Giới thiệu công nghệ thi công hầM theo phơng pháp NATM
(New Austrian Tunneling Method)
PGS.TS. Nguyễn Viết Trung
KS. Nguyễn Đức Vơng
Bộ môn CTGTTP-Trờng Đại học GTVT
Tóm tắt: Bài viết này trình bày khái niệm chung nhất về phơng pháp thi công hầm mới
của nớc áo (NATM). Giới thiệu trình tự thiết kế, thi công, các u nhợc điểm và phạm vi áp dụng
của phơng pháp.
Summary: This paper presents the general concept of New Austrian Tunneling Method,
introducing design sequence, tunneling construction, advantages, disadvantages and the field of
application of this method.
1. Khái niệm
Quan điểm thiết kế thi công hầm theo phơng pháp cổ truyền là coi đất đá xung quanh gây
ra áp lực tác dụng lên vỏ hầm. Vỏ hầm khi đó là kết cấu chịu lực chính. Do đó khi thi công hầm
theo phơng pháp cổ truyền, sau khi khai đào ta cần nhanh chóng xây dựng kết cấu chống đỡ và
vỏ hầm để chịu sự tác động của đất đá xung quanh.
Đến những năm 1957-1965 kỹ s mỏ ngời áo, Giáo s Tiến sỹ L.V. Rabcewicz đã phát
triển thành phơng pháp mới về thi công hầm từ những kinh nghiệm thi công hầm. Phơng pháp
này thay đổi quan điểm thiết kế thi công hầm. Nó tỏ ra có nhiều u thế hơn các phơng pháp cổ
truyền và đã áp dụng ở nhiều nớc trên thế giới thông qua các công trình thực tiễn trong nhiều
lĩnh vực nh đờng bộ, đờng sắt và đờng thuỷ. ở Việt Nam phơng pháp này đợc áp dụng đầu tiên
tại dự án Hầm đờng bộ Hải Vân và sắp tới sẽ áp dụng cho Dự án Hầm Đèo Ngang...
Phơng pháp NATM bao gồm các biện pháp mà việc hình thành đất đá xung quanh hầm đ-
ợc liên kết thành kết cấu vòm chống. Do đó việc liên kết này tự bản thân nó sẽ trở thành một
phần của kết cấu đỡ hầm. Khi đào hầm, sự cân bằng hiện có nguyên thuỷ của các lực trong khối
đá sẽ chuyển sang tình trạng cân bằng mới, thứ cấp và cũng ổn định. Điều này chỉ có thể đạt đ-
ợc thông qua sự kế tiếp của các giai đoạn trớc mắt cùng với tiến trình phân bổ lại các ứng suất
đa dạng. Mục đích của NATM là kiểm soát đợc các tiến trình chuyển đỏi này trong khi vẫn cân
nhắc về mặt kinh tế và an toàn.
2. Trình tự thiết kế cơ bản của phơng pháp
2.1. Lập tuyến

