Bước đầu nghiên cứu hệ thống cống đỡ cho phương pháp NATM

Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


1











Đề tài NCKH cấp Viện năm 2005



Bớc đầu nghiên cứu các hệ thống chống đỡ trong xây dựng công trình
ngầm theo NATM trong điều kiện Việt Nam

Nguyễn Đức Toản, Vũ Thị Thùy Giang
Phòng Công trình ngầm, Viện KH & CN GTVT


















Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


2

Chơng 1
Giới thiệu tổng quan về NATM trên thế giới v ở Việt Nam
1.1 Tổng quan về hiện trạng thiết kế và thi công các công trình ngầm theo
NATM trên thế giới
1.1.1 Giới thiệu về phơng pháp đào hầm mới của áo (NATM):
1.1.1.1 Vài nét lịch sử của ngành xây dựng công trình ngầm:
Từ thời thợng cổ con ngời đã biết đào các hầm ngầm đặc biệt để khai thác
quặng mỏ và than đá. Ngời Ai Cập cách đây khoảng 5.000 năm đã biết làm các
hầm dẫn xuống lăng mộ. Ngời Babylon (2180 T.C.N) đã xây một hầm dới
sông Euphrates sử dụng phơng pháp mà ngày nay gọi là đào và lấp (cut-and-
cover): dòng chảy trớc tiên đợc chuyển hớng, sau đó đào một hào rộng qua
đáy sông, xây một đờng ống bằng gạch trong đó rồi lấp lại. Lăng Ly Sơn của
Tần Thủy Hoàng ở Hàm Dơng - Trung Quốc đợc xây dựng vào những năm
220 T.C.N có chu vi dài 2,5km và cao 15m. Ngời Hy Lạp và La Mã cổ đã xây
dựng các hầm để dẫn nớc và khai mỏ; một số hầm của ngời La Mã đến nay
vẫn còn sử dụng tốt. Sau khi đế quốc La Mã sụp đổ (thế kỷ V), xây dựng ngầm
trên thế giới đi vào thời kỳ suy thoái kéo dài.
Vào cuối thời kỳ trung cổ, ngời ta lại bắt đầu xây dựng các hầm đờng thủy do
nhu cầu mở rộng giao thơng giữa các nớc. Năm 1556 cuốn sách đầu tiên về
xây dựng các đờng hầm De re Metallica của một ngời Đức là Georg Bauer
1

đã đợc xuất bản bằng tiếng Latin. Đây là cuốn sách quan trọng nhất của thế kỷ
XVI về ngành mỏ.
Vào khoảng thế kỷ thứ XVII, các hầm đờng thủy đợc xây dựng. Vì cha có
đờng bộ hay đờng sắt để vận chuyển nguyên liệu từ nông thôn đến thành thị,
các con đờng thủy trở thành phơng tiện tốt nhất để đa hàng hóa đi xa. Công
trình ngầm hiện đại đầu tiên là đờng hầm Malpas, dài 165m cao 8m do
Pierre-

1
Bauer = Peasant/Agriculturist có nghĩa là nhà nông. Ông là nhà vật lý, nhà khoáng vật học và nhà luyện kim,
có tên Latin là Georgius Agricola, sinh tại Glauchau, xứ Saxony ngày 24-3-1494, mất năm 1555. Cuốn De re
Metallica [Về bản chất của các kim loại] đã đợc dịch sang tiếng Italia và tiếng Đức năm 1557, tiếng Anh năm
1912, tiếng Czech năm 1933 và tiếng Nga năm 1962. Cuốn sách này đã lấy cảm hứng từ cuốn De la
pirotechnia của Biringuccio xuất bản ở Venecia năm 1540 (Calvo Rebollar, 1999).

Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


3
Paul Riquet xây dựng từ năm 1676-1681 cho kênh đào Canal du Midi ở miền
nam nớc Pháp. ở Anh, một trong những hầm nổi tiếng đầu tiên là thuộc kênh
Grand Trunk Canal, hoàn thành năm 1777 dài 3,2km.
Từ thế kỷ thứ XVIII trở lại đây, loài ngời cần không gian dới đất ngày càng
nhiều, do vậy công tác nghiên cứu công trình dới đất có bớc phát triển đột phá
mãnh liệt. Đến thế kỷ thứ XIX, đặc biệt vào thế kỷ XX, do yêu cầu của xã hội
mà giao thông đờng bộ, đờng thủy, đờng sắt và giao thông đô thị đã phát
triển mạnh mẽ, nhất là hầm đờng bộ, đờng sắt, đờng thủy, và hầm cho tàu
điện ngầm.
Hầm đờng sắt đôi đầu tiên dài 1,06 km đã đợc George Stephenson xây dựng
vào năm 1826-1830 trên tuyến đờng Liverpool - Manchester ở Anh (hầm Edge
Hill).
Năm 1857-1871 xây dựng hầm đờng sắt đôi Frộjus (Mont Cộnis) giữa Modane

(Pháp) và Bardonecchia (ý), dài 12,2km và tăng lên đến 13,7km vào năm 1881,
lần đầu tiên máy khoan đập xoay khí nén đợc sử dụng.
Năm 1855-1876 xây dựng hầm đờng sắt đơn Hoosac thuộc tuyến Boston - Troy
ở Massachusetts (Mỹ), dài 7,65km. Lần đầu tiên một máy khoan hầm toàn tiết
diện đã đợc sử dụng, nhng không thành công. Nó là hầm dài nhất Bắc Mỹ
trớc khi hoàn thành hầm Moffat vào năm 1928.
Năm 1872-1882 xây dựng hầm đờng sắt đôi Gotthard ở Thụy Sỹ dài 14,98km
lần đầu tiên sử dụng thuốc nổ dynamite.
Năm 1880-1884 xây dựng hầm đờng sắt đôi Arlberg ở áo dài 10,25km với thời
gian thi công rất ngắn, lần đầu tiên dùng đinh găm trong đá (rock nails).
Năm 1898-1906 đã xây dựng hầm đờng sắt đơn Simplon thứ nhất qua dãy núi
Pennine Alps nằm giữa Wallis (Valais, Thụy Sỹ) và Piemonte (ý) dài 19,73 km
với tầng đất phủ dày 2135m, nhiệt độ của đá lên tới 55
0
C.
Năm 1906 xây dựng hầm đờng sắt đôi Loetschberg ở Thụy Sỹ dài 14,60km,
nhng đã bị sập trong khi thi công vào năm 1908.
Năm 1918-1922 xây hầm đờng sắt đơn Simplon thứ hai dài 19,75km.
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


