Nội dung bài viết giới thiệu về phương pháp NATM, những thành phần cơ bản trong NATM, những điểm khác biệt giữa NATM với các phương pháp khác và những yêu cầu đặt ra khi áp dụng phương pháp.
ĐÔI NÉT VỀ PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG NATM TRONG XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM Ks Phạm Quang Thành - Phòng KHCN&QHQT Đặt vấn đề Phương pháp đào hầm Áo (the New australian Tunnelling Method - NATM) giới biết đến vào năm 1948, GS L.v.Rabcewicz đăng ký quyền sáng chế phát minh Tư tưởng (hay triết lý) chủ đạo phương pháp là: khối đá chứa cơng trình ngầm (CTN) cần tận dụng thành phận mang tải cơng trình, khối đá với thành phần kết cấu chống khác giữ ổn định công trình giai đoạn thi cơng giai đoạn sử dụng Yêu cầu đạt sử dụng chu trình đào chống giữ cơng trình cách hợp lý Song thực tế, điều thừa nhận: Xây dựng cơng trình ngầm lĩnh vực mang tính nghệ thuật Đối tượng tác động xây dựng ngầm khối đất, đá với đặc tính ln biến đổi theo thời gian khơng gian Do đó, khơng thể áp dụng cách cứng nhắc giải pháp áp dụng thành cơng cơng trình vào cơng trình khác Cũng vậy, phản ứng đất đá lúc dự kiến trước Vì lý đó, rủi ro sai lầm thi công điều tránh khỏi Mục tiêu phương pháp NATM hạn chế tối đa rủi ro sai lầm đồng thời tìm cách tối ưu hố chu trình đào, chống giữ cơng trình (xét yếu tố an toàn kinh tế) Để làm được, bên cạnh biện pháp tương tự phương pháp khác: áp dụng quy trình đào cẩn thận, sử dụng kết cấu chống hợp lý, v v điểm NATM sử dụng công tác quan trắc để đánh giá hiệu công tác thiết kế, thi công thực tạo nên chu trình xây dựng cơng trình ngầm khép kín (hình 1) Đây yếu tố dẫn đến phương pháp nhanh chóng áp dụng rộng rãi giới thu nhiều thành cơng Tuy nhiên, kèm theo loạt vấn đề phức tạp nảy sinh kỹ thuật, công tác điều hành quản lý, thiết bị, nguyên vật liệu áp dụng, đòi hỏi phải có nghiên cứu, chuẩn bị trước làm chủ phương pháp Hình Chu trình xây dựng cơng trình ngầm khép kín theo phương pháp NATM Giới thiệu phương pháp NATM 2.1 Những thành phần NATM Phương pháp NATM định nghĩa cách để tạo khơng gian cơng trình ngầm việc sử dụng tất biện pháp để nâng cao khả tự chống giữ tối đa cơng trình Điều đạt thơng qua việc áp dụng lớp vỏ chống “ban đầu” nhẵn linh hoạt, kết hợp với lớp vỏ chống “cuối cùng” Lớp vỏ chống “ban đầu” bao gồm bê tơng phun, thép, neo biện pháp khác, sử dụng độc lập hay kết hợp với Trong đó, lớp vỏ chống “cuối cùng” thường bê tông liền khối đổ chỗ thi cơng sau cơng trình đánh giá ổn định, khơng biến dạng Tuy nhiên cần hiểu rằng, phương pháp NATM không bao gồm việc sử dụng bê tông phun, neo đá, đào vòm ngược gặp đất đá yếu hay gần sử dụng lớp màng chống thấm giữ không cho nước thâm nhập vào lớp vỏ chống bên cơng trình mà đòi hỏi nhiều linh hoạt, khéo léo người xử lý tình gặp phải thi cơng Có thể khái quát nội dung phương pháp NATM sau: - Xác định, đánh giá kỹ lưỡng đặc trưng phản ứng địa học khối đất đá xung quanh cơng trình; - Thiết kế hình dạng, tiết diện cơng trình phù hợp (trên sở xem xét yếu tố: ứng suất xung quanh biên, hệ số diện tích tiết diện sử dụng, v v ); - Tránh ứng suất biến dạng lợi cách sử dụng biện pháp gia cố phù hợp, lắp đặt theo trình tự thời gian hợp lý; - Tối ưu hoá khả mang tải kết cấu gia cố hàm biến dạng nằm giới hạn cho phép; - Sử dụng biện pháp quan trắc đánh giá độ ổn định cơng trình sau đào phần bên chu trình thi cơng Hình Chu