Đang tải... (xem toàn văn)
Có hai công nghệ đào hầm đang áp dụng tại Việt Nam. Một là công nghệ đào hầm cổ điển NATM (New Austrian Tunnel Method) sử dụng biện pháp khoan nổ, dùng bê tông phun để chống đỡ kèm theo hệ chống neo đá, neo đất... Công nghệ thứ hai hiện đại, đa năng hơn là TBM (Tunnel Boring Machine) có thể thi công trên mọi loại địa chất từ đá cứng đến đất yếu, đất sét, đất bồi hay đất cát dưới mực nước ngầm, đi xuyên núi hay dưới lòng biển. TBM có độ an toàn cao, thân thiện môi trường hơn nhiều so với NATM vì không làm rung động, chấn động do nổ mìn. Có thể khoan hầm với tiết diện chính xác như thiết kế với tốc độ thi công nhanh từ 50 100mngày khi sử dụng TBM khoan núi đá.
GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM Chư¬ng 5: Thi công công trình hầm ph-ơng pháp TBM (Phơng pháp khoan đào) 1.Khỏi nim v lch s phỏt trin ca TBM Đào hầm TBM ph-ơng pháp đào hầm giới L phng pháp trẻ tuổi đời so với NATM phát triển nhanh chóng thành hệ thống song song với phương pháp khoan nổ có nhiều thành cơng đáng kể thi cơng cơng trình ngầm thị + Các thiết bị giới hố để thi công hầm đa dạng từ máy xúc có trang bị xới, thiết bị thuỷ lực đến máy đào hầm đa (roadheader) TBM + Phương pháp khiên đào (SM) biến thể TBM cho phép thi công hầm điều kiện đất yếu, ngậm nước loại đất trầm tích có khả áp dụng tốt xây dựng cơng trình ngầm thị gây ảnh hưởng đến cơng trình lân cận C¸c phơng pháp đào giới (mechanized tunnelling) ¸p dơng trªn thÕ giíi cã thĨ liƯt kª nh- dới đây: a.Roadheader-Máy (đầu) đào hầm: H1.Mỏy o hm kiu Roadheader H2.Phần đầu phá đất đá: Hà Nội 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM b Phương pháp kích đÈy (pipe jacking-ép xuyên) + Phương pháp kích đẩy (H3,H4) (pipe jacking) cho phép thi cơng cơng trình ngầm kỹ thuật với đường kính nhỏ + Về chất, phương pháp kích đẩy phương pháp cho phép lắp đặt đường ống vượt đường sắt, đường mà không cần phải đào hở việc đẩy ống thép BTCT xuyên qua đất thông qua giếng kỹ thuật + Phạm vi áp dụng phương pháp kích đẩy đa dạng, cho phép thi cơng đường ống có kích thước từ 460mm đến 2740mm, ngày lớn (micro TBM) Ph-ơng pháp kích đẩy, ging nh phương pháp hạ giếng ngang, chống tubin (vnh) kín đ-ợc lắp đặt vòng tiếp vòng khoang chuyên dùng cách xa g-ơng hầm Cùng khoang kích ép v chống phn u vào g-ơng hầm theo tiến trình đào đất Phng phỏp ny s dng ch yếu cho đường hầm có đường kính nhỏ đặt chiều sâu không lớn xây dựng nơi mà phương pháp đào hở khơng thích hợp Để giảm ma sát v chống với khối đất, không gian phía sau v chống - tubin đ-ợc bơm vữa sét H3 o hầm ph-ơng pháp kích đẩy: Ph-ơng pháp kích đẩy đ-ợc sử dụng lắp đặt ống qua khối đắp đ-ờng sắt đ-ờng ô tô Khi kích đẩy ống đ-ờng kính tới 900mm, để đào đất g-ơng sử dụng máy guồng xoắn Ph-ơng pháp ép xuyên (H4) đ-ợc sử dụng để lắp đặt ống đ-ờng kính tới 800mm d-ới khối đắp đ-ờng Khác với ph-ơng pháp kích đẩy, ph-ơng pháp khối đất nằm ống xuyên không lấy mà bị ép sang bên Ph-ơng pháp xuyên đ-ợc sử dụng ph-ơng án: kéo tời (hình 2.26) kích đẩy (hình 2.26 b) Lực cần thiết để ép ống đ-ờng kính 0,5m đất cát- sét đất đắp vào khoảng 150-1500KN phụ thuộc vào độ chặt độ sệt Hình4 Lắp đặt ống d-ới khối đắp ph-ơng pháp ép xuyên: Hà Nội 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM a- dïng têi kÐo, b- kÝch ®Èy H5.Cơng nghệ đào kích đẩy H6.Giếng thi cơng (hố thế) phương pháp kích đẩy c.TBM TBM từ viết tắt cụm từ tiếng anh Tunnel Boring Machine có nghĩa máy đào hầm Bản chất tổ hợp thi công hầm, cơng tác đập vụn đất đá thực lương học cấu đào (các thiết bị khoan phá đất đá, kết hợp với áp lực nước, khí ép, …); kết hợp với dây chuyền bốc dỡ đất đá gương hầm, chuyển phía sau, chống đỡ hầm thi cơng