NGUYÊN NHÂN GÂY LÚN & CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN KHI THI CÔNG HẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP TBM

TP.HCM 04/2014
Chuyên đề :
NGUYÊN NHÂN GÂY LÚN & CÁC
PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN KHI
THI CÔNG HẦM BẰNG PHƯƠNG
PHÁP TBM
1
Trình bày: TRƯƠNG CHÍ HÙNG
Gồm 3 phần:
1. Tải trọng tác dụng và các nguyên nhân gây lún
1.1.Tải trọng tác dụng
1.2. Các nguyên nhân gây lún.
NỘI DUNG
2. Phân loại và đánh giá hư hại công trình theo biến dạng
3. Các phương pháp tính toán độ lún
2
1.1.Tải trọng tác dụng:

Kết cấu công trình giao thông ngầm chịu tác dụng của các tải trọng ngoài
khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: chiều sâu đặt hầm, kích thước
hầm, điều kiện địa chất công trình, đặc điểm xây dựng giao thông đô thị và
giao thông trên mặt đất, công nghệ thi công…

Tải trọng tác dụng lên đường hầm được chia làm hai loại: tải trọng thường
xuyên bao gồm trọng lượng bản thân công trình ngầm, trọng lượng các lớp
áo đường và các hạng mục kỹ thuật khác, áp lực đất và nước cũng như trọng
lượng nhà cửa kiến trúc bên trên và các công trình lân cận hố đào gây nên,
lượng ứng suất trước của cốt thép. Tải trọng tạm thời xuất hiện do các
phương tiện giao thông chuyển động trên đường ngầm gây nên. Tải trọng tạm
thời còn có một số loại chỉ xuất hiện trong giai đoạn thi công công trình, đặc
tính tạm thời còn do tác dụng của các yếu tố sau gây nên: sự biến thiên nhiệt

độ; hiện tượng trương nở của đất và các tác dụng đặc biệt (động đất, va
chạm…) hoặc do các sự cố gây nên.
1. Tải trọng tác dụng và các nguyên nhân gây lún:
3
1.1.Tải trọng tác dụng:
Theo tiêu chuẩn Nhật Bản (JSCE-1996) như sau:
1. Tải trọng tác dụng và các nguyên nhân gây lún:

Tảitrọngthườngxuyên
1.Tảitrọngthẳngđứngvànằmngang
2.Áplựcnước
3.Trọnglượngbảnthân
4.Hiệuứngtảitrọngchấtthêm
(surcharge)
5.Phảnlựccủađấtnền
Tảitrọngkhôngthường
xuyên
6.Cáctảitrọngnộitại
7.Tảitrọngthicông
8.Hiệuứngđộngđất
Tảitrọngđặcbiệt 9.Hiệuứngcủahaihoặcnhiềukhiênđào
10.Hiệuứnglàmviệcởcáckhuvựclân
cận
11.Hiệuứngbiếndạngđấtnền
12.Cáchiệuứngkhác.
4
1.1.Tải trọng tác dụng
1. Tải trọng tác dụng và các nguyên nhân gây lún:
Tất cả các loại tải trọng có thể tác dụng lên công trình đồng thời hoặc vào các
thời điểm khác nhau, do các tổ hợp tải trọng khác nhau: Để tính toán kết cấu

công trình ngầm cần tìm ra tổ hợp tải trọng bất lợi nhất (khi chúng tác dụng
lên kết cấu xuất hiện nội lực lớn nhất)
5
1.2.Các nguyên nhân gây lún
1. Tải trọng tác dụng và các nguyên nhân gây lún:

Hiện nay, mặc dù công nghệ thi công hầm bằng máy đào TBM đã được
cải tiến rất nhiều nhưng cũng không thể giải quyết được triệt để vấn đề lún
bề mặt đất nền. Việc lún sụt bề mặt dẫn đến thiệt hại về vật chất, tài sản
và đặc biệt thương vong về người.
6
Sập hầm tuyến tàu điện ngầm số 1 ở thành phố Hàng Châu,
thủ phủ tỉnh Chiết Giang (Trung Quốc) ngày 15/11/2008
1.2.Các nguyên nhân gây lún:
(1.2.1). Một số nguyên nhân gây lún đất nền trong quá trình thi công đào hầm
bằng khiên đào được Maidl (1996) tổng hợp như sau:

Việc hạ mực nước ngầm trong đất dẫn đến sự thay đổi thể tích và cấu trúc
đất.

