phân tích hiệu quả việc gia cố hố đào sâu đến chuyển vị của tuyến metro lân cận

Với kết quả chuyển vị tường vây của mô hình Plaxis lớn hơn 10% so với quan trắc thực tế, học viên nhận thấy bộ thông số trên là hợp lý trong tính toán phân tích và thiết kế công trình hố

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ THÁI TRUNG

PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ VIỆC GIA CỐ HỐ ĐÀO SÂU ĐẾN CHUYỂN VỊ CỦA TUYẾN METRO LÂN CẬN

ANALYZING THE EFFECTIVENESS OF REINFORCED DEEP EXCAVATION TO THE DISPLACEMENT OF

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 19 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch: PGS.TS LÊ BÁ VINH

2 Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN ANH TUẤN 3 Phản biện 2: TS NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

_ _

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: LÊ THÁI TRUNG

Ngày, tháng, năm sinh: 16/04/1999

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm

MSHV: 2171043 Nơi sinh: TPHCM Mã số: 8580204

Luận văn có những nhiệm vụ sau:

1 Nghiên cứu lựa chọn thông số mô hình hợp lý ở khu vực Quận 1 TPHCM phù hợp với bài toán hố đào

2 Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của việc thi công công trình ảnh hưởng đến tuyến đường hầm lân cận

3 Nghiên cứu, so sánh, đánh giá tính hiệu quả của các phương án gia cố hố đào công trình ảnh hưởng đến tuyến đường hầm lân cận

NỘI DUNG:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về hố đào sâu Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Bài toán phân tích ngược

Chương 4: Gia cố hố đào bằng phương pháp phụt vữa trong đất Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

TS LẠI VĂN QUÍ PGS.TS LÊ BÁ VINH

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG TRƯỞNG KHOA

PGS.TS LÊ ANH TUẤN

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu luận văn, ngoài sự nổ lực của bản thân, không thể không kể đến sự giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện cho học viên của quý thầy cô, gia đình, bạn bè cùng khoá và các anh chị em đồng nghiệp tại công ty

Lời đầu tiên, học viên xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy

TS.Lại Văn Quí, là người đã tận tâm hướng dẫn và giúp đỡ học viên trong suốt quá

trình học tập và thực hiện Luận văn Thầy đã dạy cho học viên những kiến thức bổ ích cả về lý thuyết lẫn cái nhìn trực quan trong quá trình học tập Cao học, đồng thời định hướng cho học viên con đường nghiên cứu khoa học sau này Quá trình thực hiện Đề cương và Luận văn, thầy đã gợi mở ý tưởng cho đề tài, là người trực tiếp hướng dẫn và cho học viên những nhận xét, góp ý quý báu để học viên có thể hoàn thành Luận

Học viên xin chân thành cám ơn quý Thầy Cô trong Bộ môn Địa cơ Nền móng và các thầy cô trong trường đã trực tiếp giảng dạy cho học viên trong thời gian học tập tại trường

Học viên xin gửi lời cám ơn đến gia đình đã luôn chăm sóc, động viên và tạo điều kiện tốt nhất để học viên hoàn thành việc học lẫn Luận văn

Học viên xin gửi lời cám ơn các anh chị và bạn bè cùng học Thạc sĩ đã giúp đỡ học viên, đã cùng nhau ngồi lại bàn luận và chia sẻ kiến thức để học viên có cái nhìn khác trong vấn đề

Học viên xin gửi lời cám ơn đến các anh chị tại Công ty đã tạo động viên, tạo điều kiện cho học viên trong suốt quá trình học tập và thực hiện Luận văn

Xin chân thành cám ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 12 năm 2023

Học viên

tế của dự án Viet Capital Center, học viên sẽ thực hiện bài toán phân tích ngược nhằm tìm ra thông số đất phù hợp cho địa chất ở Quận 1, TPHCM Thông số được khảo sát là module E50ref, được lấy bằng (1000 ÷ 4000)NSPT cho đất cát, và (300 ÷ 500)su cho đất sét Với kết quả chuyển vị tường vây của mô hình Plaxis lớn hơn 10% so với quan trắc thực tế, học viên nhận thấy bộ thông số trên là hợp lý trong tính toán phân tích và thiết kế công trình hố đào sâu cho địa chất ở TPHCM

Từ kết quả bài toán phân tích ngược, học viên sử dụng bộ thông số trên để xét ảnh hưởng của hố đào sâu đến đường hầm lân cận Bằng cách giả định các khoảng cách khác nhau của đường hầm, học viên nhận thấy rằng nếu mép tường vây cách tâm đường hầm với khoảng cách X = 22m, thì chuyển vị giới hạn của đường hầm sẽ không đảm bảo (chuyển vị đường hầm ux = 18mm lớn hơn giới hạn cho phép 15mm) Vì thế việc nghiên cứu phương án gia cường hố đào là thiết yếu

Bằng phương án phụt vữa bên ngoài hố đào, học viên tiến hành mô hình thay đổi các thông số B, L1, L2 và E để xem xét hiệu quả của khối phụt vữa Qua quá trình nghiên cứu, học viên nhận thấy tăng bề rộng khối phụt vữa B cho hiệu quả giảm chuyển vị đường hầm cao nhất Sau đó yếu tố chiều dài khối phụt vữa L2 cũng làm giảm chuyển vị đường hầm nhưng vẫn phụ thuộc vào B Yếu tố L1 cần phải điều chỉnh hợp lý nếu không sẽ gây ra nguy hiểm cho đường hầm Độ cứng E của khối phụt vữa không nên tăng quá cao vì giá trị E quá cao không mang lại nhiều hiệu quả cho việc giảm chuyển vị đường hầm, mà còn gây khó khăn cho thực tế thi công nếu muốn đạt được cường độ như giả định

