Giảm thiểu ảnh hưởng đến các công trình hiện có khi đào hầm trong đất mềm

Luận văn thạc sĩ phân tích minimizing influence on existing buildings when tunneling in soft soil, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Tran Quang Duc
• Người hướng dẫn: Dr. Nguyen Tien Dung
• Trường học: Vietnam Japan University
• Chuyên ngành: Master Of Infrastructure Engineer
• Đề tài: Minimizing The Influence On Existing Buildings When Tunneling In Soft Soil
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENT
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Background
• 1.2. Outline research
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Empirical method
• 2.2. Analytical methods
• 2.3. Finite element method using software Plaxis 2D
• 2.3.1. Material types
• 2.3.2. Model boundaries
• 2.3.3. Constitutive model
• 2.3.3.1. Mohr-Coulomb model (MCM)
• 2.3.3.2. Hardening Soil model (HSM)
• 2.3.4. Modelling segmental lining of tunnel
• 3. CHAPTER 3: METHODOLOGY
• 3.1. General
• 3.2. Project case study
• 3.2.1. Main properties of Tunnel in HCM MRT line1
• 3.2.2. Construction sequence of underground tunnel
• 3.2.3. Collection of soil condition data
• 3.2.3.1. Soil investigation data
• 3.2.4. Groundwater data
• 3.2.5. Collection of TBM’s operation data
• 3.2.6. Selection of analysis section
• 3.3. Ground settlement analysis by empirical method
• 4. CHAPTER 4: RESULT AND DISCUSSION
• 4.1. Ground surface settlement of the tunnel alignment
• 4.1.1. Ground surface settlement of the tunnel alignment
• 4.1.2. Ground surface settlement in tunneling period
• 4.2. TBM’s operational parameters and its effect on settlement
• 4.3. Analysis of ground surface settlement by Empirical method
• 4.3.1. Trough width parameter (i)
• 4.4. Analysis of ground surface settlement by Plaxis 2D
• 4.4.1. Stress reduction method
• 4.5. Comparisons of empirical method and numerical method
• CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• APENDIX A: TUNNEL MACHINE AND LINNING SEGMENT
• APENDIX B: GEOLOGY PROFILE
• APPENDIX C: CROSS BUILDING STRUCTURE

Tóm tắt

I. Tổng quan về giảm thiểu ảnh hưởng đến công trình khi đào hầm trong đất mềm

Việc đào hầm trong đất mềm là một thách thức lớn đối với các công trình hiện có. Đất mềm thường có tính chất không ổn định, dễ bị lún và biến dạng. Điều này có thể gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến các công trình lân cận. Do đó, việc tìm hiểu và áp dụng các phương pháp giảm thiểu tác động là rất cần thiết. Nghiên cứu này sẽ trình bày các phương pháp và công nghệ hiện đại nhằm bảo vệ các công trình trong quá trình thi công.

1.1. Đặc điểm của đất mềm và ảnh hưởng đến công trình

Đất mềm có đặc điểm là độ lún cao và khả năng chịu lực kém. Khi đào hầm, sự thay đổi áp lực đất có thể dẫn đến lún và nghiêng cho các công trình hiện có. Việc hiểu rõ các đặc điểm này giúp các kỹ sư đưa ra các biện pháp bảo vệ hiệu quả.

1.2. Tầm quan trọng của việc giảm thiểu tác động

Giảm thiểu tác động không chỉ bảo vệ các công trình hiện có mà còn đảm bảo an toàn cho người lao động và giảm thiểu chi phí sửa chữa. Các biện pháp này cần được áp dụng ngay từ giai đoạn thiết kế cho đến thi công.

II. Các thách thức trong việc đào hầm trong đất mềm

Đào hầm trong đất mềm gặp nhiều thách thức, bao gồm sự biến dạng của đất, áp lực nước ngầm và sự ổn định của các công trình lân cận. Những yếu tố này có thể gây ra lún, nghiêng và thậm chí là sụp đổ. Việc đánh giá chính xác các yếu tố này là rất quan trọng để đưa ra các giải pháp phù hợp.

2.1. Biến dạng đất và ảnh hưởng đến công trình

Biến dạng đất trong quá trình đào hầm có thể dẫn đến sự thay đổi trong cấu trúc của các công trình hiện có. Các nghiên cứu cho thấy rằng sự biến dạng này có thể được dự đoán và kiểm soát thông qua các phương pháp phân tích hiện đại.

2.2. Ảnh hưởng của áp lực nước ngầm

Áp lực nước ngầm có thể làm tăng nguy cơ lún và nghiêng cho các công trình. Việc kiểm soát áp lực nước là một yếu tố quan trọng trong quá trình thi công hầm, đặc biệt là trong các khu vực có đất mềm.

III. Phương pháp giảm thiểu tác động khi đào hầm

Có nhiều phương pháp được áp dụng để giảm thiểu tác động đến các công trình hiện có khi đào hầm trong đất mềm. Các phương pháp này bao gồm sử dụng công nghệ hiện đại, thiết kế hợp lý và giám sát liên tục trong quá trình thi công.

