Nghiên cứu ảnh hưởng khi xây dựng đường hầm metro trên biến dạng mặt đất khu vực TPHCM

Lún sụt và biến dạng bề mặt là vấn đề quan tâm hàng đầu trong quá trình thi công đường hầm métro, đặc biệt là trong vùng đất yếu. Bài báo này giới thiệu phương pháp tính toán biến dạng lún mặt đất của tác giả SchmidtPeck 1969, xác định bề rộng vùng biến dạng lún và tương quan giữa chiều sâu đặt hầm với biến dạng lún bề mặt khi thi công đường hầm métro. Áp dụng cho đường hầm xây dựng trong điều kiện địa chất khu vực Tp. Hồ Chí Minh.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM MÉTRO ĐẾN BIẾN DẠNG MẶT ĐẤT KHU VỰC TP HỒ CHÍ MINH STUDY OF INFLUENCE OF BUILDING METRO CONSTRUCTIONS

ON SURFACE SETTLEMENT IN HO CHI MINH CITY

Võ Phán*, Nguyễn Quang Khải**

* Khoa Xây dựng, Đại học Bách khoa, Tp Hồ Chí Minh

** Công ty Nippon Engineering Việt Nam, Tp Hồ Chí Minh

* Faculty of Civil Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology

** Nippon Engineering Viet Nam Co Ltd, Ho Chi Minh City -

BẢN TÓM TẮT

Lún sụt và biến dạng bề mặt là vấn đề quan tâm hàng đầu trong quá trình thi công đường hầm métro, đặc biệt là trong vùng đất yếu Bài báo này giới thiệu phương pháp tính toán biến dạng lún mặt đất của tác giả Schmidt-Peck 1969, xác định bề rộng vùng biến dạng lún và tương quan giữa chiều sâu đặt hầm với biến dạng lún bề mặt khi thi công đường hầm métro Áp dụng cho đường hầm xây dựng trong điều kiện địa chất khu vực Tp Hồ Chí Minh

ABSTRACT

Building shallow underground constructions in weak land makes subsidence This paper introduces methods predicting surface settlement of Schmidt-Peck

1969, defining settlement area and the relation between depth and settlement when building tunnel, being applied to build tunnel in geology condition of Ho Chi Minh City

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Việc xây dựng các hệ thống công trình đường hầm giao thông trong lòng đất là một trong những giải pháp tối ưu để sử dụng đất đô thị có hiệu quả cao Hệ thống công trình đường hầm rất cần thiết cho một thành phố hiện đại để giải quyết những vấn đề bức xúc hiện nay trong đô thị, không những đảm bảo cảnh quan còn tiết kiệm được không gian trên mặt đất Với ưu điểm vượt trội khi thi công đường hầm bằng máy TBM (Tunnelling Boring Machine) không ảnh hưởng đến giao thông và công trình trên mặt đất, khi xuyên qua sông sẽ không ảnh hưởng đến giao thông thủy Tuy nhiên trong khi xây dựng hoặc sau một thời gian tồn tại của các công trình

đường hầm trong lòng đất đã gây ra hiện tượng bề mặt đất bị lún làm ảnh hưởng rất lớn đến các công trình hiện hữu trên mặt đất

Phần mềm Plaxis được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong tính toán đường hầm xây dựng bằng

phương pháp TBM, đặc biệt khi đường hầm xây dựng trong nền đất yếu Nghiên cứu sử dụng phần mềm Plaxis góp phần giảm nhẹ công tác thiết kế đường hầm trong tương lai tại Việt Nam nói chung và Tp Hồ Chí Minh nói riêng là rất cần thiết

Plaxis giả thiết môi trường đất xung quanh là môi trường đàn hồi và dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán

Khi thi công đường hầm bằng phương pháp TBM, diện tích đào đất luôn lớn hơn diện tích mặt cắt ngang hầm, dù được bơm vữa lấp sau vỏ hầm nhưng không thể tránh khỏi sự phân bố lại ứng suất và biến dạng trong nền đất như là kết quả tất yếu của quá trình xây dựng hầm

2 NỘI DUNG

2.1 Lý thuyết tính toán biến dạng lún bề mặt do xây dựng đường hầm đặt nông trong đất (Phương pháp của Schmidt-Peck 1969)

Schmidt-Peck đã tổng hợp số liệu quan trắc từ 20 dự án hầm đã được xây đựng

và thấy rằng đường cong lún bề mặt xấp xỉ theo 1 đường cong (gọi là đường cong Gaussian) [4]:

 x 



 