vỏ cách liên hồn (thường sử dụng cơng nghệ lắp ghép thi cơng kết cấu vỏ hầm) Hµ Néi 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM Trên giới, TBM phát triển sớm, với tiền thân phương pháp khiên đào (Shield) kích đẩy, đặc biệt nước Anh Năm 1818, Brunel thiết kế hệ thống khiên đào (shield tunnel) để thi công đường hầm qua sông Thames Với khiên chế tạo gang, hình chữ nhật tiết diện gương đào chia thành nhiều ô nhỏ cho cơng nhân thi cơng Lớp bảo vệ phía ngăn không cho đất đá sụp lở, bảo vệ công nhân ô thi công Thiết kế ban đầu Brunel Peter W.Barlow cải tiến q trình thi cơng đường hầm Tower sơng Thames trung tâm London năm 1870 Với tiết diện hình tròn (khơng giống Brunel có tiết diện hình chữ nhật) khiên giúp cho q trình thi cơng đơn giản khiên có khả chống đỡ tốt áp lực đất xung quanh Năm 1869, cơng trình sư Janes Heary Grethead dùng kết cấu khiên hình tròn lại lần xây dựng đường hầm sông Thames, lớp vỏ hầm lần dùng ống gang Chiều dài đường hầm dài 402m, đường kính ngồi 2.18m, đường hầm đào vùng đất sét, mặt khống chế nước ngầm khơng gặp khó khăn gì, kết cấu khiên ống tròn trở thành hình dạng phổ biến cho khiên sau Hình7 Khiên đào giới (1818 – Thames tunnel sheild) Năm 1874, Greathead phát tầng địa chất có tính thẩm thấu mạnh khó sử dụng khí nén đỡ bề mặt đường hầm, lại sử dụng kết cấu chắn lỏng chống đỡ bề mặt làm việc hầm Dùng dòng chảy lỏng với hình thức vữa bùn để thải đất Năm 1986, Greathead thi công đường hầm London sử dụng kết hợp giải pháp khí nén với kết cấu khiên đào Thi cơng điều kiện khí nén làm nên tiến to lớn việc đào đường hầm tầng chịu áp lực nước, lấp lỗ hổng thi công hầm phạm vi giới, số lượng sử dụng phương pháp đào kết cấu khiên tăng lên nhanh chóng Thiết kế Balow James Henry Greathead mở rộng cải tiến thêm để xây dựng City & South London railway (ngày phần tuyến đường ngầm phía bắc London) vào năm 1894 Cho tới ngày hầu hết khiên đào dựa theo khiên Greathead cách chặt chẽ Hµ Néi 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM Một tiến kỹ thuật khác phương pháp khiên sau Brunel phát minh dùng máy móc đào thay cho nhân cơng, quyền khiên giới hóa cơng nhận năm 1876 cho John Dickinson Bruton Greoge Bruton người Anh Cỗ máy khiên có mâm dao xoay hình nửa cầu số tạo thành, đất đào rơi vào gầu hướng tâm mâm dao Gầu đưa vật liệu vào băng chuyền chuyển phía sau khiên vận chuyển Năm 1986 Price xin đăng ký quyền năm 1987 cỗ máy H.7.đã sử dụng thành công tầng đất sét London, lần tổ hợp hai loại kết cấu khiên Greathead kết cấu khiên mâm xoay dao xoay Bánh xe cắt tổ hợp từ bốn cánh lan hoa có lắp cơng cụ cắt gọt bánh cắt có gầu xúc, đất đào nâng lên đổ vào máng xiên chảy vào xe chở vật liệu chờ sẵn, chuyển lên mặt đất năm 1986 Hagg đăng ký quyền máy khiên Đức Berlin Đó cỗ máy khiên dùng vừa để đỡ bề mặt đào hầm bọc kín buồng đào đất để làm buồng áp lực Vào đầu kỷ 20 phương pháp thi công khiên đẩy mạnh nước Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Liên Xô.Vào đầu kỷ 20 phương pháp thi công khiên đẩy mạnh nước Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Liên Xô Chỉ thập kỷ 30, 40 nước dùng khiên xây dựng nhiều tuyến đường hầm Metro, đường hầm ô tô qua sơng với đường kính từ 3.0 đến 9.5m Năm 1960, Schneidereit đề dùng vữa sét bentonite để đỡ bề mặt công tác Năm 1963 lần công ty Sato Kogyo Nhật phát minh khiên cân áp lực đất lúc công ty Sato Kogyo tìm phương pháp đào hầm lớp đất mềm xốp mực nước ngầm máy đào khiên khí nén dung dịch vữa sử dụng thành công Nhật Bản, việc phát minh khiên cân áp lực đất làm người ta kinh ngạc phát minh khiên cân áp lực đất Nhật Bản nhiều thành phố lớn có quy định pháp luật nghiêm ngắt môi trường Cho đến kỹ thuật đường