Tiểu luận quản lý công nghệ trong xây dựng giới thiệu phương pháp thi công NATM trong xây dựng công trình ngầm

Hình 1: Phương pháp Áo cũ phương pháp làm hầm này cũng tương tự với các nước trên thế giới Năm 1944, Giáo sư người Áo L.v.lxabcewicz đã cho xuất ban quvên sách "Áp lực đất đá núi và xây

KHOA CÔNG TRÌNH

======  ======

TIỂU LUẬNQUẢN LÝ CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

MỤC LỤC

NỘI DUNG 4

1 GIỚI HIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG NATM 4

1.1 Tổng quan về phương pháp NATM 4

1.1.1 Lịch sử phát triển 4

1.1.2 Quan niệm cơ bản của NATM 5

1.1.3 Nguyên lý cơ bản của NATM 10

1.2 Mô tả phương pháp NATM 13

1.2.1 Đặt vấn đề 13

1.2.2 Nguyên tắc cơ bản của thi công theo phương pháp NATM 13

1.2.3 Nội dung trình tự thi công theo phương pháp NATM 14

1.3 Phương pháp đào hầm 19

1.3.1 Phương pháp đào toàn diện 19

1.3.2 Phương pháp đào bậc thang 22

1.3.3 Phương pháp vòm trước 24

1.3.4 Phương pháp nhân đỡ 25

1.3.5 Phương pháp phân mảnh đào toàn tiết diện 25

1.3.6 Phương pháp đào có gia cố trước 26

1.4 Các công tác liên quan 26

1.4.1 Điều kiện kỹ thuật trong nổ đá và vận chuyển 26

1.4.2 Phương pháp gia cố và quản lý chất lượng gia cố đường hầm 34

1.4.3 Phương pháp thi công bê tông vỏ hầm 39

1.4.4 Thông gió hầm trong giai đoạn thi công 42

1.4.5 Chống bụi khi thi công ngầm 44

1.4.6 Thoát nước trong thi công hầm 45

1.4.7 Chiếu sáng và cung cấp năng lượng cho hầm 46

2 ĐÁNH GIÁ VỀ PHƯƠNG PHÁP NATM 48

2.1 Đánh giá về kỹ thuật 48

2.1.1 Những điểm khác biệt giữa NATM với các phương pháp khác 48

2.2 Đánh giá về mặt kinh tế 50

2.3 Ưu nhược điểm của phương pháp NATM 50

2.3.1 Ưu điểm 50

2.3.2 Nhược điểm 51

2.4 Khả năng ứng dụng và cạnh tranh 51

3 LỰA CHỌN VÀ CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ 52

3.1 Nguyên nhân lựa chọn phương pháp NATM 52

3.2 Khả năng chuyển giao công nghệ 52

3.3 Quản lý công nghệ 52

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

LỜI NÓI ĐẦU

Từ xa xưa trên thế giới con người đã biết đào các hầm ngầm để phục phụ chokhai thác quặng mỏ và than đá, thủy lợi Đến thế ký thứ XIX đặc biệt là thế kỷ XX,

do yêu cầu về giao thông nên đã có rất nhiều đường hầm hiện đại được xây dựng nhất

là đường hầm bộ, đường sắt, tàu điện ngầm…Đường hầm trên cao được xây dựng sớmnhất và dài nhất trên thế giới được xây dựng đó là hầm đường bộ Simplon qua dãy núiAlpes – Pennis nằm giữa Valacs (Thụy sỹ) và Piemonte (Ý) dài 19.730m ở độ cao2.009m Ở Trung Quốc, sau năm 1949 đến nay đã xây dựng hơn 4000Km hầm đườngsắt vào loại dài nhất thế giới

Vào cuối thế kỷ XX, kỹ thuật xây dựng đường hầm ngầm qua sông, qua eo biểnđạt bước phát triển mới Năm 1984, Nhật Bản đã xây dựng đường hầm Thanh Hàmxuyên qua eo biển Tân Hải Hiệp dài 53,85 Km Năm 1991, Anh và Pháp đã hợp tácxây dựng đường hầm qua eo biển Manche nối liền nước Anh và nước Pháp dài 50km(trong đó có 37,5Km nằm sâu dưới mặt nước biển khoảng 100m)

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền kinh tế và nhiều lĩnhvực như giao thông, thủy lợi, thủy điện.v.v… Nhu cầu sử dụng công trình ngầm nóichung và đường hầm nói riêng ngày càng phổ biến Cùng với đó, công nghệ xây dựngđường hầm phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới với rất nhiều công trình giao thông,thủy lợi được xây dựng có quy mô lớn và áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuậtmang lại hiệu quả cao về kinh tế, kỹ thuật Đến nay, rất nhiều máy móc hiện đại đangđược sử dụng như khiên tự hành, máy khoan hầm tunnel-boring machine (TBM),phương pháp thi công hầm của Áo (NATM)

Ở Việt Nam trong những năm gần đây, với nhu cầu phát triển về mạnh mẽ vềgiao thông, thủy điện Cùng với các công nghệ mới, tiên tiến được ứng dụng, nhiềuđường hầm lớn được xây dựng như hầm bộ qua đèo Hải Vân 6,3 km, hầm Thủ Thiêmqua sông Sài Gòn với 6 làn xe, các hầm dẫn nước của các thủy điện lớn…

