BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN THẠCH BÍCH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG TỔ HỢP KHOAN ĐÀO HẦM TBM ĐẾN LÚN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH T
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
NGUYỄN THẠCH BÍCH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG TỔ HỢP KHOAN ĐÀO HẦM (TBM) ĐẾN LÚN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN BỀ MẶT TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Hà Nội - 2022
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
NGUYỄN THẠCH BÍCH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG TỔ HỢP KHOAN ĐÀO HẦM (TBM) ĐẾN LÚN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN BỀ MẶT TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Mã số: 9580205
LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1: PGS.TS Nguyễn Phương Duy 2: GS.TS Trần Đức Nhiệm
Hà Nội - 2022
Trang 3lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận án này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được
thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Phương Duy,
và GS.TS Trần Đức Nhiệm Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày
trong luận án này trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này đã được cảm ơn và các thông
tin trích dẫn trong luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình
Hà Nội, Ngày tháng năm 2022
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Thạch Bích
Trang 4lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Phương Duy, GS.TS Trần Đức Nhiệm đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện
và động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án
Tác giả chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô bộ môn Cầu Hầm, Khoa Công Trình, Khoa Đào tạo Sau đại học trường Đại học Giao thông vận tải đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ và hướng dẫn trong suốt thời gian tác giả nghiên cứu tại Bộ môn và Khoa
Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể các thầy cô, các nhà khoa học đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu và có giá trị cho nội dung đề tài luận án
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn các bạn bè, đồng nghiệp tận tình giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình tác giả học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thành viên gia đình đã thông cảm tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu
và hoàn thành luận án
Trong khuôn khổ một luận án Tiến sĩ khoa học kỹ thuật, chắc chắn chưa đáp ứng được một cách đầy đủ những vấn đề đã nêu ra Tôi xin chân thành cảm ơn và tiếp thu nghiêm túc những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp
Hà Nội, ngày tháng năm 2022
Tác giả
Nguyễn Thạch Bích
Trang 5lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU vii
DANH MỤC HÌNH VẼ ix
PHẦN MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 7
1.1 TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM METRO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 7
1.1.1 Tình hình xây dựng Metro trên thế giới 7
1.1.2 Tình hình xây dựng Metro tại Việt Nam 11
1.2 THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM METRO BẰNG CÔNG NGHỆ TBM VÀ CÁC VẤN ĐỀ PHÁT SINH 13
1.2.1 Sự ra đời và phát triển công nghệ TBM 13
1.2.2 Phân loại TBM 16
1.2.3 Các vấn đề phát sinh trong quá trình thi công hầm Metro bằng TBM 18
1.3 CÁC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC THI CÔNG HẦM METRO ĐẾN CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN MẶT ĐẤT 23
1.3.1 Những tác động của việc xây dựng đường hầm và Metro đến công trình trên mặt đất 23
1.3.2 Phân loại hư hỏng của các công trình lân cận do lún bề mặt 25