trình đào hầm điển hình theo phương pháp NATM Mặc dù, ưu điểm lớn phuơng pháp NATM khả áp dụng với loại hình dạng, tiết diện ngang cơng trình song để tạo trường ứng suất “hài hoà” khối đá xung quanh, nói chung phương pháp NATM, ưu tiên ln đặt hình dạng cơng trình chọn có dạng cong trơn, khơng có chỗ gãy khúc điểm tập trung ứng suất lớn khơng có lợi cho ổn định cơng trình, đặc biệt điều kiện đất, đá yếu Trong trường hợp này, biện pháp thông thường sử dụng đào vòm ngược Phương án sơ đồ thi công đào thiết lập tuỳ thuộc vào chất lượng khối đá vây quanh Q trình đào cơng trình ngầm mặt học gây tượng “giảm tải” làm xuất biến dạng đáng kể khối đá Nhiệm vụ đặt phải “bảo dưỡng” khối đá đến mức tối đa để chịu biến đổi học trình gây Sẽ có vấn đề nảy sinh khối đá cứng vững vấn đề trở nên phức tạp gặp khối đá yếu Trong trường hợp thứ hai, gương đào nên chia thành nhiều phần nhỏ đồng thời có kết cấu chống phía hợp lý Khoảng cách thời gian cách quãng chu kỳ đào gương xác định sở thời gian ổn định không chống cơng trình Tiêu chuẩn Áo thi công đường hầm định nghĩa thời gian ổn định khơng chống thời gian bề mặt khối đá giữ ổn định không cấn chống Các nhân tố có ảnh hưởng tới thời gian ổn định khơng chống chất lượng khối đá, hình dạng kích thước mặt cắt ngang tiến độ đào hầm, độ sâu đặt cơng trình ngầm Hai yếu tố xác định quan trọng thi công theo phương pháp NATM sử dụng biện pháp gia cố tạm bê tông phun đường hầm sau đào sử dụng thiết bị quan trắc đánh giá độ ổn định đường hầm Chính lý mà giới, phương pháp NATM biết tới tên gọi “phương pháp bê tông phun” hay “phương pháp quan trắc” Sử dụng lắp dựng kết cấu chống hợp lý đương nhiên góp phần làm cho khối đá xung quanh cơng trình giữ khả mang tải, đặc biệt chống lại tượng “tơi rời“ khối đá Điểm khác biệt NATM phương pháp truyền thống sử dụng lớp vỏ chống bê tông phun thay loại kết cấu chống nặng bê tơng đúc sẵn, thép, v v làm kết cấu chống tạm sơ Trong NATM, bê tông phun coi thành phần kết cấu chống đóng vai trò quan trọng nhiều trường hợp đồng thời giữ vai trò kết cấu chống vĩnh cửu cho cơng trình Mục đích áp dụng bê tơng phun giữ ổn định bề mặt khối đất đá, liên kết vùng đất đá gần biên cơng trình Bê tơng phun tăng cường lưới thép, kết hợp với khung chống thép neo tuỳ thuộc vào chất lượng khối đá Khi đó, vỏ chống đường hầm xem kết cấu hỗn hợp bao gồm khối đá bao quanh thành phần kết cấu chống kể Ưu điểm sử dụng bê tông phun so với dạng kết cấu chống truyền thống là: - Có thể áp dụng với cơng trình có hình dạng kích thước bất kỳ; - Rút ngắn thời gian chu kỳ đào chống; - Có thể linh hoạt thay đổi chiều dài chu kỳ đào trình tự cơng việc phù hợp với 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 bề mặt phù hợp để dễ dàng lắp đặt lớp mạng chống thấm có hiệu Thời điểm lắp dựng kết cấu chống coi trọng thi công, điều thể quan điểm NATM tối ưu hoá khả mang tải kết cấu chống hàm biến dạng Rõ ràng tồn thời điểm thích hợp để lắp dựng kết cấu chống, thời điểm biên cơng trình bị biến dạng với giá trị đủ lớn để khối đá tự hình thành vòng mang tải bao quanh cơng trình song lại đủ nhỏ khơng để trạng thái ổn định ban đầu độ bền nén đá bị “suy yếu” vượt mức độ cho phép dẫn tới q trình phá huỷ khơng kiểm sốt Mặc dù trước có nhiều lý thuyết, phương pháp đề cập đến vấn đề song NATM thực xét tới yếu tố để đem lại thành công áp dụng thi công Một thành phần khơng thể thiếu chu trình xây