Được sự giảng dậy hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Đinh Tuấn Hải và thầy

giáo PGS.TS Dương Đức Tiến, Học viên xin trình bày nội dung “Giới thiệu

NỘI DUNG

1 GIỚI HIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG NATM

1.1 Tổng quan về phương pháp NATM

1.1.1 Lịch sử phát triển

Cho đến giữa thế kỉ XX, trong công nghệ xây dựng hầm, đầu tiên người ta dùng

gỗ và sau đó dùng vòm thép để che chống tạm thời cho đến khi hệ chống cuối cùngđược dựng lên Hệ chống cuối cùng là một hàng gạch hay bê tông (hình 1)

Hình 1: Phương pháp Áo cũ (phương pháp làm hầm này cũng tương tự với các nước

trên thế giới)

Năm 1944, Giáo sư người Áo L.v.lxabcewicz đã cho xuất ban quvên sách "Áp lực

đất đá núi và xây dụng hầm", trong đó giới thiệu sự cần thiết phải giảm nhỏ biến dạng

với mục đích lợi dụng khả năng chịu tái của khối đất đá và mối quan hệ qua lại giữalực chống đỡ và biến dạng Một số nguyên lí của NATM cũnu được vạch ra trongquyếu sách đó Năm 1948, các nguyên lí của NATM đã được công do công củaL.V.Rabcewicz Tinh thần chính của nội dung là: với một che chống dẻo đầu tiên một

sự cân bằng mới đã đạt được Việc ấy phải được kiểm soát bằng các đo đạc tại chỗ.Sau khi đã đạt được sự cân bằng mới đó thì một vòm bên trong sẽ được xây dựng.Trong những trường hợp riêng, vòm bên trong đó có thế bỏ đi

Từ năm 1956 đến năm 1958 các hầm kích thước lớn đã được Rabcewicz xâydựng ở Venezuela theo nguyên lí của NATM.

Năm 1963 “Phương pháp xây dựng hầm Áo mới” được giới thiệu tại hội nghị Cơhọc đất đá tại Salzburg Phương pháp được gọi là Áo mới vì trước đó đã tồn tạiphương pháp “Áo cũ” và được đặt tên là “Áo mới” đã được các kĩ sư người Áo pháttriển

Phương pháp đã được phát triển lên dần với các biện pháp đào và che chống mói.Các phương tiện che chống và biện pháp kèm theo đã được cải thiện với nhiều trang bịmới Kĩ thuật diễn giải cùng với tay nghề cao đã mở rộng việc áp dụng NATM cho cácloại đất rất dẻo với biến dạng lớn cho đến đất mềm, với các mặt cắt hầm lớn hoặc hìnhthù phức tạp

Định nghĩa NATM như sau:

Phương pháp xây dựng hầm kiểu Áo mới NATM (the New Australian

Tunnelling Method - NATM) là một phương pháp trong đó các cấu tạo đất đá xung

quanh hầm hợp thành một kết cấu che chống thống nhất hình trụ tròn Do đó, các cấutạo đất đá bản thân sẽ là một bộ phận của kết cấu che chống

Định nghĩa nói trên với các nguyên lí chủ yếu đã được công bố vào năm 1980

1.1.2 Quan niệm cơ bản của NATM

Với việc đào một đường hầm trường ứng suất ban đầu trong khối đá bị thay đổithành một trường ứng suất thứ sinh ít thuận lợi hơn Dưới vòm nham thạch đó, phầnlớn các quá trình sắp xếp lại ứng suất theo thời gian sẽ xảy ra, bao gồm cả vùng dẻocũng như vùng đàn hồi

Dưới hoạt động của vòm nham thạch, các hoạt động của chúng ta phải nhằm duytrì hoặc cải thiện khả năng chịu tải của khối đá, hoặc nhằm lợi dụng khả năng chịu tải

đó và nhằm để gây ra mội sự phát triển trường ứng suất thứ sinh có lợi hơn

Mục đích của chúng ta là duy trì điều kiện tải trọng theo ba trục cho tất ca cácgiai đoạn và đê giảm thiểu các tính hình chịu ứng suất một trục hay hai trục trongkhối đá

Sau đây là một số hình vẽ thể hiện quan niệm khác nhau giữa xưa và nay về xâydựng hầm và công trình ngầm.

Hình 2: Khối đá là một bộ phận quan trong nhất của hệ thống\

Hình 3: Trạng thái ứng suất và biến dạng cần phải được bảo vệ

Hình 4: Đề phòng long rời của kết cấu đá

Hình 5: Che chống ban đầu và cuối cùng với các lớp mỏng

Hình 6: Che chống phụ thêm gồm: neo, vòm giá thép, mạng cốt thép

Hình 7: Về cơ bản đường hầm là một cái ống bao gồm kết cấu chống vòng tròn của

khối đất đá bao bọc xung quanh

Hình 8: Khép kí vành tròn là rất cần thiết

Hình 9: Khép kí vành tròn phải kịp thời, tránh đào hào đỉnh lên quá xa

Hình 10: Huy động hợp lí đúng mức một kết cấu chống đỡ vòng tròn của đất đá bao

Hình 11: Kết cấu che chống ăn khớp với đo đạc kỹ thuật, đo đạc biến dạng và ứng suất phải bám sát thi công để điều chỉnh che chống kịp thời và đảm bảo an toàn

