Chương 3 đó nờu ra cơ sở lý thuyết về tớnh toỏn ổn định và biến dạng khi đào hầm bao gồm cỏc phương phỏp kinh nghiệm, phương phỏp giải tớch và phương phỏp số, trong đú phương phỏp số giải quyết được cỏc hạn chế của 2 phương phỏp trờn.
-Chương 3 cũng nờu cỏc bước để đỏnh giỏ rủi ro cỏc cụng trỡnh xõy dựng do ảnh hưởng việc đào hầm. Mụ hỡnh húa quỏ trỡnh đào hầm được thực hiện bằng phần mềm Plaxis 2D và 3D, tại 9 mặt cắt đại diện cho toàn tuyến hầm. Từ kết quả phõn tớch, tiến hành so sỏnh và phõn loại mức độ hư hại theo tiờu chuẩn đỏnh giỏ sự hư hỏng của Rankin (1988) và Burland (1995) và Mair et al (1996) kết hợp với tiờu chuẩn thiết kế múng cọc (TCXD 205 : 1998), vạch ra được cỏc vị trớ cú mức độ hư hại từ nhẹ đến nặng. Chương 3 cũng nghiờn cứu thay đổi cỏc tham số gồm: Độ mất mỏt thể tớch VL, ỏp lực gương hầm Pg,ỏp lực phụt vữa bự Pv, thứ tự đào cỏc hầm, độ sõu và khoảng cỏch cỏc hầm, độ sõu mực nước ngầm, từ đú tớnh toỏn được mức độ hư hại khỏc nhau ứng với cỏc giỏ trị tham số khỏc nhau từ đú cú thể tối ưu húa cho việc thi cụng bằng mỏy TBM để giảm thiểu rủi ro cho cụng trỡnh.
Kết quả phõn tớch tham số cho thấy:
- Khi VL thỡ độ lỳn và độ lỳn lệch tăng.
- Khi độ sõu mực nước ngầm tăng thỡ độ lỳn tăng và độ lỳn lệch giảm. - Khi độ sõu và khoảng cỏch hầm tăng thỡ độ lỳn và độ lỳn lệch giảm. - Độ lỳn ớt thay đổi khi thay đổi Pg. Khi Pg tăng thỡ độ lỳn giảm nhưng với
lượng khụng đỏng kể. Tuy nhiờn nếu Pg quỏ nhỏ hoặc quỏ lớn thỡ nền sẽ mất ổn định.
- Khi Pv khụng quỏ lớn thỡ thỡ độ lỳn và độ lỳn lệch tỷ lệ nghịch với Pv, tuy nhiờn khi Pv vượt qua một giỏ trị nhất định (khoảng 1.6 v) thỡ nền đất bị đẩy trồi và phỏ hoại.
- Thứ tự đào hầm bờn dưới trước và hầm bờn trờn sau sẽ làm cho nền ớt lỳn và ớt lỳn lệch hơn so với việc đào hầm bờn trờn trước.
CHƯƠNG 4
MỘT SỐ BIỆN PHÁP XỬ Lí ĐỂ GIẢM THIỂU RỦI RO 4.1 . Khỏi quỏt về cỏc biện phỏp phũng trỏnh rủi ro khi đào đường hầm
Trong tài liệu “Thụng lệ thực hành quản lý rủi ro trong xõy dựng đường hầm” (A Code of Practice for Risk Management of Tunnel Works – 2006) cú liệt kờ nhiều vấn đề để quản lý và ngăn ngừa rủi ro, tuy nhiờn trong luận văn này chỉ đề cập đến một số khớa cạnh nhỏ trong vấn đề thiết kế và thi cụng hầm.
Trong khớa cạnh thiết kế, cần đảm bảo về mặt ổn định và biến dạng khụng vượt quỏ mức quy định. Muốn như vậy thỡ cần phải tối ưu húa về cỏc mặt: vị trớ đường hầm (độ sõu đặt hầm và khoảng cỏch cỏc hầm), kết cấu đường hầm, vật liệu cấu tạo, thiết kế biện phỏp xử lý nền.
