Cong nghe thi cong NATM

Việc nghiên cứu quy trình thiết kế, thi công công trình ngầm theo NATM, hiểu rõ bản chất của nó để có thể áp dụng trong xây dựng công trình ngầm trong nước nói chung, công trình ngầm quâ

Më ®Çu

Cùng với quá trình đó, công nghệ thi công xây dựng nói chung, công nghệ thiết kế, thi công công trình ngầm ở Việt Nam cũng có những bước phát triển mới Nhiều công nghệ thi công xây dựng công trình ngầm tiên tiến đã và đang được áp dụng ở một số công trình, trong đó có công nghệ NATM (New Austrian Tunnelling Method) Đây là công nghệ tiên tiến, hiện đại được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới, hiện đã và đang được áp dụng có hiệu quả ở Việt Nam Việc nghiên cứu quy trình thiết kế, thi công công trình ngầm theo NATM, hiểu rõ bản chất của nó để có thể áp dụng trong xây dựng công trình ngầm trong nước nói chung, công trình ngầm quân sự nói riêng là rất cần thiết Vì vậy, thi công theo phương pháp Áo mới - NATM được tác giả lựa chọn nghiên cứu trong tiểu luận này

Nội dung cơ bản bao gồm:

1 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ thi công công trình ngầm theo phương pháp NATM

2 Khái niệm và nguyên lý cơ bản

3 Công nghệ thi công hầm theo NATM

4 Trang thiết bị cần thiết dùng trong công nghệ thi công NATM

5 Một số vấn đề trong xây dựng công trình ngầm trong nền đất yếu theo NATM

6 Ưu, nhược điểm của NATM

1 Lịch sử hỡnh thành và phỏt triển cụng nghệ thi cụng cụng trỡnh ngầm theo phương phỏp NATM:

í tưởng thi cụng hầm theo phương phỏp Áo mới (New Austrian Tunneling Method - NATM) được đề xuất bởi giỏo sư người Áo Rabcevicz từ năm 1948, ụng cũng chớnh là người đó phỏt minh ra lớp

vỏ chống đường hầm hai lớp (vỏ chống ban đầu và vỏ chống cuối cựng) Tuy nhiờn, trước đú phải kể đến những ý tưởng và sỏng chế trong xõy dựng đường hầm như: Phỏt minh ra khiờn đào trũn năm

1811 của M.I Brunel; phỏt minh mỏy phun bờ tụng của Akeley năm

1908 và đó được ỏp dụng lần đầu tiờn năm 1914 ở mỏ than Denver (Mỹ) Chớnh những phỏt minh và ý tưởng đú đó thỳc đẩy sự ra đời của NATM Trong những năm 50 của thế kỷ 20 nhiều đường hầm giao thụng, thuỷ điện trong nỳi đá ở Áo, Vờnờzuờla đó bắt đầu được xõy dựng theo NATM Năm 1954 Bruner đó sử dụng bờ tụng phun để làm

ổn định đất trong quỏ trỡnh đào hầm Năm 1955 Rabcevicz đó phỏt triển hệ thống neo trong thi cụng hầm, năm 1960 Mỹller đó ỏp dụng một cỏch cú hệ thống hệ đo đạc thực nghiệm trong thi cụng hầm Đến năm 1962 tại hội nghị địa cơ học lần thứ XIII ở Salzburg (Áo), Rabcevicz đó giới thiệu NATM, năm 1964 lần đầu tiờn tài liệu về thi cụng hầm theo NATM bằng tiếng Anh được xuất bản Năm 1969 lần đầu tiờn ỏp dụng NATM trong đất mềm khi thi cụng hệ thống đường tàu điện ngầm ở Frankfurt (Đức) Cụng nghệ thi cụng đường hầm theo NATM cũn được biết đến dưới một số cỏi tờn khỏc như: phương phỏp đào liờn tục (SEM); phương phỏp chống đỡ bằng bờ tụng phun (SSM; SM) Với tớnh linh hoạt, dễ ỏp dụng trong nhiều điều kiện đất đỏ

khác nhau và có chi phí hợp lý nên NATM được phát triển ở nhiều nước trên thế giới Tạp chí “Tunnel” (tháng 8/2003) đã thống kê, chỉ tính riêng tại Đức có tới hơn 64% các đường hầm giao thông được thi công bằng NATM Ở châu Á, các nước và vùng lãnh thổ sớm áp dụng NATM trong thi công đường hầm là Nhật Bản, Đài Loan, Hàn Quốc, Trung Quốc Cùng theo tiến trình phát triển đó những nguyên lý và kỹ thuật cũng như kinh nghiệm thi công theo NATM cũng được hoàn thiện, bổ sung thêm

