Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006
Page 1 of 28
MỘT CÁI NHÌN KỸ HƠN VỀ PHƯƠNG PHÁP LÀM
HẦM MỚI CỦA ÁO (NATM)
(An Insight into the New Austrian Tunnelling Method)
Tác giả: M. Karakuş
1
& R.J. Fowell
2

1
Department of Mining Engineering, Inonu University Malatya 44069 Turkey
2
Department of Mining & Mineral Engineering, Leeds University LS2 9JT UK

KS. CN. Nguyễn Đức Toản (biên dịch)
Viện KHCN GTVT. Sinh viên cao học về hầm tại Italia
Email: [email protected] Lời giới thiệu của người dịch (Introduction of the Translator):

Bài báo này của hai tác giả TS. Karakus (Thổ Nhĩ Kỳ) và TS. Fowell (Anh) được viết vào
năm 2004 là cực kỳ quan trọng cho những ai đã, đang và sẽ tìm hiểu về NATM. Một bài
báo khác, mà tôi nghĩ tầm quan trọng của nó còn lớn hơn, đó là bài “Những quan niệm
sai lầm đằng sau NATM” của giáo sư Kovári, cần được đọc kèm với bài này.
Chúng tôi đã xin phép bằng văn bản TS. Karakus và GS. Kovári để tiến hành chuyển
ngữ sang tiếng Việt và cho phép lưu hành rộng rãi ở Việt Nam (mặc dù chúng tôi đã dịch
xong từ năm ngoái). Trước hết chúng tôi xin công bố bài thứ nhất. Bài thứ hai sẽ sớm
được công bố tiếp, kèm theo ý kiến mới đây của chính tác giả của nó.
Bài của TS. Karakus và TS. Fowell nhìn chung là đại diện cho quan điểm của phái ủng

truyền thống khác. Đôi khi, NATM được nói đến bằng nhiều tên gọi khác nhau, như: Vỏ
hầm Bêtông Phun (SCL - Sprayed Concrete Lining, theo ICE, 1996), Phương pháp Đào
Tuần tự (SEM - Sequential Excavation Method) để phân biệt với NATM (Brandt và nnk
do ICE 1996 trích dẫn lại), NATM có Tường Phân chia Trung tâm (CDNATM - Centre
Dividing wall NATM, theo Kobayashi và nnk 1994), Phương pháp Tường ngăn Trung tâm
(CDM - Centre Diaphragm Method, Seki và nnk 1989) hoặc Phương pháp Tường ngăn
Mặt cắt (CRD-NATM, Cross Diaphragm Method, Narasaki 1989) và Phương pháp chia
nhỏ gương đào phía trên (UHVS, Upper half vertical subdivision method, Seki và nnk
1989). Các định nghĩa chi tiết về NATM hiện có trong rất nhiều tài liệu, bài báo này sẽ
thảo luận bối cảnh lịch sử cùng các đặc điểm đặc trưng của chúng. 1. GIỚI THIỆU

Sau ứng dụng thành công đầu tiên của NATM trong công nghiệp khai mỏ ở Anh
(Deacon & Hughes 1988), các hầm trong ngành giao thông đường bộ ở Anh được thiết kế
theo NATM sớm nhất là dự án hầm Round Hill Road (Bowers 1997). Vụ sập hầm ở dự án
Heathrow Express Rail Link Station ngày 21/10/1994 đã khiến cho phải xem xét lại
phương pháp này một cách kỹ càng. Cơ quan Sức khỏe và An toàn Anh (HSE - Health
and Safety Executive) đã tiến hành điều tra và sau đó công bố kết quả nghiên cứu trong
một cuốn sách về thiết kế NATM an toàn (1996). Sau đó Viện Kỹ sư Dân dụng Anh (ICE
- Institution of Civil Engineers) cũng tiến hành điều tra khảo sát (1996). Bước vào thiên
niên kỷ mới, vẫn còn tồn tại một số mâu thuẫn. Do đó, bài báo này nhằm mục đích mô tả
các nguyên nhân gây sập đổ hầm NATM và khảo sát các trường hợp thất bại đã xảy ra
trong các điều kiện địa chất khác nhau trên thế giới. 2. BỐI CẢNH LỊCH SỬ CỦA NATM