Như vậy với nghiên cứu này, việc gia cường hố đào bằng phương pháp phụt vữa trong đất mang lại hiệu quả cao trong việc giảm chuyển vị đường hầm lân cận

ABSTRACT

With the current development of HCM City, constructing Metro line to reduce the trafic jam is necessary However, with the appearance of the Metro line, cotrolling the deep excavation displacement become more difficult and complicated Therefore, this thesis conducted a research about a method to reinforce outside of deep excavation with jet grouting grouting to reduce the displacement of the Metro tunnel In this thesis, students will do the reverse analysis problem to find suitable soil parameters for geology in District 1, HCM City The investigated parameter is module E50ref, taken as (1000 ÷ 4000)NSPT for sandy soil, and (300 ÷ 500)su for clayey soil With the diaphragm wall displacement results by Plaxis model being 10% larger than actual observations, students found that the above parameters are reasonable in calculating, analyzing and designing deep excavations for geology in HCM City

From the above results, students use that parameters to consider the impact of deep excavations on adjacent tunnels By assuming different distances of the tunnel, students realize that if the edge of the diaphragm wall is 22m away from the center of the tunnel, the limited displacement of the tunnel will not be guaranteed (tunnel displacement 18mm is exceed allowable value 15mm) Therefore, research for a method to strengthen the excavation is essential

Using the Jet Grouting method outside the excavation, students conduct a model to change parameters B, L1, L2 and E to consider the effectiveness of the grouting area Through the research process, students found that increasing the width of grouting area B give the highest efficiency in reducing tunnel displacement The length of grouting area L2 also reduces tunnel displacement but still depends on B Factor L1 needs to be adjusted properly otherwise it will cause danger to the tunnel The stiffness E of the grouting area should not be increased too high because an E value that is too high does not bring much effectiveness in reducing tunnel displacement, but also makes it difficult for actual construction if one wants to achieve the assumed strength as determined

Thus, in this study, strengthening the excavated hole using the soil grouting method is highly effective in reducing the displacement of the adjacent tunnel

Học viên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỐ ĐÀO SÂU 4

1.1.GIỚI THIỆU CHUNG 4

1.1.1. Hố đào sâu 4

1.1.2. Đặc điểm công trình hố đào sâu 4

1.1.3. Phân loại công trình hố đào sâu 5

1.2.CÁC BIỆN PHÁP THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU 5

1.2.1. Phương pháp đào mở 5

1.2.2. Phương pháp đào mở có giằng chống (Bottom up) 5

1.2.3. Phương pháp neo đất 6

1.2.4. Phương pháp đào theo kiểu ốc đảo 6

1.2.5. Phương pháp thi công Top-down (hoặc Semi Top-down) 6

1.3.CÁC BIỆN PHÁP CHẮN GIỮ HỐ ĐÀO SÂU 7

1.3.1. Tường cọc chống 8

1.3.2. Cừ Larsen 8

1.3.3. Tường cọc 10

1.3.4. Tường vây (tường Barrette) 11

1.4.CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 12

1.4.1. Nghiên cứu về ảnh hưởng của hố đào sâu công trình Viet Capital Center đến hầm Metro 12

1.4.2. Nghiên cứu về biện pháp phụt vữa cao áp để gia cố xung quanh hầm tại tuyến Metro số 1 14

1.4.3. Nghiên cứu trong việc ứng dụng công nghệ khoan phụt vữa áp lực cao (jet - grouting) tại dự án Tuyến tàu điện ngầm số 1 TPHCM 17

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 34

2.2.1. Sơ lược về trụ xi măng đất 39

2.2.2. Phân loại trụ xi măng đất 40

2.2.3. Quy trình thi công trụ xi măng đất 42

2.2.4. Kiểm soát chất lượng cọc xi măng đất 44

2.2.5. Nguyên lý tương tác giữa xi măng và đất 45

2.3.CÔNG NGHỆ PHỤT VỮA ÁP LỰC CAO JET GROUTING 47

2.3.1. Khái niệm về Jet Grouting 47

2.3.2. Phân loại Jet Grouting 47

CHƯƠNG 3: BÀI TOÁN PHÂN TÍCH NGƯỢC 49

3.1.DỰ ÁN VIET CAPITAL CENTER 49

3.1.1. Tổng quan dự án 49

3.1.2. Biện pháp thi công tầng hầm 50

3.4.CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH 59

3.5.PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ NGANG TƯỜNG VÂY 60

4.1.2. Vị trí hầm Metro so với dự án Viet Capital Center 67

4.2.ẢNH HƯỞNG CỦA HỐ ĐÀO SÂU ĐẾN TUYẾN ĐƯỜNG HẦM LÂN CẬN 69

4.3.GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG HỐ ĐÀO 70

4.4.KẾT QUẢ 72

Grouting 82

4.4.5. Yếu tố bề rộng B ảnh hưởng đến chuyển vị đường hầm 89

4.4.6. Yếu tố khoảng cách L1 ảnh hưởng đến chuyển vị đường hầm 91

4.4.7. Yếu tố khoảng cách L2 ảnh hưởng đến chuyển vị đường hầm 93

4.4.8. Yếu tố độ cứng E ảnh hưởng đến chuyển vị đường hầm 95

4.5.KẾT LUẬN 97

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

Hình 1-5 Tường cọc liền kề và tường cọc so le 11

Hình 1-6 Thông số tường chữ T gia cường 13

Hình 1-7 Chuyển vị tuyến Metro tương ứng với các khoảng cách khác nhau với tường vây D1000 13

Hình 1-8 Chuyển vị tuyến Metro tương ứng với các khoảng cách khác nhau với tường chữ T 14

Hình 1-9 Mặt bằng phụt vữa Jet Grouting kẹp bên hông Nhà hát thành phố bên cạnh tuyến Metro 15

Hình 1-10 Mặt bằng vị trí gia cố Jet Grouting bên hông Nhà hát 16

Hình 1-11 Mặt cắt gia cố Jet Grouting bên hông Nhà hát 16

Hình 1-12 Vùng khuyết thể tích và độ lún bề mặt 17

Hình 1-13 Mặt bằng tường vây Jet Grouting bảo vệ Nhà hát Thành phố 18

Hình 1-14 Vị trì quan trắc tường vây Jet Grouting 19

Hình 1-15 Kết quả quan trắc tường vây Jet Grouting 19

Hình 1-16 Mặt cắt địa chất công trình 20

Hình 1-17 Mặt bằng 2 loại trụ đất xi măng gia cố công trình Thượng Hải 21

Hình 1-18 Mặt cắt công trình Khu phức hợp và đường hầm Metro line 1 21

Hình 1-19 Chuyển vị ngang của 2 tuyến đường hầm 22

Hình 1-20 Chuyển vị ngang tường vây giữa quan trắc và tính toán 22

Hình 1-21 Mô hình phần tử hữu hạn 23

Hình 1-22 Các trường hợp tác giá mô hình 24

Hình 1-23 Chuyển vị tối đa của đường hầm ở các trường hợp khác nhau: (a) chuyển vị ngang; (b) chuyển vị đứng 24

Hình 1-29 Đồ thị hiệu quả ηh với bề rộng khối gia cường w của các trường hợp: (a)

h = 1.5Ht; (b) h = 2.0Ht; (c) h = 2.5Ht; (d) h =3.0Ht 29

Hình 1-30 Hệ thống tường chắn đất dự án Alpha City 30

Hình 1-31 Mô hình Plaxis dự án Alpha City 31

Hình 1-32 Mặt cắt tường vây phối hợp tường SP 31

Hình 1-33 So sánh kết quả chuyển vị đứng của mặt đất giữa quan trắc thực tế và mô hình 32

Hình 1-34 So sánh kết quả chuyển vị ngang hệ tường chắn kết hợp giữa quan trắc thực tế và mô hình 32

Hình 2-1 Đồ thị ứng suất – biến dạng của mô hình Mohr – Coulomb 35

Hình 2-2 Lộ trình ứng suất trong mô hình Mohr-Coulomb so với thực tế 36

Hình 2-3 Module E50 từ thí nghiệm nén 3 trục thoát nước 36

Hình 2-4 Module Eoed từ thí nghiệm nén cố kết 37

Hình 2-5 Mô phỏng cách xác định m 39

Hình 2-6 Ứng dụng của cọc xi măng đất trong lĩnh vực địa kỹ thuật 40

Hình 2-7 Sơ đồ thi công trụ xi măng đất bằng phương pháp trộn khô 41

Hình 2-8 Sơ đồ thi công trụ xi măng đất bằng phương pháp trộn ướt 41

Hình 2-9 Các dạng bố trí cọc xi măng đất 42

Hình 2-10 Quy trình thi công trụ xi măng đất theo công nghệ trộn khô 43

Hình 2-11 Quy trình thi công trụ xi măng đất theo công nghệ trộn ướt 44

Hình 2-12 Cơ chế vôi hoá trong đất 45

Hình 2-13 Hiệu quả của quá trình vôi hoá trong đất 46

Hình 2-14 Phân loại các phương pháp phụt vữa Jet Grouting 48

Hình 3-1 Phối cảnh kiến trúc dự án cao ốc phức hợp Viet Capital Center 49

Hình 3-9 Mô hình mặt cắt 3D của địa chất 55

Hình 3-10 Mặt bằng bố trí quan trắc chuyển vị ngang tường vây 57

Hình 3-11 Kết quả quan trắc chuyển vị ngang tường vây theo từng bước thi công 58Hình 3-12 Mặt cắt tính toán mô hình Plaxis 62

Hình 3-13 Trình tự thi công hố đào sâu mô phỏng trong Plaxis 64

Hình 3-14 Kết quả chuyển vị tường vây bài toán phân tích ngược 65

Hình 4-1 Thi công Metro Line 67

Hình 4-2 Khoảng cách từ hầm Metro tới dự án 68

Hình 4-3 Sơ hoạ trường hợp giả định vị trí tuyến đường hầm Metro 69

Hình 4-4 Chuyển vị ngang đường hầm Metro củacác bước đào của các trường hợp giả định 70

Hình 4-5 Sơ hoạ vị trí phụt vữa gia cường hố đào 70

Hình 4-6 Chuyển vị tường vây khi có và không có Jet Grouting khi tunnel cách hố đào 22m 72

Hình 4-7 Mặt cắt A-A xét chuyển vị khối đất 73

Hình 4-8 Chuyển vị khối đất khi có và không có Jet Grouting 74

Hình 4-9 Cung trượt trường hợp B = 8m, L2 = 20m, E = 900 MPa, L1 thay đổi 79

Hình 4-16 Chuyển vị đường hầm tại bước đào cuối cùng khi thay đổi bề rộng B khối gia cố Jet Grouting 89Hình 4-17 Chuyển vị đường hầm tại bước đào cuối cùng khi thay đổi giá trị L1 khối gia cố Jet Grouting 91Hình 4-18 Chuyển vị đường hầm tại bước đào cuối cùng khi thay đổi giá trị L2 khối gia cố Jet Grouting 94Hình 4-19 Chuyển vị đường hầm tại bước đào cuối cùng khi thay đổi giá trị E khối gia cố Jet Grouting 95

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Thông số thi công Jet Grouting bảo vệ công trình Nhà hát Thành phố 18