2 Khái niệm và các nguyên lý cơ bản:

2.1 Khái niệm :

Việc xác định rõ khái niệm NATM đã thu hút sự quan tâm chú ý của nhiều nhà chuyên môn, nhiều tạp chí kỹ thuật chuyên ngành Vì vậy, vấn đề này đã được xem xét, định nghĩa lại nhiều lần Dưới đây là một số khái niệm đã được đưa ra:

Theo Rabcevicz (1964): “NATM là một phương pháp mới thi công đường hầm gồm lớp vỏ bê tông phun mỏng, khép vòm bằng vòm ngửa vào thời điểm sớm nhất có thể để tạo thành vòng kín - được gọi

là “vòm bổ trợ” Biến dạng của vòm được đo đạc theo thời gian cho đến khi trạng thái cân bằng được xác lập” Rabcevicz đã nhấn mạnh 3 điểm mấu chốt của phương pháp: Đầu tiên là sử dụng lớp vỏ bê tông phun mỏng gia cố trong quá trình đào, thứ hai là khép vòm sớm nhất khi có thể, thứ ba là đo đạc biến dạng một cách có hệ thống

Khái niệm trên được Uỷ ban quốc gia của Áo về thi công công trình ngầm thuộc hiệp hội thi công hầm quốc tế (ITA) định nghĩa lại vào năm 1980 như sau: “Phương pháp đào hầm Áo mới (NATM) dựa

trên cơ sở đất đá xung quanh khoang hầm có khả năng trở thành một thành phần kết cấu mang tải chủ động giống như vòng đất đá chịu lực”

Một số chuyên gia khác cũng nêu ra những khái niệm tương tự về NATM Giáo sư G Sauer (1988) đã phát biểu: “NATM là phương pháp xây dựng công trình ngầm bằng các sử dụng tất cả các điều kiện

có thể để khai thác khả năng tự mang tải cao nhất của đất đá nhằm tạo

ra trạng thái ổn định của khoang hầm”

Khi sử dụng thuật ngữ “tất cả các điều kiện có thể” G Sauer đã định nghĩa về NATM một cách tổng quát hơn những khái niệm trước

đó

2.2 Các nguyên lý cơ bản:

Ban đầu Rabcevicz cùng các đồng nghiệp của ông (Müler, Pacher ) đã đưa ra 22 nguyên lý cơ bản của NATM Trong quá trình phát triển và áp dụng NATM những nguyên lý cơ bản đã được đúc rút lại là:

+ Độ bền vốn có của đất đá phạm vi xung quanh đường hầm cần được giữ vững và chủ động huy động đến mức độ tối đa có thể Như vậy kết cấu hầm được coi là tổ hợp giữa đất đá và vỏ hầm

+ Sự huy động độ bền của đất đá phạm vi xung quanh khoang hầm có thể đạt được bằng kiểm soát (điều chỉnh) biến dạng của đất đá Những biến dạng lớn có thể dẫn đến làm mất khả năng chịu lực hoặc chuyển vị bề mặt lớn cần phải được ngăn ngừa

+ Hệ thống chống đỡ ban đầu chủ yếu được sử dụng gồm hệ thống neo (neo cơ học hoặc neo dính kết, ma sát) và lớp bê tông phun

mỏng linh động (có thể kết hợp với lưới thép tăng cường) nhằm đặt được mục tiêu đã nêu ở phần trên Đôi khi trong trường hợp cần thiết, kết cấu chống đỡ ban đầu bằng các khung vòm thép, vòm dầm dàn thép cũng được sử dụng Vỏ chống vĩnh cửu sử dụng lâu dài chỉ được thi công ở giai đoạn sau

