BÀI GIẢNG TƯ VẤN GIÁM SÁT CÔNG TRÌNH HẦM

Chống đỡ bằng vì chống gỗ Chống đỡ bằng vòm thép Với phương pháp thi công hầm như thế, hiệu quả chống đỡ tạm chỉ có tại các điểm chống và giữa vỏ hầm và địa tầng không có sự liên kết chặ

Trường đại học xây dựng

Tài liệu Bồi dưỡng kiến thức giám sát thi công xây dựng công trình

chuyên đề giám sát thi công xây dựng công trình hầm

Hà nội 2009

chuyên đề giám sát thi công xây dựng công trình hầm

PGS T.S Phạm Duy Hoà PGS T.S Phan Duy Pháp

Bộ môn Cầu Hầm- Trường Đại học Xây dựng

a Phân loại đất đá theo hệ số kiên cố f của Protodiaconov

b Phân loại đất đá theo Terzaghi

c Phân loại đất đá theo RQD (Rock Quality Designation)

d Phân loại đất đá theo RMR (Rock Mass Rating)

1.2 Sơ lược về quá trình phát triển xây dựng hầm ở Việt Nam 1.3 Một số công trình hầm tiêu biểu tại việt nam

Chương Ii- Phương pháp Xây dựng hầm NATM

2.1 Sơ lược về lịch sử và quá trình phát triển phương pháp NATM 2.2 Các khái niệm và nguyên tắc cơ bản của phương pháp xây dựng hầm natm 2.3 Các phương pháp chống đỡ, gia cố vòm đất đá xung quanh hầm và chức năng của các thiết bị gia cố, chống đỡ

2.3.1 Phương pháp chống đỡ và gia cố vỏ hầm bằng bê tông phun 2.3.2 Phương pháp chống đỡ vỏ hầm bằng neo đá

2.3.3 Các kết cấu gia cố chống đỡ khác:

2.4 Kết cấu vỏ hầm 2.5 Đo đạc và xử lý trong thi công của NATM 2.6 ưu nhược điểm của phương pháp NATM 2.7 Một số hình ảnh xây dựng hầm hải Vân theo phương pháp natm Phần II - Giám sát thi công xây dựng công trình hầm

Chương I- yêu cầu chung

1.1 Các tài liệu và tiêu chuẩn kỹ thuật dùng cho xây dựng công trình hầm

1.2 Kiểm tra đồ án thiết kế thi công của Nhà thầu

1.3 Kiểm tra các Tiêu chuẩn thi công và Quy trình công nghệ của Nhà thầu 1.4 Kiểm tra vật liệu, cấu kiện xây dựng, sản phẩm xây dựng

Chương II- Giám sát công tác đào, chống hầm

2.1 Giám sát công tác khoan nổ 2.2 Giám sát công tác xúc bốc và vận chuyển đất đá

2.3 Giám sát thi công hệ thống kết cấu chống đỡ

2.3.1 Giám sát thi công lưới thép 2.3.2 Giám sát thi công vòm thép 2.3.3 Giám sát thi công lớp bê tông phun 2.3.4 Giám sát thi công neo

Chương III- Giám sát công tác đo ứng suất biến dạng kết cấu chống đỡ

3.1 Nguyên tắc chung

3.2 Số lượng và vị trí đo ứng suất, biến dạng

3.2.1 Đo độ hội tụ và biến dạng

3.2.2 Đo biến dạng và ứng suất đá xung quanh hầm 3.2.3 Đo ứng suất bê tông phun

3.2.4 Đo ứng suất thanh neo

3.3 Thiết bị và phương pháp đo

3.3.1 Đo hội tụ và biến dạng

3.3.2 Đo biến dạng và ứng suất đá xung quanh hầm 3.3.3 Đo ứng suất bê tông phun

3.3.4 Đo ứng suất thanh neo

Chương IV- giám sát quá trình thi công lớp phòng nước và vỏ hầm

4.1 giám sát Xây dựng lớp phòng nước

4.1.1 Kết cấu lớp phòng nước 4.1.2 Kiểm tra chất lượng lớp vải địa kỹ thuật và phòng nước 4.1.3 Giám sát công tác lắp đặt lớp vải địa kỹ thuật và lớp phòng nước

4.2 giám sát xây dựng Vỏ hầm

4.2.1 Vật liệu và công nghệ thi công 4.2.2 Giám sát quá trình thiết kế và chế tạo ván khuôn hầm 4.2.3 Giám sát quá trình lắp đặt, định vị ván khuôn hầm 4.2.3 Giám sát công tác đổ bê tông vỏ hầm

Phần i - những vấn đề chung về xây dựng hầm

+ Phân loại theo mục đích sử dụng:

- Hầm giao thông (hầm đường sắt, hầm đường bộ, hầm đường thuỷ, metro)

Do đặc điểm nằm hoàn toàn dưới đất, xây dựng hầm bao bồm 2 quá trình chính:

- Đào đất đá để tạo không gian cho hầm Hay còn gọi là đào đất đá ngầm

- Xây dựng kết cấu chống đỡ bảo vệ không gian hầm, để đảm bảo điều kiện khai thác của công trình

Những năm trước đây, ở nước ta, Liên xô cũ và các nước trên thế giới vẫn sử dụng phương pháp mỏ để thi công các đường hầm Nội dung cơ bản của phương pháp

mỏ là: Sau khi đào hầm, để giữ ổn định đất đá xung quanh hầm người ta tiến hành dựng các vì chống tạm bằng gỗ hoặc chống bằng vòm thép Kết cấu vỏ hầm được thi công bằng biện pháp đổ bê tông hoặc xây đá theo từng phân đoạn sau khi đào xong hầm một khoảng thời gian Sau khi bê tông vỏ hầm đạt cường độ cho phép, để tạo sự liên kết chặt chẽ giữa vỏ hầm và đất đá xung quanh người ta tiến hành bơm ép vữa vào phía sau

vỏ Đó chính là một quá trình tổng quát của phương pháp mỏ

Chống đỡ bằng vì chống gỗ Chống đỡ bằng vòm thép

Với phương pháp thi công hầm như thế, hiệu quả chống đỡ tạm chỉ có tại các

điểm chống và giữa vỏ hầm và địa tầng không có sự liên kết chặt chẽ với nhau nên sau khi đào hầm xong dần dần đất đá xung quanh hầm bị biến dạng, nứt vỡ, sụt lở và đè lên

vỏ hầm Với quan điểm như vậy, vỏ hầm là kết cấu chống đỡ cuối cùng đảm bảo ổn

định của đường hầm, chịu toàn bộ tải trọng đất đá (áp lực địa tầng) nên kích thước tiết diện rất lớn

