CHƯƠNG III: THIẾT KẾ KỸ THUẬT
3.6. TÍNH TOÁN LÚN MẶT ĐẤT DO HOẠT ĐỘNG ĐÀO NGẦM 1. Khái quát
Mọi việc đào dưới ngầm đều gây ra chuyển dịch đất. Nói cách khác, chuyển dịch đất là một kết quả không thể tránh khỏi của việc xây dựng một đường hầm. Đặc biệt, những chuyển dịch này biểu hiện rừ nhất thành sự biến dạng lỳn mặt đất.
Thể tích đào đất phụ thêm lớn hơn so với thể tích khoảng trống cần thiết để cho hầm chiếm chổ được gọi là "hao hụt thể tích nền đất" hay "mất mát đất". Nó thường được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm của diện tích thiết diện đào hầm (VL). Một phần của lượng mất mát về đất xung quanh hang hầm này sẽ phát triển lên đến bề mặt, gây ra máng lún (thể tích máng lún trên đơn vị chiều dài theo hướng trục hầm gọi là VS).
Lượng mất mát thể tích đất quanh hang hầm VL sẽ gần tương đương với thể tích thực của máng lún trên bề mặt VS trong đa số điều kiện địa chất. Nếu đáp ứng biến đổi của đất trong quá trình đào là theo một thể tích không đổi (ví dụ, điều kiện không thoát nước), thì mối quan hệ nói trên sẽ là chính xác. Giả thuyết này sẽ được nghiệm đúng đặc biệt khi nền đất là có tính sét và lớp đất phủ trên nóc hầm là mỏng. Nếu không, mối quan hệ giữa chuyển dịch đất tại nóc hầm (Unóc) và độ lún tại bề mặt phía trên tim hầm (Smax) có thể sẽ khác đi.
Độ lớn của hao hụt thể tích đất nền VL phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau:
− Loại đất;
− Phương pháp thi công hầm;
− Tốc độ đào tiến hầm;
− Kích thước hầm;
− Hình thức chống đỡ tạm và chống đỡ ban đầu.
Trước khi có thể dự báo được độ lớn của biến dạng đất, thì cần phải ước lượng giá trị hao hụt thể tích đất dự kiến. Ước lượng này sẽ được dựa trên các trường hợp thi công thực tế (số liệu của các công trình đã biết), và phải có một đánh giá phân tích về kỹ thuật có tính đến phương pháp thi công hầm đề xuất và các điều kiện hiện trường. Có hai
phương pháp tính toán lún mặt đất: (1) phương pháp bán kinh nghiệm đã được chứng minh tốt qua ứng dụng thực tế, dựa trên các công thức kinh nghiệm được rút ra từ các kết quả quan trắc tại các công trình cũ; và (2) phương pháp số, mà chủ yếu là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), là phương pháp khá phổ biến hiện nay [5].
3.6.2. Các cách tiếp cận về kiểm soát lún
Sự có mặt của một công trình trên mặt đất thường làm thay đổi biên dạng lún, do bởi sự tương tác giữa đất nền và kết cấu. Nếu các lượng lún không đều (lún lệch) là đủ lớn thì chúng có thể làm hư hại công trình.
Sau đây là trình tự xem xét thực thi để giảm thiểu biến dạng lún gây ảnh hưởng cho công trình phía trên hầm:
− Tính toán/dự báo biến dạng lún;
− Theo dừi quan trắc;
− Các công tác bảo vệ phòng ngừa;
− Các khảo sát hiện trạng/hư hại công trình cũ; và Các biện pháp sửa chữa công trình cũ.
