nghiên cứu ảnh hưởng lún bề mặt do thi công đường hầm mêtrô đặt nông trong đất bằng máy đào tổ hợp tbm

Các phương pháp thi công chủ yếu thường được áp dụng cho loại hầm này là: đào hở đào lộ thiên, tường liên tục tường trong đất, đào dưới nắp, đào ngầm nông và phương pháp khiên đào.. * Tó

Trường đại học giao thông vận tải

-XzW -

Bùi văn dưỡng

Nghiên cứu ảnh hưởng lún bề mặt do thi công

đường hầm mêtrô đặt nông trong đất

bằng máy đào tổ hợp TBM

chuyên ngành: xây dựng cầu – hầm

m∙ số: 60-58-25

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Trường đại học giao thông vận tải

-XzW -

Bùi văn dưỡng

Nghiên cứu ảnh hưởng lún bề mặt do thi công

đường hầm mêtrô đặt nông trong đất

Mục lục

mở đầu 1

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 3

1.1 Giới thiệu các công nghệ thi công hầm đặt nông trong đất 3

1.1.1 Phương pháp đào hở (đào lộ thiên) 3

1.1.2 Phương pháp đào dưới nắp 8

1.1.3 Phương pháp đào kín 11

1.1.3.1 Phương pháp ngầm thông thường 11

1.1.3.2 Phương pháp khiên đào 14

1.1.3.3 Phương pháp tổ hợp khoan đào TBM 18

1.2 Sự cần thiết của đề tài 21

1.2.1 ảnh hưởng của quá trình thi công đường hầm bằng tổ hợp đào hầm đến lún bề mặt 22

1.2.2 Mục tiêu của đề tài 27

1.2.3 Giới hạn của đề tài 28

Chương 2: Các phương pháp tính lún mặt đất khi thi công công trình ngầm bằng TBM 30

2.1 Các nghiên cứu dựa theo kinh nghiệm và bán kinh nghiệm 30

a. Phương pháp nghiên cứu kinh nghiệm 31

b. Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiệm 32

2.2 Các nghiên cứu dựa trên phương pháp thí nghiệm 41

a. Phương pháp dựa trên cơ sở thiết kế theo trạng thái giới hạn của

Leca và Dormiex (1990) 47

b. Phương pháp phân tích theo cân bằng giới hạn của Covári và Anagnostou (1996) 51

Chương 3: Mô hình tính và lời giải của bài toán Error! Bookmark not defined 3.1 Xây dựng mô hình tính 59

3.1.1 Phân tích quá trình thi công bằng TBM 59

3.1.2 Xây dựng mô hình tính 61

3.2 lời giải của bài toán 66

3.2.1 Giới thiệu về chương trình sử dụng trong tính toán 66

3.2.2 Xây dựng lời giải 67

Chương 4: Khảo sát số, kết luận và kiến nghị 75

4.1 Các ví dụ khảo sát 75

4.1.1 Số liệu đầu vào của các bài toán khảo sát 75

4.1.2 So sánh mô hình tính của đồ án với phương pháp đường cong Gaussian 76

4.1.3 Khảo sát mối quan hệ H-D đến ảnh hưởng lún tổng cộng bề mặt 79

4.1.4 Khảo sát giá trị lún bề mặt lớn nhất ở mỗi giai đoạn thi công 85

4.2 kết luận 87

4.3 kiến nghị 88

tài liệu tham khảo 89

có hạn, điều này đã đặt ra nhu cầu xây dựng các công trình trên cao cũng như đặt sâu trong lòng đất Loại hình công trình ngầm có quy mô lớn nhất trong các công trình nói trên phải kể đến là công trình đường hầm giao thông phục vụ cho việc đi lại của người dân trong thành phố ( mêtrô )

Khai thác không gian cư trú ngầm và trên cao

Phát triển giao thông công cộng

Tăng lượng sở hữu xe cá

nhân

Hệ thống đường giao thông đô thị trên cao và

đi ngầm

Đường ôtô trên cao và

ngầm Bãi đỗ xe ngầm và trên

cao

Việc xây dựng hệ thống đường hầm giao thông trong thành phố là nhu cầu tất yếu và là giải pháp hiệu quả nhất để giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn giao thông, ô nhiễm môi trường như hiện nay ở các thành phố lớn của Việt Nam

Đây là cách mà các nước phát triển trên thế giới đã thực hiện và cho thấy

rõ hiệu quả rất cao Tuy nhiên ở các nước này cũng đã xảy ra các hiện tượng ngay trong khi xây dựng hoặc sau một thời gian tồn tại của các công trình ngầm nêu trên trong lòng đất đã gây ra hiện tượng bề mặt đất bị lún làm ảnh hưởng rất lớn đến các công trình đang có trên mặt đất Đặc biết trong quá trình thi công các công trình ngầm với chiều sâu đặt của nó là không sâu với các công nghệ thi công khác nhau đã gây ra lún không nhỏ trên bề mặt đất, ảnh hưởng nghiêm trọng đến các công trình xây dựng trên mặt đất xung quanh khu vực đó

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Phần Mở đầu - 2 - bùi văn dưỡng

Với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ thì các công nghệ cũng như thiết bị thi công hầm cũng không ngừng phát triển theo Một trong những công nghệ đang được coi là đạt được hiệu quả cao trong tiến độ thi công,

an toàn và dễ kiểm soát hiện nay chính là công nghệ sử dụng tổ hợp khoan đào toàn tiết diện TBM Loại thiết bị này hiện nay có thể thi công được trong hầu như tất cả các địa chất khác nhau, các loại hình dạng mặt cắt ngang và kích thước có thể đạt đến trên 15m

Tuy nhiên, với Việt Nam thì công nghệ này còn khá mới mẻ và đắt tiền Chính vì vậy để có thể áp dụng được vào thi công các công trình ngầm ở nước ta thì đòi hỏi đội ngũ các nhà khoa học, kỹ sư cần có rất nhiều nghiên cứu khác nhau để từ đó lựa chọn và đưa ra được quyết định hợp lý về mặt kỹ thuật, kinh tế

và môi trường Đặc biệt là khi áp dụng cho các công trình ngầm trong khu đô thị, tránh hiện tượng đầu tư lãng phí Một trong các nghiên cứu cần phải đặt ra đó chính là vấn đề lún bề mặt đất khi thi công các hầm đặt không sâu bằng máy khoan đào tổ hợp toàn tiết diện TBM

Sau đây tác giả sẽ giới thiệu một nghiên cứu của riêng mình trong đề tài tốt nghiệp thạc sỹ kỹ thuật Với trình độ nghiên cứu còn non nớt cùng với các hiểu biết còn rất hạn chế nên đề tài không có mong muốn gì hơn là mang tính chất tham khảo và đưa ra các hướng nghiên cứu tiếp theo hoàn chỉnh hơn và mang tính thực tiễn cao hơn Vì vậy, tác giả rất mong nhận được những đóng góp quý báu của các vị tiền bối, các nhà chuyên môn để hoàn thiện mình hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 : Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1.1 Giới thiệu các công nghệ thi công hầm đặt nông trong đất

Có thể chia hầm đặt nông ra hai loại: đặt nông toàn tuyến và đặt nông bộ phận Các phương pháp thi công chủ yếu thường được áp dụng cho loại hầm này là: đào hở (đào lộ thiên), tường liên tục (tường trong đất), đào dưới nắp, đào ngầm nông và phương pháp khiên đào

1.1.1 Phương pháp đào hở (đào lộ thiên):

Đặc điểm của thi công lộ thiên là các bộ phận kết cấu gần tương tự như khi thi công các công trình khác trên mặt đất nên ở đây chỉ giới thiệu các phương pháp đào mở

a Đào mở không che chống:

Phương pháp này áp dụng cho hầm đặt rất gần mặt đất, nó ảnh hưởng nhiều đến môi trường xung quanh khi thi công Việc đào hố móng chỉ dựa vào việc tạo ra mái dốc thích hợp để có thể tự giữ ổn định Khối lượng đào đắp lớn, chiếm dụng mặt bằng thi công nhiều nhưng nó lại có tốc độ thi công nhanh và chất lượng của công trình dễ dàng kiểm soát

b Thi công hố đào có sử dụng các thiết bị che chống xung quanh hố móng:

- Có các kết cấu che chống (ổn định thành hố đào) chủ yếu: Kết gỗ; BTCT hoặc bằng các kết cấu thép chế tạo sẵn

- Đối với kết cấu che chống bằng BTCT có thể là các tấm BTCT hoặc

là các cọc BTCT chế tạo sẵn Cũng có thể sử dụng các loại cọc hoặc tường BTCT đúc tại chỗ (cọc khoan…) liên kết lại thành tường liên tục

- Đối với các kết cấu che chống bằng thép có thể sử dụng các loại cọc ván thép có sẵn hoặc có thể là các loại cọc thép tự chế tạo

c Sử dụng tường liên tục trong đất:

Tường liên tục dưới đất được phân chia thành các loại chủ yếu sau:

- Tường liên tục dưới đất đổ tại chỗ

- Tường liên tục dưới đất đúc sẵn lắp ghép

- Tường liên tục dưới đất gồm các hàng cọc

Các thao tác công nghệ chính được thực hiện như sau:

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 1 - 4 - bùi văn dưỡng

do

dt

dt do

Hình 1.1: Các thao tác công nghệ chính của phương pháp tường trong đất

+ Tường liên tục dưới đất đổ tại chỗ:

Đào một đoạn rãnh hẹp và dài trong đất, lắp lồng ghép vào trong rãnh,

đổ bê tông thành một đoạn tường bê tông cốt thép, nối liền từng tấm thành một bức tườngliên tục dưới đất Đó là một cách thi công tường liên tục dưới đất Dây truyền thi công tường liên tục dưới đất xem hình vẽ:

Thả ống phiễu đổ

bê tông

Đỗ bê tông

Hút vữa sét tron g hào lên

Đưa giá đổ

bê tông vào

vị trí

Chế tạo lồng thép

Xử lý tái sinh vữa sét

Trộn vữa sét

Đo đạc chiều thẳng đứng vào vách hào K

Cẩu ống chốt vào

Rút ống chốt lên

Sửa lại sai lệch

K<K cho phép

Được

Hình 1.2: Dây chuyền thi công tường dưới đất

Một số loại máy đào hào:

Dựa theo cơ lí đào hào máy có thể phân chia làm hai loại lớn: kiểu máy đào hào bằng gầu, kiểu khoan

- Máy đào rãnh bằng gầu đào

Loại máy này tiến hành phá hoại đất bằng gầu và chuyển nó ra khỏi rãnh Máy dùng để thi công tầng đất mềm yếu, máy này có gầu ngoạm,gầu xúc, gầu quay, gầu xoắn v.v…

Hình1.3: Gầu ngoạm chạy trên bánh xích MHL (Trung Quốc)

- Máy đào rãnh bằng mũi khoan

Loại máy này dùng mũi khoan phá nát đất địa tầng, nhờ tuần hoàn của vữa sét mang đất đá vụn đẩy ra ngoài rãnh đào Dựa vào phương thức phá nát đất địa tầng có thể chia ra : máy đào kiểu xung kích, kiểu quay, kiểu

đục gọt và máy phay rãnh hai bánh Máy được lắp trên giá chuyên dụng hoặc cần cẩu bánh xích Thường dùng là các loại máy đào xung kích, kiểu quay và máy phay rãnh hai bánh

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 1 - 6 - bùi văn dưỡng

Hình 1.4: Nguyên lý công tác của khoan quay nhiều đầu

Thi công đào rãnh:

- Phân chia và thi công cơ giới các đoạn rãnh

Việc lựa chọn chiều dài các đoạn rãnh, cần dựa vào các yếu tố như địa chất, mức nước ngầm, có hay không các đường ống dưới đất v.v… có chú

ý xem xét tính ổn định của vách rãnh, và trọng lượng lồng cốt thép nói chung chiều dài đoạn rãnh vào khoảng 4m ữ 6m Nếu tầng đất xấu có thể 2m ữ 3m, điều kiện địa chất tốt có thể dùng đến 7mữ 8m Chỗ ngoặt góc cần rút ngắn lại, cách bố trí có thể kiểu một đoạn và nhiều đoạn

Sửa vách

Hình 1.7: Sơ đồ công nghệ chắp các lỗ khoan thành rãnh

+ Tường liên tục dưới đất đúc sẵn:

Tường liên tục dưới đất đúc sẵn có hai dạng chủ yếu : tấm và tấm + dầm Trong phương pháp tấm + dầm, tác dụng của tấm là đem áp lực chuyền cho dầm Dầm cũng dài như tấm và có bố trí neo Người ta thường dùng là phương pháp tấm + tấm Phương pháp này lại chia làm hai hệ thống : hệ thống rãnh gồm các tấm có mộng, hệ thống tấm thép có rãnh ghép tấm

Dầm

Tấm

Dầm Tấm + dầm

Tấm ghép mộng Tấm ghép chốt

Vữa xi măng Vữa xi măng Chêm bê tông Vữa xi măng Giải cách nước

Hình 1.9: Xử lý khe nối giữa các tấm

+ Tường liên tục dưới đất bằng hàng cọc:

Tường liên tục dưới đất bằng cọc là loại tường đựơc thi công bằng cách nối liền mỗi cọc độc lập thành một hàng cọc thống nhất

(1) Tường liên tục dưới đất bằng hàng cọc khoan và xung

Dùng phương pháp khoan hai lỗ tức là dựa trên khoảng cách nhất định khoan lỗ và đúc cọc bê tông cốt thép, sau đó xung lỗ vào giữa hai cọc và

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 1 - 8 - bùi văn dưỡng

Phương pháo này tương đối thích hợp với vùng đất hẹp, bị hạn hẹp chế về chiều cao tĩnh không, có nhiều đá sỏi lớn và trong tình hình không có máy khoan rãnh cỡ lớn

