tính toán lún bề mặt gây ra bởi thi công công trình ngầm theo công nghệ kích đẩy

Summary: The article introduces some causes and methods of estimating the face stability and the surface settlement induced during building and operating underground works using pipe-ja

TÍNH TOÁN LÚN B M T GÂY RA B I THI CÔNG

KS BÙI THANH MAI

TS NGUY N XUÂN HUY

B môn K t c u xây d ng

Vi n Khoa h c và Công ngh xây d ng giao thông

Tr ng i h c Giao thông V n t i

Tóm t t: Bài báo gi i thi u m t s nguyên nhân và ph ng pháp xác đ nh lún b m t trong quá trình thi công và khai thác công trình ng m (CTN) đ c thi công theo công ngh kích đ y M t s k t qu tính toán cho m t CTN c th đang đ c thi công t i thành ph

H Chí Minh c ng s đ c gi i thi u

Summary: The article introduces some causes and methods of estimating the face

stability and the surface settlement induced during building and operating underground works using pipe-jacking technology Some results of a cacultion for an underground works presently carried out in Ho Chi Minh city are also presented

I M U

Các công trình ng m (CTN) trong đô th ngày càng tr nên ph bi n và đóng vai trò quan

tr ng trong cu c s ng hi n đ i Có nhi u bi n pháp k thu t khác nhau đ c s d ng đ xây

d ng nh ng công trình này Hai k thu t chính đ c s d ng đ xây d ng các CTN đô th là k thu t đào h và k thu t đào kín M i công ngh đ u có nh ng u đi m và nh c đi m riêng, phù h p v i các lo i công trình ng m khác nhau K thu t đào kín t ra đ c bi t có hi u qu khi thi công các CTN trong đô th đ t sâu i v i các CTN d ng tr ng l c, k thu t kích đ y ng (thu c nhóm k thu t đào kín) là m t l a ch n thích h p [3]

M t v n đ chung đ c đ t ra đ i v i vi c xây d ng các CTN là s nh h ng c a nó đ i

v i môi tr ng xung quanh trong và sau quá trình thi công Vi c xác đ nh lún b m t là v n đ

r t quan tr ng c n đ c quan tâm khi xây d ng CTN, đ c bi t là các CTN đ c xây d ng trong

đô th do có r t nhi u các công trình ki n trúc, nhà c a, k t c u h t ng k thu tv.v…n m lân

c n khu v c CTN Lún b m t, tu thu c vào m c đ , ph m vi nh h ng, h ng và t c đ phát tri n, có th gây tác đ ng xáo tr n tr ng thái c a các công trình này, làm thay đ i ch c n ng s

d ng và nguy hi m h n, có th phá hu k t c u gây m t n đ nh công trình [1]

II GI I THI U CÔNG NGH KÍCH Y

Theo đ nh ngh a c a Hi p h i k s xây d ng Hoa K (American Society of Civil Engineers-ASCE) [9] có th hi u công ngh kích đ y ng (pipe jacking) nh sau: công ngh

vn

kích đ y là m t h th ng g m nhi u đ t ng đ c l p đ t tr c ti p phía sau m t khiên đào,

đ c đ y đi b ng h kích thu l c, t m t gi ng kích đ y (drive shaft/pit) đ n m t gi ng nh n (receiving shaft/pit) đ t o thành m t công trình ng m liên t c trong lòng đ t

Nh ng đ c đi m chung nh t c a công ngh kích đ y ng là : (1) đ c đi u khi n t xa; (2)

có d n h ng; (3) đ c kích đ y theo h ng tuy n đã đ nh và (4) đ t n n đ c ch ng đ liên

t c

Hình 1 Mô t s đ công ngh kích đ y

III LÚN B M T VÀ PH NG PHÁP XÁC NH LÚN B M T

Do l c kích đ y ng tác d ng trong quá trình kích đ y có ph ng n m ngang nên vi c xác

đ nh lún theo ph ng th ng đ ng c a công trình ng m đ c thi công theo công ngh kích đ y

ch ch y u ph thu c vào lo i thi t b đ c s d ng trong quá trình đào h m

1 Các nguyên nhân gây lún b m t khi thi công CTN b ng ph ng pháp kích đ y

Hình 2 Hình d ng ph u lún trên b m t do thi công CTN

Thi t b ch y u đ c s d ng đ đào h m trong quá trình thi công kích đ y là khiên đào

ho c máy đào t h p TBM (Tunnel boring machine) Do đó, lún b m t có th phân ra làm 4 nhóm sau (hình 3):

vn

Hình 3 lún d c theo máy khiên đào

- Lún phía tr c và phía trên g ng đào (đo n a): Gây ra b i s d ch chuy n c a đ t phía tr c và trên khu v c khiên đào v phía kho ng tr ng v a t o ra;

