Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Phân tích đánh giá ảnh hưởng của việc thi công hố đào sâu đến nhà ga metro lân cận

Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế kéo theo sự tập trung ngày càng đông hơn của lực lượng lao động, cơ sở hạ tầng đặc biệt là giao thông tại Thành phố

Hồ Chí Minh đang chịu nhiều áp lực không nhỏ Với định hướng phát triển các phương tiện ngầm để giảm thiểu tắc nghẽn giao thông trong những năm sắp tới, việc xây dựng các tòa nhà nằm ngay bên trên hoặc rất gần với các hệ thống đường hầm và các tiện ích ngầm sẽ trở nên phổ biến Đồng thời, sự phát triển nhanh chóng của xây dựng đô thị dẫn đến ngày càng nhiều chung cư, cao ốc văn phòng mọc lên san sát đòi hỏi phải thi công tiếp giáp với các đường hầm và nhà ga ngầm hiện hữu Quy trình thi công hố đào sâu của các dự án sẽ tạo một tác động đáng kể đối với chuyển vị và ứng suất của đường hầm hay nhà ga tàu điện ngầm Cụ thể, ảnh hưởng của chuyển vị đất nền do các hố đào sâu có thể gây ra hai nguy cơ tiềm ẩn đối với các ga tàu điện ngầm như sau: (1) các vết nứt kết cấu có thể dẫn đến rò rỉ và thậm chí hư hỏng các kết cấu tàu điện ngầm; (2) dịch chuyển đường sắt có thể dẫn đến trật bánh dẫn đến tai nạn đáng tiếc Do đó, sự chuyển vị của các ga tàu điện ngầm cần được kiểm soát trong mức có thể chấp nhận được trong quá trình thi công hố đào sâu gần đó

Mặc dù tình trạng này sẽ ngày càng phổ biến trong tương lai, nhưng không nhiều các nghiên cứu trong nước tiến hành để khảo sát các ảnh hưởng đối với đường hầm và nhà ga ngầm Ngoài ra, tại Việt Nam cũng chưa có những quy định rõ ràng trong tiêu chuẩn hay các quy phạm để đánh giá các ảnh hưởng này Trong các phương pháp hiện tại, các kỹ sư thiết kế thường sẽ lựa chọn các phương án gia cố nền (như cọc xi măng đất, phun vữa áp lực cao), tường vây hay tường cọc để giảm thiểu ảnh hưởng của hố đào với đường hầm và nhà ga ngầm do tải trọng thi công, phương án đào đất…Hiệu quả của các phương án này vẫn chưa rõ ràng do kiến thức và kinh nghiệm thi công hố đào cạnh đường hầm và nhà ga ngầm còn hạn chế Vấn đề đặt ra là việc thi công hố đào sâu cần thiết hiểu rõ cơ chế của đường ngầm và nhà ga ngầm cũng như các tương tác với nền đất xung quanh để phát triển 1 phương pháp dự đoán ứng xử của chúng khi thi công 1 dự án lân cận

Trọng tâm của luận văn này hướng đến việc phân tích cơ chế ứng xử của đường hầm và nhà ga metro cũng như tương tác đất – đường hầm khi thi công hố đào sâu lân cận trong nền sét mềm và cát rời, mà được chắn giữ bằng tường vây kết hợp hệ giằng bằng thép hình Ứng xử cơ bản của của nền đất với đường hầm hay nhà ga metro trong quá trình thi công hố đào sẽ được nghiên cứu kiểm chứng dựa trên số liệu quan trắc một dự án thực tế - The Sun Tower, khu phức hợp bất động sản Grand Marina Saigon, quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh được thi công ngay bên cạnh nhà ga ngầm Ba Son Các mô hình phần tử hữu hạn (2D và 3D) sẽ được sử dụng để khảo sát tổng quát phản ứng của đường hầm và nhà ga metro khi thi công hố đào sâu lân cận cũng như ứng xử giữa chúng với nền đất xung quanh.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn

Các mục tiêu nghiên cứu của luận văn như sau:

1 Nghiên cứu ứng xử của kết cấu nhà ga ngầm metro trong quá trình thi công hố đào sâu lân cận

2 Nghiên cứu đánh giá các nhân tố ảnh hưởng đến nội lực và chuyển vị nhà ga tàu điện ngầm

Các mục trên sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng các phần mềm phần tử hữu hạn 2D và 3D kết hợp với các kết quả quan trắc hiện trường.

Ý nghĩa khoa học của đề tài

Các kết quả thu được từ nghiên cứu này sẽ giải quyết các vấn đề tồn đọng hiện tại như kiến thức về tương tác đất – đường hầm và đưa ra dự đoán về ứng xử của đường hầm và nhà ga ngầm, đồng thời, dự báo các sự cố có thể xảy ra Từ đó, cung cấp tài liệu tham khảo thực tế hữu ích cho các kỹ sư để xác định các tiêu chí bảo vệ hợp lý của các ga tàu điện ngầm và áp dụng các biện pháp đối phó thích hợp khi gặp các điều kiện xây dựng tương tự.

Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Thu thập các tài liệu nghiên cứu trước đây liên quan đến tường vây hố đào sâu, nhà ga tàu điện ngầm và ảnh hưởng của hố đào sâu đến nhà ga

Thu thập các dữ liệu thực tế về tường vây hố đào sâu và nhà ga tàu điện ngầm bao gồm biện pháp thi công, dữ liệu quan trắc, cụ thể từ dự án The Sun Tower và nhà ga ngầm Ba Son lân cận tại Quận 1, TP Hồ Chí Minh

Từ số liệu quan trắc, tiến hành phân tích ngược để đưa giá trị mô phỏng phần tử hữu hạn trong mô hình Plaxis 2D, 3D về gần với thực tế và kết luận về việc lựa chọn các thông số đầu vào như đất nền, kết cấu Sau đó, tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hai thông số ảnh hưởng chính (khoảng cách và độ sâu hố đào) đối với tính ổn định (chuyển vị, biến dạng và nội lực) của nhà ga tàu điện ngầm bên cạnh bằng phương pháp phần tử hữu hạn qua phần mềm Plaxis 2D

Phạm vi của đề tài

Nghiên cứu nhà ga ngầm 2 hầm hiện hữu nằm song song với hố đào sâu 5 tầng hầm đang thi công.

Bố cục luận văn

Chương 1 trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu về ảnh hưởng của hố đào sâu đến công trình lân cận, đặc biệt là nhà ga ngầm

Chương 2 trình bày các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm liên quan tích lũy trong quá khứ Bao gồm ứng xử của kết cấu đường hầm và nhà ga ngầm, các kết quả quan trắc hố đào sâu trong nền sét mềm, cát rời và các phản ứng của công trình lân cận đối với hố đào sâu, các nghiên cứu số trong các lĩnh vực này Đây là nền tảng chủ yếu của luận văn

Trong chương 3, tình huống về dự án The Sun Tower thi công bên cạnh nhà ga ngầm Ba Son được giới thiệu, trong đó, mô hình phân tích bằng 2D và 3D cũng như các giá trị quan trắc thực tế được sử dụng Cơ chế phân tích cơ bản về ứng xử của nhà ga ngầm với hố đào lân cận và những nhân tố ảnh hưởng được trình bày Đặc trưng của mô hình các lớp đất, các phần tử kết cấu và phương án thi công hố đào sẽ được trình bày Trọng tâm của chương hướng về phản ứng của kết cấu nhà ga và so sánh kết quả mô hình với các giá trị quan trắc

Các giá trị quan trắc và phân tích cơ bản ở chương 4 chưa thể cung cấp một hướng nhìn tổng quát để hiểu rõ tương tác của hố đào đến các kết cấu của nhà ga

Chương 4 sẽ giải quyết vấn đề này bằng cách trình bày một loạt các mô hình 2D của dự án Trong đó, 2 nhân tố ảnh hưởng chính là khoảng cách từ hố đào đến nhà ga D và độ sâu hố đào He được xem xét đánh giá kĩ càng

Cuối cùng, các kết luận chính và các hạn chế của luận văn được trình bày phần cuối của luận văn, và những hướng nghiên cứu tiếp theo cũng sẽ được nêu ra.

Hạn chế của luận văn

Ảnh hưởng của hố đào đến kết cấu nhà ga lân cận có thể bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố khác nhau như khoảng cách từ hố đào đến kết cấu nhà ga, độ sâu hố đào cuối cùng hay từng bước đào, quy mô của hố đào, loại tường chắn, điều kiện tải trọng xung quanh hố đào, đặc điểm kết cấu nhà ga, địa chất khu vực khảo sát Trong phạm vi của luận văn này chỉ đề cập đến 2 yếu tố đó là độ sâu hố đào He và khoảng cách từ hố đào đến kết cấu nhà ga D Vì vậy sẽ có nhiều hạn chế khi áp dụng kết quả của nghiên cứu như:

- Thứ nhất là đặc trưng của các thông số Ví dụ như đặc điểm địa chất đang khảo sát là tại quận 1, TP Hồ Chí Minh, kết cấu nhà ga đặc thù cho ga Ba Son, hố đào đặc thù của dự án The Sun Tower (5 hầm, kích thước trên mặt bằng là 52m x 114m), những yếu tố này sẽ làm cho kết quả nghiên cứu có thể sai lệch nếu áp dụng cho các khu vực khác Do đó, cần điều chỉnh phù hợp trước khi áp dụng cho dự án cụ thể

- Thứ hai là vị trí hố đào Trong nghiên cứu này, vị trí hố đào nằm ngay bên cạnh nhà ga ngầm và chỉ xét ứng xử của kết cấu nhà ga qua một mặt cắt ngang 2D Tuy nhiên, sẽ có rất nhiều trường hợp khác có thể có như: hố đào nằm ngay bên trên nhà ga, hố đào nằm bên cạnh hay bên trên đường hầm… Do đó, ứng xử có thể khác và có thể sử dụng mô phỏng 3D để giải quyết

Do đó, hướng nghiên cứu tiếp theo của học viên là về mô phỏng nhiều trường hợp trong mô hình 3D để phân tích rõ ứng xử của kết cấu nhà ga.

TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA HỐ ĐÀO SÂU ĐẾN ĐẤT NỀN VÀ NHÀ GA TÀU ĐIỆN NGẦM

Đặt vấn đề

Biện pháp thi công hố đào sâu gồm các hạng mục chủ yếu như: Lựa chọn hệ giằng, phân tích ứng suất do áp lực đất tác dụng lên hệ giằng, ảnh hưởng đến các tiện ích và công trình lân cận, bảo vệ môi trường khu vực xung quanh…Trong các công việc trên, ảnh hưởng của hố đào phần ngầm của các dự án cao tầng đối với nền đường và cả các công trình xung quanh luôn được quan tâm hàng đầu Mặc dù, hiện nay đã có các giải pháp thi công hiện đại như sử dụng tường vây kết hợp với biện pháp thi công semi-topdown hay topdown, phương án này đã tối ưu chuyển vị nền xung quanh hố đào rất nhiều so với biện pháp đào mở thông thường, nhưng vẫn rất khó để kiểm soát giới hạn chuyển vị của nền đất cũng như kết cấu các tiện ích ngầm lân cận Vì vậy, việc tìm ra cơ chế ứng xử giữa nền đất và kết cấu ngầm trong quá trình thi công hố đào là rất quan trọng, đặc biệt đối với những hố đào lân cận công trình công cộng như tuyến đường hầm hay nhà ga tàu điện ngầm.

