40 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 10/2022 TÓM TẮT Để giải quyết các vấn đề cấp bách về tắc nghẽn giao thông và ô nhiễm môi trường, Hà Nội và TP Hồ Chí Minh hiện đang triển khai một loạt tuyến metro nội đô Thi[.]
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 10/2022 Một số giải pháp đảm bảo ổn định q trình thi cơng hầm metro điều kiện đất yếu đô thị Việt Nam n TS VŨ MINH NGẠN Trường Đại học Mỏ - Địa chất n TS ĐÀO PHÚC LÂM(*) Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải n ThS NCS NGUYỄN THÀNH NAM Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Email: (*)lamdp@utt.edu.vn TÓM TẮT: Để giải vấn đề cấp bách tắc nghẽn giao thông ô nhiễm môi trường, Hà Nội TP Hồ Chí Minh triển khai loạt tuyến metro nội đô Thi công tuyến metro điều kiện địa chất đất yếu thành phố đối mặt nguy ổn định dẫn đến nhiều hậu nghiêm trọng sụt lún lớn sập đổ cơng trình lân cận Bài báo phân tích ổn định q trình thi cơng hầm metro điều kiện đất yếu dự án tuyến metro số TP Hồ Chí Minh Các tác giả đề xuất số giải pháp nhằm đảm bảo ổn định trình thi công cho dự án hầm metro tới Hà Nội TP Hồ Chí Minh TỪ KHĨA: Ổn định, thi công hầm, sụt lún, đất yếu, đô thị ABSTRACT: In order to solve recent problems of traffic congestion and environment pollution, many metroline projects have been carried out in Hanoi and Hochiminh city With soft soil conditions in these cities, the tunnelling work faces many challenges, in which the unstability issues could lead to serious damages of large settlements and the collapse of nearby buildings The paper presents some problems occured when tunnelling in soft soil conditions in Vietnam, in particulary, in the Metroline No.1 in Hochiminh city Based on the back analysis, some solutions for ensuring the stability of the tunnelling process are proposed for the near future tunnelling projects in Hanoi and Hochiminh city cư, có nhiều cơng trình lịch sử trung tâm Hà Nội TP Hồ Chí Minh Máy thi cơng hầm sử dụng dự án metro Hà Nội TP Hồ Chí Minh máy đào hầm có khiên đào (TBMs) Công nghệ sử dụng phổ biến dự án hầm giới Paris, Barcelona với nhiều ưu điểm thời gian thi cơng nhanh, mức độ tự động hóa, an tồn giảm thiểu ảnh hưởng đến cơng trình Tuy nhiên, thi cơng điều kiện địa chất đất yếu, phức tạp Hà Nội TP Hồ Chí Minh tiềm ẩn nguy ổn định Nguy đến từ nhiều nguyên nhân áp lực gương đào lớn nhỏ, xuất khe nứt đất Mất ổn định trình thi cơng hầm dẫn đến hư hỏng cơng trình lân cận, hệ thống giao thơng bề mặt Nhiều dự án giới ghi nhận cố ổn định trình thi cơng gây sập đổ cơng trình dự án thi công hầm Munich (Đức), San Paolo (Brazil) (Hình 1.1) [2] Do vậy, đảm bảo ổn định trình thi cơng quan trọng mang tính chất định thành công dự án Nội dung báo trình bày vấn đề ổn định thi công đề xuất số biện pháp đảm bảo ổn định trình thi công hầm metro KEYWORDS: Stability, tunnelling, settlement, soft soil, city ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, để giải vấn đề tắc nghẽn giao thông ô nhiễm môi trường, Hà Nội TP Hồ Chí Minh triển khai xây dựng tuyến metro nội đô Do điều kiện đất yếu, thi công hầm đối mặt với nhiều khó khăn ổn định thi công, gây lún mặt đất lớn Đặc biệt, tuyến hầm metro thiết kế nằm khu vực đơng dân 40 Hình 1.1: Sụt lún lớn bề mặt dự án hầm Sao Paolo, Brazil [2] MỘT SỐ VẤN ĐỀ KHI THI CÔNG HẦM METRO TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẤT YẾU TẠI VIỆT NAM Địa chất khu vực Hà Nội cấu tạo từ trầm tích mềm rời đệ tứ có bề dày lớn nằm đá gốc Về cấu tạo, lớp trầm tích đệ tứ thay đổi từ 80 - 150 m bao gồm cát KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 10/2022 hạt từ trung đến thô lẫn dăm sạn cuội, sỏi Phần phía dày (35-45-50) m bao gồm lớp đất mềm rời có nguồn gốc, thành phần, tính chất khác nhau, phân bố theo diện chiều sâu phức tạp Trên sở số liệu địa chất, Đoàn Thế Tường (2000) [4] số vị trí địa phận Thanh Trì khu vực Nam Từ Liêm, Bắc Từ Liêm, Đông Anh, Gia Lâm yêu cầu cần có giải pháp kỹ thuật bổ trợ thi công hầm Khu vực thuận lợi cho thi công hầm bao gồm số nơi Bắc Từ Liêm, Nam Từ Liêm khu vực nội thành Hà Nội Tuy nhiên, với chiều sâu hầm dự kiến thiết kế nằm từ 15 - 40 m kể từ mặt đất, việc thi cơng tuyến hầm thiết phải có số giải pháp đảm bảo ổn định q trình thi cơng Địa chất khu vực TP Hồ Chí Minh cấu tạo trầm tích Kainozo, xếp móng cứng Mezozoi Cấu trúc địa chất phức tạp, chia thành hai phần: phần gồm trầm tích mềm dính với bề dày 10 - 30 m phần gồm trầm tích mềm rời [4]. Theo quy hoạch TP Hồ Chí Minh, cơng trình ngầm phát triển tới độ sâu 30 m, vùng chủ yếu đất đá tầng Trảng Bom, Thủ Đức, Củ Chi, Bình Chánh, Cần Giờ trầm tích Holocen Tuyến metro số TP Hồ Chí Minh thiết kế thi công với độ sâu từ 15 - 20 m với tuyến Tây độ sâu 20 - 30 m với tuyến Đông Tại dự án metro số TP Hồ Chí dự án metro số Hà Nội, máy đào hầm cân áp lực đất (EPB) sử dụng Dung dịch đào sử dụng để đảm bảo ổn định đất xung quanh tiến hành đào hầm Dung dịch bentonite hóa chất chuyên dụng polymer bọt nhựa Các dung dịch thẩm thấu vào đất phía trước gương đào tạo độ cứng thích hợp cho lưỡi cắt máy đào hầm Thông thường, áp lực gương đào lựa chọn theo điều kiện địa chất độ sâu đặt hầm Điều kiện ổn định thi công hầm xảy áp lực dung dịch gương đào nhỏ lớn Khi áp lực dung dịch nhỏ, không đủ ngăn đất chuyển dịch vào buồng đào, đất phía trước dịch chuyển vào máy đào hầm với khối lượng lớn gây lún phía mặt đất Ngược lại, áp lực gương đào q lớn gây nứt khối đất phía đường hầm đẩy toàn phần khối đất lên, dẫn đến dung dịch đào thoát áp lực gương đào giảm đột ngột, đất dịch chuyển vào buồng đào với khối lượng lớn Sự cố gây sụt lún lớn, tạo hố tử thần phía mặt đất Thực tế thi công dự án tàu điện ngầm metro số TP Hồ Chí Minh, tượng đẩy trồi sử dụng áp lực cao xảy dự án phải dừng thi công tạm thời để xử lý cố (Hình 2.1) Hình 2.1: Dung dịch mặt đường thi cơng dự án metro số TP Hồ Chí Minh [8] Hình 2.2: So sánh áp lực gương đào từ tính tốn thực tế dự án metro số TP Hồ Chí Minh [9] Như đề cập, vấn đề quan trọng thiết kế thi công hầm xác định áp lực dung dịch cần thiết sử dụng gương đào khoảng trống phía sau máy đào hầm Các mơ hình thực nghiệm bán thực nghiệm đề xuất tác giả Anagnostou Kovári (1994) [1], Jancsecz Steiner (1994) [5], Broere (2001) [2] thường sử dụng tính tốn xác định áp lực dung dịch nhỏ Áp lực dung dịch lớn thi công hầm nhằm tránh tượng đẩy trồi với mơ hình tính nêu nghiên cứu Broere (2001) [2] Vũ Minh Ngạn (2016) [7] Tác giả Vũ Minh Ngạn (2022) [8] phân tích tính toán lại áp lực gương đào so sánh với thực tế đo đạc trường thi công dự án metro số TP Hồ Chí Minh (Hình 2.2) Tác giả nhận thấy, áp lực gương đào sử dụng thực tế dự án có giá trị tương đối lớn gần với cận trên, điều dẫn đến việc hình thành khe nứt đất q trình thi cơng ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH KHI THI CÔNG HẦM TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẤT YẾU TẠI VIỆT NAM Khi thi công hầm môi trường đất yếu máy đào hầm TBM Hà Nội TP Hồ Chí Minh sử dụng hai loại máy đào hầm có khiên đào máy đào hầm sử dụng dung dịch bùn máy đào hầm cân áp lực đất Trong đó, máy đào hầm cân áp lực đất sử dụng hai dự án dự án metro số TP Hồ Chí Minh dự án metro số Hà Nội Nhằm tránh tượng ổn định đảm bảo an tồn cho cơng trình lân cận, nhóm tác giả đề xuất số giải pháp sau: - Giải pháp lựa chọn dung dịch thích hợp: Hình 3.1: Lựa chọn dung dịch theo thành phần hạt [6] 41 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 10/2022 Maidl (2012) [6] kiến nghị chọn dung dịch chống gương đào cho máy đào hầm theo theo đường cong cấp phối đất Theo đó, máy đào hầm sử dụng dung dịch bùn thông thường bentonite hóa chất chuyên dụng polymer bọt nhựa Các dung dịch phun với áp lực cao gương đào khoảng trống phía sau máy đào hầm Thông thường, hỗn hợp sản phẩm đào bao gồm đất đào dung dịch bùn vận chuyển phía sau máy đào hầm phân tách để tái sử dụng mặt đất Máy đào hầm sử dụng dung dịch bùn thường sử dụng thi công hầm điều kiện đất hạt rời cát, sỏi Máy đào hầm dạng cân áp lực đất thường trộn đất đào với hóa chất chuyên dụng buồng đào để tạo áp lực chống gương đào Việc lựa chọn loại máy thi công hầm loại dung dịch phụ thuộc vào yếu tố loại đất, kích cỡ hạt, phân bố thành phần hạt, mực nước ngầm, độ thấm, áp lực chống cần thiết, độ mài mòn chiều sâu đặt hầm - Một số giải pháp thiết kế thông số thi công máy đào hầm: Thông thường, máy đào hầm đào diện tích lớn so với diện tích vỏ hầm thiết kế, điều dẫn đến lún bề mặt chuyển dịch đất xung quanh Do đó, độ lún thi cơng hầm phụ thuộc vào lượng đất đào dư q trình thi cơng Giá trị lượng đào dư phụ thuộc vào thơng số máy đào hầm kích thước phận đào hình dạng khiên đào, chiều dài máy [7] Do đó, việc hạn chế thiết kế đoạn cong tuyến hầm giảm lượng đào dư Ngồi ra, giảm kích thước phận đào giải pháp, nhiên giải pháp gây khó khăn q trình đào hầm tăng lực ma sát thành máy đào hầm đất xung quanh dẫn đến lực kích địi hỏi lớn thi công Các kết nghiên cứu lượng đào dư [7], giá trị áp lực dung dịch sử dụng ảnh hưởng lớn đến giá trị lượng đào dư độ lún bề mặt, đặc biệt tạo khả lún bù Do vậy, bơm dung dịch với áp lực cao vị trí gương đào khoảng trống phía sau máy đào hầm giảm độ lún bề mặt Tuy nhiên, kỹ sư thiết kế cần tính tốn phân tích tượng đẩy trồi thiết kế thi công hầm sử dụng áp lực dung dịch gần giá trị cận xảy tượng dự án metro số TP Hồ Chí Minh - Giải pháp gia cố bề mặt gương đào, đất xung quanh: Khi thi công hầm điều kiện đất yếu, số giải pháp gia cố đất thường áp dụng để tăng độ ổn định giảm lún bề mặt Giải pháp gia cố neo đất kết hợp với sợi thủy tinh thường sử dụng mặt gương đào Các giải pháp gia cố đất xung quanh khoan vữa áp lực cao hóa chất sử dụng khu vực đất yếu, có nguy cao lân cận giếng tiếp giáp cơng trình quan trọng Chiều dài phạm vi gia cố xác định dựa theo điều kiện địa chất thông số đường hầm Tại Việt Nam, dự án metro số TP Hồ Chí Minh, giải pháp gia cố khu vực lân cận giếng cho kết tốt việc đảm bảo ổn định trình thi cơng - Một số giải pháp điều khiển máy thi công: 42 Vấn đề ổn định q trình thi cơng hầm số ngun nhân hoạt động điều khiển máy đào hầm lựa chọn áp lực dung dịch, hành vi người điều khiển máy đào hầm… Ngồi ra, cơng tác thiết kế hạng mục phục vụ thi công phương án vận chuyển vật liệu, hệ thống chiếu sáng cấp điện ảnh hưởng đến q trình thi cơng hầm Q trình thi cơng hầm địi hỏi phải diễn liên tục, an toàn, kỹ sư thiết kế phải nắm bắt trình tự cơng việc cần thiết thi công hầm, đánh giá rủi ro hậu q trình thi cơng Dựa kinh nghiệm thi công, kỹ sư thiết kế thi cơng đề xuất giải pháp phù hợp cho tình cụ thể trình thi cơng hầm metro Bảng 3.1 Bảng 3.1 Một số nguy giải pháp đảm bảo ổn định q trình thi cơng hầm Vấn đề Hậu Giải pháp Kiểm soát chặt chẽ áp lực dung dịch sử dụng Sụt lún lớn gương đào, lựa chọn vữa lấp Lượng bề mặt, đầy thích hợp, sử dụng biện đào dư gây nguy hiểm pháp gia cố đất lớn cho công khu vực có nguy cao trình hữu nâng cao chất lượng công tác điều khiển máy đào hầm Gây sập gương Mất ổn Sử dụng dung dịch có chất đào, dừng định lượng tốt, tính tốn áp lực máy đào hầm gương dung dịch xác sử sụt lún lớn đào dụng chất phụ gia bề mặt Gây lụt lội, Sử dụng chất phụ gia, Nước tràn thay đổi lớn áp biện pháp chống thấm vào TBM lực dung dịch vị trí có nguy gương đào thấm nước Đẩy Tăng cường cơng tác giám chìm Lệch tuyến sát quan trắc máy TBM hầm trình khoan hầm Gây khó khăn Xoay máy việc lái TBM máy đào hầm TBM Ảnh Gây hư hỏng hưởng cơng trình đến hệ lân cận, dừng móng khoan hầm cơng trình hư hỏng máy lân cận đào hầm Ảnh hưởng đến làm Kéo sụt việc hệ hệ móng móng, gây cơng trình hỏng cơng trình lân cận Đẩy Tuyến hầm bị đẩy Tăng cường cơng tác giám sát q trình khoan hầm Tính tốn mức độ ảnh hưởng đến hệ móng thiết kế, tìm giải pháp gia cố kết cấu móng phù hợp Sử dụng biện pháp gia cố đất Thiết kế đẩy nổi, sử dụng lớp đá chống đẩy KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 10/2022 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Để giải vấn đề tắc nghẽn giao thông đô thị ô nhiễm môi trường, dự án xây dựng tàu điện ngầm metro triển khai Hà Nội TP Hồ Chí Minh Tuy nhiên, thi công điều kiện đất yếu khu vực đơng dân cư, q trình thi cơng hầm phải đối mặt với nhiều vấn đề, vấn đề ổn định gây nhiều hậu nghiêm trọng sụt lún lớn, sập đổ cơng trình bên Phân tích q trình thi cơng số vấn đề xuất tại dự án metro số TP Hồ Chí Minh đưa số kết luận: - Vấn đề thiết kế phân tích ổn định đóng vai trị quan trọng q trình thi cơng, cụ thể tính tốn áp lực dung dịch sử dụng nhằm tránh vấn đề đẩy trồi hay sụt lún lớn; - Một số giải pháp đảm bảo ổn định gia cố đất vị trí lân cận giếng thi cơng lân cận cơng trình quan trọng có hiệu rõ rệt đảm bảo ổn định q trình thi cơng; - Một số giải pháp đảm bảo ổn định q trình thi cơng cần triển khai nhằm tránh rủi ro hậu nghiêm trọng Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Bộ Giáo dục Đào tạo Đề tài mã số B2021-MDA-05 Tài liệu tham khảo [1] Anagnostou, G., Kovári, K (1994), The face stability of slurry-shield-driven tunnels, Tunnelling and Underground Space Technology, 9(2), 165-174 [2] Broere, W (2001), Tunnel Face Stability & New CPT Applications, Delft University of Technology [3] Burland, J B., Standing, J R., Jardine, F M (2001), Building response to tunnelling: case studies from construction of the Jubilee Line Extension, London, vol.200, Thomas Telford [4] Đoàn Thế Tường (2000), Các vấn đề kỹ thuật xây dựng cơng trình ngầm thị, Báo cáo tổng kết đề tài độc lập cấp Nhà nước, Bộ Xây dựng Hà Nội [5] Jancsecz, S., Steiner, W (1994), Face support for a large mix-shield in heterogeneous ground conditions, In Tunnelling’94, Papers presented at seventh International Symposium ’Tunnelling’ 94’, held 5-7 July, London [6] Maidl, B (2012), Mechanised shield tunnelling, Wilhelm Ernst & Sohn, Verlag für Architektur und technische Wissenschaffen GmbH & Company KG [7] Vũ Minh Ngạn (2016), Reducing the cover-todiameter ratio for shallow tunnels in soft soils, Delft University of Technology [8] Vũ Minh Ngạn (2022), Stability analysis when tunnelling in soft soil condition in Hochiminh city, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, số 63, kỳ 3a, tr.41-49 Ngày nhận bài: 28/8/2022 Ngày chấp nhận đăng: 19/9/2022 Người phản biện: TS Phạm Văn Hùng TS Vũ Minh Hằng 43 ... Broere (2001) [2] Vũ Minh Ngạn (2016) [7] Tác giả Vũ Minh Ngạn (2022) [8] phân tích tính tốn lại áp lực gương đào so sánh với thực tế đo đạc trường thi công dự án metro số TP Hồ Chí Minh (Hình 2.2)... condition in Hochiminh city, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, số 63, kỳ 3a, tr.41-49 Ngày nhận bài: 28/8 /2022 Ngày chấp nhận đăng: 19/9 /2022 Người phản biện: TS Phạm Văn Hùng TS Vũ Minh Hằng... Wissenschaffen GmbH & Company KG [7] Vũ Minh Ngạn (2016), Reducing the cover-todiameter ratio for shallow tunnels in soft soils, Delft University of Technology [8] Vũ Minh Ngạn (2022) , Stability analysis when