Luận văn thạc sĩ xây dựng Nghiên cứu tính toán tường trong đất trong thi công hầm vượt tại thành phố nam định

Bộ giáo dục và đào tạo

Bộ xây dựng

Trường đại học kiến trúc hà nội

đỗ nhật tân

Nghiên cứu tính toán tường trong đất
trong thi công hầm vượt
tại thành phố nam định

luận văn thạc sĩ kỹ thuật
chuyên ngành: xây dựng dân dụng và công nghiệp
mã số: 60.58.20

Hà Nội 2011


Bộ giáo dục và đào tạo

Bộ xây dựng

Trường đại học kiến trúc hà nội

đỗ nhật tân

Nghiên cứu tính toán tường trong đất
trong thi công hầm vượt
tại thành phố nam định

luận văn thạc sĩ kỹ thuật
chuyên ngành: xây dựng dân dụng và công nghiệp
mã số: 60.58.20

người hướng dẫn khoa học
gs.ts đỗ như tráng

Hà Nội 2011


Bộ giáo dục và đào tạo

Bộ xây dựng

Trường đại học kiến trúc hà nội

đỗ nhật tân

Nghiên cứu tính toán tường trong đất
trong thi công hầm vượt
tại thành phố nam định

luận văn thạc sĩ kỹ thuật
chuyên ngành: xây dựng dân dụng và công nghiệp
mã số: 60.58.20

Hà Nội 2010

-1mở đầu
* Tớnh cp thit ca ti
Do nhu cầu phát triển của kinh tế, hầm vượt và không gian ngầm ngày
càng được quan tâm. Tại các thành phố lớn hệ thống tàu điện ngầm đang được
triển khai xây dựng. Một số dự án về hầm vượt đã được triển khai lập dự án,
khảo sát và giải phóng mặt bằng. Rất nhiều các nhà cao tầng đã và đang xây
dựng có từ một đến nhiều tầng hầm. Thi công công trình ngầm đô thị ở Việt
Nam trong một số năm trở lại đây đã sử dụng nhiều phương pháp thi công hiện
đại như phương pháp khiên đào (TBM- tại hầm dẫn nước công trình Thủy điện
Đại Ninh Tây Nguyên- sẽ sử dụng TBM trong đất yếu, tại các công trình Metrô
ở Hà nội và thành phố HCM), phương pháp hầm dìm để thực hiện xây dựng các
công trình hầm dưới nước (thi công hầm vượt Thủ Thiêm), sử dụng phương
pháp tường trong đất

Một loạt các dự án xây dựng hầm vượt được nghiên cứu

triển khai xây dựng: dự án hầm vượt sông Thủ Thiêm (T.p Hồ Chí Minh), hầm
vượt sông Hương (Huế), dự án tàu điện ngầm tại Tp Hà Nội và Tp Hồ Chí
Minh, các dự án hầm vượt đường bộ

Trong đó một số dự án đã hoàn thành,

một số dự án đang được triển khai.
Trong các dự án về hầm vượt đã xây dựng chúng ta chủ yếu thi công
bằng phương pháp đào mở. Phương pháp thi công tường trong đất ở Việt Nam
cho đến nay được sử dụng chủ yếu trong thi công các tầng hầm nhà cao tầng và
các công trình phục vụ cho giao thông chủ yếu ở các Thành phố lớn. Hiện nay
trong các dự án hầm vượt đường bộ thường được thiết kế đi ngầm trong đất và
sử dụng phương pháp thi công tường trong đất là chủ yếu. Do những ưu điểm
đặc biệt của phương pháp tường trong đất là:

- Thi công được các công trình ngầm có độ sâu lớn.
- Thích dụng trong mọi điều kiện địa chất, đặc biệt trong các vùng đất
yếu, mực nước ngầm cao.


