Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua đô thị phù hợp với điều kiện khu vực tp.hcm

Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua đô thị phù hợp với điều kiện khu vực tp.hcm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ MÃ SỐ NGÀNH : 60 58 30

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2007

- -oOo -

Tp HCM, ngày tháng năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHẠM MINH TIẾN Giới tính : Nam þ/ Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 16/04/1979 Nơi sinh : Hà Tây Chuyên ngành : Xây dựng đường ô tô và đường thành phố (Mã số : 60 58 30) Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005

1- TÊN ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG HẦM GIAO THÔNG

QUA ĐÔ THỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM” 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

“Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua đô thị phù hợp với điều kiện khu vực Tp.HCM” với các nội dung chính như sau:

Chương 1 Tổng quan về công trình ngầm giao thông đô thị, các biện pháp thi công công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam

Chương 2 Phân vùng địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh Chương 3 Sự làm việc của hầm trong môi trường đất

Chương 4 Các phương pháp tính toán công trình hầm

Chương 5 Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với điều kiện của khu vực nghiên cứu

Chương 6 Một số vấn đề cần giải quyết khi xây dựng công trình hầm trong điều kiện đô thị thành phố Hồ Chí Minh

Phần kết luận và kiến nghị

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :05/02/2007

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/11/2007

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS LÊ VĂN NAM

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS LÊ VĂN NAM

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

Luận văn “Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua

đô thị phù hợp với điều kiện khu vực Tp.HCM” được thực hiện từ tháng 02/2007

đến tháng 11/2007 với mục đích nghiên cứu đưa ra phương pháp tính toán, thi công hầm giao thông bằng phương pháp phù hợp Đề tài cũng đưa ra những lý thuyết để chọn chiều sâu đặt hầm, ảnh hưởng của công trình lân cận,… Luận văn cũng đưa ra ví dụ tính toán tham khảo cho đoạn tuyến metro tại Thành phố Hồ Chí Minh với địa chất đã được khảo sát

Tôi xin trân trọng cảm ơn Thầy PGS TS Lê Văn Nam đã giúp đỡ, tận tình hướng dẫn và cung cấp các thông tin cần thiết để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của TS Phùng Mạnh Tiến, là người thầy và cũng là đồng nghiệp, đã có góp ý, hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn này Tôi cũng xin cảm ơn thầy TS Trịnh Văn Chính đã cung cấp tài liệu và có những góp ý hữu ích trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Bộ môn Cầu đường và Khoa Sau Đại học của Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, các bạn trong lớp CĐ K2005, các đồng nghiệp đã giúp tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn để có thể thực hiện tốt đề tài

Xin cảm ơn mọi người trong gia đình tôi đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về thời gian để tôi hoàn thành luận văn đúng tiến độ

Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Tôi rất mong được sự đóng góp của quý Thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Minh Tiến

ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG HẦM GIAO

THÔNG QUA ĐÔ THỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM”

Giới thiệu chung

Xác định mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu luận văn, nêu được ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận văn

Chương 1 Tổng quan về công trình ngầm, các biện pháp thi công công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam

Nêu tổng quan về các công trình ngầm theo lịch sử phát triển trên thế giới cũng như tại Việt Nam Sơ bộ các phương pháp tính toán cũng như các phương pháp thi công đường hầm phổ biến trên thế giới hiện nay Luận văn chú trọng vào khu vực có địa chất yếu qua đô thị nên có những nhận xét tổng quan và yêu cầu khi tính toán, thi công đường hầm qua khu vực đặc trưng này

Chương 2 Đặc điểm địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh

Dựa trên số liệu địa chất của các dự án lớn, có đủ số liệu thí nghiệm của các dự án đang triển khai trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh để tổng hợp và có cái nhìn tổng quan về địa chất của khu vực Qua đó lựa chọn địa chất đặc trưng và có nhận xét, kiến nghị một số lưu ý khi xây dựng hầm qua khu vực địa chất này

Chương 3 Sự làm việc của hầm trong môi trường đất

Nghiên cứu các đặc tính cơ bản của đất để từ đó xác định được cơ chế tác dụng của áp lực địa tầng lên công trình ngầm Từ đó cũng thấy được ứng xử của đất - kết cấu tùy theo loại đất sẽ quyết định hình dáng, kích thước hầm Ngoài ra việc xác định các tổ hợp tải trọng cũng có ý nghĩa quan trọng đảm bảo công trình ổn định và an toàn trong quá trình thi công và khai thác

Nghiên cứu các phương pháp tính toán công trình ngầm theo các phương pháp chính là phương pháp lực, phương pháp biến dạng, phương pháp phần tử hữu hạn, … Từ đó rút ra phương pháp tính và mô hình tính toán hợp lý với điều kiện địa chất yếu để áp dụng cho phù hợp

Chương 5 Phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với điều kiện của khu vực nghiên cứu

Với địa chất yếu, không có điều kiện đào hở thì phương pháp đào kín bằng khiên đào là phù hợp nhất Chương này tìm hiểu kỹ về phương pháp khiên đào từ khi phát minh cho đến nay, từ đơn giản đến phức tạp Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các loại khiên đào hiện đại như phương pháp khiên cân bằng áp lực đất, khiên cân bằng áp lực vữa, khiên bọt khí, khiên đa mặt, khiên nhiều trục, khiên mặt cắt tự do, khiên hình cầu… cùng với đặc điểm cũng như phạm vi áp dụng thích hợp của chúng để có thể áp dụng vào từng điều kiện cụ thể hợp lý nhất Sự đa dạng của khiên cho phép giải quyết các vấn đề thi công hầm gần như không hạn chế

Chương 6 Một số vấn đề cần giải quyết khi xây dựng công trình hầm trong điều kiện đô thị thành phố Hồ Chí Minh

Do công trình ngầm đi qua khu vực địa chất yếu trong điều kiện đô thị đông đúc nên để đảm bảo thi công và khai thác an toàn cho công trình ngầm cũng như các công trình lân cận thì cần phải giải quyết một số bài toán thực tế

Các bài toán cơ bản đặt ra la các bài toán tìm chiều sâu đặt hầm hợp lý, tính toán ảnh hưởng của hầm đến các công trình ngầm cũng như các công trình trên mặt đất lân cận Từ đó xác định được phạm vi an toàn và mức độ ảnh hưởng lên các công trình để có các biện pháp xử lý thích hợp

Chương 7 Kết luận và kiến nghị

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM 9

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM 9

1.3.1 Phương pháp mỏ (phương pháp khoan nổ) 10

1.3.2 Phương pháp dùng máy đào các loại thích hợp với thi công đường hầm trên núi, thi công đường hầm nông và trong đất mềm 11

1.3.3 Phương pháp đào lộ thiên là phương pháp thi công đường hầm nông và trong đất mềm 11

1.3.4 Phương pháp tường liên tục dưới đất thi công hầm trong đất mềm yếu 11

1.3.5 Phương pháp khiên 11

1.3.6 Phương pháp hạ chìm 11

1.3.7 Đánh giá và đề xuất phương án 12

1.4 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM GIAO THÔNG ĐÔ THỊ KHU VỰC TP.HCM 13

