Tính lún bề mặt gây ra bởi thi công công trình ngầm theo công nghệ kích đẩy

TÍNH TỐN LÚN B M T GÂY RA B I THI CƠNG CƠNG TRÌNH NG M THEO CƠNG NGH KÍCH Y KS BÙI THANH MAI TS NGÔ NG QUANG TS NGUY N XUÂN HUY B môn K t c u xây d ng Vi n Khoa h c Công ngh xây d ng giao thông Tr ng i h c Giao thông V n t i om v n Tóm t t: Bài báo gi i thi u m t s nguyên nhân ph ng pháp xác đ nh lún b m t q trình thi cơng khai thác cơng trình ng m (CTN) đ c thi cơng theo cơng ngh kích đ y M t s k t qu tính tốn cho m t CTN c th đ c thi công t i thành ph H Chí Minh c ng s đ c gi i thi u I M U au du on go nl in e c Summary: The article introduces some causes and methods of estimating the face stability and the surface settlement induced during building and operating underground works using pipe-jacking technology Some results of a cacultion for an underground works presently carried out in Ho Chi Minh city are also presented w w w c Các cơng trình ng m (CTN) đô th ngày tr nên ph bi n đóng vai trò quan tr ng cu c s ng hi n đ i Có nhi u bi n pháp k thu t khác đ c s d ng đ xây d ng nh ng công trình Hai k thu t đ c s d ng đ xây d ng CTN đô th k thu t đào h k thu t đào kín M i cơng ngh đ u có nh ng u m nh c m riêng, phù h p v i lo i cơng trình ng m khác K thu t đào kín t đ c bi t có hi u qu thi công CTN đô th đ t sâu i v i CTN d ng tr ng l c, k thu t kích đ y ng (thu c nhóm k thu t đào kín) m t l a ch n thích h p [3] M t v n đ chung đ c đ t đ i v i vi c xây d ng CTN s nh h ng c a đ i v i môi tr ng xung quanh sau trình thi cơng Vi c xác đ nh lún b m t v n đ r t quan tr ng c n đ c quan tâm xây d ng CTN, đ c bi t CTN đ c xây d ng th có r t nhi u cơng trình ki n trúc, nhà c a, k t c u h t ng k thu t v.v… n m lân c n khu v c CTN Lún b m t, tu thu c vào m c đ , ph m vi nh h ng, h ng t c đ phát tri n, có th gây tác đ ng xáo tr n tr ng thái c a cơng trình này, làm thay đ i ch c n ng s d ng nguy hi m h n, có th phá hu k t c u gây m t n đ nh cơng trình [1] II GI I THI U CƠNG NGH KÍCH Y Theo đ nh ngh a c a Hi p h i k s xây d ng Hoa K (American Society of Civil Engineers-ASCE) [9] có th hi u cơng ngh kích đ y ng (pipe jacking) nh sau: cơng ngh kích đ y m t h th ng g m nhi u đ t ng đ c l p đ t tr c ti p phía sau m t khiên đào, đ c đ y b ng h kích thu l c, t m t gi ng kích đ y (drive shaft/pit) đ n m t gi ng nh n (receiving shaft/pit) đ t o thành m t cơng trình ng m liên t c lòng đ t au du on go nl in e c om v n Nh ng đ c m chung nh t c a cơng ngh kích đ y ng : (1) đ c u n t xa; (2) có d n h ng; (3) đ c kích đ y theo h ng n đ nh (4) đ t n n đ c ch ng đ liên t c Hình Mơ t s đ cơng ngh kích đ y III LÚN B M T VÀ PH NG PHÁP XÁC NH LÚN B M T Do l c kích đ y ng tác d ng q trình kích đ y có ph ng n m ngang nên vi c xác đ nh lún theo ph ng th ng đ ng c a cơng trình ng m đ c thi cơng theo cơng ngh kích đ y ch ch y u ph thu c vào lo i thi t b đ c s d ng q trình đào h m ng pháp kích đ y w w w c Các nguyên nhân gây lún b m t thi công CTN b ng ph Hình Hình d ng ph u lún b m t thi công CTN Thi t b ch y u đ c s d ng đ đào h m q trình thi cơng kích đ y khiên đào ho c máy đào t h p TBM (Tunnel boring machine) Do đó, lún b m t có th phân làm nhóm sau (hình 3): Hình lún d c theo máy khiên