Sự phát triển theo thời gian của phương pháp NATM đã được tổng kết bởi nhiều nhà

Wejwanow.
1872 Thay thế hệ chống gỗ bằng vì chống thép bởi Rziha.
1908-1911 Phát minh ra máy phun bêtông kiểu ổ quay bởi Akeley.
1914 Ứng dụng đầu tiên của bêtông phun trong các mỏ than ở Denver,
Mỹ
1948 Giới thiệu hệ thống vỏ hầm kép bởi Rabcewicz.
1954 Dùng bêtông phun để làm ổn định đất nén ép/chảy trong khi làm
hầm bởi Bruner.
1955 Phát triển hệ neo giữ đất bởi Rabcewicz.
1960 Công nhận tầm quan trọng của một hệ thống đo đạc có tính hệ
thống bởi Müller.
1962 Rabcewicz giới thiệu Phương pháp Làm hầm Mới của Áo trong
một bài giảng tại Hội thảo chuyên đề Địa cơ học lần thứ XIII (the
XIII Geomechanics Colloquium) ở Salzburg, Áo.
1964 Dạng tiếng Anh của thuật ngữ NATM lần đầu tiên xuất hiện trong
văn liệu kỹ thuật đưa ra bởi Rabcewicz.
1969 Ứng dụng NATM lần đầu tiên trong đô thị với điều kiện đất yếu
Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006
Page 4 of 28
(Frankfurt am Main).
1980 Định nghĩa lại NATM do có mâu thuẫn tồn tại trong các tài liệu
kỹ thuật bởi Ủy ban quốc gia về Xây dựng ngầm của Áo
(ANCUC) trực thuộc Hiệp hội Xây dựng hầm Quốc tế (ITA)
1987 Ứng dụng NATM lần đầu tiên ở Anh tại mỏ Barrow upon Soar. 3. CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐẶC TRƯNG VÀ TRIẾT LÝ CỦA NATM

NATM là gì? Những đặc điểm trọng yếu của NATM là gì? NATM là một kỹ thuật
làm hầm hay là một triết lý? Những câu hỏi tương tự nảy sinh sau khi thế giới công nhận

phương pháp theo một cách thức tổng quát hơn so với định nghĩa trước đây của các kỹ sư
đồng nghiệp Áo của mình.
Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006
Page 5 of 28
Một trong những người ủng hộ NATM khác, GS. TS. Leopold Müller (1978) đề nghị
rằng:
“NATM nên hiểu là một quan niệm xây dựng hầm với một tập hợp các nguyên
tắc… Do đó theo ý kiến tác giả không thể gọi nó là một phương pháp thi công,
vì từ này nói đến một phương pháp đào một đường hầm”.
Do những phát biểu trên, những người đề xướng của Áo đều nhất trí rằng NATM là
một cách tiếp cận về xây dựng hầm hoặc triết lý hơn là một tập hợp các kỹ thuật đào và
chống đỡ. Golser, (1979), Brown, (1990), Hagenhofer (1990), Barton (1994) là những
người ủng hộ cho tư tưởng này trong số nhiều nhà khoa học khác. GS. Müller (1990),
người cực kỳ nhiệt tâm trong việc giải thích các nguyên tắc cơ bản của NATM, đã tổng
kết những đặc điểm đặc trưng quan trọng của NATM trong số hai mươi hai (22) nguyên
tắc rằng:
i.
Khối đất đá xung quanh là thành phần mang tải chính và khả năng chịu tải của
nó phải được duy trì bằng cách không làm xáo trộn khối đá.
ii. Sức kháng chống đỡ của khối đá phải được bảo tồn bằng cách sử dụng các
thành phần chống đỡ bổ sung.
iii. Vỏ hầm phải có tường mỏng và nếu cần gia cường bổ sung thì phải dùng lưới
thép, sườn ch
ống thép và neo đá chứ không phải bằng cách tăng chiều dày vỏ
hầm.
iv. Thời gian khép kín vỏ hầm có tầm quan trọng thiết yếu và việc này phải được
thực hiện càng sớm càng tốt.
v. Các thí nghiệm sơ bộ trong phòng thí nghiệm và việc đo đạc biến dạng trong
hầm phải được tiến hành để tối ưu hóa việc tạo thành vòng đất đá chống đỡ.


