Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 124 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
124
Dung lượng
6,22 MB
Nội dung
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI LÊ VĂN LỘC PHÂN TÍCH CƠNG NGHỆ THI CÔNG HẦM KHOAN TBM THUỘC TUYẾN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ SỐ 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 THƠNG VẬN TẢI LÊ VĂN LỘC PHÂN TÍCH CƠNG NGHỆ THI CÔNG HẦM KHOAN TBM THUỘC TUYẾN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ SỐ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG MÃ SỐ: 60.58.02.05.05 CHUN SÂU: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG ĐÔ THỊ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh TP HỒ CHÍ MINH - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu thân xuất phát từ yêu cầu phát sinh công việc để hình thành hướng nghiên cứu áp dụng, thực hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh Các số liệu luận văn có nguồn gốc rõ ràng, tuân thủ nguyên tắc kết thu thập trình nghiên cứu trung thực, chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày….tháng….năm 2019 Tác giả Lê Văn Lộc ii LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận văn mình, tác giả nhận giúp đỡ nhiệt tình quý báu đồng nghiệp, cá nhân liên quan lĩnh vực nghiên cứu Lời tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo PGS TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh môn Cơng trình giao thơng thành phố Cơng trình thủy Trường Đại học Giao thơng vận tải tận tình hướng dẫn tác giả suốt trình học tập nghiên cứu hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy, cô mơn Cơng trình giao thơng thành phố Cơng trình thủy, Khoa Sau Đại học Trường Đại học Giao thông vận tải sở tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức suốt thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn đồng chí lãnh đạo Ban quản lý đường sắt TP.Hồ Chí Minh, tạo điều kiện thuận lợi cung cấp số liệu, tài liệu giúp tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin cảm ơn động viên, giúp đỡ, góp ý nhiệt tình người thân, bạn bè đồng nghiệp trình thu thập tài liệu để làm luận văn Một lần tác giả xin chân thành cảm ơn! Tác giả iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÀO HẦM TRONG KHU VỰC ĐÔ THỊ 1.1 Đường hầm khu vực thị lợi ích, hiệu kinh tế, khó khăn gặp phải 1.1.1 Lợi ích việc xây dựng cơng trình ngầm 1.1.2 Hiệu kinh tế cơng trình ngầm 1.1.3 Những khó khăn gặp phải xây dựng cơng trình ngầm đô thị 1.2 Sơ lược lịch sử phát triển xây dựng cơng trình hầm cơng trình ngầm 1.3 Các phương pháp thi công hầm 12 1.3.1 Phương pháp mỏ (phương pháp khoan nổ) 12 1.3.2 Phương pháp đào hở (cut and cover) 13 1.3.3 Phương pháp thi cơng hầm dìm 15 1.3.4 Phương pháp khiên 16 Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH BỀ MẶT KHİ SỬ DỤNG TBM 18 2.1 Các quan niệm ảnh hưởng lún thi công hầm khoan 18 2.2 Phân tích ổn định bề mặt hầm 21 iv 2.3 Mô tả yếu tố 12 phương pháp phân tích để xác định áp lực hỗ trợ ổn định bề mặt 25 2.3.1 Phương pháp Horn (1961) 25 2.3.2 Phương pháp Murayama (1966) 26 2.3.3 Phương pháp Broms Bennermark (1967) 26 2.3.4 Phương pháp Atkinson and Potts (1977) 27 2.3.5 Phương pháp Davis Et el (1980) 28 2.3.6 Phương pháp Kruase (1987) 28 2.3.7 Phương pháp Mohkam (1984, 1985, 1989) 29 2.3.8 Phương pháp Leca and Dormieux (1990) 30 2.3.9 Phương pháp Jancsecz Steiner (1994) 30 2.3.10 Phương pháp Anagnostou Kovari (1994 and 1996) 31 2.3.11 Phương pháp Broere (2001) 33 2.3.12 Phương pháp Caquot-Kerisel (1956) tích hợp Carranza-Torres (2004) 37 Chương 3: PHÂN TÍCH CƠNG NGHỆ THI CƠNG HẦM KHOAN TBM TUYẾN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ SỐ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 40 3.1 Giới thiệu chung 40 3.1.1 Khái niệm chung phương pháp TBM 45 3.1.2 Các loại TBM thường dùng thi công môi trường đô thị 49 3.2 Đặc điểm địa chất cơng trình – địa chất thủy văn 61 3.3 Chế tạo vỏ hầm TBM nhà máy 66 3.4 3.3.1 Vật liệu 68 3.3.2 Sơ đồ khối thực 69 3.3.3 Công tác sản suất 69 Thi công hầm khoan 77 3.4.1 Thiết bị máy móc 78 3.4.2 Công tác gia cố đất khu vực phóng đón máy TBM 79 3.4.3 Phóng máy TBM khoan bước đầu 80 v 3.4.4 Khoan TBM thức 82 3.5 So sánh công nghệ thi công hầm khoan máy TBM Hầm đào hở Tuyến đường sắt đô thị số thành phố Hồ Chí Minh 90 Chương 4: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ THİ CÔNG HẦM KHOAN TBM TRONG ĐÔ THỊ 96 4.1 Các nhân tố phải xem xét kĩ thực thi thi công hầm khoan TBM môi trường đô thị 96 4.2 Các đặc điểm xây dựng giao thông đô thị nước ta 103 4.3 Phạm vi áp dụng loại TBM 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 Kết luận 108 Kiến nghị 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ EPB Máy khoan hầm cân áp lực GPMB Giải phóng mặt MAUR Ban quản lý đường sắt thị TP.Hồ Chí Minh NATM New Austrian Tunneling Method TBM Máy khoan hầm vii DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 3.1: Thông số lớp đất 64 Bảng 3.2: Thông số mực nước ngầm 65 Bảng 3.3: Đặc tính thân máy khoan hầm EBP JIM dùng cho tuyến TP.HCM 60 Bảng 3.4: Đặc tính kích dùng cho tuyến TP.Hồ Chí Minh 60 Bảng 3.5: Sơ đồ tổ chức thực 69 Bảng 3.6: Chi tiết thông số vỏ hầm 78 Bảng 3.7: Chi tiết thiết bị cho việc khoan hầm 78 Bảng 3.8: Tính tốn quản lý áp lực khoan 86 Bảng 3.9: Vị trí khóa K 88 Bảng 3.10: Bảng so sánh hai phương pháp đào 92 Bảng 3.11: Bảng so sánh hai phương pháp đào tuyến đường sắt thị số Thành phố Hồ Chí Minh 94 viii DANH MỤC CÁC HÌNH TT Tên hình Trang Hình 1.1: Hầm ngầm qua eo biển Machnche nước Anh Pháp Hình 1.2: Lối vào hầm Thủ Thiêm quận .11 Hình 1.3: Hầm Metro tuyến đường sắt đô thị số TP Hồ Chí Minh 11 Hình 1.4: Thi cơng hầm Hải Vân 13 Hình 1.5: Sơ đồ thi cơng phương pháp đào hở 14 Hình 1.6: Thi cơng đào hở tuyến ĐS thị số TP.HCM 14 Hình 1.7: Thi cơng hầm dìm Thủ Thiêm TP Hồ Chí Minh .16 Hình 1.8: Sơ đồ thi cơng khiên 16 Hình 1.9: Thi cơng khiên tuyến ĐS thị số TP.HCM 17 Hình 2.1: Các yếu tố làm khối lượng bề mặt .21 Hình 2: Các lực phân tích ổn định vi mơ 24 Hình 2.3: Mơ hình ổn định hầm tự phương pháp Horn 25 Hình 2.4: Mơ hình ổn định hầm phương pháp Murayama 26 Hình 2.5: Mơ hình ổn định hầm phương pháp Broms Bennemark 27 Hình 2.6: Mơ hình ổn định hầm phương pháp Atkinson Potts .27 Hình 2.7: Các sơ đồ Davis et al 28 Hình 2.8: Các sơ đồ khơng ổn định giả định cho bề mặt Krause .29 Hình 2.9: Cơ chế phá hủy Mohkam et al 29 Hình 2.10: Mơ hình ổn