Phân tích công nghệ thi công hầm khoan tbm thuộc tuyến đường sắt đô thị số 1 thành phố hồ chí minh

Công nghệ khoan hầm bằng máy TBM Tunnel Boring Machine đã bắt đầu từ năm 1825 tại Anh và rất phổ biến tại các quốc gia phát triển như Đức, Nhật, Mỹ, Canada… Với những ưu điểm là giảm thi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

CHUYÊN SÂU: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG ĐÔ THỊ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh

TP HỒ CHÍ MINH - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân xuất phát từ yêu cầu phát sinh trong công việc để hình thành hướng nghiên cứu và áp dụng, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Các số liệu trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, tuân thủ đúng nguyên tắc và kết quả thu thập được trong quá trình nghiên cứu là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày….tháng….năm 2019

Tác giả

Lê Văn Lộc

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn của mình, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình và quý báu của các đồng nghiệp, cá nhân liên quan về lĩnh vực nghiên cứu

Lời đầu tiên tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo PGS

TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh bộ môn Công trình giao thông thành phố và Công trình thủy Trường Đại học Giao thông vận tải đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Công trình giao thông thành phố và Công trình thủy, Khoa Sau Đại học Trường Đại học Giao thông vận tải cơ sở 2 đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng chí lãnh đạo Ban quản lý đường sắt 1 TP.Hồ Chí Minh, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cung cấp số liệu, tài liệu giúp tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả xin cảm ơn sự động viên, giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của người thân, bạn bè và đồng nghiệp trong quá trình thu thập tài liệu để làm luận văn

Một lần nữa tác giả xin chân thành cảm ơn!

Tác giả

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÀO HẦM TRONG KHU VỰC ĐÔ THỊ 4

1.1 Đường hầm trong khu vực đô thị và những lợi ích, hiệu quả kinh tế, khó khăn gặp phải 4

1.1.1 Lợi ích của việc xây dựng công trình ngầm 4

1.1.2 Hiệu quả kinh tế của công trình ngầm 5

1.1.3 Những khó khăn cơ bản gặp phải khi xây dựng công trình ngầm trong đô thị 6

1.2 Sơ lược về lịch sử phát triển xây dựng công trình hầm và công trình ngầm 8

1.3 Các phương pháp cơ bản thi công hầm 12

1.3.1 Phương pháp mỏ (phương pháp khoan nổ) 12

1.3.2 Phương pháp đào hở (cut and cover) 13

1.3.3 Phương pháp thi công hầm dìm 15

1.3.4 Phương pháp khiên 16

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH BỀ MẶT KHİ SỬ DỤNG TBM 18

2.1 Các quan niệm chính về ảnh hưởng của lún trong khi thi công hầm khoan 18

2.2 Phân tích ổn định bề mặt hầm 21

2.3 Mô tả các yếu tố chính của 12 phương pháp phân tích để xác định áp

lực hỗ trợ ổn định bề mặt 25

2.3.1 Phương pháp Horn (1961) 25

2.3.2 Phương pháp Murayama (1966) 26

2.3.3 Phương pháp Broms và Bennermark (1967) 26

2.3.4 Phương pháp Atkinson and Potts (1977) 27

2.3.5 Phương pháp Davis Et el (1980) 28

2.3.6 Phương pháp Kruase (1987) 28

2.3.7 Phương pháp Mohkam (1984, 1985, 1989) 29

2.3.8 Phương pháp của Leca and Dormieux (1990) 30

2.3.9 Phương pháp Jancsecz và Steiner (1994) 30

2.3.10 Phương pháp Anagnostou và Kovari (1994 and 1996) 31

2.3.11 Phương pháp Broere (2001) 33

2.3.12 Phương pháp Caquot-Kerisel (1956) được tích hợp bởi Carranza-Torres (2004) 37

Chương 3: PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ THI CÔNG HẦM KHOAN TBM TUYẾN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ SỐ 1 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 40

3.1 Giới thiệu chung 40

3.1.1 Khái niệm chung về phương pháp TBM 45

3.1.2 Các loại TBM thường dùng thi công trong môi trường đô thị 49 3.2 Đặc điểm địa chất công trình – địa chất thủy văn 61

3.3 Chế tạo vỏ hầm TBM trong nhà máy 66

3.3.1 Vật liệu 68

3.3.2 Sơ đồ khối thực hiện 69

3.3.3 Công tác sản suất 69

3.4 Thi công hầm khoan 77

3.4.1 Thiết bị và máy móc 78

3.4.2 Công tác gia cố nền đất tại khu vực phóng và đón máy TBM 79 3.4.3 Phóng máy TBM và khoan bước đầu 80

3.4.4 Khoan TBM chính thức 82

3.5 So sánh công nghệ thi công hầm khoan bằng máy TBM và Hầm đào hở tại Tuyến đường sắt đô thị số 1 thành phố Hồ Chí Minh 90

Chương 4: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ THİ CÔNG HẦM KHOAN TBM TRONG ĐÔ THỊ 96

4.1 Các nhân tố phải xem xét kĩ khi thực hiện thi khi thi công hầm khoan TBM trong môi trường đô thị 96

4.2 Các đặc điểm xây dựng giao thông trong đô thị ở nước ta 103

4.3 Phạm vi áp dụng của các loại TBM 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108

1 Kết luận 108

2 Kiến nghị 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ

EPB Máy khoan hầm cân bằng áp lực

GPMB Giải phóng mặt bằng

MAUR Ban quản lý đường sắt đô thị TP.Hồ Chí Minh NATM New Austrian Tunneling Method

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số của các lớp đất 64

Bảng 3.2: Thông số của mực nước ngầm 65

Bảng 3.3: Đặc tính của thân máy khoan hầm EBP của JIM dùng cho tuyến 1 TP.HCM 60

Bảng 3.4: Đặc tính của kích dùng cho tuyến 1 TP.Hồ Chí Minh 60

Bảng 3.5: Sơ đồ tổ chức thực hiện 69

Bảng 3.6: Chi tiết thông số của vỏ hầm 78

Bảng 3.7: Chi tiết thiết bị cho việc khoan hầm 78

Bảng 3.8: Tính toán quản lý áp lực trong khi khoan 86

Bảng 3.9: Vị trí của khóa K 88

Bảng 3.10: Bảng so sánh hai phương pháp đào 92

Bảng 3.11: Bảng so sánh hai phương pháp đào tại tuyến đường sắt đô thị số 1 Thành phố Hồ Chí Minh 94

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Hầm ngầm qua eo biển Machnche giữa nước Anh và Pháp 9

Hình 1.2: Lối vào hầm Thủ Thiêm ở quận 2 11

Hình 1.3: Hầm Metro tuyến đường sắt đô thị số 1 TP Hồ Chí Minh 11

Hình 1.4: Thi công hầm Hải Vân 13

Hình 1.5: Sơ đồ thi công phương pháp đào hở 14

Hình 1.6: Thi công đào hở tại tuyến ĐS đô thị số 1 TP.HCM 14

Hình 1.7: Thi công hầm dìm Thủ Thiêm tại TP Hồ Chí Minh 16

Hình 1.8: Sơ đồ thi công bằng khiên 16

Hình 1.9: Thi công bằng khiên tại tuyến ĐS đô thị số 1 TP.HCM 17

Hình 2.1: Các yếu tố làm mất khối lượng bề mặt 21

Hình 2 2: Các lực trong phân tích ổn định vi mô 24

Hình 2.3: Mô hình ổn định hầm tự do của phương pháp Horn 25

Hình 2.4: Mô hình ổn định hầm của phương pháp Murayama 26

Hình 2.5: Mô hình ổn định hầm của phương pháp Broms và Bennemark 27

Hình 2.6: Mô hình ổn định hầm của phương pháp Atkinson và Potts 27

Hình 2.7: Các sơ đồ của Davis et al 28

Hình 2.8: Các sơ đồ không ổn định như giả định cho bề mặt của Krause 29

Hình 2.9: Cơ chế phá hủy của Mohkam et al 29

Hình 2.10: Mô hình ổn định bề mặt của Leca và Dormieux 30

Hình 2.11: Phương pháp của Jancsecz và Steiner Scheme 31

Hình 2 12: Mô hình ổn định bề mặt hầm của Anognostou và Kovari 32

Hình 2.13: Mô hình màng thấm (giải pháp cho khiên đào bằng dung dich) 33

Hình 2.14: Định nghĩa các ký hiệu cho mô hình nêm nhiều lớp của phương pháp Broere 34

