Luận văn thạc sĩ : Phân tích các rủi ro địa kỹ thuật khi xây dựng đường tàu điện ngầm Hà Nội tuyến số 3 - Đoạn khách sạn Dawoo đến ga Hà Nội và kiến nghị một số giải pháp phòng tránh

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và làm luận văn cao học, được sự giúp đỡ của các
thầy, cô giáo trường Đại học Thủy lợi đặc biệt là thầy PGS.TS Nguyễn Hồng Nam,
cùng sự nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật,
chuyên ngành Địa kỹ thuật và xây dựng công trình ngầm.
Các kết quả đạt được là những đóng góp nhỏ về mặt khoa học trong quá trình
nghiên cứu những rủi ro địa kỹ thuật trong xây dựng hầm tàu điện ngầm tuyến số 3
Nhổn – Ga Hà Nội. Tuy nhiên, trong khuôn khổ luận văn, do điều kiện thời gian và
trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những khiếm khuyết. Tác giả rất mong
nhận được những ý kiến góp ý của các thầy, cô giáo và các đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Hồng Nam đã hướng
dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp các kiến thức khoa học cần thiết trong quá trình
thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo thuộc Bộ môn Địa kỹ
thuật, Khoa Công trình, Phòng Đào tạo ĐH&SĐH đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để
tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới anh Hoàng An Đà Giang và anh Phạm Thanh
Trung đã cũng cấp cho tôi những tài liệu quý liên quan đến đề tài này. Tôi muốn gửi
lời cảm ơn tới anh Đỗ Ngọc Anh đã cho tôi những nghiên cứu quý giá về mô hình
hầm của anh. Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn tới bạn Dương Việt Nga đã giúp đỡ tôi
trong việc chạy mô hình 3D.
Xin chân thành cảm ơn cơ quan, các bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã
động viên khích lệ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này.

Hà Nội, ngày 26 tháng 05 năm 2014
Tác giả

Nguyễn Kim Thìn






LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan toàn bộ luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của cá
nhân tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố. Tất cả các trích dẫn đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày 26 tháng 5 năm 2014
Học viên





Nguyễn Kim Thìn







MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 4
TỔNG QUAN 4
1.1 Tổng quan về xây dựng đường tàu điện ngầm trong đô thị trên thế giới. 4
1.1.1 Sơ lược về đường tàu điện ngầm và lịch sử xây dựng. 4
1.1.2 Các phương pháp thi công hầm. 5
1.2 Các rủi ro liên quan đến địa kỹ thuật khi xây dựng đường hầm
đô thị. 12
1.2.1 Các rủi ro xảy ra do khảo sát 13
1.2.2 Các rủi ro xảy ra do thiết kế 13
1.2.3 Các rủi ro xảy ra do thi công 14
1.2.4 Các rủi ro xảy ra do quản lý 15
1.2.5 Các rủi ro khác. 15
1.3 Sự cần thiết phải xây dựng đường tàu điện ngầm Hà Nội và những
thách thức. 16
1.3.1 Sự cần thiết phải xây dựng đường tàu điện ngầm Hà Nội. 16
1.3.2 Những thách thức khi xây dựng đường tàu điện ngầm Hà Nội. 17
1.4 Các nội dung nghiên cứu. 19
1.4.1 Nghiên cứu điều kiện địa chất, kết cấu đường hầm, biện pháp thi
công hầm. 19
1.4.2 Nghiên cứu mô phỏng bài toán xây dựng hầm tàu điện ngầm. 20
1.4.3 Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng đến mô hình bài toán
đào hầm. 20
1.4.4 Nghiên cứu các biện pháp xử lý nền và kết cấu công trình. 21
CHƯƠNG 2 22

GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH TÀU ĐIỆN NGẦM HÀ NỘI TUYẾN SỐ 3 22
2.1. Giới thiệu dự án. 22
2.2. Điều kiện địa chất. 23
2.2.1. Phân loại đất 23
2.2.2. Mực nước thiết kế. 26
2.3. Kết cấu đường hầm. 30
2.4. Biện pháp thi công. 34
2.4.1. Lựa chọn loại máy đào hầm 34
2.4.2. Các thông số của máy TBM và sự hoạt động 35
2.4.3. Lượng mất mát thể tích do thi công 36
2.4.4. Kế hoạch thi công 37
2.5. Tóm tắt chương II. 38
CHƯƠNG 3 39
MÔ PHỎNG BÀI TOÁN ĐÀO ĐƯỜNG HẦM VÀ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA NỀN
VÀ CÁC CÔNG TRÌNH LÂN CẬN 39
3.1. Phương pháp đánh giá rủi ro của các công trình lân cận. 39
3.2. Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định, biến dạng. 42
3.2.1. Cơ sở lý thuyết tính ổn định gương đào. 42
3.2.2. Cơ sở lý thuyết tính biến dạng nền 47
3.3. Mô phỏng bài toán xây dựng đường hầm tàu điện ngầm Hà Nội
tuyến số 3 và lựa chọn các thông số đầu vào. 52
3.3.1. Sơ lược về mô phỏng bài toán xây dựng đường hầm tàu
điện ngầm. 52
3.3.2. Mô phỏng bài toán xây dựng hầm tàu điện ngầm Hà Nội
tuyến số 3 53
3.4. Phân tích kết quả và dự báo sự cố. 71
3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng tham số. 76
3.5.1. Thay đổi độ mất mát thể tích (V

L
) 76
3.5.2. Thay đổi áp lực gương hầm (P
g
) 79




3.5.3. Thay đổi áp lực phụt vữa đuôi khiên (P
v
) 82
3.5.4. Thay đổi thứ tự đào các hầm 84
3.5.5. Thay đổi độ sâu hầm 85
3.5.6. Thay đổi khoảng cách các hầm 87
3.5.7. Thay đổi mực nước ngầm 88
3.6. Tóm tắt chương III. 90
CHƯƠNG 4 91
MỘT SỐ BIỆN PHÁP XỬ LÝ ĐỂ GIẢM THIỂU RỦI RO 91
4.1 . Khái quát về các biện pháp phòng tránh rủi ro khi đào
đường hầm 91
4.1.1 Các biện pháp xử lý nền 91
4.1.2 Các biện pháp thi công 94
4.1.3 Biện pháp quan trắc trong khi thi công 95
4.2 Một số biện pháp xử lý tuyến đường hầm số 3 96
4.2.1 Lựa chọn độ sâu và khoảng cách hầm và thông số thi công 96
4.2.2 Lựa chọn biện pháp xử lý nền 97
4.3 Nhận xét 102
4.4 Tóm tắt chương 4 102
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103

1. Kết luận 103
2. Kiến nghị 105
3. Các vấn đề khiếm khuyết cần nghiên cứu thêm 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Phụ lục 1: Các ký hiệu trên mặt cắt địa chất
Phụ lục 2: Mặt cắt địa chất từ Km 218+700 đến Km 220+00
Phụ lục 3: Mặt cắt địa chất từ Km 220+00đến Km 221+270
Phụ lục 4: Mặt cắt địa chất từ Km 221+270 đến Km 222+470
Phụ lục 5: Cao độ các lớp đất đá và độ sâu hầm





DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Ký hiệu
Tên hình vẽ
Trang
Hình 1.1
Phương pháp đào hở.
6
Hình 1.2
Phương pháp đào kín.
7
Hình 1.3
Phương pháp khoan nổ
7
Hình 1.4
Gia cố tạm bằng bê tông phun

8
Hình 1.5
Phương pháp kích đẩy ống
9
Hình 1.6
Khiên đào
9
Hình 1.7
Thi công hầm bằng khiên đào qua sông S.t Clair (Mỹ).
10
Hình 1.8
Khoan hầm bằng máy TBM
10
Hình 1.9
Phương pháp đào bán hở
11
Hình 1.10
Phương pháp hầm dìm
12
Hình 1.11
Ùn tắc giao thông tại Hà Nội
16
Hình 2.1
Tuyến đường sắt Hà Nội số 3.
23
Hình 2.2
Các bước phân loại đất.
24
Hình 2.3
Sự thay đổi mực nước tầng Holocene

27
Hình 2.4
Sự thay đổi mực nước tầng Pleistocene
28
Hình 2.5
Kết quả quan trắc mực mước năm 2008
28
Hình 2.6
Kết quả quan trắc mực mước năm từ tháng 7 đến tháng
10/2011
29
Hình 2.7
Mực nước ngầm tính toán.
29
Hình 2.8
Đoạn tuyến từ Đại sứ quán Thụy Điển đến phố Cát Linh
31
Hình 2.9
Phương án trắc dọc tuyến đường hầm
31