4
Năm 1931-1939 xây dựng tuyến phía bắc của hầm tàu điện ngầm London,
đờng kính 3,7m và dài 28,8km vỏ hầm bằng gang.
Năm 1964-1985 xây dựng hầm Seikan dới eo biển Tsugaru nối đảo Honshu và

Hokkaido của Nhật Bản. Đây là hầm đờng sắt đôi có hầm công vụ chạy song
song, chiều dài 53,9km trong đó có 23,3km chạy dới biển. Hầm Seikan là hầm
đờng sắt dài nhất thế giới, nhng kỉ lục này đã bị vợt qua khi xây dựng hầm
St. Gotthard Base Tunnel với chiều dài 57km.
Năm 1988-1993 xây dựng hai hầm đờng sắt đơn qua eo biển Manche (English
Channel) nối Anh và Pháp, chạy ở giữa hai hầm chính này là một hầm công vụ.
Tổng chiều dài là 49,2km, trong đó có 37,5km dới biển.
Năm 1995-2000, hầm đờng bộ Lổrdal Tunnel (Lổrdalstunnelen) đợc xây
dựng dài 24,5km nối Laerdal và Aurland ở hạt Sogn og Fjordane phía tây Na
Uy, trên xa lộ E16 giữa Oslo và Bergen. Hiện nay, đây là hầm đờng bộ dài nhất
thế giới. Trớc đó hầm đờng bộ giữ kỷ lục này là St. Gotthard qua dãy Apl của
Thụy Sỹ (dài 16,4km hoàn thành năm 1980).
Tuyến xe điện ngầm đầu tiên trên thế giới là tuyến đờng xe điện ngầm ở
London (Metropolitan Railway), chạy trên một đoạn dài bốn dặm mà hiện nay
gọi là tuyến Bakerloo, chạy giữa phố Paddington và Farringdon St. Tuyến này
bắt đầu hoạt động ngày 10/01/1863, và nó cũng mở đầu thời kỳ xây dựng các hệ
thống metro ở các thành phố lớn trên thế giới. Đến thế kỷ XX ở các thủ đô lớn
trên thế giới đã xây dựng nhiều mạng lới tàu điện ngầm đô thị hiện đại. Đến
nay trên thế giới đã đa vào vận hành trên 150 hệ thống xe điện ngầm ở 152
thành phố thuộc 50 nớc, trong đó có một số dự án đang thi công. Trong số
những hệ thống xe điện ngầm này, có không ít hầm nối ga và tổ hợp nhà ga của
chúng đợc xây dựng bằng NATM.
Trong tiến trình xây dựng ngầm lâu dài đó của nhân loại, NATM mới chỉ xuất
hiện từ những năm 1960. Tuy nhiên, nhánh triết lý/kỹ thuật làm hầm này đã có
những đóng góp đáng kể, và cho đến nay có rất nhiều hầm đã đợc xây dựng
theo NATM. Có thể dự báo rằng, trong thiên niên kỷ thứ ba sẽ tiếp tục có thêm
nhiều hầm đợc xây dựng theo NATM.
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst

Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


5
1.1.1.2 Lịch sử của NATM
Sự phát triển theo thời gian của phơng pháp NATM đã đợc nhiều nhà nghiên
cứu liên quan đến các hệ thống chống đỡ tổng kết sử dụng (Bảng 1). ở đây chỉ
trình bày những bớc phát triển lịch sử chính dẫn đến NATM, để có thể thấy
đợc những sự phát triển và ứng dụng của NATM.
Một vài nhà tiên phong đã có những đóng góp quan trọng cho NATM. Marc
Isambard Brunel (1769-1849) ở đầu thế kỷ 19 đã ứng dụng khiên đào hình tròn
để đào hầm Thames Tunnel trong đất yếu giai đoạn 1825-1843 (tunnelling
shield, bản quyền của Anh số 4204). Sau đó, Rizha - một kỹ s hầm ngời Đức -
đã có những đóng góp quan trọng khác. Ông sử dụng sờn chống thép thay cho
việc sử dụng cột gỗ nặng. Ông cũng cho rằng hệ thống chống đỡ cần thiết để xử
lý áp lực đất đá lớn trong nhiều trờng hợp bắt nguồn tự chính nó (Sauer 1988),
tức là vai trò của đất đá xung quanh nh một phần của hệ thống chống đỡ, điều
này đợc cho là nguyên tắc cơ bản của NATM mà Rabcewicz đã đề xuất (1964).
Trong thập kỷ 1910, sau phát minh của máy bơm bêtông kiểu ổ quay của một
ngời làm nghề nhồi bông thú tên là Carl Akeley, bê tông phun đã đợc dùng
trong các hầm mỏ ở Mỹ và lan sang châu Âu vào đầu những năm 1920. Năm
1948, Rabcewicz phát minh hệ thống chống đỡ hai lớp vỏ (hệ thống chống đỡ
ban đầu và cuối cùng) cho phép đá biến dạng trớc khi thi công vỏ hầm cuối
cùng để các tải trọng tác dụng lên vỏ hầm sẽ giảm đi. Tuy nhiên, giáo s Kalman
Kovỏri (1994) lại coi trọng ý tởng là hiệu ứng tạo vòm đất đá của Engesser đã
đợc xuất bản từ năm 1882. Quan niệm về vỏ hầm hai lớp sau đó đợc gọi là
Phơng pháp làm hầm mới của áo (New Austrian Tunnelling Method = Neuer
ệsterreichischer Tunnelbauweise), cụm từ này đợc Ladislaus von Rabcewicz

đa ra trong một bài giảng năm 1962 ở Salzburg (một thành phố phía tây nớc
áo) và nó đã đợc thế giới công nhận hai năm sau đó. ứng dụng đầu tiên của
NATM trong đất yếu là dự án tàu điện ngầm (mêtrô) ở Frankfurt Đức năm 1969.


Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


6
Bảng 1 - Sự phát triển theo thời gian của NATM (theo Sauer 1988 & 1990;
Rabcewicz 1964)
Năm Phát triển
1811 Brunel phát minh ra khiên đào tròn.
1848 Wejwanow thử ứng dụng vữa đông cứng nhanh trong xây dựng hầm.
1872 Rziha thay thế hệ chống gỗ bằng vì chống thép.
1908-
1911
Akeley phát minh ra máy phun bêtông kiểu ổ quay.
1914
ứng dụng đầu tiên của bêtông phun trong các mỏ than ở Denver, Mỹ.
1948 Rabcewicz giới thiệu hệ thống vỏ hầm kép (hai lớp).
1954
Bruner dùng bêtông phun để làm ổn định đất nén ép/chảy trong khi
làm hầm.
1955

Rabcewicz phát triển hệ neo đất.
1960
Mỹller công nhận tầm quan trọng của việc kiểm soát kĩ thuật trong
NATM.
1962
Rabcewicz giới thiệu NATM 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 do Rabcewicz đa ra lần đầu
tiên xuất hiện trong các tài liệu kỹ thuật. Xây dựng hầm Schwaikheim.
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 của 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.

Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


7

1.1.1.3 Các điểm đặc trng và triết lý của NATM
Thật ra NATM là một kỹ thuật làm hầm hay là một nguyên tắc? Đó là câu hỏi
của nhiều chuyên gia xây dựng hầm đặt ra. Trả lời đợc những câu hỏi này tức là
xác định rõ những quan niệm thực sự của NATM, sẽ đảm bảo rằng những
nguyên tắc của triết lý(philosophy) hay kỹ thuật (technique) NATM
đợc hiểu đúng trong ngành xây dựng hầm.
Trở lại nguồn gốc của NATM, khi đó giáo s L.v. Rabcewicz (tháng 11/1964) -
ngời sáng tạo chính - đã giải thích phơng pháp này nh là: Một phơng
pháp mới bao gồm một vỏ hầm bêtông phun mỏng, đợc khép kín vào thời điểm
sớm nhất bằng một vòm ngợc thành một vòng hoàn chỉnh - gọi là một vòm
phụ- mà sự biến dạng của nó đợc đo đạc theo thời gian cho tới khi đạt đợc
trạng thái cân bằng.
Rabcewicz nhấn mạnh ba điểm cơ bản, đó là việc sử dụng vỏ hầm bêtông phun
mỏng, sau đó khép kín hệ thống chống đỡ càng sớm càng tốt, và thứ ba là đo đạc
biến dạng một cách có hệ thống.
Định nghĩa nêu trên đã đợc ủy ban quốc gia về Xây dựng ngầm của áo
(ANCUC) trực thuộc Hiệp hội Xây dựng hầm Quốc tế (ITA) định nghĩa lại 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 nh sau:
NATM đợc 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 về NATM do Sauer (1988) phát biểu về NATM nh sau:
Một phơng pháp tạo ra không gian ngầm bằng cách sử dụng mọi phơng tiện
có sẵn để phát triển khả năng tự mang tải lớn nhất của bản thân đất đá nhằm tạo
ra sự ổn định cho hang ngầm.
Nh vậy, với việc sử dụng mọi phơng tiện có sẵn, Sauer đã định nghĩa
NATM theo một cách thức tổng quát hơn so với định nghĩa trớc đây của các kỹ
s đồng nghiệp áo.
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT

Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


8
Một trong những ngời ủng hộ NATM là GS. TS. Leopold Mỹller (1978) cho
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 phơng pháp
thi công, vì từ này nói đến một phơng pháp cụ thể để xây dựng một đờng hầm.
Từ những phát biểu trên, những ngời đề xớng 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 ngời ủng hộ cho t tởng này trong số nhiều nhà khoa học khác. GS.
Mỹller (1990), là ngời đã có nhiều đóng góp trong việc giải thích các nguyên
tắc cơ bản của NATM, đã tổng kết những đặc điểm quan trọng của NATM trong
số hai mơi hai (22) nguyên tắc có thể nhắc đến một số nguyên tắc chính nh
sau:
Khối đất đá xung quanh là thành phần mang tải chính và khả năng chịu
tải của nó phải đợc duy trì bằng cách không làm xáo trộn khối đá.
Sức chịu tải của khối đá phải đợc bảo tồn bằng cách sử dụng các thành
phần chống đỡ bổ sung.
Vỏ hầm phải có tờng mỏng và nếu cần gia cờng bổ sung thì phải
dùng lới thép, sờn chống thép và neo đá chứ không phải bằng cách
tăng chiều dày vỏ hầm.
Thời gian khép kín vỏ hầm có tầm quan trọng thiết yếu và việc này phải
đợc thực hiện càng sớm càng tốt.
Các thí nghiệm sơ bộ trong phòng thí nghiệm và việc đo đạc biến dạng

trong hầm phải đợc tiến hành để tối u hóa việc tạo thành vòng đất đá
chống đỡ.
Tuy nhiên, kết luận của Mỹller về thời gian khép kín nhanh vỏ chống đỡ trong
những hầm đặt sâu để giảm thiểu các biến dạng đã không nhận đợc sự đồng
tình của Rabcewicz và Pacher khi họ báo cáo năm 1975 (Golser 1979), trong đó
cho rằng:
Nguyên tắc khép kín vỏ chống đỡ càng nhanh càng tốt chỉ đúng với các hầm
trong đá có các ứng suất chính nhỏ. Trong các hầm có chiều dày lớp đất phủ lớn
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


