báo cáo khoa học 'giới thiệu công nghệ thi công hầm theo ph-ơng pháp natm (new austrial tunneling method)'

Giới thiệu công nghệ thi công hầm
theo phơng pháp NATM (New
Austrial tunneling method)



pgs. ts Nguyến viết trung
ks. nguyễn đức vơng

Bộ môn CTGiao thông TP - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bi viết ny trình by khái niệm chung nhất về phơng pháp thi công hầm mới
của Ngời áo (NATM), giới thiệu trình tự thiết kế, thi công, các u nhợc điểm v phạm vi áp
dụng của phơng pháp.
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. Khái niệm
Quan điểm thiết kế thi công hầm theo
phơng pháp cổ truyền là coi đất đá xung
quanh gây ra áp lực tác dụng lên vỏ hầm. Vỏ
hầm khi đó là kết cấu chịu lực chính. Do đó
khi thi công hầm theo phơng pháp cổ truyền,
sau khi khai đào ta cần nhanh chóng xây
dựng kết cấu chống đỡ và vỏ hầm để chịu sự
tác động của đất đá xung quanh.
Đến những năm 1957 - 1965 kỹ s mỏ
ngời áo, Giáo s Tiến sỹ L. V. Rabcewicz đã
phát triển thành phơng pháp mới về thi công
hầm từ những kinh nghiệm thi công hầm.
Phơng pháp này thay đổi quan điểm thiết kế
thi công hầm. Nó tỏ ra có nhiều u thế hơn

các phơng pháp cổ truyền và đã áp dụng ở
nhiều nớc trên thế giới thông qua các công
trình thực tiễn trong nhiều lĩnh vực nh đờng
bộ, đờng sắt và đờng thuỷ. ở Việt Nam
phơng pháp này đợc áp dụng đầu tiên tại
dự án Hầm đờng bộ Hải Vân và sắp tới sẽ áp
dụng cho Dự án Hầm Đèo Ngang
Phơng pháp NATM bao gồm các biện
pháp mà việc hình thành đất đá xung quanh
hầm đợc liên kết thành kết cấu vòm chống.
Do đó việc liên kết này tự bản thân nó sẽ trở
thành một phần của kết cấu đỡ hầm. Khi đào
hầm, sự cân bằng hiện có nguyên thuỷ của
các lực trong khối đá sẽ chuyển sang tình
trạng cân bằng mới, thứ cấp và cũng ổn định.
Điều này chỉ có thể đạt đợc thông qua sự kế
tiếp của các giai đoạn trớc mắt cùng với tiến
trình phân bổ lại các ứng suất đa dạng. Mục
đích của NATM là kiểm soát đợc các tiến
trình chuyển đỏi này trong khi vẫn cân nhắc
về mặt kinh tế và an toàn.
2. Trình tự thiết kế cơ bản của
phơng pháp
2.1. Lập tuyến
Việc lập tuyến hầm đợc thực hiện theo
chức năng của hầm chẳng hạn nh các điều
kiện địa chất, vị trí hầm, kiểm soát an toàn
trong và sau quá trình thi công, ảnh hởng
đến môi trờng và hiệu quả kinh tế.

- Định tuyến hầm trên bình đồ và trắc dọc
của hầm đợc thiết kế đảm bảo các chức
năng và mục đích của hầm nh là một phần
của tuyến đờng theo địa hình, địa chất, môi
trờng dựa trên kết quả đo đạc tại hiện trờng.
- Vị trí cửa hầm: Các yếu tố chính để
quyết định vị trí của cửa hầm là tuyến bình đồ
và trắc ngang của đờng, điều kiện địa hình,
địa chất khu vực cửa hầm. Các điều kiện địa
chất xung quanh khu vực cửa hầm khó mong
đợi đợc khả năng tự chống đỡ của đất đá do
tầng phủ mỏng và các điều kiện địa chất
không thuận lợi. Để có hiệu ứng vòm đất xung
quanh hầm, độ dày tối thiểu của lớp phủ phải
lớn hơn 2 lần đờng kính hầm.
- Mặt cắt ngang hầm: Kích thớc hầm và
mặt cắt bên trong hầm sẽ đợc ớc tính theo
loại và mục đích sử dụng. Mặt cắt bên trong
hầm sẽ phù hợp theo kích thớc hầm, thiết bị
thông gió, thiết bị chiếu sáng, thiết bị cấp cứu,
các biển báo và dung sai cho phép của các
sai sót trong thi công.
- Thiết kế khu vực cửa hầm.
2.2. Khảo sát chi tiết và phân loại đất
đá khu vực tuyến hầm
Loại đá đợc đánh giá dựa vào điều kiện
địa chất, màu sắc trên bề mặt đá, phân bố
các khe nứt và cú đập của búa địa chất. Loại
hệ thống chống đỡ đợc phân loại theo tiêu
chuẩn kỹ thuật (chiều dày bê tông phun, chiều

