Luận văn Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua đô thị phù hợp với điều kiện khu vực thành phố Hồ Chí Minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------oao------------------ PHẠM MINH TIẾN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG HẦM GIAO THÔNG QUA ĐÔ THỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ MÃ SỐ NGÀNH : 60 58 30 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---------------- ---oOo--- Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: PHẠM MINH TIẾN Giới tính : Nam þ/ Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 16/04/1979 Nơi sinh : Hà Tây Chuyên ngành : Xây dựng đường ô tô và đường thành phố (Mã số : 60 58 30) Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG HẦM GIAO THÔNG QUA ĐÔ THỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM” 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: “Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua đô thị phù hợp với điều kiện khu vực Tp.HCM” với các nội dung chính như sau: Chương 1. Tổng quan về công trình ngầm giao thông đô thị, các biện pháp thi công công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam Chương 2. Phân vùng địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Chương 3. Sự làm việc của hầm trong môi trường đất Chương 4. Các phương pháp tính toán công trình hầm. Chương 5. Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với điều kiện của khu vực nghiên cứu Chương 6. Một số vấn đề cần giải quyết khi xây dựng công trình hầm trong điều kiện đô thị thành phố Hồ Chí Minh Phần kết luận và kiến nghị 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/02/2007 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/11/2007 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS. LÊ VĂN NAM Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. LÊ VĂN NAM Cán bộ chấm nhận xét 1: Cán bộ chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày. . . . . . tháng . . . . .năm . . . . . . LỜI CẢM ƠN Luận văn “Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua đô thị phù hợp với điều kiện khu vực Tp.HCM” được thực hiện từ tháng 02/2007 đến tháng 11/2007 với mục đích nghiên cứu đưa ra phương pháp tính toán, thi công hầm giao thông bằng phương pháp phù hợp. Đề tài cũng đưa ra những lý thuyết để chọn chiều sâu đặt hầm, ảnh hưởng của công trình lân cận,… Luận văn cũng đưa ra ví dụ tính toán tham khảo cho đoạn tuyến metro tại Thành phố Hồ Chí Minh với địa chất đã được khảo sát. Tôi xin trân trọng cảm ơn Thầy PGS. TS. Lê Văn Nam đã giúp đỡ, tận tình hướng dẫn và cung cấp các thông tin cần thiết để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của TS. Phùng Mạnh Tiến, là người thầy và cũng là đồng nghiệp, đã có góp ý, hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn thầy TS. Trịnh Văn Chính đã cung cấp tài liệu và có những góp ý hữu ích trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Bộ môn Cầu đường và Khoa Sau Đại học của Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, các bạn trong lớp CĐ K2005, các đồng nghiệp đã giúp tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn để có thể thực hiện tốt đề tài. Xin cảm ơn mọi người trong gia đình tôi đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về thời gian để tôi hoàn thành luận văn đúng tiến độ. Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Tôi rất mong được sự đóng góp của quý Thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Phạm Minh Tiến TÓM TẮT ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG HẦM GIAO THÔNG QUA ĐÔ THỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM” Giới thiệu chung Xác định mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu luận văn, nêu được ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận văn. Chương 1. Tổng quan về công trình ngầm, các biện pháp thi công công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam Nêu tổng quan về các công trình ngầm theo lịch sử phát triển trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Sơ bộ các phương pháp tính toán cũng như các phương pháp thi công đường hầm phổ biến trên thế giới hiện nay. Luận văn chú trọng vào khu vực có địa chất yếu qua đô thị nên có những nhận xét tổng quan và yêu cầu khi tính toán, thi công đường hầm qua khu vực đặc trưng này. Chương 2. Đặc điểm địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh Dựa trên số liệu địa chất của các dự án lớn, có đủ số liệu thí nghiệm của các dự án đang triển khai trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh để tổng hợp và có cái nhìn tổng quan về địa chất của khu vực. Qua đó lựa chọn địa chất đặc trưng và có nhận xét, kiến nghị một số lưu ý khi xây dựng hầm qua khu vực địa chất này. Chương 3. Sự làm việc của hầm trong môi trường đất Nghiên cứu các đặc tính cơ bản của đất để từ đó xác định được cơ chế tác dụng của áp lực địa tầng lên công trình ngầm. Từ đó cũng thấy được ứng xử của đất - kết cấu tùy theo loại đất sẽ quyết định hình dáng, kích thước hầm. Ngoài ra việc xác định các tổ hợp tải trọng cũng có ý nghĩa quan trọng đảm bảo công trình ổn định và an toàn trong quá trình thi công và khai thác. Chương 4. Các phương pháp tính toán công trình hầm. Nghiên cứu các phương pháp tính toán công trình ngầm theo các phương pháp chính là phương pháp lực, phương pháp biến dạng, phương pháp phần tử hữu hạn, … Từ đó rút ra phương pháp tính và mô hình tính toán hợp lý với điều kiện địa chất yếu để áp dụng cho phù hợp. Chương 5. Phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với điều kiện của khu vực nghiên cứu Với địa chất yếu, không có điều kiện đào hở thì phương pháp đào kín bằng khiên đào là phù hợp nhất. Chương này tìm hiểu kỹ về phương pháp khiên đào từ khi phát minh cho đến nay, từ đơn giản đến phức tạp. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các loại khiên đào hiện đại như phương pháp khiên cân bằng áp lực đất, khiên cân bằng áp lực vữa, khiên bọt khí, khiên đa mặt, khiên nhiều trục, khiên mặt cắt tự do, khiên hình cầu… cùng với đặc điểm cũng như phạm vi áp dụng thích hợp của chúng để có thể áp dụng vào từng điều kiện cụ thể hợp lý nhất. Sự đa dạng của khiên cho phép giải quyết các vấn đề thi công hầm gần như không hạn chế. Chương 6. Một số vấn đề cần giải quyết khi xây dựng công trình hầm trong điều kiện đô thị thành phố Hồ Chí Minh Do công trình ngầm đi qua khu vực địa chất yếu trong điều kiện đô thị đông đúc nên để đảm bảo thi công và khai thác an toàn cho công trình ngầm cũng như các công trình lân cận thì cần phải giải quyết một số bài toán thực tế. Các bài toán cơ bản đặt ra la các bài toán tìm chiều sâu đặt hầm hợp lý, tính toán ảnh hưởng của hầm đến các công trình ngầm cũng như các công trình trên mặt đất lân cận. Từ đó xác định được phạm vi an toàn và mức độ ảnh hưởng lên các công trình để có các biện pháp xử lý thích hợp. Chương 7. Kết luận và kiến nghị MỤC LỤC Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM, CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM .................................................................................. 3 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM ............................................... 3 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM ............... 9 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM.................. 9 1.3.1 Phương pháp mỏ (phương pháp khoan nổ) ..................................... 10 1.3.2 Phương pháp dùng máy đào các loại thích hợp với thi công đường hầm trên núi, thi công đường hầm nông và trong đất mềm............................. 11 1.3.3 Phương pháp đào lộ thiên là phương pháp thi công đường hầm nông và trong đất mềm ........................................................................................... 11 1.3.4 Phương pháp tường liên tục dưới đất thi công hầm trong đất mềm yếu ........................................................................................................ 11 1.3.5 Phương pháp khiên.......................................................................... 11 1.3.6 Phương pháp hạ chìm...................................................................... 11 1.3.7 Đánh giá và đề xuất phương án....................................................... 12 1.4 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM GIAO THÔNG ĐÔ THỊ KHU VỰC TP.HCM................................................................................13 1.4.1 Bối cảnh .......................................................................................... 13 1.4.2 Đặc điểm công trình ngầm đô thị..................................................... 13 Chương 2. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC TP.HCM ............................ 16 2.1 Thống kê số liệu địa chất ..........................................................................16 2.2 Đặc điểm địa chất .....................................................................................17 2.3 Lựa chọn các thông số đặc trưng dùng tính toán .......................................24 2.4 Một số lưu ý .............................................................................................25 2.4.1 Cát có thể chảy lỏng........................................................................ 25 2.4.2 Khả năng ăn mòn bê tông của nước ngầm....................................... 25 Chương 3. SỰ LÀM VIỆC CỦA HẦM TRONG ........................................... 26 MÔI TRƯỜNG ĐẤT.......................................................................................... 26 3.1 Các đặc tính cơ bản của đất ......................................................................26 3.1.1 Đất đá và các tính chất cơ bản của nền đất yếu............................... 26 3.1.1.1 Biến dạng của đất đá ................................................................... 26 3.1.1.2 Độ bền của đất đá........................................................................ 27 3.1.1.3 Tính lưu biến của đất đá .............................................................. 29 3.1.1.4 Hệ số kiên cố ............................................................................... 30 3.1.2 Nền đất yếu ..................................................................................... 32 3.1.2.1 Các tính chất của nền đất yếu ...................................................... 32 3.2 Điều kiện địa chất, thuỷ văn ảnh hưởng đến công trình ngầm...................33 3.3 Áp lực địa tầng lên công trình ngầm.........................................................34 3.4 Ứng xử đất – kết cấu của đất xung quanh đường hầm...............................36 3.4.1 Sự phân bố ứng suất trong đất nền xung quanh hầm ....................... 36 3.4.2 Các phương pháp xác định áp lực địa tầng...................................... 41 3.4.2.1 Tính toán áp lực địa tầng theo quan điểm môi trường phân tán ... 42 3.4.2.2 Tính toán áp lực ngang ................................................................ 48 3.4.2.3 Tính toán phản lực đáy hầm......................................................... 49 3.5 Tải trọng tác dụng lên đường hầm ............................................................51 Chương 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN........................................... 53 CÔNG TRÌNH NGẦM....................................................................................... 53 4.1 Các phương pháp lực ...............................................................................53 4.1.1 Phương pháp SN.Naumov................................................................ 53 4.1.2 Phương pháp G.G. Zurabov ............................................................ 