm nhất bởi một vòm ngược thành một vòng hoàn chỉnh - gọi là một “vòm phụ” - mà sự biến dạng của nó ñược ño ñạc theo thời gian cho tới khi ñạt ñược trạng thái cân bằng” Ông nhấn mạnh ba ñiểm cơ bản, thứ nhất là sự áp dụng

một vỏ hầm bê tông phun mỏng, thứ hai là sự khép kín hệ chống ñỡ càng sớm càng tốt, và thứ ba là sự ño ñạc biến dạng một cách có hệ thống

Khái niệm trên ñã ñược Ủy ban quốc gia về Xây dựng ngầm của Áo (ANCUC) trực thuộc Hiệp hội Xây dựng hầm Quốc tế (ITA) xác ñịnh lại vào năm

1980 ñể loại bỏ những mâu thuẫn nảy sinh trong các tài liệu kỹ thuật (Kovari,

1994) Khái niệm mới này phát biểu như sau: “Công nghệ làm hầm mới của Áo (NATM) ñược dựa trên một quan niệm trong ñó ñịa tầng (ñá hay ñất) xung quanh một hang ngầm trở thành một bộ phận kết cấu mang tải thông qua sự hình thành một vòng ñất ñá có khả năng chịu lực”

Gần ñây, Sauer (1988) lại cho rằng, NATM là “Một phương pháp tạo ra

không gian ngầm bằng cách sử dụng mọi phương tiện có sẵn ñể phát triển khả năng

tự mang tải lớn nhất của bản thân ñất hay ñá nhằm tạo ra sự ổn ñịnh cho hang

ngầm” Bằng việc sử dụng cụm từ “mọi phương tiện có sẵn”, Sauer ñã làm rõ công

nghệ này theo một cách thức tổng quát hơn so với quan niệm trước ñây của các ñồng nghiệp Áo của mình

Một trong những người ủng hộ NATM khác, giáo sư tiến sĩ Leopold Müller

(1978) ñề nghị rằng “NATM nên hiểu là một quan niệm xây dựng hầm với một tập hợp các nguyên tắc…” Do ñó, không thể gọi nó là một phương pháp thi công, vì

từ này nói ñến một phương pháp ñào một ñường hầm

1.1.2.2 Nguyên lý cơ bản của NATM

Do những phát biểu trên, những người ñề xướng của Áo ñều nhất trí rằng NATM là một lý luận về công nghệ thi công hầm hơn là một tập hợp các kỹ thuật ñào và chống ñỡ Những nguyên lý cơ bản của NATM ñược thể hiện trong các ñiểm quan trọng dưới ñây:

1 Kết cấu hầm là tổ hợp giữa ñất ñá và vỏ hầm Hầm ñược chống ñỡ chủ yếu bằng khối ñất ñá xung quanh

ðây là khái niệm cơ bản của công nghệ NATM Kỹ sư hầm phải biết vận dụng khái niệm này vào công tác ñào hầm Hệ thống chống ñỡ hầm chỉ nên áp dụng hạn chế và mang tính hỗ trợ hiệu ứng tự ổn ñịnh của khối ñá

thủy của khối ñá Cách chống ñỡ truyền thống sử dụng gỗ và vòm thép không thể giúp ngăn ngừa sự biến dạng của khối ñá xung quanh hầm Bê tông phải ñược phun ngay sau khi ñào ñể có thể ngăn chặn sự biến dạng của khối ñá

Theo công nghệ thi công hầm truyền thống, vẫn có một khoảng trống giữa hệ thống chống ñỡ và khối ñá Khối ñá xung quanh chỉ ñược chống ñỡ thông qua các ñiểm tiếp xúc nên có xu hướng biến dạng vào phía trong ñường hầm nhằm lấp ñầy khoảng trống nói trên Theo công nghệ NATM, sử dụng bê tông phun trực tiếp bám chặt với bề mặt khối ñá quanh ñường hầm sẽ ngăn không cho khối ñá biến dạng

3 Biến dạng của khối ñá phải ñược ngăn chặn hợp lý vì việc long rời của khối

ñá sẽ làm cho cường ñộ của nó bị giảm ñi Cường ñộ của toàn khối ñá phụ thuộc chủ yếu vào lực ma sát giữa các phân khối ñá, sẽ giảm xuống khi ma sát giảm

Nguyên tắc này áp dụng chủ yếu ñối với ñá cứng ðối với ñất, chẳng hạn như trầm tích ðệ Tứ, ñặc tính của chúng sẽ phụ thuộc vào lực dính và góc nội ma sát

4 Khối ñá phải ñược giữ trong các ñiều kiện ứng suất nén ba trục Cường ñộ của khối ñá chịu ứng suất nén ñơn trục hoặc hai trục thì thấp hơn cường ñộ trong ñiều kiện ba trục

Cường ñộ chịu nén của khối ñá ở ñiều kiện nén nhiều trục sẽ cao hơn khối ñá trong ñiều kiện nén một trục Sau khi ñào hầm, vách hầm sẽ ở trong trạng thái nở hông cho ñến khi hệ thống chống ñỡ ñược lắp ñặt ðể duy trì trạng thái ứng suất nén

ba trục và sự ổn ñịnh của khối ñá, vách hầm phải ñược phủ kín bằng bê tông phun

5 Biến dạng của khối ñá phải ñược ngăn chặn hợp lý Phải thiết lập hệ thống chống ñỡ ñể ngăn chặn sự giãn nở (tơi) hoặc nguy cơ ñổ sập của khối ñá Nếu hệ thống chống ñỡ ñược thiết lập một cách thích hợp thì chất lượng của việc ñào hầm sẽ tăng lên ñồng thời ñảm bảo hiệu quả kinh tế

