Nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai ống hầm đến lún bề mặt khi thi công hầm metro bằng ...

• Tác giả: Nguyễn Quốc Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quốc Hùng
• Trường học: Đại học Giao thông Vận tải – Cơ sở II
• Chuyên ngành: Cầu hầm
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Khoảng Cách Ống Hầm Đến Lún Bề Mặt Khi Thi Công Metro Bằng TBM
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu các phương pháp thi công hầm
• 1.2. Phương pháp thi công đào hở
• 1.3. Phương pháp đào dưới nắp
• 1.4. Phương pháp thi công đào kín
• 1.5. Lún trong quá trình đào hầm và những ảnh hưởng do lún gây ra
• 1.5.1. Tổng quan về lún trong quá trình đào hầm
• 1.5.2. Phân loại hư hỏng do ảnh hưởng của lún
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT TÍNH LÚN TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG HẦM BẰNG MÁY ĐÀO TBM
• 2.1. Nghiên cứu dựa trên kinh nghiệm và bán kinh nghiệm của một số tác giả
• 2.1.1. Nghiên cứu của Peck & Schmidt
• 2.1.2. Nghiên cứu của O’Reilly & New
• 2.1.3. Nghiên cứu của Cording & Hansmire (1972, 1975, 1989)
• 2.1.4. Nghiên cứu của Atkinson & Potts (1975, 1977)
• 2.1.5. Nghiên cứu của Longanathan & Poulos (1998)
• 2.1.6. Nghiên cứu của Sagaseta et al (1999)
• 2.2. Các nghiên cứu dựa trên mô hình thí nghiệm
• 2.3. Các nghiên cứu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.3.1. Mô hình phẳng (2-D)
• 2.3.2. Mô hình không gian (3-D)
• 2.4. Các phương pháp tính ổn định gương đào
• 2.4.1. Theo trạng thái giới hạn của Leca và Dormiex (1990)
• 2.4.2. Theo cân bằng giới hạn của Kovári và Anagnostou (1996)
• 2.5. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
• 3.1. Xây dựng mô hình tính
• 3.2. Mô hình tính toán lý thuyết
• 3.3. Mô hình tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis)
• 3.4. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT SỐ CÁC BÀI TOÁN
• 4.1. Số liệu đầu vào các bài toán
• 4.1.1. Điều kiện địa chất khu vực nghiên cứu
• 4.1.2. Các thông số về hầm
• 4.1.3. Điều kiện thi công
• 4.1.4. Tiêu chuẩn lựa chọn khoảng cách (X) và chiều sâu (Z)
• 4.2. Khảo sát mối quan hệ giữa khoảng cách hai ống hầm (X) và chiều sâu đặt hầm (Z) ảnh hưởng đến lún bề mặt
• 4.2.1. Bài toán 1: Khảo sát mối quan hệ giữa khoảng cách (X) và chiều sâu đặt hầm (Z)
• 4.2.2. Bài toán 2: Tính toán ảnh hưởng của hai đường hầm lân cận nhau
• 4.2.3. Bài toán 3: Ảnh hưởng của đường hầm lên các móng cọc hiện hữu dọc hai bên
• 4.3. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: BẢNG PHÂN LOẠI ẢNH HƯỞNG DO LÚN
• PHỤ LỤC 2: CÁC BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng khoảng cách ống hầm đến lún bề mặt

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của khoảng cách ống hầm đến lún bề mặt trong quá trình thi công metro bằng TBM. Các phương pháp thi công hầm như đào hở, đào dưới nắp, và đào kín được giới thiệu, cùng với những ưu nhược điểm của từng phương pháp. Lún bề mặt là một vấn đề quan trọng, đặc biệt trong các khu đô thị đông đúc, nơi mà việc thi công hầm có thể gây ảnh hưởng lớn đến các công trình lân cận.

1.1. Phương pháp thi công hầm

Các phương pháp thi công hầm bao gồm đào hở, đào dưới nắp, và đào kín. Đào hở thường được áp dụng khi hầm đặt gần mặt đất, nhưng gây ảnh hưởng lớn đến môi trường xung quanh. Đào dưới nắp và đào kín được sử dụng trong các khu vực đô thị để giảm thiểu tác động đến bề mặt. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và hạn chế riêng, tùy thuộc vào điều kiện địa chất và môi trường thi công.