Khi hầm và nhà ga đặt nụng so với mặt đất thỡ cú lợi thế về mặt thuận tiện cho việc sử dụng và vận hành. Tuy nhiờn nú cũng ẩn chứa rủi ro vỡ biến dạng đất nền lớn và dễ mất ổn định. Vỡ vậy hầm cần phải cú độ sõu nhất định, thụng thường lớp phủ trờn núc hầm phải đạt từ 1.5D đến 2D. Khoảng cỏch cỏc hầm nờn từ 2D đến 3D để trỏnh ảnh hưởng lẫn nhau và gõy ra sự tập trung ứng suất và biến dạng lớn. Cỏc nghiờn cứu cho thấy rằng kớch thước đường hầm càng lớn thỡ biến dạng nền càng tăng, vỡ vậy kớch thước đường hầm phải hợp lý về mặt cụng năng sử dụng [31].
Khi cỏc vấn để trờn đó được xem xột kỹ lưỡng mà vẫn chưa đạt được ổn định và biến dạng thỡ cần xem xột đến biện phỏp xử lý nền và biện phỏp thi cụng.
4.1.1 Cỏc biện phỏp xử lý nền
Một số biện phỏp gia cố nền khi thi cụng đường hầm bao gồm:
Đối với nền đất yếu: Dựng biện phỏp đầm rung, trộn chất kết dớnh hay phụt vữa ỏp lực cao để tăng cường độ đất nền. Khi cú mặt bằng đủ rộng thỡ cú thể dựng phương phỏp đầm chặt hoặc khoan phụt vữa từ bờn trờn mặt đất. Trong mụi trường đụ thị chật hẹp thỡ cú thể dựng biện phỏp phụt vữa ỏp lực cao từ trong đường hầm (hỡnh 4.1).
Hỡnh 4.1: Khoan phụt vữa gia cố nền: a) Từ trong đường hầm; b) từ mặt đất; c) từ đường phụ trợ; d) từ giếng đứng [25].
Đối với nền cú mực nước ngầm cao: Dựng biện phỏp hạ thấp mực nước ngầm, khoan phụt vữa chống thấm hoặc dựng giải phỏp đúng băng nền. Hạ thấp mực nước ngầm giỳp thuận lợi trong quỏ trỡnh thi cụng hầm, tuy nhiờn nú cũng làm thay đổi trạng thỏi ứng suất đất nền, gõy sụt lỳn đất ảnh hưởng đến cỏc cụng trỡnh khỏc nờn cần phải tớnh toỏn hợp lý.
Cỏc biện phỏp ổn định gương đào bao gồm: neo đất trước gương đào, khoan phụt vữa ỏp lực cao (hỡnh 4.2).
Hỡnh 4.2: Bố trớ neo gương đào [6]
Lớp thứ nhất bờn ngoài
Hỡnh 4.3: Khoan phụt vữa nhiều lớp [25]
Phương phỏp khoan phụt vữa nhiều lớp ELKEM’s giỳp giải quyết cỏc vấn đề chống thấm, gia cường nền và ổn định gương đào được trỡnh bày trong hỡnh 4.3. Phương phỏp này bao gồm khoan phụt 3 đợt. Đợt phụt đầu tiờn tạo một đới bờn ngoài làm giảm tớnh thấm của đất. Đợt phụt thứ 2 nhằm gia tăng cường độ đất nền và tạo một đới thấm yếu quanh đường hầm. Đợt phụt thứ 3 nhằm gia tăng cường độ
Lớp thứ hai bờn trong Lớp thứ 3 phớa trước gương
nền và tạo đới thấm yếu cho nền đất phớa trước gương đào.
Để ngăn đất dịch chuyển cú thể dựng cọc cừ, khoan phụt vữa ỏp lực cao gia cường nền (hỡnh 4.4).
Hỡnh 4.4: Khoan phụt vữa ngăn dịch chuyển đất [25]
4.1.2 Cỏc biện phỏp thi cụng
Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng đất nền khi khoan hầm bằng TBM là lượng mất mỏt thể tớch VL. Để giảm thiểu VL trong khi thi cụng, ngoài thiết kế mỏy TBM hợp lý thỡ cần trỏnh khoan lẹm, phụt vữa bự thể tớch mất mỏt cũng như tạo ỏp lực gương hầm phự hợp. Điều đú đũi hỏi tay nghề người vận hành cao, mỏy khoan cú cỏc thiết bị dẫn hướng và kiểm soỏt tốt cỏc thụng số (hỡnh 4.5).
Hỡnh 4.5: Mỏy khoan cú thiết bị dẫn hướng [25]
Áp lực phự hợp để phụt vữa bự sau đuụi khiờn được kiến nghị là 1.2 x v, trong đú v là ỏp lực thẳng đứng tại núc hầm. Nếu ỏp lực thấp thỡ biến dạng nền lớn, tuy nhiờn nếu cao quỏ thỡ cú thể gõy phỏ hoại nền hoặc phỏ hoại vỏ hầm (hỡnh 4.6).