Cọc xung lỗ Cọc khoan lỗ

Hình 1.10: Tường liên tục dưới đất bằng cọc khoan và xung

- Phương pháp thi công

Hai trình tự, chế tạo vữa sét và thi công tường dẫn tương tự với tường liên tục dưới đất đổ tại chỗ Khi đào lỗ để tạo thành tường liên tục dưới đất bằng hàng cọc yêu cầu mỗi lỗ cọc đều phải thoả mãn yêu cầu độ chính xác thẳng đứng Khi đổ bê tông dưới nước, để đảm bảo tầng bảo vệ bằng

bê tông của cọc khoan lỗ; trên hướng dọc của tường liên tục, lồng cốt thép của cọc cần treo 2 ống thép định vị hai bên, trên hướng ngang của lồng cốt thép cần hàn miếng thép định vị Sau khi đổ bê tông xong rút ống thép lên Trên hướng dọc và hướng ngang của lồng cốt thép của cọc xung lỗ đều phải bố trí các miếng thép định vị

(2) Tường liên tục dưới đất bằng hàng cọc đào

Tại vùng không bị ảnh hưởng nước ngầm lớn, thích hợp với công tác

đào lỗ bằng nhân công khi xây dựng tường liên tục dưới đất bằng các hàng cọc đào làm kết cấu che chắn hoặc một bộ phận kết cấu chính Ưu điểm của phương pháp này là có thể mở nhiều mặt công tác đồng thời thi công tăng thêm tốc độ; không cần thiết bị cỡ lớn để nhổ cọc, cẩu lắp đào rãnh

dễ đảm bảo; thi công giản tiện, tốn ít vật liệu, giá thành hạ Cọc đào lỗ thường dùng cọt vuông kèm theo vách chắn

Hình 1.11: Sơ đồ mặt bằng thi công tường liên tục dưới đất bằng hàng

cọc đào

1.1.2 Phương pháp đào dưới nắp:

Phương pháp đào dưới nắp là trước tiên dùng cách làm lại mặt đường họăc dùng kết cấu che chắn tấm đỉnh bảo đảm cho mặt đất thông suốt rồi thi công

xuống dưới Thời kỳ đầu phương pháp đào dưới nắp được tiến hành bằng cách lắp dầm thép trên cọc thép cho chống hố đào, lát mặt đường để đảm bảo giao thông trên mặt đất Sau khi đào xuống đến đáy móng xong, đổ bê tông dưới móng rồi dùng phương pháp thi công thuận đến đổ bê tông tấm đỉnh Về sau người ta dùng phương pháp thi công đào dưới nắp nghịch Có nghĩa là dùng kết cấu che chống có độ cứng lớn thay thế cọc thép, dùng kết cấu tấm đỉnh làm hệ thống mặt đường và hệ chống Dùng phương pháp thi công nghịch, trình tự thi công như sau: kết cấu che chống- tấm đỉnh - đào đất - che chống xây tường giữa

- tiếp tục đào cho đến đáy, xây hệ chống và tường đáy

Ưu điểm của thi công bằng phương pháp đào dưới nắp: chuyển vị ngang của kết cấu nhỏ; tấm kết cấu dùng làm hệ thống để đào hố móng, tiết kiệm hệ thống tạm thời rút ngắn thời gian cắt đường, giảm thiểu cản trở đi lại trên mặt

đất; bị ảnh hưởng khí hậu bên ngoài ít Khuyết điểm của nó là: đưa đất ra không tiện lợi, thi công nối đầu cột và tấm nhiều, cần tiến hành xử lý phòng nước; hiệu suất thấp, tốc độ chậm, trước lúc hình thành kết cấu chung, cột đứng ở giữa chỉ chịu được tải trọng bên trên một cách hạn chế

Phương pháp thi công:

- Thi công bằng phương pháp dưới nắp có máy loại sau đây:

+ Phương pháp đào dưới nắp thuận

+ Phương pháp đào dưới nắp nghịch

+ Phương pháp đào dưới nắp nửa nghịch: Tổ hợp phương pháp đào dưới nắp thuận và phương pháp đào dưới nắp nghịch

+ Tổ hợp đào dưới nắp và phương pháp đào ngầm

+ Tổ hợp đào dưới nắp và phương pháp khiên

Kết cấu tường chắn

Cột

đứng

Tấm đỉnh

Thi công kết cấu tường chắn, cột chống trung gian Đổ bê tông tấm đỉnh, đào xuống dưới

Đổ bt tấm chịu tải lần 1, tường chắn, cột, đào đất Đổ bt tấm đáy, tường chắn, cột

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 1 - 10 - bùi văn dưỡng

Dùng PP thuận đổ bê tông tầng 1,2, tháo dỡ công trình tạm, hồi phục mặt đường

Thi công nửa trên kết cấu che chắn, cột trung gian,

đào đất và lắp hệ chống, nửa phần dưới kết cấu che chắn Thi công cột trung gian của kết cấu chính

kết cấu che chắn

Nửa trên

Nửa trên kết cấu che chắn

Hình 1.13: Phương pháp thi công đào dưới nắp tổ hợp thuận và nghịch

Neo bảo vệ mái dốc

Đào lỗ chôn cọc

Đường hầm công vụ công vụ

Hình 1.14: Tổ hợp phương pháp đào dưới nắp và đào ngầm

(1): Đào ngầm thi công hai đường hầm công vụ (2): Thi công neo bảo vệ mái dốc hoặc hàng cọc bảo vệ (3): Thi công bằng đào dưới nắp hoàn thành nốt phần còn lại

1 Đào tầng đất phủ (áo đường) 2 Đặt nắp 3 Đào nửa phần trên bằng PP khiên

1.1.3 Phương pháp đào kín :

1.1.3.1 Phương pháp ngầm thông thường

a Đặc điểm kỹ thuật khi thi công bằng phương pháp đào hầm nông

(1) Biến dạng đất đá phát triển đến mặt đất

Trong thi công đường hầm chôn nông ảnh hưởng lún đất nền sẽ phát triển tới mặt đất Để tránh phá hoại công trình kiến trúc trên mặt đất và mạng đường ống chôn ngầm trong đất đồng thời bảo vệ cảnh quan tự nhiên trên mặt đất, khắc phục ảnh hưởng giao thông qua lại, thích ứng càng tốt với các yêu cầu môi trường xung quanh thì cần khống chế một các chặt chẽ biến dạng lún trong đất và trên mặt

Về lượng biến dạng, không chỉ biến dạng lún trực tiếp do việc đào hầm trong đất đá gây ra, mà còn phân tích cả biến dạng do tính mềm của hệ thống che chống đất đá gây ra cũng như chuyển vị toàn khối kết cấu của nền móng bị lún trong các giai đoạn thi công gây ra

(2) Yêu cầu độ cứng che chống hệ thống chống cải tạo tầng đất

So với đường hầm nằm sâu, biến dạng cho phép của đường hầm nông cũng khác nhau Khi thi công bằng phương pháp đào ngầm đường hầm chôn nông, che chống càng sớm càng tốt, độ cứng che chống cũng phải tăng lên một cách thích đáng nhằm để khống chế biến dạng lún sụt trong