Thay đổi áp lực đất tại bề mặt khiên, do sự đào dư của máy đào.

Hệ giằng chống không đảm bảo.

Sự thay đổi cấu trúc của đất do sự rung của máy đào làm cho đất xung
quanh bị nén lại, cùng với hệ giằng không phù hợp với độ nén chặt của đất.

Vỡ các túi khí trong đất là giảm tiết diện hầm do sự gia tăng của áp lực đất
lên hệ giằng chống.
1. Tải trọng tác dụng và các nguyên nhân gây lún:

7
1.2.Các nguyên nhân gây lún:
(1.2.2). Theo Grasso 2007, các nguyên nhân gây lún được chia thành 3
nguyên nhân chủ yếu sau:

Nguyên nhân ngắn hạn (lún tức thời) xuất hiện trong quá trình thi
công hầm. Bao gồm:
+ (1) sự không cân bằng áp lực ở gương đào dẫn đến sự trồi đất vào
phía trong hang đã được đào hoặc sự trồi đất về phía ngược lại, và vì vậy sẽ
làm xuất hiện biến dạng lún hoặc trồi của khối đất;
+ (2) ma sát giữa vỏ khiên đào và đất trong quá trình di chuyển
khiên đào dẫn đến sự phá huỷ đất xung quanh hang đào;
+(3) sự đào đất vượt quá, mà trong thực tế không thể tránh được,
đặc biệt khi đào hầm trên đoạn cong;
+ (4) sự tồn tại của khe hở thi công trong phần đuôi của khiên đào
dẫn đến sự trồi đất vào khe hở thi công và tiếp theo là biến dạng lún của đất.
1. Tải trọng tác dụng và các nguyên nhân gây lún:
8
1.2.Các nguyên nhân gây lún:
(1.2.2). Theo Grasso 2007, các nguyên nhân gây lún được chia thành 3
nguyên nhân chủ yếu sau:

Nguyên nhân ngắn hạn (lún tức thời) xuất hiện trong quá trình thi
công hầm. Bao gồm:
+ (5) sự điều chỉnh khiên đào “ngoi lên” mà thường xuyên phải điều
chỉnh để bù lại sự “chìm xuồng” của nó trong khi chuyển dịch, điều đó có thể
dẫn đến sự “đẩy ra” của đất phía trước khiên đào cùng với sự trồi của mặt
đất;
+ (6) sự “sai lệch” của khiên đào khi đào hầm dẫn đến làm rời rạc
khối đất ở gương đào và sập đổ đất vào trong hầm, vì vậy, dẫn đến biến dạng

lún của khối đất;
+ (7) vận tốc di chuyển khiên đào gây ảnh hưởng đến biến dạng của
đất (vận tốc càng lớn, biến dạng càng lớn). Điều đó liên quan đến mức độ phá
huỷ đất xung quanh hang đào, ngoài ra vận tốc không đều trong thời gian khi
đào hầm gây ra biến dạng lún lớn hơn;
1. Tải trọng tác dụng và các nguyên nhân gây lún:
9
1.2.Các nguyên nhân gây lún:
(1.2.2). Theo Grasso 2007, các nguyên nhân gây lún được chia thành 3
nguyên nhân chủ yếu sau:

Nguyên nhân dài hạn xảy ra do quá trình cố kết của đất bao gồm cố kết
nhất thời (thường xảy ra với đất có độ dính bám, hoặc đất bị nén trong quá
trình giảm áp lực nước lỗ rỗng) và cố kết thứ cấp (là một hình thức co ngót
của đất).

