Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh" nhằm xây dựng công thức tính Vloss nhằm hoàn thiện hơn phương pháp tính PTHH để phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công đường hầm Metro đến lún và các công trình trên bề mặt.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN THẠCH BÍCH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG TỔ HỢP KHOAN ĐÀO HẦM (TBM) ĐẾN LÚN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN BỀ MẶT TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Chuyên ngành : Xây dựng Cầu Hầm Mã số : 9580205 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – 2022
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Giao thông Vận tải Người hướng dẫn khoa học 1: Người hướng dẫn khoa học 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường theo Quyết định Số /QĐ- ĐHGTVT ngày… tháng… năm 2022 họp tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải Vào hồi … ngày … tháng … năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải; - Thư viện Quốc Gia.
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề nghiên cứu Trước tình hình quá tải giao thông tại các đô thị lớn, Thủ tướng chính phủ đã phê duyệt qui hoạch phát triển giao thông đô thị, theo đó Hà Nội sẽ xây dựng hệ thống Metro với 8 tuyến và TP HCM sẽ xây dựng hệ thống Metro với 6 tuyến. Với đặc điểm Hà Nội và TP HCM: Quĩ đất cho giao thông rất khan hiếm, dân cư đông đúc, tình trạng giao thông luôn quá tải, các công trình trên mặt đất rất nhiều và đa dạng cùng với những móng công trình phức tạp…, thì công nghệ TBM được cho là phù hợp nhất. Ngay cả thi công bằng phương pháp TBM cũng không tránh khỏi việc gây lún bề mặt gây nguy hiểm cho các công trình bên trên. Nguyên nhân chính là mất thể tích hướng tâm và mất thể tích gương đào. Hai thành phố lớn như HN và TP HCM có đặc điểm Qui hoạch chưa đồng nhất; Quĩ đất giành cho giao thông khan hiếm; Nhiều công trình kiến trúc cổ cần bảo tồn; Dân cư đông đúc; Tình trạng giao thông quá tải; Công trình trên mặt đa dạng và phong phú. Do đó, vấn đề đặc biệt cần quan tâm hiện nay đó là nghiên cứu ảnh hưởng quá trình xây dựng đường hầm Metro đến hiện tượng lún và các công trình trên bề mặt, ứng xử của nền đất xung quanh khu vực thi công hầm, các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng lún bề mặt, phạm vi ảnh hưởng của lún đến các công trình trên mặt và đặc biệt cần xây dựng các công thức dự báo lún bề mặt khi thi công xây dựng tuyến hầm metro bằng công nghệ TBM tại các đô thị lớn ở Việt Nam. Luận án xin đề xuất nội dung nghiên cứu được lựa chọn là: “ nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm ( TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” 2. Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu luận án tập trung nghiên cứu hiện tượng lún mặt đất và các công trình trên bề mặt trong quá trình xây dựng đường hầm metro tại thành phố Hồ Chí Minh 3. Phạm vi nghiên cứu - Luận án tập trung nghiên cứu đoạn tuyến ngầm từ Ga Bến Thành đến Ga Ba Son, dự án xây dựng tuyến Metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên, TP Hồ Chí Minh. 4. Phương pháp nghiên cứu - Luận án sử dụng phương pháp lý thuyết dựa trên các kết quả tính toán theo công thức kinh nghiệm so sánh với các kết quả quan trắc tại hiện trường kết hợp với phương pháp PTHH 5. Mục tiêu của luận án - Mục tiêu thứ nhất: Xây dựng công thức tính Vloss nhằm hoàn thiện hơn phương pháp tính PTHH để phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công đường hầm Metro đến lún và các công trình trên bề mặt. - Mục tiêu thứ hai: đề xuất các công thức tính các đại lượng lún mặt đất bằng phương pháp thực nghiệm phản ánh qui luật lún mặt đất trong quá trình thi công đường hầm Metro bằng công nghệ TBM tại thành phố Hồ Chí Minh. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Việc xây dựng được công thức thực nghiệm tính hệ số mất mát thể tích Vloss được xem là đóng góp to lớn trong lĩnh vục này bởi theo các nghiên cứu trước đây đã được công bố, vấn đề mất mát thể tích trong quá trình thi công đường hầm gây lún bề mặt cũng được đề cập song đều được chỉ dẫn lấy theo kinh nghiệm thi công hiện trường mà chưa có công thức nào được công bố. Đồng thời với giá trị Vloss được tính toán sẽ giúp hoàn thiện hơn phương pháp tính PTHH để đánh giá bài toán tác động thi công đường hầm Metro đến công trình trên mặt đất. Luận án đã so sánh những giá trị lún bề mặt được tính bằng các công thức thực nghiệm của các tác giả đã công bố với những số liệu quan trắc thực tế tại công trình thi công tuyến Metro số 1 Bến Thành-Suối Tiên đoạn Ga Nhà hát lớn đến ga Ba Son. Từ đó đã đề xuất các công thức tính các đại lượng lún mặt đất bằng phương pháp thực nghiệm phản ánh qui luật lún mặt đất trong quá trình thi công đường hầm Metro bằng công nghệ TBM tại thành phố Hồ Chí Minh.
2 Kết quả nghiên cứu của luận án rất có ý nghĩa khoa học và có tính thời sự thực tiễn cao khi tại Việt Nam đã và đang triển khai xây dựng hàng loạt các tuyến Metro tại Hà Nội và TP Hồ Chí Minh. Với kết quả nghiên cứu này có thể áp dụng cho những dự án xây dựng các tuyến Metro tiếp theo mà Việt Nam đang triển khai. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 1.1 Tình hình xây dựng Metro trên thế giới và Việt Nam Tuyến Metro đầu tiên được xây dựng ở Anh vào năm 1863, cho đến nay đã có khoảng 80 thành phố trên thế giới sử dụng hệ thống Metro trong giao thông công cộng. Hệ thống Metro lớn nhất thế giới là ở Newyork với tổng chiều dài 471km và 468 nhà ga. Ở Việt Nam, Thủ tướng chính phủ đã phê duyệt qui hoạch phát triển giao thông đô thị, theo đó Hà Nội sẽ xây dựng hệ thống Metro với 8 tuyến và TP HCM sẽ xây dựng hệ thống Metro với 6 tuyến. 1.2 Thi công đường hầm metro bằng công nghệ TBM và những vấn đề phát sinh 1.2.1 Sự ra đời và phát triển công nghệ TBM Thi công bằng khiên (Shield Method) là phương pháp thi công cơ giới dùng khiên đào đường hầm ngầm dưới mặt đất. Khiên (Shield) là một loại kết cấu ống thép hoạt động dưới sự che chắn áp lực địa tầng, lại có thể hoạt động tiến lên trong địa tầng. Tổ hợp máy khoan đào hầm (TBM) thực hiện trọn vẹn chu trình thi công hầm từ đào đường hang, chống đỡ, vận chuyển đất đá ra ngoài và lắp ráp vỏ hầm. Ý tưởng thi công bằng khiên lần đầu tiên thế giới do công trình sư người Pháp Brunel đề xuất vào năm 1818 xuất phát từ hình tượng con mọt đục gỗ trên tàu thuyền. Năm 1825 đến 1843, Brunel đã xây dựng dưới sông Thames ở London một đường hầm thi công bằng khiên lần đầu tiên trên thế giới, dài toàn bộ 458m. Từ năm 1818 đến nay các nước trên thế giới đã nghiên cứu chế tạo hàng mấy nghìn kiểu khiên, phương pháp thi công bằng khiên đã được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng công trình ngầm ở các đô thị. 1.2.2 Phân loại TBM Dựa theo cách đào đất khác nhau, có thể chia khiên ra làm 3 loại: loại đào thủ công, loại đào bán cơ giới và loại đào cơ giới hoá toàn bộ. Dựa vào cấu tạo bộ phận trước: chia khiên ra làm hai loại: loại ngực trần và loại ngực bịt. Dựa vào phương thức thoát nước ngầm và ổn định mặt đào khác nhau mà chia khiên ra các loại: loại hạ nước ngầm thủ công bằng giếng kim, loại nén bùn và nước, loại cân bằng áp lực đất không dùng khí nén, loại dùng khí nén cục bộ, loại khiên dùng toàn bộ khí nén v.v… Trong thực tế xây dựng hầm người ta sử dụng khiên đào cơ giới hoá (MS), khiên đào bán cơ giới (PMS) và khiên đào không cơ giới hoá (NMS). Khiên đào cơ giới hoá được chia ra thành khiên đào có áp lực cân bằng ở gương đào và khiên đào không có áp lực cân bằng ở gương đào (MS). Khiên đào có áp lực cân bằng ở gương đào phụ thuộc vào dạng vật liệu tạo áp lực ở gương đào được chia ra làm 4 loại: bằng dung dịch vữa sét (MS-S) (Bentonite Slurry Shield- BS Shield hoặc Hyđroshield), bằng đất đã được đào (MS-E) (Earth Pressure Baland Shield) (loại này được chia ra làm hai: chỉ nguyên đất MS-E và bơm vào đất dung dịch vữa sét hoặc bột MS-ED), bằng khí nén (MS-A) (Compressed Air Shield – CA Shield) và loại hỗn hợp (MS-M) (Mixshield). 1.2.3 Các vấn đề phát sinh 1.2.3.1 Lún mặt đất trong quá trình thi công đường hầm bằng TBM Khi thi công bằng phương pháp khiên trong địa tầng đất sét mềm và bão hoà, biến dạng của mặt đất sản sinh dọc trục đường hầm. Nói chung có thể chia làm 3 giai đoạn: Mặt đất gồ lên và lún xuống phía trước khiên, lún xuống khi thi công và lún xuống do cố kết.
