Lún sụt và biến dạng bề mặt là vấn đề quan tâm hàng đầu trong quá trình thi công đường hầm métro, đặc biệt là trong vùng đất yếu. Bài báo này giới thiệu phương pháp tính toán biến dạng lún mặt đất của tác giả SchmidtPeck 1969, xác định bề rộng vùng biến dạng lún và tương quan giữa chiều sâu đặt hầm với biến dạng lún bề mặt khi thi công đường hầm métro. Áp dụng cho đường hầm xây dựng trong điều kiện địa chất khu vực Tp. Hồ Chí Minh.
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM MÉTRO ĐẾN BIẾN DẠNG MẶT ĐẤT KHU VỰC TP HỒ CHÍ MINH STUDY OF INFLUENCE OF BUILDING METRO CONSTRUCTIONS ON SURFACE SETTLEMENT IN HO CHI MINH CITY Võ Phán*, Nguyễn Quang Khải** * Khoa Xây dựng, Đại học Bách khoa, Tp Hồ Chí Minh ** Công ty Nippon Engineering Việt Nam, Tp Hồ Chí Minh * Faculty of Civil Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology ** Nippon Engineering Viet Nam Co Ltd, Ho Chi Minh City - BẢN TÓM TẮT Lún sụt biến dạng bề mặt vấn đề quan tâm hàng đầu trình thi công đường hầm métro, đặc biệt vùng đất yếu Bài báo giới thiệu phương pháp tính toán biến dạng lún mặt đất tác giả Schmidt-Peck 1969, xác định bề rộng vùng biến dạng lún tương quan chiều sâu đặt hầm với biến dạng lún bề mặt thi công đường hầm métro Áp dụng cho đường hầm xây dựng điều kiện địa chất khu vực Tp Hồ Chí Minh ABSTRACT Building shallow underground constructions in weak land makes subsidence This paper introduces methods predicting surface settlement of Schmidt-Peck 1969, defining settlement area and the relation between depth and settlement when building tunnel, being applied to build tunnel in geology condition of Ho Chi Minh City 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Việc xây dựng hệ thống công trình đường hầm giao thông lòng đất giải pháp tối ưu để sử dụng đất đô thị có hiệu cao Hệ thống công trình đường hầm cần thiết cho thành phố giải vấn đề xúc đô thị, đảm bảo cảnh quan tiết kiệm không gian mặt đất Với ưu điểm vượt trội thi công đường hầm máy TBM (Tunnelling Boring Machine) không ảnh hưởng đến giao thông công trình mặt đất, xuyên qua sông không ảnh hưởng đến giao thông thủy Tuy nhiên xây dựng sau thời gian tồn công trình đường hầm lòng đất gây tượng bề mặt đất bị lún làm ảnh hưởng lớn đến công trình hữu mặt đất Phần mềm Plaxis sử dụng rộng rãi giới tính toán đường hầm xây dựng phương pháp TBM, đặc biệt đường hầm xây dựng đất yếu Nghiên cứu sử dụng phần mềm Plaxis góp phần giảm nhẹ công tác thiết kế đường hầm tương lai Việt Nam nói chung Tp Hồ Chí Minh nói riêng cần thiết Plaxis giả thiết môi trường đất xung quanh môi trường đàn hồi dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán Khi thi công đường hầm phương pháp TBM, diện tích đào đất lớn diện tích mặt cắt ngang hầm, dù bơm vữa lấp sau vỏ hầm tránh khỏi phân bố lại ứng suất biến dạng đất kết tất yếu trình xây dựng hầm NỘI DUNG 2.1 Lý thuyết tính toán biến dạng lún bề mặt xây dựng đường hầm đặt nông đất (Phương pháp Schmidt-Peck 1969) Schmidt-Peck tổng hợp số liệu quan trắc từ 20 dự án hầm xây đựng thấy đường cong lún bề mặt xấp xỉ theo đường cong (gọi đường cong Gaussian) [4]: x S S max e 2i (1) Với: + S: biến dạng lún bề mặt + Smax: biến dạng lún lớn đường tim hầm + x: khoảng cách từ trục hầm đến điểm tính lún theo phương ngang + i: khoảng cách từ trục hầm đến điểm uốn đường biến dạng lún Hình Mô hình Gaussian tính lún bề mặt thi công hầm đưa O’Reilly New (1982) dựa theo phương pháp Schmidt-Peck Với đường hầm dạng tròn xác định Smax theo công thức New & O’Reilly (1991) [4]: 2 V D2 i S max (2) L Hoặc công thức Herzog (1985) [4]: D S max 0,785.