MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống metro trên thế giới hiện đang trở thành phương tiện giao thông an toàn, nhanh chóng, hiện đại, tiện nghi, không gây ô nhiễm, có năng lực vận chuyển lớn, giải quyết được nhu cầu đi lại của người dân. Vì vậy, việc xây dựng một hệ thống giao thông đô thị hiện đại đáp ứng được nhu cầu đi lại của dân cư như hệ thống metro là điều cần thiết đối với các thành phố đang phát triển như thành phố Hồ Chí Minh. Trong tương lai Tp.
HCM sẽ có 6 tuyến metro, 3 tuyến xe điện mặt đất, 2 tuyến đường sắt nhẹ trên cao. Hiện tại 2 trong số 6 tuyến metro đã khởi công xây dựng (tuyến số 1, Bến Thành - Suối Tiên và tuyến số 2, Bến Thành-Tham Lương). Tuy nhiên, việc phát triển một mạng lưới các tuyến metro trong trung tâm thành phố, nơi mà đã quá chật chội cho việc bố trí thêm các tuyến đường, là một vấn đề rất khó. Chính vì thế giải pháp đưa các tuyến metro xuống đi ngầm dưới lòng đất ở độ sâu phù hợp tại khu vực trung tâm là giải pháp tối ưu nhất đối với tình hình hiện nay của Thành phố.1 Áp lực tác dụng lên gương đào khi thi công hầm bằng khiên Khiên đào cân bằng áp lực đất EPB - TBM hiện nay gần như là thiết bị tối ưu nhất để thi công hầm khu vực trung tâm các đô thị lớn.
Tuy nhiên quá trình thi công hầm bằng 1 khiên đào có thể gây áp lực chủ động vào đất nền trước gương đào. Điều này có thể gây ra chuyển vị đất và tác động lên các công trình lân cận trong phạm vi ảnh hưởng. Việc nghiên cứu đánh giá quy luật phân bố áp lực và chuyển vị của đất trước gương hầm có ý nghĩa quan trọng giúp hỗ trợ thực hiện thi công hợp lý. Qua nhiều thập kỷ, có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện để khảo sát, tính toán áp lực chủ động tác dụng lên gương hầm do sử dụng khiên cân bằng áp lực đất hoặc vữa để thi công hầm trong đất cát hoặc đất sét.
Tuy nhiên khảo sát áp lực phá hoại bị động lên gương hầm cũng như xác định giá trị áp lực này thì vẫn còn rất ít. Vì vậy, việc nghiên cứu về vấn đề này là hết sức cần thiết, có tính khoa học và thực tiễn. Mục tiêu nghiên cứu Phân tích cơ chế phá hoại, áp lực phá hoại bị động và biến dạng bề mặt đất tại gương hầm, bao gồm: a) Xác định cơ chế phá hoại của khối đất trước gương hầm trong quá trình thi công; b) Đo áp lực phá hoại bị động tác dụng lên gương hầm khi gương hầm tiến lên; c) Thiết lập công thức tính áp lực phá hoại bị động tại gương hầm cho trường hợp đất cát trạng thái chặt vừa; d) Phân tích cơ chế biến dạng bề mặt đất gây ra bởi chuyển vị gương hầm trong đất cát. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu chủ yếu được áp dụng trong Luận án bao gồm: - Phương pháp tổng quan, thu thập dữ liệu: Tổng hợp các nghiên cứu của các tác giả trên thế giới về ổn định gương hầm và ổn định khối đất trước gương hầm trong điều kiện địa chất khác nhau.
