Tài liệu LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG HẦM GIAO THÔNG QUA ĐÔ THỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------oao------------------ PHẠM MINH TIẾN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG HẦM GIAO THÔNG QUA ĐÔ THỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ MÃ SỐ NGÀNH : 60 58 30 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------------- CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: PHẠM MINH TIẾN Giới tính : Nam þ/ Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 16/04/1979 Nơi sinh : Hà Tây Chuyên ngành : Xây dựng đường ô tô và đường thành phố (Mã số : 60 58 30) Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG HẦM GIAO THÔNG QUA ĐÔ THỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM” 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: “Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua đô thị phù hợp với điều kiện khu vực Tp.HCM” với các nội dung chính như sau: Chương 1. Tổng quan về công trình ngầm giao thông đô thị, các biện pháp thi công công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam Chương 2. Phân vùng địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Chương 3. Sự làm việc của hầm trong môi trường đất Chương 4. Các phương pháp tính toán công trình hầm. Chương 5. Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với điều kiện của khu vực nghiên cứu Chương 6. Một số vấn đề cần giải quyết khi xây dựng công trình hầm trong điều kiện đô thị thành phố Hồ Chí Minh Phần kết luận và kiến nghị 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/02/2007 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/11/2007 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS. LÊ VĂN NAM Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. LÊ VĂN NAM Cán bộ chấm nhận xét 1: Cán bộ chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày. . . . . . tháng . . . . .năm . . . . . . LỜI CẢM ƠN Luận văn “Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua đô thị phù hợp với điều kiện khu vực Tp.HCM” được thực hiện từ tháng 02/2007 đến tháng 11/2007 với mục đích nghiên cứu đưa ra phương pháp tính toán, thi công hầm giao thông bằng phương pháp phù hợp. Đề tài cũng đưa ra những lý thuyết để chọn chiều sâu đặt hầm, ảnh hưởng của công trình lân cận,… Luận văn cũng đưa ra ví dụ tính toán tham khảo cho đoạn tuyến metro tại Thành phố Hồ Chí Minh với địa chất đã được khảo sát. Tôi xin trân trọng cảm ơn Thầy PGS. TS. Lê Văn Nam đã giúp đỡ, tận tình hướng dẫn và cung cấp các thông tin cần thiết để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của TS. Phùng Mạnh Tiến, là người thầy và cũng là đồng nghiệp, đã có góp ý, hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn thầy TS. Trịnh Văn Chính đã cung cấp tài liệu và có những góp ý hữu ích trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Bộ môn Cầu đường và Khoa Sau Đại học của Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, các bạn trong lớp CĐ K2005, các đồng nghiệp đã giúp tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn để có thể thực hiện tốt đề tài. Xin cảm ơn mọi người trong gia đình tôi đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về thời gian để tôi hoàn thành luận văn đúng tiến độ. Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Tôi rất mong được sự đóng góp của quý Thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Phạm Minh Tiến TÓM TẮT ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG HẦM GIAO THÔNG QUA ĐÔ THỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM” Giới thiệu chung Xác định mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu luận văn, nêu được ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận văn. Chương 1. Tổng quan về công trình ngầm, các biện pháp thi công công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam Nêu tổng quan về các công trình ngầm theo lịch sử phát triển trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Sơ bộ các phương pháp tính toán cũng như các phương pháp thi công đường hầm phổ biến trên thế giới hiện nay. Luận văn chú trọng vào khu vực có địa chất yếu qua đô thị nên có những nhận xét tổng quan và yêu cầu khi tính toán, thi công đường hầm qua khu vực đặc trưng này. Chương 2. Đặc điểm địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh Dựa trên số liệu địa chất của các dự án lớn, có đủ số liệu thí nghiệm của các dự án đang triển khai trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh để tổng hợp và có cái nhìn tổng quan về địa chất của khu vực. Qua đó lựa chọn địa chất đặc trưng và có nhận xét, kiến nghị một số lưu