Nghiên cứu giải pháp xây dựng metro ngầm trong vùng địa chất yếu ở thành phố hồ chí minh,luận văn thạc sỹ xây dựng đường sắt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN CÔNG LỢI NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÂY DỰNG METRO NGẦM TRONG VÙNG ĐỊA CHẤT YẾU Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN CÔNG LỢI NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÂY DỰNG METRO NGẦM TRONG VÙNG ĐỊA CHẤT YẾU Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHUYÊN NGÀNH MÃ SỐ : XÂY DỰNG ĐƯỜNG SẮT : 60.58.35 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: NGƯT.PGS.TS.PHẠM VĂN KÝ HÀ NỘI 2013 MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÁC ĐIỀU KIỆN ĐẶC TRƯNG KHI THI CÔNG METRO NGẦM Ở TP.HỒ CHÍ MINH 1.1 Giới thiệu phân tích yếu tố tác động đến xây dựng cơng trình metro ngầm 1.1.1 Vị trí địa lý điều kiện địa chất thủy văn 1.1.2 Kinh tế, xã hội 1.1.3 Hướng tuyến 1.1.4 Tình hình giao thơng 1.1.5 Xét đến ảnh hưởng cơng trình xung quanh ảnh hưởng đến môi trường 1.2 Phân tích loại máy khiên đào sử dụng thi công metro ngầm 1.2.1 Khiên bùn .9 1.2.2 Khiên đào kiểu cân áp lực đất 13 1.2.3 Các phương pháp thi công khiên đào .15 1.2.4 Đánh giá, so sánh loại máy khiên đào cân áp lực đất (EPB) khiên Bùn 21 1.3 Giới thiệu tính chất lý đất yếu tp.Hồ Chí Minh .30 1.3.1 Đặc điểm đất yếu 30 1.3.2 Thống kê đặc điểm địa chất Hồ Chí Minh 31 1.3.3 Các vấn đề cần quan tâm thi công hầm đất yếu biện pháp gia cố thi công metro 33 1.4 Phân tích loại kết cấu tầng metro ngầm 42 1.4.1 Kiểu kiến trúc tầng dạng 45 1.4.2 Nền đường sắt không ballast kiểu Rheda (và Rheda 2000) 46 1.4.3 Kiểu liên kết ray đặt trực tiếp sàn bêtông (kiểu Plinth kiểu Stedef Pháp) .47 1.4.4 Kiểu kết cấu dạng khối đỡ (đường ray có độ rung thấp LVT) 50 1.4.5 Kiểu kết cấu tầng loại tà vẹt chống rung 51 1.4.6 Kiểu kết cấu tầng dạng (đặt hệ lò xo hệ đàn hồi khác) 53 1.4.7 Đánh giá lựa chọn loại kết cấu tầng phù hợp với hệ thống metro 55 1.4.8 Phân tích phương án thi công đường sắt đô thị 59 1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài luận văn 65 CHƯƠNG 2: LÝ LUẬN VỀ THI CÔNG BẰNG MÁY KHIÊN ĐÀO CÂN BẰNG ÁP LỰC ĐẤT VÀ THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT KHÔNG ĐÁ KIỂU TÀ VẸT CHỐNG RUNG TRONG METRO NGẦM 67 2.1 Phương pháp thi công, máy khiên đào kiểu cân áp lực đất 67 2.1.1 Nguyên lý cân áp lực đất đầu cắt 68 2.1.2 Vỏ hầm 70 2.2 Tổ chức thi công 74 2.2.1 Công tác chuẩn bị giếng thi công: .75 2.2.2 Công tác lắp đặt máy TBM 75 2.2.3 Lắp đặt thiết bị cần thiết cho việc khởi động máy khoan: 76 2.2.4 Khởi đầu hành trình máy khoan 76 2.2.5 Thi công đường hầm 77 2.2.6 Quá trình đào đất 78 2.2.7 Quá trình tiến lên phía trước Khiên .78 2.2.8 Quá trình lắp đặt vỏ hầm 79 2.2.9 Kiểm soát hướng tuyến hoạt động Khiên đào .80 2.2.10 Hệ thống đo đạc: .81 2.2.11 Sơ đồ thi công phác họa hoạt động sau công trường 83 2.3 Phương pháp thi công đường không đá kiểu tà vẹt chống rung metro ngầm 84 2.3.1 Phương pháp thi công tổng thể 85 2.3.2 Bãi tập kết thi công cho khu vực cầu hầm metro 86 2.3.3 Tổ chức