nghiên cứu quy trình thiết kế, thi công công trình ngầm theo NATM, áp dụng trong xây dựng công trình ngầm trong nước và công trình ngầm quân sự

2, ,

MỞ ĐAU

Cùng với quá trình đó, công nghệ thi công xây dựng nói chung, công nghệ thiết
kế, thi công công trình ngầm ở Việt Nam cũng có những bước phát triển mới. Nhiều
công nghệ thi công xây dựng công trình ngầm tiên tiến đã và đang được áp dụng ở
một số công trình, trong đó có công nghệ NATM (New Austrian Tunnelling
Method). Đây là công nghệ tiên tiến, hiện đại được áp dụng ở nhiều nước trên thế
giới, hiện đã và đang được áp dụng có hiệu quả ở Việt Nam. Việc nghiên cứu quy
trình thiết kế, thi công công trình ngầm theo NATM, hiểu rõ bản chất của nó để có
thể áp dụng trong xây dựng công trình ngầm trong nước nói chung, công trình ngầm
quân sự nói riêng là rất cần thiết. Vì vậy, thi công theo phương pháp Áo mới NATM được tác giả lựa chọn nghiên cứu trong tiểu luận này.
Nội dung cơ bản bao gồm:
1. Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ thi công công trình ngầm theo
phương pháp NATM.
2. Khái niệm và nguyên lý cơ bản.
3. Công nghệ thi công hầm theo NATM
4. Trang thiết bị cần thiết dùng trong công nghệ thi công NATM.
5.
Một số vấn đề trong xây dựng công trình ngầm trong nền đất yếu theo
NATM.
6. Ưu, nhược điểm của NATM.
1. Lịch sử hình thành và phát triên công nghệ thi công công trình ngầm theo
phương pháp NATM:

Ý tưởng thi công hầm theo phương pháp Áo mới (New Austrian Tunneling
Method - NATM) được đề xuất bởi giáo sư người Áo Rabcevicz từ năm 1948, ông
1

cũng chính là người đã phát minh ra lớp vỏ chống đường hầm hai lớp (vỏ
chống ban đầu và vỏ chống cuối
cùng). Tuy nhiên, trước đó
phải kể
đến
những ý tưởng
và
sáng
chế
trong xây dựng đường hầm như: Phát minh ra khiên đào tròn năm 1811 của M.I
Brunel; phát minh máy phun bê tông của Akeley năm 1908 và đã được
áp
dụng lần đầu
tiên năm
1914 ở mỏ than Denver
(Mỹ). Chính những phát minh và ý tưởng đó đã thúc đẩy sự ra đời của NATM.
Trong những năm 50 của thế kỷ 20 nhiều đường hầm giao thông, thuỷ điện trong núi
đá ở Áo, Vênêzuêla đã bắt đầu được xây dựng theo NATM. Năm 1954 Bruner đã sử
dụng bê tông phun để làm ổn định đất trong quá trình đào hầm. Năm 1955
Rabcevicz đã phát triển hệ thống neo trong thi công hầm, năm 1960 Muller đã áp
dụng một cách có hệ thống hệ đo đạc thực nghiệm trong thi công hầm. Đến năm
1962 tại hội nghị địa cơ học lần thứ XIII ở Salzburg (Áo), Rabcevicz đã giới thiệu
NATM, năm 1964 lần đầu tiên tài liệu về thi công hầm theo NATM bằng tiếng Anh
được xuất bản. Năm 1969 lần đầu tiên áp dụng NATM trong đất mềm khi thi công
hệ thống đường tàu điện ngầm ở Frankfurt (Đức). Công nghệ thi công đường hầm
theo NATM còn được biết đến dưới một số cái tên khác như: phương pháp đào liên
tục (SEM); phương pháp chống đỡ bằng bê tông phun (SSM; SM)....
Với tính linh

hoạt,

dễ áp dụng
trong nhiều điều kiện đất
đá khác nhau và có chi phí hợp lý nên NATM được phát triển
ở nhiều nước trên thế giới. Tạp chí “Tunnel” (tháng 8/2003) đã thống kê, chỉ tính
riêng tại Đức có tới hơn 64% các đường hầm giao thông được thi công bằng NATM.
Ở châu Á, các nước và vùng lãnh thổ sớm áp dụng NATM trong thi công đường hầm
2


là Nhật Bản, Đài Loan, Hàn Quốc, Trung Quốc. Cùng theo tiến trình phát triển đó
những nguyên lý và kỹ thuật cũng như kinh nghiệm thi công theo NATM cũng được
hoàn thiện, bổ sung thêm.
2. Khái niệm và các nguyên lý cơ bản:

