Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ảnh hưởng của phương án thi công hầm đôi và hầm đơn đất nền và công trình lân cận

Phân tích trường véc tơ biến dạng xuất hiện trong khối đất xung quanh hầm mặt cắt tròn trong một môi trường đồng nhất, đẳng hướng, từ sự tạo thành hang có thể nhận xét sau: Biến dạng nén

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-o0o -

NGUYỄN VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG ÁN THI CÔNG HẦM ĐÔI VÀ HẦM ĐƠN LÊN ĐẤT NỀN VÀ CÔNG TRÌNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐỖ THANH HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Lê Bá Khánh

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Việt Tuấn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, ngày 05 tháng 01 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 PGS.TS Võ Phán

2 TS Nguyễn Mạnh Tuấn3 TS Lê Bá Khánh4 TS Nguyễn Việt Tuấn5 PGS.TS Võ Ngọc Hà

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập –Tự do - Hạnh phúc

- o0o

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN VĂN TUẤN Ngày sinh : 10/02/1987

0669Nơi sinh : Vĩnh Phúc Chuyên nghành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình Ngầm MS1- TÊN ĐỀ TÀI

“Nghiên cứu ảnh hưởng của phương án thi công hầm đôi và hầm đơn lên đất nền và công trình lân cận”

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Mở đầu Chương 1 Tổng quan về ảnh hưởng của thi công đường hầm metro lên đất nền và công

Tp HCM, ngày 04 Tháng 12 năm 2016

BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS ĐỖ THANH HẢI PGS.TS LÊ BÁ VINH PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM

Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô ở bộ môn Địa cơ nền móng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt quá trình học, giúp em có đầy đủ những kiến thức để phục vụ cho việc học tập nghiên cứu

Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy TS Đỗ Thanh Hải đã hướng dẫn và giúp

em có những định hướng tốt cho luận văn, hỗ trợ nhiều tài liệu, kiến thức quý báu trong suốt quá trình thực hiện đề tài Với sự chỉ bảo tận tình, thầy đã dạy dỗ và trang bị cho em những kiến thức không chỉ trong phạm vi luận văn mà cả trong phương pháp nghiên cứu, định hướng nghiên cứu tiếp theo và phương pháp làm việc sau này

Cuối cùng Em xin chân thành cảm ơn đến gia đình, người thân & bạn bè đã giúp đỡ để luận văn được hoàn thành

Một lần nữa Em xin gửi tới Quý Thầy, Cô và gia đình lời biết ơn sâu sắc nhất!

TP HCM, ngày 04 Tháng 12 năm 2016

Học viên

Nguyễn Văn Tuấn

TÓM TẮT LUẬN VĂN Tên đề tài:

Nghiên cứu ảnh hưởng của phương án thi công hầm đôi và hầm đơn lên đất nền và công trình lân cận

Tóm tắt:

Hiện nay, hệ thống Metro trong giao thông đô thị là xu hướng tất yếu của các nước phát triển, nó giúp các thành phố hiện đại giải quyết được những bức xúc trong giao thông đô thị Việc đánh giá mức độ ảnh hưởng của các biện pháp thi công hầm Metro đối với các công trình lân cận trong khu vực thành phố là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho các công trình xung quanh Việc đánh giá lựa chọn phương án thi công phù hợp rất quan trọng Do đó, Luận văn tập trung nghiên cứu đánh giá tìm ra chiều sâu chôn hầm hợp lý, so sánh mức độ ảnh hưởng phương án hầm đơn và hầm đôi với công trình lân cận

Kết quả phân tích mô phỏng tính toán bằng Plaxis 2D và 3D cho thấy độ lún trên công trình lân cận do thi công hầm đôi tuy lớn hơn so với hầm đơn nhưng giá trị độ lún lớn nhất là 1.3mm trong 3D và 16.6mm trong 2D, không ảnh hưởng tới kết cấu công trình Tuy bề ngang ảnh hưởng tới lún bề mặt của hầm đôi lớn hơn hầm đơn nhưng giá trị độ lún bề mặt lại nhỏ hơn Nội lực trong vỏ hầm của phương án hầm đôi cũng nhỏ hơn so với hầm đơn Tuy hầm đôi có trình tự thi công dài, nhiều bước hơn nhưng với điều kiện vùng đô thị cần phải kiểm soát tối đa ảnh hưởng công trình lân cận thì phương án hầm đôi là hợp lý

The analytical results in 2D and 3D Plaxis showed that the vertical ground displacement of twin tunnel were greater than single tunnel However, this settlement were not too affect the vicinity building with the maximum value were 1.3mm and 16.6mm in 3D model and 2D model Thus, in preventing the effect of vicinity building in urban city, it is suggested that the twin tunnel were selected

Qua quá trình nghiên cứu, tôi cam đoan thực hiện những thực hiện những yêu cầu về nội dung đã đặt ra là trung thực và được thực hiện trên cơ sở tổng hợp lý thuyết kết hợp với

thực nghiệm dưới sự hướng dẫn của TS Đỗ Thanh Hải Hình thức luận văn được trình bày

đầy đủ các nội dung yêu cầu Các số liệu, cơ sở tính toán đều được chú thích và trích dẫn đầy đủ nguồn gốc tài liệu một cách khách quan và chính xác

Một lần nữa tôi xin khẳng định được sự trung thực của đề tài và hoàn toàn chịu trách nghiệm với những lời cam kết trên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM LÊN

ĐẤT NỀN VÀ CÔNG TRÌNH LÂN CẬN 1

1.1 Sự tác động tương hỗ giữa kết cấu ngầm và nền đất – Lực kháng đàn hồi 1

1.1.1 Cơ chế tác động tương hỗ giữa kết cấu ngầm với nền đất 1

1.1.2 Lực kháng đàn hồi – Hệ số lực kháng đàn hồi 2

1.1.3 Phương pháp xác định Hệ số lực kháng đàn hồi 5

1.2 Sự hình thành biến dạng và tác động của nó đến các công trình lân cận 9

1.2.1 Biến dạng nền đất 9

1.2.2 Ảnh hưởng của biến dạng mặt đất đến các công trình xây dựng gần kề 14

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN DO THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM GÂY RA TRÊN ĐẤT NỀN VÀ CÔNG TRÌNH LÂN CẬN 17

2.1 Dự đoán sự dịch chuyển đất nền gây ra bởi đường hầm 17

2.1.1 Phương pháp kinh nghiệm 17

2.1.2 Phương pháp lý thuyết 25

2.1.3 Phân tích số học 26

2.2 Độ lún gây ra bởi đường hầm đôi 26

2.2.1 Tương tác của các đường hầm đôi song song 26

2.2.2 Phương pháp chồng chất bỏ qua sự tương tác 27

2.2.3 Độ lún đất nền do sự tương tác 28

2.3 Tình hình ứng dụng hầm đơn và hầm đôi trên thế giới 30

2.4 Lựa chọn máy thi công – Tính toán ổn định khi thi công hầm: 33

2.4.1 Lựa chọn máy thi công hầm 33

2.4.2 Tính toán ổn định khi thi công hầm 36

CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SO SÁNH PHƯƠNG ÁN THI CÔNG HẦM ĐƠN VÀ HẦM ĐÔI 41

3.1 Bài toán hầm đơn 2 làn xe 41

3.1.1 Bài toán 1 : Xác định độ sâu đặt hầm đơn hợp lý 41

3.1.2 Bài toán 2: Kiểm tra ảnh hưởng của công trình ngầm đến công trình trên mặt đất 56

3.2 Bài toán hầm đôi (2 hầm đơn song song) 62

3.2.1 Bài toán 1: Xác định độ sâu đặt hầm đơn hợp lý 62

3.2.2 Bài toán 2: Kiểm tra ảnh hưởng của công trình ngầm đến công trình trên mặt đất 75

3.3 Bài toán hầm đơn 2 làn xe – Mô hình 3D 82

3.3.1 Mô hình bài toán 83

3.3.2 Kết quả bài toán 88

3.4 Bài toán 2 hầm đơn nằm ngang – Mô hình 3D 89

3.4.1 Mô hình bài toán 89

3.4.2 Kết quả bài toán 93

Bảng 1.1 Bảng tra hệ số k theo đặc trưng đất nền theo Phương pháp thiết kế và tính toán móng

nông 6

Bảng 1.2 Bảng tra hệ số k theo đặc trưng đất nền theo Tiêu chuẩn xây dựng TCXDVN 205:1998 và Qui trình 22TCN18-79 6

