PHÂN TÍCH MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG LÚN BỀ MẶT KHI THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM METRO BẰNG MÁY ĐÀO TỔ HỢP TBM KHU VỰC TP.HCM

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Tập …, số …, 2011

Tr. 1-13

PHÂN TÍCH MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG LÚN BỀ MẶT KHI
THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM METRO BẰNG MÁY ĐÀO TỔ HỢP TBM
KHU VỰC TP.HCM
VÕ PHÁNa, NGUYỄN QUANG KHẢIb
a

Khoa Xây dựng, Đại học Bách khoa, Tp. Hồ Chí Minh
b
Thanh tra An toàn lao động Tp. Hồ Chí Minh

1. GIỚI THIỆU
Thành phố Hồ Chí Minh nằm trong khu vực có mật độ xây dựng trên mặt cao, điều kiện địa
chất yếu, mặt bằng thi công chật hẹp với mật độ dân cư dày đặc. Việc xây dựng hầm bằng các
phương pháp đào lộ thiên rất khó khả thi do chúng gây các ảnh hưởng đến công trình lân cận và
công tác giải phóng mặt bằng rất phức tạp. Phương pháp Mỏ truyền thống chắc chắn là rất phức
tạp và không thể đáp ứng được tiến độ đặt ra, phương pháp NATM với đất đá yếu như trên đòi
hỏi phải có các công tác gia cố và do đó sẽ khó đáp ứng được yêu cầu kinh tế cũng như tiến độ.
Trong các phương pháp đào hầm thì thi công bằng cơ giới (TBM, SM) đang được phát triển
mạnh, đặc biệt là thiết bị khiên đào hay TBM trong nền đất yếu. Đây chính là các công nghệ đào
hầm tiên tiến mà có khả năng áp dụng rộng rãi trong xây dựng hầm và công trình ngầm đô thị,
đặc biệt là qua những nơi có đặc điểm địa chất tương đối yếu và những vị trí không thể xây dựng
lộ thiên ở các đô thị lớn.
Đặc điểm của biến dạng lún bề mặt khi thi công đường hầm metro là phụ thuộc vào phương
pháp và công nghệ thi công. Với những công nghệ thi công khác nhau thì giá trị lún bề mặt gây
ra cũng khác nhau. Kết quả bài báo nghiên cứu cơ sở lý thuyết lựa chọn phương pháp tính toán

biến dạng lún bề mặt khi thi công đường hầm metro bằng máy đào tổ hợp TBM ở khu vực thành
phố Hồ Chí Minh.
2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM MÉTRO BẰNG
MÁY ĐÀO TBM
2.1. Xây dựng mô hình tính lý thuyết [1]
Vấn đề về tải trọng tác dụng lên kết cấu hầm thi công bằng TBM, có thể tham khảo tiêu
chuẩn Nhật Bản (JSCE-1996) như sau:
Bảng 1. Các loại tải trọng tác dụng lên kết cấu hầm thi công bằng TBM
1. Tải trọng thẳng đứng và nằm ngang
Tải trọng thường xuyên

2. Áp lực nước
3. Trọng lượng bản thân
1


4. Hiệu ứng tải trọng chất thêm (surcharge)
5. Phản lực của đất nền
6. Các tải trọng nội tại
Tải trọng phụ thêm (thứ cấp)

