Ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm dùng công nghệ cân bằng áp lực đất đến biến dạng đất nền áp dụng cho khu vực tp hcm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI THÀNH PHƯỚC ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM DÙNG CÔNG NGHỆ CÂN BẰNG ÁP LỰC ĐẤT ĐẾN BIẾN DẠNG ĐẤT NỀN - ÁP DỤNG CHO KHU VỰC TP... TRƯỜNG ĐẠI HỌC B

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÙI THÀNH PHƯỚC

ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM DÙNG CÔNG NGHỆ CÂN BẰNG ÁP LỰC ĐẤT ĐẾN BIẾN DẠNG ĐẤT NỀN - ÁP DỤNG CHO KHU VỰC TP HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình giao thông

Mã ngành: 60 58 02 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2019

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM DÙNG CÔNG NGHỆ CÂN BẰNG ÁP LỰC ĐẤT ĐẾN BIẾN DẠNG ĐẤT NỀN - ÁP DỤNG CHO KHU VỰC TP HCM.

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình giao thông

Mã ngành: 60 58 02 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ BÁ KHÁNH

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2019

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch hội đồng: TS NGUYỄN MẠNH TUẤN

2 Thư ký hội đồng: TS LÊ VĂN PHÚC

3 CB Phản biện 1: GS.TSKH NGUYỄN VĂN THƠ

4 CB Phản biện 2: TS HUỲNH NGỌC THI

5 Uỷ viên hội đồng: TS LÊ ANH THẮNG

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

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Trang 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: BÙI THÀNH PHƯỚC MSHV: 1670111…

Ngày, tháng, năm sinh: 18/08/1993 Nơi sinh: BÌNH ĐỊNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình giao thông Mã số : 60 58 02 05

I TÊN ĐỀ TÀI:

Ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm dùng công nghệ cân bằng áp lực đất đến biến dạng đất nền- áp dụng cho khu vực Tp HCM

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tổng quan các nghiên cứu về ảnh hưởng của thi công hầm bằng phương pháp khiên đào (tập trung cho pp phần tử hữu hạn)

2 Tổng quan nghiên cứu lý thuyết tính toán ảnh hưởng của thi công hầm bằng phương pháp khiên đào đến biến dạng nền đất

3 Phân tích ảnh hưởng của thi công hầm bằng phương pháp khiên đào đến biến dạng nền đất

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 13/08/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2019

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

TS LÊ TUẤN ANH

Trang 5

HV: Bùi Thành Phước MSHV: 1670111

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bài Luận văn này, tôi xin trân trọng cảm ơn Thầy TS Lê Bá Khánh đã giúp đỡ, tận tình hướng dẫn và cung cấp các thông tin cần thiết để tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành Xây dựng công trình giao thông Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Bộ môn Cầu đường và Khoa Sau Đại học của trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, các bạn trong lớp cao học Xây dựng công trình giao thông K2016, các đồng nghiệp đã giúp tôi trong suốt thời gian học tập và hoàn thiện luận văn

Xin gửi lời cám ơn đến công ty Pontech JSC nơi tôi làm việc, đã tạo điều kiện cho tôi theo học chương trình thạc sĩ và hoàn thành luận án này

Xin cảm ơn mọi người trong gia đình tôi đã luôn hỗ trợ và đồng hành trong mọi bước đi của tôi

Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên học viên cũng khó tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Tôi rất mong được sự giúp đỡ và đóng góp của quý Thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để các vấn đề phân tích cũng như báo cáo đề tài được hoàn thiện hơn

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019

Học viên

Bùi Thành Phước

Trang 6

CHƯƠNG 3:PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM ĐẾN BIẾN DẠNG ĐẤT NỀN VÀ CÔNG TRÌNH LÂN CẬN

Phân tích ảnh hưởng của quá trình đào hầm theo công nghệ TBM-EPB bằng phần mềm PLAXIS 2D và 3D đoạn đi ngầm của tuyến Đường sắt đô thị số 1 Bến Thành – Suối Tiên (TP HCM) (đoạn ga Ba Son – Nhà hát thành phố)

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các

số liệu trong luận án là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả của luận án chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận án

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019

Học viên

Bùi Thành Phước

Trang 8

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHIÊN ĐÀO TRONG NỀN ĐẤT YẾU 4