dài, khoảng cách các neo đá, kết cấu khung
thép). Loại đá và hệ thống chống đỡ có liên
quan với nhau qua hệ thống phân loại điểm số
khối đá (RMR). Hệ thống phân loại điểm số
khối đá (RMR) đợc xác định dựa trên các
thông số: Độ bền nén đơn trục của đá, chỉ số
chất lợng đá RQD, khoảng cách giữa các
khe nứt, tình trạng nớc ngầm, sự định hớng
của các khe nứt.
2.3. Xử lý số liệu để phân tích thiết kế
Số liệu về địa chất đợc đệ trình là kết
quả của sự kiểm tra địa kỹ thuật và địa chất
theo yêu cầu cần phải đợc đánh giá theo
quan điểm của kỹ s hầm. Các công việc là
phân tích thí nghiệm trong phòng, đánh giá
các tính chát vật lý của khối đá, các tính chất
vật lý sử dụng trong tính toán thiết kế.
2.4. Tính toán thiết kế
Phơng pháp NATM là phơng pháp sử
dụng bê tông phun và neo đá nh là yếu tố
chống đỡ chính để ổn định hầm. Cờng độ bê
tông phun và neo đá sẽ dần dần đợc tăng
lên theo thời gian. Vì vậy, yếu tố thời gian là
quan trọng trong thiết kế chống đỡ hầm. Nhân
tố giải phóng ứng suất (tác động 3 chiều của
gơng hầm) luôn là nhân tố có tác động tơng
tự nh yếu tố thời gian và nó thờng đợc áp
dụng trong thiết kế hầm đợc đào theo
phơng pháp khoan và nổ mìn là phơng
pháp có các thành phần của hệ thống chống

đỡ đợc lắp đặt ở vùng lân cận xung quanh
gơng hầm. Dới đây giới thiệu một số
phơng pháp tính toán:
A. Phơng pháp đờng cong phản lực đất
đá sử dụng cho thiết kế hệ thống chống đỡ
Phơng trình vi phân đàn hồi - dẻo đợc
sử dụng để tính toán đờng cong phản lực đất
đá.
Các kiện để giải phơng trình vi phân này
là:
+ Kiểu đờng hầm tròn đào trong môi
trờng đồng nhất dới áp lực thuỷ tĩnh
+ Điều kiện uốn của khối đất đá đợc tính
theo tiêu chuẩn đờng cong Morh - Coulomb.
+ Quy tắc dòng chảy đợc áp dụng để
tính toán ứng suất và sức căng của trạng thái
dẻo.
- Mặt cắt thiết kế
- Tải trọng thiết kế
Điều kiện áp suất thuỷ tĩnh đợc giả
thiết tơng ứng với tầng phủ, nghĩa là bao
gồm cả áp suất nớc. ứng suất xung

quanh hầm dự tính cao hơn áp suất nớc
và kết quả của việc tính toán sẽ chuyển
sang phía an toàn hơn.
- Tính toán khả năng chống đỡ:
- Bê tông phun: Bê tông phun đợc xem
nh một lớp vỏ mỏng hình trụ rỗng có áp suất
đồng dạng ở mặt ngoài. Khả năng chống đỡ

của bê tông phun và sự dịch chuyển của bê
tông phun đợc tính theo phơng trình cờng
độ bê tông phun.
c
c
is
R
h.
P