53 4.1.3 Phương pháp thay thế bằng hệ thanh .............................................. 54 4.1.4 Phương pháp S.A. Orlov.................................................................. 54 4.1.5 Phương pháp S.S. Đavưđov ............................................................. 54 4.1.6 Phương pháp I.A. Malikova............................................................. 55 4.2 Các phương pháp biến dạng ....................................................................55 4.2.1 Phương pháp Ya. Bialer .................................................................. 56 4.2.2 Phương pháp K.V.Ruppenneyt,V.A. Lutkin, A.N. Dranovxki ............ 56 4.2.3 Phương pháp B.G. Galerkin ............................................................ 56 4.2.4 Phương pháp M.M. Protodiakonov.................................................. 56 4.3 Phương pháp phần tử hữu hạn .................................................................57 4.3.1 Khái niệm chung về phương pháp PTHH ........................................ 57 4.3.2 Phương pháp PTHH trong tính toán công trình ngầm ..................... 59 4.3.2.1 Các mô hình tính.......................................................................... 59 4.3.2.2 Các dạng phần tử......................................................................... 59 4.3.2.3 Nguyên tắc chia lưới phần tử ....................................................... 67 4.3.2.4 Các dạng mô hình nền ................................................................. 68 4.3.3 Giới thiệu một số phần mềm tính toán sử dụng phương pháp PTHH 71 4.4 Phương pháp phần tử rời rạc.....................................................................71 4.5 Các phương pháp tính toán thiết kế đường hầm phù hợp đối với địa chất mềm yếu...................................................................................................72 4.5.1 Tính toán kết cấu hầm theo phương pháp thay thế bằng hệ thanh.... 73 4.5.2 Tính toán kết cấu công trình hầm dạng vòm hình yên ngựa ............. 76 4.5.3 Tính toán kết cấu công trình hầm dạng tròn .................................... 77 Chương 5. PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM PHÙ HỢP VỚI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ................................................... 79 5.1 Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với khu vực địa chất mềm yếu...................................................................................................79 5.2 Biện pháp thi công hầm bằng phương pháp khiên đào ..............................80 5.2.1 Lịch sử phát triển hầm theo phương pháp khiên (shield) ................. 80 5.2.2 Cấu tạo, phân loại khiên đào........................................................... 86 5.2.2.1 Cấu tạo của khiên ........................................................................ 86 5.2.2.2 Phân loại khiên............................................................................ 90 5.2.2.3 Căn cứ chọn loại khiên ................................................................ 92 5.2.3 Nguyên lý cơ bản của thi công hầm bằng khiên đào ........................ 93 5.2.3.2 Máy đào và phương pháp thi công khiên cân bằng áp lực đất (Earth Pressure Balanced Shield – EPB Shield).................................................... 95 5.2.3.3 Máy đào và phương pháp thi công khiên dung dịch vữa (Slurry Shield) .................................................................................................... 97 5.2.4 Các phương pháp mới thi công bằng khiên đào..............................100 5.2.4.1 Phương pháp khiên đa mặt MF (Multi Face) .............................100 5.2.4.2 Phương pháp khiên nhiều trục lệch tâm DPLEX (Developing Parallel Link EXcavating shield Method)..................................................102 5.2.4.3 Phương pháp khiên mặt cắt tự do................................................104 5.2.4.4 Phương pháp khiên hình cầu.......................................................106 5.2.4.5 Phương pháp khiên MSD (Mechanical Shield Docking)..............109 5.2.4.6 Phương pháp khiên MMST (Multi Micro Shield Tunnel).............110 5.2.4.7 Phương pháp khiên bọt khí .........................................................111 5.2.4.8 Phương pháp khiên CPS (Chemical Plug Shield)........................113 5.2.4.9 Phương pháp khiên DOT (Double O Tube).................................114 5.2.4.10 Phương pháp khiên H & V .........................................................115 5.2.4.11 Phương pháp khiên mở rộng cục bộ ...........................................118 5.2.5 Ưu khuyết điểm của biện pháp thi công hầm bằng khiên đào..........119 5.2.5.1 Ưu điểm của thi công đường hầm theo phương pháp khiên.........119 5.2.5.2 Khuyết điểm của thi công đường hầm theo phương pháp khiên...120 Chương 6. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG ĐIỀU KIỆN TP. HỒ CHÍ MINH ......121 6.1 Tính toán đường hầm có xét ảnh hưởng của các công trình lân cận ........121 6.1.1 Cấu tạo đường hầm trong đất yếu ..................................................121 6.1.1.1 Bố trí chung của đường hầm ......................................................121 6.1.1.2 Mặt cắt ngang đường hầm trong nền đất yếu ..............................122 6.1.1.3 Kích thước mặt cắt ngang đường hầm trong nền đất yếu ............122 6.1.2 Bài toán 1: Xác định độ sâu đặt hầm hợp lý ...................................125 6.1.3 Bài toán 2: Ảnh hưởng của 2 đường hầm lân cận nhau ..................130 6.1.3.1 Bài toán biến thiên khoảng cách theo phương ngang ..................130 6.1.3.2 Bài toán biến thiên khoảng cách theo phương đứng....................134 6.1.4 Bài toán 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của công trình trên mặt đất xuống công trình ngầm............................................................................................138 Chương 7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................143 7.1 Kết luận..................................................................................................143 7.2 Kiến nghị................................................................................................144 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại hầm ở Việt Nam theo tiêu chí kiểu/loại hầm............................. 5 Bảng 2.1 Đặc tính địa chất công trình của lớp A ................................................... 18 Bảng 2.2 Đặc tính địa chất công trình của lớp B ................................................... 19 Bảng 2.3 Đặc tính địa chất công trình của lớp C ................................................... 20 Bảng 2.4 Đặc tính địa chất công trình của lớp D ................................................... 22 Bảng 2.5 Đặc tính địa chất công trình của lớp E.................................................... 23 Bảng 3.1 Phân loại đất đá theo M.M.PROTODIAKONOV .................................. 31 Bảng 3.2 Bảng tra hệ số ứng suất tập trung .......................................................... 40 Bảng 3.3 Bảng phân loại tải trọng tác dụng lên hầm.............................................. 51 Bảng 5.1 Một số đường hầm xây dựng trên thế giới bằng phương pháp khiên đào 85 Bảng 5.2 Bảng phân loại khiên áp dụng trong các địa tầng thích ứng.................... 91 Bảng 6.1 Bảng quan hệ hệ số kiên cố – bề dày vòm .............................................123 Bảng 6.2 Thông số đất nền...................................................................................124 Bảng 6.3 Thông số vật liệu vỏ hầm ......................................................................125 Bảng 6.4 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị và nội lực hầm theo chiều sâu chôn hầm ............................................................................................................................127 Bảng 6.5 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị và nội lực hầm trên hầm 1 theo khoảng cách xây dựng hầm 2 ...........................................................................................131 Bảng 6.6 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị và nội lực hầm trên hầm 1 theo khoảng cách xây dựng hầm 2 ...........................................................................................135 Bảng 6.7 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị theo khoảng cách B..........................140 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hầm khai thác mỏ Excelsior (Anh)........................................................... 6 Hình 1.2 Metro Columbia Heights (Mỹ) ................................................................. 6 Hình 1.3 Đường hầm The Second Heinenoord ........................................................ 7 Hình 1.4 Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân (Việt Nam)............................................ 7 Hình 1.5 Hầm chui Tân Tạo cắt ngang QL1A (Việt Nam) ...................................... 8 Hình 1.6 Hầm treo nổi trong nước........................................................................... 8 Hình 2.1 Bình đồ tuyến metro Bến Thành – Suối Tiên...........................................16 Hình 2.2 Bình đồ tuyến Đại lộ Đông - Tây.............................................................17 Hình 2.3 Bản đồ địa chất khu vực Tp.HCM ...........................................................24 Hình 3.1 Vòng tròn Mohr.......................................................................................28 Hình 3.2 Biến dạng của đất đá theo thời gian. ........................................................29 Hình 3.3 Sự phân bố ứng suất đất đá xung quanh hầm ...........................................37 Hình 3.4 Áp lực thẳng đứng trường hợp đào thẳng đứng........................................43 Hình 3.5 Áp lực thẳng đứng trường hợp đào thành nghiêng ...................................44 Hình 3.6 Vòm cân bằng áp lực...............................................................................46 Hình 3.7 Sơ đồ xác định kích thước vòm cân bằng.................................................46 Hình 3.8 Sơ đồ xác định áp lực thẳng đứng và áp lực ngang ..................................48 Hình 3.9 Sơ đồ xác định áp lực đẩy trồi .................................................................50 Hình 3.10 Sự phân bố áp lực đáy ...........................................................................50 Hình 4.1 Sơ đồ tính toán kết cấu ngầm dạng vòm hình yên ngựa ...........................54 Hình 4.2 Phần tử thanh 2 nút..................................................................................60 Hình 4.3 Phần tử thanh 3 nút..................................................................................60 Hình 4.4 Phần tử dầm 2 nút....................................................................................60 Hình 4.5 Phần tử dầm 3 nút....................................................................................60 Hình 4.6 Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 1............................................63 Hình 4.7 Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 2............................................63 Hình 4.8 Phần tử tam giác biến dạng khối loại 1 ....................................................63 Hình 4.9 Phần tử tam giác biến dạng khối loại 2 ....................................................63 Hình 4.10 Phần tử tứ giác biến dạng tuyến tính......................................................64 Hình 4.11 Phần tử tứ giác biến dạng khối...............................................................64 