1.4.1 Bối cảnh 13

1.4.2 Đặc điểm công trình ngầm đô thị 13

Chương 2 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC TP.HCM 16

2.1 Thống kê số liệu địa chất 16

Chương 3 SỰ LÀM VIỆC CỦA HẦM TRONG 26

3.2 Điều kiện địa chất, thuỷ văn ảnh hưởng đến công trình ngầm 33

3.3 Áp lực địa tầng lên công trình ngầm 34

3.4 Ứng xử đất – kết cấu của đất xung quanh đường hầm 36

3.4.1 Sự phân bố ứng suất trong đất nền xung quanh hầm 36

3.4.2 Các phương pháp xác định áp lực địa tầng 41

3.4.2.1 Tính toán áp lực địa tầng theo quan điểm môi trường phân tán 42

3.4.2.2 Tính toán áp lực ngang 48

3.4.2.3 Tính toán phản lực đáy hầm 49

3.5 Tải trọng tác dụng lên đường hầm 51

Chương 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 53

CÔNG TRÌNH NGẦM 53

4.1 Các phương pháp lực 53

4.1.1 Phương pháp SN.Naumov 53

4.1.2 Phương pháp G.G Zurabov 53

4.1.3 Phương pháp thay thế bằng hệ thanh 54

4.1.4 Phương pháp S.A Orlov 54

4.1.5 Phương pháp S.S Đavưđov 54

4.1.6 Phương pháp I.A Malikova 55

4.2 Các phương pháp biến dạng .55

4.2.1 Phương pháp Ya Bialer 56

4.2.2 Phương pháp K.V.Ruppenneyt,V.A Lutkin, A.N Dranovxki 56

4.2.3 Phương pháp B.G Galerkin 56

4.2.4 Phương pháp M.M Protodiakonov 56

4.3 Phương pháp phần tử hữu hạn .57

4.3.1 Khái niệm chung về phương pháp PTHH 57

4.3.2 Phương pháp PTHH trong tính toán công trình ngầm 59

4.5.1 Tính toán kết cấu hầm theo phương pháp thay thế bằng hệ thanh 73

4.5.2 Tính toán kết cấu công trình hầm dạng vòm hình yên ngựa 76

4.5.3 Tính toán kết cấu công trình hầm dạng tròn 77

Chương 5 PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM PHÙ HỢP VỚI KHU VỰC NGHIÊN CỨU 79

5.1 Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với khu vực địa chất mềm yếu 79

5.2 Biện pháp thi công hầm bằng phương pháp khiên đào 80

5.2.1 Lịch sử phát triển hầm theo phương pháp khiên (shield) 80

5.2.2 Cấu tạo, phân loại khiên đào 86

5.2.2.1 Cấu tạo của khiên 86

5.2.2.2 Phân loại khiên 90

5.2.2.3 Căn cứ chọn loại khiên 92

5.2.3 Nguyên lý cơ bản của thi công hầm bằng khiên đào 93

5.2.3.2 Máy đào và phương pháp thi công khiên cân bằng áp lực đất (Earth

Pressure Balanced Shield – EPB Shield) 95

5.2.3.3 Máy đào và phương pháp thi công khiên dung dịch vữa (Slurry Shield) 97

5.2.4 Các phương pháp mới thi công bằng khiên đào 100

5.2.4.1 Phương pháp khiên đa mặt MF (Multi Face) .100

5.2.4.2 Phương pháp khiên nhiều trục lệch tâm DPLEX (Developing Parallel Link EXcavating shield Method) 102

5.2.4.3 Phương pháp khiên mặt cắt tự do 104

5.2.4.4 Phương pháp khiên hình cầu 106

5.2.4.5 Phương pháp khiên MSD (Mechanical Shield Docking) 109

5.2.4.6 Phương pháp khiên MMST (Multi Micro Shield Tunnel) 110

5.2.4.7 Phương pháp khiên bọt khí 111

5.2.4.8 Phương pháp khiên CPS (Chemical Plug Shield) 113

5.2.4.9 Phương pháp khiên DOT (Double O Tube) 114

5.2.4.10 Phương pháp khiên H & V .115

5.2.4.11 Phương pháp khiên mở rộng cục bộ 118

5.2.5 Ưu khuyết điểm của biện pháp thi công hầm bằng khiên đào 119

5.2.5.1 Ưu điểm của thi công đường hầm theo phương pháp khiên 119

5.2.5.2 Khuyết điểm của thi công đường hầm theo phương pháp khiên 120

Chương 6 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG ĐIỀU KIỆN TP HỒ CHÍ MINH 121

6.1 Tính toán đường hầm có xét ảnh hưởng của các công trình lân cận 121

6.1.1 Cấu tạo đường hầm trong đất yếu 121

6.1.1.1 Bố trí chung của đường hầm .121

6.1.1.2 Mặt cắt ngang đường hầm trong nền đất yếu 122

6.1.1.3 Kích thước mặt cắt ngang đường hầm trong nền đất yếu 122

6.1.2 Bài toán 1: Xác định độ sâu đặt hầm hợp lý 125

6.1.3 Bài toán 2: Ảnh hưởng của 2 đường hầm lân cận nhau 130

6.1.3.1 Bài toán biến thiên khoảng cách theo phương ngang 130

6.1.3.2 Bài toán biến thiên khoảng cách theo phương đứng 134

6.1.4 Bài toán 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của công trình trên mặt đất xuống công trình ngầm 138

Chương 7 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 143

7.1 Kết luận 143

7.2 Kiến nghị 144

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại hầm ở Việt Nam theo tiêu chí kiểu/loại hầm 5

Bảng 2.1 Đặc tính địa chất công trình của lớp A 18

Bảng 2.2 Đặc tính địa chất công trình của lớp B 19

Bảng 2.3 Đặc tính địa chất công trình của lớp C 20

Bảng 2.4 Đặc tính địa chất công trình của lớp D 22

Bảng 2.5 Đặc tính địa chất công trình của lớp E 23

Bảng 3.1 Phân loại đất đá theo M.M.PROTODIAKONOV 31

Bảng 3.2 Bảng tra hệ số ứng suất tập trung 40

Bảng 3.3 Bảng phân loại tải trọng tác dụng lên hầm 51

Bảng 5.1 Một số đường hầm xây dựng trên thế giới bằng phương pháp khiên đào 85 Bảng 5.2 Bảng phân loại khiên áp dụng trong các địa tầng thích ứng 91

Bảng 6.1 Bảng quan hệ hệ số kiên cố – bề dày vòm 123

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Hầm khai thác mỏ Excelsior (Anh) 6

