NATM method Phương pháp thi công đường hầm

PHƯƠNG PHÁP NATM
(New Australian Tunnelling Method)

GVHD: TS. NGUYỄN DANH THẮNG
(BM Cầu Đường, Khoa KT Xây Dựng, ĐH. Bách Khoa Tp. HCM)
Email:
Tel: 0913-88-3456
Facebook: Nguyen Danh Thang


GIỚI THIỆU
Phương pháp xây dựng hầm mới của Áo (NATM) là phương pháp xây dựng hầm được
hình thành trên cơ sở lý thuyết đúc kết từ thực tế xây dựng hầm trong thời gian dài,
bao gồm các trình tự, biện pháp thi công và xử lý khối đất đá trên vòm hầm sao cho
đất đá xung quanh hầm được liên kết thành kết cấu vòm chống đỡ. Do đó, tự bản thân
khối đất đá xung quanh sẽ trở thành một phần kết cấu chống đỡ hầm.


SỰ KHÁC BIỆT CỦA NATM
Về công tác khảo sát:
- Thu thập được các chỉ tiêu cơ học của đất đá, điều kiện địa chất, điều kiện thuỷ văn
phục vụ cho công tác thiết kế tuyến, hình dạng, tiết diện công trình, đánh giá mức độ
ổn định của khối đá và lập phương án thi công….
-Trong qúa trình thi công, những khảo sát bổ sung cũng sẽ được thực hiện nếu cần
thiết khi gặp điều kiện đất đá thay đổi ngoài dự kiến hoặc đường hầm mất ổn định
mạnh sau khi đào để phục vụ việc điều chỉnh thiết kế hay đưa ra biện pháp chống giữ
bổ sung.
Về công tác thiết kế:
Không còn tồn tại khái niệm kết cấu chống tạm hay kết cấu chống cố định. Tất cả các
thành phần kết cấu chống “ban đầu” ngay sau khi đều được xem là một phần trong kết
cấu chống “cuối cùng”, đây là khái niệm chỉ thể hiện thời gian kết cấu chống được lắp

dựng chứ không thể hiện sự khác nhau về vai trò và nhiệm vụ của chúng.
Yêu cầu về tính chính xác và hiệu quả của các giải pháp thiết kế trong giai đoạn trước
khi thi công không đòi hỏi ở mức độ cao nhất và thường xuyên được điều chỉnh, bổ
sung trong suốt quá trình thi công dựa trên kết quả quan trắc thu được.


SỰ KHÁC BIỆT CỦA NATM
Về công tác thi công:
- Ảnh hưởng quyết định tới toàn bộ quá trình xây dựng. Khác biệt lớn nhất là việc áp
dụng và đánh giá đúng vai trò của công tác quan trắc như là một phần bên trong của
chu trình xây dựng.
- Có tính linh hoạt rất cao, người thi công không bị bó buộc hay phải cứng nhắc tuân
theo một vấn đề đã đưa ra trong thiết kế, đòi hỏi phải có đủ trình độ, kinh nghiệm để
có thể đưa ra những quyết định chính xác một cách nhanh nhất giải quyết những khó
khăn gặp phải ngay tại hiện trường.
- Công nghệ thi công không thể hiện sự khác biệt nhiều. Thành công nhờ quan niệm
linh hoạt trong quá trình thi công, hay là sự kết hợp các giải pháp khác nhau một cách
hợp lý để đạt được mục tiêu “bảo dưỡng” khối đá ở mức tối đa. Đây chính là chìa khoá
để đạt được cả 3 yếu tố: tính an toàn, chất lượng công trình và hiệu quả kinh tế.