Hình 2.10
Kích thước mặt cắt ngang hầm
32
Hình 2.11
Kết cấu vỏ hầm
33

Hình 2.12
Phân bố kích thước hạt của đất tại độ sâu 15m đến 20m
35
Hình 2.13
Máng lún dọc theo đường hầm
36
Hình 2.14
Mất mát đất trong quá trình đào hầm
37
Hình 2.15
Mất mát đất tại khiên đào
37
Hình 3.1
Sơ đồ cân bằng áp lực tác dụng tại gương đào
42
Hình 3.2
Sơ đồ các lực tác dụng tại gương đào
43
Hình 3.3
Mô hình nêm trượt
44
Hình 3.4
Đường cong phân bố lún theo Peck
47
Hình 3.5
Kích thước mô hình
56
Hình 3.6
Mô hình 2D tại Km 219+118
56

Hình 3.7
Mô hình 2D hình tại Km 219+418
57
Hình 3.8
Mô hình 2D tại Km 219+923 và Km 220+230
57
Hình 3.9
Mô hình 2D tại Km 220+638
58
Hình 3.10
Mô hình 2D tại Km 220+978
58
Hình 3.11
Mô hình 2D tại Km 221+498
59
Hình 3.12
Mô hình 2D tại Km 221+658
59
Hình 3.13
Mô hình 2D tại Km 221+784
60
Hình 3.14
Kết quả tính độ lún và độ lún lệch theo phương pháp L&P
tại Km 219+118 và Km 221+784
61
Hình 3.15
Kết quả tính độ lún và độ lún lệch theo phương pháp L&P
từ Km 219+923 đến Km 221+498
62
Hình 3.16

Kết quả tính độ lún và độ lún lệch theo phương pháp L&P
tại Km 219+418 và Km 221+658
63




Hình 3.17
Kết quả tính độ lún và độ lún lệch theo mô hình 2D tại Km
219+118 và Km 221+784
65
Hình 3.18
Kết quả tính độ lún và độ lún lệch theo mô hình 2D từ Km
219+923 đến Km 221+498
66
Hình 3.19
Kết quả tính độ lún và độ lún lệch theo mô hình 2D tại Km
219+148 và Km 221+658
67
Hình 3.20
Tạo lưới 3D gồm 3 đoạn chính
68
Hình 3.21
Các pha trong mô hình 3D
69
Hình 3.22
Mô hình 3D tại Km 219+923
70
Hình 3.23
Kết quả phân tích theo mô hình 3D tại Km 219+923

71
Hình 3.24
So sánh kết quả tính độ lún và độ lún lệch bằng phương
pháp L&P, 2D và 3D
73
Hình 3.25
Khu vực có rủi ro cao từ Km 219+790 đến Km 220+350
75
Hình 3.26
Khu vực rủi ro cao từ Km 21+650 đến Km 21+965
75
Hình 3.27
Ảnh hưởng của V
L
đến độ lún và độ lún lệch tại Km
219+923
77
Hình 3.28
Ảnh hưởng của V
L
đến độ lún và độ lún lệch tại Km
221+658
78
Hình 3.29
Ảnh hưởng của P
g
đến độ lún tại Km 219+923
79
Hình 3.30
Hệ số áp lực tối thiểu gương hầm bên dưới

80
Hình 3.31
Hệ số áp lực tối thiểu gương hầm bên trên
80
Hình 3.32
Hệ số áp lực tối đa gương hầm bên dưới
81
Hình 3.33
Hệ số áp lực tối đa gương hầm bên trên
81
Hình 3.34
Ảnh hưởng của P
v
đến độ lún và độ lún lệch tại Km
219+923
83
Hình 3.35
Ảnh hưởng của thứ tự đào hầm đến độ lún và độ lún lệch tại
Km 219+923
84




Hình 3.36
Ảnh hưởng của độ sâu đặt hầm đến độ lún và độ lún lệch tại
Km 221+658
86
Hình 3.37
Ảnh hưởng của khoảng cách các hầm đến độ lún tại

Km221+658
87
Hình 3.38
Ảnh hưởng của khoảng cách các hầm đến độ lún lệch tại
Km221+658
88
Hình 3.39
Ảnh hưởng của sự thay đổi mực nước ngầm đến độ lún và
độ lún lệch tại Km221+658
89
Hình 4.1
Khoan phụt vữa gia cố nền
92
Hình 4.2
Bố trí neo gương đào
93
Hình 4.3
Khoan phụt vữa nhiều lớp
93
Hình 4.4
Khoan phụt vữa ngăn dịch chuyển đất
94
Hình 4.5
Máy khoan có thiết bị dẫn hướng
95
Hình 4.6
Áp lực cao gây hỏng vỏ hầm
95
Hình 4.7
Mặt cắt xử lý nền bằng đất – xi măng