S  S



2i

2 

Với: + S: biến dạng lún bề mặt

+ Smax: biến dạng lún lớn nhất trên đường tim hầm

+ x: khoảng cách từ trục hầm đến điểm tính lún theo phương ngang

+ i: khoảng cách từ trục hầm đến điểm uốn của đường biến dạng lún

Hình 1 Mô hình Gaussian tính lún bề mặt khi thi công hầm được đưa ra bởi O’Reilly và New (1982) dựa

theo phương pháp Schmidt-Peck

Với đường hầm dạng tròn có thể xác định Smax theo công thức của New & O’Reilly (1991) [4]:

(2)

max

8 i

Hoặc công thức của Herzog (1985) [4]:

S  

Với: + VL: phần trăm thể tích mất mát tổng thể so với diện tích gương đào

+ D: đường kính thực qui đổi của hầm khi

đào

+  : trọng lượng riêng trung bình của các lớp đất tính toán

+ z0: chiều sâu của tim hầm so với mặt đất

+ PS: tổng tải trọng chất thêm

+ E: môđun đàn hồi trung bình của các lớp đất tính toán

Sau đó O’Reilly và New (1982) đã đưa ra công thức xác định tham số bề rộng i [4]:

Với: K- Hệ số không thứ nguyên, phụ thuộc vào loại đất

Bảng 1 Giá trị hệ số K theo loại đất [5]

Loại đất K

Đất không cố kết 0,3

Đất sét cố kết thường 0,5

Đất sét quá cố kết 0,6-0,7

Đất cát 0,8-0,9

Đối với đất nền nhiều lớp thì hệ số Ktđ được tính như sau [5]:

+ Trường hợp z0 < 1.5D

K  z1k1  z n k n

(5)

td

z

+ Trường hợp z0 ≥ 1.5D

K

Sau khi quan sát với 19 điểm của 11 khu

vực đất

2.2 Áp dụng tính toán lún bề mặt khi xây

cố kết và 16 điểm của 5 khu vực đất kém

cố kết

dựng đường hầm métro ở khu vực

Tp HCM

tại London nước Anh, O’Reilly và New

ra mối quan hệ kinh nghiệm xác định bề

vùng lún i như sau

i = 0,43z0 + 1,1 đối với đất cố

i = 0,28z0 – 0,1 đối với đất

Bảng 2 Thông số đầu vào cho các lớp đất tại vị trí xây dựng hầm

A layer B layer C layer D layer E layer

Unit (Sét mềm) (Sét dẻo) (Cát rời) (Sét cứng) (Cát chặt) Material model Model MC MC MC MC MC -

Mat behaviour Type Drained Drained Drained Undrained Drained -

Dry soil weigh unsat 15.8 20 20.8 20.4 19.6 kN/m3 Wet soil weigh sat 17.8 21 21 22 20.5 kN/m3

V permeability k y 1.81e-5 4.7e-5 0.5 1.36e-5 0.5 m/day Young’s modulus E ref 1000 2000 30 000 10 000 120 000 kN/m2 Cohesion c’ 8.5 2.48 1.1 3.88 1.5 kN/m2 Friction angle ’ 15 17 28 16 21 

Poisson’s ratio  0.33 0.33 0.3 0.33 0.3 -

2.2.1 Xác định phạm vi ảnh hưởng vùng biến dạng lún và tương quan giữa chiều sâu đặt hầm và biến dạng lún bề mặt khi thi công đường hầm métro

Với số liệu địa chất như bảng sau, sử dụng chương trình Plaxis tính toán chuyển

vị lún bề mặt, nội lực phát sinh trong hầm và đất nền ứng với các chiều sâu chôn hầm khác nhau dao động từ 10 ÷ 40m Để xét đến ảnh hưởng mất mát thể tích

do thi công hầm bằng phương pháp TBM trong Plaxis ta áp dụng phương pháp nén lại (contraction method) Phương pháp này xét đến việc giảm tiết diện mặt

cắt ngang vỏ hầm Độ nén được tính bằng % là tỉ số của phần diện tích giảm so với diện tích tiết diện ngang ban đầu và lấy tỉ số này là 2%

