Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của đất nền xung quanh cống tròn chôn sâu tại khu vực thành phố hồ chí minh

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Địa Kỹ thuật Xây dựng Mã số : 60.58.60 Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của đất nền xung quanh cống tròn chôn sâu tại khu vực Thành Phố

 

VÕ ĐÌNH DŨNG

NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG CỦA

ĐẤT NỀN XUNG QUANH CỐNG TRÒN CHÔN SÂU TẠI KHU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

 

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

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 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Địa Kỹ thuật Xây dựng Mã số : 60.58.60

Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của đất nền xung quanh cống tròn chôn sâu tại khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh

Nhiệm vụ: Phân tích tổng hợp và đánh giá các giá trị áp lực đất lên công trình ngầm

có xét đến điều kiện môi trường địa chất, điều kiện thi công, độ sâu chôn công trình

Nội dung:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về cống ngầm và phương pháp thi công công trình ngầm

Chương 2: Tải trọng và áp lực đất lên công trình ngầm theo điều kiện thi công Chương 3: Đánh giá áp lực đất và trạng thái ứng suất – biến dạng của đất nền xung

quanh cống tròn chôn sâu tại khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh Kết luận và kiến nghị

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 22/11/2013

LỜI CẢM ƠN

Luận văn hồn thành đúng thời hạn ngồi những nỗ lực của bản thân cịn phải kể

đến sự tận tâm giảng dạy của các thầy cơ giáo, sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng

dẫn, sự động viên tinh thần của bạn bè và đồng nghiệp

Tơi xin được tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy Bùi Trường Sơn, đã tận tình giúp

đỡ, hướng dẫn tơi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tơi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cơ trong bộ mơn Địa cơ Nền mĩng - Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM đã tận tình truyền đạt cho tơi những kiến thức quý báu trong thời gian tơi học tập tại trường để phục vụ cho luận văn và cơng việc của tơi sau này

Tơi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè và đồng nghiệp, đã động viên, chia sẻ những khĩ khăn trong cơng việc và hỗ trợ tơi trong quá trình học tập

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và người thân, đã cho tơi nguồn động viên tinh thần to lớn để hồn thành luận văn này

Luận văn được hồn thành nhưng khơng thể tránh được những thiếu xĩt và hạn chế Rất mong nhận được sự đĩng gĩp của quý thầy cơ, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hồn thiện và cĩ ý nghĩa thực tiễn

Trân trọng

Tp.HCM, ngày 22 tháng 11 năm 2013

Học Viên

Võ Đình Dũng

Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của đất nền xung quanh cống tròn chôn sâu tại khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh Studying stress – strain state of the ground surrounding the buried circular pipe in HoChiMinh City

TÓM TẮT

Áp lực đất lên công trình ống chôn sâu phụ thuộc vào loại đất, hình dạng và kích thước công trình, độ sâu, hình dạng và kích thước hố chôn và các tác nhân khác như tải trọng ngoài, mực nước ngầm Trên cơ sở chọn lựa, bổ sung sơ đồ tính

và chương trình tính toán tự thiết lập, tiến hành phân tích đánh giá áp lực đất lên công trình ống chôn sâu theo các điều kiện thi công thực tế Ngoài ra, việc đánh giá mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn trong môi trường xung quanh công trình còn cho phép phân tích khả năng ổn định trong các môi trường, cấu tạo địa chất khác nhau Kết quả nghiên cứu có ích cho việc tính toán, bố trí công trình hợp lý với điều kiện thực tế

ABSTRACT

Earth pressure on buried pipes depends not only on soil type, shape and dimension of structure but also on depth, shape and dimension of foundation holes and on other factors such as structure load, underground water level Based on the choice of the computational scheme, complement and the self-built computer program, the earth pressure on pipe structures in the construction condition is evaluated and analyzed In addition, evaluation of the limit state approaching degree

in surrounding environment is necessary for analysing the stability in variously geological conditions The research results are useful for calculating and setting underground structures reasonably in practice

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỐNG NGẦM VÀ PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM 5

1.1 Phân loại cống ngầm và phương pháp xây dựng 5

1.1.1 Phân loại cống ngầm 5

1.1.2 Lý luận cơ bản trong thiết kế và thi công công trình ngầm 6

1.2 Phương pháp thi công công trình ngầm 7

1.2.1 Phương pháp thi công đào hở 7

1.2.2 Phương pháp đào kín 9

1.2.3 Phương pháp thi công đường hầm dưới đáy nước 17

1.3 Nhận xét và phương hướng của đề tài 19

CHƯƠNG 2: TẢI TRỌNG VÀ ÁP LỰC ĐẤT LÊN CÔNG TRÌNH NGẦM THEO ĐIỀU KIỆN THI CÔNG 21

2.1 Các loại tải trọng tác dụng lên cống 21

2.1.1 Trọng lượng bản thân cống 22

2.1.2 Trọng lượng và áp lực của chất lỏng trong ống 23

2.1.3 Áp lực nước ngầm 24

2.1.4 Hoạt tải 25

2.2 Các phương hướng tính áp lực địa tầng 28

2.3 Tính toán áp lực địa tầng theo quan điểm môi trường rời rạc 31

2.3.1 Trạng thái ứng suất đất đá trước khi xây dựng công trình ngầm 31

2.3.2 Tính toán áp lực thẳng đứng lên công trình ngầm thi công bằng phương pháp đào hở 32

2.3.3 Áp lực lên công trình ngầm thi công bằng phương pháp đào kín 47

2.3.4 Phân tích tính toán áp lực đất lên công trình ngầm đào hở theo Terzaghi 52 2.4 Tương tác giữa vỏ và khối đất đá 56

2.4.1 Vỏ của hầm đào và công trình ngầm 56

2.4.2 Phân tích tương tác của vỏ với khối đất đá bằng ứng dụng các mô hình cơ học 58

2.4.3 Phân tích tương tác của vỏ với khối đất đá như là thành phần cấu tạo của

phương pháp tính toán vỏ 60

2.5 Phương pháp chung tính toán vỏ công trình dạng tròn 61

2.5.1 Các quan hệ tính toán cơ bản 61

2.5.2 Đánh giá độ bền của vỏ 63

2.6 Nhận xét chương 64

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ÁP LỰC ĐẤT VÀ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT– BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN XUNG QUANH CỐNG TRÒN CHÔN SÂU TẠI KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 66

3.1 Giới thiệu dự án và điều kiện địa chất công trình 66

3.1.1 Quy mô dự án 66

3.1.2 Địa điểm xây dựng dự án 69

3.2 Đánh giá áp lực đất lên công trình chôn sâu có đường kính ϕ1000mm khi thi công bằng phương pháp đào hở 72

3.2.1 Cơ sở tính toán 72

3.2.2 Lập trình tính toán và kết quả áp lực đất lên công trình đào hở 74

3.2.3 Đánh giá áp lực lên vỏ dưới các tác nhân khác 77

3.3 Đánh giá áp lực đất lên công trình chôn sâu có đường kính ϕ3200mm khi thi công bằng phương pháp đào kín 82

3.3.1 Cơ sở tính toán 82

3.3.2 Trạng thái ứng suất trong môi trường xung quanh công trình đào kín chôn sâu 84

3.4 Đánh giá và kết luận chương 96

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

PHẦN PHỤ LỤC

1 Một số giao diện chương trình tính toán cho trường hợp thi công đào hở

2 Một số giao diện chương trình tính toán cho trường hợp thi công đào kín

3 Một số dữ liệu về dự án Vệ sinh môi trường – giai đoạn 2

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 - Thi công và tái lập công trình ngầm theo phương pháp đào hở tại

