Tải bản đầy đủ (.docx) (173 trang)

đồ án tốt nghiệp tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua đô thị phù hợp với điều

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.11 MB, 173 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
oo
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 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA 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 / 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
1.3.3 Phương pháp đào lộ thiên là phương pháp thi công đường hầm nông


và trong
đất mềm
11
1.3.4 Phương pháp tường liên tục dưới đất thi công hầm trong đất mềm yếu
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
1.4 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM GIAO THÔNG ĐÔ THỊ

KHU VỰC TP.HCM
13
1.4.1 Bối cảnh13
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 Ph ươ ng pháp

K.V.Ruppenneyt,V.A. Lutkin, A.N. Dranovxki

56
4.2.3 Ph ươ ng pháp

B.G. Galerkin

56
4.2.4 Ph ươ ng pháp


M.M. Protodiakonov

56
4.3 Phương pháp phần tử hữu hạn

57
4.3.1 Khái ni ệ m chung v ề ph ươ ng pháp PTHH

57
4.3.2 Ph ươ ng pháp PTHH trong tính toán công trình ng ầ m

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 Giới thiệu một số phần mềm tính toán sử dụng phương pháp PTHH 71
4.4 Phương pháp phần tử rời rạc

71
4.5 Các phương pháp tính toán thiết kế đường hầm phù hợp đối với địa chất


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 k ế t c ấ u công trình h ầ m d ạ ng vòm

hình yên ng ự a

76
4.5.3 Tính toán k ế t c ấ u công trình h ầ m d ạ ng tròn


77
Ch ươ ng 5. PH ƯƠ NG PHÁP

THI CÔNG CÔNG

TRÌNH NG Ầ M PHÙ H Ợ P

V Ớ I KHU V Ự C NGHIÊN C Ứ U

79
5.1 Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với khu vực địa chất

mềm yếu

79
5.2 Bi ệ n pháp thi công h ầ m b




ng

ph ươ ng pháp

khiên đ ào

80
5.2.1 L ị ch s ử phát tri ể n h ầ m theo ph ươ ng pháp khiên (shield)

80
5.2.2 C ấ u t ạ o, phân lo ạ i khiên đ ào

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 c ơ b ả n c ủ a thi công h ầ m b ằ ng khiên đ ào

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) 97
5.2.4 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
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 BẢNG
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
DANH MỤC CÁC HÌNH
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
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
km
2
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
- 17

-
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
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.
• 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.
Hầm Thủ Thiêm nối quận 1 và quận 2 của Tp.HCM đang được xây dựng có các
thông số sau : Chiều dài của hầm là 1.490m, gồm phần dìm dài 370m, phần hầm
đào lấp 680m và đường dẫn hai đầu hầm 540m. Tiết diện hữu dụng của hầm đủ để
bố trí sáu làn xe và hai đường thoát hiểm hai bên rộng 2x2m cùng các thiết bị thông
tin liên lạc, thông gió, chiếu sáng, thoát nước đảm bảo an toàn cho các phương
tiện xe cơ giới, kể cả xe gắn máy lưu thông theo tốc độ thiết kế.
Cho đến nay, Việt Nam có khoảng 52 hầm giao thông được xây dựng trong thế
kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 theo các tiêu chuẩn thiết kế và thi công của Pháp, Nga,
Trung Quốc, Áo ứng với mỗi thời kỳ khác nhau [7]:
Bảng 1.1 Phân loại hầm ở Việt Nam theo tiêu chí kiểu/loại hầm
Loại hầm
Phân loại theo chiều dài Phân loại theo số lượng

Chiều dài (m) Tỉ lệ % Số lượng Tỷ lệ %
Hầm đường bộ 7625.00 38.97 5 9.62
Hầm đường sắt 11507.28 58.81 41 78.85
Hầm người đi 434.00 2.22 6 11.54