Bảng 2-1 Thông số mô hình Mohr-Coulomb 35

Bảng 2-2 Thông số mô hình Hardening Soil 38

Bảng 3-1 Trình tự thi công hố đào sâu 53

Bảng 4-4 Thông số vật liệu Jet Grouting 71

Bảng 4-5 Các trường hợp khảo sát Jet Grouting 71

Bảng 4-6 Cung trượt của trường hợp có và không có Jet Grouting 75

tiện vận chuyển Phương án đang được thực thiện với mong muốn giảm thiểu tình trạng ùn tắc giao thông là xây dựng tuyến Đường sắt đô thị Metro

Dự án Tuyến Metro Số 1 (Bến Thành – Suối Tiên) đã và đang xây dựng, dự kiến sẽ hoàn thành trong một thời gian không xa Tuy nhiên nhu cầu xây dựng công trình xung quanh tuyến Metro vẫn diễn ra, và phải đảm bảo được việc xây dựng các công trình lân cận như vậy không gây ảnh hưởng đến kết cấu của tuyến Metro Bởi vì tuyến Metro được thi công theo hình dạng ống tròn xuyên suốt chiều dài, cho nên việc thi công hố đào sâu sẽ làm xáo trộn kết cấu đất, dẫn đến sự thay đổi ứng suất tác động lên tuyến Metro, và sẽ gây ra những hậu quả lớn nếu việc thi công hố đào sâu không được kiểm soát chặt chẽ Có nhiều phương án được đưa ra như gia cố hố đào bằng ringbeam, tường chữ T, cáp neo phụt vữa, cải tạo nền đất quanh hố đào,… Tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu về việc sử dụng công nghệ phụt vữa áp lực cao jet grouting gia cố hố đào

Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, học viên nghiên cứu đề tài: “Phân tích hiệu quả việc gia cố hố đào sâu đến chuyển vị của tuyến Metro lân cận” Trọng tâm của đề tài này hướng đến việc phân tích ứng xử, chuyển vị của nền đất lân vận và tuyến Metro khi thi công hố đào sâu trong trường hợp có và không có kết cấu gia cường gần kề tuyến Metro

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Đánh giá chuyển vị ngang của tường vây theo từng giai đoạn thi công đào đất từ dữ liệu thực tế

Xem xét các trường hợp khác nhau của khoảng cách giữa hố đào và tuyến Metro để dự đoán chuyển vị của tuyến Metro

Đánh giá tính hiệu quả của phương án gia cố hố đào bằng phương pháp phụt vữa trong đất đến sự ảnh hưởng của tuyến đường hầm lân cận

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thu thập các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước trước đây có liên quan đến ảnh hưởng của chuyển vị ngang tường vây đến công trình lân cận., và các tài liều nói về các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây

Thu thập các dữ liệu thực tế về công trình ngầm, bao gồm biện pháp thi công, dữ liệu quan trắc chuyển vị ngang trong tường chắn, độ lún, độ nghiêng của công trình lân cận, mức độ tác động lên công trình lân cận trong quá trình thi công tầng hầm

Thực hiện bài toán phân tích ngược để mô phỏng trạng thái đất, chuyển vị tường vây, độ lún công trình lân cận sao cho gần đúng nhất với giá trị quan trắc thực tế bằng phần mềm Plaxis 2D

Phân tích, để xuất phương án tối ưu với chiề sâu ngàm và độ cứng của tường vây để giảm chi phí xây dựng công trình nhưng vẫn đảm bảo ổn định và an toàn đến tuyến Metro Từ đó đưa ra kết luận và kiến nghị cho các công trình có quy mô và điều kiện địa chất tương tự

Metro

5 PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI

Đi sâu vào phân tích ảnh hưởng của các yếu tố: i) Sự thay đổi khoảng cách của hố đào sâu đến công trình Metro Line; ii) Sự thay đổi độ cứng của tường vây (thay đổi cấu trúc khối gia cố bên ngoài tường vây) để xét đến chuyển vị của tường vây ảnh hưởng đến tuyến Metro trong điều kiện địa chất cụ thể tại khu vực TP.HCM

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỐ ĐÀO SÂU

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Hố đào sâu

Thời đại hiện nay diện tích đất ngày càng chật hẹp, không đủ không gian cho con người sinh sống, từ đó con người phải chuyển sang sinh sống trên không hoặc dưới đất càng nhiều Từ đó các tầng hầm với công dụng tận dụng tối đa không gian dưới mặt đất ra đời, và hố đào sâu là một biện pháp điển hình để thi công tầng hầm trong điều kiện không có không gian như hiện nay

Hố đào sâu rất đa dạng về kích thước, hình dạng, độ sâu… tuỳ thuộc vào đặc tính của từng công trình Và cũng tuỳ vào công năng của tầng hầm như bãi giữ xe, trung tâm thương mại ngầm, tuyến đường sắt ngầm, các dự án đập thuỷ lợi, để chắn nước, các bể nước ngầm… mà biện pháp thi công của hố đào sâu cũng phát triển đa dạng khác nhau

Ở Việt Nam có rất nhiều công trình hầm đã được thi công như: dự án Viet Capital Center (TP.HCM) với 6 tầng hầm sâu đến 22m; dự án The Spirit SaiGon toạ lạc tại Quận 1 bao gồm 6 tầng hầm với chiều sâu hơn 20m; dự án Căn hộ Madison với 3 tầng hầm sâu 20m; dự án SaiGon Center Quận 1 cũng có 6 tầng hầm với chiều sâu đào lớn nhất là 28m, cũng là dự án có chiều sâu đào sâu nhất Việt Nam tính tới thời điểm hiện tại

1.1.2 Đặc điểm công trình hố đào sâu

Hố đào sâu là một trong những loại công trình đặc biệt của ngành xây dựng và có các đặc điểm cơ bản như sau:

- Công trình là các kiến thức kết hợp của nhiều ngành khoa học liên quan đến xây dựng như Địa kỹ thuật, Vật liệu, Kết cấu, Biện pháp thi công và các ngành khoa học khác

- Đặc tính cơ bản của địa chất là sự biến đổi rộng, tiềm ẩn nhiều khả năng rủi ro phức tạp, tính không đồng đều của địa chất ảnh hưởng rất lớn đến các số liệu khảo

Hố đào sâu thường không có ranh giới rõ ràng, và nó tuỳ thuộc vào địa chất Với những địa chất yếu, hố đào nông hơn 3m cũng có thể coi như là hố đào sâu Có những nơi có địa chất tốt thì hố đào lớn hơn 4.5m mới được coi là hố đào sâu

1.2 CÁC BIỆN PHÁP THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU 1.2.1 Phương pháp đào mở

Phương pháp đào mở không dùng tường chắn hoặc thanh giằng Thay vào đó, công trường thi công được hình thành bằng cách đào mái dốc Do không có tường chắn cản trở việc đào đất, giá thành phương pháp này khá rẻ nếu như chiều sâu đào không quá sâu Mái dốc càng dốc thì khối lượng đào đất càng ít, giá thành sẽ rẻ hơn Tuy nhiên, nếu mái dốc thoải, lượng đất cần đào rất lớn và cần một lượng lớn đất để đắp sau khi thi công, dẫn tới giá tiền sẽ tăng cao

1.2.2 Phương pháp đào mở có giằng chống (Bottom up)

Phương pháp Bottom up là phương pháp thịnh hành nhất hiện nay Bằng cách lắp đặt các hệ giằng ngang bên trong tường chắn để chống lại áp lực đất tác dụng lên lưng tường, giữ cho tường chắn đứng vững để tiếp tục đào xuống các độ sâu tiếp theo Hệ giằng ngang là một hệ thống các thanh thép hình với những kích thước khác nhau, bao gồm các thanh chống (struts), thanh giằng (braces), thanh biên (waler) và thanh góc (corner) Chức năng chính của hệ giằng chống là thanh biên sẽ truyền lực vào hệ thống thanh chống ở giữa Các thanh góc và thanh giằng có chức năng làm giảm chiều

dài tính toán của thanh chống và thanh biên Ngoài ra còn có cấu kiện Kingpost vừa làm giảm chiều dài tính toán các thanh chống, vừa đỡ trọng lượng bản thân của các thanh thép

1.2.3 Phương pháp neo đất

Phương pháp Bottom up được đề cập ở trên sử dụng các thanh giằng theo phương ngang để chống đỡ áp lực đất Còn phương pháp neo đất sử dụng các thanh cáp neo ứng suất trước thay thế cho thanh giằng để chống lại áp lực đất Phương pháp này chỉ dựa vào cường độ của đất để cung cấp lực cho cáp neo Cường độ của đất càng lớn, lực của dây neo càng lớn và ngược lại Đất rời (như đất cát và sỏi) có cường độ cao nên lực căng cáp cũng lớn, trong khi đó đất sét có cường độ thấp sẽ làm giảm lực căng cáp Vì vậy phương pháp dùng neo đất nên hạn chế sử dụng trong đất sét

Phương pháp này sẽ giúp cho hố đào không bị choáng chỗ bởi các thanh giằng, không gian rộng rãi để thi công dễ dàng hơn

1.2.4 Phương pháp đào theo kiểu ốc đảo

Phương pháp này vẫn sử dụng tường chắn đất để đỡ đất xung quanh hố đào Đầu tiên đào đất ở vùng trung tâm và thi công kết cấu ở khu vực đó, trong khi đó phần đất khu vực biên hố đào được giữ lại với mái taluy đủ để đỡ tường chắn Tiếp theo lắp hệ shoring từ hệ tường chắn đất vào phần kết cấu đã thi công và đào đất toàn bộ phần còn lại Cuối cùng thi công như phương pháp bottom up

Ưu điểm nổi bật nhất của phương pháp ốc đảo là giảm thời gian thi công So sánh với phương pháp bottom up, nó đòi hỏi ít thanh chống hơn và giảm giá thành thi công, thuê và tháo dỡ thanh chống

1.2.5 Phương pháp thi công Top-down (hoặc Semi Top-down)

Dựa trên biện pháp Bottom up, phần đào đất được thực hiện tới độ sâu thiết kế, rồi sau đó thi công kết cấu từ dưới lên, hệ văng chống được tháo dỡ theo từng sàn

Sàn tầng hầm trong phương pháp Top-down nặng hơn hệ văng chống dùng trong các biện pháp đào thông thường Bên cạnh đó, kết cấu thân trên được thi công ngay trong quá trình đào đất, gây thêm nhiều tải trọng cho cột Để chống đỡ trọng lượng này kỹ sư thiết kế thường sử dụng hệ Kingpost cắm trong các cọc khoan nhồi để chịu lực cho toàn bộ hệ kết cấu thân trên và các sàn hầm trong quá trình đào đất

Biện pháp Semi Top-down cũng là một mảng gần giống với Top-down Điểm khác biệt là biện pháp thi công Top-down sẽ thi công phần thân trên song song với việc đào đất thi công phần thân dưới, còn biện pháp Semi Top-down sẽ thi công phần thân trên ngay sau khi phần ngầm hoàn thành (hệ chống ngang đỡ tường chắn của biện pháp Semi Top-down vẫn là các sàn tầng hầm)

Ưu điểm của phương pháp Top-down là tiến độ thi công được rút ngắn đáng kể Việc hoàn thành sàn hầm đầu tiên sẽ tạo điều kiện thuận lợi để bố trí mặt bằng thi công đối với các công trình có diện tích thi công chật hẹp Hệ số an toàn cũng cao hơn do hệ kết cấu sàn tầng hầm cứng hơn hệ văng chống bằng thép

Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là chi phí cao hơn do hệ cột Kingpost chống đỡ toàn bộ trọng lượng phía trên cùng các tải trọng thi công khác Và việc thực hiện biện pháp Top-down cần đội ngũ kỹ sư có tay nghề cao vì tính chất phức tạp và nguy hiểm hơn các phương pháp khác

1.3 CÁC BIỆN PHÁP CHẮN GIỮ HỐ ĐÀO SÂU

Hiện nay có rất nhiều loại tường chắn được sử dụng rộng rãi trên cả nước lẫn ngoài nước Mỗi loại tường chắn sẽ có tính phù hợp riêng đối với từng công trình

1.3.1 Tường cọc chống

Loại thép của tường cọc chống là thép H (hoặc thép W), thép I (hoặc thép S) Những tấm panel (có thể là gỗ, thép hoặc bê tông đúc sẵn) được chèn giữa những bản cánh của thép làm tường cọc chống

Hình 1-1 Cấu tạo tường cọc chống

1.3.2 Cừ Larsen

Cừ Larsen là loại tường chắn đất phổ biến nhất hiện nạy, nó có thể được đóng vô đất bằng công nghệ búa rung hoặc robot tĩnh, và mỗi tấm cừ sẽ được liên kết trực tiếp với tấm cừ khác Cừ Larsen cũng có tác dụng rất lớn trong việc chống sụt lún cho các công trình Cừ Larsen có rất nhiều hình dạng khác nhau để đáp ứng được nhu cầu phải khít nhau ở mọi góc cạnh để cô lập tuyệt đối khu vực đào đất nhằm mục đích chắn nước và chắn đất Các hình dáng phổ biến là cừ Larsen chữ U, chữ Z, dạng mũ, thanh thẳng…

Hình 1-2 Cừ Larsen

Hình 1-3 Các loại cừ Larsen khác nhau

Nếu các mối liên kết được kiểm soát tốt, cừ Larsen có thể chống nước, không cho nước từ bên ngoài vào Đối với đất sét, với hệ số thấm thấp, cừ Larsen không cần thiết phải kiểm soát mối nối quá kỹ để chống thấm Tuy nhiên đối với đất cát, hệ số thấm cao, nếu không kiểm soát kỹ mối nối có thể bị rò rỉ nước vào trong hố đào

Cừ Larsen có rất nhiều ưu điểm như khả năng chịu ứng suất khá cao (cả trong quá trình thi công lẫn quá trình sử dụng) Trọng lượng tương đối nhỏ (so với các biện

pháp chắn đất khác) Cừ Larsen có thể nối với nhau bằng mối nối hàn hoặc bulông để gia tăng chiều dài Có thể tái sử dụng nhiều lần nên rất hiệu quả về mặt kinh tế

Tuy nhiên thi công đóng cừ Larsen gây tiếng ồn và ảnh hưởng đến các công trình xung quanh (trong trường hợp dùng phương pháp ép rung hoặc đóng), còn nếu dùng robot ép tĩnh thì chi phí lại cao Cừ Larsen rất khó ép vào đất cứng Cừ Larsen là thép nên có tính ăn mòn rất cao, cần phải xem xét sử dụng khi thi công các khu vực gần biển Cừ Larsen là loại cừ có khả năng chống uốn nhỏ nhất khi so sánh với các loại tường chắn đất khác như tường vây, tường cọc

Hình 1-4 Máy ép tĩnh cừ Larsen

1.3.3 Tường cọc

Tường cọc là phương pháp thi công hàng cọc bê tông cốt thép hoặc trụ đất trộn xin măng như là tường chắn đất Tường cọc có thể là là biện pháp thi công tại chỗ hoặc sử dụng cọc đúc sẵn Có thể thi công cọc bê tông cốt thép liền kề hoặc so le

Hình 1-5 Tường cọc liền kề và tường cọc so le

Trụ đất trộn xi măng là phương pháp tạo cọc tại công trường Phương pháp này sẽ phun vữa xi măng hoặc phun bột xi măng khô vào đất và trộn đều với đất Hiện nay có 2 công nghệ được áp dụng phổ biến tại Việtt Nam là công nghệ trộn ướt và trộn khô Trụ đất trộn xi măng khi được thi công thành một (hoặc nhiều hàng) nối liền nhau sẽ tạo thành tường chắn phục vụ cho công trình hố đào sâu

Trụ xi măng đất được áp dụng đa số trong các công trình ngầm, gia cố nền đất yếu, thi công móng, áp dụng cho các công trình giao thông, thuỷ lợi hoặc công nghiệp Sử dụng trụ xi măng đất cho hố đào sâu sẽ tạo ra không gian rộng rãi cho việc thi công vì trụ xi măng đất không cần hệ chống ngang Thi công trụ xi măng đất không gây ra tiếng ồn quá lớn vì vậy sẽ không ảnh hưởng đến khu vực xung quanh Tuy nhiên nếu trụ xi măng đất quá sâu thì sẽ cần tới thiết bị hạng nặng, cồng kềnh

1.3.4 Tường vây (tường Barrette)

Lần đầu được phát triển ở Ý vào những năm 1950, hiện tại tường vây đã được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới Tường vây là loại tường thi công tại chỗ, độ dày thường được sử dụng từ 0.8 – 1m, được dùng để giữ ổn định hố đào trong quá trình thi công phần ngầm Tường vây được chia thành các panel, mỗi panel có chiều dài thay đổi tuỳ vào thiết kế (thường thấy panel dài từ 1-2m) Từng tấm panel được liên

kết bằng gioăng cao su để chống thấm các điểm nối Các tấm panel sẽ làm việc cùng nhau thông qua dầm đỉnh tường Thông thường độ dài tường vây là 20-40m, tuỳ thuộc vào điều kiện địa chất và biện pháp thi công tầng hầm

