một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của áo (natm)

Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006 Page 1 of 28 MỘT CÁI NHÌN KỸ HƠN VỀ PHƯƠNG PHÁP LÀM HẦM MỚI CỦA ÁO (NATM) (An Insight into the New Austrian Tunnelling Method) Tác giả: M. Karakuş 1 & R.J. Fowell 2 1 Department of Mining Engineering, Inonu University Malatya 44069 Turkey 2 Department of Mining & Mineral Engineering, Leeds University LS2 9JT UK KS. CN. Nguyễn Đức Toản (biên dịch) Viện KHCN GTVT. Sinh viên cao học về hầm tại Italia Email: ngdtoanhanoi@yahoo.com Lời giới thiệu của người dịch (Introduction of the Translator): Bài báo này của hai tác giả TS. Karakus (Thổ Nhĩ Kỳ) và TS. Fowell (Anh) được viết vào năm 2004 là cực kỳ quan trọng cho những ai đã, đang và sẽ tìm hiểu về NATM. Một bài báo khác, mà tôi nghĩ tầm quan trọng của nó còn lớn hơn, đó là bài “Những quan niệm sai lầm đằng sau NATM” của giáo sư Kovári, cần được đọc kèm với bài này. Chúng tôi đã xin phép bằng văn bản TS. Karakus và GS. Kovári để tiến hành chuyển ngữ sang tiếng Việt và cho phép lưu hành rộng rãi ở Việt Nam (mặc dù chúng tôi đã dịch xong từ năm ngoái). Trước hết chúng tôi xin công bố bài thứ nhất. Bài thứ hai sẽ sớm được công bố tiếp, kèm theo ý kiến mới đây của chính tác giả của nó. Bài của TS. Karakus và TS. Fowell nhìn chung là đại diện cho quan điểm của phái ủng hộ NATM (vì luận án tiến sỹ của TS. Karakus là về NATM). Bài của GS. Kovári là quan điểm của những người chống NATM. Quan điểm riêng của người dịch sẽ được trình bày trong một tài liệu khác. Nhưng người dịch khuyến nghị rằng, những người viết Tài liệu tổng kết xây dựng hầm đường bộ Hải Vân của Bộ GTVT nên đọc hai bài này để kịp có những điều chỉnh và/hoặc cập nhật cần thiết cho tài liệu tổng kết rất dày dặn đó. Người dịch xin bày tỏ lòng cảm ơn đến các tác giả của hai bài viết nói trên, vì đã cho phép dịch và lưu hành rộng rãi, cũng như đã giúp đỡ người dịch vượt qua một số khó khăn trong quá trình dịch văn bản. N.Đ.T. Permit of Translation: “You are free to translate my paper entitled “An Insight into the New Austrian Tunnelling Method” into Vietnamese. I am very much appreciated if you provide me one copy of translation” - Dr Murat Karakus. TÓM TẮT: Mục đích của bài báo này là nhằm khảo sát một phương pháp làm hầm đặc biệt, được biết đến như là Phương pháp Làm hầm Mới của Áo (New Austrian Tunnelling Method - NATM), mà nó xuất hiện lần đầu trong các tài liệu bằng tiếng Anh vào năm 1964. NATM được mô tả như một phương pháp làm hầm hiện đại bởi L. v. Rabcewicz. Trong suốt quá trình khảo sát tài liệu, đã gặp phải vô số sự không rõ ràng và những điều mâu thuẫn liên quan đến NATM. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu trong công Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006 Page 2 of 28 nghệ làm hầm lại bị chia rẽ thành ba nhóm. Nhóm thứ nhất là những người đồng tình với những vị tiền bối của NATM, coi NATM như một phương pháp làm hầm hiện đại mới (Müller 1978; Golser 1979); nhóm thứ hai phản đối coi NATM chẳng có gì là mới và chẳng có gì là của Áo cả; và nhóm thứ ba đứng trung gian. Sự phản đối gay gắt nhất chống lại NATM, đến mức phủ nhận sự tồn tại của nó, là quan điểm của Kovári (1994). Tuy nhiên, những ứng dụng của phương pháp này đã phát triển mạnh trên khắp thế giới do những đặc điểm có lợi mang tính chủ đạo của nó so với các phương pháp làm hầm truyền thống khác. Đôi khi, NATM