Việc xác định áp lực địa tầng tác dụng lên vỏ hầm là tuỳ thuộc vào

điều kiện địa chất và trạng thái của khối đất đá Terzaghi và Protodiaconov đe đưa ra cách phân loại đất đá và cách xác định áp lực

địa tầng với giả thiết coi môi trường

đất đá xung quanh là vật thể rời rạc

Vòm áp lực

Môi trường rời rạc

Thuyết tạo vòm Protodiakonov

Cần nói thêm rằng, trong phương pháp mỏ sau này người ta đe sử dụng vì chống neo và có trường hợp kết hợp với cả bê tông phun nhưng vẫn chỉ coi là kết cấu chống

đỡ trong quá trình thi công, quan điểm về áp lực địa tầng vẫn như cũ nên công nghệ thiết kế và xây dựng hầm vẫn không có gì thay đổi

Tóm lại, đối với phương pháp xây dựng hầm truyền thống, toàn bộ áp lực địa tầng là do vỏ hầm chịu Khi thiết kế kết cấu vỏ người ta bỏ qua vai trò của kết cấu chống tạm

1.1.3 Phân loại đất đá trong xây dựng hầm

a Phân loại đất đá theo hệ số kiên cố f của Protodiaconov

Theo đó đất đá được chia làm 10 nhóm (I - X) có hệ số kiên cố thay đổi trong phạm vi từ 20 – 0.1 Hệ số kiên cố trong thực tế được xác định như sau:

+ Trong đá cứng: f = R/100 với R là cường độ nén dọc trục của đá (kg/cm2) Thí nghiệm mẫu đá hình trụ

I Chắc nhất Quaejit và bazan dẻo chặt chắc nhất 20

II Rất chắc Granit rất chắc, Porfia thạch anh, phiến thạch, silic, quaejit, cát

V Trung bình Phiến thạch sét chắc, cát kết và đá vôi không chắc, cuội kết mềm 4

Va Trung bình Phiến thạch không chắc, các loại đá mác chặt 3

VI Khá mềm Phiến thạch mềm, đá vôi, đá phân, muối mỏ, thạch cao rất mềm,

đá mác thường

2 VIa Khá mềm Phiến thạch bị phá hoại, than đá chắc 1,4

X Đất chảy Cát chảy và các loại đất bị chảy 0,3

b Phân loại đất đá theo Terzaghi

Năm 1946 Terzaghi đề xuất phương pháp phân loại đất đá sử dụng để mô tả đất

đá và xác định ALĐT lên kết cấu chống hầm dạng vòm thép

Điều kiện đất đá áp lực đá Hp Nhận xét

1 Đá cứng và nguyên khối 0 Chỉ cần vỏ hầm nhẹ khi có hiện tượng đá rơi hoặc

4 Đá phân khối nhẹ 0.25B–0.35(B+Ht) Không có áp lực bên

5 Đá phân khối mạnh (0.35-1.10)( B+Ht) áp lực bên nhỏ hoặc không có

6 Đá vỡ vụn hoàn toàn nhưng không thay đổi về phương diện hoá học

1.10 (B+Ht) áp lực bên đáng kể Giảm yếu do thấm dưới đấy hầm

đòi hỏi phải tiếp tục chống đỡ phần chân vòm thép hoặc dùng khung thép dạng tròn

Cần dùng khung thép dạng tròn, trong trường hợp

c Phân loại đất đá theo RQD (Rock Quality Designation)

Năm 1967 Deere đề xuất phương pháp phân loại đất đá dựa trên cơ sở phần trăm lõi khoan thu được đặt tên cách phân loại này là RQD (Rock Quality Designation) Chỉ

số RQD là tổng phần trăm chiều dài các phần lõi khoan (dài tối thiểu 4 inh hay 10cm) thu được trên tổng chiều dài lỗ khoan

RQD = (Tổng chiều dài các phần lõi khoan dài hơn 10cm) x 100%/ Tổng chiều dài khoan

Chất lượng đá RQD (%) Mô tả loại đá

Trung bình 50 – 75 Nứt nẻ, phân khối Xấu 25 – 50 Vỡ mảnh, nứt nẻ, phân khối mạnh

d Phân loại đất đá theo RMR (Rock Mass Rating)

Năm 1973 Bieniawski công bố hệ thống phân loại địa cơ hay hệ thống phân loại khối đá theo điểm RMR Hệ thống phân loại này dựa trên cơ sở đánh giá mức độ quan trọng tương đối lẫn nhau của 6 thông số chính của khối đá bằng cách cho điểm với tổng số điểm lớn nhất là 100 điểm như sau:

Các thông số của đá Điểm số tối đa RMR

ứng với từng thông số Cường độ nén một trục của đá nguyên khối 15

1.2 Sơ lược về quá trình phát triển xây dựng hầm ở Việt Nam

Hầm đường sắt đầu tiên được xây dựng ở Việt Nam là dưới thời thuộc Pháp vào khoảng năm 1901-1905 trên tuyến đường sắt Bắc Nam Hà Nội- TP Hồ Chí Minh Tính

đến nay VN có 41 hầm đường sắt với tổng chiều dài 11.900m Hầm đường sắt dài nhất 1182m là hầm Ba bô nô (đoạn đèo Cả Km 1224 + 221) Các hầm đường sắt được xây dựng chủ yếu vào hai thời kỳ:

- Từ năm 1901- 1936: (dưới thời Pháp thuộc) 27 hầm trên tuyến đường sắt Bắc Nam nối Hà Nội- TP Hồ Chí Minh Thời gian đầu vỏ hầm được xây dựng bằng đá hộc, sau này bằng BT Kết cấu vỏ hầm điển hình của thời kỳ này là tường bằng đá hộc xây, vòm bằng BT Các hầm này có tiết diện ngang nhỏ, xây dựng đe lâu lại bị ảnh hưởng của chiến tranh nhiều đoạn vỏ hầm bị phong hoá vỡ lở và rỉ nước cần gia cố sửa chữa

để đảm bảo an toàn giao thông Trong những năm 90, các hầm số 7, 9, 10, 13 (khu vực Hải Vân) đe được gia cố sửa chữa lại bằng nguồn vốn do chính phủ Pháp tài trợ Biện pháp sửa chữa cũng do tư vấn của Pháp đưa ra là phá dỡ vòm BT cũ Gia cố lại đất đá bằng neo và BT phun

- Từ năm 1968- 1970: 14 hầm trong đó đa số (12 hầm) do Trung Quốc thiết kế

và xây dựng trên các tuyến đường sắt phía Bắc Các hầm này bằng BT hiện vẫn khai thác bình thường

Tất cả các hầm đường sắt đều do nước ngoài (Pháp hoặc Trung Quốc) thiết kế, xây dựng Các hầm này đều được xây dựng bằng thủ công với nhân công địa phương Một số hầm được xây dựng trong thời chiến Các tài liệu và kinh nghiệm để lại hầu như không có gì

