Phân tích độ lún nền đường trong thi công hầm khiên đào tuyến metro số 01 Tp. HCM

8 DANH MỤC KÍ HIỆU D Đường kính hầm d Khoảng cách giữa 2 trục của hầm đôi trục hầm đến điểm uốn của đường cong lún j Hệ số bề rộng vùng lún lõm theo phương dọc trục hầm khoảng cách giữa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẰN ANH TUẤN Ngày tháng năm sinh: 14/12/1987 Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

Chương 3: Phân tích mô phỏng độ lún nền đường trong thi công hàm khiên đào tuyến metro so

01 Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 26/02/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM

Tp HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2018

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MSHV: 1670182 Nơi sinh: Quảng Trị

Mã số: 60 58 02 11

PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

PGS.TS Lê Bá Vinh

Thêm nữa, tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè, đồng nghiệp, đặc biệt là các anh chị trong nhóm học tập chung từ những ngày đầu tham gia khoá học, về sự hỗ trợ, động viên dành cho tác giả trong suốt thời gian qua

Kính chúc mọi người nhiều sức khoẻ và những điều tốt đẹp nhất

Thành phố Hồ Chi Minh, thảng 06 năm 2018

Học viên

Trần Anh Tuấn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này sử dụng các dữ liệu thục tế của tuyến Metro số 01, gói thầu CP-lb, đoạn hầm ngầm từ Ga Ba Son đến Ga Nhà hát, để tính toán phân tích độ lún nền Các dữ liệu được ghi nhận cụ thể cho tuyến hầm bao gồm số liệu địa chất - thủy văn, các công trình hiện hữu bên trên, trình tự và biện pháp thi công, đặc điểm kết cấu hầm và kết quả đo quan trắc lún thực địa Luận văn đi vào phân tích lún nền của tuyến hầm này, sử dụng mô phỏng các mặt cắt dọc theo tuyến bằng phần mềm Plaxis 8.5, và so sánh với kết quả quan trắc thực tế, từ đó đánh giá các thông số gây tác động đến lún nền Kết quả cho thấy với một bộ thông số địa chất được chọn, đa số mặt cắt cho ra kết quả độ lún phù hợp với thực tế, tuy nhiên một số mặt cắt lại cho kết quả sai khác khá lớn Ngoài ra, độ lún cho thấy sự phụ thuộc lớn vào hệ số mất mát thể tích, được mô phỏng bằng hệ số co của vỏ hầm trong phần mềm Plaxis Tính toán cho thấy với hệ số này là 1.5% cho dọc tuyến, thì kết quả cho thấy độ lún tính toán ra của đa số các mặt cắt là phù hợp với thực tế, và gần như không sai khác nhau nhiều

ABSTRACT

This thesis used real data from Ho Chi Minh City Urban Railway Construction Project, line 1, contract package lb, underground section from Bason station to Opera House station, to analyse settlement of the ground The recorded data include geotechnical and water information, the existed buildings, construction method, properties of tunnel lining and surveyed settlement data This thesis analysed vertical deformation of this tunnel section, by using Plaxis 8.5, to model sections along the undergound line, and then compare with survey data, to evaluate parameters that affectted to ground settlement The result shows that with one selected set of geotechnical parameters, most of analized sections have ground movement comformed with actual data, but some sections have big difference And the settlement, is depended significantlt on the volume loss, that is simulated by contraction increment ratio to the tunnel lining With this ratio is 1.5% for all sections, the calculated results and real surveyed data are the same, and along the tunnel line, the ground settlements are not so different