( z P ). S (3) i.E Với: + VL: phần trăm thể tích mát tổng thể so với diện tích gương đào + D: đường kính thực qui đổi hầm đào + : trọng lượng riêng trung bình lớp đất tính toán + z0: chiều sâu tim hầm so với mặt đất + PS: tổng tải trọng chất thêm + E: môđun đàn hồi trung bình lớp đất tính toán Sau O’Reilly New (1982) đưa công thức xác định tham số bề rộng i [4]: i = K.z0 (4) Với: K- Hệ số không thứ nguyên, phụ thuộc vào loại đất Bảng Giá trị hệ số K theo loại đất [5] Loại đất Đất không cố kết Đất sét cố kết thường Đất sét cố kết Đất cát K 0,3 0,5 0,6-0,7 0,8-0,9 Đối với đất nhiều lớp hệ số Ktđ tính sau [5]: + Trường hợp z0 < 1.5D Hình Hệ số K tính toán đường hầm nhiều lớp với z0 < 1.5D [5] K td z1k1 zn kn z tot (5) + Trường hợp z0 ≥ 1.5D K td 0.35(z1k1 zm km ) 0.65(zm1km1 zn kn ) (6) 0.35(z1 zm ) 0.65(zm1 zn ) Hình Hệ số K tính toán đường hầm nhiều lớp với z0 ≥ 1.5D [5] Sau quan sát với 19 điểm 11 khu vực đất cố kết 16 điểm khu vực đất cố kết London nước Anh, O’Reilly New đưa mối quan hệ kinh nghiệm xác định bề rộng vùng lún i sau [5]: i = 0,43z0 + 1,1 đất cố kết (7) i = 0,28z0 – 0,1 đất không cố kết (8) 2.2 Áp dụng tính toán lún bề mặt xây dựng đường hầm métro khu vực Tp HCM Xây dựng đường hầm có đường kính D = 7.8m, phương pháp TBM, điều kiện địa chất thuỷ văn sau [1]: Bảng Thông số đầu vào cho lớp đất vị trí xây dựng hầm Parameter A layer B layer C layer D layer E layer Name (Sét mềm) (Sét dẻo) (Cát rời) (Sét cứng) (Cát chặt) Unit Material model Model Mat behaviour Type Dry soil weigh unsat sat Wet soil weigh kx H permeability ky V permeability Young’s modulus Eref Cohesion c’ ’ Friction angle Dilatancy angle Poisson’s ratio MC Drained 15.8 17.8 1.81e-5 1.81e-5 1000 8.5 15 0.33 MC MC MC Drained Drained Undrained 20 20.8 20.4 21 21 22 4.7e-5 0.5 1.36e-5 4.7e-5 0.5 1.36e-5 2000 30 000 10 000 2.48 1.1 3.88 17 28 16 0.33 0.3 0.33 MC Drained 19.6 20.5 0.5 0.5 120 000 1.5 21 0.3 kN/m kN/m m/day m/day kN/m kN/m - 2.2.1 Xác định phạm vi ảnh hưởng vùng biến dạng lún tương quan chiều sâu đặt hầm biến dạng lún bề mặt thi công đường hầm métro Với số liệu địa chất bảng sau, sử dụng chương trình Plaxis tính toán chuyển vị lún bề mặt, nội lực phát sinh hầm đất ứng với chiều sâu chôn hầm khác dao động từ 10 ÷ 40m Để xét đến ảnh hưởng mát thể tích thi công hầm phương pháp TBM Plaxis ta áp dụng phương pháp nén lại (contraction method) Phương pháp xét đến việc giảm tiết diện mặt cắt ngang vỏ hầm Độ nén tính % tỉ số phần diện tích giảm so với diện tích tiết diện ngang ban đầu lấy tỉ số 2% Trên sở nghiên cứu ứng xử hầm đất phạm vi ảnh hưởng thi công hầm, lớp đất phủ tối thiểu hầm dọc tuyến từ 1.5D÷2D, D đường kính hầm Đối với tuyến métro số có đường kính hầm D= 7.8m nên yêu cầu bề dày lớp đất phủ tối thiểu từ 11.7 ÷ 15.6m Vì chiều sâu đặt hầm (tính từ tim hầm) nhỏ từ 15.6 ÷ 19.5m Hình Lưới phần tử hữu hạn toán Bảng Bảng tổng hợp kết phạm vi ảnh hưởng lún theo chiều sâu đặt hầm Chiều sâu Bề rộng đường cong lún theo Bề rộng đường cong lún theo (m) phương ngang hầm (m) phương dọc hầm (m) H = 10 33.1 41.08 H = 12 