3 Hình 1.8: Quy luật biến dạng chung của mặt đất 1.2.3.2 Các hiện tượng lún do xây dựng công trình ngầm đã được ghi nhận - Sụt lún bề mặt trong quá trình thi công tuyến tầu điện ngầm thành phố Muenchen (Munich), Đức, 1994 - Sập lở hầm khi thi công tàu điện ngầm tại Đài Bắc, Đài loan, 1994/1995 - Sập hầm đường tàu điện ngầm (MRT) Singapore 2004 - Hố sụt hình thành ở đường Tannery do công trình tàu điện ngầm Bengaluru. - Một phần đường cao tốc bị sập khi thi công tuyến tàu điện ngầm mới ở Sao Paulo, Brazil, ngày 1 tháng 2 năm 2022 1.3 Các nghiên cứu đánh giá tác động ảnh hưởng của việc thi công đường hầm metro đến các công trình trên mặt đất 1.3.1 Những tác động của việc xây dựng đường hầm và Metro đến công trình trên mặt đất Nói chung, các dạng công trình khác nhau sẽ chịu tác động của máng lún theo các dạng khác nhau. Kinh nghiệm cho thấy, các công trình bằng gạch đá sẽ chịu biến dạng bằng với biến dạng của đất mà chúng được đặt trên. Và điều này cũng xảy ra với phần lớn các công trình được đặt trên các móng đơn. Ngược lại, những công trình xây dựng gần đây bằng vật liệu bê tông cốt thép, có kết cấu được tăng cường chắc chắn sẽ có biến dạng ngang nhỏ hơn đất đá ở móng. Độ cứng chống uốn của những công trình này chính là nguyên nhân làm giảm biến dạng của chúng so với biến dạng của đất đá, đặc biệt là trong trường hợp sử dụng các móng liên tục như móng băng, móng bè. Độ cứng của kết cấu càng lớn thể hiện sức kháng cắt càng lớn và dẫn đến có xu hướng bị nghiêng lệch nhiều hơn là bị cong vênh. Đặc điểm này phụ thuộc vào chiều cao công trình (số tầng), số lượng lỗ khoan đào và kiểu công trình (tường bê tông hay dầm hay cột chống,…). Hình 1.13:Các dạng ảnh hưởng của phễu lún tới công trình bề mặt [01] Năm 1974, Burland & Wroth [02] đã chỉ ra rằng, các dấu hiệu để nhận biết và cách xác định biến dạng của công trình là rất phong phú. Hai ông đã đề xuất 9 thông số mà dựa vào đó có thể định nghĩa biến dạng công trình. 1.3.2 Phân loại hư hỏng của các công trình lân cận do lún bề mặt Mức độ hư hỏng của công trình gần khu vực đào hầm, đặc biệt là các kết cấu gạch đá, mang tính chất ngẫu nhiên nhiều hơn là tính tất định. Vì thế, phương pháp được sử dụng để nghiên cứu hư
4 hỏng của công trình là đưa ra các ngưỡng giới hạn. Khi một đặc tính nào đó của công trình vi phạm một trong các ngưỡng này, người kỹ sư sẽ dựa vào đó và đánh giá được mức độ hư hỏng của nó. Theo Burland và các đồng nghiệp (1977) [03] , hư hỏng của các công trình gần khu vực thi công hầm được phân làm ba loại chính: Hư hỏng kiến trúc là những hư hỏng có thể quan sát thấy bằng mắt thường; Hư hỏng chức năng, có thể dẫn đến trục trặc trong quá trình khai thác, sử dụng; Phá hủy kết cấu, tác động đến ổn định của công trình. Hình 1.15. Mô hình hoá công trình như một dầm đàn hồi và định nghĩa độ võng tương đối (Burland và Wroth, 1975) 1.3.3 Quan trắc chuyển dịch nền móng nhà cao tầng trong giai đoạn thi công móng và tầng hầm Theo JGJ 120 - 99 [04], nội dung quan trắc trong quá trình thi công hố đào bao gồm: quan trắc chuyển dịch theo phương ngang của kết cấu chống giữ; biến dạng của đường ống ngầm và công trình xung quanh; mực nước ngầm; nội lực trong cọc, tường; lực kéo trong đất; lực dọc trong thanh chống; biến dạng trụ đứng; độ lún theo chiều sâu của các lớp đất và độ trồi đất ở đáy hố móng; áp lực ngang trên bề mặt kết cấu chống giữ. 1.3.4 Phân tích đánh giá kết quả quan trắc chuyển dịch nền móng và tầng hầm nhà cao tầng Trong quan trắc biến dạng nền móng và tầng hầm nhà cao tầng, các hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nâng cao độ chính xác quan trắc, nâng cao mức độ tin cậy của giá trị quan trắc và phân tích số liệu quan trắc nhằm kiểm soát sự cố có thể xảy ra đối với công trình và công trình lân cận. P.Erik Mikkelsen (2003) đã nghiên cứu phân tích dữ liệu để nâng cao độ chính xác đo chuyển dịch ngang bằng thiết bị Inclinometer [05]. Christian Moormann (2004) dựa trên kết quả quan trắc 530 công trình hố đào sâu trong đất mềm yếu, đề xuất trị cảnh báo và giá trị giới hạn về chuyển dịch ngang của tường và chuyển dịch đứng của đất lân cận hố đào, dùng chúng để kiểm soát và phòng ngừa những hư hại có thể xảy ra đối với công trình ở gần hố đào Sự cố công trình thực tế về hố móng sâu được phân tích dựa trên kết quả quan trắc được thiết kế và lắp đặt trước khi thi công tầng hầm và bổ sung kịp thời trong quá trình diễn biến sự cố. Phương pháp kiểm soát sự cố khá chủ động nhờ phân tích một cách khoa học các thông tin từ quan trắc [53]. Richard N. Hwang, Za-Chieh Moh and C. H. Wang (2007) đã chỉ ra rằng: biến động điểm đáy của ống Inclinometer là không thể tránh khỏi, thậm chí kể cả khi đáy ống được lắp đặt trong tầng cuội sỏi. Trong đo chuyển dịch ngang bằng cách áp dụng các điểm đáy ống như điểm tham chiếu có thể sẽ là sai lầm. Các điểm ở phía trên của ống dẫn hướng cần được theo dõi để đọc, có thể được hiệu chỉnh cho phù hợp. [06] A.Rahman, M.Taha (2005), Inclinometers là những công cụ tốt để đo lường và quan trắc sự biến dạng ngang của đất do đào đắp. Tuy nhiên ống dẫn hướng sử dụng phải đủ sâu để có được kết quả đáng tin cậy. Vì lý do này ống dẫn hướng Inclinometers lắp đặt bên trong tường vây phải được lắp đặt ít nhất là đến hết chiều sâu bức tường hoặc thậm chí sâu hơn. Đó là khuyến cáo để lắp đặt các Inclinometers nhằm thực hiện các mô hình phân tích chính xác hơn về thông số chuyển dịch biến dạng của đất bên ngoài của bức tường ngăn hoặc cho tiêu chuẩn thiết kế tốt hơn. [04] 1.3.5 Các công trình nghiên cứu trong nước về biến dạng, lún các công trình đô thị xung quanh khu vực thi công Metro. Năm 1985 đã có tiêu chuẩn TCVN 3972:1985 “Công tác trắc địa trong xây dựng công trình” [08]