1.3.3 Quan trắc chuyển dịch nền móng nhà cao tầng trong giai đoạn thi công móng và tầng hầm 26
1.3.4 Phân tích đánh giá kết quả quan trắc chuyển dịch nền móng và tầng hầm nhà cao tầng 26
1.3.5 Các công trình nghiên cứu trong nước về biến dạng, lún các công trình đô thị xung quanh khu vực thi công Metro 27
1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 28
Trang 6lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT DỰ TÍNH LÚN MẶT ĐẤT KHI THI
CÔNG ỐNG HẦM TRÒN 29
2.1 PHÂN TÍCH VÀ DỰ BÁO LÚN MẶT ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT 29
2.1.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết của Sagaseta (1987), Verruijt và Booker (1996), Gonzalez và Sagaseta (2001) 29
2.1.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết của Lee et al (1987), Rowe và Lee (1992) 30
2.1.3 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết của Loganathan và Poulos (1998) 31
2.2 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ LÚN THEO PHƯƠNG PHÁP KINH NGHIỆM VÀ BÁN KINH NGHIỆM 33
2.2.1.Phương pháp nghiên cứu kinh nghiêm Macklin và Field (1999): 33
2.2.2.Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm sử dụng hệ số ổn định: 33
2.2.3.Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm của Schmidt-Peck (1969) 35
2.2.4 Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm của Chow (1994) 39
2.2.5 Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm của Mair và Taylor (1993) 40
CHƯƠNG 3 QUAN TRẮC - SO SÁNH KẾT QUẢ QUAN TRẮC LÚN BỀ MẶT DỌC ĐOẠN TUYẾN NGẦM DỰ ÁN XÂY DỰNG TUYẾN METRO SỐ 1 BẾN THÀNH – SUỐI TIÊN VỚI KẾT QỦA TÍNH TOÁN THEO LÝ THUYẾT 48
3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN VÀ ĐOẠN TUYẾN METRO ĐI NGẦM 48
3.2 QUÁ TRÌNH THI CÔNG TUYẾN NGẦM VÀ CÔNG TÁC QUAN TRẮC LÚN BỀ MẶT VÀ BIẾN DẠNG CÁC CÔNG TRÌNH ĐÔ THỊ TRÊN BỀ MẶT 50
3.2.1 Tầm quan trọng của công tác quan trắc 50
3.2.2 Mục đích, nội dung của công tác quan trắc 51
3.2.3 Nguyên tắc thiết kế hệ thống quan trắc 53
3.2.4 Các nội dung quan trắc 54
3.3 QUAN TRẮC VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ QUAN TRẮC 57
Trang 7lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT
3.3.1 Sơ đồ bố trí các điểm quan trắc lún dọc tuyến Metro ngầm thi công theo TBM 57 3.3.2 Kết quả quan trắc lún 57 3.3.3 Nhận xét 60
3.4 PHÂN TÍCH LÚN MẶT ĐẤT THEO CÁC CÔNG THỨC LÝ THUYẾT VÀ SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ QUAN TRẮC 60
3.4.1 So sánh kết quả tính lún bề mặt theo các công thức lý thuyết và kết quả quan trắc thực tế tại hiện trường 60 3.4.2 So sánh đường cong lún tính theo các lý thuyết với kết quả quan trắc 64
3.5 Kết luận chương 3 65 CHƯƠNG 4 PHÁT TRIỂN NGHIÊN CỨU DỰ ĐOÁN LÚN BỀ MẶT VÀ XÂY DỰNG CÁC CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM DỰ TÍNH ĐỘ LÚN BỀ MẶT 67 4.1 ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH HỆ SỐ MẤT MÁT THỂ TÍCH V Loss 67
4.1.1 Khái niệm hệ số mất mát thể tích VL 67 4.1.2 Phân tích các tương quan giữa Hệ số mất thể tích Vloss với các yếu tố đặc trưng 68 4.1.3 Đề xuất công thức tính Vloss 74 4.1.4 Áp dụng công thức VL trong tính toán lý thuyết và so sánh với kết quả quan trắc thực địa 78
4.2 ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH ĐỘ LÚN LỚN NHẤT Smax 86
4.2.1 Định dạng tương quan giữa Độ lún lớn nhất (Smax) với các yếu tố đặc trưng 86 4.2.2 Đề xuất công thức tính Smax 91 4.2.3 Áp dụng công thức Smax trong tính toán lý thuyết và so sánh kết quả tính với kết quả quan trắc thực địa 95
4.3 ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH THÔNG SỐ BỀ RỘNG MÁNG LÚN 98
4.3.1 Khái niệm thông số bề rộng máng lún i 98 4.3.2 Nghiên cứu mối tương quan giữa hệ số i với các yếu tố liên quan 99
Trang 8lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT
4.3.3 Nghiên cứu xây dựng công thức hệ số máng lún i 100