- Lún d c theo tr c khiên đào (đo n b): Do 2 nguyên nhân ch y u là do kho ng h gi a

kh i đ t và thành máy khiên đào và ma sát gi a khiên đào v i kh i đ t;

- Lún t i đuôi khiên đào (đo n c): Do m t kho ng h phát tri n gi a đuôi khiên đào v i

kh i đ t bao quanh;

- Lún liên quan đ n bi n d ng c a l p v h m (đo n d): Các phân đ t bê tông đúc s n đ c

l p đ t phía trong l p v khiên phía đuôi có th b bi n d ng khi ch u l c đ y c a kích và áp

l c đ t, gây lún b m t

2 Các ph ng pháp tính lún

Có hai ph ng pháp tính lún b m t đ t đang đ c s d ng ph bi n là (1) ph ng pháp kinh nghi m và bán kinh nghi m/gi i tích d a trên các công th c kinh nghi m đ c rút ra t k t

qu quan tr c t i các công trình c và đã đ c ch ng minh là t ng đ i phù h p qua các ng

d ng th c t và (2) ph ng pháp s (ch y u s d ng ph ng pháp ph n t h u h n) là ph ng pháp khá ph bi n hi n nay, ho c k t h p c hai ph ng pháp trên

2.1 Ph ng pháp gi i thích (ph ng pháp kinh nghi m và bán kinh nghi m) [1,2]

Có r t nhi u nghiên c u đã đ c ti n hành đ xây d ng ph ng trình xác đ nh lún b m t

nh các nghiên c u c a Peck và Schmidt, Cording và Hansmire, Atkinson và Potts, Attewell và Woodman, O’Reilly và New, v.v…

Có th t ng k t v tính lún th ng đ ng theo ph ng pháp gi i tích nh sau:

a Lún th ng đ ng theo ph ng vuông góc v i CTN

Các tác gi đ u đ xu t gi thi t máng lún có d ng đ ng cong phân ph i chu n (hình 4)

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ −

=

2

2 max

i 2

y exp S

vn

Trong đó:

Hình 4 Hình d ng máng lún

S: lún b m t theo tính toán lý thuy t,

th ng đ c gi đ nh có d ng hàm sai s Gauss hay

đ ng cong phân ph i chu n

Smax: lún b m t l n nh t, phía trên tr c

h m, th ng đ c xác đ nh thông qua th tích ph u

lún Giá tr này ph thu c r t nhi u vào đi u ki n đ a

c h c c a kh i đ t nh đ b n, đ c ng, tính th m,

cao đ n c ng m, v.v…, các thông s hình h c c a

CTN nh đ ng kính CTN, đ sâu đ t CTN, ph ng

pháp thi công, trình đ k thu t thi công

exp: Hàm s m ex, trong đó, e đ c l y g n b ng 2,178 và là c s c a hàm s logarit t nhiên

y: Kho ng cách ngang t tim CTN đ n đi m c n tính lún

i: l ch tiêu chu n c a đ ng cong tính lún, là kho ng cách t đi m u n c a máng lún

đ n tim CTN, còn đ c g i là thông s b r ng máng lún Có nhi u công th c đ xác đ nh giá

tr i trong đó ch y u là các công th c thu đ c t k t qu quan tr c hi n tr ng Theo đó, giá

tr i ph thu c vào kích th c (đ ng kính) CTN, đi u ki n đ a ch t và đ c bi t là đ sâu đ t CTN (H)

b Lún d c tr c CTN

Hi n nay, nh ng nghiên c u xung quanh vi c xác đ nh đ ng cong lún theo ph ng d c

tr c CTN còn r t h n ch Theo Attewell và Woodman [5], đ lún t i v trí m t g ng đào có

th l y g n b ng 1/2 đ l n cu i cùng (hình 5)

lún t i m t đi m d c tr c CTN có th đ c tính theo công th c:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

= ν

i

x F S ) x (

Trong đó:

∫

∞

−

− π

=

x

x

2 2

e 2 i

1 ) x

x: Kho ng cách t đi m tính lún đ n v trí m t g ng

ix: Thông s b r ng máng lún theo ph ng d c CTN, m t cách g n đúng, có th l y ix = i

v i i đã tính toán trên

vn

Hình 5 Hình d ng máng lún

2.2 Ph ng pháp s

V i s phát tri n m nh m c a công c máy tính, ph ng pháp s ngày càng chi m u th trong nh ng n m g n đây Rõ ràng vi c ng d ng ph ng pháp s trong vi c gi i quy t v n đ lún m t đ t gây ra b i quá trình đào h m là thích h p nh t Ph ng pháp s không ch đ c s

d ng đ d đoán lún b m t mà còn mô t toàn b quá trình thi t k h m, bao g m vi c mô

ph ng các giai đo n đào h m và đ t các đ t h m, s t ng tác gi a các đ t h m đã đ t v i đ t

