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 số khái niệm nguyên tắc phương pháp NATM công tác xây dựng công trình ngầm nói chung Phưpưng pháp lần áp dụng tronng công tác thiết kế thi công hầm đường qua đèo Hải Vân Đèo Ngang nước ta 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 Áo) nhiều nước tiên tiến giới công nhận phương pháp xây dựng hầm đại có nhiều ưu điểm so với phương pháp thông thường Chính tính ưu việt phương pháp NATM nên nhiều nước đưa vào quy trình thi công hầm Đức, Áo, Nhật Bản Ở Việt Nam, phương pháp NATM lần áp dụng để thiết kế thi công hầm đường qua đèo Hải Vân, sau áp dụng thành công vào công trình hầm đường qua đèo Ngang 1.2 Sơ lược lịch sử trình phát triển phương pháp NATM: Những năm trước đây, nước ta, Liên Xô cũ nước giới sử dụng phương pháp mỏ để thi công đường hầm Nội dung phương pháp mỏ là: sau đào hầm, để giữ ổn định đất đá xung quanh hầm trước thi công kết cấu vỏ hầm sau cùng, người ta tiến hành dựng chống tạm (thường gỗ thép) Sau đào xong hầm khoảng thời gian, kết cấu vỏ hầm thi công biện pháp đổ bê tông thông thường xây đá theo phân đoạn Trước đổ bê tông, vỏ hầm thường xử lý phòng nước lớp bao tải tẩm nhựa đường giấy dầu (cũng có nhiều công trình không làm lớp phòng nước) Sau bê tông vỏ hầm đạt cường độ cho phép, để tạo liên kết chặt chẽ vỏ hầm đất đá xung quanh người ta dùng máy bơm ép vữa vào phía sau vỏ Trong trường hợp đào lẹm lớn, để tiết kiệm vật liệu vữa bơm người ta chèn thêm đá Với phương pháp thi công hầm thế, vỏ hầm địa tầng liên kết chặt chẽ với nên người ta tính toán thiết kế vỏ hầm dựa giả thiết sau đào hầm xong đất đá xung quanh hầm bị biến dạng tác động trực tiếp lên vỏ hầm tải trọng Đất đá biến dạng nứt vỡ tự thân đất đá hình thành vòm cân phía hai mặt trượt hai bên (được gọi vòm áp lực) Toàn khối lượng phần đất đá vòm cân mặt trượt hai bên tác dụng lên vỏ hầm chống giai đoạn thi công Xuất phát từ quan niệm vậy, Protodiakonov đưa mô hình rời rạc áp dụng vào phương pháp xác định vòm cân mặt trượt để tính toán áp lực lên vỏ hầm Kích thước vòm cân phụ thuộc vào kích thước hầm đặc điểm địa tầng thông qua hệ số kiên cố f xác định thí nghiệm nén mẫu đất đá (f = R/100) từ địa tầng 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 Khoa Xây Dựng Cầu Đường - Trường Đại Học Bách Khoa Việc xác định áp lực địa tầng vấn đề phức tạp đặc điểm không đồng đất đá nên để đảm bảo an toàn phải coi đất đá rời rạc khác thể qua hệ số kiên cố Với quan niệm địa tầng vỏ hầm tác động tương hỗ nên vỏ hầm thường có kích thước lớn làm tăng giá thành công trình Do vậy, vấn đề đặt để hạn chế áp lực biến dạng, nứt vỡ, rời rạc địa tầng tạo thể thống vỏ hầm địa tầng Vào khoảng kỷ XX, dựa lý thuyết biến dạng việc phân tích áp lực đất đá, từ kinh nghiệm trực giác sáng tạo, kỹ sư người Áo, tiêu biểu Rabcewicz, Muller Pacher rút kinh nghiệm thực tế trình thi công nhiều công trình hầm khác nước giới Trong quan sát giám sát khả chống đỡ khối đất đá đường hầm, họ cố gắng tạo cho khối đá thực chức thành phần quan trọng hầm, cố gắng giúp không khả tự chống đỡ cần thiết sử dụng thêm kết cấu chống đỡ hỗ trợ Khái niệm thành tựu tiên phong khuyến khích kỹ sư sử dụng lớp bê tông phun mỏng thay phải dùng khối lượng gỗ lớn kèm theo thép vòm hầm bê tông dày lúc Một thời gian ngắn sau chiến tranh giới II, phát triển bê tông phun tạo điều kiện cho người xây dựng hầm áp dụng ngày phổ biến để xây dựng đường hầm Việc chế tạo máy phun bê tông cho phép sử