YÊU CẦU ÁP DỤNG NATM
• Công tác lập kế hoạch
- Tiến hành khảo sát điều kiện địa chất, địa chất thuỷ văn thật thận trọng và tổng
quát

- Xây dựng các chỉ tiêu cơ học đất, đá và địa chất với ý nghĩa thực tiễn cao làm cơ
sở cho việc khảo sát, đánh giá mức độ ổn định khối đá
- Chuyển hoá hợp lý những nhận thức có được về khối đất, đá vào công tác lập
kế hoạch chi tiết, theo từng giai đoạn thi công dưới dạng các phương án thi công cụ

thể, bao gồm: trình tự thi công, các kết cấu chống và trình tự lắp dựng theo từng công
đoạn cho đến khi hoàn thiện kết cấu chống
- Lập chương trình đo quan trắc địa kỹ thuật song song với quá trình thi công
- Cần có những khẳng định, quyết định về giải pháp cho những khu vực đất đá
yếu .


YÊU CẦU ÁP DỤNG NATM
* Công tác thi công
- Thực hiện chính xác các phương án thi công đã lập
- Ghi chép và phân tích thường kỳ các thông tin về điều kiện khối đá, độ ổn định
của đường hầm sau khi đào để có những biện pháp hợp lý, tối ưu kịp thời chính xác
ngay tại hiện trường bởi những người có đủ kinh nghiệm để gia cố bổ sung, điều chỉnh
quy trình đào chống phục vụ các đoạn đào tiếp theo.
- Phải có sự cộng tác chặt chẽ của các chuyên gia đầy kinh nghiệm trong mọi công
việc từ giai đoạn quy hoạch, thiết kế đến khi thi công.
- Đội ngũ cán bộ, công nhân trực tiếp thi công phải có hiểu biết nhất định về phương
pháp NATM, có tinh thần trách nhiệm ý thức chủ động cao trong công việc.
* Công tác điều hành, quản lý

Phải có một cơ cấu tổ chức quản lý đủ mạnh để đảm bảo chất lượng, tính an toàn và
hiệu quả kinh tế của công trình.


ƯU ĐIỂM CỦA NATM
- Có khả năng áp dụng trong nhiều điều kiện khối đá khác nhau
- Dễ dàng và linh hoạt để sự dụng cho các hình dạng tiết diện ngang công trình ngầm
khác nhau.
- Có tính kinh tế cao do tối ưu hoá được kết cấu chống giữ.
- Sử dụng có tính kinh tế đối với các dự án đấu thầu được phân chia thành nhiều gói

thầu nhỏ.
- Kết hợp dễ dàng với phương pháp đào bằng máy (TBM)

- Yêu cầu vốn đầu tư ban đầu tương đối nhỏ và có khả năng thu hồi vốn nhanh.


NHƯỢC ĐIỂM CỦA NATM
-Khi áp dụng trong điều kiện có nước ngầm đòi hỏi phải có công tác khảo sát bổ sung.

- Tốc độ tiến gương tương đối nhỏ.
- Đội ngũ cán bộ công nhân tham gia xây dựng đòi hỏi phải được đào tạo và đã trải
qua thực tế.
- Mức độ đòi hỏi cao về vật liệu và biện pháp thi công.
- Có khả năng gây rủi ro với cả nhà thầu và chủ đầu tư
- Khả năng tự động hoá các công tác bị hạn chế.
Với những ưu điểm vượt trội kể trên, cộng thêm với sự hỗ trợ của các phương tiện
máy móc tân tiến, NATM ngày càng được sử dụng nhiều để thay thế phương pháp mỏ
truyền thống để thi công hầm và các công trình ngầm qua núi


