Bài viết Giải pháp cho điểm kết nối nhà ga hồ Hoàn Kiếm và tuyến tàu điện ngầm số 2 giới thiệu về phương án bê tông cốt sợi thuỷ tinh cho tấm tường vây nhà ga, TBM xuyên qua tường vây bằng cách cắt cốt thép GFRP (một dạng của vật liệu composite) và nghiền bê tông. Đây là giải pháp nhằm đẩy nhanh tiến độ, đơn giản và an toàn nhất để tạo lối mở giữa đường hầm và nhà ga.
Giải pháp cho điểm kết nối nhà ga hồ Hoàn Kiếm tuyến tàu điện ngầm số Solution for the connection point of Hoan Kiem lake station and metro line No.02 Nguyễn Cơng Giang(1), Nguyễn Xn Phúc(2) Tóm tắt Nghiên cứu giải pháp cho điểm kết nối nhà ga tuyến tàu điện ngầm, nhằm đảm bảo an toàn giảm thiểu thiệt hại thời gian chi phí xây dựng Thơng thường, tường vây thường làm bê tông cốt thép, sử dụng công nghệ thi công máy khiên đào (TBM) cắt trực tiếp qua tiềm ẩn nguy làm hư hỏng TBM Nếu tạo lỗ mở tường vây trước TBM qua gây nhiều rủi ro khác, cơng trình nằm lớp đất dính, có hệ số thấm nhỏ mực nước ngầm cao, đất bão hồ nước, nên gây ngập cục nhà ga Bài báo giới thiệu phương án bê tông cốt sợi thuỷ tinh cho tường vây nhà ga, TBM xuyên qua tường vây cách cắt cốt thép GFRP (một dạng vật liệu composite) nghiền bê tông Đây giải pháp nhằm đẩy nhanh tiến độ, đơn giản an toàn để tạo lối mở đường hầm nhà ga Từ khóa: mắt mềm, cốt sợi thuỷ tinh GFRP, máy đào hầm TBM, ứng suất Abstract The paper investigates solutions for the connection point between the station and the subway line to ensure safety and minimize damage and construction costs Typically, the diaphragm wall is usually made of reinforced concrete, when using construction technology by Tunnel Boring Machine (TBM) cutting directly through, poses potential risks of damage to TBM Creating an opening in the diaphragm wall before the TBM passes through will cause many other threats It deals with that the structure is usually located in the cohesive soil layer and has a small permeability coefficient, but the groundwater level is high, and the soil is saturated with water so it can cause local flooding in the station This paper introduces the option of glass fiber reinforced concrete for the station diaphragm, TBM penetrates the diaphragm wall by cutting GFRP reinforcement (a form of composite material) and crushing the concrete This is the solution to speed up construction, the simplest and safest way to create an opening between the tunnel and the station Key words: soft-eye, glass fiber reinforced polyme bar, tunnel boring machine, stress Đặt vấn đề Thực tế xây dựng nhà ga Hồ Hoàn Kiếm trung tâm thành phố Hà Nội, nơi có mực nước ngầm cao cơng trình nằm cạnh nhiều di tích lịch sử Thủ cơng trình quan trọng khác Nên địi hỏi ngồi đảm bảo an tồn cho nhà ga Hồ Hồn Kiếm, cần đảm bảo cho cơng trình lân cận Điểm kết nối nhà ga tuyến tàu điện ngầm có ý nghĩa vơ quan trọng, trực tiếp ảnh hưởng tới kết cấu nhà ga, chuyển vị tường vây Bài báo giới thiệu phương pháp sử dụng bê tông cốt sợi thuỷ tinh cho khu vực “mắt mềm” - điểm kết nối nhà ga tuyến để giải khó khăn Đặc điểm vị trí cơng trình Ngày 23/03/2022, theo đạo Thủ tướng phủ vị trí nhà ga ngầm C9 Hồ Hoàn Kiếm, Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội định đề xuất phương án để làm sở hoàn chỉnh hồ sơ điều chỉnh