được nói đến bằng nhiều tên gọi khác nhau, như: Vỏ hầm Bêtông Phun (SCL - Sprayed Concrete Lining, theo ICE, 1996), Phương pháp Đào Tuần tự (SEM - Sequential Excavation Method) để phân biệt với NATM (Brandt và nnk do ICE 1996 trích dẫn lại), NATM có Tường Phân chia Trung tâm (CDNATM - Centre Dividing wall NATM, theo Kobayashi và nnk 1994), Phương pháp Tường ngăn Trung tâm (CDM - Centre Diaphragm Method, Seki và nnk 1989) hoặc Phương pháp Tường ngăn Mặt cắt (CRD-NATM, Cross Diaphragm Method, Narasaki 1989) và Phương pháp chia nhỏ gương đào phía trên (UHVS, Upper half vertical subdivision method, Seki và nnk 1989). Các định nghĩa chi tiết về NATM hiện có trong rất nhiều tài liệu, bài báo này sẽ thảo luận bối cảnh lịch sử cùng các đặc điểm đặc trưng của chúng. 1. GIỚI THIỆU Sau ứng dụng thành công đầu tiên của NATM trong công nghiệp khai mỏ ở Anh (Deacon & Hughes 1988), các hầm trong ngành giao thông đường bộ ở Anh được thiết kế theo NATM sớm nhất là dự án hầm Round Hill Road (Bowers 1997). Vụ sập hầm ở dự án Heathrow Express Rail Link Station ngày 21/10/1994 đã khiến cho phải xem xét lại phương pháp này một cách kỹ càng. Cơ quan Sức khỏe và An toàn Anh (HSE - Health and Safety Executive) đã tiến hành điều tra và sau đó công bố kết quả nghiên cứu trong một cuốn sách về thiết kế NATM an toàn (1996). Sau đó Viện Kỹ sư Dân dụng Anh (ICE - Institution of Civil Engineers) cũng tiến hành điều tra khảo sát (1996). Bước vào thiên niên kỷ mới, vẫn còn tồn tại một số mâu thuẫn. Do đó, bài báo này nhằm mục đích mô tả các nguyên nhân gây sập đổ hầm NATM và khảo sát các trường hợp thất bại đã xảy ra trong các điều kiện địa chất khác nhau trên thế giới. 2. BỐI CẢNH LỊCH SỬ CỦA NATM Sự phát triển theo thời gian của phương pháp NATM đã được tổng kết bởi nhiều nhà nghiên cứu liên quan đến các hệ thống chống đỡ đã sử dụng (Bảng 1). Những bước phát triển lịch sử này dẫn đến NATM sẽ được trình bày ở đây một lần nữa để có thể thấy được những sự phát triển và ứng dụng của NATM. Một vài nhà tiên phong đã có những đóng góp quan trọng cho ngành xây dựng hầm khiến tạo ra NATM. Sir Marc Isambard Brunel ở đầu thế kỷ 19 đã giới thiệu một khiên đào hình tròn để đào hầm trong đất yếu (bản quyền Anh số 4204). Sau sự việc này, Rizha - một kỹ sư hầm người Đức - đã có những đóng góp quan trọng khác. Ông sử dụng sườn chống thép thay cho cột gỗ nặng. Ông cũng cho rằng hệ thống chống đỡ cần thiết để xử lý Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006 Page 3 of 28 áp lực đất đá lớn trong nhiều trường hợp bắt nguồn tự chính nó (Sauer 1988), tức là muốn nói đến vai trò của đất đá xung quanh như một phần của hệ thống chống đỡ, điều này được cho rằng sẽ là nguyên tắc cơ bản của NATM đề xuất bởi Rabcewicz sau này (1964). Trong thập kỷ 1910, sau phát minh của máy bơm bêtông kiểu ổ quay của một người làm nghề nhồi bông thú tên là Carl Akeley, bêtông phun (BTP) đã được dùng trong các hầm mỏ ở Mỹ và lan sang châu Âu vào đầu những năm 1920. Năm 1948, Rabcewicz phát minh hệ chống đỡ hai lớp vỏ (hệ chống ban đầu và cuối cùng) thể hiện quan niệm cho phép đá biến dạng trước khi thi công vỏ hầm cuối cùng để các tải trọng tác dụng lên vỏ hầm sẽ giảm đi. Tuy nhiên, giáo sư Kovári (1994) lại coi ý tưởng đằng sau quan niệm này là hiệu ứng tạo vòm đất đá của Engesser đã được xuất bản từ năm 1882. Quan niệm về vỏ hầm hai lớp sau đó được gọi là Phương pháp Làm hầm Mới của Áo (New Austrian Tunnelling Method), cụm từ này được Rabcewicz đưa ra trong một bài giảng năm 1962 và nó đã được thế giới công nhận hai năm sau đó. Ứng dụng đầu tiên của NATM trong đất yếu là dự án tàu điện ngầm (metro) ở Frankfurt Đức năm 1969. Bảng 1 - Sự phát triển theo thời gian dẫn đến NATM (theo Sauer 1988 & 1990; Rabcewicz 1964) Năm Phát triển 1811 Phát minh ra khiên đào tròn bởi Brunel. 