Natm Va Cac Khai Niem

Khoa Xây Dựng Cầu Đường - Trường Đại Học Bách Khoa

KHÁI NIỆM VÀ CÁC NGUYÊN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP NATM DEFINE AND REGULARS OF NATM METHOD KS. NGUYỄN THANH TRÀ - Cựu sinh viên 93X3B Ban Quản Lý Dự án 85

TÓM TẮT Bài viết giới thiệu một số khái niệm và nguyên tắc của phương pháp NATM trong công tác xây dựng công trình ngầm nói chung . Phưpưng pháp này lần đầu tiên được áp dụng tronng công tác thiết kế và thi công hầm đường bộ qua đèo Hải Vân và Đèo Ngang ở nước ta.

1. KHÁI NIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG HẦM NATM 1.1 Tổng quan: Phương pháp xây dựng hầm NATM (New Austrian Tunnelling Method: Phương pháp xây dựng hầm mới của Áo) đã được nhiều nước tiên tiến trên thế giới công nhận là phương pháp xây dựng hầm hiện đại và có nhiều ưu điểm so với các phương pháp thông thường. Chính vì tính ưu việt của phương pháp NATM nên đã được nhiều nước đưa vào quy trình thi công hầm của mình như Đức, Áo, Nhật Bản... Ở Việt Nam, phương pháp NATM lần đầu tiên được áp dụng để thiết kế và thi công hầm đường bộ qua đèo Hải Vân, sau đó được áp dụng thành công vào công trình hầm đường bộ qua đèo Ngang. 1.2. Sơ lược về lịch sử và quá trình phát triển phương pháp NATM: Những năm trước đây, ở nước ta, Liên Xô cũ và các nước trên thế giới vẫn sử dụng phương pháp mỏ để thi công các đường hầm. Nội dung cơ bản của phương pháp mỏ là: sau khi đào hầm, để giữ ổn định đất đá 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 đào xong hầm một khoảng thời gian, kết cấu vỏ hầm mới được thi công bằng biện pháp đổ bê tông thông thường hoặc xây đá theo từng phân đoạn. Trước khi đổ bê tông, vỏ hầm thường được xử lý phòng nước bằng một lớp bao tải tẩm nhựa đường hoặc bằng giấy dầu (cũng có nhiều công trình không làm lớp phòng nước). Sau khi bê tông vỏ hầm đạt cường độ cho phép, để tạo sự liên kết chặt chẽ giữa vỏ hầm và đất đá xung quanh người ta dùng máy bơm ép vữa vào phía sau vỏ. Trong trường hợp đào lẹm quá lớn, để tiết kiệm vật liệu vữa bơm người ta có thể chèn thêm đá. Với phương pháp thi công hầm như thế, giữa vỏ hầm và địa tầng không có sự liên kết chặt chẽ với nhau nên người ta tính toán thiết kế vỏ hầm dựa trên giả thiết sau khi đào hầm xong dần dần đất đá xung quanh hầm bị biến dạng và tác động trực tiếp lên vỏ hầm như là một tải trọng. Đất đá biến dạng sẽ nứt vỡ cho đến khi tự bản thân đất đá hình thành một vòm cân bằng phía trên và hai mặt trượt ở hai bên (được gọi là vòm áp lực). Toàn bộ khối lượng phần đất đá dưới vòm cân bằng và trên mặt trượt hai bên sẽ tác dụng lên vỏ hầm hoặc vì chống trong giai đoạn thi công. Xuất phát từ quan niệm như vậy, Protodiakonov đã đưa ra mô hình rời rạc áp dụng vào phương pháp xác định vòm cân bằng và mặt trượt để tính toán áp lực lên vỏ hầm. Kích thước vòm cân bằng phụ thuộc vào kích thước hầm và đặc điểm của địa tầng thông qua hệ số kiên cố f được xác định bằng thí nghiệm nén mẫu đất đá (f = R/100) và từ đó địa tầng được phân loại thành 10 cấp theo hệ số kiên cố. TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