ý khi xây dựng hầm qua khu vực địa chất này. Chương 3. Sự làm việc của hầm trong môi trường đất Nghiên cứu các đặc tính cơ bản của đất để từ đó xác định được cơ chế tác dụng của áp lực địa tầng lên công trình ngầm. Từ đó cũng thấy được ứng xử của đất - kết cấu tùy theo loại đất sẽ quyết định hình dáng, kích thước hầm. Ngoài ra việc xác định các tổ hợp tải trọng cũng có ý nghĩa quan trọng đảm bảo công trình ổn định và an toàn trong quá trình thi công và khai thác. Chương 4. Các phương pháp tính toán công trình hầm. Nghiên cứu các phương pháp tính toán công trình ngầm theo các phương pháp chính là phương pháp lực, phương pháp biến dạng, phương pháp phần tử hữu hạn, … Từ đó rút ra phương pháp tính và mô hình tính toán hợp lý với điều kiện địa chất yếu để áp dụng cho phù hợp. Chương 5. Phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với điều kiện của khu vực nghiên cứu Với địa chất yếu, không có điều kiện đào hở thì phương pháp đào kín bằng khiên đào là phù hợp nhất. Chương này tìm hiểu kỹ về phương pháp khiên đào từ khi phát minh cho đến nay, từ đơn giản đến phức tạp. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các loại khiên đào hiện đại như phương pháp khiên cân bằng áp lực đất, khiên cân bằng áp lực vữa, khiên bọt khí, khiên đa mặt, khiên nhiều trục, khiên mặt cắt tự do, khiên hình cầu… cùng với đặc điểm cũng như phạm vi áp dụng thích hợp của chúng để có thể áp dụng vào từng điều kiện cụ thể hợp lý nhất. Sự đa dạng của khiên cho phép giải quyết các vấn đề thi công hầm gần như không hạn chế. Chương 6. Một số vấn đề cần giải quyết khi xây dựng công trình hầm trong điều kiện đô thị thành phố Hồ Chí Minh Do công trình ngầm đi qua khu vực địa chất yếu trong điều kiện đô thị đông đúc nên để đảm bảo thi công và khai thác an toàn cho công trình ngầm cũng như các công trình lân cận thì cần phải giải quyết một số bài toán thực tế. Các bài toán cơ bản đặt ra la các bài toán tìm chiều sâu đặt hầm hợp lý, tính toán ảnh hưởng của hầm đến các công trình ngầm cũng như các công trình trên mặt đất lân cận. Từ đó xác định được phạm vi an toàn và mức độ ảnh hưởng lên các công trình để có các biện pháp xử lý thích hợp. Chương 7. Kết luận và kiến nghị MỤC LỤC Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM, CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM .................................................................................. 3 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM ............................................... 3 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM ............... 9 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM.................. 9 1.3.1 Phương pháp mỏ (phương pháp khoan nổ) ..................................... 10 1.3.2 Phương pháp dùng máy đào các loại thích hợp với thi công đường hầm trên núi, thi công đường hầm nông và trong đất mềm............................. 11 Phương pháp đào lộ thiên là phương pháp thi công đường hầm nông 1.3.3 và trong đất mềm ........................................................................................... 11 Phương pháp tường liên tục dưới đất thi công hầm trong đất mềm yếu 1.3.4 ........................................................................................................ 11 1.3.5 Phương pháp khiên.......................................................................... 11 1.3.6 Phương pháp hạ chìm...................................................................... 11 1.3.7 Đánh giá và đề xuất phương án....................................................... 12 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM GIAO THÔNG ĐÔ THỊ 1.4 KHU VỰC TP.HCM................................................................................13 1.4.1 Bối cảnh .......................................................................................... 13 1.4.2 Đặc điểm công trình ngầm đô thị..................................................... 13 Chương 2. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC TP.HCM ............................ 16 2.1 Thống kê số liệu địa chất..........................................................................16 2.2 Đặc điểm địa chất.....................................................................................17 2.3 Lựa chọn các thông số đặc trưng dùng tính toán .......................................24 2.4 Một số lưu ý .............................................................................................25 2.4.1 Cát có thể chảy lỏng........................................................................ 25 2.4.2 Khả năng ăn mòn bê tông của nước ngầm ....................................... 