2.1 Khái niêm:

Việc xác định rõ khái niệm NATM đã thu hút sự quan tâm chú ý của nhiều nhà
chuyên môn, nhiều tạp chí kỹ thuật chuyên ngành. Vì vậy, vấn đề này đã được xem
xét, định nghĩa lại nhiều lần. Dưới đây là một số khái niệm đã được đưa ra:
Theo Rabcevicz (1964): “NATM là một phương pháp mới thi công đường hầm
gồm lớp vỏ bê tông phun mỏng, khép vòm bằng vòm ngửa vào thời điểm sớm nhất
có thể để tạo thành vòng kín - được gọi là “vòm bổ trợ”. Biến dạng của vòm được đo
đạc theo thời gian cho đến khi trạng thái cân bằng được xác lập”. Rabcevicz đã nhấn
mạnh 3 điểm mấu chốt của phương pháp: Đầu tiên là sử dụng lớp vỏ bê tông phun
mỏng gia cố trong quá trình đào, thứ hai là khép vòm sớm nhất khi có thể, thứ ba là
đo đạc biến dạng một cách có hệ thống.
Khái niệm trên được Uỷ ban quốc gia của Áo về thi công công trình ngầm
thuộc hiệp hội thi công hầm quốc tế (ITA) định nghĩa lại vào năm 1980 như sau:
“Phương pháp đào hầm Áo mới (NATM) dựa
trên cơ sở đất đá xung quanh khoang hầm có khả năng trở thành một thành phần

kết cấu mang tải chủ động giống như vòng đất đá chịu
lực”.
Một số chuyên gia khác cũng nêu ra những khái niệm tương tự về NATM. Giáo
sư G. Sauer (1988) đã phát biểu: “NATM là phương pháp xây dựng công trình ngầm
bằng các sử dụng tất cả các điều kiện có thể để khai thác khả năng tự mang tải cao
nhất của đất đá nhằm tạo ra trạng thái ổn định của khoang hầm”.
3


Khi sử dụng thuật ngữ “tất cả các điều kiện có thể” G. Sauer đã định nghĩa về
NATM một cách tổng quát hơn những khái niệm trước đó.
2.2 Các nguyên lý cơ bản:
Ban đầu Rabcevicz cùng các đồng nghiệp của ông (Mủler, Pacher..) đã đưa ra
22 nguyên lý cơ bản của NATM. Trong quá trình phát triển và áp dụng NATM
những nguyên lý cơ bản đã được đúc rút lại là:
+ Độ bền vốn có của đất đá phạm vi xung quanh đường hầm cần được giữ
vững và chủ động huy động đến mức độ tối đa có thể. Như vậy kết cấu hầm được
coi là tổ hợp giữa đất đá và vỏ hầm.
+ Sự huy động độ bền của đất đá phạm vi xung quanh khoang hầm có thể đạt
được bằng kiểm soát (điều chỉnh) biến dạng của đất đá. Những biến dạng lớn có thể
dẫn đến làm mất khả năng chịu lực hoặc chuyển vị bề mặt lớn cần phải được ngăn
ngừa.
+ Hệ thống chống đỡ ban đầu chủ yếu được sử dụng gồm hệ thống neo (neo cơ
học hoặc neo dính kết, ma sát) và lớp bê tông phun mỏng linh động (có thể kết hợp
với lưới thép tăng cường) nhằm đặt được mục tiêu đã nêu ở phần trên. Đôi khi trong
trường hợp cần thiết, kết cấu chống đỡ ban đầu bằng các khung vòm thép, vòm dầm
dàn thép cũng được sử dụng. Vỏ chống vĩnh cửu sử dụng lâu dài chỉ được thi công ở
giai đoạn sau.
+ Việc khép kín vòm cần được điều chỉnh sao cho thích hợp với điều kiện đất
đá trong quá trình đào.