Việc lập tuyến hầm đợc thực hiện theo chức năng của hầm chẳng hạn nh các điều kiện
địa chất, vị trí hầm, kiểm soát an toàn trong và sau quá trình thi công, ảnh hởng đến môi trờng
và hiệu quả kinh tế.
- Định tuyến hầm trên bình đồ và trắc dọc của hầm đợc thiết kế đảm bảo các chức năng
và mục đích của hầm nh là một phần của tuyến đờng theo địa hình, địa chất, môi trờng dựa trên
kết quả đo đạc tại hiện trờng.
- Vị trí cửa hầm: Các yếu tố chính để quyết định vị trí của cửa hầm là tuyến bình đồ và
trắc ngang của đờng, điều kiện địa hình, địa chất khu vực cửa hầm. Các điều kiện địa chất xung
quanh khu vực cửa hầm khó mong đợi đợc khả năng tự chống đỡ của đất đá do tầng phủ mỏng
và các điều kiện địa chất không thuận lợi. Để có hiệu ứng vòm đất xung quanh hầm, độ dày tối
thiểu của lớp phủ phải lớn hơn 2 lần đờng kính hầm
- Mặt cắt ngang hầm: Kích thớc hầm và mặt cắt bên trong hầm sẽ đợc ớc tính theo loại và
mục đích sử dụng. Mặt cắt bên trong hầm sẽ phù hợp theo kích thớc hầm, thiết bị thông gió,
thiết bị chiếu sáng, thiết bị cấp cứu, các biển báo và dung sai cho phép của các sai sót trong thi
công.
- Thiết kế khu vực cửa hầm.
2.2. Khảo sát chi tiết và phân loại đất đá khu vực tuyến hầm
Loại đá đợc đánh giá dựa vào điều kiện địa chất, màu sắc trên bề mặt đá, phân bố các khe
nứt và cú đập của búa địa chất. Loại hệ thống chống đỡ đợc phân loại theo tiêu chuẩn kỹ thuật
(chiều dày bê tông phun, chiều dài, khoảng cách các neo đá, kết cấu khung thép ). Loại đá và
hệ thống chống đỡ có liên quan với nhau qua Hệ thống phân loại điểm số khối đá (RMR). Hệ
thống phân loại điểm số khối đá (RMR) đợc xác định dựa trên các thông số: Độ bền nén đơn
trục của đá, chỉ số chất lợng đá RQD, khoảng cách giữa các khe nứt, tình trạng nớc ngầm, sự
định hớng của các khe nứt.
2.3. Xử lý số liệu để phân tích thiết kế:
Số liệu về địa chất đợc đệ trình là kết quả của sự kiểm tra địa kỹ thuật và địa chất theo
yêu cầu cần phải đợc đánh giá theo quan điểm của kỹ s hầm. Các công việc là phân tích thí
nghiệm trong phòng, đánh giá các tính chát vật lý của khối đá, các tính chất vật lý sử dụng
trong tính toán thiết kế.
2.4. Tính toán thiết kế.

Phơng pháp NATM là phơng pháp sử dụng bê tông phun và neo đá nh là yếu tố chống đỡ
chính để ổn định hầm. Cờng độ bê tông phun và neo đá sẽ dần dần đợc tăng lên theo thời gian.
Vì vậy, yếu tố thời gian là quan trọng trong thiết kế chống đỡ hầm. Nhân tố giải phóng ứng suất
(tác động 3 chiều của gơng hầm) luôn là nhân tố có tác động tơng tự nh yếu tố thời gian và nó
thờng đợc áp dụng trong thiết kế hầm đợc đào theo phơng pháp khoan và nổ mìn là phơng pháp
có các thành phần của hệ thống chống đỡ đợc lắp đặt ở vùng lân cận xung quanh gơng hầm. D-
ới đây giới thiệu một số phơng pháp tính toán:
A. Ph ơng pháp đ ờng cong phản lực đất đá sử dụng cho thiết kế hệ thống chống đỡ:
Phơng trình vi phân đàn hồi - dẻo đợc sử dụng để tính toán đờng cong phản lực đất đá.
Các kiện để giải phơng trình vi phân này là:
+ Kiểu đờng hầm tròn đào trong môi trờng đồng nhất dới áp lực thuỷ tĩnh
+ Điều kiện uốn của khối đất đá đợc tính theo tiêu chuẩn đờng cong Morh - Coulomb.
+ Quy tắc dòng chảy đợc áp dụng để tính toán ứng suất và sức căng của trạng thái dẻo.
Mặt cắt thiết kế
Tải trọng thiết kế
Điều kiện áp suất thuỷ tĩnh đợc giả thiết tơng ứng với tầng phủ, nghĩa là bao gồm cả áp
suất nớc. ứng suất xung quanh hầm dự tính cao hơn áp suất nớc và kết quả của việc tính toán sẽ
chuyển sang phía an toàn hơn.
Tính toán khả năng chống đỡ:
- Bê tông phun: Bê tông phun đợc xem nh một lớp vỏ mỏng hình trụ rỗng có áp suất
đồng dạng ở mặt ngoài. Khả năng chống đỡ của bê tông phun và sự dịch chuyển của bê tông
phun đợc tính theo phơng trình cờng độ bê tông phun.
c
c
is
R
h.
P