NGUYÊN TẮC XÂY DỰNG CƠ BẢN
1) Kết cấu hầm là tổ hợp giữa đá núi và vỏ hầm. Hầm được chống đỡ chủ yếu bằng
khối đá xung quanh. Hệ thống chống đỡ hầm chỉ nên áp dụng hạn chế và mang tính hỗ
trợ hiệu ứng tự ổn định của khối đá.
2) Phải duy trì cường độ nguyên thủy của khối đá. Cách chống đỡ truyền thống
bằng gỗ và/hoặc bằng vòm thép không thể giúp ngăn ngừa sự biến dạng của khối đá
xung quanh hầm. Bê tông phải được phun ngay sau khi đào để có thể ngăn sự biến
dạng của khối đá một cách hữu hiệu.
Theo công nghệ thi công hầm truyền thống, vẫn có một khoảng trống giữa hệ thống
chống đỡ và khối đá. Khối đá xung quanh chỉ được chống đỡ thông qua các điểm tiếp

xúc nên có xu hướng biến dạng vào phía trong đường hầm nhằm lấp đầy khoảng trống
nói trên. Sự rời rạc (biến dạng) của khối đá sẽ có xu hướng phát triển đến độ sâu tính
từ tường hầm. Theo phương pháp NATM, sử dụng bêtông phun trực tiếp và bám chặt
với bề mặt khối đá quanh đường hầm nên ngăn không cho khối đá biến dạng.


3) Biến dạng của khối đá phải được ngăn chặn hợp lý vì việc khối đá rời rạc sẽ làm
cho cường độ của nó bị giảm đi. Cường độ của khối đá, phụ thuộc chủ yếu vào lực ma
sát của mỗi phân khối đá, sẽ giảm xuống khi ma sát giảm. Nguyên tắc này áp dụng chủ
yếu đối với đá cứng. Đối với đá mềm, chẳng hạn như lớp đá trầm tích sau Kỷ Đệ Tam
đến Kỷ Đệ Tứ, đặc tính của chúng sẽ phụ thuộc vào lực dính và góc nội ma sát.
4) Khối đá phải được giữ trong các điều kiện ứng suất nén ba trục. Cường độ của
khối đá chịu ứng suất nén đơn trục và/hoặc hai trục thì thấp hơn cường độ trong điều
kiện ba trục.
Cường độ chịu nén của khối đá ở điều kiện nén nhiều trục sẽ cao hơn khối đá trong
điều kiện nén một trục. Sau khi đào hầm, vách hầm sẽ ở trong trạng thái nở hông cho
đến khi hệ thống chống đỡ được lắp đặt. Để duy trì trạng thái ứng suất nén ba trục và
sự ổn định của khối đá, vách hầm phải được phủ kín bằng bêtông phun.


5) Biến dạng của khối đá phải được ngăn chặn hợp lý. Phải thiết lập hệ thống
chống đỡ để ngăn chặn sự giãn nở hoặc nguy cơ đổ sập của khối đá. Nếu hệ thống
chống đỡ được thiết lập một cách thích hợp thì chất lượng của việc đào hầm sẽ tăng
đồng thời đảm bảo hiệu quả kinh tế.
Nếu biến dạng cho phép vượt quá giới hạn, vùng biến dạng dẻo quanh hầm phát triển
và khe nứt xuất hiện. “Ngăn chặn sự biến dạng” nghĩa là giảm thiếu tối đa sự biến
dạng xung quanh hầm do những biến dạng xảy ra trong khi đào hầm là không thể tránh
khỏi, ví dụ biến dạng đàn hồi và/hoặc biến dạng do nổ mìn. Vì thế, giới hạn biến dạng
cho phép cần được đề ra ứng mỗi loại hệ thống chống đỡ và được cập nhật từ các kết
quả đo đạc quan trắc Địa kỹ thuật.

6) Hệ thống chống đỡ phải được lắp đặt kịp thời. Lắp đặt các hệ thống chống đỡ
quá sớm hay quá muộn sẽ đem lại kết quả bất lợi. Hệ thống chống đỡ cũng không
được quá mềm hay quá cứng. Các hệ thống chống đỡ cần có một độ mềm dẻo thích
hợp để duy trì cường độ của khối đá.
Nếu hệ thống chống đỡ được lắp đặt quá sớm, áp lực tác dụng lên kết cấu chống đỡ sẽ
rất cao. Mặt khác áp lực sẽ tiếp tục tăng lên khi lắp đặt hệ thống chống đỡ chậm. Hệ
thống chống đỡ được lắp đặt đúng lúc có khả năng giảm tải trọng đến nhỏ nhất. Nếu
hệ thống chống đỡ quá cứng sẽ đắt, quá mềm thì khối đá biến dạng nhiều, tải trọng tác
dụng lên hệ thống chống đỡ sẽ rất cao. Tải trọng tác động lên hệ thống chống đỡ sẽ
giảm đến nhỏ nhất khi hệ thống chống đỡ có độ mềm dẻo thích hợp.


