Báo cáo khoa học: "Giới thiệu công nghệ thi công hầm theo ph-ơng pháp NATM (New Austrial tunneling method)"

Giíi thiÖu c«ng nghÖ thi c«ng hÇm

theo ph−¬ng ph¸p NATM (New

Austrial tunneling method)

pgs. ts NguyÕn viÕt trung

ks. nguyÔn ®øc v−¬ng

Bé m«n CTGiao th«ng TP - §H GTVT

Tãm t¾t: Bμi viÕt nμy tr×nh bμy kh¸i niÖm chung nhÊt vÒ ph−¬ng ph¸p thi c«ng hÇm míi cña Ng−êi ¸o (NATM), giíi thiÖu tr×nh tù thiÕt kÕ, thi c«ng, c¸c −u nh−îc ®iÓm vμ ph¹m vi ¸p dông cña ph−¬ng ph¸p.

Summary: This paper presents the general concept of New Austrian Tunneling Method, introducing design sequence, tunneling construction, advantages, disadvantages and the field of application of this method.

1. Kh¸i niÖm

Quan ®iÓm thiÕt kÕ thi c«ng hÇm theo ph−¬ng ph¸p cæ truyÒn lµ coi ®Êt ®¸ xung quanh g©y ra ¸p lùc t¸c dông lªn vá hÇm. Vá hÇm khi ®ã lµ kÕt cÊu chÞu lùc chÝnh. Do ®ã khi thi c«ng hÇm theo ph−¬ng ph¸p cæ truyÒn, sau khi khai ®µo ta cÇn nhanh chãng x©y dùng kÕt cÊu chèng ®ì vµ vá hÇm ®Ó chÞu sù t¸c ®éng cña ®Êt ®¸ xung quanh.

Ph−¬ng ph¸p NATM bao gåm c¸c biÖn ph¸p mµ viÖc h×nh thµnh ®Êt ®¸ xung quanh hÇm ®−îc liªn kÕt thµnh kÕt cÊu vßm chèng. Do ®ã viÖc liªn kÕt nµy tù b¶n th©n nã sÏ trë thµnh mét phÇn cña kÕt cÊu ®ì hÇm. Khi ®µo hÇm, sù c©n b»ng hiÖn cã nguyªn thuû cña c¸c lùc trong khèi ®¸ sÏ chuyÓn sang t×nh tr¹ng c©n b»ng míi, thø cÊp vµ còng æn ®Þnh. §iÒu nµy chØ cã thÓ ®¹t ®−îc th«ng qua sù kÕ tiÕp cña c¸c giai ®o¹n tr−íc m¾t cïng víi tiÕn tr×nh ph©n bæ l¹i c¸c øng suÊt ®a d¹ng. Môc ®Ých cña NATM lµ kiÓm so¸t ®−îc c¸c tiÕn tr×nh chuyÓn ®ái nµy trong khi vÉn c©n nh¾c vÒ mÆt kinh tÕ vµ an toµn.