Hỡnh 4.6: Áp lực cao gõy hỏng vỏ hầm [25]
Áp lực gương hầm hợp lý được kiến nghị là K0 x v, trong đú K0 là ỏp lực đất tĩnh, v là ỏp lực thẳng đứng tại tim hầm. Áp lực gương hầm quỏ cao gõy phỏ hoại nền đất, nếu quỏ thấp thỡ cú thể làm sập gương hầm dẫn đến sự cố.
4.1.3 Biện phỏp quan trắc trong khi thi cụng
Vỏ hầm Mỏy tia Laze Mỏy tớnh Mỏy TBM
Trong quỏ trỡnh thi cụng đường hầm, nờn lắp đặt cỏc thiết bị quan trắc trờn cỏc cụng trỡnh dọc phớa trờn đường hầm cũng như cỏc vị trớ trong hầm để quan sỏt chuyển vị, với cỏc giỏ trị chuyển vị nhất định thỡ cú mức ứng xử phự hợp. Khi thi cụng đường hầm Toulon ở Phỏp, ứng xử đối với độ lỳn quan sỏt được thể hiờn như bảng 4.1.
Bảng 4.1: Ứng xử đối với độ lỳn quan trắc được tại đường hầm Toulon. [19]
Mức độ Thận trọng Bất thường Cảnh bỏo
Lỳn lệch ‰ 1.2 đến 1.5 1.5 đến 1.8 1.8 đến 2
Độ lỳn mm 22 đến 44 26 đến 55 29 đến 66
Hành động Kiểm tra kết quả đo và tỡm nguyờn nhõn Thiết kế và bổ sung biện phỏp gia cố Dừng cụng việc và gia cố, chỉ thực hiện tiếp sau
khi gia cố.
4.2 Một số biện phỏp xử lý tuyến đường hầm số 3
4.2.1 Lựa chọn độ sõu và khoảng cỏch hầm và thụng số thi cụng
Bảng 3.4 đó tớnh toỏn độ lỳn và độ lỳn lệch ứng với ỏp lực phụt vữa và ỏp lực gương hầm tối ưu (như kiến nghị trong mục 4.1.2). Tại cỏc mặt cắt hầm đi dưới nhà cấp độ hư hỏng cụng trỡnh bờn trờn mặt đất là từ 3 đến 4. Khi tăng bề dày lớp phủ từ 2.15D lờn 2.4D (15.1m) thỡ cấp hư hỏng giảm xuống cũn 2 là cấp cú thể bỏ qua khụng cần biện phỏp xử lý (bảng 3.7).
Theo bảng 3.8 khi tăng khoảng cỏch hầm từ 2.5D lờn 3D (18.9m) thỡ cấp hư hỏng cũng giảm về 2. Như vậy cú thể lựa chọn một trong hai cỏch trờn hoặc cả hai để giảm thiểu rủi ro cho cụng trỡnh. Tuy nhiờn việc thay đổi độ sõu và khoảng cỏch hầm cũn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khỏc trong tổng thể chung của cụng trỡnh như khống chế độ dốc dọc tối đa là 4%, độ sõu nhà ga khụng quỏ sõu để hấp dẫn hành
khỏch và giảm chi phớ vận chuyển hành khỏch lờn xuống, tuyến khụng được giao cắt cỏc cụng trỡnh hiện hữu trong lũng đất, chi phớ thi cụng hầm tăng khi đào sõu... Khi khụng thể thay đổi được chiều sõu và khoảng cỏch thỡ cú thể phải dựng biện phỏp gia cường nền để giảm biến dạng.
4.2.2 Lựa chọn biện phỏp xử lý nền
Cỏc đoạn đường hầm đi qua dưới nhà cú một mật độ cụng trỡnh trờn bề mặt rất dày, vỡ vậy chọn giải phỏp khoan phụt vữa cao ỏp xi măng từ giếng đứng. Biện phỏp xử lý nền từ trong mỏy khoan TBM cú chi phớ cao, vỡ vậy chỉ nờn dựng khi mà cỏc giải phỏp đó nờu khụng ỏp dụng được.
Trong khuụn khổ luận văn này chỉ nghiờn cứu xử lý nền tại mặt cắt Km 221+658 là khu vực cú mức độ hư hỏng nặng (cấp 4).
