TÍNH TOÁN LÚN BỀ MẶT GÂY RA BỞI THI CÔNG
CÔNG TRÌNH NGẦM THEO CÔNG NGHỆ KÍCH ĐẨY
KS. BÙI THANH MAI
TS. NGÔ ĐĂNG QUANG
TS. NGUYỄN XUÂN HUY
Bộ môn Kết cấu xây dựng
Viện Khoa học và Công nghệ xây dựng giao thông
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một số nguyên nhân và phương pháp xác định lún bề mặt
trong quá trình thi công và khai thác công trình ngầm (CTN) được thi công theo công nghệ
kích đẩy. Một số kết quả tính toán cho một CTN cụ thể đang được thi công tại thành phố
Hồ Chí Minh cũng sẽ được giới thiệu.
Summary: The article introduces some causes and methods of estimating the face
stability and the surface settlement induced during building and operating underground works
using pipe-jacking technology. Some results of a cacultion for an underground works
presently carried out in Ho Chi Minh city are also presented.
I. MỞ ĐẦU
Các công trình ngầm (CTN) trong đô thị ngày càng trở nên phổ biến và đóng vai trò quan
trọng trong cuộc sống hiện đại. Có nhiều biện pháp kỹ thuật khác nhau được sử dụng để xây
dựng những công trình này. Hai kỹ thuật chính được sử dụng để xây dựng các CTN đô thị là kỹ
thuật đào hở và kỹ thuật đào kín. Mỗi công nghệ đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng,
phù hợp với các loại công trình ngầm khác nhau. Kỹ thuật đào kín tỏ ra đặc biệt có hiệu quả khi
thi công các CTN trong đô thị đặt sâu. Đối với các CTN dạng trọng lực, kĩ thuật kích đẩy ống
(thuộc nhóm kỹ thuật đào kín) là một lựa chọn thích hợp [3].
Một vấn đề chung được đặt ra đối với việc xây dựng các CTN là sự ảnh hưởng của nó đối
với môi trường xung quanh trong và sau quá trình thi công. Việc xác định lún bề mặt là vấn đề
rất quan trọng cần được quan tâm khi xây dựng CTN, đặc biệt là các CTN được xây dựng trong
đô thị do có rất nhiều các công trình kiến trúc, nhà cửa, kết cấu hạ tầng kỹ thuật v.v… nằm lân
cận khu vực CTN. Lún bề mặt, tuỳ thuộc vào mức độ, phạm vi ảnh hưởng, hướng và tốc độ phát
triển, có thể gây tác động xáo trộn trạng thái của các công trình này, làm thay đổi chức năng sử
dụng và nguy hiểm hơn, có thể phá huỷ kết cấu gây mất ổn định công trình [1].
II. GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ KÍCH ĐẨY
Theo định nghĩa của Hiệp hội kỹ sư xây dựng Hoa Kỳ (American Society of Civil
Engineers-ASCE) [9] có thể hiểu công nghệ kích đẩy ống (pipe jacking) như sau: công nghệ
kích đẩy là một hệ thống gồm nhiều đốt ống được lắp đặt trực tiếp ở phía sau một khiên đào,
được đẩy đi bằng hệ kích thuỷ lực, từ một giếng kích đẩy (drive shaft/pit) đến một giếng nhận
(receiving shaft/pit) để tạo thành một công trình ngầm liên tục trong lòng đất.
Những đặc điểm chung nhất của công nghệ kích đẩy ống là : (1) được điều khiển từ xa; (2)
có dẫn hướng; (3) được kích đẩy theo hướng tuyến đã định và (4) đất nền được chống đỡ liên
tục.
Hình 1. Mô tả sơ đồ công nghệ kích đẩy
III. LÚN BỀ MẶT VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LÚN BỀ MẶT
Do lực kích đẩy ống tác dụng trong quá trình kích đẩy có phương nằm ngang nên việc xác
định lún theo phương thẳng đứng của công trình ngầm được thi công theo công nghệ kích đẩy
chỉ chủ yếu phụ thuộc vào loại thiết bị được sử dụng trong quá trình đào hầm.