98
Hình 4.8
Kết quả phân tích trước và sau khi xử lý nền
101
Hình phụ
lục 1
Các ký hiệu trên mặt cắt địa chất

Hình phụ
lục 2
Mặt cắt địa chất từ Km 218+700 đến Km 220+00

Hình phụ
lục 3
Mặt cắt địa chất từ Km 220+00 đến Km 221+270

Hình phụ
lục 4
Mặt cắt địa chất từ Km 221+270 đến Km 222+470






DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Ký hiệu
Tên bảng
Trang
Bảng 1.1

Thống kê về tàu điện ngầm ở một số thành phố lớn trên thế
giới
5
Bảng 2.1
Các chỉ tiêu cơ lý đất nền và các chỉ tiêu tính toán
25
Bảng 2.2
Bảng cao độ mực nước ngầm
30
Bảng 2.3
Kích thước mặt cắt ngang hầm
32
Bảng 3.1
Tiêu chuẩn đánh giá sự hư hỏng cho giai đoạn 1 và 2
39
Bảng 3.2
Các công thức tính độ lệch tiêu chuẩn i
48
Bảng 3.3
Vị trí tương đối giữa 2 hầm
55
Bảng 3.4
So sánh kết quả phân tích bằng phương pháp L&P và PTHH
sơ đồ 2D
72
Bảng 3.5
Cấp độ hư hỏng công trình ứng với các giá trị V
L

79

Bảng 3.6
Ảnh hưởng của Pv đến cấp độ hư hỏng
82
Bảng 3.7
Độ lún lớn nhất khi thay đổi độ sâu hầm tại Km 221+658
85
Bảng 3.8
Ảnh hưởng của khoảng cách hầm đến độ lún tại Km
221+658
87
Bảng 4.1
Ứng xử đối với độ lún quan trắc được tại đường hầm Toulon
96
Bảng 4.2
Các chỉ tiêu cơ lý tính toán lớp tương đương L1_s2
100
Bảng 4.3
Các chỉ tiêu cơ lý tính toán lớp tương đương L3&4
100
Bảng phụ
lục 5
Cao độ các lớp đất đá và độ sâu hầm






DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Giải nghĩa
C’
Lực dính đơn vị hiệu quả
C
u

Cường độ chống cắt không thoát nước
D
Đường kính hầm
D
r

Bề rộng của nên trượt
E
Áp lực đất tác dụng lên gương hầm
E
Mô đun đàn hồi
e
0

Hệ số rỗng tự nhiên
EPB
Máy cân bằng áp lực đất EPB (earth pressure balance).
E
ref
50

Mô đun đàn hồi tham chiếu
E
ref

oed

Mô đun nén cố kết tham chiếu
E
ref
ur

Mô đun dỡ tải - nén lại tham chiếu
f
s

Ma sát đơn vị thành bên
H
Độ sâu của trục đường hầm
i
Hoành độ điểm uốn của võng lún
K
Hệ số thấm
K
Lực chống trượt trên mặt trượt của nêm
K
0

Hệ số áp lực đất tĩnh
K
cd

Hệ số áp lực chủ động.
K
y

Hệ số áp lực đất theo phương ngang
L&P
Loganathan và Poulos
N
30

Giá trị SPT
NATM
Công nghệ đào hầm mới của Áo (New Astrian tunneling method)
P
Áp lực gia tăng do máy TBM tạo ra trong buồng đào




P
g

Áp lực chống đỡ gương đào
PI
Chỉ số dẻo
p
ref

Áp lực tham chiếu
PTHH
Phần tử hữu hạn
P
v

Áp lực phụt vữa đuôi khiên
q
c

Sức kháng xuyên
qh
tầng chứa nước Holocene
qp
tầng chứa nước Pleistocene
q
u

Cường độ khắng nén 1 trục không hạn chế nở hông
R
Bán kính của đường hầm
S
Áp lực chống đỡ gương hầm
S
Độ lún mặt đất tại điểm cách tim hầm một khoảng là x
SS
Máy khiên vữa bùn SS (slurry shield)
S
max

Độ lún mặt đất lớn nhất tại trục thẳng đứng đi qua tim hầm.
S
z

Độ lún tại độ sâu z.

