Giới thiệu công nghệ thi công hầm theo công nghệ NATM

Giới thiệu công nghệ thi công hầm theo phơng pháp NATM (New Austrial tunneling method) pgs ts Nguyến viết trung ks nguyễn đức vơng Bộ môn CTGiao thông TP - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi viết ny trình by khái niệm chung phơng pháp thi công hầm Ngời áo (NATM), giới thiệu trình tự thiết kế, thi công, u nhợc điểm v phạm vi áp dụng phơng pháp Summary: This paper presents the general concept of New Austrian Tunneling Method, introducing design sequence, tunneling construction, advantages, disadvantages and the field of application of this method Khái niệm Quan điểm thiết kế thi công hầm theo phơng pháp cổ truyền coi đất đá xung quanh gây áp lực tác dụng lên vỏ hầm Vỏ hầm kết cấu chịu lực Do thi công hầm theo phơng pháp cổ truyền, sau khai đào ta cần nhanh chóng xây dựng kết cấu chống đỡ vỏ hầm để chịu tác động đất đá xung quanh Đến năm 1957 - 1965 kỹ s mỏ ngời áo, Giáo s Tiến sỹ L V Rabcewicz phát triển thành phơng pháp thi công hầm từ kinh nghiệm thi công hầm Phơng pháp thay đổi quan điểm thiết kế thi công hầm Nó tỏ có nhiều u phơng pháp cổ truyền áp dụng nhiều nớc giới thông qua công trình thực tiễn nhiều lĩnh vực nh đờng bộ, đờng sắt đờng thuỷ Việt Nam phơng pháp đợc áp dụng dự án Hầm đờng Hải Vân tới áp dụng cho Dự án Hầm Đèo Ngang Phơng pháp NATM bao gồm biện pháp mà việc hình thành đất đá xung quanh hầm đợc liên kết thành kết cấu vòm chống Do việc liên kết tự thân trở thành phần kết cấu đỡ hầm Khi đào hầm, cân có nguyên thuỷ lực khối đá chuyển sang tình trạng cân mới, thứ cấp ổn định Điều đạt đợc thông qua giai đoạn trớc mắt với tiến trình phân bổ lại ứng suất đa dạng Mục đích NATM kiểm soát đợc tiến trình chuyển đỏi cân nhắc mặt kinh tế an toàn Trình tự thiết kế phơng pháp 2.1 Lập tuyến Việc lập tuyến hầm đợc thực theo chức hầm chẳng hạn nh điều kiện địa chất, vị trí hầm, kiểm soát an toàn sau trình thi công, ảnh hởng đến môi trờng hiệu kinh tế - Định tuyến hầm bình đồ trắc dọc hầm đợc thiết kế đảm bảo chức mục đích hầm nh phần tuyến đờng theo địa hình, địa chất, môi trờng dựa kết đo đạc trờng - Vị trí cửa hầm: Các yếu tố để định vị trí cửa hầm tuyến bình đồ trắc ngang đờng, điều kiện địa hình, địa chất khu vực cửa hầm Các điều kiện địa chất xung quanh khu vực cửa hầm khó mong đợi đợc khả tự chống đỡ đất đá tầng phủ mỏng điều kiện địa chất không thuận lợi Để có hiệu ứng vòm đất xung quanh hầm, độ dày tối thiểu lớp phủ phải lớn lần đờng kính hầm - Mặt cắt ngang hầm: Kích thớc hầm mặt cắt bên hầm đợc ớc tính theo loại mục đích sử dụng Mặt cắt bên hầm phù hợp theo kích thớc hầm, thiết bị thông gió, thiết bị chiếu sáng, thiết bị cấp cứu, biển báo dung sai cho phép sai sót thi công - Thiết kế khu vực cửa hầm 2.2 Khảo sát chi tiết phân loại đất đá khu vực tuyến hầm Loại đá đợc đánh giá dựa vào điều kiện địa chất, màu sắc bề mặt đá, phân bố khe nứt cú đập búa địa chất Loại hệ thống chống đỡ đợc phân loại theo tiêu chuẩn kỹ thuật (chiều dày bê tông phun, chiều dài, khoảng cách neo đá, kết cấu khung thép) Loại đá hệ thống chống đỡ có liên quan với qua hệ thống phân loại điểm số khối đá (RMR) Hệ thống phân loại điểm số khối đá (RMR) đợc xác định dựa thông số: Độ bền nén đơn trục đá, số chất lợng đá RQD, khoảng cách khe nứt, tình trạng nớc ngầm, định hớng khe nứt 2.3 Xử lý số liệu để phân tích thiết kế Số liệu địa chất đợc đệ trình kết kiểm