=

,
h.E
1(P
U
sc
2
scis
sc

=
trong đó: P
si
- khả năng chống đỡ của bê tông phun

c
- cờng độ đơn trục của bê tông phun
h - Độ dày của lớp bê tông phun
R
c
- Bán kính của lớp bê tông phun
U
sc
- Sự chuyển dịch của bê tông phun
E
sc
- Mô duyn đàn hồi của bê tông phun

sc
- Hệ số Poison của bê tông phun ( giả sử
sc

= 0,2)
- Neo đá: Khả năng chống đỡ của neo đá đợc tính theo phơng trình:
B
BBB
S.l.R.2C =
Tổng khả năng chịu tải cho số neo lắp đặt dọc theo đờng kính hầm:
B0
B
iB
L.R.2
C.n
P

=
trong đó: C
B
- khả năng chống đỡ một đơn vị của neo đá ( một neo đá)
R
0
- bán kính của neo đá
l
B
- chiều dài của neo đá
S
B
- cờng độ của neo đá
L
B
- khoảng cách giữa các neo đá dọc theo trục hầm
Khả năng tới hạn của neo đá nhỏ hơn độ bền vật liệu neo đá và gần nh bằng với độ bền

của đinh ốc. Khả năng chống đỡ của neo đá sẽ đợc điều chỉnh bằng khả năng tới hạn.
- Khung thép:
Phơng trình đối với vỏ ống hình trụ mỏng đợc sử dụng để đánh giá khả năng chống đỡ
của khung thép.
SS
SS
iSP
l.R
A.
P

=
trong đó: R
iSP
- khả năng chống đỡ của khung thép

S
- độ bền của khung thép
A
S
- diện tích tiết diện của khung thép
R
S
- Bán kính của khung thép
l
S
- khoảng cách của khung thép dọc theo trục hầm
Tính toán đờng cong phản lực của đất đá:
Đờng cong này đợc tính toán nh sau:
+ Toàn bộ áp suất tầng phủ sẽ tác động lên hầm

+ áp suất phân bố xung quanh gơng hầm đợc xác định bằng hệ số giải phóng ứng suất.
+ Hành vi của khố đá trong trạng thái biến dạng đợc mô tả theo đàn hồi dẻo lý tởng
+ Bỏ qua sự nén ép của khối đá
Kết quả và đánh giá tính toán
B. Mô hình phân tích bằng máy:
Theo đà phát triển của ngành công nghệ máy tính, nhiều loại khác nhau của mô hình tính
số đợc phát triển trên khắp thế giới. Một phwong pháp điển hình để mô hình hoá sự phân tích là
phơng pháp phần tử hữu hạn - một phơng pháp đã có một lịc sử phát triển gần 40 năm và là ph-
ơng pháp rất hữu ích để đánh giá sự phân bố ứng suất và sức căng trên một mẫu liên tục.
Trình tự tính toán:
- Tính toán trờng ứng suất ban đầu
- Mô phỏng thi công đào hầm và tính toán ứng suất và sự dịch chuyển xung quanh hầm.
- Tính toán khu vực uốn và thay đổi mo duyn đàn hồi và lực kết dính của khu vực uốn.
- Tính toán lại ứng suất và sự dịch chuyển xung quanh hầm.
- Lập lại các bớc trên.
Khả năng chống đỡ đợc tính toán theo phơng pháp ứng suất bên trong.
3. Các bớc thi công chính của phơng pháp NATM
Thi công khai đào bằng nổ mìn, bằng máy hoặc nhân công. Việc khai đào có thể
tiến hành toàn bộ mặt cắt, phơng pháp cắt bậc trớc hoặc phơng pháp lò phụ trớc, tuỳ thuộc
vào điều kiện đất đá, tiết diện mặt cắt ngang, giai đoạn xây dựng, điều kiện địa điểm... Việc
khai đào hầm đợc thực hiện sao cho đất đá không bị rời ra để giữ cho đất đá có chức năng
chống đỗ ở mức tối đa và mặt cắt của gơng càng lớn càng tốt.
Bốc xúc đất đá: đợc tiến hành phù hợp với điều kiện đất đá, điều kiện địa điểm,
kích thớc mặt cắt ngang hầm, chiều dài đờng hầm, độ dốc, phơng pháp khai đào, hệ thống
truyền động trong đờng hầm, loại bốc xúc, và cự ly vận chuyển đến bải thải
Thi công hệ thống chống đỡ
Công tác chống đỡ đợc tiến hành ngay sau khi khai đào để tạo cho đất đá xung quanh
sớm có chức năng chống đỡ. Hệ thống chống đỡ kết hợp với đất đá hoặc bám sát đất đá càng
gần càng tốt để cho đất đá ổn định. Hệ thống chống đỡ trong phơng pháp NATM gồm: bê tông
phun, neo đá và khung thép.