=
,
h.E
)1(P
U
sc
2
scis
sc

=

trong đó:
P
si
- khả năng chống đỡ của bê tông
phun;

c
- cờng độ đơn trục của bê tông phun;

h - độ dày của lớp bê tông phun;
R
c
- bán kính của lớp bê tông phun;
U
sc
- sự chuyển dịch của bê tông phun;
E
sc
- mô duyn đàn hồi của bê tông phun;

sc
- hệ số Poison của bê tông phun (giả
sử
sc
= 0,2);
- Neo đá: Khả năng chống đỡ của neo
đá đợc tính theo phơng trình:
B
BBB
S.l.R.2C =

Tổng khả năng chịu tải cho số neo lắp
đặt dọc theo đờng kính hầm:
B0
B
iB
L.R.2
C.n
P

=

trong đó:
C
B
- khả năng chống đỡ một đơn vị của
neo đá (một neo đá);
R
0
- bán kính của neo đá;
l
B
- chiều dài của neo đá;
S
B
- cờng độ của neo đá;
L
B
- khoảng cách giữa các neo đá dọc
theo trục hầm.
B
Khả năng tới hạn của neo đá nhỏ hơn độ
bền vật liệu neo đá và gần nh bằng với độ
bền của đinh ốc. Khả năng chống đỡ của neo
đá sẽ đợc điều chỉnh bằng khả năng tới hạn.
- Khung thép
Phơng trình đối với vỏ ống hình trụ
mỏng đợc sử dụng để đánh giá khả năng
chống đỡ của khung thép:

SS
SS
iSP
l.R
A.
P

=

trong đó:
R
iSP
- khả năng chống đỡ của khung
thép;

S
- độ bền của khung thép;
A
S
- diện tích tiết diện của khung thép;
R
S
- bán kính của khung thép;
l
S
- khoảng cách của khung thép dọc theo
trục hầm;
Tính toán đờng cong phản lực của đất
đá:
Đờng cong này đợc tính toán nh sau:

+ Toàn bộ áp suất tầng phủ sẽ tác động
lên hầm
+ áp suất phân bố sung quanh gơng
hầm đợc xác định bằng hệ số giải phóng ứng
suất.
+ Hành vi của khối đá trong trạng thái
biến dạng đợc mô tả theo đàn hồi dẻo lý
tởng
+ Bỏ qua sự nén ép của khối đá
Kết quả và đánh giá tính toán.

B. Mô hình phân tích bằng máy
Theo đà phát triển của ngành công nghệ
máy tính, nhiều loại khác nhau của mô hình
tính số đợc phát triển trên khắp thế giới. Một
phơng pháp điển hình để mô hình hoá sự
phân tích là phơng pháp phần tử hữu hạn -
một phơng pháp đã có một lịc sử phát triển
gần 40 năm và là phơng pháp rất hữu ích để
đánh giá sự phân bố ứng suất và sức căng
trên một mẫu liên tục.
Trình tự tính toán:
- Tính toán trờng ứng suất ban đầu
- Mô phỏng thi công đào hầm và tính
toán ứng suất và sự dịch chuyển xung quanh
hầm.
- Tính toán khu vực uốn và thay đổi mô
duyn đàn hồi và lực kết dính của khu vực uốn.
- Tính toán lại ứng suất và sự dịch
chuyển xung quanh hầm.