1.1.3 Nguyên lý cơ bản của NATM

1) Kết cấu hầm là tổ hợp giữa đá núi và vỏ hầm Hầm được chống đỡ chủ yếubằng khối đá xung quanh Đây là khái niệm cơ bản của phương pháp NATM Kỹ sưhầm phải biết vận dụng khái niệm này vào công tác đào hầm Hệ thống chống đỡ hầmchỉ nên áp dụng hạn chế và mang tính hỗ trợ hiệu ứng tự ổn định của khối đá

2) Theo phương pháp NATM, điều quan trọng là phải duy trì cường độ nguyênthủy của khối đá Cách chống đỡ truyền thống bằng gỗ hoặc bằng vòm thép không thểgiúp ngăn ngừa sự biến dạng của khối đá xung quanh hầm Bê tông phải được phunngay sau khi đào để có thể ngăn sự biến dạng của khối đá một cách hữu hiệu

3) Biến dạng của khối đá phải được ngăn chặn hợp lý vì việc khối đá rời rạc sẽlàm 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

4) Khối đá phải được giữ trong các điều kiện ứng suất nén ba trục Cường độ củakhối đá chịu ứng suất nén đơn trục và hai trục thì thấp hơn cường độ trong điều kiện

ba trục

5) Biến dạng của khối đá phải được ngăn chặn hợp lý Phải thiết lập hệ thốngchống đỡ để ngăn chặn sự giãn nở (tơi) 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 tăngđồng thời đảm bảo hiệu quả kinh tế.

6) Hệ thống chống đỡ phải được lắp đặt kịp thời Lắp đặt các hệ thống chống đỡquá sớm hay quá muộn sẽ đem lại kết quả bất lợi Hệ thống chống đỡ cũng khôngđược quá mềm hay quá cứng Các hệ thống chống đỡ cần có một độ mềm dẻo thíchhợp để duy trì cường độ của khối đá

7) Để đánh giá thời gian thích hợp khi lắp đặt hệ thống chống đỡ, cần nghiên cứukhảo sát đặc tính biến dạng phụ thuộc thời gian của khối đá

8) Không chỉ dựa vào công tác thí nghiệm trong phòng mà còn phải tiến hành đođạc 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 nhữngnhân tố quan trọng để tính toán thời gian chống đỡ vách đào của khối đá

9) Nếu sự biến dạng 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 thépchỉ tiếp xúc với bề mặt tường hầm ở các điểm chèn Vì thế, đất đá giữa các điểm tiếpxúc sẽ vẫn còn không được chống đỡ nên sự biến dạng và/hoặc tơi của khối đá sẽphát 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 (bêtôngphun) 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 thanhthép, 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 quảquan trắc của thiết bị

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 trúcnày hợp lại với nhau làm cho hầm tự ổn định

14) Việc cấu tạo mặt cắt hầm kín bằng vòm ngược tạo nên đường ống hình trụ làcần 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 lắpđặt hệ thống chống đỡ cho đến khi kết cấu của hầm kín được hình thành Mômen uốnbất lợi xuất hiện tại khu vực tiếp giáp của phần trên vòm hầm và tường (bench) giốngnhư kết cấu dầm hẫng khi khoảng cách giữa các bề mặt gương hầm của phần vòm vàphần tường là quá dài

16) Từ quan điểm phân bố lại ứng suất, phương pháp đào toàn mặt cắt tốt hơncác phương pháp khác Chia gương hầm thành nhiều gương nhỏ sẽ khiến chochất lượng khối đá xung quanh hầm giảm đi nhanh chóng do phân bố lại ứng suất.17)Phương pháp đào hầm có ánh hưởng rất lớn đến khối đá xung quanh, chẳnghạn chu kỳ và trình tự đào hầm, thời gian thi công vỏ hầm, thời gian đóng kín vỏhầm, Các nhân tố này cần được kiểm soát để tạo ra tổ hợp kết cấu cũng như thiết lập

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) phảihình 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 hầmcần được xem xét bao gồm cả lớp bê tông vỏ hầm khi hầm gặp một lưu lượng lớnnước 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 vàthi công hầm Việc đo ứng suất tác động lên vỏ hầm và đo đạc sự dịch chuyển củavách 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 thốngthoát nước

1.2 Mô tả phương pháp NATM

1.2.1 Đặt vấn đề

Phương pháp đào hầm mới của Áo (the New australian Tunnelling Method NATM) được thế giới biết đến vào năm 1948, khi GS L.v.Rabcewicz đăng ký bảnquyền sáng chế phát minh của mình Tư tưởng (hay triết lý) chủ đạo của phương phápnày là: khối đá chứa công trình ngầm (CTN) cần được tận dụng thành một bộ phậnmang tải cơ bản của công trình, khối đá sẽ cùng với các thành phần kết cấu chống khácgiữ ổn định công trình trong giai đoạn thi công cũng như trong giai đoạn sử dụng Yêucầu này chỉ có thể đạt được khi sử dụng một chu trình đào và chống giữ công trình mộtcách hợp lý Song trong thực tế, một điều đã được thừa nhận: Xây dựng các công trìnhngầm là một lĩnh vực mang tính nghệ thuật Đối tượng tác động của xây dựng ngầmchính là khối đất, đá với các đặc tính luôn biến đổi theo thời gian và không gian Do