định bề mặt Leca Dormieux .30 Hình 2.11: Phương pháp Jancsecz Steiner Scheme 31 Hình 12: Mơ hình ổn định bề mặt hầm Anognostou Kovari 32 Hình 2.13: Mơ hình màng thấm (giải pháp cho khiên đào dung dich) 33 Hình 2.14: Định nghĩa ký hiệu cho mơ hình nêm nhiều lớp phương pháp Broere 34 Hình 2.15: Định nghĩa lực tác dụng lên dải đất cột đất hình vòng cung theo lý thuyết Terzaghi 35 Hình 2.16: Các trường hợp điển hình xâm nhập vữa 36 97 đất cơng cộng đường đường phố Tuy nhiên, tịa nhà, đường cơng trình khác qua quy luật khơng thể tránh khỏi Hinh 4.2 Những chướng ngại vật ràng buộc hướng tuyến đô thị Trong trình xây dựng thị vài cơng trình ngầm (tầng hầm nhà cao tầng, đường cống thoát nước ) có cố hư hỏng, sụt lún, nứt gãy… xảy Điều kiện thi công chật hẹp, nhiều cơng trình đường dây, đường ống ngầm có đan xen chằng chịt lịng đất gây nhiều khó khăn cho cơng tác cải tạo, đại tu xây dựng Chỉ đến thi công đào đâu đụng biết… điều gây thiệt hại lớn thời gian, kinh phí ảnh hưởng đến hoạt động đời sống nhân dân Mất niềm tin công chúng vào công nghệ thi công ngầm đô thị thiệt hại -Kịch cho rủi ro Có hai kịch rủi ro việc đào hầm thị hình: +Sụp đổ bề mặt + Hư hỏng biến dạng mặt đất (lún mặt đất) 98 Hinh 4.3 Cơ chế sụp đổ bề mặt khoan TBM đô thị Những sụp đổ do: Các lớp địa chất người tạo chưa cố kết Các điều kiện thay đổi thường xuyên trình thành tạo trầm tích Sự xuất nước ngầm Các điều kiện mặt đất đường hầm đô thị có số đặc điểm chung quan trọng Trong hầu hết trường hợp gần mặt đất nói chung, gặp lớp địa chất trầm tích tương đối yếu Có điều kiện thay đổi thường xuyên diện thấu kính, lớp, đá cuội, v.v khớp mở đá đá vơi chí đá vơi Sự xuất nước nằm phía đường hầm băng qua hồ sơ đường hầm đòi hỏi ý đặc biệt -Điều kiện đất Trong đất, phân bố kích thước hạt yếu tố định chọn công nghệ TBM áp dụng Người ta quen thuộc với sơ đồ hiển thị sơ đồ phạm vi ứng dụng ưa thích gương đào EPB Tính chất đất: Ngồi phân bố kích thước hạt, cường độ cắt vật liệu quy mô lớn quan trọng Trong đất sét, gắn kết khơng nước Cu cát sỏi, gắn kết thoát nước C mối quan tâm Với diện nước ngầm, tính thấm mặt cần xem xét Các câu hỏi là: Hệ số thấm đất thấp hay cao, có không đồng liên quan không phân bố thành tạo riêng lẻ với tính 99 thấm khác khơng Đối với đá ta phải xem xét đến tính khơng liên tục khối đá Sự xuất gọi "bề mặt hỗn hợp": tức diện đồng thời đá đất thường gây khó khăn lớn cho ổn định bề mặt Để hoàn thiện, đề cập đến ảnh hưởng hàm lượng khống chất định mức độ hao mịn dụng cụ chí dẫn đến hư hỏng đầu cắt Cuối cùng, đầu đo áp suất đường hầm yếu tố quan trọng cho ổn định khuôn mặt để giảm tính thấm thành cơng mặt đất phải đề cập Ngồi ra, áp suất khơng khí cần thiết trình bảo trì buồng làm việc phụ thuộc nhiều vào đầu đo áp suất lịng đất Hinh 4.4 Sự khơng đồng lớp đất đá trình thành tạo 100 - Cơng nghệ TBM Hinh 4.5 Mơ hình dịch chuyển khối đất hình nêm Horn chế hỗ trợ bề mặt Có nhiều phương pháp hỗ trợ bề mặt nói chương Bất kỳ nghiên cứu ổn định bề mặt bắt đầu với giả định chế thất bại đơn giản hóa mặt đất trước bề mặt Mơ hình ba chiều Horn gần với thực tế đơn giản để xử lý Nó bao gồm nêm lăng kính trạng thái cân giới hạn Mơ hình phần mở rộng lý thuyết silo Janssens