dụng khối lượng lớn bê tông phun để thi công gia cố khối đá hầm Phương pháp phun bê tông lên bề mặt kết hợp với phụ gia tạo độ cứng cho bêtông sớm sau phun cho phép thi công chu kỳ khoan hầm nhanh Việc áp dụng chống mềm neo thép kết hợp với bê tông phun lưới thép cho phép hạn chế biến dạng khối đất đá xung quanh hầm sau đào hầm liên kết khối đá lại với cách có hiệu quả, làm cho đất đá xung quanh hầm trở thành phần kết cấu chống đỡ hầm Sau phát kiến quan trọng, kết hợp với phát triển thiết bị đại đời nhiều loại vật liệu mới, phương pháp xây dựng hầm áo (NATM) bắt đầu hình thành phát triển thành phương pháp xây dựng hầm tiên tiến giới Trong sách "Gebigtack und Tunnelbau" 1944 Giáo sư L.v Rabcewicz đưa hệ thống áp lực đá giải thích tượng Nhiều nguyên tắc NATM đề cập sách Trong quyền sáng chế 1948 ông, nguyên tắc NATM hình thành Các nguyên tắc áp dụng biện pháp khác tình biến dạng cụ thể Từ năm 1956 đến năm 1958 đường hầm cỡ lớn Rabcewicz xây dựng Venezuela theo nguyên tắc NATM Tại Áo, thử nghiệm tiến hành vào năm năm mươi với đường hầm nước cỡ nhỏ Năm 1963, phương pháp xây dựng đường hầm áo NATM đưa giới thiệu hội thảo học địa chất Sazburg Phương pháp gọi lúc có phương pháp truyền thống Áo gọi kiểu Áo kỹ sư người Áo phát triển Phương pháp tiếp tục phát triển lĩnh vực trình tự đào chống đỡ khối đất đá xung quanh vỏ hầm Ngày nay, thiết bị, kết cấu chống đỡ biện pháp phụ trợ có nhiều cải tiến phát triển, nguyên tắc phương pháp NATM TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Chào mừng 20 năm thành lập ngành Xây dựng Cầu Đường Khoa Xây Dựng Cầu Đường - Trường Đại Học Bách Khoa triển khai áp dụng địa tầng biến dạng nhiều, đất yếu đoạn có hình dạng hình học phức tạp LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG HẦM NATM 2.1 Định nghĩa phương pháp xây dựng hầm Áo ( NATM): Phương pháp xây dựng hầm Áo (NATM) phương pháp xây dựng hầm hình thành sở lý thuyết đúc kết từ thực tế xây dựng hầm thời gian dài, bao gồm trình tự, biện pháp thi công xử lý khối đất đá vòm hầm cho đất đá xung quanh hầm liên kết thành kết cấu vòm chống đỡ Do đó, tự thân khối đất đá xung quanh trở thành phần kết cấu chống đỡ hầm 2 Nguyên tắc phương pháp xây dựng hầm NATM: 2.2.1 Kết cấu hầm tổ hợp đá núi vỏ hầm Hầm chống đỡ chủ yếu khối đá xung quanh Đây khái niệm phương pháp NATM Kỹ sư hầm phải biết vận dụng khái niệm vào công tác đào hầm Hệ thống chống đỡ hầm nên áp dụng hạn chế mang tính hỗ trợ hiệu ứng tự ổn định khối đá 2.2.2 Theo phương pháp NATM, điều quan trọng phải trì cường độ nguyên thủy khối đá Cách chống đỡ truyền thống gỗ và/hoặc vòm thép giúp ngăn ngừa biến dạng khối đá xung quanh hầm Bê tông phải phun sau đào để ngăn biến dạng khối đá cách hữu hiệu Theo công nghệ thi công hầm truyền thống, có khoảng trống hệ thống chống đỡ khối đá Khối đá xung quanh chống đỡ thông qua điểm tiếp xúc nên có xu hướng biến dạng vào phía đường hầm nhằm lấp đầy khoảng trống nói Sự rời rạc (biến dạng) khối đá có xu hướng phát triển đến độ sâu h tính từ tường hầm Theo phương pháp NATM, sử dụng bêtông phun trực tiếp bám chặt với bề mặt khối đá quanh đường hầm nên ngăn không cho khối đá biến dạng 2.2.3 Biến dạng khối đá phải ngăn chặn hợp lý việc khối đá rời rạc làm cho cường độ bị giảm Cường độ khối đá, phụ thuộc chủ yếu vào lực ma sát phân khối đá, giảm xuống ma sát giảm Nguyên tắc áp dụng chủ yếu đá cứng Đối với đá mềm, chẳng hạn lớp đá trầm tích sau Kỷ Đệ Tam đến Kỷ Đệ Tứ, đặc tính chúng phụ thuộc