- Phương pháp phân tích: Sau khi tiến hành thu thập, tổng hợp dữ liệu, tiến hành phân tích các vấn đề các tác giả đã nghiên cứu và đề xuất những điểm còn tồn tại cần nghiên cứu trong Luận án. 2 - Phương pháp mô hình hóa: Thực hiện hai thí nghiệm mô hình ly tâm T1 và T2 tiến hành bởi thiết bị thí nghiệm ly tâm ở Đại học Khoa học và Công nghệ Hong Kong (HKUST) nhằm phân tích ổn định và biến dạng khối đất trước gương hầm. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu, khảo sát ổn định khối đất trước gương hầm bằng các thí nghiệm mô hình ly tâm khi thay đổi chiều sâu đặt hầm. Các mô hình được thực hiện với tỉ lệ 1/100, mô phỏng quá trình tiến lên của gương hầm trong nền hai lớp, phía trên là lớp đất cát trạng thái chặt vừa và phía dưới là lớp sét cứng.
Trong các mô hình ly tâm, không xét đến ảnh hưởng của mất mát thể tích đào và chỉ xét trường hợp gương hầm tiến về phía trước, tạo ra vùng phá hoại, gây áp lực phá hoại bị động lên gương hầm và biến dạng khối đất trước gương hầm. Nội dung luận án Cấu trúc Luận án gồm các phần sau đây: Mở đầu. Chương 1: Tổng quan về ổn định gương hầm và khối đất trước gương hầm. Chương này trình bày các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (thực nghiệm hiện trường và mô hình thí nghiệm) cũng như nghiên cứu dựa trên phương pháp PTHH về ổn định gương hầm và ổn định khối đất trước gương hầm.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích ổn định khối đất trước gương hầm. Chương này trình bày cơ sở lý thuyết đánh giá, xác định cơ chế phá hoại bị động, vùng phá hoại và biến dạng khối đất trước gương hầm theo định lý cận trên và cận dưới. Chương 3: Thiết lập thí nghiệm mô hình ly tâm phân tích ổn định khối đất trước gương hầm. Chương này trình bày tóm tắt quá trình phát triển của kỹ thuật mô hình ly tâm và các nguyên tắc cơ bản để thiết lập mô hình ly tâm thu nhỏ từ nguyên mẫu ngoài thực tế đối với các bài toán Địa kỹ thuật nói chung và công trình ngầm nói riêng.
Đồng thời trình bày chi tiết các thí nghiệm ly tâm được tác giả thực hiện tại trường Đại học 3 Khoa học và Công nghệ Hong Kong nhằm phân tích ổn định khối đất trước gương hầm khi hầm tiến lên trong nền hai lớp. Chương 4: Phân tích kết quả thí nghiệm ly tâm. Chương này trình bày các kết quả, phân tích đánh giá cơ chế phá hoại bị động, áp lực phá hoại bị động và biến dạng của đất trước gương hầm trong các thí nghiệm ly tâm. Đề xuất công thức tính áp lực phá hoại bị động tại gương hầm cho trường hợp đất cát trạng thái chặt vừa.
Kết luận và kiến nghị. Những đóng góp mới của Luận án Kết quả nghiên cứu của Luận án đã rút ra một số điểm mới nổi bật như sau: - Xác định được cơ chế phá hoại bị động, vùng phá hoại khối đất trước gương hầm: Khi gương hầm tiến tới, đất ở phía trước của gương hầm bị dịch chuyển về phía trước, trong khi đất cách xa mặt đường hầm bị đẩy ra phía ngoài, tác dụng đến mặt đất và do đó làm trồi mặt đất tạo nên vùng phá hoại. Cơ chế phá hoại cục bộ trước gương hầm tương tự như phá hoại cắt cục bộ. Khi các cơ chế phá hoại quan sát được lý tưởng hóa bằng đường liền, cơ chế phá hoại đất trước gương hầm có dạng phễu.