Nguyên nhân lún do sự biến dạng của vỏ chống đỡ hầm: Độ lún này ảnh
hưởng lớn khi đường kính hầm lớn và chiều sâu đặt hầm cạn so với mặt đất.
Tuy nhiên, vấn đề này có thể được kiểm soát trong thi công hầm bằng máy
TBM trong khu vực thành phố, nhờ vào việc dự đoán trước và tính toán các
tải trọng tác dụng lên vỏ hầm, từ đó thiết kế hệ thống các tấm lắp ghép hệ vỏ
hầm có thể chịu được cường độ tính toán trên.
1. Tải trọng tác dụng và các nguyên nhân gây lún:
10
1.2.Các nguyên nhân gây lún:
(1.2.3). Theo Nguyễn Đức Toản (2006) rút ra kết luận về mức độ ảnh hưởng
của các nguyên nhân trên đến tổng độ lún bề mặt dựa trên cơ sở thể tích đất
bị mất (Volumn loss V
L
):


Từ 10% đến 20% là do áp lực bề mặt

Từ 40% đến 50% là do các phần rỗng dọc theo thân máy đào.

Từ 40% đến 50% là do mức độ bịt kín của đuôi máy đào.
1. Tải trọng tác dụng và các nguyên nhân gây lún:
[Để quá trình di chuyển của máy đào được dể
dàng, người ta sẽ đào đất với đường kính lớn hơn đường
kính thân máy đào. Từ đó, dẫn đến thể tích đất bị mất do
sự đào vượt này, bao gồm có 2 nguyên nhân. Một là,
phần lưỡi cắt đất được chế tạo lớn hơn đường kính thân
máy đào để giúp máy đào không bị kẹt. Hai là, phần đào
dư do hệ thống buồng lái di chuyển trong các đoạn cong]
11
1.2.Các nguyên nhân gây lún:
1. Tải trọng tác dụng và các nguyên nhân gây lún:
12
2 2 3
(7.05 6.8 ).1 5.44
4
V m m
π
∆ = − =
1.2.Các nguyên nhân gây lún:
(1.2.3). Theo Nguyễn Đức Toản (2006) (Volumn loss V
L
):
Với giá trị tính theo % bằng công thức:


V
L
thuộc vào các tác nhân sau: Loại đất; Phương pháp đào hầm; Tốc độ
đào; Kích thước hầm; Kết cấu chống đỡ tạm thời.

Giá trị V
L
được dự đoán theo các phương pháp thi công hầm dựa trên các
kết quả phân tích và đo đạt lại của các tuyến hầm trong quá khứ:

Thi công bằng phương pháp New Austria Tunnelling Method –NATM cho
đất sét ở London có: V
L
= 0.5% - 1.5%

Thi công bằng máy khiên đào (TBM)
+ Không có mặt chống đỡ: cho đất sét cứng có V
L
= 1% - 2%
+ Khi có hệ chống đỡ (vữa bentonite (Slurry shield) hoặc bentonite
trộn với đất vừa đào được (Earth Pressure Balance – EPB), có:
Cho đất cát V
L
< 0.5%
Cho đất sét yếu V
L
= 1% - 2% ( bao gồm lún do cố kết).
1. Tải trọng tác dụng và các nguyên nhân gây lún:
13
2. Phân loại và đánh giá hư hại công trình theo biến dạng:

14

Thế giới:
Phân
loại
Mứcđộ
ảnh
hưởng
Miêutảmứcđộhưhại
Thôngsố
Lún
lệch
Smax
(mm)
1.Thẩm
mỹ
Không
đángkể
Cácvếtnứtkhôngđángkểxuất
hiệnbềmặt,khôngcầnphảisửa
chữa
<1/500 <10
2.Thẩm
mỹ
Nhẹ
Cácvếtnứtdễdàngnhậnthấy.
Khôngảnhhưởngđếnchịulực
côngtrình
1/500-
1/200

