Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh.Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh.Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh.Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh.Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh.Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh.Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh.Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh.Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh.Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh.Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh.Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
NGUYỄN THẠCH BÍCH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG TỔ HỢP KHOAN ĐÀO HẦM (TBM) ĐẾN LÚN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN BỀ MẶT TẠI THÀNH PHỐ
HỒ CHÍ MINH
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Hà Nội – 2022
Trang 2Công trình được hoàn thành tại: Đại học Giao thông Vận tải
Người hướng dẫn khoa học 1:
Người hướng dẫn khoa học 2:
/QĐ-họp tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải
Vào hồi … ngày … tháng … năm 2022
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải;
- Thư viện Quốc Gia
Trang 3nghiên cứu được lựa chọn là: “ nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng
tổ hợp khoan đào hầm ( TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh”
2 Đối tượng nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu luận án tập trung nghiên cứu hiện tượng lún mặt đất và các công trình trên bề mặt trong quá trình xây dựng đường hầm metro tại thành phố Hồ Chí Minh
3 Phạm vi nghiên cứu
- Luận án tập trung nghiên cứu đoạn tuyến ngầm từ Ga Bến Thành đến Ga Ba Son, dự án xây dựng tuyến Metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên, TP Hồ Chí Minh
4 Phương pháp nghiên cứu
- Luận án sử dụng phương pháp lý thuyết dựa trên các kết quả tính toán theo công thức kinh nghiệm so sánh với các kết quả quan trắc tại hiện trường kết hợp với phương pháp PTHH
5 Mục tiêu của luận án
- Mục tiêu thứ nhất: Xây dựng công thức tính Vloss nhằm hoàn thiện hơn phương pháp tính PTHH để phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công đường hầm Metro đến lún và các công trình trên bề mặt
- Mục tiêu thứ hai: đề xuất các công thức tính các đại lượng lún mặt đất bằng phương pháp thực nghiệm phản ánh qui luật lún mặt đất trong quá trình thi công đường hầm Metro bằng công nghệ TBM tại thành phố Hồ Chí Minh
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc xây dựng được công thức thực nghiệm tính hệ số mất mát thể tích Vloss được xem là đóng góp to lớn trong lĩnh vục này bởi theo các nghiên cứu trước đây đã được công bố, vấn đề mất mát thể tích trong quá trình thi công đường hầm gây lún bề mặt cũng được đề cập song đều được chỉ dẫn lấy theo kinh nghiệm thi công hiện trường mà chưa có công thức nào được công bố Đồng thời với giá trị Vloss được tính toán sẽ giúp hoàn thiện hơn phương pháp tính PTHH để đánh giá bài toán tác động thi công đường hầm Metro đến công trình trên mặt đất
Luận án đã so sánh những giá trị lún bề mặt được tính bằng các công thức thực nghiệm của các tác giả đã công bố với những số liệu quan trắc thực tế tại công trình thi công tuyến Metro số 1 Bến Thành-Suối Tiên đoạn Ga Nhà hát lớn đến ga Ba Son Từ đó đã đề xuất các công thức tính các đại lượng lún mặt đất bằng phương pháp thực nghiệm phản ánh qui luật lún mặt đất trong quá trình thi công đường hầm Metro bằng công nghệ TBM tại thành phố Hồ Chí Minh
Trang 42 Kết quả nghiên cứu của luận án rất có ý nghĩa khoa học và có tính thời sự thực tiễn cao khi tại Việt Nam đã và đang triển khai xây dựng hàng loạt các tuyến Metro tại Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Với kết quả nghiên cứu này có thể áp dụng cho những dự án xây dựng các tuyến Metro tiếp theo
mà Việt Nam đang triển khai
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 1.1 Tình hình xây dựng Metro trên thế giới và Việt Nam