5 đã nói đến quan trắc biến dạng công trình. Từ đó đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học các cấp, một số luận án, luận văn nghiên cứu về quan trắc biến dạng công trình để hoàn thiện công tác quan trắc công trình, đáp ứng được yêu cầu quan trắc đối với các công trình cụ thể. Nghiên cứu phương pháp và quy trình quan trắc biến dạng công trình: Quy trình công nghệ quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình đã được tác giả Trần Khánh (1991) thể hiện trong báo cáo đề tài nhánh của đề tài cấp nhà nước 46A-05-01 [09]. Nghiên cứu về thiết kế lưới và xử lý số liệu quan trắc biến dạng công trình: Để mạng lưới quan trắc biến dạng đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác và yêu cầu về thời gian thì hệ thống lưới quan trắc cần được thiết kế tối ưu.Về mặt thiết kế tối ưu lưới quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình đã có công trình nghiên cứu của tác giả Nguyễn Quang Phúc (2006). Trong công trình nghiên cứu này đã trình bày đầy đủ về đặc điểm công tác thiết kế hệ thống lưới quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình và những kết quả nghiên cứu thiết kế tối ưu lưới quan trắc biến dạng công trình trên máy tính điện tử. Các nghiên cứu cũng cho thấy, việc thiết kế tối ưu lưới quan trắc biến dạng trên máy tính điện tử là đơn giản và hiệu quả [10]. 1.4 Kết luận chương 1 Chúng ta thấy rằng khi thi công tuyến hầm Metro ngầm chìm bằng công nghệ TBM rất phù hợp và hiệu quả với các đô thị lớn với mật độ dân cư đông đúc, kiến trúc phức tạp và phong phú như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh. Tuy nhiên mặc dù thi công với công nghệ hiện đại cũng không tránh khỏi những tác động tiêu cực lên bề mặt thể hiện qua hiện tượng biến dạng và lún bề mặt trong quá trình thi công. Điều này tác động không nhỏ đến những công trình xây dựng hiện hữu trên mặt đất. Do đó nghiên cứu dự báo, đánh giá và kiểm soát được hiện tượng lún trên bề mặt do quá trình thi công xây dựng tuyến Metro ngầm chìm là vấn đề cấp thiết mà bất kỳ chủ đầu tư, nhà thầu xây dựng và các nhà quản lý đặc biệt quan tâm. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT DỰ TÍNH LÚN MẶT ĐẤT KHI THI CÔNG ỐNG HẦM TRÒN 2.1. Phân tích và dự báo lún mặt đất bằng phương pháp lý thuyết Một số tác giả phát triển phương pháp giải tích, ngoại suy từ các công thức bán kinh nghiệm và kết hợp tất cả các yếu tố để tổng quát hóa công thức tính toán biến dạng mặt đất: 2.1.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết của Sagaseta (1987), Verruijt và Booker (1996), Gonzalez và Sagaseta (2001) Sagaseta (1987) [11] trình bày giải pháp tổng quát hóa trong đất không cố kết, không thoát nước, đẳng hướng và đồng nhất. Đất được mô hình như vật liệu đàn hồi tuyến tính với công nghệ ảnh ảo và kết quả từ bán không gian đàn hồi để tính toán sự dịch chuyển đất bề mặt. Thể tích đất mất mát không thoát nước ở một độ sâu hữu hạn là không gian vô hạn được đánh giá là do chiết giảm thể tích khi đào hầm bỏ qua tác động của đất trên bề mặt, với điều kiện là không nén được và chuyển vị hướng tâm có hình cầu đối xứng trục. Verruijt và Booker (1996) [12]. trình bày một phương pháp phân tích cho đường hầm trong không gian đàn hồi đồng nhất, sử dụng phương pháp gần đúng theo đề nghị của Sagaseta (1987). Công thức được đưa ra bởi Verruijt và Booker là sự tổng quát của phương pháp Sagaseta. Công thức tính biến dạng bề mặt cho trường hợp đất không nén được và có hệ số Poisson bất kỳ bao gồm ảnh hưởng của ovalisation (đường hầm mở hình oval) trong thời gian dài. 2.1.2.Phương pháp nghiên cứu lý thuyết của Lee et al (1987), Rowe và Lee (1992) Lo và Rowe (1982) và Rowe et al (1983) [13] đã giới thiệu yếu tố khoảng hở gây ra mất mát thể tích có quan hệ cường độ và biến dạng ứng xử trạng thái đàn hồi và dẻo, là khoảng trống giữa đường kính lỗ đào và vỏ hầm. Khoảng trống này được điều chỉnh bởi Lee et al (1992) như sau: 2.1.3. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết của Loganathan và Poulos (1998) Loganathan và Poulos (1998) [14] sửa đổi phương pháp của Veruijt và Booker bằng cách kết hợp điều kiện biên thực tế. Một hình bầu dục đã được giới thiệu trên đỉnh đường hầm vì mất mát thể
6 tích xảy ra ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình đào hầm. 2.2. Phân tích và đánh giá lún theo phương pháp kinh nghiệm và bán kinh nghiệm. 2.2.1.Phương pháp nghiên cứu kinh nghiêm Macklin và Field (1999): Macklin và Field (1999) [15] dựa vào số liệu thực tế với đường hầm đường kính 2,8m trong đất sét London cho biết quan hệ thay đổi giữa áp lực đất thứ cấp và biến dạng lún bề mặt với tốc độ đào hầm. Ở trường hợp này thì có đến 70% biến dạng lún bề mặt đất tại mặt cắt vuông góc xảy ra khi đuôi khiên đào đã vượt qua, trong suốt quá trình lắp đặt vỏ và bơm vữa. VL được xác định bằng phần trăm của diện tích tổng cộng mặt cắt ngang hầm V L .100 % VL %   .D 2 / 4 2.2.2.Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm sử dụng hệ số ổn định: Macklin (1999) [16], Mair (1981) [17], và O’Reilly (1988) [18], kết hợp lịch sử và kết quả mô hình thí nghiệm ly tâm đã đề nghị một phương pháp dự đoán mất mát thể tích trong đất sét lẫn thực vật. Lý thuyết này sử dụng khái niệm hệ số ổn định: Gọi hệ số ổn định là: N ( khái niệm của Broms và Bennermark (1967)): [19], 2.2.3.Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm của Schmidt-Peck (1969) Phương pháp thực nghiệm phổ biến nhất để dự báo lún bề mặt là dựa vào phân phối Gauss. Peck (1969) [21], và Schmidt (1974) [22] giả thiết hình dạng của phễu lún tương tự như dạng của đường cong phân phối chuẩn Gauss Bằng các phân tích thống kê dựa trên các quan sát thực tế, hai ông đã chỉ ra rằng, đây là phương pháp hợp lý để mô hình hoá hình dạng phễu lún gây ra bởi quá trình đào đường hầm. Phương trình cơ bản: 2 S = Smax exp   x2     2i  Trong đó: - S là độ lún bề mặt theo tính toán lý thuyết ; - S max là độ lún bề mặt lớn nhất (phía trên trục đường hầm); D VL . .( ) 2 S max  2 2,5.i - x là khoảng cách ngang từ tim đường hầm đến điểm cần tính lún; - i là độ lệch tiêu chuẩn của đường cong tính lún (khoảng cách từ điểm uốn của máng lún đến tim trục hầm), còn được gọi là thông số bề rộng máng lún. - Hình 2.4: Đường cong Gauss đối với máng lún ngang và mất mát đất Vt Sau đó các tác giả khác nhau đã dựa trên những số liệu quan trắc thực tế để đưa ra các công thức tính Smax bảng 2.1 Tên tác giả Công thức tính Smax Ghi chú D Dựa trên số liệu quan trắc thực tế. VL . ( )2 Peck (1969) Smax  2 2,5.i