1848 Nỗ lực đầu tiên trong việc sử dụng vữa đông cứng nhanh của Wejwanow. 1872 Thay thế hệ chống gỗ bằng vì chống thép bởi Rziha. 1908-1911 Phát minh ra máy phun bêtông kiểu ổ quay bởi Akeley. 1914 Ứng dụng đầu tiên của bêtông phun trong các mỏ than ở Denver, Mỹ 1948 Giới thiệu hệ thống vỏ hầm kép bởi Rabcewicz. 1954 Dùng bêtông phun để làm ổn định đất nén ép/chảy trong khi làm hầm bởi Bruner. 1955 Phát triển hệ neo giữ đất bởi Rabcewicz. 1960 Công nhận tầm quan trọng của một hệ thống đo đạc có tính hệ thống bởi Müller. 1962 Rabcewicz giới thiệu Phương pháp Làm hầm Mới của Áo 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 lần đầu tiên xuất hiện trong văn liệu kỹ thuật đưa ra bởi Rabcewicz. 1969 Ứng dụng NATM lần đầu tiên trong đô thị với điều kiện đất yếu Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006 Page 4 of 28 (Frankfurt am Main). 1980 Định nghĩa lại NATM do có mâu thuẫn tồn tại trong các tài liệu kỹ thuật bởi 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. 3. CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐẶC TRƯNG VÀ TRIẾT LÝ CỦA NATM NATM là gì? Những đặc điểm trọng yếu của NATM là gì? NATM là một kỹ thuật làm hầm hay là một triết lý? Những câu hỏi tương tự nảy sinh sau khi thế giới công nhận NATM đòi hỏi phải được trả lời nhằm đảm bảo rằng những nguyên tắc của “triết lý” hay “kỹ thuật” này được hiểu đúng trong ngành xây dựng hầm. Những vấn đề này thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, kỹ sư và nhà báo kỹ thuật nhằm xác định những quan niệm thực sự của NATM. Do đó, vấn đề này sẽ được xem xét một lần nữa liên quan đến các định nghĩa cũ và mới. Khi chúng ta trở lại nguồn gốc của NATM, giáo sư L.v. Rabcewicz (11/1964) - người sáng tạo chính - giải thích phương pháp như là: “… Một phương pháp mới bao gồm một vỏ hầm bêtông phun mỏng, được khép kín vào thời điểm sớm nhất bởi một vòm ngược thành một vòng hoàn chỉnh - gọi là một “vòm phụ” - mà sự biến dạng của nó được đo đạc theo thời gian cho tới khi đạt được trạng thái cân bằng”. Ông nhấn mạnh ba điểm cơ bản, thứ nhất là sự áp dụng một vỏ hầm bêtông phun mỏng, thứ hai là sự khép kín hệ chống đỡ càng sớm càng tốt, và thứ ba là sự đo đạc biến dạng một cách có hệ thống. Định nghĩa nêu trên đã được định nghĩa lại bởi Ủy ban quốc gia về Xây dựng ngầm của Áo (ANCUC) trực thuộc Hiệp hội Xây dựng hầm Quốc tế (ITA) 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 như sau: “Phương pháp Làm hầm Mới củ a Áo (NATM) được 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 khác về NATM đưa ra bởi Sauer (1988) phát biểu rằng NATM là: “Một phương pháp tạo ra không gian ngầm bằng cách sử dụng mọi phương tiện có sẵ n để phát triển khả năng tự mang tải lớn nhất của bản thân đất hay đá nhằm tạo ra sự ổn định cho hang ngầm”. Bằng việc sử dụng cụm từ “mọi phương tiện có sẵn”, tiến sỹ Sauer đã định nghĩa phương pháp theo một cách thức tổng quát hơn so với định nghĩa trước đây của các kỹ sư đồng nghiệp Áo của mình. Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006 Page 5 of 28 Một trong những người ủng hộ NATM khác, GS. TS. Leopold Müller (1978) đề nghị 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 phương pháp thi công, vì từ này nói đến một phương pháp đào một đường hầm”. Do những phát biểu trên, những người đề xướng của Áo 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 người ủng hộ cho tư tưởng này trong số nhiều nhà khoa học khác. GS. Müller (1990), người cực kỳ nhiệt tâm trong việc giải thích các nguyên tắc cơ bản của NATM, đã tổng kết những đặc điểm đặc trưng quan trọng của NATM trong số hai mươi hai (22) nguyên tắc rằng: i. Khối đất đá xung quanh là thành phần mang tải chính và khả năng chịu tải của nó phải được duy trì bằng cách không làm xáo trộn khối đá. ii. Sức kháng chống đỡ của khối đá phải được bảo tồn bằng cách sử dụng các thành phần chống đỡ bổ sung. iii. Vỏ hầm phải có tường mỏng và nếu cần gia cường bổ sung thì phải dùng lưới thép, sườn ch ống thép và neo đá chứ không phải bằng cách tăng chiều dày vỏ hầm. iv. Thời gian khép kín vỏ hầm có tầm quan trọng thiết yếu và việc này phải được thực hiện càng sớm càng tốt. v. Các thí nghiệm sơ bộ trong phòng thí nghiệm và việc đo đạc biến dạng trong hầm phải được tiến hành để tối ưu hóa việc tạo thành vòng đất đá chống đỡ. Tuy nhiên, kết luận của Müller về một thời gian khép kín thật nhanh vỏ chống đỡ trong những hầm đặt sâu để giảm thiểu các biến dạng đã không nhận được sự đồng tình của Rabcewicz và Pacher căn cứ vào báo cáo của họ năm 1975 (Golser 1979), trong đó nói rằng: “Tuy nhiên, nguyên tắc khép kín vỏ chống đỡ càng nhanh càng tốt chỉ thích hợp với các hầm trong đá có các ứng suất ban đầu nhỏ. Trong các hầm có chiều dày lớp đất phủ lớn và chất lượng đá kém thì chỉ có một sự giải phóng ứng suất đến mức độ lớn nhất mới có thể giúp đạt được mục tiêu 1 . Tất nhiên, sự giải phóng ứng suất này, mà nó sẽ kéo dài trong nhiều tháng, phải được kiểm soát một cách chính xác nhất bằng các phép đo đạc hiện trường”. Tóm lại, chúng ta có thể rút ra những 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): i. Cường độ có sẵn của đất hay đá xung quanh phạm vi hầm phải được bảo tồn và phải được chủ động huy động với m ức tối đa có thể được. 1 Với các hầm có chiều dày lớp đất phủ lớn và chất lượng đá kém, việc khép kín vỏ chống đỡ càng nhanh càng tốt chỉ có thể làm được nếu một sự giải phóng ứng suất đến khoảng cách lớn nhất xung quanh hang hầm đã xảy ra. Nói cách khác, nếu tồn tại ứng suất ban đầu lớn cộng với điều kiện khối đá yếu, thì việc khép kín vỏ chố ng đỡ vào thời điểm sớm nhất là không nên làm cho tới khi đã diễn ra sự giải phóng ứng suất ở mức thích hợp. (Giải thích của TS. Karakus cho người dịch). Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006 Page 6 of 28 ii. Sự huy động có thể đạt được nhờ kiểm soát lượng biến dạng của nền đất. Phải tránh để xảy ra biến dạng quá mức vì nó sẽ gây ra mất mát cường độ hay lún sụt mặt đất lớn. iii. Các hệ thống chống đỡ ban đầu và chủ yếu bao gồm hệ bulông hay neo đá bố trí một cách có hệ thống và vỏ hầm bêtông phun mỏng nửa-mềm sẽ được sử dụng để đạt được các mục đích đặc biệt nêu trong điểm (ii). Các công tác về hệ thống chống đỡ cuối cùng thường được tiến hành ở giai đoạn sau. iv. Việc khép kín hệ chống đỡ phải được điều chỉnh với sự xác định thời gian thích hợp, mà thời điểm này có thể biến đổi phụ thuộc vào các điều kiện đất hay đá. v. Phải tiến hành các thí nghiệm trong phòng và thực