Một số đánh giá về tính toán ổn định đường ống thi công bằng phương pháp khoan kích ngầm

Bài viết Một số đánh giá về tính toán ổn định đường ống thi công bằng phương pháp khoan kích ngầm trình bày một số khía cạnh của tính toán thiết kế ổn định của đường ống thi công bằng phương pháp khoan kích ngầm.

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nNgày nhận bài: 06/9/2022 nNgày sửa bài: 12/10/2022 nNgày chấp nhận đăng: 11/10/2022 Một số đánh giá tính tốn ổn định đường ống thi cơng phương pháp khoan kích ngầm Some evaluations stability of piplie using pipe jacking construction > TS VŨ THỊ THÙY GIANG Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội; Email: vuthithuygiang98@gmail.com TĨM TẮT: Khoan kích ống ngầm phương pháp thi công đào ngầm phù hợp với đường ống kỹ thuật đô thị (ống thông tin, cáp, điện, cấp nước, ) Đây phương pháp thi cơng hiệu việc sử dụng quỹ đất đô thị, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường sống thông thường khu vực Trong báo trình bày số khía cạnh tính tốn thiết kế ổn định đường ống thi cơng phương pháp khoan kích ngầm Cuối ví dụ tính tốn làm sáng tỏ khía cạnh kỹ thuật toán thiết kế đường ống khả ứng dụng phương pháp khoan kích ngầm thị Từ khóa: Phương pháp đào ngầm; đường ống; khoan kích ngầm; ổn định; thị ABSTRACT: Pipe jacking is a trenchless method for urban infrastructure pipeline (communication pipes, cable, power, water supply and sewer ) This is an efficiency construction for urban land use, minimization the negative impact on the environment and the normal life of citizen In this paper, the discussions will range across not only specific aspects of microtunneling but also evaluations stability of the pipeline in pipe jacking construction Finally, an example would clear the technical aspects of the pipe designs and application of pipe jacking in urban areas Keywords: Trenchless methods; pipeline; pipe jacking; stability; urban MỞ ĐẦU Ngay từ thời cổ đại, người biết sử dụng đường ống cho mục đích tưới tiêu thủy lợi; cịn để lại tàn tích khắp giới Trung Quốc, Ai cập, Hy lạp, Trải qua hàng ngàn năm, kỹ thuật xây dựng đường ống khơng ngừng phát triển hồn thiện Cho đến có nhiều phương pháp thi cơng đường ống áp dụng với nhiều công nghệ khác nhau, song phân thành hai nhóm kỹ thuật là: kỹ thuật đào hở, 74 12.2022 ISSN 2734-9888 gọi đào lộ thiên/đào lấp (Trench Technology) kỹ thuật đào ngầm (Trenchless Technology/No-dig) [1] Cùng với yêu cầu sử dụng quỹ đất đô thị tiến khoa học công nghệ, kỹ thuật đào ngầm phương pháp xây dựng ngầm để lắp đặt, sửa chữa làm đường ống, ống dẫn dây cáp ngầm cách sử dụng kỹ thuật giúp giảm thiểu loại bỏ nhu cầu đào điều kiện không gian hạn chế, nơi chúng đặt phương pháp (mở) truyền thống khó khăn, khơng thể q tốn [3], [6] Đây kỹ thuật xây dựng hiệu xây dựng đường ống đô thị đặt sâu, đặc biệt xây dựng đường ống dạng ống có mặt cắt ngang trịn hình chữ nhật Phương pháp không yêu cầu đào hào/rãnh dọc theo tuyến đặt ống, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường sống thông thường khu vực (đặc biệt thị) q trình xây dựng Hiện có nhiều cơng nghệ kỹ thuật đào ngầm Hình giới thiệu cách phân loại công nghệ đào ngầm Hệ thống chia công nghệ thành ba loại : (1) khoan định hướng (khoan ngang), (2) khoan kích ngầm/kích đẩy ống, (3) phương pháp đào ngầm (làm