Các nghiên cứu về ảnh hưởng của hố đào sâu đến đường hầm lân cận

Ảnh hưởng của việc thi công hố đào sâu đến đường tàu điện ngầm lân cận đã được nghiên cứu rộng rãi trên khắp thế giới bởi rất nhiều nhà nghiên cứu:

Lo và Ramsay [1] đã tổng hợp và báo cáo kết quả quan trắc về việc thi công một dự án nằm trên đường hầm Toronto, đồng thời so sánh với giá trị thiết kế trước đó để đưa ra các yêu cầu kỹ thuật về kết cấu và vận hành của đường hầm; tính toán các thông số đất hợp lý; dự đoán ứng suất và chuyển vị theo phương dọc và phương ngang đường hầm và các tiêu chí kiểm soát trong quá trình thi công, quan trắc

Hình 1.1 Mặt cắt ngang đường hầm và móng quy trình đào đất bên trên [1]

Mair [2] đã tổng hợp những phát triển trong việc thi công về hố đào sâu và đường hầm tại London từ 150 năm trước đến nay, nổi bật là việc thi công thành công dự án mở rộng đường hầm Jubilee Các quan trắc chuyển vị bề mặt khi thi công đường hầm bằng máy đào áp lực kín với vỏ hầm là bê tông phun được trình bày và ảnh hưởng của nó với các tòa nhà lân cận được thảo luận Qua đó, biện pháp phun vữa vào nền đất để bảo vệ các tòa nhà lân cận khi thi công đường hầm được giới thiệu

Hình 1.2 Mặt cắt dọc phần mở rộng đường hầm Jubilee và các kết cấu bên trên [2]

Chang và cộng sự [3], đã báo cáo rằng một đoạn của Tuyến Panchiao, là một phần trong các đường hầm của Hệ thống đường sắt đô thị Đài Bắc, đã bị hư hại do việc thi công hố đào sâu lân cận của dự án cao ốc với 5 tầng hầm

Hình 1.3 Mặt bằng bố trí hố đào và đường hầm TRTS [3]

Sharma và cộng sự [4] đã báo cáo các kết quả quan trắc chuyển vị của đường hầm trong quá trình thi công 1 hố đào bên cạnh có kích thước lớn xấp xỉ 140m chiều rộng, 200m chiều dài và 15m chiều sâu Kết quả cho thấy rằng vỏ hầm chịu ảnh hưởng rõ rệt khi thi công hố đào Một vỏ hầm dày hơn sẽ giảm thiểu chuyển vị và biến dạng nhưng sẽ có moment lớn hơn rất nhiều

Hình 1.4 Mặt bằng bố trí hố đào và đường hầm MRT [4]

Các nghiên cứu về ảnh hưởng của hố đào sâu đến nhà ga ngầm lân cận

Liao và cộng sự [5] đã xem xét cả nội lực kết cấu và sự dịch chuyển của các ga tàu điện ngầm hiện có do các hố đào lân cận gây ra Để xem xét ảnh hưởng của lịch sử ứng suất, mô hình biến dạng nhỏ của đất cứng (HSS) đã được sử dụng và quá trình xây dựng ga tàu điện ngầm hiện có được đưa vào mô phỏng phần tử hữu hạn Tác động của các yếu tố chính, ví dụ, khoảng cách giữa các ga tàu điện ngầm hiện tại và hố đào sâu cũng như độ sâu của nó đã được ông xem xét và đánh giá

Ngoài ra, hiệu ứng rào cản của ga tàu điện ngầm hiện tại đối với sự biến dạng của các hố đào lân cận cũng được nghiên cứu Trên cơ sở kết quả phân tích bằng phần mềm phần tử hữu hạn, một số phát hiện chính đã thu được:

(1) độ sâu đào - He, và khoảng cách từ ga tàu điện ngầm hiện tại - D, là những yếu tố chính ảnh hưởng đến ứng xử của hệ kết cấu nhà ga tàu điện ngầm hiện hữu đối với việc thi công dự án có hố đào sâu lân cận ;

(2) Các tác động xoay và cắt của kết cấu ga tàu điện ngầm hiện hữu do quá trình đào lân cận gây ra thay đổi với D = He và có thể bị đảo ngược theo hướng;

(3) Mô men uốn trong các mặt cắt tới hạn thay đổi với D = He và mô men uốn bổ sung trong các mặt cắt có mối quan hệ tuyến tính với các chuyển động quay của cột cứng;

(4) Do hiệu ứng rào cản của ga tàu điện ngầm, độ lệch của tường vây hố đào và độ lún bề mặt đất do quá trình đào lân cận ở bên cạnh ga tàu điện ngầm gây ra đều nhỏ hơn so với những chỗ không có ga tàu điện ngầm gần đó

Hình 1.5 Ứng xử chuyển vị của hố đào lân cận [5]

Hình 1.6 Quan hệ giữa chuyển vị ngang và độ sâu đào cuối cùng của hố đào [5]

Liu và cộng sự [6] đã tiến hành mô phỏng một hố đào lớn có kích thước: dài

267 m, rộng 54m và sâu 14,9–16,4 m với ba đoạn tường ngang trên nền sét mềm Thượng Hải đã thi công một bên của một ga tàu điện ngầm hiện hữu Để điều tra hiệu suất của quá trình đào sâu này và ảnh hưởng của việc đào sâu này đối với ga tàu điện ngầm liền kề và các đường hầm liên kết với nhà ga, biến dạng mặt đất và các phản ứng của kết cấu đã được theo dõi rộng xuyên suốt

Dựa trên các số liệu quan trắc, độ lệch và chuyển vị thẳng đứng của tường vây, độ lún bề mặt, chuyển vị dọc và ngang của đường lên và đường xuống trong nhà ga và các đường hầm gần đó đã được phân tích chi tiết Bằng cách sử dụng tường ngang, phun vữa áp lực cao và thanh giằng chống bê tông kích thước lớn, độ võng và biến dạng mặt đất tối đa đo được của tường vây nhỏ hơn nhiều so với các công trình không sử dụng tường ngang trên sét mềm Thượng Hải

Các chuyển động lớn nhất của tường vây do đào và độ lún nền đất phía ngoài hố đào lần lượt là 0,11% He (độ sâu đào cuối cùng) và 0,12% He Do sự hao tổn ứng suất gây ra bởi công tác đào đất, ga tàu điện ngầm đã bị biến dạng lún với giá trị lớn nhất là 9,6 mm Tương tự, đường hầm liên kết nhà ga cũng đã dịch chuyển thêm 5,5 mm về phía hố đào và bị kéo dài theo chiều ngang lên đến 4,9 mm

Hình 1.7 Mặt bằng mốc quan trắc dự án [6]

Hình 1.9 Độ lún nền chuẩn hóa xung quanh hố đào [6]

Tan và cộng sự [7] đã tiến hành nghiên cứu này kiểm tra hiệu suất của quá trình đào sâu kích thước lớn bằng phương pháp đào ốc đảo trong nền trầm tích sét cứng và các phản ứng tương ứng của ga tàu điện ngầm lân cận và các đường hầm đôi đang hoạt động thông qua mô phỏng phần tử hữu hạn và các kết quả quan trắc thực tế từ hiện trường

Kết quả thu được cho thấy sự biến dạng và dịch chuyển của tuyến tàu điện ngầm hiện tại đều nằm trong giới hạn có thể chấp nhận được và không có hư hỏng rõ ràng nào được quan sát

Hình 1.10 Mặt bằng mốc quan trắc dự án [7]

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phân tích ứng suất và biến dạng theo phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số gần đúng để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định có hình dạng và điều kiện biên bất kỳ mà nghiệm chính xác không thể tìm được bằng phương pháp giải tích

Với phương pháp này, trong lĩnh vực địa kỹ thuật, phần mềm Plaxis được sử dụng rộng rãi do độ chính xác của nó khi mô tả ứng xử thực tế của đất nền trong quá trình thi công Mô hình Hardening Soil (HSM) được sử dụng trong nghiên cứu này vì những ưu điểm vượt trội của nó

Mô hình Hardening soil (còn gọi là mô hình tăng bền) là mô hình đàn dẻo dựa trên lý thuyết dẻo cổ điển, lần đầu tiên được đề xuất bởi Schanz, Vermeer và Bonnie (1999) Khác với mô hình Mohr-Coulomb, sau giai đoạn đàn hồi tuyệt đối thì vật liệu không dẻo tuyệt đối mà ứng suất không phục hồi, xảy ra hiện tượng chảy dẻo và giãn nở khi bị trượt (phi tuyến thay vì tuyến tính) Độ cứng của vật liệu khi đó sẽ phụ thuộc vào điều kiện ứng suất

Mô hình Hardening soil là mô hình đa mặt dẻo, gồm 2 mặt dẻo trượt (shear yield surface) gây ra bởi ứng suất cắt, sử dụng quy luật chảy dẻo không tích hợp (non- associated flow rule) và mặt dẻo hình chóp mũ (cap yield surface) gây ra bởi ứng suất có hiệu trung bình, sử dụng quy luật chảy dẻo tích hợp (associated flow rule) Sự tăng bền phụ thuộc vào cả biến dạng dẻo và biến dạng thể tích Khác với mô hình đàn dẻo lý tưởng (Mohr-Coulomb), mặt chảy dẻo của mô hình Hardening soil không cố định trong không gian ứng suất chính mà nó dãn ra do biến dạng dẻo Trong mô hình này, có 2 loại tăng bền là tăng bên trượt (shear hardening) và tăng bền nén (compression hardening)

− Tăng bền trượt mô tả biến dạng không hồi phục do ứng suất lệch gây ra, đặc trưng bởi module biến dạng trong thí nghiệm 3 trục (E50 ref) và thể hiện tương ứng bằng mặt dẻo trượt

− Tăng bền nén mô tả biến dạng không hồi phục do ứng suất nén đẳng hướng, đặc trưng bởi module biến dạng trong thí nghiệm nén Oedometer (Eoed ref) và được hiển hiện bằng mặt dẻo hình chóp mũ

Hình 2.1 Hình dạng mặt dẻo tổng quát của mô hình Hardening soil trong không gian ứng suất chính

2.1.2 Các thông số của mô hình

Một số tham số của mô hình HSM trùng với tham số của mô hình Mohr- Coulomb bao gồm c, φ và ψ Các thông số chính của mô hình này được trình bày chi tiết trong bảng 2.1 như sau:

Bảng 2.1 Các thông số chính của mô hình HSM

Hạng mục Thông số Mô tả Đơn vị

Sức chống cắt của đất nền c (Hiệu quả) Lực dính [kN/m 2 ] φ (Hiệu quả) Góc nội ma sát [ o ] ψ

Góc giãn nở Thông thường sẽ bằng 0 trong phân tích tổng ứng suất và lấy bằng – 30 khi phân tích ứng suất có hiệu

[ o ] σt Giới hạn và độ bền kéo [kN/m 2 ]

Hạng mục Thông số Mô tả Đơn vị Độ cứng của đất

E50 ref Độ cứng cát tuyến có hiệu (tại 50% ứng suất lớn nhất) với áp lực buồng

Eoed ref Độ cứng nén một trục có hiệu với áp lực đứng 100 kPa Thông thường sẽ lấy bằng E50 ref khi không có dữ liệu thí nghiệm

Eur ref Độ cứng dỡ tải có hiệu tại áp lực buồng 100 kPa Thông thường sẽ lấy bằng 3E50 ref khi không có dữ liệu thí nghiệm

Hệ số mũ kiểm soát sự phụ thuộc của độ cứng theo ứng suất với giá trị từ 0

Các thông số nâng cao (thường sẽ sử dụng giá trị mặc định) υur Hệ số Poisson dỡ tải – gia tải (mặc định υur = 0.2) [-] p ref Áp lực tham chiếu cho độ cứng (mặc định p ref = 100 kN/m 2 ) [kN/m 2 ]

K0 ref Giá trị K0 cho cố kết thường (mặc định K0 ref = 1 – sinφ) [-] σtension Độ bền kéo (Mặc định σtension = 0) [kN/m 2 ] cinc Số gia lực dính (Mặc định cinc = 0) [kN/m 2 ] Các thông số khác

Cs Hệ số nở hay hệ số nén lại [-] einit Hệ số rỗng ban đầu [-]

Chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu

Năm 1969 là thời điểm mà các nghiên cứu về hố đào sâu có những bước phát triển vượt trội, đặc biệt là sau khi nghiên cứu của Peck (1969) [8] được công bố Ông Peck đã biểu thị mối quan hệ giữa biến dạng ngang lớn nhất và chiều sâu hố đào là δhm / He = 1.0 % dựa trên số liệu quan trắc hố đào sử dụng tường cọc chống và tường cọc bản tại các dự án ở St Louis và Chicago Công trình của Peck là một cơ sở nền tảng cho nghiên cứu ngày nay và được sử dụng rộng rãi trong thực tế

Mana và Clough (1981) [9] đã nghiên cứu về biến dạng ngang tường vây của hố đào sâu trong đất sét bằng cách chia độ sâu đào để thu được biến dạng ngang tối đa Kết quả được thể hiện bằng cách vẽ biểu đồ quan hệ giữa biến dạng này với hệ số an toàn hố đào Các kết luận của nghiên cứu được tóm tắt như sau:

− Sử dụng phân tích phần tử hữu hạn và đo đạc tại hiện trường, họ đã chứng minh tương quan chặt chẽ giữa biến dạng ngang tường vây và hệ số an toàn hố đào

− Chuyển vị ngang của tường tăng nhanh khi hệ số an toàn giảm xuống dưới 1.5 Trong trường hợp này, giá trị δhmax đạt hơn 2.0% H

− Khi hệ số an toàn vượt quá 1.5, giá trị δhmax gần như không đổi ở mức 0.5%H

Hình 2.2 Biểu đồ quan hệ chuyển vị ngang tường và hệ số an toàn hố đào [9]

Clough và O’Rourke (1990) [10] đã nghiên cứu biến dạng ngang của tường trong hố đào sâu được chống đỡ bằng hệ neo trong đất Họ đã tiến hành bằng cách sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn dựa trên giả thiết ứng xử đàn hồi của đất Sau đó, họ vẽ biểu đồ các chuyển vị ngang của tường chống đỡ bằng hệ neo trong đất ở hình 2.4 Kết quả thu được, chuyển vị ngang của tường (δhm/He) có thể bị giới hạn trong khoảng 0.2% đến 0.5% He

Hình 2.3 Biểu đồ quan hệ chuyển vị ngang tường và độ sâu hố đào [10]

Carder (1995) [12] đã khảo sát nhiều trường hợp đáng tin cậy về tường chắn cọc khoan nhồi và tường chắn bê tông cốt thép trong những hố đào sâu Qua kết quả khảo sát, Carder đã rút ra được một số giới hạn về chuyển vị ngang của tường Trong đất sét rất cứng, giới hạn biến dạng ngang của tường (δhm/He) được giới hạn trong phạm vi từ 0.125 đến 0.4% Các giá trị này thay đổi theo từng loại tường chắn hố đào sâu

Fernie và Suckling (1996) [13] đã khảo sát các hố đào sâu trên đất sét cứng tại nước Anh Trong nghiên cứu đó, họ đã xác định giới hạn của biến dạng tường lớn nhất δhm/H nằm trong khoảng từ 0.15% đến 0.2%

Ou và công sự (1993) [14] đã đánh giá giới hạn chuyển vị ngang của tường bằng cách khảo sát 10 dự án đã thi công trên nền đất sét mềm tại Đài Bắc Theo kết quả của nghiên cứu đó, giá trị δhmax nằm trong khoảng 0,2% He - 0,5% He (nhưng có thể chọn dòng 0,3% He làm kết quả gần nhất)

Pakbaz và cộng sự (2013) [11] đã nghiên cứu biến dạng ngang và ảnh hưởng của chúng đến độ lún bề mặt nền của tường vây Tác giả đã so sánh giải pháp phần tử hữu hạn (Plaxis 2D) với dữ liệu thực và kết luận rằng:

− Giá trị chuyển vị ngang tối đa của tường (δhm) nằm trong khoảng 0.5% đến 0.7% He

− Giá trị độ lún bề mặt lớn nhất (δvm) nằm trong khoảng 0,25% đến 0,35%

− Các giá trị dự báo về chuyển vị ngang của tường và độ lún bề mặt đất thu được từ phân tích phần tử hữu hạn cao hơn so với giá trị thu được từ dữ liệu thực

Và một trong những lý do chính được kết luận là do không đủ dữ liệu trong phòng thí nghiệm

Hình 2.5 Biểu đồ quan hệ độ lún nền và độ sâu hố đào [11]

Hình 2.6 Biểu đồ quan hệ độ lún nền và chuyển vị ngang tường [11]

Long (2001) [15] đã thống kê 300 trường hợp nghiên cứu về biến dạng ngang của tường vây liên quan đến hố đào sâu Tác giả đã đưa ra dự đoán về biến dạng ngang của cấu kiện chống đỡ (shoring, neo) của một dự án đào sâu với những dữ liệu này kết hợp với dữ kiện về hệ số an toàn hố đào

− Đối với các giá trị hệ số an toàn cao, các giá trị biến dạng tường lớn nhất đo được δhm nằm trong khoảng từ 0.05% đến 0.25% He

− Đối với các giá trị hệ số an toàn thấp, các chuyển vị lớn δhmax có thể lên đến 3.2% He

Kung và cộng sự (2007) [16] đã nghiên cứu về biến dạng ngang tối đa của tường tại một hố đào sâu trong đất sét mềm đến trung bình có giằng chống trên một mô hình đơn giản mà họ tạo ra Mô hình này đã được kiểm chứng bằng cách sử dụng các số liệu về các nghiên cứu khác trong quá khứ Theo kết quả quan trắc từ hiện trường thu được:

− Hầu hết các điểm dữ liệu nằm trong vùng giữa δhm = 0,2% He – δhm 0,6% He, và chủ yếu ở gần vị trí δhm = 0,3% He

− Kết quả từ mô hình phần tử hữu hạn gần đúng với kết quả quan trắc thực tế

Hình 2.9 So sánh kết quả quan trắc và mô phỏng [16]

Hashash (2008) [17] đã nghiên cứu về giới hạn chuyển vị ngang tường vây của các hố đào sâu thuộc dự án đường hầm trung tâm bằng các kết quả quan trắc tại hiện trường Theo kết quả quan trắc, chuyển động ngang của tường (δhm/He) có thể bị giới hạn trong khoảng 0.07% đến 0.22% He

Tan và Li (2011) [18] đã tiến hành nghiên cứu về việc đào sâu 26 ở một công trình xây dựng ga tàu điện ngầm bằng cách sử dụng số liệu quan trắc từ hiện trường Những kết quả từ nghiên cứu này được tóm tắt dưới đây:

− Giá trị δhm/He nằm trong khoảng 0.1% đến 0.5%

− Trong quá trình đào, xảy ra hiện tượng lún bề mặt đất và các chuyển động bên của tường do loại bỏ đất

− Dự án hố đào sâu này không có bất kỳ tác động tiêu cực nào đến hạ tầng đô thị xung quanh

Hình 2.11 Biểu đồ chuyển vị ngang của tường theo độ sâu [18]

Hình 2.12 Biểu đồ quan hệ chuyển vị ngang tường và độ sâu hố đào, vị trí chuyển vị ngang lớn nhất và độ sâu đào [18]

Ran và công sự (2011) [19] đã nghiên cứu về hố đào sâu của ga tàu điện ngầm Các kết quả của nghiên cứu này được tóm tắt như sau:

− Kết quả quan trắc cho thấy độ lún bề mặt nền và chuyển vị ngang của tường tăng theo độ sâu

− Biến dạng ngang lớn nhất tại đáy hố đào

− Hệ tường vây chắn đỡ của nhà ga không bị hư hại qua các giai đoạn đào

Hình 2.13 Biểu đồ chuyển vị ngang của tường theo độ sâu [19]

Hình 2.14 Biểu đồ quan hệ chuyển độ lún nền và khoảng cách đến hố đào [19]

Tan và Wei (2012) [20] đã nghiên cứu chuyển vị ngang của tường vây thuộc dự án có độ sâu hố đào từ 16-18 m cho một ga tàu điện ngầm sử dụng phương pháp cut-and-cover ở Thượng Hải Để kiểm chứng kết quả của phương án này, một đề cương quan trắc toàn diện dài hạn đã được tiến hành trong quá trình xây dựng Theo kết quả thu được, người ta kết luận rằng chuyển vị ngang của tường tăng đều đặn khi đào sâu đến 12m, nhưng tăng mạnh sau khi vượt qua độ sâu 12m, cụ thể như sau:

− Từ độ sâu 12m trở lên, Chuyển vị ngang của tường δhm/He nằm trong khoảng 0,02% - 0,13%

− Khi tiến hành đào ở độ sâu lớn hơn, chuyển vị ngang của tường tăng lên δhm/He = 0.13% đến δhm/He = 0.23%

Tổng kết chương

Bảng 2.2 Tổng hợp các giá trị giới hạn chuyển vị ngang tường vây

Cận dưới của δhm/He

Cận trên của δhm/He

Loại đất nghiên cứu Địa điểm Loại tường chắn đỡ

Peck (1969) 1 Sét Chicago, Mỹ Tường cọc chống và tường cọc bản Mana và

Sét, đất tàn tích và cát

Tường bê tông cốt thép, tường cọc bản, tường cọc chống, tường cọc xi măng đất, tường có neo trong đất

Ou và cộng sự (1993) 0.2 0.5 Sét Đài Bắc, Trung

Tường bê tông cốt thép, tường cọc bản

(1995) 0.125 0.4 Sét rất cứng Anh Quốc

Tường cọc vây và tường bê tông cốt thép Fernie và

Tường cọc vây và tường bê tông cốt thép

0.2 0.6 Sét Đài Bắc (Trung Quốc), Singapore, Oslo (Na Uy), Tokyo (Nhật Bản), và Chicago (Mỹ)

Tường cọc bản và tường bê tông cốt thép

(2008) 0.07 0.22 Sét Boston, Mỹ Tường bê tông cốt thép Pakbaz và cộng sự

0.5 0.7 Sét Ahvaz, Iran Tường bê tông cốt thép

Tường bê tông cốt thép Ran và cộng sự

Tường bê tông cốt thép

Tường dùng hệ giằng và tường dùng hệ neo Tan và Wei

Liu và cộng sự (2016) 0.11 Sét mềm

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HỐ ĐÀO SÂU ĐẾN NHÀ GA NGẦM THÔNG QUA CÁC

DỮ LIỆU QUAN TRẮC VÀ MÔ PHỎNG

Giới thiệu về dự án nghiên cứu

The Sun Tower tọa lạc tại số 02, đường Tôn Đức Thắng, phường Bến Nghé, quận 1, TP Hồ Chí Minh Dự án có quy mô 5 hầm + 1 hầm lửng + 5 tầng khối đế và