Tường vây có độ cứng rất lớn nên chuyển vị ít và khả năng chịu lực cao Thi công tường vây ít gây ra tiếng ồn vì đây là cấu kiện thi công tại chỗ Khả năng ngăn nước tốt nhờ gioăng cao su giữa các tấm panel Tường vây tạo thành 1 lớp tường bên ngoài tầng hầm giúp tăng tính ổn định

Tuy nhiên tường vây sẽ tồn tại dưới lòng đất trong suốt quá trình thi công, nên các khuyết tật có thể xảy ra Việc thi công bị ảnh hưởng khá nhiều tuỳ thuộc vào thời tiết như những lúc mưa bão Thời gian thi công khá lâu, và yêu cầu kỹ sư phải có tay nghề cao để đảm bảo kiểm soát chất lượng thi công tường vây Vì vậy giá thành tường vây thường cao hơn các biện pháp chắn đất khác

1.4 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC

1.4.1 Nghiên cứu về ảnh hưởng của hố đào sâu công trình Viet Capital Center đến hầm Metro

Tác giả Lê Trần Anh Toàn đã tiến hành phân tích dự án đã được thi công xong, chính là dự án Viet Capital Center [1] Với kết quả quan trắc tường vây thực tế, tác giả đã thực hiện bài toán phân tích ngược và khảo sát chuyển vị ngang của tuyến Metro số 1 ứng với các trường hợp khoảng cách từ tuyến Metro đến công trình hố đào sâu là khác nhau Kết quả cho thấy khoảng cách công trình hố đào sâu càng gần Metro sẽ làm ảnh hưởng đến tuyến Metro rõ rệt

Tác giả nhận định rằng việc nghiên cứu phương án gia cường tường vây để giảm chuyển vị đường hầm cho các dự án trong tương lai là thực sự cần thiết Biện pháp thay đổi tường vây thành tường chữ T (Buttress wall) được tác giả lựa chọn để khảo sát Và kết quả cho thấy rằng khi áp dụng tường chữ T, với độ cứng chống uốn EI tăng lên gần 40 lần so với tường vây cũ thì độ sâu đào tối đa cho phép tăng từ 1.5 – 2 lần

Hình 1-6 Thông số tường chữ T gia cường

Hình 1-7 Chuyển vị tuyến Metro tương ứng với các khoảng cách khác nhau với tường vây D1000

Hình 1-8 Chuyển vị tuyến Metro tương ứng với các khoảng cách khác nhau với tường chữ T

1.4.2 Nghiên cứu về biện pháp phụt vữa cao áp để gia cố xung quanh hầm tại tuyến Metro số 1

Tuyến Metro số 1 với tổng chiều dài toàn tuyến khoảng 19.7 km, gồm 14 nhà ga (11 nhà ga trên cao và 3 nhà ga ngầm): đoạn trên cao dài 17.1 km, và đoạn ngầm dài 2.6 km

Ga Nhà hát Thành phố có chiều dài 190m, rộng 26m bao gồm 4 tầng với chiều sâu 40m, thi công theo phương pháp Top-down Nhà hát Thành phố là công trình kiến trúc cổ, có lịch sử quan trọng của thành phố, nhưng lại nằm trong phạm vi tuyến Metro Chính vì vậy việc gia cường đất để bảo vệ Nhà hát trong quá trình thi công đường hầm là cực kì quan trọng

Hình 1-9 Mặt bằng phụt vữa Jet Grouting kẹp bên hông Nhà hát thành phố bên cạnh tuyến Metro

Việc phụt vữa vào đất với mục tiêu tăng cường độ cứng của đất để giảm lún bề mặt và giảm chuyển vị ngang khi thi công tuyến ngầm Metro Để khảo sát hiệu quả gia cường Jet Grouting đến chuyển vị Nhà hát, tác giả lựa chọn thay đổi các giá trị module E như sau: E = 120, 140, 160, 180 và 200 MPa

Hình 1-10 Mặt bằng vị trí gia cố Jet Grouting bên hông Nhà hát

Hình 1-11 Mặt cắt gia cố Jet Grouting bên hông Nhà hát

Luận văn này [2] chỉ tập trung vào quy trình ngắn hạn, xảy ra trong quá trình thi công đường hầm Một thông số quan trọng trong chuyển vị đất gây ra bởi phương pháp đào hầm TBM là vùng khuyết thể tích VL được tính trên 1 đơn vị chiều dài đoạn đào

NHÀ HÁT THÀNH PHỐ

NHÀ HÁT THÀNH PHỐ

Hình 1-12 Vùng khuyết thể tích và độ lún bề mặt

Tác giả Ngô Thanh Huy đã chỉ ra rằng với E = 180 MPa, VL = 1%, chiều dày của tường phụt vữa d = 2.7m là tối ưu nhất cho thiết kế Độ lún bề mặt giảm 17.52% khi E tăng từ 120 lên 200 MPa Trong phạm vi nghiên cứu thì tác giả cho rằng với VL = 1%, chiều dày tường từ 2.7 ÷ 3.0m, module E Jet Grouting từ 180 ÷ 200 MPa được xem là tối ưu để đảm bảo yêu cầu về độ lún bề mặt cho phép và bảo vệ công trình Nhà hát Thành phố trong quá trình thi công

1.4.3 Nghiên cứu trong việc ứng dụng công nghệ khoan phụt vữa áp lực cao (jet - grouting) tại dự án Tuyến tàu điện ngầm số 1 TPHCM

