Tại nghiên cứu này, tác giả trình bày công nghệ Jet - Grouting (cọc xi măng - đất phụt vữa áp lực cao) gia cố đất nền xung quanh hầm tại vị trí khó khăn trên để giảm lún bề mặt đất và công trình Nhà hát. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được sử dụng để đánh giá độ lún bề mặt đất nền. Từ kết quả tính toán bằng phương pháp PTHH đưa ra quan hệ giữa đặc trưng thông số của cọc xi măng – đất (Jet - Grouting) với độ lún bề mặt đất nền trên hầm và góc Nhà hát tại vị trí nguy hiểm nhất, trong điều kiện độ lún mặt đất cho phép nhỏ hơn 10mm.
Trang 1SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ JET-GROUTING GIA CỐ XUNG QUANH HẦM BẢO VỆ CÔNG TRÌNH MÓNG NÔNG TẠI TUYẾN METRO
SỐ 1 - THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
USING JET-GROUTING TO REINFORCED SOID MASS SURROUNDING THE TUNEL AND PROTECT THE CONSTUCTION FOUNDATION IN METRO LINE
1 – HO CHI MINH CITY
Phan Sỹ Liêm, Nguyễn Bá Hoàng
Trường Đại Học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh
Tóm tắt: Việc thi công hầm bằng công nghệ khiên đào sẽ xuất hiện biến dạng bề mặt đất trong
quá trình thi công Với điều kiện hạn chế về không gian thi công và bảo vệ công trình kiến trúc cổ Nhà hát Thành phố cần đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và lúc vận hành khai thác Tại nghiên cứu này, tác giả trình bày công nghệ Jet - Grouting (cọc xi măng - đất phụt vữa áp lực cao) gia cố đất nền xung quanh hầm tại vị trí khó khăn trên để giảm lún bề mặt đất và công trình Nhà hát Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được sử dụng để đánh giá độ lún bề mặt đất nền Từ kết quả tính toán bằng phương pháp PTHH đưa ra quan hệ giữa đặc trưng thông số của cọc xi măng – đất (Jet - Grouting) với độ lún bề mặt đất nền trên hầm và góc Nhà hát tại vị trí nguy hiểm nhất, trong điều kiện độ lún mặt đất cho
phép nhỏ hơn 10mm
Từ khóa: Jet-Grouting, lún bề mặt, khiên đào, PTHH
Abstract: Due to tunneling with tunnel boring machine the surface settlerment will appear With
the restriction on construstion site and have to protection of ancient architicture Opera House building, the tunnel have to be placed ensure technical requirements and operating In this study, the authors use the Jet - Grouting (Cement piles - high pressure grouting) for reinforcement of surrounding ground tunnels going through the restriction site to reduce surface settlerment and Opera House building The finite element method will be used to evaluate the surface settlerment From the results calculated by the finite element method will make the relationship between the characteristic parameters of the pile Jet - Grouting with the surface settlerment above the tunnel and the most dangerous locations Opeara House building corner’s, with a maximum allowable surface settlement
