Phuong Phap Lam Ham Moi Cua Ao

MỘT CÁI NHÌN KỸ HƠN VỀ PHƯƠNG PHÁP LÀM HẦM MỚI CỦA ÁO (NATM) (An Insight into the New Austrian Tunnelling Method) 1

2

Tác giả: M. Karakuş & R.J. Fowell 1 Department of Mining Engineering, Inonu University Malatya 44069 Turkey 2 Department of Mining & Mineral Engineering, Leeds University LS2 9JT UK

Nguyễn Đức Toản (biên dịch) Email: [email protected]

1. GIỚI THIỆU Sau ứng dụng thành công đầu tiên của NATM trong công nghiệp khai mỏ ở Anh (Deacon & Hughes 1988), các hầm trong ngành giao thông đường bộ ở Anh được thiết kế theo NATM sớm nhất là dự án hầm Round Hill Road (Bowers 1997). Vụ sập hầm ở dự án Heathrow Express Rail Link Station ngày 21/10/1994 đã khiến cho phải xem xét lại phương pháp này một cách kỹ càng. Cơ quan Sức khỏe và An toàn Anh (HSE - Health and Safety Executive) đã tiến hành điều tra và sau đó công bố kết quả nghiên cứu trong một cuốn sách về thiết kế NATM an toàn (1996). Sau đó Viện Kỹ sư Dân dụng Anh (ICE - Institution of Civil Engineers) cũng tiến hành điều tra khảo sát (1996). Bước vào thiên niên kỷ mới, vẫn còn tồn tại một số mâu thuẫn. Do đó, bài báo này nhằm mục đích mô tả các nguyên nhân gây sập đổ hầm NATM và khảo sát các trường hợp thất bại đã xảy ra trong các điều kiện địa chất khác nhau trên thế giới.

2. BỐI CẢNH LỊCH SỬ CỦA NATM Sự phát triển theo thời gian của phương pháp NATM đã được tổng kết bởi nhiều nhà nghiên cứu liên quan đến các hệ thống chống đỡ đã sử dụng (Bảng 1). Những bước phát triển lịch sử này dẫn đến NATM sẽ được trình bày ở đây một lần nữa để có thể thấy được những sự phát triển và ứng dụng của NATM. Một vài nhà tiên phong đã có những đóng góp quan trọng cho ngành xây dựng hầm khiến tạo ra NATM. Sir Marc Isambard Brunel ở đầu thế kỷ 19 đã giới thiệu một khiên đào hình tròn để đào hầm trong đất yếu (bản quyền Anh số 4204). Sau sự việc này, Rizha - một kỹ sư hầm người Đức - đã có những đóng góp quan trọng khác. Ông sử dụng sườn chống thép thay cho cột gỗ nặng. Ông cũng cho rằng hệ thống chống đỡ cần thiết để xử lý áp lực đất đá lớn trong nhiều trường hợp bắt nguồn tự chính nó (Sauer 1988), tức là muốn nói đến vai trò của đất đá xung quanh như một phần của hệ thống chống đỡ, điều này được cho rằng sẽ là nguyên tắc cơ bản của NATM đề xuất bởi Rabcewicz sau này (1964). Trong thập kỷ 1910, sau phát minh của máy bơm bêtông kiểu ổ quay của một người làm nghề nhồi bông thú tên là Carl Akeley, bêtông phun (BTP) đã được dùng trong các hầm mỏ ở Mỹ và lan sang châu Âu vào đầu những năm 1920. Năm 1948, Rabcewicz phát minh hệ chống đỡ hai lớp vỏ (hệ chống ban đầu và cuối cùng) thể hiện quan niệm cho

Page 1 of 27

phép đá biến dạng trước khi thi công vỏ hầm cuối cùng để các tải trọng tác dụng lên vỏ hầm sẽ giảm đi. Tuy nhiên, giáo sư Kovári (1994) lại coi ý tưởng đằng sau quan niệm này là hiệu ứng tạo vòm đất đá của Engesser đã được xuất bản từ năm 1882. Quan niệm về vỏ hầm hai lớp sau đó được gọi là Phương pháp Làm hầm Mới của Áo (New Austrian Tunnelling Method), cụm từ này được Rabcewicz đưa ra trong một bài giảng năm 1962 và nó đã được thế giới công nhận hai năm sau đó. Ứng dụng đầu tiên của NATM trong đất yếu là dự án tàu điện ngầm (metro) ở Frankfurt Đức năm 1969. Bảng 1 - Sự phát triển theo thời gian dẫn đến NATM (theo Sauer 1988 & 1990; Rabcewicz 1964) Năm

Phát triển

1811

Phát minh ra khiên đào tròn bởi Brunel.

1848

Nỗ lực đầu tiên trong việc sử dụng vữa đông cứng nhanh của Wejwanow.

1872

Thay thế hệ chống gỗ bằng vì chống thép bởi Rziha.

1908-1911

Phát minh ra máy phun bêtông kiểu ổ quay bởi Akeley.

1914

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

1948

Giới thiệu hệ thống vỏ hầm kép bởi Rabcewicz.

1954

Dùng bêtông phun để làm ổn định đất nén ép/chảy trong khi làm hầm bởi Bruner.

1955

Phát triển hệ neo giữ đất bởi Rabcewicz.

1960

Công nhận tầm quan trọng của một hệ thống đo đạc có tính hệ thống bởi Müller.

1962

Rabcewicz giới thiệu Phương pháp Làm hầm Mới của Áo trong một bài giảng tại Hội thảo chuyên đề Địa cơ học lần thứ XIII (the XIII Geomechanics Colloquium) ở Salzburg, Áo.

1964

Dạng tiếng Anh của thuật ngữ NATM lần đầu tiên xuất hiện trong văn liệu kỹ thuật đưa ra bởi Rabcewicz.

1969

Ứng dụng NATM lần đầu tiên trong đô thị với điều kiện đất yếu (Frankfurt am Main).

1980

Định nghĩa lại NATM do có mâu thuẫn tồn tại trong các tài liệu kỹ thuật bởi Ủy ban quốc gia về Xây dựng ngầm của Áo (ANCUC) trực thuộc Hiệp hội Xây dựng hầm Quốc tế (ITA)

1987

Ứng dụng NATM lần đầu tiên ở Anh tại mỏ Barrow upon Soar.

Page 2 of 27

3. CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐẶC TRƯNG VÀ TRIẾT LÝ CỦA NATM NATM là gì? Những đặc điểm trọng yếu của NATM là gì? NATM là một kỹ thuật làm hầm hay là một triết lý? Những câu hỏi tương tự nảy sinh sau khi thế giới công nhận NATM đòi hỏi phải được trả lời nhằm đảm bảo rằng những nguyên tắc của “triết lý” hay “kỹ thuật” này được hiểu đúng trong ngành xây dựng hầm. Những vấn đề này thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, kỹ sư và nhà báo kỹ thuật nhằm xác định những quan niệm thực sự của NATM. Do đó, vấn đề này sẽ được xem xét một lần nữa liên quan đến các định nghĩa cũ và mới. Khi chúng ta trở lại nguồn gốc của NATM, giáo sư L.v. Rabcewicz (11/1964) người sáng tạo chính - giải thích phương pháp như là: “… Một phương pháp mới bao gồm một vỏ hầm bêtông phun mỏng, được khép kín vào thời điểm sớm nhất bởi một vòm ngược thành một vòng hoàn chỉnh - gọi là một “vòm phụ” - mà sự biến dạng của nó được đo đạc theo thời gian cho tới khi đạt được trạng thái cân bằng”. Ông nhấn mạnh ba điểm cơ bản, thứ nhất là sự áp dụng một vỏ hầm bêtông phun mỏng, thứ hai là sự khép kín hệ chống đỡ càng sớm càng tốt, và thứ ba là sự đo đạc biến dạng một cách có hệ thống. Định nghĩa nêu trên đã được định nghĩa lại bởi Ủy ban quốc gia về Xây dựng ngầm của Áo (ANCUC) trực thuộc Hiệp hội Xây dựng hầm Quốc tế (ITA) vào năm 1980 để loại bỏ những mâu thuẫn nảy sinh trong các tài liệu kỹ thuật (Kovári 1994). Định nghĩa mới này phát biểu như sau: “Phương pháp Làm hầm Mới của Áo (NATM) được dựa trên một quan niệm trong đó địa tầng (đá hay đất) xung quanh một hang ngầm trở thành một bộ phận kết cấu mang tải thông qua sự hình thành một vòng đất đá có khả năng chịu lực” Một định nghĩa gần đây khác về NATM đưa ra bởi Sauer (1988) phát biểu rằng NATM là: “Một phương pháp tạo ra không gian ngầm bằng cách sử dụng mọi phương tiện có sẵn để phát triển khả năng tự mang tải lớn nhất của bản thân đất hay đá nhằm tạo ra sự ổn định cho hang ngầm”. Bằng việc sử dụng cụm từ “mọi phương tiện có sẵn”, tiến sỹ Sauer đã định nghĩa phương pháp theo một cách thức tổng quát hơn so với định nghĩa trước đây của các kỹ sư đồng nghiệp Áo của mình. Một trong những người ủng hộ NATM khác, GS. TS. Leopold Müller (1978) đề nghị rằng: “NATM nên hiểu là một quan niệm xây dựng hầm với một tập hợp các nguyên tắc… Do đó theo ý kiến tác giả không thể gọi nó là một phương pháp thi công, vì từ này nói đến một phương pháp đào một đường hầm”. Do những phát biểu trên, những người đề xướng của Áo đều nhất trí rằng NATM là một cách tiếp cận về xây dựng hầm hoặc triết lý hơn là một tập hợp các kỹ thuật đào và chống đỡ. Golser, (1979), Brown, (1990), Hagenhofer (1990), Barton (1994) là những Page 3 of 27

người ủng hộ cho tư tưởng này trong số nhiều nhà khoa học khác. GS. Müller (1990), người cực kỳ nhiệt tâm trong việc giải thích các nguyên tắc cơ bản của NATM, đã tổng kết những đặc điểm đặc trưng quan trọng của NATM trong số hai mươi hai (22) nguyên tắc rằng: i.