9
và chất lợng đá kém thì chỉ có một ứng suất lớn nhất có thể đạt đợc mục tiêu.
Tất nhiên, sự giải phóng ứng suất sẽ kéo dài trong nhiều tháng, cần phải đợc
kiểm soát một cách chính xác bằng các phép đo đạc hiện trờng.
Nh vậy, chúng ta có thể rút ra bảy 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):
Cờng độ có sẵn của đất hay đá xung quanh phạm vi hầm phải đợc
bảo tồn và phải đợc chủ động huy động với mức tối đa có thể đợc.
Sự huy động có thể đạt đợc nhờ kiểm soát lợng biến dạng của nền
đất. Phải tránh để xảy ra biến dạng quá mức vì nó sẽ gây ra mất mát
cờng độ hay lún sụt mặt đất lớn.
Các hệ thống chống đỡ ban đầu và chủ yếu bao gồm hệ bu lông hay

neo đá bố trí một cách hệ thống và vỏ hầm bêtông phun mỏng sẽ đợc
sử dụng để đạt đợc các mục đích đặc biệt nêu trên. Các công tác về hệ
thống chống đỡ cuối cùng thờng đợc tiến hành ở giai đoạn sau.
Việc khép kín hệ chống đỡ phải đợc điều chỉnh với thời gian xác định
thích hợp, mà thời điểm này biến đổi phụ thuộc vào các điều kiện đất
hay đá.
Phải tiến hành các thí nghiệm trong phòng và thực hiện việc theo dõi
biến dạng của các hệ thống chống đỡ cũng nh nền đất.
Những ngời 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 dựa trên tinh thần cộng tác trong việc giải quyết bất kỳ vấn
đề nào nảy sinh tại hiện trờng.
Chiều dài của đoạn hầm cha đợc 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 nh
các
điều kiện địa chất. Tuy nhiên, Murphy (1994) cũng nhấn mạnh rằng:
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


10
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 trờng hợp nh vậy - để
có thể đợc gọi một cách chính thức là một dự án NATM.

1.1.2 Một số hầm thi công theo NATM
Trong mấy chục năm qua, đã có hàng trăm hầm và công trình ngầm đợc xây
dựng bằng NATM. Chúng tôi chỉ xin giới thiệu một số công trình tiêu biểu nhất
định.
Bảng 2 Một số hầm thi công theo NATM
STT Tên nớc Tên hầm Chiều dài (m) Năm xây dựng
1 Anh
UK Section of Channel
Tunnel
156 1985
2 USA
Metro Washington D.C.,
Section E005 -
Greenbelt Line
Hầm:2 x 303
Ga: 100
1986 - 1991
3 Nhật bản
Hầm Seikan
53900 1964-1985
4 Na uy
Lổrdal Tunnel
24500 1995 - 2000
5
Tây ban
nha
Rubira - Barcelona

6 Việt Nam
Hải Vân 6280 2000 - 2005

7 Việt Nam Đèo Ngang 495 2002 - 2003
Ngoài những thành công to lớn, NATM cũng đã gặp phải những vụ sập lở tai
tiếng không chỉ ở châu Âu mà trên toàn thế giới. Việc tìm hiểu về các trờng hợp
sập đổ là điều cần thiết để tìm ra các nguyên nhân đằng sau những thất bại này.
Do đó, ở bảng 3 đa ra một danh sách không đầy đủ các vụ sập hầm NATM trên
phạm vi thế giới. Trong bảng này cũng đa ra vị trí của các vụ sập đổ trong hầm.
Các sập đổ loại A - sập vòm - xảy ra trong vùng nằm giữa gơng 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 đợc hoàn thành. Loại sập đổ C xảy ra
tại những phần khác nhau của đờng 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.
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


11
Bảng 3 - Các vụ tai nạn sập đổ hầm xây dựng theo NATM trên thế giới
(theo báo cáo của HSE, 1996)
STT
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 Đờng sắt
2
13/11/1984,
A
Hầm Landrỹcken,
Đức
Đờng sắt Nông thôn
3 1984, A, B*
Bochum Metro,
Đức (1)
Đờng sắt Đô thị
Rối loạn thành
phố
4
17/1/1985,
A
Hầm Richthof, Đức Đờng sắt Nông thôn
5 1985, A
Bochum Metro,
Đức (2)
Metro Đô thị
Rối loạn thành
phố
6 8/1985, A
Hầm Kaiserau,
Đức
Đờng sắt Nông thôn
7

17/2/1986,
A
Hầm Krieberg,
Đức
Đờng sắt Nông thôn
H hại nặng
cho mặt đất
8
Trớc 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
Đờng 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
Vỡ đờng ống
dẫn khí gas
12
27/11/1991,
A
Seoul Metro, Nam
Triều Tiên
Metro Đô thị
Rối loạn đáng
kể thành phố
13 1992
Fungata Tunnel,
Nhật Bản
Đờng bộ Nông thôn
14
12/2/1992,
C
Seoul Metro, Nam
Triều Tiên
Metro Đô thị
Hạ tầng kỹ
thuật bị phá
hỏng, gây vấn
đề cho giao
thông
15
30/6/1992,
A

Lambach Tunnel,
áo
Đờng sắt
16 7/1/1993, A
Seoul Metro, Nam
Triều
Tiên
Metro Đô thị
Rối loạn giao
thông trên
đờng
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


12
Bảng 3 (tiếp theo) Các vụ tai nạn sập đổ hầm xây dựng theo NATM trên
thế giới (theo báo cáo của HSE, 1996)
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
Đờng bộ Nông thôn
20 11/1993, A
Hầm đờng bộ ở
Sao Paulo, Brazil
Metro Đô thị
Rối loạn lớn
trong đô thị
21
30/7 và
1/8/1994, A
Hầm đờng bộ
Montemor, Bồ Đào
Nha
Đờng bộ Đô thị
22 8/1994, A
Hầm Galgenberg,
áo
Nông thôn Một ngời chết
23
20/9/1994,
A
U-Bahn Metro,
Munich, Đức