dựng theo NATM trình quan trắc tiến hành cơng đoạn thi cơng Q trình trước hết để đo dịch chuyển, biến dạng khối đá, đồng thời để xác định thành phần ứng suất, tải trọng tác dụng lên kết cấu chống loại tác động khác Các kết đo đánh giá, phân tích kịp thời đồ thị, biểu diễn phụ thuộc vào thời gian, cho phép có nhận định biểu biến đổi ứng suất, biến dạng theo thời gian Công tác đo đạc thực liên tục suốt thời gian thi cơng cơng trình, kết với số liệu điều kiện địa chất, địa chất thuỷ văn thu thập trước cho phép điều khiển trình phân bố lại ứng suất khối đá theo hướng có lợi, khẳng định tính hợp lý trình tự thi cơng, kích thước gương đào, tiến độ đào phương án chống đỡ, mức độ (kích thước) thời điểm lắp dựng kết cấu chống v v phục vụ cho chu kỳ xây dựng Rõ ràng điều có ý nghĩa quan trọng đề cập phần I, lúc chũng ta dự kiến trước xác đặc tính phản ứng đất đá sau đào khơng thể áp dụng cách máy móc giải pháp áp dụng thành công điều kiện có tính tương tự Số lượng, chủng loại thiết bị quan trắc lắp đặt, tần số đo xác định dựa vào: mức độ ổn định dự kiến cơng trình sau đào, tầm quan trọng cơng trình, chu kỳ thi cơng Do tính chất quan trọng nên công tác phải người có đủ kinh nghiệm địa chất, địa kỹ thuật trước hết phải am hiểu phương pháp NATM thực Tư tưởng xuyên suốt thi công theo NATM sử dụng tất biện pháp nhằm mục đích tối ưu hố q trình xây dựng cơng trình Có nghĩa kết hợp hài hồ ba yếu tố: chất lượng cơng trình, tính an toàn hiệu kinh tế điều thể tất giai đoạn từ khảo sát, thiết thi công Phương pháp NATM khơng đưa đòi hỏi cao cơng tác thiết kế Sự thành công dự án phụ thuộc chủ yếu vào định đưa trường Các thiết kế ban đầu nên xem dẫn thi công, điều quan trọng phải có phối hợp bên: Chủ đầu tư, Tư vấn Nhà thầu để đưa thay đổi phù hợp theo điều kiện thực tế 2.2 Những điểm khác biệt NATM với phương pháp khác So với phương pháp thi công truyền thống, thi công theo phương pháp NATM đòi hỏi có số thay đổi q trình cơng tác: khảo sát, thiết kế kỹ thuật thi công - Về công tác khảo sát: Cũng tương tự tất phương pháp xây dựng cơng trình ngầm khác, u cầu đặt giai đoạn khảo sát phải thu thập tiêu học đất đá, điều kiện địa chất, địa chất thuỷ văn phục vụ cho công tác thiết kế tuyến, hình dạng, tiết diện cơng trình, đánh giá mức độ ổn định khối đá lập phương án thi cơng, v v Ngồi ra, q trình thi công, khảo sát bổ xung thực cần thiết gặp điều kiện đất đá thay đổi dự kiến đường hầm ổn định mạnh sau đào để phục vụ việc điều chỉnh thiết kế hay đưa biện pháp chống giữ bổ xung - Về công tác thiết kế: Khác với phương pháp chống giữ truyền thống trước đó, NATM khơng tồn khái niệm kết cấu chống tạm hay kết cấu chống cố định Tất thành phần kết cấu chống “ban đầu” sau đào xem phần kết cấu chống “cuối cùng”, hai khái niệm thể yếu tố thời gian kết cấu chống lắp dựng khác vai trò, nhiệm vụ chúng u cầu tính xác hiệu giải pháp thiết kế giai đoạn trước thi cơng khơng đòi hỏi mức độ cao nhất, chúng thường xuyên điều chỉnh, bổ xung suốt trình thi công dựa vào kết quan trắc thu - Về công tác thi công: Với nội dung NATM “bảo dưỡng” đá mức tối đa, cơng tác thi cơng NATM có ảnh hưởng định tới tồn q trình xây dựng Điểm khác biệt lớn NATM với phương pháp khác việc áp dụng đánh giá vai trò cơng tác quan trắc phần bên chu trình xây dựng Ngồi ra, q trình thi cơng NATM có tính linh hoạt cao, người thi cơng khơng bị bó buộc hay phải cứng nhắc tuân theo