đào v n - Lún phía tr c phía g ng đào (đo n a): Gây b i s d ch chuy n c a đ t phía tr c khu v c khiên đào v phía kho ng tr ng v a t o ra; om - Lún d c theo tr c khiên đào (đo n b): Do nguyên nhân ch y u kho ng h gi a kh i đ t thành máy khiên đào ma sát gi a khiên đào v i kh i đ t; au du on go nl in e c - Lún t i đuôi khiên đào (đo n c): Do m t kho ng h phát tri n gi a đuôi khiên đào v i kh i đ t bao quanh; - Lún liên quan đ n bi n d ng c a l p v h m (đo n d): Các phân đ t bê tông đúc s n đ c l p đ t phía l p v khiên phía có th b bi n d ng ch u l c đ y c a kích áp l c đ t, gây lún b m t Các ph ng pháp tính lún 2.1 Ph w w w c Có hai ph ng pháp tính lún b m t đ t đ c s d ng ph bi n (1) ph ng pháp kinh nghi m bán kinh nghi m/gi i tích d a công th c kinh nghi m đ c rút t k t qu quan tr c t i cơng trình c đ c ch ng minh t ng đ i phù h p qua ng d ng th c t (2) ph ng pháp s (ch y u s d ng ph ng pháp ph n t h u h n) ph ng pháp ph bi n hi n nay, ho c k t h p c hai ph ng pháp ng pháp gi i thích (ph ng pháp kinh nghi m bán kinh nghi m) [1,2] Có r t nhi u nghiên c u đ c ti n hành đ xây d ng ph ng trình xác đ nh lún b m t nh nghiên c u c a Peck Schmidt, Cording Hansmire, Atkinson Potts, Attewell Woodman, O’Reilly New, v.v… Có th t ng k t v tính lún th ng đ ng theo ph a Lún th ng đ ng theo ph ng pháp gi i tích nh sau: ng vng góc v i CTN Các tác gi đ u đ xu t gi thi t máng lún có d ng đ ⎛ − y2 S = S max exp⎜⎜ ⎝ 2i ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ ng cong phân ph i chu n (hình 4) (1) Trong đó: S: lún b m t theo tính tốn lý thuy t, th ng đ c gi đ nh có d ng hàm sai s Gauss hay đ ng cong phân ph i chu n Smax: lún b m t l n nh t, phía tr c h m, th ng đ c xác đ nh thông qua th tích ph u lún Giá tr ph thu c r t nhi u vào u ki n đ a c h c c a kh i đ t nh đ b n, đ c ng, tính th m, cao đ n c ng m, v.v…, thông s hình h c c a CTN nh đ ng kính CTN, đ sâu đ t CTN, ph ng pháp thi cơng, trình đ k thu t thi cơng .v n c l y g n b ng 2,178 c s c a hàm s logarit t au du on go nl in e c y: Kho ng cách ngang t tim CTN đ n m c n tính lún om exp: Hàm s m ex, đó, e đ nhiên Hình Hình d ng máng lún i: l ch tiêu chu n c a đ ng cong tính lún, kho ng cách t m u n c a máng lún đ n tim CTN, đ c g i thơng s b r ng máng lún Có nhi u cơng th c đ xác đ nh giá tr i ch y u công th c thu đ c t k t qu quan tr c hi n tr ng Theo đó, giá tr i ph thu c vào kích th c (đ ng kính) CTN, u ki n đ a ch t đ c bi t đ sâu đ t CTN (H) b Lún d c tr c CTN w w w c Hi n nay, nh ng nghiên c u xung quanh vi c xác đ nh đ ng cong lún theo ph ng d c tr c CTN r t h n ch Theo Attewell Woodman [5], đ lún t i v trí m t g ng đào có th l y g n b ng 1/2 đ l n cu i (hình 5) lún t i m t m d c tr c CTN có th đ c tính theo cơng th c: ⎛x⎞ S ν ( x ) y =0 = S ν ,max F⎜ ⎟ ⎝i⎠ (2) Trong đó: φ( x ) = x ∫e i x 2π − ∞ − x2 i 2x x: Kho ng cách t m tính lún đ n v trí m t g ix: Thơng s b r ng máng lún theo ph v i i tính tốn (3) ng ng d c CTN, m t cách g n đúng, có th l y ix = i Hình Hình d ng máng lún 2.2 Ph ng pháp s au du on go nl in e c om v n V i s phát tri n m nh m c a cơng c máy tính, ph ng pháp s ngày chi m u th nh ng n m g n Rõ ràng vi c ng d ng ph ng pháp s vi c gi i quy t v n đ lún m t đ t gây