nghiên cứu quytrình thiết kế, thi công công trình ngầm theo NATM -áo mới

Việc nghiên cứu quytrình thiết kế, thi công công trình ngầm theo NATM, hiểu rõ bản chất của nó để cóthể áp dụng trong xây dựng công trình ngầm trong nước nói chung, công trình ngầmquân s

MỞ ĐAU

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 Nhiềucông nghệ thi công xây dựng công trình ngầm tiên tiến đã và đang được áp dụng ởmột số công trình, trong đó có công nghệ NATM (New Austrian TunnellingMethod) Đây là công nghệ tiên tiến, hiện đại được áp dụng ở nhiều nước trên thếgiới, hiện đã và đang được áp dụng có hiệu quả ở Việt Nam Việc nghiên cứu quytrình thiết kế, thi công công trình ngầm theo NATM, hiểu rõ bản chất của nó để cóthể áp dụng trong xây dựng công trình ngầm trong nước nói chung, công trình ngầmquân 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 theophương 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

NATM

6 Ưu, nhược điểm của NATM

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

Ý tưởng thi công hầm theo phương pháp Áo mới (New Austrian TunnelingMethod - NATM) được đề xuất bởi giáo sư người Áo Rabcevicz từ năm 1948, ông

cũng chính là người đã phát minh ra lớp vỏ chống đường hầm hai lớp (vỏ

chống ban đầu và vỏ chống cuối

trong xây dựng đường hầm như: Phát minh ra khiên đào tròn năm 1811 của M.I

(Mỹ) Chính những phát minh và ý tưởng đó đã thúc đẩy sự ra đời của NATM.Trong những năm 50 của thế kỷ 20 nhiều đường hầm giao thông, thuỷ điện trong núi

đá ở Áo, Vênêzuêla đã bắt đầu được xây dựng theo NATM Năm 1954 Bruner đã sửdụng bê tông phun để làm ổn định đất trong quá trình đào hầm Năm 1955Rabcevicz đã phát triển hệ thống neo trong thi công hầm, năm 1960 Muller đã ápdụng một cách có hệ thống hệ đo đạc thực nghiệm trong thi công hầm Đến năm

1962 tại hội nghị địa cơ học lần thứ XIII ở Salzburg (Áo), Rabcevicz đã giới thiệuNATM, năm 1964 lần đầu tiên tài liệu về thi công hầm theo NATM bằng tiếng Anhđược xuất bản Năm 1969 lần đầu tiên áp dụng NATM trong đất mềm khi thi công

hệ thống đường tàu điện ngầm ở Frankfurt (Đức) Công nghệ thi công đường hầmtheo NATM còn được biết đến dưới một số cái tên khác như: phương pháp đào liêntục (SEM); phương pháp chống đỡ bằng bê tông phun (SSM; SM)

đá 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 tínhriêng 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 cũngđược hoàn thiện, bổ sung thêm

2 Khái niệm và các nguyên lý cơ bản:

Việc xác định rõ khái niệm NATM đã thu hút sự quan tâm chú ý của nhiều nhàchuyên môn, nhiều tạp chí kỹ thuật chuyên ngành Vì vậy, vấn đề này đã được xemxét, 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 hầmgồm 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 đođạc theo thời gian cho đến khi trạng thái cân bằng được xác lập” Rabcevicz đã nhấnmạnh 3 điểm mấu chốt của phương pháp: Đầu tiên là sử dụng lớp vỏ bê tông phunmỏng 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 ngầmthuộc 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 chịulực”

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 trìnhngầm bằng các sử dụng tất cả các điều kiện có thể để khai thác khả năng tự mang tảicao 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 vềNATM một cách tổng quát hơn những khái niệm trước đó

Ban đầu Rabcevicz cùng các đồng nghiệp của ông (Mủler, Pacher ) đã đưa ra

22 nguyên lý cơ bản của NATM Trong quá trình phát triển và áp dụng NATMnhững 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 giữvững và chủ động huy động đến mức độ tối đa có thể Như vậy kết cấu hầm đượccoi 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 đạtđược bằng kiểm soát (điều chỉnh) biến dạng của đất đá Những biến dạng lớn có thểdẫn đến làm mất khả năng chịu lực hoặc chuyển vị bề mặt lớn cần phải được ngănngừa