Bảng 1.3 Bảng tra hệ số k theo Phương pháp J.E BOWLES 7

Bảng 1.4 Bảng tra các giá trị theo Terzaghi 7

Bảng 1.5 Bảng giá trị µ theo Vesic 8

Bảng 1.6 Phân nhóm hư hỏng của các công trình trên mặt đất 15

Bảng 1.7 Phân nhóm hư hỏng của các công trình trên mặt đất 15

Bảng 2.1 Sự phát triển độ lún với từng loại đất 21

Bảng 2.2 Giá trị thể tích mất mát đề xuất 25

Bảng 2.3: Thông số của đất 28

Bảng 3.1 Thông số vật liệu vỏ hầm 42

Bảng 3.2 Thông số địa chất của công trình 43

Bảng 3.3 Kết quả phân tích lún bề mặt tại các độ sâu đặt hầm 50

Bảng 3.4 Tổng hợp kết quả bài toán hầm đơn 52

Bảng 3.5 Thông số vật liệu vỏ hầm 57

Bảng 3.6 Thông số vật liệu của bản sàn và móng, cọc, cột 57

Bảng 3.7 Số liệu địa chất của công trình 57

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Biểu đồ chuyển vị của trục vỏ hầm; Biểu đồ lực kháng đàn hồi; Vùng bong 1

Hình 1.2 Thuyết biến dạng chung 2

Hình 1.3 Mô hình Winkler 2

Hình 2.1 Mô hình máng lún khi thi công hầm 18

Hình 2.2 Mặt cắt ngang máng lún 19

Hình 2.3 Mặt cắt dọc theo máng lún 20

Hình 2.4 Lún dọc trục khi đào mở và đào kín 21

Hình 2.5 Chuyển vị ngang bề mặt, ứng suất theo phương ngang cùng rãnh lún 22

Hình 2.6 a) Vector chuyển vị hướng vào tâm hầm; b) Vector chuyển vị hướng xuống dưới tâm hầm 22