hầm khiên đào phát triển vượt bậc Nhật Bản Nhật Bản chế tạo 2000 cỗ máy khiên đào trình độ kỹ thuật hầm khiên đứng vào hàng đầu giới Năm 1984, Thượng Hải chế tạo khiên đường kính 11.32m xây dựng thánh cơng đường tơ ngầm đáy sơng phía đơng đường Hồng Phố Giang–Diên An Tháng năm 1987 cơng trình đường hầm eo biển Anh – Pháp khởi công cự li tim hai hầm đường sắt 30m, đường kính hầm 7.6m đường kính đường hầm bổ trợ trung gian 4.8m Đường hầm xuyên qua chỗ hẹp eo biển Cự li phía Bắc núi Castle vùng Folkestone nước Anh đến Coquelles Pháp 50.5km có gần 37km đường hầm hồn tồn nằm đáy eo biển Thi công tuyến đường hầm dùng tổng cộng 11 máy khiên, bên phía Pháp dùng 5, Anh dùng cỗ máy Sai số khiên đào đường hầm phụ trợ có 350mm (chiều ngang) 60mm (chiều đứng) Cơng trình đường hầm hồn thành vào năm 1991 Năm 1987, cơng trình đường hầm cáp điện vượt sơng ga phía Nam thành phố Thượng Hải, sử dụng thành công cỗ máy khiên đào cân áp lực đất dạng vữa, áp lực đường kính 4.35m lần Trung Quốc sản xuất Năm 1989, cơng trình đường hầm dùng khiên dung dịch vữa lớn Nhật Bản khởi công, đường hầm đáy eo biển Tokyo dài 9.1km đường hầm đáy biển chuyên dụng đường dài giới thi công dùng cỗ khiên kiểu dung dịch vữa áp lực, đến cuối tháng 10 năm 1996 thông đường hầm Năm 1992, Nhật Bản nghiên cứu chế tạo khiên giới kiểu vữa áp lực ba đầu sử dụng thành công thi công công trình nhà ga tuyến số đường sắt ngầm dài 107km thành phố Osaka, tháng 11 năm hoàn thành sử dụng Tháng 11 năm 2001, đường hầm lớn giới Groene bắt đầu đào nhánh đường sắt cao tốc Luthan – A – mi-cithan xun qua vùng thiên nhiên xanh, lưới sơng ngòi dày đặc, xe cộ qua lại nhộn nhịp, tổng chiều dài 7156.018m, đường kính ngồi 14.3m, đường kính 13.3m Bề dày vỏ hầm Hµ Néi 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM 0.6m Dùng khiên cân vữa sét đường kính 14.87m thi cơng, cỗ máy lớn lịch sử Tài liệu ghi chép tiến độ thi công: ngày tốt 22m, tuần tốt (7 ngày) 118m, liên tục tốt tuần với 438m Đối với nước ta, năm gần công nghê TBM ngày phát triển mạnh mẽ, dấu ấn lớn kể đến cơng trình thủy điện Đại Ninh (Bình Thuận) dài 11km Dự án đường hầm Metro Hà Nội thành phố Hồ Chí Minh hai dự án quy mơ lớn thi cơng theo cơng nghệ TBM Bảng Một số đường hầm xây dựng giới TBM 2.Cấu tạo tổ hợp TBM Một tổ hợp TBM điển hình thường gồm 04 phận chủ yếu : phận đào vận chuyển sản phẩm dư trình đào, phận bảo vệ, phận di chuyển phận lắp đặt vỏ hầm - Bộ phận đào: Tùy thuộc vào loại đất đá phải phá vỡ mà có cấu tạo khác nhau, phổ biến dạng mâm đào hình tròn, bố có bố trí loại dao cắt cấu tạo từ thép cứng hàn chặt với vỏ vòng trụ để tăng cường ngăn chặn biến dạng mép trước vỏ gặp phải đất đá cứng - Bộ phận bảo vệ: Phạm vi phận bảo vệ tùy thuộc vào loại TBM kín hay hở Cấu tạo điển hình phận bảo vệ bao gồm vòng trụ vỏ uốn; vòng trụ thành phần chịu lực chính, ngăn chặn áp lực đất đá Vòng trụ cấu tạo từ phân tố kim loại, liên kết hàn, hàn-lắp ghép lắp ghép ; vỏ uốn chi tiết uốn theo vòng trụ, cấu tạo từ thép lá, chiều dày 40mm Phần sau vỏ kéo dài tạo đuôi, bảo vệ đuôi tiến hành lắp ghép vỏ hầm - Bộ phận di chuyển: hệ thống kích thủy lực thiết bị kèm - Bộ phận lắp đặt vỏ hầm: bao gồm hệ thống kích chống, thiết bị tạo liên kết đoạn vỏ hệ thống bơm vữa chèn khe hở thi cơng Ngồi có vách ngăn để phân chia khơng gian phía tổ hợp ô công tác phận chuyển tải đất, đá khỏi gương đào (như cấu ruột gà, băng chuyền, …) Hµ Néi 10-2015 GS.TS Đỗ Như Trỏng Phng phỏp Khoan o- TBM 2.1.