Tài liệu 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.HCM

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tập …, số …, 2011 Tr. 1-13 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.HCM VÕ PHÁNa, NGUYỄN QUANG KHẢIb a Khoa Xây dựng, Đại học Bách khoa, Tp. Hồ Chí Minh b Thanh tra An toàn lao động Tp. Hồ Chí Minh 1. GIỚI THIỆU Thành phố Hồ Chí Minh nằm trong khu vực có mật độ xây dựng trên mặt cao, điều kiện địa chất yếu, mặt bằng thi công chật hẹp với mật độ dân cư dày đặc. Việc xây dựng hầm bằng các phương pháp đào lộ thiên rất khó khả thi do chúng gây các ảnh hưởng đến công trình lân cận và công tác giải phóng mặt bằng rất phức tạp. Phương pháp Mỏ truyền thống chắc chắn là rất phức tạp và không thể đáp ứng được tiến độ đặt ra, phương pháp NATM với đất đá yếu như trên đòi hỏi phải có các công tác gia cố và do đó sẽ khó đáp ứng được yêu cầu kinh tế cũng như tiến độ. Trong các phương pháp đào hầm thì thi công bằng cơ giới (TBM, SM) đang được phát triển mạnh, đặc biệt là thiết bị khiên đào hay TBM trong nền đất yếu. Đây chính là các công nghệ đào hầm tiên tiến mà có khả năng áp dụng rộng rãi trong xây dựng hầm và công trình ngầm đô thị, đặc biệt là qua những nơi có đặc điểm địa chất tương đối yếu và những vị trí không thể xây dựng lộ thiên ở các đô thị lớn. Đặc điểm của biến dạng lún bề mặt khi thi công đường hầm metro là phụ thuộc vào phương pháp và công nghệ thi công. Với những công nghệ thi công khác nhau thì giá trị lún bề mặt gây ra cũng khác nhau. Kết quả bài báo nghiên cứu cơ sở lý thuyết 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. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM MÉTRO BẰNG MÁY ĐÀO TBM 2.1. Xây dựng mô hình tính lý thuyết [1] Vấn đề về tải trọng tác dụng lên kết cấu hầm thi công bằng TBM, có thể tham khảo tiêu chuẩn Nhật Bản (JSCE-1996) như sau: Bảng 1. Các loại tải trọng tác dụng lên kết cấu hầm thi công bằng TBM 1. Tải trọng thẳng đứng và nằm ngang Tải trọng thường xuyên 2. Áp lực nước 3. Trọng lượng bản thân 1 4. Hiệu ứng tải trọng chất thêm (surcharge) 5. Phản lực của đất nền 6. Các tải trọng nội tại Tải trọng phụ thêm (thứ cấp) 7. Tải trọng thi công 8. Hiệu ứng động đất 9. Hiệu ứng của hai hoặc nhiều khiên đào Tải trọng đặc biệt 10. Hiệu ứng làm việc ở các khu vực lân cận 11. Hiệu ứng biến dạng đất nền 12. Các hiệu ứng khác. Hình 1. Mô hình tính toán theo JSCE-1996 Giới hạn bài báo sẽ không xem xét đến ảnh hưởng động đất hay ảnh hưởng của các tải trọng bên ngoài. Trong phạm vi bài báo chỉ xét đến áp lực đất và sự tương tác của kết cấu với đất nền. Ở trạng thái nguyên sinh các phân tố đất nền tồn tại một cách ổn định (đủ ba thành phần ứng suất), khi đào hầm làm thay đổi trạng thái ban đầu này của nó và làm cho đất nền xung quanh hầm bị biến dạng nhằm xác lập lại một trạng thái cân bằng mới. Sự biến dạng này đã tạm thời làm thay đổi (giảm) ứng suất bên trong nền ở khu vực lân cận với hầm, quá trình thay đổi này được gọi là quá trình giải phóng ứng suất thể hiện qua hệ số giải phóng ứng suất χ. Mức độ của giải phóng ứng suất này phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất của đất nền, tốc độ biến dạng của đất, kích thước gương đào, loại kết cấu chống đỡ và thời gian lắp đặt kết cấu đó, chiều dài khoảng không có chống đỡ... Nói chung có thể mô hình mức độ giải phóng ứng suất này bằng đường giải phóng ứng suất như