PHÂN TÍCH MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG LÚN BỀ MẶT KHI THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM METRO BẰNG MÁY ĐÀO TỔ HỢP TBM KHU VỰC TP.HCM

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tập …, số …, 2011 Tr 1-13 PHÂN TÍCH MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG LÚN BỀ MẶT KHI THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM METRO BẰNG MÁY ĐÀO TỔ HỢP TBM KHU VỰC TP.HCM VÕ PHÁNa, NGUYỄN QUANG KHẢIb a Khoa Xây dựng, Đại học Bách khoa, Tp Hồ Chí Minh b Thanh tra An toàn lao động Tp Hồ Chí Minh GIỚI THIỆU Thành phố Hồ Chí Minh nằm khu vực có mật độ xây dựng mặt cao, điều kiện địa chất yếu, mặt thi công chật hẹp với mật độ dân cư dày đặc Việc xây dựng hầm phương pháp đào lộ thiên khó khả thi chúng gây ảnh hưởng đến công trình lân cận công tác giải phóng mặt phức tạp Phương pháp Mỏ truyền thống chắn phức tạp đáp ứng tiến độ đặt ra, phương pháp NATM với đất đá yếu đòi hỏi phải có công tác gia cố khó đáp ứng yêu cầu kinh tế tiến độ Trong phương pháp đào hầm thi công giới (TBM, SM) phát triển mạnh, đặc biệt thiết bị khiên đào hay TBM đất yếu Đây công nghệ đào hầm tiên tiến mà có khả áp dụng rộng rãi xây dựng hầm công trình ngầm đô thị, đặc biệt qua nơi có đặc điểm địa chất tương đối yếu vị trí xây dựng lộ thiên đô thị lớn Đặc điểm biến dạng lún bề mặt thi công đường hầm metro phụ thuộc vào phương pháp công nghệ thi công Với công nghệ thi công khác giá trị lún bề mặt gây khác Kết báo nghiên cứu sở lý thuyết lựa chọn phương pháp tính toán biến dạng lún bề mặt thi công đường hầm metro máy đào tổ hợp TBM khu vực thành phố Hồ Chí Minh XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM MÉTRO BẰNG MÁY ĐÀO TBM 2.1 Xây dựng mô hình tính lý thuyết [1] Vấn đề tải trọng tác dụng lên kết cấu hầm thi công TBM, tham khảo tiêu chuẩn Nhật Bản (JSCE-1996) sau: Bảng Các loại tải trọng tác dụng lên kết cấu hầm thi công TBM Tải trọng thẳng đứng nằm ngang Tải trọng thường xuyên Áp lực nước Trọng lượng thân Hiệu ứng tải trọng chất thêm (surcharge) Phản lực đất Các tải trọng nội Tải trọng phụ thêm (thứ cấp) Tải trọng thi công Hiệu ứng động đất Hiệu ứng hai nhiều khiên đào Tải trọng đặc biệt 10 Hiệu ứng làm việc khu vực lân cận 11 Hiệu ứng biến dạng đất 12 Các hiệu ứng khác Hình Mô hình tính toán theo JSCE-1996 Giới hạn báo không xem xét đến ảnh hưởng động đất hay ảnh hưởng tải trọng bên Trong phạm vi báo xét đến áp lực đất tương tác kết cấu với đất Ở trạng thái nguyên sinh phân tố đất tồn cách ổn định (đủ ba thành phần ứng suất), đào hầm làm thay đổi trạng thái ban đầu làm cho đất xung quanh hầm bị biến dạng nhằm xác lập lại trạng thái cân Sự biến dạng tạm thời làm thay đổi (giảm) ứng suất bên khu vực lân cận với hầm, trình thay đổi gọi trình giải phóng ứng suất thể qua hệ số giải phóng ứng suất χ Mức độ giải phóng ứng suất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất đất nền, tốc độ biến dạng đất, kích thước gương đào, loại kết cấu chống đỡ thời gian lắp đặt kết cấu đó, chiều dài khoảng chống đỡ Nói chung mô hình mức độ giải phóng ứng suất đường giải phóng ứng suất đây: Hình Đường biểu diễn mức độ giải phóng ứng suất đất Xét mặt cắt 1-1, tuỳ theo phương pháp giữ ổn định mặt gương