Hình 4.12 Phần tử khối biến dạng tuyến tính loại 1................................................64 Hình 4.13 Phần tử khối biến dạng tuyến tính loại 2................................................64 Hình 4.14 Mô hình phần tử tiếp xúc phẳng của Goodman......................................65 Hình 4.15 Mô hình phần tử tiếp xúc không gian của Goodman ..............................66 Hình 4.16 Quan hệ ƯS-BD của mô hình đàn dẻo lý tưởng.....................................69 Hình 4.17 Tính toán hầm theo phương pháp thay thế bằng hệ thanh ......................74 Hình 4.18 Sơ đồ tính toán kết cấu ngầm dạng vòm hình yên ngựa .........................76 Hình 4.19 Sơ đồ chịu lực và hệ cơ bản để tính hầm dạng hình tròn ........................77 Hình 5.1 Khiên bản quyền của Brunel (1860) ........................................................80 Hình 5.2 Phương pháp khiên đào áp dụng cho hầm qua sông Thames (Anh) .........81 Hình 5.3 Kết cấu khiên dùng vữa của Greathead....................................................82 Hình 5.4 Kết cấu khiên vữa Haag (1896) ...............................................................83 Hình 5.5 Khiên cân bằng áp lực đất của công ty Sato Kogyo Nhật Bản..................83 Hình 5.6 Sơ đồ cấu tạo cơ bản của khiên................................................................86 Hình 5.7 Vành miệng cắt .......................................................................................87 Hình 5.8 Thiết bị bịt kín sau đuôi khiên .................................................................88 Hình 5.9 Thiết bị bịt kín 3 cấp sau đuôi khiên ........................................................88 Hình 5.10 Máy lắp ráp hình vành tròn....................................................................89 Hình 5.11 Máy hình tròn xoay ...............................................................................89 Hình 5.12 Phương pháp thi công hầm bằng khiên đào............................................93 Hình 5.13 Một giếng đứng để thi công hầm bằng khiên ở Barcelona......................94 Hình 5.14 Hình 5.9. Công nghệ thi công đường hầm trong nền đất yếu..................94 Hình 5.15 Sơ đồ hệ thống thi công bằng khiên cân bằng áp lực đất ........................95 Hình 5.16 Sơ đồ cấu tạo của khiên cân bằng áp lực đất ..........................................95 Hình 5.17 Sơ đồ cấu tạo của khiên cân bằng áp lực đất (3D)..................................95 Hình 5.18 Sơ đồ cấu tạo của khiên dung dịch vữa ..................................................97 Hình 5.19 Sơ đồ hệ thống thi công bằng khiên dung dịch vữa................................99 Hình 5.20 Khiên MF............................................................................................101 Hình 5.21 Đường hầm Kyobashi..........................................................................101 Hình 5.22 Nhà ga Osaka Business Park ...............................................................102 Hình 5.23 Sơ đồ nguyên lý khiên nhiều trục lệch tâm ..........................................102 Hình 5.24 Khiên DPLEX hình chữ nhật 3.98x4.38m ...........................................103 Hình 5.25 Khiên DPLEX hình ovan, D=3.48m ....................................................103 Hình 5.26 Cấu tạo chung khiên mặt cắt tự do.......................................................104 Hình 5.27 Các hình dạng mặt cắt ngang hầm thi công bằng khiên mặt cắt tự do ..104 Hình 5.28 Khiên mặt cắt tự do .............................................................................105 Hình 5.29 Mặt cắt ngang đường hầm được thi công bằng khiên trên ....................105 Hình 5.30 Cấu tạo chung khiên hình cầu..............................................................106 Hình 5.31 Sơ đồ làm việc của khiên hình cầu đào liên tục kiểu dọc – ngang ........107 Hình 5.32 Khiên hình cầu đào cự ly dài có đường kính 9.45m .............................108 Hình 5.33 Sơ họa khiên MSD ..............................................................................109 Hình 5.34 Khiên MSD có đường kính 4.1m, tổng chiều dài 1515m (707m + 808m), loại khiên dung dịch bùn. .....................................................................................110 Hình 5.35 Khiên MMST ......................................................................................111 Hình 5.36 Khiên bọt khí.......................................................................................112 Hình 5.37 Cấu tạo khiên bọt khí...........................................................................113 Hình 5.38 Sơ đồ cấu tạo khiên CPS .....................................................................114 Hình 5.39 Khiên DOT..........................................................................................115 Hình 5.40 Sơ đồ nguyên lý khiên H&V ...............................................................116 Hình 5.41 Khiên H&V.........................................................................................117 Hình 5.42 Sơ đồ nguyên lý thi công mở rộng cục bộ............................................118 Hình 5.43 Thi công đường hầm theo phương pháp khiên không bị ảnh hưởng bởi điều kiện tự nhiên ................................................................................................119 Hình 5.44 Hầm theo phương pháp khiên có thể bảo vệ tự nhiên trên mặt đất .......119 Hình 6.1 Mặt cắt ngang điển hình vỏ hầm............................................................124 Hình 6.2 Sơ đồ khối tính toán kết cấu vỏ hầm......................................................126 Hình 6.3 Mô hình bài toán hầm đơn trong Plaxis ................................................126 Hình 6.4 Biểu đồ quan hệ độ sâu chôn hầm H – lực dọc Nmax ............................127 Hình 6.5 Biểu đồ quan hệ độ sâu chôn hầm H – moment Mmax ..........................128 Hình 6.6 Biểu đồ quan hệ độ sâu chôn hầm H – chuyển vị...................................128 Hình 6.7 Mô hình bài toán hầm đôi theo phương ngang trong Plaxis ...................130 Hình 6.8 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – Chuyển vị.................132 Hình 6.9 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – moment Mmax.........132 Hình 6.10 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – chuyển vị................132 Hình 6.11 Mô hình bài toán hầm đôi theo phương đứng trong Plaxis ...................134 Hình 6.12 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm đứng h – Chuyển vị .................136 Hình 6.13 Biểu đồ quan hệ cách tim hầm đứng h – moment Mmax......................136 Hình 6.14 Biểu đồ quan hệ cách tim hầm đứng h – chuyển vị ..............................136 Hình 6.15 Các điểm chảy dẻo trong nền tương ứng h=12m & h=15m..................138 Hình 6.16 Mô hình bài toán trong Plaxis với B=10m ...........................................139 Hình 6.17 Biến dạng sau cùng của hầm, đất nền và nhà với B=10m.....................140 Hình 6.18 Biểu đồ chuyển vị tại các vị trí ứng với khoảng cách B .......................141 - 1 - GIỚI THIỆU CHUNG I. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN 1. NHIỆM VỤ : Từ đầu thế kỷ 19 đến nay, song song với việc đô thị hóa, khối lượng xây dựng nhà ở và công trình công cộng ngày càng tăng, sự liên tục phát triển mạng lưới giao thông đường bộ, sự hình thành các công trình và cụm công trình công nghiệp mới, các xí nghiệp… đang yêu cầu đô thị dành riêng cho những khu đất lớn. Những khu đất đó, đặc biệt tại những khu trung tâm nhằm đô thị, ngày càng khan hiếm. Việc phát triển và sử dụng các không gian trên cao và không gian ngầm nhằm tăng quỹ không gian đô thị, nâng cao năng lực lưu thông và vận chuyển hàng hóa, hành khách… là một tất yếu khách quan. Việc xây dựng công trình ngầm phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa chất và địa hình của khu vực xây dựng nên việc áp dụng các biện pháp thi công cũng như tính toán mang tính khu vực. Để có phương pháp tính toán và biện pháp thi công phù hợp nhất với khu vực xây dựng thì cần phải có các nghiên cứu cụ thể. Do đó việc nghiên cứu cách tính toán và biện pháp thi công phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất là một việc làm cần thiết. Theo số liệu thống kê năm 2005 [10], thành phố Hồ Chí Minh với diện tích 2095 km2 và dân số là 6.239.938 người hiện là thành phố lớn nhất cả nước. Mật độ dân số của thành phố hiện nay là 2.920 người/km2. Trung bình từ năm 1999 đến 2004, tốc độ tăng dân số bình quân tại thành phố là 3,6%, cao hơn gần gấp 2 lần so với tỉ lệ tăng dân số tự nhiên của cả nước. Thông thường thành phố từ 1 triệu dân trở lên là đã yêu cầu cần có giao thông ngầm. Với quy mô thành phố như hiện nay, việc xây dựng hệ thống giao thông ngầm là thực sự cần thiết và cấp bách. Địa chất tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh là địa chất yếu có chiều dày khá lớn, ngoài ra còn có đặc điểm địa hình, nền móng công trình đặc thù. Do đó việc nghiên cứu để có phương pháp tính toán và biện pháp thi công phù hợp là việc làm hết sức cần thiết. Nghiên cứu sẽ góp phần làm chính xác hóa các tính toán phù hợp với điều kiện thực - 2 - tế và giảm thiểu chi phí xây dựng công trình, giảm thiểu nguy cơ xảy ra sự cố trong quá trình thi công và khai thác là một yếu tố rất quan trọng trong việc xây dựng công trình ngầm. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. 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. 2. NỘI DUNG LUẬN VĂN : Chương 1. Tổng quan về công trình ngầm, các biện pháp thi công công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam Chương 2. Đặc điểm địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Chương 3. Sự làm việc của hầm trong môi trường đất. Chương 4. Các phương pháp tính toán công trình hầm. Chương 5. Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với điều kiện của khu vực nghiên cứu Chương 6. Một số vấn đề cần giải quyết khi xây dựng công trình hầm trong điều kiện đô thị thành phố Hồ Chí Minh Chương 7. Kết luận và kiến nghị - 3 - Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM, CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM Hầm là công trình được xây dựng trong lòng đất hoặc dưới lòng sông, biển. Hiện nay việc sử dụng công trình hầm rất phổ biến trên thế giới trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế, tuỳ theo mục đích sử dụng, phạm vi và phương pháp xây dựng ta có những loại hầm thích hợp. Thời thượng cổ con người đã biết đào các hầm ngầm đặc biệt để khai thác quặng mỏ và than đá. Người La Mã đã xây dựng các đường hầm ngầm thủy lợi đến nay vẫn còn tốt. Gắn liền với sự phát triển, của thiết bị và phương tiện sản xuất, con đường hầm hiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas qua kênh đào Midi dài 173m được xây dựng ở Pháp vào năm 1679 – 1681. Đường hầm càng phát triển khi vận chuyển đường sắt càng phát triển để vượt qua các chướng ngại vật như núi, đèo... Vào thế kỉ XX ở các thủ đô lớn trên thế giới đã xây dựng mạng lưới tàu điện ngầm đô thị hiện đại, đặc biệt là ở Maxcơva. Một số đường hầm tiêu biểu trên thế giới qua các thời kỳ như sau: · Năm 1826–1830 xây dựng đường hầm đường sắt dài 119m ở Anh. · Năm 1935 xây dựng đường tàu điện ngầm ở Matxocova. · Năm 1857–1871 xây dựng đường hầm Monxenis dài 12.8km nối Pháp và Ý · Năm 1872 – 1882 đường hầm Xen–Gotan dài 14482m nối Ý với Thụy Sỹ. · Đường hầm ôtô dài nhất là Xen-gatarskui l = 16320 xây dựng xong 1980. · Năm 1982 ở Nhật xây dựng xong đường hầm Dai –Shimizu dài 22 km. · Năm 1988, sau 20 năm, xây dựng đã hoàn thành con đường hầm đường sắt Sei-kan dưới biển nối liền hai hòn