-đó, không thể áp dụng một cách cứng nhắc những giải pháp đã áp dụng thành công tạimột công trình này vào trong một công trình khác Cũng như vậy, các phản ứng củađất đá không phải lúc nào cũng được dự kiến trước Vì lý do đó, những rủi ro hoặc sailầm trong thi công là điều không thể tránh khỏi Mục tiêu của phương pháp NATM làhạn chế tối đa những rủi ro hoặc sai lầm đó đồng thời tìm cách tối ưu hoá chu trìnhđào, chống giữ công trình (xét về yếu tố an toàn và kinh tế) Để làm được, bên cạnhnhững biện pháp tương tự như trong các phương pháp khác: áp dụng quy trình đào cẩnthận, sử dụng kết cấu chống hợp lý, v v một điểm mới trong NATM là sử dụng côngtác quan trắc để đánh giá hiệu quả công tác thiết kế, thi công đã thực hiện tạo nên mộtchu trình xây dựng công trình ngầm khép kín (hình 1) Đây chính là yếu tố dẫn đếnphương pháp này đã rất nhanh chóng được áp dụng rộng rãi trên thế giới và đã thuđược nhiều thành công Tuy nhiên, kèm theo đó là một loạt những vấn đề phức tạp nảysinh về kỹ thuật, công tác điều hành quản lý, thiết bị, nguyên vật liệu khi áp dụng, đòihỏi phải có sự nghiên cứu, chuẩn bị trước khi làm chủ được phương pháp

1.2.2 Nguyên tắc cơ bản của thi công theo phương pháp NATM

Nguyên tắc cơ bản của thi công theo phương pháp Áo mới có thể quy nạp nhưsau: ít làm lay động, phun neo sớm, chăm chú đo đạc, nhanh chóng khép kín

Ít làm lay động: khi tiến hành đào mở đường hầm, cần hết sức giam thiêu số lần

lay động đất đá, cường độ lay động, phạm vi lay động và thời gian lay động liên tụckéo dài Vì thế nên dùng máy đào đất đá mà không dùng phương pháp khoan nô đêđào Khi dùng phương pháp khoan nổ để đào, cần phải nghiêm khắc tiến hành khốngchế nổ phá dùng cách đào tiết diện lớn; căn cứ loại đất đá, phương pháp đào, điều kiệnche chống lựa chọn hợp lý chiều dài đào sâu một tuần hoàn; đối với đất đá tự ổn địnhkém chiều dài đào sâu tuần hoàn nên ngắn lại; việc che chống phải khẩn trương theokịp mặt đào, rút ngắn thời gian để đất đá bị bong rời không che chống

Phun neo sớm: sau khi đào xong cần che chống phun neo thời kỳ đầu, làm cho

ứng suấl đất đá đi vào trạng thái khống chế ổn định Làm như thế, một mặt là ta không

đế cho đất đá biến dạng quá độ mà sinh ra sụt lở mất ổn định, còn một mặt khác làmcho đất đá phát tricn biến dạng vừa phải, đê phát huy đầy đủ năng lực tự chịu tải củamình Khi càn thiết có thc có biện pháp che chống trước

Chăm chú đo đạc: lấy phương pháp đo đạc bằng máy hoặc trực quan và số liệu

đo đạc bảo đảm để đánh giá trạng thái ổn định của đất đá (hoặc đất đá đã được gia cốhoặc phán đoán xu thế phát triên động thái của chúng, nhằm để điều chỉnh kịp thờihình thức che chống, phương pháp đào bới, bảo đám thi công được tiến hành thuận lợi

và an toàn Đo đạc trắc địa là một tiêu chí quan trọng của lí luận hầm và công trìnhngầm hiện đại là biện pháp để nắm vững quá trình thay đổi động thái của đất đá và làcăn cứ, số liệu để tiến hành thiết kế, thi công công trình

Nhanh chóng khép kín: một mặt là chỉ phải dùng biện pháp cho chóng bàng

phun bê tông ngay, tránh cho đất đã bị bóc trần dài ngày bị giảm sút cường độ và tính

ổn định, nhất là đối với địa tầng mềm yếu dễ bị phong hóa, còn mặt khác trọng yếuhơn là nếu kịp thời che chống bịt kín thì không chỉ ngăn không cho đất đá biến dạng

mà còn làm cho lớp che chốim và tâng đất ờ vào trạng thái cộng đồng hợp tác chịu lựctốt với nhau

1.2.3 Nội dung trình tự thi công theo phương pháp NATM

Phương pháp NATM được định nghĩa là cách để tạo ra không gian công trìnhngầm bằng việc sử dụng tất cả các biện pháp có thể để nâng cao khả năng tự chống giữ

tối đa của công trình Điều này đạt được thông qua việc áp dụng một lớp vỏ chống

“ban đầu” nhẵn và linh hoạt, kết hợp với một lớp vỏ chống “cuối cùng” Lớp vỏ chống