1.2. Lún trong quá trình đào hầm

Lún bề mặt là hiện tượng không thể tránh khỏi trong quá trình thi công hầm. Nó có thể gây ra các hư hỏng nghiêm trọng cho các công trình xung quanh. Các yếu tố như khoảng cách ống hầm, chiều sâu đặt hầm, và địa chất khu vực đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mức độ lún. Nghiên cứu này nhằm tìm ra các giải pháp để giảm thiểu ảnh hưởng của lún bề mặt.

II. Các phương pháp lý thuyết tính lún trong thi công hầm bằng TBM

Chương này trình bày các phương pháp lý thuyết để tính toán lún bề mặt trong quá trình thi công hầm bằng TBM. Các nghiên cứu của Peck & Schmidt, O’Reilly & New, và các tác giả khác được phân tích để đưa ra các mô hình tính toán chính xác. Các phương pháp này bao gồm cả mô hình thí nghiệm và phương pháp phần tử hữu hạn, giúp dự đoán và kiểm soát lún bề mặt một cách hiệu quả.

2.1. Nghiên cứu dựa trên kinh nghiệm và bán kinh nghiệm

Các nghiên cứu của Peck & Schmidt, O’Reilly & New, và các tác giả khác dựa trên kinh nghiệm thực tế và mô hình bán kinh nghiệm. Những nghiên cứu này cung cấp các công thức và phương pháp tính toán lún bề mặt dựa trên các thông số như khoảng cách ống hầm, chiều sâu đặt hầm, và đặc tính địa chất. Các mô hình này được sử dụng rộng rãi trong thực tế để dự đoán và kiểm soát lún.

2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để mô phỏng và tính toán lún bề mặt trong quá trình thi công hầm. Phần mềm Plaxis được sử dụng để xây dựng các mô hình 2D và 3D, giúp phân tích chính xác các yếu tố ảnh hưởng đến lún. Phương pháp này cho phép dự đoán các biến dạng và chuyển vị của đất nền, từ đó đưa ra các giải pháp thi công phù hợp.

III. Mô hình tính toán và khảo sát số

Chương này trình bày việc xây dựng mô hình tính toán và khảo sát số để đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách ống hầm và chiều sâu đặt hầm đến lún bề mặt. Các bài toán được mô phỏng bằng phần mềm Plaxis, với các thông số đầu vào được lấy từ tài liệu khảo sát địa chất của tuyến Metro số 2 (Bến Thành – Tham Lương). Kết quả khảo sát cho thấy mối quan hệ giữa khoảng cách ống hầm và mức độ lún bề mặt.

3.1. Xây dựng mô hình tính toán

Mô hình tính toán được xây dựng dựa trên các thông số địa chất và kỹ thuật của tuyến Metro số 2. Phần mềm Plaxis được sử dụng để mô phỏng các bài toán với các điều kiện thi công khác nhau. Mô hình này giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của khoảng cách ống hầm và chiều sâu đặt hầm đến lún bề mặt, từ đó đưa ra các khuyến cáo về thiết kế và thi công.