dưới đây: 2 Hình 2. Đường biểu diễn mức độ giải phóng ứng suất đất nền Xét mặt cắt 1-1, tại đây tuỳ theo phương pháp giữ ổn định mặt gương đào mà mức độ giải phóng ứng suất là khác nhau và chiều dài L1 cũng thay đổi (gần về mặt gương hơn so với trường hợp không có biện pháp giữ ổn định mặt gương đào). Trong bài báo này tác giả sẽ sử dụng các giá trị hệ số giải phóng ứng suất tương ứng với mỗi giai đoạn thi công như sau: Các mô hình phân tích qua các giai đoạn là độc lập nhau sau đó cộng tác dụng kết quả tính được từ các mô hình lại với nhau để đưa ra kết quả cuối cùng: + Tại vị trí gần mặt gương: sẽ sử dụng TBM cân bằng áp lực đất (EPB) để giữ ổn định mặt gương và sẽ tính toán lựa chọn giá trị áp lực đất phù hợp để có thể coi hệ số giải phóng ứng suất tại vị trí này ~0. + Tại vị trí mặt cắt 2-2: mức độ giải phóng ứng suất sẽ được xác định thông qua đường cong quan hệ ứng suất và biến dạng (đường cong Fener-Parcher) bằng cách cho biến dạng biên cưỡng bức u1 để tính ngược ra giá trị ứng suất triết giảm. Ở mặt cắt này sẽ coi vỏ khiên đào là tuyệt đối cứng nên sau khi đất đã áp sát vào vỏ khiên sẽ không tiếp tục biến dạng. + Mặt cắt 4-4: sẽ sử dụng hệ số giải phóng ứng suất ở mặt cắt 2-2 để phân tích quá trình làm việc tương tác của đất nền với vỏ hầm liên quan đến ảnh hưởng lún bề mặt. 2.2. Xây dựng mô hình tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis) Các thông số sử dụng trong Plaxis để mô phỏng mô hình lý thuyết [2] Bảng 2. Thông số đầu vào cho các lớp đấ t C layer D layer E layer (Sét mềm) (Sét dẻo) (Cát rời) (Sét cứng) (Cát chặt) Model MC MC MC MC MC - Type Drained Drained Drained Undrained Drained - Parameter Name Material model Mat. behaviour A layer B layer Unit 3 Dry soil weigh γunsat 15.8 20 20.8 20.4 19.6 kN/m3 Wet soil weigh γsat 17.8 21 21 22 20.5 kN/m3 m/day H. permeability kx 1.81e-5 4.7e-5 0.5 1.36e-5 0.5 V. permeability ky 1.81e-5 4.7e-5 0.5 1.36e-5 0.5 m/day E ref 1000 2000 30 000 10 000 120 000 kN/m2 Cohesion c’ 8.5 2.48 1.1 3.88 1.5 kN/m2 Friction angle ϕ’ 15 17 28 16 21 ° Dilatancy angle ψ 0 0 4 0 3 ° Poisson’s ratio ν 0.33 0.33 0.3 0.33 0.3 - Young’s modulus Bảng 3. Thông số đầu vào cho vật liệu bê tông làm vỏ hầm Parameter Name Value Unit Type of behaviour Material type Elastic - Normal stiffness EA 2.4×107 kN/m 7.2×105 kNm2/m Flexural rigidity EI Equivalent thickness d 0.6 kNm/m Wieght w 14.4 KN/m/m Poisson’s ratio ν 0.15 - Bảng 4. Thông số đầu vào cho vật liệu thép của máy đào TBM Parameter Name Value Unit Type of behaviour Material type Elastic - Normal stiffness EA 8.2×107 kN/m 8.38×104 kNm2/m Flexural rigidity EI Equivalent thickness d 0.35 kNm/m Wieght w 38.15 KN/m/m Poisson’s ratio ν 0 - 4 2.2.1. Thiết lập áp lực cân bằng bề mặt gương đào Như đã phân tích ở trên, giải pháp lựa chọn biện pháp cân bằng áp lực mặt gương đảm bảo ảnh hưởng của mất mát thể tích ở mặt gương đào là không đáng kể hay nói cách khác có thể giả định là không ảnh hưởng đến biến dạng lún của nền. Để mô phỏng áp lực cân bằng bề mặt gương đào trong Plaxis bằng cách xem áp lực cân bằng này là lực tác dụng lên mặt gương đào theo phương z và được đưa vào tham số tải trọng ΣMloadA. Hình 3. Mô hình mô phỏng mặt gương đào Hình 4. Cửa sổ nhập áp lực cân bằng bề mặt gương đào Trong đó yref là cao độ đỉnh hầm, pref là áp lực cân bằng tại vị trí đỉnh hầm, pinc là dung trọng riêng của vữa sét. Ví dụ với mặt cắt hầm có đường kính là 6,2m dùng dung dịch vữa sét có dung trọng riêng là 15 kN/m2 tạo áp lực cân bằng bề mặt gương có áp lực tại đỉnh hầm là 150 kN/m2. Như vậy áp lực cân bằng tại đáy hầm có giá trị là: 150+6,2×15=243 kN/m2. 