CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Nghiên cứu của Sengupta A. Nghiên cứu của Sengupta A. được phát hành vào tháng 07/2017, với đề tài “Ước tính độ lún và rung bề mặt nền khi thi công tuyến Metro Đông-Tây ở thành phố Kolkata, Ấn Độ” [2]. Kolkata được xem là một trong những thành phố đông dân nhất thế giới.
Đường hầm tuyến Đông-Tây được xây dựng mới bên dưới thành phố để kết nối với tuyến Bắc-Nam hiện hữu, như hình 1.1, với tuyến hầm đôi đường kính 6.1m và cách nhau 15m, thi công bằng công nghệ TBM. Nền đất chủ yếu gồm sét mềm và bồi đắp từ sông và lớp cát chặt bên dưới sâu. Hầm nằm sâu 17m và 24m bên dưới mặt đất. Bên trên là các công trình hiện hữu, nằm cách tâm tuyến hầm từ 19m đến 33m.
Nghiên cứu sử dụng phân tích phần tử hữu hạn tĩnh và động, so sánh với các nghiên cứu thực tiễn về thi công hầm trên thế giới và với các phương pháp thực nghiệm, từ đó để đánh giá độ lún và độ rung bề mặt ảnh hưởng đến các công trình bên trên khi thi công hầm.1 Mặt bằng tuyến Metro ngầm Đông-Tây tại Kolkata, Ấn Độ 12 Nghiên cứu kết luận rằng độ lún bề mặt do rung động của máy TBM là không đáng kể, có thể bỏ qua trong tính toán. Độ lún của các tòa nhà bên trên do thi công hầm là từ 0.6mm đến 06mm, độ nghiêng lớn nhất của công trình là 1:1600, đều nằm trong giới hạn cho phép. Nghiên cứu chỉ ra các phương pháp phù hợp để tính lún trong khi công hầm. Nghiên cứu của Fang, Y.
Nghiên cứu của Fang, Y., phát hành vào 02/2017, với đề tài “Dự đoán lún bề mặt cho hầm khiên đào EPB trong đất cát” [3]. Công nghệ khoan hầm sử dụng máy TBM sẽ làm mất một phần thể tích đất, và đây là yếu tốc hính gây lún và biến dạng nền. Các công thức dự đoán lún nền dựa vào sự mất mát thể tích đất của các mô hình trước đây bao gồm một thông số i gọi là hệ số bề rộng vùng lún lõm (settlement trough width coefficient), bằng khoảng cách từ trục hầm đến điểm uốn của đường cong lún, là hằng số theo cả phương ngang và phương dọc. Nghiên cứu đề xuất một mô hình mới, bổ sung thêm thông số j – hệ số bề rộng vùng lún lõm theo phương dọc, khác với phương ngang.
Các tác giả sử dụng một mô hình thu nhỏ để thực hiện các thí nghiệm với gia tốc 1g trong điều kiện đất cát không bão hòa, rồi so sánh với các nghiên cứu trước để để kiểm chứng công thức mới. Công thức dự đoán lún mới được cải tiến từ công thức của Attewell and Woodman (1982) cho lún tại một điểm (x,y) trên mặt đất − − − ( , )= exp Φ −Φ √2 2 Trong đó: Φ(a) là hàm phân phối chuẩn, Φ(0)=0. Trong đó: yi – Khoảng cách từ đầu cắt của máy khoan đến điểm đầu của đoạn hầm yf – Khoảng cách từ đầu cắt của máy khoan đến điểm cuối của đoạn hầm yi’ – Khoảng cách từ đuôi của máy khoan đến điểm đầu của đoạn hầm yf’ – Khoảng cách từ đuôi của máy khoan đến điểm cuối của đoạn hầm Kết quả nghiên cứu cho thấy công thức mới là phù hợp hơn với các dữ kiện thí nghiệm so với các công thức cũ.2 Mô hình máy khoan được sử dụng trong nghiên cứu của Fang, Y. Nghiên cứu của Mooney, M.