-2- Đảm bảo ổn định cho các công trình phụ cận, liền kề, phù hợp sử dụng
thi công trong các công trình có điều kiện mặt bằng xây dựng chật hẹp.
- Giảm khối lượng thi công, có thể thi công theo phương pháp ngược
(top -down) có lợi cho việc tăng nhanh tốc độ thi công.
- Tường vừa có thể dùng làm kết cấu bao che ở độ sâu lớn lại có thể kết
hợp làm kết cấu chịu lực (cho các công trình ngầm), làm móng cho công trình
trong những điều kiện nhất định.
Cho nên việc nghiên cứu áp dụng tường trong đất trong thi công hầm
vượt là cần thiết. Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu

Nghiên cứu tính toán

tường trong đất trong thi công hầm vượt tại Thành phố Nam Định .
* Mc tiờu ti lun văn
- Nghiên cứu và tính toán tường trong đất vào xây dựng công trình hầm
vượt ở Việt Nam, áp dụng cụ thể cho hầm vượt dự kiến sẽ được xây dựng tại
Thành phố Nam Định.
- ứng dụng khảo sát, phân tích sự làm việc của kết cấu cấu tường trong
đất trong thi công công trình hầm vượt với các điều kiện địa chất ở Thành phố
Nam Định.
- Phân tích sự làm việc của kết cấu công trình ngầm thi công theo
phương pháp tường trong đất, từ các kết quả nghiên cứu có thể đề xuất các
kiến nghị về giải pháp kết cấu hợp lý.
* i tng v phm vi nghiờn cu
Các công trình hầm vượt ứng dụng công nghệ tường trong đất với điều

kiện địa chất tại Thành phố Nam Định.
* Ni dung nghiờn cu ca ti
Luận văn có ba chương với các nội dung chính như sau
Chương 1: Tổng quan về công trình hầm vượt và các phương pháp thi
công hầm vượt. Giới thiệu về phương án hầm vượt dự kiến tại Thành phố Nam
Định.


-3Chương 2: Lý thuyết tường trong đất trong thi công công trình hầm vượt
Chương 3: Phân tích, khảo sát sự làm việc của tường trong đất trong thi
công hầm vượt và tính toán kết cấu vỏ hầm vượt.
Kết luận và kiến nghị
* Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về công trình hầm, các công nghệ thi
công hầm đặc biệt là công nghệ tường trong đất trong thi công hầm vượt, kết
hợp với các tài liệu thực tế thiết kế và thi công các công trình ngầm tại Việt
Nam và tại Hà Nội. Tiến hành nghiên cứu phân tích kết cấu tường trong đất
theo quá trình thi công, từ đó đưa ra kiến nghị về lựa chọn mô hình tính toán
và dạng kết cấu vỏ hầm thích hợp.
Tiến hành khảo sát với dạng kết cấu hầm vượt dự kiến thi công tại
Thành phố Nam Định với một số dạng điều kiện địa chất ở Thành phố Nam
Định. Việc khảo sát được thực hiện bằng các phần mềm hiện hành trong đó
xây dựng một phần mềm tính toán bằng ngôn ngữ lập trình Matlab.
* ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Các kết quả nghiên cứu của đề tài luận văn có thể được sử dụng làm tài
liệu tham khảo, nghiên cứu và áp dụng cho chuyên ngành địa kỹ thuật, thi
công và xây dựng công trình ngầm đô thị, là cơ sở khoa học để kiến nghị sử
dụng công nghệ ứng dụng tường trong đất trong thi công các hầm vượt tại
Thành phố Nam Định và ở những nơi có điều kiện địa chất tương tự.

-4Chương I- Tổng quan về công trình hầm vượt
Và các phương pháp thi công hầm vượt
Giới thiệu về phương án hầm vượt dự kiến tại tP nam định
1.1. Tổng quan về công trình hầm vượt [1, 9, 12]
1.1.1. Định nghĩa và phân loại
Hầm là công trình nhân tạo nằm trong lòng đất có một hoặc cả hai đầu
nối thông với mặt đất dùng vào mục đích giao thông, dẫn nước hoặc bố trí các
hệ thống kỹ thuật khác.... Hầm có thể nằm ngang hoặc nghiêng, trường hợp
công trình bố trí theo phương đứng thì gọi là giếng.
Ngày nay hầm được sử dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực khác nhau
của nền kinh tế quốc dân đặc biệt là ở các nước phát triển. Đa số các công
trình hầm, đặc biệt là hầm lớn dùng vào mục đích giao thông như hầm đường
sắt, hầm đường bộ, đường thủy. Một số công trình loại này được sử dụng hỗn
hợp cho cả đường sắt và ô tô. Các công trình hầm cũng là những hạng mục
phổ biến trong việc xây dựng các công trình thủy lợi đầu mối như các trạm
thủy điện, công trình thủy.... Trong xây dựng và phát triển các thành phố hầm
vượt được sử dụng rộng rãi để bố trí các mạng lưới giao thông, để làm các kho
tàng, bể chứa, gara, bãi chứa xe và các mục đích đặc biệt khác.
Theo công dụng và những đặc biệt về kết cấu hầm được chia thành các
nhóm và các loại sau:
Bảng 1.1- Phân loại hầm
STT