3.1. Công nghệ đào hầm tiên tiến

Sử dụng máy đào hầm (TBM) là một trong những công nghệ tiên tiến giúp giảm thiểu tác động đến đất và công trình. Công nghệ này cho phép kiểm soát tốt hơn áp lực đất và giảm thiểu lún.

3.2. Thiết kế và giám sát trong thi công

Thiết kế hợp lý và giám sát liên tục trong quá trình thi công là rất quan trọng. Việc này giúp phát hiện sớm các vấn đề và điều chỉnh kịp thời để bảo vệ các công trình hiện có.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp giảm thiểu tác động có thể mang lại hiệu quả cao trong thực tiễn. Các dự án đã được thực hiện tại Hà Nội và Hồ Chí Minh cho thấy sự thành công trong việc bảo vệ các công trình hiện có.

4.1. Các dự án thành công tại Việt Nam

Nhiều dự án đào hầm tại Hà Nội và Hồ Chí Minh đã áp dụng các phương pháp giảm thiểu tác động và đạt được kết quả tích cực. Các công trình này không chỉ bảo vệ được sự ổn định mà còn tiết kiệm chi phí sửa chữa.

4.2. Kết quả từ các nghiên cứu thực nghiệm

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ hiện đại và giám sát liên tục có thể giảm thiểu đáng kể tác động đến các công trình hiện có. Điều này mở ra hướng đi mới cho các dự án tương lai.

V. Kết luận và tương lai của chủ đề đào hầm trong đất mềm

Việc giảm thiểu ảnh hưởng đến các công trình hiện có khi đào hầm trong đất mềm là một vấn đề quan trọng trong ngành xây dựng. Tương lai của chủ đề này sẽ phụ thuộc vào việc phát triển công nghệ và phương pháp mới nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn trong thi công.

5.1. Tương lai của công nghệ đào hầm

Công nghệ đào hầm sẽ tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến mới. Việc áp dụng công nghệ thông minh và tự động hóa sẽ giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới nhằm giảm thiểu tác động đến công trình. Các nghiên cứu này sẽ đóng góp vào việc nâng cao an toàn và hiệu quả trong ngành xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại hai đô thị đặc biệt của Việt Nam là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh đã đẩy quy mô dân số chạm ngưỡng xấp xỉ 10 triệu người, tạo ra áp lực khổng lồ lên mạng lưới hạ tầng kỹ thuật và giao thông công cộng. Để giải quyết triệt để tình trạng ùn tắc và hiện đại hóa đô thị, việc xây dựng các tuyến đường sắt đô thị (MRT) với các đoạn đi ngầm là giải pháp chiến lược tất yếu. Tuy nhiên, việc thi công hầm ngầm bằng máy đào khiên cân bằng áp lực đất (EPB-TBM) xuyên qua các tầng địa chất đất sét mềm và cát bão hòa nước tiềm ẩn nguy cơ gây lún sụt mặt đất, làm nứt vỡ hoặc biến dạng các công trình kiến trúc cổ kính và nhà cao tầng lân cận.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá mức độ dịch chuyển nền đất, xác định cơ chế hình thành phễu lún và đề xuất các giải pháp kỹ thuật tối ưu nhằm giảm thiểu tối đa tác động tiêu cực đến các công trình hiện hữu trong quá trình khoan hầm đô thị. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào Gói thầu CP-1b thuộc Dự án Xây dựng Tuyến Đường sắt đô thị Thành phố Hồ Chí Minh (Tuyến số 1, Bến Thành – Suối Tiên). Công trình bao gồm tuyến hầm khoan đôi dài 780 m mỗi nhánh (tổng chiều dài 1.560 m) nối từ ga Nhà hát Thành phố đến ga Ba Son, được quan trắc và phân tích chuyên sâu trong giai đoạn thi công 2015 – 2019.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình được lượng hóa thông qua việc thiết lập các ngưỡng giới hạn kiểm soát lún nghiêm ngặt: độ lún tối đa dưới 10 mm và độ lún lệch dưới 1/1.000 đối với công trình di sản trọng điểm như Nhà hát Thành phố; độ lún không quá 20 mm và độ lún lệch dưới 2/1.000 đối với các công trình dân dụng thông thường dọc tuyến đường Lê Lợi và Nguyễn Huệ. Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học tin cậy giúp các nhà quản lý dự án bảo vệ an toàn tuyệt đối cho các công trình đô thị lân cận.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng trên sự kết hợp giữa lý thuyết bán thực nghiệm và mô hình cơ học đất hiện đại. Trọng tâm của phương pháp giải tích dựa trên quy luật phân bố lún bề mặt dạng chuông Gauss do Peck đề xuất, kết hợp với các nghiên cứu mở rộng của Mair và Taylor về cơ chế dịch chuyển đất tại bốn vùng cục bộ: gương đào, dọc thân khiên đào, sau đuôi khiên và quá trình lún cố kết dài hạn.