10-50
3.Chức
năng
Trungbình
Xuấthiệncácvếtnứtđángkể,ảnh
hưởngđếnkhảnăngchịulựccủa
tòanhà
1/200-
1/50
50-75
4.Chức
năng và
cấutrúc
Cao
Xuấthiệncácvếtnứtlớn,công
trìnhbịhưhại
>1/50 >75
Phân loại mức độ ảnh hưởng theo Rankin (1988)
2. Phân loại và đánh giá hư hại công trình theo biến dạng:
Cấphưhại Môtảsựhưhại Bềrộngkhenứt Lúnlệch Biếndạnggóc
Khôngđángkể Dấunứtnẻmỏng 0.1mm  
Rấtnhẹ
Nứtmảnh,dễxửlítrongkhitrangtríbìnhthường.
Trongnhàcóthểcôlậpnhữngchỗnứtgẫynhẹ.Những
nứtnẻởbênngoàicủa
côngtrìnhxâybằnggạchcóthểnhậnthấykhinhìnkĩ
1mm <3cm <1/3000
Nhẹ
Nhữngnétnẻcóthểdễdàngtrám.Yêucầuphảitrang
trílại.Trongtoànhàcómộtsốchỗnứtgẫy.Nhữngnứt

nẻcóthểkhálớn.Yêucầutrátvữalạiđểchốngthấm.
Cửavàcửasổcóthểbịkẹtnhẹ
5mm 3-4cm 1/300-1/240
Trungbình
Nhữngnứtnẻcóthểyêucầuđậpravàválại.Địnhkì
làmlớpvữatrátđểchegiấunhữngnứtnẻ.Trátlạibên
ngoàicủacôngtrìnhxây
bằnggạchvàcólẽmộtsốchỗnhỏcủacôngtrìnhxây
bằnggạchphảisửachữalại.Cửavàcửasổcóthểbịkẹt.
Hệthốngđườngốngcóthểbịđứtgẫy.Tínhchốngthấm
thườngbịsuyyếu
5-15mm
hoặcmột
sốkhenứt
>3mm
4-5cm 1/240-1/175
Nặng
Nóichungviệcsửachữagồmcảphávàxâylạimột
phầntường,đặcbiệtcảphầncửavàcửasổ.Khungcửa
vàcửasổbịuốn,sàntầngbịdốcrấtđángkể.Tườngbị
nghiênghoặcphìnhrarấtđángkể.Khảnăngchịulực
củadầmbịkém
15-
25mm,
phụthuộc
vàosố
lượngcủa
khenứt
5-8cm 1/175-1/120
RấtNặng

Yêucầuchínhvềsửachữabaogồmcảcụcbộhoặcxây
lạihoàntoàn.Dầmmấtkhảnăngchịulực;tường
nghiêngxấuvàyêucầu
chốngđỡ.Cửasổbịgẫydouốn.Tínhiệubáonguydo
mấtổnđịnh.
Thường>
25mm,
phụthuộc
vàosố
lượngcủa
khenứt
8-13cm 1/120-1/70
15

Thế giới:
Phân tích lún L2 .pdf
2. Phân loại và đánh giá hư hại công trình theo biến dạng:
16

Việt Nam: (1) TCXD 45 : 1978 "Tiêu chuẩn thiết kế nền, nhà và công
trình" quy định chuyển vị giới hạn của nền nhà và công trình như sau:
Côngtrình Độlúntương
đối
(rad)
Độlúnlớnnhất
(mm)
Nhàsảnxuấtvànhàdân
dựngnhiềutầngbằng
khunghoàntoàn
0.001÷0.004 80÷120

Nhàvàcôngtrìnhkhông
xuấthiệnnộilựcthêmdo
lúnkhôngđều
0.006 150
Nhànhiềutầngkhông
khung
0.001÷0.005 100÷400
2. Phân loại và đánh giá hư hại công trình theo biến dạng:
17
Việt Nam: (2) TCXD 205 : 1998 "Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế" quy định
về chuyển vị giới hạn của nền nhà cao tầng sử dụng móng cọc:
Côngtrình
Độ lún tương
đối
(rad)
Độlúnlớnnhất
(mm)
Nhàdândụngcaotầngcókếtcấu
khunghoàntoàn:
-Bằngbêtôngcốtthép
-Bằngthép