TP.HCM 8

Hình 1.2 - Thi công công trình ngầm theo phương pháp đào kín tại TP.HCM 10

Hình 1.3 - Sơ đồ thi công hầm theo phương pháp NATM 11

Hình 1.4 - Thi công trong khối đá bở rời, sử dụng ván thép tạo ô bảo vệ 11

Hình 1.5 - Sơ đồ thi công đào bằng khiên 12

Hình 1.6 - Thi công kích ống D3000mm (Dự án vệ sinh môi trường giai đoạn 1) 14

Hình 1.7 - Công nghệ thi công theo phương pháp kích đẩy 15

Hình 1.8 - Hầm dìm sông Sài Gòn (hầm Thủ Thiêm tại TP.HCM) được thi công bằng phương pháp hạ từng đoạn 18

Hình 1.9 - Khu vực bãi đúc các đoạn hầm dìm 18

Hình 1.10 - Sơ đồ thi công và hạ đốt hầm dìm (hầm Thủ Thiêm tại TPHCM) 19

Hình 2.1 - Áp lực địa tầng do hoạt tải xe và tĩnh tải đất nền tác dụng 22

Hình 2.2 - Áp lực nước trong cống a) Phân bố áp lực trong cống không áp; b) Phân bố áp lực trong cống có áp 24

Hình 2.3 - Biểu đồ áp lực nước ngầm : (a) Thành phần phân bố đều, (b) Thành phần phân bố không đều 25

Hình 2.4 - Phân bố tải trọng động 26

Hình 2.5 - Ứng suất lan tỏa của đất dưới tác dụng của tải trọng động 27

Hình 2.6 - Áp lực ngang của đất ở chiều sâu H và bán kính ảnh hưởng R dưới tác dụng của tải trọng tập trung W theo lý thuyết Boussinesq 28

Hình 2.7 - Sơ đồ chịu lực và hệ cơ bản tính vòm biến dạng tự do 29

Hình 2.8 - Sơ đồ áp lực do trọng lượng của cột đất 32

Hình 2.9 - Sơ đồ áp lực đất tác dụng lên công trình 33

Hình 2.10 - Sơ đồ lực tác dụng lên công trình theo Birbaumer 34

Hình 2.11 - Sơ đồ xác định áp lực đất lên công trình theo Birbaumer 35

Hình 2.12 - Sơ đồ xác định áp lực địa tầng lên công trình theo nguyên tắc tụt của

cột địa tầng 37

Hình 2.13 - Sơ đồ tải trọng tác dụng lên ống chôn trong rãnh đào 38

Hình 2.14 - Quan hệ giữa hệ số tải trọng Cd và tỉ số H/Bd 40

Hình 2.15 - Sơ đồ tính toán áp lực địa tầng lên công trình chôn trong rãnh theo G.K Klein 41

Hình 2.16 - (a) Trường hợp 1 42

Hình 2.16 - (b) Trường hợp 2 43

Hình 2.17 - Quan hệ Cc và H/Bc với giá trị Koμ = 0.19; Koμ = 0.13 44

Hình 2.18 - Sơ đồ tải trọng đất tác dụng lên công trình ngầm chôn trong rãnh đào nghiêng 46

Hình 2.19 - Sơ đồ phá hoại đất đá xung quanh hầm 48

Hình 2.20 - Sơ đồ tính áp lực thẳng đứng và áp lực ngang 48

Hình 2.21 - Sơ đồ áp lực đất tác dụng lên công trình tròn thi công đào kín 50

Hình 2.22 - Sơ đồ tải trọng và ứng suất khối đất xung quanh công trình 53

Hình 2.23 - Biểu đồ áp lực nước trong ống có áp 57

Hình 2.24 - Tính toán vỏ tròn theo phương pháp thay thế bằng hệ thanh 58

Hình 2.25 - (a) xác định sức kháng của vỏ với chuyển vị đất đá (b) biểu đồ sức kháng vỏ 59

Hình 2.26 - Sơ đồ phân tích tương tác của vỏ và đất đá (1) biểu đồ trạng thái cân bằng, (2) biểu đồ sức kháng của vỏ 60

Hình 3.1 - Sơ đồ về hố kích tròn 67

Hình 3.2 - Sơ đồ hố nhận hình chữ nhật 67

Hình 3.3 - Sơ đồ bài toán đất lấp nhiều lớp 73

Hình 3.4 - Quan hệ của áp lực địa tầng lên vòm công trình ngầm σz theo độ sâu z 75

Hình 3.5 - Sơ đồ đánh giá tác động của tải trọng tác dụng lên bề mặt đât lên ống chôn sâu 80

Hình 3.6 - Sơ đồ đánh giá áp lực bên trong đường ống 81

Hình 3.7 - Sơ đồ xác định ứng suất xung quanh công trình ngầm trong tọa độ cực

83

Hình 3.8 - Giao diện chương trình tính trong trường hợp thi công đào kín 85

Hình 3.9 - Phân bố ứng suất σr tại các vị trí hông, góc và đỉnh công trình 86

Hình 3.10 - Phân bố ứng suất σθ tại các vị trí hông, góc và đỉnh công trình 87

Hình 3.11 - Phân bố ứng suất σ1 tại các vị trí hông, góc và đỉnh công trình 87

Hình 3.12 - Phân bố ứng suất σ3 tại các vị trí hông, góc và đỉnh công trình 88

Hình 3.13 - Phân bố ứng suất r xung quanh công trình ngầm dạng tròn ở độ sâu 16m ứng với c=25KN/m2, φ=160 88

Hình 3.14 - Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn xung quanh công trình ngầm dạng tròn ở độ sâu 16m ứng với c=25KN/m2, φ=160 89

Hình 3.15 - Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn xung quanh công trình ngầm dạng tròn ở độ sâu 16m ứng với c=500KN/m2, φ=160 90

Hình 3.16 - Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn xung quanh công trình ngầm dạng tròn ở độ sâu 36m ứng với c=25KN/m2, φ=160 91

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 - Giá trị xấp xỉ của dung trọng, tỉ số giữa áp lực đất theo phương ngang

với phương đứng, và hệ số ma sát giữa đất đắp và thành rãnh 40

Bảng 2.2 - Giá trị Cc theo H/Bc trong trường hợp xác định được mặt đẳng lún 45

Bảng 2.3 - Hệ số xét tỉ số lún 45

Bảng 2.4 - Giá trị hệ số kiên cố f (Protodiakonov) 49

Bảng 3.1 - Khối lượng dự kiến thực hiện 68

Bảng 3.2 - Diện tích tự nhiên các phường địa bàn quận 2 69

Bảng 3.3 - Thông số đất nền trên công trình ống chôn sâu 77

MỞ ĐẦU

So với các nước đang phát triển, cơ sở hạ tầng ở Việt Nam, đặc biệt là các công trình thoát nước mưa, thu gom và xử lý nước thải, quản lý chất thải rắn chưa được đầu tư đúng yêu cầu và chưa theo kịp với sự phát triển của đô thị Điều này ảnh hưởng tới môi trường và sức khoẻ của cộng đồng dân cư, ảnh hưởng đến phát triển kinh tế xã hội của đô thị

Trong những năm qua, các nguồn vốn ODA dành cho đầu tư xây dựng hạ tầng được triển khai ở khắp Việt Nam, trong đó, nguồn vốn ODA World Bank được sử dụng và mang lại nhiều kết quả tại các địa phương trong cả nước Được sự chấp thuận của Chính phủ và các Bộ ngành, Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) đã được đầu tư xây dựng dự án về thoát nước mưa, thoát nước thải trong giai đoạn 2002-