- Lập lại các bớc trên.
Khả năng chống đỡ đợc tính toán theo
phơng pháp ứng suất bên trong.
3. Các bớc thi công chính của
phơng pháp NATM
Thi công khai đào bằng nổ mìn, bằng
máy hoặc nhân công. Việc khai đào có thể
tiến hành toàn bộ mặt cắt, phơng pháp cắt
bậc trớc hoặc phơng pháp lò phụ trớc,
tuỳ thuộc vào điều kiện đất đá, tiết diện mặt
cắt ngang, giai đoạn xây dựng, điều kiện địa
điểm Việc khai đào hầm đợc thực hiện sao
cho đất đá không bị rời ra để giữ cho đất đá
có chức năng chống đỗ ở mức tối đa và mặt
cắt của gơng càng lớn càng tốt.
Bốc xúc đất đá: đợc tiến hành phù hợp
với điều kiện đất đá, điều kiện địa điểm, kích
thớc mặt cắt ngang hầm, chiều dài đờng
hầm, độ dốc, phơng pháp khai đào, hệ thống
truyền động trong đờng hầm, loại bốc xúc,
và cự ly vận chuyển đến bải thải
Thi công hệ thống chống đỡ
Công tác chống đỡ đợc tiến hành ngay
sau khi khai đào để tạo cho đất đá xung
quanh sớm có chức năng chống đỡ. Hệ thống
chống đỡ kết hợp với đất đá hoặc bám sát đất
đá càng gần càng tốt để cho đất đá ổn định.
Hệ thống chống đỡ trong phơng pháp NATM
gồm: bê tông phun, neo đá và khung thép.
Loại hệ thống chống đỡ đợc chọn tuỳ

thuộc vào điều kiện đất đá
Khi điều kiện đất đá rắn chắc tiến hành
phun vữa, tiếp đó thi công neo đá.
Khi điều kiện đất đá yếu: tiến hành phun
vữa lần đầu, hệ thống chống bằng thép, phun
vữa lần hai, tiếp đó là thi công neo đá.
Đặc biệt, công tác phun vữa phải đợc
tiến hành ngay sau khi khai đào để giảm thiểu
sự sập gơng và làm tơi vùng xung quanh
trong điều kiện đất đá yếu.
Quan trắc đo đạc sự biến dạng của vỏ
hầm.
Thi công lớp phòng chống nớc.
Thi công lớp bê tông vỏ hầm. Lớp bê
tông vỏ hầm đợc thi công khi biến dạng vỏ
hầm ở một chỉ số cho phép. Trình tự thi công
là: Lắp đặt hệ thống ván khuôn, đổ bê tông vỏ
hầm.
4. Các u nhợc điểm v phạm vi
áp dụng của phơng pháp NATM
- Sử dụng triệt để sự chống đỡ tự nhiên
của đất đá xung quanh. Vữa phun, neo đá, hệ
thống chống đỡ bằng thép bảo đảm sự ổn
định của đất đá khi thi công.
- Kích thớc mặt cắt ngang lớn có thể
thiết kế lớn hơn so với phơng pháp cổ truyền.
Với mặt cắt lớn thì NATM hiệu quả hơn
phơng pháp cổ truyền.

- Đối với đất đá cứng phơng pháp NATM

tỏ ra hiệu quả hơn. Do vậy phơng pháp này
đợc áp dụng khi điều kiện đất đá tốt. Khi đất
đá yếu, rời rạc vẫn có thể thi công theo NATM
tuy nhiên chi phí tốn kém hơn do phải dùng
các phơng pháp phụ trợ
Kết luận: Trong lĩnh vực thi công hầm,
trên thế giới đã và đang tồn tại nhiều phơng
pháp thi công. Mỗi phơng pháp thi công đều
có những u nhợc điểm riêng. Phạm vi áp
dụng của mỗi phơng pháp phụ thuộc vào
điều kiện đất đá, chức năng của đờng hầm,
các điều kiện địa điểm, tác động đến môi
trờng xung quanh và hiệu quả kinh tế Với
mỗi dự án cụ thể chúng ta cần xem xét, phân
tích, đánh giá kỹ các điều kiện để lựa chọn
phơng pháp thi công hầm hợp lý cả về mặt
kỹ thuật, an toàn và kinh tế. Bài viết trên giới
thiệu đến bạn đọc những gì chung nhất của
phơng pháp NATM, chi tiết công nghệ sẽ
trình bày ở các bài sau.
Tài liệu tham khảo
[1] Japan Society of Civil Engineers - Japanese
Standard for mountain Tunneling.
[2] Hai Van Pass Tunnel Project.
[3] NATM Training Program (course A & B) Ă