“ban đầu” có thể bao gồm bê tông phun, vì thép, neo hoặc bất cứ biện pháp nào khác,

sử dụng độc lập hay kết hợp với nhau Trong khi đó, lớp vỏ chống “cuối cùng” thường

là bê tông liền khối đổ tại chỗ được thi công sau khi công trình đã được đánh giá là ổnđịnh, hầu như không còn biến dạng Tuy nhiên cũng cần hiểu rằng, phương phápNATM không chỉ bao gồm việc sử dụng bê tông phun, neo đá, đào vòm ngược khi gặpđất đá yếu hay gần đây là sử dụng lớp màng chống thấm giữ không cho nước thâmnhập vào lớp vỏ chống bên trong của công trình mà còn đòi hỏi rất nhiều ở sự linhhoạt, khéo léo của con người khi xử lý những tình huống gặp phải trong thi công

Có thể khái quát nội dung cơ bản của phương pháp NATM như sau:

- Xác định, đánh giá kỹ lưỡng các đặc trưng phản ứng địa cơ học của khối đất đáxung quanh công trình

- Thiết kế hình dạng, tiết diện công trình phù hợp (trên cơ sở xem xét các yếu tố:ứng suất xung quanh biên, hệ số diện tích tiết diện sử dụng, v v )

- Tránh những ứng suất và biến dạng không có lợi bằng cách sử dụng các biệnpháp gia cố phù hợp, lắp đặt theo trình tự và thời gian hợp lý

- Tối ưu hoá khả năng mang tải của kết cấu gia cố như một hàm của biến dạngnằm trong giới hạn cho phép

- Sử dụng biện pháp quan trắc đánh giá độ ổn định công trình sau khi đào như làmột phần bên trong của chu trình thi công

Hình 12: Chu trình đào hầm điển hình theo phương pháp NATM

Phương án và sơ đồ thi công đào được thiết lập tuỳ thuộc vào chất lượng khối đávây quanh Quá trình đào công trình ngầm về mặt cơ học là gây ra hiện tượng “giảmtải” và làm xuất hiện những biến dạng đáng kể trong khối đá Nhiệm vụ đặt ra là phải

“bảo dưỡng” khối đá đến mức tối đa để có thể chịu được những biến đổi cơ học do quátrình này gây ra Sẽ có ít vấn đề nảy sinh khi khối đá cứng vững và các vấn đề sẽ trởnên phức tạp khi gặp khối đá yếu Trong trường hợp thứ hai, gương đào nên được chiathành nhiều phần nhỏ đồng thời có kết cấu chống phía nền hợp lý Khoảng cách vàthời gian cách quãng giữa mỗi chu kỳ đào tại các gương được xác định trên cơ sở thờigian ổn định không chống của công trình Tiêu chuẩn mới của Áo về thi công đườnghầm định nghĩa thời gian ổn định không chống là thời gian bề mặt khối đá có thể giữ

ổn định không cấn chống Các nhân tố có ảnh hưởng tới thời gian ổn định khôngchống là chất lượng khối đá, hình dạng kích thước mặt cắt ngang và tiến độ đào hầm,

độ sâu đặt công trình ngầm

Hai yếu tố được xác định là quan trọng nhất trong thi công theo phương phápNATM là sử dụng biện pháp gia cố tạm bằng bê tông phun trong đường hầm ngay saukhi đào và sử dụng các thiết bị quan trắc đánh giá độ ổn định đường hầm Chính vì lý

do này mà trên thế giới, phương pháp NATM còn được biết tới dưới các tên gọi

“phương pháp bê tông phun” hay “phương pháp quan trắc”

 Gia cố tạm vỏ hầm

Sử dụng và lắp dựng các kết cấu chống hợp lý đương nhiên sẽ góp phần làm chokhối đá xung quanh công trình giữ được khả năng mang tải, đặc biệt là chống lại hiệntượng “tơi rời“ trong khối đá Điểm khác biệt cơ bản giữa NATM và các phương pháptruyền thống là sử dụng lớp vỏ chống bằng bê tông phun thay vì các loại kết cấu chốngnặng như bê tông đúc sẵn, vì thép, v v làm kết cấu chống tạm sơ bộ Trong NATM,

bê tông phun được coi là thành phần kết cấu chống đóng vai trò quan trọng nhất vàtrong nhiều trường hợp nó còn đồng thời giữ vai trò là kết cấu chống vĩnh cửu chocông trình Mục đích áp dụng bê tông phun là giữ ổn định bề mặt khối đất đá, liên kếtvùng đất đá gần biên công trình Bê tông phun có thể được tăng cường bằng lưới thép,hoặc kết hợp với khung chống thép cũng như neo tuỳ thuộc vào chất lượng khối đá.Khi đó, vỏ chống đường hầm được xem như một kết cấu hỗn hợp bao gồm khối đá baoquanh và các thành phần kết cấu chống kể trên Ưu điểm khi sử dụng bê tông phun sovới các dạng kết cấu chống truyền thống là:

- Có thể áp dụng với công trình có hình dạng kích thước bất kỳ

- Rút ngắn được thời gian chu kỳ đào chống

- Có thể linh hoạt thay đổi chiều dài chu kỳ đào và trình tự các công việc phù hợpvới các điều kiện đất, đá phá huỷ

- Chi phí vật liệu thấp hơn

- Giảm nhu cầu nhân công cho công tác chống giữ

- Yêu cầu đầu tư thiết bị phục vụ gia cố thấp

- Tạo được bề mặt phù hợp để dễ dàng lắp đặt lớp mạng chống thấm có hiệu quả

Thời điểm lắp dựng kết cấu chống cũng rất được coi trọng trong thi công, điềunày được thể hiện trong quan điểm của NATM là tối ưu hoá khả năng mang tải của kếtcấu chống như một hàm của biến dạng Rõ ràng tồn tại một thời điểm thích hợp để lắpdựng kết cấu chống, tại thời điểm đó biên công trình đã bị biến dạng với một giá trị đủlớn để khối đá tự hình thành một vòng mang tải bao quanh công trình song lại đủ nhỏkhông để trạng thái ổn định ban đầu và độ bền nén của đá bị “suy yếu” vượt quá mức

độ cho phép dẫn tới quá trình phá huỷ không kiểm soát được Mặc dù trước đây đã cónhiều lý thuyết, phương pháp đề cập đến vấn đề này song chỉ trong NATM nó mớithực sự được xét tới như một trong những yếu tố cơ bản để đem lại thành công khi ápdụng trong thi công

tự thi công, kích thước gương đào, tiến độ đào cũng như phương án chống đỡ, mức độ(kích thước) và thời điểm lắp dựng kết cấu chống v v phục vụ cho chu kỳ xây dựngtiếp theo Rõ ràng điều này có ý nghĩa rất quan trọng bởi như đã đề cập trong phần I,không phải lúc nào chũng ta cũng dự kiến được trước và chính xác các đặc tính phảnứng của đất đá sau khi đào cũng như không thể áp dụng một cách máy móc những giảipháp đã được áp dụng thành công trong những điều kiện có tính tương tự Số lượng,chủng loại thiết bị quan trắc lắp đặt, tần số đo được xác định dựa vào: mức độ ổn định

dự kiến của công trình sau khi đào, tầm quan trọng của công trình, chu kỳ thi công Do

tính chất quan trọng nên công tác này phải do những người có đủ kinh nghiệm về địachất, địa kỹ thuật và trước hết phải am hiểu về phương pháp NATM thực hiện.

Tư tưởng xuyên suốt trong thi công theo NATM là sử dụng tất cả các biện pháp

có thể nhằm mục đích tối ưu hoá quá trình xây dựng công trình Có nghĩa là kết hợphài hoà giữa cả ba yếu tố: chất lượng công trình, tính an toàn và hiệu quả kinh tế vàđiều này được thể hiện trong tất cả các giai đoạn từ khảo sát, thiết kế đến thi công.Phương pháp NATM không đưa ra đòi hỏi cao nhất đối với công tác thiết kế Sự thànhcông của một dự án phụ thuộc chủ yếu vào những quyết định được đưa ra ngay tạihiện trường Các thiết kế ban đầu chỉ nên xem là những chỉ dẫn trong thi công, điềuquan trọng là phải có sự phối hợp giữa các bên: Chủ đầu tư, Tư vấn và Nhà thầu đểđưa ra những thay đổi phù hợp theo điều kiện thực tế

1.3 Phương pháp đào hầm

1.3.1 Phương pháp đào toàn diện

Theo phương pháp này, gương đào được mở một lần trên toàn tiết diện ngangcủa hầm, dựng vì chống tạm rồi xây vỏ hầm vĩnh cửu

Hình 13: Phương pháp đào toàn tiết diện

3 Trình tự thi công

Đổ bê tông vỏ (2) chậm sau gương (1) hoặc sau khi đào xong toàn hầm

3.1.1.1 Đào toàn tiết diện không cần chống đỡ hoặc chỉ chống đỡ đơn giản

Trong trường hợp này người ta đào hầm một cách tuần tự, tức là khoan và thải đákhông đồng thời Trong những khối đá cứng, toàn khối fk = 15÷20 không cần phảichống đỡ Trong các khối đá nứt nẻ thì dùng các loại vì chống nhẹ như neo kết hợp vớilưới thép, bê tông phun hoặc tổ hợp neo và bê tông phun

Ưu điểm: Cho phép tận dụng tối đa các thiết bị thi công có công suất lớn, thực

hiện thi công theo tiến độ và tốc độ đào hầm lớn (150-200m/tháng đối với hầm tiếtdiện nhỏ; 100-150m/tháng đối với hầm tiết diện trung bình, 80-120m/tháng đối vớihầm tiết diện lớn)

Nhược điểm: Ứng dụng trong điều kiện địa chất đá cứng toàn khối hoặc nứt nẻ 3.1.1.2 Đào toàn tiết diện với việc sử dụng vì chống cứng

Khi có hiện tượng tăng áp lực địa tầng làm giảm độ ổn định của nóc hầm, nếu thicông theo phương pháp đào toàn tiết diện người ta thường dùng vì chống cứng là cácvòm kim loại Các vòm kim loại được giằng với nhau và chêm vào đá tạo thành hệkhung cứng Khoảng trống giữa vòm và nóc hang được chèn bằng các tấm bê tông cốtthép và lấp đầy bằng gỗ hoặc đá Vòm kim loại bằng các thanh thép chữ I theo tínhtoán, đặt cách nhau 40 đến 80cm đến tận sát gương

Ưu điểm: Tăng cường ổn định của nóc hầm, giảm áp lực địa tầng.