Đặc điểm công trình

1

Hầm trên đường giao thông

2

Hầm thủy lợi

Phân loại

- Hầm đường sắt
- Hầm xe điện ngầm
- Hầm đường ô tô
- Hầm cho người đi bộ
- Hầm đường thủy.....
- Hầm trong các trạm thủy điện
- Hầm thủy nông: hầm dẫn nước tưới


-5tiêu, cải tạo đất
- Hầm trên các đường cấp thoát nước
- Hầm đường thủy
- Hầm cấp, thoát nước
Hầm để bố trí các hệ thống
- Hầm để cấp hơi, cấp nhiệt
kỹ
thuật,
đặc
biệt
quan
trọng
3
- Hầm để bố trí mạng lưới thông tin liên
trong thành phố, khu dân cư,

lạc, mạng điện và các hệ thống năng
khu công nghiệp....
lượng khác...
- Hầm giao thông, vận chuyển
Hầm
trong
công
nghiệp
khai
4
- Hầm thoát nước
thác mỏ
- Hầm thông gió...
- Hầm dùng cho mục đích quân sự: hầm
phòng tránh, hầm chiến lược, hầm chứa
máy bay, tàu thuyền...
- Các gara, kho tàng ngầm
- Hầm cho các nhà máy như nhà máy
5
Hầm có ý nghĩa đặc biệt
điện nguyên tử, các nhà máy quốc
phòng có ý nghĩa đặc biệt...
- Các trung tâm thương mại, nghỉ ngơi
trong các thành phố hiện đại...
- Các phòng thí nghiệm quan trọng của
nền KTQD.
- Hầm xuyên núi
6
Theo khu vực xây dựng
- Hầm đồng bằng

- Hầm trong thành phố
1.1.2. Lịch sử xây dựng hầm vượt trên Thế giới
Nguồn gốc của việc xây dựng hầm đầu tiên phải kể đến việc tạo nên
những hang ngầm từ thời cổ xưa. Từ lâu, trước công nguyên ở Babilon, Ai
Cập, Hy Lạp và La Mã công tác xây dựng ngầm được tiến hành để khai thác
khoáng sản, xây dựng các lăng mộ, nhà thờ... sau đó đến cấp nước và giao
thông. Đáng kể hơn là những hầm do người La Mã xây dựng vào mục đích
cấp, thoát nước và giao thông, một số còn giữ nguyên cho đến ngày nay.
Vào cuối thời kỳ trung cổ do việc mở rộng quan hệ giữa các dân tộc
cũng như việc rút ngắn con đường buôn bán người ta đã xây dựng các hầm


-6đường thủy nối các đường giao thông thủy đang ngăn cách nhau bởi các dãy
núi bằng việc sử dụng thuốc nổ đen để phá đá.
Việc xuất hiện đường sắt là nguyên nhân thúc đẩy sự nghiệp phát triển
hầm sau này. Hầm đường sắt đầu tiên dài 1190m xây dựng năm 1826-1830 từ
Liverpool đến Manchester Anh. Cũng trong thời kỳ này, hầm đường sắt được
xây dựng ở Pháp và các nước Châu Âu khác.
Sau chiến tranh thế giới lần thứ I, nhịp điệu xây dựng hầm giảm bởi vì
đến thời kỳ này hầu như mạng lưới đường sắt đã hoàn thiện ở các nước Châu
Âu. Trong số những hầm xây dựng thời kỳ này có hầm Apenhin B trên tuyến
Phlorece đi Bolona (1920-1931). Đây là hầm đường sắt tuyến đôi dài nhất thế
giới có một ga ở giữa. Cũng thời kỳ này (1927) đã kết thúc việc xây dựng hầm
đường thủy Rove dài 7,12Km trên tuyến Marcei-Ron ở Pháp có tiết diện
ngang lớn nhất thế giới 24,5x17,1m.
Tuyến đường xe điện ngầm ở Luân Đôn vận hành năm 1863 là các
tuyến xe điện ngầm đầu tiên trên thế giới và nó cũng mở đầu thời kỳ xây dựng
các hệ thống xe điện ngầm ở thành phố lớn trên thế giới. Đến nay thế giới đã
đưa vào vận hành trên 100 hệ thống xe điện ngầm ở trên 30 nước và cũng
đang thiết kế thi công hơn 30 hệ thống khác.