Nếu biến dạng cho phép vượt quá giới hạn, vùng biến dạng dẻo quanh hầm phát triển và khe nứt xuất hiện Ngăn chặn sự biến dạng nghĩa là giảm thiếu tối ña

sự biến dạng xung quanh hầm do những nguyên nhân bất khả kháng, ví dụ biến dạng ñàn hồi và biến dạng do nổ mìn

6 Hệ thống chống ñỡ phải ñược lắp ñặt kịp thời Lắp ñặt các hệ thống chống

ñỡ quá sớm hay quá muộn sẽ ñem lại kết quả bất lợi Hệ thống chống ñỡ cũng không ñược quá mềm hay quá cứng Các hệ thống chống ñỡ cần có một ñộ mềm dẻo thích hợp ñể duy trì cường ñộ của khối ñá

Nếu hệ thống chống ñỡ ñược lắp quá sớm, áp lực tác dụng lên kết cấu chống

ñỡ sẽ rất cao Mặt khác áp lực sẽ tiếp tục tăng lên khi lắp ñặt hệ thống chống ñỡ

chậm Hệ thống chống đỡ cần được lắp đặt đúng lúc cĩ khả năng giảm tải trọng đến nhỏ nhất Nếu hệ thống chống đỡ quá cứng sẽ đắt, quá mềm thì khối đá biến dạng nhiều, tải trọng tác dụng lên hệ thống chống đỡ sẽ rất cao Tải trọng tác động lên hệ thống chống đỡ sẽ giảm đến nhỏ nhất khi hệ chống đỡ cĩ độ mềm dẻo thích hợp

7 ðể đánh giá thời gian thích hợp khi lắp đặt hệ thống chống đỡ, cần nghiên cứu đặc tính biến dạng theo thời gian của khối đá

8 Khơng chỉ dựa vào cơng tác thí nghiệm trong phịng mà cịn phải tiến hành

đo đạc biến dạng đường hầm để đánh giá thời gian thích hợp lắp đặt kết cấu chống đỡ Thời gian tự ổn định của vách hầm, tốc độ biến dạng và loại

đá là những nhân tố quan trọng để tính tốn thời gian chống đỡ khối đá

ðối với cơng nghệ NATM, cơng việc khơng thể thiếu được là đo đạc quan trắc Các số liệu thống kê dựa trên kết quả đo đạc quan trắc rất cĩ ích cho việc dự đốn biến dạng ở bước đào hầm tiếp theo

9 Nếu sự biến dạng và sự tơi của khối đá được dự đốn là rất lớn, bề mặt hầm đã đào phải được phun bê tơng Kết cấu chống đỡ bằng gỗ và thép chỉ tiếp xúc với bề mặt tường hầm ở các điểm chèn, vì thế đất đá giữa các điểm tiếp xúc sẽ khơng được chống đỡ nên sự biến dạng và sự tơi của khối đá 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 bê tơng phun ban đầu mà cả lớp vỏ hầm hồn thiện cũng cần phải mỏng

11 Trong trường hợp cần phải gia cường hệ chống đỡ ban đầu, nên sử dụng các khung chống thép và neo đá Khơng nên tăng chiều dày lớp bê tơng vỏ hầm vì sẽ làm giảm diện tích tiết diện khai thác của hầm

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

Thông thường lớp bê tông vỏ hầm ñược thi công sau khi biến dạng của hầm

ñã ổn ñịnh Nếu sự biến dạng có xu hướng gia tăng, cần kiểm tra kỹ nguyên nhân Trong trường hợp này, lớp bê tông vỏ hầm phải ñược thiết kế ñủ cường ñộ chống lại

áp lực của khối ñá tác dụng lên

13 Về mặt lý thuyết, cấu trúc của hầm giống như một cái ống hình trụ dày gồm

hệ thống chống ñỡ và vỏ hầm cùng với môi trường ñất ñá xung quanh Các cấu trúc này hợp lại với nhau làm cho hầm tự ổn ñịnh

Hệ thống chống ñỡ truyền thống gồm phần vòm và trụ ñỡ, khối ñá xung quanh ñược xem như là tải trọng tác dụng lên hầm Theo lý thuyết NATM, hầm ñược xem như là một cấu trúc hỗn hợp gồm khối ñá, hệ thống chống ñỡ và vỏ hầm

14 Việc cấu tạo mặt cắt hầm kín bằng vòm ngược tạo nên ñường ống hình trụ

là cần thiết vì cấu trúc này có thể chịu ứng suất của ñá cao hơn

15 Hành vi (trạng thái) của khối ñá phụ thuộc vào tiến trình ñào hầm và sự lắp ñặt hệ thống chống ñỡ cho ñến khi kết cấu của hầm kín ñược hình thành Mômen uốn bất lợi xuất hiện tại khu vực tiếp giáp của phần trên vòm hầm

và tường giống như kết cấu dầm hẫng khi khoảng cách giữa các bề mặt gương hầm của phần vòm và phần tường quá lớn

Ứng suất uốn như mô tả ở trên sẽ phát triển do lún tác ñộng lên hệ thống chống ñỡ lắp ñặt ở phần trên vòm hầm, khi sức chịu tải của móng hệ thống chống

ñỡ nhỏ hơn tải trọng tác ñộng lên

16 Từ quan ñiểm phân bố lại ứng suất, phương pháp ñào toàn mặt cắt tốt hơn các phương pháp khác Chia gương hầm thành nhiều gương nhỏ sẽ khiến cho chất lượng khối ñá xung quanh hầm giảm ñi nhanh chóng do phân bố lại ứng suất