2. Tr×nh tù thiÕt kÕ c¬ b¶n cña

ph−¬ng ph¸p

2.1. LËp tuyÕn

ViÖc lËp tuyÕn hÇm ®−îc thùc hiÖn theo chøc n¨ng cña hÇm ch¼ng h¹n nh− c¸c ®iÒu kiÖn ®Þa chÊt, vÞ trÝ hÇm, kiÓm so¸t an toµn trong vµ sau qu¸ tr×nh thi c«ng, ¶nh h−ëng ®Õn m«i tr−êng vµ hiÖu qu¶ kinh tÕ. §Õn nh÷ng n¨m 1957 - 1965 kü s− má ng−êi ¸o, Gi¸o s− TiÕn sü L. V. Rabcewicz ®· ph¸t triÓn thµnh ph−¬ng ph¸p míi vÒ thi c«ng hÇm tõ nh÷ng kinh nghiÖm thi c«ng hÇm. Ph−¬ng ph¸p nµy thay ®æi quan ®iÓm thiÕt kÕ thi c«ng hÇm. Nã tá ra cã nhiÒu −u thÕ h¬n c¸c ph−¬ng ph¸p cæ truyÒn vµ ®· ¸p dông ë nhiÒu n−íc trªn thÕ giíi th«ng qua c¸c c«ng tr×nh thùc tiÔn trong nhiÒu lÜnh vùc nh− ®−êng bé, ®−êng s¾t vµ ®−êng thuû. ë ViÖt Nam ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc ¸p dông ®Çu tiªn t¹i dù ¸n HÇm ®−êng bé H¶i V©n vµ s¾p tíi sÏ ¸p dông cho Dù ¸n HÇm §Ìo Ngang...

theo yªu cÇu cÇn ph¶i ®−îc ®¸nh gi¸ theo quan ®iÓm cña kü s− hÇm. C¸c c«ng viÖc lµ ph©n tÝch thÝ nghiÖm trong phßng, ®¸nh gi¸ c¸c tÝnh ch¸t vËt lý cña khèi ®¸, c¸c tÝnh chÊt vËt lý sö dông trong tÝnh to¸n thiÕt kÕ. - §Þnh tuyÕn hÇm trªn b×nh ®å vµ tr¾c däc cña hÇm ®−îc thiÕt kÕ ®¶m b¶o c¸c chøc n¨ng vµ môc ®Ých cña hÇm nh− lµ mét phÇn cña tuyÕn ®−êng theo ®Þa h×nh, ®Þa chÊt, m«i tr−êng dùa trªn kÕt qu¶ ®o ®¹c t¹i hiÖn tr−êng.

2.4. TÝnh to¸n thiÕt kÕ

- VÞ trÝ cöa hÇm: C¸c yÕu tè chÝnh ®Ó quyÕt ®Þnh vÞ trÝ cña cöa hÇm lµ tuyÕn b×nh ®å vµ tr¾c ngang cña ®−êng, ®iÒu kiÖn ®Þa h×nh, ®Þa chÊt khu vùc cöa hÇm. C¸c ®iÒu kiÖn ®Þa chÊt xung quanh khu vùc cöa hÇm khã mong ®îi ®−îc kh¶ n¨ng tù chèng ®ì cña ®Êt ®¸ do tÇng phñ máng vµ c¸c ®iÒu kiÖn ®Þa chÊt kh«ng thuËn lîi. §Ó cã hiÖu øng vßm ®Êt xung quanh hÇm, ®é dµy tèi thiÓu cña líp phñ ph¶i lín h¬n 2 lÇn ®−êng kÝnh hÇm.

Ph−¬ng ph¸p NATM lµ ph−¬ng ph¸p sö dông bª t«ng phun vµ neo ®¸ nh− lµ yÕu tè chèng ®ì chÝnh ®Ó æn ®Þnh hÇm. C−êng ®é bª t«ng phun vµ neo ®¸ sÏ dÇn dÇn ®−îc t¨ng lªn theo thêi gian. V× vËy, yÕu tè thêi gian lµ quan träng trong thiÕt kÕ chèng ®ì hÇm. Nh©n tè gi¶i phãng øng suÊt (t¸c ®éng 3 chiÒu cña g−¬ng hÇm) lu«n lµ nh©n tè cã t¸c ®éng t−¬ng tù nh− yÕu tè thêi gian vµ nã th−êng ®−îc ¸p dông trong thiÕt kÕ hÇm ®−îc ®µo theo ph−¬ng ph¸p khoan vµ næ m×n lµ ph−¬ng ph¸p cã c¸c thµnh phÇn cña hÖ thèng chèng ®ì ®−îc l¾p ®Æt ë vïng l©n cËn xung quanh g−¬ng hÇm. D−íi ®©y giíi thiÖu mét sè ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n:

- MÆt c¾t ngang hÇm: KÝch th−íc hÇm vµ mÆt c¾t bªn trong hÇm sÏ ®−îc −íc tÝnh theo lo¹i vµ môc ®Ých sö dông. MÆt c¾t bªn trong hÇm sÏ phï hîp theo kÝch th−íc hÇm, thiÕt bÞ th«ng giã, thiÕt bÞ chiÕu s¸ng, thiÕt bÞ cÊp cøu, c¸c biÓn b¸o vµ dung sai cho phÐp cña c¸c sai sãt trong thi c«ng. A. Ph−¬ng ph¸p ®−êng cong ph¶n lùc ®Êt ®¸ sö dông cho thiÕt kÕ hÖ thèng chèng ®ì - ThiÕt kÕ khu vùc cöa hÇm.

2.2. Kh¶o s¸t chi tiÕt vµ ph©n lo¹i ®Êt ®¸ khu vùc tuyÕn hÇm Ph−¬ng tr×nh vi ph©n ®µn håi - dÎo ®−îc sö dông ®Ó tÝnh to¸n ®−êng cong ph¶n lùc ®Êt ®¸.

C¸c kiÖn ®Ó gi¶i ph−¬ng tr×nh vi ph©n nµy lµ:

+ KiÓu ®−êng hÇm trßn ®µo trong m«i tr−êng ®ång nhÊt d−íi ¸p lùc thuû tÜnh

+ §iÒu kiÖn uèn cña khèi ®Êt ®¸ ®−îc tÝnh theo tiªu chuÈn ®−êng cong Morh - Coulomb.

+ Quy t¾c dßng ch¶y ®−îc ¸p dông ®Ó tÝnh to¸n øng suÊt vµ søc c¨ng cña tr¹ng th¸i dÎo.

- MÆt c¾t thiÕt kÕ

Lo¹i ®¸ ®−îc ®¸nh gi¸ dùa vµo ®iÒu kiÖn ®Þa chÊt, mµu s¾c trªn bÒ mÆt ®¸, ph©n bè c¸c khe nøt vµ có ®Ëp cña bóa ®Þa chÊt. Lo¹i hÖ thèng chèng ®ì ®−îc ph©n lo¹i theo tiªu chuÈn kü thuËt (chiÒu dµy bª t«ng phun, chiÒu dµi, kho¶ng c¸ch c¸c neo ®¸, kÕt cÊu khung thÐp). Lo¹i ®¸ vµ hÖ thèng chèng ®ì cã liªn quan víi nhau qua hÖ thèng ph©n lo¹i ®iÓm sè khèi ®¸ (RMR). HÖ thèng ph©n lo¹i ®iÓm sè khèi ®¸ (RMR) ®−îc x¸c ®Þnh dùa trªn c¸c th«ng sè: §é bÒn nÐn ®¬n trôc cña ®¸, chØ sè chÊt l−îng ®¸ RQD, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c khe nøt, t×nh tr¹ng n−íc ngÇm, sù ®Þnh h−íng cña c¸c khe nøt. - T¶i träng thiÕt kÕ

2.3. Xö lý sè liÖu ®Ó ph©n tÝch thiÕt kÕ

Sè liÖu vÒ ®Þa chÊt ®−îc ®Ö tr×nh lµ kÕt qu¶ cña sù kiÓm tra ®Þa kü thuËt vµ ®Þa chÊt §iÒu kiÖn ¸p suÊt thuû tÜnh ®−îc gi¶ thiÕt t−¬ng øng víi tÇng phñ, nghÜa lµ bao gåm c¶ ¸p suÊt n−íc. øng suÊt xung

SB - c−êng ®é cña neo ®¸;

B LB - kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c neo ®¸ däc quanh hÇm dù tÝnh cao h¬n ¸p suÊt n−íc vµ kÕt qu¶ cña viÖc tÝnh to¸n sÏ chuyÓn sang phÝa an toµn h¬n. theo trôc hÇm. - TÝnh to¸n kh¶ n¨ng chèng ®ì:

Kh¶ n¨ng tíi h¹n cña neo ®¸ nhá h¬n ®é bÒn vËt liÖu neo ®¸ vµ gÇn nh− b»ng víi ®é bÒn cña ®inh èc. Kh¶ n¨ng chèng ®ì cña neo ®¸ sÏ ®−îc ®iÒu chØnh b»ng kh¶ n¨ng tíi h¹n.