Hình 2.15: Định nghĩa các lực tác dụng lên dải đất trong cột đất hình vòng cung theo lý thuyết Terzaghi 35

Hình 2.16: Các trường hợp điển hình của xâm nhập vữa 36

Hình 2.17: Sơ đồ cơ bản cho giải pháp Caquot – Kerisel (Carranza –

Tores, 2004) 38

Hình 2.18: Phương pháp giảm sức bền (Carranza – Tores, 2004) 39

Hình 2.19: Tính toán bán kính đường hầm hiệu chỉnh để phân tích ổn định

bề mặt (Carranza – Tores, 2004) 39

Hình 3.1: Phát triển mạng lưới đường sắt đô thị tại TP.HCM trong giai đoạn

2020 - 2030 43 Hình 3.2: Sơ họa tuyến đường sắt đô thị số 1 Bến Thành – Suối Tiên 45 Hình 3.3: Máy khiên đào sử dụng vữa bùn kiểu MS-E của JIM dùng cho tuyến 1 TP.Hồ Chí Minh 51 Hình 3.4: Sơ đồ cấu tạo tổ hợp khiên đào lò cơ giới hóa cân bằng áp lực

gương đào bằng dung dịch bentonit cao áp 52 Hình 3.5: Sơ đồ cấu tạo bên trong tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực gương đào bằng dung dịch bentonit cao áp (gối cân bằng thủy lực) của hãng HerrenKnecht LB Đức 53 Hình 3.6: Máy EPB 54 Hình 3.7: Sự biến đổi của vật liệu được đào trong một máy EPB 55 Hình 3.8: Sơ đồ cấu tạo tổ hợp khiên đào lò cơ giới hóa với khoang cân bằng

áp lực gương đào bằng đất 56 Hình 3.9: Sơ đồ cấu tạo bên ngoài tổ hợp khiên đào lò cơ giới hóa với khoang cân bằng áp lực gương đào bằng đất hãng Robin USA 57 Hình 3.10: Sơ đồ cấu tạo bên trong tổ hợp khiên đào lò cơ giới hóa với

khoang cân bằng áp lực gương đào bằng đất hãng Robin USA 57 Hình 3.11: Sơ đồ cấu tạo bên trong tổ hợp khiên đào lò cơ giới hóa với

khoang cân bằng áp lực gương đào bằng đất hãng HerrenKnecht LB Đức 58 Hình 3.12: Chi tiết máy khoan hầm EBP kiểu MS-E của JIM dùng cho tuyến

1 TP.Hồ Chí Minh 59

Hình 3.13: Bình đồ vị trí hố khoan 63

Hình 3.14: Các thông số của các tấm vỏ hầm cho tuyến 1 TP.Hồ Chí Minh 67 Hình 3.15: Gia công ván khuân 70

Hình 3.16: Gia công cốt thép 71

Hình 3.17: Vệ sinh khuân và lắp đặt phụ kiện 71

Hình 3.18: Cung cấp và độ bê tông 72

Hình 3.19: Bảo dưỡng ban đầu và hoàn thiện bề mặt 73

Hình 3.20: Biểu đồ bảo dưỡng bê tông 73

Hình 3.21: Cung cấp và độ bê tông 74

Hình 3.22: Cẩu ra khuân 74

Hình 3.23: Kiểm tra hoàn thiện sản phẩm 75

Hình 3.24: Bảo dưỡng sản phẩm trong bể ngâm 75

Hình 3.25: Tồn trữ tại bãi chứa 76

Hình 3.26: Sơn vỏ hầm tại nhà máy 76

Hình 3.27: Vận chuyển vỏ hầm đến công trường 77

Hình 3 28: Gia cố nền đất khu vực ga Ba Son 80

Hình 3.29: Công tác chuẩn bị cho phóng máy TBM 81

Hình 3.30: Trình tự lắp dựng ban đầu 82

Hình 3.31: Lịch trình làm việc 2 ca của máy TBM 83

Hình 3.32: Sơ họa về vị trí đặt của máy bơm bùn 84

Hình 3.33: Kiểm tra máy móc và thiết bị trong quá trình đào 85

Hình 3.34: Lắp vỏ hầm tại hiện trường 88

Hinh 4.1 Sự quá tải xung quanh mặt đất trong đô thị 96

Hinh 4.2 Những chướng ngại vật và sự ràng buộc về hướng tuyến trong đô thị 97

Hinh 4.3 Cơ chế sụp đổ bề mặt khi khoan TBM trong đô thị 98

Hinh 4.4 Sự không đồng nhất của các lớp đất đá trong quá trình thành tạo 99

Hinh 4.5 Mô hình dịch chuyển khối đất hình nêm của Horn và cơ chế hỗ trợ bề mặt 100

Hinh 4.6 Sự phá hủy bề mặt do tính thấm cao bất ngờ 101

Hinh 4.7 Tính toán chiều sâu đào hiệu quả 102

Hinh 4.8 Kiểu điển hình của phá hủy mặt đất 102

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển của khoa học, công nghệ, mạng lưới giao thông tại các đô thị cũng không ngừng phát triển theo Các kết cấu mới, công nghệ mới, hiện đại đã và đang được đưa vào trong các thiết kế cũng như thi công cho các tuyến đường trong đô thị đặc biệt là những tuyến đi ngầm trong lòng đất

Công nghệ khoan hầm bằng máy TBM (Tunnel Boring Machine) đã bắt đầu từ năm 1825 tại Anh và rất phổ biến tại các quốc gia phát triển như Đức, Nhật, Mỹ, Canada… Với những ưu điểm là giảm thiểu việc chiếm dụng mặt bằng thi công, thi công trực tiêp trên nền đất yếu, mực nước ngầm cao, ít ảnh hưởng tiêu cực đến các công trình lân cận và ô nhiễm môi trường, tiết kiệm thời gian thi công, độ an toàn cao

Tuy nhiên, tại Việt Nam thi công hầm bằng máy khoan TBM cho công trình giao thông đô thị được thực hiện đầu tiên tại dự án: Xây dựng tuyến đường sắt đô thị số 1 Thành phố Hồ Chí Minh (Bến Thành – Suối Tiên) với chiều dài là 781m từ ga Ba Son đến ga Nhà Hát Lớn gồm hai đường song song, kích thước 6,6m ở độ sâu 12-22m trong vòng 9 tháng (26-1 đến 31-10-2018)

Để có cái nhìn tổng quan cho các đồng nghiệp cũng như bản thân khi thi công những đoạn tuyến đi ngầm theo phương pháp đào bằng máy trong tương lai, rất cần thiết phải có phân tích và nhìn nhận lại công nghệ đã lựa chon, quá trình thi công và là nội dung chính được trình bày trong luận văn này

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Tóm tắt quá trình hình thành và phát triển cũng như một số dự án tiêu biểu đã được thực hiện bằng máy khoan hầm

Tổng kết lại quá trình thi công, giám sát thi công công trình ngầm trong giao thông đô thị bằng máy khoan TBM từ các công tác vật liệu đầu vào, các thí nghiệm kiểm tra ban đầu trước khi thi công đại trà vỏ hầm, gia cố cửa hầm, trong khi khoan hầm tại tuyến đường sắt đô thị số 1 TP.Hồ Chi Minh

Trong quá trình tổng kết có kết hợp đánh giá một số vấn đề liên quan đến thi công cũng như giám sát trong quá trình xây dựng tuyến đường sắt đô thị số