49 tầng cao Biện pháp thi công Semi – topdown được sử dụng để thi công phần ngầm cho dự án

Hố đào của dự án bao gồm 2 phần (Mặt đất tự nhiên ở cao độ -1.8m):

− Khối tháp: Gồm 5 tầng hầm có kích thước 52x65m, Cao độ đáy hố đào -24.2m

− Khối đế: Gồm 4 tầng hầm có kích thước 52x49m, Cao độ đáy hố đào - 16.85m

Hình 3.1 Mặt bằng vị trí công trình (Giai đoạn thi công cọc công trình) Đường Nguyễn Hữu Cảnh Đư ờn g T ôn Đ ức Th ắng

Grand Marina Saigon thuộc giai đoạn 2 Đư ờn g Ng u y ễn B ỉn h Kh iê m

Ba Son Khu vực đóng tàu

Hình 3.2 Hình chụp flycam (Giai đoạn thi công phần ngầm)

Hình 3.3 Mặt cắt ngang dự án (The Sun và lối đi qua nhà ga)

Dự án The Sun Tower được thi công bằng biện pháp semi-topdown sau dự án nhà ga Ba Son và khi đào đến đáy cao độ đáy móng, thì nhà ga cũng đã đang trong giai đoạn hoàn thiện Do đó, có thể nói ảnh hưởng do quá trình đào đất và thi công của dự án này hoàn toàn tác dụng vào nhà ga Ba Son khi nó đã hoàn thiện về mặt kết cấu Tuy nhiên, để đảm bảo không có ảnh hưởng đáng ngại đối với nhà ga, các biện pháp thi công hố đào sâu đã được thiết kế với mức độ an toàn cao

Sông Sài Gòn Nhà ga ngầm

2 lối đi Đường Nguyễn Hữu Cảnh

Hình 3.4 Mặt cắt ngang dự án (The sun, lối đi qua nhà ga và nhà ga

Bảng 3.1 Tiến độ đào đất dự án

STT Ký hiệu Hạng mục Tiến độ

1 S1 Đào đến cao độ đáy sàn tầng trệt

2 S2 Đào đến cao độ đáy sàn hầm 1

6 S6 Đào đến cao độ đáy shoring hầm 5

7 S7 Đào đến cao độ đáy móng

Bảng 3.2 Tiến độ thi công sàn và hệ shoring

STT Hạng mục Tiến độ

1 Thi công sàn tầng 1, lắp đặt hệ shoring lỗ mở tại tầng 1 (-0.150m) 08/12/2020 - 31/01/2021

2 Thi công sàn hầm 1, lắp đặt hệ shoring lỗ mở tại hầm 1 (-5.800m) 25/01/2021 - 26/03/2021

6 Lắp đặt hệ shoring hầm 5 (-19.250m) 31/10/2021 - 20/11/2021

Điều kiện địa chất và phương án quan trắc

Trước khi dự án The Sun được thi công, đã có nhiều công tác khảo sát địa chất tại hiện trường và thí nghiệm trong phòng được tiến hành như thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), thí nghiệm cắt cánh hiện trường (FVST), thí nghiệm nén 3 trục (UU-CU-CD) và các thí nghiệm trong phòng khác để xác định chính xác các thông số của đất nền Tổng cộng 6 hố khoan được khảo sát với độ sâu từ 100m đến 140m

Hình 3.8 đến hình 3.11 mô tả các thông số đất theo chiều sâu bao gồm giá trị SPT, dung trọng tự nhiên, độ ẩm, hệ số rỗng, giới hạn chảy, chỉ số dẻo, lực dính, góc ma sát trong, sức kháng nén 1 trục và sức kháng cắt không thoát nước Với giá trị trung bình từ các hố khoan, lớp đất đầu tiên là cát san lấp dày 3.1m, ngay bên dưới là lớp bùn sét ở trạng thái chảy dày 8.9m Lớp thứ 3 là lớp cát mịn đến thô, trạng thái rất rời đến rời có bề dày 10.3m cũng là lớp đất ở đáy hố đào Tiếp theo là lớp cát mịn đến thô, trạng thái chặt vừa đến chặt dày 13.7m Lớp thứ 5 là lớp á sét, trạng thái nửa cứng – cứng, có bề dày 25m Cuối cùng là lớp cát mịn đến thô, trạng thái chặt đến rất chặt dày 39.45m tính đến cao độ đáy hố khoan

Hình 3.5 Các lớp đất chính

Hình 3.6 Thông số địa chất các lớp đất (1)

Hình 3.11 Thông số sức chống cắt không thoát nước Độ ẩm (W), hệ số rỗng (e), giới hạn chảy (WL), Chỉ số dẻo (Ip) có giá trị cao ở lớp đất số 2 (Bùn sét) nhưng giảm dần theo chiều sâu Giá trị dung trọng tự nhiên (γ) thì ngược lại, thấp nhất ở lớp đất số 2 và tăng dần theo chiều sâu

Lực dính (c) có giá trị từ 5.3 kN/m 2 đến 47.9 kN/m 2 , thấp nhất ở lớp đất số 6, cát chặt, và lớn nhất ở lớp sét cứng số 5

Góc ma sát trong (φ) có giá trị từ 5.50 đến 34.22, thấp nhất ở lớp đất số 2 bùn sét và lớn nhất ở lớp số 4 cát chặt

Dựa theo mặt cắt hố đào ở hình 3.3 và 3.4, đáy hố đào nằm ở lớp đất số 4 cát mịn, chặt vừa đến chặt

3.2.2.1 Quan trắc chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu Để phục vụ công tác quan trắc chuyển vị ngang của tường vây hố đào dự án The Sun Tower, 10 mốc Inclinometer được bố trí xung quanh hố đào

Trong đó, các mốc ID-01, ID-02, ID-06, ID-07 nằm ở các đoạn tường vây vuông góc với dự án nhà ga ngầm Các mốc ID-08, ID-09, ID-10 nằm ở đoạn tường vây tiếp giáp với nhà ga ngầm Cuối cùng là các mốc ID-03, ID-04, ID-05 nằm ở đoạn tường vây song song nhưng không nằm cạnh nhà ga ngầm

Số liệu quan trắc mà nghiên cứu này sử dụng nằm ở giai đoạn S5, S6 và S7

Hình 3.12 Mặt bằng mốc quan trắc Inclinometer của tường vây hố đào sâu

Hình 3.13 cho thấy đoạn tường vây phía Tây và Bắc (khu vực thi công khối tháp 5 hầm có độ sâu đào lớn nhất) có chuyển vị ngang lớn nhất, đoạn tường phía Đông (khu vực khối podium 4 hầm có độ sâu đào bé hơn khối tháp) có giá trị nhỏ hơn và đoạn tường vây phía Nam (giáp tuyến metro) có chuyển vị ngang thấp nhất (Chỉ từ 26.3% đến 34.6% chuyển vị lớn nhất ở các đoạn tường còn lại) Nguyên nhân có thể kể đến là hiệu ứng rào cản do kết cấu nhà ga ngầm và các biện pháp gia cường đất nền ở khu vực giữa hố đào và nhà ga Chi tiết về vấn đề này được trình bày rõ hơn ở các chương sau

Hình 3.13 Giá trị chuyển vị lớn nhất của tường vây sau khi thi công dự án

Hình 3.14 Chuyển vị theo phương ngang của tường vây hố đào giai đoạn S5, S6

Hình 3.15 Chuyển vị theo phương ngang của tường vây hố đào giai đoạn S7

Hình 3.13 mô tả chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây ở 4 phía sau khi thi công xong hố đào sâu, Hình 3.14 và Hình 3.15 mô tả chuyển vị của toàn bộ tường bao quanh hố đào theo các giai đoạn đào S5, S6, S7

3.2.2.2 Quan trắc lún nền xung quanh hố đào sâu Để phục vụ công tác quan trắc chuyển vị lún do việc thi công hố đào sâu của dự án The Sun Tower, 12 mốc quan trắc lún được bố trí

Trong đó, các mốc BS-01 đến BS-06 nằm ở vị trí tòa nhà công ty Ba Son, bên cạnh trục A của dự án Các mốc BS-07 đến BS-12 nằm ở văn phòng chủ đầu tư, bên phải trục 11 của dự án

Số liệu quan trắc mà nghiên cứu này sử dụng nằm ở giai đoạn S1 đến S7

Hình 3.16 Mặt bằng mốc quan trắc lún

Hình 3.17 Độ lún nền quanh hố đào mốc BS1-BS6

BS-08 BS-07 BS-10 BS-11 BS-12

Hình 3.18 Độ lún nền quanh hố đào mốc BS7-BS12

3.2.2.3 Quan trắc lực dọc trong hệ giằng chống Để phục vụ công tác quan trắc lực dọc trong hệ giằng chống hố đào dự án The Sun Tower, 26 mốc quan trắc được đặt phân bố đều trên các thanh giằng

Số liệu quan trắc mà nghiên cứu này sử dụng nằm ở đủ các giai đoạn khi lắp hệ chống tầng 1 đến khi đào đến cao độ đáy móng

Hình 3.19 Mặt bằng mốc quan trắc lực dọc hệ giằng tầng 1

Hình 3.20 Lực dọc trong thanh giằng tầng 1

Hình 3.21 Mặt bằng mốc quan trắc lực dọc hệ giằng hầm B1

Hình 3.22 Lực dọc trong thanh giằng hầm B1

3.2.2.4 Quan trắc chuyển vị ngang tường vây nhà ga ngầm

Mốc ID08 nằm trên đoạn tường vây nhà ga được sử dụng để phân tích chuyển vị ngang tường vây nhà ga trong quá trình thi công dự án The Sun Tower

Hình 3.31 Mặt bằng mốc quan trắc Inclinometer tường nhà ga ngầm

Hình 3.32 Chuyển vị ngang tường nhà ga ngầm

3.2.2.5 Quan trắc chuyển vị đứng tường vây nhà ga ngầm

Sử dụng 2 mốc quan trắc GB22B và GB24B để phân tích lún đỉnh tường vây nhà ga trong quá trình thi công dự án The Sun Tower

Hình 3.33 Mặt bằng mốc quan trắc lún đỉnh tường nhà ga ngầm

Hình 3.34 Chuyển vị lún đỉnh tường nhà ga ngầm

Hình 3.35 Tốc độ lún đỉnh tường nhà ga ngầm

Mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng của hố đào sâu thông qua mô hình 2D

Mô hình được mô phỏng bằng phần mềm PLAXIS 2D V22 Các lớp đất được mô phỏng bảng mô hình Hardening soil, hệ chống được mô hình bằng phần tử neo, còn hệ tường vây thì phần tử tấm Chiều sâu đào từ 0.8m đến 22.4m, theo từng giai đoạn thi công sàn hầm Tải trọng tiêu chuẩn 20kN/m 2 được mô phỏng cho việc thi công và đường giao thông tạm

3.3.1 Thông số nhập vào mô hình

Cơ sở lựa chọn và tính toán các thông số được thể hiện theo bảng sau :

Bảng 3.3 Tổng hợp các cách xác định thông số địa chất

Thông số Mô tả Đơn vị Độ lớn Tham khảo

Sức chống cắt của đất nền c Lực dính [kN/m 2 ]

Từ thí nghiệm cắt trực tiếp (cát) và thí nghiệm

3 trục CD (sét, bùn sét)