Phải tránh để xảy ra biến dạng quá mức vì nó sẽ gây ra mất mát cường độ
hay lún sụt mặt đất lớn.
iii. Các hệ thống chống đỡ ban đầu và chủ yếu bao gồm hệ bulông hay neo đá bố
trí một cách có hệ thống và vỏ hầm bêtông phun mỏng nửa-mềm sẽ được sử
dụng để đạt được các mục đích đặc biệt nêu trong điểm (ii). Các công tác về
hệ thống chống đỡ cuối cùng thường được tiến hành ở giai đoạn sau.
iv. Việc khép kín hệ chống đỡ phải được điều chỉnh với sự xác định thời gian
thích hợp, mà thời điểm này có thể biến đổi phụ thuộc vào các điều kiện đất
hay đá.
v. Phải tiến hành các thí nghiệm trong phòng và thực hiện việc theo dõi biến
dạng của các hệ thống chống đỡ cũng như nền đất.
vi. Những ai liên quan đến việc thi công, thiết kế và giám sát xây dựng hầm theo
NATM đều phải hiểu rõ và công nhận cách tiếp cận của NATM, và phải
phản ứng trên tinh thần cộng tác trong việc giải quyết bất kỳ vấn đề nào nảy
sinh tại hiện trường.
vii. Chiều dài của đoạn hầm chưa được chống đỡ trong khi đào phải để lại càng
ngắn càng tốt.
Bảy điểm/nguyên tắc trên đây nhằm mục đích bao quát tất cả những định nghĩa đã
có, bao gồm nhiều dạng yêu cầu khác nhau trong xây dựng hầm cũng như các điều kiện
địa chất. Tuy vậy, Murphy, (1994) vẫn bình luận:
“…Có thể nói rằng một ứng dụng (làm hầm) nhất định không nhất thiết phải
bao hàm mọi nguyên tắc trên đây - mà thực ra cũng không bao giờ có trường
hợp như vậy - để có thể được gọi một cách chính thức là một dự án NATM”.

3.1 Lý thuyết phá hoại cắt quanh một hang ngầm của Rabcewicz

Khi nghiên cứu lý thuyết phá hoại của Rabcewicz khi một hang được tạo ra trong đá,
thấy rằng sự phân bố lại ứng suất xảy ra trong ba giai đoạn như thể hiện ở Hình 1. Trước
hết, các khối đất hình nêm ở cả hai bên hầm bị tách ra dọc theo các mặt phẳng phá hoại
theo lý thuyết Mohn và chuyển dịch về phía hang (I). Trong giai đoạn II, sự tăng lên của

Để có thể thiết kế khả nă
ng chịu tải của vỏ hầm cho nhiều loại đất hay đá khác nhau,
cần phải phân tích và hiểu rõ hiện tượng phá hoại cắt như đã trình bày ở trên. Cần phải
thiết lập mối quan hệ giữa khối đất bị xáo trộn quanh hang ngầm, gọi là “vùng bảo vệ”
(“protective zone”), và khả năng chịu tải của hệ thống chống đỡ, gọi là “sức kháng biên
hang” (“skin resistance”) (Rabcewicz 1964). Việc trình bày v
ề mặt toán học của những
mối quan hệ này được đưa ra bởi Kastner như sau:
()
2sin
1sin
cot cot 1 sin
io
r
pc pc
R
φ
φ
φφφ
−
=− + + −
⎡⎤
⎣⎦
(1)
Bỏ qua lực dính c, Phương trình (1) trở thành:
Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006
Page 8 of 28
()
2sin
1sin

giao cắt luôn luôn xảy ra tại nhánh đi xuống của đường cong". Điều này có nghĩa chỉ cần
một hệ chống đỡ ít cứng hơn mà nó sinh ra sự biến dạng yêu cầu như trong trường hợp
của một ứng dụng NATM. Hơn nữa, ông nhấn mạnh rằng hệ chống đỡ đất đá không được
quá cứng hoặc quá mềm. Sau điểm B sẽ xảy ra "sự rão rời ghê gớm" và áp lực chống đỡ
cần có để ngăn chặn quá trình rão rời sẽ tăng lên rất nhiều. Tuy nhiên, nếu hệ chống đỡ
được lắp đặt đúng thời điểm để có được lượng biến dạng thích hợp, thì áp lực hệ chống
đỡ sẽ có giá trị nhỏ nhất tại điểm này.
Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006
Page 9 of 28

Hình 3 - Các đường cong tương tác đất nền-hệ chống đỡ (theo Fenner & Pacher,
trích dẫn bởi Rabcewicz 1973)

Rabcewicz cũng đưa ra những kết luận sau đây về mối quan hệ tương hỗ giữa hệ
thống chống đỡ cơ sở của NATM, đó là bêtông phun và vòm đá được lắp neo:
i. Với cùng một loại đất và chiều dày lớp phủ, mối quan hệ giữa kích thước
của các khối bị phân chia bởi khe nứt và diện tích đào sẽ có tính chất quyết
định đến việc huy động sự làm việc của lớp vật liệu này.
ii. Với những tiết diện đào nhỏ (10-16 m
2
) và các khối phân chia khoảng vài
dm
3
, thì thường chỉ cần một lớp bêtông phun phủ kín đơn giản dày d = 3 cm
= 0,017xR để ổn định hóa hang hầm;
iii. Nhưng nếu có một gian máy phát điện ngầm khoảng 400-600 m
2
, thì nền đá
với các khối phân chia kích cỡ như trên sẽ làm việc như một khối không
dính, và một vỏ bêtông phun đơn giản cỡ 0,017xR = 19-24 cm sẽ là không