đất cũng như đất mặt

Ngoài việc phải lựa chọn phương pháp đào, phương thức che chống cùng công nghệ thi công thoả đáng ra còn phải thường xuyên phải dùng biện pháp tiến hành cải thiện điều kiện đất đá ở phía trước Đó là những biện pháp nhằm khống chế biến dạng lún của địa tầng

b Phương pháo đào và phương thức che chống

(1) Lựa chọn phương pháp đào

Trong thi công thường dùng phương pháp bậc thang và phương pháo

đào bộ phận các loại thích hợp với điều kiện địa chất đặc biệt

Nói chung, đường hầm trong núi thường dùng phương pháp bậc thang lớn để thi công Đường hầm ở thành phố và phụ cận, nói chung, có thể dùng phương pháp đào bộ phận ở bậc thang trên, và phương pháp bậc thang ngắn để thi công

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 1 - 12 - bùi văn dưỡng

ở một bên vách, hoặc phương pháp hào dẫn ở hai bên vách (hình 1.17)

Đường hầm nhiều nhịp cùng cho ga đường sắt, cho bãi đỗ xe dưới đất v.v phần lớn thường dùng phương pháp cột + hầm, phương pháp hầm bên hoặc phương pháp hầm ở giữa để thi công (hình 1.17)

Trong thi công, cần hết sức giảm thiểu xáo động đất đá, ưu tiên dùng máy đào hoặc dùng nhân lực khi đào bằng nổ phá, cần dùng tiến độ ngắn, dùng nổ phá om, khi cần thiết phải tiến hành giám sát khống chế với chấn

động nổ phá Tiến độ nổ phá nói chung không nên quá 1,0m

Hình 1.17: a, Phương pháp bậc thang có tường ngăn ở giữa;

b,Phương pháp đào dẫn một bên vách c,Phương pháp đào dẫn hai bên vách

(2) Phương thức che chống

Đường hầm được thi công bằng phương pháp đào ngầm chôn nông phần lớn đều dùng vỏ hầm hai lớp Khi thiết kế có thể chia ra làm 3 loại: Che chống ban đầu chịu toàn bộ tải trọng, che chống lần hai (vỏ lớp trong) chỉ có tác dụng dự trữ an toàn; che chống lần đầu và che chống lần hai cùng có vai trò như nhau hoặc che chống lần đầu chỉ dùng làm che chống tạm thời trong thời gian thi công, che chống lần hai dùng làm kết cấu chịu tải chủ yếu

Trong điều kiện địa chất bình thường, kiểu che chống thời kỳ đầu bao gồm 4 loại phương thức: Phun, neo, lưới, giá thép hệ chống giàn mắt cáo ghép lại thành hình thức kết cấu khác nhau

Hình 1.18 a,Trình tự thi công bằng phương pháp cột + hầm;

b,Trình tự thi công bằng phương pháp hầm bên;

c,Trình tự thi công băng phương pháp hầm ở giữa;

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 1 - 14 - bùi văn dưỡng

Trong thi công diện tích mặt cắt lớn ở địa tầng mềm yếu dùng cách đào từng bộ phận nhỏ, che chống hầm thời kỳ đầu thường kết hợp với che chống tạm thời (như vòm đáy tạm thời, tường ngăn ở giữa), làm cho mỗi

bộ phận sau khi đào xong đều được bịt kín tạm thời

-Phun vữa vào ống dẫn nhỏ vượt lên trước ở xung quanh hầm;

- Theo phương pháp đào đất người ta phân khiên ra các loại: không cơ giới (đào thủ công), bán cơ giới (công tác đào đất và bốc dỡ đất đá được cơ giới hoá từng phần) và cơ giới toàn bộ (tất cả các thao tác đào đất, bốc

dỡ vận chuyển, thu dọn đất đá đều được cơ giới hoá)

- Theo cấu tạo của bộ phận trước khiên có: khiên đào ngực trần và ngực kín

- Theo phương pháp hạ nước ngầm có: hạ nước ngầm thủ công bằng giếng kim, loại cân bằng bùn và nước, cân bằng áp lực đất, loại sử dụng khí nén cục bộ và khí nén toàn bộ…

Bảng phân loại khiên đào

- Khi thi công trong các vùng có nước ngầm và các hầm trong đất yếu thì phải có phương án làm giảm mực nước ngầm và ổn định thành đào – một trong các phương pháp đó thì phương pháp khí nén được coi là hữu hiệu nhất

- Có thể thấy phương pháp khiên có các ưu điểm sau:

+ Đào và xây dựng vỏ hầm một cách an toàn dưới sự che chống của khiên

+ Tốc độ thi công nhanh, toàn bộ quá trình thi công: đào, đưa đất

ra, lắp đặt kết cấu vỏ… đều có thể cơ giới hoá được

+ Không ảnh hưởng đến không gian trên bề mặt (đường giao thông, sông biển…) trong quá trình thi công

+ Không bị ảnh bởi thời tiết và khí hậu

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 1 - 16 - bùi văn dưỡng

+ Không gây tiếng ồn trong thi công và ảnh hưởng tới môi trường xung quanh

+ Phương pháp này còn đặc biệt hợp lý (về kinh tế và kỹ thuật) khi

thi công trong các môi trường đất đá mềm yếu và có nước ngầm ( dưới sông biển, hầm trong thành phố…)

- Tuy nhiên nó cũng có các nhược điểm:

+ Chỉ thích hợp với các công trình hầm có chiều dài lớn (>750m) vì các thiết bị loại này thường chỉ thiết kế và chế tạo cho 1 công trình cụ thể với các điều kiện phù hợp

+ Khó khăn khi thi công các công trình có đường cong bán kính nhỏ

+ Khi chiều dầy tầng đất phủ nhỏ đặc biệt là khi thi công dưới đáy nước

+ Khi sử dụng khí nén làm khô khu vực thi công thì yêu cầu bảo

hộ cho người làm việc trong hầm cao và ảnh hưởng lớn đến sức khoẻ người lao động

1

4 5

Hình 1.19: Sơ đồ các khiên đào cơ giới và bộ phận làm việc tác động rôto (a-b)

Hình 1.20: Các sơ đồ khiên cơ giới hoá có bộ phận làm việc tác động lựa chọn

- Để mở hầm trong các đất không dính có độ ẩm người ta đã sử dụng thành công loại khiên có sàn chia theo phương nằm ngang đua ra chút ít sau vòng dao Như vậy gương hầm được chia ra nhiều tầng, đất đượcc đổ nghiêng trên mỗi tầng đảm bảo ổn định cho gương đào