Khối đất đá xung quanh là thành phần mang tải chính và khả năng chịu tải của nó phải được duy trì bằng cách không làm xáo trộn khối đá.

ii.

Sức kháng chống đỡ của khối đá phải được bảo tồn bằng cách sử dụng các thành phần chống đỡ bổ sung.

iii. Vỏ hầm phải có tường mỏng và nếu cần gia cường bổ sung thì phải dùng lưới thép, sườn chống thép và neo đá chứ không phải bằng cách tăng chiều dày vỏ hầm. iv. Thời gian khép kín vỏ hầm có tầm quan trọng thiết yếu và việc này phải được thực hiện càng sớm càng tốt. v.

Các thí nghiệm sơ bộ trong phòng thí nghiệm và việc đo đạc biến dạng trong hầm phải được tiến hành để tối ưu hóa việc tạo thành vòng đất đá chống đỡ.

Tuy nhiên, kết luận của Müller về một thời gian khép kín thật nhanh vỏ chống đỡ trong những hầm đặt sâu để giảm thiểu các biến dạng đã không nhận được sự đồng tình của Rabcewicz và Pacher căn cứ vào báo cáo của họ năm 1975 (Golser 1979), trong đó nói rằng: “Tuy nhiên, nguyên tắc khép kín vỏ chống đỡ càng nhanh càng tốt chỉ thích hợp với các hầm trong đá có các ứng suất ban đầu nhỏ. Trong các hầm có chiều dày lớp đất phủ lớn và chất lượng đá kém thì chỉ có một sự giải phóng ứng suất đến mức độ lớn nhất mới có thể giúp đạt được mục tiêu1. Tất nhiên, sự giải phóng ứng suất này, mà nó sẽ kéo dài trong nhiều tháng, phải được kiểm soát một cách chính xác nhất bằng các phép đo đạc hiện trường”. Tóm lại, chúng ta có thể rút ra những nguyên tắc chính tạo thành NATM sau đây, dựa vào các tài liệu của: tạp chí Tunnels & Tunnelling (1990), Will (1989), Brown (1990), Wallis (1995), ICE (1996), HSE (1996), Bowers (1997), Fowell & Bowers, (1998): i.

Cường độ có sẵn của đất hay đá xung quanh phạm vi hầm phải được bảo tồn và phải được chủ động huy động với mức tối đa có thể được.

ii.

Sự huy động có thể đạt được nhờ kiểm soát lượng biến dạng của nền đất. Phải tránh để xảy ra biến dạng quá mức vì nó sẽ gây ra mất mát cường độ hay lún sụt mặt đất lớn.

iii.

Các hệ thống chống đỡ ban đầu và chủ yếu bao gồm hệ bulông hay neo đá bố trí một cách có hệ thống và vỏ hầm bêtông phun mỏng nửa-mềm sẽ được sử dụng để đạt được các mục đích đặc biệt nêu trong điểm (ii). Các công tác về hệ thống chống đỡ cuối cùng thường được tiến hành ở giai đoạn sau.

1

Với các hầm có chiều dày lớp đất phủ lớn và chất lượng đá kém, việc khép kín vỏ chống đỡ càng nhanh càng tốt chỉ có thể làm được nếu một sự giải phóng ứng suất đến khoảng cách lớn nhất xung quanh hang hầm đã xảy ra. Nói cách khác, nếu tồn tại ứng suất ban đầu lớn cộng với điều kiện khối đá yếu, thì việc khép kín vỏ chống đỡ vào thời điểm sớm nhất là không nên làm cho tới khi đã diễn ra sự giải phóng ứng suất ở mức thích hợp. (Giải thích của TS. Karakus cho người dịch).

Page 4 of 27

iv.

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

v.

Phải tiến hành các thí nghiệm trong phòng và thực hiện việc theo dõi biến dạng của các hệ thống chống đỡ cũng như nền đất.

vi.

Những ai liên quan đến việc thi công, thiết kế và giám sát xây dựng hầm theo NATM đều phải hiểu rõ và công nhận cách tiếp cận của NATM, và phải phản ứng trên tinh thần cộng tác trong việc giải quyết bất kỳ vấn đề nào nảy sinh tại hiện trường.

vii.

Chiều dài của đoạn hầm chưa được chống đỡ trong khi đào phải để lại càng ngắn càng tốt.

Bảy điểm/nguyên tắc trên đây nhằm mục đích bao quát tất cả những định nghĩa đã có, bao gồm nhiều dạng yêu cầu khác nhau trong xây dựng hầm cũng như các điều kiện địa chất. Tuy vậy, Murphy, (1994) vẫn bình luận: “…Có thể nói rằng một ứng dụng (làm hầm) nhất định không nhất thiết phải bao hàm mọi nguyên tắc trên đây - mà thực ra cũng không bao giờ có trường hợp như vậy - để có thể được gọi một cách chính thức là một dự án NATM”. 3.1 Lý thuyết phá hoại cắt quanh một hang ngầm của Rabcewicz Khi nghiên cứu lý thuyết phá hoại của Rabcewicz khi một hang được tạo ra trong đá, thấy rằng sự phân bố lại ứng suất xảy ra trong ba giai đoạn như thể hiện ở Hình 1. Trước hết, các khối đất hình nêm ở cả hai bên hầm bị tách ra dọc theo các mặt phẳng phá hoại theo lý thuyết Mohr và chuyển dịch về phía hang (I). Trong giai đoạn II, sự tăng lên của nhịp hầm dẫn đến sự dịch chuyển lại gần nhau của nóc và sàn hang. Biến dạng tại đỉnh vòm và sàn hang tăng lên hơn nữa và khối đá bị oằn gãy vào trong hang hầm dưới áp lực ngang không đổi (III). Áp lực tăng lên trong giai đoạn III được gọi là “áp lực nén ép” và hiếm khi xảy ra trong các hoạt động xây dựng dân dụng vì các hố đào là khá nông. Sau đó, Rabcewicz (1964) rút ra một kết luận rằng: “Công nhận hiện tượng diễn ra liên tục của áp lực như trên, bởi vì, với các phương pháp đã cũ sử dụng vào thời gian đó, các tiết diện hầm thường không được đào toàn gương mà được phân chia thành các gương đào nhỏ được mở rộng ra nối tiếp nhau…” Ông khẳng định phương pháp đào phải là tuần tự chứ không phải là toàn gương theo lý thuyết cắt của mình.

Page 5 of 27

Hình 1 - Quá trình cơ học và trình tự phá hoại xung quanh một hang ngầm gây bởi áp lực trong quá trình tái phân bố ứng suất (theo Rabcewicz 1964) 3.2 Các hệ thống chống đỡ NATM đề nghị bởi Rabcewicz Các hệ thống chống đỡ như được đề nghị bởi Rabcewicz (1973) có hai nhóm chính. “Nhóm thứ nhất là một thiết kế hệ chống đỡ có tính chất bảo vệ hay vòm vỏ bên ngoài mềm dẻo nhằm ổn định hóa kết cấu một cách thích hợp, và bao gồm một vòm đá được neo bulông một cách có hệ thống kết hợp với lớp bảo vệ bề mặt chủ yếu bằng bêtông phun, thường được gia cường thêm bằng các sườn thép và khép kín bằng vòm ngược... Phương tiện chống đỡ thứ hai là một vòm bên trong bằng bêtông mà nói chung sẽ không được thi công cho tới khi vòm bên ngoài đã đạt được trạng thái cân bằng…” Để có thể thiết kế khả năng chịu tải của vỏ hầm cho nhiều loại đất hay đá khác nhau, cần phải phân tích và hiểu rõ hiện tượng phá hoại cắt như đã trình bày ở trên. Cần phải thiết lập mối quan hệ giữa khối đất bị xáo trộn quanh hang ngầm, gọi là “vùng bảo vệ” (“protective zone”), và khả năng chịu tải của hệ thống chống đỡ, gọi là “sức kháng biên hang” (“skin resistance”) (Rabcewicz 1964). Việc trình bày về mặt toán học của những mối quan hệ này được đưa ra bởi Kastner như sau:

pi = −c cot φ + po ⎡⎣c cot φ + (1 − sin φ ) ⎤⎦

r

2sin φ 1−sin φ

R

(1)

Bỏ qua lực dính c, Phương trình (1) trở thành:

Page 6 of 27

pi = po (1 − sin φ )

r

2sin φ 1−sin φ

R

= npo

(2)

Các giá trị của hệ số n được cho như là một hàm của po và ϕ (xem Rabcewicz 1964). Giả thiết rằng không có vùng đất bảo vệ tức là r = R, thì hang ngầm sẽ đạt đến cân bằng mà không có biến dạng nào. Các phương trình nêu trên được rút ra từ sự phân bố ứng suất sau khi hang đã làm xong, như minh họa trong Hình 2.

Hình 2 - Phân bố ứng suất xung quanh một hang ngầm dưới áp lực địa tĩnh (theo Kastner, trích dẫn bởi Rabcewicz 1964) Đường cong đáp ứng của đất (Hình 3) thể hiện sự tương tác đất nền/hệ chống đỡ và các biến dạng theo thời gian. Nó cho ta một công cụ để mô hình hóa độ cứng hệ chống đỡ và thời gian lắp đặt. Khi lựa chọn một hệ chống đỡ cứng hơn (đường 2), nó sẽ chịu một tải trọng lớn hơn bởi vì khối đá xung quanh hang vẫn chưa biến dạng đủ để đạt tới trạng thái cân bằng ứng suất. Do đó, hệ số an toàn sẽ tăng lên nhiều. Sau điểm C, sự làm việc của đất không còn tuyến tính nữa. Nếu hệ chống đỡ (1) được lắp đặt sau khi đã xảy ra một chuyển vị nào đó (điểm A), thì hệ thống đạt đến cân bằng với một tải trọng bé hơn trên kết cấu. Vì thế, Rabcewicz (1973) kết luận: "Một điểm đặc biệt của NATM là các điểm giao cắt luôn luôn xảy ra tại nhánh đi xuống của đường cong". Điều này có nghĩa chỉ cần một hệ chống đỡ ít cứng hơn mà nó sinh ra sự biến dạng yêu cầu như trong trường hợp của một ứng dụng NATM. Hơn nữa, ông nhấn mạnh rằng hệ chống đỡ đất đá không được quá cứng hoặc quá mềm. Sau điểm B sẽ xảy ra "sự rão rời ghê gớm" và áp lực chống đỡ cần có để ngăn chặn quá trình rão rời sẽ tăng lên rất nhiều. Tuy nhiên, nếu hệ chống đỡ được lắp đặt đúng thời điểm để có được lượng biến dạng thích hợp, thì áp lực hệ chống đỡ sẽ có giá trị nhỏ nhất tại điểm này.

