Tính toán và phương pháp thi công đường hầm giao thông thích hợp với điều kiện địa chất khu vực TP.HCM

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN 1. NHIỆM VỤ

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

TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM, CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH

• CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM
• Một số lưu ý

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. 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.

Các đặc tính cơ bản của đất

Cũng giống như các vật liệu khác đất đá có đặc điểm là khi chịu lực sẽ xảy ra hiện tượng biến dạng tăng dần theo thời gian mặc dù ứng suất không thay đổi, hiện tượng này gọi là hiện tượng từ biến, là nguyên nhân làm cho áp lực địa tầng tác dụng lên công trình sẽ thay đổi. Thi công đường hầm trong đô thị khu vực thành phố Hồ Chí Minh thường không thể tránh khỏi thi công trên nền đất yếu, địa chất thường gặp là các loại đất sét, á sét, đất cát, á cát, đôi khi gặp bùn lỏng, trạng thái đất có thể chảy, địa tầng thường bão hoà nước.

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

Chúng ở trạng thái cứng khi khô, không bị rời rạc, khi ở trạng thái ẩm ướt bị biến dạng. Khi hút nước các loại đất sét liên kết giữa các hạt sẽ yếu đi chuyển từ trạng thái cứng sang dẻo tiếp theo là trạng thái chảy [3]. Một trong những đặc điểm quan trọng của đất yếu là tính dẻo. Yếu tố chủ yếu chi phối độ dẻo là thành phần khoáng vật của nhóm hạt kích thước nhỏ hơn 0,002mm và hoạt tính của chúng đối với nước. Tính chất lưu biến cũng là một tính chất quan trọng của đất sét yếu. Đất sét có tính từ biến và có khả năng thay đổi độ bền khi chịu tác dụng lâu dài của tải trọng. Dưới tác dụng của tải trọng lâu dài sẽ làm thay đổi trạng thái ứng suất trong nền đất do đó thời gian thi công hầm cần phải khống chế chặt chẽ. Trong thi công hầm cũng thường gặp đất yếu dạng bùn hay cát chảy. Với cát ở trạng thái tự nhiên có thể có cường độ và khả năng chịu lực tương đối cao nhưng khi bị phá hoại kết cấu và làm rời rạc thì không còn tính chất đó nữa và chuyển sang trạng thái chảy. Do đó trong quá trình thi công hầm cần nghiên cứu kỹ, xác định chính xác nguyên nhân phát sinh phát triển của hiện tượng cát chảy để có các biện pháp xử lý thích hợp. Khảo sát địa chất thuỷ văn không những để xác định giá thành xây dựng công trình mà nó còn có thể ảnh hưởng lâu dài đến các vấn đề khai thác duy tu bảo dưỡng thường xuyên công trình hầm, như trường hợp nước ngầm thấm rỉ vào công trình. Do đó việc khảo sát tỉ mỉ ngay từ đầu phải được tiến hành và sẽ đem lại tiết kiệm rất lớn cho công trình. Công tác khảo sát địa chất thuỷ văn để xây dựng công trình ngầm rất phức tạp và tốn kém, cần phải được quan tâm thích đáng. Kết quả điều tra khảo sát phải đạt được những nội dung chủ yếu sau đây:. 1) Cấu tạo địa tầng, tình hình phân lớp và thành phần các lớp, thuyết minh tỉ mỉ về những đoạn có cấu tạo bất lợi và khả năng về áp lực địa tầng. 2) Xác định và phân tích các tính chất cơ lý của đất đá, độ kiên cố, tình hình phong hoá. 3) Tình hình nước ngầm (nguồn gốc, trữ lượng, thành phần hoá học và sự ảnh hưởng đến kết cấu vỏ, tốc độ nước chảy, dự kiến lượng nước có thể chảy vào hang đào, ảnh hưởng đến quá trình thi công.. 4) Tình hình nhiệt độ trong lòng đất. 5) Tình hình các loại hơi độc, hơi cháy. 6) Các hiện tượng địa chất khác có thể ảnh hưởng đến công trình ngầm như hiện tượng cát chảy, xói ngầm, hang động, đá mồ côi, túi nước.