Tuyến Metro đầu tiên được xây dựng ở Anh vào năm 1863, cho đến nay đã có khoảng 80 thành phố trên thế giới sử dụng hệ thống Metro trong giao thông công cộng Hệ thống Metro lớn nhất thế giới là ở Newyork với tổng chiều dài 471km và 468 nhà ga Ở Việt Nam, Thủ tướng chính phủ đã phê duyệt qui hoạch phát triển giao thông đô thị, theo đó Hà Nội sẽ xây dựng hệ thống
Metro với 8 tuyến và TP HCM sẽ xây dựng hệ thống Metro với 6 tuyến
1.2 Thi công đường hầm metro bằng công nghệ TBM và những vấn đề phát sinh
1.2.1 Sự ra đời và phát triển công nghệ TBM
Thi công bằng khiên (Shield Method) là phương pháp thi công cơ giới dùng khiên đào đường hầm ngầm dưới mặt đất Khiên (Shield) là một loại kết cấu ống thép hoạt động dưới sự che chắn áp lực địa tầng, lại có thể hoạt động tiến lên trong địa tầng Tổ hợp máy khoan đào hầm (TBM) thực hiện trọn vẹn chu trình thi công hầm từ đào đường hang, chống đỡ, vận chuyển đất đá ra ngoài và lắp ráp vỏ hầm Ý tưởng thi công bằng khiên lần đầu tiên thế giới do công trình sư người Pháp Brunel
đề xuất vào năm 1818 xuất phát từ hình tượng con mọt đục gỗ trên tàu thuyền Năm 1825 đến 1843, Brunel đã xây dựng dưới sông Thames ở London một đường hầm thi công bằng khiên lần đầu tiên trên thế giới, dài toàn bộ 458m Từ năm 1818 đến nay các nước trên thế giới đã nghiên cứu chế tạo hàng mấy nghìn kiểu khiên, phương pháp thi công bằng khiên đã được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng công trình ngầm ở các đô thị
1.2.2 Phân loại TBM
Dựa theo cách đào đất khác nhau, có thể chia khiên ra làm 3 loại: loại đào thủ công, loại đào bán
cơ giới và loại đào cơ giới hoá toàn bộ
Dựa vào cấu tạo bộ phận trước: chia khiên ra làm hai loại: loại ngực trần và loại ngực bịt
Dựa vào phương thức thoát nước ngầm và ổn định mặt đào khác nhau mà chia khiên ra các loại: loại hạ nước ngầm thủ công bằng giếng kim, loại nén bùn và nước, loại cân bằng áp lực đất không dùng khí nén, loại dùng khí nén cục bộ, loại khiên dùng toàn bộ khí nén v.v…
Trong thực tế xây dựng hầm người ta sử dụng khiên đào cơ giới hoá (MS), khiên đào bán cơ giới (PMS) và khiên đào không cơ giới hoá (NMS) Khiên đào cơ giới hoá được chia ra thành khiên đào có áp lực cân bằng ở gương đào và khiên đào không có áp lực cân bằng ở gương đào (MS) Khiên đào có áp lực cân bằng ở gương đào phụ thuộc vào dạng vật liệu tạo áp lực ở gương đào được chia ra làm 4 loại: bằng dung dịch vữa sét (MS-S) (Bentonite Slurry Shield- BS Shield hoặc Hyđroshield), bằng đất đã được đào (MS-E) (Earth Pressure Baland Shield) (loại này được chia ra làm hai: chỉ nguyên đất MS-E và bơm vào đất dung dịch vữa sét hoặc bột MS-ED), bằng khí nén (MS-A) (Compressed Air Shield – CA Shield) và loại hỗn hợp (MS-M) (Mixshield)
1.2.3 Các vấn đề phát sinh
1.2.3.1 Lún mặt đất trong quá trình thi công đường hầm bằng TBM
Khi thi công bằng phương pháp khiên trong địa tầng đất sét mềm và bão hoà, biến dạng của mặt đất sản sinh dọc trục đường hầm Nói chung có thể chia làm 3 giai đoạn: Mặt đất gồ lên và lún xuống phía trước khiên, lún xuống khi thi công và lún xuống do cố kết
Trang 5- Sập lở hầm khi thi công tàu điện ngầm tại Đài Bắc, Đài loan, 1994/1995
- Sập hầm đường tàu điện ngầm (MRT) Singapore 2004
- Hố sụt hình thành ở đường Tannery do công trình tàu điện ngầm Bengaluru
- Một phần đường cao tốc bị sập khi thi công tuyến tàu điện ngầm mới ở Sao Paulo, Brazil, ngày 1 tháng 2 năm 2022
1.3 Các nghiên cứu đánh giá tác động ảnh hưởng của việc thi công đường hầm metro đến các công trình trên mặt đất
1.3.1 Những tác động của việc xây dựng đường hầm và Metro đến công trình trên mặt đất
Nói chung, các dạng công trình khác nhau sẽ chịu tác động của máng lún theo các dạng khác nhau Kinh nghiệm cho thấy, các công trình bằng gạch đá sẽ chịu biến dạng bằng với biến dạng của đất
mà chúng được đặt trên Và điều này cũng xảy ra với phần lớn các công trình được đặt trên các móng đơn