hiện việc theo dõi biến dạng của các hệ thống chống đỡ cũng như nền đất. vi. Những ai 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 phải phản ứng trên tinh thần cộng tác trong việc giải quyết bất kỳ vấn đề nào nảy sinh tại hiện trường. vii. Chiều dài của đoạn hầm chưa được 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 như các điều kiện địa chất. Tuy vậy, Murphy, (1994) vẫn bình luận: “…Có thể nói rằng 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 trường hợp như vậy - để có thể được gọi một cách chính thức là một dự án NATM”. 3.1 Lý thuyết phá hoại cắt quanh một hang ngầm của Rabcewicz Khi nghiên cứu lý thuyết phá hoại của Rabcewicz khi một hang được tạo ra trong đá, thấy rằng sự phân bố lại ứng suất xảy ra trong ba giai đoạn như thể hiện ở Hình 1. Trước hết, các khối đất hình nêm ở cả hai bên hầm bị tách ra dọc theo các mặt phẳng phá hoại theo lý thuyết Mohn và chuyển dịch về phía hang (I). Trong giai đoạn II, sự tăng lên của nhịp hầm dẫn đến sự dịch chuyển lại gần nhau của nóc và sàn hang. Biến dạng tại đỉ nh vòm và sàn hang tăng lên hơn nữa và khối đá bị oằn gãy vào trong hang hầm dưới áp lực ngang không đổi (III). Áp lực tăng lên trong giai đoạn III được gọi là “áp lực nén ép” và hiếm khi xảy ra trong các hoạt động xây dựng dân dụng vì các hố đào là khá nông. Sau đó, Rabcewicz (1964) rút ra một kết luận rằng: “Công nhận hiện tượng diễn ra liên tục của áp lực như trên, bởi vì, với các phương pháp đã cũ sử dụng vào thời gian đ ó, các tiết diện hầm thường không được đào toàn gương mà được phân chia thành các gương đào nhỏ được mở rộng ra nối tiếp nhau…” Ông khẳng định phương pháp đào phải là tuần tự chứ không phải là toàn gương theo lý thuyết cắt của mình. Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006 Page 7 of 28 Hình 1 - Quá trình cơ học và trình tự phá hoại xung quanh một hang ngầm gây bởi áp lực trong quá trình tái phân bố ứng suất (theo Rabcewicz 1964) 3.2 Các hệ thống chống đỡ NATM đề nghị bởi Rabcewicz Các hệ thống chống đỡ như được đề nghị bởi Rabcewicz (1973) có hai nhóm chính. “Nhóm thứ nhất là một thiết kế hệ chống đỡ có tính chất bảo vệ hay vòm vỏ bên ngoài mềm dẻo nhằm ổn định hóa kết cấu một cách thích hợp, và bao gồm một vòm đá được neo bulông một cách có hệ thống kết hợp với lớp bảo vệ bề mặt chủ yếu bằng bêtông phun, thường được gia cường thêm bằng các sườn thép và khép kín bằng vòm ngược Phương tiện chống đỡ thứ hai là một vòm bên trong bằng bêtông mà nói chung sẽ không được thi công cho tới khi vòm bên ngoài đã đạt được trạng thái cân bằng…” Để có thể thiết kế khả nă ng chịu tải của vỏ hầm cho nhiều loại đất hay đá khác nhau, cần phải phân tích và hiểu rõ hiện tượng phá hoại cắt như đã trình bày ở trên. Cần phải thiết lập mối quan hệ giữa khối đất bị xáo trộn quanh hang ngầm, gọi là “vùng bảo vệ” (“protective zone”), và khả năng chịu tải của hệ thống chống đỡ, gọi là “sức kháng biên hang” (“skin resistance”) (Rabcewicz 1964). Việc trình bày v ề mặt toán học của những mối quan hệ này được đưa ra bởi Kastner như sau: () 2sin 1sin cot cot 1 sin io r pc pc R φ φ φφφ − =− + + − ⎡⎤ ⎣⎦ (1) Bỏ qua lực dính c, Phương trình (1) trở thành: Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006 Page 8 of 28 () 2sin 1sin 1sin io o r p pnp R φ φ φ − =− = (2) Các giá trị của hệ số n được cho như là một hàm của p o và ϕ (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 phương trình nêu trên được