Hình 1.21: Khiên có sàn chia đôi nằm ngang

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 1 - 18 - bùi văn dưỡng

- Khi đào trong đất không dính (rời) no nước, để đảm bảo ổn định cho gương người ta chia khiên ra một số tầng và mỗi tầng có bố trí các buồng Việc đào đất được thực hiện bằng mũi cắt phía đầu khiên, nước (dung dịch bùn sét) được dẫn vào trộn lẫn với đất, khi đó nước + đất được tạo ra một màng chắn nhằm cân bằng áp lực đất phía mặt gương (phương pháp cân bằng áp lực đất) Nước và đất này sẽ được đưa ra ngoài cũng bằng các ống hút

- Trong đất rời người ta còn sử dụng phương pháp cân bằng áp lực đất trên cở sở nguyên lý và cấu tạo giống như phương pháp cân bằng áp lực nước chỉ khác phương pháp đào đất thường được thực hiện bằng các mâm quay cắt đất

- Còn để mở hầm trong đất dính no nước kém ổn định người ta thường sử dụng các loại khiên cơ giới có khí nén

Buồng chứa

đất thải

Hình1.22: Khiên cân bằng áp lực đất

1.1.3.3 Phương pháp tổ hợp khoan đào TBM:

- Phương pháp này xuất hiện từ những năm 1930 và đến nay vẫn đang

được phát triển và sử dụng rộng rãi

- Trước đây chủ yếu là các loại máy đào mui trần áp dụng chủ yếu cho

đá cứng, sau đó được phát triển lên các dạng máy có khiên bảo vệ nên nó dùng được trong các điều kiện địa chất kém ổn định Vì vậy kết hợp với những ưu điểm như : tính thi công liên tục, tính công nghiệp hoá cao… nên năng suất thi công rất cao nên loại máy khoan đào hầm TBM ngày càng được áp dụng rộng rãi trong thi công các công trình ngầm

- Phân loại: Có thể chia ra làm loại chủ yếu là máy đào mui trần và máy

đào có khiên (loại có khiên chia ra 2 loại: khiên đơn và khiên đôi):

+ Loại máy đào mui trần:

c) Tiếp tục khoan đất đá

Hình1.23: Cơ cấu làm việc của loại TBM mui trần

Loại máy có khiên đơn: có cấu tạo và cơ cấu làm việc được miêu tả trong hình sau:

6 5

4 2

4 Máy lắp vỏ BT đúc sẵn

1 Mâm dao

2 Khiên bảo vệ

3 Kích đẩy 7 Tấm BT đang lắp

6 Máy nâng (tấm BT và các cấu kiện)

5 Máy khoan vượt (tạo ô)

8 Tấm BT đang lắp

Hình1.24: Cấu tạo của loại TBM khiên đơn

Trong khi đào tiến lên, máy dựa vào kích đằng sau tựa vào các phiến vỏ hầm đã lắp trước đó đẩy cho mũi khiên tiến lên Khi kết thúc một chu trình tiến lên của mũi đào các kích đẩy phía sau sẽ co lại, máy khoan đào tạm thời ngừng hoạt động để lắp các phiến bê tông tiếp theo và tiếp tục một chu trình mới

+ Loại máy có khiên đôi: có cấu tạo và cơ cấu làm việc được miêu tả trong hình sau:

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 1 - 20 - bùi văn dưỡng

11 Tấm BT đang lắp

9 Máy khoan vượt (tạo ô)

10 Máy nâng (tấm BT và các cấu kiện)

12

2 3

Hình 1.25: Cấu tạo của loại TBM khiên đôi

Với việc sử dụng vỏ khiên đôi đã hạn chế được nhược điểm phải dừng tạm thời tiến trình khoan đào để lắp các tấm bê tông của loại máy một khiên

* Tóm lại:

+ Có thể tổng hợp sự phân biệt các loại máy khoan đào TBM và khiên đào theo sơ đồ dưới đây (phương pháp của DAUB – Hội xây dựng công trình ngầm của Đức):

+ Ngoài ra trong thực tế còn có các loại thiết bị đào hầm kiểu

kích đẩy ống, trong đồ án này tác giả sẽ không giới thiệu thêm.

+ Khi đào hầm trong đất mềm yếu người ta chế tạo ra loại máy

đào tổ hợp giữa máy khoan đào TBM với khiên đào và trong luận văn sẽ gọi là “tổ hợp đào hầm”

+ Trong tất cả các phương pháp thi công hầm nói trên thì phương pháp sử dụng tổ hợp đào hầm có nhiều ưu điểm hơn cả về tốc độ thi công, mức độ an toàn, khả năng kiểm soát các tai biến, mức độ công nghiệp hoá cao… Đặc biệt khi thi công các công trình ngầm ở các thành phố lớn có diện tích bề mặt hạn chế, yêu cầu về

đảm bảo các hoạt động bình thường của thành phố trong quá trình thi công… thì phương pháp này càng thể hiện được tính ưu việt của

nó Vì vậy khi xây dựng các công trình hầm giao thông trong các khu vực đô thị lớn phương pháp tổ hợp đào hầm luôn đựơc đưa ra

so sánh cần nhắc và sử dụng

Cùng với các phân tích trên đây, có thể nói thêm rằng khi dự kiến phương pháp thi công các đường hầm trong thành phố nhưng vẫn phải đảm bảo giao thông và các hoạt động khác bên trên mặt đất của thành phố diễn ra một cách bình thường thì phương án ưu tiên được lựa chọn là phương pháp đào kín với vị trí đặt hầm hợp lý với các loại phương pháp thi công này cũng như quy hoạch các công trình ngầm của thành phố đó

Trong tất cả các phương pháp thi công đào kín được nêu ra ở trên cùng với những phân tích thì thấy rằng phương pháp sử dụng tổ hợp đào hầm là 1 trong các phương pháp ưu việt hơn cả

Tuy nhiên khi thi công hầm bằng phương pháp sử dụng tổ hợp đào hầm (đặc biệt là ở những khu vực đất mềm yếu) có thể làm cho mặt đất bị lún trong quá trình thi công và vận doanh của đường hầm sau này Giá trị lún này đạt đến một mức độ nhất định sẽ làm ảnh hưởng xấu đến các công trình kiến trúc trên mặt đất và của bản thân đường hầm

Có thể chia độ lún của bề mặt đất mềm yếu ra làm hai loại chính: lún ngắn hạn (xảy ra trong khoảng thời gian nhất định khi thi công) và lún dài hạn (cố kết,

từ biến…) Tuy nhiên độ lún dài hạn thường là không lớn và nó phát triển dần dần trong một thời gian dài tuỳ thuộc vào loại địa chất khác nhau

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 1 - 22 - bùi văn dưỡng

Do đó phải nghiên cứu cẩn thận các quy luật, các yếu tố ảnh hưởng và giá trị lún bề mặt đất khi thi công hầm trong đất mềm yếu sử dụng tổ hợp đào hầm

1.2.1 ảnh hưởng của quá trình thi công đường hầm bằng tổ hợp đào hầm

đến lún bề mặt:

- Chuyển vị nền và chiết giảm thể tích đường hầm thi công đào ngang

Biến dạng của nền là không thể tránh khỏi khi thi công CTN trong nền đất yếu Rất khó có thể có được một vỏ hầm có kích thước và độ cứng phù hợp với vùng lỗ hổng vừa được tạo ra Trong thời gian đào, đất nền xung quanh sẽ chuyển vị vào phía trong như là sự cân phân bố lại ứng suất Điều này dẫn đến yêu cầu đào một kích thước lớn hơn kích thước thực tế của hầm Thể tích đất phải đào thêm này được gọi là “mất mát thể tích”

Khi đào bằng các loại máy khoan cắt (TBM): trong quá trình đào đất đá phía mặt máy đào được đào phá ra và trong quá trình đào liên tục này đất đá ở khu vực phiá trên và bên chuyển vị vào phía trong mặt gương đào làm gia tăng sự mất mát thể tích mặt gương đào

Viền lưỡi đào ở đầu khiên đào cắt vào đất đá, sau khi nó vượt qua sẽ là cơ hội để đất đá ở khu vực này biến dạng hướng tâm Tuỳ theo tỷ lệ của biến dạng (độ cứng của đất đá) và chiều dài bước đào mà nó có thể áp sát ngay vào bề mặt của vỏ khiên đào

Vỏ hầm có kích thước nhỏ hơn một chút so với kích thước của khiên đào

được lắp đặt ngay lập tức Vùng hở phía sau vỏ hầm sẽ được lấp đầy bằng bơm vữa đệm phía sau vỏ Đây là cơ hội để đất tiếp tục chuyển vị hướng tâm cho đến khi vữa bơm phía sau đủ cường độ để chịu được ứng suất của đất nền Tổng cộng của các chuyển vị hướng tâm này được nhóm lại và gọi là chuyển vị “hướng

tâm” Tổng cộng mất mát thể tích hướng tâm và bề mặt gương đào được gọi là

mất mát thể tích trong suốt quá trình thi công ,VL, đo bằng m3 trên 1 mét chiều dài đào

Hình 1.26: Các loại mất mát thể tích khi thi công bằng TBM

- Việc xác định mối quan hệ giữa kích thước biên đào ban đầu và kích thước biên ngoài vỏ hầm với mức độ triết giảm thể tích là rất khó xác định Theo nghiên cứu của Macklin và Field (1999) với đường hầm có đường kính D=2,8m trong nền sét mềm thì có đến 70% giá trị biến dạng bề mặt đất xảy ra trong giai

đoạn lắp dựng vỏ lắp ghép và phun vữa phía sau vỏ (khi khiên đào đã đi qua)

- Việc lựa chọn loại máy thi công đào hầm phụ thuộc chủ yếu vào khả năng đảm bảo an toàn trong quá trình đào Hiện nay, khi lựa chọn thiết bị thi công hầm trong đất yếu người ta thường lựa chọn các loại máy có thể chiết giảm mức độ mất mát thể tích bề mặt gương đào như: máy cân bằng áp lực đất, cân bằng áp lực vữa sét … Còn trong đất cứng tương đối ổn định thì có thể sử dụng các loại máy dạng ngực trần Đối với các biến dạng hướng tâm thì rất khó để hạn chế các biến dạng này, một trong những cách có thể làm giảm bớt biến dạng hướng tâm là bơm ép vữa lỏng vào sau vỏ hầm, tuy nhiên nó phụ thuộc rất nhiều vào thời điểm bơm vữa Một cách hiệu quả hơn để hạn chế biến dạng hướng tâm

đó là sử dụng khí nén, tuy nhiên phương án này bị hạn chế là quá đắt Như vậy

việc biến dạng của nền đất hướng tâm là không thể tránh khỏi

Phần lưỡi cắt Mất mát hướng tâm

Mất mát gương

đào

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 1 - 24 - bùi văn dưỡng

Lún sụt đất nền do mặt gương mất ổn định Lún đất nền do mất mát hướng tâm

Hình 1.27

- Việc xác định được mức độ lún đất nền đối với người thiết kế là hết sức quan trọng Tuy nhiên người thiết kế chỉ biết được các giá trị này thông các số liệu khảo sát mà các số liệu này không thể phản ánh hết được tất cả các yếu tố rất phức tạp của nền đất Kể cả loại máy với cơ chế làm việc của nó và tay nghề của công nhân cũng là những yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến lún bề mặt đất Ngoài

ra, trong thực tế mức độ mất mát thể tích lại không phụ thuộc vào trạng thái ứng suất của nền đất hoặc chiều sâu đặt hầm mà phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc của

đất nền và trạng thái của nó

- Trong quá trình thi công hầm thì các yếu tố gây ra hiện tượng lún bề mặt

có thể kể đến là:

+ Do sự thay đổi cao độ mực nước ngầm: Điều này phụ thuộc rất nhiều vào loại đất và phân bố của đất mà đường hầm sẽ đi qua Trong đó phải nói đến khả năng thấm nước của đất là cao hay thấp

Độ thấm cao hay thấp Độ thấm khác nhau Độ thấm khác nhau

Cao Thấp

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 1 - 26 - bùi văn dưỡng

- Theo như nghiên cứu của Alan Graham Bloodworth trong luận văn tiến

sỹ của mình thì khi thi công hầm bằng TBM trong thì tổng thể tích đất đá được

đào đi luôn lớn hơn từ 1% - 2% thể tích của hầm kể cả phần vỏ đã được lắp đặt sau này Còn đối với các hầm có đường kính 5m và 10m trong đất sét thì độ lún lớn nhất trong vùng lún bề mặt đất là 12mm và 24mm

- Thông thường mức độ lún bề mặt đất đã được tổng kết như sau (theo AFTES,1995):

+ 10 – 20% gây ra do mất mát bề mặt gương đào

+ 40 – 50% gây ra do khoảng trống dọc theo chiều dài thân khiên + 30 – 50% gây ra tại khu vực sau khi khiên đào đã đi qua

- Mức độ mất mát thể tích của đất nền trong quá trình thi công có thể xảy

ra phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố sau:

+ Đặc điểm địa chất , thuỷ văn khu vực hầm

+ Phương pháp thi công và tay nghề công nhân

+ Tốc độ thi công

+ Kích thước của đường hầm

+ Hình dạng của kết cấu chống đỡ.