1. Các nguyên nhân gây lún bề mặt khi thi công CTN bằng phương pháp kích đẩy
Hình 2. Hình dạng phễu lún trên bề mặt do thi công CTN
Thiết bị chủ yếu được sử dụng để đào hầm trong quá trình thi công kích đẩy là khiên đào
hoặc máy đào tổ hợp TBM (Tunnel boring machine). Do đó, lún bề mặt có thể phân ra làm 4
nhóm sau (hình 3):
Hình 3. Độ lún dọc theo máy khiên đào
- Lún ở phía trước và phía trên gương đào (đoạn a): Gây ra bởi sự dịch chuyển của đất ở
phía trước và trên khu vực khiên đào về phía khoảng trống vừa tạo ra;
- Lún dọc theo trục khiên đào (đoạn b): Do 2 nguyên nhân chủ yếu là do khoảng hở giữa
khối đất và thành máy khiên đào và ma sát giữa khiên đào với khối đất;
- Lún tại đuôi khiên đào (đoạn c): Do một khoảng hở phát triển giữa đuôi khiên đào với
khối đất bao quanh;
- Lún liên quan đến biến dạng của lớp vỏ hầm (đoạn d): Các phân đốt bê tông đúc sẵn được
lắp đặt phía trong lớp vỏ khiên ở phía đuôi có thể bị biến dạng khi chịu lực đẩy của kích và áp
lực đất, gây lún bề mặt.
2. Các phương pháp tính lún
Có hai phương pháp tính lún bề mặt đất đang được sử dụng phổ biến là (1) phương pháp
kinh nghiệm và bán kinh nghiệm/giải tích dựa trên các công thức kinh nghiệm được rút ra từ kết
quả quan trắc tại các công trình cũ và đã được chứng minh là tương đối phù hợp qua các ứng
dụng thực tế và (2) phương pháp số (chủ yếu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn) là phương
pháp khá phổ biến hiện nay, hoặc kết hợp cả hai phương pháp trên.
2.1. Phương pháp giải thích (phương pháp kinh nghiệm và bán kinh nghiệm) [1,2]
Có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xây dựng phương trình xác định lún bề mặt
như các nghiên cứu của Peck và Schmidt, Cording và Hansmire, Atkinson và Potts, Attewell và
Woodman, O’Reilly và New, v.v…
Có thể tổng kết về tính lún thẳng đứng theo phương pháp giải tích như sau:
a. Lún thẳng đứng theo phương vuông góc với CTN
Các tác giả đều đề xuất giả thiết máng lún có dạng đường cong phân phối chuẩn (hình 4).
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛−
=2
2
max i2
y
expSS (1)
Trong đó:
Hình 4. Hình dạng máng lún
S: Độ lún bề mặt theo tính toán lý thuyết,
thường được giả định có dạng hàm sai số Gauss hay
đường cong phân phối chuẩn.
Smax: Độ lún bề mặt lớn nhất, ở phía trên trục
hầm, thường được xác định thông qua thể tích phễu
lún. Giá trị này phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa
cơ học của khối đất như độ bền, độ cứng, tính thấm,
cao độ nước ngầm, v.v…, các thông số hình học của
CTN như đường kính CTN, độ sâu đặt CTN, phương
pháp thi công, trình độ kỹ thuật thi công.
exp: Hàm số mũ ex, trong đó, e được lấy gần bằng 2,178 và là cơ số của hàm số logarit tự
nhiên.
y: Khoảng cách ngang từ tim CTN đến điểm cần tính lún.
i: Độ lệch tiêu chuẩn của đường cong tính lún, là khoảng cách từ điểm uốn của máng lún
đến tim CTN, còn được gọi là thông số bề rộng máng lún. Có nhiều công thức để xác định giá
trị i trong đó chủ yếu là các công thức thu được từ kết quả quan trắc hiện trường. Theo đó, giá
trị i phụ thuộc vào kích thước (đường kính) CTN, điều kiện địa chất và đặc biệt là độ sâu đặt
CTN (H).
b. Lún dọc trục CTN
Hiện nay, những nghiên cứu xung quanh việc xác định đường cong lún theo phương dọc
trục CTN còn rất hạn chế. Theo Attewell và Woodman [5], độ lún tại vị trí mặt gương đào có
thể lấy gần bằng 1/2 độ lớn cuối cùng (hình 5).