Nhược điểm: Thi công khó khăn, chi phí lớn do hệ vì chống bị mất sau khi đổ bê

tông, chỉ ứng dụng trong những đoạn hầm khi đào trong đá không ổn định

3.1.1.3 Đào toàn tiết diện sử dụng vì chống liên hợp

Khi fk = 2÷3 người ta sử dụng phương pháp đào toàn tiết diện sử dụng vì chốngliên hợp Thực chất của phương pháp này là từng bước tạo ra ở xung quanh hang trongquá trình đào loại vì chống tạm có khả năng đưa khối đá xung quanh vào cùng làmviệc để đơn giản hóa cấu trúc của vì chống Một trong những bộ phận loại vì chốngnày là neo, bộ phận khác của nó là bê tông phun

3.1.1.4 Đào toàn tiết diện với việc sử dụng vì chống mềm

Phương pháp này ứng dụng khi đào hầm có tiết diện từ 40÷ 90m2 Theo phươngpháp này, đầu tiên chống bằng vì chống có khả năng biến dạng, chêm chèn chắc vào

đá Sau đó khi áp lực và độ lún của vì đã ổn định thì tiến hành xây vỏ vĩnh cửu để giữ

vì chống đã dựng ban đầu

Hình 14: Đào hầm tiết diện lớn, vì chống liên hợp

Ưu điểm: Có thể sử dụng trong những điều kiện địa chất công trình đặc biệt như

phiến sét, sét, đá biến chất hoặc argilit dẻo, tức là các loại đá có tính từ biến tắt dần,không xuất hiện tải trọng một phía, dễ làm gãy lớp bê tông phun

Nhược điểm: thi công phức tạp và đòi hỏi phải thường xuyên theo dõi biến dạng

của nóc và vách hang

3.1.1.5 Đào toàn tiết diện với việc dùng ván khuôn dạng tấm thép di động

Phương pháp này ứng dụng trong các loại đá nứt nẻ mạnh, dễ sụt lở có thể hiện

áp lực địa tầng ở nóc và vách hang, hầm có tiết diện ≤ 70m2

Phương pháp này thương dùng bê tông lót mác thấp làm vì chống tạm Bê tôngnày được đổ nhờ những đốt ván khuôn ngắn di động Đốt ván khuôn có cấu tạo thường

là một hệ vòm liên kết với nhau tạo thành một kết cấu không gian, mặt ngoài có hànthép làm tấm ván khuôn, có các cửa sổ để đổ bê tông

Hình 15: Đưa ván khuôn dạng khiên vào gương

Nhược điểm của phương pháp này là tốc độ đào hầm không cao, mặt khác do cấutạo của các tấm ván khuôn di động nên đòi hỏi đào vượt lớn và đôi khi chất lượng củalớp bê tông lót không đảm bảo do các khối đá nhô ra Do đó chỉ dùng thi công cácđoạn hầm ngắn

Áp dụng phương pháp đào toàn tiết diện có sử dụng thiết bị lắp ráp vỏ hầm làkhá khó khăn, nên khi áp dụng phải có luận cứ cẩn thận, chặt chẽ tương ứng với điềukiện địa chất công trình của tuyến hầm

3.1.2 Phương pháp đào bậc thang

Phương pháp đào bậc thang là phương pháp phổ biến để xây dựng các hầm lớn

có chiều dài không hạn chế nằm trong điều kiện địa chất công trình thuận lợi (fk ≥ 4)với hầm có tiết diện lớn hơn 100m2 và chiều cao lớn hơn 10m

Điều khác nhau căn bản của phương pháp bậc thang và phương pháp đào toàntiết diện là ở việc phân chia tiết diện ngang của hang ra làm các mảnh rồi đào tuần tự

ra trên toàn gương Việc phân chia tiết diện như vậy phải đảm bảo sự ổn định của hangtrong quá trình thi công và việc làm đó sẽ giảm bớt khó khăn cho công tác khoan đào

và xây vỏ hầm bê tông Đối với phương pháp bậc thang có ba cách mở gương là bậcthang trên, bậc bên và bậc dưới (hình16)

Hình 16: Thứ tự đào hầm bằng phương pháp bậc thang

a Phương pháp bậc thang trên, b Phương pháp bậc thang bên,

c Phương pháp bậc thang dưới

- Đối với phương pháp bậc thang trên có thể sử dụng hai sơ đồ thi công

Theo sơ đồ I: trong phần dưới hầm tiến hành đào hang dẫn trên suốt chiều dài

hầm Tiếp theo sử dụng phần hang dẫn này làm mặt thoáng tiến hành đào phần cơ bảncủa hầm