thi công, vận chuyển, lắp đặt 88 2.3.4 Danh mục trang thiết bị thi cơng 91 2.3.5 Các nguyên vật liệu sử dụng cho việc lắp đặt tà vẹt đặt bê tông chống rung 92 2.3.6 Thời gian Tiến độ thi công lắp đặt đường ray 93 2.3.7 Nền bê tông lần lần 94 2.3.8 Kiểm tra dung sai đường 95 CHƯƠNG 3: THI CÔNG VỎ METRO BẰNG MÁY KHIÊN ĐÀO VÀ ĐƯỜNG KHÔNG ĐÁ KIỂU TÀ VẸT RUNG CHO TUYẾN BẾN THÀNH-SUỐI TIÊN ĐOẠN GẦN TRUNG TÂM THÀNH PHỐ .96 3.1 Thi công đọan ngầm cho tuyến metro ngầm Bến Thành-Suối Tiên 96 3.1.1 Gới thiệu quy mô phần hầm khoan dự án 96 3.1.2 Sơ đồ khoan máy TBM qua nhà ga 99 3.1.3 Quá trình khoan 103 3.2 Thi công đường không đá kiểu tà vẹt rung 108 3.2.1 Yêu cầu chung 108 3.2.2 Các yêu cầu chức đường ray 109 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trên giới metro ngầm đường để giải giao thông công cộng thành phố, trung bình lớn, đồng thời metro cịn có ý nghĩa vơ quan trọng cho phát triển bền vững thành phố Hệ thống metro ngầm phục vụ giao thơng thành phố địi hỏi hội tụ trình độ khoa học kỹ thuật cao, xứng đáng giao thông xanh Khu vực trung tâm thành phố lớn trở lên chật chội, yếu sở hạ tầng giao thông Tuy nhiên việc mở rộng đường khó khăn, mà gần thực Đưa hệ thống giao thơng cơng cộng xuống lịng đất giải pháp lựa chọn nhiều thành phố lớn giới, metro trở thành giải pháp tối ưu cho việc giải toán Hiện nay, thành phố Hồ Chí Minh triển khai thi cơng tuyến đường sắt đô thị số Bên Thành-Suối Tiên Ngầm hóa đoạn tuyến giải pháp tối ưu qua trung tâm thành phố, nơi có điều kiện địa chất yếu, giảm thiểu tác động môi trường tăng tính bên vững cho cơng trình kiến trúc xung quanh…Giải tốn này, địi hỏi phải nghiên cứu kỹ biện pháp thi công kết cấu tầng cho phù hợp với điều kiện cụ thể, nghiên cứu giải pháp thi công để tìm phương án thi cơng phù hợp với điều kiện thực tế yêu cầu cần thiết MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Mục tiêu đề tài nhằm làm rõ phương pháp thi công metro qua đô thị qua vùng địa chất yếu Nhật, Trung Quốc, qua tìm hiểu ứng dụng cho việc thi công tuyến metro thành phố Hồ Chí Minh PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tổ chức thi cơng metro đồng thời với việc lắp đặt kiến trúc tầng trê, hệ thống đường ray cho metro Khơng nghiên cứu thi cơng ga metro nước, cấp nước sinh hoạt, cấp nước cứu hỏa hạng mục cơng trình khác PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý luận kết hợp với thực tế thi cơng metro thành phố Hồ Chí Minh CHƯƠNG GIỚI THIỆU CÁC ĐIỀU KIỆN ĐẶC TRƯNG KHI THI CƠNG METRO NGẦM Ở TP.HỒ CHÍ MINH 1.1 Giới thiệu phân tích yếu tố tác động đến xây dựng cơng trình metro ngầm Đặt vấn đề Phát triển phương tiện cá nhân khơng kiểm sốt cộng với yếu hạ tầng kỹ giao thông gây hậu nghiêm trọng cho nhiệm vụ đáp ứng nhu cầu giao thông đô thị kèm với phát triển bền vững Thay đổi suy nghĩ việc sử dụng phương tiện cá nhân tham gia giao thông chuyển sang sử dụng phương tiện giao thông công cộng yêu cầu tất yếu, giao thông công công bao gồm, xe buýt, xe điện, đường sắt nhẹ, metro ,đang phương án lựa chọn cho toán đảm bảo nhu cầu giao thông Đánh giá hiệu sử