kế của nó
Tóm lại, việc dùng vỏ bêtông phun cho hầm trong đất yếu trong đô thị không sử
dụng bất kỳ triết lý NATM nguyên bản nào, mà đúng hơn, nó chính là sự sử dụng các kỹ
thuật thi công thường đi liền với NATM "
Còn một định nghĩa khác đưa ra bởi Cơ quan An toàn và Sức khỏe Anh (HSE) sau
khi xảy ra vụ sập Hầm Cao tốc Heathrow Express Rail Link Station (HEX). Báo cáo của
HSE nhấn mạnh đến các biện pháp an toàn cần áp dụng trong khi và sau khi xây dựng
một đường hầm, và làm sao để có thể thiết kế các biện pháp đó một cách an toàn bất kể
thuật ngữ nào dùng để gọi NATM. Theo định nghĩa này, NATM (biểu thị bằng chữ đậm
in nghiêng) được miêu tả là:
"Một hầm được xây dựng bằng cách sử dụng các kỹ thuật đào gương mở và với một
vỏ hầm xây dựng ở bên trong hầm bằng bêtông phun để tạo ra hệ chống đỡ đất thường có
sử dụng thêm các neo đất, bulông và thanh căng một cách thích hợp".
Bowers (1997) đã tổng kết khá kỹ cả về lý thuyết và ứng dụng của NATM với hai
trường hợp lịch sử (Bowers 1997; New & Bowers 1994) và ông đã nhận xét về định nghĩa
của Cơ quan Sức khỏe và An toàn Anh (HSE) như sau:
"Tuy nhiên, vấn đề của định nghĩa này là ở chỗ nó ít tương xứng với các biện
pháp thi công an toàn so với bản chất của các thủ tục đã từng được sử dụng, và
do vậy đã không được khai thác một cách triệt để".
Tóm lại, bất kể NATM được gọi hay được định nghĩa thế nào, nó vẫn mang những
đặc trưng riêng biệt so với các phương pháp làm hầm quen thuộc khác và việc áp dụng nó
vẫn tiếp tục diễn ra dưới những cái tên khác nhau trên khắp thế giới. Tuy vậy, tất cả
những định nghĩa này tựu trung đều gặp nhau ở mấy điểm sau:
i. Việc sử dụng nền đất như một phần của hệ chống đỡ là vấn đề quan trọng
nhất;
ii. Xây dựng một vỏ hầm ban đầu để đạt được trạng thái cân bằng tại độ biến
dạng tối ưu (tức là lượng biến dạng tốt nhất chứ không phải lớn nhất!) bằng
nhiều bộ phận chống đỡ bổ sung có thể được, như neo đá, cột, sườn chống
thép, v.v ;
Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006

Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006
Page 12 of 28

Hình 4 - Mối tương quan giữa các triết lý thiết kế hầm (theo ICE 1996)
Hình 5 - Các khía cạnh thiết kế chung cho NATM
Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006
Page 13 of 28

3.4.1 Thiết kế hệ chống đỡ đầu tiên và cuối cùng

Thiết kế hệ chống cho cả bêtông phun ban đầu và vỏ hầm bêtông cuối cùng là phần
chính của thiết kế kỹ thuật theo NATM. Trong khi thiết kế hệ chống đỡ, người ta đã phải
xét đến sự mềm dẻo và chiều dày của vỏ hầm ban đầu với sự bổ sung của lưới thép hàn
hay sợi thép gia cường và neo đá, thanh neo dẫn trước và các tấm/cọc chống, đặc biệt là
để giữ ổn định gương đào. Cũng cần phải xem xét kỹ tính chất tùy thuộc vào thời gian của
việc thi công vỏ hầm. Nhờ đó cũng có thể tối ưu hóa sự xác định thời gian cho việc khép
kín vành vỏ chống đỡ.
Đối với thiết kế hệ chống ban đầu, Rabcewicz (1965) đề nghị rằng:
"Thiết kế bêtông phun phải đạt được cường độ cao càng nhanh càng tốt, và nó phải
cứng và vững chắc sao cho nó trám bít được bề mặt đất đá một cách chặt chẽ và hầu như
kín khít".
Ông chỉ ra một điểm quan trọng rằng bêtông phun phải đạt được cường độ lớn nhất
của nó trong một thời gian ngắn.
Mặt khác, Vavrovsky (1995) đưa ra một khảo sát khá kỹ về biến dạng của đá và hiện
tượng phân bố lại ứng suất liên quan đến các ứng dụng NATM trong đá và đất, ông nhấn
mạnh rằng:
" Phạm vi của thiết kế do vậy không chỉ là để tự "chống đỡ" chính nó mà phải là
một "gói" những biện pháp bao gồm phủ trám kín bề mặt hang, gia cố và chống đỡ khối
đá trong quá trình phân bố lại ứng suất ".
Do đó, việc thiết kế hệ thống chống đỡ được yêu cầu phải tích hợp với các đặc điểm

