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 bản quyền sáng chế phát minh của mình. Tư tưởng (hay triết lý) chủ đạo của phương pháp này là: khối đá chứa công trình ngầm (CTN) cần được tận dụng thành một bộ phận mang tải cơ bản của công trình, khối đá sẽ cùng với các thành phần kết cấu chống khác giữ ổn định công trình trong giai đoạn thi công cũng như trong giai đoạn sử dụng. Yêu cầu này chỉ có thể đạt được khi sử dụng một chu trình đào và chống giữ công trình một cách hợp lý. Song trong thực tế, một điều đã được thừa nhận: Xây dựng các công trình ngầm là một lĩnh vực mang tính nghệ thuật.
Nh Trỏng NATM Chng III Phương pháp thi công hầm áo NATM Phng phỏp thi công hầm Áo 3.1 Khái quát Trong thập kỷ 50, 60 kỷ 20, quan điểm xây dựng cơng trình ngầm nêu trao đổi mạnh mẽ Cơ sở quan điểm mặt dựa nhận thức yếu tố thời gian thường gặp q trình xây dựng cơng trình ngầm, theo luận điểm Rabcewicz (1944) phân tích; mặt khác dựa suy luận tác động tương hỗ tích cực, thụ động khối đá kết cấu công trình ngầm, nhiều tác giả phân tích, minh chứng định tính Pacher (1964), Rabcewicz (1963, 1965, 1969), sau định lượng Egger (1973) Đồng thời cơng trình Sondderegger (1956) tác giả Brunner (1955), người thi cơng nhiều cơng trình ngầm thành cơng, đặc biệt Rabcewicz (1961) phân tích tỷ mỷ việc bảo vệ khoảng trống sau đào bê tông phun Theo tác giả này, với bê tơng phun trám bít nhanh có hiệu khoảng trống đào ra, hệ trước nhận xét lưu ý Heim (1905), Rothpeletz (1918), Maillart (1923), Andrea (1925,1926) Sự tổng hợp ba vấn đề, gồm hai vấn đề mang tính lý thuyết với nhận thức thực tế, cụ thể ảnh hưởng yếu tố thời gian, tác dụng tương hỗ khối đá kết cấu cơng trình khả trám bít bề mặt khoảng trống, dẫn đến hình thành đường xây dựng cơng trình ngầm Trên sở Rabcewicz (1963) đưa khái niệm mới, nhiều người cho có ý nghĩa lịch sử, „Phương pháp thi cơng hầm Áo‟ báo cáo Đương nhiên, phương pháp (đúng nghĩa hiểu theo tiếng áo phương thức) đào hầm này, ý đến kinh nghiệm, nghiên cứu áp lực đất/đá mối liên quan áp lực đất/đá với công nghệ thi công, với vấn đề địa học phương thức thi công, nhiều nhà khoa học, chuyên gia thực tế đúc rút tổng hợp, Bierbaumer, Ưrlay, Rabcewicz, Stini, Terzaghi Tschernig Bêtơng phun yếu tố bảo vệ phương pháp thi cơng hầm áo khẳng định tính kinh tế rõ ràng Phương pháp thi công này, theo đăng kí quyền Rabcewiez có đặc điểm sau: Rabecwicz, L.v.: Patentschrift Österreichisches Paten Nr.165573 (1948) Rabecwicz, L.v.: Gebirgsdruck und Tunnelbau Wien 1944 Phương pháp thi công hầm Áo quan tâm chủ yếu đến ba loại kết cấu là: bêtông phun, neo khung thép hình khung thép hàn tổ hợp, sử dụng riêng rẽ phối hợp Nhờ có lớp vỏ mỏng bêtơng phun nên tượng dịch chuyển, tơi rời khối đá hạn chế trình biến đổi học lan rộng vào khối đá, qua hình thành “vành chịu tải” khối đá Kết cấu chống xây dựng sau phải tiếp nhận tải trọng tác dụng nhỏ thiết kế với kích thước nhỏ Đo đạc biến dạng, dịch chuyển khối đá kết hợp với thi cơng nhanh kết cấu hay vòm ngược phía nền, tạo sở cho định, nhận định tính tốn thi cơng Như vậy, cốt lõi „phương pháp thi cơng hầm Áo‟ sử dụng bê tông phun Đỗ Như Tráng NATM làm kết cấu chống tạm, hay bảo vệ, nhanh, kịp thời Cũng vậy, nhiều nhà khoa học thực tế khác Châu Âu quan niệm phương pháp thi công hầm áo dạng „phương pháp-hay phương thức bê tông phun‟, nhiều nơi sử dụng Mặt khác ngồi bê tơng phun, kết cấu chống tạm hay bảo vệ khác sử dụng độc lập hay phối hợp neo, khung thép, cọc, ván ; sơ đồ thi công xây dựng sở sơ đồ thi công kinh điển, Châu âu, phạm vi áp dụng coi „phương pháp