tra địa kỹ thuật địa chất theo yêu cầu cần phải đợc đánh giá theo quan điểm kỹ s hầm Các công việc phân tích thí nghiệm phòng, đánh giá tính chát vật lý khối đá, tính chất vật lý sử dụng tính toán thiết kế 2.4 Tính toán thiết kế Phơng pháp NATM phơng pháp sử dụng bê tông phun neo đá nh yếu tố chống đỡ để ổn định hầm Cờng độ bê tông phun neo đá đợc tăng lên theo thời gian Vì vậy, yếu tố thời gian quan trọng thiết kế chống đỡ hầm Nhân tố giải phóng ứng suất (tác động chiều gơng hầm) nhân tố có tác động tơng tự nh yếu tố thời gian thờng đợc áp dụng thiết kế hầm đợc đào theo phơng pháp khoan nổ mìn phơng pháp có thành phần hệ thống chống đỡ đợc lắp đặt vùng lân cận xung quanh gơng hầm Dới giới thiệu số phơng pháp tính toán: A Phơng pháp đờng cong phản lực đất đá sử dụng cho thiết kế hệ thống chống đỡ Phơng trình vi phân đàn hồi - dẻo đợc sử dụng để tính toán đờng cong phản lực đất đá Các kiện để giải phơng trình vi phân là: + Kiểu đờng hầm tròn đào môi trờng đồng dới áp lực thuỷ tĩnh + Điều kiện uốn khối đất đá đợc tính theo tiêu chuẩn đờng cong Morh - Coulomb + Quy tắc dòng chảy đợc áp dụng để tính toán ứng suất sức căng trạng thái dẻo - Mặt cắt thiết kế - Tải trọng thiết kế Điều kiện áp suất thuỷ tĩnh đợc giả thiết tơng ứng với tầng phủ, nghĩa bao gồm áp suất nớc ứng suất xung quanh hầm dự tính cao áp suất nớc kết việc tính toán chuyển sang phía an toàn - Tính toán khả chống đỡ: - Bê tông phun: Bê tông phun đợc xem nh lớp vỏ mỏng hình trụ rỗng có áp suất đồng dạng mặt Khả chống đỡ bê tông phun dịch chuyển bê tông phun đợc tính theo phơng trình cờng độ bê tông phun Pis = c h , Rc U sc = Pis (1 2sc ) E sc h SB - cờng độ neo đá; LB - khoảng cách neo đá dọc theo trục hầm B Khả tới hạn neo đá nhỏ độ bền vật liệu neo đá gần nh với độ bền đinh ốc Khả chống đỡ neo đá đợc điều chỉnh khả tới hạn - Khung thép Phơng trình vỏ ống hình trụ mỏng đợc sử dụng để đánh giá khả chống đỡ khung thép: PiSP = đó: Psi - khả chống đỡ bê tông phun; c - cờng độ đơn trục bê tông phun; h - độ dày lớp bê tông phun; đó: RiSP - khả chống đỡ khung thép; S - độ bền khung thép; Rc - bán kính lớp bê tông phun; AS - diện tích tiết diện khung thép; Usc - chuyển dịch bê tông phun; RS - bán kính khung thép; Esc - mô duyn đàn hồi bê tông phun; sc - hệ số Poison bê tông phun (giả sử sc = 0,2); - Neo đá: Khả chống đỡ neo đá đợc tính theo phơng trình: C B = .R B lB S B Tổng khả chịu tải cho số neo lắp đặt dọc theo đờng kính hầm: PiB = n.C B 2.R L B đó: CB - khả chống đỡ đơn vị neo đá (một neo đá); S A S R S l S lS - khoảng cách khung thép dọc theo trục hầm; Tính toán đờng cong phản lực đất đá: Đờng cong đợc tính toán nh sau: + Toàn áp suất tầng phủ tác động lên hầm + áp suất phân bố sung quanh gơng hầm đợc xác định hệ số giải phóng ứng suất + Hành vi khối đá trạng thái biến dạng đợc mô tả theo đàn hồi dẻo lý tởng R0 - bán kính neo đá; + Bỏ qua nén ép khối đá lB - chiều dài neo đá; Kết đánh giá tính toán B Mô hình phân tích máy Theo đà phát triển ngành công nghệ máy tính, nhiều loại khác mô hình tính số đợc phát triển khắp giới Một phơng pháp điển hình để mô hình hoá phân tích phơng pháp phần tử hữu hạn phơng pháp có lịc sử phát triển gần 40 năm phơng pháp hữu ích để đánh giá phân bố ứng suất sức căng mẫu liên tục Trình tự tính toán: - Tính toán trờng ứng suất ban đầu - Mô thi công đào hầm tính toán ứng suất dịch chuyển xung quanh hầm - Tính toán khu