Ba khái niệm cốt lõi được định lượng hóa bao gồm:

1. Tổn thất thể tích đất ($V_L$), biểu thị tỷ lệ phần trăm thể tích đất bị mất đi so với thể tích lý thuyết của đường hầm;
2. Bề rộng phễu lún ($i$), xác định khoảng cách từ tim hầm đến điểm uốn của đường cong lún theo công thức của O'Reilly và New;
3. Áp lực giữ gương đào và áp lực vữa chèn đuôi khiên.

Để mô phỏng số học, mô hình vật liệu đàn dẻo Mohr-Coulomb (MCM) và mô hình đất tăng cứng (Hardening Soil Model - HSM) được áp dụng để mô tả phi tuyến tính ứng xử cơ học của nền đất mềm. Kết cấu vỏ hầm bê tông cốt thép đúc sẵn gồm 5 tấm phân đoạn tiêu chuẩn kết hợp 1 tấm khóa (sơ đồ 5+1) với đường kính trong 6,05 m và bề dày 300 mm được mô hình hóa dưới dạng phần tử tấm tương đương, tích hợp độ cứng uốn hiệu dụng theo lý thuyết Wood nhằm phản ánh chân thực ảnh hưởng của các mối nối bu-lông.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu địa kỹ thuật được tổng hợp từ 43 hố khoan khảo sát hiện trường, bao gồm 18 hố khoan giai đoạn mời thầu, 4 hố khoan bổ sung (ABH-1 đến ABH-4) dọc tuyến hầm và hệ thống quan trắc mực nước ngầm tại 6 giếng quan trắc (ghi nhận mực nước ngầm ổn định ở độ sâu trung bình 2,0 m dưới mặt đất). Cỡ mẫu phân tích bao gồm 9 mặt cắt địa kỹ thuật đại diện (từ Mặt cắt A đến Mặt cắt I), được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu điển hình dựa trên sự biến thiên hình học của tim hầm và cấu trúc địa tầng. Địa tầng khu vực nghiên cứu bao gồm lớp đất đắp dày 0,5 m đến 5,0 m (chỉ số SPT trung bình bằng 4), lớp sét yếu bão hòa nước Ac2 dày đến 4,5 m (SPT trung bình bằng 2), các tầng cát pha As1 (SPT trung bình bằng 5) và cát chặt As2 dày 16 m (SPT từ 6 đến 41), nằm trên tầng sét cứng Diluvium Dc (SPT trung bình bằng 34).

Phương pháp phần tử hữu hạn 2D trên phần mềm Plaxis 2D được lựa chọn nhờ khả năng mô phỏng chi tiết các giai đoạn thi công thông qua hai kỹ thuật chính: phương pháp co ngót thể tích (Contraction Method) và phương pháp giảm ứng suất (Stress Reduction Method với hệ số $\Sigma Mstage$). Lưới phần tử hữu hạn 6 nút tam giác được thiết lập với biên hình học mở rộng theo khuyến nghị của Möller (chiều rộng lưới $W = 2D(1 + C/D)$ và chiều sâu từ đáy hầm đến biên dưới đạt $H + 3,5D$). Dữ liệu mô phỏng sau đó được đối soát trực tiếp với số liệu thực nghiệm thu thập từ 50 tuyến đo gồm 237 mốc quan trắc lún bề mặt loại C (bố trí khoảng cách 20 m dọc tuyến và 3 m ngang tuyến) cùng hệ thống Arigataya ghi nhận thông số vận hành TBM trong suốt tiến trình thi công từ năm 2017 đến năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu quan trắc thực tế và kết quả mô phỏng số đem lại các phát hiện kỹ thuật then chốt:

Thứ nhất, có sự phân hóa rõ rệt về độ lún giữa hai ống hầm. Tuyến hầm phía Đông (East Bound - EB) có áp lực giữ gương đào duy trì ổn định ở mức 300 kPa đến 350 kPa, dẫn đến độ lún bề mặt ghi nhận được chỉ từ 0,3 mm đến 10 mm (phần lớn dao động từ 0,3 mm đến 3,0 mm), ứng với tổn thất thể tích thấp từ 0,25% đến 0,50%. Ngược lại, tuyến hầm phía Tây (West Bound - WB) có áp lực gương đào sụt giảm xuống mức 140 kPa đến 250 kPa (giảm khoảng 30% đến 55%), khiến độ lún mặt đất tăng vọt lên khoảng 1,0 mm đến 43 mm, cá biệt ghi nhận mức lún cục bộ từ 64 mm đến 87 mm tại các phân đoạn đi qua Mặt cắt D, E và F.

