Nghiên cứu đánh giá hiệu suất hoạt động của máy khoan hầm cân bằng áp lực đất (tbm epb) trong điều kiện địa chất thành phố hồ chí minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI HỒNG MẠNH TUẤN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY KHOAN HẦM CÂN BẰNG ÁP LỰC ĐẤT (TBM EPB) TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HOÀNG MẠNH TUẤN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY KHOAN HẦM CÂN BẰNG ÁP LỰC ĐẤT (TBM EPB) TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGÀNH : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG MÃ SỐ : 8580205 CHUYÊN SÂU: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG ĐƠ THỊ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN THỊ THU HẰNG TP HỒ CHÍ MINH – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả luận văn xin cam đoan luận văn cơng trình khoa học cá nhân tác giả, không chép Các số liệu, kết nghiên cứu, tính tốn nêu luận văn trung thực, có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng Tác giả Luận văn Hoàng Mạnh Tuấn ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn với đề tài “Nghiên cứu đánh giá hiệu suất hoạt động máy khoan hầm cân áp lực đất (TBM EPB) điều kiện địa chất Thành phố Hồ Chí Minh”, học viên nhận giúp đỡ nhiều vô quý báu thầy cô Khoa giảng dạy, trang bị hướng dẫn tận tình cho học viên Học viên xin chân thành cảm ơn: - Cơ Trần Thị Thu Hằng, Bộ mơn Cơng trình Giao thơng thành phố Cơng trình thủy, trường Đại học Giao thơng vận tải, tận tình hướng dẫn, động viên cung cấp cho học viên kiến thức vơ ý nghĩa để học hồn thành luận văn - Bộ mơn Cơng trình Giao thơng Thành phố Cơng trình thủy tạo điều kiện thuận lợi suốt trình nghiên cứu - Ban giám hiệu Trường Đại học Giao thông vận tải, thầy cô giảng dạy lớp Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thơng thị tạo điều kiện cho học viên suốt trình học tập - Cảm ơn bạn đồng nghiệp giúp học viên có thêm kiến thức kinh nghiệm quý báu để học viên thực luận văn Do điều kiện thời gian, kiến thức kinh nghiệm có hạn, Luận văn cịn nhiều thiếu sót, mong thầy, bạn tham gia góp ý giúp cho Luận văn hồn thiện Một lần học viên xin chân thành cảm ơn! Tác giả Luận văn Hoàng Mạnh Tuấn iii MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .vi DANH MỤC BẢNG BIỂU .vii DANH MỤC HÌNH ẢNH viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Công nghệ thi công đào trần [1] .4 1.1.2 Công nghệ thi cơng đào kín [1] 11 1.1.3 Công nghệ thi công khiên đào (SM – Shield Machine) [1] 15 1.1.4 Cơng nghệ thi cơng hầm kín phương pháp kích ép đất (Pipe jacking) [1] .18 1.1.5 Công nghệ thi công hầm kiểu Áo (New Austrian Tunnelling Method – NATM) [1] .19 1.1.6 So sánh công nghệ thi công đào hở công nghệ thi cơng đào kín [1] .23 1.2 Công nghệ TBM 25 1.2.1 Tổng quan .25 1.2.2 Ưu điểm 28 1.2.3 Nhược điểm 30 1.2.4 Phân loại TBM .31 1.2.5 Ổn định bề mặt TBM 34 1.3 Tình hình áp dụng cơng nghệ TBM 38 1.3.1 Dự án Xây dựng Tuyến Đường sắt đô thị số Tp HCM, tuyến Bến Thành – Suối Tiên .39 1.3.2 Dự án Mở rộng Nhà máy Thủy điện Đa Nhim 40 1.3.3 Dự án Thủy điện Thượng Kon Tum .41 1.3.4 Dự án Thủy điện Đại Ninh .42 CHƯƠNG NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA TBM EPB 44 iv 2.1 Nguyên tắc chung 44 2.1.1 Các phận TBM EPB 44 2.1.2 Chức phận TBM EPB 44 2.2 Giai đoạn thiết kế kỹ thuật 45 2.2.1 Phương pháp đào hầm 45 2.2.2 Loại kết cấu đầu cắt 45 2.2.3 Loại kết cấu đỡ đầu cắt 46 2.2.4 Trình tự thực khoan 46 2.2.5 Tính tốn lực đẩy 47 2.3 Giai đoạn triển khai thi công 49 2.3.1 Các giai đoạn làm việc 49 2.3.2 Nguyên lý cân áp lực đất .51 2.3.3 Vận hành TBM EPB .52 2.3.4 Tính tốn