1 TP.Hồ Chí Minh Thông qua đó đưa ra một số kiến nghị cho quá trình lựa chọn công nghệ thi công cho các tuyến đường sắt đô thị tại Việt Nam trong tương lai

3 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu lịch sử hình thành, phát triển cũng như một số phương pháp khoan hầm đã thực hiện trên thế giới Các phương pháp ổn định bề mặt khi sử dụng EPB-TBM

Lý giải tại sao lại chọn công nghê thi công hầm khoan bằng máy TBM Phân tích ưu điểm của khoan hầm bằng công nghệ TBM

Đánh giá công nghệ thi công hầm khoan TBM thuộc tuyến đường sắt đô thị số 1 TP.Hồ Chí Minh qua đó đề xuất công nghệ thi công hầm khoan TBM trong đô thị

4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi của đề tài tập trung vào phân tích đánh giá công nghệ thi công hầm khoan TBM của tuyến đường sắt đô thị số 1 thành phố Hồ Chí Minh sau khi đã mô tả tổng quan về công nghệ đào hầm trong khu vực đô thị trên thế giới Qua những phân tích đánh giá tại một dự án cụ thể đã thực hiện, đề xuất công nghệ thi công hầm khoan TBM

5 Phương pháp nghiên cứu

Tổng hợp và phân tích đánh giá những khó khăn thách thức, cũng như cách tiếp cận đúng để khoan, đào bằng cơ giới trong khu vực đô thị

Tóm tắt lịch sử phát triển và những khó khăn trong tương lai Nguyên lý làm việc của máy khoan cân bằng áp lực đã được phát triển ở các nước để có cái nhìn tổng quan về máy khoan hầm

Tóm tắt phương pháp ổn đinh bề mặt trong quá trình khoan của các chuyên gia hàng đầu trên thế giới để lý giải tại sao lại chọn khoan hầm trong

dự án

Đánh giá công nghệ thi công của dự án xây dựng tuyến đường sắt giao thông đô thị số 1thành phố Hồ Chí Minh

6 Kết cấu của luận văn:

Ngoài phần Mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn bao gồm có

4 chương:

Chương 1 Tổng quan về công nghệ đào hầm trong khu vực đô thị

Chương 2: Các phương pháp ổn định bề mặt khi sử dụng EPB-TBM Chương 3: Phân tích công nghệ thı công hầm khoan TBM - Tuyến đường sắt đô số 1 thành phố Hồ Chí Mınh

Chương 4: Đề xuất công nghệ thi công hầm khoan TBM trong đô thị

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÀO HẦM TRONG KHU VỰC

ĐÔ THỊ 1.1 Đường hầm trong khu vực đô thị và những lợi ích, hiệu quả kinh tế, khó khăn gặp phải

Trong công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước, việc xây dựng hạ tầng kỹ thuật đóng vai trò rất quan trọng Trước hết phải hiện đại hóa các đô thị lớn

Hiện nay ở các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh thường xuyên bị ách tắc giao thông, ô nhiễm môi trường và úng ngập vào mùa mưa Đất đai ở đô thị lại rất đắt và rất quý

Tất cả những bất cập đó, đòi hỏi phải cấp bách giải quyết việc sử dụng không gian ngầm đô thị

Trong các đô thị hiện đại sẽ có nhiều nhà cao tầng (từ 12 tầng trở lên), đòi hỏi phải có các tầng hầm Để giải quyết ách tắc giao thông, cần phải làm nhiều đường ngầm vượt qua các nút giao lớn Để có bãi đỗ xe, mà xe ôtô ngày càng nhiều, phải xây dựng các gara ôtô ngầm nhiều tầng dưới mặt đất Ở thành phố Hồ Chí Minh dã có dự án đường bộ ngầm chui dưới sông Sài Gòn qua khu dô thị mới Thủ Thiêm và đã hoàn thành 781m hai đường hầm cho tuyến đường sắt Đô thị số 1 Hà Nội cũng đang chuẩn bị xây dựng đường tàu điện ngầm cho các tuyến đường sắt trong đô thị Trong tương lai không xa, chúng ta phải nghĩ dến việc xây dựng các tổ hợp công trình ngầm ở các thành phố lớn Đó là chưa kể đến các công trình ngầm quốc phòng, an ninh

1.1.1 Lợi ích của việc xây dựng công trình ngầm

Xây dựng công trình ngầm trong đô thị cần tiến hành một cách tổng thể

và có quy hoạch, sao cho chúng cùng với các công trình trên mặt đất tạo nên một hệ thống không gian thống nhất Trước tiên không gian ngầm phải chiếm các vùng trung tâm đô thị, nơi khan hiếm đất, nơi có mật độ giao thông lớn, đồng thời phải chú ý đến điều kiện địa chất và điều kiện thi công phù hợp

Sử dụng tổng thể không gian ngầm hạn chế được nhu cầu tăng diện tích của các đô thị lớn và cho phép giải quyết được nhiều vấn đề quan trọng về xây dựng đô thị, giao thông vận tải, các bài toán kỹ thuật và xã hội

Khi sử dụng hiệu quả không gian ngầm, cho phép:

-Tăng cường cấu trúc quy hoạch, kiến trúc đô thị;

-Giải phóng nhiều công trình có tính chất phụ trợ khỏi mặt đất;

- Sử dụng đất đô thị hợp lý cho việc xây dựng nhà ở, tạo ra công viên, bồn hoa, sân vận động, khu vực cây xanh;

- Tăng cường vệ sinh môi trường đô thị;

- Bảo vệ các tượng đài và kiến trúc nổi tiếng;

- Bố trí hiệu quả các cụm thiết bị kỹ thuật;

- Giải quyết vấn đề giao thông;

Trong trường hợp cần thiết, có thể sử dụng công trình ngầm cho mục đích quốc phòng

1.1.2 Hiệu quả kinh tế của công trình ngầm

Xây dựng công trình ngầm gắn liền với chi phí đầu tư lớn Tùy thuộc vào dạng công trình ngầm cũng như điều kiện địa kỹ thuật và tính chất đô thị, giá thành xây dựng công trình ngầm có thể cao hơn từ 1,5 – 2,0 lần giá công trình tương tự trên mặt đất Khoảng cách về giá có thể giảm rất nhiều khi mật

độ xây dựng ở đô thị cao, cường độ đi lại của các phương tiện giao thông lớn

và lượng người đi bộ nhiều Khi giá thành trên mặt đất tăng nhanh cho xây dựng công trình do: phải dịch chuyển nhà, giải phóng mặt bằng, trang thiết bị sữa chữa lại các tuyến giao thông và đường đi bộ… thì chênh lệch giá không còn lớn nữa Giá thành xây dựng công trình ngầm còn giảm nữa khi ta bố trí chúng trong tổ hợp chung với các công trình trên mặt đất, khi điều kiện địa kỹ thuật thuận lợi cho phép sử dụng các kết cấu công nghiệp tiến tiến, các phương pháp xây dựng nhanh và kinh tế, cũng như khi khối lượng sửa chữa mạng kỹ thuật ngầm nhỏ Ngoài ra, khoảng cách giá thành xây dựng công trình nổi và công trình ngầm được giảm nhiều nhờ lợi thế về xã hội và đô thị

trong việc bố trí ngầm Như vậy trong các tính toán hiệu quả khai thác không gian ngầm, cần đánh giá không những hiệu quả kinh tế xã hội (tăng cường điều kiện sống cho người lao động, trong sạch môi trường đô thị, …) mà cả đánh giá về hiệu quả kinh tế của quỹ đất dùng để xây dựng công trình ngầm Theo kinh nghiệm của nga, việc sử dụng không gian ngầm ở Matxcơva

đã giải phóng được hơn 5,0 hecta đất đô thị, mà đất ở trung tâm thành phố là

vô cũng đắt Như vậy đã tiết kiệm được bao nhiều tiền Mặt khác, hiệu quả từ giải phóng đất đai đô thị liên quan đến xây dựng công trình ngầm cũng là vấn