+ Việc khép kín vòm cần được điều chỉnh sao cho thích hợp với điều kiện đất đá trong quá trình đào

+ Những thí nghiệm trong phòng cùng sự giám sát ứng suất, biến dạng của hệ chống đỡ và đất đá cần được thực hiện một cách có hệ thống trong quá trình thi công

+ Chiều dài của nhịp không chống đỡ cần để lại càng ngắn càng tốt

+ Những người tham gia việc thiết kế, thi công, giám sát thi công đường hầm theo NATM cần phải hiểu rõ và chấp thuận những nguyên

lý của NATM đồng thời có phản ứng tích cực hợp tác giải quyết mọi

vấn đề xảy ra trong quá trình thực hiện

3 Công nghệ thi công hầm theo NATM:

3.1 Quy trình thi công hầm theo NATM:

Việc thiết kế quy trình đào và chống đỡ liên tục, nối tiếp nhau trong xây dựng đường hầm là một vấn đề kỹ thuật phức tạp Người thiết kế cần cân nhắc đến một loạt các yếu tố nhằm lựa chọn được một

- Dự kiến trước được biến động của đất đá trong quá trình khai đào

- Có kế hoạch đầy đủ, chi tiết để tiến hành các công việc

- Chuyển vị cho phép

Trong đó yếu tố quan trọng nhất là khảo sát xác định, dự báo trước điều kiện đất đá và sự biến đổi của chúng Vì vậy, sự hiểu biết về bản chất của đất đá cũng như những biến đổi có thể xảy ra trong quá trình thi công hầm là rất quan trọng và cần thiết Những điều kiện đất

đá gặp phải trong quá trình thi công cần được đối chiếu với những dự báo về chúng trong bước thiết kế Điều đó có thể cho phép điều chỉnh việc đào hầm và hệ thống chống đỡ, nhằm cải tiến toàn bộ việc đào hầm một cách tích cực

Quá trình triển khai thi công hầm theo NATM gồm các bước: Các công tác chuẩn bị; lập phương án thi công; thi công đào; chống đỡ ban đầu; đo đạc giám sát ứng suất, biến dạng; thi công lớp phòng nước; thi công lớp vỏ vĩnh cửu (nếu cần) và một số công tác khác Quy trình thi công hầm theo NATM có thể biểu diễn như trong Hình 1

§iÒu chØnh ph−¬ng ph¸p ®μo

Hình 1: Quy trình các bước thi công hầm theo NATM

3.2 Quá trình đào, chống đỡ hầm theo NATM:

Công tác đào, chống đỡ trong xây dựng hầm có vai trò đặc biệt quan trọng và chiếm phần lớn khối lượng công việc thi công hầm Theo NATM quá trình đào, chống đỡ ban đầu là một quá trình liên tục kết hợp, gắn bó chặt chẽ với nhau nhằm huy động được khả năng tự mang tải của khối đất đá xung quanh khoang hầm

+Trong đất đá cứng: Công tác đào hầm thường được tiến hành

bằng việc khoan nổ mìn tương tự như trong phương pháp mỏ Nguyên tắc hạn chế làm lay động đến khối đất đá xung quanh được tuân thủ

chặt chẽ trong quá trình khoan, nổ Trường hợp thi công trong đất đá mềm hơn có thể sử dụng các loại máy đào hầm (một phần gương) hoặc các máy đào thông thường kết hợp với đào thủ công Công tác chống

đỡ ban đầu được tiến hành sớm, lớp vỏ chống ban đầu thường được sử dụng là lớp bê tông phun mỏng kết hợp với hệ neo Việc thi công đào, chống được khuyến cáo là nên sử dụng biện pháp đào toàn bộ mặt cắt Tuy nhiên, đối với những hầm có diện tích mặt cắt lớn hoặc điều kiện đất đá yếu có thể chia thành các phần nhỏ với các hang dẫn, bậc đào khác nhau theo các dạng điển hình từ 1÷8 thể hiện trong hình 2 (hình

vẽ không thể hiện các chi tiết gia cố)