đá xung quanh, nh h ng c a các công trình đ t g n đó, nh h ng c a hi n t ng th m và

hi n t ng c k t, v.v…

Mô hình ph ng pháp s tiêu bi u đ c s d ng trong phân tích đ a k thu t th ng bao

g m các h th ng nút, ph n t và đi u ki n biên Trong đó, các ph n t đ c s d ng đ mô hình hoá đ c tr ng hình h c và c h c c a kh i đ t đá c ng nh k t c u Các nút có vai trò xác

đ nh v trí và liên k t các ph n t còn đi u ki n biên s mô t l i đ c đi m liên k t c a mô hình

v i không gian còn l i xung quanh

Ph ng pháp ph n t h u h n là ph ng pháp s ph thông nh t trong vi c c tính lún b

m t do thi công h m Khi mô hình hoá và d báo phát tri n lún b m t b ng m t ph n m m đ a

k thu t chuyên d ng, c n có các s li u đ u vào nh : kích th c hình h c; tính ch t v t li u

c a h th ng ch ng đ , ph ng pháp thi công, đi u ki n đ a ch t,… Các k t qu đ u ra, ngoài

bi n d ng lún m t đ t, còn bao g m c n i l c trong v h m (l c d c và mô men u n dùng đ thi t k c t thép trong v h m), và các s đ phân b ng su t

M c đích phân tích s quy t đ nh vi c l a ch n ph n t , kích th c và m c đ ph c t p

c a mô hình Các ph n t h u h n nên đ c l a ch n sao cho có th mô hình hoá m t cách g n đúng nh t s làm vi c th c t c a đ t đá mà không quá ph c t p, v t quá kh n ng c a các công c tính toán thông th ng

Hi n nay, trên th gi i đang có r t nhi u ph n m m tính toán, phân tích đ a k thu t khác nhau nh GTS, Plaxis, v.v M i ph n m m đ u có nh ng đi m m nh, đi m y u khác nhau và,

do đó, đ c áp d ng thích h p cho nh ng l nh v c khác nhau

- Plaxis 3D Tunnel: là m t ph n m m trong h các ph n m m PLAXIS c a hãng PLAXIS (Hà Lan) ây là ph n m m đ a k thu t đ c phát tri n cho m c đích tính toán bi n d ng và n

đ nh d ng 3D các k t c u h m

vn

- midasGTS: midasGTS – Geotechnical & Tunnel Analysis System là m t h th ng ph n

m m tính toán đ a k thu t và h m đ c hai hãng ph n m m hàng đ u th gi i là MIDAS IT (Hàn Qu c) và ADINA (Hà Lan) h p tác phát tri n Theo công b c a nhà s n xu t, GTS có

kh n ng tính toán, phân tích h u h t các bài toán ph bi n trong l nh v c đ a k thu t d a trên

ph ng pháp ph n t h u h n v i các mô hình 2D và 3D

IV VÍ D ÁP D NG

Ví d sau trình bày k t qu áp d ng ph ng pháp t

1 Các s li u c a ví d

Trong ph n này, m t d án l p đ t h th ng c p n c ng m trong n i thành thành ph H Chí Minh b ng ph ng pháp kích đ y đ c s d ng làm ví d tính toán D án này đ c th c

hi n trong hai n m 2005 – 2006 do S tài nguyên và môi tr ng thành ph H Chí Minh ph i

h p cùng công ty NISHIMATSU

Trong ví d này, ch trích ra m t ph n c a h th ng đ nghiên c u lún b m t Các thông s

đ a ch t, đ c tr ng hình h c c a công trình c ng nh đ c đi m c a h th ng kích đ y đ c tóm

t t d i đây

a c đi m đ t đá

t trong khu v c thi công là đ t cát v i các thu c tính c b n sau:

- Tr ng l ng riêng g = 2,02T/m3

- Góc ma sát trong j = 280

- C ng đ l c dính c = 0

- M c n c ng m -2m

b i u ki n thi công

Chi u sâu đ t ng th c t H = 11,22m ÷ 9,69m Trong ví d này, chi u sâu đ t ng đ c

l y là H = 11m

ng kính ngoài c a khiên đào D = 2,6m

c c đi m c a h th ng kích đ y

- ng kính trong c a ng D = 2,2m

- B dày ng t = 0,2m

- ng kính ngoài c a ng D = 2,6m

2 Tính toán lún b m t theo công th c th c nghi m và bán th c nghi m

Trong ph n này, công th c kinh nghi m c a O'Reilly và New [1, 2] s đ c s d ng đ

c tính lún Giá tr lún b m t l n nh t theo ph ng th ng đ ng (xét trên m t c t ngang ng t i

vn

v trí tr ng tâm c a ng) là Smax = 3,8mm

3 Tính toán theo ph ng pháp s

a Xây d ng l i ph n t h u h n

Hình 5 và 6 mô t l i ph n t h u h n, bao g m ph n t v h m, ph n t đ t đá xung quanh h m, ph n t đ t đá trong h m tr c khi đào và ph n t mô t gi ng kích đ y và gi ng

nh n Các ph n t này có d ng tam giác ho c t giác T i v trí g n gi ng kích đ y, gi ng nh n

c ng nh v trí đ t h m, có s t p trung ng su t, các ph n t h u h n đ c chia nh h n so v i các ph n t đ t đá xa

Do các b c thi công kích đ y là gi ng nhau nên sau khi mô hình hoá đ c m t đ t h m,

s s d ng l nh “extrude” đ t o các đ t h m còn l i

Hình 6 L i ph n t trên mô hình 3D Hình 7 L i ph n t trên m t c t ngang

b Phân tích k t qu

-4.486E-4

4.131E-4

4.131E-4 -4.486E-4

Hình 8 Bi u đ chuy n v theo ph ng

th ng đ ng (lún) t i đ t 1

Hình 9 Phóng đ i đ quan sát hình d ng máng lún

M t s k t qu đ c tr ng khi phân tích quá trình xây d ng công trình ng m b ng ph ng pháp kích đ y theo ph ng pháp s : ph u lún có hình d ng c a đ ng cong phân ph i chu n

gi ng nh gi thi t đã đ c s d ng trong ph ng pháp gi i tích, giá tr chuy n v l n nh t xác

vn

đ nh đ c là Smax = 1,93. Hình 8 mô t giá tr chuy n v t i v trí ng đ t 1 tr c khi l p đ t ng hình 9 là hình phóng đ i đ quan sát hình d ng máng lún

Các hình 10 mô t chuy n v trên mô hình không gian c a công trình ng m sau khi đ c thi công xong Hình 11 mô t chuy n v th ng đ ng nhình theo ph ng d c h m sau khi công trình

ng m đ c thi công xong

Hình 10 Bi u đ chuy n v

trên mô hình không gian

4.722E-4

-8.067E-4 -1.943E-3

2.824E-4

Hình 11 Bi u đ chuy n v th ng đ ng (nhìn theo ph ng d c h m)

V SO SÁNH VÀ K T LU N

Các k t qu ban đ u trong tính lún b ng mô hình trên ph n m m GTS t ng đ i phù h p

v i k t qu thu đ c t các công th c th c nghi m c v hình d ng máng lún và giá tr lún l n

nh t (theo công th c th c nghi m, đ lún l n nh t tính đ c t i v trí tim ng, xét trên m t c t ngang là Smax = 3,8mm còn theo k t qu tính toán b ng ph n m m GTS, đ lún l n nh t sau khi

k t thúc quá trình thi công là Smax = 1,93mm)

Khi tính toán lún b m t nên s d ng k t h p c ph ng pháp gi i tích và ph ng pháp s Tuy nhiên, nh ng ph ng pháp trên đây m i là nh ng k t qu ban đ u C n ph i có các s li u

đo đ c t i hi n tr ng đ có th đánh giá đ c m c đ chính xác c a các ph ng pháp tính đã

đ c s d ng trên đây

Tài li u tham kh o

[1] Eric Leca, Animatuer, Barry New General Reporter, Settlement induced by tunnelling in soft ground,

ITA/AITES Report 2006

[2] Takahiro Aoyagi (1995) Representing Settlement for Soft Ground Tunneling, Master thesis

Massachusetts Institute of Technology

[3] Thomson James (1995) Pipe Jacking and Microtunnelling, Blackie Academic & Professional,

London

[4] W Broere (2001) Tunnel Face Stability & New CPT Applications, Hà Lan

[5] John Pickhaver Numerical Modelling of building response to tunnelling, Thesis at University of

Oxford

[6] GTS Analysis Reference

[7] Jean-Francois Serratrice & Jean Pierre Magnan Surface settlement analysis and prediction during

construction of the Toulon Underground Crossing’s nothern tunnel, Pháp

[8] F.X Borghi Soil conditioning for pipe- jacking and tunnelling, University of Cambridge

[9] ASCE (1999) Standard Construction Guidelines for Microtunnelling, American Society of Civil

Engineers, Public Ballot, Rev 8, July♦

vn