1.1.3. Tổng quan về xây dựng hầm vượt ở Việt Nam
Các công trình ngầm đô thị như hệ thống tàu điện ngầm, bãi đỗ xe
ngầm, hầm vượt đường bộ ..., cho tới cuối thế kỷ XX vẫn chưa có công trình
nào được xây dựng ở Việt Nam
Trong những năm đầu thế kỷ XXI và tương lai gần, các công trình
ngầm sẽ xây dựng ở các thành phố lớn có thể kể đến:
* Tại Thành phố Hà Nội:
- Dự án tuyến đường sắt đô thị/tàu điện ngầm (Metro) có hai dự án đang
được thực hiện là: Dự án thí điểm đoạn Nhổn - Ga Hà Nội theo hướng đông tây (tuyến số 3) dài khoảng 12,5km trong đó có khoảng 9km đi cao, 4km hầm,


-74 ga ngầm. Và tuyến 2 theo hướng Bắc - Nam (Từ Liêm - Nam Thăng Long Thượng Đình), riêng dự án này phân làm 2 tiểu dự án DA1 từ Nam Thăng
Long - phố Trần Hưng Đạo và DA2 từ phố Trần Hưng Đạo đến Thượng Đình,
4 tuyến khác đang nằm trong giai đoạn thiết kế cơ sở.
- Công trình ngầm tại nút giao thông: Một trong các giải pháp xây dựng
có hiệu quả khi xây dựng nút giao thông là sử dụng các công trình ngầm tại
các nút giao. Các dự án xây dựng hầm bộ hành đã và đang được xây dựng như
nút Ngã Tư Vọng, nút Kim Liên, nút Ngã Tư Sở, hầm chui và nút giao Trung
tâm Hội nghị quốc gia... Hiện đã thi công xong hầm chui ngã tư Kim Liên (và
nhiều công trình khác). Dùng hệ cột chống đứng, dầm văng/thanh chống
ngang và giằng xiên để ổn định hố đào sâu hơn 9m. Đáy hố đào được gia cố
và chặn nước ngầm bằng kỹ thuật phụt vữa cao áp

Hình 1.1- Công trình hầm chui ngã tư Kim Liên, Hà Nội tháng 2/2008
- Công trình ngầm vượt sông: Theo điều chỉnh quy hoạch chung của Hà
Nội đến năm 2020 là mở rộng thành phố chủ yếu theo hướng Tây Bắc và Tây
Nam lấy sông Hồng làm trục đối xứng. Việc xây dựng các công trình vượt
sông Hồng đang trở thành vấn đề cấp bách, ngoài việc xây dựng các cầu lớn
vượt sông Hồng như cầu Thanh Trì, cầu Nhật Tân... một số dự án về hầm vượt