3.2. Khảo sát mối quan hệ giữa khoảng cách ống hầm và lún bề mặt

Các bài toán khảo sát được thực hiện để phân tích mối quan hệ giữa khoảng cách ống hầm và lún bề mặt. Kết quả cho thấy rằng khoảng cách ống hầm càng nhỏ, mức độ lún bề mặt càng lớn. Ngược lại, khoảng cách ống hầm quá lớn cũng gây ra các vấn đề về chiếm dụng mặt bằng và tăng chi phí thi công. Nghiên cứu này đưa ra các khuyến cáo về việc lựa chọn khoảng cách hợp lý giữa hai ống hầm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế nhanh chóng tại các đô thị lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, hệ thống giao thông công cộng đang đối mặt với tình trạng quá tải nghiêm trọng. Theo ước tính, mật độ dân số tăng cao cùng với hạ tầng giao thông cũ kỹ đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thông và ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng. Giải pháp xây dựng các công trình ngầm, đặc biệt là hệ thống Metro, được xem là hướng đi tất yếu nhằm giảm thiểu các vấn đề trên. Tuy nhiên, quá trình thi công hầm Metro bằng máy đào TBM (Tunnel Boring Machine) gây ra hiện tượng lún bề mặt, ảnh hưởng trực tiếp đến các công trình lân cận và an toàn đô thị.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai ống hầm và chiều sâu đặt hầm đến mức độ lún bề mặt trong quá trình thi công bằng máy đào TBM cân bằng áp lực đất (EPB). Nghiên cứu tập trung trên tuyến Metro số 2 (Bến Thành – Tham Lương), Thành phố Hồ Chí Minh, với điều kiện địa chất đặc trưng và công nghệ thi công hiện đại. Việc xác định khoảng cách và chiều sâu hợp lý không chỉ giúp giảm thiểu lún bề mặt mà còn tối ưu chi phí đầu tư và đảm bảo an toàn cho các công trình xung quanh.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà quản lý, kỹ sư xây dựng và các nhà hoạch định chính sách trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm đô thị. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả thi công, giảm thiểu rủi ro và bảo vệ môi trường đô thị trong quá trình phát triển hạ tầng giao thông ngầm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về lún bề mặt trong thi công hầm bằng máy đào TBM, bao gồm:

• Mô hình đường cong lún Gaussian của Peck & Schmidt: Mô tả biến dạng lún bề mặt theo phương ngang bằng hàm mũ Gaussian, với tham số chính là khoảng cách uốn cong i và lún tối đa Smax.

• Phương pháp tính lún của O’Reilly & New: Mở rộng mô hình Peck, xác định hệ số K phụ thuộc đặc tính đất để tính tham số i, đồng thời mô tả chuyển vị thẳng đứng và ngang của mặt đất quanh hầm.

• Mô hình phần tử hữu hạn (Phần mềm Plaxis 2D): Sử dụng để mô phỏng quá trình thi công hầm, tính toán biến dạng và áp lực đất nền, đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách hai ống hầm và chiều sâu đặt hầm đến mức độ lún bề mặt.

Các khái niệm chính bao gồm: mất mát thể tích đất (VL), vùng lõm mặt đất (VS), áp lực cân bằng gương đào, biến dạng lún ngắn hạn và dài hạn, cũng như các tiêu chí phân loại hư hỏng công trình do lún theo Burland và Mair.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng số liệu khảo sát địa chất tuyến Metro số 2 tại Thành phố Hồ Chí Minh, kết hợp với các phương pháp lý thuyết và mô hình hóa số:

• Nguồn dữ liệu: Số liệu địa chất, thủy văn, thông số kỹ thuật máy đào TBM EPB, kết cấu vỏ hầm BTCT lắp ghép.

• Phương pháp phân tích: Áp dụng các công thức kinh nghiệm và bán kinh nghiệm của Peck, Schmidt, O’Reilly & New để tính toán lún bề mặt. Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D để khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách hai ống hầm (X) và chiều sâu đặt hầm (Z) trong các trường hợp khác nhau.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình số được xây dựng dựa trên điều kiện thực tế của tuyến Metro số 2, với các biến đổi khoảng cách và chiều sâu đặt hầm được khảo sát theo từng kịch bản cụ thể nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, bao gồm thu thập số liệu, xây dựng mô hình, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của khoảng cách hai ống hầm đến lún bề mặt: Khi khoảng cách hai ống hầm giảm xuống dưới khoảng 2 lần đường kính hầm (X < 2D), mức độ lún bề mặt tăng lên đáng kể, gây ra biến dạng lớn hơn 30% so với trường hợp hầm đơn lẻ. Khoảng cách quá nhỏ còn làm tăng nguy cơ tương tác chéo giữa hai hầm, ảnh hưởng đến ổn định kết cấu.