7. Tải trọng thi công
8. Hiệu ứng động đất
9. Hiệu ứng của hai hoặc nhiều khiên đào

Tải trọng đặc biệt

10. Hiệu ứng làm việc ở các khu vực lân cận
11. Hiệu ứng biến dạng đất nền
12. Các hiệu ứng khác.

Hình 1. Mô hình tính toán theo JSCE-1996

Giới hạn bài báo sẽ không xem xét đến ảnh hưởng động đất hay ảnh hưởng của các tải
trọng bên ngoài. Trong phạm vi bài báo chỉ xét đến áp lực đất và sự tương tác của kết cấu với
đất nền. Ở trạng thái nguyên sinh các phân tố đất nền tồn tại một cách ổn định (đủ ba thành phần
ứng suất), khi đào hầm làm thay đổi trạng thái ban đầu này của nó và làm cho đất nền xung
quanh hầm bị biến dạng nhằm xác lập lại một trạng thái cân bằng mới. Sự biến dạng này đã tạm
thời làm thay đổi (giảm) ứng suất bên trong nền ở khu vực lân cận với hầm, quá trình thay đổi
này được gọi là quá trình giải phóng ứng suất thể hiện qua hệ số giải phóng ứng suất χ. Mức độ
của giải phóng ứng suất này phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất của đất nền, tốc độ biến dạng
của đất, kích thước gương đào, loại kết cấu chống đỡ và thời gian lắp đặt kết cấu đó, chiều dài
khoảng không có chống đỡ... Nói chung có thể mô hình mức độ giải phóng ứng suất này bằng
đường giải phóng ứng suất như dưới đây:

2


Hình 2. Đường biểu diễn mức độ giải phóng ứng suất đất nền

Xét mặt cắt 1-1, tại đây tuỳ theo phương pháp giữ ổn định mặt gương đào mà mức độ giải
phóng ứng suất là khác nhau và chiều dài L1 cũng thay đổi (gần về mặt gương hơn so với trường
hợp không có biện pháp giữ ổn định mặt gương đào).
Trong bài báo này tác giả sẽ sử dụng các giá trị hệ số giải phóng ứng suất tương ứng với
mỗi giai đoạn thi công như sau:
Các mô hình phân tích qua các giai đoạn là độc lập nhau sau đó cộng tác dụng kết quả tính
được từ các mô hình lại với nhau để đưa ra kết quả cuối cùng:
+ Tại vị trí gần mặt gương: sẽ sử dụng TBM cân bằng áp lực đất (EPB) để giữ ổn định mặt
gương và sẽ tính toán lựa chọn giá trị áp lực đất phù hợp để có thể coi hệ số giải phóng ứng suất
tại vị trí này ~0.

+ Tại vị trí mặt cắt 2-2: mức độ giải phóng ứng suất sẽ được xác định thông qua đường
cong quan hệ ứng suất và biến dạng (đường cong Fener-Parcher) bằng cách cho biến dạng biên
cưỡng bức u1 để tính ngược ra giá trị ứng suất triết giảm. Ở mặt cắt này sẽ coi vỏ khiên đào là
tuyệt đối cứng nên sau khi đất đã áp sát vào vỏ khiên sẽ không tiếp tục biến dạng.
+ Mặt cắt 4-4: sẽ sử dụng hệ số giải phóng ứng suất ở mặt cắt 2-2 để phân tích quá trình
làm việc tương tác của đất nền với vỏ hầm liên quan đến ảnh hưởng lún bề mặt.
2.2. Xây dựng mô hình tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis)
Các thông số sử dụng trong Plaxis để mô phỏng mô hình lý thuyết [2]
Bảng 2. Thông số đầu vào cho các lớp đấ t
C layer

D layer

E layer

(Sét mềm) (Sét dẻo)

(Cát rời)

(Sét cứng)

(Cát chặt)

Model

MC

MC

MC

MC

MC

-

Type

Drained

Drained

Drained

Undrained

Drained

-

Parameter

Name

Material model
Mat. behaviour

A layer

B layer

Unit

3


Dry soil weigh

γunsat

15.8

20

20.8

20.4

19.6

kN/m3

Wet soil weigh

γsat

17.8

21

21

22

20.5

kN/m3
m/day

H. permeability

kx

1.81e-5

4.7e-5

0.5

1.36e-5

0.5

V. permeability

ky

1.81e-5

4.7e-5

0.5

1.36e-5

0.5

m/day

E ref

1000

2000

30 000

10 000

120 000

kN/m2

Cohesion

c’

8.5

2.48

1.1

3.88

1.5

kN/m2

Friction angle

ϕ’