hầm) Cơng nghệ khoan kích ngầm ống kỹ thuật đào ngầm cho phép thi công đường ống với đường kính thay đổi từ 1069mm (42 inch) đến 4700mm (185 inch) đường ống có mặt cắt hình chữ nhật có kích thước đến (20x7)m mà không gây ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động bề mặt Công nghệ bao gồm việc đẩy dãy ống lòng đất từ giếng kích đến giếng nhận, đào đất đầu ống thiết bị khí hay thiết bị đào thủ cơng Trong trình đào, ống đặt ống xuống giếng kích, liên kết vào cuối dãy ống đẩy đến khoảng cách cho phép đặt ống xuống Chu trình lặp lặp lại dãy ống xuyên đến giếng nhận, có khoảng cách thường từ 50 đến 500m giếng kích [1] Các ưu điểm cơng nghệ khoan kích ngầm khuyến khích áp dụng điều kiện sau: - Các đoạn tuyến dài nơi có mật độ phát triển thị điều kiện có bão hịa lớn không gian ngầm điều kiện giao thông tại, điều kiện quy hoạch đô thị địa chất kỹ thuật khó khăn; - Trên đoạn đường ống ngắn để vượt qua chướng ngại vật khác đường sắt, đường cao tốc, tiện ích ngầm, đường nước chướng ngại vật khác; - Dưới khu vực di tích lịch sử/kiến trúc khu bảo tồn không cho phép thay đổi diện mạo có theo phương pháp đào mở Hình Phân loại cơng nghệ đào ngầm [8] Hình Mơ tả sơ đồ cơng nghệ khoan kích ống ngầm [7] Các thành phần cơng nghệ khoan kích ngầm bao gồm: - Đào đất máy đào giới hóa giữ ổn định bề mặt; - Thải bỏ đất đào sản phẩm sau đào; - Giám sát hiệu chỉnh quỹ đạo; - Lắp đặt đường ống cách kích ống Tùy theo điều kiện cụ thể dự án mà việc bố trí sơ đồ cơng nghệ khác thể Hình 2 ĐẶC ĐIỂM VÀ YÊU CẦU THIẾT KẾ CỦA VỎ ĐƯỜNG ỐNG THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN KÍCH NGẦM Đặc điểm kết cấu vỏ đường ống khan kích ngầm ết cấu ống đóng vai trị quan trọng suốt giai đoạn thi cơng khoan kích ngầm q trình khai thác cơng trình Trong giai đoạn thi cơng khoan kích ngầm đóng vai trị: (1) lớp vỏ chịu lực cho đường ống; (2) truyền lực khoan kích ngầm tới khiên đào máy đào hầm; (3) đảm bảo lối công tác tiếp cận gương đào; (4) đảm bảo lối vận chuyển đất bùn đào ra; (5) tạo điều kiện cho việc thực chống đỡ gương đào [2], [7], [9] Do đặc điểm đường ống khoan kích ngầm, bên cạnh áp lực thông thường cần xác định lực đẩy Ptotal cần thiết để kích ống xác định tổng áp suất đầu máy khoan Rp tác dụng lực ma sát F tiếp xúc đất đường ống mơ tả Hình Để tính tốn thiết kế thi cơng đường ống khoan kích ngầm cần phải xác định thành phần sau : - Tính tốn lực ma sát đất - đường ống - Tính tốn ổn định gương đào - Tính tốn lực đẩy tối đa cho phép ISSN 2734-9888 12.2022 75 NGHIÊN CU KHOA HC Chuẩn bị phơng tiện máy móc thiết bị phục vụ thi công Chuẩn bị mặt Lắp đặt máy móc, trạm kích Tháo chắn phía trớc cửa Bơm chất bôi trơn Theo dõi v đo đạc thông số Kích đẩy đầu đo vo đất Kích đẩy ống trạm kích Kích đẩy ống trạm kích trung gian Vận chuyển đất thải Đầu ®μo gÇn ®Õn giÕng nhËn P chiều dài đoạn đào chưa chống đỡ phía sau gương đào Trong đường ống khoan kích ngầm ống, chiều dài không chống P thường nhỏ 0, P/De = Quá trình đào ổn định áp suất bên T nhỏ Bảng Giá trị ma sát đất đường ống [9] u ’u P1 c’ Cu  Loại đất (kPa) () (kN/m ) (MPa) (kPa) () – Đất dính 17 0.3 20 – đất hạt rời 18 0.6 0 10 17 30 3- đất dính 19 40 30 20 20 ChuÈn bị, lắp đặt cửa nhận Kích ống xuyên qua chắn Thu lại đầu đo t ri khỏ chặt 19 1.5 34 34 – đất dính đến cứng 20 2.5 75 10 25 25 Bơm vữa lấp chèn khe rỗng ống v nền, bịt lỗ hở, lm kín mối nối -t rời đầm chặt 200 38 38 Thu dọn, giải phóng thiết bị Kiểm tra, dọn dẹp hon thiƯn ®−êng èng Hình Sơ đồ bước thi cơng khoan kích ngầm [1] L  F f.De.dl Ptotal Rp L D    T    H  e   TcS u   Hình Sơ đồ tính tốn đường ống khoan kích ngầm [7] Ở đây, giá trị ma sát giá trị đặc trưng cho thông số khác đào vượt, chiều dày tầng phủ, hiệu chỉnh quỹ đạo khối lượng chất bôi trơn bơm vào Các giá trị nhóm lại với thành loại đất có đặc tính chung xác định (Bảng 1) a) Trường hợp đất dính: áp lực cần thiết để trì đào ổn định cho theo quan hệ sau: D    T    H  e   TcS u   12.2022 ISSN 2734-9888 (2) Như xảy hai trường hợp ổn định gương đào là: Trường hợp 1: mặt đất trước gương đào có xu hướng bị lún xuống (Hình 6) (1) Trong đó:  trọng lượng riêng đất; H chiều dày tầng phủ/chiều sâu đặt đường ống Su sức kháng cắt khơng nước đất; Tc hệ số ổn định xác định theo tỷ số H/De giá trị P/De 76 Hình Biểu đồ tra hệ số ổn định Tc [9] Để ngăn cản trường hợp áp lực tăng vượt áp lực gương đào cho phép - gây tượng bùng “blow -out” đất xung quanh gương đào : Hình Khối đất phía trước gương đào có xu bị lún xuống [9] Trường hợp 2: mặt đất trước gương đào bị đẩy trồi Hình6 Hình Khối đất trước gương đào có xu bị đẩy trồi [9] Vì vậy, với đất mềm cần đưa vào hệ số an toàn từ 1,5  nhân với giá trị sức kháng Su cho hai trường hợp để xác định giới hạn chấp nhận để ngăn tượng đẩy trồi lún xuống thực khoan kích ngầm Phương trình tính tốn áp lực chống cần thiết để giữ đường hầm không bị lún cơng thức (2) viết lại sau: D  H 1 T  e    Tc Su Su  D e  T Trong phương trình (3) tỷ số Su (3) phụ thuộc nhiều thơng số có De/Su thể Hình với giá trị  De Su khác T 12  De Su Su 10  De Su  De Su i 1 =4 P  95,5 kN / m2 11, 25 1,5 10 w + Ứng suất có hiệu thẳng đứng tác dụng lên đường ống: =3 v'  v  Pw  124,5kN/ m2 + Với k0 =1,6, ta có ứng suất có hiệu nằm ngang đất trục tim đường ống : h'  k0v'  1,6124,5  200 kN/ m2 =2 H De  De Su -2 -4  De Su -6 Hình Quan hệ áp lực gương đào  De Su =1 thường ổn định De Su h  h'  Pw  200  97,5  297,5 kN/ m2 Ống BTCT có trọng lượng riêng =24 kN/m3; ta có trọng lượng đường ống là: W =0 T nhỏ chứng tỏ hầm ổn định mà không cần áp lực chống đỡ Chú ý đường ống khoan kích ngầm nhỏ vừa, hầu  + Tống ứng suất nằm ngang tác dụng lên trục tim đường ống: nhỏ nhiều so với 1, gương đào  d e   d i2  24  203 kN / m Tính tốn ổn định gương đào: Ta có, chiều dày tầng phủ tính đến tim đường ống H  12,  1, 47  0,165  10, m đất dính [9] Từ Hình nhận thấy giá trị hết trường hợp n  v  i hi 7 19  4,25  21 222 kN / m2 + Áp lực nước: Áp lực nước thủy tĩnh tính đến trục tim đường ống VÍ DỤ TÍNH TỐN Số liệu ban đầu: Cho đường ống thi cơng khoan kích ngầm khu vực đô thị, nằm mực nước ngầm 1,5 m, đường ống nằm lớp đất có giá trị xuyên tiêu chuẩn N = 30; cường độ kháng cắt không nước Su = 135 kN/m2, mơ đun biến dạng đất Es= 100103 kN/m2 Sức kháng ma sát đất sét xác định F = 54 kN/m Thông số lớp đất sau: + Lớp đất có trọng lượng riêng bão hịa ’1= 19 kN/m3, chiều dày m + Lớp đất đất sét có trọng lượng riêng bão hịa ’2= 21 kN/m3, k0 =1,6 Chiều sâu đặt đường ống: H = 12,0 m Đường kính ống: Di = 1, 47m = 1470 mm Đường kính ngồi ống: De = 1,8m = 1800 mm Chiều dày đường ống t = 165mm Yêu cầu: - Tính ổn định gương đào hệ số an tồn - Tính biến dạng chuyển vị đường ống - Tính ma sát óng tải trọng tác dụng lên mối nối ống Lời giải: i) Tính ổn định gương đào hệ số an tồn: Tính tốn áp lực tác dụng lên đường ống Do đường ống nằm mực nước ngầm, nên chịu tác dụng áp lực nước thủy tĩnh Áp lực đất đá tác dụng lên đường ống tính theo trọng lượng cột đất phía đường ống + Áp lực đất tác dụng lên đường ống: H De Xét tỉ số  10,4 P  5,77  kiểm tra điều kiện 1,8 De gương đào Tra biểu đồ Hình 4, ta có Tc = Thay vào ta tính được, theo điều kiện  222  9135  T v  TS c  u gương đào ổn định ISSN 2734-9888 12.2022 77 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình Tính tốn áp lực đất theo Terzaghi [7] Từ Hình 5, ta có ổn định đường đào xác định sau: H 10,   5,77 ; P  ; Tc = 4,2 De 1,8 De  222  4,2135  0 T v  TS c  u v    D  3     1   D ; e v h e  3 h   v   v 222  kN/ m2;h 298 kN/ m2; Es  100103 kN/ m2;  0,5 v 13 mm; h 15,1mm Biến dạng lâu dài thoát nước sau: Điều kiện thoát nước đầy đủ: Es E' với hệ số poiison điển hình  G' G u ' 1     ’ =0,2 (với G mô đun trượt, với điều kiện nước khơng nước) ' ' ' Vì vậy, E  0,8Es , ta có ; v  16,3mm h  18,8mm Nhận xét: để hạn chế biến dạng đàn hồi đất tác dụng lên đường ống, nên bổ sung thêm phần đào mở rộng 25mm iii) Tính tốn biến dạng cục đất: Kiểm tra biến dạng cục đất xung quanh đường ống   m2 ;h 298kN/ m2 ; Ta có: v 222kN/ K Hệ số áp lực hông   h 298   1,34  v 222  cc   1  3K   v   1  1,34  222  666kN / m ISSN 2734-9888  V s lớn 1, 84  1,8 0,1144m / m Do gương đào ổn định nên độ lún thể tích đất bỏ qua; điểm bắt đầu xuất lún sau:  i 0, 43z  1, 2 5, 94m với z chiều sâu tính đến trục tim đường ống, z =11,25m Smax Khi , V s 12.2022  cc  ca Vì vậy, biến dạng cục xuất trừ đường ống gia cố áp lực vữa bùn bôi trơn phù hợp với áp lực bùn 666  270  400kN / m Nếu xuất biến dạng cục bộ, việc dự đoán ứng suất tiếp xúc đường ống đất không khả thi không sử dụng phân tích phần tử hữu hạn Tuy nhiên biến dạng cục làm giảm cách đào mở rộng nhiều trừ vị trí mà lún bề mặt lún bề mặt vấn đề lớn nên đào mở rộng tăng đến phạm vi 40mm đường kính ống iv) Tính tốn chuyển vị đất Nếu đào vượt 40mm =0,04m theo chu vi đường ống, đất tiếp xúc hoàn toàn với đường ống Độ lún lớn xác định việc thể tích đất tính theo cơng thức: Nếu Ứng suất cục chu vi đường ống: 78 hai giá trị 2Su  270kN/ m2 Es Es Với điều kiện khơng nước sau đào  c v  2Su Với đường ống không gia cố áp lực gương T  h Thay số vào ta được:  ca   k   v  1,34  222 368kN / m2 Nhận xét: biến dạng cục xuất đường đào ổn định, hệ số an tồn FS>2,5 ii) Tính biến dạng chuyển vị đường ống: Tính tốn chuyển vị đất Tại trục tim đường ống  đào Vs  2 i vượt 1, 85  1, 8  Smax Vs  2 i 0,1144  7, 7mm  3,14  5,94 lớn đến 50mm 0,143m / m 0,143  9, 6mm  3,14  5,94 Hình Lực kích ống tải trọng mối nối [5] Hình 10 Góc lệch tối đa ống kích cho phép Nhận xét: Trong hai trường hợp chiều rộng máng lún  6i  36m Khi đường ống đặt nông, máng lún rộng rộng khó gây cố trừ có kết cấu dịch vụ nhạy cảm nằm phía bên đường ống v) Tính ma sát thành ống tải trọng mối nối ống Tính ma sát thành ống: Để đánh giá ma sát lên thành ống, điều kiện đất sét, với lực ma sát đất đường ống F =54 kN/m Khi tính đến lực ma sát tăng lên ngừng kích (tính với giá trị tăng 50%) ta có Fmax =81 kN/m Tính tốn mối nối ống Sử dụng đệm bìa cứng gỗ MPF có chiều rộng 130mm, chiều dày 18mm, đặt vị trí 15mm phía bề mặt đường ống Cho phép góc lệch trục tuyến lớn mối nối 0,5 địi hỏi phải có kiểm sốt xác đường cong trục đường ống (hình 10) Lực kích ống tối đa góc lệch 0,5 440T  4400 kN Khi chiều dài đoạn kích trung gian L int erjack 4400  54m 81 Ở đoạn kích bao gồm lực kích ban đầu máy, P0 = 300 kN Khi khoảng cách đến ống kích trung gian  L int erjack 4400  300  50m 81 Từ điều kiện bên trên, nên bố trí ống kích trung gian với khoảng cách 45m (sau 18 ống ; chiều dài ống L=2,5m), đoạn 20 ống (50m) Việc quan sát q trình kích sử dụng chất bơi trơn cần điều chỉnh thực tế + Ổn định gương hầm: ổn định, hệ số an toàn FS = 5,0 + Ổn định đường đào ổn định, hệ số an toàn FS = 2,5 + Biến dạng đàn hồi nền: để ngăn ngừa biến dạng đất lấp bít đất lên đường ống, sử dụng giá trị đào vượt ban đầu 25 mm + Biến dạng cục đất nền: biến dạng cục xuất trừ đường ống gia cố áp lực gương 400 kN/m2 với vật liệu bơi trơn phù hợp Điều đạt lượng đào vượt lên 40 mm với điều kiện xem xét ảnh hưởng lún KẾT LUẬN Khoan kích ngầm phương pháp mà trường hợp thi công đào mở từ mặt đất xuống gặp nhiều khó khăn tuyến đương có mật độ giao thơng cao có nhiều cơng trình ngầm hữu dày đặc Đặc biệt, thi cơng đường ống khoan kích ngầm, việc tính tồn ổn định đường ống khía cạnh kỹ thuật cần trọng ổn định đường ống mát thể tích đất xung quanh đường đào gây tượng lún, sụt, ổn định q trình thi cơng Bên cạnh đó, với đường ống khoan kích ngầm giữ ổn định vữa bùn bôi trơn xung quanh đất, sử dụng giá trị đào vượt nhằm hạn chế ảnh hưởng lún thể tích đất việc bổ sung lượng đào vượt phù hợp minh họa sáng tỏ ví dụ tính tốn mục Việc phân tích tính tốn đường ống khoan kích ngầm có nhiều yếu tố bất định ảnh hưởng đến trình thiết kế thi cơng đường ống khoan kích ngầm, việc cẩn trọng tính tốn ổn định đường ống cần phân tích kỹ lưỡng nhằm đảm bảo tránh rủi ro thi cơng khoan kích ngầm khu vực đô thị TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Đức Chính, “Nghiên cứu cơng nghệ kích đẩy thi cơng cơng trình ngầm Việt Nam”, Đề tài NCKH cấp Bộ GTVT, 2007 ASCE/CI 36-15, Standard Design and Construction Guidelines for Microtunneling BS-EN-12889:2000, Trenchless construction and testing of drains and sewers BS 5911-1: Concrete Pipes and Ancillary Concrete Products CPAA Concrete Pipe Association of Australasia, Jacking Design Guidelines, 2013 DIN EN 12889: Trenchless Construction and Testing of Drains and Sewers FSTT French Society for Trenchless Technology, Microtunneling and Horizontal Drilling, 2006 James C Thomson, Pipejacking and Microtunnelling, Springer-Science+Business Media, B.V, 1993 PJA, Guide to best practice for the installation of pipe jacks and microtunnels, Mashall, 1995 ISSN 2734-9888 12.2022 79 ... đất đường ống mơ tả Hình Để tính tốn thi? ??t kế thi cơng đường ống khoan kích ngầm cần phải xác định thành phần sau : - Tính toán lực ma sát đất - đường ống - Tính tốn ổn định gương đào - Tính. .. dụ tính tốn mục Việc phân tích tính tốn đường ống khoan kích ngầm có nhiều yếu tố bất định ảnh hưởng đến trình thi? ??t kế thi cơng đường ống khoan kích ngầm, việc cẩn trọng tính tốn ổn định đường. .. cơng đường ống khoan kích ngầm, việc tính tồn ổn định đường ống khía cạnh kỹ thuật cần trọng ổn định đường ống mát thể tích đất xung quanh đường đào gây tượng lún, sụt, ổn định q trình thi cơng