Tải trọng tác động lên công trình ngầm và phương pháp tính lún khi thi công hầm bằng máy TBM

Tải trọng tác dụng và các nguyên nhân gây lún: Tải trọng tác dụng: Kết cấu công trình giao thông ngầm chịu tác dụng của các tải trọng ngoài khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: chiều sâu đặt hầm, kích thước hầm, điều kiện địa chất công trình, đặc điểm xây dựng giao thông đô thị và giao thông trên mặt đất, công nghệ thi công… Tải trọng tác dụng lên đường hầm được chia làm hai loại: tải trọng thường xuyên bao gồm trọng lượng bản thân công trình ngầm, trọng lượng các lớp áo đường và các hạng mục kỹ thuật khác, áp lực đất và nước cũng như trọng lượng nhà cửa kiến trúc bên trên và các công trình lân cận hố đào gây nên, lượng ứng suất trước của cốt thép. Tải trọng tạm thời xuất hiện do các phương tiện giao thông chuyển động trên đường ngầm gây nên. Tải trọng tạm thời còn có một số loại chỉ xuất hiện trong giai đoạn thi công công trình, đặc tính tạm thời còn do tác dụng của các yếu tố sau gây nên: sự biến thiên nhiệt độ; hiện tượng trương nở của đất và các tác dụng đặc biệt (động đất, va chạm…) hoặc do các sự cố gây nên.

TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG NGẦM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN KHI THI CÔNG HẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP TBM

Tải trọng tác dụng lên đường hầm được chia làm hai loại: tải trọng thường xuyên baogồm trọng lượng bản thân công trình ngầm, trọng lượng các lớp áo đường và các hạng mục kỹthuật khác, áp lực đất và nước cũng như trọng lượng nhà cửa kiến trúc bên trên và các côngtrình lân cận hố đào gây nên, lượng ứng suất trước của cốt thép Tải trọng tạm thời xuất hiện

do các phương tiện giao thông chuyển động trên đường ngầm gây nên Tải trọng tạm thời còn

có một số loại chỉ xuất hiện trong giai đoạn thi công công trình, đặc tính tạm thời còn do tácdụng của các yếu tố sau gây nên: sự biến thiên nhiệt độ; hiện tượng trương nở của đất và cáctác dụng đặc biệt (động đất, va chạm…) hoặc do các sự cố gây nên

Theo tiêu chuẩn Nhật Bản (JSCE-1996) như sau:

Bảng 1 Các loại tải trọng tác dụng lên kết cấu hầm thi công bằng TBM

Tải trọng thường xuyên

7 Tải trọng thi công

8 Hiệu ứng động đất Tải trọng đặc biệt 9 Hiệu ứng của hai hoặc nhiều khiên đào

10 Hiệu ứng làm việc ở các khu vực lân cận

11 Hiệu ứng biến dạng đất nền

12 Các hiệu ứng khác

trang 1

Tất cả các loại tải trọng có thể tác dụng lên công trình đồng thời hoặc vào các thời điểmkhác nhau, do các tổ hợp tải trọng khác nhau, có thể gây nên các trạng thái ứng suất khác nhautrong kết cấu Để tính toán kết cấu công trình ngầm cần tìm ra tổ hợp tải trọng bất lợi nhất (cơbản và đặc biệt) khi chúng tác dụng lên kết cấu xuất hiện nội lực lớn nhất.

1.2.Các nguyên nhân gây lún:

Hiện nay, mặc dù công nghệ thi công hầm bằng máy đào TBM đã được cải tiến rất nhiềunhưng cũng không thể giải quyết được triệt để vấn đề lún bề mặt đất nền Việc lún sụt bề mặtdẫn đến thiệt hại về về vật chất, tài sản và thương vong về người

Một số hình ảnh sự cố khi xây dựng công trình ngầm:

Sập hầm tuyến tàu điện ngầm số 1 ở thành phố Hàng Châu, thủ phủ tỉnh Chiết Giang (Trung Quốc) ngày 15/11/2008

(1.2.1) Một số nguyên nhân gây lún đất nền trong quá trình thi công đào hầm bằng khiên

đào được Maidl 1996 tổng hợp như sau:

- Việc hạ mực nước ngầm trong đất dẫn đến sự thay đổi thể tích và cấu trúc đất

- Thay đổi áp lực đất tại bề mặt khiên, do sự đào dư của máy đào

- Hệ giằng chống không đảm bảo cho sự mất nhiều đất tại bề mặt hầm

- Sự thay đổi cấu trúc của đất do sự rung của máy đào làm cho đất xung quanh bị nénlại, cùng với hệ giằng không phù hợp với độ nén chặt của đất

- Vỡ các túi khí trong đất là giảm tiết diện hầm do sự gia tăng của áp lực đất lên hệgiằng chống

(1.2.2) Theo Grasso 2007, các nguyên nhân gây lún được chia thành 3 nguyên nhân chủ

yếu sau:

- Nguyên nhân ngắn hạn (lún tức thời) xuất hiện trong quá trình thi công hầm.