Tổng cộng 19566.28 100.00 52 100.00
Cùng với sự phát triển khoa học kĩ thuật và sự ra đời các công nghệ thi công
hầm mới, hiện đại, trong tương lai không xa hầm và công trình ngầm ở nước ta sẽ
có bước phát triển mới rất to lớn khi các tuyến đường giao thông phải đi vào các
vùng đồi núi hiểm trở hoặc vùng đô thị lớn.
Một số hình ảnh đường hầm trến thế giới và tại Việt Nam với những công dụng
khác nhau:
- 21 -
Hình 1.1 Hầm khai thác mỏ Excelsior (Anh)
Hình 1.2 Metro Columbia Heights (Mỹ)
Hình 1.3 Đường hầm The Second Heinenoord
Hình 1.4 Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân (Việt Nam)
Hầm cho người đi bộ và xe máy trên Quốc lộ 1A đoạn An Sương – An Lạc:
Hình 1.5 Hầm chui Tân Tạo cắt ngang QL1A (Việt Nam)
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hiện nay gần như chưa xảy ra trường
hợp nào do ảnh hưởng của điều kiện địa chất mà dẫn đến khả năng không thể xây
dựng được đường hầm và có thể nói là không hạn chế. Đường hầm được xây dựng
trong những điều kiện địa chất, địa hình khó khăn. Thực tế nhiều tuyến đường hầm
giao thông trên thế giới đã đi xuyên qua lòng sông, đáy biển là những nơi ẩn chứa
điều kiện địa chất phức tạp, thậm chí có những đường hầm được treo trong nước.
Hình 1.6 Hầm treo nổi trong nước
1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM
Do tính chất nằm sâu trong lòng đất nên kết cấu công trình ngầm chịu lực
tương đối phức tạp. Nội lực trong vỏ hầm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: tính chất
của đất đá, cấu tạo địa tầng, hình dạng và kích thước vỏ hầm, phương pháp thi công
cũng như đặc điểm sử dụng công trình ngầm. Về cơ bản có 2 phương pháp tính toán
công trình ngầm là theo phương pháp lực và phương pháp biến dạng.
Các phương pháp lực sử dụng các giả thiết về nền biến dạng cục bộ hay nền
biến dạng tuyến tính làm cơ sở xác định chuyển vị của địa tầng trên vách hang, đưa
về các sơ đồ tính toán của cơ học kết cấu. Các phương pháp lực có ý nghĩa thực

nghiệm lớn, quá trình tính toán nói chung không quá phức tạp, đã được vận dụng
nhiều trong thực tế. Phương pháp lực có một số tác giả như SN.Naumov, G.G.
Zurabov, S.A. Orlov, S.S. Đavưđov, I.A. Malikova, phương pháp thay thế bằng hệ
thanh của Viện thiết kế đường tàu điện ngầm Maxcơva…
Phương pháp biến dạng tính toán kết cấu công trình ngầm giả thiết môi
trường biến dạng liên tục, xem vỏ hầm là một vòng có bề dày nhỏ đặt trong chu vi
lỗ khoét của địa tầng để xác định trạng thái ứng suất trong điều kiện cùng chịu lực
của vỏ hầm và môi trường xung quanh, nghĩa là có xét đến tác dụng tương hỗ của
khối địa tầng và vì chống. Trong quá trình tính đưa về các sơ đồ tính toán của lý
thuyết đàn hồi. Phương pháp biến dạng có một số tác giả như Ya. Bialer,
K.V.Ruppenneyt, V.A. Lutkin, A.N. Dranovxki, B.G. Galerkin, M.M.
Protodiakonov, …
1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM
Thi công đường hầm là thuật ngữ gọi chung phương pháp thi công xây dựng,
kĩ thuật thi công và quản lý thi công các đường hầm và công trình ngầm.
Lựa chọn phương pháp thi công chủ yếu phải dựa vào điều kiện địa chất và địa
chất thủy văn, kết hợp với mặt cắt đường hầm, kiểu vỏ, công năng sử dụng và trình
độ kỹ thuật thi công… cùng một số nhân tố khác nghiên cứu cân nhắc, tổng hợp lại
để quyết định.

×