7) Cần nghiên cứu khảo sát đặc tính biến dạng phụ thuộc thời gian của khối đá để
đánh giá thời gian thích hợp khi lắp đặt hệ thống chống đỡ.
8) Không chỉ dựa vào công tác thí nghiệm trong phòng mà còn 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 của vách hầm, tốc độ của sự biến dạng và loại đá là những
nhân tố quan trọng để tính toán thời gian chống đỡ vách đào của khối đá.
Đối với phương pháp NATM, công việc không thể thiếu được là đo đạc quan trắc.
Những nhân tố được nhắc đến ở trên được xác định từ kết quả đo đạc quan trắc và
những tính toán mang tính thống kê dựa trên kết quả của việc đo đạc quan trắc rất có
ích cho việc dự đoán được sự biến dạng ở bước đào hầm tiếp theo.
9) Nếu sự biến dạng và/hoặc sự tơi của khối đá được dự đoán là rất lớn, bề mặt
hầm đã đào phải được phun bê tông kín như là màn che. Kết cấu chống đỡ bằng gỗ
và thép chỉ tiếp xúc với bề mặt tường hầm ở các điểm chèn. Vì thế, đất đá giữa các
điểm tiếp xúc sẽ vẫn còn không được chống đỡ nên sự biến dạng và/hoặc tơi của khối
đá sẽ phát triển.
10) Vỏ hầm phải mỏng và có độ mềm dẻo thích hợp nhằm triệt tiêu mô men uốn
và tránh được phá hoại do ứng suất uốn gây ra. Không chỉ lớp vỏ hầm ban đầu

(bêtông phun) mà cả lớp vỏ hầm hoàn thiện cũng cần phải mỏng.


11) Trong trường hợp hệ thống chống đỡ (ban đầu) cần phải gia cường, các thanh
thép, khung chống thép và neo đá nên được sử dụng. Không nên tăng chiều dày lớp
bê tông vỏ hầm vì sẽ làm giảm diện tích tiết diện khai thác của hầm.
12) Thời gian và phương pháp thi công vỏ hầm được quyết định dựa trên kết quả
quan trắc của thiết bị. Thông thường lớp bê tông vỏ hầm được thi công sau khi biến
dạng của hầm đã ổn định. Nếu sự biến dạng có xu hướng gia tăng, cần kiểm tra kỹ
nguyên nhân. Trong trường hợp này , lớp bê tông vỏ hầm phải được thiết kế đủ cường
độ chống lại áp lực của khối đá tác dụng lên.
13) Về mặt lý thuyết, cấu trúc của hầm giống như một cái ống hình trụ dày gồm
hệ thống chống đỡ và vỏ hầm cùng với môi trường đất đá xung quanh. Các cấu
trúc này hợp lại với nhau làm cho hầm tự ổn định.
Hệ thống chống đỡ truyền thống gồm phần vòm và trụ đỡ, khối đá xung quanh được
xem như là tải trọng tác dụng lên hầm. Theo lý thuyết NATM, hầm được xem như là
một cấu trúc hỗn hợp gồm khối đá, hệ thống chống đỡ và vỏ hầm.

14) Việc cấu tạo mặt cắt hầm kín bằng vòm ngược tạo nên đường ống hình trụ là
cần thiết vì cấu trúc này có thể chịu ứng suất của đá cao hơn.