Loại hệ thống chống đỡ đợc chọn tuỳ thuộc vào điều kiện đất đá
Khi điều kiện đất đá rắn chắc tiến hành phun vữa, tiếp đó thi công neo đá.
Khi điều kiện đất đá yếu: tiến hành phun vữa lần đầu, hệ thống chống bằng thép, phun
vữa lần hai, tiếp đó là thi công neo đá.
Đặc biệt, công tác phun vữa phải đợc tiến hành ngay sau khi khai đào để giảm thiểu sự
sập gơng và làm tơi vùng xung quanh trong điều kiện đất đá yếu.
Quan trắc đo đạc sự biến dạng của vỏ hầm.
Thi công lớp phòng chống nớc.
Thi công lớp bê tông vỏ hầm. Lớp bê tông vỏ hầm đợc thi công khi biến dạng vỏ
hầm ở một chỉ số cho phép. Trình tự thi công là: Lắp đặt hệ thống ván khuôn, đổ bê tông vỏ
hầm.
4. Các u nhợc điểm và phạm vi áp dụng của phơng pháp NATM
- Sử dụng triệt để sự chống đỡ tự nhiên của đất đá xung quanh. Vữa phun, neo đá, hệ
thống chống đỡ bằng thép bảo đảm sự ổn định của đất đá khi thi công.
- Kích thớc mặt cắt ngang lớn có thể thiết kế lớn hơn so với phơng pháp cổ truyền. Với
mặt cắt lớn thì NATM hiệu quả hơn phơng pháp cổ truyền
- Đối với đất đá cứng phơng pháp NATM tỏ ra hiệu quả hơn. Do vậy phơng pháp này đợc
áp dụng khi điều kiện đất đá tốt. Khi đất đá yếu, rời rạc vẫn có thể thi công theo NATM tuy
nhiên chi phí tốn kém hơn do phải dùng các phơng pháp phụ trợ
Kết luận: Trong lĩnh vực thi công hầm, trên thế giới đã và đang tồn tại nhiều phơng pháp thi
công. Mỗi phơng pháp thi công đều có những u nhợc điểm riêng. Phạm vi áp dụng của mỗi ph-
ơng pháp phụ thuộc vào điều kiện đất đá, chức năng của đờng hầm, các điều kiện địa điểm, tác
động đến môi trờng xung quanh và hiệu quả kinh tế... Với mỗi dự án cụ thể chúng ta cần xem
xét, phân tích, đánh giá kỹ các điều kiện để lựa chọn phơng pháp thi công hầm hợp lý cả về mặt
kỹ thuật, an toàn và kinh tế. Bài viết trên giới thiệu đến bạn đọc những gì chung nhất của phơng
pháp NATM, chi tiết công nghệ sẽ trình bày ở các bài sau.
Tài liệu tham khảo:
Japan Society of Civil Engineers - Japanese Standard for mountain Tunneling
Hai Van Pass Tunnel Project.
NATM Training Program (course A & B)