Dự báo độ lún của bề mặt đất do đào hầm bằng máy đào TBM tại tuyến Metro Line 3, Hà Nội

Cấu trúc của bài báo như sau: Tiếp theo phần giới thiệu là phần lời giải độ lún của nền bằng các công thức giải tích đã nghiên cứu trên thế giới cho nền đồng nhất, đề xuất sử dụng công thức tương đương cho nền nhiều lớp. Sau đó là vị dụ áp dụng các công thức trên cho tuyến đường sắt đô thị ở Hà Nội (Metro Line 3) và một số nhận xét về kết quả.

DỰ BÁO ĐỘ LÚN CỦA BỀ MẶT ĐẤT DO ĐÀO HẦM BẰNG MÁY ĐÀO TBM TẠI TUYẾN METRO LINE 3, HÀ NỘI ĐẶNG HÔNG LAM*, NGUYỄN BÁ ĐỒNG* Prediction of ground setlement due to trenchless excavation by TBM at the metro line in Hanoi Abstract: The prediction of ground setlement due to trenchless excavation is compulsory for the city metro projects, especialy in compactly constructed cities such as Hanoi, HCMC The paper deal with a method of predicting the setlement of ground surface cocerning metro line contruction and for example of metro line Hanoi Keywords: Trenchless excavation, TBM, Metroline, Setlement GIỚI THIỆU CHUNG * Ở TP Hà Nội với mật độ dân cƣ đông đúc nay, đặc biệt khu vực tuyến hầm ngầm dự án Metro Line qua, nên việc dự báo độ lún đất trình thi công đào hầm TBM quan trọng cần đƣợc nghiên cứu kỹ lƣỡng Do phần lớn công tác đào hầm diễn môi trƣờng đô thị có mật độ dày đặc, có khả ảnh hƣởng đến mặt xung quanh kết cấu dƣới lòng đất phạm vi khu vực ảnh hƣởng, nên việc xác định quy mơ sụt lún xảy đóng vai trị lớn việc thiết lập quy định dẫn kỹ thuật cho biện pháp thi công thiết kế biện pháp giảm thiểu rủi ro vị trí cần thiết Vì việc tuyến đƣờng sắt Metro Line sử dụng công nghệ khoan hầm TBM với ƣu điểm vƣợt trội thi cơng mang tính cấp thiết nhằm hạn chế triệt để rủi ro việc thi cơng hầm ảnh hƣởng xấu đến cơng trình nhƣ dân cƣ phía Tuy nhiên, việc dự báo độ lún đất trình đào hầm cần đƣợc quan tâm Bài báo tiến hành tập hợp lời giải giải tích có giới, sau tìm cách áp dụng cơng thức vào điều kiện địa chất Việt Nam mà cụ thể tuyến Metro Line 3, Hà Nội Trong trình áp dụng cơng thức, nhóm tác giả sử dụng công thức hệ số tƣơng đƣơng cho đất nhiều lớp Kết dự báo sở để đơn vị liên quan xem xét đến vấn đề lún gây cho trình đào hầm sau không cho dự án Metro Line 3, Hà Nội mà cho tuyến đƣờng hầm sau Cấu trúc báo nhƣ sau: phần giới thiệu phần lời giải độ lún cơng thức giải tích nghiên cứu giới cho đồng nhất, đề xuất sử dụng công thức tƣơng đƣơng cho nhiều lớp Sau vị dụ áp dụng cơng thức cho tuyến đƣờng sắt đô thị Hà Nội (Metro Line 3) số nhận xét kết Cuối số kết luận chung báo LỜI GIẢI BẰNG GIẢI TÍCH 2.1 Nền đất đồng Thông qua nghiên cứu kinh nghiệm thực địa khác nhau, phƣơng pháp thực nghiệm đƣợc phát triển nhiều năm để dự đoán biến dạng gây việc đào hầm mặt đất mềm Peck (1969) Độ lún bề mặt đƣợc đề xuất hàm xấp xỉ hàm phân phối xác suất (Hình 1) đƣợc mơ tả Peck (1969) (1) đó: * Khoa Cơng trình - Đại học Giao thông Vận tải 03 Cầu Giấy - Láng Thượng - Đống Đa - Hà Nội Email: dang.hong.lam@utc.edu.vn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 độ lún bề mặt khoảng cách ngang (y) từ đƣờng tâm đƣờng hầm Smax độ lún tối đa tâm