CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về hệ thống chống đỡ trong xây dựng công trình ngầm theo NATM 1. Định nghĩa phương pháp xây dựng hầm mới của Áo (NATM) Phương pháp xây dựng hầm mới của Áo (NATM) là phương pháp xây dựng hầm được hình thành trên cơ sở lý thuyết đúc kết từ thực tế xây dựng hầm trong thời gian dài, bao gồm các trình tự, biện pháp thi công và xử lý khối đất đá trên vòm hầm sao cho đất đá xung quanh hầm được liên kết thành kết cấu vòm chống đỡ. Do đó, tự bản thân khối đất đá xung quanh sẽ trở thành một phần kết cấu chống đỡ hầm.
Các nguyên tắc cơ bản của phương pháp xây dựng hầm NATM i) Kết cấu hầm là tổ hợp giữa đá núi và vỏ hầm. Hầm được chống đỡ chủ yếu bằng khối đá xung quanh. Đây là khái niệm cơ bản của phương pháp NATM. Kỹ sư hầm phải biết vận dụng khái niệm này vào công tác đào hầm.
Hệ thống chống đỡ hầm chỉ nên áp dụng hạn chế và mang tính hỗ trợ hiệu ứng tự ổn định của khối đá. ii) Theo phương pháp NATM, điều quan trọng là phải duy trì cường độ nguyên thủy của khối đá. Cách chống đỡ truyền thống bằng gỗ và/hoặc bằng vòm thép không thể giúp ngăn ngừa sự biến dạng của khối đá xung quanh hầm. Bê tông phải được phun ngay sau khi đào để có thể ngăn sự biến dạng của khối đá một cách hữu hiệu.
Theo công nghệ thi công hầm truyền thống, vẫn có một khoảng trống giữa hệ thống chống đỡ và khối đá. Khối đá xung quanh chỉ được chống đỡ thông qua các điểm tiếp xúc nên có xu hướng biến dạng vào phía trong đường hầm nhằm lấp đầy khoảng trống nói trên. Sự rời rạc (biến dạng) của khối đá sẽ có xu hướng phát triển đến độ sâu h tính từ tường hầm. Theo phương pháp NATM, sử dụng bêtông phun trực tiếp và bám chặt với bề mặt khối đá quanh đường hầm nên ngăn không cho khối đá biến dạng.
iii) Biến dạng của khối đá phải được ngăn chặn hợp lý vì việc khối đá rời rạc sẽ làm cho cường độ của nó bị giảm đi. Cường độ của khối đá, phụ thuộc chủ yếu vào lực ma sát của mỗi phân khối đá, sẽ giảm xuống khi ma sát giảm. Nguyên tắc này áp dụng chủ yếu đối với đá cứng. Đối với đá mềm, chẳng hạn như lớp đá trầm tích sau Kỷ Đệ Tam đến Kỷ Đệ Tứ, đặc tính của chúng sẽ phụ thuộc vào lực dính và góc nội ma sát.
Lương Ngọc Bình - Lớp Cao học Cầu hầm K20 4 Trường Đại học Giao thông vận tải Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật iv) Khối đá phải được giữ trong các điều kiện ứng suất nén ba trục. Cường độ của khối đá chịu ứng suất nén đơn trục và/hoặc hai trục thì thấp hơn cường độ trong điều kiện ba trục. Cường độ chịu nén của khối đá ở điều kiện nén nhiều trục sẽ cao hơn khối đá trong điều kiện nén một trục. Sau khi đào hầm, vách hầm sẽ ở trong trạng thái nở hông cho đến khi hệ thống chống đỡ được lắp đặt.
Để duy trì trạng thái ứng suất nén ba trục và sự ổn định của khối đá, vách hầm phải được phủ kín bằng bêtông phun. v) Biến dạng của khối đá phải được ngăn chặn hợp lý. Phải thiết lập hệ thống chống đỡ để ngăn chặn sự giãn nở (tơi) hoặc nguy cơ đổ sập của khối đá. Nếu hệ thống chống đỡ được thiết lập một cách thích hợp thì chất lượng của việc đào hầm sẽ tăng đồng thời đảm bảo hiệu quả kinh tế.