Thứ hai, nghiên cứu xác lập rõ quy luật động thái lún theo không gian dịch chuyển của máy TBM. Dữ liệu quan trắc tại Mặt cắt A (Lý trình CH 0+980) cho thấy biến dạng lún bắt đầu xuất hiện khi đầu khiên đào TBM tiếp cận cách vị trí mốc đo khoảng 10 m, tốc độ lún gia tăng mạnh nhất trong khoảng 20 m phía sau đuôi khiên đào do khoảng hở hình học và quá trình đông kết của vữa chèn, sau đó hoàn toàn đạt trạng thái ổn định khi khiên đào vượt qua khoảng cách 30 m.

Thứ ba, sự tương thích giữa mô phỏng Plaxis 2D và thực tế được kiểm chứng thành công. Tỷ lệ co ngót thể tích ($C$) trong phần mềm được hiệu chỉnh tương ứng từ 0,1% đối với tuyến EB lên đến 1,2% đối với tuyến WB. Hệ số giảm tải ứng suất ($\beta$) trong dải 0,8 phản ánh chính xác xu thế lún thực tế. Bề rộng phễu lún tính theo phương pháp kinh nghiệm của Peck có dạng dốc và hẹp hơn, trong khi mô hình Plaxis 2D cho bề rộng phễu lún thoải hơn và bao quát sát với dữ liệu đo đạc thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến hiện tượng lún cục bộ lớn vượt ngưỡng quy định tại các mặt cắt D, E và F trên nhánh hầm WB bắt nguồn từ việc kiểm soát áp lực vận hành của máy TBM chưa tối ưu. Khi áp lực gương đào sụt giảm xuống dưới mức cân bằng áp lực đất tĩnh và áp lực thủy tĩnh của tầng nước ngầm ở độ sâu 2,0 m, hiện tượng dồn nén và biến dạng dẻo của tầng sét yếu Ac2 và cát pha As1 diễn ra nhanh chóng. Đồng thời, việc bơm vữa xi măng hai thành phần (Liquid A và Liquid B) tại đuôi khiên đào không đạt tỷ lệ điền đầy tiêu chuẩn 100% đến 130% đã tạo ra khoảng hở lớn quanh vỏ hầm, thúc đẩy quá trình lún cố kết sau thi công.

Các kết quả này có thể được trình bày và trực quan hóa sinh động trên biểu đồ mặt cắt ngang thể hiện sự tương quan giữa ba đường cong lún: đường cong lý thuyết Gauss của Peck, đường cong phân tích phần tử hữu hạn từ Plaxis 2D và các điểm số liệu đo đạc thực tế từ 237 mốc quan trắc. Kết hợp với bảng tổng hợp các thông số vận hành TBM (áp lực đẩy, mô-men xoắn, thể tích vữa phụt), bảng biểu sẽ làm nổi bật mối quan hệ tỷ lệ nghịch giữa áp lực gương đào và độ lún cực đại ($S_{v,max}$).

So sánh với các nghiên cứu kinh điển của Mair tại Anh và Fargnoli tại Ý, các phát hiện của luận văn hoàn toàn nhất quán về mặt quy luật cơ học nhưng chỉ ra đặc thù riêng của vùng đồng bằng phù sa sông Sài Gòn: độ nhạy cảm của nền đất bùn sét bão hòa nước đối với sự thay đổi áp lực gương đào cao hơn đáng kể. Việc tính toán chính xác tổn thất thể tích đất trong thiết kế là tiền đề bắt buộc để đảm bảo an toàn cho các công trình hạ tầng ngầm đô thị.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả tính toán giải tích, mô phỏng số và phân tích thực nghiệm, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm kiểm soát chuyển vị nền đất khi đào hầm TBM trong đô thị:

Thứ nhất, kiểm soát chặt chẽ áp lực giữ gương đào của máy EPB-TBM. Đơn vị vận hành cần duy trì áp lực đầu cắt liên tục trong ngưỡng an toàn từ 300 kPa đến 350 kPa trên toàn bộ hành trình khoan, tuyệt đối không để áp lực sụt giảm dưới 250 kPa. Hệ thống cảnh báo sớm cần được cài đặt tự động trên phần mềm Arigataya để kích hoạt quy trình điều chỉnh tốc độ tiến gương và lượng đất đào ra khỏi buồng áp lực ngay trong thời gian thực.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình phụt vữa chèn lấp đuôi khiên (tail void grouting). Chủ đầu tư và nhà thầu chính (Liên danh Shimizu - Maeda) cần bắt buộc duy trì tỷ lệ lấp đầy thể tích vữa hai thành phần đạt từ 110% đến 130% thể tích khoảng hở lý thuyết, với áp lực bơm vữa duy trì từ 200 kPa đến 300 kPa. Quá trình bơm vữa phải được thực hiện đồng thời với hành trình kích đẩy TBM nhằm ngăn chặn triệt để sự dịch chuyển của các tầng đất xung quanh vào khoảng hở đuôi khiên, hoàn thành chu kỳ phụt vữa cho mỗi vòng hầm trong thời gian dưới 45 phút.

Thứ ba, áp dụng các biện pháp gia cố đất bổ sung tại các khu vực rủi ro cao. Đối với các phân đoạn nhạy cảm như Mặt cắt D, E, F hoặc khu vực tiếp giáp sát nền móng của Nhà hát Thành phố, cần triển khai công nghệ khoan phụt vữa cao áp (Jet-Grouting) hoặc thi công cọc xi măng đất bảo vệ trước khi máy TBM đi qua. Kế hoạch này cần hoàn tất trước tối thiểu 30 ngày so với tiến độ kích hầm để đảm bảo cường độ đất gia cố đạt mức yêu cầu, khống chế độ lún công trình lịch sử nghiêm ngặt dưới 10 mm.

Thứ tư, hoàn thiện hệ thống quan trắc và phân tích ngược (back-analysis). Ban Quản lý Đường sắt đô thị cần chỉ đạo thiết lập hệ thống quan trắc tự động kết hợp mốc lún bề mặt loại C (khoảng cách 20 m) và thiết bị đo biến dạng sâu đa tầng. Dữ liệu quan trắc phải được cập nhật hàng ngày để đội ngũ kỹ sư thực hiện phân tích ngược trên mô hình Plaxis 2D sau mỗi 10 m khoan hầm, từ đó kịp thời hiệu chỉnh các thông số vận hành máy TBM phù hợp với thực tế địa tầng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư tư vấn thiết kế địa kỹ thuật và công trình ngầm: Tài liệu cung cấp quy trình tích hợp giữa công thức bán thực nghiệm của Peck và mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 2D (phương pháp co ngót thể tích và giảm ứng suất). Kỹ sư có thể ứng dụng trực tiếp bộ thông số cơ học đất và độ cứng tương đương của vỏ hầm 5+1 để tính toán dự báo biến dạng lún cho các dự án hầm giao thông đô thị trong điều kiện địa chất tương tự.

2. Ban quản lý dự án và các cơ quan quản lý nhà nước về hạ tầng giao thông: Nghiên cứu cung cấp khung tiêu chuẩn kiểm soát lún (giới hạn lún 10 mm đối với công trình lịch sử và 20 mm đối với công trình thông thường) cùng phương pháp đánh giá rủi ro địa kỹ thuật, giúp chủ đầu tư lập hồ sơ mời thầu, giám sát chất lượng và quản lý an toàn công trình hiệu quả.

3. Nhà thầu thi công hầm và chuyên gia vận hành khiên đào TBM: Tài liệu cung cấp các chỉ dẫn vận hành thực tế về dải áp lực gương đào tối ưu (300 - 350 kPa), tỷ lệ cấp vữa đuôi khiên (100% - 130%) và quy luật phát triển vùng lún (từ 10 m trước gương đến 30 m sau đuôi khiên), hỗ trợ xây dựng quy trình thi công an toàn, ngăn ngừa sự cố sụt lún mặt đất.

4. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Hạ tầng / Địa kỹ thuật: Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng số học và thực nghiệm hiện trường trên một đại dự án trọng điểm quốc gia, phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về tương tác đất - công trình ngầm.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao độ lún bề mặt đất tại nhánh hầm phía Tây lại lớn hơn đáng kể so với nhánh hầm phía Đông?
Nguyên nhân chủ yếu do sự chênh lệch áp lực giữ gương đào TBM giữa hai nhánh thi công. Nhánh phía Đông duy trì áp lực ổn định từ 300 kPa đến 350 kPa, kiểm soát độ lún trong khoảng 0,3 mm đến 10 mm. Trong khi đó, nhánh phía Tây có áp lực gương đào giảm xuống 140 kPa đến 250 kPa, kết hợp với sự thiếu ổn định trong công tác phụt vữa chèn đuôi khiên, dẫn đến tổn thất thể tích đất tăng cao và gây lún cục bộ từ 64 mm đến 87 mm tại một số mặt cắt.

Mô hình vật liệu nào trong Plaxis 2D phản ánh chính xác nhất ứng xử của đất mềm khi đào hầm TBM?
Nghiên cứu chứng minh mô hình Mohr-Coulomb kết hợp với phương pháp co ngót thể tích ($C = 0,1% - 1,2%$) và phương pháp giảm ứng suất ($\beta = 0,8$) đem lại kết quả dự báo rất sát với thực tế. Đối với các bài toán yêu cầu độ chính xác cao hơn về biến dạng phi tuyến và ứng xử dỡ tải - tải lại của đất sét yếu, mô hình Hardening Soil Model (HSM) là lựa chọn tối ưu nhờ mô tả chính xác sự phụ thuộc của mô-đun biến dạng vào mức ứng suất.

Quy cách và cấu tạo vỏ hầm bê tông đúc sẵn trong dự án Metro Tuyến số 1 được thiết kế như thế nào?
Đoạn hầm khoan đôi sử dụng hệ vỏ hầm bê tông cốt thép đúc sẵn dạng khối lắp ghép theo sơ đồ 5+1 (gồm 5 tấm tiêu chuẩn và 1 tấm khóa key). Đường kính trong của hầm là 6,05 m, bề dày vỏ hầm là 300 mm và chiều rộng mỗi đốt hầm là 1.200 mm. Các tấm phân đoạn được liên kết chặt chẽ bằng hệ thống bu-lông cường độ cao, giúp đẩy nhanh tiến độ lắp dựng và đảm bảo khả năng chịu lực uốn trong nền đất yếu.

Phạm vi và quy luật phát triển của phễu lún mặt đất diễn ra như thế nào theo bước tiến của TBM?
Số liệu quan trắc từ 237 mốc đo bề mặt chỉ ra rằng biến dạng lún bắt đầu hình thành khi đầu khiên đào TBM còn cách vị trí quan trắc khoảng 10 m. Biến dạng lún phát triển mạnh mẽ nhất trong khoảng cách 20 m phía sau đuôi khiên đào do sự dịch chuyển của các lớp đất vào khoảng hở hình học quanh vỏ hầm, và mặt đất chỉ hoàn toàn ổn định sau khi máy đào đã vượt qua mốc quan trắc 30 m.

Làm thế nào để bảo vệ an toàn cho các công trình cổ như Nhà hát Thành phố trong suốt quá trình khoan hầm?
Để bảo vệ công trình trọng điểm, dự án áp dụng đồng bộ ba giải pháp: khống chế nghiêm ngặt áp lực gương đào TBM luôn đạt trên 300 kPa; bơm vữa chèn đuôi khiên liên tục với tỷ lệ lấp đầy trên 100%; và thiết lập mạng lưới quan trắc tự động dày đặc với chu kỳ đo liên tục. Nhờ đó, độ lún thực tế của Nhà hát Thành phố được kiểm soát hoàn toàn dưới ngưỡng an toàn cho phép là 10 mm.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình đánh giá biến dạng lún mặt đất tích hợp giữa phương pháp giải tích kinh nghiệm Peck và mô phỏng số phần tử hữu hạn 2D trên phần mềm Plaxis 2D.
• Nghiên cứu chỉ ra rằng áp lực giữ gương đào TBM (tối ưu từ 300 kPa đến 350 kPa) và tỷ lệ bơm vữa đuôi khiên (100% đến 130%) là hai thông số vận hành mang tính quyết định để khống chế tổn thất thể tích đất dưới 0,5%.
• Đã xác lập và kiểm chứng quy luật phát triển phễu lún bề mặt trong điều kiện địa chất phù sa trẻ Thành phố Hồ Chí Minh: biến dạng bắt đầu từ 10 m trước gương đào và ổn định hoàn toàn sau 30 m phía sau đuôi khiên.
• Kết quả quan trắc thực tế trên 1.560 m hầm đôi Gói thầu CP-1b chứng minh tính khả thi của các giải pháp kỹ thuật, bảo vệ an toàn tuyệt đối cho Nhà hát Thành phố với độ lún dưới ngưỡng khống chế 10 mm.
• Xác lập được mối tương quan định lượng chặt chẽ giữa tỷ lệ co ngót thể tích, hệ số giảm ứng suất và tổn thất thể tích thực tế, đóng vai trò làm tài liệu kỹ thuật chuẩn mực cho các dự án metro tương lai tại Việt Nam.

Đóng góp chính của luận văn là hoàn thiện phương pháp luận phân tích ngược và thiết lập bộ thông số kỹ thuật thực nghiệm cho công nghệ thi công hầm EPB-TBM trong nền đất yếu đô thị. Trong giai đoạn 2024 – 2026, các nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng mô phỏng tương tác 3D xét đến độ cứng không gian của các tòa nhà hiện hữu. Các kỹ sư và nhà quản lý dự án được khuyến nghị áp dụng ngay khung tính toán tích hợp này để tối ưu hóa thiết kế và kiểm soát an toàn tuyệt đối cho các công trình ngầm đô thị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY TRAN QUANG DUC MINIMIZING THE INFLUENCE ON EXISTING BUILDINGS WHEN TUNNELING IN SOFT SOIL 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY TRAN QUANG DUC MINIMIZING THE INFLUENCE ON EXISTING BUILDINGS WHEN TUNNELING IN SOFT SOIL MAJOR: MASTER OF INFRASTRUCTURE ENGINEER CODE: ………………… RESEARCH SUPERVISOR: Dr. NGUYEN TIEN DUNG Dr. VU MINH NGAN Hanoi, 2019 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ACKNOWLEDGEMENT 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ABTRACT 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CONTENT ACKNOWLEDGEMENT. 10 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW .3 Finite element method using software Plaxis 2D .2 Project case study .1 Main properties of Tunnel in HCM MRT line1 .2 Construction sequence of underground tunnel .3 Collection of soil condition data.1 Soil investigation data .4 Collection of TBM’s operation data .5 Selection of analysis section .6 Ground settlement analysis by empirical method .7 Numerical analysis with Plaxis 2D.