S
z.max

Độ lún lớn nhất tại độ sâu z.
T
Lực chống trượt trên mặt bên của nêm
TBM
Máy khoan hầm toàn tiết diện (Tunnel boring machine)
U
x

Chuyển vị theo phương X
U
z

Chuyển vị theo phương Z
U
z=0

Độ lún bề mặt đất
V
Thể tích của đường hầm
V
L

Lượng mất mát thể tích
V
T

Thể tích đào thực tế

W
Áp lực nước tác dụng lên gương hầm




w
Độ ẩm
w
L

Độ ẩm giới hạn chảy
w
P

Độ ẩm giới hạn dẻo
z
Tọa độ theo phương z
z
0

Độ sâu của đường phân chia vòm và tường hầm (springline)

Góc tới hạn = 45º +/2.

0

Lượng mất mát thể tích

Trọng lượng riêng


n

Trọng lượng riêng của nước
'


Trọng lượng riêng đẩy nổi

ben

Trọng lượng riêng của dung dịch Bentonite trộn lẫn đất đá đào ra

bh

Trọng lượng riêng bão hòa

d

Trọng lượng riêng khô

tn

Trọng lượng riêng tự nhiên

Góc ma sát trong
’ 
Góc ma sát trong hiệu quả

Hệ số nở hông (Poison)


Góc trượt của nêm

0

Tải trọng phân bố tại z = 0

ben

Áp lực dung dịch bentonite tác dụng lên gương hầm

d

Áp lực đất tác dụng lên gương hầm

n

Áp lực nước

v

Ứng suất tổng theo phương thẳng đứng
'
v

Ứng suất hiệu quả theo phương thẳng đứng

1



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Thành phố Hà Nội là trung tâm chính trị, kinh tế, và văn hóa của cả nước. Sau
chính sách Đổi Mới, Hà Nội đã đạt được một số thành tựu trong phát triển kinh tế.
Tuy nhiên, thủ đô của Việt Nam cũng đang đối mặt với nhiều thách thức. Một trong
những vấn đề nhức nhối là việc ách tắc giao thông. Đó là do hệ thống giao thông
của Hà Nội đã quá tải so với lưu lượng xe cộ hiện nay.
Theo quyết định số 90/2008/QĐ-TTg của thủ tướng chính phủ ngày 09/7/2008 về
việc phê duyệt quy hoạch phát triển giao thông vận tải Thủ đô Hà Nội đến năm
2020, hệ thống đường sắt khu vực thủ đô gồm 5 tuyến. Hệ thống đường sắt này sẽ
đóng vai trò chính trong vận tài hành khách công cộng tốc độ cao, khối lượng lớn,
có chức năng gắn kết với các khu đô thị, khu công nghiệp, các trung tâm thương
mại - dịch vụ - du lịch, trường học. Đoạn đường sắt Nhổn – Ga Hà Nội thuộc tuyến
đường sắt số 3 có chiều dài là 12km, trong đó phần đi trên cao dài 8km (từ Nhổn
đến khách sạn Deawoo) và phần đi ngầm dài 4km (từ khách sạn Deawo đến ga Hà
Nội).
Đoạn đi ngầm thuộc tuyến số 3 là một trong những công trình đường tàu điện
ngầm đầu tiên ở Việt Nam sử dụng công nghệ khoan hầm toàn tiết diện TBM
(Tunnel boring machine). Toàn bộ các quá trình khoan đường hầm, vận chuyển đất
đá ra ngoài và lắp ghép vỏ hầm đúc sẵn đều được thực hiện bởi máy khoan hầm và
sự trợ giúp của hệ thống phụ trợ. Đây là công nghệ hiện đại, được sử dụng chủ yếu
để thi công các đường hầm đô thị với đường kính và chiều dài lớn.
Công nghệ TBM ngày càng phát triển và đã khắc phục được nhiều vấn đề về thi
công hầm, tuy nhiên vẫn xảy ra nhiều sự cố khi thi công bằng phương pháp này.

Sập hầm trong đô thị kéo theo nhiều vấn đề như phá hủy các công trình lân cận,
nâng cao giá thành công trình, kiện cáo bởi bên thứ 3, ảnh hưởng đến tiến độ xây
dựng công trình. Việt Nam lại thiếu kinh nghiệm trong việc xây dựng công tình tàu
2



điện ngầm đô thị, vì vậy cần thiết phải nghiên dự báo những rủi ro có thể xảy ra để
từ đó có các biện pháp phòng tránh.
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:
 Tổng quan về tình hình xây dựng đường hầm đô thị trên thế giới và các
rủi ro liên quan đến địa kỹ thuật;
 Đánh giá sự ổn định của nền và các công trình lân cận khi mô phỏng quá
trình xây dựng và khai thác tàu điện ngầm Hà Nội tuyến số 3. Dựa trên
kết quả mô phỏng, cảnh báo các rủi ro địa kỹ thuật có thể xảy ra do xây
dựng tàu điện ngầm Hà Nội tuyến số 3;
 Kiến nghị một số biện pháp kết cấu công trình và xử lý nền đất để tránh
được các rủi ro trên nếu có.
Phạm vi nghiên cứu là đoạn đi ngầm dài 4 Km thuộc tuyến tàu điện ngầm số 3,
không xét phần nhà ga, dốc hạ và các công trình phụ trợ.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Dùng phương pháp tiếp cận trực tiếp hoặc gián tiếp:
 Phương pháp trực tiếp: Tiếp cận các cá nhân, các công ty, tổ chức có
liên quan đến dự án nhằm khai thác số liệu công trình.
 Phương pháp gián tiếp: Sử dụng thông tin truyền thông, internet và các
phương tiện khác để thu thập thông tin về phương pháp phân tích và dự
báo các rủi ro của việc xây dựng đường hầm tàu điện ngầm trong đô thị.
Các phương pháp nghiên cứu bao gồm:
 Khảo sát hiện trường và thu thập thông tin.

 Phương pháp tham dự hội thảo và lấy ý kiến chuyên gia.
 Nghiên cứu lý thuyết, sử dụng các mô hình số và phần mềm địa kỹ
3



thuật ứng dụng vào công trình thực tế.
4. Những nội dung chính của luận văn
Luận văn được chia thành 5 chương bao gồm:
- Chương 1: Tổng quan.
- Chương 2: Giới thiệu công trình tàu điện ngầm Hà Nội tuyến số 3.
- Chương 3: Mô phỏng bài toán đào đường hầm và phân tích ổn định của
nền và các công trình lân cận.
- Chương 4: Một số biện pháp xử lý để giảm thiểu rủi ro.
- Kết luận và kiến nghị.
4



CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về xây dựng đường tàu điện ngầm trong đô thị trên thế giới.
1.1.1 Sơ lược về đường tàu điện ngầm và lịch sử xây dựng.
Tàu điện ngầm còn được gọi là metro, là hệ thống vận tải lớn trong đô thị chạy
trên đường ray và thường có một phần lớn chiều dài tuyến đi ngầm dưới lòng đất.
Tàu điện ngầm là hệ thống giao thông chở khách với tốc độ cao, nhiều lượt, nhiều
chuyến trong ngày, lượng khách lớn, thuận tiện và thoải mái.
Đường tàu điện ngầm thường được hiểu là đi ngầm dưới mặt đất, nhưng hiện
nay chỉ có một số đường là hoàn toàn dưới mặt đất, còn lại là kết hợp giữa trên và
dưới mặt đất, ở nơi sầm uất thì phải làm dưới mặt đất, còn lại dùng cầu vượt hoặc đi

trên mặt đất để giảm bớt khó khăn và giá thành thi công.
Tuyến đường tàu điện ngầm đầu tiên được xây dựng ở nước Anh năm 1860,
hoàn thành vào năm 1863, dài 6 km và được xây dựng bằng phương pháp đào hở
(cut and cover). Từ đó đến nay, tàu điện ngầm đã từng bước phát triển và có diện
mạo hiện đại như ngày nay.
Thống kê chung về tàu điện ngầm ở một số thành phố lớn trên thế giới được
thể hiện trong bảng 1.1.








5



Bảng 1.1: Thống kê về tàu điện ngầm ở một số thành phố lớn trên thế giới [38]
Thành phố
Năm
bắt đầu
Lượng
khách (triệu
lượt/ngày)
Chiều dài
(km)
Số nhà ga
Vận tốc

trung bình
(km/h)
London
1863
2.3
415
378
33
New York
1894
3.0
471
468
29
Paris
1900
4.0
214
384
22
Moskva
1935
7.0
292
177
41
Tokyo
1927
8.7
329