7 D Dựa trên số liệu quan trắc thực tế và kết VL . ( )2 Atkinson & Potts (1979) [24] Smax  2 quả thí nghiệm mô hình. 2,5.i 2 VL .D 2 Dựa trên số liệu quan trắc thực tế đường New & O’Reilly (1982) S max  8 i hầm tại Anh. VL .R 2 Dựa trên số liệu quan trắc thực tế và thí Mair (1993) [25] S max  1.252 i nghiệm ly tâm D 2 Dựa trên số liệu quan trắc thực tế đường VL . ( ) Attewell (1977) [26] 2 hầm tại Anh Smax  2,5.i D Dựa trên số liệu quan trắc thực tế đường Clough & Schmidt (1981) VL . ( )2 Smax  2 hầm tại Mỹ [27] 2,5.i Có nhiều tác giả dựa vào kết quả quan trắc hiện trường đã đề xuất các công thức để xác định giá trị i nhằm điều chỉnh công thức ban đầu của Peck để phù hợp với từng điều kiện cụ thể của các công trình. Tên tác giả Công thức tính i Ghi chú n i  ZO  :    R  2R  Dựa trên số liệu quan trắc thực tế. Peck (1969) n=0,8 ÷1,0 i = 0,25(Z0 + R) Dựa trên số liệu quan trắc thực tế Atkinson & Potts (1979) đối với đất cát rời. và kết quả thí nghiệm mô hình. i = 0,43Z0 + 1,1 đối với đất cố kết. Dựa trên số liệu quan trắc thực tế New & O’Reilly (1982) i = 0,28Z0 – 0,1 đường hầm tại Anh. đối với đất không cố kết. Dựa trên số liệu quan trắc thực tế Mair (1993) i = 0,5Z0 và thí nghiệm ly tâm n i Z    . O  : Dựa trên số liệu quan trắc thực tế Attewell (1977) R  2R  α = 1 và n = 0,8 đường hầm tại Anh n i Z    . O  : Dựa trên số liệu quan trắc thực tế Clough & Schmidt (1981) R  2R  α = 1 và n = 0,8 đường hầm tại Mỹ 2.2.4. Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm của Chow (1994) [30] Phương pháp này khảo sát lún thẳng đứng tại điểm nằm ở khoảng cách vị trí tải trọng tập trung trong một bán không gian đàn hồi (tải trọng tập trung này được mô hình là một đường tải trọng chạy dọc theo trục tim hầm do quá trình đào khối đất bên trong hầm). Chuyển vị lún bề mặt đất sau đó được tính toán theo công thức:  .D 2 .Z 2 S 8.G.(x 2  Z 2 ) 2.2.5. Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm của Mair và Taylor (1993) Mair và Taylor[32] đã nghiên cứu để so sánh với các giải pháp của các công thức gần đúng (công thức kinh nghiêm) về biến dạng bên dưới của đất nền. Cụ thể hai ông đã đưa ra công thức cho dạng lỗ rỗng hình cầu và hình trụ tròn:   su ( D )2 e(0.75N 1) và   su ( D )2 e( N 1) * * D 2G r D 2G r Nhận xét: Hướng nghiên cứu thực nghiệm và bán thưc nghiệm đưa ra các công thức số học cho phép chúng ta nhanh chóng, dễ dàng ước tính mức độ ảnh hưởng lún gây ra do quá trình thi công đào hầm. Tuy nhiên các phương pháp này không xét đến ảnh hưởng tác động tương hỗ cũng như
8 đặc tính ứng xử của nền đất. Tiêu biểu cho phương pháp này phải kể đến công bố của Peck năm 1969. Sau đó các nhà khoa học tiếp tục phát triển và điều chỉnh công thức của Peck dựa trên số liệu quan trắc thực tế các công trình tại các nước khác nhau, nhằm phù hợp hơn với những điều kiện cụ thể từng nước. Các phương pháp dựa trên cơ sở kinh nghiệm và số liệu thực nghiệm hầu hết đều dựa trên giả thuyết bề mặt trống “Green field”, nói cách khác, sự tồn tại của các công trình xây dựng cũng như ảnh hưởng tải trọng của nó ảnh hưởng đến ứng xử biến dạng của nền đất và lún bề mặt, chuyển vị các công trình mặt đất gây ra trong quá trình thi công hầm là không được xem xét đến. 2.3. Phân tích và đánh giá lún bề mặt dựa trên mô hình số và sử dụng phương pháp PTHH Khái niệm chung về phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là phương pháp số để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể. Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần và phương trình tích phân.Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán. Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử). Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử. Nhận xét: Bài toán lún bề mặt trong quá trình xây dựng đường hầm trong thành phố, đặc biệt là các tuyến hầm metro là một bài toán tác động tương hỗ vô cùng phức tạp và có thể giải quyết một cách hiệu quả với các phương pháp số. Tính ưu việt của phương pháp PTHH trong mô hình các bài toán phân tích lún mặt đất đó là có thể xem xét tính tác động tương hỗ qua lại giữa hiện tượng lún mặt đất do thi công đường hầm metro với các công trình hiện hữu trên mặt đất, có thể phân tích theo trình tự thi công của mỗi dự án… cùng với sự phát triển các phần mềm thương mại khiến việc phân tích bài toán này theo phương pháp PTHH ngày càng trở nên phổ biến hơn. Tuy nhiên, kết quả bài toán phân tích theo phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào các số liệu đầu vào. Trong đó phải kể đến hệ số mất mát thể tích Vloss. Tuy nhiên, không có nhiều nghiên cứu phân tích đại lượng này và đa phần đều lấy giá trị này giả định theo kinh nghiệm thi công. 2.4 Kết luận chương 2 Qua nghiên cứu tổng quan các phương pháp đánh giá lún bề mặt do thi công hầm bằng TBM chúng ta có tóm tắt lại có ba hướng nghiên cứu chính: Nghiên cứu lý thuyết, Nghiên cứu thực nghiệm và bán thực nghiệm, Nghiên cứu bằng phương pháp PTHH. Hướng nghiên cứu PTHH ứng dụng sự phát triển khoa học công nghệ nhằm mô hình và xem xét nhiều hơn các yếu tố liên quan như tác động tương hỗ, hay các yếu tố kỹ thuật thi công trong quá trình thi công... Bài toán lún bề mặt trong quá trình xây dựng đường hầm trong thành phố, đặc biệt là các tuyến metro là một bài toán tác động tương hỗ vô cùng phức tạp và chỉ có thể giải quyết một cách hiệu quả với các phương pháp số. Tuy nhiên, kết quả bài toán phân tích theo phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào các số liệu đầu vào, trong đó phải kể đến hệ số mất mát thể tích Vloss mà thường được lấy theo giả định. Tiêu biểu cho phương pháp thực nghiệm phải kể đến công bố của Peck năm 1969. Sau đó các nhà khoa học tiếp tục phát triển và điều chỉnh công thức của Peck dựa trên số liệu quan trắc thực tế các công trình tại các nước khác nhau, nhằm phù hợp hơn với những điều kiện cụ thể từng nước.Tuy nhiên, hiện tại chưa có nghiên cứu nào áp dụng cho điều kiện cụ thể tại Việt Nam. Từ đó vấn đề cấp bách hiện nay cần nghiên cứu khảo sát những số liệu quan trắc của các công trình thực tế tại Việt Nam để điều chỉnh công thức sao cho phù hợp với điều kiện Việt Nam nhằm xây dựng các công cụ dự báo và phân tích được hiện tượng lún bề mặt trong quá trình thi công tuyến Metro ngầm chìm tại Việt Nam.