Điều kiện áp dụng: áp dụng điều kiện địa chất địa chất thuỷ văn phức tạp nhất, đất đá mềm yếu, không ổn định, chiều dài công trình lớn, tiết diện ngang không đổi, thng l hỡnh trũn Ti thi im TBM áp dụng nhiều t ỏ cứng Sử dụng máy khoan hầm TBM hon ton phụ thuộc vo kết phân tích kinh tế, cụ thể ý đến chi phí v thời hạn thi công Để sử dụng TBM đòi hỏi phải có chiều di tối thiểu công trình ngầm, điều kiện cho phép khấu hao dự án Nói chung khẳng ®Þnh mét chiỊu dμi thĨ, cè ®Þnh, mang ý nghĩa tổng quát, phụ thuộc vo điều kiện riêng dự án Đương nhiên khẳng định chắn rằng, v tương lai phương pháp thi công thông thường sử dụng đường hầm di hng vi 100 m Tuy nhiên, sở kinh nghiệm thực tế giới, hon ton rút nhận định rằng, sử dụng TBM để thi công đường hầm di 2km có hiệu kinh tế, tùy thuộc vo đường kính cần thiết máy Các yêu cầu ngy cng cao hiệu kinh tế với chất lượng công trình ngầm dẫn đến xu tăng cường công tác nghiên cứu v áp dụng TBM thi công công trình ngầm, điều kiện địa chất phức tạp nht,thm l di nc Hệ thống thi công TBM đòi hỏi vốn đầu tư lớn, song lại không linh hoạt thích ứng với điều kiện địa chất biến đổi Cũng vậy, cần thiết phải có liệu thông tin đầy đủ khối đá, thông qua công tác thăm dò, xử lý, phân tích thận trọng Các thông tin l : - Khả khai đo đá, - Khả kích tựa đỡ máy TBM khối đá, - Mức độ ổn định v khả biến dạng khối đá Với mục đích hạn chÕ tèi ®a rđi ro vỊ kü tht vμ kinh tế, cần thiết phải nghiên cứu, phân tích đắn yếu tố ny suốt dọc trục đường hầm §ång thêi còng ph¶i lu ý lùa chän tèi u hệ thống thiết bị theo phía sau máy TBM, sở phân tích khả biến động khối đá Nói chung máy khoan hầm thích hợp cho việc thi công đường hầm bố trí đá rắn cứng (rắn chắc) có độ bền nén trung bình đến cao (50MPa đến 300MPa), đương nhiên phụ thuộc vo khả mi mòn đá Khả sử dụng TBM thể hình Khả mi mòn hay độ mi mòn l khả đá lm hao mòn công cụ khí, tác động vo đá, thường đánh giá qua mức độ hao mòn công cụ khoáng vật có độ cứng cao, ví dụ thạch anh Nói chung máy khoan hầm TBM thường sử dụng cho đường hầm có tiết diện tròn Quá trình khai đo TBM cho phép bảo dưỡng khối đá v đảm bảo độ xác đường biên khai đo Hiện máy TBM sử dụng phổ biến có đường kính từ 2,5m đến 12m ; nhiên xuất máy TBM đường kính lớn (đến 19m) 2.2.Phân loại TBM nh- sau: Hà Néi 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM H8.TBM đơn +Theo hình dáng: tròn, chữ nhật, êlíp + Theo diện tích mặt cắt ngang: - Nhỏ S < 16m2 - Trung b×nh S = 16-30m2 Lín S > 30m2 +Theo mức dộ giới hoá: giới, bán giới + Theo tiờu hn hợp khác, người ta phân TBM lo¹i lμ: - TBM đo ton gương - TBM đo mở rộng - TBM cã mét khiªn chèng - TBM cã khiªn dạng têlêskốp (ống nhòm) /TBM khiên kép/ TBM có vỏ tựa đỡ Hà Nội 10-2015 GS.TS Nh Trỏng Phng phỏp Khoan o- TBM TBM đo ton gương v TBM ®μo më réng thuéc vμo nhãm TBM hë (TBM-O) TBM có khiên chống v TBM dạng têlêskop thuộc vo nhóm máy khoan hầm có khiên (TBM có khiên TBM-S) H9 Phạm vi sử dụng nhóm máy TBM Máy TBM đo ton gơng sử dụng chủ yếu để thi công đường hầm đá rắn cứng, đới phá hủy Khoảng 80 đến 90% khối đá theo chiều di đường hầm l ổn định v đòi hỏi chống bảo vệ ít, xem l tiêu định hướng thô Độ bền nén đá dao động từ 100 đến 300 MN/m2 Độ bền nén 350MN/m2, độ dai với khả mi mòn cao đá xem l giới hạn áp dụng Loại máy ny thích hợp cho loại khối đá có thời gian tồn ổn định không chống (thời gian lưu không ổn đinh) đủ lớn để lắp dựng khung chống dạng vòm phía sau đầu đo Phun bê tông vo khoảng khung chống thường thực phạm vi bố trí hệ thống kèm sau TBM, nhằm tránh ảnh hưởng xấu bê tông phun đến thiết bị thủy lực máy Gặp khối đá có xu bị phá hủy, dẫn đến khả máy TBM vị vùi lấp phía sau đầu đo, nhận biết chậm khả xảy Trong trường hợp ny đỏi hỏi phải sử dụng giải pháp tốn kém, sử dụng kỹ thuật khoan phun gia cố xung quanh máy, sau máy giải phóng dần biện pháp thủ công Công việc ny có kéo di hng tháng Đương nhiên gặp khối đá có khả