thi công hầm Áo‟ giới hạn lại (hình 2.2), cụ thể phạm vi khối đá từ ổn định đến tróc lở Khi khối đá có biểu tróc lở mạnh đến có áp lực mạnh, phương pháp thi cơng thực theo ngun tắc đón đỡ, hay theo phương pháp thi công Bỉ Khi biểu khối đá thuộc nhóm từ áp lực mạnh đến dạng tơi rời, chảy, phương pháp thi cơng hợp lý phương pháp chia gương có nhân đỡ (đào đường lò hay đường hầm hai bên hơng trước đào phía sau), gọi phương pháp thi cơng (có nhân đỡ) Đức Các phương pháp coi phương pháp cổ điển, tùy theo sơ đồ đào sơ đồ thi công Tuy nhiên, bê tông phun với vai trò làm chức bảo vệ sử dụng sớm, song lần chuyên gia Áo phân tích kỹ xây dựng thành phương pháp, giới khái niệm phương pháp thi công hầm Áo áp dụng rộng rãi quen biết với khái nim NATM (New Austrian Tunneling Method) Hình 3.1 Phạm vi ứng dụng ph-ơng pháp NATM Trong thc t cú nhiều tác giả nêu quan điểm nghi ngờ NATM, MUIR WOOD (1973) hay KOVARI (1993), song NATM áp dụng thành công nhiều nước giới Hình ảnh NATM, đào phương pháp khoan-nổ mìn, thể tổng thể hình 3.3 Nhật Đỗ Như Tráng NATM Hình 3.2 Sơ đồ cơng nghệ thi cơng NATM đá cứng Hình 3.2 ví dụ sơ đồ thi công NATM đá rắn cứng sử dụng kết cấu chống tạm bê tông phun neo, theo sơ đồ hạ bậc có vòm Hình 3.3 sơ đồ thi cơng đá bở rời, cho thấy khác nhau, sử dụng bê tông phun Ở đây, để bảo vệ phải sử dụng ván thép (cọc thép) tạo vòm hay ô bảo vệ trước đào tiến gương Hình 3.3 Sơ đồ thi công hầm đất đá lở rời Đỗ Như Tráng NATM Hình 3.4 Thi cơng khối đá bở rời, sử dụng ván thép tạo ô bảo vệ Để hiểu chất lý luận NATM, Mueller tổng hợp thành 21 nguyên lý NATM, cụ thể là: Mueller, L: Der Felsbau 3Bd: Tunnelbau Stuttgart Ferdinand Enke Verlag 1978 Bộ phận chịu tải kết cấu cơng trình ngầm khối đá Để cho khối đá tiếp nhận tác động trình biến đổi vật chất (phân bố lại ứng suất) thi công xây dựng công trình ngầm, cần thiết phải giữ gìn khối đá trạng thái không độ bền nguyên thuỷ (ban đầu) (hoặc suy giảm mức độ nhỏ tối thiểu) Vì khối đá tiếp nhận biến dạng giảm tải (dãn nở) chất tải thêm, cần thiết phải loại trừ trạng thái ứng suất hai trục đơn trục Phù hợp với yêu cầu trên, nên thành phần biến dạng khối đá mặt phép phát triển chừng mực cho phản ứng chống lại trạng thái biến dạng khu vực xung quanh công trình ngầm huy động, để hình thành “vùng bảo vệ” quanh khoảng trống ngăn chặn dịch chuyển khối đá phía khoảng trống Mặt khác dịch chuyển khối đá cần phải hạn chế mức giới hạn cho cường độ mức độ phát triển khơng hình thành vùng tơi rời tải nhờ không gây giảm bền tổn hại đến khả chịu tải Để đạt mục tiêu kết cấu bảo vệ chống giữ tạm sử dụng Chức phải điều chỉnh biến dạng khối đá thơng qua hình thành phản lực kết cấu phát triển kháng lực tích cực theo ý nghĩa Nó khơng phải tiếp nhận khối đá giảm bền gây nên, mà có nhiệm vụ đảm bảo giữ khối đá trạng thái có khả mang tải, chống lại tượng tơi rời giảm bền Để đáp ứng mục tiêu cách tối ưu, kết cấu chống cần “lắp dựng” thời điểm, nghĩa là nhanh có thể, mà khơng q sớm không muộn, nhằm tạo tác động thuận lợi Thời gian cần có để khối đá biến dạng lựa chọn tận dụng cho phản lực kết cấu chống đủ phát triển trước xuất hiện tượng giảm bền, hỗ trợ hình thành vùng bảo vệ Để đạt điều phải ý đến yếu tố thời gian, đặc thù loại khối đá phải có nhận định, đánh giá đắn theo đặc điểm Phục vụ nguyên lý mặt thí nghiệm trước khối đá mặt khác Đỗ Như Tráng NATM công tác đo dịch chuyển biến dạng trình thi công Để bảo vệ khối đá, sử dụng bê tông phun khả đảm bảo liên kết cần thiết khắp phản ứng tác dụng tăng theo thời gian, thường kết hợp với neo lưới bảo vệ, với khung