Ngược lại, những công trình xây dựng gần đây bằng vật liệu bê tông cốt thép, có kết cấu được tăng cường chắc chắn sẽ có biến dạng ngang nhỏ hơn đất đá ở móng Độ cứng chống uốn của những công trình này chính là nguyên nhân làm giảm biến dạng của chúng so với biến dạng của đất đá, đặc biệt là trong trường hợp sử dụng các móng liên tục như móng băng, móng bè
Độ cứng của kết cấu càng lớn thể hiện sức kháng cắt càng lớn và dẫn đến có xu hướng bị nghiêng lệch nhiều hơn là bị cong vênh Đặc điểm này phụ thuộc vào chiều cao công trình (số tầng), số lượng lỗ khoan đào và kiểu công trình (tường bê tông hay dầm hay cột chống,…)
Hình 1.13:Các dạng ảnh hưởng của phễu lún tới công trình bề mặt [01]
Năm 1974, Burland & Wroth [02] đã chỉ ra rằng, các dấu hiệu để nhận biết và cách xác định biến dạng của công trình là rất phong phú Hai ông đã đề xuất 9 thông số mà dựa vào đó có thể định nghĩa biến dạng công trình
1.3.2 Phân loại hư hỏng của các công trình lân cận do lún bề mặt
Mức độ hư hỏng của công trình gần khu vực đào hầm, đặc biệt là các kết cấu gạch đá, mang tính chất ngẫu nhiên nhiều hơn là tính tất định Vì thế, phương pháp được sử dụng để nghiên cứu hư
Trang 64 hỏng của công trình là đưa ra các ngưỡng giới hạn Khi một đặc tính nào đó của công trình vi phạm một trong các ngưỡng này, người kỹ sư sẽ dựa vào đó và đánh giá được mức độ hư hỏng của nó Theo Burland và các đồng nghiệp (1977) [03] , hư hỏng của các công trình gần khu vực thi công hầm được phân làm ba loại chính:
Hư hỏng kiến trúc là những hư hỏng có thể quan sát thấy bằng mắt thường;
Hư hỏng chức năng, có thể dẫn đến trục trặc trong quá trình khai thác, sử dụng;
Phá hủy kết cấu, tác động đến ổn định của công trình
Hình 1.15 Mô hình hoá công trình như một dầm đàn hồi và định nghĩa độ võng tương đối (Burland
và Wroth, 1975)
1.3.3 Quan trắc chuyển dịch nền móng nhà cao tầng trong giai đoạn thi công móng và tầng hầm
Theo JGJ 120 - 99 [04], nội dung quan trắc trong quá trình thi công hố đào bao gồm: quan trắc chuyển dịch theo phương ngang của kết cấu chống giữ; biến dạng của đường ống ngầm và công trình xung quanh; mực nước ngầm; nội lực trong cọc, tường; lực kéo trong đất; lực dọc trong thanh chống; biến dạng trụ đứng; độ lún theo chiều sâu của các lớp đất và độ trồi đất ở đáy hố móng; áp lực ngang trên bề mặt kết cấu chống giữ
1.3.4 Phân tích đánh giá kết quả quan trắc chuyển dịch nền móng và tầng hầm nhà cao tầng
Trong quan trắc biến dạng nền móng và tầng hầm nhà cao tầng, các hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nâng cao độ chính xác quan trắc, nâng cao mức độ tin cậy của giá trị quan trắc và phân tích số liệu quan trắc nhằm kiểm soát sự cố có thể xảy ra đối với công trình và công trình lân cận P.Erik Mikkelsen (2003) đã nghiên cứu phân tích dữ liệu để nâng cao độ chính xác đo chuyển dịch ngang bằng thiết bị Inclinometer [05] Christian Moormann (2004) dựa trên kết quả quan trắc 530 công trình hố đào sâu trong đất mềm yếu, đề xuất trị cảnh báo và giá trị giới hạn về chuyển dịch ngang của tường và chuyển dịch đứng của đất lân cận hố đào, dùng chúng để kiểm soát và phòng ngừa những hư hại có thể xảy ra đối với công trình ở gần hố đào
Sự cố công trình thực tế về hố móng sâu được phân tích dựa trên kết quả quan trắc được thiết kế
và lắp đặt trước khi thi công tầng hầm và bổ sung kịp thời trong quá trình diễn biến sự cố Phương pháp kiểm soát sự cố khá chủ động nhờ phân tích một cách khoa học các thông tin từ quan trắc [53] Richard N Hwang, Za-Chieh Moh and C H Wang (2007) đã chỉ ra rằng: biến động điểm đáy của ống Inclinometer là không thể tránh khỏi, thậm chí kể cả khi đáy ống được lắp đặt trong tầng cuội sỏi Trong đo chuyển dịch ngang bằng cách áp dụng các điểm đáy ống như điểm tham chiếu có thể sẽ là sai lầm Các điểm ở phía trên của ống dẫn hướng cần được theo dõi để đọc, có thể được hiệu chỉnh cho phù hợp [06] A.Rahman, M.Taha (2005), Inclinometers là những công
cụ tốt để đo lường và quan trắc sự biến dạng ngang của đất do đào đắp Tuy nhiên ống dẫn hướng