Chào mừng 20 năm thành lập ngành Xây dựng Cầu Đường

1

Khoa Xây Dựng Cầu Đường - Trường Đại Học Bách Khoa Việc xác định áp lực địa tầng là một vấn đề hết sức phức tạp vì đặc điểm không đồng nhất của đất đá nên để đảm bảo an toàn phải coi đất đá là rời rạc và sự khác nhau chỉ thể hiện qua hệ số kiên cố. Với quan niệm như vậy giữa địa tầng và vỏ hầm sẽ không có sự tác động tương hỗ nên vỏ hầm thường có kích thước lớn làm tăng giá thành công trình. Do vậy, vấn đề đặt ra là làm sao để có thể hạn chế áp lực do sự biến dạng, nứt vỡ, rời rạc của địa tầng và làm sao có thể tạo ra thể thống nhất giữa vỏ hầm và địa tầng. 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 nhưng hết sức sáng tạo, các kỹ sư người Áo, tiêu biểu là Rabcewicz, Muller và Pacher đã rút ra được những kinh nghiệm thực tế trong quá trình thi công nhiều công trình hầm khác nhau trong nước và trên thế giới. Trong khi quan sát và giám sát khả năng chống đỡ của khối đất đá trong đường hầm, họ cố gắng tạo cho khối đá thực hiện đúng chức năng của nó như một thành phần rất quan trọng của hầm, cố gắng giúp nó không mất đi khả năng tự chống đỡ và khi cần thiết sẽ sử dụng thêm kết cấu chống đỡ hỗ trợ. Khái niệm này là một thành tựu tiên phong khuyến khích các kỹ sư sử dụng những lớp bê tông phun mỏng thay vì phải dùng một khối lượng 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 II, sự phát triển của bê tông phun đã tạo điều kiện cho người xây dựng hầm áp dụng ngày càng phổ biến để xây dựng các đường hầm mới. Việc chế tạo ra máy phun bê tông cho phép sử dụng một khối lượng lớn bê tông phun để thi công gia cố khối đá trong hầm. Phương pháp phun bê tông lên bất kỳ bề mặt nào kết hợp với các phụ gia tạo độ cứng cho bêtông rất sớm sau khi phun cho phép thi công một chu kỳ khoan hầm nhanh hơn. Việc áp dụng các vì chống mềm bằng neo thép kết hợp với bê tông phun và lưới thép cho phép hạn chế được biến dạng của khối đất đá xung quanh hầm sau khi đào hầm và liên kết được 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 kiến quan trọng, kết hợp với sự phát triển của thiết bị hiện đại và sự ra đời của nhiều loại vật liệu mới, phương pháp xây dựng hầm mới của áo (NATM) bắt đầu hình thành và phát triển thành một phương pháp xây dựng hầm tiên tiến trên thế giới. Trong cuốn sách của mình "Gebigtack und Tunnelbau" 1944 Giáo sư L.v Rabcewicz đưa ra một hệ thống áp lực của đá và giải thích các hiện tượng đó. Nhiều nguyên tắc của NATM đã được đề cập trong cuốn sách này. Trong bản quyền sáng chế 1948 của ông, các nguyên tắc NATM đã được hình thành. Các nguyên tắc này được áp dụng bằng các biện pháp khác nhau trong các tình huống biến dạng cụ thể. Từ năm 1956 đến năm 1958 đường hầm cỡ lớn đã được Rabcewicz xây dựng ở Venezuela theo các nguyên tắc NATM. Tại Áo, các thử nghiệm đầu tiên được tiến hành vào những năm năm mươi với đường hầm dưới nước cỡ nhỏ. Năm 1963, phương pháp xây dựng đường hầm mới của áo NATM đã được đưa ra giới thiệu tại hội thảo về cơ học địa chất tại Sazburg. Phương pháp này được gọi là mới vì lúc đó đã có phương pháp truyền thống của Áo và được gọi là kiểu Áo bởi nó do các kỹ sư người Áo phát triển. Phương pháp này đã được tiếp tục phát triển trong lĩnh vực trình tự đào và chống đỡ khối đất đá xung quanh vỏ hầm. Ngày nay, thiết bị, kết cấu chống đỡ và các biện pháp phụ trợ đã có nhiều cải tiến và phát triển, các nguyên tắc của phương pháp NATM đã

TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

Chào mừng 20 năm thành lập ngành Xây dựng Cầu Đường

2

Khoa Xây Dựng Cầu Đường - Trường Đại Học Bách Khoa được triển khai và áp dụng cả đối với địa tầng biến dạng nhiều, đất yếu và các đoạn có hình dạng hình học phức tạp. 2. LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG HẦM NATM

2.1. Định nghĩa phương pháp xây dựng hầm mới của Áo ( NATM): Phương pháp xây dựng hầm mới của Áo (NATM) là phương pháp xây dựng hầm được hình thành trên cơ sở lý thuyết đúc kết từ thực tế xây dựng hầm trong thời gian dài, bao gồm các trình tự, biện pháp thi công và xử lý khối đất đá trên vòm hầm sao cho đất đá xung quanh hầm được liên kết thành kết cấu vòm chống đỡ. Do đó, tự bản thân khối đất đá xung quanh sẽ trở thành một phần kết cấu chống đỡ hầm. 2. 2 Nguyên tắc cơ bản của phương pháp xây dựng hầm NATM: 2.2.1 Kết cấu hầm là tổ hợp giữa đá núi và vỏ hầm. Hầm được chống đỡ chủ yếu bằng khối đá xung quanh. Đây là khái niệm cơ bản của phương pháp NATM. Kỹ sư hầm phải biết vận dụng khái niệm này vào công tác đào hầm. Hệ thống chống đỡ hầm chỉ nên áp dụng hạn chế và mang tính hỗ trợ hiệu ứng tự ổn định của khối đá. 2.2.2 Theo phương pháp NATM, điều quan trọng là phải duy trì cường độ nguyên thủy của khối đá. Cách chống đỡ truyền thống bằng gỗ và/hoặc bằng vòm thép không thể giúp ngăn ngừa sự biến dạng của khối đá xung quanh hầm. Bê tông phải được phun ngay sau khi đào để có thể ngăn sự biến dạng của khối đá một cách hữu hiệu. Theo công nghệ thi công hầm truyền thống, vẫn có một khoảng trống giữa hệ thống chống đỡ và khối đá. Khối đá xung quanh chỉ được chống đỡ thông qua các điểm tiếp xúc nên có xu hướng biến dạng vào phía trong đường hầm nhằm lấp đầy khoảng trống nói trên. Sự rời rạc (biến dạng) của khối đá sẽ có xu hướng phát triển đến độ sâu h tính từ tường hầm. Theo phương pháp NATM, sử dụng bêtông phun trực tiếp và bám chặt với bề mặt khối đá quanh đường hầm nên ngăn không cho khối đá biến dạng. 2.2.3 Biến dạng của khối đá phải được ngăn chặn hợp lý vì việc khối đá rời rạc sẽ làm cho cường độ của nó bị giảm đi. Cường độ của khối đá, phụ thuộc chủ yếu vào lực ma sát của mỗi phân khối đá, sẽ giảm xuống khi ma sát giảm. Nguyên tắc này áp dụng chủ yếu đối với đá cứng. Đối với đá mềm, chẳng hạn như lớp đá trầm tích sau Kỷ Đệ Tam đến Kỷ Đệ Tứ, đặc tính của chúng sẽ phụ thuộc vào lực dính và góc nội ma sát. 2.2.4 Khối đá phải được giữ trong các điều kiện ứng suất nén ba trục. Cường độ của khối đá chịu ứng suất nén đơn trục và/hoặc hai trục thì thấp hơn cường độ trong điều kiện ba trục. Cường độ chịu nén của khối đá ở điều kiện nén nhiều trục sẽ cao hơn khối đá trong điều kiện nén một trục. Sau khi đào hầm, vách hầm sẽ ở trong trạng thái 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. 2.2.5 Biến dạng của khối đá phải được ngăn chặn hợp lý. Phải thiết lập hệ thống chống đỡ để ngăn chặn sự giãn nở (tơi) hoặc nguy cơ đổ sập của khối đá. Nếu hệ thống chống đỡ được thiết lập một cách thích hợp thì chất lượng của việc đào hầm sẽ tăng đồng thời đảm bảo hiệu quả kinh tế. TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