Lún mặt đất gây bởi đào hầm có thể được giảm nhẹ và kiểm soát bằng cách áp dụng các
biện pháp bảo vệ sau đây:
+ Kỹ thuật thi công hầm tốt (bao gồm: làm việc liên tục, lắp dựng vỏ hầm ngay sau khi đào đất, và kiểm soát chặt chẽ quá trình thi công hầm nhằm giảm độ lớn của lún);
+ Các biện pháp từ gốc (bao gồm mọi hoạt động thực hiện từ bên trong lòng hầm trong quá trình thi công nhằm giảm độ lớn của chuyển dịch đất phát sinh tại nguồn, chẳng hạn như ổn định hóa gương đào, bơm vữa lấp khoảng trống xung quanh vỏ hầm tại đuôi khiên, v.v…);
+ Các biện pháp xử lý gia cố nền đất (như bơm vữa thâm nhập gia cố, bơm vữa áp lực, kiểm soát nước ngầm, v.v…);
+ Các biện pháp về kết cấu (nhằm giảm tác động gây hại của chuyển động đất bằng cách gia tăng khả năng chịu lực của tòa nhà hay kết cấu, thường là bao gồm cả kỹ thuật chống gia cường từ bên dưới móng hoặc kích/chống giằng). Các khảo sát về hiện trạng/hư hại công trình cũ phải được thực hiện đủ lâu trước khi bắt đầu tiến hành việc xây dựng trong khu vực, nhằm nắm được tình trạng của mọi tài sản ngay
trước khi thi công hầm. Cần phải áp dụng một hệ thống phân loại hư hỏng đáng tin cậy cho các công trình xây vữa/gạch xây theo quan niệm về hạn chế biến dạng kéo.
Có thể áp dụng một quá trình đánh giá rủi ro theo giai đoạn, bao gồm đánh giá sơ bộ, đánh giá giai đoạn hai, và đánh giá chi tiết. Trong quá trình này, các tòa nhà được loại dần ra khỏi các giai đoạn đánh giá tiếp theo tùy thuộc vào mức độ hư hại tiềm tàng được dự báo [5].
3.6.3. Lý thuyết tính toán lún
Lún mặt đất sẽ được tính toán dựa trên các thông số về kích thước hình học của hầm, điều kiện địa chất, tính chất của khiên đào, cách phân đoạn cho vòng vỏ hầm lắp ghép, và vật liệu vỏ hầm …vv. Những số liệu này sẽ được thu thập chính xác sau nhờ quá trình khảo sát địa chất bổ sung sẽ được Chủ đầu tư tiến hành sớm, và qua quá trình thiết kế chi tiết được thực hiện đồng thời.
Các tính toán có thể dùng phương pháp bán kinh nghiệm/giải tích hoặc phương pháp số, hoặc cả hai.
Về phương pháp kinh nghiệm, Peck (1969), O’Reilly & New (1982) đã đưa ra một đường cong Gauss để xấp xỉ hóa hình dạng máng lún ngắn hạn theo chiều ngang cho một hầm đơn trong điều kiện "cánh đồng" (không có nhà cửa hay công trình bên trên, Hình 3.17), theo công thức sau:
2
ax.exp 2
m 2 S S y
i
−
= ÷
. o
i K z= (O’Reilly & New, 1982)
smax
khoảng cách đến tim hầm, y
lún mặt đất, s
i -y
y
Hình 3.17: Máng lún bề mặt (theo Peck, 1969) Trong đó:
* S = độ lún bề mặt lý thuyết (là hàm sai số Gauss, hoặc đường cong xác suất chuẩn)
* Smax = độ lún bề mặt lớn nhất (phía trên trục hầm, tức là, chiều sâu máng lún) * exp = hàm số mũ ex, trong đó e gần bằng 2.718 và là cơ số của hàm số lôgarit tự nhiên
* y = khoảng cách ngang kể từ tim hầm
* i = độ lệch tiêu chuẩn của đường cong (điểm uốn của đường cong), hoặc gọi là thông số bề rộng máng lún
* K = hằng số thực nghiệm không thứ nguyên, phụ thuộc vào loại đất * z0 = chiều sâu trục hầm
* Smax, K và i được cho bởi các biểu thức sau (trong số nhiều công thức đề xuất khác):
( ) 2 ( ) 2
max
0, 313. % .
. 1
% . .