sử dụng phải đủ sâu để có được kết quả đáng tin cậy Vì lý do này ống dẫn hướng Inclinometers lắp đặt bên trong tường vây phải được lắp đặt ít nhất là đến hết chiều sâu bức tường hoặc thậm chí sâu hơn Đó là khuyến cáo để lắp đặt các Inclinometers nhằm thực hiện các mô hình phân tích chính xác hơn về thông số chuyển dịch biến dạng của đất bên ngoài của bức tường ngăn hoặc cho tiêu chuẩn thiết kế tốt hơn [04]
1.3.5 Các công trình nghiên cứu trong nước về biến dạng, lún các công trình đô thị xung quanh khu vực thi công Metro
Năm 1985 đã có tiêu chuẩn TCVN 3972:1985 “Công tác trắc địa trong xây dựng công trình” [08]
Trang 75
đã nói đến quan trắc biến dạng công trình Từ đó đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học các cấp, một số luận án, luận văn nghiên cứu về quan trắc biến dạng công trình để hoàn thiện công tác quan trắc công trình, đáp ứng được yêu cầu quan trắc đối với các công trình cụ thể
Nghiên cứu phương pháp và quy trình quan trắc biến dạng công trình:
Quy trình công nghệ quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình đã được tác giả Trần Khánh (1991) thể hiện trong báo cáo đề tài nhánh của đề tài cấp nhà nước 46A-05-01 [09]
Nghiên cứu về thiết kế lưới và xử lý số liệu quan trắc biến dạng công trình:
Để mạng lưới quan trắc biến dạng đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác và yêu cầu về thời gian thì hệ thống lưới quan trắc cần được thiết kế tối ưu.Về mặt thiết kế tối ưu lưới quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình đã có công trình nghiên cứu của tác giả Nguyễn Quang Phúc (2006) Trong công trình nghiên cứu này đã trình bày đầy đủ về đặc điểm công tác thiết kế hệ thống lưới quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình và những kết quả nghiên cứu thiết kế tối ưu lưới quan trắc biến dạng công trình trên máy tính điện tử Các nghiên cứu cũng cho thấy, việc thiết kế tối ưu lưới quan trắc biến dạng trên máy tính điện tử là đơn giản và hiệu quả [10]
1.4 Kết luận chương 1
Chúng ta thấy rằng khi thi công tuyến hầm Metro ngầm chìm bằng công nghệ TBM rất phù hợp và hiệu quả với các đô thị lớn với mật độ dân cư đông đúc, kiến trúc phức tạp và phong phú như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Tuy nhiên mặc dù thi công với công nghệ hiện đại cũng không tránh khỏi những tác động tiêu cực lên bề mặt thể hiện qua hiện tượng biến dạng và lún bề mặt trong quá trình thi công Điều này tác động không nhỏ đến những công trình xây dựng hiện hữu trên mặt đất Do
đó nghiên cứu dự báo, đánh giá và kiểm soát được hiện tượng lún trên bề mặt do quá trình thi công xây dựng tuyến Metro ngầm chìm là vấn đề cấp thiết mà bất kỳ chủ đầu tư, nhà thầu xây dựng và các nhà quản lý đặc biệt quan tâm
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT DỰ TÍNH LÚN MẶT ĐẤT KHI THI CÔNG ỐNG HẦM TRÒN
2.1 Phân tích và dự báo lún mặt đất bằng phương pháp lý thuyết
Một số tác giả phát triển phương pháp giải tích, ngoại suy từ các công thức bán kinh nghiệm và kết
hợp tất cả các yếu tố để tổng quát hóa công thức tính toán biến dạng mặt đất:
2.1.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết của Sagaseta (1987), Verruijt và Booker (1996), Gonzalez
và Sagaseta (2001) Sagaseta (1987) [11] trình bày giải pháp tổng quát hóa trong đất không cố kết,
không thoát nước, đẳng hướng và đồng nhất Đất được mô hình như vật liệu đàn hồi tuyến tính với công nghệ ảnh ảo và kết quả từ bán không gian đàn hồi để tính toán sự dịch chuyển đất bề mặt Thể tích đất mất mát không thoát nước ở một độ sâu hữu hạn là không gian vô hạn được đánh giá
là do chiết giảm thể tích khi đào hầm bỏ qua tác động của đất trên bề mặt, với điều kiện là không nén được và chuyển vị hướng tâm có hình cầu đối xứng trục
Verruijt và Booker (1996) [12] trình bày một phương pháp phân tích cho đường hầm trong không gian đàn hồi đồng nhất, sử dụng phương pháp gần đúng theo đề nghị của Sagaseta (1987)