- Khung thÐp

)

h.

1(P is

2 sc

=

=

U

- Bª t«ng phun: Bª t«ng phun ®−îc xem nh− mét líp vá máng h×nh trô rçng cã ¸p suÊt ®ång d¹ng ë mÆt ngoµi. Kh¶ n¨ng chèng ®ì cña bª t«ng phun vµ sù dÞch chuyÓn cña bª t«ng phun ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh c−êng ®é bª t«ng phun.

sc

P is

σ c R

c

υ− h.E sc

S

=

P

, Ph−¬ng tr×nh ®èi víi vá èng h×nh trô máng ®−îc sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng chèng ®ì cña khung thÐp:

iSP

σ A. S l.R

SS

trong ®ã:

Psi - kh¶ n¨ng chèng ®ì cña bª t«ng trong ®ã: phun;

RiSP - kh¶ n¨ng chèng ®ì cña khung σc - c−êng ®é ®¬n trôc cña bª t«ng phun; thÐp; h - ®é dµy cña líp bª t«ng phun; σS - ®é bÒn cña khung thÐp; Rc - b¸n kÝnh cña líp bª t«ng phun; AS - diÖn tÝch tiÕt diÖn cña khung thÐp; Usc - sù chuyÓn dÞch cña bª t«ng phun;

RS - b¸n kÝnh cña khung thÐp; Esc - m« duyn ®µn håi cña bª t«ng phun;

lS - kho¶ng c¸ch cña khung thÐp däc theo υsc - hÖ sè Poison cña bª t«ng phun (gi¶ trôc hÇm; sö υsc = 0,2);

• TÝnh to¸n ®−êng cong ph¶n lùc cña ®Êt - Neo ®¸: Kh¶ n¨ng chèng ®ì cña neo ®¸: ®¸ ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh:

π=

C

S.

B

l.R.2 BB

B

§−êng cong nµy ®−îc tÝnh to¸n nh− sau:

=

P

iB

C.n B π L.R.2

B0

+ Toµn bé ¸p suÊt tÇng phñ sÏ t¸c ®éng Tæng kh¶ n¨ng chÞu t¶i cho sè neo l¾p lªn hÇm ®Æt däc theo ®−êng kÝnh hÇm:

+ ¸p suÊt ph©n bè sung quanh g−¬ng hÇm ®−îc x¸c ®Þnh b»ng hÖ sè gi¶i phãng øng suÊt.

trong ®ã:

CB - kh¶ n¨ng chèng ®ì mét ®¬n vÞ cña + Hµnh vi cña khèi ®¸ trong tr¹ng th¸i biÕn d¹ng ®−îc m« t¶ theo ®µn håi dÎo lý t−ëng neo ®¸ (mét neo ®¸);

+ Bá qua sù nÐn Ðp cña khèi ®¸ R0 - b¸n kÝnh cña neo ®¸;

lB - chiÒu dµi cña neo ®¸; • KÕt qu¶ vµ ®¸nh gi¸ tÝnh to¸n.