2. . 4 2. .
s L
L
V D
V D
S V
i i i
π
π π
= = =
(New & O'Reilly, 1991 / Mair và nnk, 1996) * D: Đường kính hầm
i K z= . o
Trong đó i còn được xác định theo các công thức sau:
i = 0.43z0 + 1.1 [m]; K = 0.4 ÷ 0.5 (cho các đất dính);
i = 0.28z0 - 0.1 [m]; K = 0.25 ÷ 0.35 (cho các đất không dính);
VL có thể được tính toán theo các phương pháp thi công hầm như sau:
NATM:
Đất sét London → VL = 0.5% - 1.5%
giá trị này tương ứng khá tốt với kỹ thuật đào hầm bằng khiên có kiểm soát Đào hầm gương hở
Sét cứng → VL = 1% và 2%
Đào hầm gương kín (khiên EPB hoặc Slurry): Có thể đạt được mức độ kiểm soát lún rất tốt.
Trong các loại cát → VL < 0.5% (có thể đạt được 0.35% bằng công nghệ đào hầm bằng khiên Slurry và EPB).
Trong các đất sét → VL = 1% - 2% (không kể các lượng lún do cố kết).
Mặt khác, có thể dùng phương pháp số để mô hình hóa quá trình đào hầm nhằm phân tích ứng xử của kết cấu vỏ hầm và lượng hao hụt thể tích đất nền quanh biên hầm.
Khi mô hình hóa và dự báo sự phát triển của lún bề mặt bằng một phần mềm địa cơ học chuyên dụng, cần biết các số liệu đầu vào như: kích thước hình học, tính chất vật liệu của
hệ thống chống đỡ. Các kết quả đầu ra ngoài biến dạng lún mặt đất còn bao gồm các nội lực trong vỏ hầm (lực dọc và mômen uốn dùng để thiết kế cốt thép cho vỏ hầm), và các đường ứng suất.
Tóm lại, có thể tính toán lún mặt đất gây ra do đào hầm đô thị bằng cách dùng cả phương pháp số và phương pháp kinh nghiệm. Có thể dùng kết hợp cả hai phương pháp này để kiểm tra chéo lẫn nhau. Phương pháp PTHH là một công cụ mạnh nhưng nó vẫn phụ thuộc vào trình độ của người sử dụng, chưa kể đến các chấp nhận gần đúng và các phép xấp xỉ nhất định. Điều rất quan trọng là kết quả đầu ra của phần mềm tính toán số phải được kiểm tra phân tích một cách cẩn thận.
Người kỹ sư cần nhớ rằng, phương pháp bán kinh nghiệm phải được sử dụng với sự cẩn trọng tỷ mỷ, và phương pháp PTHH bằng phần mềm địa cơ học phải được sử dụng với sự hiểu biết thấu đáo theo chiều hướng ngày càng có hiệu quả hơn. Sau bước phõn tớch về lỳn mặt đất, luụn cần cú bước tiếp theo là phõn tớch đỏnh giỏ rừ ràng về cỏc tác động của việc đào hầm lên các công trình hiện hữu nằm phía trên đường hầm [5].
3.6.4. Áp dụng cho tuyến Metro Hà Nội
Tiến hành một so sánh mang tính lý thuyết về sự sụt lún khi đào hầm đều đặn trong các điều kiện được kiểm soát với Phương án hầm 1 và Phương án hầm 2. Các giả thuyết sau được xem xét:
− Hai giá trị mất mát thể tích đất đại diện được xem xét (VL = 0.5% và 1.0%);
− Lớp đất phủ trên nóc hầm khi xem xét Phương án 1 chủ yếu đặc trưng bởi ứng xử kiểu đất dính (k = 0.7);
− Lớp đất phủ trên nóc hầm khi xem xét Phương án 2 được phân chia thành nhiều lớp và ứng xử tương đương của nó có thể thay đổi trong khoảng đất dính kết đến đất dính kết nhẹ (k = 0.5 đến 0.7).