Hình 2.7 Liên hệ giữa thể tích mất mát và thể tích rãnh lún trong đất rời 24

Hình 2.8: Mô hình đường hầm đôi để phân tích FEM 28

Hình 2.9: So sánh độ lún mặt đất hầm đơn và hầm đôi 29

Hình 2.10: So sánh các chuyển vị ngang của đất (Kết quả FEM) 30

Hình 2.11 Kiểu hầm đơn hai làn xe 31

Hình 2.12 Hình ảnh hầm đơn có hai làn xe trên thực tế 31

Hình 2.13 Kiểu hầm đôi nằm ngang 32

Hình 2.14 Tuyến hầm đôi nằm ngang tại châu Âu 33

Hình 2.15 Khiên đào cân bằng áp lực vữa 34

Hình 2.16 Sơ đồ khiên đào cân bằng áp lực vữa 34

Hình 2.17 Khiên đào cân bằng áp lực đất 35

Hình 2.18 Sơ đồ khiên đào cân bằng áp lực đất 35

Hình 2.19 Phá hoại đất nền trước mặt gương đào 36

Hình 2.20 Kết quả của việc áp lực gương đào không đủ 37

Hình 2.21 Mô hình của Horn (1961) và Anagnostou & Kovári (1996) 39

Hình 2.22 Mô hình của Piaskowski & Kowalewski 40

Hình 3.1 Mặt cắt ngang hầm đơn hai làn xe 41

Hình 3.2 Mô hình kết cấu vỏ hầm 42

Hình 3.3 Lưu đồ giải bài toán 43

Hình 3.4 Biên làm việc của bài toán 44

Hình 3.5 Thông số vật liệu vỏ hầm 44

Hình 3.6 Khai báo thông số tiết diện hầm 45

Hình 3.7 Mô hình bài toán 45

Hình 3.8 Chia lưới bài toán 46

Hình 3.9 Mực nước ngầm cách mặt đất tự nhiên 2m 46

Hình 3.10 Ứng suất ban đầu trong nền đất 47

Hình 3.11 Kích hoạt hầm 48

Hình 3.12 Khai báo Cluster Dry 48

Hình 3.13 Áp lực nước khi đã khai báo Cluster Dry 49

Hình 3.14 Khai báo độ giảm thể tích đào ở tâm hầm 49

Hình 3.15 Kết quả lún bề mặt tại các độ sâu z 50

Hình 3.16 Chuyển vị theo phương ngang vỏ hầm 51

Hình 3.17 Chuyển vị theo phương đứng vỏ hầm 51

Hình 3.18 Quan hệ độ sâu chôn hầm và chuyển vị ngang 52

Hình 3.19 Quan hệ độ sâu chôn hầm và chuyển vị đứng 53

Hình 3.20 Lực dọc vỏ hầm 54

Hình 3.21 Moment uốn vỏ hầm 54

Hình 3.22 Quan hệ độ sâu chôn hầm và lực dọc 55

Hình 3.23 Quan hệ độ sâu chôn hầm và Moment 55

Hình 3.24 Mặt cắt ngang hầm đơn 56

Hình 3.25 Mô hình bài toán hầm đơn 58

Hình 3.26 Kích hoạt công trình xung quanh 59

Hình 3.27 Kích hoạt hầm 59

Hình 3.28 Khai báo Cluster Dry 60

Hình 3.29 Áp lực nước sau khi đã khai báo Cluster dry 60

Hình 3.30 Khai báo độ giảm thể tích đào ở tâm hầm 61

Hình 3.31 Ảnh hưởng khi thi công hầm đến công trình lân cận 61

Hình 3.32 Chuyển vị các điểm trong công trình 62

Hình 3.33 Mặt cắt ngang hầm đôi đặt nằm ngang 63

Hình 3.34 Biên làm việc của bài toán 64

Hình 3.35 Thông số vật liệu vỏ hầm 64

Hình 3.36 Khai báo thông số tiết diện hầm 65

Hình 3.37 Mô hình bài toán 65

Hình 3.38 Chia lưới bài toán 66

Hình 3.39 Mực nước ngầm cách mặt đất tự nhiên 2m 66

Hình 3.40 Ứng suất ban đầu trong nền đất 67

Hình 3.41 Kích hoạt hầm 68

Hình 3.42 Khai báo Cluster Dry 68

Hình 3.43 Áp lực nước khi đã khai báo Cluster Dry 69

Hình 3.44 Khai báo độ giảm thể tích đào ở tâm hầm 69

Hình 3.45 Chuyển vị ngang của vỏ hầm (độ sâu đặt hầm: 20m) 70

Hình 3.46 Chuyển vị đứng của vỏ hầm (độ sâu đặt hầm: 20m) 70

Hình 3.47 Lún bề mặt tại các độ sâu chôn hầm Z 71

Hình 3.48 Quan hệ độ sâu chôn hầm và chuyển vị đứng 72

Hình 3.49 Quan hệ độ sâu chôn hầm và lực dọc 72

Hình 3.50 Quan hệ độ sâu chôn hầm và Moment 73

Hình 3.51 So sánh độ lún mặt đất 73

Hình 3.52 So sánh lực dọc trong vỏ hầm 74

Hình 3.53 So sánh Moment trong vỏ hầm 74

Hình 3.54 Mặt cắt ngang hầm đôi 75

Hình 3.55 Mô hình bài toán hầm đôi 76

Hình 3.56 Kích hoạt các công trình xung quanh 77

Hình 3.57 Kích hoạt hầm trái 78

Hình 3.58 Khai báo Cluster Dry 78

Hình 3.59 Áp lực nước sau khi đã khai báo Cluster dry 79

Hình 3.60 Kích hoạt hầm phải 79

Hình 3.61 Khai báo Cluster Dry 80

Hình 3.62 Áp lực nước sau khi đã khai báo Cluster dry 80

Hình 3.63 Khai báo độ giảm thể tích đào ở tâm hầm 81

Hình 3.64 Ảnh hưởng khi thi công hầm đến công trình lân cận 81

Hình 3.65 Chuyển vị tại các điểm nằm trên sàn tầng hầm 82

Hình 3.66 Mô hình 3D hầm đơn 2 làn xe 83

Hình 3.67 Tạo lưới mô hình 3D 83

Hình 3.68 Tạo lưới mô hình 3D 84

Hình 3.69 Kích hoạt công trình lân cận 85

Hình 3.70 Mô hình 3D khi kích hoạt công trình 85

Hình 3.71 Kích hoạt đoạn hầm 1 – Slice 1 86

Hình 3.72 Mô hình 3D - Kích hoạt đoạn hầm 1 86

Hình 3.73 Khai báo giảm thể tích ở tâm hầm 87

Hình 3.74 Khai báo áp lực gương đào 87

Hình 3.75 Kết quả bài toán 88

Hình 3.76 Chuyển vị của các điểm nằm trên sàn tầng hầm 88

Hình 3.77 Mô hình 3D – 2 hầm đơn song song 89

Hình 3.78 Tạo lưới mô hình 3D 89

Hình 3.79 Trình tư phase thi công hầm 90

Hình 3.80 Kích hoạt công trình trong slice 3 91

Hình 3.81 Kích hoạt hầm trái đoạn 1 91

Hình 3.82 Khai báo áp lực gương đào 92

Hình 3.83 Khai báo làm khô hầm trái 92

Hình 3.84 Khai báo giảm thể tích ở tâm hầm 93

Hình 3.85 Kết quả bài toán 2 hầm đơn song song 93

Hình 3.86 Chuyển vị các điểm trên sàn tầng hầm – 2 hầm đơn song song 94

Hình 4.1 Vị trí chuyển tiếp 2 hầm đứng sang 2 hầm ngang 97

Hình 4.2 Vị trí bắt đầu vào đoạn chuyển tiếp 98

MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề nghiên cứu:

Sự phát triển phương tiện giao thông vận tải nhằm đáp ứng nhu cầu đi lại của xã hội là một hệ quả tất yếu trước tình trạng gia tăng dân số và dân cư tập trung ở các đô thị lớn Điều đó đòi hỏi cơ sở hạ tầng giao thông đô thị cũng phải được quan tâm đầu tư phát triển đúng mức Có như vậy mới giải quyết được áp lực về giao thông ngày càng tăng và không làm kìm hãm sự phát triển của nền kinh tế

Vấn đề quan trọng nhất của xây dựng hạ tầng giao thông đô thị là không gian xây dựng Với tình trạng dân cư tập trung ở các đô thị lớn ở Việt Nam cũng như ở các thành phố lớn trên thế giới, không gian xây dựng trở nên thiếu trầm trọng Do đó đòi hỏi phải có phương án tận dụng phần không gian ngầm, nhiều công trình metro đã được xây dựng tại các thành phố lớn Tại các nước phát triển, metro là loại hình giao thông phổ biến và quan trọng do nó đáp ứng phần lớn nhu cầu đi lại, giảm tải cho giao thông đường bộ vốn đã quá tải, hơn nữa nhờ tính tiện lợi, nhanh chóng cho nên giao thông ngầm ngày càng được quan tâm phát triển

Ở Việt Nam cũng có nhiều công trình đường hầm nhưng đa số là vượt núi, đèo, hầm giao thông đường sắt Những năm gần đây, do nhu cầu đi lại ngày càng cao, tình trạng giao thông đường bộ đã quá tải, cần thiết phải có một hệ thống giao thông ngầm trong đô thị ở hai thành phố lớn là Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Nhờ được chuyển giao nhiều công nghệ, kỹ thuật hiện đại từ các nước tiên tiến về xây dựng metro, trình độ của kỹ sư, cán bộ của Việt Nam hiện nay có thể đáp ứng tốt yêu cầu công việc Tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề khúc mắc cần thêm nhiều công trình nghiên cứu nhằm đưa ra biện pháp kỹ thuật tối ưu nhất

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là so sánh tính khả thi của phương án thi công đường hầm đơn hai làn xe và đường hầm đôi gồm 2 đường hầm đơn song song Lập mô hình phân tích so sánh hình dạng lún bề mặt và ảnh hưởng của thi công hầm tới công trình hiện hữu của các phương án thi công hầm đơn và hầm đôi Từ kết quả mô hình, rút ra kết luận về tính khả thi và ưu nhược điểm của từng phương án thi công

3 Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán ổn định chuyển vị của đất nền, của công trình hiện hữu Sử dụng phần mềm Plaxis mô phỏng tính toán theo mô hình Mohr

Coulomb tính toán ổn định, chuyển vị của đất nền và công trình lân cận Mức độ ảnh hưởng của phương án thi công hầm tới đất nền và công trình lân cận Mô hình quá trình thi công hầm bằng 2D và so sánh với 3D So sánh mức độ ảnh hưởng tới chuyển vị đất nền của hầm đơn 2 làn xe và hầm đôi gồm 2 hầm đơn song song Chọn ra phương án thi công tối ưu nhất

4 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài:

Đưa ra giải pháp lựa chọn phương án thi công phù hợp với địa chất, thực trạng xây dựng tại khu vực thành phố lớn, đông dân cư, công trình xây dựng hiện hữu nhiều và phức tạp

5 Phạm vi và giới hạn của đề tài:

Chỉ đi sâu nghiên cứu, so sánh mức độ ảnh hưởng của phương án thi công hầm tới đất nền và công trình lân cận, chưa nghiên cứu ảnh hưởng của việc lựa chọn dạng mặt cắt hầm Mô phỏng thi công hầm theo phương pháp TBM, khiên cân bằng áp lực đất EPB

GIỚI THIỆU CHUNG

I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN: 1 NHIỆM VỤ:

Hiện nay, Hà Nội và TP Hồ Chí Minh là 2 trung tâm kinh tế, văn hóa, giáo dục, chính trị quan trọng của Việt Nam Do đó đồng nghĩa với việc phát triển hệ thống giao thông đô thị để đáp ứng nhu cầu tăng trưởng giao thông của 2 thành phố lớn, khắc phục tình trạng quá tải như hiện nay Có giải quyết được vấn đề trên mới đảm bảo cho việc giữ vững tốc độ tăng trưởng kinh tế quốc gia, ổn định đời sống người dân và các hoạt động sản xuất kinh doanh phụ thuộc nhiều vào hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông

Có nhiều biện pháp nhằm giải quyết vấn đề đó, xây dựng hệ thống tàu điện ngầm Metro, xe điện trên cao monorail là biện pháp hữu hiệu giải quyết nhanh nhất vấn đề cấp bách nhu cầu giao thông đô thị quá tải hiện nay

Xây dựng hệ thống tàu điện ngầm tốc độ cao, năng lực chuyên chở lớn, có thể chở được khối lượng hành khách lớn, tốc độ nhanh chóng giảm tải cho hệ thống giao thông đo thị hiện hữu là định hướng đúng đắn, xu thế tất yếu đối với một quốc gia đang phát triển như nước ta Trên thế giới, nhất là ở các nước phát triển, hệ thống Metro, xe điện đã phát triển mạnh mẽ đi trước chúng ta rất xa

Phát triển hệ thống Metro, tàu điện cao tốc để bắt kịp tốc độ phát triển của thế giới là điều cần phải làm Vấn đề quan trọng là áp dụng công nghệ, biện pháp thi công ở nước ta như thế nào thì còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu Hơn nữa ở đô thị lớn vốn nhiều công trình hiện hữu, làm sao để chọn được phương án thi công hợp lý, vừa kinh tế vừa ít ảnh hưởng tới công trình có sẵn xung quanh tuyến hầm thi công là vấn đề cấp thiết Riêng khu vực nội thành TP HCM, mật độ các công trình xây dựng rất dày đặc, việc đảm bảo tối đa cho các công trình nơi có tuyến hầm Metro chạy qua là nhiệm vụ đặt ra Việc chọn phương án thi công là hầm đơn hay hầm đôi ảnh hưởng rất lớn tới vấn đề an toàn của các công trình lân cận và cần phải làm ngay từ giai đoạn nghiên cứu đánh giá tiền khả thi

Do đó, ‘‘Nghiên cứu ảnh hưởng của phương án thi công hầm đôi và hầm đơn lên đất nền và công trình lân cận’’ là nội dung của luận văn tốt nghiệp thạc sỹ

này

II NỘI DUNG LUẬN VĂN:

Mở đầu Chương 1: Tổng quan về ảnh hưởng của thi công đường hầm metro lên đất nền và công trình lân cận

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán độ lún do thi công đường hầm gây ra trên đất nền và công trình lân cận

Chương 3 : Mô hình tính toán so sánh phương án thi công hầm đôi và hầm đơn Kết luận và Kiến nghị

CHƯƠNG1:TỔNGQUANVỀẢNHHƯỞNGCỦATHICÔNGĐƯỜNGHẦMLÊNĐẤTNỀNVÀ CÔNGTRÌNHLÂNCẬN

1.1 Sự tác động tương hỗ giữa kết cấu ngầm và nền đất – Lực kháng đàn hồi

1.1.1 Cơ chế tác động tương hỗ giữa kết cấu ngầm với nền đất

Cơ chế sự tác động qua lại giữa các thành phần kết cấu của công trình ngầm với khối địa tầng xung quanh công trình ngầm được xác định nhờ tính chất cơ lý của khối địa tầng , cấu trúc và trạng thái ứng suất tự nhiên của địa tầng và kết cấu, trình tự cũng như công nghệ thi công

Tải trọng nền đất tác dụng lên vỏ hầm phụ thuộc vào độ cứng của kết cấu Nếu độ cứng của kết cấu tương đương độ cứng nền đất tự nhiên, ứng suất tiếp xúc sẽ tương đương ứng suất tự nhiên ở biên tiếp xúc trước khi đào hầm Nếu độ cứng kết cấu hầm lớn hơn hoặc nhỏ hơn độ cứng đất nền sẽ có sự phân bố lại ứng suất trong phạm vi đất nền ở gần hầm

Dưới tác dụng của các tải trọng chủ động, kết cấu đường hầm bị biến dạng Ở những phần kết cấu có chuyển vị về phía nền đất sẽ phát sinh phản lực chống lại biến dạng, đó là lực kháng đàn hồi Lực kháng đàn hồi làm giảm nhẹ sự làm việc của kết cấu ngầm, hạn chế biến dạng, làm tăng trị số lực dọc và giảm trị số của mômen uốn trong kết cấu Các công trình ngầm nén trước vào đất nền thì lực kháng đàn hồi có thể ác dụng lên toàn bộ chu vi vỏ Lực kháng đàn hồi theo mặt bên của vỏ dạng vòm hoặc tròn có thể ở dạng pháp tuyến (chống nén) và tiếp tuyến t (chống trượt) [3]

Hình 1.1: 1 Biểu đồ chuyển vị của trục vỏ hầm; 2 Biểu đồ lực kháng đàn hồi;

3.Vùng bong

1.1.2 Lực kháng đàn hồi – Hệ số lực kháng đàn hồi [3]

Khi tính toán kết cấu công trình ngầm, thường chỉ tính thành phần pháp tuyến và bỏ qua thành phần tiếp tuyến để dự trữ độ bền cho kết cấu Mối quan hệ giữa lực kháng đàn hồi và chuyển vị được xác định trên cơ sở những giả thiết khác nhau về môi trường đất đá xung quanh

Các thuyết thường dùng trong tính toán là: – Theo giả thuyết biến dạng chung: Xem đất đá quanh hầm là môi trường biến dạng tuyến tính và áp dụng các phương pháp của thuyết đàn hồi để nghiên cứu các trạng thái ứng suất biến dạng của đất đá

– Theo giả thuyết biến dạng cục bộ (Phux – Winkler): dựa trên quan hệ bậc nhất giữa giữa ứng suất và chuyển vị:

Giá trị của hệ số kháng lực đàn hồi không phải là một đặc trưng cơ lý của đất đá vì nó không chỉ phụ thuộc vào tính chất của đất đá mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: khả năng biến dạng địa tầng; hình dạng, kích thước của mặt tiếp xúc; trị số của tải trọng mặt tiếp xúc; độ cứng của kết cấu…

Hình 1.2 Thuyết biến dạng chung

Hình 1.3 Mô hình Winkler

Theo kết quả thí nghiệm ép tấm phẳng diện tích Fm(m2) vào khối đất đá thì hệ số phản lực đàn hồi pháp tuyến đối với mặt tiếp xúc có diện tích Fk<10m2 được tính theo công thức:

mk

FK

F





Trong đó: là áp lực lên tấm (T/m2); là độ lún của tấm (m) Theo kết quả ép một đoạn vỏ hầm tròn có bán kính Rb(m) vào đất đá quanh hầm thì hệ số kháng lực đàn hội đối với hầm có diện tích F(m2) được xác định bằng công thức:

b

RK

F







(1.3) Trong đó: là áp lực lên vỏ hầm (T/m2);  là sự thay đổi của bán kính ngoài vỏ hầm thí nghiệm (m) Sử dụng lời giài bài toán tiếp xúc của lý thuyết đàn hồi với nửa mặt phẳng và lỗ tròn trong mặt phẳng đàn hồi có thể đưa ra các biểu thức giải tích để xác định hệ số phản lực đàn hồi pháp tuyến Trong trường hợp mặt tiếp xúc là phẳng:

(Rzab=Rb) thì ta nhận được lời giải của B.G.Galiorkin đối với ống hình trụ trong môi trường biến dạng tuyến tính:

(1)

b

EK

EK

Với giả thiết sự thay đổi đều đặn của Kφ từ K1 đến K2 Căn cứ vào đặc điểm sự tác động tương hỗ giữa kết cấu ngầm và khối địa tầng bao quanh công trình có thể chia ra các phương pháp tính kết cấu ngầm ra làm 3 nhóm:

 Nhóm 1: Không xét đến sự tương tác, kết cấu công trình ngầm tính với những tải trọng đã biết

 Nhóm 2: Tải trọng do áp lực địa tầng có thể chia là tải trọng chủ động và tải trọng bị động - lực kháng đàn hồi Áp lực địa tầng xem như đã biết còn lực kháng đàn hồi được xác định bằng tính toán tùy thuộc sơ đồ tác dụng của tải trọng và quan hệ giữa các đặc trưng biến dạng của kết cấu công trình ngầm và địa tầng

 Nhóm 3: Tải trọng tác dụng lên kết cấu công trình ngầm do áp lực địa tầng không giả thiết trước mà được xác định do kết quả bài toán tiếp xúc trong tương tác của vỏ hầm và địa tầng

Các phương pháp thuộc nhóm một và phần lớn các phương pháp thuộc nhóm hai

dựa trên công cụ của môn cơ học kết cấu Nhóm ba là các phương pháp dựa trên các lời giải cổ điển hoặc các lời giải số của cơ học vật rắn biến dạng

Đã có rất nhiều tác giả đưa ra các phương pháp tính toán kết cấu công trình ngầm khác nhau Hiện nay, phương pháp sử dụng phần tử hữu hạn để tính toán kết cấu công trình ngầm là rất phổ biến Lý do là phương pháp phần tử hữu hạn có thể tự động hóa thông qua máy tính để đưa ra những lời giải cho các bài toán phức tạp và xét đến hầu như tất cả các nhân tố xác định sự làm việc của công trình ngầm trong những điều kiện đã cho và đã có những phần mềm khá mạnh trong lĩnh vực tính toán các kết cấu xây dựng bằng phương pháp này

Hệ số lực kháng đàn hồi còn gọi là hệ số nền, là hàm phi tuyến, phụ thuộc vào

cấp độ tải trọng, phương thức gia tải, loại đất, kích thước và đặc tính kết cấu công trình ngầm tác dụng vào đất Tuy nhiên nhằm đáp ứng mục đích thiết kế thông thường, ta có thể xác định hệ số nền theo tiếp tuyến gốc hoặc pháp tuyến ứng với tải trọng làm việc

1.1.3 Phương pháp xác định Hệ số lực kháng đàn hồi [2]

1.2.2.1 Phương pháp thí nghiệm

 Thí nghiệm trực tiếp trên cọc

Đối với cọc đơn ta có thể xác định bằng cách thi công cọc thử rồi tiến hành thí nghiệm trực tiếp trên cọc Để xác định hệ số nền theo phương đứng ta chất tải theo phương đứng P (kgf) ứng với tải làm việc, độ lún đo được s (cm), khi đó:

PK

 Thí nghiệm nén ngang DMT (Dilato Meter Test)

DMT là một loại thí nghiệm cho kết quả nhiều và đáng tin cậy hơn Thí nghiệm DMT do giáo sư Marchetti (Italia) đề xuất và đã được chính thức đưa vào tiêu chuẩn ASTM Nguyên lý thí nghiệm DMT là đo các áp suất p0, p1, p2 tương ứng với chuyển vị của màng thép 0;1.1 và 0mm

Đánh giá hệ số nền theo phương ngang từ kết quả DMT theo công thức sau:

2

0.30.5

 Thí nghiệm tấm ép cứng (AASHTO T25, ASTM D1194)

Thí nghiệm nén tấm có kích thước tiêu chuẩn theo qui trình thí nghiệm xác định được hệ số nền theo phương đứng phù hợp với bài toán móng nông

pk



1.2.2.2 Phương pháp tra bảng

Các bảng tra được lập sẵn trên cơ sở thực nghiệm và thống kê Người thiết kế dựa vào tên, loại đất, độ chặt, tỷ số dẻo để lựa chọn được hệ số nền phù hợp Theo cách này đòi hỏi người thiết kế phải có nhiều kinh nghiệm bởi lẽ phạm vi thay đổi của k rất lớn cho cùng một mô tả đất, có khi cùng loại đất trị số cuối và đầu cách nhau 15 lần

 Bảng dùng thiết kế và tính toán móng nông

Bảng 1.1 Bảng tra hệ số k theo đặc trưng đất nền theo Phương pháp thiết kế

đắp từ lâu, cuội, sét ít ẩm 5-10 Đất rất chặt Cát sét được nén nhân tạo, sét cứng 10-20 Đất cứng Đá mềm nứt nẻ, đá vôi, sa thạch 20-100

 Bảng dùng cho tính cọc theo tiêu chuẩn xây dựng TCXDVN 205:1998 & Qui trình 22TCN18-79

Hệ số nền tăng tuyến tính theo chiều sâu: Cz = K.z (T/m3) (1.14)

Bảng 1.2 Bảng tra hệ số k theo đặc trưng đất nền theo Tiêu chuẩn xây dựng

TCXDVN 205:1998 và Qui trình 22TCN18-79

Loại đất quanh cọc và đặc trưng của nó

Hệ số tỷ lệ K (T/m4) Cọc đóng Nhồi, cọc ống

và cọc chống

Sét, á sét chảy (0.75<IL<=1) 65-200 50-200 Sét, á sét dẻo mềm (0.5<IL<=0.75); á sét dẻo

(0<IL<=1); cát bụi (0.6<e<=0.8) 200-500 200-400 Sét, á sét gần dẻo và nửa cứng (0<IL<=0.5); á

sét cứng (IL<0); cát nhỏ (0.6<e<=0.75); cát hạt trung (0.55<e<=0.7)

 Bảng dùng cho tính cọc theo phương pháp J.E BOWLES

Bảng này dùng để xác định Kh cho móng cọc

Bảng 1.3 Bảng tra hệ số k theo Phương pháp J.E BOWLES

Sỏi, cát chặt 220-400 Cát thô chặt vừa 157-300

1.2.2.3 Phương pháp tính theo các công thức nền móng

Dựa vào các chỉ tiêu cơ lý đất nền, hệ số nền có thể tính được qua các công thức của các tác giả khác nhau dựa theo các số liệu địa chất khác nhau

▪ Theo công thức Terzaghi

▪ Theo công thức Vesic

ss

Ek

Ld





B

 (MN/m3) cho đất rời (1.18) 1.04

s

NK

B

 (MN/m3) cho đất rời (1.19) Trong đó: N: giá trị SPT trung bình

E



2

(1)

sp

Eq

Nghiên cứu biến dạng khối đất xung quanh hang đào có thể đưa ra đặc điểm và cơ chế xuất hiện biến dạng:

1 Xây dựng hầm đi kèm với sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng (ƯSBD) tự nhiên của khối đất và có thể gây ra sự phá huỷ không thể hồi phục lại của đất nền;

2 Sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng tương tự như vậy dẫn đến sự xuất hiện trường biến dạng (chuyển dịch) trong khối đất xung quanh hầm;

3 Sự phân bố biến dạng trong khối đất từ nguồn biến dạng (hang đào) diễn ra theo tất cả các hướng từ hang đào và mang đặc tính tắt dần;

4 Hướng của trường biến dạng tập trung vào tâm của hang đào Vậy quá trình chuyển dịch của đất dưới tác động của việc đào hầm bắt đầu xung quanh hang đào và diễn ra liên tục, và khi tồn tại lớp đất yếu tương đối ở phía trên hang đào chuyển dịch này đạt đến bề mặt đất Quá trình này tiếp tục cho đến khi thiết lập sự cân bằng của trạng thái ứng suất - biến dạng trong khối đất bao xung quanh hang đào hoặc khi lắp đặt hệ thống vì chống cứng vĩnh cửu cùng với việc bơm vữa lấp khe hở thi công