Metro Đô thị
4 ngời chết và
27 ngời bị
thơng, rối
loạn thành phố
24
21/10/1994,
C
Heathrow Airport,
London, Anh
Metro Đô thị
Rối loạn thành
phố
1.2 Tổng quan về tình hình thiết kế /thi công các công trình ngầm theo
NATM ở Việt Nam
1.2.1 Quá trình du nhập của NATM vào Việt Nam
NATM thực sự đợc áp dụng ở Việt Nam từ khi tiến hành nghiên cứu khả thi dự
án hầm đờng bộ qua đèo Hải Vân nối Huế và Đà Nẵng, vào năm 1996. Dự án
này đã đợc khởi công từ năm 2000 và đã chính thức thông xe vào tháng 6/2005.
Sau đó NATM còn đợc áp dụng cho ba hầm đờng bộ khác là hầm Đèo Ngang
(nối H Tĩnh và Quảng Bình, 2003-2004), hầm A Roàng 1 và A Roàng 2 thuộc
tỉnh Thừa Thiên - Huế (2002-2003). Sắp tới, hầm đờng bộ qua đèo Cả cũng có
thể đợc thi công theo phơng pháp này.
1.2.2 Một số vấn đề về NATM khi chuyển giao công nghệ trong xây dựng từ
nớc ngoài vào Việt Nam
Khi ứng dụng NATM lần đầu tiên tại hầm Hải Vân, t vấn nớc ngoài đã thực
hiện chuyển giao công nghệ này cho phía Việt Nam (11/2002). ở Việt Nam,
hiện nay khi nói đến NATM ngời ta thờng nghĩ ngay đến hai mơi hai nguyên
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403

itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


tắc cơ bản của nó (22 Principals for NATM). Hai mơi hai nguyên tắc này đầu
tiên do tiến sỹ Leopold Mỹller giới thiệu bằng tiếng Đức năm 1978
(Grundgedanken und Grundsọtze der "Neuer ệsterreichischer
Tunnelbauweise"), sau đó đợc Hội cơ học đất và kỹ thuật nền móng Nhật Bản
dịch sang tiếng Nhật khoảng năm 1980. Khi các kỹ s Nhật đa các tài liệu về
NATM sang Việt Nam (tại dự án hầm Hải Vân), 22 nguyên tắc này đã đợc dịch
sang tiếng Việt và in trên Tạp chí Cầu đờng Việt Nam số 5/2002.
Tuy nhiên, khi thực hiện các dự án hầm đờng bộ Hải Vân và đèo Ngang, cả t
vấn và nhà thầu đều gặp khó khăn trong quá trình thi công xây dựng công trình.
Nhắc lại rằng, NATM là một phơng pháp thực nghiệm mà trong đó quá trình
thiết kế và thi công thờng xuyên đợc bổ sung và đối chiếu lẫn nhau. Do đó,
khi thi công xây dựng công trình hầm theo NATM luôn phải đối mặt với các rủi
ro làm tăng chi phí xây dựng, chậm tiến độ thi công thậm chí cả các vấn đề về an
toàn lao động, Điển hình, trong quá trình xây dựng hầm Hải Vân thì sự cố sập
cửa hầm phía Nam và mất ổn định bờ dốc phía tây đã làm tăng đáng kể chi phí
xây dựng công trình và tiến độ thi công (chậm 6 tháng) dẫn đến nhà thầu Sông
Đà - DongAh phải mở thêm một ngách thi công để kịp tiến độ. Hay sự số gặp túi
nớc ngầm ở phía Bắc Hải Vân (vị trí hầm thông gió) cũng là một bài học đắt giá
về việc khảo sát địa kĩ thuật trớc và trong quá trình thi công xây dựng hầm và
các công trình ngầm.

Hình 1: Sự cố trợt mái dốc phía tây cửa hầm nam Hải Vân
13
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT

Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


Nh vậy, bên cạnh các yếu tố tích cực thì NATM cũng đã gặp không ít khó khăn
trong quá trình thi công xây dựng các dự án hầm. Điều này cho thấy, việc sử
dụng NATM không phải là một công cụ vạn năng của lĩnh vực xây dựng công
trình ngầm. Để xây dựng thành công một dự án hầm cần có sự phối hợp của
nhiều biện pháp, nhiều yếu tố và sự linh động của t vấn cũng nh những ngời
trực tiếp tham gia xây dựng.

Hình 2: Sự cố sụt nóc hầm phía nam Hải Vân
ngày 30 tháng 8 năm 2001

Hình 3: Sự cố trợt gơng hầm phía nam Hải Vân
ngày 5 tháng 9 năm 2001
14
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam



Hình 4: Sự cố thủng nóc hầm phía nam Hải Vân

ngày 10 tháng 9 năm 2001
Kết luận chơng 1
Trong 40 năm kể từ khi xuất hiện thì NATM đã có những đóng góp đáng kể
trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam. Tuy nhiên,
vẫn còn những tranh cãi về bản chất của vấn đề và việc ứng dụng NATM trong
thực tiễn xây dựng hầm và công trình ngầm. Bên cạnh đó, những trờng hợp
không áp dụng thành công phơng pháp NATM của nhiều công trình hầm ở
nhiều nớc khác nhau cho thấy sự cần thiết của việc điều chỉnh và hoàn thiện
NATM khi áp dụng trong điều kiện của Việt Nam.
Nội dung của việc nghiên cứu NATM trong điều kiện nớc ta hiện nay đợc tập
trung chủ yếu vào việc thiết kế cũng nh thi công và các kiểm soát kĩ thuật trong
thi công hầm theo NATM. Các nội dung này sẽ đợc trình bày cụ thể trong các
chơng sau.

15
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


16
Chơng 2
Nghiên cứu phơng pháp thiết kế các hệ thống chống đỡ
công trình ngầm theo NATM ở Việt Nam
2.1 Đặc trng của hầm và công trình ngầm:
So với các lĩnh vực xây dựng khác thì xây dựng công trình ngầm có những đặc
thù riêng biệt và có mối quan hệ mật thiết với môi trờng đất đá. Việc xây dựng