giải phóng ứng suất ở phía trước gương đào hay tác động trọng yếu của trình tự
thi công đến sự phát triển các điều kiện tải trọng tạm thời lên vỏ hầm”.
Do đó, thiết kế vỏ hầm và tương tác vỏ hầm - đất nền đã được đưa vào mô hình hóa
phân tích và tính toán số. Ví dụ, Ito và Hisatake (1981) đã tiến hành một nghiên cứu phân
tích để đánh giá các áp lực đất và chuyển vị của hệ chống thép và bêtông phun theo
Phương pháp Làm hầm Mới của Áo bằng cách xem xét ứng xử đàn-dẻo của vỏ hầm. Leca
& Clough (1992) đã phân tích vỏ hầm bêtông phun bằng Phương pháp Phần tử Hữu hạn
(FE). Họ đã đề xuất một phương pháp đơn giản để thiết kế sơ bộ hệ chống đỡ hầm
NATM, phương pháp này đánh giá các lực nén và mômen trong vỏ hầm.
Tóm lại, đối với thiết kế bêtông phun và vỏ hầm thứ hai, cần xem xét những điều
sau:
i. Các đặc trưng của đất, chẳng hạn như phải xác định cường độ và thời gian tự
đứng vững/ổn định. Sau đó đưa ra đường cong tương tác giữa kết cấu và đất
nền.
ii. Nước ngầm cần được tính đến và phải duy trì việc thoát nước hay cách nước
theo yêu cầu.
a) Nếu cần thoát nước, sự ổn định lâu dài của các lỗ thoát nước phải được
duy trì và phải tính toán số lượng các lỗ này dựa trên lượng nước chảy vào.
b) Khi chọn phương án cách nước, áp lực nước ngầm cần được xem xét trong
thiết kế để tính toán tải trọng lên vỏ hầm. Sự ổn định lâu dài của màng
cách nước cũ
ng phải được xem xét.
iii. Cần sử dụng các thành phần chống đỡ bổ sung như neo đá, cọc cừ, dầm
chống mắt cáo, lưới thép hàn hay cốt sợi thép để làm tăng cường độ của
bêtông phun. Các vật liệu chế tạo bêtông phun cần được xem xét trong thiết
kế vỏ hầm để tối ưu hóa ứng xử theo thời gian nhằm đáp ứng tính mềm dẻo
và khả năng chịu tải cần thiết.
iv. Cần phải thực hiện kiểm soát các ứng suất trên/trong vỏ hầm và biến dạng.
v. Thiết kế sơ bộ cho vỏ hầm BTP ban đầu phải được thực hiện bằng cách dùng
các phương tiện phân tích có sẵn như các phương pháp kinh nghiệm dựa trên

hệ chống đỡ tối ưu.

Hình 6 - Phân loại các bài toán về mô hình hóa (theo Holling, trích dẫn bởi Starfield
1988)
Starfield (1988) đã đưa ra một phân tích khá kỹ về phương pháp luận của việc mô
hình hóa đất đá liên quan đến cơ học đất. Ở trên đã từng lưu ý rằng việc điều tra khảo sát
địa kỹ thuật của đất nền, mà trong đó sẽ áp dụng NATM, là rất trọng yếu cho việc hiểu
biết về phương pháp luận mô hình hóa cho đất/đá. Hình 6 minh họa sự phân loại các vấn
đề về mô hình hóa. Holling (1978) đưa ra hai trục tọa độ: trục tung biểu thị số lượng
và/hoặc chất lượng của dữ liệu có sẵn, và trục hoành thể hiện mức độ hiểu biết về bài toán
cần giải quyết (trích dẫn bởi Starfield 1988). Vì thế mặt phẳng tọa độ được chia làm bốn
phần. Trong phần 1, có đủ dữ liệu nhưng thiếu hiểu biết do đó phép thống kê có thể là
một công cụ tốt. Vùng 2 cho thấy có sự hiểu biết tốt nhưng không đủ dữ liệu giống như
vùng 4 trong đó dữ liệu yêu cầu là không có sẵn hoặc không dễ thu thập được. Trong
vùng 3 có cả mức độ hiểu biết tốt và số liệu đầy đủ. Cơ học đá và cơ học đất rơi vào các
vùng 2 và 4, đó là các vấn đề về số liệu hạn chế. Khi các phép đo đạc trong phòng và hiện
trường là những xem xét thiết kế chính, việc mô hình hóa đất/đá bằng các phương pháp
toán học hay tính toán số từng được tin là không thích hợp hay không đủ. Từ đó cho đến
nay, người ta vẫn có quan niệm như vậy đối với các phương pháp tính toán số. Phân loại
của Holling giải thích ở đây là phương pháp luận tổng quát cho các vấn đề địa kỹ thuật.
Sự thông hiểu/ mức
độ hiểu biết
Số liệu/
dữ liệu
Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006
Page 16 of 28
Tuy nhiên, phương pháp luận này cũng có thể coi là phù hợp với thiết kế địa kỹ thuật cho
các hầm NATM.