Bao gồm:

+ (1) sự không cân bằng áp lực ở gương đào dẫn đến sự trồi đất vào phía trong

hang đã được đào hoặc sự trồi đất vào phía trong hang đã được đào hoặc sự trồi đất vềphía ngược lại, và vì vậy sẽ làm xuất hiện biến dạng lún hoặc trồi của khối đất;

trang 3

+ (2) ma sát giữa vỏ khiên đào và đất trong quá trình di chuyển khiên đào dẫnđến sự phá huỷ đất xung quanh hang đào;

+(3) sự đào đất vượt quá, mà trong thực tế không thể tránh được, đặc biệt khi đàohầm trên đoạn cong;

+ (4) sự tồn tại của khe hở thi công trong phần đuôi của khiên đào dẫn đến sự trồiđất vào khe hở thi công và tiếp theo là biến dạng lún của đất Độ lớn của biến dạng lúnphụ thuộc vào thời gian và chất lượng lấp đẩy khe hở thi công Lưu ý rằng, áp lực bơmvữa lấp khe hở thi công quá lớn trong đất sét sẽ dẫn đến sự trồi mặt đất Biến dạng củakhối đất có thể được gây ra bởi:

+ (5) sự điều chỉnh khiên đào “ngoi lên” mà thường xuyên phải điều chỉnh để bùlại sự “chìm xuồng” của nó trong khi chuyển dịch, điều đó có thể dẫn đến sự “đẩy ra”của đất phía trước khiên đào cùng với sự trồi của mặt đất;

+ (6) sự “sai lệch” của khiên đào khi đào hầm dẫn đến làm rời rạc khối đất ởgương đào và sập đổ đất vào trong hầm, vì vậy, dẫn đến biến dạng lún của khối đất;

+ (7) vận tốc di chuyển khiên đào gây ảnh hưởng đến biến dạng của đất (vận tốccàng lớn, biến dạng càng lớn) Điều đó liên quan đến mức độ phá huỷ đất xung quanhhang đào, ngoài ra vận tốc không đều trong thời gian khi đào hầm gây ra biến dạng lúnlớn hơn;

- Nguyên nhân dài hạn xảy ra do quá trình cố kết của đất bao gồm cố kết nhất thời

(thường xảy ra với đất có độ dính bám, hoặc đất bị nén trong quá trình giảm áp lựcnước lỗ rỗng) và cố kết thứ cấp (là một hình thức co ngót của đất)

- Nguyên nhân lún do sự biến dạng của vỏ chống đỡ hầm Độ lún này ảnh hưởng

lớn khi đường kính hầm lớn và chiều sâu đặt hầm cạn so với mặt đất Tuy nhiên, vấn

đề này có thể được kiểm soát trong thi công hầm bằng máy TBM trong khu vực thànhphố, nhờ vào việc dự đoán trước và tính toán các tải trọng tác dụng lên vỏ hầm, từ đóthiết kế hệ thống các tấm lắp ghép hệ vỏ hầm có thể chịu được cường độ tính toántrên

(1.2.3) Theo Nguyễn Đức Toản (2006) rút ra kết luận về mức độ ảnh hưởng của các

nguyên nhân trên đến tổng độ lún bề mặt dựa trên cơ sở thể tích đất bị mất (Volumn loss VL):

[Để quá trình di chuyển của máy đào được dể dàng, người ta sẽ đào đất với đường kính lớn hơn đường kính thân máy đào Từ đó, dẫn đến thể tích đất bị mất do sự đào vượt này, bao gồm có 2 nguyên nhân Một là, phần lưỡi cắt đất được chế tạo lớn hơn đường kính thân máy

đào để giúp máy đào không bị kẹt Hai là, phần đào dư do hệ thống buồng lái di chuyển trong các đoạn cong]

- Từ 10% đến 20% là do áp lực bề mặt

- Từ 40% đến 50% là do các phần rỗng dọc theo thân máy đào

- Từ 40% đến 50% là do mức độ bịt kín của đuôi máy đào

Với giá trị V L tính theo % bằng công thức:

Và thể tích mất đất phụ thuộc vào các tác nhân sau: Loại đất; Phương pháp đào hầm; Tốc

độ đào; Kích thước hầm; Kết cấu chống đỡ tạm thời

Giá trị VL được dự đoán theo các phương pháp thi công hầm dựa trên các kết quả phântích và đo đạt lại của các tuyến hầm trong quá khứ:

- Thi công bằng phương pháp New Austria Tunnelling Method –NATM cho đất sét ởLondon có: VL = 0.5% - 1.5%

- Thi công bằng máy khiên đào (TBM)

2.Phân loại và đánh giá hư hại công trình theo biến dạng: [5].

Trong thực tế khi chỉ quan trắc được sự hình thành và phát triển vết nứt của công trình hiênhữu thì dùng kết quả nghiên cứu của Burland để đánh giá trạng thái kỹ thuật của công trình lâncận hố đào theo bề rộng vết nứt và chức năng sử dụng theo mức độ hư hại (bảng 1)

Phân loại ảnh hưởng Mức độ Miêu tả mức độ hư hại Thông số

max

 Smax(mm)suprsuu1.Thẩm mỹ Không đángkể Phá hoại không mong muốn tại bềmặt <1/500 <10

3 Chức

Chức năng

Bảng.Phân cấp hư hại công trình theo biến dạng

Cấp hư hại Mô tả sự hư hại Bề rộng khe nứt Lún lệch Biến dạng góc

Rất nhẹ

Nứt mảnh, dễ xử lí trong khi trang trí bìnhthường Trong nhà có thể cô lập những chỗnứt gẫy nhẹ Những nứt nẻ ở bên ngoài củacông trình xây bằng gạch có thể nhận thấy

khi nhìn kĩ

1mm <3cm <1/3000

Nhẹ

Những nét nẻ có thể dễ dàng trám Yêu cầuphải trang trí lại Trong toà nhà có một sốchỗ nứt gẫy Những nứt nẻ có thể khá lớn

Yêu cầu trát vữa lại để chống thấm Cửa và

cửa sổ có thể bị kẹt nhẹ

Trung bình

Những nứt nẻ có thể yêu cầu đập ra và vá lại

Định kì làm lớp vữa trát để che giấu nhữngnứt nẻ Trát lại bên ngoài của công trình xâybằng gạch và có lẽ một số chỗ nhỏ của côngtrình xây bằng gạch phải sửa chữa lại Cửa vàcửa sổ có thể bị kẹt Hệ thống đường ống cóthể bị đứt gẫy Tính chống thấm thường bị

suy yếu

5 - 15mmhoặc một

bị dốc rất đáng kể Tường bị nghiêng hoặcphình ra rất đáng kể Khả năng chịu lực của

dầm bị kém

15 25mm,phụ thuộcvào sốlượng củakhe nứt

-5-8cm 1/175-1/120

Rất Nặng

Yêu cầu chính về sửa chữa bao gồm cả cục bộhoặc xây lại hoàn toàn Dầm mất khả năngchịu lực; tường nghiêng xấu và yêu cầuchống đỡ Cửa sổ bị gẫy do uốn.Tín hiệu báo

nguy do mất ổn định

Thường >

25 mm,phụ thuộcvào sốlượng củakhe nứt

8-13cm 1/120-1/70

trang 7

Hiện nay có các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam sau đây qui định về độ lún cho phép của công trình nhà:

TCXD 45 : 1978 "Tiêu chuẩn thiết kế nền, nhà và công trình" quy định chuyển vị giớihạn của nền nhà và công trình như sau:

Công trình Độ lún tương đối

(rad)

Độ lún lớn nhất

(mm)Nhà sản xuất và nhà dân dựng

nhiều tầng bằng khung hoàn toàn

(rad)

Độ lún lớn nhất

(mm)Nhà dân dụng cao tầng có kết

cấu khung hoàn toàn:

- Bằng bê tông cốt thép

- Bằng thép

0.002 0.004

80 120Nhà và công trình mà trong

kết cấu không xuất hiện nội lực do

Tuy nhiên, các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam qui định độ lún cho phép như trên chỉ

áp dụng cho các công trình làm mới

3.Các phương pháp tính toán độ lún:

Các phương pháp tính lún được sử dụng bao gồm 2 hướng chính Hướng thứ nhất là tínhtoán theo các công thức kinh nghiệm, được nhiều tác giả phát triển theo nhiều quan điểm khácnhau, nh ư ng chủ yếu là dựa trên nhiều kết quả khảo s á t của c á c tuyến hầm sau khi thi c ô ng xong cho một khu vực địa chất nhất định (không đánh giá được tác dụng do các công trình bêntrên gây ra) Hướng thứ hai là tính toán dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phương phápnày yêu cầu các số liệu đầu vào chi tiết và chính xác, nhưng lại có thể đánh giá phù hợp với cácloại đất khác nhau

3.1 Phương pháp kinh nghiệm:

Peck 1969 và O’Reilly 1982, giả thiết độ lún bề mặt làm việc xấp xỉ theo đường congGrauss

Hình 4.18: Mô hình Gaussian tính lún bề mặt thi công hầm được đưa ra O’Reiley và New

(1982) dựa theo phương pháp Schmidt - Peck

trang 9

Bề rộng

2

yexp2

 Smaxbiến dạng lớn nhất đất nền tại vị trí đỉnh hầm (m)

 y là khoảng cách từ trục hầm đến điểm tính lún theo phương ngang

 i : là khoảng cách từ trục hầm đến điểm uốn của đường biến dạng lúnVới đường hầm dạng tròn có thể xác định Smax theo công thức:

(1) của New & O’Reiley (1991):

2 max

28

l

V D S

Tuy nhiên từ các số liệu khảo sát các công trình ngầm ở Anh, New & O’Reiley

(1982):đã đề xuất công thức kinh nghiệm cho đất dính và đất rời như sau:

 i10,5Z o

 i2 0, 43Z o1,1



0.8 3

Thông tin tuyến hầm và máy TBM tại khu vực Nhà hát thành phố (Tài liệu thiết kế)

trang 13

17 17.78 20.21 20.4 20.1 19.4

19.1486

5 5 15 40 55 65

10000 35350.636

toán tương đối phức tạp nhờ vào sự phát triển của kỹ thuật máy tính (ưu điểm: tính toán nhanh,đánh giá được độ lún và mô phỏng được địa chất của lớp đất

Theo Ercelebi 2005, bài toán 3D được đề xuất thay thế bài toán 2D khi tính toán hệ sốgiảm ứng suất (stress reduction factors), vì phương pháp 2D rất khó tính toán chính xác hệ sốnay Với bài toán 3D, có thể mô hình từng quá trình thi công đào hầm chính xác hơn bài toán2D Do đó, có thể đánh giá các hệ số trên trong từng giai đoạn thi công Trong khi đó, Vermeer

& Moller 2001 đề xuất một phương pháp tình toán kết cấu hầm bằng bài toán 2D, thôngqua các hệ số β (unloading factor) có thể đánh giá tương đối chính xác bài toán và hiện nay,phần mềm này đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong tính toán đường hầm xây dựngtrong nền đất yếu

Tuy nhiên, theo New & O’Reilly 1991, cho rằng: sự phát triển của máy tính đã giúp choviệc phân tích, tính toán được chi tiết khi dự đoán biến dạng đất nền trong các trường hợp phứctạp Nhưng vấn đề lựa chọn mô hình tính toán, các thông số đầu vào của đất nền cũng như kếtcấu hầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố Thực tế, việc chọn lựa các thông số trên đòi hỏi ng ườitính toán phải có kinh nghiệm trong việc đánh giá mức độ tin cậy và lựa chọn mô hình đất hợp

lý Đồng thời có thể kiểm soát được kết quả xuất ra từ các chương trình tính

THAM KHẢO

trang 15

[1] Võ Phán, Nguyễn Quang Khải - Phân tích mô hình tính toán biến dạng lún bề mặt khi

thi công hầm Metro bằng phương pháp TBM khu vực Thành phố Hồ Chí Minh.

[2] Nguyễn Đức Toản, Lưu Xuân Hùng – Một số vấn đề về quản lý rủi ro và lún mặt đấtcho Dự án tuyến đường sắt đô thị thí điểm TP Hà Nội

[3] LVThS Nguyễn Tăng Thanh Bình – Đặc trưng hợp lý của vữa phun trong việc hạn

chế lún sụt bề mặt khi thi công Tuyến Metro số 1, sử dụng máy đào TBM trong khu vực Thành phố Hồ Chí Minh.

[4] TS Nguyễn Thành Đạt, ThS Nguyễn Văn Giang, ThS Nguyễn Anh Tuấn – Phân tích

trạng thái ứng suất biến dạng của nền đất yếu xung quanh đường hầm Metro thành phố Hồ Chí Minh – Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường.