áp lực đầu cắt 57 2.3.5 Chu trình thời gian thi cơng lý thuyết 60 2.3.6 Thiết bị phụ trợ bên TBM .61 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HOẠT ĐỘNG CỦA TBM EPB THI CÔNG HẦM ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ TẠI TP.HCM 63 3.1 Giới thiệu chung dự án 63 3.2 Điều kiện địa chất tự nhiên đoạn tuyến 68 3.2.1 Đặc trưng địa chất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh [9] 68 3.2.2 Đặc điểm địa chất dọc tuyến hầm TBM 68 3.3 Thông số kỹ thuật TBM EPB 71 3.4 Đánh giá hiệu suất hoạt động TBM EPB 73 3.4.1 Độ lệch không gian tim hầm trình đào 73 3.4.2 Tốc độ xuyên 74 3.4.3 Chu trình thời gian 75 3.4.4 Lực đẩy TBM 76 3.4.5 Lượng vữa lấp 77 3.4.6 Kết luận 79 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80 v 4.1 Kết luận 80 4.2 Kiến nghị 80 PHỤ LỤC: SẢN PHẨM KHOA HỌC CỦA LUẬN VĂN vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TBM Tunnel Boring Machine (Máy khoan hầm) EPB Earth Pressure Balance (Cân áp lực đất) EB East Bound Tunnel (Hầm phía Đơng) WB West Bound Tunnel (Hầm phía Tây) vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Lựa chọn phương pháp đào hầm theo tính chất đất đá [1] Bảng 1.2 So sánh thi cơng hầm dìm hầm thi cơng khiên đào [1] .18 Bảng 1.3 Đặc điểm khác biệt công nghệ NATM so với công nghệ truyền thống [1] 21 Bảng 1.4 So sánh công nghệ thi cơng đào hở đào kín [1] 24 Bảng 1.5 Các dự án thi công hầm áp dụng công nghệ TBM Việt Nam .39 Bảng 2.1 Bảng tổng hợp thiết kế [6] 46 Bảng 2.2 Áp lực phía đầu cắt Hầm phía Đơng 58 Bảng 2.3 Áp lực phía đầu cắt Hầm phía Đơng 58 Bảng 2.4 Áp lực phía đầu cắt Hầm phía Tây .59 Bảng 2.5 Áp lực phía đầu cắt Hầm phía Tây 59 Bảng 2.6 Chu trình thời gian thi cơng tính tốn .60 Bảng 2.7 Thời gian thực công việc lý thuyết 60 Bảng 3.1 Thông tin chung gói thầu 1b [6] .66 Bảng 3.2 Các thông số địa chất 69 Bảng 3.3 Mực nước ngầm thiết kế 70 Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật thân khiên đào 71 Bảng 3.5 Đặc điểm kỹ thuật kích đẩy .71 Bảng 3.6 Đặc điểm kỹ thuật đầu cắt 71 Bảng 3.7 Dẫn động đầu cắt 72 Bảng 3.8 Sai lệch lượng vữa lấp thực tế so với lý thuyết 79 Bảng 3.9 Thông số hiệu suất TBM q trình khoan Hầm phía Đơng 79 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Thi cơng đoạn hầm đào trần (Cut & Cover Tunnel) Hình 1.2 Các dạng mặt cắt ngang cơng trình hầm thi cơng cơng nghệ hầm dìm giới [1] Hình 1.3 Cấu tạo mối nối đốt hầm dìm [1] 10 Hình 1.4 Sơ đồ bố trí thuốc nổ mặt cắt ngang cơng trình ngầm [1] 14 Hình 1.5 Máy khoan hầm TBM dùng để thi công tuyến Metro số thành phố Hồ Chí Minh 17 Hình 1.6 Các phận TBM .27 Hình 1.7 TBM có khiên cân áp lực đất 28 Hình 1.8 Phân loại TBM theo điều kiện địa tầng xung quanh cơng trình ngầm [3] 32 Hình 1.9 Các loại TBM sử dụng cho đất yếu [2] .32 Hình 1.10 Phạm vi áp dụng loại TBM theo đường kính hầm [4] 33 Hình 1.11 Hướng dẫn lựa chọn loại TBM theo loại địa chất xung quanh cơng trình ngầm 33 Hình 1.12 Cấu tạo TBM sử dụng khiên cân áp lực đất (EPB Shield) .34 Hình 1.13 Cấu tạo TBM sử dụng khiên bùn (Slurry Shield) 36 Hình 1.14 Hệ thống cung cấp vữa bùn cho khiên bùn [5] 37 Hình 1.15 TBM EPB Dự án Xây dựng Tuyến Đường sắt đô thị số Tp HCM 40 Hình 1.16 Gripper TBM Dự án Mở rộng Nhà máy Thủy điện Đa Nhim 41 Hình 1.17 Main Beam TBM Dự án Thủy điện Thượng Kon Tum .42 Hình 1.18 Double Shield TBM Dự án Thủy điện Đại Ninh 43 Hình 2.1 Các phận TBM EPB .44 Hình 2.2 Lắp ráp phận TBM 49 Hình 2.3 Tiến hành khoan khởi đầu 50 Hình 2.4 Vỏ hầm bê tơng đúc sẵn chuyển đến công trường .50 Hình 2.5 Đón máy TBM Ga Nhà hát Thành phố 51 Hình 2.6 Tháo dỡ TBM .51 Hình 2.7 Mô tả cân áp lực TBM