31.05 39.12 H = 15 26.73 33.74 H = 18 23.84 28.94 H = 20 22.5 27.04 H = 25 21.37 26.05 H = 30 20.98 25.84 H = 35 20.13 25.42 H = 40 19.72 25.03 Bảng Bảng tổng hợp kết chuyển vị nội lực hầm theo chiều sâu đặt hầm Chuyển vị Ux (mm) Chuyển vị Uy (mm) Chiều Smax sâu (m) A (mm) B C D A B C D H = 10 -0.503 -0.049 57.444 0.116 -74.011 -125.817 -17.507 68.389 -125.817 H = 11 -0.757 0.017 59.172 0.102 -60.277 -117.753 -14.362 75.262 -117.753 H = 12 0.307 0.023 61.604 0.231 -53.010 -114.755 -9.892 80.309 -114.755 H = 13 0.241 0.111 65.689 0.013 -49.505 -111.256 -8.102 85.721 -111.256 H = 14 0.148 0.127 67.021 0.176 -46.779 -108.459 -7.126 87.289 -108.459 H = 15 0.008 0.125 68.606 0.234 -43.053 -105.921 -6.975 90.088 -105.921 H = 16 0.611 0.125 70.131 0.139 -39.277 -103.407 -3.152 92.447 -103.407 H = 17 -0.034 0.062 73.021 0.104 -36.213 -101.016 -1.092 95.120 -101.016 H = 18 -0.031 0.043 74.035 -0.157 -34.177 -98.743 -0.013 97.154 -98.743 H = 19 -0.023 0.035 76.422 -0.221 -31.271 -96.578 1.113 98.123 -96.578 H = 20 -0.017 -0.103 79.519 -0.475 -27.185 -95.478 1.602 99.118 -95.478 H = 22 H = 25 H = 30 H = 35 H = 40 -0.011 -0.015 -0.007 -0.021 -0.004 -0.168 -0.115 -0.089 -0.045 -0.023 83.691 81.361 56.316 32.156 23.167 -0.678 -0.466 -0.589 -0.923 -0.834 -26.722 -24.892 -21.834 -19.425 -17.831 -91.101 -89.235 -84.367 -81.932 -76.243 1.733 101.977 2.654 106.626 3.376 99.723 3.854 78.099 4.122 49.500 -91.101 -89.235 -84.367 -81.932 -76.243 Trong đó: O: Tim đường hầm, tọa độ (0,0) A: Điểm nằm bề mặt phía đỉnh hầm B: Điểm nằm đỉnh phía vỏ hầm, phía vỏ hầm, tọa độ (0,-3.9) C: Điểm nằm mép vỏ hầm, ngang tâm đường hầm, tọa độ (3.9,0) D: Điểm nằm đáy vỏ hầm, tọa độ (0,3.9) Hình Biểu đồ quan hệ độ sâu đặt hầm H-chuyển vị lún bề mặt 2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng trình xây dựng đường hầm métro đến công trình mặt đất Khi xây dựng công trình đường hầm, đường hầm đặt nông gần mặt đất, việc phải giữ ổn định cho thân đường hầm phải giữ ổn định cho công trình lân cận, đặc biệt công trình hữu mặt đất Tại TP Hồ Chí Minh, thực tế với công trình thấp tầng công trình xây dựng trước đây, việc gia cố đất yếu chủ yếu dùng móng nông có cừ tràm Do chiều sâu xây dựng đường hầm nằm sâu cao độ đáy cừ tràm (trung bình cao độ đáy cừ tràm -5m so với mặt đất) nên việc xây dựng đường hầm có ảnh hưởng đến công trình bên dạng này, với công trình cao tầng công trình sử dụng móng cọc bê tông cốt thép không bị ảnh hưởng Bài toán đặt xem xét ảnh hưởng việc xây dựng đường hầm công trình hữu bên sử dụng loại móng nông Điều quan trọng để dự đoán ảnh hưởng để có biện pháp xử lý thích hợp trình xây dựng đường hầm Mô hình toán Plaxis với địa chất kết cấu vỏ hầm nêu Công trình nhà hữu bên mô (plate) kết nối với móng Các móng mô hình cách kết hợp (plate) neo (node-to-node anchors) để xét khả chịu mũi cọc ma sát xung quanh thân cọc Hình Mô hình toán Plaxis Hình Trường chuyển vị sau hầm, đất nhà khoảng cách B tính từ tim hầm đến mép gần công trình nhà khác để xét ảnh hưởng việc xây dựng đường hầm đến công trình bề mặt đất Hình Vị trí điểm tính toán chuyển vị lún Xét chuyển vị điểm A, B, C, D, E, F, G, H, I hình ứng với khoảng cách B tương ứng 0m, 5m, 10m, 20m, 30m, 40m, 50m, kết tổng hợp biểu đồ bảng sau: Hình Biểu đồ chuyển vị vị trí ứng với khoảng cách B Cố định vị trí công trình nhà bên dịch chuyển dần vị trí xây dựng hầm ta có Bảng Bảng tổng hợp kết chuyển vị theo khoảng cách B Khoảng Chuyển vị vị trí (mm) cách B (m) A B C D E F G -98.826 95.206 -15.484 -9.681 -41.186 -26.706 -11.708 -98.775 94.957 -12.636 -7.901 -27.954 -18.153 -8.345 10 -99.119 92.934 -11.422 -7.712 -12.591 -8.795 -5.580 15 -99.356 94.053 -11.960 -7.481 -5.106 -4.831 -4.556 20 -99.458 93.935 -11.762 -7.463 -3.861 -4.160 -4.461 30 -98.484 94.293 -12.398 -8.134 -2.916 -3.262 -3.634 40 -98.927 93.916 -13.014 -9.111 -3.577 -3.580 -3.596 50 -98.111 93.329 -13.677 -9.521 -3.734 -3.626 -3.524 H 3.608 1.471 -2.302 -4.281 -4.747 -3.999 -3.607 -3.413 I -41.186 -31.659 -32.481 -32.876 -33.154 -31.598 -32.422 -32.512 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Từ bảng rút số nhận xét sau: Bề rộng đường cong lún 2i giảm theo chiều sâu đặt hầm vùng ảnh hưởng lún thi công hầm gây đất lại tăng chiều sâu đặt hầm tăng Với chiều sâu đặt hầm từ 10÷15m đường cong lún có độ dốc lớn hay nói khác đường cong có vùng lõm sâu Khi chiều sâu đặt hầm >15m đường cong lún mở rộng dần nên có độ dốc thoải Bề rộng đường cong lún đạt giá trị lớn 33.1m hầm đặt sâu 10m So sánh vùng biến dạng lún theo phương ta thấy bề rộng đường cong lún theo phương dọc hầm luôn lớn bề rộng đường cong lún theo phương ngang hầm độ sâu đặt hầm khác 3.2 Từ bảng rút số nhận xét sau: - Tại điểm D điểm đáy vỏ hầm, có chuyển vị theo phương ngang gần toán đối xứng Chuyển vị theo phương đứng điểm D có giá trị dương, nghĩa điểm D chuyển vị lên Tại H= 10m, U_Dy= 68.389mm Chiều sâu đặt hầm lớn chuyển vị đứng điểm D tăng, nhiên đến chiều sâu H= 25m trở giảm xuống Lý xuống sâu địa chất lớp đất bên tốt áp lực nén lớp đất phía vỏ hầm tăng - Tại điểm C điểm vỏ hầm vị trí cao ngang tim hầm, vỏ hầm bị biến dạng theo phương ngang chủ yếu chênh lệch áp lực địa tầng phía vỏ hầm làm cho hầm bị biến dạng thành hình ovan Điểm C có chuyển vị hướng xa tâm đường hầm Chuyển vị theo phương ngang điểm C tăng dần theo tăng độ sâu chôn hầm Khi chiều sâu chôn hầm >22m điểm C có chuyển vị theo phương ngang giảm dần Ngược lại chuyển vị đứng điểm C thay đổi theo chiều sâu đặt hầm có giá trị nhỏ không đáng kể Khi chiều sâu chôn hầm >19m điểm C bắt đầu có chuyển vị dương, tức trồi lên thay đổi chiều sâu đặt hầm tăng lên Điều lý giải chôn sâu, phía hầm hình thành nên vòm áp lực độ chênh áp lực địa tầng tác dụng lên hầm không thay đổi - Tại điểm B điểm đỉnh vỏ hầm có biến dạng theo phương ngang gần toán đối xứng Còn chuyển vị theo phương đứng giảm rõ rệt theo chiều sâu đặt hầm Tuy nhiên chiều sâu chôn hầm lớn 20m độ lún giảm nhanh chiều sâu đặt hầm tăng - Tại điểm A điểm bề mặt có biến dạng theo phương ngang gần toán đối xứng Chuyển vị theo phương đứng điểm A có giá trị âm Với chiều sâu đặt hầm tăng giá trị chuyển vị đứng A giảm Tại H= 10m, U_Ay= 74.011mm Tuy nhiên đến chiều sâu H= 20m trở giảm dần Lý xuống sâu địa chất lớp đất bên tốt Tại H= 40m, U_Ay= 17.831mm Từ phân tích trên, chiều sâu đặt hầm hợp lý khoảng 15÷20m so với mặt đất Tại khoảng chiều sâu này, chuyển vị hầm tương đối nhỏ từ 5÷8cm biến dạng lún bề mặt từ 2÷4cm coi ảnh hưởng không đáng kể đến công trình mặt đất Khi hầm đặt sâu 40m biến dạng lún bề mặt nhỏ thay đổi không đáng kể [...]... kể đến các công trình trên mặt đất Khi hầm đặt sâu hơn 40m thì biến dạng lún bề mặt