282
-
Seoul
1974
7.0
317
328
-
Mexico
1969
4.4
226
195
-
Ban đầu, hầm tàu điện ngầm được xây dựng bằng phương pháp đào thủ công,
chống giữ tạm bằng gỗ và hầm được xây bằng gạch và tàu chạy bằng hơi nước. Dần
dần theo sự phát triển của ngành xây dựng, phương pháp thi công hầm cũng được
cải tiến. Ban đầu là chống giữ tạm bằng khiên (shield) đơn giản, thi công bằng bán
cơ giới, rồi đào hầm bằng mìn. Tiếp theo công nghệ đào hầm mới của Áo (NATM)
được phát minh và từ đó đến nay, phương pháp này được áp dụng nhiều, nhất là các
đường hầm xây dựng trong đá. Việc phát minh ra máy khoan hầm (TBM) là một
bước tiến quan trọng trong ngành xây dựng hầm. Nó giúp cho việc đào hầm thuận
tiện và nhanh chóng, an toàn hơn trong khu vực đô thị.
Ngày nay, các phương pháp đào hầm được cải tiến. Tùy thuộc vào điều kiện đất
nền, diện tích mặt bằng, khả năng kinh tế… mà lựa chọn phương án khác nhau cho
phù hợp. Việc chọn phương án đào hầm hợp lý không những giúp tiết kiệm thời
gian, kinh phí và còn đảm bảo hơn cho sự an toàn – một vấn đề không đơn giản đối
với việc xây dựng hầm trong đô thị.
1.1.2 Các phương pháp thi công hầm.
6

1.1.2.1 Phương pháp đào hở.
Trong phương pháp thi công đào hở, hố móng được đào lộ thiên, sau khi xây
dựng công trình ngầm xong thì được lấp lại. Phương pháp này thường áp dụng để
thi công các công trình đặt nông khoảng từ 5m đến 15m.
Nếu mặt bằng đủ rộng và đất đá có độ ổn định tốt thì có thể thi công đào mở
không cần chống với độ mở mái nhất định. Trong khu vực có mặt bằng chật hẹp,
hay khu vực đất dễ sạt lở thì cần dùng tường trong đất để chống giữ hố đào. Trình
tự thi công của phương pháp này bao gồm các bước: Thi công tường trong đất, đào
hố móng giữa 2 tường, thi công công hầm, đắp hoàn trả hố móng (hình 1.1).

Hình 1.1: Phương pháp đào hở.
1.1.2.2 Phương pháp đào kín.
a. Phương pháp đào thủ công.
Đây là phương pháp có lịch sử phát triển lâu đời, quen thuộc trong việc đào
hầm mỏ thuở sơ khai và vẫn được dùng cho đến tận ngày nay. Công tác đào được
thực hiện bằng tay hoặc máy đào đơn giản, hầm ban đầu được chống đỡ tạm bằng
gỗ và sau đó vỏ hầm được xây dựng.
Quy trình thi công hầm theo phương pháp thủ công gồm các bước: Đào đất đá,
vận chuyển đất đá ra khỏi hầm, gia cố tạm thời, thi công lớp vỏ hầm. Đối với hầm
có tiết diện nhỏ, có thể tiến hành đào toàn gương hầm (hình 1.2.a). Đối với hầm có
tiết diện lớn thì gương hầm được chia thành nhiều phần và thực hiện đào và chống
tuần tự theo từng phần (hình 1.2.b).
7

a. Đào toàn tiết diện b. Đào từng phần trong đất đá yếu
Hình 1.2: Phương pháp đào kín.
b. Phương pháp khoan nổ.
Phương pháp này sử dụng thuốc nổ để thực hiện công tác đào. Một chu trình đào
hầm bao gồm các bước: Khoan tạo lỗ trên gương hầm, nạp thuốc nổ, tiến hành nổ
mìn, thông gió, vận chuyển đất đá và sửa bề mặt vách hầm, gia cố tạm và thi công
vỏ hầm (hình 1.3). Phương pháp khoan nổ thường áp dụng để thi công các đường
hầm trong điều kiện đất đá cứng chắc.

1. Khoan tạo lỗ 2. Nạp thuốc nổ 3. Nổ mìn

4.Thông gió 5. Vận chuyển đất đá 6. Thi công vỏ hầm
Hình 1.3: Phương pháp khoan nổ.
c. Phương pháp NATM (new Austrian tunnelling method).
Được ra đời trong những năm 60 của thế kỷ 20, phương pháp này nhanh chóng
trở thành một trào lưu trong lĩnh vực xây dựng hầm. Công tác đào được tiến hành
giống như phương pháp đào thủ công hay khoan nổ, tuy nhiên điểm khác là việc
thiết kế vỏ hầm có tính đến khả năng tự chống đỡ của bản thân đất đá xung quanh
đường hầm. Biện pháp thi công phải xử lý khối đất đá trên vòm hầm sao cho đất đá
8



xung quanh hầm được liên kết thành kết cấu vòm chống đỡ. Do đó, tự bản thân khối
đất đá xung quanh sẽ trở thành một phần kết cấu chống đỡ hầm. Cách chống đỡ
truyền thống bằng gỗ hoặc bằng vòm thép không thể giúp ngăn ngừa sự biến dạng
của khối đá xung quanh hầm. Bê tông phải được phun ngay sau khi đào để có thể
ngăn sự biến dạng của khối đá một cách hữu hiệu (hình 1.4). Các bước thi công theo
phương pháp NATM gồm: Đào đất đá, vận chuyển đất đá, gia cố tạm, thi công vỏ
hầm.

