Phương pháp đào hầm mới của Áo (New Austrian Tunneling Method -NATM) được phát triển bởi Rabcewicz, Müller và Pacher trong khoảng thời gian từ 1957 đến 1964, về cơ bản là một phương pháp kinh nghiệm được phát triển từ thực tiễn.
NATM được ứng dụng rộng rãi trong công trình ngầm trên thế giới và tại các hầm đường bộ ở Việt Nam. Tương tự như các ngành kỹ thuật khác, NATM đã hình thành và cũng thường xuyên được cập nhật, đổi mới nhờ các tiến bộ khoa học và kinh nghiệm thực tế.
Để có thể áp dụng NATM có hiệu quả, cần thiết phải cập nhật tiến bộ của NATM. Bài báo giới thiệu khái quát thực trạng phát triển của NATM và đánh giá sơ lược tình hình áp dụng ở Việt Nam.
1. NATM và hiện trạng phát triển
1.1. Các phương pháp đào hầm cổ điển và NATM
Cho đến thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20, trên thế giới đã sử dụng các phương pháp thi công xây dựng các công trình ngầm khác nhau. Các nước Tây Âu thường đề cập đến các phương pháp sau [1]:
• Phương pháp của Bỉ - phương thức đón đỡ;
• Phương pháp của Anh - phương thức dầm dọc trục, hay dầm nóc;
• Phương pháp của Đức - phương thức nhân đỡ;
• Phương pháp của Áo (cũ), phương thức đào mở rộng, hay nhiều lò dẫn.
Trên Hình 1 là các sơ đồ đào đường hầm với trình tự đào các lò theo các phương pháp khác nhau.
Hình 1. Các phương pháp đào hầm “cổ điển”.
Kết cấu chống thường được sử dụng là gỗ và vỏ hầm xây bằng gạch đá. Đến cuối thế kỷ 19, bê tông dần thay thế gạch, đá xây; khung chống thép dần thay thế khung gỗ. Tiếp đó bê tông phun được áp dụng ngày càng rộng rãi, liên kết chặt chẽ với biên khai đào và khung thép, lưới thép, tạo ra giải pháp bảo vệ hay chống giữ ngay lập tức.
Nguyên tắc cơ bản của NATM là phát triển và vận dụng hợp lý các giải pháp nhằm duy trì được độ bền vốn có hay khả năng tự mang tải của khối đá xung quanh khoảng trống ngầm. Những nét đổi mới cơ bản của NATM so với các quan điểm trước đó được giới thiệu khá chi tiết trong [3,4,5].
Sự phát triển của NATM chịu ảnh hưởng đáng kể bởi tiến bộ trong công nghệ bê tông phun, kết hợp với loại kết cấu chống mới như neo, ô ống và các cấu kiện chịu nén (Hình 2). Quan trắc (đo đạc) ba chiều dịch chuyển trên biên khoảng trống ngầm cho phép điều khiển quá trình thi công, điều chỉnh kết cấu chống.
Hình 2. Nhóm các “phương pháp mỏ” và NATM.
Các loại kết cống chống thông dụng hiện nay được tổng hợp trong Bảng 1 [2], được sử dụng ngày càng hợp lý hơn tùy thuộc loại khối đất đá với các điều kiện địa chất biến động khác nhau.
Bảng 1. Các loại kết cấu chống hay kết cấu công trình ngầm.
1.2 Các tiêu chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật của NATM
NATM xây dựng và phát phương pháp phân loại khối đá riêng, các tiêu chuẩn, hướng dẫn cụ thể cho các công tác khảo sát, thiết kế, thi công và quyết toán. Năm 2001, Hiệp hội Địa cơ học Áo đã ban hành Hướng dẫn lập kế hoạch địa kỹ thuật và xây dựng các công trình ngầm thi công theo chu kỳ như là một bộ quy tắc tổng thể.
Bảng phân loại đầu tiên được LAUFFER đề xuất năm 1958, được gọi là phân loại theo “thời gian ổn định không chống” thể hiện mối tương quan giữa “khẩu độ không chống hữu hiệu” và “thời gian ổn định không chống” [6].
Phân loại khối đá được thực hiện trong khi đào các lò dẫn và lập cho từng dự án riêng, nên NATM cũng được gọi là “phương pháp quan sát”. Từ các kết quả quan trắc và kinh nghiệm sẵn có cho phép lựa chọn và điều chỉnh các loại kết cấu chống thích hợp, xác định được thời gian lắp dựng kết cấu chống và lập kế hoạch tổ chức thi công.
Phân loại khối đá được RABCEWICZ và PACHER bổ sung năm 1974 và GOLSER cải biến năm 1986 trên cơ sở kết hợp các kết quả nghiên cứu lý thuyết với thực tế (Bảng 2)[6], gồm các thông tin về các nhóm khối đá, các đặc điểm và biểu hiện của từng nhóm cùng với các biện pháp đào, chống cho các đường hầm có diện tích từ 80 - 140m2, tương đương với chiều rộng khoảng 10 - 14m, như ở phần lớn các đường hầm đường bộ.