chủ tương đầu tư dự án tuyến đường sắt metro Hà Nội (tuyến số 2) Vị trí nhà ga nằm bên đường Đinh Tiên Hồng, phía trước Tổng công ty Điện lực Hà Nội trụ sở Hội đồng nhân dân - Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội Nhà ga gồm tầng ngầm Chiều dài 202.4m, rộng 15m Tường vây dày 1.2m, chiều dài 37m cấu tạo bê công B25 cốt thép CB400-V Nhà ga gồm đường hầm nằm ngang song song với xuyên qua, đỉnh đường hầm cao độ -12.7m, đường hầm có đường kính ngồi 5.9m, nằm hồn tồn lớp đất dính (lớp 4: Sét – Sét pha) Sự khác biệt cốt sợi thuỷ tinh cốt thép GFRP có độ bền kéo gấp đôi thép; nhiên cường độ uốn lại thấp hơn, giới hạn chảy thấp mô đun đàn hồi thấp Có nghĩa GFRP chịu mức tải trọng tác động lớn thép trường hợp chịu kéo làm cốt chịu lực phía dầm chịu uốn đơn giản cốt chịu lực phía dầm console Tuy nhiên Thép vằn thông thường chịu mức độ võng đàn hồi lớn GFRP trước xuất biến dạng đàn hồi biến dạng vĩnh cửu Bảng Thông số vật liệu thép thông thường thép polymer GFRP Thanh thép vằn >1000 450 Mô đun đàn hồi (Suất đàn hồi) (GPa) >60 190 to 200 Độ bền cắt ngang (MPa) 220 300 Cường độ liên kết với bê tông (MPa) >20 >12 1.5-2% 15% 2100 7800 Độ bền kéo (MPa) (1)TS, Giảng viên, khoa Xây Dựng, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Email: gianglientca@gmail.com (2)Kỹ sư, Công ty cổ phần đầu tư Blue Crystal, Email: phucnguyen@bcinvest.vn Ngày nhận bài: 23/04/2022 Ngày sửa bài: 14/05/2022 Ngày duyệt đăng: 5/7/2022 Biến dạng tới hạn % Khối lượng riêng (Kg/m ) Thép đặc trưng độ dẻo cao, có nghĩa biến dạng dẻo trước đứt So với thép, GFRP có đặc tính đàn hồi S¬ 45 - 2022 KHOA H“C & CôNG NGHê v khụng d un, cú ngha l nú có giới hạn đứt gãy trước giới hạn chảy Khi TBM dễ dàng cắt qua GFRP Mơ hình hố máy khiên đào qua tường vây Để nghiên cứu độ ổn định an toàn tường vây máy khiên đào qua nhà ga, mô cách tiếp cận đơn giản hiệu 4.1 Mơ hình số ga 4.1.1 Mơ hình tường vây nhà Khi thiết lập mơ hình phân tích cho tường vây, mơ hình cấu trúc địa chất thường sử dụng để phân tích biến dạng đất tương tác đất đến kết cấu chống đỡ Hơn nữa, tập trung vào kết cấu tường vây, mơ hình kết cấu chịu tải thường sử dụng để phân tích lực/ ứng suất biện dạng tường vây Trong nghiên cứu này, trọng tâm xem xét việc khiên đào xuyên qua tường vây Nền đất bên ngồi tường vây bỏ qua tương tác vủa đất kết cấu đơn giản hố cách sử dụng phần tử lò xo để liên kết đất với kết cấu Bằng cách này, mô số tốn thời gian Mơ hình số phát triển phần mềm ABAQUS Hình Mơ hình trạm mơ phần mềm ABAQUS Hình Sơ đồ Ga C9 với điều kiện biên Trong mơ hình này, tường vây có 60 tấm, khớp nối tấm, đáy, mô cách sử dụng phần tử 3D Các thành phần tường vây nhà ga thể Hình Để mơ hình hoá khớp nối tường vây, việc TBM xuyên qua tường vây 4.1.2 Điều kiện biên Ngoại trừ bề mặt bên tường vây hạn chế lị xo nối đất thơng thường, mép tường vây cố định theo phương thẳng đứng áp lực đất tác dụng áp lực nước bên tác dụng lên bề mặt tường vây (Hình 2) Ngồi ra, tồn đáy (Nằm cao độ -19.45 thể Hình 1), áp lực nước đẩy lên bề mặt bên ngồi đáy, hình Hệ số kháng đàn hồi đơn vị lò xo đất gán giá trị 1.5x107 N/m Các lò xo nối đất gọi loại lò xo kháng, chịu lực nén, khơng phải lực kéo 10 Hình Sự giải phóng ứng suất tường vây TBM qua Hình Kiểu kết nối