Trên cơ sở những nghiên cứu về ứng xử của hầm trong đất và phạm vi ảnh hưởng khi thi

công hầm, lớp đất phủ tối thiểu trên nóc hầm dọc tuyến từ 1.5D÷2D, D là đường kính hầm Đối với tuyến métro số 1 có đường kính hầm D= 7.8m nên yêu cầu bề dày lớp đất phủ tối thiểu từ 11.7 ÷ 15.6m Vì vậy chiều sâu đặt hầm (tính từ tim hầm) nhỏ nhất từ 15.6 ÷ 19.5m

Hình 4 Lưới phần tử hữu hạn của bài toán

Bảng 3 Bảng tổng hợp kết quả phạm vi ảnh hưởng lún theo chiều sâu đặt hầm

Chiều sâu Bề rộng đường cong lún theo Bề rộng đường cong lún theo

(m) phương ngang hầm (m) phương dọc hầm (m)

Bảng 4 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị và nội lực hầm theo chiều sâu đặt hầm

Chiều Chuyển vị Ux (mm) Chuyển vị Uy (mm) S max

H = 10 -0.503 -0.049 57.444 0.116 -74.011 -125.817 -17.507 68.389 -125.817

H = 11 -0.757 0.017 59.172 0.102 -60.277 -117.753 -14.362 75.262 -117.753

H = 12 0.307 0.023 61.604 0.231 -53.010 -114.755 -9.892 80.309 -114.755

H = 13 0.241 0.111 65.689 0.013 -49.505 -111.256 -8.102 85.721 -111.256

H = 14 0.148 0.127 67.021 0.176 -46.779 -108.459 -7.126 87.289 -108.459

H = 15 0.008 0.125 68.606 0.234 -43.053 -105.921 -6.975 90.088 -105.921

H = 16 0.611 0.125 70.131 0.139 -39.277 -103.407 -3.152 92.447 -103.407

H = 17 -0.034 0.062 73.021 0.104 -36.213 -101.016 -1.092 95.120 -101.016

H = 18 -0.031 0.043 74.035 -0.157 -34.177 -98.743 -0.013 97.154 -98.743

H = 19 -0.023 0.035 76.422 -0.221 -31.271 -96.578 1.113 98.123 -96.578

H = 20 -0.017 -0.103 79.519 -0.475 -27.185 -95.478 1.602 99.118 -95.478

H = 22 -0.011 -0.168 83.691 -0.678 -26.722 -91.101 1.733 101.977 -91.101

H = 25 -0.015 -0.115 81.361 -0.466 -24.892 -89.235 2.654 106.626 -89.235

H = 30 -0.007 -0.089 56.316 -0.589 -21.834 -84.367 3.376 99.723 -84.367

H = 35 -0.021 -0.045 32.156 -0.923 -19.425 -81.932 3.854 78.099 -81.932

H = 40 -0.004 -0.023 23.167 -0.834 -17.831 -76.243 4.122 49.500 -76.243

Trong đó:

O: Tim đường hầm, tọa độ (0,0)

A: Điểm nằm trên bề mặt phía trên đỉnh

hầm

B: Điểm nằm tại đỉnh phía trên vỏ hầm, phía ngoài vỏ hầm, tọa độ (0,-3.9)

C: Điểm nằm tại mép ngoài vỏ hầm, ngang tâm đường hầm, tọa độ (3.9,0)

D: Điểm nằm tại đáy vỏ hầm, tọa độ (0,3.9)

Hình 5 Biểu đồ quan hệ độ sâu đặt hầm H-chuyển vị lún bề mặt

2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm métro đến công trình trên mặt đất

Khi xây dựng công trình đường hầm, nhất là các đường hầm đặt nông gần mặt đất, ngoài việc phải giữ ổn định cho bản thân đường hầm còn phải giữ ổn định cho các công trình lân cận, đặc biệt là các công trình hiện hữu trên mặt đất Tại

TP Hồ Chí Minh, một thực tế là với các công trình thấp tầng và các công trình xây dựng trước đây, việc gia cố nền đất yếu chủ yếu dùng móng nông có hoặc không có cừ tràm