Công thức được đưa ra bởi Verruijt và Booker là sự tổng quát của phương pháp Sagaseta Công thức tính biến dạng bề mặt cho trường hợp đất không nén được và có hệ số Poisson bất kỳ bao gồm ảnh hưởng của ovalisation (đường hầm mở hình oval) trong thời gian dài
2.1.2.Phương pháp nghiên cứu lý thuyết của Lee et al (1987), Rowe và Lee (1992)
Lo và Rowe (1982) và Rowe et al (1983) [13] đã giới thiệu yếu tố khoảng hở gây ra mất mát thể tích có quan hệ cường độ và biến dạng ứng xử trạng thái đàn hồi và dẻo, là khoảng trống giữa đường kính lỗ đào và vỏ hầm
Khoảng trống này được điều chỉnh bởi Lee et al (1992) như sau:
2.1.3 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết của Loganathan và Poulos (1998)
Loganathan và Poulos (1998) [14] sửa đổi phương pháp của Veruijt và Booker bằng cách kết hợp điều kiện biên thực tế Một hình bầu dục đã được giới thiệu trên đỉnh đường hầm vì mất mát thể
Trang 86 tích xảy ra ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình đào hầm
2.2 Phân tích và đánh giá lún theo phương pháp kinh nghiệm và bán kinh nghiệm
2.2.1.Phương pháp nghiên cứu kinh nghiêm Macklin và Field (1999):
Macklin và Field (1999) [15] 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 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
2.2.2.Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm sử dụng hệ số ổn định:
Macklin (1999) [16], Mair (1981) [17], và O’Reilly (1988) [18], 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: Gọi hệ số ổn định là: N ( khái niệm của Broms
và Bennermark (1967)): [19],
2.2.3.Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm của Schmidt-Peck (1969)
Phương pháp thực nghiệm phổ biến nhất để dự báo lún bề mặt là dựa vào phân phối Gauss Peck (1969) [21], và Schmidt (1974) [22] giả thiết hình dạng của phễu lún tương tự như dạng của đường cong phân phối chuẩn Gauss
Bằng các phân tích thống kê dựa trên các quan sát thực tế, hai ông đã chỉ ra rằng, đây là phương pháp hợp lý để mô hình hoá hình dạng phễu lún gây ra bởi quá trình đào đường hầm
Phương trình cơ bản:
S = Smax exp Trong đó:
- S là độ lún bề mặt theo tính toán lý thuyết ;
- là độ lún bề mặt lớn nhất (phía trên trục đường hầm);
- x là khoảng cách ngang từ tim đường hầm đến điểm cần tính lún;
- i là độ lệch tiêu chuẩn của đường cong tính lún (khoảng cách từ điểm uốn của máng
lún đến tim trục hầm), còn được gọi là thông số bề rộng máng lún
-
Hình 2.4: Đường cong Gauss đối với máng lún ngang và mất mát đất V t
Sau đó các tác giả khác nhau đã dựa trên những số liệu quan trắc thực tế để đưa ra các công thức tính Smax bảng 2.1
Peck (1969)
Dựa trên số liệu quan trắc thực tế
2 2
2
x i
( ) 2
2, 5.
L
D V S
i
2 max
.( ) 2
2, 5.
L
D V S
i
Trang 97
Atkinson & Potts (1979) [24]
Dựa trên số liệu quan trắc thực tế và kết quả thí nghiệm mô hình
hầm tại Anh
Mair (1993) [25] Dựa trên số liệu quan trắc thực tế và thí
nghiệm ly tâm Attewell (1977) [26]
Dựa trên số liệu quan trắc thực tế đường hầm tại Anh
Clough & Schmidt (1981)
Peck (1969)
: n=0,8 ÷1,0
Dựa trên số liệu quan trắc thực tế
Atkinson & Potts (1979) i = 0,25(Z
0 + R) đối với đất cát rời
Dựa trên số liệu quan trắc thực tế
và kết quả thí nghiệm mô hình
New & O’Reilly (1982)
i = 0,43Z 0 + 1,1 đối với đất cố kết
i = 0,28Z 0 – 0,1 đối với đất không cố kết
Dựa trên số liệu quan trắc thực tế đường hầm tại Anh
2.2.4 Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm của Chow (1994) [30]
Phương pháp này khảo sát lún thẳng đứng tại điểm nằm ở khoảng cách vị trí tải trọng tập trung trong một bán không gian đàn hồi (tải trọng tập trung này được mô hình là một đường tải trọng chạy dọc theo trục tim hầm do quá trình đào khối đất bên trong hầm) Chuyển vị lún bề mặt đất sau đó được tính toán theo công thức:
2.2.5 Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm của Mair và Taylor (1993)
Mair và Taylor[32] đã nghiên cứu để so sánh với các giải pháp của các công thức gần đúng (công thức kinh nghiêm) về biến dạng bên dưới của đất nền Cụ thể hai ông đã đưa ra công thức cho dạng lỗ rỗng hình cầu và hình trụ tròn: và
( ) 2
2, 5.
