Theo mụ hỡnh địa chất thủy văn cục bộ do Bộ tài nguyờn và mụi trường lập cho dự ỏn Metro năm 2009 gồm cỏc tầng chứa nước chớnh:
- Tầng chứa nước Holocene (qh): đơn nguyờn địa chất thủy văn thuộc hệ tầng Thỏi Bỡnh, Hải Hưng được cấu thành bời vật liệu đất lẫn tàn tớch vật liệu xõy dựng, sột, bụi, cỏt. Tại khu vực lõn cận sụng thỡ Sụng Hồng là nguồn cấp nước chớnh cho tầng này. Tại khu vực xa sụng hơn, nguồn cung cấp chớnh của tầng này là nước mưa và nước mặt thấm xuống.
- Tầng chứa nước Pleistocene (qp): vật liệu cấu thành của tầng chứa nước này chủ yếu là cỏt, sỏi cuội thụ của hệ tầng Hà Nội và Lệ Chi bờn dưới,và sột của hệ tầng Vĩnh Phỳc bờn trờn. Tầng này nằm trong trạng thỏi cõn bằng thủy lực với sụng Hồng. Đõy là tầng cấp nước chớnh cho khu vực đụ thị Hà Nội, chịu ảnh hưởng của chế độ thủy văn sụng Hồng, chế độ bơm hỳt nước, và một phần thấm từ trờn xuống của tầng chứa nước Holocene.
- Tầng ngậm nước Neogen (m): Nước được chứa trong khe nứt của đỏ cỏt kết, cuội sỏi kết hệ tầng Vĩnh Bảo. Tầng này cú tớnh thấm giới hạn và mức độ dực trữ nước trung bỡnh. Đõy là tầng chứa nước bờn dưới sõu, khụng ảnh hưởng đến đường hầm Metro.
Kết quả quan trắc từ năm 1991 đến 1993 của Bộ tài nguyờn và mụi trường về sự biến thiờn của mực nước ngầm trong một số giếng Hà Nội cho thấy, mực nước của cả tầng Holocene và Pleistocene đều biến động theo sự thay đổi của mực nước sụng Hồng như trờn hỡnh 2.3 và hỡnh 2.4.
Hỡnh 2.3: Sự thay đổi mực nước tầng Holocene so với sự thay đổi mực nước sụng Hồng [31].
Mực nước sụng Hồng
Mực nước tầng Holocene
Hỡnh 2.4: Sự thay đổi mực nước tầng Pleistocene so với sự thay đổi mực nước sụng Hồng [31].
Tuy vậy, cỏc kết quả quan trắc của Systra trong năm 2008 và năm 2011 cho thấy mực nước ngầm ớt cú biến động (hỡnh 2.5 và hỡnh 2.6).
Hỡnh 2.5: Kết quả quan trắc mực mước năm 2008 [31]
Mực nước tầng Pleistocene
Mực nước sụng Hồng
Hỡnh 2.6: Kết quả quan trắc mực mước năm từ thỏng 7 đến thỏng 10/2011 [8] Dựa trờn cỏc dữ liệu thu thập được và cỏc kết quả khảo sỏt, mực nước ngầm tương ứng với 2 tầng chứa nước chớnh qh và qp được xỏc định như trờn hỡnh 2.7.
Hỡnh 2.7: Mực nước ngầm tớnh toỏn [31].
Cỏc mực nước bất thường bờn trờn mặt đất liờn quan đến lũ được coi như tải trọng bất thường trờn mặt đất, khụng ảnh hưởng đến mực nước ngầm vỡ bề mặt đất
Mực nước ngầm tầng qp Mực nước ngầm tầng qh
được bảo vệ bằng cỏc tũa nhà, đường phố và phần lớn nước lũ sẽ thoỏt theo đường cống rónh ra sụng, chỉ cú một lượng nhỏ khụng đỏng kể thấm xuống đất.
Cao độ của tầng ngậm nước bờn trờn (qh) và tầng ngậm nước bờn dưới (qp) được xỏc định để tớnh toỏn cho từng hạng mục chớnh như trong bảng 2.2.
Bảng 2.2: Bảng cao độ mực nước ngầm [31] Hạng mục Lý trỡnh xấp xỉ Tầng chứa nước bờn trờn (qh) Tầng chứa nước bờn dưới (qp) Dốc hạ < 219 + 000 -5 -14 Ga Kim Mó 219 + 000 -5 -14 Giếng 219 + 727 -3 -13 Ga Cỏt Linh 220 + 543 -2 -12 Ga Văn Miếu 221 + 414 -1 -10 Ga Hà Nội 222 + 115 0 -8 2.3. Kết cấu đường hầm.