1.1 Giới thiệu công nghệ khiên đào trong đất yếu 4

1.1.1 Công nghệ khiên cân bằng áp lực đất TBM-EPB 5

1.1.2 Công nghệ khiên dung dịch bùn TBM-SPB 6

1.2 Lựa chọn công nghệ khiên đào trong đất yếu 6

1.3 Sự cố khi áp dụng công nghệ khiên đào trong đất yếu 7

1.3.1 Một số sự cố 7

1.3.2 Tóm tắt về nguyên nhân sự cố 9

1.4 Nhận xét của chương 9

CHƯƠNG 2: BIẾN DẠNG NỀN ĐẤT KHI ĐÀO HẦM BẰNG KHIÊN ĐÀO 11

2.1 Phân tích hiệu ứng gương đào 11

2.1.1 Phương pháp thông thường 11

2.1.2 Phương pháp nêm trượt 12

2.2 Biến dạng nền đất khi áp dụng công nghệ khiên đào 15

2.2.1 Các yếu tố gây ra hiện tượng biến dạng nền đất 15

2.2.2 Dự đoán biến dạng bằng phương pháp thực nghiệm 16

2.2.2.1 Đặt vấn đề 16

2.2.2.2 Biến dạng mặt đất theo phương ngang 17

2.2.2.3 Biến dạng mặt đất theo phương dọc (hướng thi công) 19

Trang 9

2.2.2.4 Biến dạng bên dưới mặt đất theo phương ngang 20

2.2.2.5 Phương trình biến dạng của nền đất dựa trên thông số độ hở 21

2.2.3 Một số hướng nghiên cứu trong và ngoài nước 24

2.2.3.1 Một số nghiên cứu ở nước ngoài 24

2.2.3.2 Một số nghiên cứu ở Việt Nam 29

2.2.4 Ứng dụng PP PTHH trong phân tích công nghệ khiên đào 29

2.2.4.1 Phần mềm Plaxis và nguyên lý tính toán 30

2.2.4.2 Hệ số an toàn 31

2.2.4.3 Mô phỏng quá trình đào hầm theo công nghệ khiên đào 32

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM ĐẾN BIẾN DẠNG ĐẤT NỀN VÀ CÔNG TRÌNH LÂN CẬN 38

3.1 Số liệu của tuyến Metro Số 1, từ ga Ba Son đến Nhà Hát Lớn 38

3.1.1 Trắc dọc và bình đồ 38

3.1.2 Kích thước mặt cắt ngang hầm 38

3.1.3 Thông số đất nền của dự án 39

3.1.4 Vật liệu hầm TBM, tòa nhà và cọc 41

3.1.5 Vị trí tiến hành phân tích 41

3.2 Phân tích biến dạng nền đất đoạn thi công ngầm tuyến Metro số 1 44

3.2.1 Xác định áp lực đào 44

3.2.1.1 Đặt vấn đề 44

3.2.1.2 Xây dựng mô hình 45

3.2.1.3 Trường hợp không có tải thi công trên mặt đất 46

3.2.1.4 Trường hợp có tải thi công trên mặt đất 48

3.2.1.5 Nhận xét 51

3.2.2 Kiểm chứng mô hình FEM 52

Trang 10

3.2.2.1 Đặt vấn đề 52

3.2.2.3 Kết quả phân tích 60

3.2.2.4 Kết luận 64

3.2.3 Ảnh hưởng thi công hầm đến ứng suất – biến dạng của đất nền xung quanh 65

3.2.3.1 Đặt vấn đề 65

3.2.3.3 Ảnh hưởng thi công hầm đến ứng suất – biến dạng của đất nền xung quanh 67

3.2.3.4 Ảnh hưởng hệ số giải phóng ứng suất đến sự chuyển vị của đất và nội lực của hầm 71

3.2.3.5 Kết luận 74

3.2.4 Ảnh hưởng của độ cứng tương đương của tòa nhà đến biến dạng của đất nền 75

3.2.4.1 Đặt vấn đề 75

3.2.4.4 Nhận xét 82

3.2.5 Phân tích sự tương tác của hệ đường hầm - móng sâu - nền đất 83

3.2.5.1 Đặt vấn đề 83

3.2.5.4 Nhận xét 91

Trang 11

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3-1 Các điều kiện thiết kế chính của hầm khoan, [4] 39

Bảng 3-2 Số liệu địa chất tại hố khoa ABH-1 (lý trình 0+800), [4] 40

Bảng 3-3 Thông số nền, [4] 40

Bảng 3-4 Vật liệu vỏ hầm, theo DSRSC-ST, JRTRI 41

Bảng 3-5 Thông số vỏ hầm, [4] 41

Bảng 3-6 Các mặt cắt nguy hiểm, [4] 42

Bảng 3-7 Bảng giá trị áp lực đầu đào tham khảo, [4] 46

Bảng 3-8 Bảng hệ số triết giảm áp lực đầu đào 48

Bảng 3-9 Bảng giá trị triết giảm, ΣMloadA 49

Bảng 3-10 Tổ hợp chỉ số triết giảm tại độ sâu Y=2.8D 51

Bảng 3-11 Lịch trình thi công 2 tuyến đường hầm của dự án Metro số 1 60

Bảng 3-12 Tổ hợp kết quả theo phương pháp phân tích (mô hình 2D) 62

Bảng 3-13 Chuyển vị của nền đất và ứng suất chính, tại mặt cắt B-B 67

Bảng 3-14 Tổng hợp kết quả ứng suất tại mặt cắt B-B, xung quanh hầm EBT (tuyến phía đông) 68

Bảng 3-15 Tổng hợp kết quả ứng suất tại C-C, hầm EBT (tuyến phía đông), hệ số giải phóng ứng suất 30% 69

Bảng 3-16 Tổng hợp nội lực tại C-C khi thay đổi hệ số giải phóng ứng suất 71

Bảng 3-17 Bảng số liệu đặc trưng tấm tương đương 77

Bảng 3-18 Giá trị độ lún và mất đất với giá trị co ngắn = 1.5%, X/D=0 80

Bảng 3-19 Giá trị độ lún và mất đất với giá trị co ngắn = 1.5%, X/D=3 81 Bảng 3-20 Đặc trưng của vật liệu cọc và độ cứng được thể hiện ở bảng dưới đây 85

Trang 12

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1-1 Nguyên lý xây dựng đường hầm bằng khiên [1] 4