Nhận xét: Từ những bảng tính toán độ lún dưới đây, ta thấy trong cả hai trường hợp VL
= 0.5% và VL = 1 % thì độ lún của hầm đơn luôn lớn hơn hầm đôi khoảng 40%
Trường hợp xét VL = 0.5%
Bảng tính lún cho hầm ống đơn với VL = 0.5%
D(m) Zo(m) VL(%) K i y(m) Smax (m) S(mm)
9.300 23.500 0.500 0.500 11.750 0.000 0.012 11.520
9.300 23.500 0.500 0.500 11.750 5.000 0.012 10.523
9.300 23.500 0.500 0.500 11.750 10.000 0.012 8.020
9.300 23.500 0.500 0.500 11.750 15.000 0.012 5.100
9.300 23.500 0.500 0.500 11.750 20.000 0.012 2.706
9.300 23.500 0.500 0.500 11.750 25.000 0.012 1.198
9.300 23.500 0.500 0.500 11.750 30.000 0.012 0.442
9.300 23.500 0.500 0.500 11.750 35.000 0.012 0.136
Bảng tính lún cho hầm đôi - Hầm phía trên với VL = 0.5%
D (m) Zo (m) VL(%) K i (m) y (m) Smax (m) S(mm)
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 0.000 0.005 5.378
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 5.000 0.005 4.897
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 10.000 0.005 3.697
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 15.000 0.005 2.314
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 20.000 0.005 1.201
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 25.000 0.005 0.517
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 30.000 0.005 0.184
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 35.000 0.005 0.055
Bảng tính lún cho hầm đôi - Hầm phía dưới với VL = 0.5%
D (m) Zo (m) VL(%) K i (m) y (m) Smax (m) S(mm)
6.300 29.500 0.500 0.700 20.650 0 0.003 3.008
6.300 29.500 0.500 0.700 20.650 5 0.003 2.921
6.300 29.500 0.500 0.700 20.650 10 0.003 2.675
6.300 29.500 0.500 0.700 20.650 15 0.003 2.310
6.300 29.500 0.500 0.700 20.650 20 0.003 1.882
6.300 29.500 0.500 0.700 20.650 25 0.003 1.445
6.300 29.500 0.500 0.700 20.650 30 0.003 1.047
6.300 29.500 0.500 0.700 20.650 35 0.003 0.715
Trường hợp xét VL = 1%
Bảng tính lún cho hầm ống đơn với VL = 1%
D(m) Zo(m) VL(%) K i y(m) Smax (m) S(mm)
9.300 23.500 1.000 0.500 11.750 0.000 0.023 23.039
9.300 23.500 1.000 0.500 11.750 5.000 0.023 21.045
9.300 23.500 1.000 0.500 11.750 10.000 0.023 16.039
9.300 23.500 1.000 0.500 11.750 15.000 0.023 10.200
9.300 23.500 1.000 0.500 11.750 20.000 0.023 5.412
9.300 23.500 1.000 0.500 11.750 25.000 0.023 2.396
9.300 23.500 1.000 0.500 11.750 30.000 0.023 0.885
9.300 23.500 1.000 0.500 11.750 35.000 0.023 0.273
Bảng tính lún cho hầm đôi - Hầm phía trên với VL = 1 %
D (m) Zo (m) VL(%) K i (m) y (m) Smax (m) S(mm)
6.300 16.500 1.000 0.700 11.550 0.000 0.011 10.756
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 5.000 0.005 4.897
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 10.000 0.005 3.697
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 15.000 0.005 2.314
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 20.000 0.005 1.201
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 25.000 0.005 0.517
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 30.000 0.005 0.184
6.300 16.500 0.500 0.700 11.550 35.000 0.005 0.055
Bảng tính lún cho hầm đôi - Hầm phía dưới với VL = 1 %
D (m) Zo (m) VL(%) K i (m) y (m) Smax (m) S(mm)
6.300 29.500 1.000 0.700 20.650 0 0.006 6.016
6.300 29.500 1.000 0.700 20.650 5 0.006 5.842
6.300 29.500 1.000 0.700 20.650 10 0.006 5.350
6.300 29.500 1.000 0.700 20.650 15 0.006 4.621
6.300 29.500 1.000 0.700 20.650 20 0.006 3.764
6.300 29.500 1.000 0.700 20.650 25 0.006 2.891
6.300 29.500 1.000 0.700 20.650 30 0.006 2.094
6.300 29.500 1.000 0.700 20.650 35 0.006 1.431