sập lở, máy TBM có khiên đỡ l thích hợp H10 Rủi ro thi công hầm TBM Trong thực tế, gặp khối đá dạng ny, nên sử dụng phương pháp thi công thông thường Hà Nội 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM M¸y TBM đo mở rộng có hai phân riêng biệt : - Bé phËn TBM cã kÝch tùa ®ì, ®μo tiến trước hay đo tiên phong, gọi l TBM-Pilot, TBM tiÕn tr−íc - Bé phËn TBM më réng Hai phận ny điều khiển vận hnh không phụ thuộc lẫn thời gian Thông thường đầu đo TBM tiến trước tạo đường hầm dẫn hướng tòan chiều di Sau đầu đo TBM mở rộng sử dụng để tạo đường hầm có tiết diện thiết kế Đầu đo TBM mở réng cã hƯ thèng kÝch tùa ®ì bè trÝ phÝa trước hướng đo, tựa lên thnh đường hầm tiến trước đỡ áp lực nén ép lên gương khoan tạo lực kéo, nhờ vo kích tựa đỡ Tương tự máy TBM khác, phận bổ trợ kéo theo phía sau Máy TBM khiên chống máy TBM dạng ống nhòm kết hợp với vỏ lắp ghép (chẳng hạn bê tông cốt thép hay sợi thép đúc trước) ngy cng ý sử dụng, đặc biệt đường hầm có đường kính lớn, nhờ có phối hợp hi hòa giữ công tác khoan, lắp dựng kết cấu bảo vệ v kết cấu chống 2.3 Máy TBM khoan ton gơng - Đặc điểm cấu tạo Dạng cấu tạo điển hình máy TBM có kích tựa đỡ tiên tiến thể hình v di õy Hình11.Cấu tạo TBM đo ton gương; Đầu khoan; Vỏ đầu khoan, gåm vá cã g¾n têng hay tÊm ch¾n bơi v phận bảo vệ đầu khoan nới di được; Thiết bị lắp dựng khung chống v hệ thống vËn chun; Trơc vu«ng (Inside Kelly) Trơc vuông ngoi-Outside Kelly, dạng đơn hay đôi, có tựa ®ì vμ c¸c kÝch ®iỊu chØnh; KÝch ®Èy; Dẫn động đầu khoan; Tựa đỡ phía sau; Băng tải; 10 Máy khoan lỗ neo; 11 Máy khoan thăm dò Có thể phân biệt phận sau : - Các phận đo, tựa đỡ v động (dẫn động) ; 10 Hà Nội 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM H×nh Mặt cắt hầm đất đá xung quanh hầm Liên quan đến trọng l-ợng đơn vị đất để tính toán áp lực đất trọng l-ợng thể tích đất trạng thái -ớt đ-ợc tính toán cho đất nằm mực n-ớc ngầm trọng l-ợng thể tích đất ngậmp đ-ợc tính cho đất nằm phía d-íi mùc n-íc ngÇm Pe1 Po iHi jHj (0.1) Trong đó: Po: l-ợng tải i: dung trọng đơn vị đất địa tầng thứ i mà vị trí nằm mực n-ớc ngầm j: dung trọng đơn vị đất địa tầng thứ j mà vị trí nằm d-ới mực n-ớc ngầm Hi: chiều dày địa tầng thứ i có vị trí nằm mực n-ớc ngầm Hj: chiều dày địa tầng thứ j có vị trí nằm d-ới mực n-ớc ngầm Theo công thức Terzaghi: H Hi Hj (0.2) H k0tg C B1 B1 (1 )(1 e ) B1 h0 H k0tg B1 k0tg Poe (0.3) B1 R0 cot g ( ) pe1 h0 (0.4) (0.5) (nếu đ-ờng hầm nằm mực n-ớc ngầm) 38 Hà Néi 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM pe1 ' h0 (0.6) ( nÕu h0 Hw) Trong đó: h0 : áp lực đất suy giảm chia cho trọng l-ợng đơn vị đất k0: hệ số áp lực đất bên áp lực thẳng ®øng =1 ¸p lùc n-íc ¸p lùc n-íc t¸c dơng lên vỏ hầm áp lực thuỷ tĩnh Kết áp lực n-ớc tác dụng lên vỏ hầm lực đẩy Nếu hợp lực áp lực đất thẳng đứng đỉnh vòm tĩnh tải lớn lực đẩy nổi, khác biệt tác động chúng nh- áp lực đất thẳng đứng đáy hầm (phản lực nền) Nếu lực đẩy lớn hợp lực áp lực đất thẳng đứng đỉnh vòm tĩnh tải hầm Tĩnh tải Tĩnh tải lực thẳng đứng tác dụng lên trọng tâm mặt cắt hầm, đ-ợc tính toán theo c«ng thøc: pg W (0.7) 2 Rc pg ct (0.8) ( mặt cắt hình chữ nhật) Hình áp lực đất suy giảm đ-ợc tính toán theo công thức Terzaghi V-ợt tải L-ợng v-ợt tải làm tăng áp lực đất lên vỏ hầm Các tác động lên vỏ hầm nh- sau đ-ợc coi tải : Tải trọng giao thông đ-ờng Tải trọng đ-ờng sắt 39 Hà Nội 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM Trọng l-ợng cao ốc Phản lực Khi đ-a vào tính toán lực thành phần vỏ, cần phải xác định phạm vi tác động, độ lớn h-ớng phản lực Phản lực đ-ợc chia thành hai nhóm Phản lực độc lập với chuyển vị đất nh- pe2 Phản lực phụ thuộc vào chuyển vị đất Giả thiết phản lực phụ thuộc vào chuyển vị đất tỉ lệ thuận với chuyển vị đất yếu tố tỉ lệ đ-ợc xác định nh- hệ số phản lực Giá trị hệ số phụ thuộc vào độ cứng đất kích th-ớc vỏ (bán kính hầm) Phản lực kết hệ số phản lực chuyển vị vỏ đ-ợc định độ cứng đất độ cứng vỏ hầm lắp ghép Độ cứng vỏ lắp ghép phụ thuộc vào độ cứng thân phân đoạn, số l-ợng loại mối nối Mô hình khung cứng đàn hồi tính đ-ợc giá trị phản lực nh- lực đàn hồi ( hình 8, hình 10) Hình áp lực đất tác dụng lên vỏ hầm Hình 13 Mô hình phản lực Hình áp lực đất tác dụng lên vỏ hầm Trong đó: qe1 ( pe t / 2) (nếu đ-ờng hầm nằm mực n-íc ngÇm) qe1 ( pe ' t / 2) (nếu đ-ờng hầm nằm d-ới mực n-íc ngÇm) qe pe (2R0 t / 2) ( nÕu ®-êng hầm nằm mực n-ớc ngầm) 40 Hà Nội 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM qe pe '(2R0 t / 2) ( đ-ờng hầm nằm d-ới mực n-ớc ngầm) Nếu lực thành phần đ-ợc tính toán ph-ơng pháp PTHH thành phần chuyển vị phẳng đ-ợc mô hình hoá nh- gối đàn hồi để tính phản lực Mô hình (a) Mô hình (b) Mô hình (c) Mô hình (d) Hình 10 Phạm vi h-ớng phản lực mô hình tính khung dầm đàn hồi Mô hình a b c d Phạm vi Xung quanh vỏ Không có đỉnh hầm Không có đỉnh hầm Phụ thuộc vào chuyển vị H-ớng Pháp tuyến Pháp tuyến tiếp tuyến Pháp tuyến Pháp tuyến Lực nén/kéo nỊn KÐo vµ nÐn KÐo vµ nÐn KÐo vµ nÐn Chỉ có lực nén Tải trọng từ bên trong: Tải trọng trình thi công Lực đẩy kích khiên đào: đoạn vỏ hầm đ-ợc lắp ghép, độ bền chúng phải chống lại lực đẩy kích khiên cần đ-ợc thí nghiệm Nhằm phân tích ảnh h-ởng lực đẩy kích phân đoạn, ng-ời thiết kế cần khảo sát lực cắt mômen từ độ lệch tâm tin cậy bao gồm tr-ờng hợp chuyển dịch dung sai giới hạn Tải trọng trình vận chuyển lắp đặt phân đoạn Tải trọng phun vữa lấp đầy Tải trọng lắp đặt thiết bị Các tải trọng khác ảnh h-ởng động đất Việc phân tích tĩnh nh- ph-ơng pháp biến dạng động, ph-ơng pháp hệ số động hay phân tích động cần đ-ợc sử dụng cho thiết kế động đất Ph-ơng pháp biến dạng động th-ờng cho phép để khảo sát ảnh h-ởng động đất đ-ờng hầm Các tải trọng khác Nếu cần thiết ảnh h-ởng đ-ờng hầm lân cận ảnh h-ởng lún không cần đ-ợc khảo sát 41 Hà Nội 10-2015 GS.TS Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM VËt liÖu ViÖc sử dụng vật liệu vỏ cho hầm thi công khiên đào có xu h-ớng sử dụng phân đoạn vỏ bê tông cốt thép để làm lớp vỏ ban đầu bê tông đuc chỗ đê rlàm vỏ thứ cấp cho hầm Các vật liệu để thiết kế bê tông phải phù hợp với tiêu chuẩn hành Có thể không cần dùng bê tông đúc chỗ để làm vỏ hầm Nếu lớp vỏ hầm đoạn bê tông đ-ợc thiết kế thi công phụ thuộc vào thời gian dự án hầm, phần vỏ đ-ợc cho phép định Hình 11 điều kiện tải trọng ph-ơng pháp đàn hồi Hình 12 áp lực thuỷ tĩnh Hình 13 Phản lực độc lập với chuyển vị đất 42 Hµ Néi 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan o- TBM Mô đun đàn hồi Độ bền kéo fck (MN/m2) 18 24 30 Mô đun đàn hồi bê tông 2.2 2.5 2.8 Ec (104 MN/m2) Mô đun ®µn håi cđa thÐp Es Ec = 210000 104 MN/m2 40 50 60 3.1 3.1 3.5 §-êng cong øng suÊt chuyển vị Trong hình 14 hình 15 thể đ-ờng cong ứng suất chuyển vị bê tông thép t-ơng ứng Hình 14 Đ-ờng cong ứng suất chuyển vị bê tông Hình 15 §-êng cong øng st ‟ chun vÞ cđa thÐp HƯ số an toàn Hệ số an toàn cần đ-ợc dựa việc chịu tải đất đ-ợc xác định theo yêu cầu kết cấu quy phạm ví dụ nh- tiêu chuẩn quốc gia thiết kế thi công kết cấu bê tông tiêu chuẩn kĩ thuật dự án Trình tự thi công việc thực cần đ-ợc liên kết với nhân tố an toàn Đối với việc áp dụng nhân tố an toàn này, đối chiếu mục Cách kiểm tra hệ số an toàn mặt cắt Nếu đường hầm đ-ợc thiết kế nh- kết cấu tạm thời hệ số an toàn sửa đổi 6.4.Tính toán kết cấu 6.4.1 Các nguyên tắc tính toán kết cấu Các tiêu chuẩn thiết kế mặt cắt ngang hầm đ-ợc thực theo mặt cắt tới