Page 7 of 27

Hình 3 - Các đường cong tương tác đất nền-hệ chống đỡ (theo Fenner & Pacher, trích dẫn bởi Rabcewicz 1973) Rabcewicz cũng đưa ra những kết luận sau đây về mối quan hệ tương hỗ giữa hệ thống chống đỡ cơ sở của NATM, đó là bêtông phun và vòm đá được lắp neo: i.

Với cùng một loại đất và chiều dày lớp phủ, mối quan hệ giữa kích thước của các khối bị phân chia bởi khe nứt và diện tích đào sẽ có tính chất quyết định đến việc huy động sự làm việc của lớp vật liệu này.

ii.

Với những tiết diện đào nhỏ (10-16 m2) và các khối phân chia khoảng vài dm3, thì thường chỉ cần một lớp bêtông phun phủ kín đơn giản dày d = 3 cm = 0,017xR để ổn định hóa hang hầm;

iii. Nhưng nếu có một gian máy phát điện ngầm khoảng 400-600 m2, thì nền đá với các khối phân chia kích cỡ như trên sẽ làm việc như một khối không dính, và một vỏ bêtông phun đơn giản cỡ 0,017xR = 19-24 cm sẽ là không đủ để chịu lực. Trong trường hợp này bắt buộc phải tạo ra một vòm đá được lắp đặt neo một cách có hệ thống. 3.3 Nên gọi là Vỏ hầm Bêtông Phun hay gọi là NATM? Như đã thảo luận ở trên, NATM đã từng được định nghĩa lại bởi một số tổ chức và thậm chí bởi vài cá nhân bằng cách bổ sung những đặc trưng mới hay bỏ qua một số nguyên tắc cơ bản của nó nhằm phục vụ các mục đích làm hầm đặc thù của họ hoặc nhằm làm rõ những cái gọi là mâu thuẫn đã từng nảy sinh từ những nguyên tắc cơ bản đó. Họ đã điều chỉnh lại nó như là một triết lý và/hoặc kỹ thuật làm hầm đặc biệt để thích hợp với những định nghĩa này. NATM đã được đổi tên thành Vỏ hầm bêtông phun (SCL) bởi Tổ chức Kỹ sư Dân dụng Anh (ICE, 1996) để áp dụng cho các ứng dụng trong đất yếu. Quan

Page 8 of 27

điểm của họ là bất kỳ ứng dụng nào của NATM trong đất yếu cũng liên quan đến những biện pháp chủ yếu sau đây: a) Các giai đoạn đào hầm phải đủ ngắn, cả về mặt kích thước và thời gian; b) Việc hoàn thiện lớp chống đỡ ban đầu, đặc biệt là việc khép kín "vành" bêtông phun phải không được chậm trễ. Vì hai biện pháp này là không thích hợp với triết lý NATM ban đầu đối với đất yếu, nên bất kỳ áp dụng nào của nó trong các vùng đô thị cũng đều là việc áp dụng đầu tiên của Vỏ hầm Bêtông Phun (SCL) (IEC 1996). Hơn nữa, quan điểm này còn được mở rộng như sau: "Trong thực hành, trong các vùng đô thị đất yếu, cái mà được nói đến như là NATM chính là việc phun lớp bêtông đầu tiên làm nhiệm vụ chống đỡ ban đầu, theo sau đó một quãng thời gian xác định là việc lắp đặt một vỏ hầm vĩnh cửu. Các chi tiết của hệ chống đỡ ban đầu (vd. chiều dày lớp bêtông phun) được quyết định bởi người thiết kế và sau đó thường là không bị thay đổi. Việc đo đạc quan trắc được dùng để kiểm soát tính năng làm việc và độ an toàn của hệ chống đỡ ban đầu và nhờ đó xác minh được tính đúng đắn thiết kế của nó... ... Tóm lại, việc dùng vỏ bêtông phun cho hầm trong đất yếu trong đô thị không sử dụng bất kỳ triết lý NATM nguyên bản nào, mà đúng hơn, nó chính là sự sử dụng các kỹ thuật thi công thường đi liền với NATM..." Còn một định nghĩa khác đưa ra bởi Cơ quan An toàn và Sức khỏe Anh (HSE) sau khi xảy ra vụ sập Hầm Cao tốc Heathrow Express Rail Link Station (HEX). Báo cáo của HSE nhấn mạnh đến các biện pháp an toàn cần áp dụng trong khi và sau khi xây dựng một đường hầm, và làm sao để có thể thiết kế các biện pháp đó một cách an toàn bất kể thuật ngữ nào dùng để gọi NATM. Theo định nghĩa này, NATM (biểu thị bằng chữ đậm in nghiêng) được miêu tả là: "Một hầm được xây dựng bằng cách sử dụng các kỹ thuật đào gương mở và với một vỏ hầm xây dựng ở bên trong hầm bằng bêtông phun để tạo ra hệ chống đỡ đất thường có sử dụng thêm các neo đất, bulông và thanh căng một cách thích hợp". Bowers (1997) đã tổng kết khá kỹ cả về lý thuyết và ứng dụng của NATM với hai trường hợp lịch sử (Bowers 1997; New & Bowers 1994) và ông đã nhận xét về định nghĩa của Cơ quan Sức khỏe và An toàn Anh (HSE) như sau: "Tuy nhiên, vấn đề của định nghĩa này là ở chỗ nó ít tương xứng với các biện pháp thi công an toàn so với bản chất của các thủ tục đã từng được sử dụng, và do vậy đã không được khai thác một cách triệt để". Tóm lại, bất kể NATM được gọi hay được định nghĩa thế nào, nó vẫn mang những đặc trưng riêng biệt so với các phương pháp làm hầm quen thuộc khác và việc áp dụng nó vẫn tiếp tục diễn ra dưới những cái tên khác nhau trên khắp thế giới. Tuy vậy, tất cả những định nghĩa này tựu trung đều gặp nhau ở mấy điểm sau: i.

Việc sử dụng nền đất như một phần của hệ chống đỡ là vấn đề quan trọng nhất;

ii.

Xây dựng một vỏ hầm ban đầu để đạt được trạng thái cân bằng tại độ biến dạng tối ưu (tức là lượng biến dạng tốt nhất chứ không phải lớn nhất!) bằng nhiều bộ phận chống đỡ bổ sung có thể được, như neo đá, cột, sườn chống thép, v.v...;

Page 9 of 27

iii.

Khép kín vòng vỏ che chống tại một thời điểm thích hợp bằng cách sử dụng đường cong tương tác đất - hệ chống và theo dõi đáp ứng của đất bằng các hệ thống đo đạc được lắp đặt một cách có hệ thống trong hầm;

iv.

Ổn định hóa hang hầm bằng cách dùng một vỏ hầm thứ hai;

v.

Phân chia hầm thành các phần đào nhỏ hơn tùy thuộc vào điều kiện địa chất.

3.4. Các tiêu chí thiết kế và các đặc điểm của NATM Các nguyên tắc cho một phương pháp luận thiết kế thích hợp cho NATM có thể chia làm hai nhóm thiết kế chính. Nhóm thứ nhất có thể xem là một hàm của các yêu cầu kỹ thuật của NATM với các ứng dụng trong đất yếu hay đá mềm liên quan đến hệ thống chống đỡ. Nhóm thứ hai phụ thuộc vào các bó buộc bên ngoài, chẳng hạn như vấn đề lún, tác động môi trường, an toàn, công nghệ xây dựng, và các ràng buộc về tài chính và hợp đồng/pháp lý. Ví dụ, Golser & Mussger (1978) đã lưu ý về tầm quan trọng của việc thiết kế về mặt hợp đồng cho NATM mà nó đóng một vai trò rất lớn cho việc áp dụng thành công NATM về mặt kinh tế. Ngoài ra, các yêu cầu về hợp đồng của một khách hàng/chủ đầu tư có thể ảnh hưởng đến sự hoàn thành đúng hạn của công trình với giá thành nhỏ nhất, điều này có thể sinh ra các thay đổi đối với toàn bộ thủ tục thiết kế. Tổ chức Kỹ sư Dân dụng Anh (ICE, 1996) đã phân loại các triết lý thiết kế hầm thành ba nhóm lớn như minh họa ở Hình 4. Sự phân loại tổng quát này cũng được đối chiếu với từng triết lý làm hầm tùy theo hệ chống đỡ được sử dụng. Nhờ đó, NATM được hiểu như là một sự kết hợp của các triết lý làm hầm trong đất yếu và đá cứng truyền thống. Các khía cạnh cơ bản cho thiết kế được minh họa trong Hình 5 như một triết lý thiết kế chung cho NATM. Vì mỗi một trong số những khía cạnh này là một phần của toàn bộ quá trình thiết kế, nên nếu thiết kế riêng biệt các đặc điểm này mà không kết hợp với nhau thì có thể dẫn đến sự thất bại của NATM. Sau khi xác định hình dạng và kích thước tùy theo ứng dụng của nó trong đất yếu và/hoặc đá cứng, thiết kế NATM liên quan chủ yếu đến các đặc điểm hệ chống đỡ của nó.