Bỏo cỏo nghiờn cứu khả thi đó kiến nghị cho cỏc phương ỏn về đường hầm như sau: - Phương ỏn tuyến được chọn là phương ỏn 2 (hỡnh 2.8): Tuyến đi dọc phố Kim Mó, đến Đại sứ quỏn Thụy Điển thỡ rẽ phải về hướng phố Cỏt Linh, sau đú đi dọc theo tuyến phố Cỏt Linh, Quốc Tử Giỏm, qua ga Hà Nội và kết thỳc tại đường Trần Hưng Đạo.
Hỡnh 2.8: Đoạn tuyến từ Đại sứ quỏn Thụy Điển đến phố Cỏt Linh [31] - Phương ỏn trắc dọc: Một số phương ỏn trắc dọc được đưa ra, sau khi so sỏnh đó
chọn phương ỏn trắc dọc 1, trắc dọc tuyến được mụ tả như trong hỡnh 2.9.
Hỡnh 2.9: Phương ỏn trắc dọc tuyến đường hầm [31]
- Phương ỏn hầm được chọn là hầm đụi (2 ống). Vị trớ tương đối của 2 đường hầm qua cỏc đoạn được mụ tả như sau:
o Đoạn dọc phố Kim Mó: Hầm đi dưới lũng đường, 2 hầm song song.
o Đoạn từ đường Kim Mó rẽ sang ga Cỏt Linh (Ga số 10): Đi dưới nhà cũ, thụng tin khảo sỏt sơ bộ cho thấy cỏc nhà này cú múng cọc sõu 8m, dự kiến hầm sõu từ 10-15m. Trước khi vào cỏc tũa nhà cao tầng gần Đại sứ quỏn Thụy Điển, 2 ống chuyển hướng chồng lờn nhau.
o Đoạn ga Cỏt Linh đến Ga Văn Miếu (Ga số 11): tuyến chạy dọc theo phố Cỏt Linh, 2 ống chồng lờn nhau, hầm sõu từ 15m đến 30m.
o Đoạn Ga Văn Miếu - Ga Metro (Ga số 12): Đi dưới lũng đường, 2 ống chồng lờn nhau, đoạn cuối hai ống chạy song song nhau trước khi về ga số 12 (ga cuối cựng)..
- Hỡnh dạng và kớch thước hầm được thể hiện trong hỡnh 2.10, cỏc thụng số về mặt cắt ngang hầm như trong bảng 2.3 [31].
Bảng 2.3: Kớch thước mặt cắt ngang hầm [31] Đường kớnh
vỏ hầm bờn trong
Dung sai xõy dựng theo chiều bỏn kớnh Độ dày vỏ hầm lắp ghộp Đường kớnh vỏ hầm phớa ngoài Đường kớnh đào 5.7 m 10 cm 30 cm 6.30 m 6.60 m R3150 R2850 1435 2250 Hỡnh 2.10: Kớch thước mặt cắt ngang hầm
- Vỏ hầm được liờn kết từ nhiều đốt hầm (ring) dài 1.5m. Mỗi đốt hầm lại được lắp ghộp từ nhiều mảnh bờ tụng cốt thộp đỳc sẵn (segment) và cú gioăng cao su cỏch nước (hỡnh 2.11).
Vỏ hầm
Hỡnh 2.11: Kết cấu vỏ hầm [31]. Cỏc thụng số của vỏ hầm như sau:
Mụ đun đàn hồi: E = 35000 MPa Trọng lượng riờng: = 24 kN/m3 Hệ số nở hụng: v = 0.15
- Múng hầm được làm bằng bờ tụng cốt thộp, cú cỏc thụng số như sau: Mụ đun đàn hồi: E = 20000 Mpa
Trọng lượng riờng: = 24 kN/m3 Hệ số nở hụng: v = 0.15
- Để đảm bảo độ ổn định của nền và trỏnh gõy biến dạng lớn, vớ trớ của cỏc hầm được bố trớ phải đạt yờu cầu tối thiểu vể khoảng cỏch như sau:
o Lớp đất phủ trờn núc hầm cú bề dày tối thiểu từ 1.5*D đến 2*D (10 đến 13m).
o Khoảng cỏch tối thiểu giữa 2 đường hầm là 2*D đến 3*D (12.6m đến 18.9m).