+ Những thí nghiệm trong phòng cùng sự giám sát ứng suất, biến dạng của hệ
chống đỡ và đất đá cần được thực hiện một cách có hệ
thống trong quá trình thi công.
+ Chiều dài của nhịp không chống đỡ cần để lại càng ngắn càng tốt.
4


+ Những người tham gia việc thiết kế, thi công, giám sát thi công đường hầm
theo NATM cần phải hiểu rõ và chấp thuận những nguyên lý của NATM đồng thời
có phản ứng tích cực hợp tác giải quyết mọi vấn đề xảy ra trong quá trình thực hiện
3. Công nghệ thi công hầm theo NATM:

3.1 Quy trình thi công hầm theo NATM:
Việc thiết kế quy trình đào và chống đỡ liên tục, nối tiếp nhau trong xây dựng
đường hầm là một vấn đề kỹ thuật phức tạp. Người thiết kế cần cân nhắc đến một
loạt các yếu tố nhằm lựa chọn được một hệ thống thích hợp nhất. Những yếu tố đó
có thể gồm:
- Hình dạng, kích thước và đường hầm (mặt bằng, mặt cắt).
- Tính chất và số lượng các bộ phận chống đỡ được sử dụng.
- Khảo sát và chẩn đoán trước được những điều kiện địa tầng.
Dự kiến trước được biến động của đất đá trong quá trình khai
đào.
Có kế hoạch đầy đủ, chi tiết để tiến hành các công việc.
- Chuyển vị cho phép.
Trong đó yếu tố quan trọng nhất là khảo sát xác định, dự báo
trước điêu kiện đất đá và sự biến đổi của chúng. Vì vậy, sự hiểu biết vê bản chất của
đất đá cũng như những biến đổi có thể xảy ra trong quá trình thi công hầm là rất
quan trọng và cần thiết. Những điêu kiện đất đá gặp phải trong quá trình thi công
cần được đối chiếu với những dự báo vê chúng trong bước thiết kế. Điêu đó có thể
cho phép điêu chỉnh việc đào hầm và hệ thống chống đỡ, nhằm cải tiến toàn bộ việc

đào hầm một cách tích cực.
Quá trình triển khai thi công hầm theo NATM gồm các bước: Các công tác
chuẩn bị; lập phương án thi công; thi công đào; chống đỡ ban đầu; đo đạc giám sát
5


ứng suất, biến dạng; thi công lớp phòng nước; thi công lớp vỏ vĩnh cửu (nếu cần) và
một số công tác khác. Quy trình thi công hầm theo NATM có thể biểu diễn như
trong Hình 1

6


oÍ1
S
'I—

I

z

ỊẸ

o

Hình 1: Quy trình các bước thi công hầm theo NATM
3.2 Quá trình đào, chống đỡ hầm theo NATM:
Công tác đào, chống đỡ trong xây dựng hầm có vai trò đặc biệt quan trọng và
chiếm phần lớn khối lượng công việc thi công hầm. Theo NATM quá trình đào,

chống đỡ ban đầu là một quá trình liên tục kết hợp, gắn bó chặt chẽ với nhau nhằm
huy động được khả năng tự mang tải của khối đất đá xung quanh khoang hầm.
+Trong đất đá cứng: Công tác đào hầm thường được tiến hành bằng việc
khoan nổ mìn tương tự như trong phương pháp mỏ. Nguyên tắc hạn chế làm lay
động đến khối đất đá xung quanh được tuân thủ