Page 10 of 27

Hình 4 - Mối tương quan giữa các triết lý thiết kế hầm (theo ICE 1996)

Hình 5 - Các khía cạnh thiết kế chung cho NATM Page 11 of 27

3.4.1 Thiết kế hệ chống đỡ đầu tiên và cuối cùng Thiết kế hệ chống cho cả bêtông phun ban đầu và vỏ hầm bêtông cuối cùng là phần chính của thiết kế kỹ thuật theo NATM. Trong khi thiết kế hệ chống đỡ, người ta đã phải xét đến sự mềm dẻo và chiều dày của vỏ hầm ban đầu với sự bổ sung của lưới thép hàn hay sợi thép gia cường và neo đá, thanh neo dẫn trước và các tấm/cọc chống, đặc biệt là để giữ ổn định gương đào. Cũng cần phải xem xét kỹ tính chất tùy thuộc vào thời gian của việc thi công vỏ hầm. Nhờ đó cũng có thể tối ưu hóa sự xác định thời gian cho việc khép kín vành vỏ chống đỡ. Đối với thiết kế hệ chống ban đầu, Rabcewicz (1965) đề nghị rằng: "Thiết kế bêtông phun phải đạt được cường độ cao càng nhanh càng tốt, và nó phải cứng và vững chắc sao cho nó trám bít được bề mặt đất đá một cách chặt chẽ và hầu như kín khít". Ông chỉ ra một điểm quan trọng rằng bêtông phun phải đạt được cường độ lớn nhất của nó trong một thời gian ngắn. Mặt khác, Vavrovsky (1995) đưa ra một khảo sát khá kỹ về biến dạng của đá và hiện tượng phân bố lại ứng suất liên quan đến các ứng dụng NATM trong đá và đất, ông nhấn mạnh rằng: "... Phạm vi của thiết kế do vậy không chỉ là để tự "chống đỡ" chính nó mà phải là một "gói" những biện pháp bao gồm phủ trám kín bề mặt hang, gia cố và chống đỡ khối đá trong quá trình phân bố lại ứng suất...". Do đó, việc thiết kế hệ thống chống đỡ được yêu cầu phải tích hợp với các đặc điểm biến dạng của nền đất. Nhờ vậy, khả năng chịu tải của môi trường và hệ thống chống đỡ có thể được hiểu cặn kẽ nhất bằng sơ đồ tương tác nền và hệ chống (xem Hình 3). Từ đường cong này, có thể biết được khối lượng chống đỡ cần có để làm ổn định hầm. Việc cung cấp một hệ chống đỡ đủ vào thời điểm tối ưu sẽ tạo ra một khối lượng chống đỡ nhỏ dẫn đến chi phí thấp hơn. Nếu các bộ phận chống đỡ được lắp đặt trong sự tiếp xúc chặt chẽ với nền đất xung quanh, đó chính là trường hợp của bêtông phun, bulông và neo đá, thì chúng sẽ biến dạng cùng với nền đất và tiếp nhận tải trọng bởi vì các ứng suất trong đất được phân bố lại. Tiến sỹ G. Sauer (1998) cho rằng vành vỏ chống phải được gia cố đầy đủ trong phạm vi 1,5D (trong đó D = đường kính hầm) kể từ mặt gương đối với một hầm đơn trong điều kiện đá không ổn định. Tuy nhiên, đối với đất không dính và/hoặc kém dính, trường ứng suất ba chiều cần phải được chống đỡ thêm bằng một đoạn kéo dài của màng chống đỡ về phía trước gương đào, tức là hệ thanh gia cố trước, hoặc bằng cách để lại một tường đất không đào để chống đỡ gương. Th.R. Kuesel (1987) chỉ ra rằng việc định kích thước và các chi tiết của vỏ hầm chủ yếu là liên quan đến các xem xét về ứng suất. Ông đề nghị rằng điều cần xét đến đầu tiên là nước lỗ rỗng. Do đó, nếu vỏ hầm phải chịu áp lực thủy tĩnh, thì điều này phải được khống chế bởi thiết kế vỏ hầm. Để loại trừ nước ngầm, có thể dùng hệ thống thoát nước hay màng cách nước. Xem xét thứ hai của Kuesel là tính khả xây dựng hay tính tương thích của thiết kế vỏ hầm mà nó phù hợp với điều kiện địa chất dự kiến, điều này chủ yếu là liên quan đến thời gian tự chống giữ của đất.

Page 12 of 27

Rõ ràng là các lời giải giải tích khép kín (closed-form solutions) hiện có cho việc phân tích hầm tròn đưa ra bởi Muir Wood (1975), Peck và nnk (1972), Mohraz và nnk (1975), Sulem và nnk (1987) là không thích hợp cho việc thiết kế vỏ hầm của các hầm không tròn, tức là NATM. Tiến sỹ Watson cũng cho rằng: “Chúng (các lời giải khép kín) có thể sử dụng đến một mức độ nhất định cho việc đánh giá ban đầu về tải trọng thiết kế lớn nhất lên vỏ hầm ban đầu dạng tròn theo NATM, nhưng chúng không xem xét được tác dụng có ích của việc giải phóng ứng suất ở phía trước gương đào hay tác động trọng yếu của trình tự thi công đến sự phát triển các điều kiện tải trọng tạm thời lên vỏ hầm”. Do đó, thiết kế vỏ hầm và tương tác vỏ hầm - đất nền đã được đưa vào mô hình hóa phân tích và tính toán số. Ví dụ, Ito và Hisatake (1981) đã tiến hành một nghiên cứu phân tích để đánh giá các áp lực đất và chuyển vị của hệ chống thép và bêtông phun theo Phương pháp Làm hầm Mới của Áo bằng cách xem xét ứng xử đàn-dẻo của vỏ hầm. Leca & Clough (1992) đã phân tích vỏ hầm bêtông phun bằng Phương pháp Phần tử Hữu hạn (FE). Họ đã đề xuất một phương pháp đơn giản để thiết kế sơ bộ hệ chống đỡ hầm NATM, phương pháp này đánh giá các lực nén và mômen trong vỏ hầm. Tóm lại, đối với thiết kế bêtông phun và vỏ hầm thứ hai, cần xem xét những điều sau: i.

Các đặc trưng của đất, chẳng hạn như phải xác định cường độ và thời gian tự đứng vững/ổn định. Sau đó đưa ra đường cong tương tác giữa kết cấu và đất nền.

ii.

Nước ngầm cần được tính đến và phải duy trì việc thoát nước hay cách nước theo yêu cầu. a)

Nếu cần thoát nước, sự ổn định lâu dài của các lỗ thoát nước phải được duy trì và phải tính toán số lượng các lỗ này dựa trên lượng nước chảy vào.

b)

Khi chọn phương án cách nước, áp lực nước ngầm cần được xem xét trong thiết kế để tính toán tải trọng lên vỏ hầm. Sự ổn định lâu dài của màng cách nước cũng phải được xem xét.

iii.

Cần sử dụng các thành phần chống đỡ bổ sung như neo đá, cọc cừ, dầm chống mắt cáo, lưới thép hàn hay cốt sợi thép để làm tăng cường độ của bêtông phun. Các vật liệu chế tạo bêtông phun cần được xem xét trong thiết kế vỏ hầm để tối ưu hóa ứng xử theo thời gian nhằm đáp ứng tính mềm dẻo và khả năng chịu tải cần thiết.

iv.

Cần phải thực hiện kiểm soát các ứng suất trên/trong vỏ hầm và biến dạng.

v.

Thiết kế sơ bộ cho vỏ hầm BTP ban đầu phải được thực hiện bằng cách dùng các phương tiện phân tích có sẵn như các phương pháp kinh nghiệm dựa trên tài liệu có sẵn và/hoặc các quan trắc, các phương pháp tính toán số và các mô hình vật lý nhỏ hay mô hình theo kích thước thật.

vi.

Vỏ hầm thứ hai thường là một vỏ hầm bêtông đúc sẵn và chúng được lắp đặt sau khi lớp bêtông phun đã được làm xong. Các tấm/bản bêtông này nói chung được liên kết với nhau bằng mối nối, chúng có thể là các mối nối phẳng hay đinh ốc, mối nối lõm/lồi, và mối nối ghép mộng (Craig & Muir Wood 1978).

Page 13 of 27

3.4.2 Các tiêu chuẩn thiết kế địa kỹ thuật Nhắc lại nguyên tắc chính của NATM, khối đất bao quanh một hang hầm là thành phần mang tải chính trong ứng dụng NATM. Để tối ưu hóa khả năng chịu tải của môi trường, cần phải thiết lập đường cong tương tác hệ chống đỡ - đất nền đặc trưng. Do vậy, các điều kiện địa chất có thể phải được phân tích từ các thí nghiệm trong phòng và hiện trường. Tầm quan trọng của những điều tra khảo sát này được nhấn mạnh bởi các nhà sáng lập NATM và báo cáo của Cơ quan Sức khỏe và An toàn Anh (HSE) năm 1996. Người ta cũng tin rằng nguyên nhân chính của thất bại là những điều kiện địa chất không lường trước được. Do đó, việc điều tra khảo sát địa chất phải được tiến hành kỹ lưỡng nhằm đảm bảo rằng không có khả năng gặp phải bất kỳ điều kiện địa chất không lường trước nào (HSE 1996). Cường độ đất nền, thời gian tự giữ ổn định, nước lỗ rỗng và các điều kiện thoát nước, tính đồng nhất và phi tuyến của đất nền, khả năng bùng nền, tính chất phụ thuộc thời gian hay ứng xử từ biến, các khe nứt, áp lực đất ở trạng thái nghỉ, độ lớn của áp lực tầng đất phủ, đều phải được tính đến trong khi thực hiện những khảo sát này. Như vậy, phải lựa chọn được các thông số thiết kế địa kỹ thuật thích hợp để hoàn thành nhiệm vụ thiết kế phân tích hoặc tính toán số ban đầu cho các dạng thức đào và kích thước đào hợp lý, độ tiến sâu của gương trong mỗi bước đào, cũng như thiết kế được hệ chống đỡ tối ưu. Số liệu/ dữ liệu