EPB .52 Hình 2.8 Kích đẩy chống vào vỏ hầm lắp 53 Hình 2.9 TBM giai đoạn khoan 54 Hình 2.10 TBM giai đoạnlắp dựng vỏ hầm .54 80 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Công nghệ TBM sử dụng để thi công công trình ngầm nhiều quốc gia giới, nước ta công nghệ thi công hầm TBM cịn tương đối mẻ Do việc nghiên cứu, tổng kết phân tích ưu nhược điểm phương pháp thi công cần thiết, giúp nhà hoạch định sách, kỹ sư phụ trách thi cơng có nhìn tổng quan hơn, giúp sinh viên ngành xây dựng có thêm hiểu biết loại hình thi cơng hầm mới, đại sử dụng để thi công tuyến Metro Hà Nội TP Hồ Chí Minh Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu đánh giá hiệu suất hoạt động máy khoan hầm cân áp lực đất (TBM EPB) điều kiện địa chất Thành phố Hồ Chí Minh” tổng hợp hiểu biết công nghệ TBM, kinh nghiệm cần thiết cho dự án giao thông đô thị Việt Nam, với việc áp dụng cho tuyến Metro Thành phố Hồ Chí Minh Hà Nội Trong điều kiện địa chất Thành phố Hồ Chí Minh, nghiên cứu phù hợp thiết bị TBM, đặc biệt EPB TBM thi công hầm đường sắt đô thị với việc khoan thành công hai đường hầm Với thông số đánh giá, việc sử dụng EPB TBM cho tuyến Metro Thành phố Hồ Chí Minh xem hợp lý mặt phương án kỹ thuật đạt hiệu cao Việc vận hành kiểm sốt thơng số TBM nói chung EPB TBM nói riêng u cầu trình độ kỹ thuật cao Hiện nay, việc vận hành quản lý thi công hầm công nghệ TBM nhà thầu nước vận hành Việt Nam chủ yếu Vì vậy, nghiên cứu cung cấp kinh nghiệm cần thiết để tiếp cận công nghệ thi công hầm TBM, đánh giá, tiền đề cho nghiên cứu việc áp dụng cho cơng trình hầm tương lai áp dụng công nghệ TBM 4.2 Kiến nghị Để nâng cao hiệu công tác thi công hầm TBM, việc đánh giá mối quan hệ thông số hoạt động TBM điều kiện đất cần thiết Từ rút học kinh nghiệm để vận hành hiệu TBM cho tuyến Metro 81 Nghiên cứu luận văn nhiều hạn chế, nhiên tiền đề sở cho nghiên cứu để nâng cao hiệu việc thi công hầm công nghệ TBM 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: N V Trung and T T Hằng, Thiết kế - thi cơng - giám sát cơng trình hầm [1] giao thông, Hà Nội: Nhà Xuất Xây dựng, 2010 Chu Việt Thức, "Về số ưu nhược điểm sử dụng công nghệ TBM [2] thi công hầm," Đại học Điện lực, Hà Nội, 2015 Diêm Công Huy, Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu định hướng [4] đường hầm thi công xây dựng cơng trình ngầm Việt Nam Luận án tiến sỹ, Hà Nội: Trường đại học Mỏ Địa chất, 2018 Ban Quản lý Đường sắt đô thị Thành phố Hồ Chí Minh, "Giới thiệu gói [8] thầu CP1b - thi công hầm ngầm tuyến đường sắt đô thị số 1: Bến Thành - Suối Tiên," Thành phố HCM, 2015 N V Trung, T V Hùng and T Đ Tuấn, Thi công Hầm Metro đất [9] yếu máy đào Shield - TBM, Hà Nội: Nhà Xuất Xây dựng, 2016 Thủ tướng phủ nước Cộng hịa xã hội chủ nghĩa Việt Nam, Nghị [12] định 41/2007/NĐ-CP xây dựng ngầm đô thị, Hà Nội, 2007 Tiếng Anh: [3] J Rostami, "Performance prediction of hard rock Tunnel Boring Machines (TBMs) in difficult ground," Tunnelling and Underground Space Technology, vol 57, pp 173-182, 2016 [5] "Standard Specifications for Tunneling - 2006 : Shield Tunnels," Tokyo, Japan Society of Civil Engineers, 2007, p 145 [6] Shimizu-Maeda joint operation, "Method statement for bored tunnel construction of Contract Package 1b - HCM City Urban Railway Construction Project," Ho Chi Minh City, 2016 [7] "Method Statement For Bored Tunnel Construction," in UMRTL1-CP1bTBMS-CWS-MST-00106, Shimizu - Maeda Joint Operation, 2016 83 [10] Outline Construction Specifications, 2012 [11] H Moon, in A Comparative Study on Five Assessment Systems of TBM Tunneling, Geosystem Engineering, 2012, pp 61-69 PHỤ LỤC: SẢN PHẨM KHOA HỌC CỦA LUẬN VĂN 11/1/2019 Assessment on the performance of EPB-TBM in the construction of pilot metro line in Ho Chi Minh city (Vietnam) | SpringerLink Assessment on the performance of EPB-TBM in the construction of pilot metro line in Ho Chi Minh city (Vietnam) CIGOS 2019, Innovation for Sustainable Infrastructure pp 799-804 | Cite as Thu-Hang Tran (1) Email author (tranthuhang.utc@gmail.com) Manh-Tuan Hoang (2) Faculty of Civil engineering, University of Transport and Communications, , Hanoi, Vietnam Shimizu – Maeda Joint Operation, , Ho Chi Minh City, Vietnam Conference paper First Online: 11 October 2019 Part of the Lecture Notes in Civil Engineering book series (LNCE, volume 54) Abstract Line (Ben-Thanh – Suoi-Tien) of the Ho Chi Minh city Urban Railway Project is the pilot metro in Vietnam, also the first transport tunnel constructed by the earth pressure balanced single shield tunnel boring machine (EPB-TBM), of which the outer diameter is 6.79 m Two parallel 781-m-tunnels (West Bound and East Bound) have been constructed from May 2017 They mainly locate in loose sand layers with small SPT values and the small overburden heights: 8.7 to m of the former and 8.7 to 22.3 m of the latter EPB-TBM have proven the suitability for the metro line in such geological conditions and the narrow construction site in urban areas of Ho Chi Minh city In this paper, for the assessment of EPB-TBM during the tunnel construction, some main operation parameters of the machine in each performance routine have been analysed and the influence of the geological conditions along the alignment to the machine journey was initially studied The study’s goal is the better understanding of the EPB-TBM performance in the first TBM metro line in Vietnam, as an experience learning for the next ones which have been scheduled to be soon appeared in Ho Chi Minh city and Hanoi Keywords EPB-TBM performance assessment metro Ho Chi Minh city This is a preview of subscription content, log in to check access Preview https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-15-0802-8_127 1/4 11/1/2019 Assessment on the performance of EPB-TBM in the construction of pilot metro line in Ho Chi Minh city (Vietnam) | SpringerLink Unable to display preview Download preview PDF References Shimizu-Maeda Joint Operation: Introduction video of Contract Package 1b: Civil (Underground Section from KM 0+615 to KM 2+360) Ho Chi Minh city (2016) Google Scholar (https://scholar.google.com/scholar?q=ShimizuMaeda%20Joint%20Operation%3A%20Introduction%20video%20of%20 Contract%20Package%201b%3A%20Civil%20%28Underground%20Secti on%20from%20KM%200%2B615%20to%20KM%202%2B360%29.%20 Ho%20Chi%20Minh%20city%20%282016%29.) Working group for shield tunnels of JSCE: Standard specifications for tunnelling 2006: Shield tunnels Japan Society of Civil Engineers, Tokyo (2007) Google Scholar (https://scholar.google.com/scholar? q=Working%20group%20for%20shield%20tunnels%20of%20JSCE%3A %20Standard%20specifications%20for%20tunnelling%202006%3A%20 Shield%20tunnels.%20Japan%20Society%20of%20Civil%20Engineers% 2C%20Tokyo%20%282007%29.) Shimizu-Maeda joint operation: Method statement for bored tunnel construction of Contract Package 1b - HCM City Urban Railway Construction Project Ho Chi Minh City (2016) Google Scholar (https://scholar.google.com/scholar?q=ShimizuMaeda%20joint%20operation%3A%20Method%20statement%20for%20 bored%20tunnel%20construction%20of%20Contract%20Package%201b %20%20HCM%20City%20Urban%20Railway%20Construction%20Project.