Hình 1-2 Minh họa công nghệ cân bằng áp lực cân bằng đất TBM-EPB, [2] 5

Hình 1-3 Khiên TBM-EPB áp dụng dự án Metro số 1 Tp HCM 5

Hình 1-4 Minh họa công nghệ cân bằng áp lực cân bằng bùn TBM-SPB, [2] 6

Hình 1-5 Vùng áp dụng công nghệ khiên đào theo cấp phối hạt đất, [3] 6

Hình 1-6 Sự cố khi đào đường hầm 8

Hình 1-7 Nến đất bị trồi tại dự án đường sắt Docklands Light Rail - Anh, 1998 8

Hình 1-8 Minh họa hiện tượng gương hầm, [5] 9

Hình 2-1 Sơ đồ áp lực tại gương đào, [1] 11

Hình 2-2 Mô hình nêm trượt, Anagnoustou & Kovari 12

Hình 2-3 Các thành phần chính gây mất mát đất, [6] 15

Hình 2-4 Tác động của quá trình thi công hầm, Attewell et al 1986 16

Hình 2-5 Hình dạng máng lún trên mặt đất [7] 17

Hình 2-6 Hình dạng phân bố lún trên bề mặt và biến dạng ngang [7] 18

Hình 2-7 Biểu đồ so sánh phương trình lún Sv(x) theo các công thức đề xuất, [6] 19 Hình 2-8 Phương trình lún theo hướng dọc, [6] 19

Hình 2-9 Dạng phương trình lún bề mặt và dưới mặt đất, Mair (1993) 20

Hình 2-10 Vùng ảnh hưởng lún sụt [6] 21

Hình 2-11 Định nghĩa của hệ số biến dạng DR, tương quan hệ số biến dạng DR và biến dạng ngang, Burland et al 1995 24

Hình 2-12 Mô hình phân tích của Potts và Addenbrooker (1997) 25

Hình 2-13 Mô hình dầm trong phân tích thông qua đo biến dạng của tấm nhôm được đặt tại trục đường hầm để tiến hành đo cảm biến., R Farrell et al 2014 27

Hình 2-14 Bài toán: a) biến dạng phẳng; b) đối xứng trục, Plaxis V8 manual 30

Hình 2-15 Phần tử & bài toán phân tích 31

Hình 2-16 Các bước mô phỏng theo phương pháp co ngắn, Likitlersuang et al 2014 33

Hình 2-17 Biểu đồ phản ứng đất nền GRC, [10] 34

Trang 13

Hình 2-18 Các pha trong mô hình phân tích bằng phương pháp CCM, [11] 35

Hình 2-19 Mô hình tải trọng TBM, Plaxis manual 35

Hình 2-20 Mô hình phân tích các pha theo phương pháp phun vữa, [11] 36

Hình 3-1 Mặt bằng của các công trình hiện hữu trên tuyến đường hầm đi qua [4] 38 Hình 3-2 Mặt cắt ngang điển hình tuyến đường hầm phía đông (EBT, WBT), [4] 39

Hình 3-3 Vị trí các mặt cắt nguy hiểm 42

Hình 3-4 Mặt cắt ngang địa chất A-A tại lý trình 1+400, [4] 43

Hình 3-5 Mặt cắt ngang địa chất B-B tại lý trình 0+860, [4] 43

Hình 3-6 Mặt cắt ngang địa chất C-C tại lý trình 0+980, [4] 44

Hình 3-7 Mô hình phân tích 3D 45

Hình 3-8 Kết quả theo các pha thi công mô hình mặt đất tự do Y=2.1D 46

Hình 3-9 Kết quả theo các pha thi công mô hình mặt đất tự do Y=2.8D 47

Hình 3-10 Kết quả theo các pha thi công mô hình mặt đất tự do Y=4D 47

Hình 3-11 Biểu đồ lũy tiến ΣMloadA tương ứng hầm đặt tại độ sâu 4D 48

Hình 3-12 Chuyển vị của các pha thi công Y=2.1D, (a) Pha 1 và (b)Pha 2 49

Hình 3-13 Tương quan áp lực đầu đào tối thiểu và độ sâu ở dự án Metro số 1 50

Hình 3-14 Phổ chuyển vị khi hầm ở độ sâu Y=2.8D, có tải thi công trên mặt đất 50

Hình 3-15.Biến dạng ở gương hầm, tại độ sâu Y=2.8D, với chỉ số co ngắn = 1% 51

Hình 3-16 Mô hình móng bè quy ước, theo R F Craig 2004 53

Hình 3-17 Mô hình phân tích 2D tại mặt cắt C-C 53

Hình 3-18 Mô hình phân tích 2D tại mặt cắt A-A 54

Hình 3-19 Mô hình phân tích 2D tại mặt cắt E-E 54

Hình 3-20 Mô hình 3D theo hướng thi công hầm 55

Hình 3-21 Mô hình phân tích 3D tại C-C 55

Hình 3-22 Vị trí quan trắc mặt cắt A-A (lý trình Km 1+400, [4] 59

Hình 3-23 Vị trí quan trắc mặt cắt C-C (lý trình KM 0+960), [4] 59

Hình 3-24 Vị trí quan trắc mặt cắt E-E (lý trình KM 1+500), [4] 59 Hình 3-25 Độ lún tại mặt đất sau khi thi công đường hầm thứ nhất EBT, tại A-A 60 Hình 3-26 Độ lún tại mặt đất sau khi thi công đường hầm thứ hai WBT, tại A-A 60