Mốc đánh dấu sự phát triển của lĩnh vực xây dựng hầm tại VN là công trình thuỷ điện Sông Đà Gần 20km hầm các loại với kích thước khác nhau đe được xây dựng với sự giúp đỡ của các chuyên gia Liên Xô Trên công trình này đội ngũ cán bộ

kỹ thuật và công nhân VN lần đầu tiên đe được tiếp cận với công nghệ cũng như các thiết bị máy móc thi công hầm

Với kinh nghiệm có được từ công trình thuỷ điện Sông Đà trong những năm 90 của thế kỷ 20 một loạt công trình thuỷ điện ngầm khác như Yaly, Sông Hinh, Hàm Thuận Đa Mi… đe được xây dựng và đưa vào sử dụng

Các hầm đường bộ ở VN xuất hiện muộn hơn Hầm đường bộ đầu tiên ở VN

được xây dựng vào năm 1982 trên công trường thuỷ điện Sông Đà Mặc dù là hầm giao thông đường bộ nhưng hầm này thuộc dự án thuỷ điện Hoà Bình

Trong những năm gần đây nhiều dự án nâng cấp cải tạo và xây dựng mới các tuyến đường giao thông đe được triển khai Một loạt các hầm đường bộ đe được xây dựng (hầm Dốc xây, hầm Hải Vân, hầm A Roàng, hầm Đèo Ngang) và đang chuẩn bị xây dựng các công trình hầm Đèo Cả, hầm Thủ Thiêm qua sông Sài gòn…

Dự báo trong tương lai hầm và công trình ngầm sẽ được xây dựng nhiều ở Việt nam, đất nước có ba phần tư diện tích lenh thổ là núi và cao nguyên Các tuyến đường giao thông quan trọng đều phải vượt qua các đèo núi cao Ngoài ra, với tốc độ đô thị hoá nhanh chóng, sự bùng nổ của các phương tiện giao thông đe dẫn đến sự quá tải của

hệ thống hạ tầng GTVT gây nên tình trạng tắc nghẽn giao thông trong các đô thị Để giải quyết vấn nạn này xu hướng phát triển giao thông ngầm gần như là giải pháp duy

nhất hiệu quả và triệt để

1.3 Một số công trình hầm tiêu biểu tại việt nam

+ Công trình ngầm thuỷ điện Sông Đà: Trong những năm 80 nhà máy thuỷ

điện Hòa Bình trên sông Đà được thiết kế và xây dựng với sự giúp đỡ của Liên xô Tổ hợp công trình ngầm của thuỷ điện Sông Đà gồm gần 20Km hầm các loại với kích thước và hình dạng khác nhau được xây dựng chủ yếu trong đá cứng, thi công bằng phương pháp khoan nổ mìn với trang thiết bị máy móc của Liên xô chủ yếu hoạt động bằng khí nén

Công trình thuỷ điện Sông Đà là mốc quan trọng trong quá trình phát triển của lĩnh vực xây dựng hầm tại Việt nam Tại đây, nhiều vấn đề kỹ thuật thi công hầm phức tạp đe được giải quyết như công nghệ thi công hầm tiết diện lớn (hầm gian máy dài 264,5m, rộng 26m-phần vòm và 19,6m -phần tường, chiều cao hầm 56,8m), đào giếng ngược, nổ mìn tạo biên, neo ứng suất trước…đe được giải quyết

Về kết cấu chống đỡ hầm đe sử dụng neo, BT phun và lưới thép Tuy nhiên chúng chỉ được sử dụng như kết cấu chống tạm trước khi vỏ hầm vĩnh cửu bằng BTCT

+ Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân là một trong 30 hầm đường bộ có qui mô

lớn, kỹ thuật công nghệ hiện đại nhất của thế giới hiện nay Ngân hàng thế giới (WB)

đe cung cấp khoản kinh phí trợ giúp kỹ thuật (TA) để lập báo cáo NCTKT thông qua tổ chức Tư vấn của Hiệp hội đường cao tốc Nhật Bản Kinh phí cho giai đoạn khảo sát đặc biệt (thay thế cho báo cáo NCTKT), thiết kế chi tiết và xây dựng công trình được đầu tư bằng nguồn vốn vay từ JBIC-Nhật Bản và vốn đối ứng của Chính phủ Việt Nam Liên danh tư vấn bao gồm tập đoàn Nippon Koei (Nhật Bản), tập đoàn Louis Berger (Hoa Kỳ) và Tổng Công ty thiết kế GTVT (TEDI)

Tại công trình hầm Hải Vân, lần đầu tiên phương pháp NATM được áp dụng ở Việt nam Hầm được thiết kế dựa trên sự kết hợp giữa các tiêu chuẩn AASHTO-1994, tiêu chuẩn JHPC của Nhật, Tiêu chuẩn thiết kế hầm đường sắt và hầm đường ô tô

TCVN 4527-88 và các tiêu chuẩn chuyên ngành khác

Hầm có quy mô gồm một hầm chính dài 6280m, rộng 11,9m cao 7,5m được thiết kế với tốc độ xe chạy 80Km/h, một hầm cứu nạn rộng 4,7m cao 4m, nằm song song và cách hầm chính 30m Giữa hầm chính và hầm cứu nạn có 15 hầm ngang để thoát hiểm khi có tai nạn Trong đó có 4 hầm cho ô tô (rộng 9m cao 7,3m) và 11 hầm dành cho người đi bộ (rộng 2,8m cao 3,2m)

Hầm đường bộ Hải vân (cửa phía Bắc)

Tại công trình hầm Hải Vân bên cạnh việc áp dụng phương pháp xây dựng hầm NATM, nhiều kỹ thuật tiên tiến và vật liệu mới đe được áp dụng trong các lĩnh vực phòng nước, thông gió, chiếu sáng, phòng cháy và chữa cháy, giám sát và điều khiển giao thông…

Thông gió cho hầm dùng sơ đồ thông gió dọc kết hợp với lọc bụi tĩnh điện Hầm thông gió có chiều dài 1887m, tiết diện 36.2m2, độ nghiêng 8%, có tường bêtông cốt thép ở giữa chia làm 2 phần theo phương dọc trục hầm Một phần để xả khí bẩn từ trong hầm ra ngoài, một nửa còn lại để cung cấp khí sạch từ bên ngoài vào hầm Để phục vụ cho công tác cấp khí và xả khí có 2 quạt cấp khí và 2 quạt xả khí đường kính 2,8m đặt trong nhà thông gió ở phía cửa hầm thông gió