thành ba chiều Độ bền cắt dịch chuyển dọc theo bề mặt phá hủy yếu tố tính tốn thống kê Các dung dịch vữa hỗ trợ bề mặt quan trọng ổn định bề mặt Nếu dung dịch phép xâm nhập vào đất, hiệu ứng hỗ trợ giảm nhanh chóng với khoảng cách ngày tăng Mơ hình nêm / lăng kính hiển thị cho phép giảm lực hỗ trợ tính tốn Đối với tập hợp tham số cho độ xuyên e bùn đạt nửa đường kính đường hầm D, giá trị lực hỗ trợ S giảm xuống khoảng 40% giá trị ban đầu S0 101 Điều kiện thích hợp hệ thống treo giảm áp suất dư thừa ngăn chặn phá vỡ lọc giảm đáng kể xâm nhập bùn vào đất Hinh 4.6 Sự phá hủy bề mặt tính thấm cao bất ngờ Mất bùn đột ngột xảy tính thấm cao bất ngờ mặt đất dẫn đến giảm áp suất dư thừa buồng Hình minh họa ví dụ việc dung dịch vào địa tầng hỗn tạp người tạo Ổn định bề mặt với chắn EPB phụ thuộc vào áp suất hạt hiệu đến áp suất hạt (ứng suất s') giao diện bùn thải mặt đất kiểm soát đầu đo áp suất buồng làm việc Chiều sâu đào hiệu quả: Đối với đường hầm có đường kính 10 m, q cỡ 20 m tham số cường độ cắt chọn (c φ), việc giảm áp suất hỗ trợ hiệu cần thiết s' với kết tăng áp suất đầu h Đối với đầu đo áp suất h= 10 m, áp suất hỗ trợ hiệu s 'sẽ 200 kPa Với h = 30 m tức trường hợp cân thủy lực - thực tế khơng cần áp lực hiệu Các tính tốn thực với hệ số an toàn SF 2.0 Trong thực tế, giá trị thấp áp suất hỗ trợ s 'được ưu tiên thể sơ đồ 102 Hinh 4.7 Tính tốn chiều sâu đào hiệu -Quản lý rủi ro Hinh 4.8 Kiểu điển hình phá hủy mặt đất Mối quan tâm lớn bề mặt đất bị sup xuống Trong trường hợp khiên dung dịch hỗ trợ bề mặt bị sụp đổ, mặt đất sụp đổ lấp đầy khoang làm việc bùn lên để thay Bức ảnh cho thấy miệng núi lửa đầy bùn - may mắn thay điều kiện đô thị Sự sụp đổ 103 xảy với việc áp dụng chắn EPB vơ tình khai thác nhiều vật liệu khối lượng khai đào lý thuyết tương ứng đường hầm Cửa mở tạo (xem hình bên cạnh), chưa lấp đầy, sụp đổ với thời gian dài, dẫn đến hình thành miệng hố mặt đất Một biện pháp xây dựng quan trọng để giảm rủi ro bao gồm hoạt động phun vữa Chúng nhằm mục đích tăng cường độ độ cứng làm giảm tính thấm mặt đất Các hố bơm hóa chất thực sau máy khoan hầm hoàn thành lắp đặt tiến phía trước Nếu EPB khiên chắn bùn phải vượt qua khu vực đô thị hóa dày đặc đoạn đường dài điều kiện địa kỹ thuật khó khăn, việc dừng TBM cho mục đích bảo trì nói chung khơng thể tránh khỏi Trong trường hợp vậy, thuận lợi chuẩn bị địa điểm xác định trước thời gian tốt nhiều trạm Chúng cung cấp điều kiện an tồn khơng có áp suất khơng khí để bảo trì nhanh chóng buồng Những trạm quan trọng để tránh trì hỗn thời gian việc hồn thành đường hầm Trong số thành tạo địa chất chặt, khối đầu mặt vấn đề lớn Các cơng cụ cho đầu bị hư hỏng khuôn mặt bị đào mức dẫn đến ổn định cục Các hoạt động phun vữa để giữ khối vị trí q trình cắt đĩa cắt phải có biện pháp thỏa đáng Trong số trường hợp phải gia cố xung quanh khu vực hầm qua Lựa chọn giải pháp thiết kế với trường phái tiếp cận tính tốn cho vỏ hầm giải pháp giảm thiểu rủi ro 4.2 Các đặc điểm xây dựng giao thông đô thị nước ta Xét mặt kinh tế, xã hội, kỹ thuật, đất mơi trường, cơng trình Giao thơng thị nước ta xây dựng điều kiện sau Các thành phố lớn nước ta phân bố đồng ven sông, biển có điều kiện đất bất đồng