Từ thí nghiệm cắt trực tiếp (cát) và thí nghiệm

3 trục CD (sét, bùn sét)

Chỉ dẫn từ phần mền plaxis Độ cứng của đất

E50 ref Độ cứng cát tuyến có hiệu (tại 50% ứng suất lớn nhất) với áp lực buồng 100 kPa

Eoed ref Độ cứng nén một trục có hiệu với áp lực đứng

Chỉ dẫn từ phần mền plaxis

Eur ref Độ cứng dỡ tải có hiệu tại áp lực buồng 100 kPa Thông thường sẽ lấy

Thông số Mô tả Đơn vị Độ lớn Tham khảo bằng 3E50 ref khi không có dữ liệu thí nghiệm m

Hệ số mũ kiểm soát sự phụ thuộc của độ cứng theo ứng suất với giá trị từ 0 - 1

0.5-0.55: Cát 0.65 – 0.75: Sét dẻo cứng 0.75 – 0.85: Sét dẻo mềm 0.9 – 1: Bùn sét

Các thông số nâng cao (thường sẽ sử dụng giá trị mặc định) υur Hệ số Poisson dỡ tải – gia tải [-] 0.2

Chỉ dẫn từ phần mền plaxis p ref Áp lực tham chiếu cho độ cứng

K0 ref Giá trị K0 cho cố kết thường [-] 1 – sinφ

Chỉ dẫn từ phần mền plaxis cinc Số gia lực dính [kN/m 2 ] 0

Các thông số khác γunsat

Dung trọng tự nhiên [kN/m 3 ] -

Theo hồ sơ địa chất γsat Dung trọng bão hòa [kN/m 3 ]

Công thức tương quan cơ học đất einit

Hệ số rỗng ban đầu [-] -

Theo hồ sơ địa chất kx, ky Hệ số thấm của đất m/ ngày đêm - [24]

Rinter Hệ số phần tử tiếp xúc [-]

Cát/ Thép: 0.6-0.7 Sét/ Thép: 0.5 Cát/ Bê tông: 1.0 – 0.8 Sét/ Bê tông: 1.0 – 0.7

Thông số Mô tả Đơn vị Độ lớn Tham khảo υ’ Hệ số Poisson [-] 0.25 + 0.00225Ip [26] Dựa vào các thông tin cung cấp từ hồ sơ địa chất và , các thông số đất theo mô hình Hardening soil được tổng hợp theo bảng sau :

Bảng 3.4 Tổng hợp các thông số đất nền

Bởi vì toàn bộ các sàn hầm đều có lỗ mở thi công, nên độ cứng sàn cần được giảm Độ cứng của mỗi sàn với lỗ mổ sẽ được tính toán bằng phần mềm phần tử hữu hạn ETABS như sau:

- Mô phỏng lại kết cấu dầm sàn, lỗ mở và hệ giằng chống

- Gán tải trọng dọc theo biên sàn với giá trị là 100 kN/m

- Sử dụng kết quả biến dạng của sàn theo 2 phương cùng với giá trị lực tác dụng để suy ra độ cứng của sàn

Loại đất Cát san lấp Bùn sét Bùn sét Cát Cát Sét Cát

Tính chất của đất Rời Chảy Chảy Rời Chặt vừa -

HSM HSM HSM HSM HSM HSM HSM

Drained UnDrained UnDrained Drained Drained UnDrained Drained γ unsat (kN/m 3 ) 18.50 14.73 14.73 18.28 18.97 20.20 19.90 γ sat (kN/m 3 ) 19.00 15.27 15.27 19.11 19.72 20.44 20.60 e 0.750 2.073 2.073 0.831 0.712 0.624 0.567

E ur ref (kN/m 2 ) 24000 6600 12300 31500 77700 115500 180000 power m (m) 0.5 0.95 0.95 0.5 0.5 0.67 0.5 c ref (kN/m 2 ) 1.00 8.40 8.40 1.00 1.00 48.50 1.00 φ (độ) 25.00 20.87 20.87 32.03 32.70 24.02 34.22 ψ (độ) 0.00 0.00 0.00 2.03 2.70 0.00 4.22 υ ur 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2

Hình 3.36 Mô hình sàn với lỗ mở (sàn hầm B1)

Hình 3.37 Chuyển vị theo phương X sàn với lỗ mở (sàn hầm B1)

Hình 3.38 Chuyển vị theo phương Y sàn với lỗ mở (sàn hầm B1)

Công thức tính toán độ cứng như sau:

- N lực tác dụng vào biên sàn

- ΔL = X1 + X2 hoặc ΔL = Y1 + Y2 là biến dạng sàn theo phương X/Y

- L Nhịp tổng cộng của sàn theo phương X/Y

Bảng 3.5 Tổng hợp độ cứng sàn hầm

Mặt cắt 1-1 Khu vực Tháp

Mặt cắt 2-2 Khu vực Podium Mặt cắt 3-3

EAy EAy EAx kN kN kN

Các thông số còn lại được thể hiện trong bảng sau :

Bảng 3.6 Tổng hợp thông số các cấu kiện kết cấu còn lại

Kết cấu chống đỡ hố đào sâu

Tường barrette khối tháp và cạnh nhà ga

Kết cấu chính nhà ga ngầm Ba

Cột 1000x1000mm - 24 - 9.4 39500 0.2 Sàn đỉnh 0.5 24 - - 32500 0.2 104.2 Sàn giữa 0.3 24 - - 32500 0.2 6.75 Sàn đáy 1.8 24 - - 32500 0.2 4860

Kết cấu cầu nối sang nhà ga

Hệ giằng thép hình H400 - 78.5 0.0215 5 210000 0.2 6.54 Sàn BTCT tầng 1 0.15 24 - - 30000 0.2 2.82 Sàn BTCT hầm 1 0.25 24 - - 30000 0.2 13.02

Sàn BTCT hầm 2 0.4 24 - - 30000 0.2 53.33 Trong đó, A là diện tích mặt cắt ngang, E là mô đun đàn hồi, I là moment quán tính, s là khoảng cách bố trí trên mặt bằng, t là bề dày cấu kiện, ν là hệ số Poisson, ρ là trọng lượng riêng

Tải trọng bao gồm đường giao thông tạm phục vụ thi công xung quanh khu vực lối đi, xung quanh hố đào và tải trọng đường giao thông hiện hữu bên cạnh nhà ga Độ lớn sử dụng 20 kN/m 2 để thể hiện tải trọng của xe đào, xe cuốc, tải vật tư…

Tiến hành mô phỏng 3 mặt cắt điển hình bao gồm :

− Mặt cắt 1-1 : Mặt cắt đi qua khu vực đáy móng khối tháp và nhà ga ngầm Ba Son

− Mặt cắt 2-2 : Mặt cắt đi qua khu vực đáy móng khối podium và nhà ga ngầm Ba Son

− Mặt cắt 3-3 : Mặt cắt đi qua khu vực đáy móng khối tháp và khối podium

Hình 3.39 Các mặt cắt tính toán

Hình 3.40 Mặt cắt 1-1 trong PLAXIS 2D V22

3.3.3.1 Chuyển vị ngang của tường vây hố đào

Hình 3.43 Kết quả chuyển vị ngang của tường vây phía Bắc

Hình 3.44 Kết quả chuyển vị ngang của tường vây phía Nam

Hình 3.45 Kết quả chuyển vị ngang của tường vây phía Đông

Các hình từ Hình 3.43 đến Hình 3.46 thể hiện kết quả chuyển vị ngang của tường vây hố đào và số liệu quan trắc thực tế Kết quả tính toán từ mô hình PLAXIS 2D khá tương đồng với dữ liệu quan trắc, do đó bộ thông số đất nền tính toán theo mô hình Hardening soil là đủ độ tin cậy Vì vậy, có thể sử dụng các mô hình PLAXIS 2D này để đánh giá ứng xử của kết cấu nhà ga ngầm dưới tác dụng của hố đào lân cận trình bày chi tiết trong chương tiếp theo

Hình 3.46 Kết quả chuyển vị ngang của tường vây phía Tây

Cả 3 đoạn tường vây phía Bắc, Đông và Tây đều có các kết quả chấp nhận được khi so sánh với quan trắc (sai khác từ 0.12% đến 30.47%) Tuy nhiên, đoạn tường vây phía Nam (giáp với tuyến metro) có sai số rất lớn (sai khác từ 40.49% đến 50.32%) Sai lệch này có thể do một số nguyên nhân mà học viên đã đúc kết trong quá trình mô phỏng cũng như thực tế thi công tại công trường như sau:

− Mô phỏng chưa đánh giá được tải trọng của biện pháp thi công nhà ga ngầm Ba Son (học viên đang sử dụng tải 20 kN/m/m có bề rộng 14m – tương ứng với đường giao thông điển hình trong thi công)

− Mô phỏng chưa thể hiện được quá trình thi công nhà ga ngầm

− Khu vực tường vây phía Nam có thi công các đoạn tường vây nối với nhà ga để xây dựng 2 cầu nối và khu vực này đã sử dụng biện pháp jet grouting để gia cố đoạn nối tường vây Mà các yếu tố này chưa được thể hiện trong mô phỏng

Bảng 3.7 Tổng hợp các giá trị chuyển vị lớn nhất của tường vây theo kết quả mô phỏng 2D và quan trắc

STT Hạng mục Bước thi công

3.3.3.2 Chuyển vị tường vây nhà ga Ba Son

Hình 3.47 Kết quả chuyển vị ngang của tường vây nhà ga Ba Son

Bảng 3.8 Tổng hợp các giá trị chuyển vị lớn nhất của tường nhà ga theo kết quả mô phỏng 2D và quan trắc

Mô hình 2D (mm) Sai khác (%)

Tương tự như tường vây hố đào sâu, ở Hình 3.47 và Bảng 3.8 cho thấy, kết quả mô hình bằng phần mềm PLAXIS 2D khá tương đồng với giá trị quan trắc Do đó, có thể sử dụng mô hình này để áp dụng cho các phân tích ở chương tiếp theo

3.3.4 Đánh giá kết quả mô phỏng

Theo quy định từ đơn vị tư vấn thiết kế Tham & Wong và Ban quản lý đường sắt đô thị TP Hồ Chí Minh – MAUR, các giới hạn về chuyển vị của tường vây hố đào, tường vây nhà ga và tuyến metro được quy định như sau:

Bảng 3.9 Tổng hợp các quy định về chuyển vị

STT Hạng mục Mức cảnh báo Giá trị chuyển vị ngang

2 Tường nhà ga ngầm Báo động 18mm

3 Tuyến metro Dừng thi công 15mm

Bảng 3.10 Giới hạn chuyển vị ngang tường vây hố đào theo từng bước thi công

STT Bước thi công Độ sâu đào (m)

6 Đào đến cao độ -19.750(Shoring) 18.8 75.2 83.6 94

7 Đào đến cao độ -24.200 (Đáy móng) 22.4 89.6 99.6 112 Dựa trên kết quả từ mô phỏng 2D với số liệu quan trắc, ta thấy rằng mô hình 2D đáp ứng tính thực tế và an toàn khi áp dụng để mô phỏng hố đào sâu.

Mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng của hố đào sâu thông qua mô hình 3D

Các kết quả thu được từ mô phỏng 2D đảm bảo tính phù hợp với thực tế thông qua so sánh với số liệu quan trắc Tuy nhiên, các kết quả này chỉ phù hợp về độ lớn và hình dạng chuyển vị đối với vị trí mốc quan trắc nằm giữa tường vây, nơi mà giá trị chuyển vị lớn nhất Đối với các mốc quan trắc nằm gần đoạn góc, giao giữa 2 đoạn tường vây vuông góc thì có thể chưa chính xác Do đó, để đánh giá một cách cụ thể, rõ ràng ảnh hưởng của việc thi công hố đào sâu đến toàn bộ kết cấu, học viên đã tiến hành mô phỏng 3D toàn bộ dự án trong một mô hình, qua đó, loại bỏ được các nhược điểm của mô hình 2D (Cụ thể là hiệu ứng không gian 3 chiều và hiệu ứng góc)

Hình 3.48 Mô hình tổng trong PLAXIS 3D V20

Hình 3.49 Mô hình tổng trong PLAXIS 3D – Lưới Mesh nền đất

Hình 3.50 Mô hình tổng trong PLAXIS 3D – Lưới Mesh kết cấu

3.4.2.1 Chuyển vị ngang của tường vây hố đào

Hình 3.51 Chuyển vị ngang của tường vây phía Bắc giai đoạn S5

Hình 3.54 Chuyển vị ngang của tường vây phía Nam giai đoạn S5

Hình 3.57 Chuyển vị ngang của tường vây phía Đông giai đoạn S5

Hình 3.60 Chuyển vị ngang của tường vây phía Tây giai đoạn S5

Bảng 3.11 Tổng hợp chuyển vị tường vây hố đào theo 2 phương án mô hình 2D, 3D Độ sâu đào (m) Chuyển vị (mm) Vị trí tường Mặt cắt Mô hình

Cạnh metro Tường phía Nam

Còn lại Tường phía Bắc

Tường phía Đông và Tây 3-3

14.7 18.16 Tường phía Nam Plaxis 3D Độ sâu đào (m) Chuyển vị (mm) Vị trí tường Mặt cắt Mô hình

Bảng 3.12 Tổng hợp chuyển vị tường vây hố đào theo quan trắc thực tế và mô phỏng 2D, 3D

Sai khác 3D với quan trắc (%)

Cả 4 đoạn tường vây đa số đều có kết quả chuyển vị ngang nhỏ hơn so với giá trị tương ứng trong mô hình 2D (từ 1.17% đến 25.74%) và gần với giá trị quan trắc hơn (từ 1.17% đến 30.73%) Nguyên có các vị trí sai lệch lớn (lên đến 190.56%) là do việc mô phỏng 3D của học viên chưa đánh giá được thực tế thi công tại nhà ga Ba Son khi chọn tải trọng không đổi trong suốt quá trình đào đất và do thời điểm đào và quan trắc có thể sai lệch dẫn đến các sai số lớn này

Nhìn chung, việc mô phỏng bằng mô hình 3D sẽ dự báo chính xác hơn kết quả chuyển vị ngang của tường vây khi thi công hố đào sâu Tuy nhiên, việc mô phỏng đòi hỏi thời gian, kinh nghiệm cao hơn so với mô phỏng 2D và phải mô tả đúng thực tế thi công trong không gian 3 chiều, nên việc lựa chọn mô hình nào sẽ phụ thuộc vào yêu cầu của bài toán đặt ra, cũng như khả năng mô phỏng của của người thực hiện

3.4.2.2 Chuyển vị ngang của tường nhà ga Ba Son

Hình 3.63 Chuyển vị ngang của tường vây nhà ga lân cận hố đào giai đoạn S5

Bảng 3.13 Tổng hợp chuyển vị tường vây nhà ga ngầm theo 2 phương án mô hình

2D, 3D và quan trắc thực tế

Giai đoạn thi công Độ sâu đào (m)

Chuyển vị (mm) Mặt cắt Mô hình

Sai khác 3D với quan trắc (%)

3.4.2.3 Chuyển vị của tổng thể nhà ga và 2 đường hầm metro

Hình 3.66 Kết quả chuyển vị nhà ga ngầm Ba Son giai đoạn S7

Hình 3.67 Kết quả chuyển vị tuyến metro giai đoạn S7

Theo Hình 3.66 cho thấy, giá trị chuyển vị tổng cộng của toàn bộ kết cấu nhà ga do tác động của hố đào sâu sau khi thi công là 17.77mm

Theo Hình 3.67 cho thấy, giá trị chuyển vị tổng cộng của 2 tuyến tàu điện ngầm sau khi thi công hố đào sâu là 10.33mm

Dựa trên các kết quả từ mô hình 3D, giá trị chuyển vị của tường vây hố đào sâu, tường nhà ga và 2 tuyến metro đều đảm bảo an toàn thi công.

Đánh giá ảnh hưởng của hố đào sâu đến nhà ga ngầm lân cận

3.5.1 Phân tích tương quan chuyển vị ngang tường vây hố đào với chiều sâu đào Để phân tích sâu hơn về đặc điểm chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu trong nền bùn sét kết hợp cát rời của dự án, giá trị δhm được đo đạc qua quan trắc Inclinometer cũng như phân tích qua các mô hình 2D và 3D được mô tả ứng với các độ sâu đào khác nhau của dự án trong Hình 3.68 Trong đó, các đường giới hạn của Zhang và công sự (2013b) [27], khảo sát 23 hố đào nhà ga ngầm tại Tô Châu, Clough và O’Rourke (1990) [10] khảo sát đào đất trong nền sét khắp thế giới, Tan và Wang (2013a, b) [28], [29] khảo sát hố đào sâu trong nền sét mềm Thượng Hải được kèm vào biểu đồ Trong trường hợp dự án này, cả số liệu quan trắc lẫn mô hình 3D, giá trị δhm nằm trong khoảng 0.04%He đến 0.25%He Nhiều kết quả nghiên cứu từ trong quá khứ, như nghiên cứu [20] và [28], cho rằng những nhà ga ngầm kiểu dài và nhỏ thì tường vây của nó sẽ ít bị chuyển vị hơn những nhà ga to hoặc bình thường Ở dự án này cũng đã chứng minh được điều đó, khi giá trị quan trắc cũng như mô phỏng đều nhỏ hơn các số liệu cung cấp từ [20] và [28] cũng như với hố đào bình thường ở nghiên cứu [10] Giá trị δhm nhỏ chứng tỏ biện pháp kiểm soát chuyển vị sử dụng ở dự án đã phát huy được hiệu quả tốt Ngoài ra, có thể khẳng định địa chất ở khu vực dự án đang được nghiên cứu, tại quận 1, TP.HCM, có điều kiện tốt hơn so với nền sét Thượng Hải ở nghiên cứu của Tan và Wang [28], [29] cũng như nền sét ở Tô Châu của Zhang và cộng sự [27].Và sau cùng, khi hố đào đã được hoàn thành, không có hư hỏng nào xảy ra đối với nhà ga ngầm Ba Son và đường hầm metro

Hình 3.68 Tương quan chuyển vị ngang tường vây dự án The Sun Tower và chiều sâu hố đào

3.5.2 Phân tích tương quan chuyển vị ngang tường vây nhà ga ngầm với độ sâu đào

Hình 3.69 mô tả các số liệu chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây nhà ga ngầm Ba Son theo chiều sâu hố đào trong suốt quá trình thi công dự án The Sun Theo kết quả cho thấy, các số liệu quan trắc cũng như mô phỏng 2D và 3D nằm trong các cận từ 0.07%He đến 0.11%He Giá trị này hoàn toàn bé hơn các giá trị thu được từ tường vây của hố đào dự án The Sun Tower Cụ thể, giá trị chuyển vị ngang lớn nhất của nhà ga ngầm chỉ bằng 50% so với chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây hố đào sâu ở bước thi công cuối cùng

Hình 3.69 Tương quan chuyển vị ngang tường vây nhà ga ngầm và chiều sâu hố đào

3.5.1 Phân tích tương quan chuyển vị lún xung quanh hố đào với độ sâu đào

Hình 3.70 mô tả quan hệ giữa độ sâu đào He và độ lún nền δvm tương ứng bên ngoài hố đào Trong trường hợp này, δvm nằm trong phạm vi từ 0.06%He đến 1.3%He Khác với trường hợp δhm ở Hình 3.68, giá trị δvm trong dự án này lớn hơn cận dưới 0.04%He và cận trên 0.3%He của Zhang và cộng sự [30] cũng như của Clough và O’Rourke (1990) [10] Nguyên nhân chính có thể xuất phát từ việc ngoài dự án đang được khảo sát là The Sun Tower ra, thì các khu vực lân cận cũng đang được thi công đồng thời Điều này có thể có tác động lớn đối với việc quan trắc lún các điểm xung quanh hố đào Tuy nhiên, nếu quan sát toàn bộ các điểm quan trắc, thì chỉ có 2 điểm dẫn đến kết quả này, ứng với chiều sâu đào nhỏ nhất, còn toàn bộ các thời gian còn lại thì đều thuộc biên giới hạn của Zhang và cộng sự [30] Do đó, cũng nhỏ hơn giới hạn của Clough và O’Rourke [10] cũng như Tan và Wang [28], [29].Vì vậy, cần đánh giá toàn bộ quá trình thi công cũng như các tác động bên ngoài, để có những kết luận hợp lý nhất

Hình 3.70 Tương quan chuyển vị lún nền và chiều sâu hố đào

3.5.2 Vùng lún nền ảnh hưởng bởi hố đào

Hình 3.71 Vùng ảnh hưởng độ lún nền do hố đào dự án

Nếu độ lún δv của mỗi mặt cắt khảo sát được chuẩn hóa với độ lún lớn nhất δvm của mặt cắt đó và khoảng cách từ điểm khảo sát đến hố đào d được chuẩn hóa bằng giá trị độ sâu đào He như trong hình Hình 3.71, giá trị chuẩn hóa δv/δvm sẽ được kiểm chứng với các biên từ sét cứng [10], hay sét mềm [31] và việc thi công bottom- up [28] hay top-down [29] trong nền sét mềm Thượng Hải Kết quả cho thấy, vùng ảnh hưởng lún bên ngoài hố đào ở dự án này lớn hơn so với các nghiên cứu được so sánh Một nguyên nhân có thể chỉ ra là bùn sét tại dự án đang sét yếu hơn tại các dự án được nghiên cứu trước đó Tuy rằng ở nghiên cứu [28], [29], đang xem xét các hố đào rất lớn, nhưng ở dự án này, có thể chịu ảnh hưởng từ các hố đào lân cận Đây cũng chính là nguyên nhân dẫn đến giá trị lún ở Hình 3.70, lớn hơn các nghiên cứu trước đó.

Nhận xét chương

Kết quả phân tích chuyển vị tường vây và tường nhà ga khá tương đồng với giá trị quan trắc Điều này là cơ sở đáng tin cậy cho các tính toán, đánh giá và phân tích ở chương 4

Giá trị phân tích cũng như quan trắc thực tế tuân theo các quy định của đơn vị tư vấn thiết kế và Ban quản lý đường sắt đô thị TP Hồ Chí Minh, do đó đảm bảo an toàn thi công Địa chất tại quận 1, TP Hồ Chí Minh khu vực thi công dự án có các lớp đất mặt rất yếu, gây nhiều khó khăn trong quá trình thi công Tuy nhiên, với phương án thiết kế đã được triển khai, cả hố đào sâu lẫn công trình nhà ga lân cận không bị hư hỏng trong suốt giai đoạn thi công Do đó, đây cũng là một dự án tham khảo cho các công tác thiết kế sau này, đặc biệt là thiết kế biện pháp thi công hố đào sâu lân cận các công trình công cộng

Mô hình PLAXIS 3D mô tả rõ hơn về đặc điểm chuyển vị của tường vây dưới tác dụng của hiệu ứng 3 chiều cũng như hiệu ứng góc Do đó, chuyển vị lớn nhất sẽ tập trung tại nhịp giữa của tường vây và giảm dần về 2 biên Đây là một trong những thiếu sót khi phân tích thuần bằng mô hình 2D vì sẽ không thể hiện rõ ràng bằng một mặt cắt ngang.

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU NHÀ GA NGẦM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA VIỆC THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU LÂN CẬN

Đặt vấn đề

Trước khi đánh giá cụ thể về các thông số ảnh hưởng đến kết cấu nhà ga, học viên xây dựng một loạt các mô hình PLAXIS 2D dựa trên cơ sở các thông số đã được kiểm chứng và phù hợp với quan trắc thông qua đánh giá tại chương 3 Trong đó, nền đất được mô phỏng bằng mô hình Hardening soil, hệ sàn kết cấu và hệ giằng chống được mô hình theo phần tử anchor, kết cấu nhà ga cũng như tường vây barrette sử dụng phần tử plate Giá trị độ sâu đào He được thay đổi theo đúng như thực tế thi công bao gồm 7 trường hợp từ 0.8m đến 22.4m Tương ứng với đó là giá trị D được thay đổi từ 3m đến 15m, với độ tăng là 3m Tải trọng 20 kN/m/m được sử dụng để mô tả đầy đủ về tải trọng xe đào, bãi vật tư cũng như giao thông trong suốt quá trình thi công

4.1.2 Các thông số nghiên cứu Để đạt được cái nhìn tổng quát và rõ ràng về ứng xử của kết cấu nhà ga trong quá trình thi công hố đào lân cận, kết quả các mô hình PLAXIS 2D được dùng để đánh giá các thông số của nhà ga bao gồm :

− Chuyển vị của toàn bộ kết cấu

− Nội lực trong kết cấu tường

− Chuyển vị lệch giữa 2 thanh ray

− Hiệu ứng rào cản của kết cấu nhà ga

Chuyển vị của các bộ phận kết cấu nhà ga ngầm

4.2.1 Các thông số đánh giá Để đánh giá ứng xử kết cấu của các ga tàu điện ngầm đối với các hố đào liền kề, các thông số sau được sử dụng như sau :

- (1) Độ lệch chuyển vị đứng của sàn nhà ga, Δ1, bằng hiệu chuyển vị phương giữa 2 điểm bên trái và phải của sàn

- (2) góc xoay sàn nhà ga, ωr, bằng giá trị của Δ1 chia cho chiều rộng B của sàn nhà ga (B = 20.65m đối với nhà ga Ba Son trong nghiên cứu này)

- (3) Độ lệch chuyển vị ngang của cột nhà ga, Δ2, bằng hiệu chuyển vị phương giữa 2 điểm bên trên và dưới của cột

- (4) góc xoay của cột nhà ga, α, bằng giá trị của Δ2 chia cho chiều cao H của cột (H = 14.6 m đối với nhà ga Ba Son trong nghiên cứu này)

Hình 4.1 Các thông số đánh giá chuyển vị của kết cấu nhà ga ngầm

4.2.2 Phân tích quan hệ giữa chuyển vị kết cấu nhà ga ngầm với tỷ số D/H e

Tiến hành mô phỏng 6 trường hợp thay đổi khoảng cách giữa hố đào dự án The Sun Tower với nhà ga ngầm metro, tương ứng với các độ sâu đào thực tế của dự án, được trình bày theo bảng sau:

Bảng 4.1 Tổng hợp các giá trị D và H e phân tích

Khoảng cách giữa hố đào và nhà ga ngầm D (m)

STT Bước thi công Độ sâu đào H e (m)

Khoảng cách giữa hố đào và nhà ga ngầm D (m)

STT Bước thi công Độ sâu đào H e (m)

2 5.35 (Thực tế thi công) 2 Đào đến cao độ

7 Đào đến cao độ -24.200 (Đáy móng) 22.4

Hình 4.2 Quan hệ giữa tỷ số D/H e với chỉ số ω r

Hình 4.3 Quan hệ giữa tỷ số D/H e với chỉ số α Ở Hình 4.2, ta thấy rằng các giá trị dương của ωr biểu thị các chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ của kết cấu sàn nhà ga và ngược lại, các giá trị âm biểu thị các chuyển động quay cùng chiều kim đồng hồ của kết cấu sàn nhà ga Khi hố đào rất gần nhà ga (ví dụ trường hợp D/He < 0.7 cho He = 22.4m), kết cấu sàn nhà ga ngầm sẽ chuyển vị theo hướng cùng chiều kim đồng hồ Và khi tăng giá trị D, kết cấu sàn nhà ga sẽ đổi sang hướng ngược chiều kim đồng hồ Tuy nhiên, với giá trị D rất lớn (ví dụ trường hợp D/He > 12 cho D m), hướng chuyển vị sẽ trở lại theo hướng cùng chiều kim đồng hồ Hiện tượng này trùng khớp với biểu đồ lún dạng lõm của nền đất xung quanh hố đào Tức là, khi giá trị D càng tăng, độ lún sẽ tăng theo đến một giá trị cực đại, sau đó giảm dần Kết quả này khá tương đồng với nghiên cứu của Liao (2015) [5] , khi quy luật chuyển vị của kết cấu sàn nhà ga bị ảnh hưởng bởi độ lún xung quanh hố đào ở dạng đường lõm Ở Hình 4.3, ta thấy rằng các giá trị α biểu thị hoàn toàn ngược lại so với giá trị ωr, α < 0 ứng với chuyển vị ngược chiều kim đồng hồ của kết cấu cột nhà ga và ngược lại, α > 0 ứng với chuyển vị cùng chiều kim đồng hồ của kết cấu cột nhà ga Kết quả này hoàn toàn khác biệt với những nghiên cứu của Liao (2015) [5], khi cả 2 giá trị ωr và α đều biểu thị 1 hướng chuyển động duy nhất của hướng nhà ga Do đó, chuyển vị xoay của nhà ga không những phụ thuộc vào tỉ số D/He, mà còn phụ thuộc vào hình dạng cũng như đặc điểm riêng biệt của các loại kết cấu nhà ga Cụ thể, ở dự án nhà ga ngầm Ba Son được nghiên cứu, hướng chuyển vị của hệ cột và sàn nhà ga hoàn toàn đối nghịch nhau

4.3 Biến dạng cắt của toàn bộ kết cấu nhà ga ngầm

Dựa theo Hình 4.4 và Hình 4.5, ta thấy dạng chuyển vị cũng như moment xuất hiện do hố đào lân cận có dạng hình chữ chữ S Tại các vị trí cột nhà ga sẽ có bước nhảy về moment và giá trị moment tại vị trí xa hố đào có khuynh hướng tăng moment âm, ngược lại với vị trí gần hố đào có khuynh hướng gia tăng moment dương Tuy nhiên, đối với cột, chuyển vị cũng như moment gia tăng có dạng đường thẳng và giá trị thay đổi không khác biệt nhiều Cho thấy cột nhà ga hầu như cứng hơn và biến dạng rất ít so với sàn nhà ga Ngoài ra, do hướng chuyển vị của 2 cấu kiện này cũng khác nhau như đã phân tích ở mục 4.2 và 2 cấu kiện này liên kết với nhau, nên sẽ xuất hiện biện dạng cắt đối với tổng thể kết cấu nhà ga Để biểu diễn cho biến dạng này, ta sử dụng giá trị sau : β = α - ωr

Hình 4.4 Độ gia tăng chuyển vị đứng của sàn nhà ga trước và sau khi đào đến đáy hố đào

Hình 4.5 Độ gia tăng moment uốn của sàn nhà ga trước và sau khi đào đến đáy hố đào

Hình 4.6 Độ gia tăng chuyển vị ngang của cột nhà ga trước và sau khi đào đến đáy hố đào

Hình 4.7 Độ gia tăng moment uốn của cột nhà ga trước và sau khi đào đến đáy hố đào

Hình 4.8 Quan hệ giữa tỷ số D/H e với giá trị β = α - ω r

Qua biểu đồ Hình 4.8, ta thấy có sự tương đồng với biểu đồ Hình 4.3, tức là xu hướng tăng giảm của các giá trị β và α Với giá trị D < 6m và D/ He < 0.15-0.3, giá trị β dương khi He < 8.15m (Đào xuống B2) và âm khi He tăng dần, tương tự khi

D > 6m và D/He > 1.5, giá trị β dương khi He < 5.8m (Đào xuống B1) và âm khi He tăng dần Khi đáy hố đào sâu hơn điểm giữa của nhà ga ngầm, Hc (~ 11.35m trong dự án và nghiên cứu này), nền đất xung quanh sẽ có xu hướng di chuyển về phía nhà ga (Hình 4.9a), gây ra chuyển vị cắt ngược chiều kim đồng hồ của nhà ga ngầm Với sự gia tăng giá trị He, ảnh hưởng cắt trở nên rõ ràng khi chuyển vị ngang của tường nhà ga có dạng hình thang vuông (Hình 4.9a) Tuy nhiên, khi giá trị He chưa vượt qua Hc thì ảnh hưởng sẽ ít hơn Ví dụ, khi He = 11.4m, chỉ hơn giá trí Hc một chút, hầu như ta khó nhận ra được hiệu ứng cắt khi chuyển vị của tường nhà ga có dạng hình chữ nhật (Hình 4.9b) Chỉ số β khi He = 11.4m, có giá trị khoảng 10 x 10 -5 cho D/He < 0.65 và giảm nhanh chóng về 0 khi D/He giảm xuống 0.3, sau đó giảm mạnh đến -27 x 10 -5 khi D/He tiếp tục giảm xuống 0.25 Điều này khá tương đồng với nghiên cứu của Liao (2015) [5], khi khoảng cách hố đào càng tăng thì sẽ kéo theo giá trị β tăng và ngược lại Đối với các trường hợp khi He > Hc, chỉ số β đều có giá trị âm và giảm dần cho ứng cho tất cả các trường hợp giá trị D đang khảo sát Khi giá trị D giảm, giá trị β lại phục hồi và tăng dần Điều này cho thấy, chuyển vị nền xung quanh nhà ga metro gây ra bởi hố đào lân cận sẽ giảm khi tăng dần giá trị D tức là ảnh hưởng của hố đào sẽ giảm dần khi khoảng cách tăng lên, và chuyển vị xoay của nhà ga sẽ có khuynh hướng ngược chiều kim đồng hồ khi giá trị He > Hc

Hình 4.9 Vector hướng chuyển vị của nền đất và kết cấu nhà ga a) D = 5.35m, H e = 22.4m, b) D = 5.35m, H e = 11.4m

Độ lệch chuyển vị của đường ray

Hình 4.10 Định nghĩa chuyển vị của sàn và đường ray nhà ga

Như mô tả ở Hình 4.10, chỉ số xoay đại diện cho độ lệch chuyển vị của đường ray tuyến metro của tuyến phía Tây ωW và tuyến phía Đông ωE được định nghĩa như sau:

Trong đó, ΔW và ΔE = độ lệch chuyển vị của tuyến phía Tây và phía Đông, Bt

= 1435 mm, là chiều dài đường sắt chuẩn của tuyến metro trong nghiên cứu này

Hình 4.11 mô tả quan hệ giữa tỷ số D/He với ωW và ωE, trong đó giá trị của 2 thông số ωW và ωE được cho là dương nếu đường ray chuyển vị quay theo chiều kim đồng hồ và âm khi quay ngược lại Ta thấy rằng có sự tương đồng về hình dạng biểu đồ giữa Hình 4.11 và Hình 4.2, chỉ khác biệt về độ lớn khi giá trị ωR gấp khoảng 1000 lần so với 2 giá trị ωW và ωE Điều này có nghĩa rằng chuyển vị cục bộ tại đường ray sẽ chuyển vị tương tự như sàn đáy của nhà ga nhưng với mức độ nhỏ hơn rất nhiều, cụ thể là khoảng 1000 lần

Hình 4.11 cũng cho thấy rằng, đường ray phía Đông – nằm gần hố đào sâu, sẽ bị ảnh hưởng nhiều hơn đường ray phía Đông khi có giá trị ωW gấp 2 lần so với giá trị ωE khi xem xét cùng 1 tỷ số D/He Điều này chứng minh rằng chuyển vị cục bộ của sàn nhà ga sẽ ảnh hưởng bởi hố đào lân cận nhiều hơn khi vị trị của nó gần hố đào hơn

Hình 4.11 Quan hệ giữa tỷ số D/H e với giá trị ω E và ω W

Nội lực của kết cấu nhà ga ngầm

Hình 4.12 Moment kết cấu nhà ga: a) Trước khi đào b) Sau khi đào

Hình 4.12 mô tả moment uốn của nhà ga metro hiện hữu, trước và sau khi có hố đào lân cận Trong đó, không xét tải Giá trị moment có tăng khi hố đào được thi công nhưng hình dạng biểu đồ không thay đổi nhiều, đặt biệt là các vị trí moment lớn nhất và nhỏ nhất (Mặt cắt A và B ở Hình 4.12) 2 mặt cắt này đều ở phía xa của hố đào Mặt cắt A đi qua tường và gần sàn đáy của nhà ga, nơi có moment lớn nhất (ở cao độ -14.125m) Mặt cắt B thì đi qua điểm nối giữa sàn mái và tường nhà ga (ở cao độ -4.05m), nơi có moment bé nhất của tường nhà ga

Hình 4.13 và Hình 4.14 mô tả quan hệ giữa giá trị moment M và D/He cho 2 mặt cắt A và B, mà ta thấy được rằng, 2 biểu đồ có dạng logarit Khác với nghiên cứu của Liao (2015) [5], 2 mặt cắt này có sự khác nhau về khuynh hướng gia tăng độ lớn của giá trị moment M Đối với mặt cắt A với giá trị He = 11.4m, giá trị moment nhỏ hơn giá trị ban đầu khi D/He > 0.8 và tăng nhảy vọt khi D/He ≤ 0.8 Còn đối với mặt cắt B với giá trị He = 11.4m, giá trị moment lớn hơn giá trị ban đầu khi D/He > 0.8 và giảm nhanh chóng khi D/He ≤ 0.8 Đối với giá trị D càng nhỏ và He lớn, sự tăng giảm sẽ còn rõ ràng hơn

Hình 4.13 Quan hệ giữa tỷ số D/H e và moment kết cấu nhà ga tại mặt cắt A

Hình 4.14 Quan hệ giữa tỷ số D/H e và moment kết cấu nhà ga tại mặt cắt B

Bằng cách kết hợp Hình 4.3 và Hình 4.13, Hình 4.14, ta nhận thấy sự phát triển của giá trị α có sự tương đồng với sự phát triển của giá trị moment M của tường nhà ga Vì vậy, ta tiến hành phát triển quan hệ giữa độ tăng moment ΔM và giá trị α Kết quả được thể hình ở Hình 4.15 và Hình 4.16, và quan hệ trên có thể mô tả bằng

1 loạt các công thức sau : Đối với mặt cắt A :

Công thức trên rất hữu dụng cho người kỹ sư để ước lượng giá trị gia tăng moment của tường nhà ga khi có hố đào lân cận

Hình 4.15 Quan hệ giữa moment kết cấu nhà ga tại mặt cắt A và giá trị α

Hình 4.16 Quan hệ giữa moment kết cấu nhà ga tại mặt cắt B và giá trị α

Tương tự các phân tích và đánh giá về nội lực cột nhà ga, giá trị gia tăng moment sàn nhà ga cũng có quy luật theo giá trị α được thể hiện như sau: Đối với mặt cắt C :

Về lý thuyết, độ gia tăng moment sàn nhà ga sẽ tạo nên tương quan đối với giá trị ωr Tuy nhiên, học viên không tìm được mối quan hệ tương ứng, lý do có thể giải thích bởi sự đổi chiều nhiều lần của hướng chuyển vị sàn nhà ga dưới tác dụng của hố đào Do đó, khó có thể tạo mối quan hệ với giá trị moment tương ứng Còn với giá trị α, sự chuyển vị của cột nhà ga chỉ thay đổi từ ngược chiều sang cùng chiều kim đồng hồ ứng với toàn bộ giá trị D theo sự gia tăng của chiều sâu đào He Do đó, việc thiết lập tương quan sẽ rõ ràng hơn và việc theo dõi chuyển vị của cột để đánh giá moment sàn cũng có thể quan trắc dễ dàng hơn

Hình 4.17 Quan hệ giữa moment kết cấu nhà ga tại mặt cắt C và giá trị α

Hình 4.18 Quan hệ giữa moment kết cấu nhà ga tại mặt cắt D và giá trị α

Hiệu ứng rào cản của nhà ga ngầm hiện hữu

Hình 4.19 mô tả chuyển vị ngang của tường vây hố đào sâu 22.4m với nhà ga ngầm lân cận Ta thấy rằng chuyển vị ngang của tường cạnh nhà ga, δhc, sẽ có độ lớn bé nhiều khi không có nhà ga lân cận, δh0 Sự khác biệt này có thể do hiệu ứng rào cản gây ra bởi kết cấu nhà ga, khi nó làm tăng độ cứng của nền đất bên ngoài hố đào

Giá trị δhc tăng lên δh0 khi không có nhà ga, và sẽ biến mất nếu khi khoảng cách D tăng đến khi việc có mặt của nhà ga không còn nằm trong vùng ảnh hưởng của hố đào nữa Tuy nhiên, hình dạng chuyển vị của tường cũng như vị trí chuyển vị lớn nhất sẽ không thay đổi bởi hiệu ứng rào cản cũng như khi tăng và giảm giá trị D Vị trí chuyển vị lớn nhất luôn nằm ở đáy hố đào

Hình 4.19 Chuyển vị ngang của tường vây hố đào

Ngược lại với chuyển vị ngang của tường vây, chuyển vị lún nền đất quanh hố đào thì phụ thuộc rất nhiều vào hiệu ứng rào cản cũng như khoảng cách D, cụ thể hiệu ứng rào cản sẽ chia vùng lún nền quanh hố đào ra thành 2 vùng như Hình 4.21

Trong đó, vùng lún 1 nằm giữa hố đào và nhà ga ngầm, vùng lún 2 nằm phía bên kia nhà ga ngầm Đối với vùng lún 1, luôn là hình dạng lõm với mọi trường hợp Còn với vùng lún 2 khi giá trị D tăng đến khoảng 2.25He, hình dạng vùng lún từ lõm sang dạng tam giác Đặc biệt khi giá trị D > 6 m, hình dạng này Sự thay đổi hình dạng của vùng lún 2 được cho là do sự đổi chiều xoay của nhà ga ngầm khi tăng dần giá trị D Nhìn chung, độ lớn của vùng lún 2 lớn hơn vùng 1, nhưng cả 2 đều bé hơn trường hợp không có nhà ga bên cạnh

Hình 4.20 Biến dạng của hố đào lân cận và nền đất xung quanh

Hình 4.21 Phân vùng lún khu vực nhà ga metro Để làm rõ hơn hiệu ứng rào cản của nhà ga ngầm hiện hữu, Hình 4.22 mô tả chuyển vị ngang lớn nhất, δhm, và độ sâu đào lớn nhất He Kết quả cho thấy, hiệu ứng rào cản sẽ càng rõ ràng khi áp dụng với độ sâu đào He càng lớn Cụ thể, ứng với D 5.35m, δhm của tường vây cạnh nhà ga ngầm với He = 11.4, 14.7, 18.8, và 22.4m tương ứng là 15.89, 18.56, 20.92, 32.87 mm, chỉ bằng khoảng 65.91% so với tường hợp không có nhà ga ngầm lân cận δhm0 Giá trị δhm tăng dần và tiến tới giá trị δhm0 khi tăng giá trị D Cụ thể, tại giá trị He = 22.4m, khi D = 5.35, 9, 12, 15 thì giá trị δhm tương ứng là 65.91, 65.69, 68.02, 72.59% của giá trị δhm0 Điều này cho thấy ảnh hưởng của giá trị He lên hiệu ứng rào cản sẽ giảm khi D giảm

Hình 4.22 Quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây hố đào và độ sâu đào

Hình 4.23 mô tả quan hệ giữa độ lún nền lớn nhất δvm, và giá trị He Giá trị độ lún khi không có nhà ga bên cạnh xấp xỉ 0.36 – 0.63%He, với giá trị trung bình là 0.49%He Khi có nhà ga bên cạnh, độ lún tại vùng lún 1 xấp xỉ 0.22 – 0.38%He, với giá trị trung bình là 0.30%He cho các trường hợp D ≤ 6m Giá trị δvm ở vùng lún 2 nằm trong khoảng (-0.04) – (-0.08) %He, với giá trị trung bình là -0.06%He Điều này cho thấy sự có mặt của nhà ga ngầm có thể giới hạn giá trị độ lún bên cạnh hố đào

Hình 4.23 Quan hệ giữa chuyển vị lún lớn nhất của nền đất và độ sâu đào

Hình 4.24, Hình 4.25, Hình 4.26 và Hình 4.27 mô tả vùng biến dạng quanh hố đào trong 4 trường hợp bao gồm:

− Có nhà ga ngầm và lối đi ngầm

− Có nhà ga ngầm và không có lối đi ngầm

− Không có nhà ga ngầm và có lối đi ngầm

− Không có nhà ga ngầm và không có lối đi ngầm

Ta thấy vùng lún xung quanh hố đào hoàn toàn bị cản lại bởi nhà ga và lối đi ngầm, do độ cứng của 2 kết cấu này Cụ thể ở Hình 4.24 và Hình 4.25, phía bên trái hố đào khu vực có nhà ga ngầm, chuyển vị lớn nhất chỉ nằm trong vùng 12-24mm, trừ khu vực khai báo tải trọng đường giao thông Ngược lại, ở Hình 4.26 và Hình 4.27, vùng chuyển vị là đối xứng nhau ở 2 bên hố đào, và vùng bên trái hố đào chuyển vị lớn nhất đã nằm ở vùng 35-47mm, lớn gấp 2 – 3 lần so với trường hợp có nhà ga ngầm

Hình 4.24 Vùng chuyển vị xung quanh hố đào dự án The Sun Tower (1)

Tiêu đề	Phân tích đánh giá ảnh hưởng của việc thi công hố đào sâu đến nhà ga metro lân cận
Tác giả	Nguyễn Hoàng Trọng Hiếu
Người hướng dẫn	PGS.TS Lê Bá Vinh
Trường học	Đại học Quốc gia Tp. HCM
Chuyên ngành	Địa kỹ thuật xây dựng
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	131
Dung lượng	6,69 MB