đào mà mức độ giải phóng ứng suất khác chiều dài L1 thay đổi (gần mặt gương so với trường hợp biện pháp giữ ổn định mặt gương đào) Trong báo tác giả sử dụng giá trị hệ số giải phóng ứng suất tương ứng với giai đoạn thi công sau: Các mô hình phân tích qua giai đoạn độc lập sau cộng tác dụng kết tính từ mô hình lại với để đưa kết cuối cùng: + Tại vị trí gần mặt gương: sử dụng TBM cân áp lực đất (EPB) để giữ ổn định mặt gương tính toán lựa chọn giá trị áp lực đất phù hợp để coi hệ số giải phóng ứng suất vị trí ~0 + Tại vị trí mặt cắt 2-2: mức độ giải phóng ứng suất xác định thông qua đường cong quan hệ ứng suất biến dạng (đường cong Fener-Parcher) cách cho biến dạng biên cưỡng u1 để tính ngược giá trị ứng suất triết giảm Ở mặt cắt coi vỏ khiên đào tuyệt đối cứng nên sau đất áp sát vào vỏ khiên không tiếp tục biến dạng + Mặt cắt 4-4: sử dụng hệ số giải phóng ứng suất mặt cắt 2-2 để phân tích trình làm việc tương tác đất với vỏ hầm liên quan đến ảnh hưởng lún bề mặt 2.2 Xây dựng mô hình tính phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis) Các thông số sử dụng Plaxis để mô mô hình lý thuyết [2] Bảng Thông số đầu vào cho lớp đấ t C layer D layer E layer (Sét mềm) (Sét dẻo) (Cát rời) (Sét cứng) (Cát chặt) Model MC MC MC MC MC - Type Drained Drained Drained Undrained Drained - Parameter Name Material model Mat behaviour A layer B layer Unit Dry soil weigh γunsat 15.8 20 20.8 20.4 19.6 kN/m3 Wet soil weigh γsat 17.8 21 21 22 20.5 kN/m3 m/day H permeability kx 1.81e-5 4.7e-5 0.5 1.36e-5 0.5 V permeability ky 1.81e-5 4.7e-5 0.5 1.36e-5 0.5 m/day E ref 1000 2000 30 000 10 000 120 000 kN/m2 Cohesion c’ 8.5 2.48 1.1 3.88 1.5 kN/m2 Friction angle ϕ’ 15 17 28 16 21 ° Dilatancy angle ψ 0 ° Poisson’s ratio ν 0.33 0.33 0.3 0.33 0.3 - Young’s modulus Bảng Thông số đầu vào cho vật liệu bê tông làm vỏ hầm Parameter Name Value Unit Type of behaviour Material type Elastic - Normal stiffness EA 2.4×107 kN/m 7.2×105 kNm2/m Flexural rigidity EI Equivalent thickness d 0.6 kNm/m Wieght w 14.4 KN/m/m Poisson’s ratio ν 0.15 - Bảng Thông số đầu vào cho vật liệu thép máy đào TBM Parameter Name Value Unit Type of behaviour Material type Elastic - Normal stiffness EA 8.2×107 kN/m 8.38×104 kNm2/m Flexural rigidity EI Equivalent thickness d 0.35 kNm/m Wieght w 38.15 KN/m/m Poisson’s ratio ν - 2.2.1 Thiết lập áp lực cân bề mặt gương đào Như phân tích trên, giải pháp lựa chọn biện pháp cân áp lực mặt gương đảm bảo ảnh hưởng mát thể tích mặt gương đào không đáng kể hay nói cách khác giả định không ảnh hưởng đến biến dạng lún Để mô áp lực cân bề mặt gương đào Plaxis cách xem áp lực cân lực tác dụng lên mặt gương đào theo phương z đưa vào tham số tải trọng ΣMloadA Hình Mô hình mô mặt gương đào Hình Cửa sổ nhập áp lực cân bề mặt gương đào Trong yref cao độ đỉnh hầm, pref áp lực cân vị trí đỉnh hầm, pinc dung trọng riêng vữa sét Ví dụ với mặt cắt hầm có đường kính 6,2m dùng dung dịch vữa sét có dung trọng riêng 15 kN/m2 tạo áp lực cân bề mặt gương có áp lực đỉnh hầm 150 kN/m2 Như áp lực cân đáy hầm có giá trị là: 150+6,2×15=243 kN/m2 2.2.2 Thiết lập mát hướng tâm trình đào máy TBM Hình Cửa sổ nhập mát hướng tâm (contraction) 2.2.3 Thiết lập môi trường khô hầm Trong