4.3.4 Áp dụng công thức i trong tính toán lý thuyết và so sánh kết quả tính với kết quả quan trắc thực địa 101
4.3.5 So sánh đường cong lún tính bằng Smax, Vloss và i đề xuất với kết quả tính bằng các lý thuyết khác 102
CHƯƠNG 5 NGHIÊN CỨU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH ẢNH HƯỞNG THI CÔNG HẦM BẰNG TBM ĐẾN CÔNG TRÌNH TRÊN BỀ MẶT TRONG ĐÔ THỊ 106
5.1 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH BÀI TOÁN PTHH CẢI TIẾN TÍNH LÚN BỀ MẶT VÀ ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG ĐẾN CÔNG TRÌNH TRÊN MẶT ĐẤT 106
5.1.1 Đề xuất phương pháp mô hình bài toán PTHH cải tiến 106
5.1.2 So sánh kết quả phân tích bằng phương pháp cải tiến với số liệu quan trắc 108
5.2 Áp dụng Mô hình bài toán bằng theo phương pháp PTHH cải tiến đánh giá tác động thi công đường hầm đến các loại móng công trình trên mặt đất 109
5.2.1 Mô hình bài toán theo phương pháp PTHH cải tiến 109
5.2.2.Phân tích kết quả bài toán thi công hai ống hầm song song 111
5.2.3 Kết luận 118
5.3 NHỮNG ĐỀ XUẤT NHẰM KIỂM SOÁT TÁC ĐỘNG ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG TBM ĐẾN CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN BỀ MẶT 119
5.3.4 Ảnh hưởng của lún bề mặt đến công trình lân cận 124
5.3.5 Các giới hạn phá hoại công trình 125
5.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 127
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA NGHIÊN CỨU SINH 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO 134
Trang 9lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 : Mạng lưới và dự án đầu tư đường sắt đô thị đến năm 2020 của Hà
Nội 12
Bảng 1.2: Bảng phân loại TBM 17
Bảng 2.1 Công thức xác định Smax: 36
Bảng 2.2: Công thức xác định tham số bề rộng i: 37
Bảng 3.1 Số lần đo chuyển vị của các điểm đo [120] 55
Bảng 3.2 Các hạng mục khảo sát công trình dọc tuyến Bến Thành Suối Tiên [120] 56
Bảng 3.3 So sánh kết quả quan trắc với kết quả tính toán theo Peck ( 1969) 61
Bảng 3.4 So sánh kết quả quan trắc với kết quả tính toán theo New & O’Reilly (1982) và Mair (1993) 62
Bảng 3.5 So sánh kết quả quan trắc với kết quả tính toán theo Attewell (1977) ; Clough & Schmidt (1981) và Atkinson & Potts (1979) 63
Bảng 3.6: Sai số trung bình của độ lún lớn nhất giữa kết quả tính với quan trắc64 Bảng 4.1 Quan hệ giữa hệ số mất mát thể tích và áp lực bơm vữa bên thành p269 Bảng 4.2 Quan hệ giữa hệ số mất mát thể tích với áp lực bơm vữa bên thành p2 và độ sâu đặt hầm 72
Bảng4.3: Số liệu quan trắc lún bề mặt tại mặt căt điển hình 75
Bảng4.4: Kết quả tính Vloss theo số liệu quan trắc hiện trường 76
Bảng 4.5 Kết quả hệ số mất mát thể tích VL tính theo công thức đề xuất 83
Bảng 4.6 So sánh kết quả Vloss tính toán theo công thức đề xuất với Vloss quan trắc 84
Bảng 4.7 Giá trị lún lớn nhất tương ứng với các trường hợp đường kính hầm 87
Bảng 4.8 Giá trị lún lớn nhất tương ứng với các trường hợp đường độ sâu hầm 88
Bảng 4.9 Độ lún lớn nhất Smax ứng với các hệ số Vloss 89
Bảng 4.10 Dữ liệu quan trắc từ Km 1+500 đến KM 0+850 92
Bảng 4.11 Độ lún lớn nhất Smax tình theo công thức đề xuất 95
Trang 10lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT
Bảng 4.12 So sánh kết quả lún lớn nhất giữa số liệu quan trắc với kết quả tình
toán bằng công thức Smax đề xuất 96
Bảng 4.13 Sai số trung bình của độ lún lớn nhất giữa kết quả tính 97
Bảng 4.14 So sánh kết quả tính hệ số i theo công thức đề xuất 102
và so sánh với số liệu quan trắc 102
Bảng 5.1 Phương pháp mô hình bài toán PTHH cải tiến tính lún mặt đất và chuyển vị đáy móng công trình hiện hữu trên mặt đất 108
Bảng 5.2 Thông số đầu vào cho các lớp đất 111
Bảng 5.3 Các đặc tính của vật liệu vỏ hầm và kết cấu móng công trình mặt đất 111
Bảng 5.4 Chuyển vị móng nông khi thi công ống hầm bên trái 113