Ba hầm lọc bụi tĩnh điện dạng quai chảo được bố trí dọc theo hầm Hầm lọc tĩnh

điện có chiều dài 137 m, tiết diện ngang 57,69 m2 Không khí bị nhiễm bẩn do bụi và khói thải của xe cộ khi lưu thông dọc theo hầm chính đến hầm lọc bụi tĩnh điện sẽ bị hút vào hầm lọc bụi Tại đây các thành phần bụi bẩn trong không khí sẽ bị ion hoá và

nhiễm điện tích âm Các hạt bụi bị nhiễm điện tích âm được đi qua bản cực điện tích

âm và bị đẩy vào bề mặt các tấm kim loại Không khí được lọc sạch bụi bẩn sẽ được thổi lại vào hầm Các bụi bẩn trên tấm kim loại sẽ được rửa sạch bằng nước, được lọc

và nén lại dạng cục rắn và được mang ra ngoài theo định kỳ

Hệ thống thông gió hầm Hải vân

Các nhà thầu tham gia dựng phần hầm, bao gồm:

- Phần hầm phía Bắc: Liên danh Nhà thầu Hazama-Cienco6 xây dựng 3857 m hầm chính; 3857 m hầm lánh nạn; 1877m hầm thông gió; 2 hầm lọc bụi tĩnh điện

- Phần hầm phía Nam: Liên danh Dong Ah-Sông Đà thực hiện xây dựng 2423m hầm chính; 2435m hầm lánh nạn; 1 hầm lọc bụi tĩnh điện

- Cung cấp lắp đặt hệ thống điện trong hầm: Liên danh Nhà thầu Vinaincon

ABB-Kinden Cung cấp và lắp đặt hệ thống thông gió, cơ khí: Liên danh Nhà thầu Masushita-Itochu

- Cung cấp thiết bị vận hành bảo dưỡng hầm: Nhà thầu Itochu

+ Hầm đường bộ qua ĐèoNgang: Tiếp theo công trình hầm Hải Vân, kỹ sư và

công nhânViệt Nam đe thành công trong thi công xây dựng hầm đường bộ qua Đèo Ngang bằng Phương pháp NATM Hầm có chiều dài 495m, rộng 11,9m được thiết kế cho 2 làn xe, tốc độ 60km/h

Hệ thống tiêu chuẩn thiết kế, quy trình và quy phạm áp dụng bao gồm:

- Tiêu chuẩn thiết kế hầm đường sắt và đường ô tô TCVN 4527-88

- Hướng dẫn sử dụng neo và bê tông phun làm kết cấu chống đỡ tạm hầm giao thông.Tiêu chuẩn BCH 126-78 (Liên Xô)

- Tiêu chuẩn thiết kế hầm qua núi, Tiêu chuẩn Nhật Bản - 1996

- Tiêu chuẩn thiết kế hầm theo phương pháp NATM dùng cho thiết kế và xây dựng hầm đường bộ đèo Hải Vân

Từ kinh nghiệm ở công trình hầm Hải Vân, chúng ta đe tự lực từ khâu khảo sát thiết kế, giám sát (TEDI), Thẩm định TKKT, các ứng dụng tiến bộ kỹ thuật, quản lý nhà nước quá trình thi công (Cục Giám định & QLCLCTGT, Ban QLDA 85), thi công xây dựng công trình (Công ty Sông Đà 10)

Qua các dự án hầm Hải Vân, dự án hầm đèo Ngang, khẳng định chắc chắn cán

bộ quản lý, kỹ sư Việt Nam có đủ năng lực và kinh nghiệm thiết kế, thẩm định, giám sát, thi công xây dựng hầm đường bộ bằng phuơng pháp NATM

Để chuẩn bị cho việc xây dựng các đường hầm trong tương lai theo phương pháp xây dựng đường hầm tiên tiến NATM, trong tài liệu này sẽ giới thiệu để các kỹ sư hiểu

được lý thuyết cơ bản của phương pháp xây dựng đường hầm được xem là hiệu quả nhất hiện nay

Chương Ii Phương pháp Xây dựng hầm NATM

Phương pháp xây dựng hầm mới của áo (New Autrian Tunneling Method được viết tắt là NATM) đe được nhiều nước tiên tiến trên thế giới công nhận là phương pháp xây dựng hầm hiện đại và có nhiều ưu điểm nổi trội hơn các pháp thông thường Chính vì tính ưu việt của phương pháp nên NATM đe được nhiều nước đưa vào quy trình thi công hầm của mình như Đức, áo, Nhật Bản ở Việt Nam phương pháp NATM lần

đầu tiên được áp dụng để thiết kế và thi công hầm đường bộ xuyên núi Hải Vân (TP

Đà Nẵng) và sau đó được áp dụng thành công vào công trình hầm đường bộ qua đèo Ngang (Tỉnh Hà Tĩnh)

2.1 Sơ lược về lịch sử và quá trình phát triển phương pháp NATM

Như trên đe trình bày, với phương pháp xây dựng hầm truyền thống vỏ hầm là kết cấu chống đỡ cuối cùng đảm bảo ổn định của đường hầm, chịu toàn bộ áp lực địa tầng nên kích thước tiết diện rất lớn, không kinh tế

Vào khoảng giữa thế kỷ XX, dựa trên lý thuyết biến dạng và việc phân tích áp lực đất, đá, từ kinh nghiệm trực giác nhưng hết sức sáng tạo, các kỹ sư người áo đe rút

ra được những kết quả trong quá trình thi công nhiều đường hầm khác nhau trong nước

và trên thế giới, trong số họ có Rabcewicz, Muller và Pacher

Tửứ kinh nghieọm trong vieọc ủaứo haàm moỷ coự ủoọ saõu lụựn, Rabcewicz ủaừ neõu ra raống quaự trỡnh saọp haàm seừ xaỷy ra theo trỡnh tửù sau:

- Tại đỉnh vòm và đáy hầm đất đá có xu hướng biến dạng vào phía trong nên ở khu vực đó sẽ xuất hiện ứng suất kéo tập trung, đá sẽ bị nứt, rời và cường độ nguyên thuỷ của đá sẽ giảm đi

- Sau khi phaõn phoỏi laùi aựp lửùc quanh ủửụứng haàm, ửựng suaỏt neựn thaỳng ủửựng seừ taọp trung ụỷ vaựch haàm

- Sau ủoự, vaựch haàm nửựt ra Khối đá trên vòm sẽ không ổn định do suy giảm khả năng chống đỡ của khối đá chân vòm vaứ cuoỏi cuứng haàm ủoồ suùp xuoỏng Hieọn tửụùng naứy goùi laứ “Cherry Pit”

1 Trạng thái ứng suất đơn trục của vách hang

Sau khi đào hầm ứng suất của khối đá xung quanh sẽ chuyển từ trạng thái ba trục thành đơn trục

2 Biến dạng của đỉnh hang và đáy hang

Do ứng suất kéo tập trung tại đỉnh vòm và đáy hang, biến dạng của đá dần dần gia tăng do cường độ chịu kéo của đá thấp hơn so với chịu nén