một dự án hầm thành công hay thất bại đều dựa trên việc xử lý mối tơng tác
giữa đất đá và đờng hầm. Việc thi công công trình ngầm trong diện công tác
chật hẹp và yêu cầu thông gió trong suốt quá trình thi công đòi hỏi các công tác
lập kế hoạch, thiết kế, thi công, an toàn lao động, phải đợc nghiên cứu xem
xét một cách thận trọng. Do đó, quá trình xây dựng một dự án hầm đòi hỏi tất cả
các công tác đều gắn kết chặt chẽ với nhau và luôn đợc đối chiếu, bổ sung và
sửa đổi khi cần thiết.
2.2 Hệ thống chống đỡ truyền thống cho các công trình ngầm
2.2.1 Lịch sử
Phơng pháp thi công hầm bằng khoan nổ, che chống bằng cấu kiện thép, gỗ
đợc gọi là phơng pháp mỏ truyền thống (Conventional/Traditional Tunnelling
Method). Cho đến giữa thế kỷ XX, trong xây dựng hầm, ban đầu ngời ta vẫn
dùng gỗ và sau đó dùng vòm thép để che chống tạm thời cho đến khi hệ chống
cuối cùng đợc dựng lên. Hệ chống cuối cùng là một lớp vỏ hầm bằng gạch hay
bê tông. Phơng pháp làm hầm này là tơng tự nhau ở mọi nớc trên thế giới,
trong đó phơng pháp áo cũ không phải là ngoại lệ.
Hệ thống chống đỡ là một trong hai vấn đề cốt lõi (gồm đào hầm và che chống)
trong các phơng pháp làm hầm và công trình ngầm nói chung. Chơng này đề
cập đến phơng pháp thiết kế hệ thống chống đỡ hầm và công trình ngầm theo
một phơng pháp cụ thể là NATM. Trong phần đầu của chơng sẽ khái quát lại
về hệ chống đỡ theo phơng pháp truyền thống để tiện so sánh giữa hai phơng
pháp và làm rõ sự khác biệt của phơng pháp truyền thống so với NATM.
Thi công bằng phơng pháp mỏ truyền thống có thể thích ứng với điều kiện địa
chất không tiện che chống bằng phun neo, dùng để xử lý đất sụt cũng có hiệu
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam

17
quả tốt, và thờng đợc sử dụng trong các dự án hầm nhỏ và có thể thi công
bằng thủ công.
Mọi dự án hầm truyền thống nói chung đều phải giải quyết một số hoặc tất cả
các vấn đề sau đây:
ắ Xác định mục đích, phạm vi công việc;
ắ Đo đạc, đánh giá địa chất và địa kỹ thuật;
ắ Thiết kế kĩ thuật chi tiết (kể cả công tác quan trắc nếu cần);
ắ Xác định mô hình hợp đồng xây dựng và các tài liệu hợp đồng;
ắ Tổ chức thi công dự án;
ắ Hoạch định vấn đề quản lý (giám sát, nguy cơ/rủi ro, an toàn, kiện tụng,
v.v).
Phần dới đây sẽ bàn cụ thể về vấn đề thi công trong phơng pháp làm hầm
truyền thống.
2.2.2 Trình tự và nguyên tắc thiết kế che chống tạm thời
2.2.2.1 Trình tự thi công bằng phơng pháp mỏ truyền thống
Trình tự thi công bằng phơng pháp mỏ truyền thống gồm có các bớc nh
sau:
Chuẩn bị thi công.
Xác định phơng án thi công.
Đào hầm.
Lắp dựng hệ thống chống đỡ tạm thời.
Kiểm tra xem có cần gia cố lại hoặc thay thế hay không.
Lắp dựng vỏ hầm.
2.2.2.2 Nguyên tắc cơ bản của thi công hầm bằng phơng pháp mỏ truyền thống
Nguyên tắc cơ bản của thi công bằng phơng pháp mỏ truyền thống có thể đợc
thể hiện nh sau: ít xáo động, che chống sớm, tháo dỡ cẩn thận, xây vỏ nhanh.
ít xáo động: Khi tiến hành đào hầm, hết sức giảm thiểu số lần chấn động,

cờng độ, phạm vi chấn động và thời gian liên tục chấn động đối với đất đá bị
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


18
ảnh hởng quanh hang đào, các vấn đề này đều thống nhất với NATM. Nếu
dùng hệ che chống bằng thép có thể tăng thêm khẩu độ mặt cắt trong một lần
đào, giảm thiểu số lần chia gơng để đào, do đó mà giảm thiểu số lần xáo
động đối với đất đá xung quanh đờng hầm. Tuy nhiên với các đờng hầm có
diện tích mặt cắt ngang lớn cần tiến hành thi công theo từng gơng nhỏ để
tránh số lợng thuốc nổ quá lớn gây mất ổn định hầm do tác dụng của sóng
nổ.
Che chống sớm: Sau khi đào xong phải kịp thời lắp cấu kiện che chống,
không để cho đất đá bị long rời mà phát sinh mất ổn định, và cũng để cho hệ
che chống nhận ngay tải trọng long rời của thời kỳ đầu. Thờng xuyên kiểm
tra hệ che chống, nếu thấy biến dạng nghiêm trọng hoặc xuất hiện dấu hiệu
h hỏng thì phải kịp thời tăng thêm thanh chống để gia cờng. Cũng có thể sử
dụng lí thuyết áp lực đất đá để tính toán thiết kế vỏ hầm vĩnh cửu nhằm xác
định tải trọng đất đá tác dụng lên hệ chống tạm. Thiết kế kết cấu che chống
tạm dùng phơng pháp tính toán kết cấu.
Tháo dỡ cẩn thận: Khi tháo dỡ hệ che chống tạm thời để dựng ván khuôn
đổ bê tông vỏ hầm vĩnh cửu cần cẩn thận, đề phòng đất đá sụt lở mất ổn định
trong quá trình tháo dỡ và thay đổi. Phạm vi và trình tự thời gian của mỗi lần
tháo dỡ thay đổi phải dựa trên tình hình ổn định của đất đá và chịu lực của hệ
che chống mà quyết định. Nếu dự tính khả năng không thể tháo dỡ đợc thì

cần chú ý xem xét khi xác định độ lớn của mặt cắt đào, cũng nh lựa chọn vật
liệu cho hệ che chống. Sử dụng hệ che chống tạm bằng thép thì có thể tránh
đợc phiền phức và nguy hiểm vì có thể để lại trong bê tông vỏ hầm.
Xây vỏ nhanh: Sau khi tháo dỡ hệ che chống tạm thời phải kịp thời đổ bê
tông vỏ hầm, để cho vỏ hầm tham gia sớm vào việc chịu tải. Nếu dùng hệ che
chống tạm bằng thép thì có thể không cần tháo dỡ. Việc xây dựng vỏ hầm vẫn
dựa trên cơ sở tính toán áp lực đất đá ban đầu mà không đa giai đoạn gia cố
hầm trong giai đoạn thi công vào các tổ hợp tải trọng.
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