Dựa trên bài báo của Vũ Minh Ngạn, Nguyễn Chí Đạt, Nguyễn Văn Luyến [3], khảo sát thực tế thi công phụt vữa Jet Grouting làm tường chắn để bảo vệ cho công trình Nhà hát Thành phố đã cho thấy hiệu quả rõ rệt Cụ thể cọc Jet Grouting có đường kính từ 1.4m, 3.0m và 3.5m, sử dụng xi măng PCB40, tỉ lệ nước / xi măng = N / X = 750 lít / 760 kg Bảng 1-1 thể hiện các thông số kiểm soát trong quá trình thi công cọc Jet Grouting

Bảng 1-1 Thông số thi công Jet Grouting bảo vệ công trình Nhà hát Thành phố

Hình 1-13 Mặt bằng tường vây Jet Grouting bảo vệ Nhà hát Thành phố

Thực tế thí nghiệm cho ra kết quả cường độ chịu nén của mẫu cọc Jet Grouting đường kính 3.5m sau 7 ngày là qu = 3.0 MPa, và module E = 870.0 MPa, sau 14 ngày là qu = 2.45 MPa, E = 1,785.0 MPa Như vậy giả thiết module E cho cọc Jet Grouting của tác giả Ngô Thanh Huy (mục 1.4.2) là hoàn toàn có thể thực hiện được

Hình 1-14 Vị trì quan trắc tường vây Jet Grouting

Hình 1-15 Kết quả quan trắc tường vây Jet Grouting

Kết quả cho thấy phương án gia cường đất bằng Jet Grouting cho hiệu quả rõ rệt Theo phương A, chuyển vị tường vây không đáng kể với chuyển vị lớn nhất đạt 15mm tại khu vực không gia cố, tương tự phương B là 4mm Tại khu vực gia cường Jet Grouting, chuyển vị chỉ khoảng 1-2mm

1.5 CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC

1.5.1 Nghiên cứu của tuyến đường hầm Shanghai Metro line 1 ở Thượng Hải

Shanghai Metro line 1 toạ lạc tại trung tâm thành phố Thượng Hải, khu vực dày đặc mạng lưới nhà cửa, đường xá, hạ tầng… Tuyến Metro line 1 của Thượng Hải có 16 trạm, tổng cộng dài 21,615.0 km, bao gồm 18,620.0 km đường hầm dưới lòng đất và 2,995.0 km trên đất liền

Địa chất ở Thượng Hải phần lớp là đất yếu gồm phù sa Đệ Tứ và trầm tích biển, vì vậy công tác khảo sát địa chất rất quan trọng Đã có tổng tộng 936 hố khoan địa chất được khảo sát, với độ sâu 50m, 100m và 170m

Hình 1-16 Mặt cắt địa chất công trình

Công trình đào hầm [4] là Khu phức hợp Thành phố Thương mại Thế giới mới Thượng Hải (Shanghai New World Commercial City Complex) Công trình có độ sâu đào tối đa 12.5m, được tiến hành trong đất yếu bão hoà nước với độ dẻo rất cao Tường vây thiết kế dày 0.8m, với 3 tầng chống như Hình 1-18 Tuyến đường hầm Metro chạy ngang qua công trình

Có 2 vùng gia cố cọc xi măng đất khác nhau: (1) vùng bên trong hố đào gia cố dưới đáy hố đào bằng cọc đơn có đường kính 0.7m, bố trí lưới tam giác với khoảng cách 1.5m, cọc dài 18m, tỉ số diện tích thay thế của Jet Grouting vào khoảng 0.15 ÷ 0.18; (2) vùng đất yếu xung quanh đường hầm Metro được gia cường bằng cọc đôi, bố trí lưới hình chữ nhật, với các khoảng cách theo 2 phương lần lượt là 1.8 hoặc 2.8m, và 1.3m như Hình 1-17 Cọc đôi chồng lên nhau 0.2m, mỗi cọc đơn của bộ cọc đôi cũng có đường kính 0.7m Tỉ số diện tích thay thế đạt 0.78 Hàng cọc đôi này

Hình 1-17 Mặt bằng 2 loại trụ đất xi măng gia cố công trình Thượng Hải

Hình 1-18 Mặt cắt công trình Khu phức hợp và đường hầm Metro line 1

Sức chống cắt yêu cầu của trụ đất trộn xi măng là φ = 300 và c = 250 kPa

Việc gia cường cọc xi măng đất này đã giảm chuyển ngang của tường vây từ 28.5mm xuống 14.2mm, và giảm chuyển vị đứng của đất từ 23.1mm xuống 7.0mm Tương tự, độ lún và chuyển vị ngang của đường hầm Metrol line 1 lần lượt là 5.0mm và 9.0mm Việc giảm chuyển vị này đã cho thấy hiệu quả của Jet Grouting trong việc bảo vệ công trình và đường hầm

Hình 1-19 Chuyển vị ngang của 2 tuyến đường hầm

Hình 1-20 Chuyển vị ngang tường vây giữa quan trắc và tính toán

Hình 1-21 Mô hình phần tử hữu hạn

Chiều sâu đào He = 18m được cố định Theo “CCES 03-2016: Guideline for Safety Assessment and Control Technology of Adjacent Structures Impacted by Deep Excavation and Tunneling in Soft Soils of Urban Area” đưa ra 3 mức độ tiêu chuẩn để kiểm soát chuyển vị tường vây trong đất yếu: 0.18%He, 0.3%He và 0.7%He Tác giả lựa chọn giá trị δhm = 0.18%He Vị trí đường hầm sẽ là tham số khảo sát theo 2 phương: đối với phương ngang, khoảng cách từ tâm đường hầm ở các trường hợp khác nhau sẽ cách nhau 3m khi Lt ≤ He, và cách nhau 6m khi Lt > He, giá trị tối đa là Lt = 3He; đối với phương đứng, khoảng cách từ tâm các đường hầm cũng cách nhau 3m khi Ht ≤ He và cách nhau 6m khi Ht > He, giá trị tối đa là Ht = 3He