Đặc biệt đối với máy khoan hầm như máy khiên đào cân bằng khí nén, cân bằng áp lực đất hay cân bằng áp lực vữa luôn được phát triển và cải thiện về công nghệ nhằm nâng cao độ ổn định [r]
(1)Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 60, Kỳ (2019) -
Phân tích ổn định bề mặt gương đào xây dựng đường hầm trong điều kiện đất đá yếu máy khiên đào
Đỗ Ngọc Thái *, Đặng Văn Kiên
Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam
THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình:
Nhận 11/10/2018 Chấp nhận 06/12/2018 Đăng online 28/02/2019
Công tác xây dựng đường hầm đô thị phát triển để đáp ứng nhu cầu cấp thiết vấn đề giao thơng vận tải, có nhiều đường hầm thị bố trí nằm nông thi công đất yếu Công tác thi công đường hầm dẫn tới dịch chuyển khối đất đá xung quanh, lún bề mặt và chí gây sập đổ, phá hủy tịa nhà Trong năm qua, máy khoan hầm áp dụng thi công đường hầm đô thị điều kiện khó khăn điều kiện địa kỹ thuật phức tạp hay đất yếu Đặc biệt đối với máy khoan hầm máy khiên đào cân khí nén, cân áp lực đất hay cân áp lực vữa phát triển cải thiện công nghệ nhằm nâng cao độ ổn định thi công đường hầm các điều kiện khó khăn điều kiện địa chất cơng trình, địa chất thủy văn phức tạp điều kiện thi cơng khó khăn Vấn đề ổn định gương đào yếu tố quan trọng việc lựa chọn phương pháp thi cơng đường hầm Giá trị áp lực trì lên mặt gương đào thông số quan trọng, sử dụng giá trị áp lực khác khơng phù hợp dẫn đến sập đổ hay phá hủy gương đào Bài báo trình bày các phương pháp đánh giá độ ổn định gương đào phương pháp giải tích xác định giá trị áp lực gương đào tối thiểu dựa nguyên tắc cân giới hạn
© 2019 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Từ khóa:
Đường hầm Máy đào hầm
Áp lực cân gương hầm
Ổn định gương hầm
1 Mở đầu
Xây dựng đường hầm đô thị giải pháp hiệu giải nhu cầu phát triển hạ tầng sở thành phố Quá trình xây dựng đường hầm gây tác động đến khối đất xung quanh cơng trình mặt Đối với
đường hầm đô thị thi công máy khiên đào, phương pháp giữ ổn định gương hầm, trì áp lực cân gương hầm quan trọng, ngồi việc đảm bảo an tồn q trình thi cơng chúng cịn kiểm sốt, giảm thiểu q trình dịch chuyển đất đá, lún bề mặt Vì vậy, xác định phương pháp cân gương hầm giá trị áp lực lên mặt gương thi công đường hầm thị máy khiên đào có ý nghĩa lớn
Trong trình thi cơng đường hầm, phía
_
*Tác giả liên hệ
(2)2 Đỗ Ngọc Thái, Đặng Văn Kiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), - 6