đảo ở Nhật dài 53,85 km trong đó 23,3 km nằm cách dưới đáy biển 100m, đây là con đường hầm dài nhất thế giới hiện nay. - 4 - · Đến tháng 1-1988 chiều dài đường hầm Matxcơva là 224 km với 135 ga (bến). Năm 2005, hệ thống xe điện ngầm của Nga kỷ niệm 70 năm thành lập với 276km đường hầm và 170 nhà ga. Hệ thống này phục vụ đến 9 triệu lượt người/ngày. · Năm 1991 nước Anh và nước Pháp xây dựng đường hầm xuyên qua eo biển Manche nối liền nước Anh và nước Pháp mang tên Euro Tunnel dài 50km (trong đó có 37,5km nằm sâu cách mặt nước biển khoảng 100m) hoàn thành năm 1994. Công trình được đánh giá là kỳ quan kỹ thuật ngầm giữa Anh và Pháp. · Năm 1995 trung Quốc đã xây dựng hầm đường bộ Tần Lĩnh dài 19,45km đã tạo một bước đột phá mới về kĩ thuật xây dựng đường hầm. Tại Việt nam, trước Cách mạng Tháng Tám 1945, năm 1930 có xây dựng hầm giao thông thủy Rú Cóc (ở xã Nam Sơn huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An), hầm ngầm xuyên qua núi giúp cho thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu sang hạ lưu sông Lam để tránh đi qua đập nước Đô Lương. Ngành đường sắt có một số hầm ngầm ở miền Trung, điển hình là hầm Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc Thừa Thiên Huế. Trong chiến tranh chống Pháp, chống Mỹ hầm được xây dựng nhiều song chủ yếu là hầm ngắn, nhằm phục vụ quốc phòng làm kho tàng, công sự… Sau ngày thống nhất đất nước 1975, đầu tiên xây dựng hầm Dốc Xây trên QL1A ở phía Nam tỉnh Ninh Bình dài khoảng 100m. Tháng 5/2002 Việt Nam đã khánh thành hầm Aroàng I trên đường Hồ Chí Minh dài 453m và tiếp tục xây dựng hầm Aroàng II. Hầm đường bộ đèo Hải Vân khẩu độ 12,85m cao 11m dài hơn 6,7km khánh thành vào ngày 02/06/2005 là một trong những dự án giao thông quan trọng áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến của nước ta trong công cuộc xây dựng đất nước. Khi hầm xây dựng xong đã rút ngắn thời gian qua đèo từ 1 giờ xuống còn 15 phút. - 5 - Hầm Thủ Thiêm nối quận 1 và quận 2 của Tp.HCM đang được xây dựng có các thông số sau : Chiều dài của hầm là 1.490m, gồm phần dìm dài 370m, phần hầm đào lấp 680m và đường dẫn hai đầu hầm 540m. Tiết diện hữu dụng của hầm đủ để bố trí sáu làn xe và hai đường thoát hiểm hai bên rộng 2x2m cùng các thiết bị thông tin liên lạc, thông gió, chiếu sáng, thoát nước... đảm bảo an toàn cho các phương tiện xe cơ giới, kể cả xe gắn máy lưu thông theo tốc độ thiết kế. Cho đến nay, Việt Nam có khoảng 52 hầm giao thông được xây dựng trong thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 theo các tiêu chuẩn thiết kế và thi công của Pháp, Nga, Trung Quốc, Áo ứng với mỗi thời kỳ khác nhau [7]: Bảng 1.1 Phân loại hầm ở Việt Nam theo tiêu chí kiểu/loại hầm Phân loại theo chiều dài Phân loại theo số lượng Loại hầm Chiều dài (m) Tỉ lệ % Số lượng Tỷ lệ % Hầm đường bộ 7625.00 38.97 5 9.62 Hầm đường sắt 11507.28 58.81 41 78.85 Hầm người đi 434.00 2.22 6 11.54 Tổng cộng 19566.28 100.00 52 100.00 Cùng với sự phát triển khoa học kĩ thuật và sự ra đời các công nghệ thi công hầm mới, hiện đại, trong tương lai không xa hầm và công trình ngầm ở nước ta sẽ có bước phát triển mới rất to lớn khi các tuyến đường giao thông phải đi vào các vùng đồi núi hiểm trở hoặc vùng đô thị lớn. Một số hình ảnh đường hầm trến thế giới và tại Việt Nam với những công dụng khác nhau: - 6 - Hình 1.1 Hầm khai thác mỏ Excelsior (Anh) Hình 1.2 Metro Columbia Heights (Mỹ) - 7 - Hình 1.3 Đường hầm The Second Heinenoord Hình 1.4 Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân (Việt Nam) - 8 - Hầm cho người đi bộ và xe máy trên Quốc lộ 1A đoạn An Sương – An Lạc: Hình 1.5 Hầm chui Tân Tạo cắt ngang QL1A (Việt Nam) Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hiện nay gần như chưa xảy ra trường hợp nào do ảnh hưởng của điều kiện địa chất mà dẫn đến khả năng không thể xây dựng được đường hầm và có thể nói là không hạn chế. Đường hầm được xây dựng trong những điều kiện địa chất, địa hình khó khăn. Thực tế nhiều tuyến đường hầm giao thông trên thế giới đã đi xuyên qua lòng sông, đáy biển là những nơi ẩn chứa điều kiện địa chất phức tạp, thậm chí có những đường hầm được treo trong nước. Hình 1.6 Hầm treo nổi trong nước - 9 - 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM Do tính chất nằm sâu trong lòng đất nên kết cấu công trình ngầm chịu lực tương đối phức tạp. Nội lực trong vỏ hầm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: tính chất của đất đá, cấu tạo địa tầng, hình dạng và kích thước vỏ hầm, phương pháp thi công cũng như đặc điểm sử dụng công trình ngầm. Về cơ bản có 2 phương pháp tính toán công trình ngầm là theo phương pháp lực và phương pháp biến dạng. Các phương pháp lực sử dụng các giả thiết về nền biến dạng cục bộ hay nền biến dạng tuyến tính làm cơ sở xác định chuyển vị của địa tầng trên vách hang, đưa về các sơ đồ tính toán của cơ học kết cấu. Các phương pháp lực có ý nghĩa thực nghiệm lớn, quá trình tính toán nói chung không quá phức tạp, đã được vận dụng nhiều trong thực tế. Phương pháp lực có một số tác giả như SN.Naumov, G.G. Zurabov, S.A. Orlov, S.S. Đavưđov, I.A. Malikova, phương pháp thay thế bằng hệ thanh của Viện thiết kế đường tàu điện ngầm Maxcơva… 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. Trong quá trình tính đưa về các sơ đồ tính toán của lý thuyết đàn hồi. Phương pháp biến dạng có một số tác giả như Ya. Bialer, K.V.Ruppenneyt, V.A. Lutkin, A.N. Dranovxki, B.G. Galerkin, M.M. Protodiakonov, … 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM Thi công đường hầm là thuật ngữ gọi chung phương pháp thi công xây dựng, kĩ thuật thi công và quản lý thi công các đường hầm và công trình ngầm. Lựa chọn phương pháp thi công chủ yếu phải dựa vào điều kiện địa chất và địa chất thủy văn, kết hợp với mặt cắt đường hầm, kiểu vỏ, công năng sử dụng và trình độ kỹ thuật thi công… cùng một số nhân tố khác nghiên cứu cân nhắc, tổng hợp lại để quyết định. - 10 - Dựa vào tình hình tầng đất mà đường hầm xuyên qua và sự phát triển phương pháp thi công hầm hiện nay, phương pháp thi công hầm có thể được phân ra: 1.3.1 Phương pháp mỏ (phương pháp khoan nổ) : Phương pháp mỏ truyền thống và phương pháp Áo mới. Đây là phương pháp thi công đường hầm miền núi Phương pháp mỏ truyền thống là phương pháp phát triển lên trong thực tiễn thi công lâu dài của con người. Phương pháp này dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chống tạm thời, đợi cho đến khi đường hầm hình thành xong, dần dần đem hệ che chắn tạm thời bằng vỏ xây toàn khối có tính vĩnh cửu. Phương pháp thi công đường hầm mới của Áo (New Austrian Tunneling Method - NATM). Năm 1948, các nguyên lý của NATM đã được công bố do nhà bác học người Áo L.V.Rabcewicz đề xuất, nội dung là: với một che chống dẻo ban đầu sẽ đạt được một cân bằng mới. Việc ấy được kiểm soát bằng các đo đạc tại chỗ. Sau khi đã đạt được sự cân bằng mới thì một vòm bên trong sẽ được xây dựng. Vào những năm 1960, NATM, phương pháp làm hầm mới của Châu Âu đã được các kỹ sư hầm của Trung Quốc tiếp nhận và áp dụng. NATM đã trở thành một đề tài phổ biến trong việc xây dựng công trình ngầm ở Trung Quốc. Hầm đường sắt Seikan (Nhật Bản) là hầm dài nhất thế giới hoàn thành năm 1988, tổng chiều dài 53.8km, trong đó có 23.3km nằm cách dưới đáy biển 100m đã ứng dụng công nghệ này. Tại Việt Nam, hầm đường bộ đèo Hải Vân khẩu độ 12.85m cao 11m dài hơn 6.7km khánh thành vào ngày 02/06/2005 là một trong những dự án giao thông quan trọng áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến – Công nghệ NATM – lần đầu tiên được thực hiện tại Việt Nam. Sau khi hoàn thành đường hầm, không những tuyến QL1A được thông thương thuận lợi từ Bắc vào Nam, mà còn là công trình góp phần quan trọng vào phát triển kinh tế miền Trung nói riêng, cả nước nói chung. Rút ngắn chiều dài vận chuyển trên đường đèo nguy hiểm từ 22 km xuống còn 12km, giảm ách tắc, tai nạn giao thông… - 11 - 1.3.2 Phương pháp dùng máy đào các loại thích hợp với thi công đường hầm trên núi, thi công đường hầm nông và trong đất mềm Vào những năm 1930 một số nước đã thi công hầm bằng máy đào. Tùy theo sự phát triển của kỹ thuật máy đào và tính năng ngày càng hoàn thiện của nó mà thi công bằng máy đào hầm đã được phát triển hiện đại. Ở Việt Nam đã dùng máy đào kết hợp nổ phá toàn tiết diện xây dựng hầm đường bộ qua đèo hải Vân dài 6.7km. 1.3.3 Phương pháp đào lộ thiên là phương pháp thi công đường hầm nông và trong đất mềm Là phương pháp đào trên mặt đất, đào từ trên xuống dưới sau khi đạt cao độ thiết kế xong, lại từ đáy thi công thuận chiều từ dưới lên trên, hoàn thành kết cấu chính của đường hầm, cuối cùng lấp hố đào và khôi phục mặt đất lại như cũ 1.3.4 Phương pháp tường liên tục dưới đất thi công hầm trong đất mềm yếu Vào những năm 1950 xuất hiện tường bê tông cốt thép liên tục dưới đất. Loại tường này thay thế cọc gỗ, cọc thép, cọc bê tông cốt thép có tác dụng chắn đất, chịu lực và phòng nước, thích hợp cho việc xây dựng hầm nông, hầm đào hở. 1.3.5 Phương pháp khiên: Thi công bằng khiên (Shield Method) là phương pháp thi công cơ giới dùng khiên đào đường hầm ngầm dưới mặt đất thích ứng với đường hầm thi công trong đất mềm yếu. Phương pháp khiên đào là phương pháp sử dụng kết cấu chống đỡ sử dụng trong việc đào hầm qua đất rất yếu hoặc lỏng để giữ ổn định trong suốt thời gian đào tuyến hầm với kết cấu chống đỡ bằng bê tông hoặc thép. Khiên đào là một kết cấu chống đỡ tạm thời trong khi đào hầm. 1.3.6 Phương pháp hạ chìm Việc phát triển kĩ thuật thi công đường hầm bằng hạ chìm xuống đáy nước đã cung cấp một phương pháp mới có hiệu quả để thi công đường hầm xuyên qua đất, - 12 - sông ngòi, eo biển. Các đoạn hầm được chế tạo sẵn trên đảo khô (xây dựng tạm thời tại địa điểm gần đường hầm). Các đoạn hầm được bịt kín tạm thời, sau đó vận chuyển nổi các đoạn hầm đó đến nơi quy định. Lúc đó tại vị trí quy định đã chế tạo sẵn một hố móng ở đáy nước. Đợi cho khi đoạn hầm được định vị xong, cho chất nước tăng tải trọng cho đường hầm để hạ chìm xuống vị trí thiết kế, nối liền đoạn ấy với những đoạn đã lắp trước, xử lý nền móng. Cuối cùng phủ đất đá đắp lại. Năm 1993, dưới sông Châu Giang ở Quảng Châu Trung Quốc đã xây dựng đường hầm đầu tiên bằng phương pháp hạ chìm. Ở Việt Nam hầm Thủ Thiêm dài 1490m trong đó có 371m thi công hạ chìm dưới sông Sài Gòn. Gồm 4 đốt hầm, mỗi đốt có dạng hộp đôi rộng 33.3m, cao 9m dài khoảng 90m nặng 36.000 tấn. 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. Quản lý, thi công đường hầm chủ yếu giải quyết thiết kế tổ chức thi công (như lựa chọn phương án thi công, biện pháp kĩ thuật thi công, bố trí hiện trường, khống chế tiến độ, cung ứng vật liệu, lao động, máy móc…) và một số vấn đề khác như quản lý kĩ thuật, kế hoạch, chất lượng, kinh tế…. 1.3.7 Đánh giá và đề xuất phương án Theo đà phát triển kinh tế, khoa học kĩ thuật của thế kỉ 21 trên toàn thế giới, giao thông vận tải, thủy lợi, thủy điện, các công trình ngầm trong các thành phố lớn đề ra các yêu cầu ngày càng cao, càng phức tạp. Khi thi công công trình ngầm qua khu vực địa chất yếu, tùy theo điều kiện địa chất và địa hình cụ thể mà có biện pháp thi công thích hợp như phương pháp hạ dìm (immersed), phương pháp đào hở (cut - 13 - and cover method) và phương pháp khiên đào (shield method). Ngoài ra còn có một số phương pháp khác như phương pháp đào moi, phương pháp bán khiên đào (semi- shield)… Trong phạm vi đề tài này tập trung vào phương pháp khiên đào theo kinh nghiệm được cho là phương pháp phù hợp với địa chất yếu và ứng dụng thi công hầm qua đô thị trong điều kiện có xét đến các công trình lân cận. Giải pháp ứng dụng trong thi công hầm trên tiêu chí lựa chọn các chỉ tiêu đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và an toàn cho công trình. 