Trang 14

Hình 3-27 Độ lún tại mặt đất sau khi thi công đường hầm thứ nhất EBT, tại C-C 60

Hình 3-28 Độ lún tại mặt đất sau khi thi công đường hầm thứ hai WBT, tại C-C 61

Hình 3-29 Độ lún tại mặt đất sau khi thi công đường hầm thứ nhất-EBT, tại E-E 61 Hình 3-30 Độ lún tại mặt đất sau khi thi công đường hầm thứ hai-WBT, tại E-E 61

Hình 3-31 Lưới biến dạng lún tại mặt đất 62

Hình 3-32 Kết quả phân tích FEM và thực nghiệm khi thi công đường hầm số 1-EBT, tại mặt cắt C-C 63

Hình 3-33 Kết quả phân tích FEM và thực nghiệm khi thi công đường hầm số 2-WBT, tại mặt cắt C-C 63

Hình 3-34 Mô phỏng 2D plaxis tải trọng tòa nhà liền kề tại C-C, [4] 65

Hình 3-35 Mô hình 2D sơ bộ: (a) mặt cắt B-B; (b) mặt cắt C-C 66

Hình 3-36 Ứng suất quanh hầm EBT, khi thi công hầm WBT, mặt cắt B-B 69

Hình 3-37 Ứng suất quanh hầm EBT, khi thi công hầm WBT, mặt cắt C-C 69

Hình 3-38 Biểu đồ moment của vỏ hầm, lần lượt với hệ số (1-β)=0.1, 0.15 72

Hình 3-39 Tương quan giữa chỉ số (1-β) và lực dọc, tại C-C 72

Hình 3-40 Tương quan giữa chỉ số (1-β) và mô men tại C-C 73

Hình 3-41 Máng lún theo FEM và theo Loganathan & Polous (2008), tại C-C 73

Hình 3-42 Tương quan giữa λ và Vloss tại C-C 73

Hình 3-43 Trạng thái của đất nền tại C-C, lần lượt với λmax=0.3376, 0.3 74

Hình 3-44 Mô hình phân tích 2D hầm TBM-Tòa nhà của Franzius et al 2003 76

Hình 3-45 Bài toán 2D (a); Lưới biến dạng (b) 76

Hình 3-46 Máng lún, khi có tòa nhà I & II, contraction = 1.5%, 78

Hình 3-47 Tương quan chiều sâu hầm và độ lún lớn nhất của tòa nhà, X/D=0 78

Hình 3-48 Phân bố ứng suất chính trong quá trình thi công 78

Hình 3-49 Máng lún, contraction = 1.5% , Z=23.3m 80

Hình 3-50 Máng lún, giá trị co ngắn = 1.5% 80

Hình 3-51 Tương quan Vloss (%) và tham số Y/D, hệ số co ngắn = 1.5% 81

Hình 3-52 Mô hình đơn giản sự tác động của Hầm – Cọc đơn, Loganathan 2011 84 Hình 3-53 Mô hình phân tích hưởng quá trình thi công đối với móng cọc 85

Trang 15

Hình 3-54 Máng lún theo phương thẳng đứng Uv,y=0, với cọc sâu 10m & D=15m 86

Hình 3-55 Biểu đồ thay đổi nội lực, với cọc sâu 10m & D=15m 86

Hình 3-56 Tương quan Vloss và chỉ số co ngắn, với cọc sâu 10m & D=15m 87

Hình 3-57 Máng lún Uv,y=0, với cọc sâu 20m & D=15m 87

Hình 3-69 Vùng ảnh hưởng của sự di chuyển của cọc và biến dạng đất do thi công hầm, [13] 93

Trang 16

Việc ứng dụng công nghệ TBM cũng kéo theo những rủi ro mới gây tác động xấu đến các công trình xung quanh khi tiến hành hoạt động thi công

Công nghệ TBM tuy được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới, nhưng tại Việt Nam với điều kiện mang tính đặc thù khi thi công trong nền địa chất hết sức phức tạp và hoàn toàn không có những nghiên cứu chuyên sâu từ trước, việc đánh giá những rủi ro là điều tiên quyết trước khi lựa chọn các phương án thi công cho hợp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận văn này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình thi công đường hầm theo công nghệ TBM EPB bằng PP FEM, mô phỏng 2D-3D, tham khảo số

Trang 17

liệu thi công tuyến đường hầm phía đông (EBT) và tuyến đường hầm phía tây (WBT) đoạn thi công ngầm, dựa án tuyến đường sắt đô thị Bến thành – Suối Tiên Dựa trên số liệu thu thập, phạm vi nghiên cứu chủ yếu xoay quanh sự hình hành biến dạng trên mặt đất, từ đó áp dụng những cho phân tích tổng quan đến biến dạng bên dưới mặt đất có xét đến sự hiện diện của công trình lân cận

Về nội dung chính, phạm vi vẫn xoay quanh phân tích hiện tượng sụt lún hình thành bên trên mặt đất, từ đó xây dựng những phân tích phụ liên quan nhằm bổ sung hoàn thiện cho đề tài thực hiện

Mô hình ứng xử của đất trong báo cáo là mô hình Mohr-Coulomb

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là kết hợp giữa nghiên cứu tổng quan về lý thuyết, nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm để giải quyết các nội dung của đề tài Tổng hợp các kết quả tính toán lý thuyết về sự tác động của quá trình thi công đường hầm bằng khiên đào TBM ảnh hưởng đến sự mất ổn định của nền đất theo các phương pháp của các tác giả trước đã nghiên cứu, tương ứng với dữ liệu đầu vào được tham khảo từ địa chất thực tế tại dự án Metro số 1 (Tp HCM)