b i trình đào h m thích h p nh t Ph ng pháp s không ch đ c s d ng đ d đốn lún b m t mà mơ t tồn b q trình thi t k h m, bao g m vi c mô ph ng giai đo n đào h m đ t đ t h m, s t ng tác gi a đ t h m đ t v i đ t đá xung quanh, nh h ng c a cơng trình đ t g n đó, nh h ng c a hi n t ng th m hi n t ng c k t, v.v… Mơ hình ph ng pháp s tiêu bi u đ c s d ng phân tích đ a k thu t th ng bao g m h th ng nút, ph n t u ki n biên Trong đó, ph n t đ c s d ng đ mơ hình hố đ c tr ng hình h c c h c c a kh i đ t đá c ng nh k t c u Các nút có vai trò xác đ nh v trí liên k t ph n t u ki n biên s mô t l i đ c m liên k t c a mơ hình v i khơng gian l i xung quanh w w w c Ph ng pháp ph n t h u h n ph ng pháp s ph thông nh t vi c c tính lún b m t thi cơng h m Khi mơ hình hố d báo phát tri n lún b m t b ng m t ph n m m đ a k thu t chuyên d ng, c n có s li u đ u vào nh : kích th c hình h c; tính ch t v t li u c a h th ng ch ng đ , ph ng pháp thi công, u ki n đ a ch t,… Các k t qu đ u ra, bi n d ng lún m t đ t, bao g m c n i l c v h m (l c d c mô men u n dùng đ thi t k c t thép v h m), s đ phân b ng su t M c đích phân tích s quy t đ nh vi c l a ch n ph n t , kích th c m c đ ph c t p c a mơ hình Các ph n t h u h n nên đ c l a ch n cho có th mơ hình hố m t cách g n nh t s làm vi c th c t c a đ t đá mà không ph c t p, v t kh n ng c a cơng c tính tốn thơng th ng Hi n nay, th gi i có r t nhi u ph n m m tính tốn, phân tích đ a k thu t khác nh GTS, Plaxis, v.v M i ph n m m đ u có nh ng m m nh, m y u khác và, đó, đ c áp d ng thích h p cho nh ng l nh v c khác - Plaxis 3D Tunnel: m t ph n m m h ph n m m PLAXIS c a hãng PLAXIS (Hà Lan) ây ph n m m đ a k thu t đ c phát tri n cho m c đích tính toán bi n d ng n đ nh d ng 3D k t c u h m - midasGTS: midasGTS – Geotechnical & Tunnel Analysis System m t h th ng ph n m m tính tốn đ a k thu t h m đ c hai hãng ph n m m hàng đ u th gi i MIDAS IT (Hàn Qu c) ADINA (Hà Lan) h p tác phát tri n Theo công b c a nhà s n xu t, GTS có kh n ng tính tốn, phân tích h u h t toán ph bi n l nh v c đ a k thu t d a ph ng pháp ph n t h u h n v i mơ hình 2D 3D IV VÍ D ÁP D NG Ví d sau trình bày k t qu áp d ng ph ng pháp t Các s li u c a ví d v n Trong ph n này, m t d án l p đ t h th ng c p n c ng m n i thành thành ph H Chí Minh b ng ph ng pháp kích đ y đ c s d ng làm ví d tính tốn D án đ c th c hi n hai n m 2005 – 2006 S tài nguyên môi tr ng thành ph H Chí Minh ph i h p công ty NISHIMATSU au du on go nl in e c om Trong ví d này, ch trích m t ph n c a h th ng đ nghiên c u lún b m t Các thông s đ a ch t, đ c tr ng hình h c c a cơng trình c ng nh đ c m c a h th ng kích đ y đ c tóm t t d i c m đ t đá a t khu v c thi công đ t cát v i thu c tính c b n sau: - Tr ng l ng riêng g = 2,02T/m3 - Góc ma sát j = 280 -C ng đ l c dính c = -M cn c ng m -2m w w w c b i u ki n thi công Chi u sâu đ t ng th c t H = 11,22m ÷ 9,69m Trong ví d này, chi u sâu đ t ng đ l y H = 11m c ng kính ngồi c a khiên đào D = 2,6m c - c m c a h th ng kích đ y ng kính c a ng D = 2,2m - B dày ng t = 0,2m - ng kính ngồi c a ng D = 2,6m Tính tốn lún b m t theo cơng th c th c nghi m bán th c nghi m Trong ph n này, công th c kinh nghi m c a O'Reilly New [1, 2] s đ c s d ng đ c tính lún Giá