chặt chẽ trong quá trình khoan, nổ. Trường hợp thi công trong đất đá mềm hơn có
thể sử dụng các loại máy đào hầm (một phần gương) hoặc các máy đào thông
thường kết hợp với đào thủ công. Công tác chống đỡ ban đầu được tiến hành sớm,
lớp vỏ chống ban đầu thường được sử dụng là lớp bê tông phun mỏng kết hợp với hệ
neo. Việc thi công đào, chống được khuyến cáo là nên sử dụng biện pháp đào toàn
bộ mặt cắt. Tuy nhiên, đối với
những
hầm có diện tích mặtcắt lớn hoặc
điều
kiện
đất đá yếu có thể chia thành các phần nhỏ với các hang dẫn, bậc đào khác nhau theo
các dạng điển hình từ 1^8 thể hiện trong hình 2 (hình vẽ không thể hiện các chi tiết
gia cố).
NATM là một phương pháp thi công linh hoạt thể hiện ở chỗ quá trình thi công
đào, chống đỡ có thể điều chỉnh phương án đào chống từ dạng này sang sạng dạng
khác dựa trên cơ sở các số liệu đo đạc giám sát ứng suất, biến dạng, thí nghiệm địa
kỹ thuật, cơ học thu nhận được tại hiện trường. Một số ví dụ về sự điều chỉnh
phương án đào đó là:
Giảm thời gian khép vòm, chẳng hạn như bằng cách thay đổi từ dạng 5
sang dạng 6 để giảm sự lún bề mặt đến mức tối thiểu.
- Tăng tốc độ thi công như bằng cách bỏ đi phần vòm ngược nếu chúng không
cần thiết và chuyển từ dạng 3 sang dạng 2.
+Trong đất mềm yếu: quá trình đào, chống đỡ theo NATM phức tạp hơn và

cũng thể
hiện được tính linh hoạt của nó. Điều đó mô tả
trong các thành phần khác nhau của NATM “Toolbox” (hình 3) với các nội dung
sau:
i) Sơ đồ và quy trình đào:


+ Dùng biện pháp đào nhiều hang dẫn (nhằm làm giảm diện tích đào) có thể
gồm: hang dẫn bậc trên; đào hạ bậc; đào vòm ngửa (đáy); hang dẫn một nửa bậc
trên; hạ bậc phần vòm
ngửa; hang
dẫn bên
cạnh(SD);
+ Áp dụng nhiều hang dẫn có vòm ngược gia cố (bằng bê tông phun);
+ Giảm khoảng cách khép vòm, giảm chiều dài chu trình đào;
+ Chia nhỏ mặt cắt ngang thành các vùng: hang dẫn bên (SD); hang dẫn giữa
(CD) hoặc nhiều hang dẫn;
+ Đào liên tục, gia cố chống tạm nhanh trong vòng 24h;
ii) Chống đỡ vượt trước:
+ Khử nước, làm khô ở vùng đào (nếu cần thiết sử dụng các ống hút chân
không 8);
+ Cừ chốngbằng các loại khác nhau như: lưới thép, XM lưới
thép...
+ Gia cố bằng các ống phụt vữa, tấm kim loại...vv (3a);
+ Gia cố bằng hệ vòm ống Barrel (BVM) chiều dài từ 35^60m
(3b);
+ Gia cố bằng hệ neo vượt trước khoan phun vữa xi măng chiều dài tối đa
khoảng 20m (3c);
- Phun vữa xi măng trên bề mặt gương đào;
iii) Chống đỡ bề mặt:

+ Gia cố bề mặt bằng cách giữ các mái đất trong quá trình đào;
+ Gia cố bề mặt bằng lớp gia cố tạm bê tông phun mỏng (2
inches);
+ Đào theo biện pháp từng phần nhỏ;
iv) Tăng cường tường bên:


+ Tăng cường bằng cách mở rộng chân đế của phần bê tông phun (4- nếu có
thể);
+ Tận dụng khả năng mang tải ở chân vòm giữa các phần đào bằng phun vữa xi
măng, cừ ống thép phun vữa xi măng, xi măng lưới thép - 6;
v) Khép kín vỏ gia cố:
+ Tăng cường chiều dày của lớp bê tông phun (2);
+ Tăng cường số lượng neo (5) và chiều dài của chúng;
+ Sử dụng vòm ngửa gia cố tạm bằng bê tông phun ở hang dẫn
trên;
'+ Phun vữa xi măng gia cố toàn bộ bề mặt đất đá xung quanh;
vi) Kết hợp các phương pháp đặc biệt khác:
+ Đào dưới khí nén;
+ Đào trong đất đóng băng ( biện pháp hoá cứng đất bằng làm lạnh).
+ Phương pháp mở các khung hở (DSM - Dorrframe slab method).
+ Phương pháp gia cố bằng vòm cong cọc Barrel (BVM-3b).
+ Phương pháp Micro tunneling...vv
vii) Sự can thiệp khẩn cấp (dựphòng giải quyết các sự cố):
+ Neo thép cường độ cao chiều dài 3m.
+ Dầm thép hoặc gỗ (với các kích cỡ khác nhau để làm trụ chống).
+ Đá, sỏi vụn (đường kính 8^15cm - gia cố lấp bề mặt tạm thời).