Độ lún tại một điểm dọc trục CTN có thể được tính theo công thức:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=ν=ν i
x
FS)x(S max,0y (2)
Trong đó:
∫
∞−
−
π
=φ
x
i2
x
x
2
x
2
e
2i
1
)x( (3)
x: Khoảng cách từ điểm tính lún đến vị trí mặt gương.
ix: Thông số bề rộng máng lún theo phương dọc CTN, một cách gần đúng, có thể lấy ix = i
với i đã tính toán ở trên.
Hình 5. Hình dạng máng lún
2.2. Phương pháp số
Với sự phát triển mạnh mẽ của công cụ máy tính, phương pháp số ngày càng chiếm ưu thế
trong những năm gần đây. Rõ ràng việc ứng dụng phương pháp số trong việc giải quyết vấn đề
lún mặt đất gây ra bởi quá trình đào hầm là thích hợp nhất. Phương pháp số không chỉ được sử
dụng để dự đoán lún bề mặt mà còn mô tả toàn bộ quá trình thiết kế hầm, bao gồm việc mô
phỏng các giai đoạn đào hầm và đặt các đốt hầm, sự tương tác giữa các đốt hầm đã đặt với đất
đá xung quanh, ảnh hưởng của các công trình đặt gần đó, ảnh hưởng của hiện tượng thấm và
hiện tượng cố kết, v.v…
Mô hình phương pháp số tiêu biểu được sử dụng trong phân tích địa kỹ thuật thường bao
gồm các hệ thống nút, phần tử và điều kiện biên. Trong đó, các phần tử được sử dụng để mô
hình hoá đặc trưng hình học và cơ học của khối đất đá cũng như kết cấu. Các nút có vai trò xác
định vị trí và liên kết các phần tử còn điều kiện biên sẽ mô tả lại đặc điểm liên kết của mô hình
với không gian còn lại xung quanh.
Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số phổ thông nhất trong việc ước tính lún bề
mặt do thi công hầm. Khi mô hình hoá và dự báo phát triển lún bề mặt bằng một phần mềm địa
kỹ thuật chuyên dụng, cần có các số liệu đầu vào như: kích thước hình học; tính chất vật liệu
của hệ thống chống đỡ, phương pháp thi công, điều kiện địa chất,… Các kết quả đầu ra, ngoài
biến dạng lún mặt đất, còn bao gồm cả nội lực trong vỏ hầm (lực dọc và mô men uốn dùng để
thiết kế cốt thép trong vỏ hầm), và các sơ đồ phân bố ứng suất.
Mục đích phân tích sẽ quyết định việc lựa chọn phần tử, kích thước và mức độ phức tạp
của mô hình. Các phần tử hữu hạn nên được lựa chọn sao cho có thể mô hình hoá một cách gần
đúng nhất sự làm việc thực tế của đất đá mà không quá phức tạp, vượt quá khả năng của các
công cụ tính toán thông thường.
Hiện nay, trên thế giới đang có rất nhiều phần mềm tính toán, phân tích địa kỹ thuật khác
nhau như GTS, Plaxis, v.v. Mỗi phần mềm đều có những điểm mạnh, điểm yếu khác nhau và,
do đó, được áp dụng thích hợp cho những lĩnh vực khác nhau.
- Plaxis 3D Tunnel: là một phần mềm trong họ các phần mềm PLAXIS của hãng PLAXIS
(Hà Lan). Đây là phần mềm địa kỹ thuật được phát triển cho mục đích tính toán biến dạng và ổn
định ở dạng 3D các kết cấu hầm.