Tuỳ thuộc vào quá trình ñào hầm, việc phân bố ứng suất của khối ñá xung quanh sẽ xảy ra và cuối cùng ñạt ñến một trạng thái ứng suất mới Khối ñá xung quanh hầm gặp phải tình trạng có tải và không tải lặp ñi lặp lại trong suốt quá trình

phân bố lại ứng suất, ñôi khi trạng thái này dẫn ñến kết quả khối ñá bị phá hoại Tuy nhiên, rất khó thực hiện phương pháp ñào toàn mặt cắt ở những vùng ñá xấu như ñá phong hoá mạnh hoặc ñất Trong trường hợp như vậy phải chia gương hầm thành những gương nhỏ hơn và cần phải ño ñạc kiểm tra mức ñộ ổn ñịnh của mỗi gương

17 Phương pháp ñào hầm có ảnh hưởng rất lớn ñến khối ñá xung quanh, chẳng hạn chu kỳ và trình tự ñào hầm, thời gian thi công vỏ hầm, thời gian khép kín vỏ hầm Các nhân tố này cần ñược kiểm soát ñể tạo ra tổ hợp kết cấu cũng như thiết lập sự ổn ñịnh của ñường hầm

18 Mỗi bộ phận hầm phải duy trì hình dạng tròn nhằm tránh sự tập trung ứng suất bất lợi

19 ðối với hầm kết cấu vỏ ñôi thì vỏ hầm bên trong phải mỏng Bất kỳ lực cắt tác ñộng vào ñường biên bên ngoài hầm và khối ñá sẽ không truyền sang bê tông vỏ hầm Chỉ có lực hướng tâm truyền ñến kết cấu vỏ ñôi của hầm

20 Kết cấu tổ hợp của khối ñá và kết cấu chống ñỡ ban ñầu phải hình thành trước khi thi công lớp bê tông vỏ hầm bên trong Lớp vỏ hầm bên trong chỉ

có tác dụng làm tăng hệ số an toàn cho hầm Tuy nhiên, ñộ ổn ñịnh của kết cấu hầm cần ñược xem xét bao gồm cả lớp bê tông vỏ hầm khi hầm gặp một lượng lớn nước thấm vào hoặc dự báo có sự ăn mòn các neo ñá

21 Thiết bị ño ñạc, quan trắc ñóng vai trò quan trọng ñối với công tác thiết kế

và thi công hầm Việc ño ứng suất tác ñộng lên vỏ hầm và ño ñạc sự dịch chuyển của vách hầm là ñặc biệt cần thiết

22 Giải phóng áp lực của nước ngầm trong khối ñá bằng hệ thống thoát nước

Áp lực thủy tĩnh xung quanh ñường hầm sẽ thay ñổi tùy thuộc vào sự biến ñổi mực nước ngầm Hệ thống thoát nước ngầm là cách làm giảm áp lực thủy tĩnh hữu hiệu nhất

Tóm lại, có thể rút ra những nguyên tắc chính tạo thành NATM sau ñây, 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):

tồn và phải ñược huy ñộng tới mức tối ña có thể ñược

2 Việc huy ñộng cường ñộ trên có thể ñạt ñược nhờ kiểm soát lượng biến dạng của nền ñất Phải tránh ñể xảy ra biến dạng quá mức vì nó sẽ gây ra mất mát cường ñộ hay lún sụt mặt ñất lớn

có hệ thống và một vỏ hầm bê tông phun mỏng Công tác xây dựng hệ thống chống ñỡ cuối cùng thường ñược tiến hành ở giai ñoạn sau

mà thời ñiểm này có thể biến ñổi phụ thuộc vào các ñiều kiện ñất hay ñá

1.1.3 Ưu ñiểm, nhược ñiểm và phạm vi áp dụng của NATM

1.1.3.1 Ưu ñiểm của NATM

Mục tiêu chính của NATM là nhằm sử dụng nền ñất như một thành phần chống ñỡ chịu tải với mức ñộ lớn nhất có thể ñược Cho ñến nay, rất nhiều hầm ñược xây dựng theo công nghệ NATM ðiều này cho thấy rằng NATM có những

ưu ñiểm nổi trội khi áp dụng những phương pháp thiết kế ñúng ñắn có tính ñến các bất lợi ñịa chất Những ưu ñiểm này có thể liệt kê ngắn gọn như sau:

1 Tính mềm dẻo trong việc áp dụng những biên dạng ñào khác nhau và các mặt cắt rất lớn

sung như neo ñá và vòm thép nếu cần thiết

tiến hành những biện pháp ñề phòng cần thiết

các tải trọng do ñiều kiện ñịa chất mà không bị quá dư thừa

dụng bê tông phun

1.1.3.2 Nhược ñiểm của NATM

Bên cạnh nhiều ưu ñiểm, NATM cũng tồn tại những nhược ñiểm, sự khác nhau giữa NATM và công nghệ ñào hầm truyền thống là vấn ñề tận dụng tối ña khả năng mang tải của khối ñất ñá bao quanh hầm, ñây là hạn chế lớn nhất của NATM

vì chỉ có ñất ñá có ñộ cứng nhất ñịnh nào ñó mới có khả năng này Cũng từ ñó mà thiết kế kết cấu vỏ hầm của NATM và công nghệ ñào hầm truyền thống có những ñiểm khác nhau rất cơ bản: trong công nghệ truyền thống, kết cấu vỏ hầm chủ yếu ñược tính theo tải trọng cho trước, với các mô hình nền phổ thông: nền biến dạng cục bộ Wincle, nền biến dạng toàn bộ theo bán không gian ñàn hồi….với các sơ ñồ tính thường ñược ñưa về hệ thanh làm việc trong môi trường ñàn hồi hay phi ñàn hồi Trong khi ñó, các lý luận về phương pháp thiết kế vỏ hầm theo NATM chưa thật chặt chẽ, khó kiểm soát

Một số nhược ñiểm nữa của NATM cũng phải kể ñến bao gồm:

Công nghệ NATM chỉ nên áp dụng trong những khu vực mà sự chuyển dịch của nền gây lún mặt ñất và hậu quả của các biện pháp thoát nước không phải là một nguyên nhân gây quan ngại về môi trường

Khi áp dụng trong ñiều kiện có nước ngầm ñòi hỏi phải có công tác khảo sát

ðối với vùng ñịa chất mềm yếu, vẫn có thể dùng NATM bằng cách kết hợp thêm những biện pháp bổ trợ, ngoại trừ một vài loại yếu nhất trong thang phân loại ñất ñá (các loại ñất cố kết yếu hoặc chảy dẻo)

1.1.4 Ứng dụng của NATM

1.1.4.1 Ứng dụng của NATM ở châu Âu

NATM lần ñầu tiên ñược sử dụng khi ñào hầm trong ñất yếu tại hầm Lodano-Mosagno của dự án Maggia-Electric Scheme ở Thụy Sỹ (1951-1955, theo báo cáo của Sauer et al 1973) Tại ñó, bê tông phun ñược phun lên các tường bên của hầm tạo thành một hệ chống ñỡ tạm

Sau khi bài báo của Rabcewicz ñược xuất bản bằng tiếng Anh năm 1964, NATM ñã ñược công nhận rộng rãi NATM ñã ñược sử dụng trong hầm Schwaikheim của ðức năm 1964 (trích theo Bowers 1997) Tiếp theo ñó là một loạt

các hầm NATM qua dãy Alpine như hầm Arlberg Expressway xây dựng giữa năm

1973 và 1978 Một phần lớn của hệ thống tàu ñiện ngầm Vienna ñã ñược xây dựng trong ñất chứa nước mềm yếu và quá trình thi công rất khó khăn khi sử dụng NATM (Murphy et al 1994) Trong những năm 1970 và 1980, NATM ñã ñược sử dụng rộng rãi ñặc biệt là cho các hệ thống tàu ñiện ngầm ở Bochum, Frankfurt, Munich, Nuremberg, và Stuttgart của ðức

Làm hầm bằng NATM trong ñất yếu lần ñầu tiên ñược áp dụng cho hệ thống tàu ñiện ngầm Frankfurt ở ðức trong ñất có cường ñộ rất thấp (theo báo cáo của Sauer et al 1973) Các hầm NATM trong ñất yếu khác là thuộc tuyến ñường sắt tốc

ñộ cao Hanover-Wurzberg, có chiều dài 120 km

Ở những vùng khác của châu Âu, còn có rất nhiều hầm khác xây dựng bằng

(theo Bowers 1997), và hầm Montemor có chiều rộng x chiều cao = 20 m x 9.8 m ở

& Turdu 1985), hầm Palabutsch gần Graz chạy qua dãy Alp như một hầm giao thông giữa ðức và Yugoslavia (Mussger et al.1990), và hầm Ujo Tunnel rộng 5.4 m

và cao 6.0 m, một hầm ñường sắt khác ở Tây Ban Nha (Leiria 1980)

Sự xuất hiện lần ñầu của NATM ở Anh là tại các hầm xuyên vỉa của một mỏ thạch cao tại Barrow-upon Soar (Deacon 1988) Năm 1987, NATM ñã ñược sử dụng rộng rãi trong khi xây dựng hầm qua biển Măng-sơ (Channel Tunnel)

Ứng dụng tiếp theo là các hầm trên ñường Round Hill ở Lower Chalk Ứng dụng ñầu tiên của NATM trong ñất sét London là công trình ngầm bên dưới sân bay Heathrow Airport, một trong những sân bay nhộn nhịp nhất thế giới (Bowers 1997) 1.1.4.2 Ứng dụng của NATM ở Việt Nam

Những năm trước ñây, ở nước ta vẫn sử dụng phương pháp mỏ ñể thi công các ñường hầm Nội dung cơ bản của phương pháp mỏ là: sau khi ñào hầm, ñể giữ

ổn ñịnh ñất ñá xung quanh hầm trước khi thi công kết cấu vỏ hầm sau cùng, người

ta tiến hành dựng các vì chống tạm (thường là bằng gỗ hoặc thép) Sau khi ñào xong

hầm một khoảng thời gian, kết cấu vỏ hầm mới ñược thi công bằng biện pháp ñổ bê tông thông thường hoặc xây ñá theo từng phân ñoạn Trước khi ñổ bê tông, vỏ hầm thường ñược xử lý phòng nước bằng một màng cách nước (cũng có nhiều công trình không làm lớp phòng nước) Sau khi bê tông vỏ hầm ñạt cường ñộ cho phép, ñể tạo

sự liên kết chặt chẽ giữa vỏ hầm và ñất ñá xung quanh người ta dùng máy bơm ép vữa vào phía sau vỏ Trong trường hợp ñào lẹm quá lớn, ñể tiết kiệm vật liệu vữa bơm người ta có thể chèn thêm ñá

Với phương pháp thi công hầm như thế, giữa vỏ hầm và ñịa tầng không có sự liên kết chặt chẽ với nhau nên việc tính toán thiết kế vỏ hầm dựa trên giả thiết sau khi ñào hầm xong dần dần ñất ñá xung quanh hầm bị biến dạng và tác ñộng trực tiếp lên vỏ hầm như một tải trọng ðất ñá biến dạng sẽ nứt vỡ cho ñến khi tự bản thân ñất ñá hình thành một vòm cân bằng phía trên và hai mặt trượt ở hai bên (ñược gọi là vòm áp lực) Toàn bộ khối lượng phần ñất ñá dưới vòm cân bằng và trên mặt trượt hai bên sẽ tác dụng lên vỏ hầm hoặc vì chống trong giai ñoạn thi công Xuất phát từ quan niệm như vậy, Protodiakonov ñã ñưa ra mô hình rời rạc áp dụng vào phương pháp xác ñịnh vòm cân bằng và mặt trượt ñể tính toán áp lực lên vỏ hầm Kích thước vòm cân bằng phụ thuộc vào kích thước hầm và ñặc ñiểm của ñịa tầng thông qua hệ số kiên cố f ñược xác ñịnh bằng thí nghiệm nén mẫu ñất ñá (f = R/100) và từ ñó ñịa tầng ñược phân loại thành 10 cấp theo hệ số kiên cố