Vùng biến dạng kéo

3 Tập trung của ứng suất nén

Do biến dạng kéo, ứng suất kéo tại đỉnh vòm và đáy hang giảm, ứng suất nén tập trung sẽ gia tăng tại vách hầm

4 Vách hầm bị nứt ra

Dưới tác dụng của ứng suất nén tập trung, đá vách hầm

bị nứt lở vào phía trong hầm

5 Gia tăng vùng biến dạng

Khối đá trên đỉnh vòm trở nên không ổn định do suy giảm sức chịu tải tại chân vòm Cuối cùng thì vùng biến dạng của đất đá trên nóc hầm sẽ diễn tiến theo đề xuất của K.Terzaghi

Quá trình sập hầm khi không chống đỡ (theo Rabcewicz)

Trong khi quan sát và giám sát những khả năng chống đỡ của khối đất đá trong

đường hầm, Rabcewicz và các cộng sự cố gắng tạo cho khối đá thực hiện đúng chức năng của nó như một thành phần rất quan trọng của đường hầm, cố gắng giúp nó khỏi mất đi sự chống đỡ tự có và khi cần thiết sẽ gia cố thêm lực bằng một giải đá Khái niệm này là một thành tựu tiên phong nó khuyến khích các kỹ sư sử dụng những lớp bê tông phun mỏng thay vì phải dùng một khối lượng gỗ lớn kèm theo những tấm thép và những vòm hầm bê tông dày lúc bấy giờ

Một thời gian ngắn sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, sự phát triển của bê tông phun đe cho phép những người xây dựng đường hầm càng ngày càng sử dụng nhiều để xây dựng các đường hầm mới Việc chế tạo ra máy phun bê tông cho phép sử dụng một khối lượng lớn bê tông phun để thi công gia cố các khối đá trong hầm (vào thời điểm này gọi là "Torcret") Phương pháp phun bê tông lên bất kỳ bề mặt nào và sử dụng phụ gia hoá học để tạo độ cứng ngay từ ban đầu cho phép tạo một chu kỳ khoan hầm nhanh hơn Việc áp dụng các vì chống mềm bằng neo thép kết hợp với bê tông phun và lưới thép cho phép hạn chế được biến dạng của khối đất đá xung quanh hầm sau khi đào hầm và liên kết được các khối đá lại với nhau một cách có hiệu quả, làm cho đất đá xung quanh hầm trở thành một phần của kết cấu chống đỡ hầm

Sau phát minh quan trọng, kết hợp với sự phát triển của thiết bị hiện đại và sự ra

đời của nhiều loại vật liệu mới, phương pháp xây dựng hầm NATM bắt đầu hình thành

và phát triển thành một phương pháp xây dựng hầm tiên tiến trên thế giới

Giản đồ về khái niệm NATM của Rabcewicz

Trong cuốn sách của mình "Gebigtack und Tunnelbau"-1944, L.V Rabcewicz

đưa ra một hệ thống áp lực của đá và giải thích các hiện tượng đó Nhiều nguyên tắc của NATM đe được đề cập trong cuốn sách này Trong bản quyền sáng chế 1948 của

ông, các nguyên tắc NATM đe được hình thành Các nguyên tắc này được kiểm tra bằng các biện pháp trong các tình huống biến dạng cụ thể

Từ năm 1956 đến năm 1958 đường hầm cỡ lớn đe được Rabcewicz xây dựng ở Venezuela theo các nguyên tắc NATM

Tại áo các thử nghiệm đầu tiên được tiến hành vào những năm năm mươi với

đường hầm dưới nước cỡ nhỏ Năm 1963 phương pháp xây dựng đường hầm NATM đe

được đưa ra giới thiệu tại Hội thảo cơ học- địa chất tại Sazburg Phương pháp này được gọi là “mới” vì lúc đó đe có phương pháp truyền thống của áo

Vaứo naờm 1978, tieỏn sú Muler cuứng nhieàu chuyeõn gia haàm ủaừ tham dửù hoọi nghũ quoỏc teỏ chuyeõn ủeà Cụ hoùc ủaự ủửụùc toồ chửực taùi Tokyo Vaứo thụứi gian naứy, Coõng ty ẹửụứng Saột Quoỏc gia Nhaọt Baỷn ủeà nghũ xaõy dửùng ủửụứng xe lửỷa cao toỏc Tohoku Bullet theo phửụng phaựp NATM vụựi muùc ủớch giaỷm thieồu chi phớ xaõy dửùng haàm trong caực ủieàu kieọn ủũa chaỏt khoõng thuaọn lụùi Coự 3 ủửụứng haàm ủang ủửụùc xaõy dửùng dửù kieỏn xuyeõn qua ủaự granit phong hoựa naởng vụựi taàng ủaỏt phuỷ moỷng dửụựi 30m Tuy nhieõn do hieồu sai vaứ thieỏu kinh nghieọm veà coõng ngheọ NATM, vieọc thi coõng ủaừ gaởp nhieàu trụỷ ngaùi nhử ủoọ luựn ủaỏt beà maởt lụựn, caực voứm theựp bũ luựn dửụựi chaõn phaàn ủaứo treõn voứm haàm, vv , ủaừ khieỏn cho toồng chi phớ xaõy dửùng dửù kieỏn leõn raỏt cao Tieỏn sú Muller ủaừ ủeỏn coõng trửụứng vaứ hửụựng daón thi coõng haàm theo coõng ngheọ NATM Lyự thuyeỏt veà NATM cuỷa oõng ủửụùc in trong cuoỏn “ẹuụứng haàm BAU” Caực khaựi nieọm vaứ nguyeõn taộc cụ baỷn veà coõng ngheọ NATM ủeà caọp trong cuoỏn saựch naứy nhaốm giụựi thieọu khaựi nieọm chuỷ yeỏu cuỷa NATM

Phương pháp này đe được tiếp tục phát triển về trình tự đào và chống đỡ khối đất

đá xung quanh vỏ hầm Các phương tiện chống đỡ và các biện pháp phụ trợ đe được cải tiến, các thiết bị, kỹ thuật và các kỹ năng của phương pháp NATM đe được triển khai

và áp dụng đối với nền móng biến dạng lớn, đối với nền yếu và đối với các đoạn đường hầm có hình dạng hình học phức tạp

2.2 Các khái niệm và nguyên tắc cơ bản của phương pháp xây dựng hầm natm

Phương pháp xây dựng hầm mới của áo (NATM) là phương pháp xây dựng hầm

được hình thành trên cơ sở lý thuyết đúc rút từ việc xây dựng hầm trong thời gian dài

nó bao gồm các trình tự, biện pháp thi công và xử lý khối đá trên vòm hầm sao cho đất