Bảng 2. Phân loại khối đá theo Rabcewicz, Pacher và Golser [6].
Tiêu chuẩn về hợp đồng xây dựng cho công trình ngầm OENORM B2203-1978 bao gồm các điều khoản về việc chủ đầu tư và nhà thầu cùng xác định “cấp chất lượng khối đá”. Tiêu chuẩn OENORM B2203-1994 cung cấp cơ sở cho phép tính toán và quyết toán rõ ràng và minh bạch [4,7,8].
Một hợp đồng xây dựng được coi là “linh hoạt” phù hợp với B 2203-1978, đưa ra quyết định tối ưu tại địa điểm xây dựng đường hầm, cần phải cung cấp, đáp ứng các điều kiện trong giai đoạn đấu thầu, trước khi đào hầm như:
1) Điều tra và mô tả về khối đất đá phải được chuẩn bị đầy đủ;
2) Giải thích rõ các dự báo liên quan kỹ thuật thi công đường hầm và các vấn đề địa cơ học;
3) Một bản thiết kế phải bao gồm cả phạm vi dự kiến về các biểu hiện của khối đất đá;
4) Xây dựng được các tiêu chí và mục tiêu chi phối việc lựa chọn các phương pháp thi công hầm.
1.3 Ưu và nhược điểm của NATM
Ưu điểm cơ bản của NATM là áp dụng rộng rãi cho các điều kiện khác nhau:
• Các công trình ngầm tiết diện lớn và tiết diện không tròn;
• Điều kiện khối đất đá phức tạp và hay biến động;
• Đường hầm dài (thường dưới 1,5km);
• Công trình ngầm phức tạp, có nhiều mặt cắt ngang, kích thước và hình dạng thay đổi;
• Kết cấu chống kinh tế được áp dụng theo yêu cầu, ngược lại với kết cấu lắp ghép khi sử dụng TBM, thường chỉ được thiết kế cho trường hợp tải trọng xấu nhất.
Nhược điểm của NATM: Đỏi hỏi các thiết bị thích hợp và đội ngũ chuyên gia có thể làm việc trên nhiều tiêu đề để tối ưu hóa được kế hoạch triển khai.
1.4 Thiết kế theo NATM
Theo từng giai đọan xây dựng, cụ thể trước và trong quá trình đào, cũng như sau khi đào, NATM có những yêu cầu cụ thể về các thông tin cần có và các công việc cần làm nhằm đảm bảo có được quyết định hợp lý về kết cấu chống, xây dựng công trình ngầm hiệu quả, bền vững và giảm thiểu rủi ro (Hình 3).
Hình 3. Các thông tin cần thiết để quyêt định lựa chọn và điều chỉnh kết cấu chống [9].
Công tác thiết kế được triển khai với sự kết hợp các phương pháp kinh nghiệm, bán giải tích, giải tích và các công cụ mô phỏng số hiện đại trong giai đoạn thiết kế.
Sau đó, từ các kết quả quan trắc tại hiện trường sẽ tiến hành đánh giá lại mô hình thiết kế và điều chỉnh kết cấu chống cho hợp lý (Hình 4).
Hình 4. Chu trình thiết kế - quan trắc để hoàn chỉnh lựa chọn kết cấu chống [9].
2. Thực tế áp dụng NATM ở Việt Nam
NATM được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên, với các phương pháp phân loại đất đá khác nhau như: (a) Chỉ tiêu chất lượng đá RQD (Rock Quality Designation); (b) Điểm số khối đá RMR (Rock Mass Rating); (c) Chất lượng đường hầm Q (Tunnel Quality). RMR được áp dụng phổ biến [10,11,12]
Ở nước ta, NATM được áp dụng chính thức lần đầu tiên tại hầm Hải Vân [13]. Kết cấu chống được xác định theo giá trị RMR. Do khối đá tại hầm Hải Vân có giá trị RMR trung bình bằng 70 nên kết cấu chống thường được chọn chủ yếu thuộc nhóm 1 (trong 4 nhóm được áp dụng) gồm lớp bê tông phun dày 50 mm, kết hợp neo dính kết, xác định tùy theo mức độ nứt nẻ của khối đá ở vị trí cụ thể.
Tại hầm Đèo Cả, các đơn vị tư vấn của Nhật Bản đã phân loại khối đá theo tốc độ lan truyền sóng địa chấn nhưng khi triển khai thi công cũng sử dụng RMR. Các hầm đường bộ trong giai đoạn sau đó được khảo sát, thiết kế bới các đơn vị tư vấn khảo sát và thiết kế của Việt nam; chất lượng khối đá được đánh giá theo RMR.
Đến nay, khi thi công các hầm đường bộ đã xảy ra một số sự cố như: trụt lở tại hầm Hải Vân, nứt nẻ mạnh nóc và thành hầm tại hầm Nam Cường do gặp phải đới đứt gãy, sập hầm Cổ Mã do gặp đứt gãy và hiện đang gặp khó khăn do điều kiện địa chất yếu tại hầm Núi Vung [14].