B. M« h×nh ph©n tÝch b»ng m¸y • Thi c«ng hÖ thèng chèng ®ì

C«ng t¸c chèng ®ì ®−îc tiÕn hµnh ngay sau khi khai ®µo ®Ó t¹o cho ®Êt ®¸ xung quanh sím cã chøc n¨ng chèng ®ì. HÖ thèng chèng ®ì kÕt hîp víi ®Êt ®¸ hoÆc b¸m s¸t ®Êt ®¸ cµng gÇn cµng tèt ®Ó cho ®Êt ®¸ æn ®Þnh. HÖ thèng chèng ®ì trong ph−¬ng ph¸p NATM gåm: bª t«ng phun, neo ®¸ vµ khung thÐp.

Lo¹i hÖ thèng chèng ®ì ®−îc chän tuú Theo ®µ ph¸t triÓn cña ngµnh c«ng nghÖ m¸y tÝnh, nhiÒu lo¹i kh¸c nhau cña m« h×nh tÝnh sè ®−îc ph¸t triÓn trªn kh¾p thÕ giíi. Mét ph−¬ng ph¸p ®iÓn h×nh ®Ó m« h×nh ho¸ sù ph©n tÝch lµ ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n - mét ph−¬ng ph¸p ®· cã mét lÞc sö ph¸t triÓn gÇn 40 n¨m vµ lµ ph−¬ng ph¸p rÊt h÷u Ých ®Ó ®¸nh gi¸ sù ph©n bè øng suÊt vµ søc c¨ng trªn mét mÉu liªn tôc. thuéc vµo ®iÒu kiÖn ®Êt ®¸ Tr×nh tù tÝnh to¸n: Khi ®iÒu kiÖn ®Êt ®¸ r¾n ch¾c tiÕn hµnh - TÝnh to¸n tr−êng øng suÊt ban ®Çu phun v÷a, tiÕp ®ã thi c«ng neo ®¸.

- M« pháng thi c«ng ®µo hÇm vµ tÝnh to¸n øng suÊt vµ sù dÞch chuyÓn xung quanh hÇm. Khi ®iÒu kiÖn ®Êt ®¸ yÕu: tiÕn hµnh phun v÷a lÇn ®Çu, hÖ thèng chèng b»ng thÐp, phun v÷a lÇn hai, tiÕp ®ã lµ thi c«ng neo ®¸.

- TÝnh to¸n khu vùc uèn vµ thay ®æi m« duyn ®µn håi vµ lùc kÕt dÝnh cña khu vùc uèn.

- TÝnh to¸n l¹i øng suÊt vµ sù dÞch chuyÓn xung quanh hÇm. §Æc biÖt, c«ng t¸c phun v÷a ph¶i ®−îc tiÕn hµnh ngay sau khi khai ®µo ®Ó gi¶m thiÓu sù sËp g−¬ng vµ lµm t¬i vïng xung quanh trong ®iÒu kiÖn ®Êt ®¸ yÕu. - LËp l¹i c¸c b−íc trªn. • Quan tr¾c ®o ®¹c sù biÕn d¹ng cña vá Kh¶ n¨ng chèng ®ì ®−îc tÝnh to¸n theo hÇm. ph−¬ng ph¸p øng suÊt bªn trong. • Thi c«ng líp phßng chèng n−íc. 3. C¸c b−íc thi c«ng chÝnh cña

ph−¬ng ph¸p NATM

• Thi c«ng líp bª t«ng vá hÇm. Líp bª t«ng vá hÇm ®−îc thi c«ng khi biÕn d¹ng vá hÇm ë mét chØ sè cho phÐp. Tr×nh tù thi c«ng lµ: L¾p ®Æt hÖ thèng v¸n khu«n, ®æ bª t«ng vá hÇm.

