Sử dụng công nghệ phụt vữa cao áp gia cố nền giảm độ lún công trình lân cận tại tuyến metro số 1 – Thành phố Hồ Chí Minh

Bài viết Sử dụng công nghệ phụt vữa cao áp gia cố nền giảm độ lún công trình lân cận tại tuyến metro số 1 – Thành phố Hồ Chí Minh trình bày việc thi công hầm bằng công nghệ khiên đào sẽ xuất hiện biến dạng bề mặt đất trong quá trình thi công. Với điều kiện hạn chế về không gian thi công và bảo vệ công trình kiến trúc cổ Nhà hát Thành phố cần đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và lúc vận hành khai thác,... Mời các bạn cùng tham khảo.

TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN SỬ DỤNG CƠNG NGHỆ PHỤT VỮA CAO ÁP GIA CỐ NỀN GIẢM ĐỘ LÚN CÔNG TRÌNH LÂN CẬN TẠI TUYẾN METRO SỐ – THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Phan Sỹ Liêm* TĨM TẮT Title: Using jet-grouting to reinforced soid mass surrounding the tunel and protect the constuction foundation in metro line Từ khóa: Jet-Grouting, lún bề mặt, khiên đào, PTHH Keywords: Jet-Grouting, surface setterment, tunnel boring machine, FEM Thông tin chung: Việc thi công hầm công nghệ khiên đào xuất biến dạng bề mặt đất q trình thi cơng Với điều kiện hạn chế không gian thi công bảo vệ cơng trình kiến trúc cổ Nhà hát Thành phố cần đảm bảo yêu cầu kỹ thuật lúc vận hành khai thác Tại nghiên cứu này, tác giả nghiên cứu công nghệ Jet-Grouting (cọc Xi măng-đất vữa áp lực cao) gia cố đất xung quanh hầm vị trí khó khăn để giảm lún bề mặt đất cơng trình Nhà hát Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) sử dụng để đánh giá độ lún bề mặt đất Từ kết tính tốn phương pháp PTHH đưa quan hệ đặc trưng thông số cọc XM-Đ (Jet-Grouting) với độ lún bề mặt đất hầm góc Nhà hát vị trí nguy hiểm nhất, điều kiện độ lún mặt đất cho phép nhỏ 10mm Ngày nhận bài: 07/10/2016; Ngày nhận kết bình duyệt: 28/11/2016; Ngày chấp nhận đăng bài: 05/01/2017 Tác giả: KS., Công ty Cổ phần Tư vấn đầu tư GTVT - Sài Gòn syliem91@gmail.com ABSTRACT Due to tunneling with tunnel boring machine the surface settlerment will appear With the restriction on construstion site and have to protection of ancient architicture Opera House building, the tunnel have to be placed ensure technical requirements and operating In this study, the authors use the Jet-Grouting (Cement piles-high pressure grouting) for reinforcement of surrounding ground tunnels going through the restriction site to reduce surface settlerment and Opera House building The finite element method (FEM) will be used to evaluate the surface settlerment From the results calculated by the finite element method will make the relationship between the characteristic parameters of the pile JetGrouting with the surface settlerment above the tunnel and the most dangerous locations Opeara House building corner’s, with a maximum allowable surface settlement of 10mm Đặt vấn đề Với vị trung tâm tài văn hóa nước khu vực TP Hồ Chí Minh (TP.HCM) xem động bậc nước khu vực ASEAN Với phát triển nóng dân số nên tình trạng kẹt xe cao điểm ngày lớn Những năm 90 kỷ trước TP.HCM bắt đầu nghiên cứu xây dựng hệ thống Đường sắt đô thị (ĐSĐT) Trên giới, thành phố lớn việc xây dựng metro lòng đất tiêu chí TP.HCM Độ sâu trung bình -12 ÷ -25m theo cao độ đỉnh ray thi công TBM Việc thi công khiên đào nhiều dẫn đến lún bề mặt đất khu vực Trong tim tuyến cách mép Nhà Hát Thành Phố (NHTP) 10m vị trí nguy hiểm cách tim hầm 9,14m NHTP người Pháp xây dựng 100 năm với móng nhà hát cọc cừ (25 cây/m2) Bên cạnh đó, với nghĩa lịch sử kiến trúc nên việc bảo vệ tòa nhà giảm thiểu lún bề mặt điều kiện