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH 5

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC KÍ HIỆU 8

PHẰNMỞ ĐẦU 9

1 Tính cấp thiết của đề tài 9

2 Mục đích và nhiệm vụ 9

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

4 Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu 10

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 10

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 11

1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 11

Nghiên cứu của Sengupta A 11

Nghiên cứu của Fang, Y 12

Nghiên cứu của Mooney, M.A 14

Nghiên cứu của Wang 15

1.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 17

1.3 Những vấn đề còn tồn tại 20

1.4 Những vấn đề mà đề tài sẽ tập trung nghiên cứu, giải quyết 20

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22

2.1 Biến dạng nền đất 22

2.2.1 Vùng biến dạng 22

2.1.2 Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến dạng 22

2.1.3 Các thành phần biến dạng 23

2.1.4 Lún của mặt đất 25

2.2 Phương pháp của Peck và Schmidt 25

2.3 Phương pháp của Cording và Hansmire 27

2.4 Phương pháp của Atkinson và Potts 29

2.5 Phương pháp của Attewell và Woodman 31

2.6 Phương pháp của O'Reilly và New 32

2.7 Phương pháp của Lin và Hou 33

2.8 Phương pháp của Fang, Y., He, c., Nazem, A 34

2

2.9 Ảnh hưởng của biến dạng mặt đất đến các công trình xây dựng gần kề 34

CHƯƠNG 3 - PHÂN TÍCH ĐỘ LÚN NỀN ĐƯỜNG TRONG THI CÔNG HẦM KHIÊN ĐÀO TẠI TUYẺN METRO SỐ 01 TP HCM 37

3.1 Giới thiệu về công nghệ hầm khiên đào 37

Cấu tạo máy TBM cho đất mềm 37

3.2 Giới thiệu về tuyến Metro số 01 thành phố HCM, gói thầu CP-lb 38

3.2.1 Các ga ngầm 39

3.2.2 Hầm khoan 39

3.2.3 Công trình hiện hữu 39

3.3 Kết quả Khảo sát Địa chất 40

3.3.1 Số lượng hố khoan khảo sát địa chất 40

3.3.2 Mặt bằng và mặt cắt địa chất 40

3.3.3 Thí nghiệm hiện trường 40

3.3.4 Thí nghiệm trong phòng 41

3.3.5 Quan trắc mực nước ngầm 41

3.4 Điều kiện đất nền và địa chất 42

3.4.1 Đất đắp 42

3.4.2 Đất bồi 42

3.4.3 Đất lũ tích 43

3.4.4 Điều kiện mực nước ngầm 43

3.5 Trình tự thi công 44

3.5.1 Công tác gia cố nền đất tại khu vực phóng máy TBM 44

3.5.2 Phóng máy TBM và khoan bước đàu 44

Công tác chuẩn bị trước khi phóng máy TBM 44

Chi tiết quá trình phóng 45

3.5.3 Đào chính thức 46

3.5.4 Đón đầu khoan phía ga Nhà hát 46

3.5.5 Quy trình lắp ráp vỏ hầm 48

3.6 Tính toán độ lún nền 49

3.6.1 Thông số vật liệu 50

a Thông số vỏ hầm 50

b Thông số đất nền 51

c Thông số tấm Plate 52

3.6.2 Các mặt cắt được mô phỏng 53

3

a Mặt cắt KM 0+861 53

b Mặt cắt KM 0+940 53

c Mặt cắt KM 0+966 53

d Mặt cắt KM 1+033 54

e Mặt cắt KM 1+086 54

f Mặt cắt KM 1+161 55

g Mặt cắt KM 1+235 55

h Mặt cắt KM 1+320 56

i Mặt cắt KM 1+400 56

j Mặt cắt KM 1+534 57

3.6.3 Lún khi thicông tuyến Đông 58

KM 0+861 58

KM 0+940 58

KM 0+966 59

KM 1+033 60

KM 1+086 60

KM 1+161 61

KM 1+235 62

KM 1+320 62

KM 1+400 63

KM 1+534 64

3.6.4 Lún khi thicông tuyến Tây 65

KM 0+861 65

KM 0+940 65

KM 0+966 66

KM 1+033 67

KM 1+086 67

KM 1+161 68

KM 1+235 69

KM 1+320 69

KM 1+400 70

KM 1+534 71

3.7 Đối chiếu với kết quả quan trắc 71

4

3.7.1 Lún của tuyến Đông 71

3.7.2 Lún của tuyến Tây 73

3.8 Đánh giá kết quả 73

CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

1 Kết quả của nghiên cứu 74

2 Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo 74

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

5

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Đường cong lún theo Peck 26

Hình 2.2 Quan hệ giữa i và độ sâu theo Peck 27

Hình 2.3 Quan hệ giữa p và vùng lún theo Cording và Hansmire 28

Hình 2.4 Quan hệ giữa w và z theo Cording và Hansmire 29

Hình 2.5 Hình dạng lún của hầm và bề mặt theo Atkinson 30

Hình 2.6 Quan hệ giữa Smax và Sc trong cát và sét theo Atkinson 31

Hình 2.7 Hệ trục không gian cho hầm theo Attewell 32

Hình 2.8 Hầm trong nền 2 lớp 33

Hình 2.9 Đường lún theo phương dọc hầm 34

Hình 3.1 Sơ đồ máy EPB TBM của hãng Herrenknecht, Đức 38

Hình 3.2 Sơ đồ máy ss TBM của hãng Herrenknecht, Đức 38

Hình 3.3 Vị trí bơm vữa áp lực cao tại khu vực phóng máy TBM ở ga Ba Son 44

Hình 3.4 Bước thi công lắp dựng đốt T1R 46

Hình 3.5 Bước thi công lắp dựng các đốt hầm chính 1R đến 5R 46

Hình 3.6 Quá trình đón máy TBM tại ga Nhà hát 48

Hình 3.7 Thứ tự lắp ráp các tấm vỏ hầm 49

Hình 3.8 Mặt cắt tại KM 0+861 53

Hình 3.9 Mặt cắt tại KM 0+940 53

Hình 3.10 Mặt cắt tại KM 0+966 54

Hình 3.11 Mặt cắt tại KM 1+033 54

Hình 3.12Mặt cắt tại KM 1+086 55

Hình 3.13 Mặt cắt tại KM 1+161 55

Hình 3.14 Mặt cắt tại KM 1+235 56

Hình 3.15 Mặt cắt tại KM 1+320 56

Hình 3.16 Mặt cắt tại KM 1+400 57

Hình 3.17 Mặt cắt tại KM 1+534 58

Hình 3.18 Kết quả phân tích lún tuyến Đông 65

Hình 3.19 Kết quả phân tích lún tuyến Tây 71

Hình 3.20 Giá trị độ lún dọc tuyến tính toán và thực tế 72

6

Hình 3.21 Phân bố giá tri sai lệch tính toán và thực tế 72 Hình 3.22 Tổng hợp độ lún tuyến Đông khi thay đổi hệ số co 73

7

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Giá trị a cho các loại đất 31

Bảng 2.2 HệsốK 32

Bảng 2.3 Phân nhóm hư hỏng của các công trình trên mặt đất 35

Bảng 3.1 Bảng tổng hợp các hố khoan và thí nghiệm hiện trường thực hiện cho Ga Ba Son 40