4. C¸c −u nh−îc ®iÓm vμ ph¹m vi

¸p dông cña ph−¬ng ph¸p NATM

• Thi c«ng khai ®µo b»ng næ m×n, b»ng m¸y hoÆc nh©n c«ng. ViÖc khai ®µo cã thÓ tiÕn hµnh toµn bé mÆt c¾t, ph−¬ng ph¸p c¾t bËc tr−íc hoÆc ph−¬ng ph¸p lß phô tr−íc,… tuú thuéc vµo ®iÒu kiÖn ®Êt ®¸, tiÕt diÖn mÆt c¾t ngang, giai ®o¹n x©y dùng, ®iÒu kiÖn ®Þa ®iÓm... ViÖc khai ®µo hÇm ®−îc thùc hiÖn sao cho ®Êt ®¸ kh«ng bÞ rêi ra ®Ó gi÷ cho ®Êt ®¸ cã chøc n¨ng chèng ®ç ë møc tèi ®a vµ mÆt c¾t cña g−¬ng cµng lín cµng tèt. - Sö dông triÖt ®Ó sù chèng ®ì tù nhiªn cña ®Êt ®¸ xung quanh. V÷a phun, neo ®¸, hÖ thèng chèng ®ì b»ng thÐp… b¶o ®¶m sù æn ®Þnh cña ®Êt ®¸ khi thi c«ng.

- KÝch th−íc mÆt c¾t ngang lín cã thÓ thiÕt kÕ lín h¬n so víi ph−¬ng ph¸p cæ truyÒn. Víi mÆt c¾t lín th× NATM hiÖu qu¶ h¬n ph−¬ng ph¸p cæ truyÒn.

• Bèc xóc ®Êt ®¸: ®−îc tiÕn hµnh phï hîp víi ®iÒu kiÖn ®Êt ®¸, ®iÒu kiÖn ®Þa ®iÓm, kÝch th−íc mÆt c¾t ngang hÇm, chiÒu dµi ®−êng hÇm, ®é dèc, ph−¬ng ph¸p khai ®µo, hÖ thèng truyÒn ®éng trong ®−êng hÇm, lo¹i bèc xóc, vµ cù ly vËn chuyÓn ®Õn b¶i th¶i…

- §èi víi ®Êt ®¸ cøng ph−¬ng ph¸p NATM tá ra hiÖu qu¶ h¬n. Do vËy ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc ¸p dông khi ®iÒu kiÖn ®Êt ®¸ tèt. Khi ®Êt ®¸ yÕu, rêi r¹c vÉn cã thÓ thi c«ng theo NATM tuy nhiªn chi phÝ tèn kÐm h¬n do ph¶i dïng c¸c ph−¬ng ph¸p phô trî

Tµi liÖu tham kh¶o [1] Japan Society of Civil Engineers - Japanese Standard for mountain Tunneling.

[2] Hai Van Pass Tunnel Project.

[3] NATM Training Program (course A & B) (cid:161)

KÕt luËn: Trong lÜnh vùc thi c«ng hÇm, trªn thÕ giíi ®· vµ ®ang tån t¹i nhiÒu ph−¬ng ph¸p thi c«ng. Mçi ph−¬ng ph¸p thi c«ng ®Òu cã nh÷ng −u nh−îc ®iÓm riªng. Ph¹m vi ¸p dông cña mçi ph−¬ng ph¸p phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn ®Êt ®¸, chøc n¨ng cña ®−êng hÇm, c¸c ®iÒu kiÖn ®Þa ®iÓm, t¸c ®éng ®Õn m«i tr−êng xung quanh vµ hiÖu qu¶ kinh tÕ... Víi mçi dù ¸n cô thÓ chóng ta cÇn xem xÐt, ph©n tÝch, ®¸nh gi¸ kü c¸c ®iÒu kiÖn ®Ó lùa chän ph−¬ng ph¸p thi c«ng hÇm hîp lý c¶ vÒ mÆt kü thuËt, an toµn vµ kinh tÕ. Bµi viÕt trªn giíi thiÖu ®Õn b¹n ®äc nh÷ng g× chung nhÊt cña ph−¬ng ph¸p NATM, chi tiÕt c«ng nghÖ sÏ tr×nh bµy ë c¸c bµi sau.