Theo sơ đồ II: đầu tiên đào phần dưới hang trên suốt chiều dài dầm Từ phần

dưới tiến hành khoan rồi làm sập phần trên Phương pháp này khi áp dụng có nhiềunhược điểm nên trong thực tế ít dùng

- Phương pháp bậc bên:

Được sử dụng để đào bậc trên của hầm nhịp lớn (khi bề rộng hầm 20m hoặc lớnhơn) trong đá ổn định và khi hầm có bề rộng nhỏ hơn trị số trên nhưng đá nứt nẻ dễ sụt

lở trong quá trình đào

- Phương pháp bậc thang dưới:

Việc xây dựng hầm được thực hiện một cách tuần tự Đầu tiên trong suốt chiềudài hầm người ta đào phần trên của tiết diện (như phương pháp toàn tiết diện) Sau đó

đổ bê tông phần vòm ở khoảng cách kể từ gương là 250 – 300m Khi chiều dài hầmnhỏ hơn 300 m thì có thể đào phần trên và chống đỡ tạm trên toàn hầm rồi mới xây vỏvĩnh cửu (bê tông) Sau khi đổ bê tông vòm mới tiến hành đào bậc dưới Cuối cùng(sau khi đổ bê tông vỏ) mới thi công phần đáy hầm Khi chiều cao hầm chừng 10mnếu có thiết bị đổ bê tông cả vòm thì việc xây dựng vỏ hầm có thể tiến hành làm một

Ưu điểm: nổi bật của phương pháp bậc thang dưới là cho khả năng gia cố nhanh

phần nóc hang, nhất là trong những đoạn địa tầng phá hoại và có thể chuyển nhanhsang phương pháp khác khi chuyển vào đoạn địa tầng yếu

Nhược điểm: cơ bản của phương pháp bậc thang dưới là làm tăng thời hạn thi

công toàn hầm so với phương pháp đào toàn diện

Với một sơ đồ một hang dẫn, trước tiên người ta đào hang dẫn trên (1), sau đó

mở rộng phần vòm (2) và xây vỏ cho phần vòm Tiếp theo dưới sự bảo vệ của vòmtiến hành đào phần giữa (3) và mở rộng phần dưới (4) (5) rồi xây phần tường của vỏhầm Cuối cùng đào và đổ bê tông phần đáy hầm (6)

Hình 17: Đào các bộ phận khi thi công hầm bằng phương pháp vòm trước

a Sơ đồ một hang dẫn; b Sơ đồ hai hang dẫn; c Sơ đồ phần vòm vượt trước;1,2,3…8

thứ tự đào tiết diện

3.1.4 Phương pháp nhân đỡ

Trong trường hợp đặc biệt phức tạp

người ta dùng phương án đào song song

các tường cùng với việc đổ bê tông các

3.1.5 Phương pháp phân mảnh đào toàn tiết diện

Phương pháp phân mảnh đào tiết diện

là phương pháp đào toàn bộ không gian của

hầm theo trình tự sau: đầu tiên đào hang dẫn

dưới (1) và hang dẫn trên (2) Đào mở rộng

phần nhỏ (3) và mở rộng phần lớn (4) phần

lõi (5) và mở rộng sang 2 vách (6) Đồng thời

với quá trình đào là quá trình chống Đến khi

đào xong toàn tiết diện hang cũng là lúc

dựng xong vì chống dạng nan quạt bằng gỗ

Sau khi đào xong toàn tiết diện thì tiến hành

đổ bê tông vỏ hầm có thể cả phần bản đáy

Hình 19: Phương pháp phân mảnh

đào toàn tiết diện

Ngoài các phương pháp trên còn một số phương pháp như phương pháp đào gia

cố trước, phương pháp ximăng hóa để gia cố đất đá…Mỗi loại phương pháp tùy thuộcvào điều kiện địa hình, địa chất và cách thức tổ chức thi công khác nhau

3.1.6 Phương pháp đào có gia cố trước.

Hình 20: Phương pháp đào gia cố trước (lỗ vượt trước trên gương)

1- Giá khoan; 2- máy khoan; 3- ống lồng gia cố trước; 4- vòm thép phun phủ bê tông;

5- bơm nước; 6- khối động lực để khoan.

3.2 Các công tác liên quan

3.2.1 Điều kiện kỹ thuật trong nổ đá và vận chuyển.

3.2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật

- Chỉ được phép thi công khoan nổ mìn khi có đồ án thiết kế nổ mìn, hộ chiếu nổmìn và có các biện pháp đảm bảo an toàn trong quá trình thi công nổ mìn được cơquan có thẩm quyền phê duyệt, được Hội đồng nghiệm thu công tác chuẩn bị nổ mìnchấp thuận

- Trong quá trình khoan nổ mìn không làm cản trở đến công đoạn xúc và vậnchuyển đất đá đã được nổ phá cũng như các hoạt động khác trên công trường

- Phải căn cứ vào đặc điểm địa hình, địa mạo, địa chất của khu vực trong đó đặcbiệt quan tâm đến độ cứng, mức độ nứt nẻ và thế nằm của đá… quy mô của hố đào,khả năng cung cấp máy móc, thiết bị khoan, vật liệu nổ và tiến độ công việc yêu cầu

để lựa chọn thông số kỹ thuật phù hợp