Việc xây dựng các công trình ngầm ở Việt Nam và nhiều nơi trên thế giới thực sự chưa được triển khai thuần túy theo NATM. Công tác quan trắc và đánh giá trực tiếp tại đường hầm trong quá trình thi công đôi khi chưa triệt để và gặp khó khăn.
Với tiết diện đào từ 80 - 140 m2, ứng với chiều rộng và chiều cao đường hầm khoảng 10 - 14 m, việc đánh giá điều kiện địa chất trên gương hầm ngay sau khi đào là không đơn giản, cần được quan tâm. Tài liệu khảo sát điều tra các điều kiện địa chất còn có bất cập, như có sự khác biệt lớn giữa điều kiện địa chất ban đầu với trạng thái thực tế tại hầm Núi Vung [14].
3. Nhận định và kiến nghị
NATM xây dựng một triết lý hay luận điểm rằng khối đất đá xung quanh đường hầm hay khoảng trống ngầm phải tác hợp với các kết cấu chống tạo ra một “vành bảo vệ” tổng thể, tuân thủ các nguyên tắc sau:
• Các kết cấu chống phải được điều chỉnh phù hợp với điều kiện khối đất đá;
• Phải tránh các trạng thái ứng suất và biến dạng bất lợi bằng cách sử dụng các kết cấu chống thích hợp trong thời điểm thích hợp;
• Các kết cấu chống cần được tối ưu theo biến dạng cho phép;
• Cần tiến hành quan trắc trong quá trình xây dựng để kiểm tra, tối ưu thi công và thay đổi kết cấu chống khi cần thiết.
Để áp dụng NATM hợp lý trong xây dựng công trình ngầm ở Việt nam, xin nêu một vài kiến nghị:
1. Các chuyên gia, các nhà kỹ thuật cần thiết phải có phản ứng cởi mở, tiếp thu các tiến bộ khoa học, kỹ thuật mới;
2. Cần vận dụng linh hoạt các kinh nghiệm đã được tích lũy, áp dụng và phối hợp hợp lý các tiến bộ kỹ thuật, công nghệ để có thể thi công xây dựng các công trình ngầm bền vững, với mức độ rủi ro thấp nhất.
Tài liệu tham khảo:
[1] Whittaker, Barry N. and R. C. Frith, (1990). Tunnelling Design, Stability, and Construction, The Institution of Mining and Metallurgy, London.
[2] Nguyễn Quang Phích và nnk. Vấn đề lựa chọn và thiết kế kết cấu chống. Một số vấn đề cơ học đá Việt Nam. Quyển 1. Tr 203-208. Nhà xuất bản Xây dựng. Hà Nội 2010.
[3] Schubert, W. Grundlagen der New Austrian Tunnelling Method. Technische Universitaet Graz. Mai 1997.
[4] Nguyễn Quang Phích. Phương pháp thi công hầm mới của Áo (NATM). Bài giảng Xây dựng công trình ngầm dân dụng và công nghiệp. Đại học Mỏ - Địa chất. Hà Nội 1999. https://123docz.net/document/2760531-phuong-phap-thi-cong-ham-moi-cua-ao-natm.htm
[5] Schubert, W. Vavrovsky, M. Die Neue Österreichische Tunnelbaumethode.
https://online.tugraz.at/tug_online/voe_main2.getVollText?pDocumentNr=112142&pCurrPk=8725
[6] Nguyễn Quang Phích. Cơ học đá. Nhà xuất bản xây dựng. Hà Nội 2007.
[7] Austrian Society for Geomechanics. Austrian Practice of NATM Tunnelling Contracts. ÖGG Salzburg, 2011. 18 Pages
[8] Austrian Standard ÖNORM B 2203-1 “Underground works-Works contract” Part 1 Cyclic driving, which forms the basis for contracts in tunnel construction, addresses these requirements.
[9] Felice, C. W. NATM Design and Construction. Tunneling Short Course September 12-15, 2016. Boulder, Colorado.
[10] Rizki Ade Khoir et al. The effectiveness of new austrian tunnelling method (NATM) for hydro power plant construction: lau gunung power plant, north sumatera, Indonesia. MATEC Web of Conferences 138, 04012 (2017). P.1-10.
[11] Tarcisio B. Zelestino. Progress in the use of NATM in Brazil. Geomechanics and Tunnelling. Volum 5, Issue 5. October 2012. P. 401-648
[12] In-Mo Lee, Kwang-Joon Park. Korean practice of conventional tunnelling, NATM. Geomechanics and Tunnelling. Volum 5, Issue 5. October 2012. P. 438-444
[13] Ishimoto I. Nguyen, T.N, Introduction of Hai Van pass tunnel construction project in Vietnam. http://www.vncold.vn/Modules/CMS/Upload/13/Science/HVanTunnelEW.pdf
[14] Thi công hầm Núi Vung - cao tốc Cam Lâm - Vĩnh Hảo gặp khó. https://plo.vn/thi-cong-ham-nui-vung-cao-toc-cam-lam-vinh-hao-gap-kho-post723578.html