- Biến dạng lún ngắn và dài hạn của đất nền: Mức độ biến dạng trong ứng

xử cơ học của đất phụ thuộc vào yếu tố thời gian, vì vậy phải đưa ra khái niệm về biến dạng ngắn và dài hạn:

+ Biến dạng lún ngắn hạn: Theo như các số liệu nghiên cứu trong vùng đất sét Lon Don thì biến dạng lún ngắn hạn này xảy ra trong khoảng

4 ngày đầu sau khi đào hầm Tỷ lệ thời gian này ngắn hơn hoặc có thể so sánh được với thời gian tiến lên của quá trình đào hầm gây ra biến dạng lún của đất nền Báo cáo của Macklin và Field (1999) nói rằng các biến dạng lún ngắn hạn nằm tại vị trí mặt cắt trong khoảng thời gian 24 giờ trước và sau khi khiên đào vượt qua Có một bằng chứng rằng biến dạng ngắn hạn của đất nền xuất hiện và kết thúc ngay tại thời điểm mà đầu đào vượt qua Phản ứng của đất nền ở thể tích không đổi đã ngay lập tức thiết lập nên một trạng thái ứng suất mới của nền đất, bản chất của nó là sự gia tăng tải trọng lên xung quanh biên hầm Xét riêng về khía cạnh của hầm thì các biến dạng này được coi là nhỏ nên không đủ để gây ra phá hoại

hoặc biến đổi kết cấu của đất một cách đáng kể Điều đó có thể nói rằng cấu trúc của đất không hề thay đổi trong suốt quá trình này

+ Biến dạng lún dài hạn: Biến dạng dài hạn là kết quả của các quá trình: từ biến, hiện tượng lão hoá và cố kết, đó chính là các sự thay đổi các tính chất của đất nền dưới tác dụng của tải trọng không đổi Yếu tố thời gian của các hiện tượng này phụ thuộc vào các điều kiện của đất nền, nó

có thể là hàng tuần hoặc hàng tháng với đất cát và sét mềm; hàng năm với nền sét cứng Giá trị của biến dạng lún dài hạn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và rất khó để xác định cụ thể Theo các nghiên cứu số liệu lịch sử (case histories) thì biến dạng lún dài hạn có xấp xỉ 60% biến dạng ngắn hạn (theo Simsons và Som, 1970; Morton và Au, 1975) Attwell và Selby (1989) đã đánh giá biến dạng dài hạn có thể lên tới 2,5 lần biến dạng ngắn hạn, tuy nhiên bề rộng của vùng biến dạng lại rộng hơn Điều đó có nghĩa rằng dạng đường cong của vùng lún cũng tương tự như của biến dạng lún ngắn hạn

D

H

Vùng biến dạng lún dài hạn Vùng biến dạng lún ngắn hạn

Hình 1.31: Biến dạng lún ngắn và dài hạn

Do đó có thể nói chuyển vị ngắn hạn là vấn đề băn khoăn chủ yếu mà các nhà kỹ thuật quan tâm giải quyết, đồng thời nó cũng là mục tiêu của đề tài này

1.2.2 Mục tiêu của đề tài:

Như tất cả các phân tích trên, có thể thấy rằng việc thi công đường hầm

đặt nông trong nền đất thì bất kể là bằng phương pháp nào đều gây ra các biến dạng lún nền đất, điều này đương nhiên sẽ dẫn đến nguy hiểm cho kết cấu công trình đã có trên bề mặt đất

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 1 - 28 - bùi văn dưỡng

Trong đề tài này sẽ tập trung chủ yếu vào phương pháp thi công bằng tổ hợp khoan đào TBM Trên thực tế, các biến dạng lún đất nền do xuất hiện và tồn tại đường hầm có thể phân chia ra hai loại là ngắn hạn, dài hạn và đề tài sẽ tập trung vào nghiên cứu các biến dạng ngắn hạn

Mục tiêu chính của đề tài là sẽ xác định ra được phân bố lún bề mặt theo hướng ngang và dọc theo trục đường hầm xuất hiện theo quá trình thi công bằng máy khoan đào TBM Đồng thời sẽ khảo sát các mối quan hệ giữa kích thước

đường hang với chiều sâu đặt của nó, cũng như sự thay đổi phương pháp (vật liệu) chèn lấp khoảng hở giữa đất nền và kết cấu vỏ, ảnh hưởng của phương pháp ổn định mặt gương đào trong quá trình thi công đến lún bề mặt đất Từ đó

sẽ so sánh với các phương pháp khác để đưa ra các nhận xét cũng như khuyến cáo để tránh những rủi ro có thể gặp phải trong quá trình thi công hầm đặt nông trong nền đất

1.2.3 Giới hạn của đề tài:

Với những mục tiêu đưa ra ở trên thì riêng với vấn đề lún bề mặt đất (trong rất nhiều vấn đề của phương pháp khoan đào TBM) khối lượng thực hiện của đề tài là rất lớn

Như đã phân tích ở trên thì vấn đề lún bề mặt này chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố cả khách quan và chủ quan, cả yếu tố không gian và thời gian Vì vậy một phương pháp bất kỳ nào (kinh nghiệm, thí nghiệm hay mô hình số )

được sử dụng để tìm ra các yêu cầu nói trên là hết sức phức tạp Trong đề tài sẽ

sử dụng phương pháp phân tích số để giải quyết vấn đề này của bài toán, tuy nhiên để bao hàm đựơc hết tất cả các yếu tố ảnh hưởng vừa nêu thì chắc chắn bài toán phải được mô hình theo sơ đồ không gian (3-D) hoặc các sơ đồ phẳng 2-D (độc lập và cộng tác dụng) với các điều kiện địa chất thuỷ văn đầy đủ, đồng thời

có kể đến rất đầy đủ quá trình thi công một cách chính xác (phụ thuộc thời gian) Mô hình vật liệu làm việc có thể là đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn-dẻo hoặc dẻo

Vấn đề lún bề mặt chia ra làm hai loại chủ yếu là ngắn và dài hạn, các giá trị này được quyết định bởi các yếu tố như đặc điểm địa chất, điều kiện nước ngầm, phương pháp thi công, hình dạng đường hầm và kích thước của hầm Và như vậy trong đề tài sẽ tập trung nghiên cứu các lún ngắn hạn, với điều kiện địa chất là một lớp địa chất đồng nhất, thi công bằng máy đào TBM có sử dụng biện

pháp ổn định mặt gương, với đường hầm đơn dạng tròn có kích thước và chiều sâu đặt thay đổi để khảo sát kết quả, không sét đến ảnh hưởng của nước dưới đất

Kết cấu chống đỡ của hầm sẽ sử dụng là các tấm bê tông đúc sẵn, có sử dụng phương pháp phun vữa phía sau vỏ (được gắn trực tiếp vào đuôi khiên) và cuối cùng sẽ là lớp bê tông vỏ hầm đúc tại chỗ

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 2 - 30 - bùi văn dưỡng

Chương 2: Các phương pháp tính lún mặt đất

khi thi công công trình ngầm bằng TBM

Hiện nay đang tồn tại các phương pháp tính ảnh hưởng lún bề mặt đất do thi công công trình ngầm đặt nông bằng TBM chủ yếu dựa và các công thức bán kinh nghiệm, các phương pháp giải tích hoặc PTHH của nhiều tác giả khác nhau – cả các phân tích mô hình phẳng và không gian

2.1 Các nghiên cứu dựa theo kinh nghiệm và bán kinh nghiệm:

Việc dự đoán tổng giá trị mất mát thể tích trước khi đào hầm rất có lợi cho người thiết kế, tuy nhiên nó cũng rất khó vì điều này phụ thuộc vào rất nhiều yếu

tố mà các yếu tố đó không thể biết hoặc khó kiểm soát được trong giai đoạn thiết

kế Các yếu tố đó là loại máy đào, trình tự thi công, và cuối cùng là tay nghề của công nhân Người thiết kế biết một cách lý thuyết về tính chất đất đá và trạng thái ứng suất