vào lực dính góc nội ma sát 2.2.4 Khối đá phải giữ điều kiện ứng suất nén ba trục Cường độ khối đá chịu ứng suất nén đơn trục và/hoặc hai trục thấp cường độ điều kiện ba trục Cường độ chịu nén khối đá điều kiện nén nhiều trục cao khối đá điều kiện nén trục Sau đào hầm, vách hầm trạng thái nở hông hệ thống chống đỡ lắp đặt Để trì trạng thái ứng suất nén ba trục ổn định khối đá, vách hầm phải phủ kín bêtông phun 2.2.5 Biến dạng khối đá phải ngăn chặn hợp lý Phải thiết lập hệ thống chống đỡ để ngăn chặn giãn nở (tơi) nguy đổ sập khối đá Nếu hệ thống chống đỡ thiết lập cách thích hợp chất lượng việc đào hầm tăng đồng thời đảm bảo hiệu kinh tế TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Chào mừng 20 năm thành lập ngành Xây dựng Cầu Đường Khoa Xây Dựng Cầu Đường - Trường Đại Học Bách Khoa Nếu biến dạng cho phép vượt giới hạn, vùng biến dạng dẻo quanh hầm phát triển khe nứt xuất “Ngăn chặn biến dạng” nghĩa giảm thiếu tối đa biến dạng xung quanh hầm biến dạng xảy đào hầm tránh khỏi, ví dụ biến dạng đàn hồi và/hoặc biến dạng nổ mìn Vì thế, giới hạn biến dạng cho phép cần đề ứng loại hệ thống chống đỡ cập nhật từ kết đo đạc quan trắc Địa kỹ thuật 2.2.6 Hệ thống chống đỡ phải lắp đặt kịp thời Lắp đặt hệ thống chống đỡ sớm hay muộn đem lại kết bất lợi Hệ thống chống đỡ không mềm hay cứng Các hệ thống chống đỡ cần có độ mềm dẻo thích hợp để trì cường độ khối đá Nếu hệ thống chống đỡ lắp đặt sớm, áp lực tác dụng lên kết cấu chống đỡ cao Mặt khác áp lực tiếp tục tăng lên lắp đặt hệ thống chống đỡ chậm Hệ thống chống đỡ lắp đặt lúc có khả giảm tải trọng đến nhỏ Nếu hệ thống chống đỡ cứng đắt, mềm khối đá biến dạng nhiều, tải trọng tác dụng lên hệ thống chống đỡ cao Tải trọng tác động lên hệ thống chống đỡ giảm đến nhỏ hệ thống chống đỡ có độ mềm dẻo thích hợp 2.7.7 Để đánh giá thời gian thích hợp lắp đặt hệ thống chống đỡ, cần nghiên cứu khảo sát đặc tính biến dạng phụ thuộc thời gian khối đá 2.2.8 Không dựa vào công tác thí nghiệm phòng mà 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 vách hầm, tốc độ biến dạng loại đá nhân tố quan trọng để tính toán thời gian chống đỡ vách đào khối đá Đối với phương pháp NATM, công việc thiếu đo đạc quan trắc Những nhân tố nhắc đến xác định từ kết đo đạc quan trắc tính toán mang tính thống kê dựa kết việc đo đạc quan trắc có ích cho việc dự đoán biến dạng bước đào hầm 2.2.9 Nếu biến dạng và/hoặc tơi khối đá dự đoán lớn, bề mặt hầm đào phải phun bê tông kín che Kết cấu chống đỡ gỗ thép tiếp xúc với bề mặt tường hầm điểm chèn Vì thế, đất đá điểm tiếp xúc không chống đỡ nên biến dạng và/hoặc tơi khối đá phát triển 2.2.10 Vỏ hầm phải mỏng có độ mềm dẻo thích hợp nhằm triệt tiêu mô men uốn tránh phá hoại ứng suất uốn gây Không lớp vỏ hầm ban đầu (bêtông phun) mà lớp vỏ hầm hoàn thiện cần phải mỏng 2.2.11 Trong trường hợp hệ thống chống đỡ (ban đầu) cần phải gia cường, thép, khung chống thép neo đá nên sử dụng Không nên tăng chiều dày lớp bê tông vỏ hầm làm giảm diện tích tiết diện khai thác hầm 2.2.12 Thời gian phương pháp thi công vỏ hầm định dựa kết quan trắc thiết bị Thông thường lớp bê tông vỏ hầm thi công sau biến dạng hầm ổn định Nếu biến dạng có xu hướng gia tăng, cần kiểm tra kỹ nguyên nhân Trong trường hợp , lớp bê tông vỏ hầm phải thiết kế đủ cường độ chống lại áp lực khối đá tác dụng lên 2.2.13 Về mặt lý thuyết, cấu trúc hầm giống ống hình trụ dày gồm hệ thống chống đỡ vỏ hầm 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 