HINGE hệ tọa độ trụ cục TP CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Hỡnh Mơ hình hóa bê tơng thép trước TBM qua 4.1.3 Thơng số mơ hình Bảng Các thơng số sử dụng để mơ hình hóa bê tơng, thép GFRP Vật liệu Bê tông Dung trọng ρ (kN/m3) Mô đun đàn hồi E (GPa) Hệ số Poisson μ 24 30 0.2 78.5 200 0.3 GFRP (Aslan) 21 52.5 0.33 TBM 76 200 0.3 Thép Trong mơ hình này, tường vây đáy dầm sàn chống mô loại vật liệu bê tông cốt thép Các thơng số mơ hình bê tơng, cốt thép thể Bảng Hình Biểu đồ dịch chuyển tường D TBM qua 4.2 Phương pháp mơ hình hố máy khiên đào qua tường vây Để mô khiên đào qua tường vây, ta mô khiên đào mũi khoan có đường kính 5.9m, có chuyển động quay trịn tịnh tiến nghiền bê tông cắt cốt thép gia cường khu vực “Mắt mềm” từ qua tường vây Để mơ hình hố máy khiên đào qua tường vây (bao gồm khu vực khiên), phần tử bê tơng đào, lị xo đất mặt bên bê tông đào tương ứng với phần khiên đào loại bỏ, nhận tác động phát triển ứng suất biến dạng tường vây minh hoạ Hình Phương pháp mơ hình hố khơng cung cấp mơ hình tương đương khiên đào qua tường vây, mà cung cấp mơ hình tốn mà không cần mô đất xung quanh 4.3 Phương pháp mơ hình hố cho mối nối tường vây Tường vây bao gồm mối nối tấm, Hình Mặc dù người ta biết mối nối ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định tường vây, có nghiên cứu ảnh hưởng mơ hình độ cứng mối nối tường vây đến biến dạng ứng suất tường vây Trong báo này, chế độ HINGE mối nối ABAQUS sử dụng để mơ hình hố mối nối tường vây Có mơ hình sát với tình hình thực tiễn Hình Ø tăng ngược chiều kim đồng dọc theo chu vi “mắt mềm” 4.3.1 Mơ hình hố mối nối tường vây bên khu vực khiên đào qua Các mối nối bên khu vực khiên đào qua mô với phần tử kết nối HINGE ABAQUS Phần tử HINGE sử dụng để nối vị trí nút (a b, Hình 4) để giới hạn vòng quay bậc tự quay chúng Kiểu kết nối HINGE áp đặt ràng buộc động học sử dụng định nghĩa hướng cục bộ, Ma sát dạng Mohr – Coulomb xác định trước kết nối HINGE mối liên hệ lực mômen hạn chế động học đầu nối với mômen ma sát chuyển động quay quanh trục HINGE S¬ 45 - 2022 11 KHOA HC & CôNG NGHê Hỡnh Sự phân bố ứng suất lớn dọc theo chu vi đường hầm che chắn Hình Phân bố ứng suất nhỏ dọc theo chu vi đường hầm che chắn Chuyển động quay hướng gần chuyển động kết nối, hiệu ứng ma sát thời điểm tạo đường tiếp tuyến mômen lực tiếp xúc tạo Trong mơ hình này, u cầu xác định hệ tọa độ trụ cục thiết lập hành vi đầu nối trình kết nối cho phần tử HINGE Khi độ cứng đàn hồi đầu nối đưa ra, phân bố biến dạng ứng suất tường vây suy thông qua mô số Đối với nhà ga C9, độ cứng đàn hồi đầu nối đặt thành 1.7 × 108 N/m 4.3.2 Mơ hình hố mối nối tường vây bên khu vực khiên đào qua Đối với mối nối vùng khiên đào qua, phần tử mơ hình HINGE hoạt động trước khiên đào qua Khi khiên đào qua, phần tử HIINGE ngừng hoạt động cách thiết lập từ khóa “thay đổi mơ hình, loại bỏ” ABAQUS để loại bỏ ngăn chúng tham gia vào q trình tính tốn Phân tích kết tính tốn 5.1 Chuyển vị tường vây Bảng Chuyển vị tường vây theo loại vật liệu Chuyển vị (mm) Chênh lệch (%) Trước TBM qua 38.3 Sau TBM qua (RC) 76 98.433 Sau TBM qua (GFRP) 53 38.381 Chuyển vị lớn xảy thời điểm TBM qua tường vây, khu vực “mắt mềm” (khu vực cho phép TBM qua) cho thấy chuyển vị lớn Hình cho thấy đường cong chuyển vị theo hướng độ sâu từ đỉnh tường vây trước sau TBM qua Do TBM cắt ngang tường vây nên vùng “mắt mềm” có biến dạng thay đổi lớn, biến dạng lớn 0.076 (Cốt thép) 0.053mm (GFRP), nằm độ sâu khoảng 15.7 m tính từ đỉnh tường vây Để so sánh, chuyển vị theo độ sâu trước TBM qua đưa Chuyển vị giảm dần đến chân tường vây Đây dấu hiệu cho thấy vật liệu làm “mắt mềm” có ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị tường vây Từ kết ta thấy với vật liệu cốt sợi thuỷ tinh polymer khu vực “mắt mềm” cho chuyển vị nhỏ 30% so với vật liệu cốt thép thơng thường 12 Hình 10 Mơmen uốn dọc tường vây dọc theo chiều sâu cách mặt bên hầm chắn 1m 5.2 Ứng suất tường vây Do giải phóng ứng suất gây khiên đào qua, có thay đổi lớn ứng suất tường vây, đặc biệt khu vực mắt mềm Hình cho thấy phân bố ứng suất lớn dọc theo chu vi đường hầm giao với tường vây, sau khiên đào xuyên qua Ứng suất cực đại dương khoảng 60–120°, ứng suất lớn 1,99 MPa, nằm xung quanh 90° Điều có nghĩa ứng suất dương (kéo) tương đối lớn phân bố hai mặt bên đường hầm Hình cho thấy phân bố ứng suất nhỏ dọc theo chu vi đường hầm giao với tường vây sau khiên đào xuyên qua Ứng suất tối đa tối thiểu (theo độ lớn) chủ yếu nằm khoảng 30° 120° Điều có nghĩa chúng phân bố vùng vùng hai mặt bên đường hầm Bảng tóm tắt ứng suất lớn nhỏ tường vây sau khiên đào qua loại vật liệu làm tường vây So với ứng suất sau khiên đào qua “mắt T„P CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG mm vi vật liệu bê tông cốt sợi thủy tinh polymer, ứng suất sau khiên đào qua “mắt mềm” làm vật liệu bê tông cốt thép tăng 137.46% 87.53% ứng suất lớn nhỏ Điều cho thấy khiên đào qua tường vây gây thay đổi lớn ứng suất tường vây, đặc biệt ứng suất kéo xung quanh đường hầm, điều gây bất lợi cho tường vây Nhưng vật liệu bê tông cốt sợi thủy tinh polymer cho ứng suất kéo xung quanh đường hầm nhỏ hơn, từ an tồn Bảng Ứng suất lớn nhỏ tường vây Ứng suất lớn (MPa) Ứng suất nhỏ (MPa) Sau TBM qua (RC) 2.092 6.509 Sau TBM qua (GFRP) 0.881 3.471 137.46% 87.53% Sự gia tăng 5.3 Mô men tường vây Bảng Mômen uốn dọc lớn tường vây Mômen uốn dọc (kNm) Chênh lệch (%) Mô men dương Mô men âm Mô men dương Mô men âm Trước TBM qua 1990 -43 0% 0% Sau TBM qua (RC) 3648 -67 92% 56% Sau TBM qua (GFRP) 2447 -50 23% 17% Để so sánh, Bảng tóm tắt mơmen uốn lớn tường vây trước sau TBM vượt qua tường vây với loại vật liệu Đối với mô men uốn dọc, so với mô men uốn trước TBM qua, mô men uốn sau TBM T¿i lièu tham khÀo Guojun Wu, Shanpo Jia, Weizhong Chen, Jianping Yang, Jingqiang Yuan., 2018, Modelling analysis of the influence of shield crossing on deformation and force in a large diaphragm wall, pp 154 – 161 Bruce, D.A., Chan, P.H.C., Tamaro, G.J., 1992 Design, construction and performance of a deep circular diaphragm wall In: Symposium on Slurry Walls: Design, Construction, and Quality Control ASTM Special Technical Publication American Society for Testing and Materials Special Technical Publication, Atlantic City, NJ, pp 391–402 Demoor, E.K., 1994 An analysis of bored pile diaphragm wall installation effects Geotechnique 44 (2), 341–347 Comodromos, E.M., Papadopoulou, M.C., Konstantinidis, G.K., 2013 Effects from diaphragm wall installation to surrounding soil and