Hình 1.2 Metro Columbia Heights (Mỹ) 6

Hình 1.3 Đường hầm The Second Heinenoord 7

Hình 1.4 Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân (Việt Nam) 7

Hình 1.5 Hầm chui Tân Tạo cắt ngang QL1A (Việt Nam) 8

Hình 1.6 Hầm treo nổi trong nước 8

Hình 2.1 Bình đồ tuyến metro Bến Thành – Suối Tiên 16

Hình 2.2 Bình đồ tuyến Đại lộ Đông - Tây 17

Hình 2.3 Bản đồ địa chất khu vực Tp.HCM 24

Hình 3.1 Vòng tròn Mohr 28

Hình 3.2 Biến dạng của đất đá theo thời gian .29

Hình 3.3 Sự phân bố ứng suất đất đá xung quanh hầm 37

Hình 4.6 Phần tử tam giác biến dạngtuyến tính loại 1 63

Hình 4.7 Phần tử tam giác biến dạngtuyến tính loại 2 63

Hình 4.8 Phần tử tam giác biến dạng khối loại 1 63

Hình 4.9 Phần tử tam giác biến dạng khối loại 2 63

Hình 4.10 Phần tử tứ giác biến dạng tuyến tính 64

Hình 4.11 Phần tử tứ giác biến dạng khối 64

Hình 4.12 Phần tử khối biến dạng tuyến tính loại 1 64

Hình 4.13 Phần tử khối biến dạng tuyến tính loại 2 64

Hình 4.14 Mô hình phần tử tiếp xúc phẳng của Goodman 65

Hình 4.15 Mô hình phần tử tiếp xúc không gian của Goodman 66

Hình 4.16 Quan hệ ƯS-BD của mô hình đàn dẻo lý tưởng 69

Hình 4.17 Tính toán hầm theo phương pháp thay thế bằng hệ thanh 74

Hình 4.18 Sơ đồ tính toán kết cấu ngầm dạng vòm hình yên ngựa 76

Hình 4.19 Sơ đồ chịu lực và hệ cơ bản để tính hầm dạng hình tròn 77

Hình 5.1 Khiên bản quyền của Brunel (1860) 80

Hình 5.2 Phương pháp khiên đào áp dụng cho hầm qua sông Thames (Anh) 81

Hình 5.3 Kết cấu khiên dùng vữa của Greathead 82

Hình 5.4 Kết cấu khiên vữa Haag (1896) 83

Hình 5.5 Khiên cân bằng áp lực đất của công ty Sato Kogyo Nhật Bản 83

Hình 5.6 Sơ đồ cấu tạo cơ bản của khiên 86

Hình 5.7 Vành miệng cắt 87

Hình 5.8 Thiết bị bịt kín sau đuôi khiên 88

Hình 5.9 Thiết bị bịt kín 3 cấp sau đuôi khiên 88

Hình 5.10 Máy lắp ráp hình vành tròn 89

Hình 5.11 Máy hình tròn xoay 89

Hình 5.12 Phương pháp thi công hầm bằng khiên đào 93

Hình 5.13 Một giếng đứng để thi công hầm bằng khiên ở Barcelona 94

Hình 5.14 Hình 5.9 Công nghệ thi công đường hầm trong nền đất yếu 94

Hình 5.15 Sơ đồ hệ thống thi công bằng khiên cân bằng áp lực đất 95

Hình 5.16 Sơ đồ cấu tạo của khiên cân bằng áp lực đất 95

Hình 5.17 Sơ đồ cấu tạo của khiên cân bằng áp lực đất (3D) 95

Hình 5.18 Sơ đồ cấu tạo của khiên dung dịch vữa 97

Hình 5.19 Sơ đồ hệ thống thi công bằng khiên dung dịch vữa 99

Hình 5.20 Khiên MF 101

Hình 5.21 Đường hầm Kyobashi 101

Hình 5.22 Nhà ga Osaka Business Park 102

Hình 5.23 Sơ đồ nguyên lý khiên nhiều trục lệch tâm 102

Hình 5.24 Khiên DPLEX hình chữ nhật 3.98x4.38m 103

Hình 5.25 Khiên DPLEX hình ovan, D=3.48m 103

Hình 5.26 Cấu tạo chung khiên mặt cắt tự do 104

Hình 5.27 Các hình dạng mặt cắt ngang hầm thi công bằng khiên mặt cắt tự do 104

Hình 5.28 Khiên mặt cắt tự do 105

Hình 5.29 Mặt cắt ngang đường hầm được thi công bằng khiên trên 105

Hình 5.30 Cấu tạo chung khiên hình cầu 106

Hình 5.31 Sơ đồ làm việc của khiên hình cầu đào liên tục kiểu dọc – ngang 107

Hình 5.32 Khiên hình cầu đào cự ly dài có đường kính 9.45m 108

Hình 5.33 Sơ họa khiên MSD 109

Hình 5.34 Khiên MSD có đường kính 4.1m, tổng chiều dài 1515m (707m + 808m), loại khiên dung dịch bùn .110

Hình 5.35 Khiên MMST 111

Hình 5.36 Khiên bọt khí 112

Hình 5.37 Cấu tạo khiên bọt khí 113

Hình 5.38 Sơ đồ cấu tạo khiên CPS 114

Hình 5.39 Khiên DOT 115

Hình 5.40 Sơ đồ nguyên lý khiên H&V 116

Hình 5.41 Khiên H&V 117

Hình 5.42 Sơ đồ nguyên lý thi công mở rộng cục bộ 118

Hình 5.43 Thi công đường hầm theo phương pháp khiên không bị ảnh hưởng bởi điều kiện tự nhiên 119

Hình 5.44 Hầm theo phương pháp khiên có thể bảo vệ tự nhiên trên mặt đất 119

Hình 6.1 Mặt cắt ngang điển hình vỏ hầm 124

Hình 6.2 Sơ đồ khối tính toán kết cấu vỏ hầm 126

Hình 6.3 Mô hình bài toán hầm đơn trong Plaxis 126

Hình 6.4 Biểu đồ quan hệ độ sâu chôn hầm H – lực dọc Nmax 127

Hình 6.5 Biểu đồ quan hệ độ sâu chôn hầm H – moment Mmax 128

Hình 6.6 Biểu đồ quan hệ độ sâu chôn hầm H – chuyển vị 128

Hình 6.7 Mô hình bài toán hầm đôi theo phương ngang trong Plaxis 130

Hình 6.8 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – Chuyển vị 132

Hình 6.9 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – moment Mmax 132

Hình 6.10 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – chuyển vị 132

Hình 6.11 Mô hình bài toán hầm đôi theo phương đứng trong Plaxis 134

Hình 6.12 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm đứng h – Chuyển vị 136

Hình 6.13 Biểu đồ quan hệ cách tim hầm đứng h – moment Mmax 136

Hình 6.14 Biểu đồ quan hệ cách tim hầm đứng h – chuyển vị 136

Hình 6.15 Các điểm chảy dẻo trong nền tương ứng h=12m & h=15m 138

Hình 6.16 Mô hình bài toán trong Plaxis với B=10m 139

Hình 6.17 Biến dạng sau cùng của hầm, đất nền và nhà với B=10m 140

Hình 6.18 Biểu đồ chuyển vị tại các vị trí ứng với khoảng cách B 141

GIỚI THIỆU CHUNG

I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN 1 NHIỆM VỤ :

Từ đầu thế kỷ 19 đến nay, song song với việc đô thị hóa, khối lượng xây dựng nhà ở và công trình công cộng ngày càng tăng, sự liên tục phát triển mạng lưới giao thông đường bộ, sự hình thành các công trình và cụm công trình công nghiệp mới, các xí nghiệp… đang yêu cầu đô thị dành riêng cho những khu đất lớn Những khu đất đó, đặc biệt tại những khu trung tâm nhằm đô thị, ngày càng khan hiếm Việc phát triển và sử dụng các không gian trên cao và không gian ngầm nhằm tăng quỹ không gian đô thị, nâng cao năng lực lưu thông và vận chuyển hàng hóa, hành khách… là một tất yếu khách quan

Việc xây dựng công trình ngầm phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa chất và địa hình của khu vực xây dựng nên việc áp dụng các biện pháp thi công cũng như tính toán mang tính khu vực Để có phương pháp tính toán và biện pháp thi công phù hợp nhất với khu vực xây dựng thì cần phải có các nghiên cứu cụ thể Do đó việc nghiên cứu cách tính toán và biện pháp thi công phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất là một việc làm cần thiết

Theo số liệu thống kê năm 2005 [10], thành phố Hồ Chí Minh với diện tích 2095 km2 và dân số là 6.239.938 người hiện là thành phố lớn nhất cả nước Mật độ dân số của thành phố hiện nay là 2.920 người/km2 Trung bình từ năm 1999 đến 2004, tốc độ tăng dân số bình quân tại thành phố là 3,6%, cao hơn gần gấp 2 lần so với tỉ lệ tăng dân số tự nhiên của cả nước Thông thường thành phố từ 1 triệu dân trở lên là đã yêu cầu cần có giao thông ngầm Với quy mô thành phố như hiện nay, việc xây dựng hệ thống giao thông ngầm là thực sự cần thiết và cấp bách Địa chất tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh là địa chất yếu có chiều dày khá lớn, ngoài ra còn có đặc điểm địa hình, nền móng công trình đặc thù Do đó việc nghiên cứu để có phương pháp tính toán và biện pháp thi công phù hợp là việc làm hết sức cần thiết Nghiên cứu sẽ góp phần làm chính xác hóa các tính toán phù hợp với điều kiện thực

tế và giảm thiểu chi phí xây dựng công trình, giảm thiểu nguy cơ xảy ra sự cố trong quá trình thi công và khai thác là một yếu tố rất quan trọng trong việc xây dựng công trình ngầm Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

Do đó việc “Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua

đô thị phù hợp với điều kiện khu vực Tp.HCM” cũng chính là nội dung của luận

văn tốt nghiệp thạc sỹ này

2 NỘI DUNG LUẬN VĂN :

Chương 1 Tổng quan về công trình ngầm, các biện pháp thi công công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam

Chương 2 Đặc điểm địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh Chương 3 Sự làm việc của hầm trong môi trường đất

Chương 4 Các phương pháp tính toán công trình hầm

Chương 5 Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với điều kiện của khu vực nghiên cứu

Chương 6 Một số vấn đề cần giải quyết khi xây dựng công trình hầm trong điều kiện đô thị thành phố Hồ Chí Minh

Chương 7 Kết luận và kiến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM, CÁC

PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM

Hầm là công trình được xây dựng trong lòng đất hoặc dưới lòng sông, biển Hiện nay việc sử dụng công trình hầm rất phổ biến trên thế giới trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế, tuỳ theo mục đích sử dụng, phạm vi và phương pháp xây dựng ta có những loại hầm thích hợp

Thời thượng cổ con người đã biết đào các hầm ngầm đặc biệt để khai thác quặng mỏ và than đá Người La Mã đã xây dựng các đường hầm ngầm thủy lợi đến nay vẫn còn tốt Gắn liền với sự phát triển, của thiết bị và phương tiện sản xuất, con đường hầm hiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas qua kênh đào Midi dài 173m được xây dựng ở Pháp vào năm 1679 – 1681 Đường hầm càng phát triển khi vận chuyển đường sắt càng phát triển để vượt qua các chướng ngại vật như núi, đèo

Vào thế kỉ XX ở các thủ đô lớn trên thế giới đã xây dựng mạng lưới tàu điện ngầm đô thị hiện đại, đặc biệt là ở Maxcơva

Một số đường hầm tiêu biểu trên thế giới qua các thời kỳ như sau:

• Năm 1826–1830 xây dựng đường hầm đường sắt dài 119m ở Anh

• Năm 1935 xây dựng đường tàu điện ngầm ở Matxocova

• Năm 1857–1871 xây dựng đường hầm Monxenis dài 12.8km nối Pháp và Ý

• Năm 1872 – 1882 đường hầm Xen–Gotan dài 14482m nối Ý với Thụy Sỹ

• Đường hầm ôtô dài nhất là Xen-gatarskui l = 16320 xây dựng xong 1980

• Năm 1982 ở Nhật xây dựng xong đường hầm Dai –Shimizu dài 22 km

• Năm 1988, sau 20 năm, xây dựng đã hoàn thành con đường hầm đường sắt Sei-kan dưới biển nối liền hai hòn đảo ở Nhật dài 53,85 km trong đó 23,3 km nằm cách dưới đáy biển 100m, đây là con đường hầm dài nhất thế giới hiện nay

• Đến tháng 1-1988 chiều dài đường hầm Matxcơva là 224 km với 135 ga (bến) Năm 2005, hệ thống xe điện ngầm của Nga kỷ niệm 70 năm thành lập với 276km đường hầm và 170 nhà ga Hệ thống này phục vụ đến 9 triệu lượt người/ngày

• Năm 1991 nước Anh và nước Pháp xây dựng đường hầm xuyên qua eo biển Manche nối liền nước Anh và nước Pháp mang tên Euro Tunnel dài 50km (trong đó có 37,5km nằm sâu cách mặt nước biển khoảng 100m) hoàn thành năm 1994 Công trình được đánh giá là kỳ quan kỹ thuật ngầm giữa Anh và Pháp

• Năm 1995 trung Quốc đã xây dựng hầm đường bộ Tần Lĩnh dài 19,45km đã tạo một bước đột phá mới về kĩ thuật xây dựng đường hầm

Tại Việt nam, trước Cách mạng Tháng Tám 1945, năm 1930 có xây dựng hầm giao thông thủy Rú Cóc (ở xã Nam Sơn huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An), hầm ngầm xuyên qua núi giúp cho thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu sang hạ lưu sông Lam để tránh đi qua đập nước Đô Lương Ngành đường sắt có một số hầm ngầm ở miền Trung, điển hình là hầm Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc Thừa Thiên Huế

Trong chiến tranh chống Pháp, chống Mỹ hầm được xây dựng nhiều song chủ yếu là hầm ngắn, nhằm phục vụ quốc phòng làm kho tàng, công sự…

Sau ngày thống nhất đất nước 1975, đầu tiên xây dựng hầm Dốc Xây trên QL1A ở phía Nam tỉnh Ninh Bình dài khoảng 100m

Tháng 5/2002 Việt Nam đã khánh thành hầm Aroàng I trên đường Hồ Chí Minh dài 453m và tiếp tục xây dựng hầm Aroàng II

Hầm đường bộ đèo Hải Vân khẩu độ 12,85m cao 11m dài hơn 6,7km khánh thành vào ngày 02/06/2005 là một trong những dự án giao thông quan trọng áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến của nước ta trong công cuộc xây dựng đất nước Khi hầm xây dựng xong đã rút ngắn thời gian qua đèo từ 1 giờ xuống còn 15 phút

Hầm Thủ Thiêm nối quận 1 và quận 2 của Tp.HCM đang được xây dựng có các thông số sau : Chiều dài của hầm là 1.490m, gồm phần dìm dài 370m, phần hầm đào lấp 680m và đường dẫn hai đầu hầm 540m Tiết diện hữu dụng của hầm đủ để bố trí sáu làn xe và hai đường thoát hiểm hai bên rộng 2x2m cùng các thiết bị thông tin liên lạc, thông gió, chiếu sáng, thoát nước đảm bảo an toàn cho các phương tiện xe cơ giới, kể cả xe gắn máy lưu thông theo tốc độ thiết kế

Cho đến nay, Việt Nam có khoảng 52 hầm giao thông được xây dựng trong thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 theo các tiêu chuẩn thiết kế và thi công của Pháp, Nga, Trung Quốc, Áo ứng với mỗi thời kỳ khác nhau [7]:

Bảng 1.1 Phân loại hầm ở Việt Nam theo tiêu chí kiểu/loại hầm

Phân loại theo chiều dài Phân loại theo số lượng Loại hầm

Chiều dài (m) Tỉ lệ % Số lượng Tỷ lệ %

Một số hình ảnh đường hầm trến thế giới và tại Việt Nam với những công dụng khác nhau:

Hình 1.1 Hầm khai thác mỏ Excelsior (Anh)

Hình 1.2 Metro Columbia Heights (Mỹ)

Hình 1.3 Đường hầm The Second Heinenoord

Hình 1.4 Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân (Việt Nam)

Hầm cho người đi bộ và xe máy trên Quốc lộ 1A đoạn An Sương – An Lạc:

Hình 1.5 Hầm chui Tân Tạo cắt ngang QL1A (Việt Nam)

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hiện nay gần như chưa xảy ra trường hợp nào do ảnh hưởng của điều kiện địa chất mà dẫn đến khả năng không thể xây dựng được đường hầm và có thể nói là không hạn chế Đường hầm được xây dựng trong những điều kiện địa chất, địa hình khó khăn Thực tế nhiều tuyến đường hầm giao thông trên thế giới đã đi xuyên qua lòng sông, đáy biển là những nơi ẩn chứa điều kiện địa chất phức tạp, thậm chí có những đường hầm được treo trong nước

Hình 1.6 Hầm treo nổi trong nước

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM

Do tính chất nằm sâu trong lòng đất nên kết cấu công trình ngầm chịu lực tương đối phức tạp Nội lực trong vỏ hầm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: tính chất của đất đá, cấu tạo địa tầng, hình dạng và kích thước vỏ hầm, phương pháp thi công cũng như đặc điểm sử dụng công trình ngầm Về cơ bản có 2 phương pháp tính toán công trình ngầm là theo phương pháp lực và phương pháp biến dạng

Các phương pháp lực sử dụng các giả thiết về nền biến dạng cục bộ hay nền biến dạng tuyến tính làm cơ sở xác định chuyển vị của địa tầng trên vách hang, đưa về các sơ đồ tính toán của cơ học kết cấu Các phương pháp lực có ý nghĩa thực nghiệm lớn, quá trình tính toán nói chung không quá phức tạp, đã được vận dụng nhiều trong thực tế Phương pháp lực có một số tác giả như SN.Naumov, G.G Zurabov, S.A Orlov, S.S Đavưđov, I.A Malikova, phương pháp thay thế bằng hệ thanh của Viện thiết kế đường tàu điện ngầm Maxcơva…

Phương pháp biến dạng tính toán kết cấu công trình ngầm giả thiết môi trường biến dạng liên tục, xem vỏ hầm là một vòng có bề dày nhỏ đặt trong chu vi lỗ khoét của địa tầng để xác định trạng thái ứng suất trong điều kiện cùng chịu lực của vỏ hầm và môi trường xung quanh, nghĩa là có xét đến tác dụng tương hỗ của khối địa tầng và vì chống Trong quá trình tính đưa về các sơ đồ tính toán của lý thuyết đàn hồi Phương pháp biến dạng có một số tác giả như Ya Bialer, K.V.Ruppenneyt, V.A Lutkin, A.N Dranovxki, B.G Galerkin, M.M Protodiakonov, …

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM

Thi công đường hầm là thuật ngữ gọi chung phương pháp thi công xây dựng, kĩ thuật thi công và quản lý thi công các đường hầm và công trình ngầm

Lựa chọn phương pháp thi công chủ yếu phải dựa vào điều kiện địa chất và địa chất thủy văn, kết hợp với mặt cắt đường hầm, kiểu vỏ, công năng sử dụng và trình độ kỹ thuật thi công… cùng một số nhân tố khác nghiên cứu cân nhắc, tổng hợp lại để quyết định

Dựa vào tình hình tầng đất mà đường hầm xuyên qua và sự phát triển phương pháp thi công hầm hiện nay, phương pháp thi công hầm có thể được phân ra:

1.3.1 Phương pháp mỏ (phương pháp khoan nổ) :

Phương pháp mỏ truyền thống và phương pháp Áo mới Đây là phương pháp thi công đường hầm miền núi

Phương pháp mỏ truyền thống là phương pháp phát triển lên trong thực tiễn thi công lâu dài của con người Phương pháp này dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chống tạm thời, đợi cho đến khi đường hầm hình thành xong, dần dần đem hệ che chắn tạm thời bằng vỏ xây toàn khối có tính vĩnh cửu

Phương pháp thi công đường hầm mới của Áo (New Austrian Tunneling Method - NATM) Năm 1948, các nguyên lý của NATM đã được công bố do nhà bác học người Áo L.V.Rabcewicz đề xuất, nội dung là: với một che chống dẻo ban đầu sẽ đạt được một cân bằng mới Việc ấy được kiểm soát bằng các đo đạc tại chỗ Sau khi đã đạt được sự cân bằng mới thì một vòm bên trong sẽ được xây dựng

Vào những năm 1960, NATM, phương pháp làm hầm mới của Châu Âu đã được các kỹ sư hầm của Trung Quốc tiếp nhận và áp dụng NATM đã trở thành một đề tài phổ biến trong việc xây dựng công trình ngầm ở Trung Quốc

Hầm đường sắt Seikan (Nhật Bản) là hầm dài nhất thế giới hoàn thành năm 1988, tổng chiều dài 53.8km, trong đó có 23.3km nằm cách dưới đáy biển 100m đã ứng dụng công nghệ này

Tại Việt Nam, hầm đường bộ đèo Hải Vân khẩu độ 12.85m cao 11m dài hơn 6.7km khánh thành vào ngày 02/06/2005 là một trong những dự án giao thông quan trọng áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến – Công nghệ NATM – lần đầu tiên được thực hiện tại Việt Nam Sau khi hoàn thành đường hầm, không những tuyến QL1A được thông thương thuận lợi từ Bắc vào Nam, mà còn là công trình góp phần quan trọng vào phát triển kinh tế miền Trung nói riêng, cả nước nói chung Rút ngắn chiều dài vận chuyển trên đường đèo nguy hiểm từ 22 km xuống còn 12km, giảm ách tắc, tai nạn giao thông…

1.3.2 Phương pháp dùng máy đào các loại thích hợp với thi công đường hầm trên núi, thi công đường hầm nông và trong đất mềm

Vào những năm 1930 một số nước đã thi công hầm bằng máy đào Tùy theo sự phát triển của kỹ thuật máy đào và tính năng ngày càng hoàn thiện của nó mà thi công bằng máy đào hầm đã được phát triển hiện đại

Ở Việt Nam đã dùng máy đào kết hợp nổ phá toàn tiết diện xây dựng hầm đường bộ qua đèo hải Vân dài 6.7km

1.3.3 Phương pháp đào lộ thiên là phương pháp thi công đường hầm nông và trong đất mềm

Là phương pháp đào trên mặt đất, đào từ trên xuống dưới sau khi đạt cao độ thiết kế xong, lại từ đáy thi công thuận chiều từ dưới lên trên, hoàn thành kết cấu chính của đường hầm, cuối cùng lấp hố đào và khôi phục mặt đất lại như cũ

1.3.4 Phương pháp tường liên tục dưới đất thi công hầm trong đất mềm yếu

Vào những năm 1950 xuất hiện tường bê tông cốt thép liên tục dưới đất Loại tường này thay thế cọc gỗ, cọc thép, cọc bê tông cốt thép có tác dụng chắn đất, chịu lực và phòng nước, thích hợp cho việc xây dựng hầm nông, hầm đào hở

1.3.5 Phương pháp khiên:

Thi công bằng khiên (Shield Method) là phương pháp thi công cơ giới dùng khiên đào đường hầm ngầm dưới mặt đất thích ứng với đường hầm thi công trong đất mềm yếu Phương pháp khiên đào là phương pháp sử dụng kết cấu chống đỡ sử dụng trong việc đào hầm qua đất rất yếu hoặc lỏng để giữ ổn định trong suốt thời gian đào tuyến hầm với kết cấu chống đỡ bằng bê tông hoặc thép Khiên đào là một kết cấu chống đỡ tạm thời trong khi đào hầm

1.3.6 Phương pháp hạ chìm

Việc phát triển kĩ thuật thi công đường hầm bằng hạ chìm xuống đáy nước đã cung cấp một phương pháp mới có hiệu quả để thi công đường hầm xuyên qua đất,

sông ngòi, eo biển Các đoạn hầm được chế tạo sẵn trên đảo khô (xây dựng tạm thời tại địa điểm gần đường hầm) Các đoạn hầm được bịt kín tạm thời, sau đó vận chuyển nổi các đoạn hầm đó đến nơi quy định Lúc đó tại vị trí quy định đã chế tạo sẵn một hố móng ở đáy nước Đợi cho khi đoạn hầm được định vị xong, cho chất nước tăng tải trọng cho đường hầm để hạ chìm xuống vị trí thiết kế, nối liền đoạn ấy với những đoạn đã lắp trước, xử lý nền móng Cuối cùng phủ đất đá đắp lại

Năm 1993, dưới sông Châu Giang ở Quảng Châu Trung Quốc đã xây dựng đường hầm đầu tiên bằng phương pháp hạ chìm

Ở Việt Nam hầm Thủ Thiêm dài 1490m trong đó có 371m thi công hạ chìm dưới sông Sài Gòn Gồm 4 đốt hầm, mỗi đốt có dạng hộp đôi rộng 33.3m, cao 9m dài khoảng 90m nặng 36.000 tấn

Kĩ thuật thi công đường hầm chủ yếu nghiên cứu giải quyết các phương án và

biện pháp kĩ thuật cần thiết cho các loại phương pháp thi công đường hầm nói trên (như phương án và biện pháp thi công đào, tiến sâu, che chắn, xây vỏ); biện pháp thi công khi đường hầm đi qua các vùng địa chất đặc biệt (như đất trương nở, hang động castơ, đất sụt, cát chảy, tầng đất có khí mêtan…); phương pháp và các phương thức thông gió, chống bụi, phòng khí độc, chiếu sáng, cung cấp điện nước và các phương pháp đo đạc, giám sát, khống chế đối với các thay đổi giới chất của hầm

Quản lý, thi công đường hầm chủ yếu giải quyết thiết kế tổ chức thi công

(như lựa chọn phương án thi công, biện pháp kĩ thuật thi công, bố trí hiện trường, khống chế tiến độ, cung ứng vật liệu, lao động, máy móc…) và một số vấn đề khác như quản lý kĩ thuật, kế hoạch, chất lượng, kinh tế…

1.3.7 Đánh giá và đề xuất phương án

Theo đà phát triển kinh tế, khoa học kĩ thuật của thế kỉ 21 trên toàn thế giới, giao thông vận tải, thủy lợi, thủy điện, các công trình ngầm trong các thành phố lớn đề ra các yêu cầu ngày càng cao, càng phức tạp Khi thi công công trình ngầm qua khu vực địa chất yếu, tùy theo điều kiện địa chất và địa hình cụ thể mà có biện pháp thi công thích hợp như phương pháp hạ dìm (immersed), phương pháp đào hở (cut

and cover method) và phương pháp khiên đào (shield method) Ngoài ra còn có một số phương pháp khác như phương pháp đào moi, phương pháp bán khiên đào (semi-shield)…

Trong phạm vi đề tài này tập trung vào phương pháp khiên đào theo kinh nghiệm được cho là phương pháp phù hợp với địa chất yếu và ứng dụng thi công hầm qua đô thị trong điều kiện có xét đến các công trình lân cận Giải pháp ứng dụng trong thi công hầm trên tiêu chí lựa chọn các chỉ tiêu đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và an toàn cho công trình

1.4 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM GIAO THÔNG ĐÔ THỊ KHU VỰC TP.HCM

1.4.1 Bối cảnh:

Tương tự như những thành phố trung tâm khác ở Đông Nam Á, thành phố Hồ Chí Minh cần có một số giải pháp để đáp ứng sự đi lại của dân cư Với sự gia tăng dân số và mức độ trẻ hóa ngày càng tăng; sự gia tăng nhu cầu đi lại; và sự hạn chế của diện tích đường bộ khi thành phố chỉ có 2.5% diện tích dành cho giao thông và chỉ 12% đường phố đủ bề rộng để đáp ứng cho sự lưu thông của xe buýt [8] Do đó hệ thống mê trô với lộ giới riêng biệt là giải pháp duy nhất để giúp thành phố khỏi mất đi phần quan trọng những di sản bảo tồn văn hóa và những khu nhà đa dụng Ngoài ra cũng góp phần làm giảm tối thiểu sự thiếu hụt mặt đường phố cho lưu thông cá nhân cũng như công cộng Việc xây dựng hệ thống mê trô vào thời điểm này là cần thiết và cấp bách

1.4.2 Đặc điểm công trình ngầm đô thị

Công trình ngầm nói chung đều là công trình phục vụ một mục đích nào đó như giao thông, thủy lợi, cấp thoát nước, Với công trình ngầm qua đô thị có những đặc điểm riêng so với công trình ngầm đi qua khu vực ngoài đô thị Một số vấn đề cần quan tâm khi tính toán cũng như thi công công trình ngầm qua khu vực đô thị như:

Ø Về hướng tuyến :

- Phải phù hợp với quy hoạch của đô thị về hướng tuyến, vị trí nhà ga - Cần xem xét tránh các chướng ngại vật ngầm và cọc của các công trình

bên trên hiện hữu

- Có chiều sâu không quá sâu để đảm bảo độ dốc và vị trí lên xuống của các nhà ga

Ø Về tính toán:

- Ngoài các tải trọng thông thường là áp lực đất đá, tải khai thác, trọng lượng bản thân trong tính toán cần xét đến các tải trọng của các công trình bên trên truyền xuống thông qua đất nền hoặc thông qua cọc của công trình bên trên

- Yêu cầu kỹ thuật về khả năng chịu lực, biến dạng cao hơn so với các khu vực khác ngoài đô thị

Ø Về biện pháp thi công:

- Phải có biện pháp thi công phù hợp không làm ảnh hưởng đến các công trình bên trên

- Nếu thi công theo phương pháp đào mở (cut and cover) thì cũng phải có biện pháp gia cố hoặc chống đỡ mái dốc nền đào không ảnh hưởng đến các công trình lân cận

- Đảm bảo an toàn, vệ sinh, hạn chế không gây ô nhiễm môi trường - Mặt bằng thi công bị hạn chế

Ø Về kinh tế, xã hội:

- Ảnh hưởng đến môi trường xung quanh

- Ảnh hưởng đến đời sống, kinh tế, xã hội của dân cư khu vực lân cận Quá trình đô thị hoá tại Việt Nam phát triển nhanh chóng Theo các số liệu điều tra, hiện tại, dân số trong các thành phố chiếm khoảng 30% tổng số dân cả nước và đến năm 2010 sẽ không dưới 50-60% Tốc độ tăng trưởng GDP của thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2000-2005 là 11%/năm Tốc độ tăng trưởng dân số trung bình là 3,6% Với tốc độ phát triển và gia tăng dân số như vậy thì việc xây

dựng công trình ngầm nhằm thỏa mãn nhu cầu giao thông đô thị phù hợp với sự phát triển của thành phố và là một nhu cầu bức thiết

Khi xây dựng hầm trong điều kiện đô thị cần xem xét giải quyết một số vấn đề sau:

- Xác định chiều sâu đặt hầm hợp lý: Tùy theo địa chất từng khu vực khác

nhau mà tải trọng tác dụng lên công trình ngầm khác nhau Với các chiều sâu đặt hầm khác nhau thì tải trọng tác dụng lên hầm là khác nhau dẫn đến kết cấu vỏ hầm khác nhau Việc tìm ra chiều sâu đặt hầm hợp lý về kỹ thuật và kinh tế là bài toán cần thiết cần được giải quyết

- Xác định ảnh hưởng của các đường hầm lân cận nhau: Khi hệ thống giao

thông ngầm phát triển, việc các đường hầm nằm gần nhau là không thể tránh khỏi Tuy nhiên khi xây dựng đường hầm sau sẽ có thể gây ra ảnh hưởng đến các đường hầm hiện hữu Để khai thác đường hầm hiện hữu và thi công đường hầm mới an toàn thì cần xác định mức độ ảnh hưởng và phạm vi ảnh hưởng do việc xây dựng đường hầm mới gây ra cho các đường hầm hiện hữu như thế nào để có biện pháp phòng ngừa, xử lý phù hợp

- Xác định ảnh hưởng của việc xây dựng đường hầm đến các công trình

trên mặt đất: Tại thành phố Hồ Chí Minh, các công trình xây dựng thấp tầng

và các công trình trước đây được xây dựng trên móng nông hoặc móng có gia cố cừ tràm Khi xây dựng hầm dưới các công trình dạng này có thể gây ảnh hưởng đến chúng Việc xác định ảnh hưởng này rất có ý nghĩa và cần thiết để có biện pháp xử lý đối với các công trình bị ảnh hưởng tránh các tai nạn đáng tiếc có thể xảy ra

Chương 2 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC TP.HCM

2.1 Thống kê số liệu địa chất

Trong khuôn khổ giới hạn thời gian và phạm vi luận văn thạc sĩ, tác giả thu thập các số liệu địa chất của khu vực thành phố Hồ Chí Minh thông qua các báo cáo khảo sát địa chất của một số dự án có số liệu thí nghiệm đầy đủ và có độ tin cậy cao để đưa vào nghiên cứu như :

- Dự án nghiên cứu khả thi mê trô TPHCM do TEWET & Trung tâm Nghiên cứu Phát triển GTVT phía Nam thực hiện nghiên cứu 2 tuyến: [8]

+ Tuyến 1: Tham Lương – Bà Quẹo – CMT8 – Chợ Bến Thành + Tuyến 2: Chợ Bến Thành - Bến xe Miền Tây

- Dự án nghiên cứu khả thi tuyến mê trô Bến Thành – Suối Tiên do Công ty Cổ phần Tư vấn thiết kế GTVT phía Nam (TEDI South) thực hiện [9]

Hình 2.1 Bình đồ tuyến metro Bến Thành – Suối Tiên

- Dự án Đại lộ Đông – Tây

Hình 2.2 Bình đồ tuyến Đại lộ Đông - Tây

Ba dự án trên đã đi qua không đầy đủ nhưng cũng đã bao phủ hầu hết khu vực nội đô và ven đô của thành phố Hồ Chí Minh nên việc sử dụng địa chất của 3 dự án này cũng mang tính tổng quát chấp nhận được ở mức độ luận văn

2.2 Đặc điểm địa chất

Căn cứ vào thống kê số liệu địa chất ở các dự án trên (chi tiết xem Phụ lục

1), địa chất khu vực TPHCM có thể được chia thành 5 tầng khác nhau, kể đến độ

sâu 50-60m:

• Lớp A: sét rất mềm đến mềm và bùn (Holocene)

• Lớp B: sét mềm đến dẻo cứng, á sét và á cát (Pleistocene thượng)

• Lớp C: cát trạng thái chảy đến chặt vừa và cát bùn (Pleistocene thượng)

• Lớp D: sét cứng đến rất cứng, sét và á sét (Pleistocene trung và thượng)

• Lớp E: á cát chặt đến rất chặt, cát bùn và cát trộn lẫn bùn (Pleistocene trung và thượng)

Tại hầu hết các nơi đã khảo sát thì các lớp trầm tích kế tiếp nhau dưới mặt đất của TPHCM được bao phủ bởi một lớp đất mặt phủ hoặc đất mượn dày từ 0,2 – 4m

Lớp D và lớp E là những lớp có khả năng chịu lực tốt nhưng những lớp này không xuất hiện trong độ sâu từ 27-45m dưới mặt đất Chỉ tiêu cụ thể các lớp đất như sau:

Lớp A: Đất sét và á sét từ mềm cho đến rất mềm (Holocene)

Tầng trên của địa tầng địa chất Tp.HCM được cấu tạo bởi một lớp sét béo, sét mịn, có hàm lượng hữu cơ cao, á sét đàn hồi và á sét giàu hữu cơ mềm đến rất mềm, màu xám, bên dưới là các thớ hoặc các lớp mỏng á cát, á cát mịn, cát hạt trung cũng như sỏi lẫn cát và á cát xen lẫn trong các lớp trầm tích

Trần của lớp A được tìm thấy có độ sâu từ 0,2 – 4m dưới mặt đất Chiều dày lớp thay đổi từ 0,2 – 32,4m Bề dày trung bình của lớp A là 8,6m

Bảng 2.1 Đặc tính địa chất công trình của lớp A

Kết quả Đặc tính cơ lý của đất

Tối thiểu Tối đa Trung bình

Hệ số cố kết theo phương đứng, Cv (m2/a) 1.1 4.07 2.26 Thí nghiệm nén 3 trục (CU)

- c’ (MN/m2) 0.06 0.117 0.085 Hệ số thấm, k (cm/s) 2.1 x 10-8 5.66 x 10-8 2.1 x 10-8

Đặc tính cơ bản nhất của lớp A là độ ẩm tự nhiên của nó rất cao (63.4%) và độ dẻo lớn (30,2%) và khả năng bị nén N30 giá trị lấy từ thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) có giá trị từ 0-8 nhưng phổ biến nhất là 0-2 Giá trị hệ số thấm k nhỏ cho thấy lớp A hầu như không thấm

Lóp B: Đất sét dẻo, á sét và á sét từ mềm dến rất cứng (Pleistocene thượng)

- Bên dưới lớp A là lớp B có trạng thái từ mềm cho đến rất cứng hình thành từ sét gầy, sét béo, bùn sét và á cát

- Độ sâu trung bình của trần lớp B là 2,7m dưới mặt đất Bề dày lớp thay đổi từ 1,7–10,2m với bề sâu trung bình là 4,84m

- Giá trị SPT trung bình từ 7-12 búa, giá trị trung bình là 9,4 búa Độ ẩm tự nhiên, độ dẻo, độ nén thấp rõ nét so với lớp A

- Hệ số thấm của lớp B cũng thấp, giá trị tương ứng vào khoảng 10-8cm/s

Bảng 2.2 Đặc tính địa chất công trình của lớp B

Kết quả Đặc tính cơ lý của đất

Tối thiểu Tối đa Trung bình

Giới hạn chảy, WL (%) 19.0 67.0 31.9

Hệ số cố kết theo phương đứng, Cv (m2/a) 8.0 10.3 9.15

Lớp C: Cát có độ chặt từ thấp đến trung bình và cát bùn (Pleistocene thượng)

- Bên dưới lớp B là lớp trầm tích có độ chặt từ thấp đến vừa, màu hơi vàng có thành phần á cát, cát bùn, chủ yếu là cát hạt mịn và hạt trung

- Đỉnh lớp C nằm từ 3,5-33,9m dưới mặt đất Độ sâu trung bình của đỉnh lớp là 9.1m Bề dày lớp cát thay đổi từ 13,2-35,5m, bề dày trung bình là 26,9m

- Giá trị N30 thay đổi từ 2-50 nhưng phổ biến là từ 8-25 búa cho thấy là đất rời rạc đến chặt vừa Giá trị trung bình của N30 là 16,6 búa

- Các lớp cát thuộc lớp C là lớp ngậm nước thứ nhất trong khu vực thành phố Hồ Chí Minh

Bảng 2.3 Đặc tính địa chất công trình của lớp C

Kết quả Đặc tính cơ lý của đất

Tối thiểu Tối đa Trung bình

Thành phần hạt

Lớp D: Sét gầy từ rất cứng cho đến rắn (Pleistocene trung)

- Nằm dưới lớp cát thuộc lớp C là lớp sét gầy và béo từ rất cứng cho đến rắn màu vàng đỏ và xám lốm đốm Ở một vài tầng sét thấy có laterite, cát hạt mịn và hạt trung, túi cát…

- Đỉnh của lớp D ở độ sâu 27,5-44,5m dưới mặt đất, độ sâu trung bình lớp là 33,9m Lớp D có chiều dày từ 2,6-18,8m với độ dày trung bình là 12,6m

- Giá trị N30 thay đổi từ 9 đến trên 50 búa nhưng phổ biến là từ 22-40 búa cho thấy là đất trạng thái rất cứng đến rắn Giá trị trung bình của N30 là 31,1 búa Kết quả thí nghiệm độ thấm cho thấy lớp này về cơ bản là không thấm

Bảng 2.4 Đặc tính địa chất công trình của lớp D

Kết quả Đặc tính cơ lý của đất

Tối thiểu Tối đa Trung bình

Hệ số cố kết theo phương đứng, Cv (m2/a) 2.02 11.8 5.82 Cường độ kháng nén 1 trục, qu (kPa) 51.2 544.2 190.1 Thí nghiệm nén 3 trục (CU)

Lớp E: Cát chặt cho đến rất chặt (Pleistocene trung)

- Bên dưới lớp D là lớp E là một lớp cấu trúc bao gồm chủ yếu từ cát sét hạt mịn cho đến hạt trung, cát bùn, cát có thành phần hạt không đồng nhất trạng thái từ chặt đến rất chặt

- Đỉnh lớp E có độ sâu từ 42 đến 56,8m dưới mặt đất Vì không có lỗ khoan nào gặp đáy lớp E nên ghi nhận chiều dày lớp từ 3,5-17,95m là độ dày tối thiểu

- Giá trị N30 thay đổi từ 11 đến trên 50 búa nhưng phổ biến là từ 29-42 búa cho thấy là đất trạng thái chặt đến rất chặt Giá trị trung bình của N30 là 35,7 búa

Các lớp cát của lớp E là lớp chứa nước thứ 2 trong khu vực thành phố Hồ Chí Minh

Bảng 2.5 Đặc tính địa chất công trình của lớp E

Kết quả Đặc tính cơ lý của đất

Tối thiểu Tối đa Trung bình

2.3 Lựa chọn các thông số đặc trưng dùng tính toán

Qua bản đồ địa hình khu vực Tp.HCM và các số liệu địa chất của khu vực của các dự án trên, có thể nhận thấy TpHCM nằm ở phía Bắc lưu vực sông Mê Kông, nằm trên dải đất bồi Trong đó các quận Tân Bình, quận Gò Vấp, quận 3, quận 10, quận 11, huyện Hoóc Môn nằm trên dải đất cao, địa chất khá tốt (cuội, sỏi, sạn, cát, sét, kaolin) Còn các quận huyện còn lại nằm ở dải đất thấp hơn và địa chất yếu hơn, chủ yếu là cát, sét bột, sét

Hình 2.3 Bản đồ địa chất khu vực Tp.HCM (Nguồn: TEWET)

Với khu vực địa chất tốt hoặc khu vực ngoại thành, việc xây dựng tuyến metro phù hợp nhất là tuyến đi trên mặt đất hoặc tuyến đi trên cao Thống kê các số

liệu thí nghiệm của cả 3 dự án, xem trong Phụ lục 1

Trong phạm vi luận văn, tác giả không nghiên cứu cho tất cả các loại địa chất cho tất cả các bài toán tính toán, tác giả chỉ lựa chọn loại địa chất đặc trưng của khu vực thành phố Hồ Chí Minh để tính toán cho các bài toán Các trường hợp địa chất cụ thể sẽ được nghiên cứu riêng không nằm trong phạm vi luận văn