L
D V S
i
2 max
( ) 2 2,5.
L
D V S
i
2 max
( ) 2 2,5.
L
D V S
i
n O
R Z R
n O
R
Z R
n O
R
Z R
N u
1.252V R L
S
i
2 max
2 8
L
V D S
i
Trang 108
đặc tính ứng xử của nền đất
Tiêu biểu cho phương pháp này phải kể đến công bố của Peck năm 1969 Sau đó các nhà
khoa học tiếp tục phát triển và điều chỉnh công thức của Peck dựa trên số liệu quan trắc thực tế
các công trình tại các nước khác nhau, nhằm phù hợp hơn với những điều kiện cụ thể từng
nước
Các phương pháp dựa trên cơ sở kinh nghiệm và số liệu thực nghiệm hầu hết đều dựa
trên giả thuyết bề mặt trống “Green field”, nói cách khác, sự tồn tại của các công trình xây dựng
cũng như ảnh hưởng tải trọng của nó ảnh hưởng đến ứng xử biến dạng của nền đất và lún bề mặt,
chuyển vị các công trình mặt đất gây ra trong quá trình thi công hầm là không được xem xét đến
2.3 Phân tích và đánh giá lún bề mặt dựa trên mô hình số và sử dụng phương pháp PTHH
Khái niệm chung về phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là
phương pháp số để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng
với các điều kiện biên cụ thể Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để
giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần và phương trình tích phân.Cơ sở của
phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán Các miền liên tục
được chia thành nhiều miền con (phần tử) Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút
Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm
xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các
phần tử
Nhận xét:
Bài toán lún bề mặt trong quá trình xây dựng đường hầm trong thành phố, đặc biệt là
các tuyến hầm metro là một bài toán tác động tương hỗ vô cùng phức tạp và có thể giải quyết một
cách hiệu quả với các phương pháp số Tính ưu việt của phương pháp PTHH trong mô hình các
bài toán phân tích lún mặt đất đó là có thể xem xét tính tác động tương hỗ qua lại giữa hiện tượng
lún mặt đất do thi công đường hầm metro với các công trình hiện hữu trên mặt đất, có thể phân tích
theo trình tự thi công của mỗi dự án… cùng với sự phát triển các phần mềm thương mại khiến việc
phân tích bài toán này theo phương pháp PTHH ngày càng trở nên phổ biến hơn Tuy nhiên, kết
quả bài toán phân tích theo phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào các số liệu đầu vào
Trong đó phải kể đến hệ số mất mát thể tích Vloss Tuy nhiên, không có nhiều nghiên cứu phân
tích đại lượng này và đa phần đều lấy giá trị này giả định theo kinh nghiệm thi công
2.4 Kết luận chương 2
Qua nghiên cứu tổng quan các phương pháp đánh giá lún bề mặt do thi công hầm bằng TBM chúng
ta có tóm tắt lại có ba hướng nghiên cứu chính: Nghiên cứu lý thuyết, Nghiên cứu thực nghiệm và
bán thực nghiệm, Nghiên cứu bằng phương pháp PTHH
Hướng nghiên cứu PTHH ứng dụng sự phát triển khoa học công nghệ nhằm mô hình và xem xét
nhiều hơn các yếu tố liên quan như tác động tương hỗ, hay các yếu tố kỹ thuật thi công trong quá
trình thi công Bài toán lún bề mặt trong quá trình xây dựng đường hầm trong thành phố, đặc biệt
là các tuyến metro là một bài toán tác động tương hỗ vô cùng phức tạp và chỉ có thể giải quyết một
cách hiệu quả với các phương pháp số Tuy nhiên, kết quả bài toán phân tích theo phương pháp
này phụ thuộc rất nhiều vào các số liệu đầu vào, trong đó phải kể đến hệ số mất mát thể tích Vloss
mà thường được lấy theo giả định
Tiêu biểu cho phương pháp thực nghiệm phải kể đến công bố của Peck năm 1969 Sau đó các nhà
khoa học tiếp tục phát triển và điều chỉnh công thức của Peck dựa trên số liệu quan trắc thực tế các