Việc xác ñịnh áp lực ñịa tầng là một vấn ñề hết sức phức tạp vì ñặc ñiểm không ñồng nhất của ñất ñá nên ñể ñảm bảo an toàn phải coi ñất ñá là rời rạc và sự khác nhau chỉ thể hiện qua hệ số kiên cố Với quan niệm như vậy giữa ñịa tầng và

vỏ hầm sẽ không có sự tác ñộng tương hỗ nên vỏ hầm thường có kích thước lớn làm tăng giá thành công trình Do vậy, vấn ñề ñặt ra là làm sao ñể có thể hạn chế áp lực

do sự biến dạng, nứt vỡ, rời rạc của ñịa tầng và làm sao có thể tạo ra thể thống nhất giữa vỏ hầm và ñịa tầng

Ở Việt Nam, công nghệ NATM lần ñầu tiên ñược áp dụng ñể thiết kế và thi công hầm dẫn nước Thủy ñiện Hàm Thuận - ða Mi, hầm ñường bộ qua ñèo Hải

Vân, sau ựó ựược áp dụng thành công vào công trình hầm ựường bộ qua ựèo Ngang Cho ựến nay, hầu như tất cả các hầm thủy ựiện, hầm giao thông ựang thi công trong ựất ựá cứng và tương ựối cứng tại Việt Nam ựều ứng dụng công nghệ NATM

1.2 Các phương pháp ựánh giá chất lượng và phân tắch ổn ựịnh khối ựá

phục vụ thi công hầm bằng công nghệ NATM

đánh giá chất lượng và phân tắch ổn ựịnh khối ựá xung quanh hầm là một công tác quan trọng nhằm xác ựịnh phương pháp và loại chống ựỡ hợp lý cho công trình ngầm trong quá trình thi công theo NATM

1.2.1 Các phương pháp tắnh toán lý thuyết

đã có nhiều phương pháp tắnh toán lý thuyết ựược xây dựng nhằm ựánh giá

ổn ựịnh khối ựá, trong ựó những phương pháp thông dụng nhất bao gồm:

1.2.1.1 Phương pháp hàm số phức

Phương pháp này sử dụng hàm số phức ựể tìm ra nghiệm ựàn hồi ứng suất - biến dạng của công trình ngầm Nó có ưu ựiểm ựộ chắnh xác tương ựối cao, tốc ựộ phân tắch nhanh, các tham số dễ xác ựịnh, ựơn giản trong nghiên cứu vì có tắnh quy luật, ựặc biệt chắnh xác trong việc tìm nghiệm ựối với mặt cắt hình tròn Nhược ựiểm là chỉ thắch hợp với phân tắch ứng suất - biến dạng công trình sâu, còn ựối với công trình nông thì việc xử lý số học ựối với sự ảnh hưởng của các lớp ựất ựá và ngoại lực bề mặt rất khó khăn

1.2.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method)

Phương pháp phần tử hữu hạn ựược hình thành từ những năm 40 của thế kỷ

XX, ựến nay ựã trở nên hoàn thiện và ựược sử dụng rộng rãi ựể tìm nghiệm cho bài toán có tắnh ựàn hồi, tắnh ựàn - dẻo, tắnh dắnh - dẻo Ưu ựiểm của nó là có xét ựến tắnh không liên tục, không ựồng nhất của kết cấu ựịa tầng, có thể giải các bài toán

có biên phức tạp, tắnh ra ựược trị số của ứng suất - biến dạng và phân bố của chúng, dựa vào quy luật phân bố ựó ựể phân tắch cơ chế phá hoại kết cấu công trình ngầm

1.2.1.3 Phương pháp phân tích biến dạng không liên tục (DDA-Discontinuous

Deformation Analysis)

ðây là phương pháp phân tích lý thuyết mới ñược phát triển dựa trên cơ sở không liên tục của môi trường ñịa chất ngoài vỏ công trình Phương pháp này thường ñược tiến hành song song với phương pháp phần tử hữu hạn ðiểm khác biệt nằm ở chỗ phương pháp DDA có thể tính ñược lực tĩnh và lực ñộng của chuyển vị lớn như xoay, ñứt gãy, trượt không liên tục Ngoài ra, mô hình DDA cũng có khả năng ứng dụng lớn trên phương diện mô phỏng thực quá trình biến dạng cơ học không liên tục của kết cấu ñịa tầng

1.2.1.4 Phương pháp phần tử phân tán (DEM-Disperse Element Method)

Phương pháp phần tử phân tán ñược Cundall ñưa ra năm 1971, ñược ứng dụng nhiều trong tính toán công trình ngầm ngày nay Nội dung cơ bản của phương pháp này là các khối ñá trong ñịa tầng có sự tác dụng lẫn nhau, ñồng thời chịu ảnh hưởng của phương trình chuyển ñộng phản lực-gia tăng tốc ñộ chuyển vị và phương trình vật lý ñặc trưng của lực-chuyển vị, thông qua sự thay ñổi ñể tìm nghiệm hiển thị quá trình phá hoại ñộng của khối ñá

Phương pháp này chủ yếu dùng ñể phân tích tác dụng tương hỗ của khối ñá nứt nẻ và neo gia cố Nguyên lý tính toán của phương pháp phần tử phân tán ñơn giản, nhưng quá trình thực hiện trên máy tính lại vô cùng phức tạp, liên quan ñến nhiều vấn ñề, ñặc biệt việc xác ñịnh tham số tính toán hệ số dao ñộng giữa các khối theo thời gian có tính ngẫu nhiên