- Cốt cao thiết kế đỉnh hầm tại cỏc nhà ga
o Nhà ga số 9: cốt -4 m, lớp phủ dày 12 m
o Nhà ga số 11 cốt -7 m, lớp phủ dày 13.3 m
o Nhà ga số 11 cốt -10 m, lớp phủ dày 16 m
2.4. Biện phỏp thi cụng.
2.4.1. Lựa chọn loại mỏy đào hầm
Trong khu vực đụ thị, phương phỏp đào mở khụng thớch hợp với việc thi cụng đường hầm bởi vỡ mặt bằng chật hẹp, ảnh hưởng đến giao thụng, sinh hoạt dõn cư, ụ nhiễm mụi trường. Do đú, tuyến đường hầm Metro Nhổn – Ga Hà Nội dự kiến được thi cụng bằng mỏy khoan đào toàn gương TBM. Cú 2 loại mỏy TBM cơ bản là mỏy khiờn vữa bựn SS (slurry shield) và mỏy cõn bằng ỏp lực đất EPB (earth pressure balance). Mỏy SS ổn định gương hầm bằng cỏch bơm vữa bentonite vào buồng đào, một ỏp suất thớch hợp được tỏc dụng để đẩy vữa xõm nhập vào cỏc lỗ rỗng của đất tạo thành màng ngăn nước thuận lợi cho việc phõn bố ỏp suất để ổn định gương hầm. Mỏy EPB ổn định gương đào bằng chớnh đất được đào ra trộn với bọt hoặc sợi polyme. Sự cõn bằng động học được dựa trờn khối lượng đất được đào ra, được tỏch bờn trong buồng đào là một hàm của tốc độ xoay xoắn của đầu cắt và tốc độ tiến của mỏy.
Kết quả phõn tớch thành phần hạt đất tại cỏc độ sõu chủ yếu mà hầm đi qua (từ 15 đến 20m) cho thấy sử dụng mỏy EPB là phự hợp (hỡnh 2.12). Tuy nhiờn, dự kiến khu vực gần ga Hà Nội tuyến phải đi dưới sõu vào lớp cuội sỏi, trường hợp này mỏy khiờn vữa bựn SS được đề xuất sử dụng.
Hỡnh 2.12: Phõn bố kớch thước hạt của đất tại độ sõu 15m đến 20m [31].
2.4.2. Cỏc thụng số của mỏy TBM và sự hoạt động
Với mỗi đường hầm, thụng thường được thiết kế 1 mỏy khoan TBM riờng biệt hoặc cải tạo mỏy cũ. Mỏy khoan EBP dựng cho đường hầm đào trong đất khu đụ thị cú cỏc thụng số cơ bản như sau:
Đường kớnh đào: 6.6 m. Khả năng đào: đất hoặc đỏ. Tổng chiều dài hệ thống: 87 m. Chiều dài khiờn: 7.5 m.
Tải trọng mỏy khoan: 370 tấn.
Tải trọng hệ thống phớa sau đuụi mỏy khoan: 240 T. Độ cứng dọc trục: EA = 8.2e6 kN/m.
Độ cứng uốn: EI = 8.38e4 kNm2/m. Bề dày tương đương: d = 0.35 m.
Một chu kỳ khoan và lắp ghộp vỏ hầm như sau: Khi mỏy khoan TBM khoan được một đoạn dài bằng chiều dài của 1 đốt hầm (1.5m) thỡ mỏy dừng lại để tiến hành lắp ghộp vỏ hầm, cỏc mảnh này được liờn kết vững chắc với phần vỏ hầm đó lắp ghộp trước đú. Sau khi lắp ghộp xong đốt hầm thỡ mỏy tiến hành phụt vữa bự lấp
nhột khoảng trống giữa vỏ hầm và đất nền và tiếp tục khoan đốt hầm tiếp theo. Vữa xi măng dựng để phụt lấp nhột lỗ rỗng cú trọng lượng riờng 17 kN/m3
[32]. Sau khi hoàn thành quỏ trỡnh khoan và lắp ghộp vỏ hầm thỡ tiến hành làm múng hầm.