23 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Preparation input data .3 Soil input parameters in Plaxis 2D .4 Properties of tunnel segment .7 Stress reduction method .8 Collection of monitoring data. 30 CHAPTER 4 RESULT AND DISCUSSION. 33 Ground surface settlement of the tunnel alignment.1 Ground surface settlement of the tunnel alignment .2 Ground surface settlement in tunneling period .2 TBM’s operational parameters and its effect on settlement .3 Analysis of ground surface settlement by Empirical method .1 Trough width parameter (i) .4 Analysis of ground surface settlement by Plaxis 2D .2 Stress reduction method .5 Comparisons of empirical method and numerical method. 45 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS.

46 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 52 APENDIX A: TUNNEL MACHINE AND LINNING SEGMENT. 67 APENDIX B: GEOLOGY PROFILE. 70 APPENDIX C: CROSS BUILDING STRUCTURE.

73 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHAPTER I INTRODUCTION 1.1 Background In Vietnam, big cities such as Hanoi and Ho Chi Minh have reached approximately 10 million population, not including the sub-urban people residing and commuting due to the recent rapid urbanization. This creates a dramatically pressure on the infrastructure system and the public transport system. Construction of MRT with underground sections is the optimal and feasible solution to solve these problems of the cities. System map (planned) for Hanoi MRT system to vision 2050 (Hanoi Metropolitan Railway Management Board) 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

System map (planned) for Hochiminh city MRT system to vision after 2020 (HCMC urban railway management board) In bored tunel in urban areas, bored tunel with TBMs has recently been a popular and effective method in the world. This technique has been developed and applied as a main method for underground MRT projects. The two cities of Hanoi and Ho Chi Minh City are located at the center of the delta with geology condition a mostly consisted of soft soil. Deformations including settlements and tilts should be well controlled when bored tunnel in order to protect the existing ground surface and minimize the impacts on existing structures.

By combining theoretical calculation, software analysis and comparison with monitoring data, results derived from this study can be applied for the bored tunnel design and construction in 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] geo-conditions in Vietnam in order to obtain effective and safe bored tunnel projects.2 Outline research There are five chapters in this thesis. Chapter 1 is the introduction presenting the background of bored tunnel work and outline of the thesis. Reviewing the theoretical to calculate the displacement of existing structures during and after the TBM drilling process is indicated in Chapter 2. Chapter 3 shows the displacement calculation carried out by finite element method to predict the degree of influence on existing works as well as the optimal efficiency.

Chapter 4 describes a comparison between theoretical and numerical results with monitoring data in case study in Ho Chi Minh City Metroline 1 project to verify methods of predicting settlement displacement. Proposing solutions based on calculated and observed results has been derived in Chapter 5. 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW 2.1 Empirical method According to Mair and Taylor (1999), ground construction surface movement due to main reasons movement in follow location: bored machine face, along the shield, behind the shield at tail, and consolidation settlement.1 shows the 3D settlement trough on the surface. First author, Peck (1969) firstly proposed the settlement trough on the surface due to TBM operation in soft soil as a Gaussian distribution.

Some the other authors have confirmed that theoretical (Cording and Hansmire, 1975; Mair et al. Although some different opinions with Gaussian distribution in some particular cases (Jacobsz, 2003; Vorster, 2006; Farrell et al., 2012) and in Japan (JSSMFE, 1993), the Gaussian still curve commons using in study and industry practice.1 Surface settlement trough induced by bored tunel (Franzius, 2004) In this study, the Gaussian curve is used to investigate the ground movement when bored 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] tunel in order to find the effects on existing structures. It is can be estimated from the maximum settlement Gaussian distribution (Peck, 1969) Figure 2.2 Transverse settlement tunnel trough due to bored TBM (Peck, 1969) In order to forecast surface settlement (Peck, 1969) and subsurface settlement (Mair et al., 1993), the volume loss is often taken by experience and data from existing cases. It is make hardly to assessment the volume loss as generalize.

In next chapter, the further detail with factors determine settlement will be presented, especially volume loss. Based on Attewell and Farmer (1974), Cording and Hansmire (1975) and Mair and Taylor (1999), the volume loss can obtain by divided component similar settlement: - Volume loss at the front face of TBM - Volume loss at along TBM; - Volume loss at behind TBM tail; - Volume loss behind the shield tail induced by consolidation Function to determine volume loss as following: VL = VL,f +VL,s +VL,t +VL,c Where VL,f is volume loss at the front face of TBM, VL,s Volume loss at along TBM, VL,t is volume loss at behind TBM tail , and VL,c is volume loss behind the shield tail induced by consolidation. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] With the independent calculation, theoretical can compare with analytical and monitoring from case study in practice.2 Analytical methods Method assumptions basically about geometry, homogenous layer, modelling. There are some advantages in compare with the empirical method.

Taking into account the parameters that may affect surface movement such as ground conditions, construction techniques, etc. Some author presented issue included: Verruijt & Booker’s method (1996), Loganathan & Poulos’s method (1998) and Bobet’s method (2001). Some assessment about methods: (i) Verruijt and Booker (1996)’s method The result of surface settlement shape from Verrujit and Booker's method was not well fit with the observed settlement profile. (ii) Loganathan and Poulos (1998)’s method It was over predicted for tunnel in soft clay.

(iii) Bobet (2001)’s method This method proposed a deep tunnel in dry soil to extend the new solution for ground movement caused by shallow tunnel in a saturated soil.3 Finite element method using software Plaxis 2D Numerical analyses as finite element method (FEM) is the effective in predict and design in geotechnical problem. With bored tunel using TBM method, Plaxis 2D is software was chosen in this thesis. Material types Plaxis using three type materials include: non-porous, drained behavior and undrained behavior Model boundaries: Möller (2006) proposed boundaries for 2D FEM as follow: Bottom boundary (from tunnel invert to bottom boundary): h (1.2) for D = 4 m ÷ 12 m 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Mesh width (from tunnel center line to vertical mesh boundary): W=2D (1 + ) Where C/D is ratio of cover depth and diameter of tunnel Constitutive model There are some constitutive models which each method could be more exactly results for corresponding condition. Two most popularly constitutive models for TBM projects are the Mohr-Coulomb and Hardening Soil model.

(i) Mohr-Coulomb model (MCM) The Mohr-Coulomb model have well known as the linear elastic perfectly plastic model. The Mohr-Coulomb soil model is used for modeling the behavior of most soils. Soil parameters in this model such as shear strength (c, φ), Young’s modulus (Eref) and Poisson ratio (υ) which are familiar to most geotechnical engineering. In this thesis, the Young modulus Eref is assume no change and liner.

(ii) Hardening Soil model (HSM) The HSM could be considered better than the MCM. HSM proposed by Duncan & Chang (1970), but using plasticity theory not like MCM with elasticity theory. In HSM, the strength parameters can be used from the Mohr Coulomb Model including c, φ. The stiffness of the model included in Eref50, Erefode, Erefur and m.

Modelling segmental lining of tunnel Plate element based on linear plastic material model often uses to model the segmental lining in Plaxis 2D. The equivalent thickness for plate can calculate from this equation: deq= 12 Wood (1975) address the effective moment of inertia as follow: Ie=Ij+( ) I In which, where Ij is the moment of inertia of the joints, I is the moment of inertia of the ring, n is the number of joints in the ring (n > 4). 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHAPTER 3 METHODOLOGY 3.1 General DEFINITION OBJECTIVE LITERATURE REVIEW METHODOLOGY COLLECTION DATA FOR ANALYSIS GROUT MOVEMENT FINITE ELEMENT EMPIRICAL METHOD METHOD COMPARE PREDICT RESULT WITH MONITORING IN CASE STUDY DISCUSSION, CONLUSION AND RECOMMENDATION Figure 3.1 Flow chart for methodology This chapter aims to describe the methodology to achieve these objectives study. The study also consists of a comparison to the data collection from case study, the description 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] of empirical method and numerical method.2 Project case study The proposed Ho Chi Minh City Urban Railway Construction Project (Line1) – Contract Package (CP) 1b is approximately 1.75km long and includes following items: - Two underground station: Opera House Station and Ba Son Station - Twin bored tunnels (780 m) Cut and Cover (C&C) tunnels (530 m) CP-1b interfaces with CP-1a at the South-West boundary and Contract Package 2 at the North-East boundary.

As Contract Package 2 is elevated, the C&C box tunnels transition to tracks on embankment via U-shaped structure. The twin bored tunnels run between Opera House station and Ba Son station. The interface with CP-1a is at the outer face of Opera House station end wall. The subway tunnels run along a corridor in the central urban area of Ho Chi Minh City from a proposed station at the Opera House to a proposed station at the Ba Son shipyard and cut & cover area.

Within this corridor, the project may impact nearby and adjacent structures and buried utilities from bored tunel and excavation works. The extent of bored tunnel section The case study of study is 1.56 km underground tunnel using TBM with equipment of EPB type. The shield tunnels included in 2 bound base on direction East (EB) and West - Bound (WB) tunnel for two pipeline from Opera House Station (CH 0+805) to Ba Son 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Station (CH 1+586), were drilling as figure 3. The main contractor is Shimizu Maeda Joint venture Operation.1 Main properties of Tunnel in HCM MRT line1 Table 3.1 Main properties of bored tunnels Tunnel type Bored tunnel Tunnel length (m) 780mx2 tunnels= 1560m Segment Type 5 standard length segment plus 1 key segment lining Outer diameter 6.2 Main parameters of the EPB shield machine EPB shield parameters Description Route Ba Son – Opera House EPB Machine Manufacturer JTSC Shield diameter 6.