Trước tiên phải khẳng định rằng chuyển vị lún là không thể tránh khỏi khi thi công hầm trong nền đất yếu (kể cả trong đất đá cứng) Việc tạo ra một khoảng trống và tức thời đặt một kết cấu chống đỡ đủ cứng và vừa vặn với khoảng trống đó là không thể thực hiện được Trong thời gian khoan đào, đất nền xung quanh hầm sẽ biến dạng vào phía trong theo quá trình giải phóng ứng suất

Do đó luôn luôn phải đào mở một phần thể tích lớn hơn phần thể tích hoàn thiện của hầm, phần thể tích cần đào thêm này được gọi là “phần mất mát thể tích”

Thêm nữa, phần lưỡi cắt của máy đào TBM sẽ đào phá đất đá phía trước mặt gương, trong quá trình hoạt động liên tục đó vùng đất đá nhất định phía trước gương sẽ có xu hướng chuyển vị về phía bề mặt gương Phần chuyển vị này

được gọi là mất mát thể tích mặt gương

Vì vậy, yêu cầu cấu tạo của phần lưỡi cắt máy đào phải phá được kích thước lớn hơn kích thước cần thiết của hang đào Sau khi lưỡi cắt vượt qua đất đá xung quanh có thể chuyển vị hướng tâm về phía khiên đào, tuỳ theo tỷ số quan

hệ giữa biến dạng của đất nền với chiều dài đào tiến lên mà nó có thể chuyển vị

áp sát ngay lập tức vào thành khiên đào

Vỏ hầm có kích thước nhỏ hơn một chút với kích thước của vỏ khiên (tuỳ thuộc vào bề dầy của phần đuôi khiên) sẽ được lắp đặt ngay lập tức phía sau khiên Khoảng trống sau vỏ hầm thông thường được bơm vữa lấp đầy tại vị trí cách từ 1 đến 2 khoang vỏ đúc sẵn Đây là khả năng thêm nữa để đất nền tiếp tục chuyển vị hướng tâm về phía vỏ hầm, cho đến khi phần vữa này đạt đủ cường độ

để chống lại áp lực đất Tổng cộng của cả hai chuyển vị hướng tâm này được gọi

là mất mát hướng tâm (Hình 1.26) Tổng cộng tất cả các mất mát hướng tâm và mất mát gương đào được gọi là “mất mát thể tích toàn bộ” – VL, trong quá trình thi công, được đo bằng m3/mét dài đào hầm

a Phương pháp nghiên cứu kinh nghiệm:

Macklin và Field (1999) dựa vào số liệu thực tế với đường hầm đường kính 2,8m trong đất sét London cho biết quan hệ thay đổi giữa áp lực đất thứ cấp( )1 và biến dạng lún bề mặt với tốc độ đào hầm ở trường hợp này thì có đến 70% biến dạng lún bề mặt đất tại mặt cắt vuông góc xảy ra khi đuôi khiên đào đã vượt qua, trong suốt quá trình lắp đặt vỏ và bơm vữa

VL được xác định bằng phần trăm của diện tích tổng cộng mặt cắt ngang hầm:

VL%=

4 /

% 100 2

( ) 1

áp lực đất nền sau khi đào hầm hay còn gọi là áp lực đất thứ sinh (áp lực đất nền khi chưa

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 2 - 32 - bùi văn dưỡng

bằng phương pháp PTHH hoặc giải tích… có thể cộng thêm các kết quả thí nghiệm để đưa ra các công thức dạng bán kinh nghiệm

b Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiệm:

ắ Phương pháp sử dụng hệ số ổn định:

- Macklin (1999), Mair (1981) và O’Reilly (1988), kết hợp lịch sử và kết quả mô hình thí nghiệm ly tâm đã đề nghị một phương pháp dự đoán mất mát thể tích trong đất sét lẫn thực vật Lý thuyết này sử dụng khái niệm hệ số ổn định:

Mặt đất

C Chiều cao tầng phủ

Z0 Kết cấu vỏ

hầm

P Chiều dài không chống đỡ

Hình 2.1: Các yếu tố hình học sử dụng cho tính toán hệ số ổn định ở thời điểm

phá hoại (hệ số ổn đinh tới hạn)

Gọi hệ số ổn định là: N ( khái niệm của Broms và Bennermark (1967)):

N= (σZ-σT)/su Trong đó: σZ : áp lực tầng phủ tại vị trí trục hầm

σT : Phản lực của kết cấu chống đỡ (nếu có)

su : Sức kháng cắt không thoát nước của đất

- Bằng cách sử dụng hệ số ổn định N này kết hợp với các kết quả nghiên

cứu thực tế tổng cộng 14 công trình hầm được báo cáo của các tác giả Wei-I

Chou và Antonio Bobet (2001) đã công bố bảng tổng kết đánh giá của một vài

công trình như sau:

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 2 - 34 - bùi văn dưỡng

Chiều sâu (m)

Chiều cao mực nước ngầm (m)

Đường kính (m)

Mô đun

đàn hồi của đất –

E (MPa)

Trọng lượng thể tích

Hệ số ổn

Phương pháp thi công

Sét London

Đào thủ công Tuyến

Mac-Frankfart

Khiên

đào, vỏ BT

đúc sẵn và neo Tuyến

BT đúc sẵn

London

Đào thủ công, vỏ

BT đúc sẵn

( ) 2 Khoảng hở giữa biên đào và mép ngoài vỏ hầm được các tác giả ký hiệu là: w

Cụ thể các số liệu đo đạc độ lún và kết quả mô hình tính độ lún của một số công trình được thể hiện như sau:

+ Hầm Green Park: Chiều sâu đặt hầm 10,7m; đường kính hầm 4,15m; chiều cao nước ngầm 2,3m; … các số liệu khác xem trên bảng trên Kết quả như sau:

Khoảng cách từ trục tim hầm (m)

Hình 2.2: Phân bố lún bề mặt đất của đường hầm Green Park

Chuyển vị thẳng đứng

Tính toán Kết quả đo đạc

Hình 2.3: Chuyển vị lún thẳng đứng theo chiều sâu

tại vị trí trục tim hầm Green Park

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chương 2 - 31 - bùi văn dưỡng

+ Hầm Bangkok sewer: Chiều sâu đặt hầm 18m; đường kính hầm 2,67m; chiều cao nước ngầm 2,2m; … các số liệu khác xem trên bảng trên Kết quả như sau:

Khoảng cách từ trục tim hầm (m)

Tính toán Kết quả đo đạc

Hình 2.4: Phân bố lún bề mặt đất của đường hầm Bangkok Sewer

Chuyển vị thẳng đứng (m)

Tính toán Kết quả đo đạc

Hình 2.5: Chuyển vị lún thẳng đứng theo chiều sâu

tại vị trí trục tim hầm Bangkok Sewer