đƣờng hầm mặt đất (y = 0) 57 Theo cơng thức đƣợc đề xuất Peck: (2) đó: thể tích đất bị i giá trị cần xác định Thể tích đất bị tính theo cơng thức sau: (3) ; (4) ; Các kết tính tốn đƣợc tập hợp minh họa sơ đồ không thứ nguyên i / R so với z /2R cho đƣờng hầm khác vật liệu khác Peck (1969) Từ quan hệ thu đƣợc với quan sát thực địa, Peck (1969) hình thành mối quan hệ sau để ƣớc tính giá trị i Cơng thức ƣớc tính giá trị i thực nghiệm: (5) Hình Mơ độ lún mặt đất Trong công thức (3), giá trị VL ảnh hƣởng đến việc dự tính độ lún đất Giá trị VL phụ thuộc vào nhiều yếu tố có điều kiện địa chất, hình học hầm (độ sâu đƣờng kính hầm), cơng nghệ thi cơng Trong thực hành, VL đƣợc lấy theo kinh nghiệm số nghiên cứu dƣới Bảng Các công thức kinh nghiệm xác định i Cơng thức tìm i Tác giả sở cho công thức i / R = ( z o / 2R) n Peck (1969) quan sát thực địa đề xuất n = 0,8 ÷ 1,0 i / R = ( z o / R) n Attewell Farmer (1974) quan sát thực địa đƣờng hầm Vƣơng quốc Anh đề xuất n = i / R = ( z o / R) n Clough Schmidt (1981) quan sát thực địa đƣờng hầm Vƣơng quốc Anh n = 0,8 i= 0,43 z o + 1,1m O'Reilly New (1982) quan sát thực địa đƣờng hầm Vƣơng quốc Anh cho đất dính với z o 34m i = 0,28 z o - 0,1m O'Reilly New (1982) quan sát thực địa đƣờng hầm Vƣơng quốc Anh cho đất dạng hạt với z 10m i = 0,5 z o Mair cộng (1983) quan sát thực địa thử nghiệm máy ly tâm 58 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Bảng Một số giá trị mát khối lƣợng VL(%) Tác giả VL (%) Phƣơng pháp thi công O'Reilly New (1982) 1.0 - 1.4 Open face Mair Taylor (1997) 1.0 - 2.0 Open face Mair Taylor (1997) 0.5 - 1.5 NATM Mair Taylor (1997) 1.0 - 2.0 EPB Slurry Shield TBM Shirlaw cống (2003) 0–6 EPB TBM Binh Thanh Le cộng (2019) 1.0 TBM Hình Mơ hình hóa cho đất nhiều lớp 2.2 Đề xuất công thức cho trƣờng hợp đất không đồng Đối với đất khơng đồng nhất, áp dụng cơng thức tuyến tính gần nhƣ sau: i = keq.zo, Mair cộng (1993) quan sát thấy giá trị keq tăng lên với chiều sâu độ lún dƣới đất Đối với đất khơng đồng nhất, sử dụng công thức trọng lƣợng đƣợc đề xuất sau đây: (6) Trong đó:  hệ số xét đến ảnh hƣởng vị trí lớp đất đến vị trí đào hầm, giá trị lấy 0.6 zi chiều dày lớp đất số i ki tham số lớp đất thứ i m số lƣợng lớp đất nằm chiều dày 1.5D tính từ tim đƣờng hầm, D đƣờng kính hầm (hình 2) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 VÍ DỤ ÁP DỤNG - Phần báo cáo trình bày giới thiệu địa chất Tuyến Metro Line Hà Nội Các điều kiện địa chất địa kỹ thuật khu vực Hà Nội phức tạp kiến thức điều kiện địa kỹ thuật hạn chế, chƣơng trình khảo sát tồn diện đƣợc thực để xác định thông số địa kỹ thuật thí nghiệm trƣờng phịng 3.1 Địa tầng tuyến Metro Line Do biến đổi trắc dọc hầm thông số địa kỹ thuật khác nhau, báo lựa chọn mặt cắt địa chất ga S11 để làm ví dụ minh họa kết tính (Systra S.A, 2012) Mặt cắt địa chất đƣợc thể hình Theo đó, địa chất tuyến Metro Line đƣợc chia thành lớp: Đất lấp, GU3&4, GU1_s, GU1_s2, GU5_a, GU5_b, GU7&8 nhƣ sau: - Lớp Đất lấp tầng địa chất lấp phía có chiều dày mỏng - Lớp GU3&4 tổng hợp tầng GU3 (Sét giàu - CH) GU4 (sét dẻo – MH) có tính dẻo vừa đến dẻo cao Nó chủ yếu bao gồm đất từ hữu đƣợc mơ tả từ trạng thái mềm đến cứng - Lớp GU1_s bao gồm Sét vơ (CL) có độ dẻo thấp đƣợc mơ tả từ trạng thái cứng đến cứng Tầng đƣợc phân chia thành GU1_s_1 SPT N nhỏ 10 (và q c nhỏ 1MPa) GU1_s_2 SPT N lớn 10 (và qc lớn 1MPa) 59 - Lớp GU5 bao gồm Cát lẫn đất bột đƣợc phân loại đất dạng hạt Tầng đƣợc phân chia thành GU5a Cát đất bột trạng thái chặt vừa (SPT N nhỏ 30 q c nhỏ 10MPa) GU5b Cát bột từ trạng thái chặt đến chặt (SPT N lớn 30 and qc lớn 10MPa) - Lớp GU7&8 kết hợp tầng GU7 gồm Cát cuội sỏi tầng GU8 cuội sỏi Trong tầng GU7&8, giá trị SPT N 50 phân xếp lớp lớp có trạng thái chặt Hình Sơ đồ địa chất ga S11 3.2 Áp dụng tính chuyển vị bề mặt ▪ Sự ảnh hƣởng VL độ lún lớn bề mặt Khối lƣợng vật liệu trình đào ảnh hƣởng lớn đến việc dự tính độ lún đất Theo nghiên cứu Binh Thanh Le cộng (2019) cho tuyến Metro line Sài Gịn hệ số VL có 1% Trong nghiên cứu này, hệ số VL đƣợc chọn 1% tƣơng tự nhƣ tuyến Metro line Sài Gòn ▪ Tham số k Tham số ki đƣợc lƣa chọn nhƣ sau tùy theo 60 tính chất lớp đất Đối với địa chất dự án Metro Line tham khảo theo bảng Bảng Một số giá trị tham số k Tên lớp đất Mô tả tính chất Lớp đất đắp Đất đắp 0,3 GU1_s Sét pha có lăng kính bột sét bột 0,5 GU1_d Sét pha có lăng kính bột sét bột 0,5 GU3&4 Sét trạng thái dẻo lẫn hƣu 0,5 GU5_a Cát mịn cát bột 0,25 trạng thái rời rạc đến chặt vừa GU5_b Cát mịn cát bột 0,25 trạng thái chặt GU7&8 Cát sỏi chặt k 0,3 ▪ Ảnh hƣởng lớp đất không đồng đến giá trị i - i thông số chiều rộng ảnh hƣởng đến độ lún đƣợc tính i=keq.zo, keq số khơng có đơn vị, phụ thuộc vào loại đất zo độ sâu trục hầm dƣới mặt đất; i thể vị trí điểm cong lún, hào có độ dốc tối đa nó; tách phần võng xuống khỏi phần khu vực cong uốn đƣờng đƣờng cong - Công thức (6) đƣợc sử dụng để dự tính keq tƣơng đƣơng cho lớp đất dự án Metro Line cho hầm vị trí sâu 21m đƣợc trình bày bảng minh họa hình ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Khoảng cách (m) -25 -15 -5 15 25 10 m -5 11 m 12 m Độ lún (mm) -10 13 m 14 m -15 15 m 16 m -20 17 m 18 m -25 19 m 20 m -30 21 m Hình Dự tính độ lún bề mặt với chiều sâu đặt hầm từ 10m đến 21m Hình Minh họa vị trí cho hầm sâu 21m Bảng Bảng thơng số để tính giá trị keq cho hầm độ sâu 21m Lớp đất zi ki  Đất đắp 0,3 0,4 Ghi Lớp đất xa hầm GU3&4 10 0,5 0,4 GU1_s 3,5 0,5 0,6 GU5_a 6,5 0,25 0,6 Lớp đất gần hầm Đối với hầm tuyến Metro line có bán kính R= 3,3m, đƣợc đào độ sâu tính từ mặt đất đến tâm hầm zo = 10 ÷ 21 (m), giá trị i đƣợc tính tốn theo cơng thức (2) Ta có kêt tính sau cho vị trí đặt hầm độ sâu tƣơng ứng với 10m đến 21m từ cơng thức (1) nhƣ hình ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 3.3 Nhận xét Qua kết tính hình 5, ta thấy độ lún lớn bề mặt đất xẩy trục qua tâm hầm Giá trị độ lún tỷ lệ nghịch với chiều sâu chôn hầm, tức giá trị độ lún lớn gần 28mm ứng với độ sâu chôn hầm 10m, giá trị giảm dần đến 15mm ứng với độ sâu chôn hầm 21m Phạm vị ảnh hƣởng (độ lún bề mặt) phụ thuộc vào độ sâu đặt hầm, cụ thể: với độ sâu đặt hầm 10m phạm vị ảnh hƣởng khoảng 12m phía bên; giá trị phạm vi ảnh hƣởng lên đến khoảng 25m cho hầm sâu 21m KẾT LUẬN Bài báo