Khoa Xây Dựng Cầu Đường - Trường Đại Học Bách Khoa trúc hợp lại với làm cho hầm tự ổn định Hệ thống chống đỡ truyền thống gồm phần vòm trụ đỡ, khối đá xung quanh xem tải trọng tác dụng lên hầm Theo lý thuyết NATM, hầm xem cấu trúc hỗn hợp gồm khối đá, hệ thống chống đỡ vỏ hầm 2.2.14 Việc cấu tạo mặt cắt hầm kín vòm ngược tạo nên đường ống hình trụ cần thiết cấu trúc chịu ứng suất đá cao 2.2.15 Hành vi (trạng thái) khối đá phụ thuộc vào tiến trình đào hầm lắp đặt hệ thống chống đỡ kết cấu hầm kín hình thành Mômen uốn bất lợi xuất khu vực tiếp giáp phần vòm hầm tường (bench) giống kết cấu dầm hẫng khoảng cách bề mặt gương hầm phần vòm phần tường dài Ứng suất uốn mô tả phát triển lún tác động lên hệ thống chống đỡ lắp đặt phần vòm hầm, sức chịu tải móng hệ thống chống đỡ nhỏ tải trọng tác động lên 2.2.16 Từ quan điểm phân bố lại ứng suất, phương pháp đào toàn mặt cắt tốt phương pháp khác Chia gương hầm thành nhiều gương nhỏ khiến cho chất lượng khối đá xung quanh hầm giảm nhanh chóng phân bố lại ứng suất Tuỳ thuộc vào trình đào hầm, việc phân bố ứng suất khối đá xung quanh xảy cuối đạt đến trạng thái ứng suất Khối đá xung quanh hầm gặp phải tình trạng có tải không tải lặp lặp lại suốt trình phân bố lại ứng suất Đôi trạng thái lặp lại dẫn đến kết khối đá bị phá hoại Tuy nhiên, khó thực phương pháp đào toàn mặt cắt vùng đá xấu đá phong hoá nặng và/hoặc đất Trong trường hợp ta phải chia gương hầm thành gương nhỏ cần phải đo đạc kiểm tra tính ổn định phần hầm 2.2.17 Phương pháp đào hầm có ánh hưởng lớn đến khối đá xung quanh, chẳng hạn chu kỳ trình tự đào hầm, thời gian thi công vỏ hầm, thời gian đóng kín vỏ hầm, Các nhân tố cần kiểm soát để tạo tổ hợp kết cấu thiết lập ổn định đường hầm 2.2.18 Mỗi phận hầm phải trì hình dạng tròn nhằm tránh tập trung ứng suất bất lợi 2.2.19 Đối với hầm kết cấu vỏ đôi vỏ hầm bên phải mỏng Bất kỳ lực cắt tác động vào đuờng biên bên hầm khối đá không truyền sang bê tông vỏ hầm Chỉ có lực hướng tâm truyền đến kết cấu vỏ đôi hầm 2.2.20 Kết cấu tổ hợp khối đá kết cấu chống đỡ bên (ban đầu) phải hình thành trước thi công lớp bê tông vỏ hầm bên Lớp vỏ hầm bên có tác dụng làm tăng hệ số an toàn cho hầm Tuy nhiên, độ ổn định kết cấu hầm cần xem xét bao gồm lớp bê tông vỏ hầm hầm gặp lưu lượng lớn nước thấm vào và/hoặc dự báo ăn mòn neo đá 2.2.21 Thiết bị đo đạc, quan trắc đóng vai trò quan trọng công tác thiết kế thi công hầm Việc đo ứng suất tác động lên vỏ hầm đo đạc dịch chuyển vách hầm đặc biệt cần thiết thi công hầm 2.2.22 Giải phóng áp lực nước ngầm xuất khối đá hệ thống thoát nước Áp lực thủy tĩnh xung quanh đường hầm thay đổi tùy thuộc vào biến đổi mực nước ngầm Hệ thống thoát nước ngầm cách làm giảm áp lực thủy tĩnh hữu hiệu TẬP SAN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Chào mừng 20 năm thành lập ngành Xây dựng Cầu Đường ... Rabcewicz đưa hệ thống áp lực đá giải thích tượng Nhiều nguyên tắc NATM đề cập sách Trong quyền sáng chế 1948 ông, nguyên tắc NATM hình thành Các nguyên tắc áp dụng biện pháp khác tình biến dạng cụ thể... 2 Nguyên tắc phương pháp xây dựng hầm NATM: 2.2.1 Kết cấu hầm tổ hợp đá núi vỏ hầm Hầm chống đỡ chủ yếu khối đá xung quanh Đây khái niệm phương pháp NATM Kỹ sư hầm phải biết vận dụng khái niệm. .. Rabcewicz xây dựng Venezuela theo nguyên tắc NATM Tại Áo, thử nghiệm tiến hành vào năm năm mươi với đường hầm nước cỡ nhỏ Năm 1963, phương pháp xây dựng đường hầm áo NATM đưa giới thiệu hội thảo học