vấn đề đưa thiết kế Song điều đòi hỏi họ phải có đủ trình độ, kinh nghiệm để đưa định xác cách nhanh giải khó khăn gặp phải trường Nhìn chung, ý riêng cơng nghệ NATM phương pháp thi công khác khác biệt nhiều Sự thành công việc áp dụng nhờ quan niệm linh hoạt q trình thi cơng, nói cách khác kết hợp giải pháp khác cách hợp lý để đạt mục tiêu “bảo dưỡng” khối đá mức tối đa Đây chìa khố để đạt yếu tố: tính an tồn, chất lượng cơng trình hiệu kinh tế 2.3 Những yêu cầu đặt áp dụng phương pháp Để áp dụng thành công cần thiết phải đáp ứng yêu cầu khác giai đoạn, từ lập kế hoạch, khảo sát, thiết thi công * Công tác lập kế hoạch - Tiến hành khảo sát điều kiện địa chất, địa chất thuỷ văn thật thận trọng tổng quát - Xây dựng tiêu học đất, đá địa chất với ý nghĩa thực tiễn cao làm sở cho việc khảo sát, đánh giá mức độ ổn định khối đá - Chuyển hố hợp lý nhận thức có khối đất, đá vào công tác lập kế hoạch chi tiết, theo giai đoạn thi công dạng phương án thi công cụ thể Các phương án phải bao hàm: trình tự thi cơng, kết cấu chống trình tự lắp dựng theo cơng đoạn hoàn thiện kết cấu chống - Lập chương trình đo quan trắc địa kỹ thuật song song với q trình thi cơng - Cần có khẳng định, định giải pháp cho khu vực đất đá yếu * Công tác thi công - Thực xác phương án thi cơng lập - Ghi chép phân tích thường kỳ thơng tin điều kiện khối đá, độ ổn định đường hầm sau đào để có biện pháp gia cố bổ xung, điều chỉnh quy trình đào chống phục vụ đoạn đào Các định phải đưa hợp lý, tối ưu kịp thời xác trường người có đủ kinh nghiệm - Áp dụng có tính hệ thống thành cơng NATM đòi hỏi phải có cộng tác chặt chẽ chuyên gia đầy kinh nghiệm công việc từ giai đoạn quy hoạch, thiết thi công - Đội ngũ cán bộ, cơng nhân trực tiếp thi cơng phái có hiểu biết định phương pháp NATM, có tinh thần trách nhiệm ý thức chủ động cao công việc * Công tác điều hành, quản lý Việc áp dụng kỹ thuật phương pháp NATM đòi hỏi phải có cấu tổ chức quản lý đủ mạnh Đây điểm mấu chốt đảm bảo chất lượng, tính an tồn hiệu kinh tế cơng trình Kết luận Bên cạnh phát triển rộng rãi phương pháp đào máy TBM, đào khiên đào, phương pháp NATM có ưu điểm riêng dự án xây dựng đường ngầm với thay đổi liên tục điều kiện tính chất địa học khối đất đá nhờ vào tính linh hoạt phương pháp khả áp dụng tốt điều kiện khác Phương pháp NATM tỏ có ưu điểm CTN có hình dạng biên phức tạp, cơng trình tiết diện lớn điều kiện đất đá bị nén ép mạnh Phương pháp NATM áp dụng thành công loại đường hầm giao thông công cộng khác nhau, dự án lượng phức tạp, hầm ngầm chứa dự án nhiều công dụng khác, đá đất mềm yếu./ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lectured by Prof D I Dr Golser, Johann, Institute for GeomecharLics, Tunnelling and Heavy Constructions Montan University Leoben, Steiermark, Australia ... biệt NATM với phương pháp khác So với phương pháp thi công truyền thống, thi cơng theo phương pháp NATM đòi hỏi có số thay đổi q trình công tác: khảo sát, thi t kế kỹ thuật thi công - Về công. .. trình thi cơng dựa vào kết quan trắc thu - Về công tác thi công: Với nội dung NATM “bảo dưỡng” đá mức tối đa, công tác thi cơng NATM có ảnh hưởng định tới tồn q trình xây dựng Điểm khác biệt lớn NATM. .. giai đoạn thi công dạng phương án thi công cụ thể Các phương án phải bao hàm: trình tự thi cơng, kết cấu chống trình tự lắp dựng theo công đoạn hồn thi n kết cấu chống - Lập chương trình đo quan