theo diện theo chiều sâu, 104 phân lớp mỏng phức tạp nhiều đất yếu, nước đất phong phú phân bố nông Đây coi điều kiện bất lợi cho xây dựng tầu điện ngầm (TĐN) Một tuyến TĐN qua nhiều điều kiện đất khác địi hỏi cơng nghệ thi công khác tác động khác đến mơi trường, nhà cơng trình xung quanh Tuyến TĐN Nam Thăng Long-Thượng Đình cắt qua vùng đất khác đất sét đồng (từ ga C1 đến C4), đa lớp có đất yếu phân bố phức tạp (từ ga C5 đến C14) lớp với đất cát mịn bão hòa nước từ độ sâu 3-5 m trở xuống (từ ga C15, C16) Mặt cắt tuyến Nhổn - Ga Hà Nội, cho thấy đoạn ngầm tuyến nằm trọn đất với đất bùn yếu sâu tới 30 m Tại Tp Hồ Chí Minh, hai kiểu đất phổ biến gây nhiều khó khăn cho xây dựng TĐN Đó kiểu với đất bùn yếu phân bố từ mặt trải xuống sâu tới 30 - 40 m đất cấu tạo đất hạt rời bão hòa nước, xốp Sự cố sập hầm thi cơng kích đẩy hầm nước thải Nhiêu Lộc-Thị Nghè xảy kiểu địa tầng So sánh với Bangkok, phạm vi tới 30 m chiều sâu, điều kiện đất dường thuận lợi Địa tầng bao gồm hai lớp đất: đất bùn yếu dày chừng 10 m lớp đất sét dẻo cứng, cách nước phía dày khoảng 15-20 m Lớp đất sét mơi trường thích hợp để phân bố tuyến ngầm TĐN Quy hoạch không gian mặt đất không gian ngầm nước ta không đồng thường không nghiên cứu mối quan hệ tương hỗ với Chính vậy, khó có khả sử dụng khơng gian ngầm hiệu Các tuyến TĐN lựa chọn hiệu công nghệ chạy tầu, lực vận chuyển phải tránh cơng trình mặt Có thể so sánh mạng lưới TĐN nước phát triển Nga, Anh, Pháp với tuyến thẳng tuyến vành đai với tuyến ngoằn nghèo, gẫy khúc nước châu Á Các đô thị lớn nước ta thường tập trung đông dân cư với đường phố nhỏ hẹp, nhà cơng trình có kết cấu yếu, nhạy lún sử dụng biện 105 pháp thi công rẻ tiền đào mở phải áp dụng biện pháp phức tạp chống ảnh hưởng thi cơng khai thác cơng trình TĐN tới nhà, cơng trình mơi trường lân cận Do vậy, cần thiết công nghệ thi công đại tốn Môi trường địa chất đô thị lớn nước ta vốn yếu nhạy cảm với tác động khơng tự nhiên (động đất, ) mà cịn tác động nhân tạo vốn ngày gia tăng nhu cầu phát triển kinh tế (khai thác tài nguyên lòng đất) Vấn đề cần kể đến trình xây dựng TĐN để đảm bảo phát triển bền vững Ví dụ vấn đề khai thác nước đất Hà Nội T p Hồ Chí Minh Thiết kế TĐN Bangkok yêu cầu kể đến độ lún khai thác nước đất tập trung vòng 120 năm kết mối nối động (co dãn) thích ứng với độ lún lệch tới 100 mm sử dụng vị trí tiếp giáp tường nhà ga với hầm chạy tầu Độ lún dự phòng cho cơng trình TĐN Bangkok 800 mm lún lâu dài Xây dựng TĐN không cần công nghệ cao nhiều lĩnh vực mà nước ta chưa thể làm chủ chúng tương lai gần mà cần nguồn vốn đầu tư lớn, nước ta khó tự trang trải Do cần vốn đầu tư hỗ trợ kỹ thuật từ nước mà nước lại có cơng nghệ riêng Cần định hướng chiến lược phát triển TĐN để thu hút vốn từ nhiều nguồn, nhiều nước tự chủ, thống quản lý vận hành khai thác hiệu cơng trình TĐN khơng bị lệ thuộc vào kỹ thuật nước 4.3 Phạm vi áp dụng loại TBM Sử dụng TBM có hiệu đất cát sỏi (hạt nhỏ trung bình) bão hòa nước điều kiện thành phần hạt có kích thước nhỏ 0,02 mm đất đào không vượt 10% theo trọng lượng Phạm vi sử dụng MS-S thể hình 4.1 thể sơ đồ cơng nghệ việc đào hầm MS-S với cấu đào dạng rô-to 106 Đất hạt lớn Đất hạt nhỏ Phần trăm hạt đường kính