rút ra từ sự phân bố ứng suất sau khi hang đã làm xong, như minh họa trong Hình 2. Hình 2 - Phân bố ứng suất xung quanh một hang ngầm dưới áp lực địa tĩnh (theo Kastner, trích dẫn bởi Rabcewicz 1964) Đường cong đáp ứng của đất (Hình 3) thể hiện sự tương tác đất nền/hệ chống đỡ và các biến dạng theo thời gian. Nó cho ta 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 (đường 2), nó sẽ chịu một tải trọng lớn hơn bởi vì khối đá xung quanh hang vẫn chưa 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) được 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 bé 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 đường cong". Điều này có nghĩa chỉ cần một hệ chống đỡ ít cứng hơn mà nó sinh ra sự biến dạng yêu cầu như trong trường hợp của một ứng dụng NATM. Hơn nữa, ông nhấn mạnh rằng hệ chống đỡ đất đá không được quá cứng hoặc quá mềm. Sau điểm B sẽ xảy ra "sự rão rời ghê gớm" và áp lực chống đỡ cần có để ngăn chặn quá trình rão rời sẽ tăng lên rất nhiều. Tuy nhiên, nếu hệ chống đỡ được lắp đặt đúng thời điểm để có được lượng biến dạng thích hợp, thì áp lực hệ chống đỡ sẽ có giá trị nhỏ nhất tại điểm này. Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006 Page 9 of 28 Hình 3 - Các đường cong tương tác đất nền-hệ chống đỡ (theo Fenner & Pacher, trích dẫn bởi Rabcewicz 1973) Rabcewicz cũng đưa ra những kết luận sau đây về mối quan hệ tương hỗ giữa hệ thống chống đỡ cơ sở của NATM, đó là bêtông phun và vòm đá được lắp neo: i. Với cùng một loại đất và chiều dày lớp phủ, mối quan hệ giữa kích thước 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. ii. Với những tiết diện đào nhỏ (10-16 m 2 ) và các khối phân chia khoảng vài dm 3 , thì thường chỉ cần một lớp bêtông phun phủ kín đơn giản dày d = 3 cm = 0,017xR để ổn định hóa hang hầm; iii. Nhưng nếu có một gian máy phát điện ngầm khoảng 400-600 m 2 , thì nền đá với các khối phân chia kích cỡ như trên sẽ làm việc như 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 trường hợp này bắt buộc phải tạo ra một vòm đá được lắp đặt neo một cách có hệ thống. 3.3 Nên gọi là Vỏ hầm Bêtông Phun hay gọi là NATM? Như đã thảo luận ở trên, NATM đã từng đượ c định nghĩa lại bởi một số tổ chức và thậm chí bởi vài cá nhân bằng cách bổ sung những đặc trưng mới hay bỏ qua một số nguyên tắc cơ bản của nó nhằm phục vụ các mục đích làm hầm đặc thù của họ hoặc nhằm làm rõ những cái gọi là mâu thuẫn đã từng nảy sinh từ những nguyên tắc cơ bản đó. Họ đã điều chỉnh lại nó như là một triết lý và/hoặc kỹ thuật làm hầm đặc biệt để thích hợp với những định nghĩa này. NATM đã được đổi tên thành Vỏ hầm bêtông phun (SCL) bởi Tổ chức Kỹ sư Dân dụng Anh (ICE, 1996) để áp dụng cho các ứng dụng trong đất yếu. Quan Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006 Page 10 of 28 điểm của họ là bất kỳ ứng dụng nào của NATM trong đất yếu cũng liên quan đến những biện pháp chủ yếu sau đây: a) Các giai đoạn đào hầm phải đủ ngắn, cả về mặt kích thước và thời gian; b) Việc hoàn thiện lớp chống đỡ ban đầu, đặc biệt là việc khép kín "vành" bêtông phun phải không được chậm trễ. Vì hai biện pháp này là không thích hợp với triết lý NATM ban đầu đối với đất yếu, nên bất kỳ áp dụng nào của nó trong các vùng đô thị cũng đều là việc áp dụng đầu tiên của Vỏ hầm Bêtông Phun (SCL) (IEC 1996). Hơn nữa, quan điểm này còn được mở rộng như sau: "Trong thực hành, trong các vùng đô thị đất yếu, cái mà được nói đến như là NATM