5 2.2.2. Thiết lập mất mát hướng tâm trong quá trình đào bằng máy TBM Hình 5. Cửa sổ nhập mất mát hướng tâm (contraction) 2.2.3. Thiết lập môi trường khô trong hầm Trong quá trình thi công hầm bằng máy TBM, nhờ lớp vữa sét cân bằng áp lực bề mặt gương mà nước ngầm không thể xâm nhập vào hầm được. Vì vậy luôn đảm bảo môi trường khô ráo trong hầm. Để tạo môi trường khô ráo trong hầm và tính toán phân bố áp lực nước ngầm ta chọn tùy chọn Cluster is dry in this slice. Hình 6. Tùy chọn phân bố áp lực nước ngầm Hình 7. Phân bố áp lực nước ngầm sau khi tính toán 6 Hình 8. Trường chuyển vị lún trong đất nền Với mô hình 2D giải bằng chương trình Plaxis 8.5 ứng với các giá trị phần trăm mất mát thể tích khác nhau ta có các giá trị chuyển vị lún lớn nhất khác nhau. Bảng 5. Các giá trị lún khác nhau ứng với phần trăm mất mát thể tích khác nhau VL (%) Smax (mm) 5 110.14 4 97.03 3 83.84 2 70.71 7 2.2.4. Tính toán mô hình 3D bằng chương trình Plaxis 3D Tunnel Hình 9. Mô hình đầu vào của bài toán Hình 10. Phát sinh lưới 3D Ưu điểm của mô hình 3D là thể hiện được tất cả các điều kiện biên như mô hình lý thuyết. Ngoài ra trong mô hình 3D ta có thể kiểm tra được ổn định bề mặt gương đào. Để đảm bảo ổn định bề mặt gương đào dùng dung dịch vữa sét có dung trọng riêng là 15 kN/m2 tạo áp lực cân bằng bề mặt gương có áp lực tại đỉnh hầm là 150 kN/m2. Như vậy áp lực cân bằng tại đáy hầm có giá trị là: 150+7.8×15=267 kN/m2. - Kết quả tính toán phase 1: 8 Hình 11. Kết quả áp lực nước lỗ rỗng sau khi làm khô trong hầm Hình 12. Lưới biến dạng ở cuối phase 1 Hình 13. Trường chuyển vị lún trong đất nền 9 Hình 14. Lưới biến dạng lún bề mặt - Phase 2: Tính toán áp lực cân bằng bề mặt gương đào tối thiểu cần thiết để đảm bảo ổn định mặt gương đào Kết quả tính toán được Σ− MloadA=0.2184. Vì vậy áp lực cân bằng bề mặt gương nhỏ nhất tại đỉnh hầm là 0.2184×150=32.76 KN/m2. Áp lực cân bằng bề mặt gương nhỏ nhất tại đáy hầm là 0.2184×267=58.31 KN/m2. Đây chính là áp lực cân bằng bề mặt gương tối thiểu để đảm bảo ổn định mặt gương đào. - Phase 3: Tính toán ổn định mặt gương đào: Ổn định mặt gương đào là vấn đề quan tâm hàng đầu trong quá trình thi công hầm. Trong Plaxis hệ số ổn định được tính toán theo phương pháp giảm c, ϕ. Giảm các tham số cường độ c và tanϕ đến khi đất bị phá hoại. Tính hệ số an toàn ΣMsf: c ∑ Msf = c r = tan ϕ tan ϕ r Thiết lập giai đoạn c, ϕ reduction chấp nhận độ tăng mặc định Msf=0,1. 10 Hình 15. Lưới biến dạng ở cuối phase 3 (c, ϕ reduction) Hình 16. Biểu đồ quan hệ giữa áp lực cân bằng bề mặt gương với chuyển vị lún bề mặt Hình 17. Biểu đồ quan hệ giữa mất mát thể tích hướng tâm với chuyển vị lún bề mặt 2.3. Phân tích và so sánh các kết quả tính toán lý thuyết với tính toán bằng phương pháp PTHH 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. 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. 11 2.4. Phân tích so sánh kết quả tính bằng 2 mô hình 2D và 3D 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. 