công trình tại các nước khác nhau, nhằm phù hợp hơn với những điều kiện cụ thể từng nước.Tuy
nhiên, hiện tại chưa có nghiên cứu nào áp dụng cho điều kiện cụ thể tại Việt Nam Từ đó vấn đề
cấp bách hiện nay cần nghiên cứu khảo sát những số liệu quan trắc của các công trình thực tế tại
Việt Nam để điều chỉnh công thức sao cho phù hợp với điều kiện Việt Nam nhằm xây dựng các
công cụ dự báo và phân tích được hiện tượng lún bề mặt trong quá trình thi công tuyến Metro ngầm
chìm tại Việt Nam
Trang 119
CHƯƠNG 3 QUAN TRẮC-SO SÁNH KẾT QUẢ QUAN TRẮC LÚN VỚI KẾT QỦA TÍNH TOÁN
Tuyến Metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên
Hướng tuyến: Bến Thành (tại Quãng trường Quách Thị Trang) – Lê Lợi – Nguyễn Siêu – Ngô Văn Năm – Tôn Đức Thắng – Ba Son – Nguyễn Hữu Cảnh – Văn Thánh – Điện Biên Phủ – cầu Sài Gòn – xa lộ Hà Nội
Tổng chiều dài: khoảng 19,7 km (2,6 km đi ngầm và 17,1 km đi trên cao) Số lượng ga: 14 (3 ga ngầm và 11 ga trên cao) Kết nối giữa ga Nhà Hát Thành phố và ga Ba Son 2 là 02 hầm đơn, kết cấu bê tông cốt thép, đường kính trong 6.05m, đường kính ngoài 6.65m, công nghệ thi công là sử dụng máy đào TBM
3.2 Quá trình thi công tuyến ngầm và công tác quan trắc lún bề mặt và biến dạng các công trình đô thị trên bề mặt
3.2.1 Tầm quan trọng của công tác quan trắc
3.2.2 Mục đích, nội dung của công tác quan trắc
3.2.3 Nguyên tắc thiết kế hệ thống quan trắc
3.2.4 Các nội dung quan trắc
Sự cần thiết và mức độ quan trọng của công tác đo chuyển vị của nền đất và mặt đất phía trên nóc công trình được xác định tùy thuộc vào chiều sâu của hầm so với mặt đất
Khoảng cách giữa các điểm đo: Theo phương dọc hầm từ 5÷10m (khi h < D), 10÷20m (khi D ≤ h
≤ 2D) và 20÷50m (khi h > 2D); Theo phương ngang hầm từ 3÷5m
Sơ đồ bố trí thiết bị đo chuyển vị mặt đất theo phương dọc và ngang hầm
Quan trắc đối với nhà cửa, công trình kiến trúc lân cận: Chủ yếu quan trắc độ lún bề mặt ảnh hưởng đối với nhà cửa, công trình kiến trúc lân cận, quan trắc thay đổi độ cao, thay đổi vị trí, thay đổi vết nứt, của nhà cửa, công trình công cộng lân cận trước và sau khi đào hầm
3.3 Quan trắc và kết quả quan trắc
3.3.1 Sơ đồ bố trí các điểm quan trắc lún dọc tuyến Metro ngầm thi công theo TBM
Trang 1210 Hình 3.9 Mặt bằng bố trí điểm đo quan trắc lún [120]
3.3.2 Kết quả quan trắc lún
Vì chỉ có một máy khoan, nên khi khoan hầm East ( hầm phía dưới) từ Ga Ba Son về Ga Nhà Hát Lớn trước sau đó mới khoan ống hầm West ( Ống hầm phía trên) Kết quả quan trắc được sử dụng trong tài liệu này là kết quả thu được tính đến thời điểm thi công xong một ống hầm East Ống hầm này nằm phía bên trái phía sông Sài Gòn nhìn từ hướng Ga Ba Son về Ga Nhà Hát Lớn
Hình 3 10 Kết quả đo lún bề mặt dọc đoạn tuyến Metro
Hình 3.12: Kết quả khảo sát số liệu đo lún một số tại mặt cắt
3.4 Phân tích lún mặt đất theo lý thuyết và so sánh với kết quả quan trắc
3.4.1 So sánh kết quả tính lún bề mặt theo các công thức lý thuyết và kết quả quan trắc thực tế tại hiện trường
Luận án áp dụng công thức của Peck 1969 với ba trường hợp tương ứng với ba trường hợp tính i: n=0.8; 0,9 và 1
trường hợp 2: n= 0.9
Luận án áp dụng công thức của New & O’Reilly (1982) dựa vào số liệu quan trắc thực tế tại Anh
đề xuất công thức với hai trường hợp tương ứng với hai trường hợp tính i:
trường hợp 1: i = 0,43Z0+1,1
trường hợp 2: i = 0,28Z0 – 0,1
Luận án áp dụng công thức của Mair (1993) dựa trên các số liệu quan trắc thực tế và thí nghiệm quay ly tâm