1.2.1.5 Phương pháp sai phân hữu hạn (FLAC-Fast Lagrangian Analysis of

Continua)

Cundall căn cứ vào nguyên lý của phương pháp sai phân hữu hạn ñể ñưa ra

ra mô hình ñể phân tích ảnh hưởng áp lực nước trong ñịa tầng ñối với tính ổn ñịnh của công trình Phương pháp này có thể giải bài toán xét ñến ñặc trưng biến dạng

lớn và không liên tục của khối ñất ñá một cách hoàn thiện, tính toán nhanh hơn Nhưng nhược ñiểm là phân chia mạng phần tử, biên tính toán rất tùy ý

1.2.1.6 Phương pháp phần tử biên (BPAM-Basic Partitioned Access Method)

Phương pháp phần tử biên hay còn gọi là phương pháp phương trình tích phân biên, ñược học giả Bribbia người Anh sáng lập từ những năm 60 của thế kỷ

XX Ưu ñiểm của nó là tiến hành phân ly một số phần tử trên biên của vùng tính toán, như thế sẽ bớt ñược một chiều trong không gian ña chiều tính toán, kết quả tính toán có ñộ chính xác khá cao, tính ñược ứng suất và chuyển vị một cách rõ ràng, việc chia lưới phần tử ñơn giản, yêu cầu dung lượng bộ nhớ máy tính thấp và công việc tính toán ít; ñây là một phương pháp ñược ứng dụng rất nhiều trong phần mềm phân tích kết cấu công trình

Nhưng phương pháp này tỏ ra khó thích hợp với các bài toán biến hệ số và phi tuyến tính, những bài toán có biên phức tạp; hơn nữa ứng dụng nó còn phụ thuộc vào việc giải phương trình có nghiệm cơ bản hay không

1.2.1.7 Phương pháp phân tích phần tử khối - lò xo (Mass Spring Element Method)

Năm 1987, Kawai áp dụng ñơn giản hóa khối rắn ñể mô phỏng mô hình trị

số phần tử lò xo thể rắn trong môi trường không liên tục Mô hình này lấy chuyển vị thể rắn của phần tử trung tâm làm ẩn số chưa biết, chỉ tính ñến quan hệ kết cấu và biến dạng cân ñối của mặt phần tử tiếp giáp ñể giải phương trình ñiều khiển xác ñịnh ứng suất và chuyển vị tương ñối của mặt tiếp giáp Mô hình này còn có ưu ñiểm khi phân tích tính ổn ñịnh của ñứt gãy trong ñịa tầng, phản ánh ñược quy luật chuyển ñộng và biến dạng không liên tục của kết cấu công trình

Các phương pháp tính toán lý thuyết sử dụng các công cụ toán học và vật lý trong việc xây dựng các mô hình nhằm giải bài toán tương tác giữa hầm và khối ñá xung quanh có nhiều ưu ñiểm về tính trực quan, khả năng phân tích sâu về các vấn

ñề liên quan ñến áp lực ñất ñá ñã giúp chúng ta hiểu và giải quyết hiệu quả nhiều bài toán về thiết kế và thi công hầm

Tuy nhiên, có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng ñến việc thi công hầm, và những giả thiết gần ñúng dùng ñể thiết lập mô hình lý thuyết trong các phương pháp trên

có thể gây ra những ảnh hưởng to lớn ñến kết quả ñầu ra Trong thực tế, cho dù dùng phương pháp thiết kế nào thì kết quả cũng ñều chỉ mang tính ñịnh hướng thi công Cần tiếp tục kết hợp với việc ño ñạc quan trắc và tính toán lại trong khi thi công ñể hoàn thiện quá trình thiết kế

1.2.2 Các phương pháp thực nghiệm

Các phương pháp thực nghiệm ñóng vai trò quan trọng trong việc ñánh giá

ổn ñịnh kết cấu công trình ngầm, ñặc biệt chúng càng phát huy tác dụng trong giai ñoạn nghiên cứu khả thi với tài liệu ño ñạc ít như phương pháp RMR (Rock Mass Rating) của Bieniawski, phương pháp Q (Rock Tunnelling Quality Index) của Barton, phương pháp RMi (Rock Mass index) của Arild Palmstrom, phương pháp Stini, phương pháp Franklin Cái mới của các phương pháp này là ñi từ ñịnh tính ñến ñịnh lượng, từ ñơn chỉ tiêu phát triển thành ña chỉ tiêu, ứng dụng phương pháp ñánh giá tổng hợp của lý thuyết toán học mơ hồ, lý thuyết hệ thống màu xám, lý thuyết mạng thần kinh, lý thuyết phân hình… ñể ñánh giá chất lượng khối ñá một cách hợp lý và khoa học

1.2.2.1 Phương pháp RMR

RMR là phương pháp ñánh giá chất lượng và phân loại khối ñá theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố cấu trúc khối ñá, ñược ñề xuất bởi Bieniawski vào năm 1973 -1974 và sửa ñổi năm 1989 Giá trị RMR ñược tính như sau:

Trong ñó:

A1: Cường ñộ của khối ñá nguyên vẹn;

A2: Giá trị RQD;

A3: Bước khe nứt;

A4: ðiều kiện khe nứt;

A5: ðiều kiện nước ngầm;