9 CHƯƠNG 3 QUAN TRẮC-SO SÁNH KẾT QUẢ QUAN TRẮC LÚN VỚI KẾT QỦA TÍNH TOÁN THEO LÝ THUYẾT 3.1. Giới thiệu chung về dự án xây dựng tuyến metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên, TP Hồ Chí Minh Năm 2013, theo điều chỉnh quy hoạch giao thông năm 2007, hệ thống đường sắt đô thị đã có những thay đổi đáng kể: Cụ thể, đến năm 2030, Thành phố Hồ Chí Minh sẽ có 8 tuyến Metro. Tuyến Metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên Hướng tuyến: Bến Thành (tại Quãng trường Quách Thị Trang) – Lê Lợi – Nguyễn Siêu – Ngô Văn Năm – Tôn Đức Thắng – Ba Son – Nguyễn Hữu Cảnh – Văn Thánh – Điện Biên Phủ – cầu Sài Gòn – xa lộ Hà Nội. Tổng chiều dài: khoảng 19,7 km (2,6 km đi ngầm và 17,1 km đi trên cao). Số lượng ga: 14 (3 ga ngầm và 11 ga trên cao). Kết nối giữa ga Nhà Hát Thành phố và ga Ba Son 2 là 02 hầm đơn, kết cấu bê tông cốt thép, đường kính trong 6.05m, đường kính ngoài 6.65m, công nghệ thi công là sử dụng máy đào TBM. 3.2 Quá trình thi công tuyến ngầm và công tác quan trắc lún bề mặt và biến dạng các công trình đô thị trên bề mặt. 3.2.1 Tầm quan trọng của công tác quan trắc 3.2.2 Mục đích, nội dung của công tác quan trắc 3.2.3. Nguyên tắc thiết kế hệ thống quan trắc 3.2.4 Các nội dung quan trắc Sự cần thiết và mức độ quan trọng của công tác đo chuyển vị của nền đất và mặt đất phía trên nóc công trình được xác định tùy thuộc vào chiều sâu của hầm so với mặt đất. Khoảng cách giữa các điểm đo: Theo phương dọc hầm từ 5÷10m (khi h < D), 10÷20m (khi D ≤ h ≤ 2D) và 20÷50m (khi h > 2D); Theo phương ngang hầm từ 3÷5m Sơ đồ bố trí thiết bị đo chuyển vị mặt đất theo phương dọc và ngang hầm Quan trắc đối với nhà cửa, công trình kiến trúc lân cận: Chủ yếu quan trắc độ lún bề mặt ảnh hưởng đối với nhà cửa, công trình kiến trúc lân cận, quan trắc thay đổi độ cao, thay đổi vị trí, thay đổi vết nứt, ... của nhà cửa, công trình công cộng lân cận trước và sau khi đào hầm. 3.3 Quan trắc và kết quả quan trắc 3.3.1 Sơ đồ bố trí các điểm quan trắc lún dọc tuyến Metro ngầm thi công theo TBM
10 Hình 3.9. Mặt bằng bố trí điểm đo quan trắc lún [120] 3.3.2 Kết quả quan trắc lún Vì chỉ có một máy khoan, nên khi khoan hầm East ( hầm phía dưới) từ Ga Ba Son về Ga Nhà Hát Lớn trước sau đó mới khoan ống hầm West ( Ống hầm phía trên). Kết quả quan trắc được sử dụng trong tài liệu này là kết quả thu được tính đến thời điểm thi công xong một ống hầm East. Ống hầm này nằm phía bên trái phía sông Sài Gòn nhìn từ hướng Ga Ba Son về Ga Nhà Hát Lớn. Hình 3. 10 Kết quả đo lún bề mặt dọc đoạn tuyến Metro Hình 3.12: Kết quả khảo sát số liệu đo lún một số tại mặt cắt 3.4 Phân tích lún mặt đất theo lý thuyết và so sánh với kết quả quan trắc 3.4.1 So sánh kết quả tính lún bề mặt theo các công thức lý thuyết và kết quả quan trắc thực tế tại hiện trường Luận án áp dụng công thức của Peck 1969 với ba trường hợp tương ứng với ba trường hợp tính i: n=0.8; 0,9 và 1 trường hợp 2: n= 0.9 . Luận án áp dụng công thức của New & O’Reilly (1982) dựa vào số liệu quan trắc thực tế tại Anh đề xuất công thức với hai trường hợp tương ứng với hai trường hợp tính i: trường hợp 1: i = 0,43Z0+1,1 trường hợp 2: i = 0,28Z0 – 0,1 Luận án áp dụng công thức của Mair (1993) dựa trên các số liệu quan trắc thực tế và thí nghiệm quay ly tâm Luận án áp dụng công thức của Attewell (1977) ; của Clough & Schmidt (1981) và của Atkinson & Potts (1979) và kết quả quan trắc thực tế tại hiện trường Sau khi so sánh giữa kết quả quan trắc hiện trường với kết quả tính toán lý thuyết theo đề xuất của Peck 1969 và 8 đề xuất tiếp theo của các tác giả nêu trên chúng ta có thể thấy rằng độ lún lớn nhất tại vị trí tim ống hầm quan trắc được tại TP HCM thường nhỏ hơn các giá trị lún lớn nhất tính theo lý thuyết. Với kết quả so sánh từ 30 mặt cắt điển hình chúng tôi nghiên cứu thì sai số giữa kết quả tính so với số liệu quan trắc thể hiện bảng 3.6 Bảng 3.6: Sai số trung bình của độ lún lớn nhất giữa kết quả tính với quan trắc Sai số Sai số Sai số Sai số Sai số Sai số Sai số Sai số ( Sai số Lý thuyết ( New ( New ( Peck1) ( Peck2) ( Peck3) ( Mair) (Attewell) Clough) (Atkinson) OReilly1 Oreilly2) Sai số trung 39.9 28,7 13,8 16,1 98,5 13,6 13,8 39,0 90,0 binh (%) 3.4.2 So sánh đường cong lún tính theo các lý thuyết với kết quả quan trắc Sau khi áp dụng các công thức lý thuyết vào với điều kiện cụ thể tại khu vực khảo sát là đoạn Khu gian từ Ga Ba Son đến Ga Nhà Hát Lớn, của tuyến Metro số 1 Bến Thành- Suối Tiên, luận án đã thể hiện các đường cong lún theo lý thuyết và so sánh với các giá trị quan trắc tại hiện trường. Kết
11 quả trình bày ở hình 3.13 các biều đồ đường cong lún tại các mặt cắt khảo sát dưới đây và ở phụ lục số 2. Hình 3.13. Các biểu đồ so sánh lún bề mặt giữa quan trắc và tính theo lý thuyết 3.5 Kết luận chương 3. Sau khi so sánh giữa kết quả quan trắc hiện trường với kết quả tính toán lý thuyết theo đề xuất của Peck 1969 và 8 đề xuất tiếp theo của các tác giả nêu trên, qua các biểu đồ lún trên 30 mặt cắt ngang chúng ta thấy rằng các đường cong lún tính theo các lý thuyết đều chưa thật sự bám sát các số liệu quan trắc. Điều đó có thể thấy các lý thuyết này chưa thật sự phản ánh đúng qui luật lún tại dự án Tuyến Metro số 1 Bến Thành Suối Tiên, TP HCM. Từ đó cho thấy cần thiết phải có những nghiên cứu nhằm đề xuất những điều chỉnh công thức của Peck sao cho phù hợp hơn với điều kiện cụ thể tại Việt Nam. CHƯƠNG 4 PHÁT TRIỂN NGHIÊN CỨU DỰ ĐOÁN LÚN BỀ MẶT VÀ XÂY DỰNG CÁC CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM DỰ TÍNH ĐỘ LÚN BỀ MẶT 4.1. Đề xuất công thức tính hệ số mất mát thể tích Vloss 4.1.1 Khái niệm hệ số mất mát thể tích VL: VL là hệ số mất mát thể tích: Hệ số này xét đến việc hao hụt thể tích khi lắp vỏ hầm so với quá trình đào bằng công nghệ TBM. Cụ thể các hao hụt này bao gồm - Tổn thất thể tích mặt gương đào (Vf), - Tổn thất xung quanh khiên đào (Vs), - Tổn thất tại đuôi khiên (Vt) Tuy nhiên, hệ số này thì ngay cả công thức của Peck cũng chưa đề xuất công thức tính cụ thể nào. Do đó hệ số này thường được ước lượng trong các tính toán. Và các nghiên cứu sau đó thì cũng chỉ điều chỉnh các hệ số i hay Smax mà chưa nghiên cứu đề xuất công thức tính VL chính xác. Các nghiên cứu trên cũng chưa đề cập đến những yếu tố kỹ thuật trong thi công và điều kiện địa chất mà ống hầm sẽ đi qua. 4.1.2 Phân tích các tương quan giữa Hệ số mất thể tích Vloss với các yếu tố đặc trưng. 