Do chiều sâu xây dựng đường hầm nằm sâu hơn cao độ đáy cừ tràm (trung bình cao độ đáy cừ tràm là -5m so với mặt đất) nên việc xây dựng đường hầm sẽ có ảnh hưởng đến các công trình bên trên dạng này, với các công trình cao tầng hoặc công trình sử dụng móng cọc bê tông cốt thép thì hầu như không bị ảnh hưởng Bài toán đặt ra là xem xét ảnh hưởng của việc xây dựng đường hầm đối với các công trình hiện hữu bên trên sử dụng các loại móng nông Điều này rất quan trọng để có thể dự đoán được các ảnh hưởng để có các biện pháp xử lý thích hợp trong quá trình xây dựng đường hầm Mô hình bài toán trong Plaxis với địa chất và kết cấu vỏ hầm như đã nêu ở trên Công trình nhà hiện hữu bên trên được mô phỏng bằng tấm bản (plate) kết nối với các móng Các móng được

mô hình bằng cách kết hợp tấm bản (plate) và neo (node-to-node anchors) để xét khả năng chịu mũi của cọc và ma sát xung quanh thân cọc

Hình 6 Mô hình bài toán trong Plaxis

Hình 7 Trường chuyển vị sau cùng của hầm, đất nền và nhà

khoảng cách B tính từ tim hầm đến mép gần nhất của công trình nhà khác nhau để xét ảnh hưởng của việc xây dựng đường hầm đến công trình trên bề mặt đất

Hình 8 Vị trí các điểm tính toán chuyển vị lún

Xét chuyển vị của các điểm A, B, C, D, E, F, G, H, I như trên hình 8 ứng với các khoảng cách B tương ứng bằng 0m, 5m, 10m, 20m, 30m, 40m, 50m, kết quả tổng hợp trong biểu đồ và bảng như sau:

Hình 9 Biểu đồ chuyển vị tại các vị trí ứng với khoảng cách B

Cố định vị trí công trình nhà bên trên và

dịch chuyển dần vị trí xây dựng hầm ta có

các

Bảng 5 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị theo khoảng cách B

Khoảng Chuyển vị tại các vị trí (mm)

cách B

0 -98.826 95.206 -15.484 -9.681 -41.186 -26.706 -11.708 3.608 -41.186

5 -98.775 94.957 -12.636 -7.901 -27.954 -18.153 -8.345 1.471 -31.659

10 -99.119 92.934 -11.422 -7.712 -12.591 -8.795 -5.580 -2.302 -32.481

15 -99.356 94.053 -11.960 -7.481 -5.106 -4.831 -4.556 -4.281 -32.876

20 -99.458 93.935 -11.762 -7.463 -3.861 -4.160 -4.461 -4.747 -33.154

30 -98.484 94.293 -12.398 -8.134 -2.916 -3.262 -3.634 -3.999 -31.598

40 -98.927 93.916 -13.014 -9.111 -3.577 -3.580 -3.596 -3.607 -32.422

50 -98.111 93.329 -13.677 -9.521 -3.734 -3.626 -3.524 -3.413 -32.512

3 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Từ bảng 3 rút ra một số nhận xét như sau:

Bề rộng đường cong lún 2i giảm theo chiều sâu

đặt hầm nhưng vùng ảnh hưởng lún do thi công hầm gây ra đối với nền đất lại tăng khi chiều sâu đặt hầm tăng Với chiều sâu đặt hầm từ 10÷15m thì đường cong lún có độ dốc lớn hay nói khác

đi là đường cong có vùng lõm sâu Khi chiều sâu đặt hầm >15m thì đường cong lún mở rộng dần nên có độ dốc thoải hơn Bề rộng đường cong lún đạt giá trị lớn nhất bằng 33.1m khi hầm đặt sâu 10m So sánh vùng biến dạng lún theo 2 phương ta thấy bề rộng đường cong lún theo phương dọc hầm luôn luôn lớn hơn

bề rộng đường cong lún theo phương ngang hầm ở các

độ sâu đặt hầm khác nhau

3.2 Từ bảng 4 rút ra một số nhận xét như sau:

- Tại điểm D là điểm đáy vỏ hầm, có chuyển vị theo phương ngang gần như bằng 0 vì đây là bài toán đối xứng Chuyển vị theo phương đứng của điểm D đều có giá trị dương, nghĩa là điểm D

thì

chuyển vị đứng điểm D càng tăng, tuy nhiên đến chiều sâu H= 25m trở đi thì giảm xuống Lý do càng xuống sâu thì địa chất lớp đất bên dưới tốt hơn và áp lực nén của các lớp đất phía trên vỏ hầm càng tăng

- Tại điểm C là điểm trên vỏ hầm ở vị trí cao ngang tim hầm, vỏ hầm bị biến dạng theo phương ngang chủ yếu do sự chênh lệch áp lực địa tầng phía trên và dưới vỏ hầm làm cho hầm bị biến dạng thành hình ovan Điểm C luôn có chuyển vị hướng ra xa tâm đường hầm Chuyển vị theo phương ngang của điểm