Bảng 3.2 Các mặt cắt tính toán 50

Bảng 3.3 Độ lún cho phép của các kết cấu tòa nhà 50

Bảng 3.4 Bảng thông số mô hình vỏ hầm 50

Bảng 3.5 Bảng thông số mô hình đất nền 51

Bảng 3.6 Bảng thông số mô hình các Plate 52

Bảng 3.7 Độ lún của tuyến Đông 72

Bảng 3.8 Bảng tổng hợp độ lún tuyến Đông khi thay đổi hệ số co 73

8

DANH MỤC KÍ HIỆU

D Đường kính hầm

d Khoảng cách giữa 2 trục của hầm đôi

trục hầm đến điểm uốn của đường cong lún)

j Hệ số bề rộng vùng lún lõm theo phương dọc trục hầm (khoảng cách giữa 2 điểm uốn của đường cong lún)

K Hệ số không thứ nguyên trong công thức xác định i

VI Thể tích đất nằm giữa đường lún và đường bề mặt ban đầu trên lm dài tuyến hầm

X Tọa độ ngang theo mặt phẳng vuông góc với trục hầm yf Khoảng cách từ máy khoan đến điểm cuối của đoạn hầm yi Khoảng cách từ máy khoan đến điểm đầu của đoạn hầm z Độ sâu từ mặt đất đến trục hầm

O(a) Hàm phân phối chuẩn, 0(0) 0.5 và O(cc) 1

9

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Giao thông hàm sẽ là giải pháp của tương lai Áp lực lên hệ thống giao thông trên mặt đất tại các thành phố lớn, đông dân cư, hiện tại là không thể giải quyết được, nên đòi hỏi giải quyết vấn đề bằng giao thông hầm ngầm là rất cần thiết Elon Musk, CEO của công ty Tesla và Space X, trong một phỏng vấn của chương trình TED Talk về dự án đường hầm mới bên dưới thành phố Los Angeles, thiết kế để đạt vận tốc 200km/h, đã khẳng định rằng: “Không có giới hạn thực sự về việc bạn

có thể có bao nhiêu tầng đường hầm Bạn có thể đi xuống sâu nhiều hơn là đi lên Những hầm mỏ sâu nhất là sâu hơn rất nhiều so với những tòa nhà cao nhất, nên bạn có thể giảm thiểu mức độ tắc nghẽn giao thông với một hệ thống đường hầm kết nối không gian Đây là điểm rất quan trọng.” [1]

Để hỗ trợ cho hệ thống giao thông đường bộ hiện hửu, thành phố Hồ Chí Minh (TP HCM) hiện đang triển khai tuyến Metro số 01 Bến Thành - Suối Tiên, trong

đó có một đoạn là hầm ngầm, thi công bằng công nghệ khiên đào (TBM), nối từ

ga Ba Son đến ga Nhà hát thành phố Tuyến hầm này đi ngầm dưới các tuyến đường Tôn Đức Thắng, Ngô Vãn Năm, Nguyễn Siêu, với các công trình hiện hữu bên trên từ nhà thấp tầng đến nhà cao tầng

Trong quá trình thi công hầm ngầm, sẽ gây lún nền, ảnh hưởng đến các công trình bên trên Do đó, việc đánh giá tác động lún nền của thi công hầm ngầm là rất cần thiết, đặc biệt trong bối cảnh TP HCM sẽ còn rất nhiều công trình tương tự trong tương lai

2 Mục đích và nhiệm vụ

Nghiên cứu sẽ đi sâu phân tích lún nền của tuyến hầm Metro số 01, đoạn Ba Son

- Nhà hát thành phố, so sánh với kết quả quan trắc thực tế, từ đó đánh giá các thông số gây tác động đến lún nền, tương ứng với điều kiện địa chất, công trình hiện hữu của khu vực này Theo đó đề xuất giải pháp tính toán phù hợp với đặc điểm địa chất TP HCM, để có thể sử dụng cho các tuyến hàm trong tương lai

10

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào phân tích lún nền của tuyến Metro số 01, đoạn đi ngầm bằng công nghệ khiên đào từ ga Ba Son đến ga Nhà hát TP, chiều dài tuyến xấp

xỉ 780m, với 02 hầm ngầm (hầm đôi), tương ứng với 02 chiều đi và về

4 Cư sở lý luận và phưưng pháp nghiên cứu

Dựa vào các nghiên cứu đã có ở thế giới và Việt Nam, cùng với các lý thuyết phân tích tính toán độ lún cho hầm ngầm, để đề xuất các mô hình tính toán cho đề tài

Sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D, dự đoán độ lún của nền bên trên tuyến hầm ngầm, theo 02 lần thi công cho mỗi chiều đi và

về, sau đó đối chiếu với kết quả quan trắc thực tế, để đưa ra các kết luận

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

về ý nghĩa khoa học, đề tài sẽ phân tích làm rõ các yếu tố ảnh hưởng lên giá trị lún nền trong thi công hầm ngầm tại tuyến Metro số 01, và đưa ra các đề nghị khi tính toán độ lún này

về tính thực tiễn, đề tài là tài liệu tham khảo, phục vụ cho các tính toán tương tự cho các tuyến hàm ngầm trong tương lai tại TP HCM

11

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN

Nghiên cứu của Sengupta A., Baneijee R., Bandyopadhyay s được phát hành vào tháng 07/2017, với đề tài “Ước tính độ lún và rung bề mặt nền khi thi công tuyến Metro Đông-Tây ở thành phố Kolkata, Ấn Độ” [2],