0.002
0.004


80
120
Nhà và công trình mà trong kết

cấu không xuất hiện nội lực do lún
khôngđều

0.006

150
Nhà nhiều tầng không khung với
kếtcấutườngchịulực
0.0016÷0.024 100÷150
Tuy nhiên, các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam qui định độ lún cho phép
như trên chỉ áp dụng cho các công trình mới.
3.Các phương pháp tính toán độ lún:
18
Các phương pháp tính lún được sử dụng bao gồm 2 hướng chính. Hướng thứ
nhất là tính toán theo các công thức kinh nghiệm, được nhiều tác giả phát triển
theo nhiều quan điểm khác nhau, nhưng chủ yếu là dựa trên nhiều kết quả khảo
sát của các tuyến hầm sau khi thi công xong cho một khu vực địa chất nhất
định (không đánh giá được tác dụng do các công trình bên trên gây ra) . Hướng
thứ hai là tính toán dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp này
yêu cầu các số liệu đầu vào chi tiết và chính xác, nhưng lại có thể đánh giá phù
hợp với các loại đất khác nhau.
3.1.Phương pháp kinh nghiệm:
****công thức tính trong TKCS các dự án đường sắt đô thị:
Thiet ke co so 3b.doc

Nghiên cứu của Peck & Schmidt

Nghiên cứu của O’Reilly & New

Nghiên cứu của Atkinson & Potts (1975, 1977)


Nghiên cứu của Longanathan & Poulos (1998)

Nghiên cứu của Sagaseta et al (1999)
3.Các phương pháp tính toán độ lún:
19
Peck và O’Reilly 1982, giả thiết độ lún bề mặt làm việc xấp xỉ theo đường cong Grauss:
•
S: biến dạng bề mặt đất nền
•
Smax: biến dạng lớn nhất đất nền tại vị trí đỉnh hầm (m)
•
y: là khoảng cách từ trục hầm đến điểm tính lún theo phương ngang
•
i : là khoảng cách từ trục hầm đến điểm uốn của đường biến dạng lún
**** Hầm đơn:
3.Các phương pháp tính toán độ lún:
20
Với đường hầm dạng tròn có thể xác định S
max
theo công thức
(1). của New & O’Reiley (1991):
Trường hợp đất có nhiều lớp thì hệ số K được tính như
sau:
Với i=kZ
o
, Với k là hệ số không thứ nguyên, phụ thuộc vào loại đất
3.Các phương pháp tính toán độ lún:
21
3.Các phương pháp tính toán độ lún:

22
Tuy nhiên từ các số liệu khảo sát các công trình ngầm ở Anh, New & O’Reiley
(1982):đã đề xuất công thức kinh nghiệm cho đất dính và đất rời như sau:

Đất dính i = 0,43Z
o
+ 1,1

Đất rời i = 0,28Z
0
- 0,1
Ngoài ra, Giá trị này được Recelebi & Ocak 2010 đề xuất tính theo giá trị trung
bình, như sau:
Với

3.Các phương pháp tính toán độ lún:
23
(2). Công thức của Herzog (1985):
(3). Phương pháp Trạng thái ứng suất giới hạn (LTSM- Limiting Tensile
Strain Method): MAIN_REPORT_April_2012.pdf
3.Các phương pháp tính toán độ lún:
24
Ví dụ:Áp dụng công thức Herzog tính lún cho Tuyến Metro số 1 tại mặt cắt
ga nhà hát thành phố
Vị trí tính lún
3.Các phương pháp tính toán độ lún:
25
Ví dụ:Áp dụng công thức Herzog tính lún cho Tuyến Metro số 1 tại mặt cắt
ga nhà hát thành phố
Mặt cắt và các thông số hầm tại vị trí nhà hát thành phố