đá xung quanh hầm được liên kết thành kết cấu vòm chống đỡ, tự bản thân nó sẽ trở thành một phần kết cấu chống đỡ hầm (định nghĩa này cùng các nguyên lý cơ bản được xuất bản vào năm 1980)

Trước khi đào hầm khối địa tầng ở trong trạng thái cân bằng ổn định và trạng thái ứng suất của nó được xác định bởi trọng lượng bản thân của địa tầng, bởi quá trình kiến tạo vỏ trái đất, bởi ảnh hưởng của nhiệt độ và nước ngầm Tuy nhiên trong thực tế công trình ngầm thường nằm rất nông so với bề dày của vỏ trái đất và thời gian sử dụng cũng rất ngắn cho nên trong thiết kế ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của trạng thái ứng suất

do quá trình kiến tạo, do nhiệt độ và nước ngầm Như vậy ứng suất ban đầu trong khối

địa tầng chủ yếu là do trọng lượng bản thân của lớp đá nằm trên nó gây ra Việc đào hầm đe lấy đi một khối lượng đất đá, mà bình thường chúng có chức năng tiếp nhận áp lực do trọng lượng của đất đá nằm trên nóc hang, do đó 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 3 trục sang ứng suất hai trục kéo theo sự phát sinh biến dạng của đất đá bao quanh Khi đất đá trên vòm hang biến đổi, các hoạt động trong quá trình xây dựng hầm

được thực hiện với mục đích duy trì hoặc cải thiện khả năng đỡ của khối đá, nhằm phát huy tối ưu khả năng chống đỡ vào tạo ra sự phát triển thuận lợi của trường ứng suất trong khối đất đá

Mục đích là duy trì trạng thái ứng suất ba trục đối với tất cả các giai đoạn thi công và giảm thiểu trạng thái ứng suất đơn trục hoặc hai trục lên khối đá

Xuất phát từ mục tiêu trên, phương pháp NATM khi áp dụng luôn luôn đảm bảo các nguyên tắc cơ bản và được tiến sĩ Muller giới thiệu gọi là “22 nguyên tắc NATM” như sau:

1 Kết cấu hầm là tổ hợp giữa đất đỏ và vỏ hầm, hầm chủ yếu được chống đỡ bằng khối đỏ xung quanh

ẹaõy laứ khaựi nieọm cụ baỷn cuỷa NATM Kyừ sử haàm phaỷi bieỏt caựch aựp duùng khaựi nieọm naứy vaứo vieọc thi coõng haàm Heọ thoỏng choỏng ủụừ haàm chổ giụựi haùn laứ caựch hoó trụù cho khả năng tửù oồn ủũnh cuỷa khoỏi ủaự

2 Vỡ thế, điều quan trọng là phải giữ độ bền vững của khối đỏ.Cỏch chống đỡ truyền thống bằng gỗ hoặc bằng vũm thộp khụng thể ngăn ngừa sự biến dạng của khối

đỏ xung quanh hầm Bờ tụng được phun ngay sau khi đào hầm cú thể ngăn sự biến dạng của khối đỏ một cỏch hữu hiệu

Vẫn có một khoảng trống giữa hệ thống chống đỡ và khối đá Khối đá xung quanh chỉ được chống đỡ ở điểm tiếp xúc, kết quả là khối đá sẽ biến dạng hướng vào phía trong đường hầm nhằm lấp đầy khoảng không gian nói trên, và sự phân rã của khối đá sẽ có xu hướng phát triển đến độ sâu nào đó tính từ tường hầm Bêtông phun trực tiếp và gắn chặt với bề mặt khối đá quanh đường hầm có thể ngăn không cho khối đá biến dạng

Sự khác biệt trong phấn bố ứng suất xung quanh hầm

3 Sự phân rã của khối đá (loosening) phải được ngăn chặn vì nĩ làm cho cường

độ của đá giảm đi

Khái niệm này chủ yếu áp dụng đối với đá cứng Cường độ đá mềm, chẳng hạn như lớp đá trầm tích sau Kỷ Đệ Tam đến Kỷ Đệ Tứ, tương đối yếu và hành vi của chúng sẽ phụ thuộc vào lực kết dính và góc nội ma sát của các hạt đất riêng

4 Khối đá phải được giữ trong trạng thái ứng suất nén ba trục Cường độ của khối đá với ứng suất nén đơn trục, hai trục thấp hơn cường độ trong điều kiện ba trục

Cường độ chịu nén của khối đá ở điều kiện nén ba trục sẽ cao hơn trong điều kiện nén một trục Sau khi đào hầm, vách hầm sẽ ở trong điều kiện ứng suất 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 từ xa Phải thiết lập hệ thống chống

đỡ để ngăn chặn sự phân rã và nguy cơ đổ sập của khối đá Tính kinh tế và chất lượng của việc đào hầm sẽ tăng nếu các hệ thống chống đỡ được thiết lập một cách thích hợp

Ngăn chặn biến dạng nghĩa là biến dạng xung quanh hầm phải được giảm thiếu tối đa do những biến dạng xảy ra trong hầm là không thể tránh khỏi, ví dụ biến dạng đàn hồi hoặc biến dạng do nổ mìn Vì thế, giới hạn biến dạng cho phép cần được tính đến vào mỗi loại hệ thống chống đỡ và nên được sửa đổi từ các kết quả đo đạc quan trắc Địa kỹ thuật

Mối quan hệ giữa ưÙng suất và chuyển vị của vách hầm

6 Hệ thống chống đỡ và vỏ hầm 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 Hơn nữa, hệ thống chống đỡ cũng khơng được quá mềm hay quá cứng Các hệ thống chống đỡ cần cĩ một độ mềm dẻo thích hợp để duy trì cường độ của khối đá

Mối quan hệ giữa tải trọng tác dụng lên hệ thống chống đỡ và chuyển vị của hầm được trình bày ởø “Đường cong Fenner - Pacher” –hình 6 Đường cong này đưa

ra khái niệm giảm thiểu tải trọng tác dụng lên kết cấu chống đỡ

Nếu hệ thống chống đỡ đ−ợc 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 đ−ợc lắp đặt đúng lúc có khả năng giảm tải trọng đến nhỏ nhất Nếu hệ thống chống đỡ quá cứng sẽ đắt và hoặc quá mềm thì sẽ biến dạng nhiều Tải trọng tác động lên hệ thống chống đỡ sẽ giảm đến nhỏ nhất khi hệ thống chống đỡ có