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1. Kết luận 3.1.1. Trong các lý thuyết tính chuyển vị lún bề mặt đã nêu thì lý thuyết của New và O'Reilly cho kết quả gần đúng với thực tế nhất. Tuy nhiên theo kết quả kiểm chứng của một số công trình métro đã thi công trên thế giới thì kết quả tính theo lý thuyết của New và O'Reilly so với thực tế thi công có sai lệch và thường cho kết quả lớn hơn. 3.1.2. Nhược điểm của lý thuyết New và O'Reilly: 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. Tuy nhiên trong thực tế thi công có nhiều phương pháp đào khác nhau, và tùy thuộc vào công nghệ đào mà giá trị lún bề mặt cũng khác nhau. Ví dụ trong trường hợp thi công trong vùng đất yếu thường phải lựa chọn các loại thiết bị TBM có giải pháp cân bằng áp lực bề mặt gương (cân bằng áp lực đất, cân bằng áp lực dung dịch vữa sét, khí nén...) để hạn chế biến dạng lún bề mặt. Vì vậy trong lý thuyết của New và O'Reilly không phản ánh đúng với thực tế thi công với nhiều công nghệ thi công khác nhau đó. 3.1.3. Ngược lại thì phương pháp phần tử hữu hạn có thể mô phỏng quá trình thi công một cách gần đúng nên cho kết quả gần đúng với thực tế hơn, đồng thời kết quả đưa ra cũng đa dạng hơn. Hiện nay với sự phát triển của máy tính và công nghệ phần mềm thì phương pháp phần tử hữu hạn thường được dùng nhất và tính toán chính xác nhất biến dạng lún bề mặt do thi công đường hầm métro. 3.1.4. Mô hình bài toán 3D được tính toán trong Plaxis 3D Tunnel. Ưu điểm mô hình này là có thể hiện được tất cả các điều kiện biên như trong mô hình thí nghiệm mà mô hình bài toán 2D không đáp ứng được. Bên cạnh đó mô hình bài toán 3D có thể mô phỏng quá trình thi công một cách gần đúng nên cho kết quả gần đúng với thực tế hơn so với mô hình bài toán 2D. 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 nhỏ nhất cần thiết để đảm bảo ổn định trong suốt quá trình đào. 3.2. Kiến nghị 3.2.1. 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. 3.2.2. 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. 3.2.3. Đối với khu vực đô thị kiến nghị cần phải xây dựng qui hoạch không gian ngầm đô thị. Với bản vẽ qui hoạch không gian ngầm đô thị thì việc thiết kế, xây dựng đường hầm ở khu 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bùi Văn Dưỡng, Nghiên cứu ảnh hưởng lún bề mặt do thi công đường hầm metro đặt nông trong đất bằng máy đào tổ hợp TBM, Trường ĐH GTVT Hà Nội, 2006. 2. Công ty Cổ phần TVTK GTVT phía Nam, Dự án khả thi tuyến metro Bến Thành – Suối Tiên, 2007. 3. John Anthony Pickhaver, Numerical Modelling of Building Response to Tunnelling, Ph.D. thesis, Oxford University, 2006 . 4. L.V. Makốpski, Công trình ngầm giao thông đô thị, Nhà xuất bản Xây dựng, 2004; 5. Piergiorgio Grasso, Settlement in construction of urban underground works, solutions settlement control, ITST Seminar Ha Noi, 2008 . 6. Nguyen Đuc Toan, TBM and lining essential interfaces, ME. thesis, Turin University, 2006. SUMMARY ANALYSIS CALCULATE MODEL FOR SURFACE SETTLEMENT WHEN BUILDING METRO CONSTRUCTIONS BY TUNNELLING BORING MACHINE IN HO CHI MINH CITY Building shallow underground constructions in weak land makes subsidence. Characteristics of the surface subsidence when building metro line depend on the method and the technology of construction. With the difference of the construction technologies, the value of suface subsidence is different. This paper analysis model for calculating surface settlement when building metro constructions by tunnelling boring machine. 13