Sự thông hiểu/ mức độ hiểu biết

Hình 6 - Phân loại các bài toán về mô hình hóa (theo Holling, trích dẫn bởi Starfield 1988) Starfield (1988) đã đưa ra một phân tích khá kỹ về phương pháp luận của việc mô hình hóa đất đá liên quan đến cơ học đất. Ở trên đã từng lưu ý rằng việc điều tra khảo sát địa kỹ thuật của đất nền, mà trong đó sẽ áp dụng NATM, là rất trọng yếu cho việc hiểu biết về phương pháp luận mô hình hóa cho đất/đá. Hình 6 minh họa sự phân loại các vấn đề về mô hình hóa. Holling (1978) đưa ra hai trục tọa độ: trục tung biểu thị số lượng và/hoặc chất lượng của dữ liệu có sẵn, và trục hoành thể hiện mức độ hiểu biết về bài toán cần giải quyết (trích dẫn bởi Starfield 1988). Vì thế mặt phẳng tọa độ được chia làm bốn phần. Trong phần 1, có đủ dữ liệu nhưng thiếu hiểu biết do đó phép thống kê có thể là một công cụ tốt. Vùng 2 cho thấy có sự hiểu biết tốt nhưng không đủ dữ liệu giống như vùng 4 trong đó dữ liệu yêu cầu là không có sẵn hoặc không dễ thu thập được. Trong vùng 3 có cả mức độ hiểu biết tốt và số liệu đầy đủ. Cơ học đá và cơ học đất rơi vào các vùng 2 và 4, đó là các vấn đề về số liệu hạn chế. Khi các phép đo đạc trong phòng và hiện trường là những xem xét thiết kế chính, việc mô hình hóa đất/đá bằng các phương pháp toán học hay tính toán số từng được tin là không thích hợp hay không đủ. Từ đó cho đến nay, người ta vẫn có quan niệm như vậy đối với các phương pháp tính toán số. Phân loại của Holling giải thích ở đây là phương pháp luận tổng quát cho các vấn đề địa kỹ thuật.

Page 14 of 27

Tuy nhiên, phương pháp luận này cũng có thể coi là phù hợp với thiết kế địa kỹ thuật cho các hầm NATM. 3.4.3 Thiết kế các ứng dụng NATM trong đất yếu Trong các trường hợp ứng dụng trong địa chất yếu, đặc biệt là trong các loại đất, các ứng dụng NATM là tương đối mới. Vấn đề chính ở đây theo Müller (1978) là vòng vỏ chống bằng bêtông phun phải được khép kín càng sớm càng tốt trong bất kỳ ứng dụng trong đất yếu nào của NATM. Một trong những lý do của việc nhanh chóng khép kín vành vỏ chống là để ngăn ngừa các tòa nhà trên mặt đất bị hư hại do lún. Một lý do khác là thời gian tự chống giữ ngắn hơn của đất yếu là do lực liên kết giữa các hạt đất là yếu hơn và lực dính cũng thấp hơn so với đá. Trong trường hợp đất yếu nằm gần mặt đất, ứng suất tại chỗ (in-situ stress) sẽ tương đối thấp, đất tương đối yếu và không thể chống đỡ được các tải trọng đã được tái phân bố. Brown (1990) đã viết trong một báo cáo rằng: “Trong một hầm gần mặt đất đào trong đất yếu, nói chung cần phải khép kín vòm ngược nhanh chóng để tạo thành một vòng chịu tải và nhằm mục đích không chừa lại bất cứ phần bề mặt hầm chưa đào nào mà không được chống đỡ, ngay cả chỉ mang tính tạm thời…” Điều quan trọng nữa là chiều dài của nhịp/đoạn hầm chưa được chống đỡ (unsupported span) phải được giữ ngắn hơn so với khi đào hầm trong đá. Ngoài ra, độ ổn định của gương đào phải được duy trì. Để tránh sập đổ, biên dạng và kích thước của tiết diện đào trong một chu kỳ cũng phải được lựa chọn một cách hợp lý nhất. Báo cáo của ICE (1996) về thiết kế các hầm NATM trong đất yếu, tham chiếu đặc biệt tới loại đất sét London, cũng nhấn mạnh quan điểm tương tự như đã giải thích trên đây vì các vỏ hầm bêtông phun có độ cứng đáng kể, tức là một vòng vỏ chống khép kín có đủ chiều dày phải được thi công càng nhanh càng tốt nhằm kiểm soát được lún trong các vùng đô thị. Ngoài ra, báo cáo này cũng giới thiệu một sơ đồ thiết kế cho các ứng dụng trong đất yếu của vỏ hầm bêtông phun như minh họa trong Hình 7. Theo hai con đường thiết kế đã đề nghị, phương án phân tích giúp xác định kích thước của Vỏ hầm BTP (SCL) cho các điều kiện địa chất có thể dự kiến được. Sự kiểm soát tính năng làm việc của vỏ hầm dẫn tới việc khẳng định tính đúng đắn của thiết kế. Điều này cũng cho phép người thiết kế nâng cao tính an toàn và đưa ra được các phương án đối phó tốt cho các tình huống không dự kiến trước được. Phương án thứ hai dựa vào kinh nghiệm cho phép có độ linh hoạt lớn hơn trong khi thi công nhằm quyết định chiều dày bêtông phun trực tiếp từ các điều kiện địa chất thực tế quan sát được. Tuy nhiên, phương pháp kinh nghiệm về cơ bản là phụ thuộc vào kinh nghiệm quá khứ với các điều kiện tương tự để xác định chiều dày vỏ hầm cần thiết (ICE 1996).

Page 15 of 27

HÖ THèNG Quan niÖm NATM

Ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch tÝnh to¸n

Xem xÐt tæng thÓ. QuyÕt ®Þnh vÒ h×nh d¹ng vµ kÝch th−íc cuèi cïng cña hÇm

Ph−¬ng ph¸p kinh nghiÖm

Ph©n tÝch/tÝnh to¸n kü thuËt dÉn ®Õn thiÕt kÕ

Lùa chän hÖ chèng ban ®Çu dùa trªn kinh nghiÖm vµ c¸c ph−¬ng ph¸p kinh nghiÖm

B¾t ®Çu thi c«ng

B¾t ®Çu thi c«ng

Quan tr¾c vµ theo dâi øng xö cña hÖ chèng ®ì. TÝnh to¸n l¹i nÕu cÇn thiÕt

Quan tr¾c vµ theo dâi øng xö cña hÖ thèng chèng ®ì.

Kh¼ng ®Þnh thiÕt kÕ hoÆc nÕu cÇn thiÕt ph¶i thiÕt kÕ hÖ chèng khoÎ h¬n vµ/ hoÆc thiÕt kÕ l¹i hÖ chèng cho giai ®o¹n tiÕp theo

NÕu cÇn thiÕt, t¨ng c−êng hÖ chèng vµ/hoÆc ®iÒu chØnh hÖ chèng cho giai ®o¹n tiÕp theo dùa vµo ®¸nh gi¸ mang tÝnh kinh nghiÖm c¸c kÕt qu¶ quan tr¾c.

TiÕp tôc thi c«ng

TiÕp tôc thi c«ng

Hình 7 - Sơ đồ thiết kế SCL (theo ICE 1996) 3.4.4 Thiết kế an toàn cho các hầm NATM do HSE đưa ra Việc ứng dụng NATM trong đất yếu tương đối gần đây đã xảy ra một số vụ sập hầm gây thiệt hại có tính thảm họa cho các toà nhà trên mặt đất, và một số trong chúng đã gây ra tác động môi trường bằng việc tạo ra các lỗ lớn trong vùng đô thị. Do đó, các quy định về an toàn cho các công trình ngầm đã làm hạn chế việc xem xét thiết kế. Sau khi ba hầm song song, mà chúng đang được xây dựng như là một phần của hệ thống Heathrow Express Rail Link Station trong đất sét London, bị sập, Cơ quan Sức khỏe và An toàn Anh (HSE 1996) đã tiến hành điều tra và đưa ra một báo cáo đó là “Về an toàn của các hầm thi công theo Phương pháp Làm hầm Mới của Áo (NATM)” (“Safety of New Austrian Tunnelling Method (NATM) Tunnels”). Họ đã đề nghị một số biện pháp an toàn và các tiêu chuẩn thiết kế trước khi, trong khi, và sau khi xây dựng một hầm NATM. Có thể tóm tắt những quy định này như sau: •

Khảo sát địa chất:

Khảo sát địa chất phải được tiến hành nhằm làm giảm khả năng gặp phải những điều kiện địa chất không lường trước. •

Kỹ thuật công nghệ:

Page 16 of 27

Phải xét đến các tiến bộ công nghệ của thiết bị làm hầm và phải áp dụng các quá trình công nghệ mới nhằm lợi dụng ưu điểm của chúng. Cũng phải tiến hành so sánh giữa công nghệ cũ và mới để hỗ trợ việc lựa chọn công nghệ thích hợp nhất. Hơn nữa, các trường đại học, các nhóm nghiên cứu có thể đóng góp vào quá trình đánh giá và khảo sát các phương pháp làm việc mới và/hoặc chưa được thử nghiệm. •

Cách tiếp cận dựa trên phân tích rủi ro đối với thiết kế NATM:

Trong thiết kế và xây dựng hầm, luôn luôn có một độ không chắc chắn nhất định. Vấn đề này liên quan rất lớn đến NATM. Do đó, cần phải có một phương cách tiếp cận dựa trên rủi ro đối với thiết kế và quản lý (chi tiết hơn xin xem tài liệu HSE 1996). •

Quan trắc theo dõi:

Quan trắc theo dõi nhằm hai mục tiêu cơ bản: theo dõi thiết kế và theo dõi thi công. Theo dõi phải được tiến hành nhằm đảm bảo an toàn cho thiết kế và thi công. Việc đánh giá và phân tích dữ liệu thu được phải được thực hiện bởi các chuyên gia địa chất/địa kỹ thuật, các kỹ sư thiết kế hầm, các giám đốc quản lý thi công (kể cả các giám đốc chất lượng và an toàn). •