Luận án áp dụng công thức của Attewell (1977) ; của Clough & Schmidt (1981) và của
Atkinson & Potts (1979) và kết quả quan trắc thực tế tại hiện trường
Sau khi so sánh giữa kết quả quan trắc hiện trường với kết quả tính toán lý thuyết theo đề xuất của Peck 1969 và 8 đề xuất tiếp theo của các tác giả nêu trên chúng ta có thể thấy rằng độ lún lớn nhất tại vị trí tim ống hầm quan trắc được tại TP HCM thường nhỏ hơn các giá trị lún lớn nhất tính theo lý thuyết
Với kết quả so sánh từ 30 mặt cắt điển hình chúng tôi nghiên cứu thì sai số giữa kết quả tính so với số liệu quan trắc thể hiện bảng 3.6
Bảng 3.6: Sai số trung bình của độ lún lớn nhất giữa kết quả tính với quan trắc
Lý thuyết Sai số
( Peck1)
Sai số ( Peck2)
Sai số ( Peck3)
Sai số ( New OReilly1
Sai số ( New Oreilly2)
Sai số ( Mair)
Sai số (Attewell)
Sai số ( Clough)
Sai số (Atkinson)
Sai số trung
binh (%) 39.9 28,7 13,8 16,1 98,5 13,6 13,8 39,0 90,0
3.4.2 So sánh đường cong lún tính theo các lý thuyết với kết quả quan trắc
Sau khi áp dụng các công thức lý thuyết vào với điều kiện cụ thể tại khu vực khảo sát là đoạn Khu gian từ Ga Ba Son đến Ga Nhà Hát Lớn, của tuyến Metro số 1 Bến Thành- Suối Tiên, luận án đã thể hiện các đường cong lún theo lý thuyết và so sánh với các giá trị quan trắc tại hiện trường Kết
Trang 1311 quả trình bày ở hình 3.13 các biều đồ đường cong lún tại các mặt cắt khảo sát dưới đây và ở phụ lục số 2
Hình 3.13 Các biểu đồ so sánh lún bề mặt giữa quan trắc và tính theo lý thuyết
3.5 Kết luận chương 3
Sau khi so sánh giữa kết quả quan trắc hiện trường với kết quả tính toán lý thuyết theo đề xuất của Peck 1969 và 8 đề xuất tiếp theo của các tác giả nêu trên, qua các biểu đồ lún trên 30 mặt cắt ngang chúng ta thấy rằng các đường cong lún tính theo các lý thuyết đều chưa thật sự bám sát các số liệu quan trắc Điều đó có thể thấy các lý thuyết này chưa thật sự phản ánh đúng qui luật lún tại dự án Tuyến Metro số 1 Bến Thành Suối Tiên, TP HCM Từ đó cho thấy cần thiết phải có những nghiên cứu nhằm đề xuất những điều chỉnh công thức của Peck sao cho phù hợp hơn với điều kiện cụ thể tại Việt Nam
CHƯƠNG 4 PHÁT TRIỂN NGHIÊN CỨU DỰ ĐOÁN LÚN BỀ MẶT VÀ XÂY DỰNG CÁC CÔNG
- Tổn thất xung quanh khiên đào (Vs),
- Tổn thất tại đuôi khiên (Vt)
Tuy nhiên, hệ số này thì ngay cả công thức của Peck cũng chưa đề xuất công thức tính cụ thể nào
Do đó hệ số này thường được ước lượng trong các tính toán Và các nghiên cứu sau đó thì cũng chỉ điều chỉnh các hệ số i hay Smax mà chưa nghiên cứu đề xuất công thức tính VL chính xác Các nghiên cứu trên cũng chưa đề cập đến những yếu tố kỹ thuật trong thi công và điều kiện địa chất
mà ống hầm sẽ đi qua
4.1.2 Phân tích các tương quan giữa Hệ số mất thể tích Vloss với các yếu tố đặc trưng
4.1.2.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của hệ số mất mát thể tích với áp lực vữa bơm
4.1.2.2 Phân tích tương quan giữa hệ số mất mát thể tích VL với áp lực bơm vữa và độ sâu Zo thay đổi
4.1.2.3 Phân tích tương quan giữa hệ số mất mát thể tích VL với (ϬZ -p a )
4.1.2.4 Phân tích tương quan giữa hệ số mất mát thể tích VL với (ps-Ko.ϬZ)
4.1.2.5Phân tích tương quan giữa hệ số mất mát thể tích VL với thể tích vữa bơm V
4.1.3 Đề xuất công thức tính Vloss
4.1.3.1 Đề xuất công thức dạng tổng quát tính Vloss
Với những nghiên cứu đó, cùng các phân tích tương quan giữa Vloss và các đại lượng liên quan trên, luận án đề xuất công thức dạng tổng quát công thức tính mất mát thể tích như sau:
4.1.3.2 Xây dựng công thức thực nghiệm Vloss
Logarit biểu thức trên được một hàm đa biến tuyến tính