Phân tích trường véc tơ biến dạng xuất hiện trong khối đất xung quanh hầm mặt cắt tròn trong một môi trường đồng nhất, đẳng hướng, từ sự tạo thành hang có thể nhận xét sau: Biến dạng nén thẳng đứng xuất hiện trong phần đặt gần chu tuyến hang đào tại cao độ đường kính nằm ngang của hầm, còn trên và dưới hang đào theo đường

kính thẳng đứng - biến dạng kéo Chuyển dịch thẳng đứng lớn nhất trong khối đất tập trung ở trên và dưới hang đào, ở cao độ đường kính nằm ngang của hầm, chuyển dịch này bằng không, còn chuyển dịch ngang có giá trị lớn nhất ở cao độ bán kính nằm ngang của hầm và bằng không ở đỉnh và đáy của hang đào Trường biến dạng thẳng đứng và nằm ngang của đất bao quanh hầm có tính đối xứng qua trục thẳng đứng và nằm ngang của hầm, một cách tương ứng

Đặc điểm của sự xuất hiện biến dạng được đặc trưng bởi sự tạo thành vùng biến dạng, được xác định bởi 2 mặt cắt chính - mặt cắt ngang (settlement trough) và dọc tim hầm, kích thước và hình dạng của các mặt cắt này trên mặt đất được xác định:

(1) Góc giới hạn vùng biến dạng δ và nửa chiều dài vùng biến dạng L; (2) Đường cong biến dạng f(x), f(y);

(3) Biến dạng thẳng đứng trên trục hầm η với giá trị lớn nhất ηm Lưu ý rằng, trong thực tế xây dựng hầm tồn tại các vùng biến dạng mà trong đó không chỉ xuất hiện lún mà còn sự trồi của đất

Chuyển dịch của các điểm của khối đất trong giới hạn của vùng biến dạng có thể được thể hiện ở dạng thành phần thẳng đứng η hoặc γ ( η - độ lún, γ - độ trồi của mặt đất) và thành phần nằm ngang ξ

Tính không đồng đều của biến dạng được đặc trưng bởi độ nghiêng j (mm/m) và độ cong k (1/m hay 1/km) Đại lượng ngược với độ cong biến dạng và chuyển dịch của mặt đất, người ta sử dụng khái niệm vận tốc lún V (mm/s) Giá trị j và k trong các mặt cắt chính của vùng biến dạng có thể được xác định như sau:

;/)(

;/)(

22 fxdxd

k

dxxdfj

xx



2 2

/)(

/)(

dyyfdk

dyydfj

yy



(1.23)

trong đó f(x) và f(y)- hàm số của đường cong trong các mặt cắt chính theo hướng ngang và dọc của vùng biến dạng mặt đất một cách tương ứng Đối với các hầm đủ dài hàm số f(y) không cần tính đến, còn hàm số f(x) được miêu tả bằng các đường cong trong lời giải của giáo sư C.Г ABEPШИH, Ю.A ЛИMAHOB, bằng đường cong đơn vị mẫu được viết dưới dạng bảng của giáo sư B.Ф.ПOДAK, bằng đường cong phân bố Gauss theo đề nghị của giáo sư R Peck (1969) và nhiều nhà khoa học khác

Các thông số chính của các đường cong kể trên là chiều dài của nửa vùng biến dạng (L) (theo đường cong của giáo sư Ю.A ЛИMAHOB và giáo sư B.Ф.ПOДAK) hoặc hoành đồ điểm uốn của đường cong (i) (theo đường cong của giáo sư C.Г ABEPШИH và giáo sư R Peck) và độ lún lớn nhất Trong các phương pháp của giáo

sư Ю.A ЛИMAHOB và giáo sư B.Ф.ПOДAK(được thiết lập phù hợp với điều kiện xây dựng hệ thống metro ở Lêningrat) L được xác định phụ thuộc vào chiều sâu đặt hầm, bán kính hầm và góc nối ma sát của lớp đất phía trên hầm Theo đường cong của giáo sư R Peck hoành độ điểm uốn i được các nhà khoa học lấy các giá trị khác nhau phụ thuộc vào chiều sâu đặt hầm, đường kính hầm và dạng đất khi xác định i trong thực tế người ta thường xuyên sử dụng kết quả nghiên cứu của giáo sư R Peck (1969), New and O’Reilly (1982), Clough and Schmidt (1981), Mair và nhiều tác giả (1993) và Loganathan và Poulos (1998)

B.B.Peчицкий (2005) nghiên cứu 28 đường cong có trong các tài liệu trên thế giới (7 đường cong cho mỗi loại đất) khi thi công hầm ở độ sâu 20m và đường kính hầm 9m Trong kết quả nghiên cứu nhà khoa học đã đề xuất các giá trị sau của i: 11,4m cho đất cát, 11,3m – á cát, 13,1m- á sét và 15,4m – sét Chiều dài vùng biến dạng trong đất dính theo quy luật sẽ lớn hơn trong đất rời

Chiều dài vùng biến dạng có thể xác định theo giá trị góc giới hạn δ, mà giá trị này phụ thuộc vào các loại đất Góc giới hạn có giá trị khoảng 45o và 43-48o trong điều kiện xây dựng các hầm và nhà ga của hệ thống metro ở thành phố Lêningrat, một cách tương ứng Giá trị tương tự của góc giới hạn cũng được đưa ra trong kết quả nghiên cứu khi thi công hầm trong đất sét của Cording và Hansmire (1975) Chi (2001) và nhiều nhà khoa học khác Ngoài ra, Cording và Hansmire đã đề xuất xác định góc giới hạn của vùng biến dạng xuất hiện khi thi công hầm trong các loại đất khác nhau, còn Chi đề nghị δ = 45o khi thi công hầm trong đất dính và 30-50o – trong đất rời

Theo các số liệu về biến dạng lún mặt đất trong các tài liệu nghiên cứu có thể đưa ra các nhận xét sau: khi thi công hầm bằng khiên đào thông thường độ lún không vượt quá 30 – 50mm, tuy nhiên trong một số trường hợp độ lún đạt đến 100mm và lớn hơn Ví dụ theo kết quả thống kê số liệu thi công hầm và nhà của hệ thống metro ở Lêningrat trong 25 năm đã chỉ ra rằng: biến dạng lún của mặt đất khi thi công hầm không vượt quá 15-20mm, còn khi thi công nhà ga - đến 210mm và lớn hơn Độ lún xuất hiện khi thi công hầm bằng khiên đào không có áp lực cân bằng ở gương đào lớn hơn đáng kể so với khi thi công hầm bằng khiên đào có áp lực cân bằng ở gương đào

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến dạng của khối đất, trong đó các yếu tố liên quan đến công nghệ xây dựng, điều kiện địa chất thuỷ văn và đặc điểm kết cấu của hầm giữ vị trí quan trọng

+ Trong đất rời ẩm, biến dạng của đất xảy ra với tốc độ nhanh hơn rất nhiều so với đất dính Trong đất hỗn hợp các biến dạng và chuyển dịch này được xác định cơ bản bằng điều kiện thế nằm của nó Bobet (2001) đã chỉ ra rằng khi hệ số ổn định của đất N (xác định theo đề xuất của R Peck (1969) nhỏ hơn 3,8 thì độ lún mặt đất nói chung không vượt quá 30mm

+ Độ lớn của biến dạng tăng lên cùng với sự tăng kích thước mặt cắt ngang hầm; + Ảnh hưởng của các công trình xây dựng gần kề đến biến dạng của khối đất liên quan đến sự xuất hiện các biến dạng ban đầu của khối đất;

+ Chiều sâu đặt hầm ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình dịch chuyển và biến dạng Đối với hầm đặt nông (khi H/D 2-3) độ lún mặt đất xuất hiện nhanh và giá trị của chúng tăng lên khi giảm chiều sâu đặt hầm.Đối với hầm đặt sâu quan sát được bức tranh ngược lại: độ lún mặt đất tăng lên khi tăng chiều sâu đặt hầm và tốc độ lún giảm gần như là tuyến tính với độ sâu;

+ Ảnh hưởng của kết cấu vỏ hầm đến biến dạng và chuyển dịch của mặt đất liên quan đến biến dạng vỏ hầm, sự nén vào trong đất và các lý do khác;

+ Độ lún mà xuất hiện khi thi công hầm bằng khiên đào, thông thường có giá trị nhỏ hơn khi so sánh với các phương pháp đào mỏ Khi sử dụng phương pháp hạ mực nước ngầm và làm động cứng đất nhân tạo khi đào hầm bằng khiên đào có thể gây ra độ lún phụ thêm hoặc sự trồi bề mặt đất;

Khi đào hầm bằng khiên đào xuất hiện các biến dạng cố kết, biến dạng kéo dài và biến dạng tức thời (ngắn hạn) của đất Độ lún cố kết của khối đất trên đỉnh hầm tăng lên theo thời gian và khi giảm chiều sâu từ mặt đất, còn độ lún ngắn hạn giảm xuống theo thời gian và khi giảm chiều sâu từ mặt đất

+ Biến dạng cố kết mang đặc tính phụ thuộc vào thời gian và được quy định bởi đặc tính thủy động tự nhiên (sự chảy nước vào trong hầm và giảm mực nước ngầm) và sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng do sự di chuyển của khiên đào Điều đó liên quan đến sự tăng ứng suất có hiệu trong đất Theo kết quả nghiên cứu của Hwang, Wu và Lee quan sát thấy sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng khi đào hầm bằng khiên đào trong đất sét nằm trong giới hạn một lần đường kính hầm từ thành hang đào Trong đất sét dẻo chảy

và dẻo mềm, biến dạng cố kết diễn ra trong một thời gian dài và chiếm đến 30% độ lún cuối cùng;

+ Biến dạng ngắn hạn của khối đất về cơ bản được gây ra bởi các nguyên nhân sau: (1) Sự không cân bằng áp lực ở gương đào dẫn đến sự trồi đất vào phía trong hang đã được đào hoặc sự trồi đất vào phía trong hang đã được đào hạơc sự trồi đất về phía ngược lại, và vì vậy sẽ làm xuất hiện biến dạng lún hoặc trồi của khối đất;

(2) Ma sát giữa vỏ khiên đào và đất trong quá trình di chuyển khiên đào dẫn đến sự phá huỷ đất xung quanh hang đào;

(3) Sự đào đất vượt quá, mà trong thực tế không thể tránh được, đặc biệt khi đào hầm trên đoạn cong;

(4) Sự tồn tại của khe hở thi công trong phần đuôi của khiên đào dẫn đến sự trồi đất vào khe hở thi công và tiếp theo là biến dạng lún của đất Độ lớn của biến dạng lún phụ thuộc vào thời gian và chất lượng lấp đẩy khe hở thi công Lưu ý rằng, áp lực bơm vữa lấp khe hở thi công quá lớn trong đất sét sẽ dẫn đến sự trồi mặt đất Biến dạng của khối đất có thể được gây ra bởi:

(5) Sự điều chỉnh khiên đào “ngoi lên” mà thường xuyên phải điều chỉnh để bù lại sự “chìm xuồng” của nó trong khi chuyển dịch, điều đó có thể dẫn đến sự “đẩy ra” của đất phía trước khiên đào cùng với sự trồi của mặt đất;

(6) Sự “sai lệch” của khiên đào khi đào hầm dẫn đến làm rời rạc khối đất ở gương đào và sập đổ đất vào trong hầm, vì vậy, dẫn đến biến dạng lún của khối đất;

(7) Vận tốc di chuyển khiên đào gây ảnh hưởng đến biến dạng của đất (vận tốc càng lớn, biến dạng càng lớn) Điều đó liên quan đến mức độ phá huỷ đất xung quanh hang đào, ngoài ra vận tốc không đều trong thời gian khi đào hầm gây ra biến dạng lún lớn hơn;

+ Biến dạng lâu dài của đất gây ra bởi biến dạng (biến hình elíp nằm ngang) và chuyển dịch của vòng vỏ hầm dưới tác động của tải trọng không cân bằng và nước ngầm bao quanh hầm Điều đó phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng các liên kết bu lông giữa các khối vỏ hầm

Biến dạng mặt đất là tổng hợp phức tạp của biến dạng lún và trồi gây ra bởi các nguyên nhân trên Giá trị cuối cùng của biến dạng ngắn hạn (độ lún) đạt được sau 5 giai đoạn theo một trình tự thống nhất Giai đoạn I và II tương ứng với biến dạng lún khi khiên đào chưa đến mặt cắt đang xem xét, giai đoạn III – trong quá trình đào, trong giai đoạn IV và V- sau khi di chuyển khiên đào ra khỏi giới hạn mặt cắt đang xét

Lún mặt đất ở bất kỳ mặt cắt nào theo trục hầm bắt đầu khi khiên đào còn cách mặt đất đó ở khoảng cách từ (2-5) D (D- đường kính của hầm) Điều đó liên quan đến sự giảm mực nước ngầm trong đất cát hay sự trồi đất ở gương đào trong đất sét yếu Tiếp theo, theo sự di chuyển của khiên đào biến dạng lún mặt đất tiếp tục tăng Lún (trồi) phái trước gương đào do phá vỡ sự cân bằng áp lực đất và áp lực nước ngầm ở gương đào Khi di chuyển khiên đào qua mặt cắt đang xét xuất hiện lún (trồi) gây ra bởi sự phá huỷ đất do ma sát giữa khiên đào và đất và việc đào thừa đất Ngay khi phần đuôi của khiên đào đi qua mặt cắt đang xét xuất hiện lún (trồi) của mặt đất liên quan đến sự “nhả” ứng suất do sự tồn tại của khe hở thi công ở vỏ đuôi khiên đào hay sự vượt quá của áp lực bơm vữa lấp khe hở thi công Độ lún này chiếm tỷ trọng lớn trong tổng độ lún Khi đào hầm trong đất sét yếu xuất hiện độ lún phụ thêm do sự bị rời rác hay phá vỡ của đất Độ lún cuối cùng (có giá trị lớn nhất), thông thường, đạt được sau khi di chuyển khiên đào khỏi mặt cắt đang xét với khoảng cách 3-5 D, còn sau đó tắt dần và ổn định

1.2.2 Ảnh hưởng của biến dạng mặt đất đến các công trình xây dựng gần kề

Lún mặt đất gây ra biến dạng của các ngôi nhà và công trình mà rơi vào trong vùng biến dạng Mức độ ảnh hưởng của chúng phụ thuộc vào độ lún có thể của mặt đất, hình dạng, kích thước và trạng thái kỹ thuật-khai thác của kết cấu công trình và vị trí phân bố của ngôi nhà và các công trình trong vùng biến dạng của mặt đất

Các ngôi nhà mà nằm ở phần trung tâm của vùng biến dạng phải chịu ảnh hưởng của độ cong âm (lõm) của mặt đất, và vì vậy biến dạng sẽ phát triển nói chung ở các tầng thấp và móng công trình Ở các vùng xây dựng liền kề nhau do sự nghiêng của các ngôi nhà bên cạnh, các ngôi nhà nằm gần đó có thể chịu biến dạng phụ thêm ở dạng đè hay ép của các bức tường, điều đó kèm theo sự phá vỡ các bức tường ở các đoạn riêng biệt Các ngôi nhà mà rơi vào khoảng biên của vùng biến dạng chịu tác động của độ cong dương (lồi) của mặt đất, mà gây ra biến dạng, trước tiên ở các tầng

phía trên Bất lợi nhất cho các ngôi nhà mà nằm ở đoạn uốn của vùng biến dạng chịu tác động kép của độ cong âm và dương của vùng biến dạng