dụng phương tiện công cộng, đặc biệt phương tiện vận tải khối lượng lớn ưu tiên số cho giải pháp lựa chọn, metro nghiên cứu triển khai Metro với ưu điểm hệ thống vận chuyển hành khách khối lượng lớn phương tiện tàu điện, rõ ràng chiếm nhiều ưu để ưu tiên phát triển Nó vừa đáp ứng nhu cầu vận tải ngày cao (80.000-100.000khách/chiều/giờ) chiếm dụng diện tích nhỏ đảm bảo mơi trường Đặc biệt phát huy tối đa hiệu với đô thị bị tải thiếu quy hoạch đồng thành phố nước ta Bảng so sánh phương tiện sử dụng Giao thông cá nhân Ưu điểm Bất lợi Thoải mái, Cần khơng gian, Riêng tư, Ơ nhiễm, Độc lập, Tiếng ồn, Tiếp cận đa Tắc đường, dạng, Tai nạn, Nhanh, Chi phí cao, Căng thẳng tham gia Giao thông công cộng Ưu điểm Bất lợi Khả chun chở cao, Chi phí thấp, Nhu cầu khơng gian thấp, Thoải mái tham gia, Độ an toàn cao, Hành trình ngắn,thời gian, tuyến đường Thời gian chờ đợi, Thời gian chung chuyển, Thời gian bộ, Ít riêng tư, Độ linh động thấp Xây dựng metro ngầm thách thức lớn kinh tế, kỹ thuật môi trường không riêng nước ta mà thách thức nước phát triển có mạng lưới metro ngầm Khi xây dựng metro ngầm đô thị nước ta cần quan tâm đến đặc điểm riêng sau đây: 1.1.1 Vị trí địa lý điều kiện địa chất thủy văn Các thành phố nước ta phân bố đồng ven sông, biển có điều kiện địa chất phân bố khơng đồng theo diện tích chiều sâu, phân lớp mỏng, có nhiều lớp chu yếu lớp đất yếu, nước đất phân bố rộng phong phú thường nằm nông so với mặt đất tự nhiên, thành phố có nhiều kênh rạch, sơng ngịi chia cắt… Đây điều kiện bất lợi cho việc thi công tuyến metro ngầm Một tuyến metro ngầm qua nhiều điều kiện đất khác địi hỏi cơng nghệ thi cơng khác tác động khác đến môi trường cơng trình cơng cộng xung quanh Riêng khu vực thành phố Hồ Chí Minh, hình thành từ mạng lưới sơng Đồng Nai Sơng Sài Gịn, khí hậu cận xích đạo nắng gió quanh năm, lượng mưa trung bình hàng năm lớn Địa chất, địa hình khu vực có hai kiểu đất phổ biến gây nhiều khó khăn cho xây dựng metro ngầm, kiểu đất bùn yếu phân bố từ mặt trải xuống sâu tới 30 - 40m đất cấu tạo đất hạt rời bão hòa nước, xốp, đất cát pha, sét pha rời rạc, mực nước ngầm cao, mạng lưới sông ngịi dày đặc… (trích nguồn: Lập Dự án đầu tư tuyến metro số thành phố Hồ Chí Minh, tuyến Bến Thành-Suối Tiên) Hình 1.1: Bình đồ quy hoạch Tuyến đường sắt thị tp.Hồ Chí Minh theo định 101/QĐ-TT ngày 22/1/2007 1.1.2 Kinh tế, xã hội Q trình thị hố Việt Nam phát triển nhanh chóng Theo số liệu điều tra, dân số thành phố chiếm khoảng 30% tổng số dân nước đến năm 2010 không 50-60% Tốc độ tăng trưởng GDP thành phố Hồ Chí Minh giai đoạn 2000-2005 11%/năm Tốc độ tăng trưởng dân số trung bình 3,6% Với tốc độ phát triển gia tăng dân số việc xây dựng cơng trình ngầm nhằm thỏa mãn nhu cầu giao thông đô thị phù hợp với phát triển thành phố nhu cầu thiết Một thành phố đại khơng thể thiếu hệ thống giao thông đại metro 1.1.3 Hướng tuyến Khu vực trung tâm Thành phố hình thành từ lâu đời theo quy hoạch cũ phát triển kế thừa đến sau Trong thời gian dài việc quy hoạch không xem xét cẩn thận, sở hạ tầng cũ không đáp ứng nhu cầu giao thông