Ổn định phần gương/vòm hầm (tunnel heading):

Gương hầm là một phần của đường hầm được đào về phía trước một vành vỏ chống đỡ đã hoàn thiện. Hầu hết các sập đổ xảy ra trong khi hoặc ngay sau khi đào phần này của hầm. Do đó, để đảm bảo an toàn cho những người làm việc bên trong hầm cũng như trong các tòa nhà, các kết cấu và công trình bên trên đường hầm, cần phải duy trì sự ổn định của gương hầm bằng cách sử dụng các hệ thống chống đỡ bổ sung như màn cọc gia cố về phía trước gương, đào nhanh hơn, thoát nước ngầm và giảm kích thước gương hoặc rút ngắn bước đào trong một chu kỳ đào. •

Các biện pháp kiểm soát lún đất:

Để giảm nguy cơ gây hư hại cho các tòa nhà trên mặt đất, phải kiểm soát được sự lún gây ra do đào hầm bằng cách thi công đúng đắn gương hầm, chống giữ dưới móng (underpinning) cho các công trình hiện tại, và bơm vữa gia cố. •

Thiết kế vỏ hầm bêtông phun:

Các tính chất vật lý của bêtông phun như chiều dày, cốt thép gia cường, phải được thiết kế theo các yêu cầu của dự án. Phải xem xét đến việc thiết kế bằng tính toán số nếu cần thiết cũng như công tác thử nghiệm quy mô nhỏ và tham khảo các kinh nghiệm quá khứ. 3.4. Các dạng thức đào tổng quát theo NATM Nhiều kích cỡ, biên dạng, và cách thức đào hầm theo NATM khác nhau đã được ứng dụng trong một dải rộng các điều kiện địa chất. Trong đa số trường hợp, đặc biệt là trong đất yếu, đào hầm toàn mặt cắt là không thích hợp. Do đó, gương đào thường được chia thành các khoang nhỏ để giúp cho đất đứng vững cho đến khi hoàn thành xây vỏ. Nói chung, việc đào được tiến hành theo sáu bước hay nhiều hơn tùy thuộc vào kích cỡ và hình dạng của hầm. Hình 8 minh họa một hình dạng mặt cắt ngang điển hình cho một hầm NATM đưa ra bởi Rabcewicz (1965). Hình dạng của hầm là khác so với các hầm tròn truyền thống. Các số La Mã chỉ ra trình tự đào và các thành phần chống đỡ được thi công tuần tự. Bước đầu tiên là đào phần vòm đỉnh (I), chừa lại phần trung tâm để chống Page 17 of 27

đỡ gương. Sau đó, vỏ hầm bổ sung (bêtông phun) II được hình thành và tiếp theo là đào bỏ phần đất ở giữa phía trên (III), rồi đến đào phần tường trái và phải (IV).

Hình 8 - Hình dạng mặt cắt ngang điển hình cho một hầm NATM đề xuất bởi Rabcewicz (1965) Bước thứ năm là thi công vỏ bêtông phun có cốt thép gia cường (V) sau đó đào phần thềm (VI). Cuối cùng, vòm ngược được khép kín bằng bêtông (VII) rồi đến lắp đặt màng chống thấm (VIII) và đổ bêtông vỏ hầm cuối cùng phía trong (IX).

4. ỨNG DỤNG CỦA NATM Ở CHÂU ÂU NATM lần đầu tiên được dùng trong làm hầm trong đất không ổn định cho hầm Lodano-Mosagno của dự án Maggia-Electric Scheme ở Switzerland (1951-55) (theo báo cáo của Sauer et al. 1973). Như một hệ chống đỡ tạm thời, bêtông phun được phun lên các tường bên của hầm. Sau khi bài báo của Rabcewicz được xuất bản bằng tiếng Anh năm 1964, NATM đã được công nhận rộng rãi. NATM đã được sử dụng trong hầm Schwaikheim Tunnel của Đức năm 1964 (trích theo Bowers 1997). Tiếp theo đó 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 Vienna metro đã được xây dựng trong đất chứa nước mềm yếu và khó khăn sử dụng NATM (Murphy et al. 1994). Trong những năm 1970 và 1980, NATM đã được sử dụng rộng rãi đặc biệt là cho các hệ thống mêtrô ở Bochum, Frankfurt, Munich, Nuremberg, và Stuttgart của Đức. Làm hầm bằng NATM qua đất yếu lần đầu tiên được áp dụng cho Frankfurt/Main metro ở Đức trong các đất có cường độ rất thấp (theo báo cáo của Sauer et al. 1973). Các hầm NATM trong đất yếu khác là thuộc tuyến đường sắt tốc độ cao Hanover-Würzberg, có chiều dài 120 km và

Page 18 of 27

chạy qua 65 đường hầm đôi tại đó một loạt các vụ sập hầm lớn đã xảy ra, hầu như cứ 10 km lại có một vụ (theo Wallis 1990). Ở những phần khác của châu Âu, còn có rất nhiều hầm khác xây dựng bằng NATM, ví dụ như các hầm với tiết diện 160 m2 của hệ thống mêtrô Bilbao (theo Bowers 1997), và Hầm Montemor có chiều rộng x chiều cao = 20 m x 9,8 m ở Lisbon (theo Wallis 1990), hầm Ayaş 100 m² gần Ankara của Turkey (Tümer & Türdü 1985), hầm Palabutsch gần Graz chạy qua dãy Alp như một hầm giao thông giữa Đức và Yugoslavia (Mussger et al. 1990), và hầm Ujo Tunnel rộng 5,4 m và cao 6,0 m, như một hầm đường sắt ở Tây Ban Nha (Leiria 1980). Sự xuất hiện lần đầu của NATM ở Anh là tại các hầm tiếp cận của một mỏ thạch cao tại Barrow-upon Soar (Deacon 1988). Năm 1987, NATM đã được sử dụng rộng rãi trong khi xây dựng hầm qua biển Măng-sơ (Channel Tunnel). Ứng dụng tiếp theo là các hầm trên đường Round Hill ở Lower Chalk. Ứng dụng đầu tiên của NATM trong đất sét London là bên dưới sân bay Heathrow Airport, một trong những sân bay nhộn nhịp nhất thế giới (Bowers 1997). 4.1. Báo cáo của HSE về các vụ thất bại của NATM trên thế giới Một số ứng dụng NATM ở châu Âu đã được giới thiệu trước đây trong đó rất nhiều trong số những ứng dụng này đã gặp phải những vụ sập lở không chỉ ở châu Âu mà trên toàn thế giới. Nghiên cứu về các trường hợp sập đổ là cần thiết để tìm ra các nguyên nhân đằng sau những thất bại này của NATM. Do đó, ở Bảng 2 đưa ra một danh sách các vụ sập hầm NATM trên phạm vi thế giới. Như có thể thấy từ Bảng 2, sự nổi tiếng thế giới của phương pháp này đã bị tổn hại do những trường hợp không thành công. Bảng 2 cũng đưa ra vị trí của các vụ sập đổ trong hầm. Các sập đổ loại “A” - sập vòm - xảy ra trong vùng nằm giữa gương hầm và vòng vỏ chống bêtông phun đầu tiên mới hoàn thành, và các sập đổ loại “B” xảy ra trong vùng mà vỏ hầm bêtông phun đã hoàn thành rồi (Hình 9). Loại sập đổ “C” xảy ra tại những phần khác nhau của đường hầm nằm cách xa vùng xảy ra sập đổ loại A và B, ví dụ sập đổ tại các cửa hầm hay tại những chỗ nối thông giữa hầm ngang và giếng đứng.

Hình 9 - Vị trí của các dạng sập đổ (theo HSE 1996) 4.2. Các dạng thức sập đổ của NATM

Page 19 of 27

Có một số sập đổ và thât bại của các hầm NATM đã dẫn đến chết người và bị thương. Những vụ tai nạn này gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho các tòa nhà của dân chúng và cơ sở hạ tầng. Theo báo cáo của HSE, có 39 vụ tai nạn lớn mà một số đã được liệt kê trong Bảng 2, đã xảy ra trong vòng 30 năm kể từ khi NATM được giới thiệu lần đầu tiên. Sự tăng các vụ tai nạn đã báo cáo được quy cho một số nhân tố như sau: •

Tồn tại những vấn đề cố hữu của việc xây dựng hầm theo NATM

•

Các nguy cơ vẫn chưa được xác định, quản lý và kiểm soát một cách đầy đủ

•

Có sự quá tin tưởng vào phương pháp

•

Có nhiều báo cáo công khai về tai nạn hơn

•

NATM ngày càng được sử dụng nhiều trong các môi trường có nhiều thách thức hơn

•

NATM đang được sử dụng bởi những người không quen thuộc với kỹ thuật này

Bảng 2 - Các vụ tai nạn sập đổ NATM trên thế giới (theo báo cáo của HSE, 1996) Ngày tháng sập đổ, vị trí sập trong hầm

Địa điểm

Dự án

Đô thị hay nông thôn

Hậu quả

1

10/1973, A*

Paris, Pháp

Đường sắt

?

?

2

13/11/1984, A

Hầm Landrücken, Đức

Đường sắt

Nông thôn

?

3

1984, A, B*

Bochum Metro, Đức (1)

Đường sắt

Đô thị

Rối loạn thành phố

4

17/1/1985, A

Hầm Richthof, Đức

Đường sắt

Nông thôn

?

5

1985, A

Bochum Metro, Đức (2)

Metro

Đô thị

Rối loạn thành phố

6

8/1985, A

Hầm Kaiserau, Đức

Đường sắt

Nông thôn

7

17/2/1986, A

Hầm Krieberg, Đức

Đường sắt

Nông thôn

Hư hại nặng cho mặt đất

8

Trước 1987, A, C

Munich Metro, Đức (6 vụ sập lớn)

Metro

Đô thị

Rối loạn thành phố, máy đào bị chôn vùi

9

8/1/1989, A

Hầm Karawanken, Áo/Slovenia

Đường bộ

Nông thôn

10

27/9/1991

Hầm Kwachon, Nam Triều Tiên

Metro

Nông thôn

11

17/11/1991, A

Seoul Metro, Nam Triều Tiên

Metro

Đô thị

STT

Vỡ đường ống dẫn khí gas

Page 20 of 27

Rối loạn đáng kể thành phố

12

27/11/1991, A

Seoul Metro, Nam Triều Tiên

Metro

Đô thị

13

1992

Fungata Tunnel, Nhật Bản

Đường bộ

Nông thôn

14

12/2/1992, C

Seoul Metro, Nam Triều Tiên

Metro

Đô thị

15

30/6/1992, A

Lambach Tunnel, Áo

Đường sắt

?