[5] Nguyễn Hồng Nam, Đỗ Văn Thiệu, Trần Văn Bảo – Ảnh hưởng của hố đào sâu đến

độ lún mặt nền công trình lân cận.

[6] PGS.TS.Nguyễn Bá Kế – Phòng tránh sự cố công trình ở lân cận hố đào sâu trong đô

thị.

[7] LVThS Trịnh Trọng Lợi– Nghiên cứu biện pháp gia cố nền giữa hai đường hầm lân

cận trong dự án xây dựng đường sắt đô thị thành phố Hồ Chí Minh, tuyến số 3a.

Ảnh hưởng của biến dạng mặt đất đến các công trình xây dựng gần kề

Lún mặt đất gây ra biến dạng của các ngôi nhà và công trình mà rơi vào trong vùng biến dạng.Mức độ ảnh hưởng của chúng phụ thuộc vào độ lún có thể của mặt đất, hình dạng, kích thước

và trạng thái kỹ thuật-khai thác của kết cấu công trình và vị trí phân bố của ngôi nhà và cáccông trình trong vùng biến dạng của mặt đất

Các ngôi nhà mà nằm ở phần trung tâm của vùng biến dạng phải chịu ảnh hưởng của độ cong

âm (lõm) của mặt đất, và vì vậy biến dạng sẽ phát triển nói chung ở các tầng thấp và móngcông trình Ở các vùng xây dựng liền kề nhau do sự nghiêng của các ngôi nhà bên cạnh, cácngôi nhà nằm gần đó có thể chịu biến dạng phụ thêm ở dạng đè hay ép của các bức tường, điều

đó kèm theo sự phá vỡ các bức tường ở các đoạn riêng biệt Các ngôi nhà mà rơi vào khoảngbiên của vùng biến dạng chịu tác động của độ cong dương (lồi) của mặt đất, mà gây ra biếndạng, trước tiên ở các tầng phía trên Bất lợi nhất cho các ngôi nhà mà nằm ở đoạn uốn củavùng biến dạng chịu tác động kép của độ cong âm và dương của vùng biến dạng

Ảnh hưởng lớn nhất đến các ngôi nhà gây ra bởi biến dạng thẳng đứng của mặt đất: độ nghiêng

và độ cong Độ nghiêng của móng dẫn đến sự nghiêng của các ngôi nhà, còn độ cong gây ra sựuốn trong chúng Biến dạng ngang kéo và nén tác động lên kết cấu của các ngôi nhà ở dạng lực

ma sát ở đáy và các mặt bên của móng Ảnh hưởng của các biến dạng ngang, nói chung, nhỏhơn nhiều ảnh hưởng của các biến dạng đứng, bởi vì rằng chúng tác động trên các đoạn ngắn,không xâm chiếm toàn bộ ngôi nhà

trang 17

Để đánh giá ảnh hưởng biến dạng lún mặt đất đến ngôi nhà tồn tại nhiều phương pháp khácnhau, trong đó có thể kể đến các phương pháp của giáo sư Wahls (1981), Borcardin và Cording(1987), Attewwll (1986) và nêu trong quy trình CHиΠ 2.01.09-91 Π 2.01.09-91

Trong CHиΠ 2.01.09-91 Π 2.01.09-91 phụ thuộc vào các thông số của đường cong biến dạng của vùng biếndạng có thể của mặt đất, người ta chia ra làm 4 nhóm (bảng 1) Khi đó việc sử dụng các biệnpháp để bảo vệ các ngôi nhà và công trình trên các đoạn của bề mặt, nơi mà độ nghiêng nhỏhơn 3mm/m và bán kính đường cong lớn hơn 20km, nói chung không yêu cầu

Bảng 1 Phân nhóm hư hỏng của các công trình trên mặt đất

Bảng 2 Phân nhóm hư hỏng của các công trình trên mặt đất

Nhóm hư hỏng

Biến dạng lún mặt đất

Độ lún lớn nhất ηm(mm)

Độ nghiêng J(mm/m)

Tóm lại, biến dạng lún mặt đất ảnh hưởng bất lợi đến các ngôi nhà và công trình gần kề Mức

độ phá huỷ của các ngôi nhà trên mặt đất về cơ bản phụ thuộc vào trạng thái kết cấu của cácngôi nhà và giá trị các thông số của vùng biến dạng mặt đất Khi đó trong một số trường hợpyêu cầu có các biện pháp bảo vệ chúng