3.4.3 Thiết kế các ứng dụng NATM trong đất yếu

trực tiếp từ các điều kiện địa chất thực tế quan sát được. Tuy nhiên, phương pháp kinh
nghiệm về cơ bản là phụ thuộc vào kinh nghiệm quá khứ với các điều kiện tương tự để
xác định chiều dày vỏ hầm cần thiết (ICE 1996).
Nguyn c Ton (bd). Mt cỏi nhỡn k hn v phng phỏp lm hm mi ca o (NATM). May 2006
Page 17 of 28
Hệ THốNG
Quan niệm
NATM
Xem xét tổng thể.
Quyết định về hình dạng
và kích thớc cuối cùng
của hầm
Phơng pháp kinh nghiệm
Phơng pháp phân tích
tính toán
Phân tích/tính toán kỹ
thuật dẫn đến thiết kế
Bắt đầu thi công
Lựa chọn hệ chống ban đầu
dựa trên kinh nghiệm và các
phơng pháp kinh nghiệm
Bắt đầu thi công
Quan trắc và theo dõi
ứng xử của hệ chống đỡ.
Tính toán lại nếu cần
thiết
Quan trắc và theo dõi ứng xử
của hệ thống chống đỡ.
Khẳng định thiết kế hoặc
nếu cần thiết phải thiết

kin a cht khụng lng trc.
K thut cụng ngh:
Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006
Page 18 of 28
Phải xét đến các tiến bộ công nghệ của thiết bị làm hầm và phải áp dụng các quá
trình công nghệ mới nhằm lợi dụng ưu điểm của chúng. Cũng phải tiến hành so sánh giữa
công nghệ cũ và mới để hỗ trợ việc lựa chọn công nghệ thích hợp nhất. Hơn nữa, các
trường đại học, các nhóm nghiên cứu có thể đóng góp vào quá trình đánh giá và khảo sát
các phương pháp làm việc mới và/hoặc chưa được thử nghiệm.
• Cách tiếp cận dựa trên phân tích rủi ro đối với thiết kế NATM:
Trong thiết kế và xây dựng hầm, luôn luôn có một độ không chắc chắn nhất định.
Vấn đề này liên quan rất lớn đến NATM. Do đó, cần phải có một phương cách tiếp cận
dựa trên rủi ro đối với thiết kế và quản lý (chi tiết hơn xin xem tài liệu HSE 1996).
• Quan trắc theo dõi:
Quan trắc theo dõi nhằm hai mục tiêu cơ bản: theo dõi thiết kế và theo dõi thi công.
Theo dõi phải được tiến hành nhằm đảm bảo an toàn cho thiết kế và thi công. Việc đánh
giá và phân tích dữ liệu thu được phải được thực hiện bởi các chuyên gia địa chất/địa kỹ
thuật, các kỹ sư thiết kế hầm, các giám đốc quản lý thi công (kể cả các giám đốc chất
lượng và an toàn).
• Ổn định phần gương/vòm hầm (tunnel heading):
Gương hầm là một phần của đường hầm được đào về phía trước một vành vỏ chống
đỡ đã hoàn thiện. Hầu hết các sập đổ xảy ra trong khi hoặc ngay sau khi đào phần này của
hầm. Do đó, để đảm bảo an toàn cho những người làm việc bên trong hầm cũng như trong
các tòa nhà, các kết cấu và công trình bên trên đường hầm, cần phải duy trì sự ổn định của
gương hầm bằng cách sử dụng các hệ thống chống đỡ bổ sung như màn cọc gia cố về
phía trước gương, đào nhanh hơn, thoát nước ngầm và giảm kích thước gương hoặc rút
ngắn bước đào trong một chu kỳ đào.
• Các biện pháp kiểm soát lún đất:
Để giảm nguy cơ gây hư hại cho các tòa nhà trên mặt đất, phải kiểm soát được sự lún
gây ra do đào hầm bằng cách thi công đúng đắn gương hầm, chống giữ dưới móng