thép Nó khơng hoạt động theo ý nghĩa vỏ vòm mang tải, mà phận liên kết chốt giữ kết cấu tổng thể bao gồm bê tông, thép khối đá Trong nhiều loại khối đá cần sử dụng hệ thống bảo vệ riêng rẽ bê tông phun với khung chống, có khơng có neo, khơng có khung chống riêng bê tông phun, neo 10 Vỏ bê tơng phun thích ứng chức tĩnh học, không ý đến liên kết với khối đá, nhờ tính chất biến dạng tính chất bền tổng thể kết cấu lắp dựng, dạng vỏ mỏng dễ uốn Sự suy giảm ứng suất uốn, trạng thái biến dạng huy động phản lực vỏ chống, hình thành nhờ biểu dẻo từ biến vỏ hỗn hợp thích hợp bê tơng phun 11 Tương ứng với quan điểm xem cơng trình ngầm ống dày, phần kết cấu lắp ghép vào thời điểm đòi hỏi vỏ bê tông phun phải nhận tải theo chức tĩnh học 12 Lớp vỏ (trong trường hợp định cấu thành với kết cấu neo) xem phận kết cấu tổng thể, chừng chúng khơng bị phá huỷ ăn mòn đòi hỏi phải bảo vệ chống ăn mòn 13 Khoảng thời gian xảy q trình gọi thời gian khép liền kết cấu yếu tố thi công điều kiện địa chất phức tạp cho việc phân tích (dự đốn nhờ vào thử nghiệm trước tiến hành thi công kiểm chứng điều chỉnh nhờ kết đo đạc q trình thi cơng) 14 Hình dạng đường hầm phải ý đến việc xem kết cấu ống kín mặt tĩnh học, ưu tiên sử dụng tiết diện trơn chu - hình tròn hay hình ơvan, loại trừ tập trung ứng suất có góc Do khơng mở rộng vai vòm khơng sử dụng kết cấu đế móng rộng 15 Để hạn chế số lượt trình phân bố lại ứng suất giao cắt “vỏ bảo vệ”, nên cố gắng thi công đào với cơng đoạn ưu tiên đào tồn tiết diện thi cơng tồn tiết diện với phần vòm tiến trước 16 Để tăng cường mức độ an toàn để lắp dựng lớp ngăn cách nước cần có lớp vỏ thứ hai đủ mảnh, liên kết nhờ chịu tải (không liên kết ma sát chịu cắt (chống trượt)) không chịu ứng suất uốn 17 Lớp vỏ vỏ tăng cường nhờ đặt cốt, khung thép hình vòm đặt cốt cho lớp bê tông phun Trong nhiều trường hợp thực cách tăng mật độ chiều dài neo 18 Khi có nhận định phải tăng tính ổn định độ ổn định cho kết cấu tổng thể, cần thiết phải tăng cường giảm chiều dài, chiều dày kết cấu khẳng định; việc phân tích dựa vào kết đo dịch chuyển hội tụ cơng trình 19 Để xác định kích thước lớp vỏ ngồi phải tiến hành đo ứng suất bê tông ứng suất tiếp xúc lớp vỏ khối đá 20 Nếu lớp tính tốn đủ khỏe lớp thiết kế với vai trò dự trữ bền Đỗ Như Tráng NATM Còn lớp ngồi có cấu tạo yếu phải tính đến khả bị han rỉ q trình sử dụng lớp tính tốn khơng để đảm bảo dự trữ bền mà phải có chức đảm bảo ổn định hệ thống 21 Để chống lại áp lực nước từ phía ngồi áp lực nước chuyển động dòng khối đá lớp vỏ ngồi nhiều lớp vỏ phải bố trí ống nhận nước hệ thống thoát nước Sau đây, để hiểu NATM, tổng hợp nguyên lý trình bày hai nguyên tắc Các tài liệu công bố liên quan với NATM nhiều, cho phép tìm hiểu đầy đủ kỹ 3.2 Nguyên tắc thứ Nguyên tắc thứ „Bộ phận chịu tải kết cấu bảo vệ khối đá‟, thể hình 3.5 Nếu lý thuyết cổ điển, „kết cấu chống‟ thiết kế phải tiếp nhận toàn áp lực đất/đá, thi vùng khối đá gần, xung quanh cơng trình ngầm, hình thành vành hày vùng nhận tải, có kể đến vỏ bê tơng phun mỏng Trước khối đá khơng coi có chức tĩnh học, mà nguồn gây tải trọng Hình 2.5 Nguyên tắc thứ NATM: Bộ phận chị u tải Từ hình thành hai yêu cầu khác công tác thi công thiết kế Yêu cầu thứ công tác thi công Muốn cho phận khối đá xung quanh khoảng trống tạo thành vành nhận tải (có tác dụng tĩnh học), khả chịu tải (độ bền) khối đá, sau đào khoảng trống ngầm, phải bảo tồn Bởi biến dạng tơi rời gây tượng giảm bền khối đá, vậy: cần pháp áp dụng phương pháp thi công „bảo dưỡng khối đá‟, chẳng hạn đào máy hay đào khoan-nổ mìn tạo biên; cần phải