+ Bê tông khô trộn sẵn đóng gói để sẵn sàng gia cố.

DẠNG 1
ĐÀO TOÀN Bộ MẶT CẮT

Bước gưang đào

DẠNG 2
ĐÀO NHIỀU ĐỢT (VÒM VÀ HẠ BẬC)

DẠNG 3
ĐÀO NHIỀU ĐỢT ( VÒM ; HẠ BẬC VÀ VÒM NGƯỢC )

DẠNG

ĐÀO NHIỀU ĐỢT ( VÒ

4 ; HẠ BẬC VÀ VÒM NGƯỢC )
Bước gưang

DẠNG
ĐÀO NHIỀU ĐỢT ( VÒg ; HẠ BẬC VÀ VÒM NGƯỢC )
Bước gưang
đào-----

i______I______i______i____________1_____I______i______1_____1_____I______I______^^_________

Mái đđt gia
cố

/

-

'

'

/

\ Vòm ngược

(chỐA^đõ khi đào vòm)
Chiều dài Max & Min
được xác định theo số bước gương
đào



DẠNG 6

ĐÀQ NHIỀU ĐỢT ( VÒM ;
HẠ BẬC VÀ VÒM
NGƯỢC )


© Hệ neo gia cố
© Hệ ống thép phun vữa XM hope XM lưới thép © Vòm ngược bê
tông phun tạm cho đào hang dân trên © ống hút nước là khô vùng
đào © Phun bê tông chống đõ mạt gương đào

0 Mái đốt chống đõ mạt gương © Lớp bê tông phun mỏng © ống phụt vữa, tấm kim loại gia cố © Hệ vòm ống thép phụt vữa (BVM)
© Hệ neo vượt trước khoan phun dài tối đa 20m © Mở rộng phân đế bê tông phun

Hình 1.4: NATM “Toolbox'


4. Trang thiêt bị cân thiêt dùng trong công nghệ thi công NATM:

Ngoài những trang thiết bị như thi công theo phương pháp truyền
thống, thi công theo NATM do quy trình công nghệ và những đặc điểm
có tính đặc thù nên NATM cần thêm những thiết khác. Cụ thể:
4.1 Trang thiết bị dùng trong công nghệ đào hầm:
Tùy điều kiện địa chất thủy văn, đặc trưng cơ học của đá tại khu
vực dự kiến xây dựng (đất đá cứng, đất đá mềm, đất rời...) mà có thể
cần những thiết bị khác nhau. Nếu là đất đá cứng có thể áp dụng đào
bằng phương pháp khoan nổ, bằng hệ thống máy đào hoặc kết hợp. Nếu
là đất đá yếu hoặc rời có thể dùng các dung dịch hóa học để gia cố vượt
trước để đào hầm, hoặc dùng công nghệ đống băng.Nói chung, công
nghệ đào hầm theo NATM có những đặc điểm giống phương pháp
truyền thống, tuy nhiên tính đồng bộ đòi hỏi lớn hơn.
Bảng trang thiêt bị đào hâm và chống đỡ:
Đặc điểm kỹ
Mục công tác
Trang thiêt bị
thuât
•

Khoan lắp thuốc nổ, Máy khoan thủy
khoan lắp neo
(Jumbo)

Bốc đất đá vụn
Máy bốc lên xe
Bốc đất đá vụn

Máy xúc bánh lốp

Vận chuyển đất đá Xe tải

lực

3 càng
2,8m3
2,7m3
40 tấn


Đặc điểm kỹ
Mục công tác

Trang thiết bị

thuât
•

vụn
Loại bỏ đất đá rời

Máy phá đá

Loại bỏ đá rời

Máy đào gầu nghịch

Thông gió

Quạt gió

1.300kg
0,4m3
1.500m3/ phút

Lắp đặt neo, giàn Xe tải với cần cẩu
thép
Trộn bê tông
Trạm trôn bê tông

60m3/h

Vận chuyển bê tông Ô tô trộn

4,5m3

Đưa bê tông và Rô bốt phun bê tông, máy
phun hỗn hợp bê phun bê tông
tông
Lắp neo
Ô tô với cần cẩu
Phun vữa
Bơm vữa và máy trộn
/V -\ 9 /“\ , /V