1.4 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM GIAO THÔNG ĐÔ THỊ KHU VỰC TP.HCM 1.4.1 Bối cảnh: Tương tự như những thành phố trung tâm khác ở Đông Nam Á, thành phố Hồ Chí Minh cần có một số giải pháp để đáp ứng sự đi lại của dân cư. Với sự gia tăng dân số và mức độ trẻ hóa ngày càng tăng; sự gia tăng nhu cầu đi lại; và sự hạn chế của diện tích đường bộ khi thành phố chỉ có 2.5% diện tích dành cho giao thông và chỉ 12% đường phố đủ bề rộng để đáp ứng cho sự lưu thông của xe buýt [8]. Do đó hệ thống mê trô với lộ giới riêng biệt là giải pháp duy nhất để giúp thành phố khỏi mất đi phần quan trọng những di sản bảo tồn văn hóa và những khu nhà đa dụng. Ngoài ra cũng góp phần làm giảm tối thiểu sự thiếu hụt mặt đường phố cho lưu thông cá nhân cũng như công cộng. Việc xây dựng hệ thống mê trô vào thời điểm này là cần thiết và cấp bách. 1.4.2 Đặc điểm công trình ngầm đô thị Công trình ngầm nói chung đều là công trình phục vụ một mục đích nào đó như giao thông, thủy lợi, cấp thoát nước,... Với công trình ngầm qua đô thị có những đặc điểm riêng so với công trình ngầm đi qua khu vực ngoài đô thị. Một số vấn đề cần quan tâm khi tính toán cũng như thi công công trình ngầm qua khu vực đô thị như: - 14 - Ø Về hướng tuyến : - Phải phù hợp với quy hoạch của đô thị về hướng tuyến, vị trí nhà ga... - Cần xem xét tránh các chướng ngại vật ngầm và cọc của các công trình bên trên hiện hữu. - Có chiều sâu không quá sâu để đảm bảo độ dốc và vị trí lên xuống của các nhà ga. Ø Về tính toán: - Ngoài các tải trọng thông thường là áp lực đất đá, tải khai thác, trọng lượng bản thân... trong tính toán cần xét đến các tải trọng của các công trình bên trên truyền xuống thông qua đất nền hoặc thông qua cọc của công trình bên trên. - Yêu cầu kỹ thuật về khả năng chịu lực, biến dạng cao hơn so với các khu vực khác ngoài đô thị. Ø Về biện pháp thi công: - Phải có biện pháp thi công phù hợp không làm ảnh hưởng đến các công trình bên trên. - Nếu thi công theo phương pháp đào mở (cut and cover) thì cũng phải có biện pháp gia cố hoặc chống đỡ mái dốc nền đào không ảnh hưởng đến các công trình lân cận. - Đảm bảo an toàn, vệ sinh, hạn chế không gây ô nhiễm môi trường. - Mặt bằng thi công bị hạn chế. Ø Về kinh tế, xã hội: - Ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. - Ảnh hưởng đến đời sống, kinh tế, xã hội của dân cư khu vực lân cận. Quá trình đô thị hoá tại Việt Nam phát triển nhanh chóng. Theo các số liệu điều tra, hiện tại, dân số trong các thành phố chiếm khoảng 30% tổng số dân cả nước và đến năm 2010 sẽ không dưới 50-60%. Tốc độ tăng trưởng GDP của thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2000-2005 là 11%/năm. Tốc độ tăng trưởng dân số trung bình là 3,6%. Với tốc độ phát triển và gia tăng dân số như vậy thì việc xây - 15 - dựng công trình ngầm nhằm thỏa mãn nhu cầu giao thông đô thị phù hợp với sự phát triển của thành phố và là một nhu cầu bức thiết. Khi xây dựng hầm trong điều kiện đô thị cần xem xét giải quyết một số vấn đề sau: - Xác định chiều sâu đặt hầm hợp lý: Tùy theo địa chất từng khu vực khác nhau mà tải trọng tác dụng lên công trình ngầm khác nhau. Với các chiều sâu đặt hầm khác nhau thì tải trọng tác dụng lên hầm là khác nhau dẫn đến kết cấu vỏ hầm khác nhau. Việc tìm ra chiều sâu đặt hầm hợp lý về kỹ thuật và kinh tế là bài toán cần thiết cần được giải quyết. - Xác định ảnh hưởng của các đường hầm lân cận nhau: Khi hệ thống giao thông ngầm phát triển, việc các đường hầm nằm gần nhau là không thể tránh khỏi. Tuy nhiên khi xây dựng đường hầm sau sẽ có thể gây ra ảnh hưởng đến các đường hầm hiện hữu. Để khai thác đường hầm hiện hữu và thi công đường hầm mới an toàn thì cần xác định mức độ ảnh hưởng và phạm vi ảnh hưởng do việc xây dựng đường hầm mới gây ra cho các đường hầm hiện hữu như thế nào để có biện pháp phòng ngừa, xử lý phù hợp. - Xác định ảnh hưởng của việc xây dựng đường hầm đến các công trình trên mặt đất: Tại thành phố Hồ Chí Minh, các công trình xây dựng thấp tầng và các công trình trước đây được xây dựng trên móng nông hoặc móng có gia cố cừ tràm. Khi xây dựng hầm dưới các công trình dạng này có thể gây ảnh hưởng đến chúng. Việc xác định ảnh hưởng này rất có ý nghĩa và cần thiết để có biện pháp xử lý đối với các công trình bị ảnh hưởng tránh các tai nạn đáng tiếc có thể xảy ra. - 16 - Chương 2. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC TP.HCM 2.1 Thống kê số liệu địa chất Trong khuôn khổ giới hạn thời gian và phạm vi luận văn thạc sĩ, tác giả thu thập các số liệu địa chất của khu vực thành phố Hồ Chí Minh thông qua các báo cáo khảo sát địa chất của một số dự án có số liệu thí nghiệm đầy đủ và có độ tin cậy cao để đưa vào nghiên cứu như : - Dự án nghiên cứu khả thi mê trô TPHCM do TEWET & Trung tâm Nghiên cứu Phát triển GTVT phía Nam thực hiện nghiên cứu 2 tuyến: [8] + Tuyến 1: Tham Lương – Bà Quẹo – CMT8 – Chợ Bến Thành + Tuyến 2: Chợ Bến Thành - Bến xe Miền Tây. - Dự án nghiên cứu khả thi tuyến mê trô Bến Thành – Suối Tiên do Công ty Cổ phần Tư vấn thiết kế GTVT phía Nam (TEDI South) thực hiện [9] Hình 2.1 Bình đồ tuyến metro Bến Thành – Suối Tiên - Dự án Đại lộ Đông – Tây - 17 - Hình 2.2 Bình đồ tuyến Đại lộ Đông - Tây Ba dự án trên đã đi qua không đầy đủ nhưng cũng đã bao phủ hầu hết khu vực nội đô và ven đô của thành phố Hồ Chí Minh nên việc sử dụng địa chất của 3 dự án này cũng mang tính tổng quát chấp nhận được ở mức độ luận văn. 2.2 Đặc điểm địa chất Căn cứ vào thống kê số liệu địa chất ở các dự án trên (chi tiết xem Phụ lục 1), địa chất khu vực TPHCM có thể được chia thành 5 tầng khác nhau, kể đến độ sâu 50-60m: · Lớp A: sét rất mềm đến mềm và bùn (Holocene) · Lớp B: sét mềm đến dẻo cứng, á sét và á cát (Pleistocene thượng) · Lớp C: cát trạng thái chảy đến chặt vừa và cát bùn (Pleistocene thượng) · Lớp D: sét cứng đến rất cứng, sét và á sét (Pleistocene trung và thượng) · Lớp E: á cát chặt đến rất chặt, cát bùn và cát trộn lẫn bùn (Pleistocene trung và thượng) Tại hầu hết các nơi đã khảo sát thì các lớp trầm tích kế tiếp nhau dưới mặt đất của TPHCM được bao phủ bởi một lớp đất mặt phủ hoặc đất mượn dày từ 0,2 – 4m. - 18 - Lớp D và lớp E là những lớp có khả năng chịu lực tốt nhưng những lớp này không xuất hiện trong độ sâu từ 27-45m dưới mặt đất. Chỉ tiêu cụ thể các lớp đất như sau: Lớp A: Đất sét và á sét từ mềm cho đến rất mềm (Holocene) Tầng trên của địa tầng địa chất Tp.HCM được cấu tạo bởi một lớp sét béo, sét mịn, có hàm lượng hữu cơ cao, á sét đàn hồi và á sét giàu hữu cơ mềm đến rất mềm, màu xám, bên dưới là các thớ hoặc các lớp mỏng á cát, á cát mịn, cát hạt trung cũng như sỏi lẫn cát và á cát xen lẫn trong các lớp trầm tích. Trần của lớp A được tìm thấy có độ sâu từ 0,2 – 4m dưới mặt đất. Chiều dày lớp thay đổi từ 0,2 – 32,4m. Bề dày trung bình của lớp A là 8,6m Bảng 2.1 Đặc tính địa chất công trình của lớp A Kết quả Đặc tính cơ lý của đất Tối thiểu Tối đa Trung bình Thành phần hạt - sét (%) 6.5 88.9 34.28 - bùn (%) 18.0 72.8 36.9 - cát (%) 1.4 58.0 28.6 - cuội sỏi (%) 0 2.4 0.2 Tỷ trọng, g (kN/m3) 13.1 21.4 15.8 Dung trọng hạt, rs (kN/m3) 2.58 2.72 2.66 Hệ số rỗng, e 0.476 2.972 1.779 Độ ẩm tự nhiên, W (%) 15.8 109.7 63.4 Độ bão hoà nước, S (%) 83.3 99.9 92.8 Giới hạn chảy, WL (%) 17.4 101 56.1 Giới hạn dẻo, WP (%) 8.9 52.7 30.2 Chỉ số dẻo, IP (%) 8.5 42.6 26.7 Độ đồng nhất, Ic 0 0.188 0 Hệ số nén cải tiến, Cc/(1+e0) 0.18 0.25 0.22 Hệ số cố kết theo phương đứng, Cv (m2/a) 1.1 4.07 2.26 Thí nghiệm nén 3 trục (CU) - j’ (0) 1042 19000 50 - 19 - - c’ (MN/m2) 0.06 0.117 0.085 Hệ số thấm, k (cm/s) 2.1 x 10-8 5.66 x 10-8 2.1 x 10-8 Thí nghiệm xuyên động SPT (N30 búa/ft) 0 8 0.96 Bề dày (m) 0.3 32.4 8.6 Đặc tính cơ bản nhất của lớp A là độ ẩm tự nhiên của nó rất cao (63.4%) và độ dẻo lớn (30,2%) và khả năng bị nén. N30 giá trị lấy từ thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) có giá trị từ 0-8 nhưng phổ biến nhất là 0-2. Giá trị hệ số thấm k nhỏ cho thấy lớp A hầu như không thấm. Lóp B: Đất sét dẻo, á sét và á sét từ mềm dến rất cứng (Pleistocene thượng) - Bên dưới lớp A là lớp B có trạng thái từ mềm cho đến rất cứng hình thành từ sét gầy, sét béo, bùn sét và á cát. - Độ sâu trung bình của trần lớp B là 2,7m dưới mặt đất. Bề dày lớp thay đổi từ 1,7– 10,2m với bề sâu trung bình là 4,84m. - Giá trị SPT trung bình từ 7-12 búa, giá trị trung bình là 9,4 búa. Độ ẩm tự nhiên, độ dẻo, độ nén thấp rõ nét so với lớp A. - Hệ số thấm của lớp B cũng thấp, giá trị tương ứng vào khoảng 10-8cm/s. Bảng 2.2 Đặc tính địa chất công trình của lớp B Kết quả Đặc tính cơ lý của đất Tối thiểu Tối đa Trung bình Thành phần hạt - sét (%) 6.1 43.8 28.8 - bùn (%) 5.0 26.8 15.5 - cát (%) 29.2 85.0 55.5 - cuội sỏi (%) 0 13.4 2.1 Tỷ trọng, g (kN/m3) 17.1 21.5 20.0 Dung trọng hạt, rs (kN/m3) 2.63 2.74 2.68 Hệ số rỗng, e 0.419 1.136 0.633 Độ ẩm tự nhiên, W (%) 14.5 48.0 21.58 Độ bão hoà nước, S (%) 88.1 98.1 93.8 - 20 - Giới hạn chảy, WL (%) 19.0 67.0 31.9 Giới hạn dẻo, WP (%) 12.0 27.0 16.7 Chỉ số dẻo, IP (%) 6.0 42.2 15.6 Độ đồng nhất, Ic 0 1.237 0.61 Hệ số nén cải tiến, Cc/(1+e0) 0.05 0.06 0.06 Hệ số cố kết theo phương đứng, Cv (m2/a) 8.0 10.3 9.15 Cường độ kháng nén 1 trục, qu (kPa) 25 153.1 91.67 Thí nghiệm nén 3 trục (CU) - j’ (0) 9013 28054 170 - c’ (MN/m2) 0.065 0.673 0.248 Hệ số thấm, k (cm/s) 9.17x10-8 1.68x10-7 5.44x10-8 Thí nghiệm xuyên động SPT (N30 búa/ft) 1 28 9.4 Bề dày (m) 1.7 10.2 4.84 Lớp C: Cát có độ chặt từ thấp đến trung bình và cát bùn (Pleistocene thượng) - Bên dưới lớp B là lớp trầm tích có độ chặt từ thấp đến vừa, màu hơi vàng có thành phần á cát, cát bùn, chủ yếu là cát hạt mịn và hạt trung. - Đỉnh lớp C nằm từ 3,5-33,9m dưới mặt đất. Độ sâu trung bình của đỉnh lớp là 9.1m. Bề dày lớp cát thay đổi từ 13,2-35,5m, bề dày trung bình là 26,9m. - Giá trị N30 thay đổi từ 2-50 nhưng phổ biến là từ 8-25 búa cho thấy là đất rời rạc đến chặt vừa. Giá trị trung bình của N30 là 16,6 búa. - Các lớp cát thuộc lớp C là lớp ngậm nước thứ nhất trong khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Bảng 2.3 Đặc tính địa chất công trình của lớp C Kết quả Đặc tính cơ lý của đất Tối thiểu Tối đa Trung bình Thành phần hạt - sét (%) 0 10.9 7.1 - bùn (%) 0 14.1 7.0 - cát (%) 71.3 94 82.2 - 21 - - cuội sỏi (%) 0 11.4 3.6 Tỷ trọng, g (kN/m3) 20.4 21.6 20.8 Dung trọng hạt, rs (kN/m3) 2.65 2.74 2.67 Hệ số rỗng, e 0.456 1.57 0.62 Độ ẩm tự nhiên, W (%) 15.6 24.6 18 Độ bão hoà nước, S (%) 40 99.6 79.5 Giới hạn chảy, WL (%) 19.4 20.6 20.14 Giới hạn dẻo, WP (%) 13.2 15.6 14.08 Chỉ số dẻo, IP (%) 5.6 6.6 6.07 Độ đồng nhất, Ic 0.51 0.63 0.57 Cường độ kháng nén 1 trục, qu (kPa) 46.7 109.6 72.4 Thí nghiệm nén 3 trục (CU) - j’ (0) 25020 34070 280 - c’ (MN/m2) 0.086 0.138 0.11 Thí nghiệm cắt trực tiếp - j’ (0) 14.7 40.2 29.7 - c’ (MN/m2) - - - Thí nghiệm xuyên động SPT (N30 búa/ft) 2 54 16.6 Bề dày (m) 13.2 35.5 26.9 Lớp D: Sét gầy từ rất cứng cho đến rắn (Pleistocene trung) - Nằm dưới lớp cát thuộc lớp C là lớp sét gầy và béo từ rất cứng cho đến rắn màu vàng đỏ và xám lốm đốm. Ở một vài tầng sét thấy có laterite, cát hạt mịn và hạt trung, túi cát… - Đỉnh của lớp D ở độ sâu 27,5-44,5m dưới mặt đất, độ sâu trung bình lớp là 33,9m. Lớp D có chiều dày từ 2,6-18,8m với độ dày trung bình là 12,6m. - Giá trị N30 thay đổi từ 9 đến trên 50 búa nhưng phổ biến là từ 22-40 búa cho thấy là đất trạng thái rất cứng đến rắn. Giá trị trung bình của N30 là 31,1 búa. Kết quả thí nghiệm độ thấm cho thấy lớp này về cơ bản là không thấm. - 22 - Bảng 2.4 Đặc tính địa chất công trình của lớp D Kết quả Đặc tính cơ lý của đất Tối thiểu Tối đa Trung bình Thành phần hạt - sét (%) 14.7 63.7 38.40 - bùn (%) 10.3 45.5 30.53 - cát (%) 20 49 30.96 - cuội sỏi (%) 0.1 5.9 0.34 Tỷ trọng, g (kN/m3) 19.2 21.3 20.4 Dung trọng hạt, rs (kN/m3) 2.67 2.75 2.71 Hệ số rỗng, e 0.47 0.83 0.63 Độ ẩm tự nhiên, W (%) 15.9 28.8 21.9 Độ bão hoà nước, S (%) 81.0 98.0 92.0 Giới hạn chảy, WL (%) 24.6 56.7 42.7 Giới hạn dẻo, WP (%) 12.6 33 21.6 Chỉ số dẻo, IP (%) 9.0 53.53 20.86 Độ đồng nhất, Ic 0.73 1.43 0.95 Hệ số nén cải tiến, Cc/(1+e0) 0.06 0.08 0.07 Hệ số cố kết theo phương đứng, Cv (m2/a) 2.02 11.8 5.82 Cường độ kháng nén 1 trục, qu (kPa) 51.2 544.2 190.1 Thí nghiệm nén 3 trục (CU) - j’ (0) 10040 25000 160 - c’ (MN/m2) 0.095 0.653 0.388 Hệ số thấm, k (cm/s) 1.12x10-8 2.03x10-8 1.57x10-8 Thí nghiệm xuyên động SPT (N30 búa/ft) 9 59 31.1 Bề dày (m) 2.6 18.8 12.6 Lớp E: Cát chặt cho đến rất chặt (Pleistocene trung) - Bên dưới lớp D là lớp E là một lớp cấu trúc bao gồm chủ yếu từ cát sét hạt mịn cho đến hạt trung, cát bùn, cát có thành phần hạt không đồng nhất trạng thái từ chặt đến rất chặt. - 23 - - Đỉnh lớp E có độ sâu từ 42 đến 56,8m dưới mặt đất. Vì không có lỗ khoan nào gặp đáy lớp E nên ghi nhận chiều dày lớp từ 3,5-17,95m là độ dày tối thiểu. - Giá trị N30 thay đổi từ 11 đến trên 50 búa nhưng phổ biến là từ 29-42 búa cho thấy là đất trạng thái chặt đến rất chặt. Giá trị trung bình của N30 là 35,7 búa. Các lớp cát của lớp E là lớp chứa nước thứ 2 trong khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Bảng 2.5 Đặc tính địa chất công trình của lớp E Kết quả Đặc tính cơ lý của đất Tối thiểu Tối đa Trung bình Thành phần hạt - sét (%) - - - - bùn (%) 1.0 33.5 10.5 - cát (%) 66.5 100.0 89.1 - cuội sỏi (%) 0.6 2.5 0.54 Tỷ trọng, g (kN/m3) 19.4 19.8 19.6 Dung trọng hạt, rs (kN/m3) 2.66 2.68 2.67 Hệ số rỗng, e 0.589 0.663 0.626 Độ ẩm tự nhiên, W (%) 17.8 21.3 19.5 Độ bão hoà nước, S (%) Giới hạn chảy, WL (%) 26.0 26.0 26.0 Giới hạn dẻo, WP (%) 16.0 20.0 18.0 Chỉ số dẻo, IP (%) 6.0 10.0 8.0 Thí nghiệm nén 3 trục (CU) - j’ (0) 19041 23003 210 - c’ (MN/m2) 0.095 0.21 0.15 Thí nghiệm xuyên động SPT (N30 búa/ft) 11 >50 35.7 Bề dày (m) 3.5 17.95 - - 24 - 2.3 Lựa chọn các thông số đặc trưng dùng tính toán Qua bản đồ địa hình khu vực Tp.HCM và các số liệu địa chất của khu vực của các dự án trên, có thể nhận thấy TpHCM nằm ở phía Bắc lưu vực sông Mê Kông, nằm trên dải đất bồi. Trong đó các quận Tân Bình, quận Gò Vấp, quận 3, quận 10, quận 11, huyện Hoóc Môn nằm trên dải đất cao, địa chất khá tốt (cuội, sỏi, sạn, cát, sét, kaolin). Còn các quận huyện còn lại nằm ở dải đất thấp hơn và địa chất yếu hơn, chủ yếu là cát, sét bột, sét. Hình 2.3 Bản đồ địa chất khu vực Tp.HCM (Nguồn: TEWET) Với khu vực địa chất tốt hoặc khu vực ngoại thành, việc xây dựng tuyến metro phù hợp nhất là tuyến đi trên mặt đất hoặc tuyến đi trên cao. Thống kê các số liệu thí nghiệm của cả 3 dự án, xem trong Phụ lục 1. Trong phạm vi luận văn, tác giả không nghiên cứu cho tất cả các loại địa chất cho tất cả các bài toán tính toán, tác giả chỉ lựa chọn loại địa chất đặc trưng của khu vực thành phố Hồ Chí Minh để tính toán cho các bài toán. Các trường hợp địa chất cụ thể sẽ được nghiên cứu riêng không nằm trong phạm vi luận văn. - 25 - 2.4 Một số lưu ý 2.4.1 Cát có thể chảy lỏng Phạm vi mực nước ngầm tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh nằm trong khoảng từ 0,1 – 5,42m bên dưới mặt đất tự nhiên. Chiều sâu này thay đổi theo lượng mưa và mực nước sông Sài Gòn. Trong một số lỗ khoan có các lớp cát rất rời rạc đến rời rạc thuộc kỷ Pleistocene muộn gặp ở độ sâu 3,5m đến 39m dưới mặt đất. Trị số N30 theo thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn thay đổi trong khoảng từ 2-10 búa. Mực nước ngầm trong khu vực khá cao, có khi đạt tới cao độ mặt đất tự nhiên. Kết hợp cả hai điều kiện này thì khả năng tồn tại cát có thể chảy lỏng là có thể xảy ra. Cần phải xem xét đến yếu tố này khi thi công hầm gặp điều kiện này. 2.4.2 Khả năng ăn mòn bê tông của nước ngầm Để đánh giá khả năng ăn mòn bê tông của nước ngầm, các thông số hóa học về độ pH, CaCO3- giải phóng (CO2), NH4+, Mg2+, SO42- được sử dụng theo tiêu chuẩn của Đức DIN 4030 Teil (1991). Hàm lượng đạm và sulphate trong các mẫu nước được phân tích nói chung rất thấp, và các hóa chất này hầu như không gây ra sự ăn mòn bê tông nào. Tuy nhiên, độ pH của nước ngầm lấy từ địa tầng Holocene và Pleistocene rất thấp, các giá trị độ pH này <4,5. Đây là loại nước xếp vào nhóm có khả năng ăn mòn bê tông cao theo tiêu chuẩn DIN 4030 Teil (1991). Do đó khi tính toán kết cấu vĩnh cửu trong môi trường này cần được xét đến khả năng ăn mòn bê tông. KẾT LUẬN CHƯƠNG: Thông qua số liệu địa chất của các công trình trên địa bàn Tp.HCM có thể có hiểu biết tổng quan địa chất của khu vực để có biện pháp sơ bộ lựa chọn tuyến công trình, kết cấu, biện pháp xây dựng,... phù hợp. Ngoài ra cũng cần lưu ý một số điểm như hiện tượng cát chảy, ăn mòn bê tông để có biện pháp xử lý, đề phòng thích hợp. - 26 - Chương 3. SỰ LÀM VIỆC CỦA HẦM TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT 3.1 Các đặc tính cơ bản của đất 3.1.1 Đất đá và các tính chất cơ bản của nền đất yếu Tính chất cơ bản của đất đá thay đổi theo nguồn gốc, điều kiện kiến tạo, các yếu tố tác động trong lòng và bề mặt trái đất. Trong đó nguồn gốc kiến tạo là đặc trưng cơ bản quyết định tính chất cơ lý của đất đá. Sau đây là một số tính chất cơ bản của đất đá. 3.1.1.1 Biến dạng của đất đá Tuỳ theo tình hình chịu tải, đất đá có thể biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo. Dưới tác dụng của tải trọng nền đất bị biến dạng, sau khi dỡ tải biến dạng được khôi khục một phần đó là biến dạng đàn hồi. Khi tải trọng tác dụng vượt qua khả năng chịu tải của nền đất, các hạt đất sẽ trượt lên nhau sắp xếp lại, đó chính là biến dạng dẻo không khôi phục được. Biến dạng dẻo phụ thuộc vào loại đất đá, trạng thái ứng suất, thời gian và tốc độ gia tăng của tải trọng. Biến dạng dẻo là một yếu tố làm cho áp lực địa tầng tăng dần trong một khoảng thời gian. Trong tính toán công trình ngầm hiện nay phần lớn các phương pháp quan niệm một cách gần đúng theo cơ sở lý thuyết đàn hồi, các thông số chủ yếu về biến dạng vẫn là các hệ số biến dạng dọc E, biến dạng ngang m và biến dạng trượt G. a) Hệ số biến dạng dọc E: là một đặc trưng quan trọng thể hiện quan hệ giữa ứng suất s và biến dạng dọc e [4] e s =E (3.1) Do đất đá không phải là vật liệu hoàn toàn đàn hồi nên thực tế mối quan hệ này không có tính chất tuyến tính hoàn toàn, E không phải là một hằng số. Trong trường hợp không còn biến dạng dư khi đó quan hệ giữa ứng suất và biến dạng xem như tuyến tính và hệ số biến dạng dọc E mang ý nghĩa là môđun đàn hồi. - 27 - b) Hệ số biến dạng ngang m: được đặc trưng bởi trị số tuyệt đối của tỷ số biến dạng ngang e1 và biến dạng dọc e trong trường hợp nén hay kéo một chiều: e e m 1= (3.2) Giai đoạn đầu quan hệ giữa ứng suất và biến dạng đều có tính chất tuyến tính, biến dạng trong giai đoạn này chủ yếu do biến dạng của bộ khung khoáng vật, m = const và gọi là hệ số Poisson. Sau giới hạn biến dạng tuyến tính, m không là hằng số nữa, xác định theo công thức: e sm e e s m e e m . .2 21 2 11. 2 . .2 211 EE - -=÷ ø ö ç è æ - - == (3.3) Ta thấy biến dạng ngang lớn nhất bằng một nửa biến dạng dọc, do đó có thể nói áp lực địa tầng tại một điểm theo phương ngang luôn nhỏ hơn theo phương thẳng đứng. Hệ số biến dạng ngang có thể xác định bằng thực nghiệm. c) Hệ số biến dạng trượt G: còn gọi là mô đun chống cắt, là hằng số trong giai đoạn tuyến tính, xác định như sau: ( )m+= 12 EG (3.4) Trong đó: m - hệ số biến dạng ngang E - mô đun biến dạng dọc 3.1.1.2 Độ bền của đất đá Độ bền của đất đá là khả năng chịu lực của đất đá mà không bị phá hoại. Theo quan điểm của Mohr đất đá bị phá hoại là do xuất hiện mặt trượt, tức ứng suất cắt vượt quá khả năng chịu cắt hoặc do ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo. Để xác định trạng thái ứng suất và khả năng phá hoại khi đất chịu lực thể tích có thể dùng vòng tròn Mohr. Nghiên cứu một đơn nguyên chịu lực thể tích có ứng suất chính trên 3 mặt là s1> s2 >s3. Trên mặt phẳng nghiêng với một góc a tồn tại ứng suất pháp s và ứng suất tiếp t, góc a có thể thay đổi để tìm được mặt phẳng có t - 28 - lớn nhất. Nếu t ở mặt phẳng này vượt quá cường độ chống cắt thì đất đá bị phá hoại do trượt. Để vẽ vòng tròn Mohr cần nghiên cứu các trường hợp sau: Khi nén một trục s1 = s nén và s3 = 0 (vòng tròn 3 trên hình 3.1) Khi kéo một trục s1 = 0 và -s3 = s kéo (vòng tròn 1 trên hình 3.1) Khi cắt thuần tuý s1 = - s3 (vòng tròn 2 trên hình 3.1) Khi chịu lực thể tích có ứng suất giới hạn s1; s3, vòng tròn Mohr có tâm tại điểm có hoành độ (s1 + s3 )/2, và bán kính (s1 - s3 )/2 (vòng tròn 4 ) 2 1 43 s t Hình 3.1 Vòng tròn Mohr Vẽ đường cong tiếp xúc với các vòng tròn Mohr xác định được giới hạn cường độ của đá ở bất cứ trạng thái ứng suất nào. Đường tiếp xúc các vòng tròn Mohr có dạng như sau: ÷ ø ö ç è æ ++= - 22 2131 ssj ss K (3.5) Trong đó: K - hằng số biểu thị hệ số dính; j - hàm số xác định bằng thực nghiệm cho các trạng thái ứng suất khác nhau Thực tế đường tiếp xúc các vòng tròn Mohr phải là đường cong với những đặc điểm như sau: - Là một đường cong đơn điệu thể hiện quan hệ t=f(s), đối xứng qua trục s - Trong phạm vi ứng suất kéo thì đường cong này phải cắt trục s theo một góc vuông và trị số ứng suất kéo tại điểm này phải bằng cường độ chịu kéo một trục. Đường cong chỉ cắt trục s một điểm duy nhất (chỉ có 1 điểm duy nhất t = 0) - 29 - - Do đường cong rất phức tạp trong tính toán nên thực tế thiết kế vẫn dùng phương trình đường thẳng. Tính biến dạng và tính bền là hai đặc trưng quan trọng nhất trong các tính chất cơ học của đất đá (nhất là đất loại sét), độ ẩm và độ rỗng càng lớn thì khả năng biến dạng càng tăng và độ bền chống cắt của đất đá càng thấp. Đối với đá khi chịu tải trọng biến dạng sẽ gây ra tức thì, còn đất loại sét thì quá trình biến dạng từ từ và tắt dần. Thông qua việc nghiên cứu các tính chất cơ lý của đất đá ta thấy được thời gian thi công hầm ảnh hưởng đến sự phân bố và giá trị của áp lực địa tầng tác dụng lên kết cấu hầm. Do đó trong quá trình thi công cần phải có tốc độ thi công tránh được những sự cố do sự thay đổi của áp lực địa tầng theo thời gian. 3.1.1.3 Tính lưu biến của đất đá 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. Đó là tính lưu biến của đất đá. Nếu coi đất đá là môi trường liên tục thì trạng thái ứng suất và biến dạng có thể biểu diễn dưới dạng tổng quát ÷ ø ö ç è æ= t dt d dt df ,,, sees (3.6) Biến dạng theo thời gian của đất đá có dạng tổng quát như hình 3.2 e3 e2 e1 eo o A B C t e D Hình 3.2 Biến dạng của đất đá theo thời gian. - 30 - Giai đoạn đầu: OA – biến dạng tức thời lúc vừa chịu tải Giai đoạn hai: AB – từ biến chưa ổn định de/dt nhỏ dần và tiến tới một trị số cố định. Giai đoạn ba: BC – từ biến ổn định dt de = const. Giai đoạn thứ tư: CD – tốc độ biến dạng tăng nhanh các vết nứt xuất hiện, đất đá tiến tới phá hoại. Quá trình lưu biến của đất đá rất phức tạp, cần phải có những nghiên cứu nhiều hơn nữa. 3.1.1.4 Hệ số kiên cố Các phương pháp lực tính toán áp lực địa tầng tác dụng lên công trình ngầm đều quan niệm đất đá xung quanh công trình ngầm là môi trường rời rạc. Giả thiết này không phù hợp với thực tế vì phần lớn đất đá vẫn dính kết, để giải quyết mâu thuẫn trên giáo sư M.M.Protodiakonov đề nghị xem tất cả môi trường đất đá là rời rạc nhưng xét đến tính dính kết. [2] Đưa ra hệ số : s j Ctgfkc += (3.7) fkc - hệ số kiên cố và hệ số này áp dụng cho nhiều loại địa tầng khác nhau từ yếu đến cứng chắc. Trong đó: j - góc nội ma sát của địa tầng C - hệ số dính của đất đá Trường hợp đất rời (C=0) thì fkc = tgj trong đá cứng lực dính thực C được thay bằng lực dính phân tử. Trong trường hợp này giáo sư M.M.Protodiakonov đề nghị xác định hệ số độ cứng của địa tầng tuỳ thuộc vào độ bền lập phương khi ép vỡ (R, kG/cm2) 100 Rfkc = (3.8) - 31 - Trong xây dựng hầm thường phân loại đất đá theo sự phân loại của giáo sư Protodiakonov dựa trên hệ số độ kiên cố (fkc) của đất đá theo bảng sau: Bảng 3.1 Phân loại đất đá theo M.M.PROTODIAKONOV [4] Cấp đất đá Mức độ rắn chắc Địa tầng Trọng lượng riêng (t/m3) Cường độ chịu nén giới hạn fkc Góc ma sát trong I Rắn chắc nhất Thạch anh, banzan dẻo, chặt xít cũng như các đá cứng rắn khác 2,8 – 3 2000 20 87 II Rất chắc Đá granit rất chắc. Profia thạch anh, phiến thạch, silic, quaejit, cát kết và đá vôi chắc nhất 2,6 – 2,7 1500 15 85 III Chắc Granit chặt, cát kết và đá vôi rất chắc, mạch quặng thạch anh, cuội kết chắc, quặng sắt rất chắc 2,5 – 2,6 1000 10 82,5 IIIa Chắc Đá vôi chắc, granit không chắc, cát kết chắc, đá hoa, đôlômit chắc 8 IV Khá chắc Cát kết thường, quặng sắt 2,4 600 6 75 IVa Khá chắc Phiến thạch cát 2,5 500 5 72,5 V Trung bình Phiến thạch sét chắc, cát kết và đá vôi không chắc, cuội kết mềm 2,4 – 2,5 400 4 70 Va Trung bình Phiến thạch không chắc, các loại đá mác chặt 2,4 – 2,6 300 3 70 VI Khá mềm Phiến thạch mềm, đá vôi, đá phân, muối mỏ, thạch cao rất mềm, đá mác thường 2,2 – 2,6 150 - 200 2 65 VII Mềm Sét chặt, than đá mềm, đất bồi chắc 1,8 – 2,0 1 60 VIIa Mềm Sét cát nhẹ, đất lót 1,6 0,8 80 VIII Đất Đất trồng, than bùn, cát pha nhẹ 1,5 0,6 30 IX Đất rời Cát, lở tích, dăm nhỏ, đất đắp 1,4 –1,7 0,5 27 X Đất chảy Đất cát chảy, đất lầy, đất lớt bị chảy nhão và các loại đất bị chảy nhão khác 1,5 –1,8 0,3 9 - 32 - Ngoài việc phân loại đất đá theo giáo sư Protodiakonov còn có hệ thống phân loại đất hợp nhất của Mỹ, việc phân loại đất hay đá có thể dựa vào mô tả vật liệu, hoặc ứng xử của chúng trong suốt quá trình xây dựng hầm. Hệ thống phân loại sẽ chỉ ra những đặc trưng khác nhau cũng như cung cấp những lý luận, giả thiết chính xác hơn về sự ứng xử của đất đá xung quanh đường hầm. 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. Do đó tuỳ theo từng loại địa chất mà chọn phương pháp thi công cũng như các loại máy móc cho phù hợp. 3.1.2 Nền đất yếu Các thành phố lớn thường được xây dựng trên nền đất yếu do quá trình bồi tụ của lưu vực các dòng sông. Địa chất được hình thành bởi các lớp trầm tích trẻ Haloxen, chủ yếu là các dạng đất yếu như sét nhão, bùn sét hữu cơ, bùn á sét, bùn á cát và đất than bùn. Vì thế các công trình xây dựng trên nền đất yếu đòi hỏi phương pháp thi công và xử lý nền móng rất khó khăn phức tạp, giá thành công trình cao. Trong thiết kế đường hầm tính chất của đất đá mà đường hầm đi qua sẽ quyết định phương pháp tính toán, thi công công trình hầm. Theo quan điểm xây dựng đường hầm, địa tầng yếu khi có hệ số kiên cố fkc <2 [2], căn cứ vào hệ số kiên cố ta có thể phân loại nền đất một cách phù hợp để quyết định các phương pháp tính toán và thi công hợp lý công trình ngầm, đem lại hiệu quả kinh tế. 3.1.2.1 Các tính chất của nền đất yếu Nói chung các loại đất yếu thường có những đặc điểm sau: · Thường là đất loại sét có lẫn hữu cơ; · Thường bão hoà nước và trọng lượng thể tích nhỏ; · Độ thấm nước rất nhỏ; · Cường độ chống cắt nhỏ và khả năng nén lún lớn. - 33 - Đất sét gồm các hạt nhỏ (d< 0,002mm, chiếm trên 3%) có thể ở trạng thái cứng, dẻo hay chảy. 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. Cường độ bùn rất nhỏ, biến dạng rất lớn, mô đun biến dạng khoảng 1 – 25 daN/cm2, hệ số nén lún có thể đạt tới 3cm2/daN. 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. 3.2 Điều kiện địa chất, thuỷ văn ảnh hưởng đến công trình ngầm Do tính chất nằm trong lòng đất nên tình hình địa chất, thuỷ văn ảnh hưởng rất lớn đến vị trí đặt hầm, cấu tạo, phương pháp thi công và giá thành công trình ngầm, vì vậy trước khi thiết kế cần phải khảo sát kỹ tình hình kiến tạo và các hiện tượng địa chất, thuỷ văn, phải nghiên cứu đầy đủ các tính chất của đất đá trong khu vực xây dựng công trình căn cứ theo các quy định trong quy phạm khảo sát thiết kế tiến hành khảo sát địa chất thuỷ văn. Trong quá trình thi công vẫn phải tiếp tục theo dõi để có những điều chỉnh thiết kế cho phù hợp với thực tế. Ở những vùng địa chất phức tạp phải tiến hành thí nghiệm trực tiếp trong hang đào để xác định tính chất cơ lý của đất đá và áp lực đất đá. - 34 - 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 .... 3.3 Áp lực địa tầng lên công trình ngầm Trước khi đào hầm khối địa tầng đang ở trạng thái cân bằng ổn định và trạng thái ứng suất ban đầu được xác định do tác dụng của trọng lượng bản thân của địa tầng, do quá trình kiến tạo vỏ trái đất, ảnh hưởng của nhiệt độ và nước ngầm. Trong đó quá trình kiến tạo của vỏ trái đất diễn ra trong một thời gian dài và liên tục làm cho địa tầng biến dạng rất phức tạp và rất khó xác định trạng thái ứng suất. Thực tế công trình ngầm nằm rất nông so với bề dày của trái đất và thời gian sử dụng cũng rất ngắn so với quá trình kiến tạo, nên khi thiết kế có thể bỏ qua ảnh hưởng của trạng thái này. - 35 - Sau khi đào hầm, môi trường đất đá bên ngoài gây ra áp lực tác dụng lên các vì chống hay vỏ hầm, đó là áp lực địa tầng. Trong tính toán công trình ngầm thì áp lực địa tầng là tải trọng chủ yếu. Tuỳ theo tính chất và cấu tạo địa chất, áp lực địa tầng tác dụng lên công trình có thể là thẳng đứng từ trên xuống, áp lực ngang, áp lực từ dưới đáy công trình tác dụng lên và cũng có khi có áp lực theo chiều dài công trình. Trị số và cách phân bố của áp lực địa tầng sẽ quyết định hình dạng, kích thước cấu tạo và phương pháp thi công các loại công trình ngầm. Vì vậy khi thiết kế công trình ngầm phải xác định đúng phương, độ lớn và cách phân bố của áp lực địa tầng là công việc quan trọng không chỉ trong tính toán thiết kế mà cả trong thi công và khai thác. 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. Trong thực tế thiết kế thường phải căn cứ vào nhiều biện pháp khác nhau để xác định. Nghiên cứu áp lực địa tầng thực chất là xác định trạng thái ứng suất của đất đá trước và sau khi đào đường hầm. · Trạng thái phân bố ứng suất của đất đá trong tự nhiên Ứng suất ban đầu của đất đá phát sinh chủ yếu do trọng lượng bản thân. Ta khảo sát trạng thái ứng suất của một phân tố đất đá tại độ sâu H = ∑hi (hi là chiều dày các lớp đất phía trên phân tố đang xét) thì trên phân tố có ứng suất thẳng đứng là sz bằng tổng trọng lượng đất đá bên trên [2] å= iiz h.gs (3.9) Do phân tố ở trạng thái cân bằng nên ứng suất nằm ngang là yx ss = Quan niệm môi trường đất đá là đàn hồi thì biến dạng theo chiều x là E x xx s e -= ; E y yx s me .= ; E z zx s me .= (3.10) Tổng biến dạng theo chiều x là eo = exx + eyx + ezx Vì phân tố nằm trong lòng đất nên không sinh biến dạng ngang, eo = 0 ta có: - 36 - 0..0 =++-= EEE zyx sm s m s e (3.11) 0== yx ee Từ đó suy ra zzyx smsm m ss .. 1 0 = - == (3.12) Trong các công thức trên : gi, hi - dung trọng riêng và độ dày của các lớp đất m - hệ số poison (xác định tuỳ loại đất đá, có thể lấy từ 0,14 - 0,5). m0 - hệ số áp lực ngang của đá Đối với đất rời rạc ta có ÷ ø ö ç è æ -== 2 45.. 02 jgss tgHyx (3.13) Trong đó: j - góc ma sát trong của đất Theo các công thức trên thì ứng suất tăng dần theo chiều sâu, đến một độ sâu nào đó ứng suất ban đầu sẽ vượt cường độ của đất đá và làm cho đất đá kết tinh chuyển sang trạng thái dẻo, càng sâu hơn nữa đất đá sẽ chuyển sang trạng thái chảy. Các công trình hiện nay nằm không sâu lắm nên ứng suất ban đầu chưa quá lớn và có thể xem mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng ban đầu là tuyến tính. 3.4 Ứng xử đất – kết cấu của đất xung quanh đường hầm 3.4.1 Sự phân bố ứng suất trong đất nền xung quanh hầm Sau khi đào hầm trạng thái ứng suất của đất đá xung quanh hầm khác hẳn so với lúc đầu. Sự biến đổi đó phụ thuộc vào các yếu tố như: tính chất môi trường đất đá, độ sâu công trình, hình dạng, kích thước công trình, phương pháp thi công..., do đó rất khó khăn trong việc xác định chính xác trạng thái ứng suất của đất đá xung quanh công trình hầm. Trạng thái cân bằng tự nhiên ban đầu của đất đá xung quanh hầm bị phá vỡ, có sự phân bố lại ứng suất và tạo nên sự ổn định mới. Tại chu tuyến hầm đất - 37 - đá bị phá hoại nên ứng suất bằng 0, càng đi sâu vào môi trường đất đá xung quanh ứng suất tăng lên hình thành vành đai bảo vệ sự ổn định mới và sau đó ứng suất giảm dần đến trị số ứng suất ban đầu và ra xa hơn nữa thì hầm đào không còn ảnh hưởng. sr sq Khu vöïc phaù hoaïi Ro Vaønh ñai chòu löïc Hình 3.3 Sự phân bố ứng suất đất đá xung quanh hầm Các giả thiết để xác định trạng thái ứng suất của đất đá xung quanh hầm:[4] - Môi trường đất đá xung quanh là liên tục, đồng nhất và đẳng hướng - Do vị trí hầm tương đối nông trong lòng đất nên bỏ qua sự ảnh hưởng của quá trình kiến tạo của vỏ trái đất và biến dạng dẻo cục bộ; - Tính chất môi trường không thay đổi trước và sau khi xây dựng hầm; - Môi trường tính toán là bán không gian vô hạn, có mặt phẳng giới hạn là mặt phẳng nằm ngang (mặt đất), trạng thái ứng suất của đất đá chủ yếu do áp lực địa tầng gây nên. Căn cứ vào những kết quả của lý thuyết đàn hồi để xác định trạng thái ứng suất:[3] Đối với hầm tròn ở độ sâu H thì ứng suất ban đầu xác định như phần trên Theo chiều đứng : å= iiz h.gs (3.14) Theo chiều ngang : zzyx smsm m ss .. 1 0 = - == (3.15) Do tác dụng của zs : toạ độ cực ta có: - 38 - q s t q ss s q ss s q q 2sin 23 1 2 2cos 3 1 2 1 2 2cos 43 1 2 1 2 2 2 0 4 4 0 4 4 0 2 2 0 2 2 0 4 4 0 2 2 0 ÷÷ ø ö çç è æ +-= ÷÷ ø ö çç è æ +-÷÷ ø ö çç è æ += ÷÷ ø ö çç è æ -++÷÷ ø ö çç è æ -= r R r R r R r R r R r R r R z r zz zz r (3.16) Trong đó: R0 - bán kính hầm tròn Tại chu tuyến hầm r = R0 thì: ).2cos21( ,0 qss ts q q -= == z rr (3.17) Như vậy ứng suất sẽ đạt cực đại và cực tiểu tại vị trí đường kính nằm ngang và thẳng đứng Khi 2 3 2 pp q hoaëc= thì ứng suất cực đại zss q 3max = (ứng suất nén) Khi pq hoaëc0= thì ứng suất cực tiểu zss q -=min (ứng suất kéo) Trên mặt phẳng nằm ngang đi qua tâm của vòng tròn chu tuyến, ứng suất thẳng đứng là: ÷÷ ø ö çç è æ ++= 4 4 0 2 2 0 32 2 r R r Rzss q (3.18) Khi r = 4 R0 thì zz sss q »= 037,1 Trên mặt phẳng thẳng đứng đi qua tâm của vòng tròn chu tuyến ứng suất nằm ngang là ÷÷ ø ö çç è æ -= 4 4 0 2 2 0 3 2 r R r Rzss q (3.19) Khi r tăng thì ứng suất kéo sẽ giảm, đến khi 3.0Rr = thì ứng suất kéo bằng 0 Do tác dụng của xs : - 39 - q s t q ss s q ss s q q 2sin 23 1 2 2cos 3 1 2 1 2 2cos 43 1 2 1 2 2 2 0 4 4 0 4 4 0 2 2 0 2 2 0 4 4 0 2 2 0 ÷÷ ø ö çç è æ +--= ÷÷ ø ö çç è æ ++÷÷ ø ö çç è æ += ÷÷ ø ö çç è æ -+-÷÷ ø ö çç è æ -= r R r R r R r R r R r R r R x r xx xx r (3.20) Do tác dụng của cả xz ss , : q ss t q ssss s q ssss s q q 2sin 23 1 2 2cos 3 1 2 1 2 2cos 43 1 2 1 2 2 2 0 4 4 0 4 4 0 2 2 0 2 2 0 4 4 0 2 2 0 ÷÷ ø ö çç è æ +- - = ÷÷ ø ö çç è æ + - -÷÷ ø ö çç è æ + + = ÷÷ ø ö çç è æ -+ - -÷÷ ø ö çç è æ - + = r R r R r R r R r R r R r R xz r xzxz xzxz r (3.21) Tại chu tuyến hầm r = R0 ta có: - Ứng suất: ).2cos21( ,0 qss ts q q -= == z rr (3.22) - Chuyển vị theo chiều bán kính ..1 0 0 2 qs m R E u -= (3.23) Khi 2 p q = thì ứng suất cực đại xz sss q -=3max , (3.24) ).3(.1 0 0 2 min xzRE u ssm --= (3.25) Khi 0=q thì ứng suất cực tiểu xz sss q 3min +-= , (3.26) Chuyển vị cực đại: ).3(.1 0 0 2 max xzRE u ssm +--= (3.27) Đối với hầm hình elip, dưới tác dụng của xs ứng suất trên chu tuyến hầm là: zìn ìnìn rr s qlq qlqlq s ts q q . cossin )cossin2sin ,0 22 22 + -+ = == (3.28) Trong đó: - 40 - q – góc tạo bởi trục thẳng đứng với đường kính đi qua điểm tính toán; l =a/b - (a và b là một nửa trục dài và một nửa trục ngắn của hình elip) Khi