A6: ðiều kiện ñường phương và hướng dốc của khe nứt ñối với trục hầm; RMR ñược áp dụng rất rộng rãi trong việc ñánh giá chất lượng khối ñá ở nền công trình, ở bờ dốc ñá, cũng như khối ñá bao quanh ñường hầm Theo thang phân loại ñá RMR, khối ñá ñược phân chia thành 5 cấp Tùy thuộc vào ñiểm số RMR, thời gian ổn ñịnh của khối ñá không cần chống ñỡ thay ñổi từ 0.5 giờ ñến 20 năm

Các thông số ñược dùng ñể ñánh giá chất lượng khối ñá theo RMR ñược trình bày trong các bảng từ 1.2 ñến 1.7

Cường ñộ kháng nén ñiểm (MPa)

>10 4-10 2-4 1-2

ðối với ñá có cường ñộ kháng nén thấp

Mặt hơi nhám, rộng

<1 mm, mặt phong hóa nhẹ

Mặt hơi nhám, rộng

<1 mm, mặt phong hóa mạnh

Mặt trượt hoặc sét dày 5mm, hoặc rộng 1-5

mm liên tục

Các thông số Phạm vi các giá trị

Lưu lượng cho 10m hầm (l/m) không <10 10-25 25-125 >125

áp lực nước khe nứt (ứng suất chính)

0 <0.1 0.1-0.2 0.2-0.5 >0.5 Nước

ngầm

ðiều kiện chung

Hoàn toàn khô

Khá thuận lợi

Không thuận lợi

Rất không thuận lợi

Cho ñiểm A6 0 -2 -5 -10 -12

Thông số ñiều kiện khe nứt (A4) ñược cấu thành từ 5 thông số phụ: chiều dài, chiều rộng, ñộ nhám, mức ñộ phong hóa, vật chất lấp nhét khe nứt, ñược trình bày trong bảng 1.4

Bieniawski cũng ựưa ra hướng dẫn chi tiết về việc ựánh giá và cho ựiểm thông số hướng khe nứt (A6) như trình bày trong bảng 1.5

và góc dốc của các khe nứt, ựứt gẫy tới việc ựào hầm (A6)

đường phương thẳng góc với trục hầm đường phương song song với trục hầm

đào theo hướng dốc,

đào ngược hướng

dốc, góc dốc 45-900

đào ngược hướng dốc, góc dốc 25-450 Góc dốc 0-20

0 , ựường phương bất kỳ

Từ kết quả tổng hợp các thông số trên, khối ựá ựược ựánh giá chất lượng và phân loại thành 5 cấp từ ựá rất xấu ựến ựá rất tốt tương ứng với ựiểm số từ nhỏ hơn

21 ựến 100 Chi tiết ựược trình bày trong bảng 1.6

Ý nghĩa của việc phân loại chất lượng khối ựá ựược trình bày trong bảng 1.7

1 năm với vòm 10m

1 tuần với vòm 5m

10 giờ với vòm 2.5m

30 phút với vòm 1m

Bảng 1.8 Bảng chỉ dẫn công tác ựào và gia cố hầm (hầm rộng 10m)

Neo ựá (d=20mm, bơm vữa lấp ựầy)

Bê tông phun

Vòm chống thép

Neo vòm hầm theo khu vực, chiều dài neo 3m, bước neo 2.5m Ghim lưới thép cục bộ

Phun bê tông vòm dày 5cm nếu cần

Không sử dụng

III-Trung bình

RMR: 41-60

đào vòm trước nền sau Vòm ựi trước khoảng 1.5-3m

Lập biện pháp gia cố theo từng chu kỳ ựào Công tác gia cố ựi sau công tác ựào khoảng 10m

Neo theo mạng lưới, chiều dài neo 4m, bước neo 1.5-2m cho vòm

và tường hầm Ghim lưới thép vòm hầm

Bê tông phun dày 5- 10cm ựối với vòm hầm, dày 3cm ựối với tường hầm

Không sử dụng

IV- Xấu

RMR: 21-40

đào vòm trước nền sau Vòm ựi trước khoảng 1.0-1.5m Tiến hành chống ựỡ song song với công tác ựào trong khoảng 10m

Neo theo mạng lưới, chiều dài neo 4-5m, bước neo 1-1.5m cho cả vòm và tường hầm

Ghim lưới thép vòm và tường hầm

Bê tông phun dày 10-15cm ựối với vòm hầm, dày 10cm ựối với tường hầm

Vòm chống thép nhỏ, bước vòm 1.5m

V- Rất xấu

RMR: <20

đào vòm trước nền sau Vòm ựi trước khoảng 0.5-1.5m Tiến hành chống ựỡ song song với công tác ựào

Phun bê tông ngay sau khi khoan nổ

Neo theo mạng lưới, chiều dài neo 5-6m, bước neo 1-1.5m cho cả vòm và tường hầm

Ghim lưới thép vòm hầm và tường hầm

Neo ựáy hầm

Bê tông phun dày 15-20cm ựối với vòm hầm, dày 15cm ựối với tường hầm, dày 5cm tại mặt gương

Vòm chống thép lớn, bước vòm 0.75m, lát tôn lagging Neo vượt trước nếu cần

Tạo vòm ngược

1.2.2.2 Phương pháp Q

Phương pháp Q ñược Barton và Viện ñịa kỹ thuật Na Uy ñề ra từ năm 1974, trên cơ sở khảo sát và thu thập tài liệu của rất nhiều công trình ngầm Phương pháp này ngày càng ñược hoàn thiện do tích lũy và bổ sung những số liệu mới, kinh nghiệm mới, hiện nay ñược sử dụng rất rộng rãi trên thế giới

Giá trị Q là chỉ số chất lượng ñào hầm của khối ñá (Rock Tunelling Quality index), thay ñổi từ 0.001 ñến 1000, ñược xác ñịnh bởi công thức:

SRF

J x J

J x J

RQD

a r

n

Trong ñó:

- RQD: Chỉ số ñánh giá chất lượng ñá, lấy chẵn từ 10 ñến 100;