Phòng
hầm

nước

r •

/V A

4 t ấn

2 t ấn
2,5K W

cho Súng bắn đanh, máy hàn
khí nóng tự động

4.2 Trang thiết bị dùng trong kiểm soát kỹ thuật:
Các trang thiết bị dùng để đánh giá trạng thái của hầm thông
thường là:


- Các thiết bị đo độ dịch chuyển quanh hầm: đo độ lún của đỉnh
vòm, độ hội tụ của vòm và vách hầm... thường được đo bằng các giãn
nở kế thước và dây, nhưng để đó kịp thời và chính xác cần phải dùng
15


thiết bị đo đạc quang học. Việc đo độ dịch chuyển trong kiểm soát kỹ

thuật để đánh giá biến dạng công trình và trạng thái đất đá xung quanh
là khả thi và phổ biến nhất bởi vì thiết bị đo độ dịch chuyển dễ lắp đặt
và dễ đo;
Các thiết bị đo ứng suất trong đất đá và trong hệ thống kết
cấu chống đỡ: việc đo ứng suất của đất đá (nếu cần thiết) nhằm đánh
giá điều kiện ứng suất ban đầu của khu vực xây dựng công trình. Có
thể dùng vận tốc sóng địa chấn để đánh giá tình trạng đất dá xung
quanh công trình. Việc đo ứng suất thường rất khó khăn và mất nhiều
thời gian mới có được các giá trị ứng suất chính xác trong các hệ thống
kết cấu chống đỡ và đất đá xung quanh công trình hầm. Phải tiến hành
lắp đặt các thiết bị đo ngay sau khi đào và lắp đặt hệ thống kết cấu
chống đỡ, đồng thời phải nhanh chóng xác định các giá trị số liệu đo
đạc đầu tiên để làm cơ sở so sánh;
- Các thiết bị đo tải trọng dọc trục của neo đá.
4.3 Trang thiết bị dùng trong chống đỡ lần đầu và xây dựng vỏ
hầm vĩnh cửu:
Chống đỡ lần đầu trong NATM chủ yếu dúng bê tông phun hoặc
bê tông phun kết hợp với neo. Các thiết bị cần thiết như đã nói ở quy
trình đào và chống đỡ theo NATM.
5. Một số vấn đề trong xây dựng công trình ngầm trong nền đất yếu
theo NATM

5.1 Giới thiệu chung:
Đất mềm yếu có thời gian ổn định không chống sau khi đào công
trình bị hạn chế và thường đòi hỏi phải chống đỡ ngay lập tức sau khi
18


đào. Đặc biệt là khi xây dựng công trình ngầm trong đô thị với mật độ
các công trình xây dựng dày đặc bên trên mặt đất. Sự biến dạng của đất

nền trong quá trình thi công công trình ngầm không chỉ gây ảnh hưởng
trực tiếp cho bản thân công trình ngầm mà còn gây hư hỏng các công
trình đã được xây dựng trên đó. Hiện nay, nhiều tranh luận về việc áp
dụng NATM và tên gọi của nó khi xây dựng công trình ngầm trong đất
mềm yếu. Một số chuyên gia cho rằng, đối với các loại đất mềm yếu
mà còn sử dụng được hệ thống kết cấu chống đỡ trên toàn bộ gương
đào trong một chiều dài đào đủ ngắn nào đó thì NATM vẫn còn thích
hợp. Khi đó hệ thống kết cấu chống đỡ ban đầu thường phải dùng bê
tông phun.Tại Anh, ICE (Institution of Civil Engineers) đề nghị
phương pháp này là phương pháp tạo vỏ hầm bằng bê tông phụt
(Sprayed Concrete Linings - SCL). Tại Hoa Kỳ, một số người đề nghị
gọi phương pháp này là phương pháp đào tuần tự (Sequential
Excavation Method - SEM). Đặc biệt dù đã rất cẩn thận khi quá trình
xây dựng công trình ngầm trong nền đất yếu, nhưng trên thế giới, rất
nhiều sự cố gây sụp đổ các công trình và chết người đã xảy ra. Theo
báo cáo thống kê của Tổ chức Sức khoẻ và An toàn của Anh (British
Health and Safety Executive - HSE) năm 1996, đã ghi nhận và phân
tích 39 sự cố khi xây dựng công trình ngầm trong nền đất yếu theo
NATM. Chính vì vậy khi gặp các loại đất mềm yếu và kém ổn định khi
đào, các chuyên gia khuyên nên nghĩ các phương pháp xây dựng khác
như phương pháp đào và đắp (Cut and Cover Method) khi chiều sâu
đào không quá lớn, hoặc sử dụng phương pháp khiên đào (Shield
Tunnelling Method) và máy đào hầm (Tunnel Boring Machine)
19