Chào mừng 20 năm thành lập ngành Xây dựng Cầu Đường

3

Khoa Xây Dựng Cầu Đường - Trường Đại Học Bách Khoa 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 đa sự biến dạng xung quanh hầm do những biến dạng xảy ra trong khi đào hầm là không thể tránh khỏi, ví dụ biến dạng đàn hồi và/hoặc biến dạng do nổ mìn. Vì thế, giới hạn biến dạng cho phép cần được đề ra ứng mỗi loại hệ thống chống đỡ và được cập nhật từ các kết quả đo đạc quan trắc Địa kỹ thuật. 2.2.6 Hệ thống chống đỡ 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. Hệ thống chống đỡ cũng không được quá mềm hay quá cứng. Các hệ thống chống đỡ cần có một độ mềm dẻo thích hợp để duy trì cường độ của khối đá. Nếu hệ thống chống đỡ được 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 được lắp đặt đúng lúc có 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 thống chống đỡ có độ mềm dẻo thích hợp. 2.7.7 Để đánh giá thời gian thích hợp khi lắp đặt hệ thống chống đỡ, cần nghiên cứu khảo sát đặc tính biến dạng phụ thuộc thời gian của khối đá. 2.2.8 Không chỉ dựa vào công tác thí nghiệm trong phòng mà còn 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 đứng vững của vách hầm, tốc độ của sự biến dạng và loại đá là những nhân tố quan trọng để tính toán thời gian chống đỡ vách đào của khối đá. Đối với phương pháp NATM, công việc không thể thiếu được là đo đạc quan trắc. Những nhân tố được nhắc đến ở trên được xác định từ kết quả đo đạc quan trắc và những tính toán mang tính thống kê dựa trên kết quả của việc đo đạc quan trắc rất có ích cho việc dự đoán được sự biến dạng ở bước đào hầm tiếp theo. 2.2.9 Nếu sự biến dạng và/hoặc sự tơi của khối đá được dự đoán là rất lớn, bề mặt hầm đã đào phải được phun bê tông kín như là màn che. 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 vẫn còn không được chống đỡ nên sự biến dạng và/hoặc tơi của khối đá sẽ phát triển. 2.2.10 Vỏ hầm phải mỏng và có độ mềm dẻo thích hợp nhằm triệt tiêu mô men uốn và tránh được phá hoại do ứng suất uốn gây ra. Không chỉ lớp vỏ hầm ban đầu (bêtông phun) mà cả lớp vỏ hầm hoàn thiện cũng cần phải mỏng. 2.2.11 Trong trường hợp hệ thống chống đỡ (ban đầu) cần phải gia cường, các thanh thép, khung chống thép và neo đá nên được sử dụng. Không nên tăng chiều dày lớp bê tông vỏ hầm vì sẽ làm giảm diện tích tiết diện khai thác của hầm. 2.2.12 Thời gian và phương pháp thi công vỏ hầm được quyết định dựa trên kết quả quan trắc của thiết bị. Thông thường lớp bê tông vỏ hầm được thi công sau khi biến dạng của hầm đã ổn định. 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 được thiết kế đủ cường độ chống lại áp lực của khối đá tác dụng lên. 2.2.13 Về mặt lý thuyết, cấu trúc của hầm giống như một cái ống hình trụ dày gồm hệ thống chống đỡ và vỏ hầm cùng với môi trường đất đá xung quanh. Các cấu TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