trước gương hình thành khối đất đá phá hủy có xu hướng trượt, sụt lở vào gương hầm (Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc, 2005; Do Ngoc Thai, Protosenya, 2017), sơ đồ khối đất đá sụt lở vào gương hầm thể Hình Độ ổn định gương hầm phụ thuộc nhiều yếu tố đặc tính khối đá đường hầm thi cơng qua, vị trí, kích thước đường hầm, công nghệ thi công Hiện nay, thi cơng đường hầm điều kiện đất bão hịa chủ yếu sử dụng phương pháp thi công máy khiên đào kiểu kín, phương pháp cho phép khơng cần sử dụng biện pháp giữ ổn định trước đào thông thường hạ mực nước ngầm, khoan vữa đóng băng Ngồi cịn cho phép kiểm soát độ lún bề mặt, hạn chế rủi ro gương đào nhờ vào tồn liên tục áp lực chống giữ mặt gương (Protosenya, et al., 2015)
2 Phương pháp cân áp lực lên gương hầm
Máy khiên đào máy đào hầm giới có nhiều chức tập trung thống đào, che chống bảo vệ, lắp đặt vỏ hầm vận chuyển đất đá Máy khiên đào thích hợp cho việc thi cơng đường hầm qua vùng đất đá mềm yếu, phức tạp có nguy ổn định cao, đất đá có khả sụt lở vào khơng gian cơng trình khơng có kết cấu chống giữ Phần đầu cắt trang bị hệ thống đĩa cắt có nhiệm vụ phá vỡ khối đất đá, phần có bố trí kích đẩy cho phép đầu cắt tiến phía trước, phần khiên có nhiệm vụ lắp đặt vỏ hầm, vận chuyển đất đá phía sau đưa ngồi, bơm vữa lấp đầy khoảng trống phía sau vỏ hầm
Khoang cơng tác phía sau mâm cắt ln
trì áp lực nhằm cân áp lực nước ngầm áp lực đất đá để giữ ổn định cho gương hầm giảm dịch chuyển lún mặt đất Theo nguyên lý chống giữ gương phương pháp cân áp lực gương máy khiên đào chia ra: khiên cân áp lực khí nén; khiên cân áp lực vữa; khiên cân áp lực đất
Khiên cân áp lực khí nén
Khi thi cơng qua địa tầng có chứa nước ngầm, để ngăn chặn khơng cho nước ngầm xâm nhập vào buồng cơng tác, buồng cơng tác ln trì áp lực khí nén Nhờ áp lực khí nén mà nước ngầm khơng bị giữ lại mà cịn bị giữ sâu vào đất
Khiên cân áp lực vữa
Khiên đào áp lực vữa áp dụng phù hợp cho địa tầng có bề mặt gương chống đỡ dung dịch vữa áp lực, thi cơng địa hình khó khăn sông hồ tầng nước ngầm, đất đào đưa qua ống dẫn, đá cuội, sỏi nghiền di chuyển qua đường ống Áp lực nước ngầm, áp lực địa tầng cân với áp lực dung dịch vữa Áp lực dung dịch vữa trì thích hợp cho việc tạo lên màng bùn chống đỡ khối đất trước gương Đĩa cắt phía trước gương cào bóc khối đất mặt màng bùn Hỗn hợp bùn đất trước gương sau tách bóc bơm hút đưa lên bề mặt đất để xử lý
Khiên cân áp lực đất
Đất đào đầu cắt khiên sử dụng để gia cố gương hầm Chất tạo bọt bơm vào trước đầu cắt làm cho đất kết dính lại đảm bảo kiểm sốt xác áp lực cân gương hầm Đất sau tách bóc theo rãnh dao cắt tiến vào khoang công tác Khi áp lực khoang công tác đủ lớn để chống lại áp lực địa tầng áp lực nước ngầm mặt gương đào giữ ổn định mà không bị sụt lở Yêu cầu cần giữ cho lượng đất máng xoắn ốc lượng đất khoang công tác cân với lượng đất đào tiến vào khoang công tác Đất đào vận chuyển máng xoắn ốc phía sau khoang cơng tác theo cửa xả đưa Khiên cân áp lực đất thích hợp với địa tầng đất sét, đất có thành phần dính kết… đồng thời bảo vệ có hiệu ổn định bề mặt gương đào, giảm
Hình Sơ đồ sụt lở đất đá vào gương hầm