Áp lực địa tầng lên công trình ngầm

Khảo sát địa chất thuỷ văn không những để xác định giá thành xây dựng công trình mà nó còn có thể ảnh hưởng lâu dài đến các vấn đề khai thác duy tu bảo dưỡng thường xuyên công trình hầm, như trường hợp nước ngầm thấm rỉ vào công trình. Do đó việc khảo sát tỉ mỉ ngay từ đầu phải được tiến hành và sẽ đem lại tiết kiệm rất lớn cho công trình. Công tác khảo sát địa chất thuỷ văn để xây dựng công trình ngầm rất phức tạp và tốn kém, cần phải được quan tâm thích đáng. Kết quả điều tra khảo sát phải đạt được những nội dung chủ yếu sau đây:. 1) Cấu tạo địa tầng, tình hình phân lớp và thành phần các lớp, thuyết minh tỉ mỉ về những đoạn có cấu tạo bất lợi và khả năng về áp lực địa tầng. 2) Xác định và phân tích các tính chất cơ lý của đất đá, độ kiên cố, tình hình phong hoá. 3) Tình hình nước ngầm (nguồn gốc, trữ lượng, thành phần hoá học và sự ảnh hưởng đến kết cấu vỏ, tốc độ nước chảy, dự kiến lượng nước có thể chảy vào hang đào, ảnh hưởng đến quá trình thi công.. 4) Tình hình nhiệt độ trong lòng đất. 5) Tình hình các loại hơi độc, hơi cháy. 6) Các hiện tượng địa chất khác có thể ảnh hưởng đến công trình ngầm như hiện tượng cát chảy, xói ngầm, hang động, đá mồ côi, túi nước. Đó là một vấn đề hết sức phức tạp vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố khó xác định như tình hình đất đá, độ cứng của công trình, hình dáng và kích thước của đường hầm, phương pháp thi công, thời gian thi công lớp vỏ hầm, ảnh hưởng của các công trình lân cận.., cho đến nay vẫn chưa có lý luận chặt chẽ và chính xác để xác định áp lực địa tầng.

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

Để đảm bảo kết quả tin cậy hơn, song song với việc xác định áp lực địa tầng bằng lý luận, người ta cũng tiến hành nghiên cứu bằng thực nghiệm như trực tiếp đo áp lực tác dụng lên vì chống trong quá trình thi công hoặc tiến hành thí nghiệm mô hình trong các phòng thí nghiệm. Giả thiết thứ hai: sau khi đào hầm phía trên hầm sẽ hình thành một vòm cân bằng (vòm áp lực), vòm này có khả năng chịu toàn bộ áp lực đất đá phía trên nó, vì thế áp lực tác dụng lên công trình chỉ do trọng lượng phần đất đá bị phá hoại phía dưới vòm cân bằng.

Tải trọng tác dụng lên đường hầm

Nắm được các đặc tính cơ bản của địa chất, thủy văn của khu vực xây dựng hầm để từ đó xác định chính xác áp lực địa tầng tác dụng lên công trình ngầm là rất quan trọng. Ngoài ra, việc xác định các tổ hợp tải trọng cũng có ý nghĩa quan trọng trong việc tính toán kết cấu vỏ hầm đảm bảo công trình ổn định và an toàn cả trong quá trình thi công và khai thác.

Các phương pháp lực [1,2]

Phương pháp thay thế bằng hệ thanh theo đề xuất của tập thể các kỹ sư Viện thiết kế đường tàu điện ngầm Maxcơva (1936) Botrov, Gorelie, Materi,..Trên cơ sở giả thiết trước vùng phát sinh lực kháng đàn hồi, thay thế vỏ hầm bằng nhiều đoạn thanh thẳng có độ cứng không đổi và tính kết cấu theo phương pháp lực. Chuyển vị của các điểm trên chu vi hang được biểu diễn dưới tác dụng của lực đơn vị ở một điểm khác cũng trên chu vi hang, được biểu diễn dưới dạng chuỗi lượng giác và xây dựng thành biểu đồ chuyển vị đơn vị dùng cho tính toán vỏ hầm dạng tròn.