- Bề rộng vùng phá hoại cách gương hầm khoảng 1,5D và phạm vi ảnh hưởng đến các công trình lân cận do quá trình thi công hầm bằng khiên gây ra khoảng 3D. - Đề xuất góc tạo bởi bề mặt phá hoại bị động và mặt phẳng theo phương ngang một góc xấp xỉ (450 - ’/2), với ’ là góc ma sát trong hữu hiệu của lớp đất đặt hầm. - Đề xuất công thức xác định áp lực phá hoại bị động trước gương hầm phụ thuộc vị trí đặt hầm, vị trí tính toán áp lực phá hoại bị động cho trường hợp đất cát trạng thái chặt vừa: 𝐶 3 𝐶 2 𝐶 𝑆𝑥 𝜑′ 𝐷 𝑁𝑦𝑚 = [−0. (𝐶 + ) 𝐷 𝐷 𝐷 𝐷 2 2 Các đóng góp mới của luận án rất có giá trị cho các kỹ sư lựa chọn khiên đào hợp lý cho việc thi công hầm trong điều kiện địa chất thành phố Hồ Chí Minh và các khu vực có điều kiện địa chất tương tự.
Đồng thời có thể xác định giá trị áp lực chống đỡ 4 gương hầm đảm bảo gương hầm ổn định trong quá trình thi công. Bên cạnh đó, cơ chế biến dạng đất xung quanh hầm giúp giảm thiểu ảnh hưởng của việc thi công hầm đến các công trình lân cận. 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH GƯƠNG HẦM VÀ KHỐI ĐẤT TRƯỚC GƯƠNG HẦM Giới thiệu Thi công hầm bằng khiên đã và đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các khu vực đô thị nhằm đảm bảo sự ổn định và an toàn cho đường hầm và các công trình lân cận. Mặc dù kỹ thuật này đã được cải tiến, nâng cao nhờ vào sự tích lũy kinh nghiệm thực tế và quá trình cơ giới hóa máy móc thiết bị, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu và khảo sát, đặc biệt là ổn định gương hầm trong quá trình thi công.
Chương này trình bày về kỹ thuật thi công hầm bằng phương pháp khiên đào, các nghiên cứu lý thuyết; nghiên cứu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn; thực nghiệm hiện trường và sử dụng mô hình thu nhỏ trong phòng thí nghiệm về ổn định gương hầm và khối đất trước gương hầm. Kỹ thuật thi công hầm bằng khiên đào Khiên đào cân bằng áp lực đất EPB - TBM hiện nay gần như là thiết bị tối ưu nhất để thi công hầm khu vực trung tâm các đô thị lớn. Phương pháp này được áp dụng để thi công những đường hầm trong môi trường nền đất và đá yếu, nằm sâu dưới mặt đất, bên dưới những công trình kiến trúc khác đã xây dựng trên mặt đất. Khiên đào cân bằng áp lực đất EPB-TBM 6 Khiên đào là tổ hợp máy làm hầm chuyên dụng bao gồm: vỏ khiên là một vành tròn lớn bằng thép có khả năng chịu lực làm nhiệm vụ chắn đất xung quanh hầm.
Trên mặt gương đào của khiên là bộ phận máy đào làm nhiệm vụ cắt phá đất đá. Máy đào làm việc theo nguyên lý xoay như rôto làm chuyển động các lưỡi cắt để gọt đất đá. Bên trong thân khiên có trang bị các loại động cơ, máy bốc xúc và vận chuyển đất đá thải, máy nâng lắp ghép các phiến vỏ hầm. Phía sau khiên quanh chu vi vành khiên là hệ thống kích thủy lực.
Hệ thống này tựa vào phần vỏ hầm đã xây, đẩy toàn bộ thiết bị tiến lên phía trước, ở phía gương đào quanh chu vi vành khiên là vật liệu thép đặc biệt có tác dụng như một lưỡi dao xén đất, cắt bỏ phần đất đá mà máy đào chưa phá hết. Đường hầm được nối dài cho đến khi tiến ra cửa hầm phía bên kia với tốc độ 10- 20m/ngày đêm [67] Trình tự thi công hầm bằng khiên được thể hiện qua sơ đồ hình 1.