trình thi công hầm máy TBM, nhờ lớp vữa sét cân áp lực bề mặt gương mà nước ngầm xâm nhập vào hầm Vì đảm bảo môi trường khô hầm Để tạo môi trường khô hầm tính toán phân bố áp lực nước ngầm ta chọn tùy chọn Cluster is dry in this slice Hình Tùy chọn phân bố áp lực nước ngầm Hình Phân bố áp lực nước ngầm sau tính toán Hình Trường chuyển vị lún đất Với mô hình 2D giải chương trình Plaxis 8.5 ứng với giá trị phần trăm mát thể tích khác ta có giá trị chuyển vị lún lớn khác Bảng Các giá trị lún khác ứng với phần trăm mát thể tích khác VL (%) Smax (mm) 110.14 97.03 83.84 70.71 2.2.4 Tính toán mô hình 3D chương trình Plaxis 3D Tunnel Hình Mô hình đầu vào toán Hình 10 Phát sinh lưới 3D Ưu điểm mô hình 3D thể tất điều kiện biên mô hình lý thuyết Ngoài mô hình 3D ta kiểm tra ổn định bề mặt gương đào Để đảm bảo ổn định bề mặt gương đào dùng dung dịch vữa sét có dung trọng riêng 15 kN/m2 tạo áp lực cân bề mặt gương có áp lực đỉnh hầm 150 kN/m2 Như áp lực cân đáy hầm có giá trị là: 150+7.8×15=267 kN/m2 - Kết tính toán phase 1: Hình 11 Kết áp lực nước lỗ rỗng sau làm khô hầm Hình 12 Lưới biến dạng cuối phase Hình 13 Trường chuyển vị lún đất Hình 14 Lưới biến dạng lún bề mặt - Phase 2: Tính toán áp lực cân bề mặt gương đào tối thiểu cần thiết để đảm bảo ổn định mặt gương đào Kết tính toán Σ− MloadA=0.2184 Vì áp lực cân bề mặt gương nhỏ đỉnh hầm 0.2184×150=32.76 KN/m2 Áp lực cân bề mặt gương nhỏ đáy hầm 0.2184×267=58.31 KN/m2 Đây áp lực cân bề mặt gương tối thiểu để đảm bảo ổn định mặt gương đào - Phase 3: Tính toán ổn định mặt gương đào: Ổn định mặt gương đào vấn đề quan tâm hàng đầu trình thi công hầm Trong Plaxis hệ số ổn định tính toán theo phương pháp giảm c, ϕ Giảm tham số cường độ c tanϕ đến đất bị phá hoại Tính hệ số an toàn ΣMsf: c ∑ Msf = c r = tan ϕ tan ϕ r Thiết lập giai đoạn c, ϕ reduction chấp nhận độ tăng mặc định Msf=0,1 10 Hình 15 Lưới biến dạng cuối phase (c, ϕ reduction) Hình 16 Biểu đồ quan hệ áp lực cân bề mặt gương với chuyển vị lún bề mặt Hình 17 Biểu đồ quan hệ mát thể tích hướng tâm với chuyển vị lún bề mặt 2.3 Phân tích so sánh kết tính toán lý thuyết với tính toán phương pháp PTHH Kết tính toán phương pháp PTHH (chương trình Plaxis) cho kết nhỏ tính toán theo công thức lý thuyết Lý mô hình thực nghiệm lý thuyết không xét đến biến dạng đất yếu, không xét đến ảnh hưởng nước ngầm đến biến dạng lún Mặt khác hạn chế phương pháp tính lý thuyết với số loại đất định, vùng định Hơn phương pháp tính lý thuyết chưa xét đến phần tử tiếp xúc đất với hầm Phương pháp tính lý thuyết không thật hữu dụng với công trình hầm có cấu trúc phức tạp hay nằm vùng địa chất khó khăn 11 2.4 Phân tích so sánh kết tính mô hình 2D 3D Kết tính mô hình 2D cho kết lớn mô hình 3D Tính toán Plaxis theo mô hình không gian 3D cho kết hợp lý Bởi mô hình 3D thể tất điều kiện biên mô hình lý thuyết, thể vùng lún theo phương Ngoài mô hình 3D ta kiểm tra ổn định bề mặt gương đào, tính toán áp lực cân bề mặt gương đào nhỏ cần thiết để đảm bảo ổn định bề mặt gương suốt trình đào KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận 3.1.1 Trong lý thuyết tính chuyển vị lún bề mặt nêu lý thuyết New O'Reilly cho kết gần với thực tế Tuy nhiên theo kết kiểm chứng số công