Các phương pháp biến dạng [1, 2]

Xác định trạng thái ứng suất trong mặt phẳng có trọng lượng bị giảm yếu bởi một hay nhiều lỗ tròn (hoặc lỗ vuông) có chống; và xác định trạng thái ứng suất trong một nửa mặt phẳng có trọng lượng bị giảm yếu bởi lỗ tròn có chống để vận dụng cho các công trình đặt nông. Giả thiết vòng chịu áp lực chủ động bất kỳ và hình thành hai khu vực: khu vực không hình thành lực kháng đàn hồi đã biết ứng suất pháp tuyến và tiếp tuyến; và khu vực biết điều kiện cùng chuyển vị theo phương bán kính của vỏ hầm và môi trường rỗng bởi lỗ có chu vi nằm ngoài vỏ hầm.

Phương pháp phần tử hữu hạn [5, 6]

Để mô tả mối quan hệ giữa chuyển vị (hay ứng suất) trong một phần tử với chuyển vị (hay ứng suất) tại các điểm nút người ta phải chọn một hàm xấp xỉ hay hàm chuyển vị phải thoả mãn điều kiện liên tục trên các điểm nút hoặc các đường biên của các phần tử kế tiếp nhau. Ngoài các mô hình nền đã nêu ở trên, còn có một số mô hình nền đã được nghiên cứu như : mô hình nền Cam clay, Cam clay cải tiến; mô hình mũ; mô hình lưu biến; mô hình cứng hoá biến dạng đàn hồi dẻo mới dựa trên cơ sở Mohr- Coulomb không kể tới hiệu ứng dòng; mô hình cứng hoá động; mô hình Duncan- Chang v.v… Mỗi mô hình có những đặc điểm riêng và phù hợp với những loại môi trường đất đá khác nhau.

Phương pháp phần tử rời rạc [11]

Tức là thực hiện quá trình đồng nhất hoá: sau khi chạy chương trình sẽ thu được các chuyển vị, góc xoay lực tương tác của từng phần tử riêng rẽ, tổng hợp các kết quả này sẽ được ứng xử tổng thể của đối tượng, vật thể xét đến là tập hợp của các phần tử rời rạc. Trên thế giới phương pháp này đã được bắt đầu nghiên cứu từ những năm 1980 xuất phát từ ý tưởng của Cundall và Strack, phương pháp này tiếp tục được phát triển và sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm tại Mĩ, Pháp, Nhật.