% 20Ho%20Chi%20Minh%20City%20%282016%29.) Shimizu-Maeda Joint Operation: Report on Geology of Contract Package 1b - HCM City Urban Railway Construction Project Ho Chi Minh city (2015) Google Scholar (https://scholar.google.com/scholar?q=ShimizuMaeda%20Joint%20Operation%3A%20Report%20on%20Geology%20of %20Contract%20Package%201b%20%20HCM%20City%20Urban%20Railway%20Construction%20Project.% 20Ho%20Chi%20Minh%20city%20%282015%29) Shimizu-Maeda Joint Operation: Geotechnical explanation report for bored tunnel of Contract Package 1b - HCM City Urban Railway Construction Project Ho Chi Minh city (2015) https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-15-0802-8_127 2/4 11/1/2019 Assessment on the performance of EPB-TBM in the construction of pilot metro line in Ho Chi Minh city (Vietnam) | SpringerLink Google Scholar (https://scholar.google.com/scholar?q=ShimizuMaeda%20Joint%20Operation%3A%20Geotechnical%20explanation%20 report%20for%20bored%20tunnel%20of%20Contract%20Package%201b %20%20HCM%20City%20Urban%20Railway%20Construction%20Project.% 20Ho%20Chi%20Minh%20city%20%282015%29.) Ministry of Science and Technology of Vietnam: TCVN 3994-85: Anticorrosion in concrete and reinforced concrete structure construction Classification of erosion environment Hanoi (1985) (In Vietnamese) Google Scholar (https://scholar.google.com/scholar? q=Ministry%20of%20Science%20and%20Technology%20of%20Vietnam %3A%20TCVN%203994-85%3A%20Anticorrosion%20in%20concrete%20and%20reinforced%20concrete%20stru cture%20construction%20%20Classification%20of%20erosion%20environment.%20Hanoi%20%28 1985%29.%20%28In%20Vietnamese%29) Shimizu-Maeda Joint Operation: Technical specifications of Contract Package 1b - HCM City Urban Railway Construction Project Ho Chi Minh city (2015) Google Scholar (https://scholar.google.com/scholar?q=ShimizuMaeda%20Joint%20Operation%3A%20Technical%20specifications%20o f%20Contract%20Package%201b%20%20HCM%20City%20Urban%20Railway%20Construction%20Project.% 20Ho%20Chi%20Minh%20city%20%282015%29.) Moon, H.: A Comparative Study on Five Assessment Systems of TBM Tunnelling Geosystem Engineering, 4(2), 61–69 (2012) CrossRef (https://doi.org/10.1080/12269328.2001.10541169) Google Scholar (http://scholar.google.com/scholar_lookup? title=A%20Comparative%20Study%20on%20Five%20Assessment%20Sy stems%20of%20TBM%20Tunnelling&author=HyunKoo.%20Moon&journal=Geosystem%20Engineering&volume=4&issue=2 &pages=61-69&publication_year=2001) Copyright information © Springer Nature Singapore Pte Ltd 2020 About this paper Cite this paper as: Tran TH., Hoang MT (2020) Assessment on the performance of EPB-TBM in the construction of pilot metro line in Ho Chi Minh city (Vietnam) In: Ha-Minh C., Dao D., Benboudjema F., Derrible S., Huynh D., Tang A (eds) CIGOS 2019, Innovation for Sustainable Infrastructure Lecture Notes in Civil Engineering, vol 54 Springer, Singapore First Online 11 October 2019 DOI https://doi.org/10.1007/978-981-15-0802-8_127 Publisher Name Springer, Singapore Print ISBN 978-981-15-0801-1 Online ISBN 978-981-15-0802-8 eBook Packages Engineering https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-15-0802-8_127 3/4 11/1/2019 Assessment on the performance of EPB-TBM in the construction of pilot metro line in Ho Chi Minh city (Vietnam) | SpringerLink Buy this book on publisher's site Reprints and Permissions Personalised recommendations © 2019 Springer Nature Switzerland AG Part of Springer Nature Not logged in University of Transports and Communications (3000620462) 117.6.131.103 https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-15-0802-8_127 4/4