C tăng dần theo sự tăng độ sâu chôn hầm Khi chiều sâu chôn hầm >22m thì điểm C có chuyển vị theo phương ngang giảm dần Ngược lại chuyển vị đứng của

điểm C ít thay đổi theo chiều sâu đặt hầm và có giá trị nhỏ không đáng kể Khi chiều sâu chôn hầm >19m thì điểm C bắt đầu có chuyển vị dương, tức là trồi

lên nhưng ít thay đổi khi chiều sâu đặt hầm tăng lên Điều này có thể lý giải do khi chôn sâu, phía trên hầm hình thành nên vòm áp lực và độ chênh áp lực địa tầng tác dụng lên hầm hầu như không thay đổi

- Tại điểm B là điểm trên đỉnh vỏ hầm cũng có biến dạng theo phương ngang gần bằng 0 do là bài toán đối xứng Còn chuyển vị theo phương đứng giảm rõ rệt theo chiều sâu đặt hầm Tuy

nhiên khi chiều sâu chôn hầm lớn hơn 20m thì độ lún giảm nhanh hơn khi chiều sâu đặt hầm tăng

- Tại điểm A là điểm trên bề mặt cũng có biến dạng theo phương ngang gần bằng 0 do là bài toán đối xứng Chuyển vị theo phương đứng của

điểm A đều có giá trị âm Với chiều sâu đặt hầm càng tăng thì giá trị chuyển vị

H= 20m trở đi thì giảm ít dần đi Lý do càng xuống sâu thì địa chất lớp đất bên

Từ phân tích ở trên, chiều sâu đặt hầm hợp lý trong khoảng 15÷20m so với mặt đất Tại khoảng chiều sâu này, chuyển vị của hầm tương đối nhỏ từ 5÷8cm và biến dạng lún bề mặt từ 2÷4cm coi như ảnh hưởng không đáng kể đến các công trình trên mặt đất Khi hầm đặt sâu hơn 40m thì biến dạng lún bề mặt nhỏ và thay đổi không đáng kể <2cm, tuy nhiên lúc này cần phải xem xét tăng chiều dày vỏ hầm lớn hơn khi hầm

đặt sâu

3.3 Từ bảng 5 ta có nhận xét là chuyển vị tại các điểm A, B, C, D xung quang hầm thay đổi không đáng kể khi khoảng cách B từ tim hầm

đến mép ngoài công trình tăng Điều này chứng tỏ là các công trình đang hiện hữu trên bề mặt không ảnh hưởng đến chuyển vị của của đất xung quanh hầm Đồng thời các giá trị chuyển vị tại các điểm A, B, C, D cũng bằng với chuyển vị xung quanh hầm khi xây dựng hầm tại nơi không có công trình trên bề mặt Chuyển vị của điểm I phụ thuộc vào chuyển vị của hầm và đất nền xung quanh hầm và biến thiên giảm dần khi khoảng cách B tăng Chuyển vị tại I đạt giá trị max bằng 41.186mm khi B=0, còn thông thường thì phân bố từ 31.598 ÷ -32.876mm cho thấy mức độ giảm không đáng kể khi B thay đổi Điều này cho thấy khi đường hầm nằm ngay dưới chân công trình (B= 0) thì có ảnh hưởng lớn đến chuyển vị của điểm I Còn khi đường hầm nằm ngoài phạm vi chân công trình thì chuyển vị tại I giảm khá nhanh và hầu như thay đổi không đáng

kể khi khoảng cách B từ tim hầm đến mép ngoài công trình tăng

Các chuyển vị tại các điểm E, F, G, H là các chuyển vị tại đáy móng nông của công trình nhà Khi đường hầm nằm ngay dưới công trình nhà (B=0), chuyển vị thu được tại vị trí E là lớn nhất bằng -41.186mm, các chuyển vị tại F, G, H giảm dần khi cách xa tim hầm hơn Tuy nhiên khi khoảng cách B được tăng lên thì chuyển vị tại E, F, G, H giảm khá nhanh, cụ thể khi B= 10m, chuyển vị tại E là -12.591mm, khi B= 20m chuyển vị tại E là -3.861mm và sự biến thiên chuyển vị khi B tăng lên cũng nhỏ hơn khi

B=50m thì chuyển vị tại E là -3.734mm Quan

trí gần tim