Nghiên cứu của Mooney, M., với đề tài “Biến dạng đất nền từ hệ thống đào nhiều hầm: Phân tích của các hầm khoan ở Queens”. Queens là một khu vực thuộc thành phố New York, Mỹ. Dự án hầm khoan ở đây bao gồm bốn tuyến hầm Metro gần mặt đất, đi bên dưới các tuyến đường sắt hiện hữu của vùng Sunnyside. Các hầm được đào bằng hai máy khoan TBM đường kính 6.9m xuyên qua nền đất phức tạp bao gồm các dạng khác nhau của đất có nguồn gốc băng trôi (glacial till soils).
Bốn tuyến hầm dài tổng cộng 3207m, phân tuyến như hình 1. Các tác giả tính toán độ lún nền bằng phương pháp cổ điển, trong 15 đó giả định rằng hình dạng mặt lún là mặt Gaussian như hình 1.4, sau đó đối chiếu kết quả tính với các kết quả quan trắc thực tế theo các điểm đo bố trí dọc theo các tuyến. Nghiên cứu kết luận rằng độ lún cho một hầm riêng lẻ (hầm đầu tiên) thì phù hợp với dạng Gaussian, tuy nhiên với nhiều tuyến hầm, việc cộng dồn các độ lún cho mỗi hầm là chưa phù hợp, và việc tính lún của hầm thứ hai, ba, tư trong hệ thống nhiều hầm là không đơn giản, đặc biệt khi địa chất khu vực này là rất phức tạp.3 Tuyến hầm Metro ở Queens, NY Hình 1.4 Hình dạng mặt lún Gaussian Nghiên cứu của Wang 16 Nghiên cứu của Wang, Fan & Gou, Biancai & Zhang, Qiling & Qin, Yawei & Li, Bo. Với đề tài “Đánh giá độ lún nền khi thi công hầm khiên sử dụng phương pháp số và phương pháp thống kê”.
Trong nghiên cứu này, các tác giả kết hợp phương pháp số và thống kế để dự đoán độ lún nền cho dự án Metro Wuhan ở Trung Quốc (hình 1.5) với các thông số địa chất như hình 1. Trong quá trình chuẩn thi trước thi công, bởi vì thiếu các dữ liệu đo đạc, phương pháp số được sử dụng để mô phỏng quá trình thi công. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ lún được nhận diện bằng cách đánh giá độ nhạy của mô hình với mỗi thông số đầu vào. Trong quá trình thi công, dữ liệu các thông số này và kết quả quan trắc hiện trường được thu thập.
Sử dụng các dữ liệu này, một mô hình thống kê dựa trên một máy học aRVM (adaptive Relevance Vector Machine) được học để đưa ra dự báo sự phát triển lún nền theo thời gian thực (real-time prediction). Kết quả mô phỏng cho thấy các yếu tố ảnh hưởng đến độ lún nền là thông số hình học, thông số địa chất, và thông số vận hành máy đào. Và mô hình máy aRVM có thể dự đoán chính xác và hiệu quả sự phát triển độ lún, cho thấy đây là công cụ có thể áp dụng rộng rãi để dự báo độ lún trong các dự án hầm ngầm Metro.5 Mặt bằng tuyến Metro Wuhan, Trung Quốc 17 Hình 1.6 Mặt cắt địa chất tuyến Metro Wuhan, Trung Quốc Nghiên cứu này cũng kết luận rằng việc chỉ sử dụng phương pháp số để dự đoán độ lún nền trong thi công hầm là còn nhiều vấn đề khó khăn để có được mô hình hiệu quả, bởi vì thiếu các dữ liệu quan trọng về địa chất và điều kiện thi công thực tế. Việc kết hợp phương pháp số và thống kê máy học là biện pháp bổ sung hiệu quả tuy nhiên cũng chỉ đáp ứng được trong điều kiện dự án cụ thể.