biện pháp lắp dựng kết cấu chống bảo vệ sau đào, hay nói cách khác mặt lộ khơng để trống sau đào; kết cấu bảo vệ phải có liên kết lực với khối đá khơng để lại khoảng hở, lỗ trống (hình 3.6, hình 3.7), khối đá kết cấu phải có tác dụng khối tổ hợp Sự có mặt khoảng hở, lỗ trống, làm tăng khả biến dạng lấp kín dẫn đến Đỗ Như Tráng NATM tơi rời Hình 3.6 Lắp dựng kết cấu bảo vệ mặt lộ khối đá Hình 3.7 Tiếp xúc kín chịu lực khối dá kết cấu bảo vệ Hai đòi hỏi cuối thỏa mãn, cách tạo lớp vỏ bê tông phun lên mặt lộ khối đá Nhiều trường hợp cần phải gia cố khối đá, cải thiện độ bền Điều thực nhờ hệ thống neo, vừa có khả tăng bền, vừa cải thiện trạng thái ứng suất khối đá hình 3.8 Nếu giả thiết khả chịu tải khối đá mơ hình hóa tiêu chuẩn MohrCoulomb = .tg + c, trước neo phun bê tông, khả nhận tải tối đa khối đá biên N* (độ bền nén trục) Nhờ có thành phần ứng suất r, hình thành lắp dựng hệ thống neo bê tông phun, khối đá tiếp nhận ứng suất tác dụng tiếp tuyến lớn > N* (hình 2-10) Đỗ Như Tráng NATM Hình 3.8 Cải thiện trạng thái ứng suất nhờ hệ thống neo Yêu cầu thứ hai cơng tác thi cơng Muốn có vành nhận tải xung quanh khoảng trống ngầm, cần thiết phải tạo điều kiện cho khối đá để hình thành vành nhận tải hay vành có tác dụng tĩnh học Vành nhận tải coi vỏ ống dày, từ vật liệu tổ hợp (bao gồm neo, khối đá, vỏ bê tông phun), tạm coi từ lớp khác (khối đá, vỏ bê tông phun) Từ yêu cầu dẫn đến nguyên lý phù hợp cho công tác thi công, cụ thể: Để cho vành nhận tải hình thành tác dụng áp lực nén, thiết phải xuất biến dạng hướng tâm phía khoảng trống Điều đòi hỏi vỏ bảo vệ mong, có khả biến dạng (hình 3.9); Vì ống dày có biểu tĩnh học, liên tục, hay kín, khơng bị phân cắt, việc tạo „kết nối vành kín‟có ý nghĩa quan trọng (hình 3.10) Vỏ bảo vệ (kết cấu chống) cần có dạng vành kín, dạng mõm nhái, dạng trứng, để bao bọc kín mặt lộ khoảng trống, khối đá phần không đủ bền để hình thành vành khép kín Như nghĩa không để hở phương pháp cổ điển; Nên sử dụng dạng tiết diện trơn tròn, cạnh gấp khúc, góc dẫn đến trạng thái ứng suất khơng thuận lợi (hình 3.11) Kết nối vành kín cần thực thi kịp thời Chừng chưa kết nối kín, biến dạng phát triển khơng cho phép tạo vành nhận tải (cũng gọi vành bị nén ép), biến dạng khơng có nghĩa Ngồi biến dạng nguy hiểm dẫn đến tượng tơi rời khối đá Do phần vòm nên vượt trước mức độ định (hình 3.12), theo quy luật nhỏ khả mang tải khối đá Khi phần vòm vượt trước nhiều, kết cấu bảo vệ phạm vi phải chịu tác động uốn bất lợi Vành nhận tải tổ hợp (khối đá-kết cấu chống) cần tiếp nhận lực dọc, lực nén Khi kết cấu chống thiết kế dạng vỏ mỏng, làm giảm tác động uốn, tương tự khối đá, lực dọc Đỗ Như Tráng NATM Ngày xưa Bây Hình 3.9 Khả biến dạng, hình thành vành nhận tải nhờ vỏ bảo vệ mỏng khối đá kém, khoảng vượt trước phần vòm ngắn NGÀY XƯA BÂY GIỜ Hình 3.10.Kết cấu dạng vỏ khép kín tạo điều kiện kết nối vành kín Đỗ Như Tráng NATM 3.3 Nguyên tắc thứ hai Nguyên tắc thứ hai là: Tải trọng từ phía khối đá (ứng suất) phần lớn phân bố, truyền vòng xung quanh khoảng trống ngầm, tạo nên tác dụng vòm áp lực quanh khoảng trống, vành nhận tải (khối đá-kết cấu chống) khơng phải tiếp nhận tồn áp lực, mà lại giảm tải (hình 2-15) Suy luận hình thành lý thuyết cổ điển cơng trình ngầm, khái niệm „vỏ bảo vệ‟ Đương nhiên quan niệm vòm hay vỏ bảo vệ hình thành phía khoảng trống khơng nên lẫn với „vành nhận tải‟ Hình 3.11 Các dạng tiết diện trơn tròn, khơng có góc cạnh lồi lõm Hình 3.12 Kết nối vành kín nên kịp thời, nghĩa nâng cao khả chịu tải 10 Đỗ Như Tráng NATM 1,753,69 1 1,2304 RP RP max 5,058 1,2304 