adjacent buildings Comput Geotech 53, 106–121 Goto, S., et al., 1995 Ground movement, earth and water pressures due to shaft excavations In: International Symposium on Underground Construction in Soft Ground, New Delhi, India, pp 151–154 qua tường vây làm bê tông cốt thép tăng 92% 56% mô men uốn dọc cực đại dương âm Đối với tường vây làm bê tông cốt sợi thuỷ tinh polymer, mô men uốn trước TBM qua, mô men uốn sau TBM qua tăng 23% 17% mô men uốn dọc cực đại dương âm Kết TBM qua tường vây gây thay đổi lớn mômen uốn tường vây, gây bất lợi cho tường vây Kết luận kiến nghị 6.1 Kết luận Để xác định xác chuyển vị, mô men, ứng suất tường vây trước sau TBM qua, tác giả đưa mơ hình 3D phương pháp đặc biệt để đưa biểu đồ bảng biểu so sánh sử dụng loại vật liệu khác khu vực “mắt mềm” Các mối nối tường vây mô kết nối HINGE, tường vây tương tác với đất đá xung quanh mô với lị xo đất TBM mơ mũi khoan, nghiền bê tông cắt cốt thép từ qua tường vây Theo kết phân tích, mơmen uốn, ứng suất chuyển vị thay đổi lớn tường vây TBM qua, với vật liệu bê tông cốt thép thông thường cho giá trị lớn so với vật liệu bê tông cốt sợi thuỷ tinh, từ gây nguy hiểm bất lợi cho kết cấu tường vây 6.2 Kiến nghị Do đó, khu vực “mắt mềm” ta thay cốt thép thông thường cốt sợi thuỷ tinh polymer để TBM dễ dàng qua tường vây, đảm bảo an tồn cho tường vây Thép thơng thường kết nối với thép polymer phương pháp nối buộc Nếu để tích kiệm chi phí, nhà đầu tư muốn dùng cốt thép thơng thường trước TBM tiến hành khoan vào tường vây, ta sử dụng máy móc để đục bê tơng cắt cốt thép khu vực “mắt mềm” để TBM dễ dàng qua Tuy nhiên cách làm tăng tổng thời gian thi công nhà ga đường hầm./ Schafer, R., Triantafyllidis, T., 2004 Modelling of earth and water pressure development during diaphragm wall construction in soft clay Int J Numer Anal Methods Geomech 28 (13), 1305–1326 Wei, G., 2012 Numerical simulation of shield tunnel crossing masonry structure building with various degrees In: 4th International Conference on Technology of Architecture and Structure Advanced Materials Research, Xian, pp 889–893 Yamaguchi, I., Yamazaki, I., Kiritani, Y., 1998 Study of groundtunnel interactions of four shield tunnels driven in close proximity, in relation to design and construction of parallel shield tunnels Tunn Undergr Sp Tech 13 (3), 289–304 ACI 440.1R-06, 2006, Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars Carvelli, V., Pisani, M.A., Poggi, C., 2010, Fatigue behaviour of concrete bridge deck slabs reinforced with GFRP bars, Elsevier Ltd 10 European Standard EN1538, 2000, Execution of special geotechnical works – Diaphragm walls S¬ 45 - 2022 13 ... thơng số sử dụng để mơ hình hóa bê tơng, thép GFRP Vật liệu Bê tông Dung trọng ρ (kN/m3) Mô đun đàn hồi E (GPa) Hệ số Poisson μ 24 30 0 .2 78.5 20 0 0.3 GFRP (Aslan) 21 52. 5 0.33 TBM 76 20 0 0.3... Khi độ cứng đàn hồi đầu nối đưa ra, phân bố biến dạng ứng suất tường vây suy thông qua mô số Đối với nhà ga C9, độ cứng đàn hồi đầu nối đặt thành 1.7 × 108 N/m 4.3 .2 Mơ hình hố mối nối tường vây... chuyển động kết nối, hiệu ứng ma sát thời điểm tạo đường tiếp tuyến mômen lực tiếp xúc tạo Trong mơ hình này, u cầu xác định hệ tọa độ trụ cục thiết lập hành vi đầu nối trình kết nối cho phần tử