2.3 Thiết kế hầm theo NATM:
2.3.1 Trình tự thi công theo NATM đợc biểu diễn bằng sơ đồ sau:


Hình 5: Trình tự thi công theo NATM.
Từ sơ đồ, thấy rằng các đờng hầm thi công theo NATM lập thành mối quan hệ
chặt chẽ giữa các yếu tố: khảo sát, thiết kế, thi công và đo đạc hiện trờng. Tất
cả các yếu tố này đều tác động qua lại lẫn nhau.
Công tác khảo sát: công việc này phải đợc tiến hành từ lúc bắt đầu lập dự
án, thi công cho đến khi công trình đã hoàn thành đa vào sử dụng. Đây là
19
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst

Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


20
công tác quan trọng nhất đối với một dự án hầm xây dựng theo NATM.
Công tác thiết kế: luôn đợc bổ sung và thay đổi để phù hợp với các dữ
liệu đo đạc ở hịên trờng. Các số liệu này là cơ sở để đảm bảo hầm và công
trình ngầm đợc thiết kế một cách an toàn và hiệu quả nhất.
Công tác thi công: công tác này phải luôn đảm bảo yêu cầu an toàn và ổn
định cho công trình. Bất cứ một thay đổi về điều kiện địa chất hoặc các số
liệu đo đạc từ hiện trờng đều phải xem xét lại phơng án thi công đã phù
hợp hay không.
Công tác đo đạc, giám sát hiện trờng: là cơ sở để khẳng định thiết kế đa
ra có phù hợp và an toàn hay cần phải sửa đổi để phù hợp với điều kiện thực
tế của hiện trờng. Đây là điều khác biệt cơ bản giữa một dự án hầm truyền
thống và dự án hầm đợc xây dựng theo NATM. Công tác này luôn đợc tiến
hành song song với quá trình thi công hầm và có thể kéo dài tới khi đờng
hầm đã đợc khai thác một cách ổn định và không phát sinh các hiện tợng
bất thờng về lún, thấm, nứt,
2.3.2 Cơ sở lí thuyết:
Nguyên lí chung của phơng pháp NATM là giữ cho môi trờng đất đá xung
quanh đờng hầm không bị phá hoại, có khả năng tự ổn định. Do vậy, các kết
cấu chống tạm và giải pháp công nghệ nhằm ngăn chặn sự phát triển bất lợi của
ứng suất xung quanh hầm, làm cho vùng biến dạng dẻo không phát triển, hoặc
đá không bị phá hoại giòn gây sập đổ công trình.
Ta biết rằng, đất đá ở dới sâu chịu tác dụng của trọng lợng các lớp địa tầng
nằm bên trên và chịu tác dụng của trọng lợng bản thân nó. Do đó, ứng suất
nguyên sinh của khối địa tầng chủ yếu là do trọng lợng của cột địa tầng. Khi

đào hầm, một khối lợng đất đá bị bóc đi mà bình thờng chúng có chức năng
tiếp nhận áp lực do trọng lợng của đất đá nằm trên nóc hầm nên trong khối đất
đá xung quanh hầm phát sinh ứng suất kéo, đôi khi đạt trị số khá lớn. Việc
chuyển từ trạng thái ứng suất nén ba trục sang trạng thái ứng suất hai trục do giải
phóng ứng suất quanh chu vi hang đào kéo theo sự phát sinh biến dạng của đất
đá xung quanh biên đào. Khi đất đá trên vòm hang biến đổi, các hoạt động của
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


quá trình xây dựng hầm đợc thực hiện với mục đích duy trì hoặc cải thiện khả
năng chịu tải của khối đá, nhằm phát huy tối đa khả năng chống đỡ và tạo ra sự
phát triển thuận lợi của trờng ứng suất chủ yếu trong khối đá.
Nhiệm vụ của công tác thiết kế và thi công hầm theo NATM là ngăn chặn tình
trạng suy giảm ứng suất đất đá xung quanh đờng hầm, làm cho vùng biến dạng
dẻo không phát triển hoặc không để đá bị phá hoại dòn gây sập đổ công trình.
Khi nghiên cứu lý thuyết phá hoại của Rabcewicz với một hang đợc tạo ra trong
đá, thấy rằng sự phân bố lại ứng suất xảy ra trong ba giai đoạn nh thể hiện ở
Hình 6. Trớc 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, nhịp hầm tăng lên của 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 dới áp lực ngang không đổi (III). áp lực
tăng lên trong giai đoạn III đợc gọi là áp lực nén ép và hiếm khi xảy ra trong
các hoạt động xây dựng thông thờng vì các hố đào là khá nông so với mặt đất.

Hình 6: Quá trình cơ học và trình tự phá hoại xung quanh một hang ngầm
do áp lực đất đá trong quá trình phân bố lại ứng suất (theo Rabcewicz 1964)
21
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


2.3.3 Các hệ thống chống đỡ NATM
Các hệ thống chống đỡ mà Rabcewicz đề nghị (1973) có hai nhóm chính.
Nhóm thứ nhất là hệ chống đỡ có tính chất bảo vệ bằng vỏ bên ngoài mềm
dẻo nhằm ổn định kết cấu một cách thích hợp, kết cấu vỏ sơ bộ đợc lắp dựng
hệ thống neo kết hợp với lớp bảo vệ bề mặt chủ yếu bằng bêtông phun, nếu
cần có thể gia cờng thêm bằng các sờn thép và khép kín bằng vòm ngợc
Phơng tiện chống đỡ thứ hai là một vòm bên trong bằng bê tông mà
thông thờng sẽ đợc thi công nếu vòm bên ngoài đã đạt đợc 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 phân tích và hiểu rõ hiện tợng phá hoại cắt nh đã trình bày ở trên.
Qua việc thiết lập mối quan hệ giữa khối đất bị xáo trộn quanh hang ngầm, đợc
gọi là vùng bảo vệ (protective zone), và khả năng chịu tải của hệ thống
chống đỡ, gọi là lớp vỏ kháng bền (skin resistance) (Rabcewicz 1964).
Kastner trình bày về mặt toán học của những mối quan hệ này nh sau:
()
2sin
1sin
cos cos 1 sin

io
r
pc pc
R




= + +


(1)
Bỏ qua lực dính c, phơng trình (1) trở thành:
()
2sin
1sin
1sin
io
r
o
p
pnp
R