vực uốn thay đổi mô duyn đàn hồi lực kết dính khu vực uốn - Tính toán lại ứng suất dịch chuyển xung quanh hầm - Lập lại bớc Khả chống đỡ đợc tính toán theo phơng pháp ứng suất bên Các bớc thi công phơng pháp NATM Thi công khai đào nổ mìn, máy nhân công Việc khai đào tiến hành toàn mặt cắt, phơng pháp cắt bậc trớc phơng pháp lò phụ trớc, tuỳ thuộc vào điều kiện đất đá, tiết diện mặt cắt ngang, giai đoạn xây dựng, điều kiện địa điểm Việc khai đào hầm đợc thực cho đất đá không bị rời để giữ cho đất đá có chức chống đỗ mức tối đa mặt cắt gơng lớn tốt Bốc xúc đất đá: đợc tiến hành phù hợp với điều kiện đất đá, điều kiện địa điểm, kích thớc mặt cắt ngang hầm, chiều dài đờng hầm, độ dốc, phơng pháp khai đào, hệ thống truyền động đờng hầm, loại bốc xúc, cự ly vận chuyển đến bải thải Thi công hệ thống chống đỡ Công tác chống đỡ đợc tiến hành sau khai đào để tạo cho đất đá xung quanh sớm có chức chống đỡ Hệ thống chống đỡ kết hợp với đất đá bám sát đất đá gần tốt đất đá ổn định Hệ thống chống đỡ phơng pháp NATM gồm: bê tông phun, neo đá khung thép Loại hệ thống chống đỡ đợc chọn tuỳ thuộc vào điều kiện đất đá Khi điều kiện đất đá rắn tiến hành phun vữa, tiếp thi công neo đá Khi điều kiện đất đá yếu: tiến hành phun vữa lần đầu, hệ thống chống thép, phun vữa lần hai, tiếp thi công neo đá Đặc biệt, công tác phun vữa phải đợc tiến hành sau khai đào để giảm thiểu sập gơng làm tơi vùng xung quanh điều kiện đất đá yếu Quan trắc đo đạc biến dạng vỏ hầm Thi công lớp phòng chống nớc Thi công lớp bê tông vỏ hầm Lớp bê tông vỏ hầm đợc thi công biến dạng vỏ hầm số cho phép Trình tự thi công là: Lắp đặt hệ thống ván khuôn, đổ bê tông vỏ hầm Các u nhợc điểm v phạm vi áp dụng phơng pháp NATM - Sử dụng triệt để chống đỡ tự nhiên đất đá xung quanh Vữa phun, neo đá, hệ thống chống đỡ thép bảo đảm ổn định đất đá thi công - Kích thớc mặt cắt ngang lớn thiết kế lớn so với phơng pháp cổ truyền Với mặt cắt lớn NATM hiệu phơng pháp cổ truyền - Đối với đất đá cứng phơng pháp NATM tỏ hiệu Do phơng pháp đợc áp dụng điều kiện đất đá tốt Khi đất đá yếu, rời rạc thi công theo NATM nhiên chi phí tốn phải dùng phơng pháp phụ trợ Kết luận: Trong lĩnh vực thi công hầm, giới tồn nhiều phơng pháp thi công Mỗi phơng pháp thi công có u nhợc điểm riêng Phạm vi áp dụng phơng pháp phụ thuộc vào điều kiện đất đá, chức đờng hầm, điều kiện địa điểm, tác động đến môi trờng xung quanh hiệu kinh tế Với dự án cụ thể cần xem xét, phân tích, đánh giá kỹ điều kiện để lựa chọn phơng pháp thi công hầm hợp lý mặt kỹ thuật, an toàn kinh tế Bài viết giới thiệu đến bạn đọc chung phơng pháp NATM, chi tiết công nghệ trình bày sau Tài liệu tham khảo [1] Japan Society of Civil Engineers - Japanese Standard for mountain Tunneling [2] Hai Van Pass Tunnel Project [3] NATM Training Program (course A & B) Ă ... dày tối thi u lớp phủ phải lớn lần đờng kính hầm - Mặt cắt ngang hầm: Kích thớc hầm mặt cắt bên hầm đợc ớc tính theo loại mục đích sử dụng Mặt cắt bên hầm phù hợp theo kích thớc hầm, thi t bị... lớp phòng chống nớc Thi công lớp bê tông vỏ hầm Lớp bê tông vỏ hầm đợc thi công biến dạng vỏ hầm số cho phép Trình tự thi công là: Lắp đặt hệ thống ván khuôn, đổ bê tông vỏ hầm Các u nhợc điểm... Trong lĩnh vực thi công hầm, giới tồn nhiều phơng pháp thi công Mỗi phơng pháp thi công có u nhợc điểm riêng Phạm vi áp dụng phơng pháp phụ thuộc vào điều kiện đất đá, chức đờng hầm, điều kiện