2012 (gọi là dự án giai đoạn 1) bằng nguồn vốn ODA của World Bank Cho đến nay, các công trình của Dự án giai đoạn này đã và đang phát huy hiệu quả và cải thiện điều kiện môi trường đáng kể của TP.HCM, mang lại lợi ích to lớn cho người dân khu vực dự án

Số lượng công trình ngầm đang triển khai ở khu vực TP.HCM ngày càng nhiều cả về số lượng lẫn tầm vóc công trình với mục đích cải tạo hệ thống thoát nước mưa, thu gom và xử lý nước thải, khôi phục cải tạo hệ thống kênh, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong khu vực, nâng cao chất lượng đời sống nhân dân đô thị

Để tiếp tục phát huy những lợi ích trên cũng như giải quyết những vấn đề còn tồn tại những khu vực chưa được đầu tư thỏa đáng, Uỷ ban Nhân dân TP.HCM (UBND TP.HCM) có chủ trương tiếp tục triển khai dự án giai đoạn 2 Dự án giai đoạn 2 được thực hiện bằng nguồn vốn của Ngân hàng Thế giới (WB) và nguồn ngân sách TPHCM với tổng kinh phí khoảng 480 triệu USD Dự án đã được UBND TP.HCM phê duyệt và dự kiến khởi công vào năm 2015 và đưa vào sử dụng vào năm 2019

Hình 1- Lộ trình kích ống D3200mm từ sông Sài Gòn về Phường Thạnh Mỹ Lợi,

Quận 2 (Dự án Vệ sinh Môi trường giai đoạn 2)

Với mục đích cải tạo hệ thống thoát nước mưa khu vực Quận 2 (hệ thống thu gom và xử lý nước thải kết nối với hệ thống đã có từ giai đoạn 1) nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nguồn nước thải ra sông Sài Gòn, dự án gồm các hạng mục như: Xây dựng mới hệ thống thoát nước thải khu vực Quận 2, xây dựng tuyến cống bao từ giếng bờ đông sông Sài Gòn về phường Thạnh Mỹ Lợi, Quận 2, nhà máy xử lý nước thải Trong đó, hệ thống cống thu gom nước thải được thi công sâu trong lòng đất có những vị trí sâu nhất đến 36m với đường kính từ 3200mm Ở đây, biện pháp thi công đào kín là một trong những chọn lựa hợp lý Trong khi đó, các công trình có độ chôn sâu bé thường được thi công bằng các phương pháp đào lộ thiên Việc tính toán phân tích khả năng ổn định và chọn lựa kết cấu công trình cống chôn sâu phù hợp với điều kiện môi trường địa chất điều kiện thi công là công tác quan trọng trong việc triển khai dự án

Vì vậy, nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của đất nền xung quanh cống tròn chôn sâu tại khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh là vấn đề cấp thiết nhằm đánh giá khả năng ổn định cũng như phục vụ tính toán thiết kế cho loại hình công trình đặc biệt này

Đề tài luận văn được chọn lựa nhằm nghiên cứu tổng hợp và chọn lựa phương pháp tính toán hợp lý cho loại hình công trình ống chôn sâu Ngoài ra, để thực hiện tính toán, cần thiết xây dựng các chương trình tính nhằm hỗ trợ việc phân tích và giúp đánh giá kết quả một cách nhanh chóng, hiệu quả

Mục đích và nhiệm vụ:

- Mục đích: Phân tích đánh giá trị áp lực đất tác dụng lên công trình ngầm là

một trong các bước quan trọng trong tính toán thiết kế, nhằm rút ra các nhận xét hữu ích cho các trường hợp thực tế của khu vực Trong tính toán thiết kế công trình ngầm, việc xác định áp lực đất tác dụng lên công trình đóng vai trò quan trọng hàng đầu Áp lực do trọng lượng bản thân cột đất gây lên công trình ngầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại đất, kích thước công trình, độ sâu chôn công trình và một số tác nhân khác Trong khi đó, với điều kiện địa chất phức tạp tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh, việc xây dựng công trình ngầm đòi hỏi phải xét đến ảnh hưởng của môi trường đất khác nhau như cát, bùn sét yếu, đất sét, điều kiện thi công (kín, hở)

Do các điều kiện về quy hoạch thành phố, độ sâu chôn công trình ngầm nhất thiết phải lớn để tránh gây tác động đến các công trình hiện hữu Áp lực đất lên công trình ngầm có thể khác biệt theo chiều sâu chôn và phụ thuộc môi trường đất xung quanh Hơn nữa phương pháp thi công công trình ngầm có ảnh hưởng rất lớn đến giá trị áp lực đất tính toán lên công trình Việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng này là mục đích ưu tiên chọn lựa của luận văn

- Nhiệm vụ: Phân tích tổng hợp và đánh giá các giá trị áp lực đất lên công

trình ngầm có xét đến điều kiện môi trường địa chất, điều kiện thi công, độ sâu chôn công trình

Phương pháp nghiên cứu:

Tổng hợp các phương pháp tính toán áp lực đất lên công trình ngầm Trong

đó, có xét đến các yếu tố như chỉ tiêu cơ lý của môi trường đất đá xung quanh công trình ngầm, độ sâu chôn công trình ngầm cũng như phương pháp thi công

- Thiết lập các chương trình tính toán và thể hiện kết quả

- Kết quả tính toán từ chương trình thiết lập sẽ được phân tích tổng hợp làm

cơ sở cho việc chọn lựa kết cấu và bố trí công trình ngầm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỐNG NGẦM VÀ PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG

TRÌNH NGẦM

Công trình ngầm là một trong các loại công trình đặc biệt do được bố trí bên dưới bề mặt đất Tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất, các yếu tố về địa chất thủy văn cũng như trình độ, khả năng thi công mà phương pháp thi công công trình ngầm được chọn lựa khác nhau

1.1 Phân loại cống ngầm và phương pháp xây dựng

1.1.1 Phân loại cống ngầm

Cống ngầm thường được sử dụng cho các công trình cơ sở hạ tầng, đặc biệt phổ biến cho các khu vực đông dân cư Ở các đô thị lớn trên thế giới, các đường dây thông tin, năng lượng, hệ thống cấp thoát nước được xây dựng ngầm dưới đất Trong đa số các trường hợp, độ sâu công trình ngầm càng lớn thì các tác động do sự

có mặt của chúng với các công trình hiện hữu bên trên càng bé, ống ngầm được phân chia thành các nhóm theo các tiêu chuẩn sau [2], [9], [13], [19]

- Theo công dụng, gồm các loại cống: cấp nước, thoát nước, tiêu nước, dẫn nhiệt, tháo nước (dưới đường ôtô và đường sắt), cống trong công trình thủy công, ống dẫn dầu, dẫn hơi

- Theo vật liệu, gồm các loại cống: thép, gang, xi măng amiăng, bê tông, bê tông cốt thép, gạch, sành, chất dẻo và một số vật liệu khác

- Theo áp lực của chất lỏng chứa trong cống tác động lên thành cống gồm các loại cống: không áp và có áp

- Theo hình dáng mặt cắt ngang, gồm các loại cống hình tròn, hình bầu dục, hình máng, hình vuông, hình chữ nhật Việc chọn lựa hình dáng mặt cắt ngang của cống phụ thuộc vào điều kiện địa chất công trình, địa hình, biện pháp thi công hay thiết kế kỹ thuật

- Theo cấu tạo gồm các loại cống có thành trơn, thành uốn nếp hay loại cống

có đai

- Theo mối nối giữa các đoạn, gồm các loại cống nối cứng, nối mềm, cống có mối nối cho phép các đoạn xoay tương đối với nhau, cống có mối nối cho phép chuyển vị dọc trục, cống có mối nối đối đầu (âm dương)

- Theo cách lắp đặt cống, gồm các loại: cống chôn trong đất đắp là cống đặt ngay trên mặt đất hoặc cống đặt nông so với bề rộng hố đào rồi sau đó được lấp đất lên; cống chôn trong hào sâu là loại cống đặt trong hào hở, hẹp nhưng sâu với hai vách cứng, rồi sau đó được lấp đất; hay cống luồn trong đất bằng cách đào đường hầm kín, lúc này toàn bộ khối đất thiên nhiên kể từ trên mặt đất xuống không bị phá hoại

- Theo cách tựa lên nền, gồm các loại: cống tựa trên mặt nền phẳng, cống tựa trên nền đất tự nhiên hay đất đắp đã được làm lõm theo chu vi mặt cắt ngang cống, cống tựa trên gối như đặt cống trên móng cọc trong điều kiện địa chất yếu

- Theo lý thuyết tính toán kết cấu cũng phân chia thành cống cứng như cống

bê tông, bê tông cốt thép và cống mềm như cống PVC, cống CC-GRP (là cống làm từ vật liệu liên hợp gồm nhựa thông, sợi thủy tinh, cát, CaCO3,…)

Việc xây dựng các công trình ngầm và công trình đào sâu khác nhau về ý nghĩa công nghệ và phạm vi áp dụng, về chiều sâu và kích thước trên mặt bằng, có thể được bố trí riêng rẽ hay dưới các công trình hiện hữu phụ thuộc vào điều kiện địa chất, địa hình, thủy văn

1.1.2 Lý luận cơ bản trong thiết kế và thi công công trình ngầm

Tổng hợp tất cả các biện pháp và kỹ thuật thi công có thể phân ra làm hai loại lý luận sau [3], [4], [5]

“Lý luận tải trọng rời” xem đất đá có khả năng tự ổn định, không phát sinh tải

trọng Đất đá không ổn định có thể gây ra sụt lở nên cần phải dùng kết cấu để che chống Tải trọng tác dụng lên kết cấu chống chính là trọng lực khối đất đá đã bị long rời trong một phạm vi nhất định có khả năng sụt lở Đây là lý luận truyền

thống, đại diện cho trường phái này có Terzaghi, Protodiakonov và một số người khác

Về nguyên lý cơ học, lý luận này xem đất đá vây quanh là khối hạt rời để tính toán tải trọng phân bố lớn hay nhỏ của nó phát sinh đối với kết cấu chống đỡ Cơ học kết cấu xem hệ chống và vỏ hầm là kết cấu chịu tải để tính toán nội lực Lập nên hệ thống cơ học “Tải trọng – Kết cấu” lấy tải trọng bất lợi nhất tổng hợp lại làm tải trọng thiết kế kết cấu

“Lý luận đất đá chịu tải” xem đất đá ổn định hiển nhiên là nhờ bản thân có

năng lực chịu tải và tự ổn định; đất đá xung quanh mất ổn định là một quá trình, nếu trong quá trình đó, ta cung cấp một sự hỗ trợ hoặc hạn chế cần thiết thì đất đá xung quanh vẫn có thể trở lại trạng thái ổn định Đại diện cho trường phái này có K.V Rabcewicz, Miler Fecher, Fenner Talobre, H Kastener và một số người khác Nói chung, ở “lý luận tải trọng rời” chú ý đến kết quả và xử lý theo kết quả; còn “lý luận đất đá chịu tải” lại chú trọng đến quá trình và tiến hành khống chế đối với quá trình, tức là lợi dụng đầy đủ năng lực chịu tải của đất đá xung quanh Trong thực tế thi công, việc lựa chọn phương pháp hay lý luận nào đều phải cân nhắc đến điều kiện thực tế công trình để đánh giá và phân tích, đôi khi kết hợp nhiều phương pháp để đáp ứng yêu cầu thực tế xây dựng

1.2 Phương pháp thi công công trình ngầm

Có rất nhiều phương pháp thi công công trình ngầm, có thể chia thành 3 nhóm như sau: Phương pháp đào và lấp (đào hở), đào kín, phương pháp hầm dìm (khi thi công hầm trong nước Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm nhất định

và tuỳ từng điều kiện địa chất, hiện trường, khả năng công nghệ cụ thể mà có thể vận dụng hợp lý

1.2.1 Phương pháp thi công đào hở

Thi công hở là tiến hành đào hào từ trên mặt đất, xây dựng công trình và cuối cùng lại phủ đất hay vật liệu lên trên kết cấu công trình ngầm (cut-and-cover) Thông thường với phương pháp này, kết cấu công trình ngầm có thể được xây dựng

từ đáy hào (phương thức tường nền) hoặc trước tiên thi công tường và nóc của kết cấu công trình ngầm (phương thức tường nóc) và sau đó các công tác khác được tiến hành và hoàn thiện

Tùy thuộc vào điều kiện mặt bằng thi công, hào của công trình ngầm có thể được thi công với thành hào nghiêng hoặc thẳng đứng Trong thành phố phương án thành hào đứng thường là giải pháp tất yếu Việc bảo vệ ổn định thành hào đóng vai trò quan trọng liên quan đến ổn định của các công trình trên mặt đất cũng như đảm bảo các điều kiện thi công tiếp theo Tùy thuộc vào điều kiện đất nền và các công trình kiến trúc trên mặt đất cần được bảo vệ mà các kết cấu bảo vệ thành hào được

áp dụng rất đa dạng Kết cấu bảo vệ thành hào có thể được thu hồi sau khi thi công kết cấu công trình ngầm nhưng cũng có thể được giữ lại làm một bộ phận quan trọng của kết cấu công trình ngầm

Trong những điều kiện cho phép, đây là phương pháp thi công kinh tế nhất để thi công các công trình ngầm, trong hoàn cảnh hiện nay cần chú ý xem xét khả năng bố trí các tuyến ngầm dọc theo các tuyến đường bộ sẵn có Quá trình thi công nên thực hiện theo sơ đồ “cuốn chiếu” để hạn chế ách tắc giao thông

Hình 1.1 - Thi công và tái lập công trình ngầm theo phương pháp đào hở tại

TP.HCM

1.2.2 Phương pháp đào kín

Hầm và các không gian ngầm ngày càng có vai trò quan trọng trong một hệ thống giao thông hiện đại Hầu hết các khu vực đô thị trên thế giới đều phải đối mặt với nhiều vấn đề lớn, đặc biệt là giao thông Kết cấu hạ tầng cũ nhìn chung là lỗi thời, không còn đáp ứng được nhu cầu sử dụng Trong bối cảnh đó thì không gian giao thông theo hướng trên cao và theo hướng đi ngầm trong lòng đất được xem xét Hơn nữa, công trình hầm có những ưu thế vượt trội so với các loại hình giao thông khác nhờ sự đi lại nhanh chóng, tiện lợi và an toàn cao, nhất là trong trường hợp thiên tai, chiến sự Có thể nói giao thông ngầm là xu thế phát triển tất yếu của một nền kinh tế hiện đại của thế giới

Phương pháp đào kín chẳng những được áp dụng cho các công trình giao thông mà còn được áp dụng rộng rãi cho các loại hình công trình khác như : Hệ thống cấp, thoát nước Các yếu tố về địa chất, cụ thể là các điều kiện địa chất của khối nền luôn đóng vai trò chủ yếu trong việc quyết định tính khả thi của một dự án hầm Trình độ kỹ thuật trước đây chỉ cho phép xây dựng các hầm ngắn Ngày nay, nhờ những tiến bộ về khoa học và công nghệ người ta có thể xây dựng được hầm ở bất kỳ nơi nào khi cần thiết hoặc có chủ định làm Những lợi ích về kinh tế xã hội và đặc biệt là về môi trường trở thành những yếu tố thiết yếu và trong một số trường hợp, có tầm quan trọng không kém so với các yếu tố về kỹ thuật và địa chất Việc liên kết công trình hầm với các mạng lưới giao thông hiện có cũng là một yếu tố có tính quyết định Do những ràng buộc này mà các công trình hầm thường phải bố trí trên các tuyến đường đi qua khu vực địa tầng có cấu trúc không phải là lý tưởng, đó

là các khu vực đô thị lớn, thường nằm ở các vùng châu thổ (địa tầng mềm yếu) Mặc dù hiện nay những khía cạnh về địa chất được xem là thứ yếu và được kỳ vọng

là có thể giải quyết được với công nghệ hiện có Song trên thực tế, việc đào hầm trong đất mềm yếu vẫn là một thách đố nan giải đối với giới xây dựng hầm bởi vì luôn có những rủi ro khó lường

Hình 1.2 - Thi công công trình ngầm theo phương pháp đào kín tại TP.HCM

Có thể đưa ra cách phân loại các phương pháp đào hầm kín theo thuật ngữ thường được sử dụng ở Việt nam như sau:

a) Phương pháp khoan nổ truyền thống và NATM

b) Phương pháp khiên đào (SM) và phương pháp khoan đào (TBM)

c) Phương pháp kích đẩy (pipe jacking)

d) Các phương pháp đặc biệt (Phương pháp làm lạnh, phương pháp nổ ép)

a Phương pháp khoan nổ truyền thống và NATM

Ở đây, người ta gọi là phương pháp khoan nổ là phương pháp truyền thống bởi vì phương pháp này được ứng dụng sớm nhất vào việc đào hầm lò khai thác mỏ Ở phương pháp này dùng khoan nổ để đào kết hợp che chống bằng các cấu kiện thép hay gỗ tạm thời đến khi đường hầm đã hình thành xong, dần dần đem hệ che chắn tạm thời thay thế bằng vỏ hầm vĩnh cửu đổ toàn khối “Lý luận tải trọng rời” là lý luận được rút ra trên cơ sở phương pháp mỏ truyền thống Thực vậy, sau khi thi công, khu vực giữa vỏ hầm và địa tầng không có liên kết chặt chẽ, đất đá biến dạng và tác động lên vỏ hầm như là một tải trọng

Sở dĩ gọi là phương pháp NATM (New Austrian Tunnelling Method) là do

nhà bác học người Áo K.V Rabcewicz đề xuất đầu tiên Phương pháp này lấy phun

bê tông và neo làm biện pháp che chống chủ yếu, thông qua giám sát đo đạc khống

chế biến dạng của địa tầng Đây là phương pháp dựa trên “lý luận đất đá chịu lực”,

do vậy cần hết sức giảm thiểu số lần lay động, cường độ lay động, phạm vi lay động

và thời gian lay động trong khối đất đá Vì vậy, thường dùng máy đào đất đá mà không dùng phương pháp khoan nổ Tuy nhiên, trong trường hợp đá cứng hay do điều kiện khác phải dùng biện pháp nổ mìn thì cần khống chế tốc độ, cường độ phá

nổ Việc che chống phải khẩn trương theo kịp mặt đào để đất đá không bị long rời ở

vị trí không che chống Phương pháp này lợi dụng khả năng chịu lực tốt và tự ổn định của môi trường đá mà giảm thiểu công tác chống đỡ Đây là phương pháp hiện đại và được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình ngầm trong đá hoặc trong đất dính

b Phương pháp khiên đào (SM) và phương pháp khoan đào (TBM)

Sơ đồ nguyên lý đào hầm cho các phương pháp TBM, SM (Khiên) hay TBM Mini và kích đẩy (Pipe-Jacking) về cơ bản là như nhau, như trên hình vẽ 1.5 dưới đây:

Hình 1.5 - Sơ đồ thi công đào bằng khiên

Những thiết bị cơ giới hóa đào đất để làm hầm khá đa dạng, kể từ loại máy xúc

có trang bị răng xới, các thiết bị thuỷ lực và các máy đào hầm đa hình (roadheaders) cho đến các TBM có cấu tạo khác nhau Ngày nay, phương pháp khoan đào (TBM) là phương pháp đào hầm phổ biến nhất Loại thiết bị đa dụng Roadheader hữu ích ở nhiều trường hợp khi sử dụng TBM không có hiệu quả về mặt chi phí Về cơ bản phương pháp TBM và SM có rất nhiều điểm giống nhau, sự khác nhau với các tổ hợp đào hiện đại chỉ ở cấu tạo bộ phận công tác (đào phá đất đá- khoan đào; tư tưởng chính của TBM) và cấu tạo vỏ bảo vệ (vì chống- khiên; tư tưởng chính của phương pháp khiên)

Mặc dù có nhiều loại phương tiện kỹ thuật đang thịnh hành, song TBM hay phương pháp khiên đào (SM) và sau này cả kích đẩy (Pipe-Jacking hay mini khiên), thiết bị chuyên dùng, có thể cơ giới hoá được toàn bộ các khâu: đào, chống đỡ, thi

công áo hầm và chuyển vận đất thải, đã được công nhận là một trong những đột phá quan trọng về công nghệ thi công hầm

Sử dụng một ống thép hình trụ có đường kính lớn hơn đường kính ngoài vỏ hầm làm vì chống, vỏ hầm trong trường hợp này thường là vỏ dạng tròn Đoạn đầu ống có thiết bị che chống và đào đất, đoạn giữa của ống được lắp các kích đẩy cho máy tiến tới trước, đoạn cuối của ống có thể lắp các ống bê tông vỏ hầm đúc sẵn (toàn khối hay những phiến cong nhỏ lắp thành công trình kích thước lớn) hoặc các vành thép để đổ bê tông vỏ tại chỗ Đất đá ở trước khiên được đào đi trong một khoảng bằng bề rộng của một đốt vỏ hầm Sau đó khiên di chuyển về phía trước tạo nên một khoảng trống ở phía sau, tại đây tiến hành lắp đặt hoặc đổ tại chỗ một vòng vỏ hầm (đốt hầm) dưới sự che chống của vỏ khiên, đồng thời vữa xi măng cát được

ép vào khe hở đằng sau lưng các vòng bê tông để vỏ hầm và địa tầng xung quanh bó chặt vào nhau Để lắp đặt khiên, thường một giếng đứng được đào trước, lắp ráp khiên tại đáy giếng đứng và đất đá do khiên đào xong được đưa ra ngoài cũng thông qua giếng đứng này

c Phương pháp kích đẩy

Khi thi công hệ thống công trình ngầm như hầm ôtô, hầm cho người đi bộ, hầm kĩ thuật hay các công trình cấp thoát nước đặt không quá sâu bên dưới những công trình trên mặt như nhà cửa, đường xá và một số công trình hiện hữu khác, sử dụng phương pháp đào lộ thiên hay khiên đào sẽ không tránh khỏi gây lún công trình trên mặt do biến dạng của khối đất đá xung quanh Mặt khác, sử dụng những phương pháp đó cho hầm có chiều dài không đáng kể (100 – 150m) là không hiệu quả Trong trường hợp này, phương pháp đẩy ép (hay phương pháp kích đẩy) phù hợp với những điều kiện ràng buộc trong khu vực đô thị

Phương pháp này gần giống với phương pháp khiên đào, ở đây việc đào đất có thể bằng thủ công hoặc bằng cơ giới như máy đào, khiên đào Hình dạng đường hầm thường là hình tròn, đầu khiên cũng như hệ thống đường ống gồm các đốt cống đúc sẵn được kích tới trước nhờ phản lực của trạm kích đặt ở đáy giếng đứng (khác với phương pháp khiên đào là hệ thống kích đặt ở đầu khiên và nhờ vào phản lực

của vỏ hầm) Phương pháp này phù hợp với đường hầm có đường kính nhỏ, chiều dài đào không lớn, áp dụng tốt trong khu vực đô thị

Qui trình kích cống bao gồm việc truyền một lực đẩy ngang để kích cống bê tông hay thép vào trong đất, kết hợp đồng thời với một loại khiên đào thích hợp Trong dự án “Cải thiện Môi trường nước Tp HCM” ứng dụng hai loại đầu khiên đào là loại khiên “nén bùn nước” (AVN machine) dùng trong đất cát hạt trung đến hạt thô hay khiên “cân bằng áp lực đất” (EPB machine) dùng cho đất bùn, sét Trong quá trình thi công, đất đá được vận chuyển ra ngoài bằng băng chuyền (với đầu khiên EPB) hay bùn đất được hút vào ống dẫn (với đầu khiên AVN), rồi chuyển lên thùng chứa đặt trên mặt đất

Thiết bị laser được điều khiển từ trạm điều hành đặt trên mặt đất Thiết bị này dùng để định vị trong quá trình thi công Nó được cố định trong phạm vi trạm kích

ở đáy giếng và chiếu tia đến một vị trí thuộc phạm vi khiên đào để giữ cho hệ thống cống luôn đi đúng với lộ trình định sẵn trong quá trình thi công và đạt đúng các thông số cao độ thiết kế

Hình 1.7 - Công nghệ thi công theo phương pháp kích đẩy

Đặc điểm đầu khiên

Loại khiên “Nén bùn nước” (AVN machine)

Khi đầu khiên hoạt động, bùn đất được bơm mới từ ống dẫn bùn với nồng độ nhất định vào trong buồng chứa bùn nước Tiếp đó mở kích để đẩy khiên tiến lên phía trước, các lưỡi dao cắt xén trên mâm dao cắm vào trong đất, đất vụn mới được cắt xén ra cùng với nước ngầm thuận theo các rãnh dao chảy vào trong phòng chứa bùn nước Đất vụn qua nhào trộn của mâm dao cùng máy trộn tạo thành vữa bùn có nồng độ cao Tùy theo tình hình khiên liên tục tiến về phía trước, áp lực trong buồng cũng tăng theo Khi áp lực bùn vữa trong buồng đủ để chống lại áp lực đất và nước ngầm bên ngoài, mặt đào không bị sụt lở, điều kiện làm việc ổn định được

đảm bảo Chỉ cần khống chế sao cho lượng bùn nước rót vào buồng cân bằng với lượng bùn nước từ trong phòng thải, công tác đào có thể được tiến hành một cách thuận lợi Bùn nước dẫn từ trong phòng đi ra phải qua ống thoát bùn và máy nghiền đá, do bơm đẩy đưa đến thiết bị xử lý bùn nước nằm trên mặt đất để tiến hành xử lý phân ly bùn nước Đất vụn bị phân ly được đưa đến bãi đổ đất vụn, nước bùn sau khi đã xử lý xong lại được đưa vào phòng bùn nước tiếp tục sử dụng Phạm vi sử dụng của loại khiên nén bùn nước tương đối rộng, phần lớn dùng cho địa tầng mềm yếu với cát, tầng đá lẫn cát ở sông ngòi, đáy biển có lượng ngậm nước khá cao

Loại khiên “Cân bằng áp lực đất” (EPB machine)

Nguyên lý của máy cân bằng áp lực đất cũng tương tự như máy nén bùn nước, tuy nhiên, nguyên lý cân bằng áp lực có một số điểm khác biệt

Khi máy khởi động và kích thủy lực đẩy khiên về phía trước, đất vụn bị xén ra thuận theo rãnh dao tiến vào buồng chứa bùn đất Đất bùn ngày càng tăng lên khi kích tiếp tục đẩy đầu khiên tiến tới Lúc này, mở máy xoắn ốc kéo đất ra, điều chỉnh cửa van làm cho đất vụn chẹt đầy máy xoắn ốc Như vậy, chỉ cần giữ cho lượng đất vụn trong máy xoắn ốc và lượng đất vụn trong buồng chứa đất cân bằng với lượng đất vụn mà máy cắt xén ra rơi vào trong buồng, công tác đào sẽ tiến hành thuận tiện và đảm bảo ổn định, chống sụt lở Tóm lại, ở đây là công tác quản lý áp lực đất, bảo đảm cho áp lực đất cân bằng và ổn định tương đối với lượng đất vụn đào ra Máy xoắn ốc sẽ chuyển đất ra băng chuyền để đưa đất ra ngoài Loại máy này có thể sử dụng trong tầng đất dính kết, không dính kết, thậm chí có lẫn đá cục, tầng đá hạt và nhiều địa tầng phức tạp khác có nước hoặc không có nước Khiên cân bằng áp lực đất không có thiết bị xử lý bùn nước có tốc độ thi công khá cao so với khiên nén bùn nước và có giá thành thấp hơn Tuy nhiên, ở phương pháp này, mũi dao cắt xén

và mặt mâm dao ma sát lớn nên tuổi thọ lưỡi dao ngắn hơn so với loại khiên nén bùn nước

Ưu, nhược điểm của phương pháp kích đẩy

Ưu điểm:

- Có thể thi công trong hầu hết mọi loại đất, tùy thuộc vào loại đầu khiên lựa chọn Phương pháp này đặc biệt thuận lợi trong điều kiện đất nền là các lớp đất mềm yếu hay rời rạc do khả năng tự chống đỡ của đầu khiên trong quá trình khai đào

- Đặc điểm chung của phương pháp đào kín là thi công nhanh và gây ảnh hưởng tối thiểu đến điều kiện sinh hoạt trên mặt đất như: giao thông đô thị, nhà cửa, trung tâm thương mại so với các công nghệ thi công khác hiện nay

- Hạn chế rủi ro gây mất ổn định đất nền ở mặt đào làm cho mất mát một lượng thể tích đất nhờ vào kỹ thuật cân bằng áp lực đất và nước ngầm ở đầu khiên

và hệ thống chống đỡ của khiên

- Điều khiển khai đào, chỉnh hướng, vận chuyển đất đào tự động từ trung tâm điều khiển trên mặt đất

1.2.3 Phương pháp thi công đường hầm dưới đáy nước

Phương pháp thi công hạ từng đoạn hầm

Đây là phương pháp chủ yếu thi công đường hầm ở đáy nước Sớm nhất vào năm 1810 đã tiến hành thí nghiệm xây dựng đường hầm dưới đáy sông Thames ở Luân Đôn Tuy nhiên, thí nghiệm này đã không thành công do chưa giải quyết tốt vấn đề phòng nước Cho đến năm 1894 ở Mỹ, tại thành phố Boston đã dùng phương pháp hạ đoạn xây dựng thành công một đường hầm dẫn nước dưới sông

Hình 1.8 - Hầm dìm sông Sài Gòn (hầm Thủ Thiêm tại TP.HCM) được thi công

bằng phương pháp hạ từng đoạn

Khi thi công bằng phương pháp hạ từng đoạn, cần chế tạo sẵn các đoạn hầm trên cạn ở địa điểm gần đường hầm (hoặc lợi dụng các xí nghiệp nổi trên xà lan để chế tạo) Các đoạn hầm chế tạo sẵn được bịt kín tạm thời, sau đó vận chuyển nổi các đoạn hầm này đến vị trí qui định của tọa độ định sẵn, lúc đó bên dưới vị trí này,

ở đáy nước đã chế tạo sẵn một hố móng Đợi cho đoạn hầm được định vị xong, tháo nước vào đoạn hầm để đoạn hầm chìm xuống đến vị trí thiết kế

Hình 1.9 - Khu vực bãi đúc các đoạn hầm dìm

Hình 1.10 - Sơ đồ thi công và hạ đốt hầm dìm (hầm Thủ Thiêm tại TPHCM)

1.3 Nhận xét và phương hướng của đề tài

Hiện nay ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh thường xuyên xảy ra tình trạng ngập lụt khi mưa lớn và hệ thống sông rạch bị ô nhiễm nặng Do đó, trong xây dựng

cơ bản cần có những chiến lược và mục tiêu lâu dài để giải quyết hệ thống thoát nước và xử lý nước thải

Vấn đề đặt ra là chọn loại công nghệ thi công phù hợp trong điều kiện thành phố Với hệ thống cống bao được thi công sâu trong lòng đất ở độ sâu trên dưới 36m với đường kính từ 3000 - 3200, công nghệ thi công kích đẩy được xem là phù hợp do công nghệ này không gây ảnh hưởng nhiều đến địa tầng bên trên (có nghĩa là giảm thiểu khả năng gây lún mặt đường), có thể thi công sâu trong lòng đất và đặc biệt là đảm bảo giao thông đô thị vẫn hoạt động bình thường (trừ những vị trí giếng kích và giếng tiếp nhận) Đây là điều cần nhất cho TP HCM vì hầu hết các tuyến đường trong khu vực này lưu lượng xe cộ đang trong tình trạng bão hòa, do

đó việc “khóa” đường để thi công là giải pháp không mong muốn

Đối với các công trình có kích thước lớn thì phương pháp đào hở thường được

sử dụng Sau khi thi công, vật liệu chôn lấp thường được sử dụng là cát Trong một số trường hợp áp lực do cột đất bằng cát có giá trị lớn hơn đáng kể so với đất dính nên một số công trình sau khi thi công phải tiến hành cải tạo hoặc sửa chữa lại do bị lún lệch gây mất ổn định

Trên cơ sở phân tích giá trị áp lực đất tác dụng lên công trình ngầm theo kích thước, độ sâu chôn và môi trường vật liệu xung quanh công trình ngầm, rút ra các nhận xét hữu ích cho các trường hợp thực tế của khu vực Đây cũng là mục đích chính của đề tài

CHƯƠNG 2 TẢI TRỌNG VÀ ÁP LỰC ĐẤT LÊN CÔNG TRÌNH NGẦM

THEO ĐIỀU KIỆN THI CÔNG

Cống ngầm là một trong nhiều loại hình công trình ngầm chịu tác dụng của nhiều loại tải trọng Các loại tải trọng có quá trình hình thành khác nhau, có tính chất khác nhau, phương pháp xác định tùy thuộc ý nghĩa sử dụng của công trình, vị trí bố trí hầm và đặc điểm của môi trường đất đá xung quanh

Để chọn được những tổ hợp tải trọng bất lợi nhất đối với sự làm việc của kết cấu, người ta phân thành 3 loại tổ hợp [19]

Tổ hợp chính: bao gồm các loại tải trọng cố định tác dụng lâu dài như trọng

lượng bản thân công trình, áp lực địa tầng, áp lực truyền qua đất do các tải trọng cố định trên mặt đất; các lực tạm thời tác động trong thời gian lâu dài như áp lực trong của chất lỏng, trọng lượng chất lỏng chứa trong cống, áp lực ngoài của nước ngầm, áp lực do xe cộ lưu thông truyền qua đất; và một số lực tạm thời tác động trong thời gian ngắn như áp lực do xe cộ truyền qua đất ở nơi không có đường giao thông, áp lực thí nghiệm

Tổ hợp phụ: bao gồm tải trọng do các thiết bị, phương tiện thi công gây ra, áp

lực do ép vữa cho vỏ hầm, ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ trong hầm, ảnh hưởng do co ngót và từ biến của bê tông vỏ hầm, áp lực của kích di chuyển trong phương pháp thi công khiên đào

Tổ hợp đặc biệt: bao gồm các tải trọng xuất hiện có tính chất ngẫu nhiên hoặc

do sự cố bất ngờ như áp lực do động đất, sự làm việc bất lợi do một bộ phận nào đó của công trình bị hư hỏng, sự tăng áp lực nước trong hầm dẫn nước có áp khi hỏng bộ phận điều chỉnh của nhà máy

2.1 Các loại tải trọng tác dụng lên cống

Tải trọng dọc trục của đất tác dụng lên đỉnh cống gồm có tĩnh tải của đất (q) – là trọng lượng của khối đất bên trên cống và phần áp lực lan tỏa trong đất từ tải trọng động (Pl), cụ thể là xe cộ lưu thông trên mặt đường (hình 2.1)

Hình 2.1 - Áp lực địa tầng do hoạt tải xe và tĩnh tải đất nền tác dụng

2.1.1 Trọng lượng bản thân cống

Xem trọng lượng này là lực thẳng đứng phân bố đều dọc theo chiều dài đường trung bình của mặt cắt ngang cống (đường kính trung bình của cống) Cường độ của lực này phụ thuộc vào bề dày cống và trọng lượng riêng của vật liệu làm cống [18] Với cống mặt cắt tròn, bề dày không thay đổi, trọng lượng bản thân cống trên một đơn vị chiều dài đường tròn là:

p - trọng lượng rieng của vật liệu làm cống;

r - bán kính trung bình của cống;

t - bề dày thành ống

2.1.2 Trọng lượng và áp lực của chất lỏng trong ống

Trọng lượng chất lỏng trong cống:

Trọng lượng chất lỏng trong ống tròn hay áp lực đẩy nổi mà cống phải chịu

2

Trong đó:

r - bán kính trong của mặt cắt ngang cống;

W - trọng lượng riêng chất lỏng với trị số tiêu chuẩn được lấy như sau (tính bằng kN/m3): nước nguyên chất: 10; nước biển: 10,3; nước bẩn (tùy từng loại): 10,1  10,8; dầu lửa: 0,9; nước bùn: 1,5

Áp lực thủy tĩnh của chất lỏng chứa vừa vặn đầy ống không áp:

Chất lỏng chứa vừa vặn đầy ống không áp sẽ gây ra áp lực lên thành trong cống Trong đó, áp lực chất lỏng lớn dần từ đỉnh cống đến đáy cống với độ lớn

Wr(1 cos )

   , trong đó  là góc xoay từ 0 - 2

Áp lực phân bố đều của ống có áp:

Áp lực chất lỏng trong cống có áp thường được chia thành hai loại là áp lực do tràn cống tạm thời và áp lực do tràn cống theo chu kỳ

Tràn cống theo chu kỳ: là do dao động lên xuống của mực nước khi hệ thống

bơm hút đẩy, van điều khiển áp lực giữ ổn định mực nước, van điều hòa áp lực bên trong, hay do những ảnh hưởng mang tính chu kỳ khác gây ra

Tràn cống tạm thời: là hiện tượng tạm thời tự nhiên, xảy ra trong khoảng thời

gian tương đối ngắn và giữa trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác Áp lực trong cống có thể hình thành và ngay lập tức trở lại ổn định như ban đầu Hiện tượng này thường không có tính chu kỳ trong tự nhiên mặc dù nó có thể lặp lại nhiều lần Tràn cống tạm thời thường được gọi là hiện tượng nhồi nước (water hammer) Một vài tác động vào hệ thống đường ống sẽ làm thay đổi vận tốc dòng chảy trong ống và đó là nguyên nhân tiềm tàng dẫn đến hiện tượng nước nhồi

Nguyên nhân ban đầu gây ra hiện tượng này có thể là do thay đổi trong việc lắp đặt các van, lúc bắt đầu hoặc dừng bơm, bơm không ổn định, hay do các đặc tính của tuabin

Với loại áp lực này, vỏ cống hoàn toàn chịu kéo, chuyển vị của địa tầng có tác dụng chống lại tạo nên lực kháng đàn hồi tác dụng hướng tâm ngược chiều với áp lực bên trong và phân bố đều trên toàn chu vi mặt ngoài vỏ cống

Ở đây, áp lực trong cống gây ra lực dọc với giá trị N = P’r, trong đó P’ là áp lực nước có áp bên trong cống; r là bán kính trung bình của cống

Hình 2.2 - Áp lực nước trong cống a) Phân bố áp lực trong cống không áp; b)

Phân bố áp lực trong cống có áp

2.1.3 Áp lực nước ngầm

Tác dụng của áp lực thủy tĩnh bên ngoài làm thay đổi tính chất chịu lực của kết cấu vỏ cống Đối với vỏ cống tròn đặt ở chiều sâu h so với mặt thoáng của nước ngầm ở tầng ngập nước, áp lực nước ngầm tác dụng lên kết cấu chia thành hai phần:

- Thành phần phân bố đều có giá trị bằng chiều cao cột nước (h) trên đỉnh

cống (hình 2.3.a) Tác dụng của thành phần này chỉ gây ra lực dọc trong kết cấu với

giá trị N = Pr, trong đó r là bán kính trung bình, P là áp lực hướng tâm phân bố đều tác dụng lên cống, P = Wh

- Thành phần phân bố không đều có giá trị bằng r(1 cos )  ,  là góc xoay đi từ 0 - 2 Thành phần này gây ra mômen, lực dọc và lực cắt trong kết cấu (hình

2.3.b)

Hình 2.3 - Biểu đồ áp lực nước ngầm : (a) Thành phần phân bố đều, (b) Thành

phần phân bố không đều

2.1.4 Hoạt tải

Trong công tác tính toán lựa chọn cống, cần đánh giá được ảnh hưởng của tải trọng xe trên mặt đường, đặc biệt là các công trình ngầm đặt nông dưới nền đường sắt, sân bay hay kết cấu áo đường bê tông nhựa Sự phân bố của tải trọng động từ mặt đất theo mặt phẳng ngang lên các lớp đất bên dưới như trong (hình 2.4) Cường độ của tải trọng trong khối đất lớn nhất ở dọc trục chính bên dưới điểm đặt lực và giảm dần theo tất cả các hướng khi ở xa trục hơn, đồng thời áp lực này tắt dần khi chiều sâu chôn cống tăng lên

Theo Boussinesq và Newmark việc tính toán áp lực do tải trọng động tác dụng lên cống dựa trên giả định đất là môi trường đàn hồi Hình dạng của vùng ảnh hưởng do tải trọng động tác dụng lên nóc cống phụ thuộc vào hình dạng diện tích tải tác dụng trên mặt đất (hình 2.4) thể hiện hai dạng mặt tiếp xúc thông thường là hình chữ nhật vào hình tròn

P

Hình 2.4 - Phân bố tải trọng động

Do diện tiếp xúc của lốp bánh xe lên mặt đường là hình chữ nhật nên ta sử dụng mô hình phân bố hình chóp với góc lan tỏa  = 450 - /2, trong đó  là góc ma sát trong của đất nền Ở chiều sâu H, diện tích phân bố do tải trọng động tác dụng lên nền đất là (B + 2Htan)(L + 2Htan) Từ những thí nghiệm trên đất rời, góc ma sát trong xấp xỉ 350, do vậy tan = 0,5 nên phần diện tích này có thể tính gần đúng là (B + H)(L + H) Áp lực tác dụng lên cống là áp lực tại đáy hình chóp:

Với tải trọng bánh đôi H-20, nếu áp lực hơi trong lốp là 7 Mpa thì B = 180

mm và L = 560 mm Trong đó B và L là diện tích tiếp xúc của lốp xe lên mặt đường, W là tải trọng tập trung truyền từ bánh xe

Hình 2.5 - Ứng suất lan tỏa của đất dưới tác dụng của tải trọng động

Khi xem diện tích tiếp xúc của bánh xe lên mặt đường là không đáng kể, nghĩa là B = 0 và L = 0, thì Pl = W/H2 Để xác định áp lực tác dụng do hoạt tải lên điểm A trên đỉnh cống khi vị trí đặt tải lệch so với đỉnh cống một khoảng R, ta nhân Pl với

hệ số Boussinesq

5

H 3 R N

Phần áp lực do hoạt tải gây ra này chỉ là phần áp lực tĩnh do trọng lượng của

xe tác dụng lên mặt đất làm lan tỏa ứng suất đến cống thông qua đất nền Vì vậy, trong tính toán có thể gộp chung hai phần áp lực tĩnh do trọng lượng khối đất trên cống (q) và phần áp lực tĩnh do hoạt tải xe (Pl) để có được giá trị áp lực thẳng đứng tác dụng lên cống (P)

Hình 2.6 - Áp lực ngang của đất ở chiều sâu H và bán kính ảnh hưởng R dưới tác

dụng của tải trọng tập trung W theo lý thuyết Boussinesq

2.2 Các phương hướng tính áp lực địa tầng

Từ những giả thiết về mô hình đất xung quanh công trình ngầm, kết hợp phân tích đặc điểm cùng chịu lực của vỏ công trình với môi trường Đã có nhiều đề xuất

về sơ đồ tính toán kết cấu Dưới đây sẽ giới thiệu một số phương pháp tính theo mô hình địa tầng xung quanh cống [2], [6], [10], [11], [12], [18]

Phương pháp tính toán xem cống là khuyên tròn biến dạng tự do: Phạm vi áp dụng của phương pháp này ứng dụng cho cống thi công bằng phương pháp đào lộ thiên hoặc xây dựng trong địa tầng yếu rời, tầng đất ở trạng thái bão hòa, không gây ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng cống Kết cấu vỏ cống tròn chịu tải trọng chủ động có biến dạng tự do sẽ không chịu cản trở của môi trường xung quanh (hay không có khả năng hình thành lực kháng đàn hồi của đất) Vỏ cống được tính như một vòng kín chịu tải trọng chủ động và phản lực theo phương thẳng đứng của nền, xác định từ điều kiện cân bằng tĩnh học của kết cấu dưới tác dụng của các loại tải trọng thẳng đứng