Kolkata được xem là một trong những thành phố đông dân nhất thế giới Đường hầm tuyến Đông-Tây được xây dựng mới bên dưới thành phố để kết nối với tuyến Bắc-Nam hiện hữu, như hình 1.1, với tuyến hầm đôi đường kính 6 Im và cách nhau 15m, thi công bằng công nghệ TBM Nền đất chủ yếu gồm sét mềm và bồi đắp từ sông và lớp cát chặt bên dưới sâu Hầm nằm sâu 17m và 24m bên dưới mặt đất Bên trên là các công trình hiện hữu, nằm cách tâm tuyến hầm từ 19m đến 33m Nghiên cứu sử dụng phân tích phàn tử hữu hạn tĩnh và động, so sánh với các nghiên cứu thực tiễn về thi công hàm trên thế giới và với các phưorng pháp thực nghiệm, từ đó để đánh giá độ lún và độ rung bề mặt ảnh hưởng đến các công trình bên trên khi thi công hàm

Hình 1.1 Mặt bằng tuyến Metro ngầm Đông-Tây tại Kolkata, An Độ

Nghiên cứu kết luận rằng độ lún bề mặt do rung động của máy TBM là không đáng kể, có thể bỏ qua trong tính toán Độ lún của các tòa nhà bên trên do thi

12

công hầm là từ 0.6mm đến 06mm, độ nghiêng lớn nhất của công trình là 1:1600, đều nằm trong giới hạn cho phép Nghiên cứu chỉ ra các phương pháp phù hợp

để tính lún trong khi công hầm

Nghiên cứu của Fang, Y

Nghiên cứu của Fang, Y., He, c., Nazem, A., phát hành vào 02/2017, với đề tài

“Dự đoán lún bề mặt cho hầm khiên đào EPB trong đất cát” [3]

Công nghệ khoan hầm sử dụng máy TBM sẽ làm mất một phần thể tích đất, và đây là yếu tốc hình gây lún và biến dạng nền Các công thức dự đoán lún nền dựa vào sự mất mát thể tích đất của các mô hình trước đây bao gồm một thông số i gọi

là hệ số bề rộng vùng lún lõm (settlement trough width coefficient), bằng khoảng cách từ trục hầm đến điểm uốn của đường cong lún, là hằng số theo cả phương ngang và phương dọc Nghiên cứu đề xuất một mô hình mới, bổ sung thêm thông

số j - hệ số bề rộng vùng lún lõm theo phương dọc, khác với phương ngang Các tác giả sử dụng một mô hình thu nhỏ để thực hiện các thí nghiệm với gia tốc lg trong điều kiện đất cát không bão hòa, rồi so sánh với các nghiên cứu trước để để kiểm chứng công thức mới Công thức dự đoán lún mới được cải tiến từ công thức của Attewell and Woodman (1982) cho lún tại một điểm (x,y) trên mặt đất

z£2 r- (ỵ - ỵỉ\ ~ (V - yẠỊ Trong đó:

+ <b(a) là hàm phân phối chuẩn, <b(0)=0.5 và <h(co)=l

+ yi - Khoảng cách từ máy khoan đến điểm đàu của đoạn hàm

+ yf - Khoảng cách từ máy khoan đến điểm cuối của đoạn hầm

+ j - Hệ số bề rộng vùng lún lõm theo phương dọc trục hầm (khoảng cách giữa 2 điểm uốn của đường cong lún)

và công thức cải tiến của Liu and Hou (1991) cho 1 điểm ngay trên tâm tuyến

so với các công thức cũ.

14

í -III 111, tnc<w

Hình 1.2 Mô hình máy khoan được sử dụng trong nghiên cứu của Fang, Y

Nghiên cứu của Mooney, M.A

Nghiên cứu của Mooney, M.A., Grasmick, J., Clemmensen, A., Thompson, A., Prantil, E., & Robinson, B., với đề tài “Biến dạng đất nền từ hệ thống đào nhiều hàm: Phân tích của các hàm khoan ở Queens” Queens là một khu vực thuộc thành phố New York, Mỹ Dự án hầm khoan ở đây bao gồm bốn tuyến hầm Metro gần mặt đất, đi bên dưới các tuyến đường sắt hiện hữu của vùng Sunnyside Các hầm được đào bằng hai máy khoan TBM đường kính 6.9m xuyên qua nền đất phức tạp bao gồm các dạng khác nhau của đất có nguồn gốc băng trôi (glacial till soils) Bốn tuyến hàm dài tổng cộng 3207m, phân tuyến như hình 1.3 Các tác giả tính toán độ lún nền bằng phương pháp cổ điển, trong

15

đó giả định rằng hình dạng mặt lún là mặt Gaussian như hình 1.4, sau đó đối chiếu kết quả tính với các kết quả quan trắc thực tế theo các điểm đo bố trí dọc theo các tuyến Nghiên cứu kết luận rằng độ lún cho một hầm riêng lẻ (hầm đầu tiên) thì phù hợp với dạng Gaussian, tuy nhiên với nhiều tuyến hầm, việc cộng dồn các độ lún cho mỗi hầm là chưa phù hợp, và việc tính lún của hầm thứ hai,

ba, tư trong hệ thống nhiều hầm là không đom giản, đặc biệt khi địa chất khu vực này là rất phức tạp

Hình 1.4 Hình dạng mặt lún Gaussian

Nghiên cứu của Wang

Nghiên cứu của Wang, Fan & Gou, Biancai & Zhang, Qiling & Qin, Yawei & Li, Bo Với đề tài “Đánh giá độ lún nền khi thi công hầm khiên sử dụng phương pháp số và phương pháp thống kê” Trong nghiên cứu này, các tác giả kết hợp phương pháp số và