chính là việc phun lớp bêtông đầu tiên làm nhiệm vụ chống đỡ ban đầu, theo sau đó một quãng thời gian xác định là việc lắp đặt một vỏ hầm vĩnh cửu. Các chi tiết của hệ chống đỡ ban đầu (vd. chiều dày lớp bêtông phun) được quyết định bởi người thiết kế và sau đó thường là không bị thay đổi. Việc đo đạc quan trắc được dùng để kiểm soát tính năng làm việc và độ an toàn của hệ chống đỡ ban đầu và nhờ đó xác minh được tính đúng đắn thiết kế của nó Tóm lại, việc dùng vỏ bêtông phun cho hầm trong đất yếu trong đô thị không sử dụng bất kỳ triết lý NATM nguyên bản nào, mà đúng hơn, nó chính là sự sử dụng các kỹ thuật thi công thường đi liền với NATM " Còn một định nghĩa khác đưa ra bởi Cơ quan An toàn và Sức khỏe Anh (HSE) sau khi xảy ra vụ sập Hầm Cao tốc Heathrow Express Rail Link Station (HEX). Báo cáo của HSE nhấn mạnh đến các biện pháp an toàn cần áp dụng trong khi và sau khi xây dựng một đường hầm, và làm sao để có thể thiết kế các biện pháp đó một cách an toàn bất kể thuật ngữ nào dùng để gọi NATM. Theo định nghĩa này, NATM (biểu thị bằng chữ đậm in nghiêng) được miêu tả là: "Một hầm được xây dựng bằng cách sử dụng các kỹ thuật đào gương mở và với một vỏ hầm xây dựng ở bên trong hầm bằng bêtông phun để tạo ra hệ chống đỡ đất thường có sử dụng thêm các neo đất, bulông và thanh căng một cách thích hợp". Bowers (1997) đã tổng kết khá kỹ cả về lý thuyết và ứng dụng của NATM với hai trường hợp lịch sử (Bowers 1997; New & Bowers 1994) và ông đã nhận xét về định nghĩa của Cơ quan Sức khỏe và An toàn Anh (HSE) như sau: "Tuy nhiên, vấn đề của định nghĩa này là ở chỗ nó ít tương xứng với các biện pháp thi công an toàn so với bản chất của các thủ tục đã từng được sử dụng, và do vậy đã không được khai thác một cách triệt để". Tóm lại, bất kể NATM được gọi hay được định nghĩa thế nào, nó vẫn mang những đặc trưng riêng biệt so với các phương pháp làm hầm quen thuộc khác và việc áp dụng nó vẫn tiếp tục diễn ra dưới những cái tên khác nhau trên khắp thế giới. Tuy vậy, tất cả những định nghĩa này tựu trung đều gặp nhau ở mấy điểm sau: i. Việc sử dụng nền đất như một phần của hệ chống đỡ là vấn đề quan trọng nhất; ii. Xây dựng một vỏ hầm ban đầu để đạt được trạng thái cân bằng tại độ biến dạng tối ưu (tức là lượng biến dạng tốt nhất chứ không phải lớn nhất!) bằng nhiều bộ phận chống đỡ bổ sung có thể được, như neo đá, cột, sườn chống thép, v.v ; [...]... phng phỏp lm hm mi ca o (NATM) May 2006 Hệ THốNG Quan niệm NATM Phơng pháp phân tích tính toán Xem xét tổng thể Quyết định về hình dạng và kích thớc cuối cùng của hầm Phơng pháp kinh nghiệm Phân tích/tính toán kỹ thuật dẫn đến thiết kế Lựa chọn hệ chống ban đầu dựa trên kinh nghiệm và các phơng pháp kinh nghiệm Bắt đầu thi công Bắt đầu thi công Quan trắc và theo dõi ứng xử của hệ chống đỡ Tính toán... o (NATM) (Safety of New Austrian Tunnelling Method (NATM) Tunnels) H ó ngh mt s bin phỏp an ton v cỏc tiờu chun thit k trc khi, trong khi, v sau khi xõy dng mt hm NATM Cú th túm tt nhng quy nh ny nh sau: Kho sỏt a cht: Kho sỏt a cht phi c tin hnh nhm lm gim kh nng gp phi nhng iu kin a cht khụng lng trc K thut cụng ngh: Page 17 of 28 Nguyn c Ton (bd) Mt cỏi nhỡn k hn v phng phỏp lm hm mi ca o (NATM). .. phơng pháp kinh nghiệm Bắt đầu thi công Bắt đầu thi công Quan trắc và theo dõi ứng xử của hệ chống đỡ Tính toán lại nếu cần thiết Quan trắc và theo dõi ứng xử của hệ thống chống đỡ Khẳng định thiết kế hoặc nếu