Sử dụng phần mềm PLAXIS 3D TUNNEL để xây dựng mô hình 3D và PLAXIS 2D V8.2 xây dựng mô hình 2D, mô phỏng quá trình thi công đường hầm bằng công nghệ TBM, kết quả trích xuất sẽ được vận dụng trong việc so sánh và thực hiện báo cáo luận văn

Kết quả từ mô hình được vận dụng để so sánh với các phương trình thực nghiệm, hoặc kết quả quan trắc từ hiện trường được thu thập từ cá nhân, cơ quan, tổ chức có liên quan đến dự án

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Trang 18

Mô phỏng dựa trên số liệu thiết kế thực tế của đoạn thi công ngầm nằm trong

dự án tuyến Metro số 01 thuộc hệ thống tuyến Metro thành phố Hồ Chí Minh Các loại tải trọng đựa áp dụng vào mô hình được tham khảo từ báo cáo thiết

kế kỹ thuật của dự án

Do vậy kết quả sau khi tiến hành mô phỏng và so sánh thực tế cũng như báo cáo thiết kế chính có thể đánh giá được phần nào mức độ hợp lý, và có thể đưa ra một số dự báo cho các dự án sau này

6 Nội dung đề tài

Nội dung đề tài gồm: phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo và phần phụ lục

PHẦN MỞ ĐẦU: Nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHIÊN ĐÀO TRONG NỀN ĐẤT YẾU

CHƯƠNG 2: BIẾN DẠNG NỀN ĐẤT KHI ĐÀO HẦM BẰNG KHIÊN ĐÀO CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM ĐẾN BIẾN DẠNG ĐẤT NỀN VÀ CÔNG TRÌNH LÂN CẬN PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Nhận xét, đánh giá và rút ra kết luận về ảnh hưởng quá trình thi công đường hầm bằng khiên đào TBM-EPB đến biến dạng nền đất Đồng thời định hướng nghiên cứu tiếp sau nghiên cứu này

Trang 19

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHIÊN ĐÀO TRONG NỀN ĐẤT YẾU

1.1 Giới thiệu công nghệ khiên đào trong đất yếu

Nguyên tắc chung của khiên đào dựa trên cấu tạo phần khiên thép hình trụ có chức năng đẩy trục hầm về phía trước đồng thời trong khoảng thời gian đó công tác đào đất diễn ra

Phần khiên có chức năng giữ ổn định vách hầm khi công tác lắp vỏ hầm và bơm vữa hoàn thiện

Khiên đào chịu áp lực của đất xung quanh hầm, và ngăn chăn sự xâm nhập của nước ngầm

Ổn định gương đào có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau:

Trang 20

1.1.1 Công nghệ khiên cân bằng áp lực đất TBM-EPB

Gương đào được giữ ổn định bằng “đất ở gương hầm”

Hình 1-2 Minh họa công nghệ cân bằng áp lực cân bằng đất TBM-EPB, [2]

(1) Đầu đào; (2) Khoan đất; (3) Tường áp lực; (4) Băng chuyền; (5) Kích đẩy; (6) Vữa bơm; (7) Vỏ hầm; (8) Vữa đông cứng;

Hiện nay công nghệ đào hầm TBM-EPB được áp dụng để thi công đoạn đi ngầm của tuyến Đường sắt đô thị số 1 Bến Thành – Suối Tiên (TP HCM)

Hình 1-3 Khiên TBM-EPB áp dụng dự án Metro số 1 Tp HCM

maur.hochiminhcity.gov.vn

Trang 21

1.1.2 Công nghệ khiên dung dịch bùn TBM-SPB

Gương đào được giữ ổn định bằng “dung dịch bentonite”

Hình 1-4 Minh họa công nghệ cân bằng áp lực cân bằng bùn TBM-SPB, [2]

(1) Đầu đào; (2) Dung dịch Bentonite/đất; (3) Khoan khí; (4) Kích đẩy; (5) Vỏ hầm; (6) Vữa bơm; (7) Ống bơm dung dịch vào; (8) Ống bơm chất dơ ra; (9) Vữa đông cứng

1.2 Lựa chọn công nghệ khiên đào trong đất yếu

Có thể dựa vào đường cong cấp phối hạt đất để lựa chọn phương pháp cân bằng áp lực gương hầm

Hình 1-5 Vùng áp dụng công nghệ khiên đào theo cấp phối hạt đất, [3]

Trang 22

 Tại vị trí hầm bên dưới (tương ứng với mẫu đất thí nghiệm tại độ sâu từ 14.5m đến 23.95m) thành phần hạt cát có đường kính từ 0.425 đến 2mm chiếm khoảng 15% đến 32.6%, cấp phối hạt sét từ 0.075mm đến 0.425mm

từ 47.5% đến 62%, và phần trăm còn lại chủ yếu là lớp sét dẻo có đường kính nhỏ hơn 0.075mm

Do vậy, phương pháp khiên đào áp lực đất (TBM-EBP) được đánh giá phù hợp nhất với điều kiện địa chất của dự án

1.3 Sự cố khi áp dụng công nghệ khiên đào trong đất yếu

1.3.1 Một số sự cố

Tại dự án tuyến đường hầm Thượng Hải (Trung Quốc, 2003) và Metro Nam Cologne (Đức, 2009), do áp lực ở gương đào không đủ, nước xâm nhập vào trong đường hầm làm hạ mực nước ngầm, xuất hiện khoảng trống bên ngoài tường vây nơi có sự hiện diện của công trình