hạn: 43 Hà Nội 10-2015 GS.TS Nh Trỏng Phng phỏp Khoan o- TBM Mặt cắt với chiều sâu tầng phủ lớn Mặt cắt với chiều sâu tầng phủ nhỏ nhât Mặt cắt với mực n-ớc ngầm cao Mặt cắt với mực n-ớc ngầm thấp Mặt cắt với phạm vi chất tải rộng mặt cắt với tải trọng lệch tâm mặt cắt không rõ cao trình bề mặt mặt cắt đ-ờng hầm lân cận mặt t-ơng lai Hình 16 Các mặt cắt tới hạn cần kiểm tra Mô hình (a) Mô hình (b) Hình 17 Các mô hình dầm để tính toán nội lực 44 Hà Nội 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM Phản lực chống lại chuyển vị tĩnh tải đ-ợc đánh giá mô hình (a) không mô hình (b) 6.4.2 Tính toán lực thành phần Các lực thành phần (M,N,S) đ-ợc tính toán cách sử dụng nhiều mô hình kết cấu khác 4.6.2.1 Mô hình tính toán Ph-ơng pháp mô hình dầm ( Hình 17) Ph-ơng pháp PTHH Ph-ơng pháp ph-ơng trình đàn hồi Mô hình Schultze mô hình Dudeck Mô hình Muir Wood Ph-ơng pháp mô hình dầm ph-ơng pháp tính toán nội lực ma trận ph-ơng pháp xác định bội số tĩnh học Ph-ơng pháp đánh giá điều kiện sau: Các tải trọng biến đổi không thay đổi trạng thái đất (hình 18b) Các tải trọng lệch tâm ( hình 18c) áp lực thuỷ tĩnh Các lực đàn hồi để mô phản lực ảnh h-ởng mối nối việc mô nh- gối hay gối đàn hồi xoay Mô hình (a) Mô hình (b) Mô hình (c) Hình 18 Các mô hình tải trọng thích ứng với mô hình dầm Nếu phản lực chống lại chuyển vị tĩnh tải mong đợi, thành phần nội lực tĩnh tải phải đ-ợc tính toán độc lập sau chồng nội lực nguyên nhân khác Trong tr-ờng hợp này, thành phần nội lực tĩnh tải đ-ợc tính toán ph-ơng pháp ph-ơng trình đàn hồi Ph-ơng pháp chấp nhận không phản lực theo h-ớng pháp tuyến mà phản lực theo h-ớng tiếp tuyến Ph-ơng pháp PTHH đ-ợc dựa sở lí thuyết học môi tr-ờng liên tục đ-ợc chấp nhận với phát triển máy tính Trong ph-ơng pháp PTHH mô đun đàn hồi hệ số Possion đất phải đ-ợc đ-a Trong thiết kế ph-ơng pháp PTHH phần tử phân đoạn vỏ hầm đ-ợc đánh giá phần tử dầm Ph-ơng pháp PTHH đ-ợc tính toán không thành phần nội lực vỏ mà trạng thái chuyển vị biến dạng đất đá xung quanh hầm ảnh h-ởng việc xây dựng hầm lên địa tầng hầm lân cận Mô hình ph-ơng pháp PTHH lặp lại trình tự tính chất t-ơng tác vỏ khối đá xung quanh 45 Hµ Néi 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM mét c¸ch thùc tÕ, víi c¸c phÈm chÊt sau: Các đặc tính khối đất đá đ-ợc đánh giá khảo sát trạng thái ứng suất ban đầu đất đá, thông số đất đá nh- trọng l-ợng thể tích đất, mô đun đàn hồi hệ số Possion, hình dạng kích th-ớc hầm ph-ơng pháp lắp đặt bao gồm trình tự Các đặc tính vỏ chống lại tải trọng tuỳ thuộc vào cấu trúc vỏ ( số l-ợng phân đoạn, hình dạng cách thức mối nối), đặc tr-ng phun vữa lấp đầy hiệu chúng chất tải đất đá Các nhân tố đ-ợc đánh giá Mức độ quan hệ phụ thuộc vào điều kiện đất đá, ph-ơng pháp xây dựng (nh- loại ph-ơng pháp đào), ph-ơng pháp phun vữa lấp đầy bao gồm kích th-ớc phần trống phía sau Các nhân tố đ-ợc đánh giá Ph-ơng pháp ph-ơng trình đàn hồi ph-ơng pháp đơn giản để tính toán nội lực mà không cần máy tính Trong ph-ơng pháp này, áp lực n-ớc cần đ-ợc đánh giá nh- tổ hợp áp lực thẳng đứng ®ång nhÊt ¸p ¸p lùc n»m ngang biÕn ®ỉi ®Ịu Phản lực nằm ngang đ-ợc sửa đổi biến thiên theo quy luật hình tam giác (hình 14) 6.4.3 Đánh giá mối nối Nếu lớp vỏ lắp ghép đ-ợc nối với có hay neo, độ cứng chống uốn thực tế mối nối nhỏ độ cứng chống uốn phân đoạn (về mặt cấu trúc lớp vỏ tròn lắp ghép đ-ợc mô hình hoá vỏ tròn nhiều khớp) Nếu phân đoạn bị dao động mô men mối nối nhỏ mô men đoạn lân cận ảnh h-ởng thực tế mối nối cần đ-ợc đánh giá 6.4.4 Cách kiểm tra an toàn mặt cắt Bên cạnh kết tính toán nội lực vấn đề an toàn mặt cắt tới hạn cần phải đ-ợc kiểm tra sử dụng ph-ơng pháp trạng thái thiết kế tới hạn Chúng