Hình 1.3 Tuyến hầm Metro ở Queens, NY

16

thống kế để dự đoán độ lún nền cho dự án Metro Wuhan ở Trung Quốc (hình 1.5) với các thông so địa chất như hình 1.6 Trong quá trình chuẩn thi trước thi công, bởi vì thiếu các dữ liệu đo đạc, phương pháp số được sử dụng để mô phỏng quá trình thi công Các yếu tố ảnh hưởng đến độ lún được nhận diện bằng cách đánh giá độ nhạy của mô hình với mỗi thông số đầu vào Trong quá trình thi công, dữ liệu các thông số này và kết quả quan trắc hiện trường được thu thập Sử dụng các dữ liệu này, một mô hình thống kê dựa trên một máy học aRVM (adaptive Relevance Vector Machine) được học để đưa ra

dự báo sự phát triển lún nền theo thời gian thực (real-time prediction) Kết quả mô phỏng cho thấy các yếu tố ảnh hưởng đến độ lún nền là thông số hình học, thông số địa chất,

và thông số vận hành máy đào Và mô hình máy aRVM có thể dự đoán chính xác và hiệu quả sự phát triển độ lún, cho thấy đây là công cụ có thể áp dụng rộng rãi để dự báo

độ lún trong các dự án hầm ngầm Metro

Hình 1.5 Mặt bằng tuyến Metro Wuhan, Trung Quốc

17

Hình 1.6 Mặt cắt địa chẩt tuyến Metro Wuhan, Trung Quốc

Nghiên cứu này cũng kết luận rằng việc chỉ sử dụng phương pháp số để dự đoán độ lún nền trong thi công hầm là còn nhiều vấn đề khó khăn để có được mô hình hiệu quả, bởi

vì thiếu các dữ liệu quan trọng về địa chất và điều kiện thi công thực tế Việc kết hợp phương pháp so và thống kê máy học là biện pháp bổ sung hiệu quả tuy nhiên cũng chỉ đáp ứng được trong điều kiện dự án cụ thể Do đó mô hình kết hợp cần được đánh giá thêm về độ tin cậy khi áp dụng các dự án khác

Nghiên cứu của Võ Phán, Nguyễn Quang Khải với đề tài “Phân tích mô hình tính toán biến dạng lún bề mặt khi thi công đường hầm metro bằng máy đào tổ hợp TBM khu vực TP.HCM” [6] Đề tài nghiên cứu cơ sở lý thuyết để lựa chọn phương pháp tính toán biến dạng lún bề mặt khi thi công đường hầm metro bằng máy đào tổ hợp TBM ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh, và đánh giá so sánh giữa các phương pháp tính theo công thức

lý thuyết, phần tử hữu hạn 2D và 3D

Nghiên cứu cho thấy, kết quả tính toán bằng phương pháp PTHH (chương trình Plaxis) luôn cho kết quả nhỏ hơn tính toán theo các công thức lý thuyết Lý do là trong các mô hình thực nghiệm trong lý thuyết không xét đến biến dạng của nền trong đất yếu, không xét đến ảnh huởng của nuớc ngầm đến biến dạng lún Mặt khác hạn chế của phương pháp tính lý thuyết là chỉ đúng với một số loại đất nhất định, ở một vùng nhất định Hom nữa phưomg pháp tính lý thuyết chua xét đến phần tử tiếp xúc giữa đất với hầm Phuomg

Nhóm nghiên cứu cho rằng, tính toán đường hầm trên nền đất yếu rất phức tạp, đòi hỏi phải có sự kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để có những đánh giá một cách tương đối ứng xử của đường hầm trong nền đất Khi qui hoạch xây dựng đô thị mới tại những vị trí sẽ xây dựng đường hầm kiến nghị các chủ đầu tư cần đánh giá

và có giải pháp thích hợp gia cố, bảo vệ trước các móng nông, nền các công trình Đối với khu vực đô thị kiến nghị cần phải xây dựng qui hoạch không gian ngầm đô thị Nghiên cứu của cùng hai tác giả này với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm Metro đến biến dạng mặt đất khu vực TP HCM” [7] 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 HCM, 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 hàm 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 Tác giả đã 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 Công trình nhà hiện hữu bên trên được mô phỏng trong Plaxis bằng tấm bản (plate) kết nối với các móng Các móng được mô hình bằng cách kết hợp tấm bản (plate) và neo (node-tonode anchors) để xét khả năng chịu mũi của cọc

19

và ma sát xung quanh thân cọc

Kết quả từ nghiên cứu cho thấy giá trị lún bề mặt đất lớn nhất khi thi công đường hầm bằng máy khoan đào tổ hợp TBM ứng với vùng địa chất yếu khu vực TP Hồ Chí Minh

là 125.817mm ứng với chiều sâu đặt hầm là 10m, đồng thời giá trị này giảm dần theo chiều sâu đặt hầm Với đường hầm có đường kính 7.8m trong điều kiện địa chất TP Hồ Chí Minh thì ở chiều sâu 40m giá trị lún bề mặt đất lớn nhất là 17.83 lmm có thể coi như ảnh hưởng không đáng kể đến các công trình trên bề mặt Ngoài ra, bề rộng đường cong lún theo phương ngang hầm đạt giá trị lớn nhất bằng 33 Im khi hầm đặt sâu 10m Bề rộng đường cong lún giảm theo chiều sâu đặt hàm nhưng vùng ảnh hưởng lún do thi công hầm gây ra đối với nền đất lại tăng khi chiều sâu đặt hầm tăng Đồng thời 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 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 <2cm và thay đổi không đáng kể