đề đáng quan tâm Ví dụ, khi xây 1km đường ôtô nổi 6 làn xe, phải cần 4,5 – 7,0 hecta đất, còn để xây dựng công trình ngầm như vậy chỉ mất có 0,1 hecta Như vậy, đầu tư ban đầu cho công trình ngầm thì lớn, nhưng hiệu quả lâu dài còn lớn hơn rất nhiều Tuy vậy ta vẫn phải tính toán, cân nhắc để đầu

tư cho đúng, cho hiệu quả trong hiện tại và tương lai

1.1.3 Những khó khăn cơ bản gặp phải khi xây dựng công trình ngầm trong đô thị

Trong xây dựng, cải tạo và phát triển đô thị, đặc biệt đối với các đô thị lớn luôn luôn phải có sự kết hợp chặt chẽ và hữu cơ giữa các công trình trên mặt đất và công trình được xây dựng dưới mặt đất Việc sử dụng không gian ngầm để xây dựng các công trình ngầm có nhiều lợi thế nhưng cũng không ít thách thức cần phải được cân nhắc khi lựa chọn:

- Công tác GPMB là nhiệm vụ cực kỳ nan giải hiện nay, nhiều công trình trong tình trạng không biết bao giờ xong bởi vì vướng mặt bằng GPMB khó khăn kéo theo nhiều hậu quả như việc tăng giá thành công trình, trượt giá, làm khó tiến độ dự án, kéo dài thời gian đưa công trình vào hoạt động…

- Điều kiện thi công chật hẹp, nhiều công trình đường dây, đường ống ngầm hiện có đan xen chằng chịt dưới lòng đất gây rất nhiều khó khăn cho công tác cải tạo, đại tu và xây dựng mới Chỉ đến khi thi công đào đâu đụng

đó mới biết… điều này gây thiệt hại lớn về thời gian, kinh phí và ảnh hưởng đến hoạt động và đời sống của nhân dân

- Thi công công trình mới song vẫn phải đảm bảo hoạt động bình thường của các công trình hiện hữu Thi công xây dựng công trình ngầm gây các ảnh hưởng rất lớn đến công trình xung quanh trong một phạm vi nhất định (theo diện và theo chiều sâu) kể cả các công trình trên mặt đất đến vị trí phân bố công trình ngầm

- Thi công công trình ngầm phải đối mặt với những thách thức về môi trường địa chất phức tạp với các tầng đất đá có mức độ phong hóa và cấu trúc khác nhau… chứa đựng nhiều rủi ro về cấu tạo địa tầng, động đất, kasto, cát chảy, nước ngầm

- Đầu tư ban đầu lớn, khả năng thu hồi vốn lâu dài, độ rủi ro cao trong quá trình xây dựng, thường bị chậm tiến độ, phần lớn tăng chi phí đầu tư so với dự kiến ban đầu;

- Khi tiến hành đào hầm thì đất đã bị thay đổi vĩnh viễn Việc dỡ bỏ các công trình ngầm không dễ dàng như đối với các công trình trên mặt đất;

- Các vấn đề an toàn sinh mạng cho con người như thông hơi, chiếu sáng, chống ngập, thoát nước, cấp nước, phòng chống cháy nổ, khí độc…

- Những tác động tới môi trường trong quá trình xây dựng, khai thác, vận hành và những sự cố công trình hay sự cố môi trường có thể xảy ra là những thách thức không nhỏ;

- Đòi hỏi tính kỹ thuật, công nghệ, trình độ và năng lực chuyên nghiệp cao;

- Đòi hỏi một hệ thống các quy chuẩn, tiêu chuẩn có liên quan đến các quy hoạch, quản lý xây dựng, thi công xây dựng, nghiệm thu và bảo trì công trình ngầm trong đô thị và các quy định cụ thể về quản lý, vận hành, khai thác

và sử dụng công trình ngầm

- Liên quan đến quản lý xây dựng công trình ngầm: Chưa có một hệ thống những số liệu điều tra cơ bản về địa chất công trình, địa chất thủy văn… phục vụ cho công tác xây dựng công trình ngầm tại các đô thị Chưa có bản đồ hiện trạng công trình ngầm Chưa có các cơ sở dữ liệu về công trình

ngầm đô thị Chưa có quy hoạch không gian xây dựng công trình ngầm Năng lực nghiên cứu, khảo sát, thiết kế còn hạn chế và còn thiếu những tiêu chuẩn, quy chuẩn có liên quan đến xây dựng công trình ngầm… Chưa có cơ quan thống nhất quản lý công trình ngầm

Kinh nghiệm và bài học trong xây dựng ở các đô thị lớn trên thế giới đều hướng tới việc tìm cách khai thác triệt để không gian ngầm với nhiều mục đích khác nhau Tuy nhiên do điều kiện kinh tế, công nghiệp, kinh nghiệm đặc biệt ở Việt Nam, hầu hết các đô thị cũ đang trong quá trình cải tạo, công tác quản lý còn nhiều yếu kém, việc lựa chọn công trình nào để xây dựng ngầm và xây dựng ở đâu, quy mô ra sao phải được cân nhắc và thận trọng

1.2 Sơ lược về lịch sử phát triển xây dựng công trình hầm và công trình ngầm [1,4]

Thời thượng cổ con người đã biết đào các hầm ngầm đặc biệt để khai thác quặng mỏ và than đá Người La Mã đã xây dựng các đường hầm thủy lợi đến nay vẫn còn tốt.Tác phẩm đầu tiên viết về các đường hầm là cuốn Đe ra métallica do một nguời Đức Gteorg Bawer (tiếng Latin là Georg Agricola) viết và xuất ban vào năm 1556 Công trình ngầm hiiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas, dài 155 m được xây dựng từ năm 1676 đến năm 1681 cho kênh đào Midi ớ miền Nam nước Pháp

Đến thế kỉ thứ XIX, đặc biệt vào thế kỉ XX, do yêu cầu mà giao thông đường bộ, đường thủy, đường sắt và giao thông thành phố mới phát triển mạnh mẽ nhất là giao thông hầm đường bộ, đường sát, đường thủy và hầm cho tàu điện ngầm

Đã xuất hiên hầm đường bộ Simplon qua dãy núi Alpes - Penins nằm giữa Values (Thụy Sĩ) và Piemonte (Y) dài 19,73m ở độ cao 2,01m Đó là đường hầm trên núi cao được xây dựng sớm nhất và dài nhất trên thế giới vào thời đó

Vào thế kỉ XX ở các thu đô lớn trên thế giới đã xây dụng mạng lưới tàu điện ngầm đô thị hiện đại đặc biệt ở Mạc Tư Khoa

Ở Trung Quốc, sau ngày giải phóng 1949 đến năm 2016 đã xây dựng được 3,586 km hầm đường sắt của 30 tuyến trong đô thị, dài vào loại nhất thế giới

Năm 1995 Trung Quốc đã xây dựng hầm đuờng bộ Tần Lĩnh dài 19.45km đã tạo một bước đột phá mới về kĩ thuật xây dựng ở trong nước Vào cuối thế kỉ XX kĩ thuật xày dựng hầm ngầm qua sông, qua eo biên đạt bưóc phát triển mới đã có nhiều phương pháp thi công hữu hiệu Năm

1984, Nhật Bản đã xây dựng đường hầm Thanh Hàm xuyên qua eo biển Tân Hải Hiệp dài 53,85 km Năm 1991 nước Anh và nước Pháp hợp tác xây dựng đường hầm xuyên qua eo biên Manche nối liền nước Anh và nước Pháp dài 50km (trong đó có 37,5km nằm sâu cách mặt nước biên khoang 100m)

Hình 1.1: Hầm ngầm qua eo biển Machnche giữa nước Anh và Pháp

Trước Cách mạng Tháng Tám 1945 ở Việt Nam năm 1930 có xây dựng hầm giao thông thủy Rú Cóc (ở xã Nam Sơn, huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An), hầm ngầm xuyên qua núi giúp cho thuyền bè đi lại lừ phía thượng lưu xuống

hạ lưu sông Lam để tránh đi qua đập nước Đô Lương Ngành đường sắt có vài hầm ngầm ở miền Trung mà điển hình là hầm Phước Tượng trên dèo Hai Vân thuộc địa phận tỉnh Thừa Thiên Huế