4. ỨNG DỤNG CỦA NATM Ở CHÂU ÂU

NATM lần đầu tiên được dùng trong làm hầm trong đất không ổn định cho hầm
Lodano-Mosagno của dự án Maggia-Electric Scheme ở Switzerland (1951-55) (theo báo
cáo của Sauer et al. 1973). Như một hệ chống đỡ tạm thời, bêtông phun được phun lên
các tường bên của hầm. Sau khi bài báo của Rabcewicz được xuất bản bằng tiếng Anh
năm 1964, NATM đã được công nhận rộng rãi. NATM đã được sử dụng trong hầm
Schwaikheim Tunnel của Đức năm 1964 (trích theo Bowers 1997). Tiếp theo đó là một
loạt các hầ
m NATM qua dãy Alpine như hầm Arlberg Expressway xây dựng giữa năm
1973 và 1978. Một phần lớn của hệ thống Vienna metro đã được xây dựng trong đất chứa
nước mềm yếu và khó khăn sử dụng NATM (Murphy et al. 1994). Trong những năm
1970 và 1980, NATM đã được sử dụng rộng rãi đặc biệt là cho các hệ thống mêtrô ở
Bochum, Frankfurt, Munich, Nuremberg, và Stuttgart của Đức. Làm hầm bằng NATM
qua đất yếu lần đầu tiên được áp dụng cho Frankfurt/Main metro ở Đức trong các đất có
cường độ rất thấp (theo báo cáo của Sauer et al. 1973). Các hầm NATM trong đất yếu
khác là thuộc tuyến đường sắt tốc độ cao Hanover-Würzberg, có chiều dài 120 km và
Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006
Page 20 of 28
chạy qua 65 đường hầm đôi tại đó một loạt các vụ sập hầm lớn đã xảy ra, hầu như cứ 10
km lại có một vụ (theo Wallis 1990).
Ở những phần khác của châu Âu, còn có rất nhiều hầm khác xây dựng bằng NATM,
ví dụ như các hầm với tiết diện 160 m
2
của hệ thống mêtrô Bilbao (theo Bowers 1997), và
Hầm Montemor có chiều rộng x chiều cao = 20 m x 9,8 m ở Lisbon (theo Wallis 1990),
hầm Ayaş 100 m² gần Ankara của Turkey (Tümer & Türdü 1985), hầm Palabutsch gần
Graz chạy qua dãy Alp như một hầm giao thông giữa Đức và Yugoslavia (Mussger et al.
1990), và hầm Ujo Tunnel rộng 5,4 m và cao 6,0 m, như một hầm đường sắt ở Tây Ban

chúng và cơ sở hạ tầng. Theo báo cáo của HSE, có 39 vụ tai nạn lớn mà một số đã được
liệt kê trong Bảng 2, đã xảy ra trong vòng 30 năm kể từ khi NATM được giới thiệu lần
đầu tiên. Sự tăng các vụ tai nạn đã báo cáo được quy cho một số nhân tố như sau:
• Tồn tại những vấn đề cố hữu của việc xây dựng hầm theo NATM
• Các nguy cơ vẫn chưa được xác định, quản lý và kiểm soát một cách đầy đủ
• Có sự quá tin tưởng vào phương pháp
• Có nhiều báo cáo công khai về tai nạn hơn
• NATM ngày càng được sử dụng nhiều trong các môi trường có nhiều thách
thức hơn
• NATM đang được sử dụng bởi những người không quen thuộc với kỹ thuật này

Bảng 2 - Các vụ tai nạn sập đổ NATM trên thế giới (theo báo cáo của HSE, 1996)
STT
Ngày tháng sập
đổ, vị trí sập
trong hầm
Địa điểm Dự án
Đô thị hay
nông thôn
Hậu quả
1 10/1973, A* Paris, Pháp Đường sắt ? ?
2 13/11/1984, A
Hầm Landr
ücken, Đức
Đường sắt Nông thôn ?
3 1984, A, B*
Bochum Metro, Đức
(1)
Đường sắt Đô thị Rối loạn thành phố
4 17/1/1985, A Hầm Richthof, Đức Đường sắt Nông thôn ?