of 10mm
Keywords: Jet - Grouting, surface setterment, tunnel boring machine, element method
1 Giới thiệu
Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM)
trung tâm kinh tế, tài chính của cả nước với
số dân 7,95 triệu người (Tổng cục thống kê -
2014) được xem là thành phố năng động cả
nước và ASEAN Trong khi, hệ thống hạ
tầng giao thông chưa được phát triển, tình
trạng kẹt xe giờ cao điểm ngày càng tăng
Việc nghiên cứu xây dựng hệ thống Đường
sắt đô thị (ĐSĐT) tại TP.HCM phát triển
sớm từ cuối những năm 90 Tuyến Metro số
1 ngầm dưới lòng đất 2,6 km độ sâu trung
bình [-12÷ -25]m tính theo cao độ đỉnh ray
và được thi công bằng TBM (Tunnel Boring
Machine) (BQLĐSĐT - 2010)
Khi đưa TBM vào thi công sẽ xuất hiện
lún bề mặt đất tại khu vực tuyến thi công
Nhà hát Thành phố (NHTP) nằm trong phạm
vi thi công và cách tim hầm tại vị trí nguy
hiểm nhất 9,14m Móng NHTP dạng móng
nông cọc cừ 25 cây/m2 và có ý nghĩa lịch sử
quan trọng nên phương án giảm thiểu lún bề mặt trong điều kiện cho phép bé hơn 10 mm (Attewell 1986)[1] được xem ưu tiên giải quyết trước khi thi công tuyến hầm qua đây
2 Tuyến Metro số 1 2.1 Giới thiệu về dự án Metro số 1
Tuyến ĐSĐT số 1 (Bến Thành – Suối Tiên) được Ủy ban Nhân dân TP.HCM phê duyệt với sự hỗ trợ vây vốn ODA (Official Development Assistance) của Ngân hàng Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) ký kết với Chính phủ Việt Nam ngày 30/3/2007 (BQLĐSĐT) Tuyến dài 19,7km, trong đó có 17,1km đi trên cao và 2,6km đi ngầm
2.2 Vị trí công trình
Độ lún của tòa nhà NHTP nằm trong khu vực gần đoạn tuyến đi qua được nghiên cứu qua mô hình mô phỏng sử dụng phần
mềm Plaxis 2D
Trang 2Khoảng cách từ tim hầm (đoạn ống chạy
trùng tim trên dưới) đến góc tòa nhà tại vị trí
nguy hiểm nhất là 9,14m (hình 1)
Hình 1.Mặt cắt dọc tại vị trí nghiên cứu
(Thiết kế cơ sở-BQLĐSĐT-2010)
2.3 Số liệu địa chất
Địa chất khu vực nghiên cứu được sử
dụng thông số hố khoan U150 (bảng 1)
Bảng 1 Thông số địa chất tại hố khoan U150
Nguồn: BQL ĐSĐT-01/2016.
2.4 Thông số đầu vào cho mô hình mô
phỏng
Bảng 2 Thông tin về hầm và máy TBM
Hình 2 Hướng tuyến Metro số 1 đi qua NHTP
(Nguồn: Google Earth)
Bảng 3 Các thông số đặc trưng khiên TBM - móng
Nhà hát
Nguồn: BQL ĐSĐS-01/2016.
Số liệu về tải trọng (BQL ĐSĐT – 2016):
- Tải trọng nhà hát gồm bốn tầng (bề rộng phương ngang 30m): 60kN/m2;
- Tải trọng công viên và giao thông trên bề mặt: 10 kN/m2
3 Phương pháp nghiên cứu 3.1 Cơ sở lý thuyết
Dựa trên kết quả nghiên cứu tổng quan
về vấn đề lún sụt bề mặt nền đất trong thi công bằng máy khiên đào TBM Dựa trên cơ
sở đường cong Graus, Peck (1969) đề xuất hình dạng đường trũng bề mặt đất nền trên đỉnh hầm và công thức thực nghiệm New & O’Reilly (1982), Mair (1996) về tính toán độ lún lớn nhất trên bề mặt tại vị trí đỉnh hầm
