tính toán lún bề mặt gây ra bởi thi công công trình ngầm theo công nghệ kích đẩy

TÍNH TOÁN LÚN B MT GÂY RA BI THI CÔNG
CÔNG TRÌNH NGM THEO CÔNG NGH KÍCH Y

KS. BÙI THANH MAI
TS. NGÔ NG QU
ANG
TS. NGUYN X
UÂN HUY
B môn Kt cu xây dng
Vin Khoa hc và C
ông ngh xây dng giao thông
Trng
i hc Giao thông Vn ti

Tóm tt: Bài báo gii thiu mt s nguyên nhân và phng pháp xác đnh lún b mt
trong quá trình thi công và khai thác công trình ngm (CTN) đc thi công theo công ngh
kích đy. Mt s kt qu tính toán cho mt CTN c th đang đc thi công ti thành ph
H Chí Minh cng s đc gii thiu.
Summary: The a
rticle introduces some causes and methods of estimating the face
stability and the surface settlement induced during building and operating underground works
using pipe-jacking technology. Some results of a cacultion for an underground works
presently carried out in Ho Chi Minh city are also presented.

I. M U
Các công trình ng
m (CTN) trong đô th ngày càng tr nên ph bin và đóng vai trò quan
trng trong cuc sng hin đi. Có nhiu bin pháp k thut khác nhau đc s dng đ xây
dng nhng công trình này. Hai k thut chính đc s dng đ xây dng các CTN đô th là k
thut đào h và k thut đào kín. Mi công ngh đu có nhng u đim và nhc đim riêng,
phù hp vi các loi công trình ngm khác nhau. K thut đào kín t ra đc bit có hiu qu khi

thi công các CTN trong đô th đt sâu. i vi các CTN dng trng lc, k thut kích đy ng
(thuc nhóm k thut đào kín) là mt la chn thích hp [3].
Mt v
n đ chung đc đt ra đi vi vic xây dng các CTN là s nh hng ca nó đi
vi môi trng xung quanh trong và sau quá trình thi công. Vic xác đnh lún b mt là vn đ
rt quan trng cn đc quan tâm khi xây dng CTN, đc bit là các CTN đc xây dng trong
đô th do có rt nhiu các công trình kin trúc, nhà ca, kt cu h tng k thut v.v… nm lân
cn khu vc CTN. Lún b mt, tu thuc vào mc đ, phm vi nh hng, hng và tc đ phát
trin, có th gây tác đng xáo trn trng thái ca các công trình này, làm thay đi chc nng s
dng và nguy him hn, có th phá hu kt cu gây mt n đnh công trình [1].
II. GII T
HIU CÔNG NGH KÍCH Y
Theo đnh n
gha ca Hip hi k s xây dng Hoa K (American Society of Civil
Engineers-ASCE) [9] có th hiu công ngh kích đy ng (pipe jacking) nh sau: công ngh

www.cauduongonline.com.vn
kích đy là mt h thng gm nhiu đt ng đc lp đt trc tip  phía sau mt khiên đào,
đc đy đi bng h kích thu lc, t mt ging kích đy (drive shaft/pit) đn mt ging nhn
(receiving shaft/pit) đ to thành mt công trình ngm liên tc trong lòng đt.
Nhng đc đim chung nht ca công ngh kích đy ng là : (1) đc điu khin t xa; (2)
có dn hng; (3) đc kích đy theo hng tuyn đã đnh và (4) đt nn đc chng đ liên
tc.

Hình 1. Mô t s đ công ngh kích đy
III. LÚN B MT VÀ PHNG PHÁP XÁC NH LÚN B MT
Do lc kích đy ng tác dng tron
g quá trình kích đy có phng nm ngang nên vic xác
đnh lún theo phng thng đng ca công trình ngm đc thi công theo công ngh kích đy
ch ch yu ph thuc vào loi thit b đc s dng trong quá trình đào hm.

1. Các nguyên nhân gây lún b
mt khi thi công CTN bng phng pháp kích đy

Hình 2. Hình dng phu lún trên b mt do thi công CTN
Thit b ch yu đc s dng đ đào hm trong quá trình thi công kích đy là khiên đào
hoc máy đào t hp TBM (Tunnel boring machine). Do đó, lún b mt có th phân ra làm 4
nhóm sau (hình 3):

www.cauduongonline.com.vn

Hình 3.  lún dc theo máy khiên đào
- Lún  phía trc và phía trên gng đào (đon a): Gây ra bi s dch chuyn ca đt 
phía trc và trên khu vc khiên đào v phía khong trng va to ra;
- Lún dc theo tr
c khiên đào (đon b): Do 2 nguyên nhân ch yu là do khong h gia
khi đt và thành máy khiên đào và ma sát gia khiên đào vi khi đt;
- Lún t
i đuôi khiên đào (đon c): Do mt khong h phát trin gia đuôi khiên đào vi
khi đt bao quanh;
- Lún liên quan đn bi
n dng ca lp v hm (đon d): Các phân đt bê tông đúc sn đc
lp đt phía trong lp v khiên  phía đuôi có th b bin dng khi chu lc đy ca kích và áp
lc đt, gây lún b mt.
2. Các phng pháp tính
lún
Có hai phng pháp tín
h lún b mt đt đang đc s dng ph bin là (1) phng pháp
kinh nghim và bán kinh nghim/gii tích da trên các công thc kinh nghim đc rút ra t kt
qu quan trc ti các công trình c và đã đc chng minh là tng đi phù hp qua các ng
dng thc t và (2) phng pháp s (ch yu s dng phng pháp phn t hu hn) là phng

pháp khá ph bin hin nay, hoc kt hp c hai phng pháp trên.
2.1. Phng
pháp gii thích (phng pháp kinh nghim và bán kinh nghim) [1,2]
Có r
t nhiu nghiên cu đã đc tin hành đ xây dng phng trình xác đnh lún b mt
nh các nghiên cu ca Peck và Schmidt, Cording và Hansmire, Atkinson và Potts, Attewell và
Woodman, O’Reilly và New, v.v…
Có th tng kt v tính lún thng đng theo phng pháp gii tích nh sau:
a. Lún thng đng theo phng vuông góc vi CTN
Các tác gi đu đ xut gi thit máng lún có dng đng cong phân phi chun (hình 4).
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
2
2
max
i2
y
expSS (1)

www.cauduongonline.com.vn
Trong đó:
Hình 4. Hình dng máng lún

S:  lún b mt theo tính toán lý thuyt,
thng đc gi đnh có dng hàm sai s Gauss hay
đng cong phân phi chun.
S
max
:  lún b mt ln nht,  phía trên trc
hm, thng đc xác đnh thông qua th tích phu
lún. Giá tr này ph thuc rt nhiu vào điu kin đa
c hc ca khi đt nh đ bn, đ cng, tính thm,
cao đ nc ngm, v.v…, các thông s hình hc ca
CTN nh đng kính CTN, đ sâu đt CTN, phng
pháp thi công, trình đ k thut thi công.
exp: Hàm s m e
x
, trong đó, e đc ly gn bng 2,178 và là c s ca hàm s logarit t
nhiên.
y: Khong cá
ch ngang t tim CTN đn đim cn tính lún.
i:  lch tiêu chun ca đng cong tính lún, là khong cách t đim un ca máng lún
đn tim CTN, còn đc gi là thông s b rng máng lún. Có nhiu công thc đ xác đnh giá
tr i trong đó ch yu là các công thc thu đc t kt qu quan trc hin trng. Theo đó, giá
tr i ph thuc vào kích thc (đng kính) CTN, điu kin đa cht và đc bit là đ sâu đt
CTN (H).
b. Lún dc trc CTN
Hin nay, n
hng nghiên cu xung quanh vic xác đnh đng cong lún theo phng dc
trc CTN còn rt hn ch. Theo Attewell và Woodman [5], đ lún ti v trí mt gng đào có
th ly gn bng 1/2 đ ln cui cùng (hình 5).
 lún ti mt
đim dc trc CTN có th đc tính theo công thc:

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
ν=ν
i
x
FS)x(S
max,0y
(2)
Trong đó:
∫
∞−
−
π
=φ
x
i2
x
x
2
x
2
e
2i
1

)x( (3)
x: Khong cá
ch t đim tính lún đn v trí mt gng.
i
x
: Thông s b rng máng lún theo phng dc CTN, mt cách gn đúng, có th ly i
x = i

vi i đã tính toán  trên.

www.cauduongonline.com.vn

Hình 5. Hình dng máng lún
2.2. Phng pháp s
Vi s phát trin mnh m ca công c máy tính, phng pháp s ngày càng chim u th
trong nhng nm gn đây. Rõ ràng vic ng dng phng pháp s trong vic gii quyt vn đ
lún mt đt gây ra bi quá trình đào hm là thích hp nht. Phng pháp s không ch đc s
dng đ d đoán lún b mt mà còn mô t toàn b quá trình thit k hm, bao gm vic mô
phng các giai đon đào hm và đt các đt hm, s tng tác gia các đt hm đã đt vi đt
đá xung quanh, nh hng ca các công trình đt gn đó, nh hng ca hin tng thm và
hin tng c kt, v.v…
Mô hình phng pháp s tiêu biu đc s dng trong phân tích đa k thut thng bao

gm các h thng nút, phn t và điu kin biên. Trong đó, các phn t đc s dng đ mô
hình hoá đc trng hình hc và c hc ca khi đt đá cng nh kt cu. Các nút có vai trò xác
đnh v trí và liên kt các phn t còn điu kin biên s mô t li đc đim liên kt ca mô hình
vi không gian còn li xung quanh.
Phng pháp
phn t hu hn là phng pháp s ph thông nht trong vic c tính lún b
mt do thi công hm. Khi mô hình hoá và d báo phát trin lún b mt bng mt phn mm đa

k thut chuyên dng, cn có các s liu đu vào nh: kích thc hình hc; tính cht vt liu
ca h thng chng đ, phng pháp thi công, điu kin đa cht,… Các kt qu đu ra, ngoài
bin dng lún mt đt, còn bao gm c ni lc trong v hm (lc dc và mô men un dùng đ
thit k ct thép trong v hm), và các s đ phân b ng sut.
Mc đích ph
ân tích s quyt đnh vic la chn phn t, kích thc và mc đ phc tp
ca mô hình. Các phn t hu hn nên đc la chn sao cho có th mô hình hoá mt cách gn
đúng nht s làm vic thc t ca đt đá mà không quá phc tp, vt quá kh nng ca các
công c tính toán thông thng.
Hin nay
, trên th gii đang có rt nhiu phn mm tính toán, phân tích đa k thut khác
nhau nh GTS, Plaxis, v.v. Mi phn mm đu có nhng đim mnh, đim yu khác nhau và,
do đó, đc áp dng thích hp cho nhng lnh vc khác nhau.
- Plaxis 3D Tunnel: là mt phn mm
trong h các phn mm PLAXIS ca hãng PLAXIS
(Hà Lan). ây là phn mm đa k thut đc phát trin cho mc đích tính toán bin dng và n
đnh  dng 3D các kt cu hm.

www.cauduongonline.com.vn
- midasGTS: midasGTS – Geotechnical & Tunnel Analysis System là mt h thng phn
mm tính toán đa k thut và hm đc hai hãng phn mm hàng đu th gii là MIDAS IT
(Hàn Quc) và ADINA (Hà Lan) hp tác phát trin. Theo công b ca nhà sn xut, GTS có
kh nng tính toán, phân tích hu ht các bài toán ph bin trong lnh vc đa k thut da trên
phng pháp phn t hu hn vi các mô hình 2D và 3D.
IV. VÍ D ÁP DNG
Ví d sau trình bày kt qu áp dng phng pháp t
1. Các s liu ca ví d
Trong phn này, mt d án lp đt h thng cp nc ngm trong ni thành thành ph H
Chí Minh bng phng pháp kích đy đc s dng làm ví d tính toán. D án này đc thc
hin trong hai nm 2005 – 2006 do S tài nguyên và môi trng thành ph H Chí Minh phi

hp cùng công ty NISHIMATSU.
Trong ví d này
, ch trích ra mt phn ca h thng đ nghiên cu lún b mt. Các thông s
đa cht, đc trng hình hc ca công trình cng nh đc đim ca h thng kích đy đc tóm
tt di đây.
a. c đim đt đá
t trong khu vc thi công là đt cát vi các thuc tính c bn sau:
- Trng ln
g riêng g = 2,02T/m
3
- Góc ma sát trong j = 28
0
- Cng đ lc dính c = 0
- Mc nc ngm -
2m
b. iu kin thi công
Chiu sâu đt ng thc t H = 11,22m ÷ 9,69m. Trong ví d này, chiu sâu đt ng đc
ly là H = 11m.
ng kính
ngoài ca khiên đào D = 2,6m
c. c đim ca h thng kích đy
- ng kính trong ca ng D = 2,2m
- B dày
ng t = 0,2m
- ng kính
ngoài ca ng D = 2,6m
2. Tính toán lún b mt theo công thc thc nghim và bán thc nghim
Trong phn này, công thc kinh nghim ca O'Reilly và New [1, 2] s đc s dng đ
c tính lún. Giá tr lún b mt ln nht theo phng thng đng (xét trên mt ct ngang ng ti

www.cauduongonline.com.vn
v trí trng tâm ca ng) là S
max
= 3,8mm
3. Tính toán theo phng pháp s
a. Xây dng li phn t hu hn
Hình 5 và 6 mô t li phn t hu hn, bao gm phn t v hm, phn t đt đá xung
quanh hm, phn t đt đá trong hm trc khi đào và phn t mô t ging kích đy và ging
nhn. Các phn t này có dng tam giác hoc t giác. Ti v trí gn ging kích đy, ging nhn
cng nh v trí đt hm, có s tp trung ng sut, các phn t hu hn đc chia nh hn so vi
các phn t đt đá  xa.
Do các bc
thi công kích đy là ging nhau nên sau khi mô hình hoá đc mt đt hm,
s s dng lnh “extrude” đ to các đt hm còn li.

Hình 6. Li phn t trên mô hình 3D

Hình 7. Li phn t trên mt ct ngang
b. Phân tích k
t qu


-4.486E-4
4.131E-4
4.131E-4
-4.486E-4

Hình 8. Biu đ chuyn v theo phng
thng đng (lún) ti đt 1

Hình 9. Phóng đi đ quan sát
hình dng máng lún

Mt s kt qu đc trng khi phân tích quá trình xây dng công trình ngm bng phng
pháp kích đy theo phng pháp s: phu lún có hình dng ca đng cong phân phi chun
ging nh gi thit đã đc s dng trong phng pháp gii tích, giá tr chuyn v ln nht xác

www.cauduongonline.com.vn
đnh đc là S
max
= 1,93. Hình 8 mô t giá tr chuyn v ti v trí ng đt 1 trc khi lp đt ng.
hình 9 là hình phóng đi đ quan sát hình dng máng lún.
Các hình 10 mô t chuyn v trên m
ô hình không gian ca công trình ngm sau khi đc thi
công xong. Hình 11 mô t chuyn v thng đng nhình theo phng dc hm sau khi công trình
ngm đc thi công xong.

Hình 10. Biu đ chuyn v
trên mô hình không gian


4.722E-4
-8.067E-4-1.943E-3
2.824E-4

Hình 11. Biu đ chuyn v thng đng
(nhìn theo phng dc hm)

V. SO SÁNH VÀ KT LU

N
Các kt qu ban đu trong tính lún bng mô hình trên phn mm GTS tng đi phù hp
vi kt qu thu đc t các công thc thc nghim c v hình dng máng lún và giá tr lún ln
nht (theo công thc thc nghim, đ lún ln nht tính đc ti v trí tim ng, xét trên mt ct
ngang là
S
max
= 3,8mm còn theo kt qu tính toán bng phn mm GTS, đ lún ln nht sau khi
kt thúc quá trình thi công là
S
max
= 1,93mm).
Khi tính toán lún b mt nên s dng kt hp c phng pháp gii tích và phng pháp s.
Tuy nhiên, nhng phng pháp trên đây mi là nhng kt qu ban đu. Cn phi có các s liu
đo đc ti hin trng đ có th đánh giá đc mc đ chính xác ca các phng pháp tính đã
đc s dng trên đây.
Tài liu tham kho
[1]. Eric Leca
, Animatuer, Barry New. General Reporter, Settlement induced by tunnelling in soft ground,
ITA/AITES Report 2006.
[2]. Tak
ahiro Aoyagi (1995). Representing Settlement for Soft Ground Tunneling, Master thesis.
Massachusetts Institute of Technology.
[3]. Thom
son James (1995). Pipe Jacking and Microtunnelling, Blackie Academic & Professional,
London.
[4]. W. B
roere (2001). Tunnel Face Stability & New CPT Applications, Hà Lan.
[5]. John
Pickhaver. Numerical Modelling of building response to tunnelling, Thesis at University of

Oxford.
[6]. GTS Analysis Reference.
[7]. Jea
n-Francois Serratrice & Jean Pierre Magnan. Surface settlement analysis and prediction during
construction of the Toulon Underground Crossing’s nothern tunnel, Pháp.
[8]. F.X. B
orghi. Soil conditioning for pipe- jacking and tunnelling, University of Cambridge.
[9]. ASC
E (1999). Standard Construction Guidelines for Microtunnelling, American Society of Civil
Engineers, Public Ballot, Rev. 8, July♦


www.cauduongonline.com.vn