Page 22 of 28
12 27/11/1991, A
Seoul Metro, Nam
Triều Tiên
Metro Đô thị
Rối loạn đáng kể
thành phố
13 1992
Fungata Tunnel, Nhật
Bản
Đường bộ Nông thôn
14 12/2/1992, C
Seoul Metro, Nam
Triều Tiên
Metro Đô thị
Hạ tầng kỹ thuật bị
phá hỏng, gây vấn
đề cho giao thông
15 30/6/1992, A Lambach Tunnel, Áo Đường sắt ?
16 7/1/1993, A
Seoul Metro, Nam
Triều Tiên
Metro Đô thị
Rối loạn giao
thông trên đường
17 2/2/1993, A
Seoul Metro, Nam
Triều Tiên
Metro Đô thị
Mất máy móc xây

24 21/10/1994, C
Heathrow Airport,
London, Anh
Metro Đô thị Rối loạn thành phố
* Xem Hình 7

Hình 10 minh họa kiểu sập đổ đã xảy ra trong các gương vòm hầm. Quá trình này
như sau:
a) Phá hoại đỉnh vòm tại đó đất chảy vào lòng hầm; b) Phá hoại cục bộ gương đào tại
đó một phần gương đào chảy vào hầm; c) Phá hoại bậc thềm tại đó một phần hay toàn bộ
thềm trượt ngang hay trược dọc vào hầm; d) Phá hoại toàn bộ gương đào trong đó gương,
vòm và thềm đều chảy vào hầm; e) Phá hoại thông lên phía trên (washout); f) Phá hoại
kiểu thông ống (pipe).
Các dạng phá hoại khác đã xảy ra là những phá hoại của vỏ hầm trước khi và sau khi
khép vành vỏ chống đỡ, và cả trước và sau khi khép kín vành vỏ chống đỡ, phá hoại về
mặt chịu lực của chân vòm, phá hoại do chuyển dịch ngang của chân vòm, và phá hoại
Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006
Page 23 of 28
của tường bên của hầm xảy ra sau khi khép kín vành vỏ chống đỡ. Phá hoại cắt, phá hoại
nén, phá hoại nén và uốn kết hợp cũng như phá hoại thủng của vỏ hầm xảy ra trước và
sau khi khép kín vành vỏ chống đỡ.

Hình 10 - Các dạng sập đổ đất trong phần vòm của các hầm NATM (theo HSE 1996)

Các nguyên nhân của những sập đổ này được HSE (1996) báo cáo như sau:
• Các nguyên nhân địa chất không lường trước
• Các lỗi đồ án và tiêu chuẩn kỹ thuật
• Các lỗi tính toán hay sai lầm về số
• Các lỗi thi công
• Các lỗi quản lý và kiểm soát

không may là các cảnh báo đã không được phân tích như nhận xét bởi Mike Savage.
Một tuyên bố gần đây khác của Jonathan Allen, giám đốc khu vực của công ty
British Airports Authority plc (BAA), cho rằng bêtông phun dùng cho thi công vòm
ngược chỉ có chiều dày 50 mm thay vì 300 mm (báo cáo của Thompson 1999a). Kết quả
là, nhà thầu chính Balfour Beatty và nhà thầu phụ Geoconsult đã bị truy tố bởi HSE (báo
cáo của Thompson 1999b). Hình 11- Sơ đồ hệ thống hầm bị sấp đổ tại Heathrow (theo Oliver 1994a)

Sau vụ sập hầm, HSE và ICE đã xuất bản các báo cáo đặc biệt phân tích kỹ lưỡng
nguồn gốc của NATM và những nguyên nhân gây sập đổ hầm theo NATM. Những phân
tích này đã được thảo luận ở những phần trên đây.
Nguyễn Đức Toản (bd). Một cái nhìn kỹ hơn về phương pháp làm hầm mới của Áo (NATM). May 2006
Page 25 of 28

5. KẾT LUẬN

Bài báo này đã tổng hợp và điều chỉnh các định nghĩa chi tiết về NATM, nguồn gốc
của nó, các xem xét thiết kế, các cơ chế phá hoại, và các nguyên nhân phá hoại/sập đổ
cũng như các xem xét thiết kế hệ thống chống đỡ theo NATM. Rabcewicz và những
người sáng lập khác của NATM nhấn mạnh rằng mục tiêu chính của NATM là nhằm sử
dụng nền đất như một thành phần chống đỡ chịu tải với mức độ lớn nhất có thể được. GS.
Kovári (1994) cho rằng vai trò của nền đất như một thành phần chống đỡ là một đặc điểm
nổi bật không chỉ cho riêng NATM, mà cho mọi phương cách làm hầm. Hơn nữa, tiếp tục
sự phê bình của mình, ông nói: “…Ở đâu mà có liên quan đến NATM, thì không phải
việc thi công là có tính mềm dẻo, mà sự mềm dẻo lại chính là định nghĩa của NATM, mà
định nghĩa đó có thể được mở rộng theo một cách thức tùy tiện”. Từ buổi đầu khi NATM
được giới thiệu, cho đến nay, rất nhiều chỉ trích, và nhiều định nghĩa mới đã được đưa ra
bằng cách đào sâu vào các quan niệm ban đầu và phủ nhận rằng NATM không phải là

thành công NATM./.