1 3,69 R P max 3, 691 = 6,615 m Với cấp áp lực nằm khoảng Pa trên, ta xác định giá trị bán kính vùng biến dạng dẻo tương ứng theo công thức (2) Đồng thời, ta xác định bán kính Rt mà t z theo công thức sau: Rt R P sin 1sin sin Tổng hợp kết tính tốn ta bảng sau: Bảng 13 pa Rpmax R0/Rpmax Rt 6,615 0,764 5,588 0,1 6,145 0,823 5,192 0,2 5,779 0,875 4,883 0,3 5,483 0,922 4,633 0,4 5,236 0,966 4,424 0,484 5,057 1,000 4,272 4.Tính tốn ứng suất theo trạng thái đàn hồi - dẻo a) Trong phạm vi bán kính từ R0 Rpmax đá xung quanh hang đào trạng thái dẻo, ứng suất hướng tâm rp ứng suất tiếp tuyến RP R0 rp p a c cot rp p a c cot b) tâm rp p xác định theo công thức: sin 1sin c cot sin RP sin R0 sin 1sin c cot Đối với vùng nằm bán kính Rp, đá trạng thái đàn hồi, ứng suất hướng ứng suất tiếp tuyến p xác định theo công thức: RP2 Rmax RP re z 1 rp r r2 57 Đỗ Như Tráng NATM RP2 e z 1 r Rmax RP rp r2 Kết tính tốn ghi sau: (1) Trường hợp pa = Mpa Bảng 14 r (m) r 5,057 5,5 Vùng dẻo 0,000 0,116 6,5 6,614 0,267 0,441 1,229 2,215 2,875 1,657 10 11 0,484 Vùng đàn hồi 0,520 0,599 0,665 0,720 0,768 3,016 2,980 2,835 2,780 2,732 10 11 0,704 0,758 0,804 2,796 2,742 2,696 10 0,674 0,736 0,788 2,826 2,764 2,712 2,901 (2) Trường hợp pa = 0,1 Mpa Bảng 15 r (m) r 5,057 5,3 Vùng dẻo 0,100 0,175 5,6 5,9 6,145 0,276 0,368 0,484 Vùng đàn hồi 0,564 0,641 1,598 2,248 2,655 3,016 2,936 1,875 2,859 (3) Trường hợp pa = 0,2 Mpa Bảng 16 r (m) r 5,057 5,2 Vùng dẻo 0,200 0,251 5,4 5,6 5,779 0,327 0,408 0,484 Vùng đàn hồi 0,508 0,601 1,967 2,436 2,733 3,016 2,992 10 0,702 0,726 0,813 2,157 2,901 (4) Trường hợp pa = 0,3 Mpa Bảng 17 r (m) r 5,057 5,15 Vùng dẻo 0,300 0,338 5,25 5,35 5,483 0,380 0,424 0,484 Vùng đàn hồi 0,540 0,630 2,336 2,633 2,794 3,016 2,960 2,870 2,798 2,738 2,687 5,236 10 2,477 (5) Trường hợp pa = 0,4 Mpa Bảng 18 r 5,057 5,05 5,1 5,15 58 Đỗ Như Tráng (m) r NATM Vùng dẻo 0,400 0,420 0,443 0,467 2,705 2,865 2,952 2,779 0,484 Vùng đàn hồi 0,540 0,630 0,702 0,762 0,813 3,016 2,961 2,798 2,738 2,687 2,870 Trường hợp pa = 0,484 Mpa r 0,484Mpa (6) 3,016Mpa 5.Tính tốn chuyển vị vách hang r 3,016Mpa a)Chuyển vị tối đa vách hang u pa ; R p R p max Rmax 1 z sin c cos E R0 P R max u RP max 0,2 1,75 0,574 0,2.0,819 6,615 24000 5,058 u RP max 0,000548 m = 0,548 mm b)Chuyển vị vách hang bắt đầu xuất trạng thái đàn – dẻo, ứng với trạng thái ( pa pa max 0,484MPa; R p R0 ) uk 1 z pa R02 z pa R0 rE E uk 0,2 1,75 0,484 5,058 0,00032 m = 0,32 mm 24000 c)Chuyển vị vách hang bắt đầu xuất trạng thái đàn – dẻo, ứng với trạng thái ( pa pa max ; R0 R p R p max ) Theo công thức: u p R0 R0 c cot 1 z sin c cos 1 sin z E p a c cot Ta rút ra: 59 1sin sin Đỗ Như Tráng NATM u Rp0 R0 1 E z c cot sin c cos 1 sin z pa c cot 1sin sin Thay trị pa = 0,1; 0,2; 0,3; 0,4Mpa vào cơng thức để tính chuyển vị, kết ghi bảng sau: Bảng 19 Pa (Mpa) RP (m) UpR0 (mm) 1,75 5,058 0,000 0,484 5,058 0,328 0,4 5,236 0,343 0.3 5,483 0,376 0.2 5,779 0,418 0.1 6,145 0,473 6,615 0,548 6.Vẽ đường cong quan hệ Pi-Ui a) Vẽ đường cong quan hệ Khi vẽ đường cong quan hệ Pi – UR , để đường cong trơn, ta tính thêm chuyển vị với số cấp áp lực Pa khác, vẽ đường cong theo bảng sau: Bảng 20 Pa (Mpa) 1,75 0,484 0,4 0,35 RP (m) 5,058 5,057 5,236 5,354 5,483 5,624 5,779 5,952 6,145 6,364 6,614 UpR0 (mm) 0,0 0,320 0,343 0,359 0,376 0,396 0,418 0,443 0,473 0,507 0,548 b) 0,3 0,25 0,2 0,15 Đường cong quan hệ thực tế có dạng sau P a (MPa) 1,8 1.7 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Pa,min 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Hình Đường cong quan hệ Pi – UR (đất đá cấp II) 60 Ur (mm) 0,1 0,05 Đỗ Như Tráng NATM 4.4.3.TÍNH TỐN LỚP BÊ TƠNG PHUN (SHOTCRETE) 1.Dựa vào điều kiện cường độ để xác định điểm áp lực tác dụng lên lớp BTP( Điểm C) Psc Pasc Điều kiện cường độ : Trong đó: Psc - Sức kháng vỏ bêtông phun Tuỳ dạng vỏ hầm mà có cơng thức xác định sức kháng lớp BTP khác Coi lớp BTP khép kín, ta có: Psc f sc h Rc Trong đó: f sc - Cường độ nén đơn trục bêtông phun, chọn bêtơng phun có: fsc = 28 Mpa h- Chiều dày lớp bêtơng phun, ta có: h = 6cm = 0,06m Rc - Bán kính qui đổi vỏ bêtông phun, Rc = 4,998m Ta được: Psc mang tải f sc h 28 0,06 0,336 Mpa Rc 4,998 Pasc - áp lực hướng tâm lên vách hang lớp bêtông phun phát huy khả PaSC f sc h 28 0,06 0,331 Mpa R0 5,058 Ro - Bán kính qui đổi hang đào, R0= 5,058m So sánh ta thấy PSC PaSC Sức kháng lớp bê tông phun thoả mãn Theo điều kiện cường độ Psc Pa , tức áp lực hướng tâm tác dụng lên lớp BTP giá trị tối đa mà lớp BTP chịu là: sc Pascmax Psc 0,336 Mpa Điểm tác dụng áp lực hướng tâm vách hang lên lớp bêtông phun (Điểm C), xác định đường cong quan hệ Pi – UR sau: 61 Đỗ Như Tráng NATM P a (MPa) 1,8 1.7 0,5 Pascmax Psc 0,336 MPa 0,4 0,3 C 0,2 Ur 0,1 Pa,min 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Ur (mm) Hình Xác định điểm áp lực tác dụng lên lớp BTP(đất đá cấp II) Nhận xét: - Điểm C điểm giới hạn áp lực tác dụng lên lớp BTP, áp lực hướng tâm vách hang lên lớp BTP thời điểm lớp BTP phát huy khă chịu lực tối đa điều kiện cường độ ln thoả mãn, vì: “ Lớp BTP đủ mỏng để biến dạng với vách hang, q trình chịu lực áp lực vách hang tiếp tục giảm dần, lực kháng Psc lớp BTP ln khơng đổi ” 2.Xác định thời điểm lớp BTP bắt đầu phát huy khả mang tải a) Xây dựng đường thẳng biến dạng lớp BTP Tính tốn hệ số góc đường thẳng, xác định trường hợp lớp vỏ mềm h < 0,04R0 , thật vậy: Chiều dày lớp bêtông phun theo lựa chọn là: h = 6cm = 0,06m 0,04R0 = 0,04*5,058= 0,202 m > h K sc E sc h R0 (1 sc2 ) Trong đó: sc - Hệ số nở hông bêtông phun, 0,2 Esc - Môđuyn đàn hồi bêtông phun, Mpa Esc 0,043 1,5 f sc 0,043 (2500)1,5 28 28441,827Mpa 62 Đỗ Như Tráng NATM 2500kg / m3 h- Khối lượng riêng BTP Chiều dày lớp bêtông phun ( h = 0,06m) Ta được: K sc - tg sc 28441,827 0,06 351,387 5,058 (1 0,2 ) Tính góc đường thẳng so với trục biến dạng: K sc 351,387 sc 89o 50‟ 13‟‟ Dựa vào đường cong quan hệ Pi – Ui , ta xác định đường thẳng biến dạng lớp bê tông phun sau: a (MPa) 1,8 1.7 0,5 0,4 C Psc 0,3 0,2 0,1 Pa,min 0,1 0,2 U0,c Ur,c 0,5 0,6 Ur (mm) Hình Đường thẳng biến dạng lớp BTP(đất đá cấp II) b Xác định chuyển vị vách hang lớp bêtông phun bắt đầu phát huy khả mang tải Chuyển vị vách hang, tương ứng với điểm C, là: U RC R0 1 E z c cot sin c cos 1 sin z p SC c cot 63 1sin sin Đỗ Như Tráng NATM U RC 0,370523 mm Dựa vào đường thẳng biến dạng lớp bêtông phun ta xác định chuyển vị vách hang áp lực lên lớp BTP = 0, thời điểm lớp BTP bắt đầu phát huy khả mang tải: U RC U 0C PSC P 0,336 SC 0,000955mm tg sc K sc 351,387 U 0C 0,370523 – 0,000955 = 0,369568 mm Kết luận: “ Trong q trình thi cơng, vào giá trị chuyển vị đo thiết C C bị trắc đạc, so sánh với U , cho giá trị chuyển vị đo gần với giá trị U nhất, để từ đưa thời điểm khép kín lớp BTP hợp lý, thời điểm khép kín lớp BTP thời điểm lớp bắt đầu phát huy khả mang tải” 3.Kiểm toán chuyển vị lớp bê tông phun Chuyển dịch lớp bê tông phun phải lớn chuyển dịch vách hang đào từ thời điểm lớp bê tông bắt đầu tham gia chịu lực đến thời điểm lớp vỏ bê tông tham gia chịu lực Điều kiện kiểm toán: U sc U Ta có: Usc - Chuyển dịch lớp vỏ bêtơng phun, xác định theo công thức: U sc Psc