Hình 1.4: Gia cố tạm bằng bê tông phun [35]
Phương pháp NATM chủ yếu được áp dụng cho hầm đào trong đá, tuy nhiên
hiện nay đang được nghiên cứu áp dụng cho cả hầm đào trong đất yếu.
d. Phương pháp kích đẩy ống.
Đây là phương pháp thi công hầm bằng cách dùng kích thủy lực để đẩy các đốt
hầm di chuyển đằng sau máy khoan hầm (hình 1.5). Do bị giới hạn về khả năng
kích và ma sát giữa các đốt hầm và đất nền nên phương pháp này áp dụng cho các
hầm không quá dài và đường kính tối đa khoảng 3m.
9




Hình 1.5: Phương pháp kích đẩy ống [35]
e. Phương pháp khiên đào.
Đây là phương pháp thi công hầm mà trong đó thay thế việc chống đỡ tạm bằng
một vỏ thép hình trụ gọi là khiên đào (hình 1.6), có tác dụng che chắn cho người và
máy móc bên trong nó được an toàn.
Việc đào hầm được thực hiện bằng thủ công hay bán cơ giới. Trong quá trình
đào, đất đá được vận chuyển ra ngoài và khiên tiến lên phía trước nhờ kích đẩy tựa
lên vỏ hầm đã thi công xong (hình 1.7).

Hình 1.6: Khiên đào [35]
10




Hình 1.7: Thi công hầm bằng khiên đào qua sông S.t Clair (Mỹ) [35].

f. Phương pháp khoan hầm TBM (tunnel boring machine).
Đây là bước phát triển cao hơn của phương pháp đào hầm bằng khiên đào. Hầm
được thi công bằng máy đào toàn tiết diện TBM. Toàn bộ các quá trình thi công
được cơ giới hóa và được vận hành bởi buồng điều khiển. Gương hầm có thể được
ổn định nhờ vào sự cân bằng áp lực của đất đá đào ra hoặc bằng vữa Bentonite. Máy
cân bằng áp lực đất là dùng chính mùn đất đá khoan ra trộn lẫn với bọt để tạo vữa
cân bằng với gương hầm. Máy dùng Bentonite thì được cấp dung dịch bentonite vào
buồng khoan, đất đá khoan ra được hòa trộn với bentonite và vận chuyển ra ngoài
bể xử lý, lọc lấy bentonite và tái sử dụng. Các bộ phận cơ bản của đầu máy khoan
TBM được mô phỏng trong hình 1.8.

Hình 1.8: Khoan hầm bằng máy TBM [35]
7
11



Chú thích hình 1.8:
1. Đầu cắt
6. Bộ phận bịt đuôi khiên
2. Dung dịch Bentonite
7. Đường cấp dung dịch Bentonite
3. Bọt khí
8. Đường ra của vật liệu đào
4. Kích đẩy
9. Phun vữa lấp nhét
5. Vỏ hầm

Quy trình khoan hầm bằng máy TBM cơ bản như sau: Đầu cắt quay để cắt đất
đá trên gương hầm. Đất đá được trộn với dung dịch bentonite để đưa ra ngoài. Máy

khoan tiến lên nhờ kích đẩy, vỏ hầm bê tông đúc sẵn được vận chuyển và lắp đặt
vào đuôi khiên đào. Cuối cùng là phun vữa lấp nhét vào khoảng trống giữa vỏ hầm
và đất nền xung quanh hầm. Phương pháp khoan hầm bằng máy TBM có thể áp
dụng để đào các hầm có độ sâu lớn, qua các loại đất đá khác nhau, đường kính hầm
lớn nhất có thể lên đến 19m và có thể đào được nhiều loại hình dạng mặt cắt ngang
hầm.
1.1.2.3 Một số phương pháp khác.
a. Phương pháp thi công đào bán hở
Đây là phương pháp dùng để thi công các hầm có độ sâu nông. Phương pháp
này bao gồm các bước: Đào hố móng đến cao độ nóc hầm, thi công tường trong đất,
thi công nắp hầm, đào đất dưới nắp hầm và thi công các bộ phận còn lại của vỏ
hầm, hoàn thiện và lấp đất hoàn trả hố móng (hình 1.9).

Hình 1.9: Phương pháp đào bán hở