Chào mừng 20 năm thành lập ngành Xây dựng Cầu Đường

4

Khoa Xây Dựng Cầu Đường - Trường Đại Học Bách Khoa trúc này hợp lại với nhau làm cho hầm tự ổn định. Hệ thống chống đỡ truyền thống gồm phần vòm và trụ đỡ, khối đá xung quanh được xem như là tải trọng tác dụng lên hầm. Theo lý thuyết NATM, hầm được xem như là một cấu trúc hỗn hợp gồm khối đá, hệ thống chống đỡ và vỏ hầm. 2.2.14 Việc cấu tạo mặt cắt hầm kín bằng vòm ngược tạo nên đường ống hình trụ là cần thiết vì cấu trúc này có thể chịu ứng suất của đá cao hơn. 2.2.15 Hành vi (trạng thái) của khối đá phụ thuộc vào tiến trình đào hầm và sự lắp đặt hệ thống chống đỡ cho đến khi kết cấu của hầm kín được hình thành. Mômen uốn bất lợi xuất hiện tại khu vực tiếp giáp của phần trên vòm hầm và tường (bench) giống như kết cấu dầm hẫng khi khoảng cách giữa các bề mặt gương hầm của phần vòm và phần tường là quá dài. Ứng suất uốn như mô tả ở trên sẽ phát triển do lún tác động lên hệ thống chống đỡ lắp đặt ở phần trên vòm hầm, khi sức chịu tải của móng hệ thống chống đỡ nhỏ hơn tải trọng tác động lên. 2.2.16 Từ quan điểm phân bố lại ứng suất, phương pháp đào toàn mặt cắt tốt hơn các phương pháp khác. Chia gương hầm thành nhiều gương nhỏ sẽ khiến cho chất lượng khối đá xung quanh hầm giảm đi nhanh chóng do phân bố lại ứng suất. Tuỳ thuộc vào quá trình đào hầm, việc phân bố ứng suất của khối đá xung quanh sẽ xảy ra và cuối cùng đạt đến một trạng thái ứng suất mới. Khối đá xung quanh hầm gặp phải tình trạng có tải và không tải lặp đi lặp lại trong suốt quá trình phân bố lại ứng suất. Đôi khi trạng thái này lặp lại dẫn đến kết quả khối đá bị phá hoại. Tuy nhiên, rất khó thực hiện phương pháp đào toàn mặt cắt ở những vùng đá xấu như đá phong hoá nặng và/hoặc đất. Trong các trường hợp như vậy ta phải chia gương hầm thành những gương nhỏ và cần phải đo đạc kiểm tra tính ổn định của mỗi phần hầm đó. 2.2.17 Phương pháp đào hầm có ánh hưởng rất lớn đến khối đá xung quanh, chẳng hạn chu kỳ và trình tự đào hầm, thời gian thi công vỏ hầm, thời gian đóng kín vỏ hầm, ... Các nhân tố này cần được kiểm soát để tạo ra tổ hợp kết cấu cũng như thiết lập sự ổn định của đường hầm. 2.2.18 Mỗi bộ phận hầm phải duy trì hình dạng tròn nhằm tránh sự tập trung ứng suất bất lợi. 2.2.19 Đối với hầm kết cấu vỏ đôi thì vỏ hầm bên trong phải mỏng. Bất kỳ lực cắt tác động vào đuờng biên bên ngoài hầm và khối đá sẽ không truyền sang bê tông vỏ hầm. Chỉ có lực hướng tâm truyền đến kết cấu vỏ đôi của hầm. 2.2.20 Kết cấu tổ hợp của khối đá và kết cấu chống đỡ bên ngoài (ban đầu) 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, độ ổn định của kết cấu hầm cần được xem xét bao gồm cả lớp bê tông vỏ hầm khi hầm gặp một lưu lượng lớn nước thấm vào và/hoặc dự báo sự ăn mòn của các neo đá. 2.2.21 Thiết bị đo đạc, quan trắc đóng vai trò quan trọng đối với công tác thiết kế và thi công hầm. Việc đo ứng suất tác động lên vỏ hầm và đo đạc sự dịch chuyển của vách hầm là đặc biệt cần thiết khi thi công hầm. 2.2.22 Giải phóng áp lực của nước ngầm xuất hiện trong khối đá bằng hệ thống thoát nước. Áp lực thủy tĩnh xung quanh đường hầm sẽ thay đổi tùy thuộc vào sự biến đổi mực nước ngầm. Hệ thống thoát nước ngầm là cách làm giảm áp lực thủy tĩnh hữu hiệu nhất. TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

Chào mừng 20 năm thành lập ngành Xây dựng Cầu Đường

5