Khối đất đá trượt lở vào gương đào Gương đào đường hầm
(3)Đỗ Ngọc Thái, Đặng Văn Kiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), -
độ lún bề mặt, thi cơng dễ dàng thao tác có tính an tồn cao Khi thi cơng qua tầng đất cát, sỏi, cần trộn thêm dung dịch vữa, phụ gia… để cải tiến đặc tính khối đất sau đào ra, tăng tính lưu động, lấp đầy khoang công tác làm ổn định bề mặt gương Phương pháp cân áp lực gương hầm thi công số đường hầm Nga trình bày Bảng
3 Sơ đồ tính áp lực lên gương hầm
Theo Kartoziya et al., (2003) giá trị áp lực lên gương hầm phụ thuộc vào yếu tố sau: chiều sâu bố trí đường hầm; đặc tính lý khối đất đá; khả xuất nước ngầm tầng chứa nước Giá trị áp lực lên gương hầm P, (kN/m2)
được xác định theo công thức (1):
w
đ P
P
P
Trong đó: Pđ - áp lực gây lên đất đá,
(kN/m2); Pw - áp lực gây lên nước ngầm,
(kN/m2)
Theo Broms and Bennermark độ ổn định gương hầm xác định qua hệ số N công thức (2) (Broms and Bennermark, 1967):
u u
T
s C C R C
q
N ( )/ ( ). /
Trong đó: γ – dung trọng đất, (kN/m3); Cu -
lực dính khơng nước lớp đất, (kN/m2);
qs - áp lực mặt đất, (kN/m2), R - bán kính
đường hầm, (m); C - chiều sâu xây dựng đường hầm (m), σT áp lực tác dụng lên gương hầm,
(kN/m2) Theo kinh nghiệm, điều kiện ổn định
khí N ≥ điều kiện ổn định gương hầm có giá trị áp lực lên gương hầm nhỏ Hình theo cơng thức (3) N = 6:
u s
T(CR). q N.C
Phương pháp cho phép phân tích độ ổn định đất đá gương đường hầm có bán kính R, (m) khoang cơng tác trì áp lực cân khoảng cách P, (m) tính từ mặt gương (Hình 3), (Devis et al., 1980)
Trong hai trường hợp Hình 3a Hình 3b nhóm tác giả đưa giá trị tính hệ số cân (4), (5):
1
R C ln 2 2 N
4ln
R C N
Độ ổn định, cân gương hầm xác định qua hệ số cân tỷ số tổng lực chống trượt, dịch chuyển khối đất đá với tổng lực gây trượt, dịch chuyển khối đất đá vào gương hầm (Protosenya, et al., 2015)
Để khảo sát hệ số cân F ta xét đường hầm có đường kính D, (m) thi cơng độ sâu H, (m) tính từ bề mặt đất, phía trước gương hình thành vùng đất đá tác động trọng lượng có xu hướng trượt, dịch chuyển vào gương hầm Phương pháp thi công sử dụng tổ hợp máy khoan đào, khoang áp lực có sử dụng áp lực lên gương q, (kN/m2) (Hình 4)
Tuyến hầm dài, (m) Chiều Năm xây dựng Phương pháp cân áp lực gương hầm Đường kính vỏ chống, D
ngồi/Dtrong, (m)
Đường hầm metro Lyublino
tại Moskva 1600 1988 - 1992 Khiên cân áp lực khí nén 6,0/5,3 Đường hầm kỹ thuật
Petersburg 1200 1995 - 2000 Khiên cân áp lực đất 3,7/3,2 Hầm kỹ thuật Moskva 800 1999 - 2000 Khiên cân áp lực khí nén 4,24/3,84 Đường tàu điện ngầm
Kazan 1188 2000 - 2001 Khiên cân áp lực đất 5,60/5,10 Đường tàu điện ngầm Butov
tại Moskva 1900 2000 - 2002 Khiên cân áp lực đất 6,0/5,3 Hầm giao thông Lefortova
Moskva 2222 2001 - 2003 Khiên cân áp lực khí nén 13,75/12,35 Đường tàu điện ngầm