Ảnh hưởng lớn nhất đến các ngôi nhà gây ra bởi biến dạng thẳng đứng của mặt đất: độ nghiêng và độ cong Độ nghiêng của móng dẫn đến sự nghiêng của các ngôi nhà, còn độ cong gây ra sự uốn trong chúng Biến dạng ngang kéo và nén tác động lên kết cấu của các ngôi nhà ở dạng lực ma sát ở đáy và các mặt bên của móng Ảnh hưởng của các biến dạng ngang, nói chung, nhỏ hơn nhiều ảnh hưởng của các biến dạng đứng, bởi vì rằng chúng tác động trên các đoạn ngắn, không xâm chiếm toàn bộ ngôi nhà

Để đánh giá ảnh hưởng biến dạng lún mặt đất đến ngôi nhà tồn tại nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có thể kể đến các phương pháp của giáo sư Wahls (1981), Borcardin và Cording (1987), Attewell (1986) và nêu trong quy trình CHиΠ 2.01.09-91

Trong CHиΠ 2.01.09-91 phụ thuộc vào các thông số của đường cong biến dạng của vùng biến dạng có thể của mặt đất, người ta chia ra làm 4 nhóm (bảng 1) Khi đó việc sử dụng các biện pháp để bảo vệ các ngôi nhà và công trình trên các đoạn của bề mặt, nơi mà độ nghiêng nhỏ hơn 3mm/m và bán kính đường cong lớn hơn 20km, nói chung không yêu cầu

Bảng 1.6 Phân nhóm hư hỏng của các công trình trên mặt đất

Bảng 1.7 Phân nhóm hư hỏng của các công trình trên mặt đất

Nhóm hư hỏng

Biến dạng lún mặt đất Độ lún lớn nhất

ηm(mm) Độ nghiêng J(mm/m)

CHƯƠNG2 :CƠSỞLÝTHUYẾTTÍNHTOÁNĐỘLÚNDOTHICÔNG

2.1 Dự đoán sự dịch chuyển đất nền gây ra bởi đường hầm:[1],[13],[14]

Trước nhu cầu ngày càng tăng nhiều hơn và nhanh hơn các tuyến đường giao thông trong khu vực đô thị, trong nhiều năm, đã xác định sự cần thiết phải sử dụng môi trường dưới lòng đất cho loại hình giao thông mới Đường hầm dưới lòng đất bắt đầu được đào tại nhiều thành phố lớn, dẫn đến một số lượng lớn các hố đào sâu và nông cạn gây ảnh hưởng không nhỏ đối với các tòa nhà có từ trước Khả năng dự đoán độ lún các đường hầm gây ra các khu định cư và tác động có liên quan trên các cấu trúc đại diện cho một điểm quan trọng để ước tính thiệt hại tiềm năng và thiết kế các biện pháp bảo vệ, khi cần thiết Dự đoán của các chuyển vị gây ra trên một tòa nhà bằng đường hầm đào trong đất mềm là một vấn đề tương tác đất - kết cấu điển hình Xây dựng độ cứng và trọng lượng được dự kiến sẽ thay đổi lĩnh vực dịch chuyển đó sẽ được gây ra bởi các hoạt động đào hầm trong cái gọi là điều kiện đất nguyên trạng

Nhiều phương pháp đã được thực hiện để xác định chuyển vị đất nền do đường hầm gây ra: từ phương pháp thực nghiệm và phân tích để dự đoán chuyển vị trong điều kiện đất nền chưa xây dựng, qua các mô hình số phức tạp hơn (ví dụ như phương pháp phần tử hữu hạn), đến ít được sử dụng như mô hình vật lý, chẳng hạn như thí nghiệm máy ly tâm, mô phỏng ở tỷ lệ nhỏ trong tình hình tại chỗ Đối với các phân tích số một mô hình cơ bản đủ chính xác cho đất được yêu cầu và quá trình đào đường hầm đã được trình bày với một mức độ chính xác chấp nhận được

2.1.1 Phương pháp kinh nghiệm:

Mặt gương đào tiến về phía trước trong vùng đất chưa xây dựng gây ra một vùng rãnh lún tại mặt đất, sơ đồ phác họa trong hình 2.1 cho các trường hợp đơn giản của một đường hầm duy nhất với trục thẳng tại độ sâu z0 không đổi Mũi tên màu trắng trong hình vẽ chỉ hướng di chuyển của mặt gương đào Nó được chấp nhận rộng rãi rằng một mặt cắt ngang của vùng rãnh lún trong nền đất chưa xây dựng có thể được mô tả tương đối chính xác bởi một đường cong Gauss đảo ngược Như vậy, biểu thức giải tích của rãnh lún theo phương ngang thể hiện trong hình 2.2 là:

Hình 2.1 Mô hình máng lún khi thi công hầm

Trong đó:

 wmax là độ lún tối đa trên trục đường hầm;

 ix là khoảng cách giữa các điểm uốn của đường cong, nơi mà vùng rãnh lún có độ dốc tối đa, và trục trung tâm của đường hầm; nó phân chia phần lõm (sagging) và lồi (hogging) của đường cong

 w(x) là độ lún tại khoảng cách x tính từ trục đường hầm Giả sử các mặt gương đào nằm phía trước của phần kiểm tra một khoảng cách vừa đủ, không có thêm độ lún phát triển thêm khi gương đào di chuyển về phía trước Điều này cũng có nghĩa rằng, trong hình 2.2, bắt đầu từ một khoảng cách nhất định y phía sau mặt gương đào, độ lún là không đổi cho mỗi giá trị x, cho rằng các mặt cắt dọc theo máng lún là ngang

.4

SL

VV

D



Trong đó D là đường kính đường hầm bên ngoài VL thường được định nghĩa là tỷ lệ khối lượng đường hầm lý thuyết mỗi đơn vị chiều dài, thể hiện như là một tỷ lệ phần trăm của nó

Kết hợp (2) đến (3), độ lún theo chiều ngang có thể được thể hiện trong các điều khoản của thể tích hao hụt như:

22

22.

Theo Attewell và Woodman (1982) và Attewell (1986) các hồ sơ định cư theo hướng dọc có thể được đại diện bởi các công thức phân phối Gaussian tích lũy (hoặc công thức lỗi bổ sung)

Hình 2.3 Mặt cắt dọc theo máng lún

Attewell (1986) và cộng sự cho rằng đối với gương đào hở, các độ lún trên trục đường hầm (x = 0) là 50% của độ lún tối đa đạt đến đằng sau mặt hầm, trong khi đối với gương đào kín, có áp lực gương đào, các chuyển vị phía trước mặt gương đào giảm đáng kể Mair và Taylor (1997) kết luận rằng đối với đường hầm mặt gương đào kín độ lún trên trục đường hầm là 25% - 30% độ lún tối đa; điều này dẫn đến một sự chuyển dịch đường cong lún theo phương dọc hầm như thể hiện trong Hình 2.4

Hình 2.4 Lún dọc trục khi đào mở và đào kín

Dựa trên các phân tích chuyển vị gây ra bởi đường hầm ở Vương quốc Anh, Craig & Muir Wood (1978) nói rằng, đối với mỗi điểm quan sát, tùy thuộc vào mặt đất, cho đường hầm gương đào hở, gần 80% - 90% độ lún đạt được khi gương đào 1-2 lần độ sâu đường hầm Bảng 2.1 chỉ ra các kết luận của Craig & Muir Wood về sự phát triển của độ lún

Bảng 2.1 Sự phát triển độ lún với từng loại đất

Loại đất

Phần trăm tổng độ lún Tại mặt gương