Trong chiến tranh chống Pháp, chống Mỹ hầm được xây dựng nhiều song chủ yếu là hầm ngắn nằm trong núi phục vụ quốc phòng làm kho tàng hay công sự

Ở tỉnh Quảng Ninh hầm lò được xây dựng khá nhiều chủ yếu phục vụ khai thác than

Sau ngày thống nhất đất nước năm 1975, ta mở đầu xây dựng hầm Dốc Xây trên quổc lộ 1A ở phía nam tỉnh Ninh Bình dài khoảng 100m Trong công cuộc xây dựng đất nước hiện đại quy mô hiện nay, nước ta đã xây dựrg hầm đường bộ qua đèo Hải Vàn dài trên 6 km Khi xây dựng xong đã rút ngắn thời gian qua đèo từ một giờ xuống khoảng 15 phút, giao thòng Nam Bắc sẽ rất nhanh chóng và an toàn tiện lợi Tháng 5-2002 ta đã khánh thành hầm Aroàng I trên đường Hồ Chí Minh dài 453m và tiếp tục xây dựng hầm Aroàng II

Chiều ngày 20 tháng 11 năm 2011, lễ thông xe hầm Thủ Thiêm được tổ chức Sáng ngày 21 tháng 11, hầm Thủ Thiêm chính thức được thông xe sau gần 7 năm thi công (2004 ~2011), kết nối hai bờ sông và giảm tải cho cầu Sài Gòn, đồng thời làm động lực cho sự phát triển của thành phố Công trình được đánh giá là hầm vượt hiện đại nhất Đông Nam Á

Hầm được thiết kế gồm 6 làn xe (2 x 3 x 3,5m), từ cầu Calmette chìm xuống đáy sông Sài Gòn và nối với phía Thủ Thiêm tại đầu đường T13 với tổng chiều dài 1.490 m Trong đó, lối vào hầm hai phía có dạng chữ U với tổng chiều dài 400 m; phần nhánh và miệng hầm hai phía dài 720 m; và phần hầm dìm dài 370 m Phần hầm dìm được chia thành 4 đốt và được đúc riêng ở nơi khác, mỗi đốt nặng 27000 tấn Độ dốc hầm tối đa là 4%, đốt hầm làm bằng bê tông cốt thép Hầm nằm dười đáy sông cách mặt nước 24 m, mặt cắt ngang rộng 33,3 m cao 8,9m bề dày đáy và nắp 1,5 m, bề dày vách hai bên 1m Tốc độ xe lưu thông trong hầm đạt 60 km/giờ Hầm có thể chịu được động đất 6 độ Richter và có tuổi thọ 100 năm

Hình 1.2: Lối vào hầm Thủ Thiêm ở quận 2

Từ ngày 26-1 đến 31-10-2018 tại tuyến đường sắt đô thị số 1 thành phố

Hồ Chí Minh đã đào và hoàn thành đường hầm với chiều dài là 781m từ ga

Ba Son đến ga Nhà Hát Lớn gồm hai đường song song, kích thước 6,6m ở độ sâu 12-22m

Hình 1.3: Hầm Metro tuyến đường sắt đô thị số 1 TP Hồ Chí Minh

Trong tương lai không xa hầm và công trình ngầm ở dất nước ta sẽ có bước phát triển mới rất to lớn khi các tuyến đường giao thông phải đi vào các vùng đồi núi hiếm trớ hoạc vùng đô thị lớn

1.3 Các phương pháp cơ bản thi công hầm

Thi công đường hầm là thuật ngữ gọi chung phương pháp thi công xây dựng, kĩ thuật thi công và quản lý thi công các đường hầm và công trình ngầm

Lựa chọn phương pháp thi công chủ yếu phải dựa vào điều kiện địa chất

và địa chất thủy văn, kết hợp với mặt cắt đường hầm, kiểu vỏ, công năng sử dụng và trình độ kỹ thuật thi công… cùng một số nhân tố khác nghiên cứu cân nhắc, tổng hợp lại để quyết định

Dựa vào tình hình tầng đất mà đường hầm xuyên qua và sự phát triển phương pháp thi công hầm hiện nay, phương pháp thi công hầm có thể được phân ra:

1.3.1 Phương pháp mỏ (phương pháp khoan nổ)

Phương pháp mỏ truyền thống và phương pháp Áo mới Đây là phương pháp thi công đường hầm tại những nơi có điều kiện địa chất là đá

Phương pháp mỏ truyền thống là phương pháp phát triển lên trong thực tiễn thi công lâu dài của con người Phương pháp này dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chống tạm thời, đợi cho đến khi đường hầm hình thành xong, dần dần đem hệ che chắn tạm thời bằng vỏ xây toàn khối có tính vĩnh cửu Phương pháp thi công đường hầm mới của Áo (New Austrian Tunneling Method - NATM) Năm 1948, các nguyên lý của NATM đã được công bố do nhà bác học người Áo L.V.Rabcewicz đề xuất, nội dung là: với một che chống dẻo ban đầu sẽ đạt được một cân bằng mới Việc ấy được kiểm soát bằng các đo đạc tại chỗ Sau khi đã đạt được sự cân bằng mới thì một vòm bên trong sẽ được xây dựng

Vào những năm 1960, NATM, phương pháp làm hầm mới của Châu Âu

đã được các kỹ sư hầm của Trung Quốc tiếp nhận và áp dụng NATM đã trở thành một đề tài phổ biến trong việc xây dựng công trình ngầm ở Trung Quốc

Hầm đường sắt Seikan (Nhật Bản) là hầm dài nhất thế giới hoàn thành

năm 1988, tổng chiều dài 53,8km, trong đó có 23,3km nằm cách dưới đáy biển 100m đã ứng dụng công nghệ này

Tại Việt Nam, hầm đường bộ đèo Hải Vân khẩu độ 12,85m cao 11m dài hơn 6,7km khánh thành vào ngày 02-06-2005 là một trong những dự án giao thông quan trọng áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến – Công nghệ NATM – lần đầu tiên được thực hiện tại Việt Nam Sau khi hoàn thành đường hầm, không những tuyến QL1A được thông thương thuận lợi từ Bắc vào Nam, mà còn là công trình góp phần quan trọng vào phát triển kinh tế miền Trung nói riêng, cả nước nói chung Rút ngắn chiều dài vận chuyển trên đường đèo nguy hiểm từ 22 km xuống còn 12km, giảm ách tắc, tai nạn giao thông…

Hình 1.4: Thi công hầm Hải Vân

1.3.2 Phương pháp đào hở (cut and cover)

Theo phương pháp này các công trình ngầm được hoàn công theo trình

tự sau: đầu tiên từ mặt đất tiến hành đào các hào hay hố thi công, tiếp đó tiến hành lắp dựng kết cấu của công trình ngầm trên hào, hố đào và sau cùng lấp lại bằng vật liệu lấp phủ

Hình 1.5: Sơ đồ thi công phương pháp đào hở

Tuỳ thuộc vào đặc điếm cơ học, địa chất của khối đất, thành hào có thế nghiêng hoặc thang đứng và có thế cần hoặc không cần phải chống giữ Tùy theo điều kiện địa chất, địa hình và kích thước công trình, kết cấu chống giữ thành hào được sử dụng có thế là tường cọc-ván ép, tường cọc cừ (tường cừ), tường cọc khoan (tường cọc khoan nhồi) hoặc tường hào (tường hào nhồi) bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép Các tường bảo vệ đó có thế được gia cố thêm bằng neo, khoan phun ép (khoan phụt), kích chống, văng, giằng Cọc

cừ có thế được tháo rút ra đế sử dụng tiếp Còn trong trường hợp sử dụng tường cọc khoan nhồi hay tường hào nhồi, kết cấu phía đáy của công trình ngầm thường liên kết với tường tạo thành một bộ phận của kết cấu công trình ngầm (đặc biệt khi gặp nước ngầm) Phương thức này thường được gọi là phương thức tường - nền (sau này trong lĩnh vực xây dựng dân dụng ở một số nước phát triển tiếp phương thức này trong xây dựng các tầng hầm nhà cao tầng và lấy tên là phương pháp bottom-up hay thi công từ dưới lên)