trình métro thi công giới kết tính theo lý thuyết New O'Reilly so với thực tế thi công có sai lệch thường cho kết lớn 3.1.2 Nhược điểm lý thuyết New O'Reilly: với số loại đất định, vùng định Hơn phương pháp tính lý thuyết chưa xét đến phần tử tiếp xúc đất với hầm Phương pháp tính lý thuyết không thật hữu dụng với công trình hầm có cấu trúc phức tạp hay nằm vùng địa chất khó khăn Tuy nhiên thực tế thi công có nhiều phương pháp đào khác nhau, tùy thuộc vào công nghệ đào mà giá trị lún bề mặt khác Ví dụ trường hợp thi công vùng đất yếu thường phải lựa chọn loại thiết bị TBM có giải pháp cân áp lực bề mặt gương (cân áp lực đất, cân áp lực dung dịch vữa sét, khí nén ) để hạn chế biến dạng lún bề mặt Vì lý thuyết New O'Reilly không phản ánh với thực tế thi công với nhiều công nghệ thi công khác 3.1.3 Ngược lại phương pháp phần tử hữu hạn mô trình thi công cách gần nên cho kết gần với thực tế hơn, đồng thời kết đưa đa dạng Hiện với phát triển máy tính công nghệ phần mềm phương pháp phần tử hữu hạn thường dùng tính toán xác biến dạng lún bề mặt thi công đường hầm métro 3.1.4 Mô hình toán 3D tính toán Plaxis 3D Tunnel Ưu điểm mô hình tất điều kiện biên mô hình thí nghiệm mà mô hình toán 2D không đáp ứng Bên cạnh mô hình toán 3D mô trình thi công cách gần nên cho kết gần với thực tế so với mô hình toán 2D Ngoài mô hình 3D ta kiểm tra ổn định bề mặt gương đào, tính toán áp lực cân bề mặt gương nhỏ cần thiết để đảm bảo ổn định suốt trình đào 3.2 Kiến nghị 3.2.1 Tính toán đường hầm đất yếu phức tạp, đòi hỏi phải có kết hợp phương pháp lý thuyết thực nghiệm để có đánh giá cách tương đối ứng xử đường hầm đất 3.2.2 Khi qui hoạch xây dựng đô thị vị trí xây dựng đường hầm kiến nghị chủ đầu tư cần đánh giá có giải pháp thích hợp gia cố, bảo vệ trước móng nông, công trình 3.2.3 Đối với khu vực đô thị kiến nghị cần phải xây dựng qui hoạch không gian ngầm đô thị Với vẽ qui hoạch không gian ngầm đô thị việc thiết kế, xây dựng đường hầm khu 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Văn Dưỡng, Nghiên cứu ảnh hưởng lún bề mặt thi công đường hầm metro đặt nông đất máy đào tổ hợp TBM, Trường ĐH GTVT Hà Nội, 2006 Công ty Cổ phần TVTK GTVT phía Nam, Dự án khả thi tuyến metro Bến Thành – Suối Tiên, 2007 John Anthony Pickhaver, Numerical Modelling of Building Response to Tunnelling, Ph.D thesis, Oxford University, 2006 L.V Makốpski, Công trình ngầm giao thông đô thị, Nhà xuất Xây dựng, 2004; Piergiorgio Grasso, Settlement in construction of urban underground works, solutions settlement control, ITST Seminar Ha Noi, 2008 Nguyen Đuc Toan, TBM and lining essential interfaces, ME thesis, Turin University, 2006 SUMMARY ANALYSIS CALCULATE MODEL FOR SURFACE SETTLEMENT WHEN BUILDING METRO CONSTRUCTIONS BY TUNNELLING BORING MACHINE IN HO CHI MINH CITY Building shallow underground constructions in weak land makes subsidence Characteristics of the surface subsidence when building metro line depend on the method and the technology of construction With the difference of the construction technologies, the value of suface subsidence is different This paper analysis model for calculating surface settlement when building metro constructions by tunnelling boring machine 13