Môi trường địa chất sẽ bị biến dạng khi đào các hầm trong đất và biểu hiện bằng sự xuất hiện các phễu lún trên bề mặt đất. Các phễu lún này phát triển dọc theo tuyến hầm và cả theo chiểu ngang ở một khoảng cách nào đó ở 2 bên hầm, kéo theo các biến dạng dẫn tới hư hỏng nhà và công trình hiện hữu liền kề với tuyến hầm ở trên và dưới mặt đất. Có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xây dựng phương trình chính xác định lún bề mặt như các nghiên cứu của Peck và Schmidt, Cording và Hansmire, Atkinson và Potts,… Có thể tổng kết về tính lún thẳng đứng theo phương pháp giải tích như sau:
3.1.1.1 Lún thẳng đứng khi đào đường hầm đơn
Hầm được giả thiết đặt ở độ sâu , (Hình 3.1.a), dạng máng lún (phễu lún) trên bề mặt khi đào đường hầm đơn trong đất (Hình 3.1.b)
a) b)
Hình 3.1: a) Đường hầm đơn đào trong đất; b) Hình dạng máng lún trên bề mặt do thi công đường hầm đơn
Phương pháp của Shmidt-Peck (1969) tính toán biến dạng lún bề mặt do xây dựng đường hầm đặt nông trong đất. Độ lún bề mặt (S) trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng, thường được giả định có dạng hàm sai số Gauss hay đường cong phân phối chuẩn (Hình 3.2.a) với điểm lún cực đại nằm ngay trên trục đứng của hầm:
S = exp (3.1)Trong đó: Trong đó:
+ - độ lún bề mặt lớn nhất, ở phía trên trục hầm, thường được xác định thông qua thể tích phễu lún. Giá trị này phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa cơ học của khối đất như độ bền, độ cứng, tính thấm, cao độ nước ngầm, …, các thông số hình học của đường hầm như đường kính đường hầm, độ sâu đặt đường hầm, phương pháp thi công, trình độ kỹ thuật thi công;
+ exp - hàm mũ , với e được lấy gần bằng 2,178 và là cơ số của hầm số logarit tự nhiên; + y - khoảng cách từ tim đường hầm đến điểm cần tính lún;
+ I - độ lệch tiêu chuẩn của đường cong tính lún, là khoảng cách từ điểm uốn của máng lún đến tim đường hầm, còn được gọi là thông số bề rộng máng lún. Có nhiều công thức để xác định giá trị i trong đó chủ yếu là các công thức thu được từ kết quả quan trắc hiện trường. Theo đó, giá trị i phụ thuộc vào kích thước (đường kính) đường hầm, điều kiện địa chất và đặc biệt là độ sâu đặt đường hầm (H).
Độ lún bề mặt lớn nhất được tính như sau:
= (3.2) Trong đó: i - hoành độ của điểm uốn của đường cong phễu lún.
- mất mát thể tích tổng cộng, chính là phần không gian trống giữa biên đào và mép ngoài của vỏ khiên ( khoảng trống có thể lấy bằng 3cm) (Hình 3.2 b)
Thể tích phễu lún có thể tính được theo: = 2,5.i.
Có nhiều công thức để xác định giá trị i trong đó chủ yếu là công thức thu được kết quả quan trắc hiện trường. Theo đó, giá trị i phụ thuộc vào kích thước (đường kính) đường hầm, điều kiện địa chất và đặc biệt là độ sâu đặt đường hầm (). Người ta thường lấy i = (0.30.5)H tùy theo điều kiện đất với H là độ sâu trục hầm; hoặc: i= 0,28. – 0,1 (với đất không có kết) với là chiều sâu của đường tim hầm so với mặt đất.
Thể tích phểu lún quan hệ trực tiếp với thể tích của hầm Vh và tỷ số VL/Vh được gọi là giá trị tổn hao đất dao động trong khoảng (0,5 5)%, thường thấy (1,01,5)%. Giá trị 0,5% có được khi áp dụng công nghệ thi công thích hợp như TBM, giá trị lớn tới 5% hoặc hơn khi thi công bằng phương pháp truyền thống không gia cường trong điều kiện đất yếu. Tổng kết kinh nghiệm thi công công trình ngầm ở Thái Lan cho thấy, lún bề mặt đất đo được trong khoảng (20 60)mm, tương ứng vói tổn thất là (0,43,7)%
a) b)
Hình 3.2: a) Đồ thị mô tả hình dạng máng lún bề mặt khi đào hầm đơn; b) Thể tích mất mát tổng cộng .
3.1.1.2 Lún thẳng đứng khi đào đường hầm tuyến đôi
Lún bề mặt đấy gây ra bởi một xây dựng đường hầm tuyến đôi có thể được dự đoán nhờ sử dụng các phương trình của Peck (1969, O’Reilly & New (1982), nhưng vói một số thay đổi. Lún bề mặt phân bố rông và lớn hơn so với trường hợp một đường hầm duy nhất (Hình 3.3)
Độ lún theo phương đứng (mm)
Hình 3.3: Đường cong lún khi đào hầm tuyến đôi trong đất.
Độ lún bề mặt () khi bố trí các đường hầm tuyến đôi được xác định như sau: = . (3.3) Trong đó: d - khoảng cách theo phương ngang giữa 2 tâm đường hầm – khoảng cách ngang từ tim đường đầu tiên đến điểm cần tính lún.