Hình 1.6: Thi công đào hở tại tuyến ĐS đô thị số 1 TP.HCM

1.3.3 Phương pháp thi công hầm dìm

Công nghệ thi công hầm dìm là biện pháp thi công hầm dưới nước (như hầm qua sông, qua biển ) Phần thân hầm đươc đúc sẵn trên cạn thành từng phân đoạn, các đoạn này được làm cho nổi lên, được kéo dắt ra rồi dìm xuống

vị trí đã định

Công nghệ hầm dìm được trình bày ngắn gọn như sau:

Nạo vét dưới đáy sông ( kênh, biển .) thành đường hào tại vị trí đặt hầm Các đốt hầm được thi công trên cạn, chẳng hạn như trong một bể đúc, một bãi đúc, trên một bệ có thể nâng hạ được Hai đầu của các đốt hầm được khép kín tạm bằng vách ngăn (tạo thành hộp kín, giúp chúng có thể nổi trong nước).Lần lượt mỗi đốt hầm được vận chuyển ra vị trí hầm, thông thường bằng lực nổi (nước được bơm vào bể đúc), đôi khi bằng xà lan hay có trợ giúp của cần cẩu.Các đốt hầm được hạ xuống tới vị trí cuối cùng trên đáy của đường hào đã đào sẵn Đốt mới được xếp áp vào đốt trước đó ở vị trí dưới nước, sau

đó nước được bơm ra khỏi khoang trống giữa các vách ngăn Áp lực nước trên mặt ngoài vách ngăn của đốt mới ép lên cao su gắn giữa 2 đốt, khép kín mối nối Vật liệu đắp được đắp 2 bên và trên hầm và lấp kín đường hào, chôn cố định đường hầm Phần hầm dẫn có thể được thi công trên bờ trước, sau hoặc đồng thời với đoạn hầm dìm sao cho phù hợp với từng hoàn cảnh

So sánh với công nghệ hầm khoan, hầm dìm an toàn hơn, thường có tổng

độ dài hầm nhỏ hơn và cho phép tiến trình thi công có thể dự đoán được và thông dụng hơn Thông thường hầm dìm là phương án khả thi chỉ khi mà phương án xây cầu không được chọn lựa và sự thông thuyền không thể bị gián đoạn do xây đập chắn dòng phục vụ cho thi công hầm trong điều kiện khô Công nghệ hầm dìm đã được sử dụng rộng rãi trong khoảng 100 năm nay Hơn 150 công trình hầm đã được xây dựng trên khắp thế giới, khoảng

100 hầm cho các hệ thống đường bộ hoặc đường sắt, còn lại là hầm cấp nước, hầm cáp điện

Hình 1.7: Thi công hầm dìm Thủ Thiêm tại TP Hồ Chí Minh (nguồn Internet)

1.3.4 Phương pháp khiên

Thi công bằng khiên (Shield Method) là phương pháp thi công cơ giới dùng khiên đào đường hầm ngầm dưới mặt đất thích ứng với đường hầm thi công trong đất mềm yếu Phương pháp khiên đào là phương pháp sử dụng kết cấu chống đỡ sử dụng trong việc đào hầm qua đất rất yếu hoặc lỏng để giữ ổn định trong suốt thời gian đào tuyến hầm với kết cấu chống đỡ bằng bê tông hoặc thép Khiên đào là một kết cấu chống đỡ tạm thời trong khi đào hầm

Hình 1.8: Sơ đồ thi công bằng khiên

Xây dựng đường hầm dài trong vùng đất mềm yếu ngậm nước, hoặc ở dưới sâu luôn luôn có tính ưu việt về mặt kỹ thuật và kinh tế, vì thế phương pháp thi công bằng khiên thích họp nhất là xây dựng đường hầm trong địa tầng rời rạc, mềm yếu và có nước, xây dựng đường hầm dưới đáy sông, trong thành phố (xây dựng metro) và các loại công trình

Kĩ thuật thi công đường hầm chủ yếu nghiên cứu giải quyết các phương

án và biện pháp kĩ thuật cần thiết cho các loại phương pháp thi công đường hầm nói trên (như phương án và biện pháp thi công đào, tiến sâu, che chắn, xây vỏ); biện pháp thi công khi đường hầm đi qua các vùng địa chất đặc biệt (như đất trương nở, hang động castơ, đất sụt, cát chảy, tầng đất có khí mêtan…); phương pháp và các phương thức thông gió, chống bụi, phòng khí độc, chiếu sáng, cung cấp điện nước và các phương pháp đo đạc, giám sát, khống chế đối với các thay đổi giới chất của hầm

Hình 1.9: Thi công bằng khiên tại tuyến ĐS đô thị số 1 TP.HCM

Chương 2:

CÁC PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH BỀ MẶT KHİ SỬ DỤNG TBM 2.1 Các quan niệm chính về ảnh hưởng của lún trong khi thi công hầm khoan

Chuyển vị của nền đất là hệ quả tất yếu trong khi thực hiên công tác đào

và thi công hầm khoan Đào hầm gây ra mất ứng suất tại vị trí đào, nó chỉ được bù lại khi lắp đặt các vỏ hầm Đặc biệt, những chuyển dịch này biểu hiện rõ nhất thành sự biến dạng lún mặt đất

Thể tích đào đất phụ thêm lớn hơn so với thể tích khoảng trống cần thiết

để cho hầm chiếm chổ được gọi là "hao hụt thể tích nền đất" hay "mất mát đất" Nó thường được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm của diện tích thiết diện đào hầm (VL) Một phần của lượng mất mát về đất xung quanh hang hầm này

sẽ phát triển lên đến bề mặt, gây ra máng lún (thể tích máng lún trên đơn vị chiều dài theo hướng trục hầm gọi là VS)

Lượng mất mát thể tích đất quanh hang hầm VL sẽ gần tương đương với thể tích thực của máng lún trên bề mặt VS trong đa số điều kiện địa chất Nếu đáp ứng biến đổi của đất trong quá trình đào là theo một thể tích không đổi (ví

dụ, điều kiện không thoát nước), thì mối quan hệ nói trên sẽ là chính xác Giả thuyết này sẽ được nghiệm đúng đặc biệt khi nền đất là có tính sét và lớp đất phủ trên nóc hầm là mỏng Nếu không, mối quan hệ giữa chuyển dịch đất tại nóc hầm (Unóc) và độ lún tại bề mặt phía trên tim hầm (Smax) có thể sẽ khác đi

Độ lớn của hao hụt thể tích đất nền VL phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau:

Trước khi có thể dự báo được độ lớn của biến dạng đất, thì cần phải ước lượng giá trị hao hụt thể tích đất dự kiến Ước lượng này sẽ được dựa trên các trường hợp thi công thực tế (số liệu của các công trình đã biết), và phải có một đánh giá phân tích về kỹ thuật có tính đến phương pháp thi công hầm đề xuất và các điều kiện hiện trường Có hai phương pháp tính toán lún mặt đất: + Phương pháp bán kinh nghiệm đã được chứng minh tốt qua ứng dụng thực tế, dựa trên các công thức kinh nghiệm được rút ra từ các kết quả quan trắc tại các công trình cũ

+ Phương pháp số, mà chủ yếu là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM),

là phương pháp khá phổ biến hiện nay

2 Lún do biến dạng của vỏ hầm Thành phần này thường liên quan đến những hầm có đường kính lớn và đặt nông Tuy nhiên, nó đóng vai trò không đáng kể trong việc đào hầm cơ giới trong đô thị, nơi mà tải trọng được dự đoán tốt và biến dạng quá mức cho phép dễ dàng tránh được bằng cách thiết

kế vỏ hầm phù hợp

3 Lún kéo dài, do tiền cố kết (thường xảy ra tron sự kết dính, hoạc nén đất trong quá trình phân tán áp lực nước lỗ rỗng quá mức) và cố kết thứ cấp (một dạng trượt đất chủ yếu được kiểm soát bằng khung của đất nén có thể cong và nén) Trong khi đào hầm, mặt đất không được hỗ trợ hoạc được hỗ trợ một phần xung quanh đường hầm di truyển vào trong khi giảm ứng suất xảy ra Vì vậy, sẽ luôn cần loại bỏ một lượng đất lớn hơn khối lượng lý thuyết

của khoảng trống cần hoàn thành Khối lượng đào tăng thêm này được hiểu như là tổn thất khối lượng hoạc mất đất và nó được thể hiện về trước khoảng cách đơn vị đào gây ra sự giảm (tức là m3 trên mỗi m trước) Độ lớn của sự dịch chuyển gây ra mất thể tích là một hàm của loại đất, tốc độ ban đầu, đường kính hầm, phương pháp đào, hình dạng và độ cứng của hệ chống tạm

và chống giai đoạn đầu

Trong trường hợp cụ thể của đường hầm cơ giới hóa, các yếu tố riêng lẻ góp phần làm mât khối lượng là:

1 Sự giảm áp tại bề mặt hầm Các lưỡi cắt đất của khiên đào di chuyển vật liệu từ bề mặt hầm; trong quá trình liên tục này, phần đất nhô ra khỏi bề mặt của vùng ảnh hưởng phía trước và xung quanh của bề mặt hầm Điều này dẫn đến sự mất đất ở bề mặt tăng lên (hình a)

2 Việc lưỡi cắt đất của hố đào được thiết kế lớn hơn một ít của khiên đào để cho khiên đào tiến lên một cách dễ dàng Ít nhất hai yếu tố dân đến đào hơn so với khiên đào ở bề mặt khiên Thứ nhất, các đầu cắt được làm đường kính lớn hơn một chút để giảm khả năng khiên đào bị kẹt Điều này đạt được bằng cách hàn một dải thép hoạc đơn giản bằng cách hàn các hạt bi bên ngoài của xi lanh khiên Thứ hai, việc đào lớn hơn ở bề mặt là kết quả của việc điều khiển khiên đi xung quanh các đường cong hoạc chỉ để điều khiển dọc tuyến Sau khi đi qua bề mặt các hạt cắt đất, đất có cơ hội di truyển vào bên trong rất nhanh (hình b) Phụ thuộc vảo tốc độ biến dạng của đất so với tốc độ tiến lên của của máy, chu vi đào được hoàn toàn khít với khiên đào

3 Vỏ hầm, nó có đường kính nhỏ hơn khiên đào, được lắp dựng trong khiên đào và khoảng trống vành khuyên giữa lớp vỏ và khiên được bơm vữa lấp đầy ngay lập tực khi khiên đào tiến về phía trước Do đó, có thêm cơ hội cho đất tập trung nhanh trên vỏ hầm cho đến khi vữa đã lấp đầy khoảng trống

và cứng lại đủ để chống lại áp lực đất, hoạc không xảy ra khi quá trình bơm vữa không hợp lý (hình c)

Tổng của hai chuyển vị hướng tâm (hình d) được gọi là tổn thất xuyên tâm Tổng của tổn thất bề mặt và tổn thất xuyên tâm dẫn đến từ việc đào hầm

Cả hai tổn thất trên được kiểm soát một cách thích hợp trong quá trình vận hành máy TBM Thực tế, thi công hầm cơ giới việc tổn thất bề mặt rất hạn chế nếu điều chỉnh áp lực bề mặt hầm hợp lý và tổn thất hướng tâm dễ dàng kiểm soát được bằng cách bơm một lượng vữa phù hợp ở áp suất phù hợp, với thiết kế hỗn hợp vữa phù hợp và thông qua các ống bơm được duy trì thường xuyên để tránh tắc

Tuy nhiên, việc tạo áp lực chính xác cho mặt đường hầm để ngăn ngừa tổn hao bề mặt cũng đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế phá hủy tiềm tàng của nền đất với, để xác định phạm vi phân phối áp suất vận hành phù hợp nhất được áp dụng ở bề mặt hầm phại dựa vào điều kiện địa chất, chiều cao mực nước ngầm và độ sâu của đường hầm

Hình 2.1: Các loại mất mát thể tích khi thi công bằng máy TBM

2.2 Phân tích ổn định bề mặt hầm

Một trong những mục tiêu chính của quy trình khoan hầm là hỗ trợ đầy

đủ cho đất và giảm thiểu biến dạng trong và sau khi xây dựng Điều này đắc biệt hơn khi xảy ra trong môi trường đô thị, nơi ảnh hưởng dự cố sập hầm

hoạc biến dạng vượt quá có thể là thảm họa, và thậm chí những biến dạng vượt quá bị hạn chế có thể làm hỏng các tòa nhà Để ngăn chặn điều này cần phải gia cố đất yếu và đất rời rạc và thời điểm đào đến thời điểm các thiết bị

hỗ trợ (như vỏ hầm) đã được nắp đặt Khi có nước ngầm xuất hiện, cũng cần phải ngăn dòng chảy vảo mặt đường hầm, vì dòng chảy này có tác động đến xói mòn trên mặt hầm Khi dùng máy TBM để đào đất, sự chống đỡ hướng tâm và độ kín nước trước tiên được đảm bảo bằng khiên đào và sau đó là vỏ hầm Ở bề mặt sự hỗ trợ cơ học như vậy là không thực tế hoạc không thể kết hợp với một quy trình đào hiệu quả và cách hỗ trợ gián tiếp được sử dụng Nén khí hoạc vữa tạo áp lực và hỗn hợp của lượng đất đào cùng với các chất phụ gia được sử dụng để cân bằng áp lực đất Dù sử dụng phương tiện hỗ trợ nào, áp suất trong buồng làm việc TBM phải được giữ ở mức sao cho đảm bảo điều kiện làm việc được đảm bảo Nó không nên thấp đến mức cho phép sụp đổ không kiểm soát của đất vào buồng làm việc, cũng không cao đến mức dẫn đến biến dạng lớn của đất làm nổ tung và mất đi tính liên tục của việc hỗ trợ cho việc cân bằng áp lực Phạm vị thực tế của áp lực hỗ trợ cho phép đối với dự án đường hầm nhất định phụ thuộc vào nhiều yếu tố của đất và nước ngầm thực tế, phương pháp đào, kích thước và sự quá tải của đường hầm Để tìm ra áp lực hỗ trợ tối thiểu và tối đa cho phép một số mô hình đã được đề xuất trong tài liệu nhiều năm qua để mô tả các cơ chế thất bại có thể khác nhau của mặt đường hầm và để tính toán các tính chất cần thiết của sự hỗ trợ làm việc để ngăn ngừa sập Các mô hình này có thể được phân loại thành ba lớp chính dựa trên loại cơ chế thất bại mà chúng mô tả Các mô hình mô tả ứng xử của một nhóm hạt hoạc một loại hạt ở mặt đường hầm được gọi là mô hình ổn định bên trong hoạc vi mô Các mô hình mô tả chế độ thất bại của một phần lớn của bề mặt hoạc toàn bộ bề mặt được gọi là mô hình ổn định bên ngoài hoạc toàn bộ Một số tác giả chia nhỏ các mô hình bên ngoài thành các mô hình ổn định cục bộ, không ảnh hưởng trực tiếp đến bề mặt đất Các tác giả khác định nghĩa sự mất ổn định cục bộ là những bất ổn bên ngoài chỉ

ảnh hưởng đến một phần của mặt hầm bất kể ảnh hưởng của chúng trên bề mặt đất Cả sự mất ổn định vi mô và cục bộ có thể là giai đoạn đầu thất bại phát triển tốt và dẫn đến sự thất bại toàn bộ của bề mặt đường hầm Lớp thứ

ba của mô hình là những mô hình mà bản thân chúng không mô tả khả năng xày ta mất ổn định xung quanh của máy đào hầm TBM nhưng mất môi trường

hỗ trợ, do đó tất nhiên có thể dẫn đến giảm áp lực hỗ trợ và sau đó sụp đổ bề mặt của bề mặt hầm Một số hiệu ứng được xác định từ thực địa và thử nghiệm trong phòng không bao gồm các mô hình ổn định hiện tại Đặc biệt là

sự xâm nhập của môi trường hỗ trợ vào đất phía trước TBM và hiện diện của

áp lực nước lỗ rỗng có thể ảnh hưởng sâu sắc đến sự ổn định của mặt hầm

Ổn định vi mô:

Độ ổn định của hạt đơn hoạc một nhóm hạt nhỏ ở mặt đường hầm, chủ yếu là vấn đề trong đất không có hoạc có độ dính thấp và mặt hầm được hỗ trợ bằng không khí hoạc dung dịch Trong điều kiện như vậy hạt có thể rời ra khỏi ma trận (liên kết) dưới tác động của trọng lực Khi theo sau các hạt tiếp theo, bề mặt có thể bị xói mòn và điều này có thể gây ra sụp đổ cục bộ hoạc toàn diện Để ngăn chặn sụp đổ này, sự chênh lệch áp suất tối thiểu so với các hạt là cần thiết, điều này không ảnh hưởng trực tiếp đến áp lực hỗ trợ, nhưng đối với mức thay đổi áp lực trong đất Như đã chỉ ra, điều này dẫn đến một yêu cầu cường độ tối thiều cho dung dịch Theo Muller – Kirchenbauer một nhân tố đất không dính kết nhỏ ở mặt đường hầm phải chịu trọng lực và bị tác động bởi các lực từ phương tiện hỗ trợ SF = i0γ và đất bề mặt (hình vẽ) Đối với độ dốc α đã cho, sự phá hủy xảy đến khi

Đối với trường hợp phổ biến nhất α=900 điều này dẫn đến yêu cầu tối thiểu cho cường độ chảy của môi trường hỗ trợ

τF ≥ rp γ’/2 tan θ

Hình 2 2: Các lực trong phân tích ổn định vi mô

Một số nhà nghiên cứu đã ước tính về bán kính lỗ rỗng tương đương, kết quả ước tính hơi khác τF Kilchert đưa ra ví dụ sử dụng

rp = 2(1-n)d10 những điều này dẫn đến τF ≥ d10 (1-n)γ’tan θ

Ngoại trừ ảnh hưởng trực tiếp của nó đến sự ổn định của hạt đơn lẻ, cường độ chảy có ảnh hưởng chính đến chiều dài xâm nhập củ môi trường hỗ trợ trong đất Trong đất dính kết sự ổn định của các hạt đơn lẻ chỉ là thứ yếu

so với sự ổn định của toàn bộ bề mặt Một vấn đề có thể xảy ra khi có sự thay đổi áp suất với buồng làm việc Một tình huống như vậy có thể xảy ra đối với khiên đào EPB với một áp suất hỗ trợ dưới áp suất thủy tĩnh, phân tích độ ổn định của độ dốc vô hạn, cách tiếp cận của Muller-Kirchenbauer để có được không thể mở rộng thẳng cho vật liệu ma sát kết dính

Một cách tiếp cận khác là nghiên cứu sự ổn đinh của vệt cắt thẳng đứng không được hỗ trợ (a = 900 ) trong một vật liệu hoàn toàn gắn kết chịu một lực kéo Một phân tích giới hạn trên đơn giản giả sử mặt phẳng phá hủy thẳng

và không có lực kéo dẫn đến độ cao tối đa trước khi phá hủy

Hc ≤ 4cuγ

Điều này chỉ cao hơn một chút ít giải pháp giới hạn trên đã được biết đến Trong đó hệ số 3.83 thay thế cho 4 Giả sử rằng có một dòng thấm và dẫn đến

một lực kéo ngang γw trong trường hợp đó chiều cao tối đa của vệt cắt có thể ước tính được bằng công thức:

Hc ≤ 4cuγ f1 + pf2 +1 vời f =iγw/γ hoạc ngược lại, độ dốc tới hạn có thể xác định được Trong trường hợp có dòng nước ngầm chảy vào bề mặt nơi đó

sẽ có vấn đề Một cách tiếp cận khả thi sẽ là chọn độ cao phá hủy tùy ý cho mái dốc, tức là một mức áp lực tham chiếu, và sau đó tiến hành phân tích ổn định của mái dốc, ví dụ phương pháp Muller-Kirchenbauer, Bishop hoạc một phương pháp giải số đầy đủ (FE) Ngoài ra, người ta có thể sử dụng cách tiếp cận bán thực nghiệm như được sử dụng trong phân tích hiện tượng đường ống, nhưng với hệ số an toàn ít nghiêm ngặt hơn, vì khoảng thời gian mà độ dốc phải duy trì ổn đinh ngắn hơn đáng kể

2.3 Mô tả các yếu tố chính của 12 phương pháp phân tích để xác định áp lực hỗ trợ ổn định bề mặt [7]

2.3.1 Phương pháp Horn (1961)

Nó cung cấp sơ đồ cơ sở của mô hình phá hủy ba chiều bao hình cái nêm (có bề mặt nhẵn) ở phần dưới và silo ở phẩn trên của mô hình, mô hình không cung cấp chỉ dẫn cho áp dụng thực tế Tuy nhiên, nó đã được một số tác giả

sử dụng để làm cơ sở phát triển hơn nữa

Hình 2.3: Mô hình ổn định hầm tự do của phương pháp Horn

2.3.2 Phương pháp Murayama (1966)

Hình 2.4: Mô hình ổn định hầm của phương pháp Murayama

Murayama đã tính toán áp lực hỗ trợ tối thiểu bằng cách sử dụng mặt phẳng trượt hình xoắn ốc hai chiều vào năm 1966 Trọng lượng đất tác dụng lên nêm áp suất được tính theo lý thuyết Terzaghi Sự ổn định của bề mặt đòi hỏi sự cân bằng giữa thời điểm của trọng lực tác dụng và lực kháng, lực tác dụng lên mặt đường hầm (P) và lực cắt dọc theo bề mặt phá hủy Phương pháp nghiên cứu lặp cho chiều rộng của khối tải để xác định điều kiện tải bất lợi và áp suất ổn định tối đa P

Phương trình cơ bản là:

2.3.3 Phương pháp Broms và Bennermark (1967)

Nó cung cấp một mối quan hệ cho phân tích độ ổn định của một lỗ mở không được hỗ trợ trong vật liệu không thoát nước gắn kết Hệ số ổn định N được định nghĩa là:

N = (qs – σT)/cu + (C + R) · γ/cu

Trong đó: γ là khối lượng thể tích tự nhiên của vật liệu cu là lực dính kết

cố kết không thoát nước của vật liệu

Theo kinh nghiệm, các điều kiện không ổn định được kết hợp với giá trị N> 6 Do đó, áp suất ổn đinh tối thiều σT là:

σT = γ · (C + R) + qs – N · cu với N ≈ 6

Hình 2.5: Mô hình ổn định hầm của phương pháp Broms và Bennemark

2.3.4 Phương pháp Atkinson và Potts (1977)

Áp lực hỗ trợ tối thiểu cho mặt đào trong đất thoát nước không liên tục được xem xét theo hai điều kiện giới hạn 1) γ = 0 e qs > 0; 2) γ > 0 và qs =0, trong đó γ là khối lượng thể tích tự nhiên của đất và qs là phụ tải Đối với trường hợp thứ hai, hai giải pháp giới hạn được cung cấp Các giải pháp độc lập với vượt tải, nói chung đưa ra kết quả an toàn cao hơn

Smin = [2kp/ (kp2 – 1)] × γ × R, trong đó kp = (1 + sin φ)/(1 – sin φ), R là bán

kính, φ là góc nội ma sát của đất

Hình 2.6: Mô hình ổn định hầm của phương pháp Atkinson và Potts