25 Chương 3. SỰ LÀM VIỆC CỦA HẦM TRONG ........................................... 26 MÔI TRƯỜNG ĐẤT.......................................................................................... 26 3.1 Các đặc tính cơ bản của đất ......................................................................26 3.1.1 Đất đá và các tính chất cơ bản của nền đất yếu............................... 26 3.1.1.1 Biến dạng của đất đá ................................................................... 26 3.1.1.2 Độ bền của đất đá........................................................................ 27 3.1.1.3 Tính lưu biến của đất đá .............................................................. 29 3.1.1.4 Hệ số kiên cố ............................................................................... 30 3.1.2 Nền đất yếu ..................................................................................... 32 3.1.2.1 Các tính chất của nền đất yếu ...................................................... 32 3.2 Điều kiện địa chất, thuỷ văn ảnh hưởng đến công trình ngầm ...................33 3.3 Áp lực địa tầng lên công trình ngầm .........................................................34 3.4 Ứng xử đất – kết cấu của đất xung quanh đường hầm...............................36 3.4.1 Sự phân bố ứng suất trong đất nền xung quanh hầm ....................... 36 3.4.2 Các phương pháp xác định áp lực địa tầng...................................... 41 3.4.2.1 Tính toán áp lực địa tầng theo quan điểm môi trường phân tán ... 42 3.4.2.2 Tính toán áp lực ngang ................................................................ 48 3.4.2.3 Tính toán phản lực đáy hầm......................................................... 49 3.5 Tải trọng tác dụng lên đường hầm ............................................................51 Chương 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN........................................... 53 CÔNG TRÌNH NGẦM ....................................................................................... 53 4.1 Các phương pháp lực ...............................................................................53 4.1.1 Phương pháp SN.Naumov................................................................ 53 4.1.2 Phương pháp G.G. Zurabov ............................................................ 53 4.1.3 Phương pháp thay thế bằng hệ thanh .............................................. 54 4.1.4 Phương pháp S.A. Orlov.................................................................. 54 4.1.5 Phương pháp S.S. Đavưđov ............................................................. 54 4.1.6 Phương pháp I.A. Malikova............................................................. 55 4.2 Các phương pháp biến dạng ....................................................................55 4.2.1 Phương pháp Ya. Bialer .................................................................. 56 4.2.2 Phương pháp K.V.Ruppenneyt,V.A. Lutkin, A.N. Dranovxki ............ 56 4.2.3 Phương pháp B.G. Galerkin ............................................................ 56 4.2.4 Phương pháp M.M. Protodiakonov.................................................. 56 4.3 Phương pháp phần tử hữu hạn .................................................................57 4.3.1 Khái niệm chung về phương pháp PTHH ........................................ 57 4.3.2 Phương pháp PTHH trong tính toán công trình ngầm ..................... 59 4.3.2.1 Các mô hình tính.......................................................................... 59 4.3.2.2 Các dạng phần tử......................................................................... 59 4.3.2.3 Nguyên tắc chia lưới phần tử ....................................................... 67 4.3.2.4 Các dạng mô hình nền ................................................................. 68 4.3.3 4.4 Giới thiệu một số phần mềm tính toán sử dụng phương pháp PTHH 71 Phương pháp phần tử rời rạc.....................................................................71 Các phương pháp tính toán thiết kế đường hầm phù hợp đối với địa chất 4.5 mềm yếu...................................................................................................72 4.5.1 Tính toán kết cấu hầm theo phương pháp thay thế bằng hệ thanh.... 73 4.5.2 Tính toán kết cấu công trình hầm dạng vòm hình yên ngựa ............. 76 4.5.3 Tính toán kết cấu công trình hầm dạng tròn .................................... 77 Chương 5. PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM PHÙ HỢP VỚI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ................................................... 79 Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với khu vực địa chất 5.1 mềm yếu...................................................................................................79 5.2 Biện pháp thi công hầm bằng phương pháp khiên đào ..............................80 5.2.1 Lịch sử phát triển hầm theo phương pháp khiên (shield) ................. 80 5.2.2 Cấu tạo, phân loại khiên đào........................................................... 86 5.2.2.1 Cấu tạo của khiên ........................................................................ 86 5.2.2.2 Phân loại khiên............................................................................ 90 5.2.2.3 Căn cứ chọn loại khiên ................................................................ 92 5.2.3 Nguyên lý cơ bản của thi công hầm bằng khiên đào ........................ 93 5.2.3.2 Máy đào và phương pháp thi công khiên cân bằng áp lực đất (Earth Pressure Balanced Shield – EPB Shield).................................................... 95 5.2.3.3 Máy đào và phương pháp thi công khiên dung dịch vữa (Slurry Shield) 5.2.4 .................................................................................................... 97 Các phương pháp mới thi công bằng khiên đào..............................100 5.2.4.1 Phương pháp khiên đa mặt MF (Multi Face) .............................100 5.2.4.2 Phương pháp khiên nhiều trục lệch tâm DPLEX (Developing Parallel Link EXcavating shield Method)..................................................102 5.2.4.3 Phương pháp khiên mặt cắt tự do................................................104 5.2.4.4 Phương pháp khiên hình cầu.......................................................106 5.2.4.5 Phương pháp khiên MSD (Mechanical Shield Docking)..............109 5.2.4.6 Phương pháp khiên MMST (Multi Micro Shield Tunnel).............110 5.2.4.7 Phương pháp khiên bọt khí .........................................................111 5.2.4.8 Phương pháp khiên CPS (Chemical Plug Shield)........................113 5.2.4.9 Phương pháp khiên DOT (Double O Tube).................................114 5.2.4.10 Phương pháp khiên H & V .........................................................115 5.2.4.11 Phương pháp khiên mở rộng cục bộ ...........................................118 5.2.5 Ưu khuyết điểm của biện pháp thi công hầm bằng khiên đào..........119 5.2.5.1 Ưu điểm của thi công đường hầm theo phương pháp khiên.........119 5.2.5.2 Khuyết điểm của thi công đường hầm theo phương pháp khiên...120 Chương 6. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG ĐIỀU KIỆN TP. HỒ CHÍ MINH ......121 6.1 Tính toán đường hầm có xét ảnh hưởng của các công trình lân cận ........121 6.1.1 Cấu tạo đường hầm trong đất yếu ..................................................121 6.1.1.1 Bố trí chung của đường hầm ......................................................121 6.1.1.2 Mặt cắt ngang đường hầm trong nền đất yếu ..............................122 6.1.1.3 Kích thước mặt cắt ngang đường hầm trong nền đất yếu ............122 6.1.2 Bài toán 1: Xác định độ sâu đặt hầm hợp lý ...................................125 6.1.3 Bài toán 2: Ảnh hưởng của 2 đường hầm lân cận nhau ..................130 6.1.3.1 Bài toán biến thiên khoảng cách theo phương ngang ..................130 6.1.3.2 Bài toán biến thiên khoảng cách theo phương đứng....................134 6.1.4 Bài toán 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của công trình trên mặt đất xuống công trình ngầm............................................................................................138 Chương 7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................143 7.1 Kết luận..................................................................................................143 7.2 Kiến nghị................................................................................................144 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại hầm ở Việt Nam theo tiêu chí kiểu/loại hầm ............................. 5 Bảng 2.1 Đặc tính địa chất công trình của lớp A ................................................... 18 Bảng 2.2 Đặc tính địa chất công trình của lớp B ................................................... 19 Bảng 2.3 Đặc tính địa chất công trình của lớp C ................................................... 20 Bảng 2.4 Đặc tính địa chất công trình của lớp D ................................................... 22 Bảng 2.5 Đặc tính địa chất công trình của lớp E.................................................... 23 Bảng 3.1 Phân loại đất đá theo M.M.PROTODIAKONOV .................................. 31 Bảng 3.2 Bảng tra hệ số ứng suất tập trung .......................................................... 40 Bảng 3.3 Bảng phân loại tải trọng tác dụng lên hầm.............................................. 51 Bảng 5.1 Một số đường hầm xây dựng trên thế giới bằng phương pháp khiên đào 85 Bảng 5.2 Bảng phân loại khiên áp dụng trong các địa tầng thích ứng .................... 91 Bảng 6.1 Bảng quan hệ hệ số kiên cố – bề dày vòm .............................................123 Bảng 6.2 Thông số đất nền...................................................................................124 Bảng 6.3 Thông số vật liệu vỏ hầm ......................................................................125 Bảng 6.4 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị và nội lực hầm theo chiều sâu chôn hầm ............................................................................................................................127 Bảng 6.5 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị và nội lực hầm trên hầm 1 theo khoảng cách xây dựng hầm 2 ...........................................................................................131 Bảng 6.6 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị và nội lực hầm trên hầm 1 theo khoảng cách xây dựng hầm 2 ...........................................................................................135 Bảng 6.7 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị theo khoảng cách B..........................140 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hầm khai thác mỏ Excelsior (Anh)........................................................... 6 Hình 1.2 Metro Columbia Heights (Mỹ) ................................................................. 6 Hình 1.3 Đường hầm The Second Heinenoord ........................................................ 7 Hình 1.4 Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân (Việt Nam)............................................ 7 Hình 1.5 Hầm chui Tân Tạo cắt ngang QL1A (Việt Nam) ...................................... 8 Hình 1.6 Hầm treo nổi trong nước........................................................................... 8 Hình 2.1 Bình đồ tuyến metro Bến Thành – Suối Tiên...........................................16 Hình 2.2 Bình đồ tuyến Đại lộ Đông - Tây.............................................................17 Hình 2.3 Bản đồ địa chất khu vực Tp.HCM ...........................................................24 Hình 3.1 Vòng tròn Mohr.......................................................................................28 Hình 3.2 Biến dạng của đất đá theo thời gian. ........................................................29 Hình 3.3 Sự phân bố ứng suất đất đá xung quanh hầm ...........................................37 Hình 3.4 Áp lực thẳng đứng trường hợp đào thẳng đứng........................................43 Hình 3.5 Áp lực thẳng đứng trường hợp đào thành nghiêng ...................................44 Hình 3.6 Vòm cân bằng áp lực...............................................................................46 Hình 3.7 Sơ đồ xác định kích thước vòm cân bằng.................................................46 Hình 3.8 Sơ đồ xác định áp lực thẳng đứng và áp lực ngang ..................................48 Hình 3.9 Sơ đồ xác định áp lực đẩy trồi .................................................................50 Hình 3.10 Sự phân bố áp lực đáy ...........................................................................50 Hình 4.1 Sơ đồ tính toán kết cấu ngầm dạng vòm hình yên ngựa ...........................54 Hình 4.2 Phần tử thanh 2 nút..................................................................................60 Hình 4.3 Phần tử thanh 3 nút..................................................................................60 Hình 4.4 Phần tử dầm 2 nút....................................................................................60 Hình 4.5 Phần tử dầm 3 nút....................................................................................60 Hình 4.6 Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 1............................................63 Hình 4.7 Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 2............................................63 Hình 4.8 Phần tử tam giác biến dạng khối loại 1 ....................................................63 Hình 4.9 Phần tử tam giác biến dạng khối loại 2 ....................................................63 Hình 4.10 Phần tử tứ giác biến dạng tuyến tính......................................................64 Hình 4.11 Phần tử tứ giác biến dạng khối...............................................................64 Hình 4.12 Phần tử khối biến dạng tuyến tính loại 1................................................64 Hình 4.13 Phần tử khối biến dạng tuyến tính loại 2................................................64 Hình 4.14 Mô hình phần tử tiếp xúc phẳng của Goodman......................................65 Hình 4.15 Mô hình phần tử tiếp xúc không gian của Goodman ..............................66 Hình 4.16 Quan hệ ƯS-BD của mô hình đàn dẻo lý tưởng.....................................69 Hình 4.17 Tính toán hầm theo phương pháp thay thế bằng hệ thanh ......................74 Hình 4.18 Sơ đồ tính toán kết cấu ngầm dạng vòm hình yên ngựa .........................76 Hình 4.19 Sơ đồ chịu lực và hệ cơ bản để tính hầm dạng hình tròn ........................77 Hình 5.1 Khiên bản quyền của Brunel (1860) ........................................................80 Hình 5.2 Phương pháp khiên đào áp dụng cho hầm qua sông Thames (Anh) .........81 Hình 5.3 Kết cấu khiên dùng vữa của Greathead....................................................82 Hình 5.4 Kết cấu khiên vữa Haag (1896) ...............................................................83 Hình 5.5 Khiên cân bằng áp lực đất của công ty Sato Kogyo Nhật Bản..................83 Hình 5.6 Sơ đồ cấu tạo cơ bản của khiên................................................................86 Hình 5.7 Vành miệng cắt .......................................................................................87 Hình 5.8 Thiết bị bịt kín sau đuôi khiên .................................................................88 Hình 5.9 Thiết bị bịt kín 3 cấp sau đuôi khiên ........................................................88 Hình 5.10 Máy lắp ráp hình vành tròn....................................................................89 Hình 5.11 Máy hình tròn xoay ...............................................................................89 Hình 5.12 Phương pháp thi công hầm bằng khiên đào............................................93 Hình 5.13 Một giếng đứng để thi công hầm bằng khiên ở Barcelona......................94 Hình 5.14 Hình 5.9. Công nghệ thi công đường hầm trong nền đất yếu..................94 Hình 5.15 Sơ đồ hệ thống thi công bằng khiên cân bằng áp lực đất ........................95 Hình 5.16 Sơ đồ cấu tạo của khiên cân bằng áp lực đất ..........................................95 Hình 5.17 Sơ đồ cấu tạo của khiên cân bằng áp lực đất (3D)..................................95 Hình 5.18 Sơ đồ cấu tạo của khiên dung dịch vữa ..................................................97 Hình 5.19 Sơ đồ hệ thống thi công bằng khiên dung dịch vữa................................99 Hình 5.20 Khiên MF............................................................................................101 Hình 5.21 Đường hầm Kyobashi..........................................................................101 Hình 5.22 Nhà ga Osaka Business Park ...............................................................102 Hình 5.23 Sơ đồ nguyên lý khiên nhiều trục lệch tâm ..........................................102 Hình 5.24 Khiên DPLEX hình chữ nhật 3.98x4.38m ...........................................103 Hình 5.25 Khiên DPLEX hình ovan, D=3.48m ....................................................103 Hình 5.26 Cấu tạo chung khiên mặt cắt tự do.......................................................104 Hình 5.27 Các hình dạng mặt cắt ngang hầm thi công bằng khiên mặt cắt tự do ..104 Hình 5.28 Khiên mặt cắt tự do .............................................................................105 Hình 5.29 Mặt cắt ngang đường hầm được thi công bằng khiên trên ....................105 Hình 5.30 Cấu tạo chung khiên hình cầu..............................................................106 Hình 5.31 Sơ đồ làm việc của khiên hình cầu đào liên tục kiểu dọc – ngang ........107 Hình 5.32 Khiên hình cầu đào cự ly dài có đường kính 9.45m .............................108 Hình 5.33 Sơ họa khiên MSD ..............................................................................109 Hình 5.34 Khiên MSD có đường kính 4.1m, tổng chiều dài 1515m (707m + 808m), loại khiên dung dịch bùn. .....................................................................................110 Hình 5.35 Khiên MMST ......................................................................................111 Hình 5.36 Khiên bọt khí.......................................................................................112 Hình 5.37 Cấu tạo khiên bọt khí...........................................................................113 Hình 5.38 Sơ đồ cấu tạo khiên CPS .....................................................................114 Hình 5.39 Khiên DOT..........................................................................................115 Hình 5.40 Sơ đồ nguyên lý khiên H&V ...............................................................116 Hình 5.41 Khiên H&V .........................................................................................117 Hình 5.42 Sơ đồ nguyên lý thi công mở rộng cục bộ............................................118 Hình 5.43 Thi công đường hầm theo phương pháp khiên không bị ảnh hưởng bởi điều kiện tự nhiên ................................................................................................119 Hình 5.44 Hầm theo phương pháp khiên có thể bảo vệ tự nhiên trên mặt đất .......119 Hình 6.1 Mặt cắt ngang điển hình vỏ hầm............................................................124 Hình 6.2 Sơ đồ khối tính toán kết cấu vỏ hầm......................................................126 Hình 6.3 Mô hình bài toán hầm đơn trong Plaxis ................................................126 Hình 6.4 Biểu đồ quan hệ độ sâu chôn hầm H – lực dọc Nmax ............................127 Hình 6.5 Biểu đồ quan hệ độ sâu chôn hầm H – moment Mmax ..........................128 Hình 6.6 Biểu đồ quan hệ độ sâu chôn hầm H – chuyển vị...................................128 Hình 6.7 Mô hình bài toán hầm đôi theo phương ngang trong Plaxis ...................130 Hình 6.8 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – Chuyển vị.................132 Hình 6.9 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – moment Mmax .........132 Hình 6.10 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – chuyển vị................132 Hình 6.11 Mô hình bài toán hầm đôi theo phương đứng trong Plaxis ...................134 Hình 6.12 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm đứng h – Chuyển vị .................136 Hình 6.13 Biểu đồ quan hệ cách tim hầm đứng h – moment Mmax......................136 Hình 6.14 Biểu đồ quan hệ cách tim hầm đứng h – chuyển vị ..............................136 Hình 6.15 Các điểm chảy dẻo trong nền tương ứng h=12m & h=15m..................138 Hình 6.16 Mô hình bài toán trong Plaxis với B=10m ...........................................139 Hình 6.17 Biến dạng sau cùng của hầm, đất nền và nhà với B=10m.....................140 Hình 6.18 Biểu đồ chuyển vị tại các vị trí ứng với khoảng cách B .......................141 -1- GIỚI THIỆU CHUNG I. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN 1. NHIỆM VỤ : Từ đầu thế kỷ 19 đến nay, song song với việc đô thị hóa, khối lượng xây dựng nhà ở và công trình công cộng ngày càng tăng, sự liên tục phát triển mạng lưới giao thông đường bộ, sự hình thành các công trình và cụm công trình công nghiệp mới, các xí nghiệp… đang yêu cầu đô thị dành riêng cho những khu đất lớn. Những khu đất đó, đặc biệt tại những khu trung tâm nhằm đô thị, ngày càng khan hiếm. Việc phát triển và sử dụng các không gian trên cao và không gian ngầm nhằm tăng quỹ không gian đô thị, nâng cao năng lực lưu thông và vận chuyển hàng hóa, hành khách… là một tất yếu khách quan. Việc xây dựng công trình ngầm phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa chất và địa hình của khu vực xây dựng nên việc áp dụng các biện pháp thi công cũng như tính toán mang tính khu vực. Để có phương pháp tính toán và biện pháp thi công phù hợp nhất với khu vực xây dựng thì cần phải có các nghiên cứu cụ thể. Do đó việc nghiên cứu cách tính toán và biện pháp thi công phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất là một việc làm cần thiết. Theo số liệu thống kê năm 2005 [10], thành phố Hồ Chí Minh với diện tích 2095 km2 và dân số là 6.239.938 người hiện là thành phố lớn nhất cả nước. Mật độ dân số của thành phố hiện nay là 2.920 người/km2. Trung bình từ năm 1999 đến 2004, tốc độ tăng dân số bình quân tại thành phố là 3,6%, cao hơn gần gấp 2 lần so với tỉ lệ tăng dân số tự nhiên của cả nước. Thông thường thành phố từ 1 triệu dân trở lên là đã yêu cầu cần có giao thông ngầm. Với quy mô thành phố như hiện nay, việc xây dựng hệ thống giao thông ngầm là thực sự cần thiết và cấp bách. Địa chất tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh là địa chất yếu có chiều dày khá lớn, ngoài ra còn có đặc điểm địa hình, nền móng công trình đặc thù. Do đó việc nghiên cứu để có phương pháp tính toán và biện pháp thi công phù hợp là việc làm hết sức cần thiết. Nghiên cứu sẽ góp phần làm chính xác hóa các tính toán phù hợp với điều kiện thực -2- tế và giảm thiểu chi phí xây dựng công trình, giảm thiểu nguy cơ xảy ra sự cố trong quá trình thi công và khai thác là một yếu tố rất quan trọng trong việc xây dựng công trình ngầm. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Do đó việc “Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua đô thị phù hợp với điều kiện khu vực Tp.HCM” cũng chính là nội dung của luận văn tốt nghiệp thạc sỹ này. 2. NỘI DUNG LUẬN VĂN : Chương 1. Tổng quan về công trình ngầm, các biện pháp thi công công trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam Chương 2. Đặc điểm địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Chương 3. Sự làm việc của hầm trong môi trường đất. Chương 4. Các phương pháp tính toán công trình hầm. Chương 5. Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với điều kiện của khu vực nghiên cứu Chương 6. Một số vấn đề cần giải quyết khi xây dựng công trình hầm trong điều kiện đô thị thành phố Hồ Chí Minh Chương 7. Kết luận và kiến nghị -3- Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM, CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM Hầm là công trình được xây dựng trong lòng đất hoặc dưới lòng sông, biển. Hiện nay việc sử dụng công trình hầm rất phổ biến trên thế giới trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế, tuỳ theo mục đích sử dụng, phạm vi và phương pháp xây dựng ta có những loại hầm thích hợp. Thời thượng cổ con người đã biết đào các hầm ngầm đặc biệt để khai thác quặng mỏ và than đá. Người La Mã đã xây dựng các đường hầm ngầm thủy lợi đến nay vẫn còn tốt. Gắn liền với sự phát triển, của thiết bị và phương tiện sản xuất, con đường hầm hiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas qua kênh đào Midi dài 173m được xây dựng ở Pháp vào năm 1679 – 1681. Đường hầm càng phát triển khi vận chuyển đường sắt càng phát triển để vượt qua các chướng ngại vật như núi, đèo... Vào thế kỉ XX ở các thủ đô lớn trên thế giới đã xây dựng mạng lưới tàu điện ngầm đô thị hiện đại, đặc biệt là ở Maxcơva. Một số đường hầm tiêu biểu trên thế giới qua các thời kỳ như sau: • Năm 1826–1830 xây dựng đường hầm đường sắt dài 119m ở Anh. • Năm 1935 xây dựng đường tàu điện ngầm ở Matxocova. • Năm 1857–1871 xây dựng đường hầm Monxenis dài 12.8km nối Pháp và Ý • Năm 1872 – 1882 đường hầm Xen–Gotan dài 14482m nối Ý với Thụy Sỹ. • Đường hầm ôtô dài nhất là Xen-gatarskui l = 16320 xây dựng xong 1980. • Năm 1982 ở Nhật xây dựng xong đường hầm Dai –Shimizu dài 22 km. • Năm 1988, sau 20 năm, xây dựng đã hoàn thành con đường hầm đường sắt Sei-kan dưới biển nối liền hai hòn đảo ở Nhật dài 53,85 km trong đó 23,3 km nằm cách dưới đáy biển 100m, đây là con đường hầm dài nhất thế giới hiện nay. -4- • Đến tháng 1-1988 chiều dài đường hầm Matxcơva là 224 km với 135 ga (bến). Năm 2005, hệ thống xe điện ngầm của Nga kỷ niệm 70 năm thành lập với 276km đường hầm và 170 nhà ga. Hệ thống này phục vụ đến 9 triệu lượt người/ngày. • Năm 1991 nước Anh và nước Pháp xây dựng đường hầm xuyên qua eo biển Manche nối liền nước Anh và nước Pháp mang tên Euro Tunnel dài 50km (trong đó có 37,5km nằm sâu cách mặt nước biển khoảng 100m) hoàn thành năm 1994. Công trình được đánh giá là kỳ quan kỹ thuật ngầm giữa Anh và Pháp. • Năm 1995 trung Quốc đã xây dựng hầm đường bộ Tần Lĩnh dài 19,45km đã tạo một bước đột phá mới về kĩ thuật xây dựng đường hầm. Tại Việt nam, trước Cách mạng Tháng Tám 1945, năm 1930 có xây dựng hầm giao thông thủy Rú Cóc (ở xã Nam Sơn huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An), hầm ngầm xuyên qua núi giúp cho thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu sang hạ lưu sông Lam để tránh đi qua đập nước Đô Lương. Ngành đường sắt có một số hầm ngầm ở miền Trung, điển hình là hầm Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc Thừa Thiên Huế. Trong chiến tranh chống Pháp, chống Mỹ hầm được xây dựng nhiều song chủ yếu là hầm ngắn, nhằm phục vụ quốc phòng làm kho tàng, công sự… Sau ngày thống nhất đất nước 1975, đầu tiên xây dựng hầm Dốc Xây trên QL1A ở phía Nam tỉnh Ninh Bình dài khoảng 100m. Tháng 5/2002 Việt Nam đã khánh thành hầm Aroàng I trên đường Hồ Chí Minh dài 453m và tiếp tục xây dựng hầm Aroàng II. Hầm đường bộ đèo Hải Vân khẩu độ 12,85m cao 11m dài hơn 6,7km khánh thành vào ngày 02/06/2005 là một trong những dự án giao thông quan trọng áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến của nước ta trong công cuộc xây dựng đất nước. Khi hầm xây dựng xong đã rút ngắn thời gian qua đèo từ 1 giờ xuống còn 15 phút.