Lớp L3&4 là lớp đất yếu, tuy nhiờn lớp này nằm gần mặt đất nờn dễ gõy ảnh hưởng đến cỏc cụng trỡnh trờn bề mặt trong quỏ trỡnh khoan phụt vữa cao ỏp. Hơn nữa, trong nền đất thỡ độ lỳn lớn nhất nằm tại khu vực ngay trờn đường hầm và giảm dần về phớa bề mặt đất. Với cựng một lượng thể tớch mất mỏt thỡ khi cứng húa lớp ngay phớa trờn hầm sẽ phõn tỏn chuyển vị theo bề rộng và giảm độ lỳn lệch. Vỡ vậy chọn bề dày xử lý là toàn bộ lớp L1_s2 và phần dưới của lớp L3&4 (đến cốt 0.0m), bề rộng tớnh từ trục thẳng đứng giữa 2 đường hầm về bờn trỏi là 18 m và vể bờn phải là 25m (phạm vi lỳn lệch > 2‰), chiều dài xử lý 250m (từ Km 21+ 658 đến Km 21+ 808) (hỡnh 4.7).
Hỡnh 4.7: Mặt cắt xử lý nền bằng đất – xi măng.
Tham khảo cụng trỡnh Đập Khe Ngang (Thừa Thiờn Huế) do Viện Thủy Cụng xử lý sự cố bằng cọc xi măng đất, lớp đất nền cú cỏc chỉ tiờu cơ lý tương tự với lớp L3&4:
Hệ số rỗng e = 1.37.
Gúc ma sỏt trong = 9o15’ Lực dớnh đơn vị C = 12 kPa.
Mụ đun biến dạng : E0 = 3300 kPa. Độ ẩm tự nhiờn = 47%.
N SPT =5.
Sau khi xử lý nền này với tỷ lệ 300 kg/m3 thỡ kết quả cọc xi măng - đất cú cỏc chỉ tiờu cơ lý: Cường độ khỏng nộn một trục khụng hạn chế nở hụng qu = 800 kPa, gúc ma sỏt trong = 40o, lực dớnh đơn vị C = 70 kPa. [4].
Với lớp L_1s2, hiện tại chưa cú tài liệu tham khảo lớp đất tương đương đó được xử lý, tuy nhiờn do lớp này cú cường độ tốt hơn lớp L3&4 nờn cú thể giảm hàm lượng xi măng để cú kết quả nền đó được xử lý với cỏc chỉ tiờu cơ lý: qu = 800 kPa,
L1_s2 L3&4 Phạm vi xử lý nền 18 m 25 m 11.1 m 7.2 m
= 40o, C = 70 kPa hoặc cú thể giữ nguyờn hàm lượng xi măng thỡ nền sẽ ss]ơcj xử lý tốt hơn.
Để tớnh toỏn nền xử lý bằng xi măng đất, cú thể dựng phương phỏp nền tương đương. Theo phương phỏp nền tương đường, nền đất bao gồm phần đất chưa xử lý và phần đó xử lý được coi như nền đồng nhất với cỏc chỉ tiờu cơ lý được tớnh quy đổi như sau:
Ptd = m.Pc + (1-m). Ps (4.1)
Trong đú: m là tỷ lệ giữa thể tớch phần đất được gia cố và thể tớch đất nền. Ptd: Chỉ tiờu cơ lý của nền tương đương (gồm cỏc chỉ tiờu E, C’, ’). Pc: Chỉ tiờu cơ lý của phần đất đó được xử lý (gồm cỏc chỉ tiờu E, C’, ’).
Ps: Chỉ tiờu cơ lý của phần đất chưa được xử lý (gồm cỏc chỉ tiờu E, C’, ’). [11] Trọng lượng riờng của nền đó được xử lý lấy bằng trọng lương riờng của đất chưa được xử lý. Mụ đun đàn hồi E được lấy bằng 100 x qu. (Theo tiờu chuẩn Mỹ FHWH – RD -99-138 thỡ E = 100 300.qu, ở Nhật Bản dựng cho tớnh toỏn đường thủy lấy E = 50 150.qu [3]). Với đất sột coi như hệ số thấm khụng thay đổi sau khi xử lý.
Dựng phương phỏp tớnh toỏn nền tương đương để đưa cỏc thụng số vào mụ hỡnh, tỷ lệ thể tớch gia cố được thay đổi lần lượt là 20%, 40%, 60% và 80% để lựa chọn tỷ lệ gia cố hợp lý. Kết quả phõn tớch biến dạng theo phương phỏp PTHH 2D, sử dụng phần mềm Plaxis V8.2. Sử dụng mụ hỡnh vật liệu Hardening soil, cỏc chỉ tiờu cơ lý được trỡnh bày trong bảng 4.2 và bẳng 4.3. trước và sau khi xử lý nền thể hiện trong hỡnh 4.8.
Bảng 4.2: Cỏc chỉ tiờu cơ lý tớnh toỏn lớp tương đương L1_s2 Chỉ tiờu cơ lý Lớp L1_s2 Lớp xi măng đất Lớp tương đương Tỷ lệ gia
cố 20 % Tỷ lệ gia cố 40 % Tỷ lệ gia cố 60 % Tỷ lệ gia cố 80 %
bh(kN/m3) 19.3 19.3 19.3 19.3 19.3 19.3 (kN/m3) 19.0 19.0 19.0 19.0 19.0 19.0 ’ (độ) 25 40 29.5 31.0 34.0 37.0 C’(kPa) 25 70 38.5 43.0 52.0 61.0 Eref50 (kPa) 5200 80000 27640 35120 50080 65040 Erefur (kPa) 82920 105360 150240 195120
K (m/ngày) 2.6E-04 2.6E-04 2.6E-04 2.6E-04 2.6E-04 2.6E-04
Bảng 4.3: Cỏc chỉ tiờu cơ lý tớnh toỏn lớp tương đương L3&4
Chỉ tiờu cơ lý Lớp L3&4 Lớp xi măng đất Lớp tương đương Tỷ lệ gia cố 20 % Tỷ lệ gia cố 40 % Tỷ lệ gia cố 60 % Tỷ lệ gia cố 80 % bh(kN/m3) 16.7 16.7 16.7 16.7 16.7 16.7 (kN/m3) 16.0 16.0 16.0 16.0 16.0 16.0 ’ (độ) 25 40 24.0 28.0 32.0 36.0 C’(kPa) 25 70 18.0 31.0 44.0 57.0 Eref50 (kPa) 5200 80000 10240 17680 25120 32560 Erefur (kPa) 30720 53040 75360 97680
Cỏc kết quả tớnh toỏn được thể hiện trong hỡnh 4.8 và hỡnh 4.9
a)
b)
Hỡnh 4.8: Kết quả phõn tớch trước và sau khi xử lý nền a) Độ lỳn; b) Độ lỳn lệch
4.3 Nhận xột
Theo hỡnh 4.8, để độ lỳn và độ lỳn lệch nằm trong giới hạn cho phộp theo tiờu chuẩn thiết kế múng cọc TCXD 205 : 1998 của Việt Nam (độ lỳn khụng quỏ 8 cm, độ lỳn lệch khụng quỏ 2 ‰) thỡ tỷ lệ gia cố nền bằng phương phỏp khoan phụt vữa xi măng ỏp lực cao phải đạt khoảng 80 %. Nếu theo tiờu chuẩn đỏnh giỏ sự hư hỏng của Rankin (1988) (bảng 3.2) thỡ chỉ cần gia cố nền với tỷ lệ 20% thỡ độ lỳn là 4.3 cm và độ lỳn lệch là 2.5 ‰ ứng với cấp độ hư hỏng nhẹ.
Mục 4.2.2 chỉ nờu lờn hướng giải quyết đối với việc xử lý nền. Trước khi xử lý nền cần thớ nghiệm xỏc định cỏc chỉ tiờu cơ lý của dất – xi măng ứng với cỏc hàm lượng xi măng khỏc nhau để cú được cỏc thụng số đưa vào tớnh toỏn chớnh xỏc. Ngoài ra cũng cú thể tớnh toỏn chi tiết để thu hẹp hơn phạm vi xử lý để giảm chi phớ, hoặc cú thể thiết kế chỉ tiờu cơ lý xi măng đất và tỷ lệ gia cố phự hợp hơn.
4.4 Túm tắt chương 4
Chương 4 đó nờu được một số biện phỏp phũng trỏnh rủi ro cho việc xõy dựng đường hầm và kiến nghị một số giải phỏp để giảm thiểu rủi ro cho đường tàu điện ngầm tuyến số 3 Nhổn – Ga Hà Nội. Biện phỏp thay đổi độ sõu đặt hầm và khoảng cỏch cỏc hầm khỏ đơn giản và tiết kiệm chi phớ, trong khi biện phỏp xử lý nền khỏ