trình bày cơng thức tính dự báo độ lún hầm q trình thi cơng TBM áp dung để dự tính độ lún cho tuyến Metro Line 3, Hà Nội Cơng thức giải thích báo đƣợc phát triển từ nghiên cứu cho đất đồng cho trƣờng hợp đất có nhiều lớp khác Ƣu điểm công thức cho phép dự tính nhanh giá trị độ lún nền, từ đƣa phƣơng án xử lý gia cố đất bề mặt yêu cầu 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO Attewell, P.B and Farmer, I.W., 1974, “Ground deformations resulting from shield tunneling in London clay,” Canadian Geotechnical Journal, Vol 11, pp.380-395 Binh Thanh Le, Minoru Kuriki, Quoc Phan, Neil Taylor, 2020 “An empirical analysis on measured ground surface settlement induced by TBM tunnelling in Ho Chi Minh city” Lecture Notes in Civil Engineering, vol 62 Springer, Singapore Clough, G.W and Schmidt, B., 1981 “Excavation and Tunneling,” Soft Clay Engineering, Chapter 8, edited by E.W Brand and R.P Brenner, Elsevier Mair, R.J., and Taylor, R.N 1997 “Theme lecture: Bored tunnelling in the urban environment” In Proceedings of the fourteenth international conference on soil mechanics and foundation engineering, Balkema (pp 2353– 2385) Mair, R.J., Gunn, M.J and O’Reilly, M.P., 1983, “Ground movements around shallow tunnels in soft clay,” 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Stockholm, pp 323-328 Mair, R.J., Taylor, R.N and Bracegirdle, A., 1993, “Subsurface settlement profiles above tunnels in clay,” Geotechnique, Vol.43, pp.315-320 O’Reilly, M.P and New, B.M., 1982, “Settlements above tunnels in the UK- their magnitude and prediction,” Tunneling ’82, pp 173-181 Peck, R B., 1969, “Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground,” State of the Art Volume, Seventh International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, pp 225-290, Mexico City Shirlaw, J.N., Ong, J.C.W., Rosser, H.B., Tan, C.G, Osborne, N.H and Heslop, P.J.E 2003 “Local settlements and sinkholes due to EPB tunnelling” Proc ICE, Geotechnical Engineering I 56, October Issue GE4, pp 193–211 10 Systra S.A 2012 “Báo cáo thiết kế kỹ thuật_ Dự án: Tuyến đƣờng sắt thị thí điểm thành phố Hà Nội đoạn Nhổn – Ga Hà Nội_Gói thầu: Đoạn ngầm – tuyến nhà ga (SYSTRA S.A – tƣ vấn thực dự án)” 11 Wooi Leong Tan, 2003 “Parameters and Considerations in Soft Ground Tunneling” School of Civil & Environmental Engineering Nanyang Technological University, Singapore Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN CHÂU LÂN 62 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 ... khoảng 25m cho hầm sâu 21m KẾT LUẬN Bài báo trình bày cơng thức tính dự báo độ lún hầm q trình thi cơng TBM áp dung để dự tính độ lún cho tuyến Metro Line 3, Hà Nội Cơng thức giải thích báo đƣợc phát... keq cho hầm độ sâu 21m Lớp đất zi ki  Đất đắp 0,3 0,4 Ghi Lớp đất xa hầm GU3&4 10 0,5 0,4 GU1_s 3,5 0,5 0,6 GU5_a 6,5 0,25 0,6 Lớp đất gần hầm Đối với hầm tuyến Metro line có bán kính R= 3,3 m,... độ lún lớn bề mặt đất xẩy trục qua tâm hầm Giá trị độ lún tỷ lệ nghịch với chiều sâu chôn hầm, tức giá trị độ lún lớn gần 28mm ứng với độ sâu chôn hầm 10m, giá trị giảm dần đến 15mm ứng với độ