tr lún b m t l n nh t theo ph ng th ng đ ng (xét m t c t ngang ng t i v trí tr ng tâm c a ng) Smax = 3,8mm Tính toán theo ph a Xây d ng l ng pháp s i ph n t h u h n Hình mô t l i ph n t h u h n, bao g m ph n t v h m, ph n t đ t đá xung quanh h m, ph n t đ t đá h m tr c đào ph n t mơ t gi ng kích đ y gi ng nh n Các ph n t có d ng tam giác ho c t giác T i v trí g n gi ng kích đ y, gi ng nh n c ng nh v trí đ t h m, có s t p trung ng su t, ph n t h u h n đ c chia nh h n so v i ph n t đ t đá xa c m t đ t h m, Hình L au du on go nl in e c om v n Do b c thi công kích đ y gi ng nên sau mơ hình hố đ s s d ng l nh “extrude” đ t o đ t h m l i Hình L i ph n t mơ hình 3D i ph n t m t c t ngang w w w c b Phân tích k t qu -4.486E-4 4.131E-4 4.131E-4 -4.486E-4 Hình Bi u đ chuy n v theo ph th ng đ ng (lún) t i đ t ng Hình Phóng đ i đ quan sát hình d ng máng lún M t s k t qu đ c tr ng phân tích q trình xây d ng cơng trình ng m b ng ph ng pháp kích đ y theo ph ng pháp s : ph u lún có hình d ng c a đ ng cong phân ph i chu n gi ng nh gi thi t đ c s d ng ph ng pháp gi i tích, giá tr chuy n v l n nh t xác đ nh đ c Smax = 1,93 Hình mơ t giá tr chuy n v t i v trí ng đ t tr c l p đ t ng hình hình phóng đ i đ quan sát hình d ng máng lún Các hình 10 mơ t chuy n v mơ hình khơng gian c a cơng trình ng m sau đ c thi cơng xong Hình 11 mơ t chuy n v th ng đ ng nhình theo ph ng d c h m sau cơng trình ng m đ c thi công xong -8.067E-4 2.824E-4 4.722E-4 Hình 11 Bi u đ chuy n v th ng đ ng (nhìn theo ph ng d c h m) au du on go nl in e c Hình 10 Bi u đ chuy n v mơ hình khơng gian om v n -1.943E-3 V SO SÁNH VÀ K T LU N Các k t qu ban đ u tính lún b ng mơ hình ph n m m GTS t ng đ i phù h p v i k t qu thu đ c t cơng th c th c nghi m c v hình d ng máng lún giá tr lún l n nh t (theo công th c th c nghi m, đ lún l n nh t tính đ c t i v trí tim ng, xét m t c t ngang Smax = 3,8mm theo k t qu tính tốn b ng ph n m m GTS, đ lún l n nh t sau k t thúc q trình thi cơng Smax = 1,93mm) w w w c Khi tính tốn lún b m t nên s d ng k t h p c ph ng pháp gi i tích ph ng pháp s Tuy nhiên, nh ng ph ng pháp m i nh ng k t qu ban đ u C n ph i có s li u đo đ c t i hi n tr ng đ có th đánh giá đ c m c đ xác c a ph ng pháp tính đ c s d ng Tài li u tham kh o [1] Eric Leca, Animatuer, Barry New General Reporter, Settlement induced by tunnelling in soft ground, ITA/AITES Report 2006 [2] Takahiro Aoyagi (1995) Representing Settlement for Soft Ground Tunneling, Master thesis Massachusetts Institute of Technology [3] Thomson James (1995) Pipe Jacking and Microtunnelling, Blackie Academic & Professional, London [4] W Broere (2001) Tunnel Face Stability & New CPT Applications, Hà Lan [5] John Pickhaver Numerical Modelling of building response to tunnelling, Thesis at University of Oxford [6] GTS Analysis Reference [7] Jean-Francois Serratrice & Jean Pierre Magnan Surface settlement analysis and prediction during construction of the Toulon Underground Crossing’s nothern tunnel, Pháp [8] F.X Borghi Soil conditioning for pipe- jacking and tunnelling, University of Cambridge [9] ASCE (1999) Standard Construction Guidelines for Microtunnelling, American Society of Civil Engineers, Public Ballot, Rev 8, July♦