Nếu biến dạng cho phép vượt quá giới hạn, vùng biến dạng dẻo quanh hầm phát triển và khe nứt xuất hiện. “Ngăn chặn sự biến dạng” nghĩa là giảm thiếu tối đa sự biến dạng xung quanh hầm do những biến dạng xảy ra trong khi đào hầm là không thể tránh khỏi, ví dụ biến dạng đàn hồi và/hoặc biến dạng do nổ mìn. Vì thế, giới hạn biến dạng cho phép cần được đề ra ứng mỗi loại hệ thống chống đỡ và được cập nhật từ các kết quả đo đạc quan trắc Địa kỹ thuật. vi) Hệ thống chống đỡ phải được lắp đặt kịp thời.
Lắp đặt các hệ thống chống đỡ quá sớm hay quá muộn sẽ đem lại kết quả bất lợi. Hệ thống chống đỡ cũng không được quá mềm hay quá cứng. Các hệ thống chống đỡ cần có một độ mềm dẻo thích hợp để duy trì cường độ của khối đá. Nếu hệ thống chống đỡ được lắp đặt quá sớm, áp lực tác dụng lên kết cấu chống đỡ sẽ rất cao.
Mặt khác áp lực sẽ tiếp tục tăng lên khi lắp đặt hệ thống chống đỡ chậm. Hệ thống chống đỡ được lắp đặt đúng lúc có khả năng giảm tải trọng đến nhỏ nhất. Nếu hệ thống chống đỡ quá cứng sẽ đắt, quá mềm thì khối đá biến dạng nhiều, tải trọng tác dụng lên hệ thống chống đỡ sẽ rất cao. Tải trọng tác động lên hệ thống chống đỡ sẽ giảm đến nhỏ nhất khi hệ thống chống đỡ có độ mềm dẻo thích hợp.
vii) Để đánh giá thời gian thích hợp khi lắp đặt hệ thống chống đỡ, cần nghiên cứu khảo sát đặc tính biến dạng phụ thuộc thời gian của khối đá. viii) Không chỉ dựa vào công tác thí nghiệm trong phòng mà còn phải tiến hành đo đạc biến dạng đường hầm để đánh giá thời gian thích hợp lắp đặt kết cấu chống đỡ. Lương Ngọc Bình - Lớp Cao học Cầu hầm K20 5 Trường Đại học Giao thông vận tải Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Thời gian tự đứng vững của vách hầm, tốc độ của sự biến dạng và loại đá là những nhân tố quan trọng để tính toán thời gian chống đỡ vách đào của khối đá. Đối với phương pháp NATM, công việc không thể thiếu được là đo đạc quan trắc.
Những nhân tố được nhắc đến ở trên được xác định từ kết quả đo đạc quan trắc và những tính toán mang tính thống kê dựa trên kết quả của việc đo đạc quan trắc rất có ích cho việc dự đoán được sự biến dạng ở bước đào hầm tiếp theo. ix) Nếu sự biến dạng và/hoặc sự tơi của khối đá được dự đoán là rất lớn, bề mặt hầm đã đào phải được phun bê tông kín như là màn che. Kết cấu chống đỡ bằng gỗ và thép chỉ tiếp xúc với bề mặt tường hầm ở các điểm chèn. Vì thế, đất đá giữa các điểm tiếp xúc sẽ vẫn còn không được chống đỡ nên sự biến dạng và/hoặc tơi của khối đá sẽ phát triển.
x) Vỏ hầm phải mỏng và có độ mềm dẻo thích hợp nhằm triệt tiêu mô men uốn và tránh được phá hoại do ứng suất uốn gây ra. Không chỉ lớp vỏ hầm ban đầu (bêtông phun) mà cả lớp vỏ hầm hoàn thiện cũng cần phải mỏng. xi) Trong trường hợp hệ thống chống đỡ (ban đầu) cần phải gia cường, các thanh thép, khung chống thép và neo đá nên được sử dụng. Không nên tăng chiều dày lớp bê tông vỏ hầm vì sẽ làm giảm diện tích tiết diện khai thác của hầm.