2. Ảnh hưởng của chiều sâu đặt hầm (Z): Chiều sâu đặt hầm càng lớn thì mức độ lún bề mặt càng giảm. Cụ thể, khi chiều sâu tăng từ 1D lên 4D, lún tối đa giảm khoảng 40%, đồng thời vùng ảnh hưởng lún cũng thu hẹp lại. Tuy nhiên, chiều sâu đặt hầm bị giới hạn bởi các yếu tố kỹ thuật như độ dốc tối đa và bố trí ga ngầm.

3. Mất mát thể tích đất nền (VL) và biến dạng lún (VS): Mất mát thể tích trung bình trong quá trình thi công bằng TBM EPB khoảng 2-3% thể tích hầm, tương ứng với mức lún bề mặt tối đa từ 15 đến 25 mm tùy thuộc vào điều kiện đất và khoảng cách hầm. Biến dạng lún ngắn hạn chiếm khoảng 70% tổng biến dạng, xảy ra chủ yếu trong vòng 4 ngày sau khi máy đào vượt qua vị trí khảo sát.

4. Phân loại hư hỏng công trình do lún: Theo tiêu chí Burland và Mair, mức độ lún bề mặt trong phạm vi nghiên cứu chủ yếu gây ra các vết nứt nhỏ đến trung bình trên các công trình xây dựng lân cận, với độ nghiêng nền đất dưới 1/200, thuộc nhóm hư hỏng nhẹ đến rất nhẹ, có thể khắc phục bằng biện pháp bảo trì thông thường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng lún bề mặt khi khoảng cách hai ống hầm nhỏ là do sự chồng chéo vùng ảnh hưởng biến dạng đất nền, làm tăng áp lực và chuyển vị đất xung quanh. Kết quả mô phỏng bằng Plaxis 2D cho thấy rõ sự tương tác này qua biểu đồ lún bề mặt và lưới biến dạng, thể hiện qua các đường đồng mức lún mở rộng và tăng cao.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với mô hình của O’Reilly & New và Peck & Schmidt, đồng thời khẳng định tính hiệu quả của phương pháp mô hình phần tử hữu hạn trong dự báo lún bề mặt. Việc lựa chọn chiều sâu đặt hầm hợp lý không chỉ giảm lún mà còn hạn chế chi phí gia cố đất và bảo vệ công trình lân cận.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế khoảng cách và chiều sâu đặt hầm tối ưu, giảm thiểu rủi ro lún bề mặt, đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công các công trình Metro trong điều kiện địa chất phức tạp của đô thị Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu khoảng cách hai ống hầm: Khuyến nghị lựa chọn khoảng cách tối thiểu từ 2 đến 3 lần đường kính hầm (X = 2D – 3D) để giảm thiểu tương tác biến dạng đất và lún bề mặt, đồng thời hạn chế chi phí gia cố đất giữa hai hầm. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và đơn vị thiết kế, trong vòng 6 tháng đầu giai đoạn thiết kế.

2. Điều chỉnh chiều sâu đặt hầm hợp lý: Ưu tiên đặt hầm ở chiều sâu từ 3D trở lên, phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật và điều kiện địa chất, nhằm giảm lún bề mặt và mở rộng vùng an toàn. Chủ thể thực hiện: Đơn vị thiết kế kỹ thuật và tư vấn địa chất, trong quá trình khảo sát và thiết kế chi tiết.

3. Áp dụng công nghệ TBM EPB với kiểm soát áp lực chính xác: Sử dụng máy đào TBM cân bằng áp lực đất (EPB) với hệ thống điều chỉnh áp suất linh hoạt để kiểm soát mất mát thể tích đất và giảm lún bề mặt. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công và nhà cung cấp thiết bị, trong suốt quá trình thi công.

4. Gia cố đất nền kịp thời và hiệu quả: Áp dụng biện pháp bơm vữa xi măng hoặc vữa sét phía sau vỏ hầm ngay sau khi đào để giảm biến dạng hướng tâm và ổn định đất nền. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công, theo kế hoạch thi công từng giai đoạn.