Hai tác giả cũng đánh giá rằng, việc xây dựng công trình ngầm có ảnh hưởng đến các công trình xây dựng hiện hữu trên mặt đất là điều khó tránh khỏi và mức độ ảnh hưởng lớn nhất khi thi công đường hầm nằm ngay dưới chân công trình đang hiện hữu trên bề mặt Với đường hầm chôn sâu H= 15m ở khu vực địa chất TP Hồ Chí Minh, kiến nghị các công trình có móng nông nằm trong phạm vi 15m kể từ tim hầm cần đánh giá và có biện pháp xử lý, bảo vệ thích hợp các móng nông, nền các công trình trước khi xây dựng hầm Khi công trình nằm ngoài phạm vi trên thì ảnh hưởng là không đáng kể vì chuyển

vị do xây dựng đường hầm gây ra là <lcm

Các nghiên cứu trên thế giới đã bổ sung và hoàn thiện thêm về lý thuyết và thực nghiệm cho các phương pháp tính toán độ lún nền khi thi công hầm đã có trước đây Tuy nhiên, cũng như các tác giá đã kết luận, sự phù hợp của việc áp dụng các lý thuyết này cho một

dự án cụ thể, đòi hỏi các nghiên cứu sâu hơn, bởi vì thiếu các dữ liệu quan trọng về địa chất và điều kiện thi công thực tế tại dự án được áp dụng

20

Các nghiên cứu tại Việt Nam, đã sử dụng các dữ liệu địa chất tại TP HCM để thực hiện các tính toán, và đưa ra các kết quả Tuy nhiên vào thời điểm các tác giả thực hiện nghiên cứu, vẫn chưa có dự án Metro ngầm nào được triển khai, do đó các nghiên cứu chỉ dừng

ở mức dự báo Ngoài ra, dữ liệu tính toán chưa đầy đủ, như thiếu mức độ chi tiết cho tuyến hầm cụ thể về thông tin địa chất, thông tín thực tế của các công trình hiện hữu bên trên, và quan trọng hơn là các dữ liệu quan trắc thực địa để so sánh và đánh giá kết quả tính toán

Đề tài này sử dụng các dữ liệu thực tế của tuyến Metro số 01, gói thầu CP-lb, đoạn hầm ngầm từ Ga Ba Son đến Ga Nhà hát, để tính toán phân tích độ lún nền Các dữ liệu được ghi nhận cụ thể cho tuyến hầm này, bao gồm: số liệu địa chất - thủy văn, các công trình hiện hữu bên trên, trình tự và biện pháp thi công, đặc điểm kết cấu hàm và kết quả đo quan trắc lún thực địa Theo đó, đề tài sẽ bổ sung và làm rõ hom các vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu truớc

sự cân bằng của trạng thái ứng suất - biến dạng trong khối đất bao xung quanh hang đào hoặc khi lắp đặt hệ khiên đào cùng với việc borm vữa lấp khe hở thi công

2.2.1 Vùng biến dạng

Đặc điểm của sự xuất hiện biến dạng được đặc trưng bởi sự tạo thành vùng biến dạng, được xác định bởi 2 mặt cắt chính, là mặt cắt ngang (settlement trough) và mặt cắt dọc tim hầm Kích thước và hình dạng của các mặt cắt này trên mặt đất được xác định:

+ Góc giới hạn vùng biến dạng p và nửa chiều dài vùng biến dạng w;

+ Đường cong biến dạng S(x), S(y);

+ Biến dạng thẳng đứng trên trục hầm s với giá trị lớn nhất Smax

Lưu ý rằng, trong thực tế xây dựng hầm tồn tại các vùng biến dạng mà trong đó không chỉ xuất hiện lún mà còn sự trồi của đất

2.1.2 Yêu tố ảnh hưởng đến quá trình biến dạng

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến dạng của khối đất, trong đó các yếu tố liên quan đến công nghệ xây dựng, điều kiện địa chất thuỷ vãn và đặc điểm kết cấu của hầm giữ vị trí quan trọng

+ Trong đất rời ẩm, biến dạng của đất xảy ra với tốc độ nhanh hơn rất nhiều so với đất dính Trong đất hỗn hợp các biến dạng và chuyển dịch này đuợc xác định cơ bản bằng điều kiện thế nằm của nó

22

+ Độ lớn của biến dạng tăng lên cùng với sự tăng kích thước mặt cắt ngang hàm; + Ảnh hưởng của các công trình xây dựng gần kề đến biến dạng của khối đất liên quan đến sự xuất hiện các biến dạng ban đầu của khối đất;

+ Chiều sâu đạt hầm ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình dịch chuyển và biến dạng Đối với hầm đặt nông, độ lún mặt đất xuất hiện nhanh và giá trị của chúng tăng lên khi giảm chiều sâu đặt hầm Đối với hầm đặt sâu thì ngược lại: độ lún mặt đất tăng lên khi tăng chiều sâu đặt hầm và tốc độ lún giảm gần như

là tuyến tính với độ sâu;

+ Ảnh hưởng của kết cấu vỏ hầm đến biến dạng và chuyển dịch của mặt đất liên quan đến biến dạng vỏ hầm, sự nén vào trong đất và các lý do khác;