= =
(2)
Các giá trị của hệ số n đợc cho nh là một hàm của p

o
và (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 phơng trình nêu trên đợc rút ra
từ sự phân bố ứng suất sau khi hang đã thi công xong, nh minh họa trong hình 7
dới đây.
22
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam



Hình 7: Phân bố ứng suất xung quanh một hang ngầm dới áp lực thủy tĩnh
(theo Kastner, trích dẫn bởi Rabcewicz 1964)
Đờng cong tơng tác của đất (Hình 8) thể hiện sự tơng tác đất nền/hệ chống
đỡ và các biến dạng theo thời gian. Đây là 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 (đờng
2), nó sẽ chịu một tải trọng lớn hơn bởi vì khối đá xung quanh hang vẫn cha
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) đợc 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 nhỏ 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 đờng cong". Điều này có nghĩa chỉ cần
một hệ chống đỡ vừa phải đã đủ khả năng chịu biến dạng theo yêu cầu nh trong
trờng hợp của ứng dụng NATM. Hơn nữa, ông nhấn mạnh rằng hệ chống đỡ đất

đá không đợc quá cứng hoặc quá mềm. Sau điểm B sẽ xảy ra "sự rời rạc rất lớn"
và áp lực chống đỡ cần có để ngăn chặn quá trình rời rạc sẽ tăng lên rất nhiều.
Tuy nhiên, nếu hệ chống đỡ đợc lắp đặt đúng thời điểm để có đợc lợng biến
dạng thích hợp, thì áp lực hệ chống đỡ sẽ có giá trị nhỏ nhất tại điểm này.
Rabcewicz cũng đa ra những kết luận về mối quan hệ tơng hỗ giữa hệ thống
chống đỡ ban đầu của NATM, là bêtông phun và vòm đá đợc lắp neo:

23
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam




Hình 8: Các đờng cong tơng tác giữa đất nền- kết cấu chống
(theo Fenner & Pacher, đợc Rabcewicz trích dẫn, 1973)
Với cùng một loại đất và chiều dày lớp phủ, mối quan hệ giữa kích thớc
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.
Với những tiết diện đào nhỏ (10-16 m
2
) thì thờng chỉ cần một lớp bêtông
phun phủ kín đơn giản dày d = 3 cm = 0,017xR để ổn định khoang hầm;
Nhng nếu có một gian máy phát điện ngầm khoảng 400-600 m
2
, thì nền

đá với các khối phân chia kích cỡ nh trên sẽ làm việc nh 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 trờng hợp này bắt buộc phải tạo ra một vòm đá đợc lắp
đặt neo một cách có hệ thống.
Trong lĩnh vực hầm và công trình ngầm, mối tơng quan giữa môi trờng (nền
đất) và hệ thống chống đỡ là một khái niệm căn bản. Mối tơng quan này phải
đạt đợc trạng thái cân bằng và tơng thích. Xây dựng hầm là một nghệ thuật,
trong đó có các quá trình chính là lập kế hoạch/nghiên cứu khảo sát, thiết kế, và
thi công. Hầm cần phải đợc thiết kế sao cho đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh
tế, căn cứ vào số liệu khảo sát chính xác, mục đích sử dụng và chế độ khai thác
hầm.
24
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tel. 047664813.FAX. 047663403
itst
Bớc đầu nghiên cứu hệ thống chống đỡ
theo NATM trong xây dựng công trình
ngầm ở Việt Nam


25
Theo Sauer (2004), sự thành công của việc áp dụng NATM dựa trên bốn tiền đề
sau đây:
Thiết kế thận trọng chu đáo bởi một đội ngũ kỹ s có kinh nghiệm.
Thi công bởi một nhà thầu lành nghề.
T vấn giám sát đủ năng lực.
Phân tích đúng đắn các kết quả quan trắc.
Phạm vi của đề tài này chỉ giới hạn ở hai tiền đề đầu tiên và cuối cùng, tức là
khâu thiết kế và khâu phân tích-sử dụng kết quả quan trắc.
2.3.3.1 Các công cụ phân tích tính toán:

Các mô hình phân tích luôn đóng một vai trò quan trọng trong cơ học đá. Các
mô hình sớm nhất phải kể đến các lời giải giải tích khép kín dùng để tính toán
ứng suất xung quanh một lỗ tròn của một tấm chịu ứng suất do Kirsch xuất bản
năm 1898. Sự ra đời của máy tính đầu những năm 1960 đã có thể sử dụng các kỹ
thuật số nh phần tử hữu hạn (Clough 1960), phần tử biên (Crouch và Startfield
1983), phần tử rời rạc (Cundall 1971) và các kết hợp của những phơng pháp này
ứng dụng vào tính toán địa kĩ thuật. Những kỹ thuật này hầu nh đã trở thành
những công cụ phổ biến trong cơ học đá. Máy tính cũng giúp ích rất nhiều trong
việc sử dụng các phơng pháp cân bằng giới hạn (Sarma 1979, Brown &
Ferguson 1979, Shi & Goodman 1981, Warburton 1981) và các cách tiếp cận
thống kê (McMahon 1971, Morriss & Stoter 1983, Priest & Brown 1982, Read
& Lye 1983) cho những nghiên cứu trong cơ học đá.
Tuy các khối đá có bản chất không đồng nhất cố hữu, nhng các máy tính ngày
nay có thể thực hiện số lợng lớn các nghiên cứu với các dữ kiện hoặc nghiên
cứu theo xác suất một cách dễ dàng nhanh chóng, cho phép khảo sát sự ảnh
hởng của các biến thiên giá trị của mỗi thông số đầu vào, và cho phép đa ra
các nhận định kỹ thuật dựa trên tốc độ thay đổi về giá trị tính đợc thay vì dựa
vào một câu trả lời đơn giản.
Các bớc chung nhất sau đây để phân tích và thiết kế kết cấu chống đỡ hầm bằng
một chơng trình phần mềm nào đó: