tính toán lún bề mặt gây ra bởi thi công công trình ngầm theo công nghệ kích đẩy

TÍNH TOÁN LÚN B MT GÂY RA BI THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGM THEO CÔNG NGH KÍCH Y KS. BÙI THANH MAI TS. NGÔ NG QU ANG TS. NGUYN X UÂN HUY B môn Kt cu xây dng Vin Khoa hc và C ông ngh xây dng giao thông Trng i hc Giao thông Vn ti Tóm tt: Bài báo gii thiu mt s nguyên nhân và phng pháp xác đnh lún b mt trong quá trình thi công và khai thác công trình ngm (CTN) đc thi công theo công ngh kích đy. Mt s kt qu tính toán cho mt CTN c th đang đc thi công ti thành ph H Chí Minh cng s đc gii thiu. Summary: The a rticle introduces some causes and methods of estimating the face stability and the surface settlement induced during building and operating underground works using pipe-jacking technology. Some results of a cacultion for an underground works presently carried out in Ho Chi Minh city are also presented. I. M U Các công trình ng m (CTN) trong đô th ngày càng tr nên ph bin và đóng vai trò quan trng trong cuc sng hin đi. Có nhiu bin pháp k thut khác nhau đc s dng đ xây dng nhng công trình này. Hai k thut chính đc s dng đ xây dng các CTN đô th là k thut đào h và k thut đào kín. Mi công ngh đu có nhng u đim và nhc đim riêng, phù hp vi các loi công trình ngm khác nhau. K thut đào kín t ra đc bit có hiu qu khi thi công các CTN trong đô th đt sâu. i vi các CTN dng trng lc, k thut kích đy ng (thuc nhóm k thut đào kín) là mt la chn thích hp [3]. Mt v n đ chung đc đt ra đi vi vic xây dng các CTN là s nh hng ca nó đi vi môi trng xung quanh trong và sau quá trình thi công. Vic xác đnh lún b mt là vn đ rt quan trng cn đc quan tâm khi xây dng CTN, đc bit là các CTN đc xây dng trong đô th do có rt nhiu các công trình kin trúc, nhà ca, kt cu h tng k thut v.v… nm lân cn khu vc CTN. Lún b mt, tu thuc vào mc đ, phm vi nh hng, hng và tc đ phát trin, có th gây tác đng xáo trn trng thái ca các công trình này, làm thay đi chc nng s dng và nguy him hn, có th phá hu kt cu gây mt n đnh công trình [1]. II. GII T HIU CÔNG NGH KÍCH Y Theo đnh n gha ca Hip hi k s xây dng Hoa K (American Society of Civil Engineers-ASCE) [9] có th hiu công ngh kích đy ng (pipe jacking) nh sau: công ngh www.cauduongonline.com.vn kích đy là mt h thng gm nhiu đt ng đc lp đt trc tip  phía sau mt khiên đào, đc đy đi bng h kích thu lc, t mt ging kích đy (drive shaft/pit) đn mt ging nhn (receiving shaft/pit) đ to thành mt công trình ngm liên tc trong lòng đt. Nhng đc đim chung nht ca công ngh kích đy ng là : (1) đc điu khin t xa; (2) có dn hng; (3) đc kích đy theo hng tuyn đã đnh và (4) đt nn đc chng đ liên tc. Hình 1. Mô t s đ công ngh kích đy III. LÚN B MT VÀ PHNG PHÁP XÁC NH LÚN B MT Do lc kích đy ng tác dng tron g quá trình kích đy có phng nm ngang nên vic xác đnh lún theo phng thng đng ca công trình ngm đc thi công theo công ngh kích đy ch ch yu ph thuc vào loi thit b đc s dng trong quá trình đào hm. 1. Các nguyên nhân gây lún b mt khi thi công CTN bng phng pháp kích đy Hình 2. Hình dng phu lún trên b mt do thi công CTN Thit b ch yu đc s dng đ đào hm trong quá trình thi công kích đy là khiên đào hoc máy đào t hp TBM (Tunnel boring machine). Do đó, lún b mt có th phân ra làm 4 nhóm sau (hình 3): www.cauduongonline.com.vn Hình 3.  lún dc theo máy khiên đào - Lún  phía trc và phía trên gng đào (đon a): Gây ra bi s dch chuyn ca đt  phía trc và trên khu vc khiên đào v phía khong trng va to ra; - Lún dc theo tr c khiên đào (đon b): Do 2 nguyên nhân ch yu là do khong h gia khi đt và thành máy khiên đào và ma sát gia khiên đào vi khi đt; - Lún t i đuôi khiên đào (đon c): Do mt khong h phát trin gia đuôi khiên đào vi khi đt bao quanh; - Lún liên quan đn bi n dng ca lp v hm (đon d): Các phân đt bê tông đúc sn đc lp đt phía trong lp v khiên  phía đuôi có th b bin dng khi chu lc đy ca kích và áp lc đt, gây lún b mt. 2. Các phng pháp tính lún Có hai phng pháp tín h lún b mt đt đang đc s dng ph bin là (1) phng pháp kinh nghim và bán kinh nghim/gii tích da trên các công thc kinh nghim đc rút ra t kt qu quan trc ti các công trình c và đã đc chng minh là tng đi phù hp qua các ng dng thc t và (2) phng pháp s (ch yu s dng phng pháp phn t hu hn) là phng pháp khá ph bin hin nay, hoc kt hp c hai phng pháp trên. 2.1. Phng pháp gii thích (phng pháp kinh nghim và bán kinh nghim) [1,2] Có r t nhiu nghiên cu đã đc tin hành đ xây dng phng trình xác đnh lún b mt nh các nghiên cu ca Peck và Schmidt, Cording và Hansmire, Atkinson và Potts, Attewell và Woodman, O’Reilly và New, v.v… Có th tng kt v tính lún thng đng theo phng pháp gii tích nh sau: a. Lún thng đng theo phng vuông góc vi CTN Các tác gi đu đ xut gi thit máng lún có dng đng cong phân phi chun (hình 4). ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = 2 2 max i2 y expSS (1) www.cauduongonline.com.vn Trong đó: Hình 4. Hình dng máng lún S:  lún b mt theo tính toán lý thuyt, thng đc gi đnh có dng hàm sai s Gauss hay đng cong phân phi chun. S max :  lún b mt ln nht,  phía trên trc hm, thng đc xác đnh thông qua th tích phu lún. Giá tr này ph thuc rt nhiu vào điu kin đa c hc ca khi đt nh đ bn, đ cng, tính thm, cao đ nc ngm, v.v…, các thông s hình hc ca CTN nh đng kính CTN, đ sâu đt CTN, phng pháp thi công, trình đ k thut thi công. exp: Hàm s m e x , trong đó, e đc ly gn bng 2,178 và là c s ca hàm s logarit t nhiên. y: Khong cá ch ngang t tim CTN đn đim cn tính lún. i:  lch tiêu chun ca đng cong tính lún, là khong cách t đim un ca máng lún đn tim CTN, còn đc gi là thông s b rng máng lún. Có nhiu công thc đ xác đnh giá tr i trong đó ch yu là các công thc thu đc t kt qu quan trc hin trng. Theo đó, giá tr i ph thuc vào kích thc (đng kính) CTN, điu kin đa cht và đc bit là đ sâu đt CTN (H). b. Lún dc trc CTN Hin nay, n hng nghiên cu xung quanh vic xác đnh đng cong lún theo phng dc trc CTN còn rt hn ch. Theo Attewell và Woodman [5], đ lún ti v trí mt gng đào có th ly gn bng 1/2 đ ln cui cùng (hình 5).  lún ti mt đim dc trc CTN có th đc tính theo công thc: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ν=ν i x FS)x(S max,0y (2) Trong đó: ∫ ∞− − π =φ x i2 x x 2 x 2 e 2i 1 )x( (3) x: Khong cá ch t đim tính lún đn v trí mt gng. i x : Thông s b rng máng lún theo phng dc CTN, mt cách gn đúng, có th ly i x = i vi i đã tính toán  trên. www.cauduongonline.com.vn Hình 5. Hình dng máng lún 2.2. Phng pháp s Vi s phát trin mnh m ca công c máy tính, phng pháp s ngày càng chim u th trong nhng nm gn đây. Rõ ràng vic ng dng phng pháp s trong vic gii quyt vn đ lún mt đt gây ra bi quá trình đào hm là thích hp nht. Phng pháp s không ch đc s dng đ d đoán lún b mt mà còn mô t toàn b quá trình thit k hm, bao gm vic mô phng các giai đon đào hm và đt các đt hm, s tng tác gia các đt hm đã đt vi đt đá xung quanh, nh hng ca các công trình đt gn đó, nh hng ca hin tng thm và hin tng c kt, v.v… Mô hình phng pháp s tiêu biu đc s dng trong phân tích đa k thut thng bao gm các h thng nút, phn t và điu kin biên. Trong đó, các phn t đc s dng đ mô hình hoá đc trng hình hc và c hc ca khi đt đá cng nh kt cu. Các nút có vai trò xác đnh v trí và liên kt các phn t còn điu kin biên s mô t li đc đim liên kt ca mô hình vi không gian còn li xung quanh. Phng pháp phn t hu hn là phng pháp s ph thông nht trong vic c tính lún b mt do thi công hm. Khi mô hình hoá và d báo phát trin lún b mt bng mt phn mm đa k thut chuyên dng, cn có các s liu đu vào nh: kích thc hình hc; tính cht vt liu ca h thng chng đ, phng pháp thi công, điu kin đa cht,… Các kt qu đu ra, ngoài bin dng lún mt đt, còn bao gm c ni lc trong v hm (lc dc và mô men un dùng đ thit k ct thép trong v hm), và các s đ phân b ng sut. Mc đích ph ân tích s quyt đnh vic la chn phn t, kích thc và mc đ phc tp ca mô hình. Các phn t hu hn nên đc la chn sao cho có th mô hình hoá mt cách gn đúng nht s làm vic thc t ca đt đá mà không quá phc tp, vt quá kh nng ca các công c tính toán thông thng. Hin nay , trên th gii đang có rt nhiu phn mm tính toán, phân tích đa k thut khác nhau nh GTS, Plaxis, v.v. Mi phn mm đu có nhng đim mnh, đim yu khác nhau và, do đó, đc áp dng thích hp cho nhng lnh vc khác nhau. - Plaxis 3D Tunnel: là mt phn mm trong h các phn mm PLAXIS ca hãng PLAXIS (Hà Lan). ây là phn mm đa k thut đc phát trin cho mc đích tính toán bin dng và n đnh  dng 3D các kt cu hm. www.cauduongonline.com.vn - midasGTS: midasGTS – Geotechnical & Tunnel Analysis System là mt h thng phn mm tính toán đa k thut và hm đc hai hãng phn mm hàng đu th gii là MIDAS IT (Hàn Quc) và ADINA (Hà Lan) hp tác phát trin. Theo công b ca nhà sn xut, GTS có kh nng tính toán, phân tích hu ht các bài toán ph bin trong lnh vc đa k thut da trên phng pháp phn t hu hn vi các mô hình 2D và 3D. IV. VÍ D ÁP DNG Ví d sau trình bày kt qu áp dng phng pháp t 1. Các s liu ca ví d Trong phn này, mt d án lp đt h thng cp nc ngm trong ni thành thành ph H Chí Minh bng phng pháp kích đy đc s dng làm ví d tính toán. D án này đc thc hin trong hai nm 2005 – 2006 do S tài nguyên và môi trng thành ph H Chí Minh phi hp cùng công ty NISHIMATSU. Trong ví d này , ch trích ra mt phn ca h thng đ nghiên cu lún b mt. Các thông s đa cht, đc trng hình hc ca công trình cng nh đc đim ca h thng kích đy đc tóm tt di đây. a. c đim đt đá t trong khu vc thi công là đt cát vi các thuc tính c bn sau: - Trng ln g riêng g = 2,02T/m 3 - Góc ma sát trong j = 28 0 - Cng đ lc dính c = 0 - Mc nc ngm - 2m b. iu kin thi công Chiu sâu đt ng thc t H = 11,22m ÷ 9,69m. Trong ví d này, chiu sâu đt ng đc ly là H = 11m. ng kính ngoài ca khiên đào D = 2,6m c. c đim ca h thng kích đy - ng kính trong ca ng D = 2,2m - B dày ng t = 0,2m - ng kính ngoài ca ng D = 2,6m 2. Tính toán lún b mt theo công thc thc nghim và bán thc nghim Trong phn này, công thc kinh nghim ca O'Reilly và New [1, 2] s đc s dng đ c tính lún. Giá tr lún b mt ln nht theo phng thng đng (xét trên mt ct ngang ng ti www.cauduongonline.com.vn v trí trng tâm ca ng) là S max = 3,8mm 3. Tính toán theo phng pháp s a. Xây dng li phn t hu hn Hình 5 và 6 mô t li phn t hu hn, bao gm phn t v hm, phn t đt đá xung quanh hm, phn t đt đá trong hm trc khi đào và phn t mô t ging kích đy và ging nhn. Các phn t này có dng tam giác hoc t giác. Ti v trí gn ging kích