cần thiết phải thiết kế hệ chống khoẻ hơn và/ hoặc thiết kế lại hệ chống cho giai đoạn tiếp theo Nếu cần thiết, tăng cờng hệ chống và/hoặc điều chỉnh hệ chống cho giai đoạn tiếp theo dựa vào đánh... yu n cỏc c im h chng ca nú Page 11 of 28 Nguyn c Ton (bd) Mt cỏi nhỡn k hn v phng phỏp lm hm mi ca o (NATM) May 2006 Hỡnh 4 - Mi tng quan gia cỏc trit lý thit k hm (theo ICE 1996) Hỡnh 5 - Cỏc khớa cnh thit k chung cho NATM Page 12 of 28 Nguyn c Ton (bd) Mt cỏi nhỡn k hn v phng phỏp lm hm mi ca o (NATM) May 2006 3.4.1 Thit k h chng u tiờn v cui cựng Thit k h chng cho c bờtụng phun ban u v v hm bờtụng... New Austrian Tunnelling Method (NATM) contractual aspects, Tunnelling Under Difficult Conditions, Proceedings of the International Tunnel Symposium, Tokyo, Pergamon Press, Oxford, 387-392 Hagenhofer F 1990 NATM for tunnels with high overburden, Tunnels & Tunnelling, March 1990, Vol 22, 51-52 Health and Safety Executive (HSE) 1996 Safety of New Austrian Tunnelling Method (NATM) Tunnels, A review of sprayed...Nguyn c Ton (bd) Mt cỏi nhỡn k hn v phng phỏp lm hm mi ca o (NATM) May 2006 iii Khộp kớn vũng v che chng ti mt thi im thớch hp bng cỏch s dng ng cong tng tỏc t - h chng v theo dừi ỏp ng ca t bng cỏc h thng o c c lp t mt cỏch cú h thng trong hm; iv n nh húa hang... xõy dng hay tớnh tng thớch ca thit k v hm m nú phự hp vi iu kin a cht d kin, iu ny ch yu l liờn quan n thi gian t chng gi ca t Page 13 of 28 Nguyn c Ton (bd) Mt cỏi nhỡn k hn v phng phỏp lm hm mi ca o (NATM) May 2006 Rừ rng l cỏc li gii gii tớch khộp kớn (closed-form solutions) hin cú cho vic phõn tớch hm trũn a ra bi Muir Wood (1975), Peck v nnk (1972), Mohraz v nnk (1975), Sulem v nnk (1987) l khụng... chung c liờn kt vi nhau bng mi ni, chỳng cú th l cỏc mi ni phng hay inh c, mi ni lừm/li, v mi ni ghộp mng (Craig & Muir Wood 1978) Page 14 of 28 Nguyn c Ton (bd) Mt cỏi nhỡn k hn v phng phỏp lm hm mi ca o (NATM) May 2006 3.4.2 Cỏc tiờu chun thit k a k thut Nhc li nguyờn tc chớnh ca NATM, khi t bao quanh mt hang hm l thnh phn mang ti chớnh trong ng dng NATM ti u húa kh nng chu ti ca mụi trng, cn phi thit... thng Cỏc s La Mó ch ra trỡnh t o v cỏc thnh phn chng c thi cụng tun t Bc u tiờn l o phn vũm nh (I), cha li phn trung tõm chng Page 18 of 28 Nguyn c Ton (bd) Mt cỏi nhỡn k hn v phng phỏp lm hm mi ca o (NATM) May 2006 gng Sau ú, v hm b sung (bờtụng phun) II c hỡnh thnh v tip theo l o b phn t gia phớa trờn (III), ri n o phn tng trỏi v phi (IV) Hỡnh 8 - Hỡnh dng mt ct ngang in hỡnh cho mt hm NATM xut... (theo bỏo cỏo ca Sauer et al 1973) Cỏc hm NATM trong t yu khỏc l thuc tuyn ng st tc cao Hanover-Wỹrzberg, cú chiu di 120 km v Page 19 of 28 Nguyn c Ton (bd) Mt cỏi nhỡn k hn v phng phỏp lm hm mi ca o (NATM) May 2006 chy qua 65 ng hm ụi ti ú mt lot cỏc v sp hm ln ó xy ra, hu nh c 10 km li cú mt v (theo Wallis 1990) nhng phn khỏc ca chõu u, cũn cú rt nhiu hm khỏc xõy dng bng NATM, vớ d nh cỏc hm vi . Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006 Page 1 of 28 MỘT CÁI NHÌN KỸ HƠN VỀ PHƯƠNG PHÁP LÀM HẦM MỚI CỦA ÁO (NATM) (An Insight into. (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006 Page 16 of 28 Tuy nhiên, phương pháp luận này cũng có thể coi là phù hợp với thiết kế địa kỹ thuật cho các hầm NATM (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006 Page 18 of 28 Phải xét đến các tiến bộ công nghệ của thiết bị làm hầm và phải áp dụng các quá trình công nghệ mới