15) Hành vi (trạng thái) của khối đá phụ thuộc vào tiến trình đào hầm và sự lắp
đặt hệ thống chống đỡ cho đến khi kết cấu của hầm kín được hình thành. Mômen
uốn bất lợi xuất hiện tại khu vực tiếp giáp của phần trên vòm hầm và tường giống như
kết cấu dầm hẫng khi khoảng cách giữa các bề mặt gương hầm của phần vòm và phần
tường là quá dài.
Ứng suất uốn như mô tả ở trên sẽ phát triển do lún tác động lên hệ thống chống đỡ lắp
đặt ở phần trên vòm hầm, khi sức chịu tải của móng hệ thống chống đỡ nhỏ hơn tải
trọng tác động lên.

16) Từ quan điểm phân bố lại ứng suất, phương pháp đào toàn mặt cắt tốt hơn
các phương pháp khác. Chia gương hầm thành nhiều gương nhỏ sẽ khiến cho chất
lượng khối đá xung quanh hầm giảm đi nhanh chóng do phân bố lại ứng suất.
Tuỳ thuộc vào quá trình đào hầm, việc phân bố ứng suất của khối đá xung quanh sẽ
xảy ra và cuối cùng đạt đến một trạng thái ứng suất mới. Khối đá xung quanh hầm gặp
phải tình trạng có tải và không tải lặp đi lặp lại trong suốt quá trình phân bố lại ứng
suất. Đôi khi trạng thái này lặp lại dẫn đến kết quả khối đá bị phá hoại. Tuy nhiên, rất
khó thực hiện phương pháp đào toàn mặt cắt ở những vùng đá xấu như đá phong hoá
nặng và/hoặc đất. Trong các trường hợp như vậy ta phải chia gương hầm thành những
gương nhỏ và cần phải đo đạc kiểm tra tính ổn định của mỗi phần hầm đó.


17) Phương pháp đào hầm có ánh hưởng rất lớn đến khối đá xung quanh, chẳng
hạn chu kỳ và trình tự đào hầm, thời gian thi công vỏ hầm, thời gian đóng kín vỏ
hầm,... và cần được kiểm soát để tạo ra tổ hợp kết cấu cũng như thiết lập sự ổn định
của đường hầm.
18 ) Mỗi bộ phận hầm phải duy trì hình dạng tròn nhằm tránh sự tập trung ứng suất
bất lợi.
19) Đối với hầm kết cấu vỏ đôi thì vỏ hầm bên trong phải mỏng. Bất kỳ lực cắt tác
động vào đường biên bên ngoài hầm và khối đá sẽ không truyền sang bê tông vỏ hầm.
Chỉ có lực hướng tâm truyền đến kết cấu vỏ đôi của hầm.
20) Kết cấu tổ hợp của khối đá và kết cấu chống đỡ bên ngoài (ban đầu) phải
hình thành trước khi thi công lớp bê tông vỏ hầm bên trong. Lớp vỏ hầm bên trong
chỉ có tác dụng làm tăng hệ số an toàn cho hầm. Tuy nhiên, độ ổn định của kết cấu
hầm cần được xem xét bao gồm cả lớp bê tông vỏ hầm khi hầm gặp một lưu lượng lớn
nước thấm vào và/hoặc dự báo sự ăn mòn của các neo đá.
21) Thiết bị đo đạc, quan trắc đóng vai trò quan trọng đối với công tác thiết kế và thi
công hầm. Việc đo ứng suất tác động lên vỏ hầm và đo đạc sự dịch chuyển của
vách hầm là đặc biệt cần thiết khi thi công hầm.

22) Giải phóng áp lực của nước ngầm xuất hiện trong khối đá bằng hệ thống
thoát nước.
Áp lực thủy tĩnh xung quanh đường hầm sẽ thay đổi tùy thuộc vào sự biến đổi mực
nước ngầm. Hệ thống thoát nước ngầm là cách làm giảm áp lực thủy tĩnh hữu hiệu
nhất