5.2 Một số điều cần chú ý khi xây dựng công trình ngầm trong
nền đất mềm yếu theo NATM:
Như đã trình bày ở trên, việc xây dựng công trình ngầm trong nền
đất mềm yếu theo NATM gặp phải những rủi ro rát lớn. Việc thiết kế

các công trình ngầm trong nền đất mềm yếu được các chuyên gia ví
như cái “hộp đen” (Black Box) và thường không có giá trị gì lắm phục
vụ thi công. Nhưng nhiều khi NATM vẫn là giải pháp duy nhất để xây
dựng một phần nào đó của công trình ngầm, do đó khi xây dựng công
trình ngầm trong đất mềm yếu theo NATM phải cần chú ý đến các
điểm sau đây:
Mặt cắt ngang của công trình ngầm nên có dạng hình ô van
tránh việc tạo ra ứng suất tập trung;
- Để hạn chế đến mức tối đa biến dạng ban đầu trong khối
đá
xung quanh công trình, cần chống đỡ ngay lập tức sau khi đào trên toàn
bộ chu vi đào bằng các kết cấu chống đỡ trơn nhẵn và liên tục;
Cần phải khép kín chu vi đào bằng kết cấu chống đỡ lần thứ
nhất bằng bê tông phun càng nhanh càng tốt trong phạm vi khoảng
cách bằng một lần đường kính của công trình tính từ mặt gương;
Thi công các công trình ngầm nên có tính liên tục và mang
tính đối xứng theo trục công trình, tránh sử dụng các kết cấu chống đỡ
ban đầu có độ cứng thay đổi trên cùng một mặt cắt. Đặc biệt cần sử
dụng các kết cấu chống đỡ một cách linh hoạt tranh gây hiện tượng tập
trung ứng suất;

20


- NATM là phương pháp đòi hỏi phải được kiểm soát kỹ
thuật
trong quá trình thi công. Do đó quan trắc và đánh giá các thay đổi biến
dạng của đất và trong công trình cũng như sự thay đổi của ứng suất
trong và trên bề mặt lớp bê tông phun (hệ thống kết cấu chống đỡ ban
đầu) là rất cần thiết.

6. Ưu, nhược điểm của phương pháp NATM:

- Ưu điểm:
+ NATM là phương pháp xây dựng công trình ngầm bằng các sử
dụng tất cả các điều kiện có thể để khai thác khả năng tự mang tải cao
nhất của đất đá nhằm tạo ra trạng thái ổn định của khoang hầm. Đây là
ưu điểm lớn nhất của NATM, chuyển từ quan điểm truyền thống là khả
năng mang tải một cách bị động của kết cấu chịu lực sang khả năng
mang tải của hệ đồng thời kết cấu và môi trường trong đó môi trường
đất đá tham gia với tư cách là một nhân tố chủ động. Điều này dẫn đến
tiết kiệm được rất nhiều chi phí, đặc biệt là chi phí cho kết cấu chịu
lực;
+ Phạm vi áp dụng rộng rãi (đối với cả đất đá cứng và mềm yếu),
hệ thống kết cấu chống đỡ gọn nhẹ, rẻ tiền, linh hoạt điều chỉnh theo
điều kiện địa chất, kết cấu vỏ hầm gọn nhẹ hơn rất nhiều. Hệ thống kết
cấu chống đỡ ban đầu có thể là bê tông phun kết hợp với các loại khác
như hệ khung chống bằng thép, neo gia cố...
+ Công trình ngầm được đào và chống đỡ một cách tuần tự, thứ tự
đào có thể thay đổi;
21