Razmyv Petersburg 1100 2002 - 2003 Khiên cân áp lực vữa 7,1/6,4
Bảng Phương pháp cân áp lực gương áp dụng thi công số hầm Nga (Suprun, 2013)
(1)
(2)
(3)
(4)4 Đỗ Ngọc Thái, Đặng Văn Kiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), - 6
Giá trị hệ số cân xác định theo công thức (6):
T
P c c F 12 1 2
Trong đó: τ1 - lực chống lại trình trượt, gây
ra bề mặt bên, (kN/m2); τ2 - lực chống lại
trình trượt, dịch chuyển xuống khối đá vào gương lực ma sát bề mặt (AC) gây ra, (kN/m2); c1 - lực chống lại trình trượt, dịch
chuyển xuống khối đất đá lực dính bề mặt bên gây ra, (kN/m2); c2 - lực chống lại trình
trượt, dịch chuyển xuống khối đất đá vào gương lực dính bề mặt (AC) gây ra, (kN/m2); P
- lực ngăn cản trình trượt, dịch chuyển khối đất đá vào gương áp lực lên gương q gây ra, (kN/m2); T - giá trị lực gây trình trượt,
dịch chuyển khối đất đá vào gương hầm, (kN/m2)
Tổng trọng lượng khối đá trượt, dịch chuyển xuống gương hầm W, (kN) xác định theo công thức (7)
V W
V - thể tích khối đất đá trượt, dịch chuyển xuống gương hầm (m3); γ - dung trọng khối
đất đá vùng phá hủy, (kN/m3) ta có (8):
2 45
12
1
tg H D D D H V
2
2 45
2Htg D
Trong đó: D - đường kính đường hầm, (m); φ - góc nội ma sát đất đá vùng phá hủy, (độ)
Lực chống lại trình trượt, dịch chuyển xuống khối đất đá lực ma sát bề mặt bên gây ra τ1, (kN/m2)(9):
b
S tg
H
2 45 cos 45 sin
1
Với Sb - diện tích mặt trượt xung quanh, (m2)
(10)
2 45 cos
2 45
tg H D H Sb
Lực chống lại trình trượt, dịch chuyển xuống khối đất đá vào gương lực ma sát
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
Hình Sơ đồ xác định áp lực lên gương hầm (Protosenya, et al., 2015)
Hình Sơ đồ xác định áp lực lên gương hầm (Broms and Bennermark, 1967)
Hình Sơ đồ xác định áp lực lên gương hầm (Devis et al., 1980); (a) sơ đồ tính dọc trục hầm;
(b) sơ đồ tính ngang trục hầm
C
D
P
qs (a)
(b)
(5)Đỗ Ngọc Thái, Đặng Văn Kiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), -
(17)
trên bề mặt (AC) gây τ2,(kN/m2) (11)
2 Wcos tg
Lực chống lại trình trượt, dịch chuyển xuống khối đất đá lực dính bề mặt bên gây c1, (kN/m2) (12):
45 cos b S c c
Trong đó: c - lực dính kết bề mặt đất đá Lực chống lại trình trượt, dịch chuyển xuống khối đất đá vào gương lực dính bề mặt (AC) gây c2, (kN/m2) (13):
cos 2
D c
c
Lực ngăn cản trình trượt, dịch chuyển xuống khối đất đá vào gương áp lực gương hầm q, (kN/m2) gây P, (kN/m2) (14):
45 2 tg q D P
trong đó: q - áp lực tác dụng lên gương hầm, (kN/m2)
Giá trị lực gây trình trượt, dịch chuyển khối đất đá vào gương hầm T, (kN/m2) (15):
sin
sin V
W
T
Thay vào cơng thức (6) ta có (16):
tg Sb
H
F
2 45 cos 45 sin 45 cos cos tg c Sb
W sin / 45 cos 2 V tg q D c D
Để đảm bảo an tồn ta có hệ số F = thay vào cơng thức ta có giá trị áp lực tác dụng lên gương hầm (17):
tg Sb
2 45 cos 2 45 sin 2 H sin . V .