Do đó mô hình kết hợp cần được đánh giá thêm về độ tin cậy khi áp dụng các dự án khác.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Nghiên cứu của Võ Phán, Nguyễn Quang Khải với đề tài “Phân tích mô hình tính toán biến dạng lún bề mặt khi thi công đường hầm metro bằng máy đào tổ hợp TBM khu vực TP. Đề tài nghiên cứu cơ sở lý thuyết để lựa chọn phương pháp tính toán biến dạng lún bề mặt khi thi công đường hầm metro bằng máy đào tổ hợp TBM ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh, và đánh giá so sánh giữa các phương pháp tính theo công thức lý thuyết, phần tử hữu hạn 2D và 3D. Nghiên cứu cho thấy, kết quả tính toán bằng phương pháp PTHH (chương trình Plaxis) luôn cho kết quả nhỏ hơn tính toán theo các công thức lý thuyết. 18 Lý do là trong các mô hình thực nghiệm trong lý thuyết không xét đến biến dạng của nền trong đất yếu, không xét đến ảnh hưởng của nước ngầm đến biến dạng lún.
Mặt khác hạn chế của phương pháp tính lý thuyết là chỉ đúng với một số loại đất nhất định, ở một vùng nhất định. Hơn nữa phương pháp tính lý thuyết chưa xét đến phần tử tiếp xúc giữa đất với hầm. Phương pháp tính lý thuyết sẽ không thật hữu dụng với những công trình hầm có cấu trúc phức tạp hay nằm trong vùng địa chất khó khăn. Kết quả tính bằng mô hình 2D luôn cho kết quả lớn hơn mô hình 3D.
Tính toán Plaxis theo mô hình không gian 3D cho kết quả hợp lý hơn. Bởi vì mô hình 3D thể hiện được tất cả các điều kiện biên như mô hình lý thuyết, thể hiện được vùng lún theo 2 phương. Ngoài ra trong mô hình 3D ta có thể kiểm tra được ổn định bề mặt gương đào, tính toán được áp lực cân bằng bề mặt gương đào nhỏ nhất cần thiết để đảm bảo ổn định bề mặt gương trong suốt quá trình đào. Nhóm nghiên cứu cho rằng, tính toán đường hầm trên nền đất yếu rất phức tạp, đòi hỏi phải có sự kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để có những đánh giá một cách tương đối ứng xử của đường hầm trong nền đất.
Khi qui hoạch xây dựng đô thị mới tại những vị trí sẽ xây dựng đường hầm kiến nghị các chủ đầu tư cần đánh giá và có giải pháp thích hợp gia cố, bảo vệ trước các móng nông, nền các công trình. Đối với khu vực đô thị kiến nghị cần phải xây dựng qui hoạch không gian ngầm đô thị. Nghiên cứu của cùng hai tác giả này với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm Metro đến biến dạng mặt đất khu vực TP. Khi xây dựng công trình đường hầm, nhất là các đường hầm đặt nông gần mặt đất, ngoài việc phải giữ ổn định cho bản thân đường hầm còn phải giữ ổn định cho các công trình lân cận, đặc biệt là các công trình hiện hữu trên mặt đất.
HCM, một thực tế là với các công trình thấp tầng và các công trình xây dựng trước đây, việc gia cố nền đất yếu chủ yếu dùng móng nông có hoặc không có cừ tràm. Do chiều sâu xây dựng đường hầm nằm sâu 19 hơn cao độ đáy cừ tràm (trung bình cao độ đáy cừ tràm là -5m so với mặt đất) nên việc xây dựng đường hầm sẽ có ảnh hưởng đến các công trình bên trên dạng này, với các công trình cao tầng hoặc công trình sử dụng móng cọc bê tông cốt thép thì hầu như không bị ảnh hưởng. Tác giả đã xem xét ảnh hưởng của việc xây dựng đường hầm đối với các công trình hiện hữu bên trên sử dụng các loại móng nông.