Độ lún trong bài này được phân tích bằng phần tử hữu hạn (PTHH) Độ lún bề mặt đất trên đỉnh hầm dựa trên thông số địa chất lỗ khoan U150 (bảng 1) Nguyễn Đức Toản (2006) đã tính toán lại độ lún của hầm trong dự án tuyến hầm Italian National Railway bằng phương pháp PTHH bao gồm bài toán lún bề mặt đất nền và về độ ổn định của bề mặt khiên đào
Phương pháp PTHH được sử dụng mô phỏng lún bề mặt đất khi thi công bằng TBM
và khi được gia cố nền bằng Jet - Grouting
Độ lún bề mặt nền đất được khảo sát theo sự thay đổi của đặc trưng của lớp ngăn bằng xi măng trộn với đất (Mô đun đàn hồi và bề dày tường xi măng – đất)
3.2 Phương pháp PTHH
Phần mềm Plaxis 2D được sử dụng mô phỏng lún bề mặt nền đất trên đỉnh hầm dựa trên giá trị mất mát thể tích VL(%) Mô hình Mohr - Culomb được chọn để mô phỏng ứng
Trang 3xử đất nền, bài toán thoát nước (Drained), tải
trọng tính toán tại vị trí nghiên cứu gồm: Nhà
hát, giao thông, móng Nhà hát (hình 3)
Hình 3 Mô hình phân tích bằng Plaxis 2D
Giá trị độ lún phụ thuộc vào giá trị mất
mát thể tích VL(%) theo từng loại đất và công
nghệ thi công
- Đối với đất cát: 0,5%; đất sét 1%÷2%
thi công bằng công nghệ gương kín (New &
O’Reilly 1991)
- Tham khảo dự án Circle Line -
Singapore địa chất tương tự TP.HCM chọn
VL = 1% thiên về an toàn
Tác giả đề xuất VL= 1% đảm bảo an toàn
4 Kết quả tính toán
Để so sánh các trường hợp trước và sau
khi gia cố nền, tác giá đề xuất các trường hợp
để phân tích độ lún bề mặt đất nền như sau:
1 Vị trí khảo sát tại hai điểm gồm:
Điểm A (mặt nền đất trên đỉnh hầm) và điểm
B (góc phải nhà hát cách tim hầm 9,14m);
2 Khi nền chưa gia cố, phân tích độ lún
với trường hợp tải trọng bên trên, thi công
hầm dưới trước, hầm trên sau;
3 Khi nền gia cố Jet - Grouting phân
tích độ lún với trường hợp tải trọng bên trên,
xử lý nền bằng Jet - Grouting trước, tiếp theo
thi công hầm dưới, sau cùng thi công hầm
trên;
4 Khảo sát mối quan hệ về độ lún bề
mặt với giá trị mô đun đàn hồi và bề dày
tường xi măng – đất
4.1 Kết quả tính toán độ lún của nền
chưa gia cố
Hình 4 Kết quả chuyển vị trường hợp không gia cố
Hình 5 Giá trị lún bề mặt S(mm) tại hai điểm khảo
sát
Nhận xét:
- Độ lún lớn nhất tại hai điểm khảo sát tăng so với lúc chưa thi công, điểm A tăng từ 14,62mm lên 38,71mm; điểm B tăng từ 52,48mm lên 61,04mm
- Lúc thi công TBM đất nền bên dưới, ngoài việc chịu tải trọng của tòa nhà, giao thông còn có thêm tải trọng của TBM và vỏ hầm và mất mát thể tích khi đào Điều này dẫn đến độ lún bề mặt tăng lên là hợp lý
- Tuy nhiên giá trị độ lún lớn nhất vẫn lớn hơn độ lún cho phép 10mm nên cần phải đưa ra giải pháp xử lý gia cố nền trước khi thi công hầm
4.2 Kết quả tính toán độ lún của nền được gia cố Jet - Grouting
Mô hình nghiên cứu
NHTP là biểu tượng nghệ thuật và lịch
sử của TP.HCM, nên bảo vệ công trình này trong quá trình thi công được ưu tiên, với độ lún cho phép nhỏ hơn 10mm