tạid để lại thiếu định hướng chiến lược lâu dài Sau này, Khi kinh tế phát triển kéo theo q trình thị hóa diễn mạnh mẽ, việc mở rộng đô thị mức quy hoạch không theo kịp nhu cầu phát triển giao thông, dẫn đến quy hoạch tổng thể bị phá vỡ, tốn nhiều cơng sức, tiền bạc chi phí để xử lý khắc phục Việc khó khăn để chọn hướng tuyến khơng có quỹ đất thường cắt qua nhiều khu vực dân cư, với nhiều nhà cao tầng hữu, làm tăng chi phí đền bù giải tỏa, đồng thời khó khăn q trình thi cơng 1.1.4 Tình hình giao thơng Một điều dễ nhận thấy đô thị lớn nước ta mật độ tham gia giao thông nước ta cao, phương tiện sử dụng chủ yếu xe máy phương tiện cá nhân khác Phương tiện giao thông công cộng không quan tâm mức khơng thể đáp ứng nhu cầu Một đặc điểm khác tuyến phố thường nhỏ hẹp nhiều điểm giao cắt đông mức ngoằn ngoèo Bất kỳ cố nhỏ gây ùn tắc giao thơng nghiêm trọng Điều khó khăn cho việc tổ chức công trường khu vực trung tâm thành phố, thi công metro ngầm qua khu vực Bãi tập kết vật liệu, trạm xử lý mặt đất, bãi tập kết máy móc,…Đây tiêu chí quan trọng để lựa chọn phương án thi công loại công cụ thi công 1.1.5 Xét đến ảnh hưởng cơng trình xung quanh ảnh hưởng đến môi trường Khi xem xét, đánh giá phương án thi công cụ thể đó, ngồi việc xem xét tính ưu việt loại máy thi cơng cịn cần phải xem xét đến tất yếu tố tác động xung quanh Với mật độ cơng trình hữu dày đặc, phải đảm bảo lưu thông cho phương tiện, phương án thi cơng tốt mặt giải pháp đòi hỏi nhiều không gian cho khu vực thi công mặt đất phương án thi công khả thi Ngồi ra, trường hợp thi cơng khu vực nội thành, phải đảm bảo vấn đề môi trường như: khói, bụi, tiếng ồn…do phương thức thi cơng cần phải tính tốn đến 105 Hình 3.8: Biện pháp cắt qua nhà ga, khởi đầu trình đào hầm - Quay đầu TBM ga Ba Son Khi thi công đến ga Ba Son, TBM quay đầu để khoan đường hầm phía tây Cơng tác khoan thực giống bắt đầu khoan Bến Thành Hình 3.9 : Máy TBM sử dụng cho đoạn đào ngầm, chi tiết thơng số máy 106 Hình 3.10: Khổ giới hạn xây dựng mặt cắt ngang điển hình đoạn ngầm Hình 3.11 : Mặt cắt ngang đoạn hướng hầm từ Bến Thành-ga Nhà hát thành phố 107 Hình 3.12 : Mặt cắt ngang đoạn hướng hầm từ Bến Thành-ga Nhà hát thành phố Hình 3.13: Mặt cắt ngang đoạn hướng hầm từ ga Nhà hát thành phố- ga Ba son 108 3.2 Thi công đường không đá kiểu tà vẹt rung 3.2.1 Yêu cầu chung Cấu trúc đường ray bao gồm phần đường ray lắp không trải đá cho đoạn ngầm/ cao & nhà ga trừ phần bên nhà ga cuối Suối Tiên (đường ray có trải đá) Đường ray trải đá lắp đoạn đường dẫn vào nhà ga, khu vực nhà ga cuối Suối Tiên & khu depot Đường ray lắp cố định vào bê tông/ kết cấu thép lắp thiết kế sau chọn cho khu depot Bảng chia đoạn cơng trình đường ray: Khu vực Loại hình đường ray Đoạn ngầm (đường hầm) - Đường ray không ballast (Đường ray đệm bê tông tà vẹt chống rung) Đoạn cao (cầu cạn) - Đường ray không ballast Lý trình Điểm đầu Điểm cuối Km2+200 Km2+200 Km18+570 Ga cuối Suối Tiên - Đường ray ballast TK 18+570 Km19+110 Đường ray tiếp cận Đề pô - Đường ray ballast Km19+110 Km19+591.37 Chính tuyến Km0-90m (Đường ray đệm