+ Đôi khi vỏ hầm bằng bê tông đổ tại chỗ được sử dụng và xem
như hệ thống kết cấu chống đỡ vĩnh cửu. Vỏ hầm này chỉ được xây
dựng sau khi biến dạng đã tắt hẳn, vỏ hầm coi như không chịu lực mà
chỉ là hệ số an toàn khi tính toán.
Đây là công nghệ có ưu điểm vượt trội so với các phương pháp
truyền thống: phạm vi áp dụng rộng (đối với cả đất đá cứng và mềm
yếu), hệ thống kết cấu chống đỡ gọn nhẹ, rẻ tiền, linh hoạt điều chỉnh
theo điều kiện địa chất, kết cấu vỏ hầm gọn nhẹ hơn rất nhiều so với

các phương pháp đào mỏ truyền thống.
- Nhược điểm:
+ Tuy khả năng ứng dụng của NATM là rất rộng rãi trong nhiều
trường hợp, tuy nhiên trong nền đất quá yếu hoặc trong nền cát thì việc
áp dụng NATM không thực sự đem lại hiệu quả cao, lúc đó cần phải áp
dụng công nghệ khác hoặc kết hợp nhiều công nghệ thi công;
+ Áp dụng NATM đòi hỏi phải đầu tư hệ thống trang thiết bị máy
móc thi công hiện đại, đồng bộ, đội ngũ cán bộ kỹ thuật có tay nghề
cao, tiếp cận được với công nghệ hiện đại. Điều này không phải có thể
đáp ứng được mọi lúc mọi nơi, nhất là trong điều kiện trình độ lực
lượng lao động nói chung còn nhiều hạn chế, đặc biệt là trong thi công
các công trình nhỏ lẻ trong một số lĩnh vực thì việc áp dụng công nghệ
thi công NATM cho hiệu quả kinh tế không cao và có lúc là hầu như
không thể.
Theo kinh nghiệm của các chuyên gia, sự thành bại của xây dựng
công trrình ngầm trong đất đá và đất mềm yếu theo NATM dựa vào 3
yếu tố sau:
22


- Thận trọng và chính xác trong thiết kế;
- Cẩn thận trong thi công;
- Kiểm soát đầy đủ và giải thích rõ ràng các số liệu quan trắc.
Một ví dụ cho xây dựng công trình ngầm qua nền đất yếu theo
NATM là công tác xử lý đất yếu tại Gói thầu 1B của Dự án xây dựng
hầm Hải Vân. Đã có nhiều biện pháp được áp dụng như gia cố khi đào
vòm thuận (khoan phun tạo ô gia cố, chia nhỏ mặt cắt đào, đào với
bước đào nhỏ, trong quá trình đào phải luôn luôn tạo ra một trụ đất để
bảo vệ gương hầm, áp dụng các biện pháp gia cố gương bằng bê tông
phun và lưới thép, sử dụng khoan neo gia cố, đào hầm dẫn trước...) và

đã đem lại các kết quả khả quan. Cùng với tiến trình công nghiệp hoá,
hiện đại hoá Đất nước, tốc độ đô thị hoá cũng tăng trưởng không
ngừng. Việc triển khai xây dựng các công trình ngầm ở các đô thị lớn
của nước ta theo đó cũng có những bước phát triển nhanh chóng. Ở
những công trình này nhiều phương pháp thi công hiện đại đã được áp
dụng có hiệu quả như: phương pháp tường liên tục trong đất, phương
pháp thi công Top-down; phương pháp dùng cọc nhồi chống giữ hố
đào.... Trong tương lai không xa để đáp ứng nhu cầu giao thông của các
thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh việc đầu tư xây
dựng
hệ
thống xe điện
ngầm ở đây
là rất cần
thiết. Khi
đó những
phương pháp thi công bằng máy đào hầm, bằng khiên đào và các
phương pháp thi công hiện đại khác sẽ được áp dụng.

23