Hình 6 Mô hình gia cố bằng Jet-Grouting tại NHTP
Phương pháp Jet - Grouting được đề xuất trong thiết kế sơ bộ dạng khung xung quanh hầm chiều dài vùng gia cố 83,5m đi qua vị trí NHTP (TKCS – BQLĐSĐT - 2010)
Trang 4Bảng 4 Thông số đặc trưng Jet-Grouting
Nguồn: BQLĐSĐT-03/2016
Trong bài nghiên cứu này, chỉ thay đổi
giá trị E và như sau:
- Bề dày tường XM-Đ [] thay đổi như
sau: 0,5m; 1,0m; 1,5; 2,0m; 2,5m; 3,0m;
3,5m
- Mô đun đàn hồi E thay đổi như sau:
120MPa; 140MPa; 160MPa; 180MPa (BQL
ĐSĐT); 200MPa
Kết quả tính toán
a) Quan hệ E-S với cố định
Tính toán ban đầu với E = [120÷200]
MPa và = 2,7m (TKCS-BQL ĐSĐT-2010)
để khảo sát độ lún lớn nhất theo E Kết quả
tính toán như sau:
Hình 7 Quan hệ Mô đun đàn hồi E và độ lún bề mặt
S ứng với giá trị =2,7m
Nhận xét:
Với kết quả tính toán và đồ thị biểu diễn
mối quan hệ giữa E-S cho ta thấy
- Tại điểm A: Khi E = [120÷180]MPa
độ lún bề mặt giảm từ 11,99mm xuống
9,91mm và giảm chậm khi E =
[180÷200]MPa từ 9,91mm xuống 9,71mm tất
cả thỏa mãn nhỏ hơn 10mm
- Tại điểm B: Khi giá trị E =
[120÷200]MPa độ lún giảm dần nhỏ hơn
10mm
=> Để Smax < 10mm khi sử dụng vữa có
E = [180 ÷ 200] MPa Với E = 180MPa độ
lún cho phép 9,91mm < 10mm, giá trị E này
tối ưu nhất thiết kế (BQLĐSĐT -2016), khi E
> 200MPa độ lún giảm nhưng gây khó khăn
cho việc tạo ra vữa có cường độ cao gây tốn kém thời gian và kinh phí thực hiện
b) Quan hệ E-S- cho độ lún bề mặt
Để xác định quan hệ E-S-, giá trị E = [120 ÷ 180] MPa và = [0,5 ÷ 3,5] m Khảo sát độ lún bề mặt tại 2 điểm A và B
Hình 8 Quan hệ E-S- tại điểm A
Hình 92 Quan hệ E-S- tại điểm B
Hình 30 Biểu đồ ứng suất xx - zz tại điểm B
Kiểm tra độ ổn định của nền đất tại góc móng NHTP tại B cách mặt đất 0,6m:
- Sinmax (chưa gia cố) = 0o7’18” <25o (ổn định)
- Sinmax (gia cố) = 0o7’23” < 25o
(ổn định) Kiểm tra sức chịu tải của đất nền tại góc móng NHTP tại B cách mặt đất 0,6m:
- Ptc = 73,2(kN/m2) < Pgh = 319,88(kN/m2)
ổn định của đất nền
Hình 41 Đồ thị so sánh độ lún S Ei - S qt
Trang 5- Tại điểm A, với E = [180÷200] MPa
và =2,7 m có S lần lượt là 9,91 mm và 9,71
mm lớn hơn độ lún quan trắc 7,6mm (Báo
cáo quan trắc – BQL ĐSĐT – 6/2016)
- Tại điểm B, với E = [180÷200] MPa
và =2,7 m có S lần lượt là 5,58 mm và 5,81
mm xấp xỉ độ lún quan trắc 5,6mm (Báo cáo
quan trắc – BQL ĐSĐT – 6/2016)
Nhận xét:
Từ kết quả tính và đồ thị thể hiện tại 2
điểm A, B theo các trường hợp tăng mô đun
đàn hồi E và bề dày tường cho thấy mức độ
lún giảm dần và đạt độ lún cho phép <10 mm
- Ứng suất tại vị trí góc móng NHTP
cách mặt đất 0,6m có tăng khi thi công hai
hầm và có giá trị giảm khi gia cố nền trước
khi thi công hai hầm
- Giá trị độ lún cho nền tại hai điểm
A,B so với quan trắc thực tế có giá trị chênh
lệch trong quá trình tính toán và mô phỏng