ẹoỏi vụựi coõng ngheọ NATM, coõng vieọc khoõng theồ thieỏu ủửụùc laứ thieỏt bũ quan traộc Nhửừng yếu tố ủửụùc nhaộc ủeỏn ụỷ treõn ủửụùc xaực ủũnh tửứ keỏt quaỷ ủo ủaùc quan traộc vaứ nhửừng tớnh toaựn mang tớnh thoỏng keõ dửùa treõn keỏt quaỷ cuỷa vieọc quan traộc raỏt coự ớch cho vieọc ủoaựn trửụực ủửụùc sửù bieỏn daùng ụỷ bửụực ủaứo haàm tieỏp theo Khaựi nieọm veà thụứi gian tửù ủửựng vửừng cuỷa khoỏi ủaự ủửụùc Lauffer giụựi thieọu, khaựi nieọm naứy ủửụùc sửỷ duùng trong vieọc phaõn loaùi ủaự vaứ caực phửụng phaựp thieỏt keỏ ủụn giaỷn cho heọ thoỏng choỏng ủụừ chaỳng haùn nhử phửụng phaựp RMR, Q

Phaõn loaùi thụứi gian tửù ủửựng vửừng cuỷa ủaự (Lauffer, H 1958)

9 Nếu biến dạng hoặc sự phõn ró của khối đỏ được dự đoỏn là lớn, thỡ bề mặt hang phải được phun bờ tụng (shotcrete) che kớn Chống đỡ bằng gỗ và thộp chỉ tiếp xỳc với bề mặt tường hầm ở cỏc điểm chống, vỡ vậy trong khoảng giữa cỏc điểm tiếp xỳc biến dạng và sự phõn ró của khối đỏ vẫn sẽ phỏt triển

10 Vỏ hầm phải mỏng và cú độ mềm dẻo thớch hợp nhằm triệt tiờu mụ men uốn

và trỏnh được phỏ hoại do ứng suất uốn gõy ra Khụng chỉ lớp vỏ hầm ban đầu (shotcrete) mà cả lớp vỏ hầm hoàn thiện cũng cần phải mỏng

11 Trong trường hợp cần thiết phải tăng cường hệ thống chống đỡ (ban đầu) thỡ

sử dụng cỏc thanh thộp, khung chống thộp và neo Tăng chiều dày lớp bờ tụng vỏ hầm sẽ khụng cú lợi vỡ giảm diện tớch tiết diện hầm

12 Thời gian và phương phỏp thi cụng vỏ hầm được quyết định dựa trờn kết quả quan trắc của cỏc thiết bị

Thoõng thửụứng lụựp beõ toõng voỷ haàm ủửụùc thi coõng sau khi bieỏn daùng cuỷa haàm ủaừ oồn ủũnh Neỏu chuyển vị coự xu hửụựng gia taờng, caàn kieồm tra kyừ nguyeõn nhaõn Lụựp beõ toõng voỷ haàm phaỷi ủửụùc thieỏt keỏ ủuỷ cửụứng ủoọ choỏng laùi aựp lửùc cuỷa ủaự taực duùng leõn

13 Về mặt lý thuyết, kết cấu của hầm giống như một ống hỡnh trụ gồm vũm đất đỏ,

hệ thống chống đỡ và vỏ hầm liờn hợp với nhau làm cho hầm tự ổn định

Heọ thoỏng choỏng ủụừ truyeàn thoỏng goàm phaàn voứm vaứ tường ủụừ, khoỏi ủaự xung quanh ủửụùc xem nhử laứ taỷi troùng taực duùng leõn haàm Theo lyự thuyeỏt NATM, haàm tớnh nhử laứ một kết cấu liờn hợp goàm khoỏi ủaự, heọ thoỏng choỏng ủụừ vaứ voỷ haàm

Taực ủoọng voứm đá cuỷa heọ thoỏng choỏng ủụừ NATM

14 Cấu tạo vịm ngửa (đáy hầm) tạo nên hầm cĩ dạng ống trụ kín Kết cấu này cho phép tăng khả năng chịu áp lực của đất đá

15 Ứng xử của khối đá phụ thuộc vào tiến trình đào hầm và sự lắp đặt hệ thống chống đỡ cho đến khi kết cấu kín của hầm được hình thành Mơ men uốn bất lợi xuất hiện tại khu vực tiếp giáp của phần vịm và tường do hiệu ứng hẫng nếu như khoảng cách giữa bề mặt gương đào phần vịm và phần tường xa nhau

16 Từ quan điểm phân bố lại ứng suất, phương pháp đào tồn tiết diện tốt hơn các phương pháp khác Khi phân mảnh sẽ làm cho chất lượng khối đá xung quanh giảm

đi nhanh chĩng 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 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 cĩ ảnh hưởng rất lớn đến khối đá xung quanh, chẳng hạn chu kỳ và sự liên tục của việc đào hầm, thời gian thi cơng vỏ hầm, thời gian kết thúc… các yếu tố này cần được kiểm sốt để tạo ra kết cấu liên hợp đảm bảo ổn định của đường hầm

18 Mỗi bộ phận hầm nên cĩ hình dạng đường trịn nhằm tránh ứng suất tập trung bất lợi

19 Nếu hầm được thiết kế cĩ vỏ kép thì vỏ hầm bên trong phải mỏng Ứng suất cắt giữa vỏ ngồi và khối đá sẽ khơng truyền vào vỏ trong Cịn lực hướng tâm sẽ truyền cho kết cấu vỏ kép

20 Kết cấu liên hợp của khối đá và kết cấu chống đỡ ban đầu phải hình thành trước khi thi cơng lớp bê tơng vỏ hầm trong Lớp vỏ hầm bên trong chỉ cĩ tác dụng làm tăng hệ số an tồn cho hầm Tuy nhiên, độ ổn định của kết cấu hầm cần được tính tốn bao gồm cả lớp bê tơng vỏ hầm bên trong khi hầm gặp nước thấm cĩ lưu lượng lớn hoặc khi tính đến khả năng các neo bị ăn mịn

21 Thiết bị đo quan trắc đĩng vai trị quan trọng đối với cơng tác thiết kế và thi cơng đường hầm Việc đo ứng suất, chuyển vị của vỏ hầm cĩ ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi thi cơng hầm

22 Áp lực của nước ngầm xuất hiện trong khối địa tầng cần phải giải phúng bằng

hệ thống thoỏt nước

Aựp lửùc thuỷy túnh xung quanh ủửụứng haàm seừ thay ủoồi tuứy thuoọc vaứo sửù bieỏn ủoồi mửùc nửụực ngaàm Heọ thoỏng thoaựt nửụực ngaàm laứ caựch laứm giaỷm aựp lửùc thuỷy túnh hửừu ớch nhaỏt Tuy nhieõn nhửừng chi tieỏt veà ửựng suaỏt thuỷy ủoọng lửùc trong khoỏi ủaự cho ủeỏn nay vaón chửa ủửụùc heọ thoỏng ủaày ủuỷ

2.3 Các phương pháp chống đỡ, gia cố vòm đất đá xung quanh hầm và chức năng của các thiết bị gia cố, chống đỡ

Để đảm bảo tuân thủ các nguyên tắc cơ bản nêu trong mục trước việc lựa chọn

và áp dụng các hệ thống chống đỡ trong hầm có tính chất quyết định đến sự thành công của phương pháp NATM