q =0 thì sq = -sz Khi 2 p q = thì zb a ss q ÷ ø ö ç è æ += 21 (3.29) Khi b a=1 thì kết quả giống như trường hợp hầm có tiết diện hình tròn. Như vậy theo lý thuyết đàn hồi ta xác định được đường cong phân bố ứng suất trong đất đá. Độ lớn của ứng suất phát sinh trong đất đá xung quanh hầm bằng tổng ứng suất tương ứng của địa tầng tự nhiên và hệ số gia tăng so với ứng suất ban đầu. [3] s0i = Kisi (3.30) Trong đó: s0i - ứng suất tại điểm i trong đất xung quanh hầm, kG/cm2 Ki - hệ số điều chỉnh ứng suất tập trung tại điểm i si - ứng suất của đất tại điểm i ở trạng thái tự nhiên, kG/cm2 Trong tính toán ta lập thành bảng tra hệ số ứng suất tập trung. Hệ số ứng suất tập trung phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng, độ lớn tiết diện ngang hầm và vị trí đang xét. Bảng 3.2 Bảng tra hệ số ứng suất tập trung [3] Tiết diện hầm Hình chữ nhật Hình ô van Tỷ số giữa chiều rộng và chiều cao hầm Vị trí Ứng suất chính Hình tròn 5:1 3:1 1:1 1:3 1:5 1:3 Điểm giữa vòm và đáy hầm smax smin 0,00 -0,25 0,00 -0,16 0,00 -0,23 0,00 -0,44 0,00 -0,64 0,00 -0,67 0,00 -0,42 Điểm giữa vách hầm smax smin 2,75 0,00 0,96 0,00 1,00 0,00 1,3 0,00 2,00 0,00 2,23 0,00 3,75 0,00 - 41 - Từ việc đánh giá các kết quả ở trên có thể rút ra những kết luận sau đây: 1. Sau khi đào hầm sẽ có sự phân bố lại ứng suất trong môi trường đất đá, càng đi sâu vào môi trường đất (càng xa đường hầm) trạng thái ứng suất chuyển dần về trạng thái ứng suất ban đầu của đất đá. 2. Đường hầm ở trạng thái an toàn khi ứng suất và biến dạng này không vượt quá giới hạn cho phép. 3. Trong kết cấu hầm tồn tại cả hai trạng thái ứng suất: ở đỉnh và đáy hầm có hiện tượng tập trung ứng suất kéo, ở vách hầm xảy ra hiện tượng tập trung ứng suất nén. 4. Với hầm tiết diện chữ nhật ở các góc hầm (những chỗ gãy của chu vi hầm) sẽ phát sinh tập trung ứng suất rất lớn, do đó không thể tránh khỏi sự xuất hiện vùng biến dạng dẻo. Vì vậy khi chọn hình dạng hầm hợp lý là làm trơn tru các góc cạnh để giảm hệ số tập trung ứng suất. 3.4.2 Các phương pháp xác định áp lực địa tầng Các phương pháp tính áp lực đất lên công trình ngầm phát triển rất mạnh, do tính phức tạp của môi trường và nhiều yếu tố ảnh hưởng nên tồn tại nhiều giả thiết và phương pháp khác nhau. Nghiên cứu lý thuyết về áp lực đất lên công trình ngầm có thể phân thành các hướng sau [1]: - Hướng thứ nhất: không xét đến sự làm việc tương hỗ của khối địa tầng và vì chống, dựa trên các số liệu thực tế và những giả thuyết riêng cùng với việc sử dụng các phương pháp tính gần đúng như giả thuyết tạo vòm. Đây có thể quy về các giả thuyết về lực. - Hướng thứ hai: có xét đến sự tương hỗ của khối địa tầng và vì chống dựa trên các giả thuyết về biến dạng. - Hướng thứ ba: nghiên cứu áp lực đất với quan điểm mất ổn định của khối địa tầng kèm theo sự thay đổi hình dạng của hang. Về lý thuyết, có thể phân thành ba nhóm lý thuyết. Nhóm thứ nhất giả thiết môi trường đất đá xung quanh công trình ngầm là rời rạc và dùng cơ sở lý thuyết - 42 - sức bền vật liệu để tính toán. Nhóm thứ hai giả thiết môi trường đất đá là liên tục, đàn hồi và dùng cơ sở của lý thuyết đàn hồi và lý thuyết dẻo để tính toán. Nhóm thứ ba quan niệm môi trường đất đá là môi trường lưu biến, quan niệm kết cấu vỏ hầm cũng là một bộ phận của của môi trường và dùng cơ sở của lý thuyết từ biến để xác định trạng thái ứng suất và biến dạng. Trong thực tế thiết kế, hai nhóm sau giả thiết có tiến bộ hơn, nhưng việc tính toán còn rất phức tạp nên thông thường vẫn còn sử dụng kết quả của nhóm thứ nhất. 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. Các kết quả tính toán và thực nghiệm sẽ bổ sung cho nhau để cung cấp số liệu chặt chẽ hơn cho thiết kế. Vì đất là môi trường phức tạp không đồng nhất nên về mặt lý thuyết không thể đưa vào những giả thiết và tất nhiên không thể tìm ra lời giải tổng quát cho tất cả mọi trường hợp. Do đó với mỗi công trình cụ thể sẽ có những giả thiết và phương pháp thích hợp để tính toán áp lực địa tầng tương ứng. Tính đa dạng, phức tạp của các phương pháp và giả thiết không chỉ đòi hỏi phân loại và hiểu biết chính xác các phương pháp tính mà còn phải phân loại và hiểu biết các loại công trình ngầm để áp dụng phương pháp tính cho phù hợp. 3.4.2.1 Tính toán áp lực địa tầng theo quan điểm môi trường phân tán Giả thiết môi trường đất đá là rời rạc và tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết đàn hồi. Bên cạnh đó còn có hai quan niệm khác nhau về quan hệ giữa áp lực địa tầng và chiều sâu đặt hầm. Sau đây là các trường hợp cụ thể: v Tính toán áp lực thẳng đứng lên công trình ngầm thi công bằng phương pháp đào hở - Trường hợp đào hào thẳng đứng Áp lực thẳng đứng tác dụng lên công trình hầm chủ yếu là do trọng lượng khối đất đắp, do trong đất có lực dính làm phát sinh ma sát giữa thành hào và khối đất đắp làm giảm áp lực của khối đất đắp lên hầm [4] - 43 - Xét cân bằng theo trục z phân tố đất có bề dày là dz tại độ sâu z ta có: -gB.dz - sz.B + (sz + dsz).B + 2c0dz + 2m0sxtgj0dz = 0 (3.31) B D/2 H dz z t g sz sx sz+dsz Hình 3.4 Áp lực thẳng đứng trường hợp đào thẳng đứng Trong đó: g - dung trọng riêng của đất đắp B - chiều rộng hào sz - áp lực thẳng đứng tác dụng lên phân tố đất sz + dsz - áp lực tác dụng phía dưới phân tố đất sxtgj0dz - lực ma sát giữa thành hào và khối đất đắp j0 - góc ma sát giữa đất đắp và thành hào c0dz - lực dính c0 - lực dính đơn vị của đất m0 - hệ số áp lực ngang của đất sx - áp lực ngang tác dụng lên phân tố đất, sx = m0sz Tích phân phương trình trên với điều kiện biên: Ngay tại mặt đất z = 0 ta có sz = 0 Ta được áp lực thẳng đứng ở độ sâu z là: ú û ù ê ë é ÷ ø ö ç è æ -- ÷÷ ø ö çç è æ - = 00 00 02 ..2exp1 .2 . .21. jm jm g g tg B z tg B cB G (3.32) - 44 - Tại đỉnh hầm có z = h ( h – chiều sâu tính từ mặt đất đến đỉnh hầm) hBKtg B h tg B c B G gjm jm g g 100 00 02 ..2exp1 .2 . .2 1. =ú û ù ê ë é ÷ ø ö ç è æ -- ÷÷ ø ö çç è æ - = (3.33) Trong đó: K1 = ú û ù ê ë é ÷ ø ö ç è æ-- 00 00 ..2exp1 .2 jm jm tg B h tgh B (3.34) K1 là hệ số áp lực thẳng đứng của đất trong hào Khi tăng chiều sâu (h --> ∞) hệ số K1 sẽ là hằng số khi đó áp lực thẳng đứng lên công trình cũng không thay đổi. Hệ số K1 có thể lập thành bảng tra tuỳ loại đất đá, bề rộng hào đào và chiều sâu đặt hầm. Công thức (3.33) xác định áp lực tác dụng lên toàn bộ chiều rộng B của hố đào, trong thực tế nhiều khi công trình ngầm chỉ chiếm một phần chiều rộng B, nên áp lực thẳng đứng có thể được tính như sau: 2 ... . .2 1 10 DBhK B cG +÷÷ ø ö çç è æ -= g g (3.35) Trong đó: D - chiều rộng công trình - Trường hợp đào hào nghiêng: như hình 3.5 ba H y ao D sz dy sx t t sxsz+dsz Hình 3.5 Áp lực thẳng đứng trường hợp đào thành nghiêng - 45 - Áp lực thẳng đứng ở độ sâu cách gốc toạ độ một khoảng z có thể tính theo công thức sau: ú ú û ù ê ê ë é ÷÷ ø ö çç è æ -= 2 112 2 0 1 . . K h z hK zB G g (3.36) Trong đó: b b b a a a z b b z a a bbaaba tgtg tgtg tgtgtgtgtgtg K s t j s t j s s x s s x ba bajxjxbxax ==== + --+++ = ;;; . 2 (3.37) Khi a = b, hệ số áp lực ngang của đất m = 0,5 thì áp lực thẳng đứng tại đỉnh công trình có thể tính theo công thức sau: G = K3.g.B.h (3.38) Trong đó: ( ) ( ) ( ) ajj jaaj a a sincossin1 )sin(2cossin1 .211 12 cot 0 0 1 0 3 0 + +- = ú ú û ù ê ê ë é ÷ ø ö ç è æ +- - = - a h Btg B h a gK a (3.39) j - góc ma sát trong của đất đắp j0 - góc ma sát giữa đất đắp và thành hào v Tính toán áp lực thẳng đứng lên công trình ngầm thi công bằng phương pháp đào kín (dựa trên thuyết tạo vòm cân bằng tự nhiên trên đỉnh hầm) Khi công trình được thi công bằng phương pháp đào kín và nằm tương đối sâu việc tính toán áp lực đất thẳng đứng có thể dùng lý luận của Giáo sư M.M Proctodiakonov. Để tiện cho tính toán giáo sư đã đưa ra hai giả thiết [4] Giả thiết thứ nhất: vẫn dựa trên giả thiết môi trường xung quanh công trình hầm là rời rạc, nhưng xét tổng quan phải kể đến lực dính kết và lực ma sát làm ảnh hưởng đến áp lực địa tầng. Coi môi trường là rời rạc M.M.Protodiakonov đã đưa ra hệ số : - 46 - fkc = tgj + C/s - hệ số kiên cố và hệ số này áp dụng cho nhiều loại địa tầng khác nhau từ yếu đến cứng chắc. 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. Ñaát ñaù rôøi gaây ra aùp löïch v H 45°- j/2 d b Maët tröôït Voøm caân baèng Hình 3.6 Vòm cân bằng áp lực Vòm cân bằng bởi: - Tải trọng do đất đá phía trên tác dụng xem như phân bố đều, q = gH, - Lực ma sát ở chân vòm T’. Cắt vòm tại đỉnh O xét cân bằng lực ta có: 2 .. 2bqhT v= , (3.40) T = T’ = fkc.b.q (3.41) q (N/m) M x T' V A y hv T r y b 0 Hình 3.7 Sơ đồ xác định kích thước vòm cân bằng - 47 - Trong đó: T - lực đẩy ngang trong vòm hv - chiều cao vòm b - một nửa nhịp vòm T’ - lực ma sát ở chân vòm Để vòm cân bằng T < fkc.b.q hay T + D = fkc.b.q (trong đó D là trị số an toàn), lực đẩy ngang càng lớn khi vòm càng thoải, lấy D = t.hv, ta có: T +t.hv = fkc.b.q (3.42) hay t.hv = fkc.b.q – T = fkc.b.q – q.b2/2hv (3.43) Lấy vi phân dt/dhv = 0 có thể xác định được trị số chiều cao vòm khi T lớn nhất (an toàn nhất) kc v f bh = (3.44) Ta có 2 .. 2bqhT v= (3.45) Suy ra qbfT kc ..2 1 = (3.46) Ta thấy lực đẩy ngang T chỉ lấy bằng nửa lực ma sát, còn phần lại để vòm ổn định nhất Nửa nhịp vòm xác định như sau: b = d + h0tg(450-j/2) (3.47) Trong đó: d - nửa chiều rộng công trình ngầm h0 - chiều cao công trình Phương trình vòm cân bằng: yTqx . 2 2 = (3.48) Thay T vào ta có: kcfb xy . 2 = (3.49) Như vậy vòm có dạng một parabol bậc hai với nhịp 2b và chiều cao là hv - 48 - Tổng áp lực thẳng đứng tác dụng lên công trình sẽ là trọng lượng khối đất đá phía dưới vòm cân bằng, xác định như sau: g.. 3 4 2 kcf bQ= (3.50) Áp lực đứng ứng với hoành độ x tính như sau: q(x) = g(hv – y) = .. 2 ÷÷ ø ö çç è æ - kckc fb x f b g (3.51) Áp lực tác dụng có thể chia làm hai phần: một phần q = g.hv tác dụng trực tiếp lên đỉnh công trình, còn phần tác dụng lên lăng thể trượt hai bên để tác dụng vào tường bên q0 = g.h1 (h1 là chiều cao trung bình của phần vòm trên lăng thể trượt). Maët tröôït B' b=d+hv*tg(45-j/2) hv H 45-j/2 d A A' B 0 0' Pi y q=g*hv qo=g*h1 Voøm caân baèng Hình 3.8 Sơ đồ xác định áp lực thẳng đứng và áp lực ngang 3.4.2.2 Tính toán áp lực ngang Khi môi trường là rời rạc hoặc môi trường đất đá có fkc < 2 thì sau khi đào, vách hầm sẽ biến dạng vào phía trong và đất đá bị phá hoại, phần đất đá trong và trên hai lăng thể trượt sẽ gây ra áp lực ngang tác dụng lên hai tường bên. Áp lực ngang tại một điểm trên tường bên xác định: p = (q0 + g.y).tg2(450-j/2) (3.52) Trong đó: y - tung độ tính từ đỉnh công trình đến điểm tính toán - 49 - 3.4.2.3 Tính toán phản lực đáy hầm Tải trọng tác dụng xuống nền đất gây ra áp lực chủ động pc : pc = (q1 + gy).tg2(45o – j/2) (3.53) Áp lực chủ động làm phát sinh áp lực bị động pb : pb = g.y.tg2(45o + j/2) (3.54) Ở độ sâu giới hạn yo giá trị áp lực ngang bị động bằng áp lực ngang chủ động pc = pb (q1 + g.yo).tg2(45o – j/2) = g.yo.tg2(45o + j/2) (3.55) ( ) ( ) ( )[ ]2/452/45 2/45. 22 2 1 0 jj j --+ - = oo o tgtg tgqy (3.56) Khi đó tổng áp lực chủ động là: Ec= yo.(q1 + g.yo/2).tg2(45o - j/2) (3.57) Tổng áp lực bị động là: ÷ ø ö ç è æ += 2 45. 2 . 02 2 0 jg tg y E b (3.58) Lực đẩy của lăng thể trượt: D = Ec - Eb (3.59) Lực đẩy D phân thành hai thành phần: - thành phần song song với mặt trượt T = D.cos (450 –j/2) (3.60) - thành phần vuông góc với mặt trượt S = D.sin (450 –j/2) (3.61) Lực S gây ra lực ma sát S.tgj. Lực gây trượt sẽ đẩy lăng thể trượt trồi lên là: To = T – Stgj = R. sin(450 –j/2)/ sin(900 +j) (3.62) Lực T0 gây ra lực đẩy thẳng đứng ở đáy hầm: N0 = To sin(450 –j/2) (3.63) Áp lực phân bố ở đáy hầm là: - 50 - ÷ ø ö ç è æ + ÷ ø ö ç è æ - = 2 45. 2 45. . 0 0 0 0 2 j j tgy tgD a N q ; KN/m2 (T/m2) (3.64) X o N T D j 9