xii) Thời gian và phương pháp thi công vỏ hầm được quyết định dựa trên kết quả quan trắc của thiết bị. Thông thường lớp bê tông vỏ hầm được thi công sau khi biến dạng của hầm đã ổn định. Nếu sự biến dạng có xu hướng gia tăng, cần kiểm tra kỹ nguyên nhân. Trong trường hợp này , lớp bê tông vỏ hầm phải được thiết kế đủ cường độ chống lại áp lực của khối đá tác dụng lên.
xiii) Về mặt lý thuyết, cấu trúc của hầm giống như một cái ống hình trụ dày gồm hệ thống chống đỡ và vỏ hầm cùng với môi trường đất đá xung quanh. Các cấu trúc này hợp lại với nhau làm cho hầm tự ổn định. Hệ thống chống đỡ truyền thống gồm phần vòm và trụ đỡ, khối đá xung quanh được xem như là tải trọng tác dụng lên hầm. Theo lý thuyết NATM, hầm được xem như là một cấu trúc hỗn hợp gồm khối đá, hệ thống chống đỡ và vỏ hầm.
xiv) Việc cấu tạo mặt cắt hầm kín bằng vòm ngược tạo nên đường ống hình trụ là cần thiết vì cấu trúc này có thể chịu ứng suất của đá cao hơn. Lương Ngọc Bình - Lớp Cao học Cầu hầm K20 6 Trường Đại học Giao thông vận tải Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật xv) Hành vi (trạng thái) của khối đá phụ thuộc vào tiến trình đào hầm và sự lắp đặt hệ thống chống đỡ cho đến khi kết cấu của hầm kín được hình thành. Mômen uốn bất lợi xuất hiện tại khu vực tiếp giáp của phần trên vòm hầm và tường (bench) giống như kết cấu dầm hẫng khi khoảng cách giữa các bề mặt gương hầm của phần vòm và phần tường là quá dài. Ứng suất uốn như mô tả ở trên sẽ phát triển do lún tác động lên hệ thống chống đỡ lắp đặt ở phần trên vòm hầm, khi sức chịu tải của móng hệ thống chống đỡ nhỏ hơn tải trọng tác động lên.
xvi) Từ quan điểm phân bố lại ứng suất, phương pháp đào toàn mặt cắt tốt hơn các phương pháp khác. Chia gương hầm thành nhiều gương nhỏ sẽ khiến cho chất lượng khối đá xung quanh hầm giảm đi nhanh chóng do phân bố lại ứng suất. Tuỳ thuộc vào quá trình đào hầm, việc phân bố ứng suất của khối đá xung quanh sẽ xảy ra và cuối cùng đạt đến một trạng thái ứng suất mới. Khối đá xung quanh hầm gặp phải tình trạng có tải và không tải lặp đi lặp lại trong suốt quá trình phân bố lại ứng suất.
Đôi khi trạng thái này lặp lại dẫn đến kết quả khối đá bị phá hoại. Tuy nhiên, rất khó thực hiện phương pháp đào toàn mặt cắt ở những vùng đá xấu như đá phong hoá nặng và/hoặc đất. Trong các trường hợp như vậy ta phải chia gương hầm thành những gương nhỏ và cần phải đo đạc kiểm tra tính ổn định của mỗi phần hầm đó. xvii)Phương pháp đào hầm có ánh hưởng rất lớn đến khối đá xung quanh, chẳng hạn chu kỳ và trình tự đào hầm, thời gian thi công vỏ hầm, thời gian đóng kín vỏ hầm,.
Các nhân tố này cần được kiểm soát để tạo ra tổ hợp kết cấu cũng như thiết lập sự ổn định của đường hầm. xviii) Mỗi bộ phận hầm phải duy trì hình dạng tròn nhằm tránh sự tập trung ứng suất bất lợi. xix) Đối với hầm kết cấu vỏ đôi thì vỏ hầm bên trong phải mỏng. Bất kỳ lực cắt tác động vào đuờng biên bên ngoài hầm và khối đá sẽ không truyền sang bê tông vỏ hầm.
Chỉ có lực hướng tâm truyền đến kết cấu vỏ đôi của hầm.