bằng phần mềm Nhưng giá trị chênh lệch
này không quá lớn so với thực tế quan trắc
vẫn đảm bảo an toàn trong phạm vi cho phép
- Tại điểm A, với E = [120÷140] MPa
và = 3,5 m có độ lún S lần lượt là 9,98mm
và 9,49mm nhỏ hơn độ lún cho phép 10mm
- Tại điểm A, với E = 160MPa và =
3,0 m có độ lún S là 9,99 mm < 10mm
- Tại điểm A, với E = [180÷200]MPa
và =2,7 m có S lần lượt là 9,91 mm và 9,71
mm nhỏ hơn độ lún cho phép 10 mm
- Tại điểm B, với mọi giá trị E và độ
lún S trong khoảng [8,47÷5,09] mm < 10mm
5 Kết luận và khuyến nghị
5.1 Kết luận
Từ các kết quả nghiên cứu trên, tác giả
rút ra các kết luận sau:
- Độ lún bề mặt phụ thuộc vào công
nghệ và việc kiểm soát quá trình vận hành
máy đào trong lúc thi công
- Giá trị VL = 1% là giá trị an toàn để
kiểm soát quá trình tính toán lún bề mặt
- Phương pháp gia cố nền Jet - Grouting
phù hợp với địa chất tại dự án, giảm độ lún
bề mặt, ta nhận thấy mối quan hệ chặt chẽ
giữa mô đun đàn hồi và bề dày tường xi
măng – đất
- Với E = [180 ÷ 200] MPa độ lún nằm trong giới hạn cho phép và chiều dày tường = 2,7
m đảm bảo chịu lực, tiết kiệm chi phí
- Khi E > 180MPa và chiều dày tường tăng từ 2,7÷3,5m chiếm nhiều diện tích trong điều kiện chật hẹp và kinh phí thi công cao
5.2 Khuyến nghị
Từ các đánh giá trên công nghệ Jet-Grouting để giảm độ lún bề mặt nền nhỏ hơn 10mm tại khu vực NHTP là phù hợp
- Chiều dày tường được khuyến nghị [2,7 ÷ 3,0] m là tối ưu đảm bảo yêu cầu về độ lún bề mặt cho phép và bảo vệ công trình Nhà hát Thành phố trong quá trình thi công
- Mô đun đàn hồi vữa phun nằm trong khoảng [180 ÷ 200] MPa được xem phù hợp với các loại thông số vữa hiện nay; trên thế giới, mô đun đàn hồi của vữa phổ biến nhỏ hơn 500MPa [6]
Tài liệu tham khảo
[1] Attewell, P B, Yeates, J & Selby, A R (1986),
Soil movements induced by tunnelling and their efects on pipelines and structures, Blackie and
Son Ltd, UK;
[2] Maidi, B (1996), Mechanised Shield Tun-nelling, Wiley-VCH, 1 st edition, 446 papers;
[3] Ban Quản lý Đường sắt Đô thị - Tài liệu thiết kế (2010 – 2016);
[4] O’Reilly, M P and B M New (1982), Settle-ment aboved tunnels in the United
Kingdom-Their magnitude and prediction, Brighton, Engl,
Inst of Mining & Metallurgy, Volume 20, Issue 1,
paper173-181;
[5] Peck, R B (1969), Deep excavations and
tun-nelling in soft ground, The 7 th International Conference Soil Mesh, Mexico City, State of the
art 3, paper 225-290;
[6] Nguyễn Tăng Thanh và Trần Nguyễn Hoàng
Hùng (2011), Đặc trưng của đất-xi dùng công
nghệ phụt vữa cao áp (Jet-Grouting) để giảm lún
bề mặt khi thi công tuyến Metro số 1 bằng máy khiên đào TBM ở TP.Hồ Chí Minh, Tạp chí
GTVT (12/2011), trang 23-26
Ngày nhận bài: 6/10/2016 Ngày chuyển phản biện: 10/10/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 31/10/2016 Ngày chấp nhận đăng: 7/11/2016