+ Hệ thống chống đỡ ban đầu chủ yếu được sử dụng gồm hệ thống neo (neo cơhọc hoặc neo dính kết, ma sát) và lớp bê tông phun mỏng linh động (có thể kết hợpvới lưới thép tăng cường) nhằm đặt được mục tiêu đã nêu ở phần trên Đôi khi trongtrường hợp cần thiết, kết cấu chống đỡ ban đầu bằng các khung vòm thép, vòm dầmdàn thép cũng được sử dụng Vỏ chống vĩnh cửu sử dụng lâu dài chỉ được thi công ởgiai 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 hệthống 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 hầmtheo 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:

Việc thiết kế quy trình đào và chống đỡ liên tục, nối tiếp nhau trong xây dựngđường hầm là một vấn đề kỹ thuật phức tạp Người thiết kế cần cân nhắc đến mộtloạt các yếu tố nhằm lựa chọn được một hệ thống thích hợp nhất Những yếu tố đó

có thể gồm:

- Hình dạng, kích thước và đường hầm (mặt bằng, mặt cắt)

- Tính chất và số lượng các bộ phận chống đỡ được sử dụng

- Khảo sát và chẩn đoán trước được những điều kiện địa tầng

đào

- Chuyển vị cho phép

Trong đó yếu tố quan trọng nhất là khảo sát xác định, dự báo

trước điêu kiện đất đá và sự biến đổi của chúng Vì vậy, sự hiểu biết vê bản chất củađất đá cũng như những biến đổi có thể xảy ra trong quá trình thi công hầm là rấtquan trọng và cần thiết Những điêu kiện đất đá gặp phải trong quá trình thi côngcần được đối chiếu với những dự báo vê chúng trong bước thiết kế Điêu đó có thểcho phép điêu chỉnh việc đào hầm và hệ thống chống đỡ, nhằm cải tiến toàn bộ việcđào hầm một cách tích cực

Quá trình triển khai thi công hầm theo NATM gồm các bước: Các công tácchuẩn 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) vàmột số công tác khác Quy trình thi công hầm theo NATM có thể biểu diễn nhưtrong Hình 1

Í S

o

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

Công tác đào, chống đỡ trong xây dựng hầm có vai trò đặc biệt quan trọng vàchiếm 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 nhằmhuy 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 layđộng 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 cóthể sử dụng các loại máy đào hầm (một phần gương) hoặc các máy đào thôngthường 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 hệneo Việc thi công đào, chống được khuyến cáo là nên sử dụng biện pháp đào toàn

đất đá yếu có thể chia thành các phần nhỏ với các hang dẫn, bậc đào khác nhau theocác dạng điển hình từ 1^8 thể hiện trong hình 2 (hình vẽ không thể hiện các chi tiếtgia cố)

NATM là một phương pháp thi công linh hoạt thể hiện ở chỗ quá trình thi côngđào, chống đỡ có thể điều chỉnh phương án đào chống từ dạng này sang sạng dạngkhác 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 chỉnhphương án đào đó là:

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 khôngcần thiết và chuyển từ dạng 3 sang dạng 2

+Trong đất mềm yếu: quá trình đào, chống đỡ theo NATM phức tạp hơn và

trong các thành phần khác nhau của NATM “Toolbox” (hình 3) với các nội dungsau:

i) Sơ đồ và quy trình đào:

+ Dùng biện pháp đào nhiều hang dẫn (nhằm làm giảm diện tích đào) có thể

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 chânkhông 8);

+ Cừ chốngbằng 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

+ 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 cóthể);

+ Tận dụng khả năng mang tải ở chân vòm giữa các phần đào bằng phun vữa ximăng, 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 toàn bộ bề mặt đất đá xung quanh;

vi) Kết hợp các phương pháp đặc biệt khác:

+ Đào dưới khí nén;

+ Đào trong đất đóng băng ( biện pháp hoá cứng đất bằng làm lạnh)

+ Phương pháp mở các khung hở (DSM - Dorrframe slab method)

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

+ Phương pháp Micro tunneling vv

vii) Sự can thiệp khẩn cấp (dựphòng 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)

+ Bê tông khô trộn sẵn đóng gói để sẵn sàng gia cố.