NATM là một phương pháp thi công linh hoạt thể hiện ở chỗ quá trình thi công đào, chống đỡ có thể điều chỉnh phương án đào chống

từ dạng này sang sạng dạng khác dựa trên cơ sở các số liệu đo đạc giám sát ứng suất, biến dạng, thí nghiệm địa kỹ thuật, cơ học thu nhận được tại hiện trường Một số ví dụ về sự điều chỉnh phương án đào đó là:

- Giảm thời gian khép vòm, chẳng hạn như bằng cách thay đổi từ dạng 5 sang dạng 6 để giảm sự lún bề mặt đến mức tối thiểu

- Tăng tốc độ thi công như bằng cách bỏ đi phần vòm ngược nếu chúng không cần thiết và chuyển từ dạng 3 sang dạng 2

tạp hơn và cũng thể hiện được tính linh hoạt của nó Điều đó mô tả trong các thành phần khác nhau của NATM “Toolbox” (hình 3) với các nội dung sau:

i) Sơ đồ và quy trình đào:

+ Dùng biện pháp đào nhiều hang dẫn (nhằm làm giảm diện tích đào) có thể gồm: hang dẫn bậc trên; đào hạ bậc; đào vòm ngửa (đáy); hang dẫn một nửa bậc trên; hạ bậc phần vòm ngửa; hang dẫn bên cạnh(SD);

+ Áp dụng nhiều hang dẫn có vòm ngược gia cố (bằng bê tông phun);

+ Giảm khoảng cách khép vòm, giảm chiều dài chu trình đào;

+ Chia nhỏ mặt cắt ngang thành các vùng: hang dẫn bên (SD); hang dẫn giữa (CD) hoặc nhiều hang dẫn;

+ Đào liên tục, gia cố chống tạm nhanh trong vòng 24h;

ii) Chống đỡ vượt trước:

+ Khử nước, làm khô ở vùng đào (nếu cần thiết sử dụng các ống hút chân không 8);

+ Cừ chống bằng các loại khác nhau như: lưới thép, XM lưới thép

+ Gia cố bằng các ống phụt vữa, tấm kim loại vv (3a);

+ Gia cố bằng hệ vòm ống Barrel (BVM) chiều dài từ 35÷60m (3b);

+ Gia cố bằng hệ neo vượt trước khoan phun vữa xi măng chiều dài tối đa khoảng 20m (3c);

- Phun vữa xi măng trên bề mặt gương đào;

iii) Chống đỡ bề mặt:

+ Gia cố bề mặt bằng cách giữ các mái đất trong quá trình đào; + Gia cố bề mặt bằng lớp gia cố tạm bê tông phun mỏng (2 inches);

+ Đào theo biện pháp từng phần nhỏ;

iv) Tăng cường tường bên:

+ Tăng cường bằng cách mở rộng chân đế của phần bê tông phun (4- nếu có thể);

+ Tận dụng khả năng mang tải ở chân vòm giữa các phần đào bằng phun vữa xi măng, cừ ống thép phun vữa xi măng, xi măng lưới thép – 6;

v) Khép kín vỏ gia cố:

+ Tăng cường chiều dày của lớp bê tông phun (2);

+ Tăng cường số lượng neo (5) và chiều dài của chúng;

+ Sử dụng vòm ngửa gia cố tạm bằng bê tông phun ở hang dẫn trên;

`+ Phun vữa xi măng gia cố toµn bộ bề mặt đất đá xung quanh;

vi) Kết hợp các phương pháp đặc biệt khác:

+ Phương pháp gia cố bằng vòm cong cọc Barrel (BVM-3b)

+ Phương pháp Micro tunneling vv

vii) Sự can thiệp khẩn cấp (dự phòng giải quyết các sự cố):

+ Neo thép cường độ cao chiều dài 3m

+ Dầm thép hoặc gỗ (với các kích cỡ khác nhau để làm trụ chống)

+ Đá, sỏi vụn (đường kính 8÷15cm – gia cố lấp bề mặt tạm thời)

+ Bờ tụng khụ trộn sẵn đúng gúi để sẵn sàng gia cố

Chiều dμi Max & Min

Đμo nhiều đợt ( Vòm ; hạ bậc vμ vòm ngược )

Phần hạ bậc

Dạng

4

Phần vòm

.