5. Theo dõi và giám sát biến dạng liên tục: Thiết lập hệ thống quan trắc lún bề mặt và chuyển vị công trình lân cận để phát hiện sớm các biến dạng bất thường, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và đơn vị tư vấn giám sát, trong suốt thời gian thi công và vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư thiết kế và thi công công trình ngầm: Nghiên cứu cung cấp các phương pháp tính toán và mô hình hóa lún bề mặt, giúp tối ưu thiết kế khoảng cách và chiều sâu đặt hầm, giảm thiểu rủi ro trong thi công.

2. Ban quản lý dự án Metro và hạ tầng giao thông đô thị: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình giám sát và quản lý thi công nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả đầu tư.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, mô hình và ứng dụng phần mềm mô phỏng trong nghiên cứu công trình ngầm.

4. Các chuyên gia tư vấn và đơn vị khảo sát địa chất: Hỗ trợ trong việc đánh giá điều kiện địa chất, lựa chọn công nghệ thi công phù hợp và đề xuất các biện pháp gia cố đất nền.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao khoảng cách giữa hai ống hầm lại ảnh hưởng đến mức độ lún bề mặt?
   Khoảng cách nhỏ làm vùng ảnh hưởng biến dạng đất của hai hầm chồng chéo, tăng áp lực và chuyển vị đất nền, dẫn đến lún bề mặt lớn hơn. Ví dụ, khi khoảng cách dưới 2 lần đường kính hầm, lún có thể tăng hơn 30% so với hầm đơn.

2. Chiều sâu đặt hầm ảnh hưởng thế nào đến lún bề mặt?
   Chiều sâu càng lớn thì áp lực đất và nước ngầm tác động lên hầm càng lớn, nhưng đồng thời vùng ảnh hưởng lún bề mặt giảm do đất nền có khả năng chịu lực tốt hơn. Nghiên cứu cho thấy chiều sâu từ 3D trở lên giúp giảm lún khoảng 40%.

3. Máy đào TBM EPB có ưu điểm gì trong việc kiểm soát lún?
   TBM EPB cân bằng áp lực đất, giúp giảm mất mát thể tích đất và kiểm soát áp lực mặt gương đào, từ đó giảm biến dạng đất và lún bề mặt hiệu quả hơn so với các loại máy khác.

4. Biện pháp gia cố đất nền nào hiệu quả nhất sau khi đào hầm?
   Bơm vữa xi măng hoặc vữa sét phía sau vỏ hầm là biện pháp phổ biến và hiệu quả, giúp lấp đầy khoảng trống, giảm biến dạng hướng tâm và ổn định đất nền nhanh chóng.

5. Làm thế nào để giám sát và xử lý kịp thời hiện tượng lún bề mặt?
   Thiết lập hệ thống quan trắc lún bề mặt và chuyển vị công trình lân cận, sử dụng cảm biến và đo đạc định kỳ để phát hiện biến dạng bất thường, từ đó có biện pháp gia cố hoặc điều chỉnh thi công phù hợp.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng của khoảng cách hai ống hầm và chiều sâu đặt hầm đến mức độ lún bề mặt trong thi công bằng máy đào TBM EPB.
• Khoảng cách tối ưu từ 2D đến 3D và chiều sâu đặt hầm từ 3D trở lên giúp giảm thiểu lún và tương tác giữa các hầm.
• Mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 2D là công cụ hiệu quả để mô phỏng và dự báo biến dạng đất nền trong quá trình thi công.
• Các biện pháp kỹ thuật như kiểm soát áp lực máy đào, bơm vữa gia cố và giám sát biến dạng liên tục là cần thiết để đảm bảo an toàn công trình.
• Đề xuất nghiên cứu tiếp theo tập trung vào mở rộng mô hình 3D và khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố địa chất phức tạp hơn, nhằm nâng cao độ chính xác và ứng dụng thực tiễn.

Các đơn vị thiết kế và thi công nên áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình thi công hầm Metro, đồng thời triển khai hệ thống giám sát biến dạng để đảm bảo an toàn và hiệu quả dự án.