cho phép bé 10mm (Attewell, 1986) xem ưu tiên hàng đầu cần giải gấp trước thi công tuyến hầm Số 02 (03/2017) 68 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN Tuyến metro số Tp HCM 2.1 Giới thiệu dự án metro số Tuyến ĐSĐT số (Bến Thành – Suối Tiên) dài 19,7km; có 17,1km cao 2,6km ngầm Đoạn ngầm khu vực dân cư mật độ xây dựng cơng trình quan trọng thành phố xem “hình hình 2” theo Ban Quản lý đường sắt thị (BQLĐSĐT) 2.2 Vị trí cơng trình nghiên cứu Hình Mặt cắt vị trí nghiên cứu (BQLĐSĐT, 2010) Nhà Hát Thành Phố nằm khu vực đoạn tuyến qua sử dụng nghiên cứu Khoảng cách từ tim hầm (đoạn chạy trùng tim dưới) đến góc tòa nhà vị trí nguy hiểm 9,14 2.3 Địa chất cơng trình Địa chất khu vực nghiên cứu sử dụng thông số hố khoan U150 theo Bảng Hình Hướng tuyến Metro số (Nguồn: Google Earth) Bảng Thông số địa chất hố khoan U150 kN/m3 Dung trọng tự nhiên, (unsat ) Dung trọng bão hòa (sat ) kN/m3 Lực dính (c’) kN/m2 Góc ma sát () (độ) Hệ số Poisson () Mođun đàn hồi (E) kN/m2 Bề dày m Lớp 18,5 19,0 10 25,0 0,3 10000 1,00 Lớp 16,5 16,5 10 0,3 3000 3,0 Lớp Lớp 20,5 20,0 20,5 20,0 11 28 33 0,3 0,3 17500 45000 9,0 7,0 Lớp Lớp Lớp 20,0 21,0 20,5 20,0 21,0 20,5 170 35 35 0,3 0,3 0,3 60000 85000 90000 13,5 16,5 (Nguồn: BQLĐSĐT,2010) 2.4 Thông số đầu vào Bảng Thông tin hầm máy TBM Thành phần Đơn vị Giá trị Kích thước vỏ hầm tròn Đường kính mm 6050 Đường kính ngồi mm 6650 Chiều dày lớp vỏ hầm mm 300 Kích thước khiên đào TBM: Đường kính khiên mm 7130 Chiều dài khiên mm 7800 Chiều sâu đặt hầm (từ mặt đất đến tim hầm) Chiều sâu đặt hầm Z0 m 12,54 Chiều sâu đặt hầm Z0 m 24,51 (Nguồn: BQLĐSĐT, 2010) Bảng Thơng số khiên TBM - móng nhà hát Thông số vật liệu Loại vật liệu Độ cứng Khả chống uốn Chiều dày quy đổi Trọng lượng Ký hiệu Hệ số Poisson  EA EI d w Đơn vị Vỏ hầm Móng nhà hát - Đàn hồi Đàn hồi kN/m 1,17E+07 1,18E+07 kNm/m 8,78E+04 3,53E+05 m 0,3 0,6 7,2 14,4 0,17 0,2 kNm / m (Nguồn: BQL ĐSĐT, 2016) Số 02 (03/2017) 69 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN  Tải trọng (BQL ĐSĐT, 2016)  Tải trọng nhà hát gồm tầng (bề rộng phương ngang 30m): 60kN/m2;  Tải trọng công viên giao thơng bề mặt: 10 kN/m2  Móng nhà hát cọc cừ tràm dày 0,6 – 0,7m, mật độ 25 cây/1m2 => quy đổi Móng nhà hát dày 0,6m – vật liệu đàn hồi (Theo bảng 3); Phương pháp nghiên cứu 3.1 Cơ sở lý thuyết Dựa kết nghiên cứu tổng quan vấn đề lún sụt bề mặt đất thi công máy khiên đào TBM (Tunnel Boring Machine) Dựa sở đường cong (Graus, 1969), (New & O’Reilly, 1982) (Mair, 1996) độ lún lớn bề mặt đỉnh hầm Độ lún cấu trúc đất xung quanh đường hầm phân tích phần tử FEM thông số địa chất Bảng theo“Tính tốn lại độ lún hầm dự án tuyến hầm Italian National Railway phương pháp FEM bao gồm toán lún bề mặt đất độ ổn định bề mặt khiên đào” (Nguyễn Đức Toản, 2006) Phương pháp FEM sử dụng để mô lún bề mặt thi công hầm máy TBM, phân tích độ lún bề mặt đất gia cố Jet-Grouting tạo hệ khung bao quanh hầm tròn Độ lún bề mặt đất khảo sát theo thay đổi đặc trưng XM-Đ (XimăngĐất) gồm: Mô đun đàn hồi bề dày tường cọc 3.2 Phương pháp PTHH Phần mềm Plaxis 2D sử dụng mô lún bề mặt dựa giá trị mát thể tích VL(%) Mơ hình Mohr-Culomb chọn để mô ứng xử đất nền, cho tốn nước (Darin), Mơ hình tồn theo “Hình 3” Giá trị độ lún phụ thuộc vào giá trị mát thể tích VL(%) theo loại đất công nghệ thi công Đối với đất cát: 0,5%; đất sét 1% ÷ 2% thi cơng cơng nghệ gương kín (New & O’Reilly 1991) Tham khảo dự án Circle Line - Singapore địa chất tương tự TP.HCM chọn VL = 1% thiên an toàn Tác giả đề xuất giá trị mát thể tích VL = 1% đảm bảo an tồn Kết quả tính tốn