bao gồm; Mặt cắt có mô men d-ơng lớn Mặt cắt có mô men âm lớn Mặt cắt có lực dọc lớn Tính an toàn vỏ chống lại lực đẩy kích khiên cần phải kiểm tra 6.4.4.1 Ph-ơng pháp thiết kế trạng thái giới hạn Mối quan hệ khả lực dọc thiết kế khả chống uốn thiết kế thành phần mặt cắt ngang chịu lực dọc mô men uốn đ-ợc mô tả đ-ờng cong nh- hình 19 vaf Hình 20 Vì thế, tính an toàn cho tổ hợp lực dọc mô men uốn đ-ợc thực việc xác thực điểm (M d, Nd) đ-ợc đặt bên đ-ờng cong (Mud, Nud) phía gốc toạ độ hình 19 Giá trị (Mud, Nud) đ-ợc tính toán theo công thức 1.9 công thức 1.10 t-ơng ứng Khả chịu lực dọc: h/2 N ' ud ( y)bdy / b (Ts T ' ) / s (0.9) s h / h/2 M ud ( y) ybdy / b Ts (h / t ) T ' (h / t ') / s (0.10) s h / 46 Hµ Néi 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM Trong hình 22 công thức 1.9 ; 1.10 b s hệ số an toàn t-ơng ứng Hình 19 Hình 20 Trong đó: x =khoảng cách thớ xa so với trục trung hoà u = chuyển vị thớ xa phía 47 Hà Nội 10-2015 GS.TS Nh Trỏng Phng phỏp Khoan o- TBM = chuyển vị thớ xa phía d-ới 6.4.4.2 Ph-ơng pháp thiết kế theo øng st cho phÐp NÕu øng st t¹i thí xa bê tông cốt thép không lớn ứng suất cho phép chúng, vỏ lắp ghép an toàn để chịu đ-ợc tải trọng thiết kÕ c ca fck / Fc (0.11) s ca f yd / Fs (0.12) Víi: c: øng st t¹i thí xa nhÊt bê tông ca: ứng suất cho phép bê tông fck: đặc tr-ng độ bền nén bê tông (độ bền danh nghĩa) Fc: hệ số an toàn bê tông s: ứng suất cốt thép ca: øng st cho phÐp cđa cèt thÐp fyd: ®é bỊn n cđa thÐp Fs: hƯ sè an toµn cđa thép 6.5 Tính toán kết cấu mối nối Tại mối nối, neo đ-ợc tính toán nh- cốt thép Độ an toàn cảu mối nối đ-ợc kiểm tra phương pháp sử dụng để kiểm tra phân đoạn mô tả mục 1.6.3 cách kiểm tra an toàn mặt cắt Vì vị trí mối nối xác định trước phân đoạn đ-ợc lắp ráp nên việc tính toán thiết kế đ-ợc thực tr-ớc với ba mặt cắt đặc tr-ng Nếu neo đ-ợc tính toán cho việc lắp ghép đ-ợc rời phân đoạn đ-ợc ghép vào với nhau, mối nối chuyển mômen giới hạn lực dọc ngang qua mối nối Giữa vòng, lực dọc chuyển từ vòng sang vòng khác cách điều chỉnh khớp vi nứt phân đoạn truyền lực kích khiên Chúng có ảnh h-ởng theo chiều dọc phân đoạn vỏ Việc điều chỉnh chất l-ợng độ bền kéo bê tông phân đoạn vỏ đ-ợc xem xét để hạn chế vi nứt trình lắp ráp vỏ 6.6 Kiểm tra độ an toàn chống lại lực kích khiên Độ an toàn vỏ chống lại lực kích khiên tính công thức sau lấy giá trị nhỏ nhất: fck / Fc Fs / A Với: fck: đặc tr-ng độ bền nén bê tông (độ bền danh nghĩa) Fc: hệ số an toàn bê tông Fs: hệ số an toàn thép A: diện tích mặt cắt ngang vỏ 48 Hµ Néi 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan o- TBM Phụ lục Sơ đồ cấu tạo, nguyên lý chống đỡ g-ơng phạm vi sử dụng số loại máy khiên đào Hình PL Sơ đồ nguyên lý hoạt động khiên chất lỏng có áp 49 Hµ Néi 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan o- TBM Hình PL Sơ đồ nguyên lý hoạt động khiên cân áp lực đất 50 Hà Néi 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM Hình PL4.4 Sơ đồ nguyên lý chống giữ g-ơng hỗn hợp đất thải 51 Hà Nội 10-2015 GS.TS Đỗ Như Tráng Phương pháp Khoan đào- TBM 52 Hµ Néi 10-2015 ... pháp Khoan o- TBM Ch-ơng Ph-ơng pháp thi t kế vỏ hầm thi công khiên đào 6.1 Cu to v ca đường hầm thi công theo công nghệ TBM Khi thi cơng đường hầm phương pháp khiên đào, diện tích đào đất ln lớn... Khoan đào- TBM Cấu tạo điển hình TBM thi cơng đất yếu thể hình 18: Các TBM thi cơng đất yếu có cấu tạo tương tự TBM thi cơng đá cứng, điểm khác biệt chủ yếu nằm yếu tố: - Cơ cấu đào TBM loại thi. .. TBM TBM đo ton gương v TBM ®μo më réng thuéc vμo nhãm TBM hë (TBM- O) TBM có khiên chống v TBM dạng têlêskop thuộc vo nhóm máy khoan hầm có khiên (TBM có khiên TBM- S) H9 Phạm vi sử dụng nhóm máy