sc2 E sc h Trong đó: Psc - Sức kháng lớp vỏ bêtông phun, Psc = 0,336 Mpa sc - Hệ số nở hông bêtông phun, 0,2 Esc - Môđuyn đàn hồi bêtông phun, Mpa Esc 0,043 1,5 f sc 0,043 (2500)1,5 28 28441,827 Mpa 2500kg / m3 -Khối lượng riêng BTP h- Chiều dày lớp bêtông phun, theo lựa chọn h = 0,06m Ta được: 64 Đỗ Như Tráng NATM U SC Psc sc2 0,336 (1 0,2 ) 0,1891.10-3 m E sc h 28441,827 0,06 Usc = 0,1891mm U - Chuyển dịch vách hang từ thời điểm lớp bêtông phun bắt đầu tham gia chịu lực đến thời điểm lớp vỏ bêtông tham gia chịu lực U U 0B U 0C 0,448255 - 0,369568 = 0,078687 mm Nhận xét: U sc 0,1891mm U 0,078687mm Điều kiện chuyển vị lớp bêtông phun thoả mãn, hay : “ Chiều dày lớp BTP đủ mỏng để biến dạng với vách hang, phù hợp với giá trị áp lực vách hang tác dụng lên vỏ bêtông 30%Pa,max mà người thiết kế đưa ” 4.4.4.TÍNH TỐN NEO 1.Tính tốn khả chịu lực neo a) Theo lực dính bám : Trong đó: s a l a la Chiều dài phần neo ngàm vào nền, nằm bán kính dẻo Chiều dài xác định sau: l a l neo ( RPneo R0 ) Trong đó: lneo - Là chiều dài neo, theo lựa chọn lneo = 3,5m RPneo- Là bán kính vùng dẻo thời điểm cắm neo, ta có: RPneo z 1 qu 1 R0 camneo 1 qu 1 p n Pncamneo – Là áp lực đường hang thời điểm cắm neo Như ta biết, áp lực đường hang thời điểm lớp BTP bắt đầu phát huy khả mang tải 69,42%Pa,max; thời điểm lớp vỏ BT bắt đầu mang tải 30%Pa,max Thời điểm cắm neo thời điểm lớp BTP biến dạng với vách hang giải phóng thêm phần áp lực định Ta chọn: 65 Đỗ Như Tráng NATM Pncamneo = 45% Pa,max = 0,45*0,484 = 0,218 Mpa 1,75.(3 1) 1,2304 RPneo 5,058 1 0,218.3 1 1,2304 31 R Pneo 6,03 m Ta được: la = 3,5 – ( 6,03 – 5,058) = 2,528m - Cường độ dính bám neo với nền, loại đá đồ án đá cứng, ta có: 200 KN/m Cuối ta được: Sa = 2,528*200 = 505,6 KN Chú ý: - Thời điểm cắm neo xác định sau: Tính chuyển vị vách hang thời điểm cắm neo: 1 sin c cos 1 sin z c cot U Rcamneo R0 z E p acamneo c cot U Rcamneo 0,412156 mm 66 1sin sin Đỗ Như Tráng NATM Hình Xác định thời điểm cắm neo(đất đá cấp II) “ Trong q trình thi cơng, vào giá trị chuyển vị đo thiết bị trắc đạc, so sánh với U Rcamneo , để từ đưa thời điểm cắm neo hợp lý, cho giá trị chuyển vị đo gần với giá trị U Rcamneo nhất, neo phát huy khả mang tải sau cắm Làm áp lực vách hang tác dụng lên neo trình chịu tải gần với giá trị giả thiết 50% Pa , max ” b) Theo vật liệu : sa d ng d tr2 fa Trong đó: fa Cường độ chịu kéo đứt thép làm neo, chọn loại thép cường độ cao, có: fa = 420 Mpa = 420000 KN/m2 dng ; dtr – Đường kính ngồi đường kính vỏ thép neo nở Swellex, ta có: dng = 410mm = 0,041m dtr = dng – - = 41 – =39mm = 0,039 m Là chiều dày vỏ thép neo nở, Ta được: Kết luận: sa = 2mm 3,1415 0,04 0,038 420000 527,52 KN S a Min S adinhbam; S avatlieu 505,6 KN 2.Tính tốn sức kháng neo Cơng thức: Pneo Sa ab Trong đó: a- Bước neo theo mặt cắt ngang hầm, theo lựa chọn: a = 1,5m b- Bước neo theo chiều dọc hầm, lựa chọn: b = 1,5 m Ta được: Pneo 505,6 224,7 KN/m2 = 0,2247 Mpa 1,5 1,5 67 Đỗ Như Tráng NATM Nhận xét: Pneo 0,2482Mpa Pn camneo Kết luận: 0,218Mpa Neo đủ khả chịu lực 4.4.5.TÍNH TỐN KẾT CẤU VỎ HẦM CHÍNH 1.Giả thiết áp lực vách hang thời điểm lớp vỏ bêtơng tham gia chịu lực - Như tính tốn trên, lớp bêtông phun phát huy khả mang tải áp lực vách hang lên lớp là: PSC = 0,336 Mpa - Mà áp lực vách hang lớn là: Pa, max = 0,484 Mpa - Như vậy, thời điểm lớp bêtông phun phát huy tác dụng áp lực đường hang 0,336 100 69,42% áp lực lớn lên vách hang đào chiếm 0,484 - Do lớp bêtơng phun có khả biến dạng với vách hang đào nên áp lực đất đá giảm - Giả thiết đến kết cấu chống đỡ lần lớp vỏ bêtông