q
45 cos cos tg c Sb
W 2 45 tg 4 D / ) cos 4 c D 2 2
2
Áp dụng tính tốn cho đường hầm có đường kính D = (m), vị trí xây dựng độ sâu
H = 20 (m), thi cơng khối đất đá có dung trọng = 19 (kN/m3), = 170, c = 21 (kN/m2), =
450 Khi áp lực lên gương q = (kN/m2) Thay vào
công thức (6) ta có hệ số F = 0, 95 1, gương xảy an toàn, khối đất đá dịch chuyển vào gương hầm Để đảm bảo an toàn ta cần có hệ số F
= áp dụng công thức (17) suy áp lực khối đất đá tác dụng lên gương đào q = 150 (kN/m2) ≈
0,38.γ.H (kN/m2)
4 Kết thảo luận
Phương pháp cân áp lực lên gương, ổn định gương đào thi công đường hầm đô thị sử dụng rộng rãi như: phương pháp cân khí nén, cân áp lực đất, cân áp lực vữa Tùy thuộc vào đặc tính kỹ thuật đường hầm, điều kiện địa chất, địa chất thủy văn khu vực xây dựng đường hầm để lựa chọn phương pháp cân áp lực lên gương phù hợp
Từ công thức (17) ta thấy giá trị áp lực cân gương hầm xác định phụ thuộc vào đường kính, chiều sâu bố trí đường hầm giá trị đặc tính lý đất đá
5 Kết luận
Duy trì áp lực lên gương có tác dụng nhằm cân giữ ổn định gương đào, kiểm soát, giảm thiểu độ dịch chuyển khối đất đá, lún bề mặt Giá trị áp lực cân gương xác định phụ thuộc vào đường kính, chiều sâu bố trí đường hầm giá đặc tính lý khối đất đá xung quanh
Khi xây dựng đường hầm đô thị máy khiên đào cần khảo sát điều kiện địa chất, địa chất thủy văn khu vực xây dựng đường hầm để lựa chọn phương pháp cần gương giá trị áp lực lên gương phù hợp
Giá trị áp lực lên gương tính tốn, xác định phương pháp giải tích, thí nghiệm mơ hình hóa Trong q trình thi công thực tế thử nghiệm, điều chỉnh giá trị áp lực cân gương phù hợp
Tài liệu tham khảo
Broms, В В., and Bennermark, H., 1967 Stability of clay in vertical openings Journal of Soil Mechanics and Foundations ASCE, 193(MS1), 71 - 94
(6)6 Đỗ Ngọc Thái, Đặng Văn Kiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), - 6
Davis, E H., Gunn, M J., Mair, R J., Seneviratne, H N., 1980 The stability of shallow tunnels and underground openings in cohesive material
Geotechnique 30(4), 397 - 416
Do Ngoc Thai and Protosenya, A G., 2017 The effect of tunnel face support pressure on ground surface settlement in urban areas due to shield tunneling Geo - Spatial Technologies and Earth resources (ISM - 2017), 415 - 420 Kartoziya, B A., Fedunets, B I., Shuplik, M N.,
2003 Mine and Underground Construction
Publishing House of Moscow mining University 2 815
Protosenya, A G., Belyakov, N A., Do Ngoc Thai,
2015 The development of prediction method of earth pressure balance and earth surface settlement during tunneling with mechanized tunnel boring machines Proceeding softhemining institute 211 53 - 63
Suprun, I K, 2013 Prediction method of the stress - strain state of the tunnel liningwith mechanized tunnel boring machines
Publishing House of Petersburg Mining University, St Petersburg, Russia
Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc, 2005 Cơ học đá ứng dụng xây dựng cơng trình ngầm khai thác mỏ Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội
ABSTRACT
Tunnel face stability analysis in soft ground by shield tunneling Thai Ngoc Do, Kien Van Dang
Faculty of Civil Engineering, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam