Nghiên cứu biện pháp phụt vữa cao áp để gia cố xung quanh hầm tại tuyến metro 1 (đoạn nhà hát bason)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA **************** NGÔ THANH HUY NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP PHỤT VỮA CAO ÁP ĐỂ GIA CỐ XUNG QUANH HẦM TẠI TUYẾN METRO (ĐOẠN NHÀ HÁT - BA SON) Chun ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Ngầm Mã số ngành : 60580204 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Cán hướng dẫn: PGS.TS VÕ PHÁN Cán chấm nhận xét 1: GS.TSKH NGUYỄN VĂN THƠ Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS TÔ VĂN LẬN Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 07 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: 1/ Chủ tịch hội đồng : PGS.TS BÙI TRƯỜNG SƠN 2/ Thư ký hội đồng TS LÊ TRỌNG NGHĨA : 3/ Ủy viên phản biện 1: GS.TSKH NGUYỄN VĂN THƠ 4/ Ủy viên phản biện 2: PGS.TS TÔ VĂN LẬN 5/ Ủy viên hội đồng PGS.TS TRẦN TUẤN ANH : CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGÔ THANH HUY MSHV: 1570672 Ngày, tháng, năm sinh: 15/09/1991 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây Dựng Cơng Trình Ngầm Mã số: 60580204 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP PHỤT VỮA CAO ÁP ĐỂ GIA CỐ XUNG QUANH HẦM TẠI TUYẾN METRO (ĐOẠN NHÀ HÁT – BA SON) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Nghiên cứu biện pháp Jet-grouting để gia cố xung quanh hầm đoạn Nhà Hát – Ba Son Sử dụng Plaxis 2D mô ứng xử đất quanh hầm, chuyển vị mặt đất… gia cố khơng gia cố để đánh giá vai trị biện pháp gia cố Tiến hành tối ưu hóa tốn lựa chọn biện pháp gia cố xung quanh hầm dựa kết nghiên cứu III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ……./……/……… IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ……./……/……… V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS VÕ PHÁN Tp HCM, ngày…… tháng…… năm 20…… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIIỆM BỘ MÔN PGS.TS VÕ PHÁN PGS.TS LÊ BÁ VINH TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG LỜI CẢM ƠN “Con người phải suốt đời trau dồi cho có kiến thức ngày rộng thêm.” ( Theo A LU-NA-SÁC-XKI ) Khơng nằm ngồi mục đích giai đoạn làm Luận văn - giai đoạn quan trọng nhằm củng cố kiến thức sau những tháng ngày học tập ghế nhà trường Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Võ Phán tận tình hướng dẫn động viên em suốt trình thực Với hỗ trợ lớn từ bắt đầu em có những định hướng rõ ràng để hồn thành tốt Luận văn Bên cạnh đó, em xin chân thành cảm ơn Thầy (Cô) môn Địa Cơ-Nền Móng nói riêng khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, trường Đại học Bách Khoa TP HCM nói chung Trong năm học tập trường, thầy cô trang bị cho em những kiến thức, kỹ quý báu động lực để thực Luận văn Đó chính hành trang tốt tảng vững để bước vào đường nghiệp nhiều thử thách Bản thân cố gắng nghiên cứu hoàn thiện Luận văn nhiên với kiến thức luận văn khơng tránh khỏi số thiếu sót Em kính mong nhận đóng góp ý kiến từ phía thầy bạn để Luận văn em hoàn thiện kết nghiên cứu ứng dụng thực tế Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! Tp.HCM, ngày 18 tháng 06 năm 2018 Học viên thực Ngơ Thanh Huy TĨM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP PHỤT VỮA CAO ÁP ĐỂ GIA CỐ XUNG QUANH HẦM TẠI TUYẾN METRO (ĐOẠN NHÀ HÁT - BA SON) TĨM TẮT: Cơng nghệ Jet - Grouting ngày sử dụng phổ biến giới công tác gia cố xử lý đất yếu Ở Việt Nam, vữa cao áp nghiên cứu áp dụng vài năm gần Trong nghiên cứu này, công nghệ vữa cao áp sử dụng để gia cố đất xung quanh tuyến Metro 1, đoạn Nhà Hát – Ba Son Mục đích việc gia cố nhằm giảm độ lún bề mặt q trình thi cơng hầm Metro số bằng máy khiên đào (TBM) Các công thức kinh nghiệm sử dụng để đánh giá độ lún bề mặt Kết tính lún bằng công thức so sánh với kết tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn Mối quan hệ giữa đặc trưng đất trộn xi măng bằng công nghệ vữa cao áp: modul đàn hồi E, bề dày δ độ lún bề mặt thiết lập dựa kết tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn Từ khóa: Phụt vữa cao áp, hầm, lún bề mặt, gia cố nền, máy khiên đào (TBM) ABSTRACT RESEARCH ON JET-GROUTING METHOD TO SOIL STABILIZATION AROUND TUNNEL OF THE METRO LINE (NHA HAT TO BA SON) ABSTRACT: Jet - Grouting is widely used nowadays in over the world as an effective technology for soil improvement In Vietnam, this technology has just been studied and used recent years In this research, Jet- Grouting is used to stabilize the soil around a tunnel of Metro line 1, section from Nha Hat to Ba Son The purpose of using Jet - Grouting is to reduce the surface settlement due to tunneling with Tunnel boring machine -TBM The surface settlement calculated by impirical equations are compared with that of finite element method - FEM As a result, the relationship between the soilcrete properties including modulus E and δ thickness from Jet Grouting and the surface settlement is proposed by using FEM analysis Keywords: Jet - Grouting, tunnel, surface settlement, ground reinforcement, TBM LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công việc tơi thực hướng dẫn Thầy PGS.TS.Võ Phán Các kết Luận văn thật chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm công việc thực TpHCM, ngày 18 tháng 06 năm 2018 Học viên thực Ngô Thanh Huy MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Giới hạn phạm vi nghiên cứu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHỤT VỮA CAO ÁP KHI XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM 1.1 Mục đích công nghệ vữa cao áp.[1] 1.2 Tổng quan công nghệ Jet-grouting 1.2.1 Lịch sử phát triển.[2][3] 1.2.2 Nguyên lý hoạt động:[3][4][5][6][14] 1.2.3 Ưu, nhược điểm phương pháp Jet-grouting.[3][14] 12 1.2.4 Các cách bố trí cọc Jet-grouting 14 1.3 Một số phương pháp gia cố khác cơng trình ngầm [7][8] 16 1.3.1 Silicát hóa 16 1.3.2 Nhựa hóa 16 1.3.3 Sét hóa 17 1.3.4 Phương pháp đóng băng nhân tạo 17 i 1.3.5 Phương pháp gia cố tạm thời tuyến đào sử dụng màng chắn bằng ống 18 1.4 Nhận xét 19 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CHUYỂN VỊ MẶT ĐẤT KHI THI CƠNG HẦM BẰNG MÁY ĐÀO TBM 20 2.1 Chuyển vị - biến dạng mặt đất thi công bằng máy TBM (Tunnel Boring Machine) 20 2.1.1 Vấn đề lún bề mặt thi công bằng máy TBM.[3] 20 2.1.2 Nguyên nhân gây biến dạng [9] 21 2.2 Lý thuyết tính lún bề mặt [3][9][10][11] 25 2.2.1 Lún thẳng đứng theo phương vng góc với CTN 25 2.2.2 Lún dọc trục hầm 30 2.3 Nhận xét 31 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CHUYỂN VỊ MẶT ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (FINITE ELEMENTS METHOD-FEM) 32 3.1 Tổng quát 32 3.2 Phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis 2D 33 3.2.1 Mơ hình Mohr – Coulomb [12][13] 33 3.2.2 Mơ hình Hardening Soil [12][13] 38 3.3 Nhận xét 44 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ BIỆN PHÁP JET-GROUTING ĐỂ GIA CỐ XUNG QUANH HẦM TẠI TUYẾN METRO (ĐOẠN NHÀ HÁT – BA SON) 45 4.1 Giới thiệu cơng trình [1][14][15] 45 4.2 Giới thiệu địa chất thơng số dùng tính tốn 47 4.2.1 Địa chất khu vực nghiên cứu 47 ii 4.2.2 Thơng số tính tốn:[1] 49 4.3 Tính tốn chuyển vị mặt đất bằng giải tích.[3] 52 4.3.1 Tính toán độ lún bề mặt theo Herzog (1985) 52 4.3.2 Tính toán độ lún bề mặt theo O’ Reilly New (1991) 52 4.4 Mô trường hợp gia cố không gia cố xung quanh cơng trình ngầm bằng phần mềm Plaxis 54 4.4.1 Trường hợp không gia cố 57 4.4.2 4.5 Trường hợp gia cố : 58 Kết tính tốn 60 4.5.1 Trường hợp không gia cố 60 4.5.2 Trường hợp gia cố 63 4.6 Nhận xét: 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC LÝ LỊCH TRÍCH NGANG iii Tại vị trí điểm B ( gần vị trí nhà hát thành phố): Độ lún mặt đất S(mm) 120MPa 140MPa 160MPa 180MPa 200MPa 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 2.7 Chiều dày tường (m) 3.0 3.5 Hình 4.22 Biểu đồ quan hệ E - S -  điểm B (VL = 1%) 1.8 1.6 1.4 Độ lún mặt đất S(mm) - 1.2 120MPa 1.0 140MPa 0.8 160MPa 0.6 180MPa 0.4 200MPa 0.2 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 2.7 Chiều dày tường (m) 3.0 3.5 Hình 4.23: Biểu đồ quan hệ E - S -  điểm B (VL = 0.5%) 69 Bảng 4.16 - Bảng tổng hợp độ lún lớn S(mm) điểm B (VL = 1%) Modul E (MPa) 120 140 160 180 200 0,5 8,47 8,35 8,41 8,12 8,02 1,0 7,94 7,75 7,58 7,40 7,32 1,5 7,47 7,41 7,35 7,13 6,73 2,0 7,12 6,82 6,63 6,32 6,17 2,5 6,81 6,47 6,20 5,93 5,70 2,7 6,65 6,21 5,89 5,81 5,58 3,0 6,54 6,20 5,90 5,63 5,40 3,5 6,18 5,84 5,56 5,37 5,09 Chiều dày tường (m) Bảng 4.17- Bảng tổng hợp độ lún lớn S(mm) điểm B (VL = 0,5%) Modul E (MPa) 120 140 160 180 200 0,5 1,61 1,54 1,47 1,41 1,36 1,0 1,39 1,29 1,18 1,11 1,03 1,5 1,20 1,11 0,99 0,93 0,84 2,0 1,09 0,95 0,84 0,73 0,64 2,5 0,97 0,82 0,70 0,59 0,49 2,7 0,94 0,79 0,66 0,55 0,45 3,0 0,89 0,74 0,61 0,49 0,39 3,5 0,81 0,47 0,38 0,26 0,16 Chiều dày tường (m) 70 Tại vị trí điểm C (ngoài phạm vi 3i): 1.17 Độ lún mặt đất S(mm) - 1.15 120MPa 140MPa 1.13 160MPa 180MPa 1.11 200MPa 1.09 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 2.7 Chiều dày tường (m) 3.0 3.5 Hình 4.24: Biểu đồ quan hệ E - S -  điểm C (VL = 0.5%) Bảng 4.18 -Bảng tổng hợp độ lún lớn S(mm) điểm C (VL = 0.5%) Modul E (MPa) 120 140 160 180 200 0,5 1,16 1,16 1,15 1,15 1,14 1,0 1,15 1,15 1,14 1,14 1,13 1,5 1,15 1,14 1,13 1,13 1,12 2,0 1,15 1,14 1,13 1,12 1,12 2,5 1,14 1,14 1,13 1,12 1,11 2,7 1,13 1,13 1,12 1,12 1,11 3,0 1,13 1,13 1,12 1,11 1,10 3,5 1,12 1,12 1,11 1,11 1,10 Chiều dày tường (m) 71 Độ lún mặt đất S(mm) 2.04 2.02 120MPa 2.00 140MPa 1.98 160MPa 180MPa 1.96 200MPa 1.94 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 2.7 Chiều dày tường (m) 3.0 3.5 Hình 4.25: Biểu đồ quan hệ E - S -  điểm C (VL = 1%) Bảng 4.19 - Bảng tổng hợp độ lún lớn S(mm) điểm B (VL = 1%) Modul E (MPa) 120 140 160 180 200 0,5 2,04 2,03 2,02 2,01 2,00 1,0 2,03 2,02 2,01 2,00 1,99 1,5 2,02 2,01 2,00 1,99 1,99 2,0 2,01 2,00 1,99 1,98 1,98 2,5 2,00 1,99 1,99 1,98 1,97 2,7 1,99 1,99 1,98 1,97 1,96 3,0 1,99 1,98 1,98 1,96 1,95 3,5 1,98 1,98 1,97 1,96 1,95 Chiều dày tường (m) 4.6 Nhận xét: - Khi VL = 1%: Điểm A (trùng với tim hầm): + Độ lún lớn mặt đất giảm dần đến đạt độ lún yêu đầu (Smax < 10mm) thơng số Modul đàn hồi E = [120 ÷ 200] MPa 72 + Hiệu giảm lún đạt đến 34.63% (E=120Mpa, δ=2.7m); 46,12% (E=200Mpa, δ=2.7m); 39,19% (E=120Mpa, δ=3.0m); 49,63% (E=200Mpa, δ=3,0m) Điểm B ( Vị trí gần nhà hát): + Độ lún lớn giảm dần khoảng [8,47 ÷ 5,09] mm đạt yêu đầu độ lún (Smax < 10mm) tăng thơng số Modul đàn hồi E = [120÷200] MPa + Độ lún vị trí giảm đáng kể tăng Modul đàn hồi đồng thời tăng bề rộng tường cọc XM - Đ Điểm C (khoảng cách xa tim hầm >3i): + Độ lún lớn giảm dần khoảng [2,04 ÷ 1,95] mm đạt yêu đầu độ lún (Smax < 10mm) tăng thông số Modul đàn hồi E = [120÷200] MPa - Khi VL = 0.5%: Điểm A (trùng với tim hầm):): + Độ lún lớn giảm dần khoảng [4,12 ÷ 0,40] mm đạt yêu đầu độ lún (Smax < 10 mm) thơng số Modul đàn hồi E = [120÷200] MPa đồng thời tăng chiều dày tường cọc 0.5-3.5m Điểm B (Vị trí gần nhà hát):): + Độ lún lớn giảm dần khoảng [1,61÷0,16] mm đạt yêu đầu độ lún (Smax < 10mm) tăng thông số Modul đàn hồi E = [120÷200] MPa Điểm C (khoảng cách xa tim hầm >3i): + Độ lún lớn giảm dần khoảng [1,16 ÷ 1,11] mm đạt yêu đầu độ lún (Smax < 10mm) tăng thông số Modul đàn hồi E = [120÷200] MPa - Từ kết nghiên cứu tính tốn quan trắc thực tế trường, tác giả nhận thấy sử dụng công nghệ Jet-Grouting để giảm thiểu độ lún bề mặt đất khu vực Nhà hát thành phố phù hợp đảm bảo độ lún cho phép 10 mm: + Tại điểm A, với E = 180MPa δ =2,7 m có độ lún 9,65 mm lớn độ lún quan trắc 7,6mm (Báo cáo quan trắc – BQL ĐSĐT – 6/2016) + Tại điểm B, với E = 180Mpa δ =2,7 m có S 5,58 mm xấp xỉ độ lún quan trắc 5,6mm (Báo cáo quan trắc – BQL ĐSĐT – 6/2016) 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I/ Kết luận: Độ lún bề mặt phụ thuộc công nghệ đào hầm việc kiểm sốt q trình vận hành máy đào lúc thi công mà cụ thể giá trị mát thể tích VL (%) Phương pháp gia cố Jet-Grouting phù hợp với địa chất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh nhằm giảm độ lún bề mặt, sử dụng phương pháp ta nhận thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa Modul E, bề dày tường δ với độ lún bề mặt Độ lún lớn không nằm bề mặt đất mà nằm xung quanh kết cấu vỏ hầm giá trị biến dạng bề mặt hầm (chiều sâu đặt hầm nhỏ hơn) ln lớn trường hợp hầm bên (có chiều sâu đặt hầm lớn hơn) giá trị VL (%) Kết tính tốn bằng phương pháp FEM cho kết nhỏ phương pháp gần với kết tính theo cơng thức Herzog (1985) tính theo công thức O’Reilly (1991) So với trường hợp sử dụng ống thép tạo thành khung vòm xung quanh kết cấu hầm Tan & Ranjith với modul đàn hồi thép lấy bằng 70 GPa, hiệu giảm lún đạt đến 50% dạng khung chữ nhật khoảng 40% cho trường hợp sử dụng vịm hình móng ngựa phù hợp với kết nghiên cứu 3050% (phụ thuộc modun E độ dày δ) Với giá trị mát thể tích VL = 0,5%: độ lún lớn vị trí thỏa mãn tất trường hợp đưa Tuy nhiên, để đảm bảo VL = 0,5% khó khăn q trình vận hành máy đào - Với giá trị mát thể tích VL = 1%: + Tại điểm A, với giá trị E nằm khoảng [120 ÷ 140] MPa chiều dày tường cần thiết  = 3,5 m lúc độ lún bề mặt đất lớn có giá trị 9,98 mm 9,49 mm (