Các phương pháp tính toán thiết kế đường hầm phù hợp đối với địa chất mềm yếu

- Mô hình hóa các liên kết: xác định các điểm tiếp xúc, tính chất tiếp xúc, công thức lực tiếp xúc,… Đây là bước rất quan trọng quyết định đến thời gian tính toán của chương trình. - Định vị: Xác định các quy luật chuyển động và biến dạng của các phần tử cũng như các quy luật phân bố của lực tiếp xúc tương tác giữa chúng. Trong một chương trình D.E.M phần lớn thời gian tính toán nằm ở bước này. - Đồng nhất hoá: Trong các bước trên các tính toán thực hiện ở thang tỉ lệ vi cấu trúc, bước cuối cùng của D.E.M sẽ thực hiện chuyển đối từ thang vi cấu trúc sang thang đo vĩ mô thông thường. Tức là thực hiện quá trình đồng nhất hoá: sau khi chạy chương trình sẽ thu được các chuyển vị, góc xoay lực tương tác của từng phần tử riêng rẽ, tổng hợp các kết quả này sẽ được ứng xử tổng thể của đối tượng, vật thể xét đến là tập hợp của các phần tử rời rạc. Trên thế giới phương pháp này đã được bắt đầu nghiên cứu từ những năm 1980 xuất phát từ ý tưởng của Cundall và Strack, phương pháp này tiếp tục được phát triển và sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm tại Mĩ, Pháp, Nhật.. 4.5 Các phương pháp tính toán thiết kế đường hầm phù hợp đối với. Để tính vỏ hầm, chủ yếu là vỏ lắp ghép, các kỹ sư của Viện thiết kế xe điện ngầm Matxcova B.P Bodrov và B.Ph.Materi năm 1936 đã đề nghị phương pháp. “Metroghifrotranx” còn gọi là phương pháp thay thế hệ thanh sẽ khắc phục được các nhược điểm là một số phương pháp lực chỉ phù hợp cho một số kết cấu cụ thể chịu tải trọng chủ động phân bố theo quy luật nhất định và trong điều kiện môi trường đồng nhất. Dựa vào các giả thiết sau để thiết lập sơ đồ tính toán:. 1) Vỏ có dạng cong trơn được thay bằng dạng gãy khúc (thường thay bằng dạng đa giác có các cạnh bằng nhau). 2) Sự thay đổi liên tục của độ cứng vỏ được thay bằng dạng bậc thang tức là trong phạm vi của một cạnh của đa giác độ cứng xem như không đổi. 3) Tải trọng chủ động có dạng phân bố được quy về tải trọng tập trung tác dụng tại các đỉnh của đa giác;. 4) Môi trường xung quanh là đàn hồi liên tục được thay bằng các gối đàn hồi đặt ở các đỉnh của đa giác thay thế và vuông góc với mặt ngoài vỏ hầm (nếu bỏ qua lực ma sát) hoặc nghiêng đi một góc tương ứng với góc ma sát giữa vỏ hầm và địa tầng (nếu có xét đến lực ma sát). Kết cấu vỏ hầm dạng tròn có cấu tạo đơn giản phù hợp với thi công cơ giới hoá, bên cạnh đó về phương diện chịu lực là kết cấu phù hợp cho địa tầng yếu, trong tương lai việc sử dụng kết cấu vỏ hầm dạng tròn để thi công các công trình hầm xây dựng trên nền đất yếu sẽ được ưa chuộng và phát huy tốt các đặc điểm nổi bật so với các dạng vỏ hầm khác.

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

• Biện pháp thi công hầm bằng phương pháp khiên đào

Đối với loại địa tầng đất pha cát có tính tự đứng kém, cần cố gắng sử dụng loại khiên kiểu bọc kín để thi công, nếu là tầng đất pha cát có nước ngầm khá dồi dào và có tính thấm nước tốt thì nên ưu tiên xét đến việc sử dụng khiên dung dịch vữa, đối với đất sét thì có thể ưu tiên xét đến khiên cân bằng áp lực đất, địa tầng cuội sỏi và đá mềm,. Thông qua việc khống chế tốc độ vòng quay vít vô tận của máy vận chuyển đường ống để khống chế lượng đất chảy ra của thùng chứa đất làm cho đất đã cải thiện trong thùng giữ được áp lực nhất định, giữ được động thái cân bằng của áp lực đất ở bề mặt đào, đạt được mục đích khống chế độ lún ở mặt đất.

MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG ĐIỀU KIỆN

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

Mô hình bài toán trong Plaxis bằng cách xây dựng 2 đường hầm, thời gian xây dựng cách nhau 1000 ngày (khoảng 3 năm), đường hầm thứ 2 được xây dựng song song so với đường hầm thứ nhất và có vị trí thay đổi so với đường hầm hiện hữu theo 2 phương ngang và đứng với các khoảng cách tim hầm khác nhau. Tuy nhiên, việc xây dựng đường hầm càng sâu thì càng tốn kém do áp lực lên đường hầm thứ 2 lớn hơn thì vỏ hầm phải dày hơn, phải xây dựng các giếng đứng sâu hơn, nhà ga đặt sâu hơn,… Kiến nghị khoảng cách đứng h giữa tim 2 đường hầm nên nằm trong khoảng 15-20m là hợp lý cả về kỹ thuật và kinh tế.