+ Độ lún xuất hiện khi thi công hầm bằng khiên đào, thông thường có giá trị nhỏ hơn khi so sánh với các phương pháp đào mở Khi sử dụng phương pháp hạ mực nước ngầm và làm động cứng đất nhân tạo khi đào hầm bằng khiên đào

có thể gây ra độ lún phụ thêm hoặc sự trồi bề mặt đất

+ Biến dạng ngắn hạn của khối đất về cơ bản được gây ra bởi các nguyên nhân sau:

23

trong hang đã được đào hoặc sự trồi đất vào phía trong hang đã được đào hạơc sự trồi đất về phía ngược lại, và vì vậy sẽ làm xuất hiện biến dạng lún hoặc trồi của khối đất;

o Ma sát giữa vỏ khiên đào và đất trong quá trình di chuyển khiên đào dẫn đến sự phá huỷ đất xung quanh hang đào;

o Sự đào đất vượt quá, mà trong thực tế không thể tránh được, đặc biệt khi đào hầm trên đoạn cong;

o Sự tồn tại của khe hở thi công trong phần đuôi của khiên đào dẫn đến

sự trồi đất vào khe hở thi công và tiếp theo là biến dạng lún của đất

Độ lớn của biến dạng lún phụ thuộc vào thời gian và chất lượng lấp đẩy khe hở thi công Lưu ý rằng, áp lực bơm vữa lấp khe hở thi công quá lớn trong đất sét sẽ dẫn đến sự trồi mặt đất Biến dạng của khối đất có thể được gây ra bởi:

o Sự điều chỉnh khiên đào “ngoi lên” mà thường xuyên phải điều chỉnh

để bù lại sự “chìm xuồng” của nó trong khi chuyển dịch, điều đó có thể dẫn đến sự “đẩy ra” của đất phía trước khiên đào cùng với sự trồi của mặt đất;

o Sự “sai lệch” của khiên đào khi đào hầm dẫn đến làm rời rạc khối đất ở gương đào và sập đổ đất vào trong hầm, vì vậy, dẫn đến biến dạng lún của khối đất;

o Vận tốc di chuyển khiên đào gây ảnh hưởng đến biến dạng của đất (vận tốc càng lớn, biến dạng càng lớn) Điều đó liên quan đến mức độ phá huỷ đất xung quanh hang đào, ngoài ra vận tốc không đều trong thời gian khi đào hầm gây ra biến dạng lún lớn hom;

+ Biến dạng lâu dài của đất gây ra bởi biến dạng (biến hình elíp nằm ngang) và chuyển dịch của vòng vỏ hầm dưới tác động của tải trọng không cân bằng và nước ngầm bao quanh hầm Điều đó phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng các

ma sát của khiên đào và việc đào thừa đất Khi phần đuôi của khiên đào đi qua mặt cắt đang xét sẽ xuất hiện lún (trồi) của mặt đất do sự “nhả” ứng suất do sự tồn tại của khe hở thi công ở vỏ đuôi khiên đào hay sự vượt quá của áp lực borm vữa lấp khe hở thi công Độ lún này chiếm tỷ trọng lớn trong tổng độ lún Khi đào hầm trong đất sét yếu xuất hiện độ lún phụ thêm do sự bị rời rác hay phá vỡ của đất Độ lún cuối cùng (có giá trị lớn nhất), thông thường, đạt được sau khi di chuyển khiên đào khỏi mặt cắt đang xét với khoảng cách 3-5 D, còn sau đó tắt dần và ổn định

Peck [8] và Schmidt đã giả định rằng đường cong lún bề mặt có thể được mô tả bằng đường cong phân phối chuẩn (như hình 2.1)

25

Peck cũng giới thiệu một đồ thị giữa bề rộng i của đường lún và độ sâu của trục hầm theo các loại đất khác nhau (như hình 2.2)

26

Hình 2.2 Quan hệ giữa i và độ sâu theo Peck

Phương trình của đường nét đứt trong đồ thị này theo Schmidt:

(2i/D) = (Z/D)08~10Với:

+ D: đường kính hầm

+ Z: độ sâu từ mặt đất đến trục hầm

Cording và Hansmire [9] tập trung vào tính toán độ lún nền gây ra do thể tích đất mất đi Tác giả cho rằng giữa thể tích đất mất đi do đào hầm và thể tích đất trong vùng lõm của đường cong lún là khác nhau khá nhiều bởi vì đất bị nén lại tại bên hông hầm và bị nở ra khi có đất rời phía trên đỉnh hầm Theo đó, tác giả điều chỉnh bề rộng vùng lún (w) bằng cách sử dụng góc đứng (P), là góc giữa mặt thẳng đứng và đường vẽ từ hông hầm đến biên của vùng lún (như hình 2.3) Khi đó, thể tích đất mất đi:

J's — w $max

28

Hình 2.4 Quan hệ giữa w và z theo Cording và Hansmỉre

Phương trình đường cong lún vẫn theo công thức của Peck

Atkinson và Potts [10] cho rằng, biến dạng tại chu vi hầm sẽ chuyển qua khối đất và tạo thành lún ở bề mặt Độ lớn và hình dạng của vùng lún bề mặt có quan

hệ với độ lún đỉnh hầm, chiều sâu chôn hầm và đặc trưng đất (sét/cát) Thông qua các thí nghiệm mô hình, tác giả đề xuất mối quan hệ giữa thông số (i), chiều sâu đất phía trên đỉnh hầm (C), và đường kính hầm (D) như sau:

Hầm trong cát chặt vừa không có tải trên mặt đất

i = 0.25 (C + P)

Hầm trong cát chặt, sét cố kết nặng có tải trên mặt đất

i = 0.25(1.5C + £>) Tác giả cũng cho rằng hàm sẽ lún như hình 2.5, độ lún đỉnh hàm

(Sc) có quan hệ với thể tích đất mất đi trong khi đào (VT) theo công thức:

7Ĩ _ „

VT =ịDSc

29

Do đó, quan hệ giữa thể tích đất mất đi, cho lm dài theo tuyến hầm, tại mặt

đất và tại đỉnh hầm là:

Với a là một nữa bề rộng lỗ mở hầm khi đào

Hình 2.5 Hình dạng lủn của hầm và bề mặt theo Atkinson

Quan hệ giữa Smax và Sc được đề xuất theo hình 2.6 và theo công thức:

= 1.0 - a

Trong đó a là góc của đồ thị theo hình 2.6 và bảng 2.1

30

Attewell và Woodman [11] đề xuất phương trình tính độ lún cho 1 điểm có tọa độ (x,y) theo không gian hầm có hệ trục như hình 2.7

■'■(MI Trong đó:

+ <p(a) là hàm phân phối chuẩn, <P(0)=0.5 và <p(co)=l

+ yi - Khoảng cách từ máy khoan đến điểm đầu của đoạn hầm

+ yf - Khoảng cách từ máy khoan đến điểm cuối của đoạn hầm

31

2.6

Ngoài ra, hệ số i có thể xác định theo

i = 0.43Z + 1.1 (m) đối với đất dính

i = 0.28Z — 0.12 (m) đối với đất rời

Đối với nền hai lớp như hình 2.8, i xác định theo:

i = 043Za + 0.28Zb + 1.1 (m) cho hầm trong nền sét, phía trên là cát

i = 028Za 4- 0.43Zử — 0.12 (m) cho hầm trong nền cát, phía trên là sét

rư

-gian hầm tương

man bằng cách oan (VÌh) và tại ntrục hầm

33

Trong đó:

+ <b(a) là hàm phân phối chuẩn, <b(0)=0.5 và <b(co)=l

+ yi - Khoảng cách từ đàu cắt của máy khoan đến điểm đàu của đoạn hầm + yf - Khoảng cách tù đầu cắt của máy khoan đến điểm cuối của đoạn hầm + yi’ - Khoảng cách từ đuôi của máy khoan đến điểm đầu của đoạn hầm

+ yf - Khoảng cách từ đuôi của máy khoan đến điểm cuối của đoạn hầm

Như đã trình bày ở mục 1.1, Fang [3] đã giới thiệu công thức mới, có kể đến hệ

số j, xác định bằng khoảng cách giữa hai điểm uốn của đường lún theo phương dọc hầm (hình 2.9) Theo đó, j sẽ khác nhau đối với chiều dài máy khoan khác nhau Điều này rõ ràng phù hợp hom khi các công thức trước chỉ sử dụng hệ số

i giống nhau cho mọi vị trí

Hình 2.9 Đường lún theo phương dọc hầm

Các công thức mới của Fang được trình bày trong mục 1.1

Lún mặt đất gây ra biến dạng của các ngôi nhà và công trình rơi vào trong vùng biến dạng Mức độ ảnh hưởng của chúng phụ thuộc vào độ lún của mặt đất, hình dạng, kích thước và trạng thái kỹ thuật-khai thác của kết cấu công trình và vị trí phân bố của ngôi nhà và các công trình trong vùng biến dạng của mặt đất Các ngôi nhà nằm ở phần trung tâm của vùng biến dạng phải chịu ảnh hưởng của

độ cong âm (lõm) của mặt đất, và vì vậy biến dạng sẽ phát triển nói chung ở các

34

tầng thấp và móng công trình Ỏ các vùng xây dựng liền kề nhau do sự nghiêng của các ngôi nhà bên cạnh, các ngôi nhà nằm gần đó có thể chịu biến dạng phụ thêm ở dạng đè hay ép của các bức tường, điều đó kèm theo sự phá vỡ các bức tường ở các đoạn riêng biệt Các ngôi nhà roi vào khoảng biên của vùng biến dạng chịu tác động của độ cong dương (lồi) của mặt đất, mà gây ra biến dạng, trước tiên ở các tầng phía trên Bất lợi nhất cho các ngôi nhà mà nằm ở đoạn uốn của vùng biến dạng chịu tác động kép của độ cong âm và dương của vùng biến dạng

Ảnh hưởng lớn nhất đến các ngôi nhà gây ra bởi biến dạng thẳng đứng của mặt đất:

độ nghiêng và độ cong Độ nghiêng của móng dẫn đến sự nghiêng của các ngôi nhà, còn độ cong gây ra sự uốn trong chúng Biến dạng ngang kéo và nén tác động lên kết cấu của các ngôi nhà ở dạng lực ma sát ở đáy và các mặt bên của móng Ảnh hưởng của các biến dạng ngang, nói chung, nhỏ hơn nhiều ảnh hưởng của các biến dạng đứng, bởi vì rằng chúng tác động trên các đoạn ngắn, không xâm chiếm toàn bộ ngôi nhà

Để đánh giá ảnh hưởng biến dạng lún mặt đất đến ngôi nhà tồn tại nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có thể kể đến các phương pháp của giáo sư Wahls (1981), Borcardin và Cording (1987), Attewell (1986)

Trong nghiên cứu của Attewell và các nhà khoa học khác sự hư hỏng của các ngôi nhà và công trình trên mặt đất được chia ra 4 nhóm phụ thuộc vào độ nghiêng và