4.1.2.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của hệ số mất mát thể tích với áp lực vữa bơm 4.1.2.2 Phân tích tương quan giữa hệ số mất mát thể tích VL với áp lực bơm vữa và độ sâu Zo thay đổi. 4.1.2.3 Phân tích tương quan giữa hệ số mất mát thể tích VL với (ϬZ-pa) 4.1.2.4 Phân tích tương quan giữa hệ số mất mát thể tích VL với (ps-Ko.ϬZ) 4.1.2.5Phân tích tương quan giữa hệ số mất mát thể tích VL với thể tích vữa bơm V 4.1.3 Đề xuất công thức tính Vloss 4.1.3.1 Đề xuất công thức dạng tổng quát tính Vloss Với những nghiên cứu đó, cùng các phân tích tương quan giữa Vloss và các đại lượng liên quan trên, luận án đề xuất công thức dạng tổng quát công thức tính mất mát thể tích như sau: 1 2 3  1   1  1 VL  K.  .     ps  K0 . Z    Z  pa   V  4.1.3.2 Xây dựng công thức thực nghiệm Vloss Logarit biểu thức trên được một hàm đa biến tuyến tính
12  1   1  1 log(VL )  log( K )  1.log    2 .log    3.log    ps  K0 . Z    Z  pa  V  Để tính hệ số K và các số mũ β1, β2 β3 sủ dụng hàm hồi quy đa biến tuyến tính với  1  ,    ps  K 0 . Z   1 1  ,   đã biết       Z  p a  V  Áp dụng hàm hồi qui tuyến tính Regression Statistics trong Microsoft excel để xây dựng phương trình hồi quy. Kết quả tính được hệ số K, β1, β2 β3 thay vào công thức đề xuất ta có 31, 6.10 3 (3.4) VL  2.3 0.78  ps  K 0 . Z  .  Z  pa  .V 0.7 Trong đó: VL: Hệ số mất mát thể tích ( %) ps: Áp lực bơm vữa trước mặt gương đào ( Mpa) pa: Áp lực bơm vữa theo phương z ( Mpa) Ko: Hệ số áp lực đất σZ: áp lực đất theo phương Z của địa chất (Mpa) V: thể tích vữa bơm (m3). 4.1.4 Áp dụng công thức VL trong tính toán lý thuyết và so sánh với kết quả quan trắc thực địa. 4.1.4.1 Áp dụng công thức VL trong tính toán lý thuyết Luận án nghiên cứu áp dụng công thức nêu trên với trường hợp thi công ống hầm East ( ống hầm dưới và là ông bên trái phía sông Sài Gòn nhìn từ hướng từ Ga Ba Son về Ga Nhà Hát Lớn.) Điều kiện địa chất mà ống hầm East đi qua là lớp địa chất AS2 và AS1 thể hiện trong hình bảng 4.3 và phụ lục 4. Trong quá trình thi công đường hầm bằng TBM, Quá trình khảo sát đã thu thập được số liệu thể tích vữa bơm và áp lực vữa bơm thực tế tại các mặt cắt. Thay tất cả vào công thức Vloss đề xuất (3.4) Ta thu được kết quả Bảng 4.5 Kết quả hệ số mất mát thể tích VL tính theo công thức đề xuất 8 Độ sâu (Ps) (Ps) (V) (γ) (φ) E VL Ghi hầm Zo chú (m) Mpa Mpa m3 MN/m3 độ Mpa (%) 1483 -15.43 0.24 0.25 2.9 0.02 31 40 0.12 1462 -15.98 0.22 0.25 2.9 0.02 31 40 0.16 1420 -17.08 0.23 0.27 3.2 0.02 31 40 0.14 1400 -17.6 0.23 0.27 3.2 0.02 33 40 0.11 1380 -18.47 0.22 0.3 3 0.02 33 55 0.18 1360 -19.34 0.3 0.31 2.9 0.02 33 55 0.05 1325 -20.86 0.27 0.31 2.9 0.02 33 55 0.07 1304 -21.77 0.27 0.3 2.9 0.02 33 55 0.06 1284 -21.87 0.3 0.33 2.9 0.02 33 55 0.05 1264 -21.97 0.32 0.34 3 0.02 33 55 0.04 1243 -22.08 0.3 0.33 2.9 0.02 33 55 0.05 1203 -22.28 0.27 0.33 2.9 0.02 33 55 0.08 1183 -22.44 0.27 0.33 2.90 0.02 33 55 0.07 1163 -22.61 0.22 0.29 2.90 0.02 33 55 0.16 1123 -22.94 0.23 0.33 2.90 0.02 33 55 0.16 1063 -23.43 0.25 0.34 2.90 0.02 33 55 0.11 1043 -23.59 0.25 0.34 2.90 0.02 33 55 0.11 1003 -23.92 0.24 0.30 3.00 0.02 33 55 0.11 980 -24.23 0.23 0.30 3.00 0.02 33 55 0.15 965 -24.44 0.22 0.25 2.80 0.02 33 55 0.16
13 945 -24.71 0.24 0.30 2.90 0.02 33 55 0.12 925 -24.98 0.24 0.30 2.90 0.02 33 55 0.12 900 -25.32 0.24 0.30 2.90 0.02 33 55 0.12 890 -25.39 0.21 0.27 4.50 0.02 33 55 0.21 860 -25.60 0.27 0.34 4.50 0.02 33 55 0.05 842 -25.37 0.28 0.35 4.50 0.02 33 55 0.05 828 -25.19 0.28 0.35 4.50 0.02 33 55 0.05 815 -25.02 0.24 0.35 4.50 0.02 33 55 0.11 4.1.4.2 So sánh với kết quả tính với kết quả quan trắc hiện trường NCS đưa kết quả Vloss tính được bằng công thức đề xuất nêu trên so sánh với kết quả tính Vloss theo số liệu quan trắc hiện trường tại các mặt cắt dọc đoạn tuyến Ga Bến Thành –Ga Ba Son. Kết quả thể hiện hình Hình 4.16 : Biểu đồ so sánh Vloss tính toán với Vloss Quan trắc. So sánh kết quả tính hệ số mất thể tích Vloss bằng công thức đề xuất với kết quả tính hệ số mất thể tích bằng số liệu quan trắc thực tế tại hiện trường có sai số nhỏ là 4.75%. Điều đó có thể thấy công thức Vloss mà luận án đề xuất phần nào phản ánh sát hao hụt thể tích trong quá trình thi công đường hầm metro tại dự án Metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên, TP Hồ Chí Minh. 4.1.4.3 Nhận xét về công thức Vloss đề xuất Kết quả so sánh cho thấy so với các giá trị Vloss quan trắc tại hiện trường, sai số với Vloss trung bình khi tính toán theo công thức đề xuất là 4.75%, đây là sai số nhỏ có thể chấp nhận được. Kết quả tính toán Vloss theo công thức đề xuất của luận án tạo các mặt cắt đạt giá trị từ 0,05% đến 0,22% cũng hoàn toàn phù hợp với những giá trị Vloss gợi ý giả định của Peck từ 0,05 đến 0.5%. Điều đó cho thấy công thức Vloss luận án đề xuất phản ánh qui luật lún tại dự án này và cũng phù hợp với nghiên cứu trước đó. Với công tính Vloss này có thể làm cơ sở dữ liệu đầu vào cho bài toán mô phỏng số phân tích theo phương pháp PTHH nhằm cải thiện hơn nữa bài toán PTHH trong lĩnh vực nghiên cứu này. 4.2 Đề xuất công thức tính độ lún lớn nhất Smax 4.2.1 Đề xuất công thức Smax Với cách tiếp cận số liệu quan trắc thực tế và phương pháp nghiên cứu tương tự, luận án đề xuất công thức tính độ lún lớn nhất Smax tại vị trí tim ống hầm như sau: 1.65 1.7 0.96  D.P  E S max  VL  .  .   Z    Trong đó: Smax: Độ lún lớn nhất tại vị trí tim ống hầm (mm) D: Đường kính ống hầm (m) VL: Hệ số mất thể tích ( %) Z: Độ sâu tim hầm. (m)  : Trọng lượng riêng địa chất mà ống hầm đi qua ( KN/m3) E: Modun đàn hồi của địa chất mà ống hầm đi qua ( Mpa) P: Giá trị tải trọng chất thêm trên bề mặt (KN/m)
14 4.2.2 Áp dụng công thức Smax trong tính toán lý thuyết và so sánh kết quả tính với kết quả quan trắc thực địa Áp dụng công thức Smax và Vloss đề xuất trên tính cho trường hợp thi công ống hầm WEST với đường kính 6.65m là ống hầm bên dưới và nằm bên trái phía sông Sài Gòn nhìn từ hướng Ga Ba Son về Ga Nhà Hát Lớn. Với giả thiết trên bề mặt có tải trọng chất thêm là P= 10 KN/m. (Dựa trên kết quả khảo sát các tòa nhà dọc đoạn tuyến Bến Thành – Suối Tiên đã trình bày ở chương 3 của luận án). Kết quả tính trên số liệu các mặt của dự án. Bảng 4.11 Độ lún lớn nhất Smax tính theo công thức đề xuất. Mặt Độ sâu hầm (P) (D) (VL) (γ) (φ) E Smax Ghi chú cắt Zo (m) (KN/m) (m) (%) KN/m3 độ Mpa (mm) 1483 -15.43 10 6.65 0.12 20 31 40 -4.86 1462 -15.98 10 6.65 0.16 20 31 40 -6.04 1420 -17.08 10 6.65 0.14 20 31 40 -4.70 1400 -17.60 10 6.65 0.11 20 31 40 -3.65 1380 -18.47 10 6.65 0.18 20 33 55 -6.29 1360 -19.34 10 6.65 0.05 20 33 55 -2.00 1325 -20.86 10 6.65 0.07 20 33 55 -2.66 1304 -21.77 10 6.65 0.06 20 33 55 -2.51 1284 -21.87 10 6.65 0.05 20 33 55 -1.96 1264 -21.97 10 6.65 0.04 20 33 55 -1.59 1243 -22.08 10 6.65 0.12 20 33 55 -1.90 1203 -22.28 10 6.65 0.16 20 33 55 -2.86 1183 -22.44 10 6.65 0.14 20 33 55 -2.81 1163 -22.61 10 6.65 0.11 20 33 55 -6.10 1123 -22.94 10 6.65 0.18 20 33 55 -5.28 1063 -23.43 10 6.65 0.05 20 33 55 -3.90 1043 -23.59 10 6.65 0.07 20 33 55 -3.86 1003 -23.92 10 6.65 0.06 20 33 55 -3.78 980 -24.23 10 6.65 0.05 20 33 55 -4.77 965 -24.44 10 6.65 0.04 20 33 55 -6.51 945 -24.71 10 6.65 0.05 20 33 55 -3.82 925 -24.98 10 6.65 0.08 20 33 55 -3.82 900 -25.32 10 6.65 0.08 20 33 55 -3.82 890 -25.39 10 6.65 0.17 20 33 55 -6.28 860 -25.60 10 6.65 0.17 20 33 55 -1.76 842 -25.37 10 6.65 0.11 20 33 55 -1.50 828 -25.19 10 6.65 0.11 20 33 55 -1.58 815 -25.02 10 6.65 0.11 20 33 55 -3.52 4.2.3. So sánh với kết quả quan trắc hiện trường So sánh kết quả tính độ lún lớn nhất với số liệu quan trắc hiện trường cho kết quả thể hiện tại hình 0.00 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Độ lún Smaxx (mm) -2.00 -4.00 -6.00 Smax ( đề xuất) Smax ( quan trắc) -8.00 Hình 4.24 Biểu đồ so sánh kết quả lún bề mặt giữa số liệu quan trắc và tính toán theo công thức Smax đề xuất Nhận xét: Qua so sánh kết quả Smax tính theo công thức đề xuất với các giá trị quan trắc thực tế tại hiện trường cho thấy kết quả tính rất sát với kết quả đo chỉ sai số trung bình cỡ khoảng -2.99%, sai số tại từng mặt cắt đều nhỏ hơn 10%. Điều đó chứng tỏ công thức Smax và Vloss đề xuất đã phản ánh khá chính xác độ lún lớn nhất thực tế theo điều kiện thi công hầm tại thành phố HCM theo công nghệ TBM. 4.2.4 So sánh với kết quả tính bằng các lý thuyết khác Bảng 4.13 Sai số trung bình của độ lún lớn nhất giữa kết quả tính Sai số Sai số Sai số Sai số Sai số Sai số Sai số Sai số Sai số Sai số Smax Lý thuyết New New Peck1 Peck2 Peck3 Mair Attewell Clough Atkinson Đề xuất OReilly1 Oreilly2 (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) Sai số TB 39,9 28,7 13,8 16,1 98,5 13,6 13,8 39,0 90,0 -2.99
15 4.2.3.4 Nhận xét về công thức đề xuất Smax Kết quả tính toán Smax và Vloss theo công thức đề xuất của luận án cho kết quả rất sát với số liệu quan trắc thực tế trên các mặt cắt dọc đoạn tuyến từ Ga Ba Son đến Ga Nhà Hát Lớn. Từ đó có thể kết luận công thức mà luận án đề xuất phù hợp để dự báo độ lún lớn nhất khi thi công đường hầm Metro bằng công nghệ TBM theo điều kiện thi công và địa chất tại TP Hồ Chí Minh. 4.3 Đề xuất công thức tính hệ số máng lún i 4.3.1 Đề xuất công thức tính hệ số máng lún i Với cách tiếp cận số liệu quan trắc thực tế và phương pháp nghiên cứu tương tự, luận án đề xuất công thức tính hệ số máng lún I như sau: 0.8 Z i    .P 0.52 D Trong đó: i: Hệ số máng lún Z: Độ sâu tim hầm (m) D: Đường kính ống hầm (m) P: Tải trọng rải đều trên bề mặt ( KN/m) 4.3.4 Áp dụng công thức i trong tính toán lý thuyết và so sánh kết quả tính với kết quả quan trắc thực địa So sánh đường cong lún tính bằng công thức Smax, VL và i đề xuất và đường cong lún tính bằng các công thức lý thuyết khác trên các mặt cắt ngang khảo sát và cùng đối chiếu với đường cong lún quan trắc tại các mặt cắt này. Kết quả cho thấy đường cong lún đề xuất có giá trị sát với những giá trị quan trắc lún thực tế hơn tất cả các đường cong lún tính theo lý thuyết khác. Kết quả cụ thể được trình bày trong hình vẽ 4.27 và phụ lục 5 Kết quả tính độ lún theo phương ngang hầm tại mỗi mặt cắt ngang đều cho thấy đường cong lún theo công thức Peck mà sử dụng hệ số Smax và Vloss và hệ số máng lún i đề xuất thì bám sát với các giá trị quan trắc lún tại các điểm đo, điều đó thể hiện rằng công thức đề xuất đã phản đúng qui luật lún tại dự án này. Từ đây có thể khẳng định các công thức Smax, Vloss, và hệ số máng lún i mà luận án đề xuất có độ tin cậy và phù hợp với các điều kiện thi công và địa chất tại Thành phố Hồ Chí Minh. Các công thức có tính dự báo cho dự án tương tự tại Thành phố Hồ Chí Minh 4.4 Kết luận chương 4. Từ tất cả những kết quả nêu trên, có thể kết luận các công thức Smax, Vloss, và hệ số máng lún i mà luận án đề xuất có ý nghĩa thực tiễn và là những đóng góp quí báu trong việc dự báo lún bề mặt khi thi công xây dựng các tuyến Metro tại Việt Nam. Đồng thời với công thức tính Vloss cũng sẽ góp phần hoàn thiện hơn phương PTHH trong phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công đường hầm metro đến lún mặt đất cũng như các công trình hiện hữu trên mặt đất. CHƯƠNG 5 NGHIÊN CỨU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH ẢNH HƯỞNG THI CÔNG HẦM BẰNG TBM ĐẾN CÔNG TRÌNH TRÊN BỀ MẶT TRONG ĐÔ THỊ 5.1 Đề xuất phương pháp mô hình bài toán PTHH cải tiến tính lún bề mặt và đánh giá tác động đến công trình trên mặt đất. 5.1.1 Đề xuất phương pháp mô hình bài toán PTHH cải tiến Chương 4 luận án đã đề xuất và chứng minh công thức VL được đề xuất trong luận án là hoàn toàn
16 khả thi. Chương 5 sẽ sử dụng hệ số VL đã được tính toán theo công thức ở chương 4 đưa vào bài toán PTHH để phân tích tác động tương hỗ giữa các loại móng công trình trên mặt đến lún bề mặt do thi công Metro bằng công nghệ TBM. Tại đây NCS sẽ cải tiến mô hình bài toán PTHH để tìm hiểu sự tác động tương hỗ giữa lún mặt đất với các loại móng trên bề mặt như sau: Bảng 5.1 Phương pháp mô hình bài toán PTHH cải tiến tính lún mặt đất và chuyển vị đáy móng công trình hiện hữu trên mặt đất Phương pháp mô phỏng bài toán Phương pháp mô phỏng bài toán cải truyền thống tiến Bước 1 Mô phỏng kích thước môi trường nền Mô phỏng kích thước môi trường nền Mô phỏng điều liện địa chất theo Morh - Coulomb Mô phỏng điều liện địa chất theo Morh - Coulomb Bước 2 hoặc Harden soil hoặc Harden soil Thiết lập trạng thái ứng suất ban đầu của nền đất và Thiết lập trạng thái ứng suất ban đầu của nền đất và Bước 3 kết cấu bên trên mặt kết cấu bên trên mặt Bước 4 Mô phỏng công tác xây dựng ống hầm thứ nhất Mô phỏng công tác xây dựng ống hầm thứ nhất Kích hoạt hệ số mất thể tích Vloss giả định theo Kích hoạt hệ số mất thể tích Vloss được tính toán Bước 5 kinh nghiệm thi công theo công thức đề xuất tại chương 4 Bước 6 Kích hoạt các phần tử betong vỏ hầm Kích hoạt các phần tử betong vỏ hầm Bước 7 Tiếp tục lặp lại các bước trên với ống hầm thứ hai. Tiếp tục lặp lại các bước trên với ống hầm thứ hai. 5.1.2 So sánh kết quả phân tích bằng phương pháp cải tiến với số liệu quan trắc. 5.1.2.1 So sánh kết quả lún mặt đất bằng phương pháp PTHH với số liệu quan trắc Hình 5.2 thể hiện sự so sánh kết quả tính và kết quả quan trắc lún bề mặt tại hiện trường vị trí có hai đoạn hầm song song cùng cao độ. Kết quả cho thấy đường cong lún tính toán bằng PTHH bám sát với các giá trị quan trắc thực tế tại hiện trường. Điều đó có thể kết luận phương pháp mô phỏng bài toán PTHH cải tiến với giá trị Vloss được tính toán theo công thức đề xuất tại chương 4 phù hợp và phản ánh đúng qui luật lún mặt đất tại dự án xây dựng Metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên. 5.1.2.2 So sánh kết quả tính toán chuyển vị đáy móng bằng phương pháp PTHH với số liệu quan trắc Hình 5.3 thể hiện kết quả tính và kết quả quan trắc chuyển vị móng tòa nhà tại hiện trường vị trí có hai đoạn hầm song song cùng cao độ. Kết quả cho thấy các điểm đo quan trắc hiện trường cho giá trị chuyển vị móng công trình xấp xỉ giá trị tính toán. Điều đó có thể khẳng định phương pháp mô phỏng số cải tiến mà luận án đề xuất hoàn toàn phù hợp và phản ánh đúng qui luật chuyển vị đáy móng công trình trên mặt đất. Hình 5.2 So sánh kết quả tính lún mặt đất Hình 5.3 So sánh chuyển vị đáy móng 5.2 Áp dụng Mô hình bài toán bằng theo phương pháp PTHH cải tiến đánh giá tác động thi công đường hầm đến các loại móng công trình trên mặt đất. 5.2.1 Mô hình bài toán theo phương pháp PTHH cải tiến Áp dụng phương pháp mô phỏng bài toán PTHH cải tiến nêu trên vào bài toán cụ thể tại một số mặt cắt điển hình tại dự án xây dựng Metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên, TP Hồ Chí Minh. Mô
17 hình được phân tích dựa trên phần mềm Plaxis. Hình 5.4, 5.5 thể hiện mô hình bài toán được giả định cho mặt cắt ngang có hai ống hầm song song, có đường kính ngoài là 6,65m, khoảng cách giữa hai ống hầm tương ứng là 16,0m. Hai ống hầm nằm trên cùng cao độ, ở độ sâu -17,0m tính từ mặt đất tự nhiên. Trường hợp này tương ứng với mặt cắt ngang của đoạn tuyến nằm gần với nhà ga Ba Son. Trong mô hình kỹ thuật số, ống hầm bên trái, nằm xa hơn so với mép đáy móng giả định được thi công trước. Ống hầm thứ hai bên phải được thi công sau khi hoàn thành thi công ống hầm thứ nhất. Trình tự thi công này là tương đối phù hợp với thực tế thi công đoạn tuyến giữa hai nhà ga Ba Son đến Nhà Hát Lớn. Hình 5.4 Mô hình PTHH bài toán móng nông Hình 5.5 Mô hình PTHH bài toán móng cọc Bảng 5.2 Thông số đầu vào cho các lớp đất Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4 Lớp 5 Lớp 6 Thông Số Đơn Vị (Đất Đắp) (Ac2) (As1) (As2) (Dc) (Dc) Mô hình nền MC MC MC MC MC MC - Chiều dày 1,1 1,7 14 17 16 - m Trọng lượng khô 17 15,3 18 18,6 19,8 19,5 kN/m3 Trọng lượng tự 18 16 19,5 19,5 21 21 kN/m3 nhiên Hệ số 8,6.10-2 8,6.10-5 4,3.10-5 4,3.10-5 8,6.10-6 8,64.10-2 m/ngày thấm(ngang) -2 -5 -5 -5 -6 -2 Hệ số thấm(dọc) 8,6.10 8,6.10 4,3.10 4,3.10 8,6.10 8,64.10 m/ngày Mô đun ĐH 1,8.103 1,8.103 4,2.103 13,9.103 20,5.103 20,5.103 kN/m2 Lực dính 8,5 14 4 1,1 22 3,5 kN/m2 o Góc nội MS 28 15 31 31 17 34 Hệ số Poisson 0,35 0,48 0,33 0,33 0,35 0,31 - Bảng 5.3 Các đặc tính của vật liệu vỏ hầm và kết cấu móng công trình mặt đất Modul đàn hồi Trọng lượng đ/v Hệ số Poisson Kích thước Thông số vật liệu E ( kN/m2 ) γ ( kN/m3 ) υ (m) 4 Vỏ hầm 2944.10 25 0,3 0,3 Móng nông BTCT 2944.104 25 0,3 2,0 4 Móng gạch xây 1944.10 17 0,3 1,0 5.2.2.Phân tích kết quả bài toán thi công hai ống hầm song song 5.2.2.1 Phân tích kết quả tính toán tính lún mặt đất trường hợp móng nông Hình 5.8-5.9. Đường cong lún bề mặt sau khi thi công ống hầm bên trái và khi thi công cả hai ống hầm Tuy nhiên, đường cong lún bề mặt (Hình 5.9) xuất hiện một điểm chuyển hướng tương ứng với điểm giới hạn của kết cấu móng. Bên cạnh đó, kết quả mô phỏng cũng cho thấy ảnh hưởng của độ cứng kết cấu móng nông đến đường cong lún là nhỏ khi đường cong lún của hai trường hợp là gần như trùng nhau. Điều này có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong việc khảo sát và đánh giá rủi ro đối với các công trình hiện hữu dưới ảnh hưởng tác động của công tác đào hầm
18 5.2.2.2 Chuyển vị đáy móng trường hợp móng nông trường Hình 5.9-5.10 Chuyển vị thẳng đứng và góc xoay đáy móng nông do thi công ống hầm trái Hình 5.11-5.12 Chuyển vị thẳng đứng và góc xoay đáy móng nông do thi công hai ống hầm Nhận xét: Kết quả chuyển vị đáy móng nông khi thi công ống hầm khu vực lân cận đáy móng nông sẽ gây hiện tượng chuyển vị cho móng bao gồm chuyển vị thẳng đứng và chuyển vị góc xoay. Tuy nhiên ảnh hưởng của độ cứng của móng dường như không thực sự rõ rệt. Móng gạch với độ cứng nhỏ hơn sẽ có các biến dạng bản thân lớn hơn dưới tác dụng của chuyển vị nền đất do hầm đào tuy nhiên không thật sự khác biệt so với trường hợp của móng bằng bê tông có độ cứng lớn hơn. Cũng cần nhấn mạnh rằng mô hình chỉ giới hạn trong các chuyển vị nhỏ và không xét đến tính không toàn khối, đứt gẫy của móng gạch dưới tác dụng của chuyển vị lún lệch 5.2.2.3 Phân tích kết quả tính toán lún bề mặt trường hợp móng cọc Hình 5.14 - 5.15 Đường cong lún mặt đất có móng cọc khi thi công một ống hầm và hai ống hầm 5.2.2.4 Chuyển vị đáy móng trường hợp móng cọc Hình 5.17 Chuyển vị thẳng đứng và góc xoay đáy móng cọc khi thi công ống hầm trái Hình 5.18 Chuyển vị thẳng đứng và góc xoay đáy móng cọc khi thi công hai ống hầm