Nghiên cứu khả năng ứng dụng các phương pháp mô phỏng hai chiều cho công trình ngầm đào trong đất mềm

Vì vậy, khi giải bài toán với mô hình 2 chiều cần phải có các phương pháp tương đương cho phép kể đến các ảnh hưởng của bài toán 3 chiều trong quá trình thi công công trình ngầm, thông q

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Đỗ Ngọc Anh

Hà Nội, 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Đỗ Ngọc Anh Các số liệu, tài liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực, đảm bảo khách quan và không phải là kết quả nghiên cứu của bất kỳ một công trình khoa học nào khác

Hà Nội, ngày……tháng……năm 2015

Tác giả

Phạm Văn Giáp

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

MỞ ĐẦU 9

1 Tính cấp thiết của đề tài 9

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 11

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 12

4 Nội dung của đề tài 12

5 Phương pháp nghiên cứu đề tài 12

6 Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của đề tài 13

7 Cấu trúc của luận văn 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÀO HẦM TRONG ĐẤT MỀM 14

1.1 Lựa chọn phương pháp thi công phù hợp 14

1.2 Đặc điểm của các công nghệ thi công theo phương pháp ngầm 19

1.2.1 Công nghệ xây dựng hầm bằng máy khiên đào … 19

1.2.2 Công nghệ xây dựng hầm bằng phương pháp thông thường 31

1.3 Nhận xét 34

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HAI CHIỀU CHO CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÀO TRONG ĐẤT MỀM 35

2.1 Phương pháp khoảng hở 37

2.2 Phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ 38

2.3 Phương pháp giảm độ cứng 40

2.4 Phương pháp hao hụt thể tích – VLM 41

2.5 Nhận xét 41

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ 2 CHIỀU, 3 CHIỀU CHO CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÀO TRONG ĐẤT MỀM 43

3.1 Giới thiệu về FLAC 3D 43

3.2 Ứng dụng FLAC 3D mô phỏng quá trình đào hầm bằng máy khiên đào 44

3.2.1 Mô hình số 2 chiều 44

3.2.2 Mô hình 3 chiều 49

3.3 Nhận xét 56

CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG CHO DỰ ÁN METRO HÀ NỘI 57

4.1 Tổng quan về dự án Metro Hà Nội 57

4.2 Tuyến đường sắt đô thị số 3, đoạn Nhổn – ga Hà Nội … 58

4.3 Mặt cắt tính toán 60

4.4 Phân tích kết quả mô phỏng 62

4.4.1 Xét tại mặt cắt đuôi khiên 64

4.4.2 Xét tại mặt cắt cách đuôi khiên 12m 69

4.4.3 Xét tại mặt cắt cách đuôi khiên 24m 73

4.4.4 Xét tại mặt cắt cách đuôi khiên một khoảng đủ lớn khi đất đá và vỏ chống đã ở trạng thái ổn định 77

4.4.5 Tổng hợp kết quả 82

4.5 Nhận xét 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

1 Kết luận 84

2 Kiến nghị 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phạm vi áp dụng các phương pháp đào hầm … 17

Bảng 3.1: Thông số mối nối 54

Bảng 4.1: Thông số địa chất …… 62

Bảng 4.2: Bảng phân tích kết quả tại mặt cắt đuôi khiên 66

Bảng 4.3: Bảng phân tích kết quả tại mặt cắt cách đuôi khiên 12m 70

Bảng 4.4: Bảng phân tích kết quả tại mặt cắt cách đuôi khiên 24m 74

Bảng 4.5: Bảng phân tích kết quả tại mặt cắt cách đuôi khiên một khoảng đủ lớn khi đất đá và vỏ chống đã ở trạng thái ổn định 79

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các loại hình máy khiên đào tiên tiến 20

Hình 1.2 Khiên đào chống gương bằng cơ học 22

Hình 1.3: Nguyên lý chống đỡ gương bằng khí nén 23

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khiên chất lỏng có áp 24

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý chống giữ gương bằng chất lỏng có áp 24

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khiên cân bằng áp lực đất 27

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý chống giữ gương bằng hỗn hợp đất thải 27

Hình 1.8: Khiên đào từng phần không chống đỡ gương 29

Hình 1.9: Sơ đồ chống đỡ gương từng phần 30

Hình 2.1: Phương pháp khoảng hở cho mô hình đào hầm (Pottset al., 2001) 38

Hình 2.2: Phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ (a) và phương pháp giảm bớt độ cứng (b) 39

Hình 2.3: Phương pháp hao hụt thể tích (Pottset al., 2001) 41

Hình 3.1 Mô phỏng trong phương pháp hao hụt thể tích với tâm đường hầm cố định (Hejazi 2008) 48

Hình 3.2 Mô phỏng trong phương pháp CCM (Hejazi 2008) 48

Hình 3.3 Mô phỏng trong phương pháp hao hụt thể tích với tâm hầm dịch chuyển 48

Hình 3.4 Sơ đồ liên kết giữa các cấu kiện lắp ghép trong một vòng vỏ chống 53

Hình 3.5 Lò xo có độ cứng K A , K R , K  theo các phương vòng theo chu vi, hướng kính và xoay quanh trục 53

Hình 3.6: Sơ đồ liên kết giữa các cấu kiện lắp ghép của các vòng vỏ chống 53

Bảng 3.1: Thông số mối nối 54

Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng số 3D 55

Hình 3.8: Phối cảnh mô hình đường hầm trong phần mềm FLAC 3D 55

Hình 4.1: Tuyến Nhổn – ga Hà Nội (Systra 2011) 59

Hình 4.2: Mặt cắt ngang điển hình của hai đường hầm (systra 2011) 60

Hình 4.3: Điều kiện địa chất tại mặt cắt nghiên cứu 62

Hình 4.4: Các thông số được lựa chọn phân tích 63

Bảng 4.2: Bảng phân tích kết quả tại mặt cắt đuôi khiên 66

Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn độ lún bề mặt theo các phương pháp phân tích tại mặt cắt đuôi khiên 68

Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn chuyển vị ngang theo các phương pháp phân tích tại mặt cắt đuôi khiên 68

Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn độ lún bề mặt theo các phương pháp phân tích tại mặt cắt cách đuôi khiên 12m 72

Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn chuyển vị ngang theo các phương pháp phân tích tại mặt cắt cách đuôi khiên 12m 72

Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn độ lún bề mặt theo các phương pháp phân tích tại mặt cắt cách đuôi khiên 24m 76

Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn chuyển vị ngang theo các phương pháp phân tích tại mặt cắt cách đuôi khiên 24m 76

Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn độ lún bề mặt theo các phương pháp phân tích tại mặt cắt cách đuôi khiên một khoảng đủ lớn khi đất đá và vỏ chống đã ở trạng thái ổn định 81

Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn chuyển vị ngang theo các phương pháp phân tích tại mặt cắt cách đuôi khiên một khoảng đủ lớn khi đất đá và vỏ chống đã ở trạng thái ổn định 81

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, một số lượng lớn các công trình ngầm được xây dựng ngày càng nhiều trên nhiều lĩnh vực kinh tế tại nhiều miền của tổ quốc Tỉnh Quảng Ninh, với ưu thế về khoáng sản tự nhiên, các công trình ngầm được xây dựng

để phục vụ khai thác khoáng sản tại các mỏ Mông Dương, Vàng Danh, Khe Chàm, Nam Mẫu, Hà Lầm… Các tỉnh miền núi, các thủy điện cũng được xây dựng theo phương án ngầm như thủy điện Hòa Bình; thủy điện Huội Quảng; thủy điện Đại Ninh; thủy điện Hủa Na… , các đường hầm xuyên núi cũng được xây dựng thay thế các cung đường đèo hiểm trở tiềm ẩn nhiều nguy hiểm như hầm đường bộ Hải Vân, hầm đường bộ Đèo Cả… Tại các thành phố lớn, dân cư đông đúc, quỹ đất hạn hẹp như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh… các công trình ngầm với ưu điểm chiếm rất ít quỹ đất trên mặt, không làm ảnh hưởng đến cảnh quan xung quanh cũng đang được xây dựng ngày càng nhiều,

có thể kể đến một vài công trình tiêu biểu đã đưa vào sử dụng như hầm dành cho người đi bộ tại các nút giao thông lớn, hầm đường bộ Kim Liên, cầu ngầm Thủ Thiêm vượt sông Sài Gòn Hiện tại Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh cũng đã triển khai xây dựng hệ thống đường sắt đô thị với nhiều đoạn đi ngầm, và tương lai hệ thống công trình ngầm đô thị, đường sắt đô thị và tàu điện ngầm cao tốc cũng sẽ phát triển rộng khắp cả nước

Khác với các công trình ngầm phục vụ khai thác khoáng sản, thủy điện được xây dựng trong môi trường đất đá vững chắc có độ bền cao, công trình ngầm đô thị phải xây dựng trong môi trường đất mềm độ bền kém hơn nên sẽ gặp nhiều khó khăn hơn trong quá trình xây dựng cũng như sử dụng Hơn nữa, trong các thành phố lớn, công trình trên mặt dày đặc, những sự cố khi thi công công trình ngầm sẽ ảnh hưởng rất lớn đến con người và của cải trên mặt

đất Vì vậy công tác dự báo, tiên lượng những ảnh hưởng, biến dạng của quá trình thi công công trình ngầm trong đô thị là rất quan trọng Để đưa ra được những dự báo đó thì người thiết kế cần phải lập các mô hình tương đương mô phỏng quá trình đào hầm, cùng với nhiều phép toán khác nhau, từ đó tính toán

để đưa ra được những dự báo gần với thực tế nhất

Trong thực tế, thi công đào công trình ngầm là bài toán 3 chiều Sự phát triển mạnh mẽ của các phương pháp tính toán số đã cho phép tiến hành các bài toán mô phỏng quá trình thi công công trình ngầm trong mô hình số 3 chiều gần với điều kiện thực tế nhất, từ đó cũng cho kết quả gần với thực tế

đo đạc tại hiện trường thi công nhất Tuy nhiên, việc giải bài toán thi công công trình ngầm trong mô hình số 3 chiều đòi hỏi rất nhiều thời gian, cùng với đó là chi phí về bản quyền phần mềm cao nên phương pháp này vẫn chưa được áp dụng phổ biến Cũng do tính chất phức tạp và chi phí thực hiện, nên các mô hình vật lý tương đương cho phép mô phỏng hữu hiệu trạng thái 3 trục của công trình ngầm dù cho kết quả sát với thực tế thi công nhưng cũng được ứng dụng rất hạn chế Từ những hạn chế của việc giải bài toán trong mô hình

3 chiều đó, nên các mô hình tính toán số 2 chiều truyền thống vẫn được áp dụng khá phổ biến trong quá trình thiết kế sơ bộ Tuy nhiên kết quả từ việc giải các mô hình tính toán số 2 chiều lại có sự sai lệch khá nhiều so với kết quả từ việc giải các mô hình toán số 3 chiều và số liệu đo đạc từ thực tế thi công Vì vậy, khi giải bài toán với mô hình 2 chiều cần phải có các phương pháp tương đương cho phép kể đến các ảnh hưởng của bài toán 3 chiều trong quá trình thi công công trình ngầm, thông qua việc kể tới sự dịch chuyển của khối đất đá trên biên công trình ngầm sau khi đào và trước khi lắp dựng kết cấu chống

Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp mô phỏng số 2 chiều cho kết quả gần với kêt quả của phương pháp mô phỏng số 3 chiều có kể đến quá

trình dịch chuyển của biên công trình ngầm sau khi đào và trước khi lắp dựng kết cấu chống như:

- Phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ CCM;

mô phỏng tương đương cho phù hợp

Xuất phát từ nhận thức đó, đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng các

phương pháp mô phỏng hai chiều cho Công trình ngầm đào trong đất mềm”

được thực hiện để đưa ra được phương pháp mô phỏng 2 chiều phù hợp nhất trên cơ sở so sánh các thông số: dịch chuyển bề mặt, chuyển vị ngang của công trình, giá trị đặc trưng của phễu lún Từ đó, luận văn có thể là cơ sở để cho những người làm công tác thiết kế sơ bộ lựa chọn phương pháp mô phỏng

2 chiều để tính toán, dự báo các thông số trên

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Phát triển các mô hình số 2 chiều và 3 chiều, trên cơ sở phần mềm sai phân hữu hạn FLAC3D (ITASCA, 2009) để xác định phương pháp mô phỏng số 2 chiều đơn giản hóa thích hợp trong tính toán công trình ngầm, cho kết quả tương đương với các mô hình 3 chiều

- Xác định thông số chuyển đổi giữa các kết quả của các mô hình 3 chiều và 2 chiều cho trường hợp công trình ngầm tiết diện ngang hình tròn chú ý tới nhiều đại lượng quan trắc khác nhau (độ lún bề mặt, dịch chuyển ngang của công trình, giá trị đặc trưng của phễu lún)

- Là cơ sở để lựa chọn các phương pháp chuyển đổi tương đương từ bài toán số 3 chiều sang bài toán số 2 chiều

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Công trình ngầm có tiết diện ngang hình tròn, được thi công trong môi trường đất mềm, được lấy ví dụ tính toán với điều kiện địa chất thành phố Hà Nội

- So sánh các thông số: độ lún bề mặt, chuyển vị ngang của công trình; giá trị đặc trưng của phễu lún

4 Nội dung của đề tài

- Tổng quan các phương pháp đào hầm trong đất mềm

- Tổng quan về các phương pháp mô phỏng 2 chiều cho công trình ngầm đào trong đất mềm

- Xây dựng mô hình số 2 chiều, 3 chiều cho công trình ngầm đào trong đất mềm

- Ứng dụng FLAC3D mô phỏng quá trình đào hầm bằng máy khiên đào

- Áp dụng cho dự án đường sắt đô thị Hà Nội

- Phân tích kết quả thu được từ các phương pháp mô phỏng

- Kết luận, đề xuất phương pháp chuyển đổi tương đương sau khi phân tích các kết quả

5 Phương pháp nghiên cứu đề tài

- Phương pháp đánh giá tổng hợp

- Phương pháp phân tích tổng hợp

- Phương pháp mô hình số

6 Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của đề tài

Kết quả của đề tài là căn cứ để những người làm công tác thiết kế sơ bộ lựa chọn các phương pháp chuyển đổi tương đương từ phép toán 3 chiều sang phép toán 2 chiều Từ đó rút ngăn được thời gian tính toán, và có các thông số

dự báo chính xác hơn cho công tác thi công công trình ngầm trong đất đá mềm

7 Cấu trúc của luận văn

+ Chương 3: Xây dựng mô hình số 2 chiều, 3 chiều cho công trình ngầm đào trong đất mềm;

+ Chương 4: Áp dụng cho dự án Metro Hà Nội

- Phần Kết Luận

được trình bày trong 87 trang A4 với các hình vẽ và bảng biểu kèm theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÀO HẦM

TRONG ĐẤT MỀM 1.1 Lựa chọn phương pháp thi công phù hợp

Trong xây dựng thành phố, có hàng loạt các công trình ngâm (CTN) được xây dựng cho các mục đích khác nhau Ngoài chức năng phục vụ thuận lợi, các CTN có ý nghĩa đặc biệt trong việc bảo vệ cảnh quan, môi trường và

sử dụng quỹ đất

Với mỗi loại hình CTN, do yêu cầu, chức năng sử dụng khác nhau nên các thông số hình học của công trình cũng thay đổi Chính điều này dẫn tới thực tế là mỗi loại hình CTN chỉ phù hợp với một hoặc một số phương pháp thi công nhất định

Nói chung các công nghệ thi công CTN rất phong phú và đa dạng, chúng là tổ hợp linh hoạt của nhiều giải pháp kỹ thuật và sơ đồ công nghệ khác nhau

Trước hết, dựa theo không gian thi công có thể phân ra hai nhóm chính là:

- Các phương pháp thi công lộ thiên

- Các phương pháp thi công ngầm

Với các phương pháp thi công lộ thiên, toàn bộ hay một bộ phận của kết cấu CTN được thi công lắp dựng trên mặt đất Còn bằng các phương pháp thi công ngầm, toàn bộ kết cấu CTN được thi công lắp dựng trong lòng đất

Các phương pháp thi công lộ thiên bao gồm: phương pháp hở (phương pháp tường nóc, tường nền), phương pháp hạ dần (caisson tunnel), phương pháp hạ chìm (immersed tunnel)

Các phương pháp thi công ngầm bao gồm: phương pháp đào thông thường (NATM, chống trước đào sau, v.v…) và phương pháp đào bằng máy (khiên đào, kích ép)

Đối với hệ thống CTN trong thành phố Hà Nội đều có thể áp dụng cả hai phương pháp trên Tuy nhiên vì mỗi phương pháp có những đặc trưng riêng nên trong mỗi trường hợp cụ thể cần lựa chọn phương pháp tối ưu nhất trên cơ sở:

- Điều kiện kỹ thuật - thi công: điều kiện địa hình bề mặt (chạy qua sông, hồ) và hệ thống cơ sở hạ tầng bề mặt (dọc theo các tuyến phố, phía dưới các toà nhà cao tầng, v.v…); điều kiện địa chất, địa chất công trình, địa chất thuỷ văn môi trường khối đất dọc theo tuyến bố trí

hệ thống CTN; các yêu cầu liên quan đến chức năng sử dụng của CTN (hầm tàu điện ngầm, nhà ga, đường đi bộ ngầm, v.v…; mối quan hệ của công trình với các công trình khác trong tổ chợp chung của hệ thống các công trình); yêu cầu về tiến độ, khả năng gián đoạn các hoạt động bề mặt, v.v…

- Yếu tố kinh tế: chi phí xây dựng công trình

- Các yêu cầu về bảo vệ môi trường và an toàn lao động, v.v…

Nói chung, ngày nay, các phương pháp thi công ngầm có thể áp dụng thi công trong mọi điều kiện khối đất và ở độ sâu bất kỳ Phương pháp đào ngầm có một số nhược điểm chung là không gian thi công hạn chế, các công tác phụ phục vụ thi công phức tạp, nguy cơ rủi ro cao, chi phí thi công và giá thành xây dựng lớn hơn so với các phương án thi công lộ thiên Tuy nhiên, với phương pháp lộ thiên, khi độ sâu CTN càng tăng, giá thành xây dựng càng lớn Trung bình khi độ sâu CTN tăng 1m thì giá thành tăng khoảng 5 - 15% [1] Vì vậy, các phương pháp thi công ngầm bắt buộc phải được áp dụng

trong các trường hợp: khi CTN xây dựng trong khu vực không cho phép giải toả bề mặt, hoặc CTN đặt ở độ sâu lớn làm tăng giá thành thi công theo phương pháp lộ thiên Các yếu tố ảnh hưởng tới việc lựa chọn phương pháp thi công được giới thiệu trong bảng 1.1 (trong phạm vi luận văn chỉ đề cập tới các phương pháp thi công ngầm)

Bảng 1.1 Phạm vi áp dụng các phương pháp đào hầm [1]

Yếu tố ảnh

hưởng

Điều kiện địa

chất

Trong điều kiện địa chất yếu cần áp dụng các giải pháp đặc biệt

áp dụng trong đất, đá mềm có độ bền nén đơn trục tới 200-300kN/m2

áp dụng trong mọi điều kiện địa chất

Khi dùng khiên kiểu kín không cần áp dụng giải pháp hỗ trợ

Cần áp dụng các giải pháp như thoát nước, gia cố đất

Độ sâu CTN Khi tỷ số H/D < 2 cần áp dụng biện

pháp hỗ trợ để kiểm soát độ lún bề mặt

Chiều dày lớp đất phủ tối thiểu cho phép bằng 1 lần đường kính CTN Khi dùng khiên khí nén hoặckhiên chất lỏng cần đề phòng khả năng thoát khí, dung dịch hoặc đẩy trồi đất do áp lực lớn Độ sâu tối đa phụ thuộc vào áp lực nước ngầm

Không hạn chế chiều dày lớp đất phủ tối thiểu Độ sâu có thể áp dụng tới 40m

Hình dạng mặt

cắt ngang

Biên phần vòm nên có dạng cong trơn

Tiết diện ngang có thể thay đổi trong

Chủ yếu áp dụng tiết diện ngang hình tròn song cũng có thể có các hình dạng

Chủ yếu áp dụng tiết diện ngang chữ nhật song cũng có thể áp dụng với các

thi công khác (chữ nhật, ôvan) Tiết diện ngang

hầu như không thể thay đổi trong quá trình thi công

hình dạng tiết diện ngang phức tạp

Diện tích mặt

cắt ngang

Không giới hạn Tuỳ thuộc vào thiết bị Hiện nay đã có

thiết bị đào với đường kính tới 14,5m

Không giới hạn

Hướng tuyến

CTN

Không giới hạn Bán kính cong tối thiểu bằng 3 lần

đường kính máy khiên đào

- Hầu như không gây ảnh hưởng tới hoạt động giao thông bề mặt trừ tại các vị trí thi công giếng

- Nếu CTN thi công gần các công trình đang tồn tại cần áp dụng các biện pháp

hỗ trợ nhằm hạn chế ảnh hưởng tới các công trình này

- Hầu như không gây ảnh hưởng tới hoạt động giao thông bề mặt trừ tại các

vị trí thi công giếng

- Nếu CTN thi công gần các công trình đang tồn tại cần áp dụng các biện pháp hỗ trợ nhằm hạn chế ảnh hưởng tới các công trình này

- Gây ảnh hưởng tới hoạt động giao thông bề mặt trong suốt thời gian thi công

- Cần có biện pháp hạn chế tác động của tiếng ổn và bụi tới môi trường

1.2 Đặc điểm của các công nghệ thi công theo phương pháp ngầm 1.2.1 Công nghệ xây dựng hầm bằng máy khiên đào [2]

Máy khiên đào đã ra đời rất sớm và được Mark I.Brunel sử dụng lần đầu tiên khi xây dựng tuyến hầm qua sông Thames ở London, đường hầm hoàn thành vào năm 1843

Máy khiên đào là loại máy đào hầm mà đoạn đường hầm từ vị trí đầu cắt tới vị trí vỏ chống cố định đã lắp dựng được chống giữ được bảo vệ bằng

vỏ thép (khiên) của máy đào hầm

Vì vậy, máy khiên đào thích hợp để thi công CTN qua các vùng đá yếu, đất có nguy cơ mất ổn định cao, đất đá trên biên có khả năng sụt lở vào trong không gian CTN ngay sau khi đào nếu không được chống giữ

Trải qua quá trình phát triển, cùng với tiến bộ của khoa học – công nghệ, đã có nhiều loại máy khiên đào được sử dụng trong thực tế thi công CTN Công nghệ thi công bằng máy khiên đào hiện nay trên thế giới cho phép thi công trong mọi điều kiện địa chất khác nhau và trong những CTN có tiết diện ngang không chỉ là hình tròn, hầm đơn mà có thể trong những tiết diện ngang có hình dạng phức tạp, hai thậm chí 3 hầm đồng thời, khiên cho phép

đổi hướng (hình 1.1)

Hình 1.1 Các loại hình máy khiên đào tiên tiến

Phân loại máy khiên đào và phạm vi sử dụng

Máy khiên đào (SM) được phân ra làm hai nhóm: máy khiên đào toàn gương (SM-V) và máy khiên đào từng phần gương (SM-T) Máy khiên đào toàn gương hay toàn tiết diện hầm là những máy có bộ phận đào là các bánh cắt hay mâm cắt Máy khiên đào từng phần gương có bộ phận đào là gầu xúc, đầu đào hay tay cắt Khiên chắn là vỏ thép bao bọc kín xung quanh máy

Đổi hướng

Đào ngang

Máy khiên đào thẳng

Ngoài ra các máy khiên đào còn được phân biệt bởi phương thức chống đỡ gương đào cũng như khối đất vây quanh

Máy khiên đào, đào toàn gương SM -V

Nhóm máy khiên đào này mang các ký hiệu từ SM-V1 đến SM-V5 có các đặc điểm, tính năng sau:

SM-V1: Gương hầm không được chống đỡ (không chống gương)

Máy này không có cơ cấu chống đỡ gương hầm, nên còn gọi là máy khiên đào "hở" Nó được sử dụng khi đào trong đất sét cứng (không chứa nước) Bánh cắt làm nhiệm vụ cắt, đào đất Đất đào ra được vận chuyển bằng băng tải hoặc máng cào

Phạm vi sử dụng : Loại này chủ yếu được sử dụng cho loại đất cố kết,

khô và ổn định Để tránh gây sụt lún khi thi công gần mặt đất, chiều dày lớp phủ mỏng, khối đất cần có khả năng chịu nén không nhỏ hơn 1MN/m2; lực dính kết C phải lớn hơn 30 KN/m2

SM-V2: Gương đào được chống đỡ bằng biện pháp cơ học (chống đỡ cơ học) (hình 1.2)

Bánh cắt hay mâm cắt của máy có cấu tạo gần như kín, áp vào gương đào và tạo ra áp lực chống trượt lở sớm của gương đào Các tấm gá đỡ trên mâm cắt, nằm giữa các thanh răng cắt được lắp ghép đàn hồi Nhờ vậy đất đào ra chui vào khe hở giữa các tấm gá đỡ và thanh răng cắt (khe hở này có khoảng hở biến đổi) và vào khoang công tác Đất được vận chuyển ra bằng băng tải, máng cào hoặc bằng phương pháp thủy lực Loại máy khiên đào có răng cắt dạng lưỡi xẻng hiện có mức độ cơ khí hoá cao Do mâm cắt luôn ép chặt vào gương đào nên đòi hỏi phải có mô men quay đủ lớn Loại máy này được sử dụng cho khối đất kém cứng vững Tuy nhiên, nếu đất có tính chảy

dẻo thì vì có khe hở, gương hầm không được chống đỡ triệt để, có thể gây ra sụt lún Giải quyết sự cố trong trường hợp này khá phức tạp

Phạm vi sử dụng: Do toàn bộ mặt của mâm cắt tỳ vào gương đào nên

được sử dụng chủ yếu trong khối đất khô, đặc biệt trong đất dính kết, kém ổn định hoặc đất hỗn hợp từ các loại dính kết và không dính kết Trở ngại nhất là khi có đá kẹp Đất cần có lực dính kết trong khoảng 30 và 5kN/m2 Kích thước hạt bị giới hạn bởi kích thước của khoảng khe hở trên mâm cắt Để hạn chế sụt lún trên mặt đất phải điều chỉnh hợp lý áp lực tỳ theo kích thước khe

1 - Đầu cắt; 2 - Khiên; 3 - Khớp nối; 4 - Kích đẩy; 5 -

Thiết bị lắp ghép vỏ chống; 6 - Thiết bị vận chuyển đất

đá thải; 7 - Băng tải; 8 - Phễu rót tải; 9 - Mô tơ điều

khiển đầu cắt; 10 - Cửa vào đầu cắt; 11 - Chốt giữ đầu

cắt; 12 - Khớp nối đuôi

đầu cắt

Băng tải vận chuyển

khô Trong trường hợp này, một trong các giải pháp là toàn bộ đường hầm hoặc tối thiểu là buồng công tác phải đặt trong chế độ khí nén Trường hợp sau phải có tường ngăn cách (tường áp lực) với bên ngoài Trong cả hai trường hợp đều phải bố trí khoang (hay âu) an toàn Nhờ áp lực khí nén, nước không chỉ bị giữ lại mà còn bị ép vào sâu trong khối đất Khi sử dụng phải luôn lưu ý đến khả năng thoát khí ở phần đuôi khiên chống tiếp giáp với kết cấu vỏ chống hầm Ngoài ra còn phải vận dụng các giải pháp đặc biệt để loại trừ hiện tượng tích tụ khí nén, chẳng hạn trong các thấu kính cát chứa nước có

áp

Phạm vi sử dụng: Vì sử dụng khí nén để chống đỡ gương, loại máy này

được sử dụng khi gặp nước ngầm Phạm vi chính là đất có cấu tạo hỗn hợp Điều cần chú ý là khả năng thoát khí vào môi trường, đặc biệt khi lớp đất phủ quá mỏng

Hình 1.3: Nguyên lý chống đỡ gương bằng khí nén

9 Vữa lấp đầy phía sau vỏ chống

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khiên chất lỏng có áp

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý chống giữ gương bằng chất lỏng có áp

Tuỳ thuộc vào khả năng thấm nước của khối đất mà chất lỏng được sử dụng có tỷ trọng và độ nhớt tương xứng Huyền phù bentônit được coi là một loại chất lỏng hữu hiệu Buồng công tác được ngăn cách với đường hầm bằng một tường áp lực Áp lực chống đỡ gương được điều khiển chính xác nhờ một "đệm không khí ", hoặc thông qua bộ phận điều chỉnh số vòng quay của máy bơm vận chuyển và máy bơm cung cấp Đất được đào ra nhờ mâm cắt và được vận chuyển ra nhờ bơm thủy lực (bơm vận chuyển) Hỗn hợp vận chuyển ra phải được chia tách ra các thành phần riêng rẽ Khi cần đi vào khoang công tác (sửa chữa, thay răng cắt) cần thiết phải sử dụng khí nén thay cho chất lỏng Khi đó chất lỏng (huyền phù bentônít, polyme) tạo ra một màng ngăn ngay sát gương hầm không cho khí nén thấm qua Màng ngăn chỉ tồn tại trong khoảng thời gian ngắn, mà chống đỡ gương lại nhờ vào khí nén,

do vậy phải nhanh chóng tạo ra màng ngăn mới Khi máy ngừng hoạt động,

có thể chống đỡ gương nhờ các tấm chắn trên mâm cắt được đóng kín lại hoặc mang các tấm chắn từ phía sau đến Khả năng này thực hiện được nhờ vào sự tồn tại của màng ngăn trước gương Trong buồng công tác thường bố trí máy nghiền đập để nghiền vụn đá kẹp, vật lẫn cứng rắn

Phạm vi sử dụng: cho các loại đất dính kết ít hoặc không dính kết, có

hoặc không chứa nước Trong quá trình thi công gương đào được chống đỡ bằng một chất lỏng dạng huyền phù bentônít Loại đất điển hình là các lớp cát, cuội Trong một số trường hợp các hạt sỏi thô sẽ hạn chế sự hình thành màng ngăn trước gương hầm Độ sệt của chất lỏng được điều chỉnh tuỳ theo

độ thẩm thấu của khối đất Các tảng cuội, đá lớn không thể bơm ra được sẽ được nghiền đập nhỏ bằng máy đập bố trí trước máy bơm Thành phần hạt mịn với kích thước < 0,02mm chỉ được phép ở phạm vi 10% Nếu tỷ phần này lớn thì sẽ gây khó khăn khi tách rời nước và chất rắn Khiên chất lỏng có áp phù hợp để sử dụng trong khối đất rời đào qua khu vực có nước ngầm vì khi

đó có thể dễ dàng phân tách đất thải ra khỏi hỗn hợp dung dịch bentônit tại trạm phân tách Khiên phù hợp khi sử dụng trong đất có hệ số thấm lớn hơn 1.10-5m/s

SM-V5: Các máy loại này thực hiện chống đỡ gương theo phương thức "cân bằng áp lực đất" (chống đỡ bằng áp lực đất) (hình 1.6; 1.7)

Khối đất đào ra được đưa về dạng "vữa đất" làm nhiệm vụ chống đỡ gương hầm Khoang công tác cũng được ngăn cách với phần còn lại bằng tường ngăn áp lực Mâm cắt ở dạng kín hoặc có ít khe hở Một trục xoắn "ruột gà" làm nhiệm vụ kéo đất ra khỏi buồng công tác Áp lực được đo và theo dõi nhờ các dụng cụ đo áp lực Để đảm bảo khối đất có được độ dẻo quánh nhất định, các cánh quay được bố trí sau mâm cắt Áp lực đất chống đỡ gương được điều chỉnh nhờ các kích nén (kích di chuyển) và thông qua điều chỉnh số vòng quay của trục xoắn kéo đất

Trục xoắn cùng với khối lượng vật liệu được tải theo nó kết hợp với một cơ cấu cơ khí thích hợp đảm bảo độ kín tuyệt đối ở bộ phận kéo đất ra, nhờ đó luôn đảm bảo ổn định được áp lực chống đỡ gương hầm, ngay cả khi

có nước ụp ra trong khối đất Đương nhiên khả năng chống đỡ toàn gương, đặc biệt ở phần phía trên, chỉ có thể đảm bảo được nếu như đưa khối đất về được trạng thái dẻo quánh mềm đến cứng Hàm lượng hạt mịn (< 0,06mm)

có ảnh hưởng đáng kể Để mở rộng phạm vi sử dụng loại máy này, người ta

đã dùng các chất gia cường như betônít, polyme, bọt polyme Đương nhiên khi đó lại phải chú ý đến khả năng gây ô nhiễm môi trường khi đổ thải

8 Vữa lấp đầy phía sau vỏ chống

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khiên cân bằng áp lực đất

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý chống giữ gương bằng hỗn hợp đất thải

Phạm vi sử dụng: Loại máy dùng áp lực đất để chống đỡ gương đào

này được sử dụng thích hợp nhất trong các khối đất có thành phần dính kết Các loại hạt với kích thước < 0,06mm cần đạt ít nhất là 30% Để có thể tạo ra

áp lực đất theo yêu cầu cần phải có nước ngầm hoặc bơm thêm vào Độ sệt cần thiết có thể tạo ra nhờ bơm thêm sét bêtônít hoặc nhựa polyme Cũng nhờ

đó tránh được hiện tượng kẹt, tắc Khiên cân bằng áp lực đất phù hợp để thi công qua khối đất dính vì khi đó cho phép tạo ra hiệu ứng nút chặn tại cửa ra của trục vít xoắn nhằm duy trì áp suất trong buồng công tác chống lại áp lực nước ngầm trước gương Khiên sử dụng hiệu quả khi hệ số thấm của đất nhỏ hơn 1.10-5m/s

Máy khiên đào, đào từng phần gương SM - T

Nhóm này mang các ký hiệu từ SM -T1 đến SM -T4 với các đặc điểm sau:

SM-T1: Không chống đỡ gương hầm (hình 1.8)

Khi gương hầm ở dạng thẳng đứng hoặc dốc đứng mà vẫn ổn định thì

có thể sử dụng loại máy này Máy này chỉ gồm có vỏ bảo vệ (khiên chống) và

bộ phận đào đất (gầu xúc, đầu khoan đào hoặc đầu răng kéo) Đất đào ra được vận chuyển đi bằng băng tải hoặc máng cào

Phạm vi sử dụng: Loại này chủ yếu được sử dụng cho loại đất cố kết,

khô và ổn định Để tránh gây sụt lún khi thi công gần mặt đất, chiều dày lớp phủ mỏng, khối đất cần có khả năng chịu nén không nhỏ hơn 1MN/m2; lực dính kết C phải lớn hơn 30 KN/m2

Hình 1.8: Khiên đào từng phần không chống đỡ gương

SM-T2: Chống đỡ từng phần gương hầm (Hình 1.9)

Gương hầm được chống đỡ bằng sàn thi công (sàn công tác) hoặc các tấm chắn Khi chống đỡ bằng sàn công tác, gương được chia ra nhiều phần, tuỳ thuộc vào việc bố trí số tầng sàn công tác và tạo ra độ dốc nhất định giữ cho gương ổn định Đất có thể được đào thủ công hay bằng máy đào, xúc

Máy khiên đào với sàn công tác có mức độ cơ khí hoá thấp Nhược điểm chính là có thể dẫn đến sụt lún lớn, đôi khi không điều khiển được

Trường hợp sử dụng các tấm chắn để đỡ gương thì các tấm chắn được nén ép bằng kích thủy lực Khi tiến hành đào ( thủ công hay bằng máy) các tấm chắn được lần lượt hạ bỏ ra Cũng có thể kết hợp sàn công tác và tấm

chắn Nếu chỉ cần chống đỡ phần nóc gương hầm thì có thể sử dụng cơ cấu tấm chắn đóng mở được

Phạm vi sử dụng: Loại này được sử dụng nếu việc chống đỡ gương

thực hiện bằng cách tạo mặt gương nghiêng theo góc đổ tự nhiên trên từng sàn công tác Riêng ở nóc có thể dùng thêm các tấm chắn đỡ Phạm vi áp dụng chủ yếu là khi gặp cát, cuội liên kết yếu hoặc hoàn toàn rời rạc với các góc ma sát trong (góc nghỉ) tương ứng

Hình 1.9: Sơ đồ chống đỡ gương từng phần

SM - T3: Chống đỡ gương bằng khí nén

Khi gặp nước ngầm, gương được chống đỡ bằng khí nén Khí nén được đưa vào toàn bộ hầm hoặc chỉ trong khoang công tác Đất đào ra được vận chuyển đi bằng phương tiện thủy lực hoặc ở trạng thái khô qua khoang vật liệu

Phạm vi áp dụng: Loại này dùng trong các trường hợp khối đất có đặc

điểm như cho SM-T1 và SM-T2 nhưng có chứa nước ngầm Khí nén được đưa vào toàn bộ khu vực làm việc hay chỉ ở trong buồng công tác

SM -T4: Chống đỡ gương bằng chất lỏng

Các loại máy này có buồng công tác ngăn cách với bên ngoài bằng tường ngăn áp lực Buồng được bơm đầy chất lỏng Áp lực được điều chỉnh nhờ máy bơm cung cấp và máy bơm hút ra Đất được đào nhờ cơ cấu tay đào, tương tự như máy xúc kiểu hút, hút cả đất và chất lỏng ra

Phạm vi sử dụng: Khi gặp hỗn hợp cuội, cát dưới nước thì nên sử dụng

loại máy này Đặc điểm của khối đất tương tự như đối với trường hợp V4 Các vật cản được cắt nhỏ nhờ tay cắt

SM-Nói chung, khi thi công CTN trong điều kiện đất mềm yếu, chủ yếu sử dụng hai loại máy khiên đào: khiên sử dụng nguyên lý chống đỡ gương bằng chất lỏng có áp (Slurry Shield), khiên sử dụng nguyên lý chống đỡ gương bằng áp lực đất trong buồng công tác (Earth Pressure Balance Machine-EPB) Đây là hai loại thuộc nhóm khiên đào toàn phần, ngoài ra trong nhóm này còn

có các loại khiên chống dùng nguyên lý đỡ gương bằng khí nén và gần đây là hai loại khiên mới phát triển là khiên hỗn hợp (Mix Shield) và máy khiên đào tổng hợp (Poly Shield) Phạm vi sử dụng của mỗi loại máy khiên đào phụ thuộc vào điều kiện khối đất (thành phần cơ hạt, tính thấm của đất, v v…),

mức độ nhạy cảm của các công trình bề mặt

1.2.2 Công nghệ xây dựng hầm bằng phương pháp thông thường

Trong môi trường đất mềm, phương pháp đào hầm mới của Áo (the New Australian Tunneling Method - NATM) áp dụng rất hiệu quả Rất nhiều CTN đô thị trên thế giới hiện nay đã và đang được thi công theo phương pháp

này

Tư tưởng (hay triết lý) chủ đạo của phương pháp này là khối đất đá chứa công trình ngầm cần được sử dụng thành bộ phận mang tải cơ bản của công trình, đầu tiên tham gia vào kết cấu chống tạm ở giai đoạn đang thi công, sau đó là với kết cấu chống (hay vỏ chống) cố định

So với phương pháp thi công bằng máy khiên đào, tính linh hoạt của quá trình thực hiện dự án theo phương pháp NATM cao hơn không chỉ về hình dạng, kích thước tiết diện ngang công trình, dễ dàng thay đổi trục CTN trên cả mặt bằng lẫn mặt cắt dọc, khả năng thay đổi quá trình đào và chống giữ CTN mà còn ở khả năng áp dụng các giải pháp hỗ trợ trong quá trình thi công khi đào qua vùng có điều kiện địa chất phức tạp, bất thường

Các biện pháp hỗ trợ trong phương pháp NATM:

 Gia cố trước:

- Tháo khô vùng đất trước gương bằng các lỗ thu nước;

- Neo gia cố trước phần vòm bằng neo, tấm thép;

- Khoan phun gia cố theo phương ngang vùng khối đất trước gương;

- Tăng chiều dày của lớp BTP tại chân vòm;

- Tăng khả năng mang tải chân vòm bằng khoan phụt, neo

 Chống giữ biên CTN:

- Tăng chiều dày của lớp BTP;

- Tăng mật độ neo, tăng chiều dài neo;

- Sử dụng lớp vỏ chống tạm thời tại phần vòm đỉnh và vòm ngược bằng BTP;

- Khoan phụt vùng đất đá xung quanh

 Các biện pháp đặc biệt khác:

- Sử dụng biện pháp đào trong buồng khí nén;

- Đào trong vùng đất đá đã được đóng băng;

- Sử dụng phương pháp dầm nóc bảo vệ tiến trước

Mỗi phương pháp thi công có những ưu, nhược điểm và phạm vi áp dụng phù hợp nhất định Để phương pháp thi công được lựa chọn là tối ưu cả

về mặt kinh tế lẫn kỹ thuật cần chú ý tới một số yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả

sử dụng phương pháp như: điều kiện địa chất, đặc điểm hình học và chiều dài CTN, v.v…

Đối với phương pháp đào bằng khiên đào, trong điều kiện gương ổn định không có nước ngầm mặc dù có thể sử dụng các loại khiên khác (ví dụ khiên không chống đỡ gương) nhưng do tính chất phức tạp, biến đổi liên tục của điều kiện địa chất nên ở đây chỉ sử dụng các loại khiên chất lỏng có áp, khiên cân bằng áp lực đất hoặc khiên hỗn hợp

Xây dựng CTN trong các thành phố phải đặc biệt quan tâm đến khả năng lún sụt trên bề mặt, nhất là trong điều kiện địa chất phức tạp như ở Hà Nội; mặt khác nước ngầm trong khu vực Hà Nội là nguồn tài nguyên vô cùng qúy đối với sinh hoạt của thành phố cũng cần phải bảo vệ, tránh gây ô nhiễm Dựa vào đặc điểm và phạm vi áp dụng của các phương pháp cho thấy, để có thể đáp ứng các đòi hỏi này khi thi công các CTN bằng phương pháp ngầm chỉ có thể áp dụng các phương pháp máy khiên đào, chống trước - đào sau hay đào ngầm thông thường:

Phương pháp máy khiên đào có thể áp dụng cho các tuyến đường hầm dài, thi công trong khu vực nội thành Hiện nay trên thế giới xuất hiện nhiều loại máy khiên đào khác nhau tùy thuộc vào đối tượng tác động (đất rời, đất dính kết, có chứa nước hay không chứa nước, v.v…) cũng như các điều kiện thi công cụ thể

Phương pháp đào thông thường (phương pháp bê tông phun, “chống trước đào sau”) phù hợp để áp dụng trong những đoạn CTN có chiều dài ngắn, kích thước tiết diện ngang thay đổi phức tạp (ví dụ nhà ga hệ thống tàu điện ngầm) không cho phép thi công bằng phương pháp lộ thiên

Kinh nghiệm trên thế giới cho thấy, phương pháp NATM áp dụng hiệu quả hơn so với phương pháp đào bằng máy (khiên đào) trong những CTN có chiều dài nhỏ hơn 2km, tiết diện ngang thay đổi, thi công trong điều kiện địa chất biến đổi liên tục [1]

1.3 Nhận xét

Trên đây là tổng quan về các phương pháp thi công ngầm và phạm vi

áp dụng của từng phương pháp trong khu vực đất đá mềm Qua đó ta thấy được ưu, nhược điểm của từng phương pháp thi công, cũng như tầm quan trọng của việc lựa chọn đúng đắn về phương pháp thi công sẽ giúp tiết kiệm tối đa chi phí xây dựng và các rủi ro gặp phải khi xây dựng đường hầm Trong phạm vi của luận văn, tác giả tập trung nghiên cứu, mô phỏng phương pháp đào hầm bằng máy khiên đào toàn gương, tiết diện ngang hình tròn, áp dụng với điều kiện địa chất của tuyến đường sắt đô thị Hà Nội

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HAI CHIỀU

CHO CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÀO TRONG ĐẤT MỀM

Trong thực tế, thi công đào công trình ngầm là bài toán 3 chiều (3D)

Sự phát triển mạnh mẽ của các phương pháp tính toán số đã cho phép tiến hành các bài toán mô phỏng công trình ngầm trong mô hình số 3 chiều gần với điều kiện thực tế Tuy nhiên do yêu cầu về chi phí bản quyền phần mềm

và thời gian tính toán nên các mô hình này vẫn được áp dụng hạn chế Tương

tự, do tính chất phức tạp và chi phí thực hiện, các mô hình vật lý tương đương cho phép mô phỏng hữu hiệu trạng thái 3 trục của công trình ngầm cũng được ứng dụng rất hạn chế Thay vào đó, các mô hình tính toán số 2 chiều (2D) truyền thống vẫn được áp dụng khá phổ biến trong quá trình tính toán thiết kế

sơ bộ Các tổng kết của Negro và Queiroz (2000) [13] và Muniz de Farias và nnk (2004) [15] đã cho thấy 92% trong tổng số 65 công trình khoa học xuất bản được thống kế vẫn sử dụng các mô hình 2 chiều Tuy nhiên, khi sử dụng các mô hình tính toán 2 chiều cần sử dụng các phương pháp tương đương, cho phép chú ý tới hiệu ứng 3 chiều của quá trình thi công công trình ngầm, thông qua việc kể tới sự dịch chuyển của khối đất đá trên biên công trình ngầm sau khi đào và trước khi lắp dựng kết cấu chống Quá trình dịch chuyển của khối đất đá trước khi lắp dựng kết cấu chống được gọi sau đây là quá trình giảm tải Hiện nay, tồn tại nhiều phương pháp chuyển đổi tương đương từ mô hình

3 chiều sang mô hình 2 chiều, kể tới quá trình giảm tải, ví dụ: phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ CCM (convergence-confinement method) (Panet 1982 [17], Bernat 1996 [6], Hejazi và nnk 2008 [9], Đỗ và nnk 2014d [8]); phương pháp khoảng hở (gap method) (Rowe và nnk 1983 [23]); phương pháp mềm hóa khối đất đá trên gương công trình ngầm (progressive softening method) (Swoboda 1979 [21]); phương pháp hao hụt thể tích (volume loss)

(Bernat 1996 [6], Addenbrooke và nnk 1997 [5]; Hejazi và nnk 2008 [9], Đỗ

và nnk 2014d [8]) và một số phương pháp khác

Trên cơ sở so sánh độ lún bề mặt thu được từ các mô phỏng số 2 chiều,

sử dụng các phương pháp tương đương khác nhau, với số liệu đo đạc thực tế tại hiện trường dự án hầm Heathrow Express Trial ở Luân đôn (Anh) có tiết diện ngang không tròn, chống giữ bằng kết cấu chống bê tông liền khối, thi công bằng phương pháp NATM (New Austrian Tunnelling Method), Karakus (2007) [13] đã rút ra nhận định: phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ CCM cho kết quả tốt nhất Kết luận tương tự cũng được rút ra từ kết quả nghiên cứu của Svoboda và Mašin (2009) [21] trên cơ sở so sánh đường cong lún bề mặt thu được từ các mô hình số 3 chiều và 2 chiều Có thể thấy từ các kết quả nghiên cứu nêu trên, đối với các đường hầm tiết diện ngang không tròn đào bằng các phương pháp thông thường như NATM, phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ CCM cho kết quả mô phỏng số 2 chiều phù hợp hơn với các kết quả đo thực tế hoặc mô hình số 3 chiều so với các phương pháp tương đương khác

Gần đây Đỗ và nnk (2014d) [8] đã tiến hành mô phỏng số đường hầm tiết diện ngang tròn, thi công bằng máy đào hầm TBM, bằng mô hình 3 chiều cho phép mô phỏng hầu hết các quá trình thi công thực tế, và mô hình đơn giản hóa 2 chiều, sử dụng 2 phương pháp tương đương là phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ CCM và phương pháp hao hụt thể tích (volume loss) Các kết quả so sánh độ lún bề mặt và nội lực phát sinh trong kết cấu vỏ chống giữa mô hình 3 chiều với các mô hình 2 chiều cũng cho thấy phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ CCM cho kết quả tốt hơn so với phương pháp hao hụt thể tích (volume loss) Tuy nhiên, vẫn có sự khác biệt lớn về lực dọc trong kết cấu giữa mô hình 3 chiều và 2 chiều

Tuy nhiên, các nghiên cứu của một số tác giả khác cũng đã chỉ ra những hạn chế của phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ CCM Trên cơ

sở kết quả mô phỏng số 2 chiều, 3 chiều của đường hầm Steinhaldenfeld tại Stuttgart (Đức), Möller và Vermeer (2008) [13] đã kết luận rằng cần sử dụng

2 hệ số giảm ứng suất (β), là đặc trưng của phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ CCM, khác nhau tùy thuộc vào mục đích để xác định độ lún bề mặt hay ứng suất phát sinh trong kết cấu Nguyên nhân của nhược điểm này

là do hạn chế của mô hình số 2 chiều không thể mô phỏng đầy đủ các tính chất 3 chiều của tải trọng tác dụng lên kết cấu chống, đặc biệt tại vùng gần gương đào của công trình ngầm

Rõ ràng, vẫn còn có những quan điểm khác nhau về khả năng ứng dụng của các các phương pháp mô phỏng 2 chiều trong bài toán thi công công trình ngầm Mỗi phương pháp mô phỏng 2 chiều đều có những ưu và nhược điểm riêng, cho phép kể tới các đặc điểm khác nhau của quá trình biến đổi xảy ra trong khối đất đá xung quanh công trình ngầm như dịch chuyển biến dạng hay ứng suất, … Để hiểu rõ hơn và có cơ sở lựa chọn phương pháp mô phỏng 2 chiều thích hợp trong quá trình thiết kế, thi công công trình ngầm, dưới đây trình bày những nội dung cơ bản của từng phương pháp

Khoảng dịch chuyển dự kiến của biên đường hầm được mô phỏng bằng

sự sai khác vị trí của biên đường hầm khi đào và biên đường hầm ở trạng thái cuối cùng (Hình 2.1) Giả thiết đáy của đường hầm là cố định Thông số đặc

trưng của phương pháp này khoảng hở đo bằng khoảng cách thẳng đứng giữa đỉnh của đường hầm ở vị trí khi đào và vị trí cuối cùng sau khi dịch chuyển

Hình 2.1: Phương pháp khoảng hở cho mô hình đào hầm

(Pottset al., 2001)

Quá trình mô phỏng trong phương pháp này được tiến hành bằng cách

dỡ bỏ các điều kiện hạn chế dịch chuyển của các điểm nút trên biên công trình sau khi đào và quan trắc vị trí của các điểm nút trong quá trình biến dạng dịch chuyển Tại thời điểm, vị trí điểm nút dịch chuyển và tiếp xúc với vị trí dự kiến ở trạng thái cuối cùng, nói cách khác khoảng hở dự kiến đã được khép kín, khối đất đá xung quanh tiếp xúc với kết cấu chống đã lắp dựng, tương tác giữ khối đất đá – kết cấu chống xuất hiện Khối đất đá và kết cấu chống trong thực tế được mô phỏng là 2 đối tượng riêng biệt, liên kết với nhau thông qua lực tại nút phần tử

2.2 Phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ

Trong các phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ (Panet, 1978) [20], giả thiết rằng áp lực tác dụng lên kết cấu chống giảm dần một lượng là

0 (Hình 2.2a) cùng với quá trình biến dạng của khối đá Các véc tơ lực hướng kính tác dụng từ trong lên biên đào và có cường độ (1-0)P0 được gán

vào các điểm nút của lưới phần tử, trong đó P0 chính là cường độ ứng suất nguyên sinh tại thời điểm chưa khai đào công trình Giá trị của 0 ban đầu giả thiết bằng 0, sau đó tăng dần tới giá trị dự kiến 3 Sau khi mô hình đạt tới trạng thái cân bằng, kết cấu chống bắt đầu được lắp dựng bên trong không gian công trình Đồng thời, véc tơ lực tác dụng từ bên trong lên các nút trên biên đường hầm được dỡ bỏ và kết cấu chống chịu toàn bộ áp lực tác dụng từ phía khối đất đá (hình 2.2a4)

Hình 2.2: Phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ (a) và phương

pháp giảm bớt độ cứng (b)

Trong phương pháp này, ứng suất tại các điểm trên biên công trình ngầm là thông số được kiểm soát Các lời giải giải tích theo phương pháp này cho đến thời điểm hiện nay chủ yếu tập trung cho công trình tiết diện tròn, đào trong trường ứng suất thủy tĩnh

2.3 Phương pháp giảm độ cứng

Trong phương pháp giảm độ cứng (Hình 2.2b) (Laabmayr & Swoboda, 1978) [22], quá trình đào đường đường hầm và biến dạng xảy ra trước khi lắp dựng kết cấu chống được mô phỏng bằng cách giảm dần độ cứng của vật liệu bên trong phạm vi biên đường hầm sẽ được xây dựng Do sự suy giảm của độ cứng vật liệu bên trong phạm vi đường hầm so với bên ngoài, biên hầm dự kiến sẽ dịch chuyển dần vào bên trong Sau quá trình đó, toàn bộ vật liệu bên trong phạm vi đường hầm sẽ được dỡ bỏ để mô phỏng giai đoạn đào và kết cấu vỏ chống được lắp dựng trên biên đường hầm tương tự như phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ trình bày ở trên

Độ cứng của vật liệu bên trong phạm vi biên đường hầm sẽ đào sẽ giảm

đi một đại lượng α (giá trị α thay đổi trong khoảng 0<α<1; α = 0 tương ứng với độ cứng vật liệu của khối đất đá ban đầu khi chưa đào đường hầm, α = 1 tương ứng khi đào dỡ bỏ toàn bộ vật liệu đất đá bên tỏng đường hầm) Theo hình 2.2b, α0 = 0, α1> α0, α2> α1 …

Trong bước khai đào đầu tiên (Hình 2.2b1.) độ cứng của vật liệu bên trong được đề nghị giảm một đại lượng α = 50% (theo Laabmayr & Swoboda, (1978))

Ưu điểm của phương pháp giảm độ cứng là khả năng áp dụng tốt với tất cả các trường hợp của hệ số áp lực ngang K Trong khi đó, phương pháp khống chế dịch chuyển hội tụ với giả thiết áp lực phân bố đều tác dụng từ bên trong đường hầm chỉ thích hợp với bài toán đường hầm đào trong điều kiện ứng suất thủy tĩnh với hệ số áp lực ngang K = 1