Bước gương

đμo

Vòm ngược tạm

Đμo nhiều đợt ( Vòm ; hạ bậc vμ vòm ngược

)

Vòm ngược tạm BTP (chống đỡ khi đμo vòm)

Bước gương

đμo

Mái đất gia

cố

Mái đất gia cố

2 1

3

2 1

Chiều dμi Max &

được xác định theo số bước gương đμo Chiều dμi Max & Min

Hình 2: Các dạng đào và chống đỡ theo NATM

1

2 3

theo sè b−íc g−¬ng ®μo

4 Trang thiết bị cần thiết dùng trong công nghệ thi công

NATM:

Ngoài những trang thiết bị như thi công theo phương pháp truyền

thống, thi công theo NATM do quy trình công nghệ và những đặc

điểm có tính đặc thù nên NATM cần thêm những thiết khác Cụ thể:

4.1 Trang thiết bị dùng trong công nghệ đào hầm:

Tùy điều kiện địa chất thủy văn, đặc trưng cơ học của đá tại khu

vực dự kiến xây dựng (đất đá cứng, đất đá mềm, đất rời…) mà có thể

cần những thiết bị khác nhau Nếu là đất đá cứng có thể áp dụng đào

bằng phương pháp khoan nổ, bằng hệ thống máy đào hoặc kết hợp

Nếu là đất đá yếu hoặc rời có thể dùng các dung dịch hóa học để gia

cố vượt trước để đào hầm, hoặc dùng công nghệ đống băng…Nói

chung, công nghệ đào hầm theo NATM có những đặc điểm giống

phương pháp truyền thống, tuy nhiên tính đồng bộ đòi hỏi lớn hơn

Bảng trang thiết bị đào hầm và chống đỡ:

Mục công tác Trang thiết bị Đặc điểm kỹ

thuật

vụn

Loại bỏ đá rời Máy đào gầu nghịch 0,4m3

Lắp đặt neo, giàn

thép

Trộn bê tông Trạm trôn bê tông 60m3/h

Phòng nước cho

hầm

Súng bắn đanh, máy hàn khí nóng tự động

4.2 Trang thiết bị dùng trong kiểm soát kỹ thuật:

Các trang thiết bị dùng để đánh giá trạng thái của hầm thông

thường là:

- Các thiết bị đo độ dịch chuyển quanh hầm: đo độ lún của đỉnh

vòm, độ hội tụ của vòm và vách hầm thường được đo bằng các giãn

nở kế thước và dây, nhưng để đó kịp thời và chính xác cần phải dùng

thiết bị đo đạc quang học Việc đo độ dịch chuyển trong kiểm soát kỹ thuật để đánh giá biến dạng công trình và trạng thái đất đá xung quanh

là khả thi và phổ biến nhất bởi vì thiết bị đo độ dịch chuyển dễ lắp đặt

và dễ đo;

- Các thiết bị đo ứng suất trong đất đá và trong hệ thống kết cấu chống đỡ: việc đo ứng suất của đất đá (nếu cần thiết) nhằm đánh giá điều kiện ứng suất ban đầu của khu vực xây dựng công trình Có thể dùng vận tốc sóng địa chấn để đánh giá tình trạng đất dá xung quanh công trình Việc đo ứng suất thường rất khó khăn và mất nhiều thời gian mới có được các giá trị ứng suất chính xác trong các hệ thống kết cấu chống đỡ và đất đá xung quanh công trình hầm Phải tiến hành lắp đặt các thiết bị đo ngay sau khi đào và lắp đặt hệ thống kết cấu chống

đỡ, đồng thời phải nhanh chóng xác định các giá trị số liệu đo đạc đầu tiên để làm cơ sở so sánh;

- Các thiết bị đo tải trọng dọc trục của neo đá

4.3 Trang thiết bị dùng trong chống đỡ lần đầu và xây dựng vỏ hầm vĩnh cửu:

Chống đỡ lần đầu trong NATM chủ yếu dúng bê tông phun hoặc

bê tông phun kết hợp với neo Các thiết bị cần thiết như đã nói ở quy trình đào và chống đỡ theo NATM

5 Một số vấn đề trong xây dựng công trình ngầm trong nền đất yếu theo NATM

5.1 Giới thiệu chung:

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