đy, ging nhn cng nh v trí đt hm, có s tp trung ng sut, các phn t hu hn đc chia nh hn so vi các phn t đt đá  xa. Do các bc thi công kích đy là ging nhau nên sau khi mô hình hoá đc mt đt hm, s s dng lnh “extrude” đ to các đt hm còn li. Hình 6. Li phn t trên mô hình 3D Hình 7. Li phn t trên mt ct ngang b. Phân tích k t qu -4.486E-4 4.131E-4 4.131E-4 -4.486E-4 Hình 8. Biu đ chuyn v theo phng thng đng (lún) ti đt 1 Hình 9. Phóng đi đ quan sát hình dng máng lún Mt s kt qu đc trng khi phân tích quá trình xây dng công trình ngm bng phng pháp kích đy theo phng pháp s: phu lún có hình dng ca đng cong phân phi chun ging nh gi thit đã đc s dng trong phng pháp gii tích, giá tr chuyn v ln nht xác www.cauduongonline.com.vn đnh đc là S max = 1,93. Hình 8 mô t giá tr chuyn v ti v trí ng đt 1 trc khi lp đt ng. hình 9 là hình phóng đi đ quan sát hình dng máng lún. Các hình 10 mô t chuyn v trên m ô hình không gian ca công trình ngm sau khi đc thi công xong. Hình 11 mô t chuyn v thng đng nhình theo phng dc hm sau khi công trình ngm đc thi công xong. Hình 10. Biu đ chuyn v trên mô hình không gian 4.722E-4 -8.067E-4-1.943E-3 2.824E-4 Hình 11. Biu đ chuyn v thng đng (nhìn theo phng dc hm) V. SO SÁNH VÀ KT LU N Các kt qu ban đu trong tính lún bng mô hình trên phn mm GTS tng đi phù hp vi kt qu thu đc t các công thc thc nghim c v hình dng máng lún và giá tr lún ln nht (theo công thc thc nghim, đ lún ln nht tính đc ti v trí tim ng, xét trên mt ct ngang là S max = 3,8mm còn theo kt qu tính toán bng phn mm GTS, đ lún ln nht sau khi kt thúc quá trình thi công là S max = 1,93mm). Khi tính toán lún b mt nên s dng kt hp c phng pháp gii tích và phng pháp s. Tuy nhiên, nhng phng pháp trên đây mi là nhng kt qu ban đu. Cn phi có các s liu đo đc ti hin trng đ có th đánh giá đc mc đ chính xác ca các phng pháp tính đã đc s dng trên đây. Tài liu tham kho [1]. Eric Leca , Animatuer, Barry New. General Reporter, Settlement induced by tunnelling in soft ground, ITA/AITES Report 2006. [2]. Tak ahiro Aoyagi (1995). Representing Settlement for Soft Ground Tunneling, Master thesis. Massachusetts Institute of Technology. [3]. Thom son James (1995). Pipe Jacking and Microtunnelling, Blackie Academic & Professional, London. [4]. W. B roere (2001). Tunnel Face Stability & New CPT Applications, Hà Lan. [5]. John Pickhaver. Numerical Modelling of building response to tunnelling, Thesis at University of Oxford. [6]. GTS Analysis Reference. [7]. Jea n-Francois Serratrice & Jean Pierre Magnan. Surface settlement analysis and prediction during construction of the Toulon Underground Crossing’s nothern tunnel, Pháp. [8]. F.X. B orghi. Soil conditioning for pipe- jacking and tunnelling, University of Cambridge. [9]. ASC E (1999). Standard Construction Guidelines for Microtunnelling, American Society of Civil Engineers, Public Ballot, Rev. 8, July♦ www.cauduongonline.com.vn . gii thi u mt s nguyên nhân và phng pháp xác đnh lún b mt trong quá trình thi công và khai thác công trình ngm (CTN) đc thi công theo công ngh kích đy. Mt s kt qu tính toán. TÍNH TOÁN LÚN B MT GÂY RA BI THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGM THEO CÔNG NGH KÍCH Y KS. BÙI THANH MAI TS. NGÔ NG QU ANG TS. NGUYN. đc thi công theo công ngh kích đy ch ch yu ph thuc vào loi thi t b đc s dng trong quá trình đào hm. 1. Các nguyên nhân gây lún b mt khi thi công CTN bng phng pháp kích