phát huy khả chống đỡ áp lực vách hang khoảng 30% áp lực lớn nhất, tức là: PB 30%Pa,max 0,3 0,484 0,1452 Mpa - Ta tính tốn cho lớp vỏ bêtơng lớp thứ 2, sau lớp bêtông phun chịu áp lực PB truyền từ lớp bêtơng phun lên Khi đó, ta tính tốn theo bán kính ngồi, bán kính quy đổi lớp vỏ bêtông: Rng = R0 - h = 5,058 – 0,06 = 4,998 m Rtr = Rng - t = 4,998 – 0,35 = 4,648 m 2.Xác định thời điểm lớp vỏ bê tông bắt đầu tham gia chịu lực a) Xây dựng đường thẳng biến dạng lớp vỏ bêtơng Tính tốn hệ số góc đường thẳng, xác định trường hợp lớp vỏ cứng t > 0,04Rng , thật vậy: Chiều dày lớp vỏ bêtông theo lựa chọn là: t = 35cm = 0,35m 0,04Rng = 0,04*4,998 = 0,2 m < t Kc (1 )1 2 R Ec Rng Rtr2 Rng c c ng Rtr2 Trong đó: c - Hệ số nở hông bêtông vỏ hầm, c 0,2 Ec - Môđuyn đàn hồi bêtông vỏ hầm, Mpa 68 Đỗ Như Tráng NATM Ec 0,043 1,5 2500kg / m3 f c 28Mpa - f c 0,043 (2500)1,5 28 28441,827 Mpa Khối lượng riêng BT Cường độ chịu nén đơn trục bêtông vỏ hầm Ta được: 28441,827 (4,998 4,648 ) Kc 4,998 (1 0,2) 1 0,2 4,998 4,648 K c 656,894 Tính góc đường thẳng so với trục biến dạng: tg B K c 656,894 - B 89o 54‟ 46” Dựa vào đường cong quan hệ Pi – Ui , từ PB kẻ đường thẳng song song với trục UR ta điểm B điểm giao cắt đường thẳng với đường cong Từ B kẻ đường thẳng tạo với trục biến dạng UR góc B ta đường thẳng biến dạng vỏ bêtông Dạng đường tổng quát sau: a (MPa) 1,8 1.7 0,5 C 0,4 0,3 B 0,2 Pb 0,1 c b Pa,min 0,1 0,2 0,3 U0,b Ur,b 0,6 Ur (mm) Hình 10 Thời điểm đưa vỏ bê tơng vào chịu lực ( đất đá cấp II) b) Xác định chuyển vị vách hang lớp vỏ bêtông bắt đầu phát huy khả mang tải Chuyển vị vách hang, tương ứng với điểm B, là: 69 Đỗ Như Tráng NATM U RB R0 1 E z c cot z sin c cos 1 sin c p a c cot 1sin sin U RB 0,448476 mm Dựa vào đường thẳng biến dạng lớp vỏ bêtông ta xác định chuyển vị vách hang áp lực lên lớp vỏ BT = 0, thời điểm lớp vỏ BT bắt đầu phát huy khả mang tải: U RB U 0B PB P 0,1452 B 0,000221mm tg c K c 656,894 U 0B 0,448476 – 0,000221 = 0,448255 mm Kết luận: “ Trong trình thi cơng, vào giá trị chuyển vị đo thiết bị trắc đạc, so sánh với U 0B , để từ đưa thời điểm đổ bêtông lớp vỏ hợp lý, cho giá trị chuyển vị đo ( có tính đến thời gian bêtông ninh kết) gần với giá trị U 0B nhất, thời điểm sau ninh kết bêtông coi thời điểm lớp bắt đầu phát huy khả mang tải Làm áp lực vách hang tác dụng lên vỏ bêtơng trình chịu tải gần với giá trị giả thiết 30% Pa ,max ” 3.Kiểm toán cường độ lớp vỏ bê tông Điều kiện kiểm toán: Pv PaC 30%Pa ,max Trong đó: Pv0 - Sức kháng lớp vỏ bêtơng cuối cùng, xác định theo công thức: Pv Rng Rtr2 Rng Rtr2 fC Rng - Bán kính qui đổi mặt đường hang (Rng= 4,998m) Rtr - Bán kính qui đổi khn hầm ( Rtr= 4,648m) fc - Cường độ nén đơn trục bêtông vỏ hầm, fc = 28 Mpa Ta được: Rng Rtr2 4,998 4,648 Pv fC 28 = Rng Rtr2 4,998 4,648 70 2,03 Mpa Đỗ Như Tráng NATM PaC - Áp lực vách hang tác dụng lên vỏ bêtơng q trình chịu lực PB 30%Pa,max 0,1452 Mpa Nhận xét: Pv 2,03Mpa PB 0,1452MPa Cường độ bêtông vỏ hầm thoả mãn 71 ... thi cơng đơn Hình 3.17 Ngun lý thi t kế theo kinh nghiệm Với kết thi t kế dự báo theo nguyên tắc này, với phương pháp thi công chọn, q trình tiến hành thi cơng cơng trình ngầm cần quan trắc thi t... bê tông vòm nền, bề mặt công tác thi công phải đ-ợc thi công cho ảnh h-ởng khe công tác đến điều kiện làm việc bê tông Để cải thi n vấn đề công tr-ờng nên quan tâm đến công tác đầm bê t«ng còng... nguồn gây tải trọng Hình 2.5 Nguyên tắc thứ NATM: Bộ phận chị u tải Từ hình thành hai u cầu khác công tác thi công thi t kế Yêu cầu thứ công tác thi công Muốn cho phận khối đá xung quanh khoảng