Trang 23

Hình 1-6 Sự cố khi đào đường hầm

Tại dự án đường sắt Docklands Light Rail (Anh, 1998), áp lực đầu đào lớn hơn so với thực tế, do vậy đất bị đẩy lên

Hình 1-7 Nến đất bị trồi tại dự án đường sắt Docklands Light Rail - Anh, 1998

Trang 24

1.3.2 Tóm tắt về nguyên nhân sự cố

Hình 1-8 Minh họa hiện tượng gương hầm, [5]

Một số nguyên nhân chính gây ra sự cố trong quá trình thi công

 Áp lực cân bằng đầu đào không đủ khi đi qua khu vực có địa chất sai khác nhiều với thiết kế, gây sự sụp đổ của phần đất trên trên; trong trường hợp áp lực lớn hơn với áp lực trước đầu đào, hiện tượng trồi sẽ xuất hiện

 Vùng đất đường hầm đi qua, có nước ngầm có độ thấm cao hoặc lớp đất không thoát nước mỏng hơn thực tế, dẫn đến sự xâm nhập của nước vào hầm không như tính toán ban đầu, gây sụp đổ

 Tính toán vữa phun xung quanh vỏ hầm không đủ, gây gia tăng độ lún làm phá hủy các công trình lân cận

1.4 Nhận xét của chương

Việc xây dựng trong khu vực địa chất yếu, đô thị có lịch sử lâu đời với sự hiện hữu nhiều công trình cao tầng như Tp HCM Quá trình vận hành/thi công cần phải

Trang 25

lên kế hoạch đảm bảo an toàn, nhằm giảm thiểu cũng như giải quyết sự cố nhanh chóng và hiệu quả Một số lưu ý chính khi áp dụng công nghệ khiên đào được thể hiện như sau:

 Phân tích chi tiết các vấn đề liên quan đến kỹ thuật, tránh rút ngắn giai đoạn

 Trong các nguyên nhân chính gây sự sụp đổ, và một nửa trong số đó l liên quan đến quản lý thi công Nhiều kỹ sư bị áp lực tiến độ dẫn tới phát sinh những sai sót không đáng có

 Tính toán ứng suất trong công trình hoặc sự thay đổi ứng suất trong đất là yêu cầu được đề ra khi thiết kế công trình Kết quả của bài toán ứng suất-

biến dạng càng chính xác thì công trình thiết kế càng tối ưu hơn về bài toán kinh tế - kỹ thuật

Phương pháp khiên đào cân bằng áp lực đất phù hợp với yêu cầu kỹ thuật khi triển khai dự án tại Tp HCM Trong báo cáo này, học viên chỉ tập trung phân tích công nghệ này, những công nghệ khác sẽ không được xem xét

Trang 26

Phương pháp này phù hợp cho tính toán sơ bộ

Hình 2-1 Sơ đồ áp lực tại gương đào, [1]

Trong đó

γtn là trọng lượng riêng tự nhiên của đất

γbh là trọng lượng riêng bão hòa của đất

σben là áp lực dung dịch bentonite tác dụng lên gương hầm

P là áp lực gia tăng do máy TBM tạo ra trong buồng đào

Áp lực tác dụng ở phía trước đầu đào phân bố tuyến tính theo độ sâu, do vậy

để ổn định gương hầm, khi đó áp lực buồng đào tạo ra phía sau đầu đào phải có giá

Trang 27

Điều kiện 2: Áp lực trong buồng đào tại đáy hầm phải lớn hơn tổng áp lực đất

và nước gây ra tại đáy hầm Tức là,

Ptop + σben ≥ σn + σd , tại đáy hầm (2.2)

và mô hình phân tích ba chiều được đề xuất bởi Horn (1991) Trong phương pháp này, phù hợp với hầm TBM-EPB (áp lực cân bằng đất)

Hình 2-2 Mô hình nêm trượt, Anagnoustou & Kovari

Trang 28

Sự ổn định của gương hầm là do sự cân bằng của các lực gây trượt và chống trượt Các lực gây trượt gồm áp lực theo phương ngang của đất và nước Các lực chống trượt gồm áp lực dung dịch bentonite của buồng đào (S), lực ma sát và lực dính trên mặt trượt (K) và các mặt bên của nêm (T)

Theo lý thuyết si lô của Terzaghi, áp lực đất hiệu quả theo phương thẳng đứng của silo lên mặt trên của nêm được tính theo công thức,

(2.4)

Trong đó:

 α = γ’ – R.c

 β = R.Ky tanφ

 z là độ sâu tại đỉnh của nêm

 σ0 là tải trọng phân bố tại z = 0

 γ’ là trọng lượng riêng có hiệu

 φ là góc ma sát trong

 Ky là hệ số áp lực đất theo phương ngang

 R là tỷ số của chu vi và bề rộng của mặt cắt ngang cột đất

Phương pháp này tính toán cho trường hợp 1 lớp đất, tuy nhiên có thể dễ dàng

mở rộng ra cho trường hợp nhiều lớp đất bằng cách lấy áp lực Ptop tại đỉnh lớp dưới bằng với ứng suất có hiệu theo phương thẳng đứng ứng với độ sâu tại đáy lớp phía trên Tổng lực Gs tác dụng lên mặt trên của nêm được tính theo công thức:

Gs = σ'v(tf) Dr.D.cosθ (2.5) Trong đó Dr là bề rộng của nêm, θ là góc tạo bởi mặt trượt nêm và mặt nằm ngang, z = tf

Trang 29

Các lực khác tác dụng lên nêm dễ dàng được tính toán trong trường hợp nêm đồng chất Trong trường hợp phân tích cho nhiều lớp đất, các lực này được tính toán nhờ hệ các phương trình cân bằng được đưa ra bởi Walz (1983) Hệ phương trình này sẽ được đơn giản hóa bằng cách vi phân thành các lát mỏng nằm ngang Trước tiên ta xác định bề dày của nêm là hàm của độ sâu:

w(z) = (tb - z).cosθ với tf < z < tb (2.6) Tổng khối lượng Gw được tích phân từ z = tf đến z = tb của hàm gw(z):

gw(z) = γ’(z).w(z) Dr

(2.7) Trong đó gw(z) là khối lượng của 1 lát mỏng vi phân của nêm

Tương tự như thế, lực chống trượt T trên mặt bên và lực chống trượt K trên mặt trượt là tích phân của:

Trang 30

Biểu thức cho thấy giá trị E phụ thuộc vào góc trượt θ Bằng cách giả thiết, các giá trị góc trượt θ khác nhau sẽ tìm được giá trị E lớn nhất, từ đó tính được áp lực chống đỡ gương đào tối thiểu S

Phương pháp niêm trượt phù hợp trong tính toán chi tiết, kết quả phù hợp với

sự hình thành biến dạng của đất tại gương hầm Trong một số trường hợp phức tạp, phương pháp mô phỏng 3D với đầy đủ các yếu tố sẽ được cân nhắc trong tính toán

2.2 Biến dạng nền đất khi áp dụng công nghệ khiên đào

2.2.1 Các yếu tố gây ra hiện tượng biến dạng nền đất

Lún mặt đất do xây dựng hầm khi áp dụng công nghệ khiên đào giảm so với những phương pháp khác nhưng vẫn tồn tại

Trong hình bên dưới thể hiện các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng sụt lún

Hình 2-3 Các thành phần chính gây mất mát đất, [6]

 Mất mát ở đầu đào (do sự chuyển động theo hướng dọc trên mặt đầu đào)

 Mất mát khiên đào (mất mát tại khiên đào do khe hở xuất hiện khi cắt đất)

 Mất mát ở đuôi (do khe hở ở phần đuôi)

Có hai hướng nghiên cứu chính phục vụ dự đoán biến dạng đất nền:

Trang 31

2.2.2 Dự đoán biến dạng bằng phương pháp thực nghiệm

2.2.2.1 Đặt vấn đề

Phương pháp thực nghiệm phù hợp trong dự đoán biến dạng của nền đất, khi thi công đường hầm đi qua khu vực trống trải, không có sự hiện hữu của công trình lân cận (Peck 1969, Attewell et al., 1982, Mair et al 1996)

a) trên mặt cắt ngang; b) trên mặt cắt dọc

Hình 2-4 Tác động của quá trình thi công hầm, Attewell et al 1986

Trang 32

2.2.2.2 Biến dạng mặt đất theo phương ngang

Phương pháp đầu tiên được đề xuất bởi Peck (1969) Dựa trên số liệu thu thập trên hiện trường, phương trình lún được thể hiện dưới dạng biểu thức như dưới đây

Trong những loại đất có hệ số thấm thấp như đất sét cứng, giả định mực nước ngầm cũng như thể tích nước trong khối đất là không đổi Thể tích của máng lún được hình thành trên mặt đất được xem bằng với phần thể tích đất đào bị dư ra so với thiết kế ban đầu

Trang 33

Phần khối lượng thừa này được định nghĩa là phần trăm khối lượng thể tích hầm thiết kế trên một đơn vị chiều dài:

(2.14) Thay vào công thức của Peck, phương trình lún theo phương ngang được thể hiện lại như sau:

(2.15) Theo O’Reilly & New (1982), phương tình chuyển vị theo phương ngang được thể hiện như công thức dưới đây:

(2.16) Phương trình biến dạng theo phương ngang:

(2.17)

Hình 2-6 Hình dạng phân bố lún trên bề mặt và biến dạng ngang [7]

Loganathan 2011, đã tiến hành thí nghiệm so sánh biểu đồ phương trình biến dạng tại mặt đất ứng với đường kính hầm 6m, chiều sâu tâm hầm là 30m Tỉ số giữa

Trang 34

thể tích đất bị mất/ thể tích đường hầm trên 1 mét dài, VL, được cho bằng 1%, giá trị

i thay đổi từ 8.3 đến 15m

Hình 2-7 Biểu đồ so sánh phương trình lún S v (x) theo các công thức đề xuất, [6]

2.2.2.3 Biến dạng mặt đất theo phương dọc (hướng thi công)

Hình 2-8 Phương trình lún theo hướng dọc, [6]

Theo phương dọc, biến dạng theo được xác định theo công thức sau:

(2.18)

Phương trình biến dạng theo phương ngang được thành lập theo công thức sau:

Trang 35

(2.19)

2.2.2.4 Biến dạng bên dưới mặt đất theo phương ngang

Hình 2-9 Dạng phương trình lún bề mặt và dưới mặt đất, Mair (1993)

Theo Mair (1993), cho rằng hình dạng của phương trình lún bên dưới mặt đất

có dạng phương trình Gaussian, giống như phương trình lún bề mặt Công thức được đề xuất theo như dưới đây

(2.20) Với:

iz = k(Z0 - Z)

Do vậy,

(2.21)

Trang 36

Theo Vermeer và Bonnier (1991) đã đề xuất công thức thực nghiệm sau:

(2.22)

2.2.2.5 Phương trình biến dạng của nền đất dựa trên thông số độ hở

Trong phần này, các phương trình biến dạng của đất được dựa trên thông số

độ hở (gap), được hình thành trong quá trình thi công hầm Thông số độ hở được định nghĩa là phần trăm độ chênh thể tích đào thực tế với diện tích ngang hầm ban đầu theo phân bố vùng đào dạng hình Ovan

Quá trình hình thành khe hở ở đuôi diễn ra nhanh, do vậy có thể xem quá trình diễn ra trong điều kiện không thoát nước, nên có thể bỏ qua quá trình cố kết và từ biến Phương pháp ước lượng bằng hệ số “gap” chỉ áp dụng đúng trong điều kiện nền đất không thoát nước

Hình 2-10 Vùng ảnh hưởng lún sụt [6]

Dựa trên nghiên cứu của Veruijt và Booker (1996), Loganathan et al (1998) đưa ra vùng bao ảnh hưởng thực tế của hiện tượng biến dạng nền đất do ảnh hưởng trong quá trình thi công đường hầm, Hình 2-10 Theo Loganathan et al (1998),

Trang 37

 R: Bán kính đường hầm

 g : thông số độ hở ước tính, %

Trước khi hình thành khe hở, tất cả ứng suất chính tác dụng lên đất nền xem như là cân bằng Ứng suất xung quanh hầm bị giải phóng và phân bố không đều do

sự dịch chuyển của đất vào khu vực tiết diện ovan, đây được xem là nguyên tắc cơ

sở để xác định biến dạng của đất nền xung quanh hầm

Theo [8], biến dạng tương đương, εx,z=0, được xác định theo công thức sau:

(2.24)

Biến dạng tương đương cùng với với sự di chuyển không tuyến tính (hình dạng thực tế biến dạng xung quanh hầm hình ô van) gây ra biến dạng được xác định như sau:

Trang 38

 g = thông số độ hở ước tính;

Từ đó, theo [8], đã đưa ra các phương trình biến dạng như sau:

Phương trình chuyển vị trên bề mặt

 z = Chiều sâu tại vị trí z

 H = Chiều sâu tại trục hầm

 ν= Hệ số Poisson của đất nền

 ε0 = giá trị biến dạng tương đương

 x = Khoảng cách ngang từ điểm đỉnh đường cong đến tâm hầm

 = góc giới hạn = (45 + φ/2)

Trang 39

2.2.3 Một số hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

2.2.3.1 Một số nghiên cứu ở nước ngoài

Những nghiên cứu tiền đề của Peck et al 1969, Mair et al 1996 và một số nghiên cứu sau này của Loganathan và Polous (1998), mặt dù dự đoán chính xác về

sự chuyển vị của nền đất theo phương trình thực nghiệm với điều kiện không có sự hiện hữu của tải trọng trên mặt đất, tuy nhiên việc đường hầm đi qua khu vực đô thị,

do vậy một vấn đề được cân nhắc xem xét là sự hiện diện kết cấu có làm ảnh hưởng đến những chuyển vị đó hay không “Tương tác giữa kết cấu – đất” cần được xem xét

Theo phương pháp nghiên cứu có hai hướng chính: Xây dựng mô hình thí nghiệm Farrell, 2010; Farrell et al 2014; Giardina et al., 2012; Nghiem et al., 2014

và xây dựng mô hình FEM theo Potts và Addenbrooke, 1997; Franzius et al., 2006; DeJong et al., 2008; Giardina et al., 2010; Giardina et al., 2013; Amorosi et al.,

2014, vv…

Phương pháp dễ tiếp cận nhất là phương pháp thực nghiệm dựa trên số liệu lún

đo đạt hiện trường (theo O’reilly và New, 1982) Trong phương pháp này, đặc trưng của kết cấu sẽ được bỏ qua, giá trị biến dạng của tòa nhà sẽ được sử dụng để đánh giá mức độ phá hoại Khái niệm hệ số biến dạng DR, được định nghĩa như hình bên dưới

Hình 2-11 Định nghĩa của hệ số biến dạng DR, tương quan hệ số biến dạng DR và biến

dạng ngang, Burland et al 1995

Trang 40

Theo Burland et al 1995, dựa trên hệ số biến dạng DR và biến dạng ngang (εh) nhằm đánh giá mức độ phá hoại cả tòa nhà Với mức độ từ 3 đến 5 cần phải xem xét quá trình sử dụng và ổn định kết cấu hiện hữu

Potts và Addenbrooker (1997) đề xuất phương pháp dự đoán dựa vào độ cứng tương đương của tòa nhà để đánh giá lún do sự ảnh hưởng của quá đình đào đường hầm

Hình 2-12 Mô hình phân tích của Potts và Addenbrooker (1997)

Kết cấu tòa nhà được mô phỏng bằng 2D, kết cấu được thể hiện là cấu kiện dầm đàn hồi Dầm được xem xét với không có khối lượng, chỉ xem xét đến độ cứng Hai thông số được định nghĩa cho sự thay đổi của độ lún và phản hồi dọc trục của tòa nhà, độ cứng uốn tương quan ρ*, và độ cứng dọc tương quan α* ρ* và α* được cải tiến bởi Franzius et al 2006, dạng không thứ nguyên, được thể hiện công thức sau:

Định dạng
Số trang	118
Dung lượng	6,52 MB