2.4.3. Lượng mất mỏt thể tớch do thi cụng
Khi đào hầm, ngoài thể tớch đất phải đào theo kớch thước đường hầm thiết kế thỡ quỏ trỡnh đào thực tế cũn đào phỏt sinh thờm một lượng đất ngoài ý muốn, gõy ra một mỏng lỳn trờn mặt đất với độ lỳn cực đại dọc theo trục đường hầm (hỡnh 2.13). Lượng mất mỏt thể tớch được tớnh theo phần trăm (VL) là tỷ số của thể tớch đất được đào dư ra và thể tớch của đường hầm:
(VT – V) VL = ---
V
Trong đú: VT là thể tớch đất đào thực tế, V là thể tớch của đường hầm (hiệu số của VT-V chớnh là thể tớch của mỏng lỳn).
Thụng thường đối với đào hầm bằng mỏy TBM thỡ VL thay đổi từ 0.5% đến 2%, tựy thuộc vào nhiều yếu tố như tớnh chất của đất nền, quy mụ và kết cấu của cỏc cụng trỡnh lõn cận, sự hoạt động của mỏy khoan hầm...
Hỡnh 2.13: Mỏng lỳn dọc theo đường hầm [22]
Lượng đất bị mất mỏt trong quỏ trỡnh thi cụng bằng mỏy TBM bao gồm lượng đất mất mỏt ở gương hầm (face loss), lượng đất mất mỏt ở khiờn đào (shield loss) và lượng đất mất mỏt ở sau đuụi khiờn (tail loss) được thể hiện trờn hỡnh 2.14.
Hỡnh 2.14: Mất mỏt đất trong quỏ trỡnh đào hầm [23]
Mất đất tại gương hầm xảy ra khi ứng suất trong đất thay đổi gõy nờn dịch chuyển đất vào gương hầm, điều này gõy ra biến dạng mặt đất phớa trước gương hầm.
Mất đất tại khiờn đào xảy ra do khiờn di chuyển khụng đỳng theo trục thẳng của đường hầm (đào lẹm) và do khiờn cú cấu tạo hỡnh cụn, đường kớnh phần đuụi nhỏ hơn so với phần đầu (hỡnh 2.15).
a) b)
Hỡnh 2.15: Mất mỏt đất tại khiờn đào [30] a) Đào lẹm; b) Khiờn đào hỡnh cụn
Mất mỏt đất phớa sau đuụi khiờn xảy ra do sự co ngút vữa lấp nhột hoặt tồn tại lỗ rỗng mà vữa khụng lấp nhột hết được.
2.4.4. Kế hoạch thi cụng
Dự kiến đoạn đi ngầm được thi cụng bằng 2 mỏy khoan hầm. Mỏy khoan hầm thứ 2 sẽ bắt đầu đào sau mỏy thứ nhất 2 thỏng. Chiều dài mỗi hầm khụng kể cỏc ga và cỏc đường chuyển làn nếu cần là 2.5 km. Tốc độ đào trung bỡnh là 10 – 11m/ngày, tốc độ
đào trong thời gian đầu để làm quen với mỏy múc và địa tầng là 5m/ngày. Thời gian thi cụng hầm được tớnh toỏn là 5 ngày/tuần và 24h/ngày [31].
2.5. Túm tắt chương II.
Tuyến tàu điện ngầm Nhổn – Ga Hà Nội bao gồm 2 đường hầm cú đường kớnh đào là 6.60m, chiều dài mỗi hầm là 2.5km (khụng kể cỏc ga), cú đoạn 2 hầm chạy song song nhau và cú đoạn phải chồng lờn nhau để trỏnh ảnh hưởng của múng cỏc cụng trỡnh lõn cận.
Dự kiến hầm được thi cụng bằng 2 mỏy khoan EPB hoặc mỏy SS, vỏ hầm được ghộp từ bờ tụng đỳc sẵn, thời gian thi cụng hầm dự kiến là 12.5 thỏng (khụng kể thời gian lắp đặt, vận chuyển mỏy).
Kết quả khảo sỏt địa chất cho thấy, dọc tuyến xõy dựng đường hầm số 3 được cấu thành chủ yếu từ đất hạt mịn phớa trờn và đất hạt thụ bờn dưới. Phần đất hạt mịn gồm sột nghốo, độ dẻo thấp, bề dày thay đổi từ 10m đến 20 m, được phõn chia thành cỏc lớp L1_s1, L1_s2, L3&4 trong đú lớp L3&4 là lớp đất yếu cú chứa hữu cơ. Phần đất hạt thụ gồm cỏc lớp cỏt chặt vừa đến chặt L5a, L5b và lớp cuội sỏi lẫn cỏt kết cấu chặt L7&8. Giữa lớp L7&8 và cỏc lớp L5a, L5b đụi chỗ tồn tại lớp sột nghốo L1d trạng thỏi dẻo cứng. Bề dày cỏc lớp biến đổi nhiều và nhiều chỗ xen kẹp nhau.