16

7/1/1993, A

Seoul Metro, Nam Triều Tiên

Metro

Đô thị

Rối loạn giao thông trên đường

17

2/2/1993, A

Seoul Metro, Nam Triều Tiên

Metro

Đô thị

Mất máy móc xây dựng

18

2&3/1993, A

Seoul Metro, Nam Triều Tiên

Metro

Gần đô thị

19

3/1993, A

Hầm Chungho, Đài Bắc, Đài Loan

Đường bộ

Nông thôn

20

11/1993, A

Hầm đường bộ ở Sao Paulo, Brazil

Metro

Đô thị

21

30/7 và 1/8/1994, A

Hầm đường bộ Montemor, Bồ Đào Nha

Đường bộ

Đô thị

22

8/1994, A

Hầm Galgenberg, Áo

?

? Nông thôn

Một người chết

23

20/9/1994, A

U-Bahn Metro, Munich, Đức

Metro

Đô thị

4 người chết và 27 người bị thương, rối loạn thành phố

24

21/10/1994, C

Heathrow Airport, London, Anh

Metro

Đô thị

Rối loạn thành phố

Hạ tầng kỹ thuật bị phá hỏng, gây vấn đề cho giao thông

Rối loạn lớn trong đô thị

* Xem Hình 7

Hình 10 minh họa kiểu sập đổ đã xảy ra trong các gương vòm hầm. Quá trình này như sau: a) Phá hoại đỉnh vòm tại đó đất chảy vào lòng hầm; b) Phá hoại cục bộ gương đào tại đó một phần gương đào chảy vào hầm; c) Phá hoại bậc thềm tại đó một phần hay toàn bộ thềm trượt ngang hay trượt dọc vào hầm; d) Phá hoại toàn bộ gương đào trong đó gương, vòm và thềm đều chảy vào hầm; e) Phá hoại thông lên phía trên (washout); f) Phá hoại kiểu thông ống (pipe). Các dạng phá hoại khác đã xảy ra là những phá hoại của vỏ hầm trước khi và sau khi khép vành vỏ chống đỡ, và cả trước và sau khi khép kín vành vỏ chống đỡ, phá hoại về mặt chịu lực của chân vòm, phá hoại do chuyển dịch ngang của chân vòm, và phá hoại Page 21 of 27

của tường bên của hầm xảy ra sau khi khép kín vành vỏ chống đỡ. Phá hoại cắt, phá hoại nén, phá hoại nén và uốn kết hợp cũng như phá hoại thủng của vỏ hầm xảy ra trước và sau khi khép kín vành vỏ chống đỡ.

Hình 10 - Các dạng sập đổ đất trong phần vòm của các hầm NATM (theo HSE 1996) Các nguyên nhân của những sập đổ này được HSE (1996) báo cáo như sau: •

Các nguyên nhân địa chất không lường trước

•

Các lỗi đồ án và tiêu chuẩn kỹ thuật

•

Các lỗi tính toán hay sai lầm về số

•

Các lỗi thi công

•

Các lỗi quản lý và kiểm soát

4.3. Một trường hợp phá hoại NATM đặc thù, sập đổ tại Sân bay Heathrow Hầm của ga Heathrow Express (HEX) Station bị sập đổ ngày 21/10/1994 đã dẫn đến các tít báo như “Thảm họa kỹ thuật dân dụng tồi tệ nhất của nước Anh trong thời hiện đại” (Bishop 1994). Các hầm của tại Heathrow được đào như là một phần của tuyến đường sắt cao tốc 235 triệu Ơ-rô nối với ga Paddington Station, trung tâm London. Các hầm HEX Station gồm có hai hầm chờ tàu song song được xây dựng về cả hai phía của một hầm nhà ga chính từ một giếng cũ (Hình 11). Như đã thảo luận ở trên, trong nhiều trường hợp, việc xảy ra sập đổ NATM diễn ra tại khu vực gương làm việc. Mặt khác, vụ sập hầm HEX đã khởi nguồn từ một sự phá hoại của vỏ chống đỡ mỏng tại một trong số hai hầm chờ tàu tại đó nó nối với một hầm dẫn ngang (Oliver 1994a). Một nhận xét khác trong tạp chí Tunnels & Tunnelling (1994) cho rằng “…Quả thật, một sự bất thường trong vụ sập hầm Heathrow là nó đã không xảy ra tại gương đào và rất có thể đã được bắt đầu từ chỗ đang tiến hành sửa chữa vòm ngược của hầm nhà ga chính ở giữa”. Hơn 10.000 m3 bêtông đã được bơm vào tổ hợp hầm để ngăn chặn sự sập đổ tiếp diễn. Để đề phòng, các bãi đỗ xe số 3 và số 5 đã được sơ tán, nhưng tòa nhà trụ sở chính Page 22 of 27

Cambourne House đã bị nghiêng trên móng của nó (Oliver 1994b). Sự thiệt hại của các tòa nhà trên mặt đất do vụ mất đất lớn này đã gây ra rất nhiều chỉ trích trên các phương tiện truyền thông cũng như những cuộc điều tra tỷ mỷ của Cơ quan Sức khỏe và An toàn Anh. Theo báo cáo của Winney (1994), một chuyên gia đo đạc địa kỹ thuật tên là Mike Savage đã cho rằng: “Các máy móc đo đạc đất tại Heathrow có lẽ đã phải cảnh báo trước rất nhiều ngày về vụ sập đổ này…” Thực tế, mối nguy hiểm đã được phát hiện hai giờ trước khi xảy ra thảm kịch và không may là các cảnh báo đã không được phân tích như nhận xét bởi Mike Savage. Một tuyên bố gần đây khác của Jonathan Allen, giám đốc khu vực của công ty British Airports Authority plc (BAA), cho rằng bêtông phun dùng cho thi công vòm ngược chỉ có chiều dày 50 mm thay vì 300 mm (báo cáo của Thompson 1999a). Kết quả là, nhà thầu chính Balfour Beatty và nhà thầu phụ Geoconsult đã bị truy tố bởi HSE (báo cáo của Thompson 1999b).

Hình 11- Sơ đồ hệ thống hầm bị sấp đổ tại Heathrow (theo Oliver 1994a) Sau vụ sập hầm, HSE và ICE đã xuất bản các báo cáo đặc biệt phân tích kỹ lưỡng nguồn gốc của NATM và những nguyên nhân gây sập đổ hầm theo NATM. Những phân tích này đã được thảo luận ở những phần trên đây. Page 23 of 27

5. KẾT LUẬN Bài báo này đã tổng hợp và điều chỉnh các định nghĩa chi tiết về NATM, nguồn gốc của nó, các xem xét thiết kế, các cơ chế phá hoại, và các nguyên nhân phá hoại/sập đổ cũng như các xem xét thiết kế hệ thống chống đỡ theo NATM. Rabcewicz và những người sáng lập khác của NATM nhấn mạnh rằng mục tiêu chính của NATM là nhằm sử dụng nền đất như một thành phần chống đỡ chịu tải với mức độ lớn nhất có thể được. GS. Kovári (1994) cho rằng vai trò của nền đất như một thành phần chống đỡ là một đặc điểm nổi bật không chỉ cho riêng NATM, mà cho mọi phương cách làm hầm. Hơn nữa, tiếp tục sự phê bình của mình, ông nói: “…Ở đâu mà có liên quan đến NATM, thì không phải việc thi công là có tính mềm dẻo, mà sự mềm dẻo lại chính là định nghĩa của NATM, mà định nghĩa đó có thể được mở rộng theo một cách thức tùy tiện”. Từ buổi đầu khi NATM được giới thiệu, cho đến nay, rất nhiều chỉ trích, và nhiều định nghĩa mới đã được đưa ra bằng cách đào sâu vào các quan niệm ban đầu và phủ nhận rằng NATM không phải là một kỹ thuật mới, vân vân. Ngược lại, trong quá trình khảo sát tài liệu để đi đến bài báo này, đã tìm thấy vô số hầm được xây dựng theo triết lý NATM. Điều này có nghĩa là bất kể các nhà phê bình có nói gì cũng như các mâu thuẫn đã nảy sinh, triết lý NATM vẫn chứng tỏ được mình tốt như bất cứ phương pháp làm hầm nào khác. Ví dụ, hầm North Downs như là một phần của tuyến đường sắt qua hầm eo biển Măng-sơ (Channel Tunnel Rail Link (CTRL)), là hầm NATM đầu tiên có diện tích trống bên trong lớn đến 96,2 m2, đã được khởi công sử dụng triết lý NATM sau vụ sập hầm Heathrow (Watson và nnk 1999). Điều này cho thấy rằng phương pháp NATM hoặc Làm vỏ hầm Bêtông phun (SCL) có những ưu điểm nổi trội khi áp dụng những thủ tục thiết kế đúng đắn có tính đến các mối nguy hiểm tiềm tàng. Những ưu điểm này có thể liệt kê ngắn gọn như sau: 1.

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

2.

Yêu cầu chi phí thấp hơn về thiết bị làm hầm tại thời điểm bắt đầu dự án.

3.

Tính mềm dẻo/linh hoạt trong việc lắp đặt các thành phần chống đỡ bổ sung, bulông neo đá, thanh neo, sườn thép nếu cần thiết.

4.

Dễ lắp đặt một màng chống thấm.

5.

Linh hoạt trong việc theo dõi biến dạng và phân bố lại ứng suất để có thể tiến hành những biện pháp đề phòng cần thiết.