15

17

28

16

21

°

Dilatancy angle

ψ

0

0

4

0

3

°

Poisson’s ratio

ν

0.33

0.33

0.3

0.33

0.3

-

Young’s modulus

Bảng 3. Thông số đầu vào cho vật liệu bê tông làm vỏ hầm
Parameter

Name

Value

Unit

Type of behaviour

Material type

Elastic

-

Normal stiffness

EA

2.4×107

kN/m

7.2×105

kNm2/m

Flexural rigidity

EI

Equivalent thickness

d

0.6

kNm/m

Wieght

w

14.4

KN/m/m

Poisson’s ratio

ν

0.15

-

Bảng 4. Thông số đầu vào cho vật liệu thép của máy đào TBM
Parameter

Name

Value

Unit

Type of behaviour

Material type

Elastic

-

Normal stiffness

EA

8.2×107

kN/m

8.38×104

kNm2/m

Flexural rigidity

EI

Equivalent thickness

d

0.35

kNm/m

Wieght

w

38.15

KN/m/m

Poisson’s ratio

ν

0

-

4


2.2.1. Thiết lập áp lực cân bằng bề mặt gương đào
Như đã phân tích ở trên, giải pháp lựa chọn biện pháp cân bằng áp lực mặt gương đảm bảo
ảnh hưởng của mất mát thể tích ở mặt gương đào là không đáng kể hay nói cách khác có thể giả

định là không ảnh hưởng đến biến dạng lún của nền.
Để mô phỏng áp lực cân bằng bề mặt gương đào trong Plaxis bằng cách xem áp lực cân
bằng này là lực tác dụng lên mặt gương đào theo phương z và được đưa vào tham số tải trọng ΣMloadA.

Hình 3. Mô hình mô phỏng mặt gương đào

Hình 4. Cửa sổ nhập áp lực cân bằng bề mặt gương đào

Trong đó yref là cao độ đỉnh hầm, pref là áp lực cân bằng tại vị trí đỉnh hầm, pinc là dung
trọng riêng của vữa sét. Ví dụ với mặt cắt hầm có đường kính là 6,2m dùng dung dịch vữa sét có
dung trọng riêng là 15 kN/m2 tạo áp lực cân bằng bề mặt gương có áp lực tại đỉnh hầm là 150
kN/m2. Như vậy áp lực cân bằng tại đáy hầm có giá trị là: 150+6,2×15=243 kN/m2.

5


2.2.2. Thiết lập mất mát hướng tâm trong quá trình đào bằng máy TBM

Hình 5. Cửa sổ nhập mất mát hướng tâm (contraction)

2.2.3. Thiết lập môi trường khô trong hầm
Trong quá trình thi công hầm bằng máy TBM, nhờ lớp vữa sét cân bằng áp lực bề mặt
gương mà nước ngầm không thể xâm nhập vào hầm được. Vì vậy luôn đảm bảo môi trường khô
ráo trong hầm.
Để tạo môi trường khô ráo trong hầm và tính toán phân bố áp lực nước ngầm ta chọn tùy
chọn Cluster is dry in this slice.

Hình 6. Tùy chọn phân bố áp lực nước ngầm

Hình 7. Phân bố áp lực nước ngầm sau khi tính toán

6


Hình 8. Trường chuyển vị lún trong đất nền

Với mô hình 2D giải bằng chương trình Plaxis 8.5 ứng với các giá trị phần trăm mất mát
thể tích khác nhau ta có các giá trị chuyển vị lún lớn nhất khác nhau.
Bảng 5. Các giá trị lún khác nhau ứng với phần trăm mất mát thể tích khác nhau
VL (%)

Smax (mm)
5

110.14

4

97.03

3

83.84

2

70.71

7

2.2.4. Tính toán mô hình 3D bằng chương trình Plaxis 3D Tunnel

Hình 9. Mô hình đầu vào của bài toán

Hình 10. Phát sinh lưới 3D

Ưu điểm của mô hình 3D là thể hiện được tất cả các điều kiện biên như mô hình lý thuyết.
Ngoài ra trong mô hình 3D ta có thể kiểm tra được ổn định bề mặt gương đào.
Để đảm bảo ổn định bề mặt gương đào dùng dung dịch vữa sét có dung trọng riêng là 15
kN/m2 tạo áp lực cân bằng bề mặt gương có áp lực tại đỉnh hầm là 150 kN/m2. Như vậy áp lực
cân bằng tại đáy hầm có giá trị là: 150+7.8×15=267 kN/m2.
- Kết quả tính toán phase 1:

8


Hình 11. Kết quả áp lực nước lỗ rỗng sau khi làm khô trong hầm

Hình 12. Lưới biến dạng ở cuối phase 1

Hình 13. Trường chuyển vị lún trong đất nền

9


Hình 14. Lưới biến dạng lún bề mặt

- Phase 2: Tính toán áp lực cân bằng bề mặt gương đào tối thiểu cần thiết để đảm bảo ổn
định mặt gương đào

Kết quả tính toán được Σ− MloadA=0.2184.
Vì vậy áp lực cân bằng bề mặt gương nhỏ nhất tại đỉnh hầm là 0.2184×150=32.76 KN/m2.
Áp lực cân bằng bề mặt gương nhỏ nhất tại đáy hầm là 0.2184×267=58.31 KN/m2. Đây chính là
áp lực cân bằng bề mặt gương tối thiểu để đảm bảo ổn định mặt gương đào.
- Phase 3: Tính toán ổn định mặt gương đào:
Ổn định mặt gương đào là vấn đề quan tâm hàng đầu trong quá trình thi công hầm. Trong
Plaxis hệ số ổn định được tính toán theo phương pháp giảm c, ϕ. Giảm các tham số cường độ c
và tanϕ đến khi đất bị phá hoại. Tính hệ số an toàn ΣMsf:

c

∑ Msf = c

r

=

tan ϕ
tan ϕ r

Thiết lập giai đoạn c, ϕ reduction chấp nhận độ tăng mặc định Msf=0,1.

10


Hình 15. Lưới biến dạng ở cuối phase 3 (c, ϕ reduction)

Hình 16. Biểu đồ quan hệ giữa áp lực cân bằng bề mặt gương với chuyển vị lún bề mặt

Hình 17. Biểu đồ quan hệ giữa mất mát thể tích hướng tâm với chuyển vị lún bề mặt

2.3. Phân tích và so sánh các kết quả tính toán lý thuyết với tính toán bằng phương pháp
PTHH
Kết quả tính toán bằng phương pháp PTHH (chương trình Plaxis) luôn cho kết quả nhỏ hơn
tính toán theo các công thức lý thuyết. Lý do là trong các mô hình thực nghiệm trong lý thuyết
không xét đến biến dạng của nền trong đất yếu, không xét đến ảnh hưởng của nước ngầm đến
biến dạng lún.
Mặt khác hạn chế của phương pháp tính lý thuyết là chỉ đúng với một số loại đất nhất định,
ở một vùng nhất định. Hơn nữa phương pháp tính lý thuyết chưa xét đến phần tử tiếp xúc giữa
đất với hầm. Phương pháp tính lý thuyết sẽ không thật hữu dụng với những công trình hầm có
cấu trúc phức tạp hay nằm trong vùng địa chất khó khăn.

11


2.4. Phân tích so sánh kết quả tính bằng 2 mô hình 2D và 3D
Kết quả tính bằng mô hình 2D luôn cho kết quả lớn hơn mô hình 3D. Tính toán Plaxis theo
mô hình không gian 3D cho kết quả hợp lý hơn. Bởi vì mô hình 3D thể hiện được tất cả các điều
kiện biên như mô hình lý thuyết, thể hiện được vùng lún theo 2 phương. Ngoài ra trong mô hình
3D ta có thể kiểm tra được ổn định bề mặt gương đào, tính toán được áp lực cân bằng bề mặt
gương đào nhỏ nhất cần thiết để đảm bảo ổn định bề mặt gương trong suốt quá trình đào.
3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
3.1. Kết luận
3.1.1. Trong các lý thuyết tính chuyển vị lún bề mặt đã nêu thì lý thuyết của New và
O'Reilly cho kết quả gần đúng với thực tế nhất. Tuy nhiên theo kết quả kiểm chứng của một số
công trình métro đã thi công trên thế giới thì kết quả tính theo lý thuyết của New và O'Reilly so
với thực tế thi công có sai lệch và thường cho kết quả lớn hơn.
3.1.2. Nhược điểm của lý thuyết New và O'Reilly: chỉ đúng với một số loại đất nhất định, ở
một vùng nhất định. Hơn nữa phương pháp tính lý thuyết chưa xét đến phần tử tiếp xúc giữa đất
với hầm. Phương pháp tính lý thuyết sẽ không thật hữu dụng với những công trình hầm có cấu