Bảng 5.5 Chuyển vị móng nông khi thi công hai ống hầm 114
Bảng.5.7 Chuyển vị đáy móng cọc khi thi công hai ống hầm 117
Bảng 5.8 Tiêu chuẩn giới hạn phá hoại các công trình nhà do biến dạng mặt đất 125
Bảng 5.9 Phân loại các hư hỏng bề ngoài trên tường (Burland & Wroth, 1975) 126
Bảng 5.10 Quan hệ giữa loại hư hỏng và biến dạng kéo giới hạn 126
Trang 11lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 0.1: Hiện trạng giao thông công cộng tại Hà Nội 1
Hình 0.2: Mô hình thi công tuyến Metro ngầm chìm trong đô thị 3
Hình 0.3: Hiện tượng lún sụt mặt đường do thi công tuyến Metro ngầm 3
Hình 0.4: Các loại mất thể tích khi thi công hầm bằng công nghệ TBM 3
Hình 1.1: Biểu đồ các thông số chính của một số hệ thống Metro nổi tiếng trên thế giới 7
Hình 1.2: Bản đồ mạng lưới hệ thống tàu điện ngầm tại Paris 8
Hình 1.3: Bản đồ mạng lưói tàu điện ngầm tại Matxcơva 9
Hình 1.4: Bản đồ mạng lưới Metro tại thành phố London 10
Hình 1.5 : Sơ đồ tàu điện ngầm tại NewYork 11
Hình 1.6: Bản đồ qui hoạch hệ thống Metro tại Hà Nội và TP Hồ Chí Minh 13
Hình 1.7: Sơ đồ thi công bằng khiên 14
Hình 1.8: Quy luật biến dạng chung của mặt đất 18
Hình 1.9 Sơ đồ lún theo mặt cắt ngang khi thi công bằng khiên 19
Hình 1.10: Hiện tượng sập lở tại một gương khi thi công hầm tại thành phố Muenchen (Munich), Đức, 1994 21
Hình 1.11: Sập hầm đường tàu điện ngầm (MRT) 22
Hình 1.12: Một phần của đường cao tốc bị sập phía trên công trường xây dựng đường hầm cho tuyến tàu điện ngầm mới ở Sao Paulo, Brazil, ngày 1 tháng 2 năm 2022 23
Hình 1.13:Các dạng ảnh hưởng của phễu lún tới công trình bề mặt [01] 24
Hình 1.14: Định nghĩa biến dạng của công trình (sau Burland, 1995) 25
Hình 1.15 Mô hình hoá công trình như một dầm đàn hồi và định nghĩa độ võng tương đối (Burland và Wroth, 1975) 26
Hình 2.1: Các yếu tố của biến dạng bề mặt và đường biên của khối chuyển dịch 31
Hình 2.2:Biến dạng theo phương thẳng đứng và phương ngang khi đào hầm 32
Hình 2.3: Các yếu tố hình học sử dụng cho tính toán hệ số ổn định ở thời điểm phá hoại (hệ số ổn định tới hạn) 34
Trang 12lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT
Hình 2.4: Đường cong Gauss đối với máng lún ngang và mất mát đất Vt 35
Hình 2.5 Dịch chuyển bề mặt ngang và đường cong lún ngang 38
Hình 2.6 Đường cong lún dọc phía trên đường tim hầm (Attewell, 1986) 39
Hình 2.7: So sánh giữa mô tả lún bề mặt của Gaussian và của Sagaseta ở cùng độ lún Smax 40
Hình 2.8 Một số mô hình phần tử thường dùng 42
Hình 3.1 Quy hoạch mạng lưới tàu điện ngầm thành phố Hồ Chí Minh 48
Hình 3.2 Đoạn tuyến Metro đi ngầm từ Ga Bến Thành – Ga Ba Son 50
Hình 3.3 Phối cảnh 3D Đoạn tuyến Metro đi ngầm 50
Hình 3.4 Sơ đồ bố trí thiết bị đo chuyển vị mặt đất theo phương dọc hầm 54
Hình 3.5 Sơ đồ bố trí thiết bị đo chuyển vị mặt đất theo phương ngang hầm 54
Hình 3.8 Đoạn Khu gian từ ga Ba Son đến Ga Nhà Hát Lớn 57
Hình 3.9 Mặt bằng bố trí điểm đo quan trắc lún [120] 57
Hình 3 10 Kết quả đo lún bề mặt dọc đoạn tuyến Metro 58
Hình 3.11: Kết quả khảo sát số liệu đo lún tại mặt cắt KM 1+400 59
Hình 3.12: Kết quả khảo sát số liệu đo lún một số tại mặt cắt 60
Hình 3.13 Các biểu đồ so sánh lún bề mặt giữa quan trắc và tính theo lý thuyết 65
Hình 4.1 Các giai đoạn thi công hầm bằng TBM 67
Hình 4.2 Các tổn thất thể tích trong quá trình đào hầm bằng TBM 68
Hình 4.3 Kết quả phân tích lún bề mặt do thi công ống hầm TBM ứng với áp lực bơm vữa thay đổi từ 0.15Mpa -0,3Mpa 69
Hình 4.4 Đường cong lún tại mặt cắt điển hình 69
Hình 4.5 Tương quan áp lực bơm vữa sau vỏ với mất mát thể tích theo phân tích số 70
Hình 4.6: Tương quan áp lực bơm vữa sau vỏ với mất mát thể tích theo quan trắc 71
Hình 4.7 Tương quan áp lực bơm vữa sau vỏ với mất mát thể tích và độ sâu đặt hầm 71
Hình 4.8: Tương quan mất mát thể tích và X 73