Để so sánh trường hợp trước sau gia cố nền, tác giá đề xuất trường hợp để phân tích độ lún bề mặt đất sau: Vị trí khảo sát: Điểm A (mặt đất đỉnh hầm) điểm B (góc phải nhà hát cách tim hầm 9,14m vị trí nguy hiểm nhất); Khi chưa gia cố độ lún với trường hợp tải trọng bên trên, thi công hầm trước, hầm sau; Khi gia cố phân tích độ lún với trường hợp tải trọng bên trên, xử lý Jet-Grouting trước, thi công hầm dưới, sau thi công hầm trên; Khảo sát mối quan hệ độ lún bề mặt S với giá trị Môđun đàn hồi E bề dày  tường XM-Đ 4.1 Kết tính tốn độ lún chưa gia cố Hình Mơ hình chuyển vị trường hợp khơng gia cố Hình Mơ hình Plaxis 2D 70 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN Hình Giá trị lún bề mặt đất lớn S(mm) điểm khảo sát Nhận xét:  Độ lún lớn điểm khảo sát thi công hầm khơng có gia cố tăng lên so với lúc chưa thi công; điểm A độ lún tăng từ 14,62mm lên 38,71mm; điểm B độ lún tăng từ 52,48mm lên 61,04mm  Lúc thi công hầm TBM đất bên dưới, ngồi việc chịu tải trọng tòa nhà, giao thơng chịu thêm tải trọng khiên đào vỏ hầm, bên cạnh có thêm mát thể tích đào Điều dẫn đến độ lún bề mặt tăng lên điều hợp lý  Khi thi cơng việc mát thể tích cơng nghệ thi cơng yếu tố dẫn đến độ lún mặt đất  Tuy nhiên giá trị độ lún lớn lớn độ lún cho phép 10mm nên cần phải đưa giải pháp xử lý gia cố trước thi cơng hầm 4.2 Kết tính tốn độ lún gia cố Jet-Grouting Hình Mơ hình gia cố Jet-Grouting Trong nghiên cứu này, giá trị thay đổi sau: - Bề dày tường XM-Đ [] thay đổi sau: 0,5m; 1,0m; 1,5; 2,0m; 2,5m; 3,0m; 3,5m - Mô đun đàn hồi E thay đổi sau: 120MPa; 140MPa; 160MPa; 180MPa (BQL ĐSĐT); 200MPa Các thơng số lại giữ nguyên trường hợp thay đổi  E lấy theo Bảng 4.2.2 Kết tính tốn a) Quan hệ E-S với  cố định Tính tốn ban đầu với Mô đun đàn hồi thay đổi [120 ÷200] MPa với chiều dày tường 2,7m (BQL ĐSĐT, 2010) để khảo sát độ lún lớn theo Mô đun đàn hồi Kết tính tốn sau: 4.2.1 Mơ hình nghiên cứu Nhà hát Thành phố xem biểu tượng kiến trúc thành phố, khơng có giá trị nghệ thuật mà chứng kiến trình lịch sử biến động TP.HCM ngày Đơ thành Sài Gòn xưa Nên việc bảo vệ cơng trình q trình thi công hầm xem giải pháp ưu tiên với độ lún cho phép nhỏ 10mm Phương pháp Jet-Grouting đề xuất thiết kế sơ dạng khung xung quanh hầm chiều dài vùng gia cố 83,5m qua vị trí Nhà hát Thành phố (BQLĐSĐT, 2010) xem “hình 6” Hình Quan hệ E-S với  =2,7m 71 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN Nhận xét: Với kết tính tốn đồ thị biểu diễn mối quan hệ E-S cho ta thấy - Tại điểm A với VL=1% (mặt đất hầm): Khi giá trị E tăng từ 120MPa đến 180MPa độ lún bề mặt giảm dần từ 11,99mm xuống 9,91mm vượt qua giá trị lún cho phép 10mm giảm chậm lại E từ [180 ÷ 200] MPa từ 9,91mm xuống 9,71mm - Tại trường hợp điểm B với VL=1% giá trị E tăng từ [120 ÷ 200] MPa độ lún giảm dần giá trị cao trường hợp nhỏ 10mm Từ phân tích cho thấy để hạn chế độ lún mặt đất lớn nhỏ 10mm sử dụng vữa có Mơ đun đàn hồi từ [180 ÷ 200] MPa Với giá trị E = 180 MPa đảm bảo độ lún cho phép 9,91mm < 10mm, giá trị E tối ưu thiết kế, tăng E từ 200MPa trở lên độ lún giảm dần lại gây khó khăn cho việc tạo vữa có cường độ cao gây tốn thời gian kinh phí thực b) Quan hệ E-S- cho độ lún bề mặt Để xác định quan hệ E-S-, giá trị Mô đun đàn hồi E thay đổi khoảng [120 ÷ 180] MPa bề dày tường  thay đổi từ [0,5 ÷ 3,5] m Khảo sát độ lún bề mặt điểm A (mặt dất đỉnh hầm) điểm B (góc tòa nhà cách tim hầm 9,14m) Hình Quan hệ E-S- điểm B Nhận xét: Từ kết tính đồ thị thể điểm A, B theo trường hợp tăng Mô đun đàn hồi E bề dày tường  cho thấy mức độ lún giảm dần vượt qua độ lún cho phép