trúc phức tạp hay nằm trong vùng địa chất khó khăn. Tuy nhiên trong thực tế thi công có nhiều
phương pháp đào khác nhau, và tùy thuộc vào công nghệ đào mà giá trị lún bề mặt cũng khác
nhau. Ví dụ trong trường hợp thi công trong vùng đất yếu thường phải lựa chọn các loại thiết bị
TBM có giải pháp cân bằng áp lực bề mặt gương (cân bằng áp lực đất, cân bằng áp lực dung
dịch vữa sét, khí nén...) để hạn chế biến dạng lún bề mặt. Vì vậy trong lý thuyết của New và
O'Reilly không phản ánh đúng với thực tế thi công với nhiều công nghệ thi công khác nhau đó.
3.1.3. Ngược lại thì phương pháp phần tử hữu hạn có thể mô phỏng quá trình thi công một
cách gần đúng nên cho kết quả gần đúng với thực tế hơn, đồng thời kết quả đưa ra cũng đa dạng
hơn. Hiện nay với sự phát triển của máy tính và công nghệ phần mềm thì phương pháp phần tử
hữu hạn thường được dùng nhất và tính toán chính xác nhất biến dạng lún bề mặt do thi công
đường hầm métro.
3.1.4. Mô hình bài toán 3D được tính toán trong Plaxis 3D Tunnel. Ưu điểm mô hình này là
có thể hiện được tất cả các điều kiện biên như trong mô hình thí nghiệm mà mô hình bài toán 2D
không đáp ứng được. Bên cạnh đó mô hình bài toán 3D có thể mô phỏng quá trình thi công một
cách gần đúng nên cho kết quả gần đúng với thực tế hơn so với mô hình bài toán 2D. Ngoài ra
trong mô hình 3D ta có thể kiểm tra được ổn định bề mặt gương đào, tính toán được áp lực cân
bằng bề mặt gương nhỏ nhất cần thiết để đảm bảo ổn định trong suốt quá trình đào.
3.2. Kiến nghị
3.2.1. Tính toán đường hầm trên nền đất yếu rất phức tạp, đòi hỏi phải có sự kết hợp giữa
phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để có những đánh giá một cách tương đối ứng xử của
đường hầm trong nền đất.
3.2.2. Khi qui hoạch xây dựng đô thị mới tại những vị trí sẽ xây dựng đường hầm kiến nghị
các chủ đầu tư cần đánh giá và có giải pháp thích hợp gia cố, bảo vệ trước các móng nông, nền
các công trình.
3.2.3. Đối với khu vực đô thị kiến nghị cần phải xây dựng qui hoạch không gian ngầm đô
thị. Với bản vẽ qui hoạch không gian ngầm đô thị thì việc thiết kế, xây dựng đường hầm ở khu
12


TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.

Bùi Văn Dưỡng, Nghiên cứu ảnh hưởng lún bề mặt do thi công đường hầm metro đặt
nông trong đất bằng máy đào tổ hợp TBM, Trường ĐH GTVT Hà Nội, 2006.

2.

Công ty Cổ phần TVTK GTVT phía Nam, Dự án khả thi tuyến metro Bến Thành – Suối
Tiên, 2007.

3.

John Anthony Pickhaver, Numerical Modelling of Building Response to Tunnelling,
Ph.D. thesis, Oxford University, 2006 .

4.

L.V. Makốpski, Công trình ngầm giao thông đô thị, Nhà xuất bản Xây dựng, 2004;

5.

Piergiorgio Grasso, Settlement in construction of urban underground works, solutions
settlement control, ITST Seminar Ha Noi, 2008 .

6.

Nguyen Đuc Toan, TBM and lining essential interfaces, ME. thesis, Turin University,
2006.
SUMMARY

ANALYSIS CALCULATE MODEL FOR SURFACE SETTLEMENT WHEN BUILDING
METRO CONSTRUCTIONS BY TUNNELLING BORING MACHINE IN HO CHI MINH
CITY
Building shallow underground constructions in weak land makes subsidence.
Characteristics of the surface subsidence when building metro line depend on the method and
the technology of construction. With the difference of the construction technologies, the value of
suface subsidence is different. This paper analysis model for calculating surface settlement when
building metro constructions by tunnelling boring machine.

13