/ \ Vòm ngược

/ - ' '

(chỐA^đõ khi đào vòm)

Bước gưang đào -

i _I i i _1 I i 1 1 I I _^^ _

Chiều dài Max & Min được xác định theo số bước gương

DẠNG 6

ĐÀQ NHIỀU ĐỢT ( VÒM ; HẠ BẬC VÀ VÒM NGƯỢC )

© Hệ neo gia cố

© Hệ ống thép phun vữa XM hope XM lưới thép © Vòm ngược bê tông phun tạm cho đào hang dân trên © ống hút nước là khô vùng đào © Phun bê tông chống đõ mạt gương đào

0 Mái đốt chống đõ mạt gương © Lớp bê tông phun mỏng © ống phụt vữa, tấm kim loại gia cố © Hệ vòm ống thép phụt vữa (BVM)

© Hệ neo vượt trước khoan phun dài tối đa 20m © Mở rộng phân đế bê tông phun

Hình 1.4: NATM “Toolbox'

4 Trang thiêt bị cân thiêt dùng trong công nghệ thi công NATM:

Ngoài những trang thiết bị như thi công theo phương pháp truyềnthống, 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 khuvực dự kiến xây dựng (đất đá cứng, đất đá mềm, đất rời ) mà có thểcần những thiết bị khác nhau Nếu là đất đá cứng có thể áp dụng đàobằng 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 vượttrước để đào hầm, hoặc dùng công nghệ đống băng.Nói chung, côngnghệ đào hầm theo NATM có những đặc điểm giống phương pháptruyền thống, tuy nhiên tính đồng bộ đòi hỏi lớn hơn

Bảng trang thiêt bị đào hâm và chống đỡ:

Mục công tác Trang thiêt bị

Đặc điểm kỹ thuât

4.2 Trang thiết bị dùng trong kiểm soát kỹ thuật:

Các trang thiết bị dùng để đánh giá trạng thái của hầm thôngthường là:

Mục công tác Trang thiết bị Đặc điểm kỹ

thuât

•

vụn

Lắp đặt neo, giàn

thép

Đưa bê tông và

Phòng nước cho

hầm

Súng bắn đanh, máy hànkhí nóng tự động

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

15

cấu chống đỡ: việc đo ứng suất của đất đá (nếu cần thiết) nhằm đánhgiá điều kiện ứng suất ban đầu của khu vực xây dựng công trình Cóthể dùng vận tốc sóng địa chấn để đánh giá tình trạng đất dá xungquanh công trình Việc đo ứng suất thường rất khó khăn và mất nhiềuthời gian mới có được các giá trị ứng suất chính xác trong các hệ thốngkết cấu chống đỡ và đất đá xung quanh công trình hầm Phải tiến hànhlắp đặt các thiết bị đo ngay sau khi đào và lắp đặt hệ thống kết cấuchống đỡ, đồng thời phải nhanh chóng xác định các giá trị số liệu đođạc đầu tiên để làm cơ sở so sánh;

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

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 quytrình đào và chống đỡ theo NATM

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

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

đào Đặc biệt là khi xây dựng công trình ngầm trong đô thị với mật độcác công trình xây dựng dày đặc bên trên mặt đất Sự biến dạng của đấtnền trong quá trình thi công công trình ngầm không chỉ gây ảnh hưởngtrực tiếp cho bản thân công trình ngầm mà còn gây hư hỏng các côngtrình đã được xây dựng trên đó Hiện nay, nhiều tranh luận về việc ápdụng NATM và tên gọi của nó khi xây dựng công trình ngầm trong đấtmềm yếu Một số chuyên gia cho rằng, đối với các loại đất mềm yếu

mà còn sử dụng được hệ thống kết cấu chống đỡ trên toàn bộ gươngđào trong một chiều dài đào đủ ngắn nào đó thì NATM vẫn còn thíchhợp Khi đó hệ thống kết cấu chống đỡ ban đầu thường phải dùng bêtông phun.Tại Anh, ICE (Institution of Civil Engineers) đề nghịphương pháp này là phương pháp tạo vỏ hầm bằng bê tông phụt(Sprayed Concrete Linings - SCL) Tại Hoa Kỳ, một số người đề nghịgọi phương pháp này là phương pháp đào tuần tự (SequentialExcavation Method - SEM) Đặc biệt dù đã rất cẩn thận khi quá trìnhxây dựng công trình ngầm trong nền đất yếu, nhưng trên thế giới, rấtnhiều sự cố gây sụp đổ các công trình và chết người đã xảy ra Theobáo cáo thống kê của Tổ chức Sức khoẻ và An toàn của Anh (BritishHealth and Safety Executive - HSE) năm 1996, đã ghi nhận và phântích 39 sự cố khi xây dựng công trình ngầm trong nền đất yếu theoNATM Chính vì vậy khi gặp các loại đất mềm yếu và kém ổn định khiđào, các chuyên gia khuyên nên nghĩ các phương pháp xây dựng khácnhư phương pháp đào và đắp (Cut and Cover Method) khi chiều sâuđào không quá lớn, hoặc sử dụng phương pháp khiên đào (ShieldTunnelling Method) và máy đào hầm (Tunnel Boring Machine)