bê tông tà vẹt chống rung) Đề pô Long Bình - Đường ray ballast TK 19+591.37－ Ray UIC 54 kg áp dụng Đường ray không trải đá hàn liên tục trừ đoạn bên nhà ga cuối Suối Tiên & đoạn khớp nối mở rộng ray lắp đặt Đường ray thiết kế nhằm hạn chế tối đa việc bảo dưỡng (theo yêu cầu) hoạt động liên tục 19 đến 20 tiếng/ ngày, ngày tuần & việc sửa chữa bảo trì theo kế hoạch (thông thường thực vào ban đêm) Khổ đường ray 1.435 mm Khoảng cách tim đường ray tối thiểu 3,500 mm & mở rộng cần Khổ đường ray mở rộng 5mm vịng bán kính cong 160 m phần đường ray dẫn vào depot, & phần bán kính cong 150 m 200 m khu depot Đường ray mở rộng 6mm khu vực đường cong có bán kính nhỏ 150m 109 3.2.2 Các yêu cầu chức đường ray Một kết cấu tầng đảm bảo vận hành cho đồn tàu toa với thơng số sau - Vận tốc tối đa: Trong đoạn ngầm: 80 km/giờ và; Đoạn cao: 110 km/giờ; Trong đoạn đường vào Đề pô: 35 km/giờ lên dốc, 25 km/giờ xuống dốc; Trong Đề pô: 25 km/giờ Tải trục bánh xe tối đa: 16 - Các yêu cầu vận hành Cơng trình thiết kế phép đường ray hoạt động tốt tốc độ thiết kế tối đa 80 km/h đoạn ngầm 110km/h đoạn cao Bán kính phương ngang: Tuyến Đường ray tiếp cận Đề pơ: Trong khu Đề pơ: Độ dốc dọc tối đa: Tuyến chính: Đường vào Đề pô: - Tuổi thọ thiết bị lớn 300m lớn 160m lớn 100m 3.5% 4.5% TT Thiết bị Tuổi thọ Đường ray 25 năm Ghi 25 năm Tà vẹt dự ứng lực 40 năm Tà vẹt nhựa 50 năm Hộp chống rung 25 năm Thiết bị kết nối 10 năm - Tiêu chuẩn áp dụng TT Tiêu chuẩn Tiêu chuẩn đường sắt cấp Nhật Bản: MLITT Tiêu chuẩn đường sắt đô thị Châu Á:Strasya EN: 13481-1 Phạm vi áp dụng Tuyến, khổ đường, đường cong, độ rộng đường ray, khoảng cách tim… Tuyến, khổ đường, đường cong, độ rộng đường ray, khoảng cách tim… Hệ thống liên kết ray, phụ kiện kẹp ray 110 TT Tiêu chuẩn Phạm vi áp dụng EN: 13481-2 EN: 13481-7 JIS B 1051 JIS B 1052 JIS E 1201 Tà vẹt dự ứng lực Eurocode Thiết kế kết cấu bê tông 3.2.3 Thi công kết cấu tầng cho Tuyến metro số Để tổ chức phương án thi cơng cho phù hợp việc bố trí, tính tốn bãi tập kết quan trọng Vừa đảm bảo giao thông, vừa đảm bảo sử dụng hết lực máy móc thiết bị Hình 3.14: Sơ đồ công trường bãi tập kết, phân phối vật liệu - Tổ chức thi công cho bê tông đổ lần đầu Việc thi công nên bề tông lần để bố trí thép gia cường, để đảm bảo khơng có chuyển động tương đối sảy tải tạo mặt trường hợp đào hầm TBM Việc thi công lớp bê tông lần quan trọng để tạo không gian bố trí ơng nước dọc hầm, bố trí ống dây điện, cáp thơng tin có - Tổ chức thi công cho bê tông đổ lần Nền Bê tông đúc khuôn dạng bê tông tăng cường khung thép tăng cường với chốt định vị, nhằm mục đích kiểm sốt dịch chuyển tương đối 111 Độ dày tối thiểu Bê tông 150 mm bên hộp chống rung Khuôn đúc sử dụng để đảm bảo Bê tơng đặt xác thành hàng nhau, đặc biệt khu vực hộp/tà vẹt chống rung Các dung sai đổ Bê tông +0 / -10 mm Bố trí khe nước cho bê tơng tránh trường hợp đọng nước hộp chống rung ngập nước đường ray Cường độ bê tông 28 ngày 24MPa - Lắp đặt ray Ray sử dụng cho tuyến ray UIC 54, đoạn cong R≥ 600m sử dụng ray có độ cứng trung bình, 234Brinell Đối với đoạn cong có R