- Jn: Chỉ số ảnh hưởng của số lượng các hệ khe nứt (cho ñiểm từ 0.5 ñến 20);

- Jr: Chỉ số thể hiện ñộ nhám của khe nứt (cho ñiểm từ 0.5 ñến 4);

với nhau khi trượt (cho ñiểm từ 0.75 ñến 20);

- SRF: Yếu tố suy giảm ứng suất của khối ñá quanh công trình ngầm (stress reduction factor) cho ñiểm từ 0.5 ñến 30;

Tỉ số (RQD/Jn) là tỷ số ñánh giá cấu trúc của khối ñá, thể hiện gần ñúng kích thước của các tảng ñá RQD có giá trị thay ñổi từ 5 ñến 100, giá trị Jn thay ñổi từ 0.5 ñến 20, do ñó RQD/Jn thay ñổi từ 100/0.5 ñến 10/20 Lấy ñơn vị là cm thì có thể nói

Tỷ số (Jr/Ja) là ñộ nhám và ñặc trưng ma sát của thành khe nứt hoặc chất lấp ñầy, ñặc trưng cho cường ñộ kháng cắt giữa các tảng ñá 0.02 ≤ Ja/Jr ≤ 200

khe nứt và làm giảm áp lực pháp tuyến hữu hiệu, làm yếu sét lấp ñầy trong khe nứt

Tỉ số (Jw/SRF) gồm hai thông số, SRF là số ño của tải trọng ñất ñá rời khi ñào qua ñứt gẫy và sét lẫn ñá; số ño của ứng suất trong ñá cứng; số ño của các tải trọng nén ép trong ñá mềm và dẻo, giá trị này có thể coi là thông số ứng suất tổng

Jw/SRF biểu thị ứng suất hoạt ñộng 0.005 ≤ Jw/SRF ≤ 1

Các thông số ñể ñánh giá chất lượng khối ñá theo phương pháp Q ñược trình bày trong các bảng từ 1.9 ñến 1.14

Khi không có lỗ khoan, RQD có thể ñánh giá từ số khe nứt trong 1 ñơn vị thể tích, trong ñó phải biết số khe nứt trên 1m của mỗi hệ khe nứt Có thể tính RQD của khối ñá theo liên hệ ñơn giản như sau: RQD = 115÷3.3Jv trong ñó Jv là tổng số khe nứt trong 1m3 (0<RQD<100 ñối với 35 >Jv>4.5)

Bảng 1.11 ðộ nhám khe nứt

b Bề mặt các khối ñá tiếp xúc trước ñới cắt 10cm

A Các khe nứt không liên tục 4

B Nhám và không ñều, lượn sóng 3

2 Jr = 0,5 có thể lấy cho các khe nứt mặt trượt, phẳng có cấu trúc tuyến

Bảng 1.12 Sự biến ñổi bề mặt khe nứt

a Bề mặt các khối ñá tiếp xúc với nhau

A Chất lấp ñầy chặt, cứng, không bị mềm hóa, không

B Các tường khe nứt không bị biến ñổi, chỉ có các vết

C Các tường khe nứt bị biến ñổi nhẹ, có màng

khoáng vật không bị mềm hóa, các hạt cát 2.0 20-25

D Màng á sét hoặc á cát, sét không bị mềm hóa 3.0 8-16

E Màng á sét mềm hoặc ma sát thấp như là Kaolinit

hoặc mica, có thể là clorit, talc, thạch cao, graphit và

ít sét trương nở (màng khe nứt, dầy 1-2mm hoặc ít

hơn)

4.0 25-30

Các giá trị

Ør trong bảng là góc

ma sát tàn

dư, có giá trị gần ñúng, phụ thuộc vào bản chất khoáng vật của các sản phẩm bị biến ñổi

G Chất lấp đầy là khống vật sét quá cố kết chặt,

khơng bị mềm hĩa (liên tục nhưng cĩ chiều dầy

5mm)

6.0 12-16

H Chất lấp đầy là khống vật sét quá cố kết trung

bình hoặc thấp, bị mềm hĩa (liên tục nhưng cĩ chiều

dầy 5mm)

8.0 6-12

J Chất lấp đầy là sét trương nở, đĩ là montmorilonit

(liên tục, chiều dày <5mm) Giá trị Ja phụ thuộc vào

hàm lượng phần trăm của hạt sét trương nở và nước

8-12 6-24

c Bề mặt các khối đá khơng tiếp xúc với nhau khi

trượt

K, L, M ðới hoặc dải của đá vỡ vụn hoặc phân hủy

vụn nát và sét (xem G, H, L đối với mơ tả điều kiện

sét).

6-12

N ðới hoặc dải á sét, á cát, sét (khơng bị mềm hĩa) 5.0

O ðới hoặc dải liên tục dầy của sét 10-13

P, R xem G, H và J đối với điều kiện sét 6-24

P nước gần đúng (Kg/cm 2 )

Ghi chú

A Hầm khơ hoặc cĩ ít nước chẩy, lưu lượng cục

bộ <5l/m 1.0 < 1.0

B Nước cĩ lưu lượng và áp lực trung bình, đơi

khi xĩi rửa chất lấp đầy khe nứt 0.66 1.0-2.5

C Lưu lượng lớn hoặc áp lực cao trong đá cứng

chắc với khe nứt khơng cĩ chất lấp đầy 0.5 2.5-10

D Lưu lượng lớn hoặc áp lực cao 0.33 2.5-10

E Lưu lượng và áp lực đặc biệt lớn khi mới nổ

mìn, giảm dần theo thời gian 0.2-0.1 >10

F Lưu lượng và áp lực đặc biệt cao 0.1-0.05 >10

Từ C đến F

là dự đốn thơ, tăng J w

nếu cĩ tiêu nước