6.

Tổng chi phí hệ chống đỡ thấp nhờ đảm bảo rằng hệ chống là đủ chịu được các tải trọng và điều kiện địa chất mà không bị quá dư thừa.

7.

Tạo ra một bề mặt tiếp xúc tốt giữa hệ chống đỡ và nền đất bằng cách sử dụng bêtông phun.

8.

Dễ thi công hệ chống đỡ ban đầu, tức là bêtông phun.

9.

Linh hoạt khi sử dụng trong những điều kiện địa chất thay đổi/đa dạng.

Ngoài ra, sự thông hiểu về các quan niệm của NATM của đội ngũ cán bộ công nhân làm hầm là một đòi hỏi quan trọng để thực hiện triết lý làm hầm này một cách đúng đắn. Nếu không, sự thất bại của NATM là điều không tránh khỏi. Kiểm soát và tối ưu hóa thời gian khép kín vành vỏ chống đỡ cũng có tầm quan trọng thiết yếu cho việc ứng dụng thành công NATM./.

Page 24 of 27

DANH MỤC THAM KHẢO (CỦA BẢN TIẾNG ANH) REFERENCE (OF THE ENGLISH ORIGINAL) Barton N. & Grimstad E. 1994. Rock mass conditions dictate the choice between NMT and NATM, Tunnels & Tunnelling, Oct. 1994, Vol. 26, 39-42. Bishop P. 1994. Industry hit by Heathrow implications, New Civil Engineer, 27 Oct. 1994, p. 3. Brown E.T. 1990. Putting the NATM into perspective. Tunnels & Tunnelling, Summer 1990, special issue, Vol. 22, 9-13. Bowers K.H. 1997. An Appraisal of the New Austrian Tunnelling Method in Soil and Weak Rock, PhD Thesis, The University of Leeds, 254p. Craig R.N. & Muir Wood A.M. 1978. A review of tunnel lining practice in the United Kingdom, TRRL Supplementary Report, No 335, Crowthorne, Berkshire, 211p. Deacon W.G. & Hughes J.F. 1988. Application of NATM at Barrow-upon Soar gypsum mine to construct two surface drifts, Tunnelling’88, IMM, London, 69-77. Fowell R.J. & Bowers K.H. 1998. NATM tunnels in the United Kingdom, Seminar Notes given at The Department of Mining & Mineral Engineering, University of Leeds, Leeds, UK. Golser J. 1979. Another view of the NATM, Tunnels & Tunnelling, March 1979, Vol. 11, p. 41. Golser J. & Mussger K. 1978. The New Austrian Tunnelling Method (NATM) contractual aspects, Tunnelling Under Difficult Conditions, Proceedings of the International Tunnel Symposium, Tokyo, Pergamon Press, Oxford, 387-392. Hagenhofer F. 1990. NATM for tunnels with high overburden, Tunnels & Tunnelling, March 1990, Vol. 22, 51-52. Health and Safety Executive (HSE) 1996. Safety of New Austrian Tunnelling Method (NATM) Tunnels, A review of sprayed concrete tunnels with particular reference to London Clay, (HSE) Books, Sudbury, 80p. Institution of Civil Engineers (ICE) 1996. Sprayed Concrete Linings (NATM) for tunnels in soft ground, ICE design and practice guide, Thomas Telford, London, 88p. Ito T. & Hisatake M. 1981. Analytical study of NATM, Proceedings of the 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, AA Balkema, Rotterdam, Vol. 1, 311-314. Kobaysashi M., Kawata T., Suganuma Y., Takasaki H. & Ohtusaka M. 1994. Observational construction of a large sectional interval twin road tunnel in urban alluvial loose sand soil, Tunnelling and Ground Conditions, Balkema, Rotterdam, 157-164. Kovári K. 1994. Erroneous concepts behind the New Austrian Tunnelling Method, Tunnels & Tunnelling, November 1994, Vol. 26, 38-42. Kuesel T.R. 1987. Principals of tunnel lining design, Tunnels & Tunnelling, April 1987, Vol. 19, 25-28. Leca E. & Clough G.W. 1992. Preliminary Design For NATM Tunnel Support in Soil, Journal of the Geotechnical Engineering Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers, Vol. 118, No. 4, 558-575. Leiria D. & Oyanguren P.D. 1980. Geotechnical aspects of the Ujo Tunnel construction using the NATM, Tunnels & Tunnelling, October 1980, Vol. 12, 51-53. Page 25 of 27

Mohraz B., Hendron A.J., Ranken R.E. & Salem M.H. 1975. Liner-Medium Interaction in Tunnels, Proceedings, ASCE, Journal of the construction Division, Vol. 101, 127-141. Muir Wood A.M. 1975. The circular tunnel in elastic ground, Geotechnique, Vol. 25, No. 1, 115127. Müller L. 1978. The reasons for unsuccessful applications of the New Austrian Tunnelling Method, Tunnelling Under Difficult Conditions, Proceedings of the International Tunnel Symposium, Tokyo, Pergamon Press, 67-72. Müller L. 1990. Removing the misconceptions on the New Austrian Tunnelling Method, Tunnels & Tunnelling, Summer 1990, special issue, Vol. 22, 15-18. Murphy P. & Deane T. 1994. Twenty-five years of NATM: a UK perspective, Tunnels & Tunnelling, May 1994, Vol. 26, 61-64. Mussger K. & Gobiet W. 1990. Tunnel solution triumphs in Graz, Tunnels & Tunnelling, Summer 1990, Special Issue, Vol. 22, 36-43. Narasaki M., Takizawa M., Tsuchiya Y. & Nagai K. 1989. The development of a CRD method for the purpose of controlling the surface subsidence- for urban tunnels, as an example of application, Proceedings of the International Congress on Progress and Innovation in Tunnelling, Toronto, ITA, Vol. 1, 375-380. New B.M. & Bowers K.H. 1994. Ground movement model validation at the Heathrow Express trial tunnel, Tunnelling’94, IMM, London, 301-329. Oliver A. 1994a. Heathrow trial runs under question, New Civil Engineer, 3 November 1994, p. 4. Oliver A. 1994b. Rush to stabilise Heathrow chasm, New Civil Engineer, 27 October 1994, 4-5. Peck R.B., Hendron A.J. & Mohraz B. 1972. State of the Art of Soft-tunnelling, Proceedings of the first North American Rapid Excavation and Tunnelling Conference, 259-86, Chicago, ASCE, AIME. Rabcewicz L. 1964. The New Austrian Tunnelling Method, Part one, Water Power, November 1964, 453-457, Part two, Water Power, December 1964, 511-515 Rabcewicz L. 1965. The New Austrian Tunnelling Method, Part one, Part Three, Water Power, January 1965, 19-24. Rabcewicz L. & Golser J. 1973. Principles of dimensioning the supporting system for the “New Austrian Tunnelling Method”, Water Power, March 1973, 88-93. Sauer G. 1988. When an invention is something new: from practice to theory in tunnelling, Transactions of the Institution of Mining & Metallurgy, Vol. 97, Section A, A94-A108. Sauer G. 1990. Design concept for large underground openings in soft ground using the NATM, International Symposium on Unique Underground Structures, Colorado School of Mines, Earth Mechanics Institute and US Bureau of Reclamation, Vol. 1, 1-1/ 1-20. Sauer G. & Lama R.D. 1973. An application of New Austrian Tunnelling Method in difficult builtover areas in Frankfurt/Main metro, Symposium on Rock Mechanics and Tunnelling Problems, Vol. 1, 79-92, Kurukshetra, Haryana, India. Seki J., Okada M., Inoue H. & Miwa T. 1989. Adaptability of upper half vertical subdivision method to flat and large diameter tunnel construction. Proceedings of the International Congress on Progress and Innovation in Tunnelling, Toronto, ITA, Vol. 1, 393-400. Starfield A.M. & Cundall P.A. 1988. Towards a Methodology for Rock Mechanics Modelling, International Journal of Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. Vol. 25, No. 3, 99-106. Sulem J, Panet M. & Guenot A. 1987. An analytical solution for time-dependent displacements in a circular tunnel, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., Vol.24, No.3, 155-164.

Page 26 of 27

Thompson R. 1999a. HEX collapse case told of “ 50mm tunnel lining”, New Civil Engineer, 28 January 1999, p. 6. Thompson R. 1999b. Geoconsult denies quality control role on Heathrow Express, New Civil Engineer, 11 February 1999, p. 4. Tümer U. & Türdü E. 1985. Cell methods solves soft ground problems in Turkish rail tunnel, Tunnels & Tunnelling, Vol. 17, No. 12, 50-51. Tunnels & Tunnelling 1990. What is NATM?, Vol. 22, Summer 1990, p. 7. Tunnels & Tunnelling 1994. Hasten slowly with NATM, Vol. 26, No.12, p. 5. Vavrovsky G.M. 1995. NATM: Geomechanical principles explained, Tunnels & Tunnelling, October 1995, Vol. 27, 31-34. Wallis S. 1990b. Giant urban cavern stretches existing soft ground limits, Tunnels & Tunnelling, June 1990, 19-22. Wallis S. 1995a. First principles of NATM, World Tunnelling, Vol. 8, June 1995, 197-200. Wallis S. 1995b. NATM challenge at the Montemor tunnel, Tunnels & Tunnelling, Vol. 27, December 1995, 32-34. Watson P. 1997. NATM design for soft ground, Journal of World Tunnelling and Subsurface Excavation, Vol. 10, 394-400. Watson P, Warren C.D., Eddie C & Jäger J. 1999. CTRL North Downs Tunnel, Tunnel Construction and Piling Symposium, London, 301-323. Will M. 1989. Excavation of Large cross section tunnels in accordance with the basic principles of “New Austrian Tunnelling Method” (N.A.T.M.) with particular regard for the use of Boom-Type tunnelling machines, World Tunnelling, April 1989, Special issue, 51-55. Winney M. 1994. Heathrow movements ‘went unnoticed’, New Civil Engineer, 3 Nov. 1994, p. 3.

Page 27 of 27