Việc chống đỡ phần hầm đe được đào để đạt được mục đích chính là tạo hiệu quả cho vòm đất, đá xung quanh vỏ hầm trở thành phần chịu lực chính của hệ thống

Hệ thống gia cố, chống đỡ vỏ hầm là một kết cấu phức hợp bao gồm khối đá bao quanh hầm và các hệ thống chống đỡ khác nhau như neo, bê tông phun, dầm thép và các thiết bị khác Tuỳ theo từng điều kiện địa chất, hệ thống gia cố, chống đỡ được áp dụng khác nhau Trong NATM, về cơ bản điều kiện địa chất được phân thành 6 loại địa chất theo mức độ rời rạc của đất đá Tương ứng với mỗi loại địa chất có một hệ thống chống đỡ tương ứng

Các thiết bị chống đỡ cần phải được lắp đặt vào thời gian chính xác và phải hình thành một kết cấu liên hợp với đất, đá bao quanh Tính linh động của kết cấu này là

điều rất quan trọng Chiều dày lớp bê tông phun không được quá dày

2.3.1 Phương pháp chống đỡ và gia cố vỏ hầm bằng bê tông phun

Bê tông phun được sử dụng trong quá trình thi công với mục tiêu là gia cố nhanh

bề mặt đất đá xung quanh vỏ hầm và gương đào sau khi đào xong một phân đoạn hầm Thông thường bê tông phun được sử dụng là hỗn hợp bê tông gồm cát, xi măng có độ mịn cao, nước và phụ gia đông cứng nhanh Hỗn hợp vật liệu này được phun trực tiếp lên bề mặt địa chất xung quanh vỏ hầm bằng một trong hai phương pháp phun bê tông

là phương pháp trộn khô và phương pháp trộn ướt

Chức năng của lớp bê tông phun trong việc gia cố và chống đỡ vỏ hầm bao gồm:

1 Tác dụng chống đỡ do liên kết với đá và độ bền chống cắt:

- Liên kết với đất đá để phân bố và truyền tải trọng ra đất đá xung quanh

- Tăng độ bền kháng cắt tại các vị trí có khe nứt của khối đá, giữ cho đá được toàn khối và tạo vòm đá dọc xung quanh vòm và tường hầm

4 Tác dụng gia cố vùng đất đá yếu:

Nhờ tính linh hoạt, bê tông phun có thể chui vào các kẽ hở của đất đá

5 Tác dụng che chắn:

Bằng cách che chắn bề mặt đất đá ngay sau khi khai đào, bê tông phun bảo vệ

đất đá không bị phong hoá, bào mòn đất đá, rò rỉ nước ngầm

2.3.2 Phương pháp chống đỡ vỏ hầm bằng neo đá

Neo đá được dùng với chức năng liên kết các khối đất đá xung quanh cùng với

bê tông phun nó trở thành một hệ thống gia cố và chống đỡ một cách hiệu quả Neo thường được dùng là neo thép SN, neo nở Swellex, neo IBO… Việc lựa chọn các loại neo đá và sơ đồ bố trí phụ thuộc vào địa chất và chức năng gia cố

Chức năng chủ yếu của neo đá trong việc gia cố và chống đỡ vỏ hầm là:

1 Chức năng neo: Có tác dụng giữ ổn định đất đá bị tơi sau khi nổ mìn Chức

năng này hiệu quả trong các trường hợp đá nứt nẻ

2 Liên kết các lớp đá lại với nhau: Neo đá được sử dụng tạo cho các lớp đá chặt

sít lại và chịu ứng suất cắt tại các khe nứt

3 Tăng khả năng chịu lực của đất đá: Neo đá có chức năng làm tăng khả năng

chịu lực của đất đá do lực kéo của neo đá

4 Tăng hiệu ứng vòm: Do neo đá làm tăng khả năng chịu lực của đất đá do đó

hiệu ứng vòm trong đất đá được cải thiện rõ rết

5 Tác dụng gia cố đất đá: Neo đá sau khi lắp đặt có thể làm tăng tính chất cơ lý

của đất đá, tăng cường độ chịu nén và sức kháng cắt của đất đá

2.3.3 Các kết cấu gia cố chống đỡ khác:

Ngoài các dạng gia cố chống đỡ vỏ hầm chính ở trên trong những trường hợp

đất yếu cụ thể người ta có thể sử dụng thêm các thiết bị gia cố khác như dầm thép, lưới thép, khoan phun gia cố

2.4 Kết cấu vỏ hầm

Vỏ hầm cùng các hệ thống chống đỡ trên tạo thành kết cấu tiếp nhận và chịu toàn bộ tải trọng đất đá Vỏ hầm là kết cấu bê tông đúc tại chỗ có chiều dày khoảng 30cm Khác với các phương pháp khác, trong phương pháp NATM do đất đá được gia

cố bằng các hệ thống như đe nói ở trên có thể tự bản thân tiếp nhận một phần tải trọng bản thân đất đá do đó chiều dày lớp vỏ hầm thường mỏng hơn rất nhiều

Nhìn chung quá trình linh hoạt trên giúp cho việc đào hầm đạt hiệu quả tối ưu theo thực trạng địa chất thực tế

2.5 Đo đạc và xử lý trong thi công của NATM

Việc do đạc và kiểm tra trực tiếp, liên tục các biểu hiện của đường hầm cũng như các phương tiện chống đỡ khác nhau là một tính chất thống nhất của NATM Các thông số về chống đỡ được tính toán trước và nếu cần sẽ được xác định lại trong quá trình tiến hành đào hầm Vì vậy, việc sử dụng có hiệu quả tối đa các biện pháp chống

đỡ tuỳ theo sự biến dạng cho phép hoặc các tiêu chuẩn an toàn là có thể thực hiện được Các biện pháp đo đạc, cho phép tối ưu hoá về mặt kết cấu và đưa ra một sự đánh giá khách quan trong quá trình thi công

Bên cạnh việc cân bằng thường xuyên tính cơ lý và các chuyển động của vòm

đất đá, các điểm tập trung ứng suất trên thành cũng cần được tính toán cận thận Sự phát triển của lớp đất đá bị tách ra phía ngoài của vòm đất đá trong khoảng thời gian nhất định cho thấy sự biến dạng dưới tác động của việc phân bố lại áp lực Các phương pháp đo đạc hiện đại cho phép đánh giá và phân tích sự biến dạng của lớp đất đá để kịp thời đưa ra biện pháp chống đỡ

Đặc biệt, đối với hầm trong đất yếu, cần phải có các biện pháp đo đạc bổ sung Các thiết bị đo biến dạng dọc và ngang cho thấy sự biến dạng của các khối đất có tính