Cú 2 tầng nước ngầm ảnh hưởng trực tiếp đến việc thi cụng cụng trỡnh là tầng chứa nước Holocene (qh) bờn trờn cú độ cao mực nước thay đổi từ 0 đến -5 m và tầng chứa nước Pleistocene (qp) bờn dưới với cao độ mực nước thay đổi từ -8 m đến -14 m tựy theo từng vị trớ của cụng trỡnh.
CHƯƠNG 3
Mễ PHỎNG BÀI TOÁN ĐÀO ĐƯỜNG HẦM VÀ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA NỀN VÀ CÁC CễNG TRèNH LÂN CẬN
3.1. Phương phỏp đỏnh giỏ rủi ro của cỏc cụng trỡnh lõn cận.
Việc dự bỏo mức độ hư hỏng của cỏc cụng trỡnh lõn cận do ảnh hưởng của việc đào hầm được tiến hành qua 3 giai đoạn như sau:
Giai đoạn 1: Bước này dựng để đỏnh giỏ sơ bộ ban đầu với giả thiết là bờn trờn bề mặt chưa cú cụng trỡnh xõy dựng và tiến hành tớnh toỏn biến dạng nền khi đào hầm. Cỏc đường đồng mức lỳn dự bỏo được đưa vào bản đồ dọc hành lang xõy dựng đường hầm, trờn đú cú thể hiện cỏc cụng trỡnh xõy dựng. Dựa trờn bản đồ đú, phõn loại mức độ hư hỏng dự bỏo của cỏc cụng trỡnh theo Rankin (1988) (bảng 3.1), cỏc cụng trỡnh cú mức độ chịu ảnh hưởng nhỏ cú thể bỏ qua (cấp độ 0 và cấp độ 1). Giai đoạn 2 và giai đoạn 3 tiến hành phõn tớch đối với cỏc cụng trỡnh cú khả năng bị hư hại cao hơn [23].
Bảng 3.1: Tiờu chuẩn đỏnh giỏ sự hư hỏng cho giai đoạn 1 và 2 [23].
Cấp độ hư hỏng Mụ tả mức độ hư hỏng
Giai đoạn 1: Đỏnh giỏ mức độ hư hỏng của cụng trỡnh
theo Rankin (1988)
Giai đoạn 2: Đỏnh giỏ mức độ hư hỏng của cụng trỡnh theo Burland
(1995), và Mair et al (1996) Độ nghiờng lớn nhất của mặt đất Độ lỳn lớn nhất của cụng trỡnh (mm) Bề dày vết nứt trong kết cấu (mm) Biến dạng kộo lớn nhất trong kết cấu (%) 0 Bỏ qua < 0.05 1 Rất nhẹ < 1:500 < 10 0.1 đến 1.0 0.05 đến 0.075
Cỏc mức hư hỏng từ nhẹ (cấp 2) đến rất nặng (cấp 5) được mụ tả như sau:
Mức độ nhẹ (cấp 2): Bề rộng vết nứt từ 1- 5mm, cần trỏt và sơn lại tường, cỏc cửa chớnh và cửa số cú thể bị kẹt nhẹ. Mức nhẹ là mức cú thể bỏ qua khụng xem xột.
Mức độ trung bỡnh (cấp 3): Cụng trỡnh xuất hiện cỏc vết nứt cú độ mở từ 0.5 đến 1.5cm, cú thể phải thay thế vữa trỏt tường, cửa sổ và cửa chớnh cú thể bị kẹt, cỏc đường điện nước, tiện ớch khỏc cú thể bị ngưng trệ.
Mức độ hư hỏng nặng (cấp 4): Xuất hiện cỏc vết nứt cú độ mở từ 1.5 đến 2.5cm phải sửa chữa võ thay thế tường trờn phạm vi rộng, đặc biệt là khu vực trờn cỏc cửa sổ và cửa chớnh. Khung cửa bị búp mộo, để ý thỡ cú thể thấy sàn nhà và tường bị nghiờng. Khả năng chịu tải của cỏc dầm cột bị suy giảm, cỏc đường ống tiện ớch bị