-8sông Hồng cũng đã được đề xuất và trong tương lai việc xây dựng các hầm
vượt sông Hồng là rất khả thi.
- Công trình ngầm bãi đỗ xe, công trình ngầm chứa đường dây đường
ống kỹ thuật và các loại đường ngầm khác. Hà Nội dự kiến xây dựng một số
bãi đỗ xe, khai thác ngầm các điểm dịch vụ thương mại, vệ sinh công cộng...
Đã thấy có sự chuẩn bị cho dự án xây gara ôtô ngầm ở vườn hoa Hàng Đậu,
nghiên cứu cho sự khai thác không gian ngầm phục vụ mục đích thương mại
tại các ga ngầm và các tổ hợp thương mại dọc theo hai tuyến metro đầu tiên số
2 và số 3 nói trên.
* Tại Thành phố Hồ Chí Minh:
- Công trình ngầm tại nút giao thông: tại Thành phố Hồ Chí Minh đã
lập dự án chuyển 4 nút giao thông cùng mức thành giao thông khác mức bằng
hình thức giao chui, bao gồm: nút Nam Kỳ Khởi Nghĩa - Lý Chính Thắng, nút
Điện Biên Phủ - Hai Bà Trưng, nút Xô Viết Nghệ Tĩnh - Cách Mạng Tháng
Tám và nút Quảng trường Dân Chủ.
- Công trình ngầm vượt sông: Thành phố Hồ Chí Minh với đặc trưng địa
hình đồng bằng Nam Bộ nhiều sông rạch, muốn giữ sự độc đáo cảnh quan
sông nước và môi trường thiên nhiên phải sử dụng rất nhiều công trình vượt
sông. Một trong những công trình vượt sông đã được xây dựng đó là đường
mới Thủ Thiêm (trong đó có hầm Thủ Thiêm). Công trình này là gói thầu số 4
nằm trong dự án xây dựng đại lộ Đông - Tây, có chiều dài khoảng 22km đi
qua địa bàn 6 quận huyện nối trung tâm thành phố với đô thị mới Thủ Thiêm.
Tổng chiều dài của hầm là 1.774m (đường dẫn: 551m, đường hầm có nắp:
851m, hầm dìm: 372m). Chiều cao toàn bộ hầm (cả vỏ) là 22,80m. Hầm gồm
4 làn xe chạy.
- Các tuyến đường sắt đô thị (Metro): Thành phố Hồ Chí Minh đã lập
dự án nghiên cứu tiền khả thi về hệ thống giao thông đô thị bằng phương tiện
bánh sắt trong đó có hệ thống metro khép kín. Một số tuyến chính được dự

-9kiến xây dựng như tuyến số 1 Bến Thành - Suối Tiên dài 19,7km, tuyến số 2
từ ngã tư An Sương - Bến Thành - Thủ Thiêm dài 19km, tuyến số 3 từ Quốc lộ
13 - bến xe Miền Đông - Tân Kiên dài 24km, tuyến số 4 từ Bến Cát - đường
Nguyễn văn Linh dài 24km, tuyến số 5 từ cầu Sài Gòn - bến xe Cần Giuộc dài
17km và tuyến số 6 từ ngã ba Bà Quẹo - vòng xoay Phú Lâm dài 6km.
- Công trình ngầm bãi đỗ xe, công trình ngầm chứa đường dây đường
ống kỹ thuật và các loại đường ngầm khác. Dự án xây gara ô tô ngầm ở công
viên Tao Đàn, ở góc đường Huyền Trân Công Chúa và Nguyễn Du, bãi đỗ xe
ngầm Lam Sơn, gara ô tô ngầm ở công viên Lê Văn Tám...
1.1.4. Giới thiệu về phương án hầm vượt dự kiến tại Thành phố Nam Định
Thành phố Nam Định là trung tâm kinh tế phía Nam đồng bằng sông
Hồng nằm giữa 3 tỉnh Thái Bình, Ninh Bình và Hà Nam. Thành phố đang
phấn đấu xây dựng một thành phố văn minh hiện đại góp phần ngày càng lớn
với cả nước. Chính vì vậy, Thành phố Nam Định có sức hấp dẫn rất lớn đối với
các nhà đầu tư trong và ngoài nước. Mạng lưới cơ sở hạ tầng tương đối tốt
nhưng quy mô và chất lượng chưa đáp ứng với nhịp độ phát triển kinh tế ngày
càng tăng hiện nay và trong tương lai nhất là khu vực trung tâm Thành phố.
Hướng phát triển không gian chủ yếu của Thành phố là về phía Hòa Vượng,
Tân An, Lộc Hòa, An Xá (xoay quanh trục quốc lộ 10 hướng từ Hải Phòng Thái Bình - Nam Định - Ninh Bình). Về hạ tầng cơ sở hoàn chỉnh mạng lưới
giao thông vành đai, các trục giao thông ra vào cửa ngõ, giảm bớt ách tắc, giải
tỏa các nút giao thông lớn...
Theo tài liệu nghiên cứu của Tổng cục địa chất, Thành phố Nam Định
nằm trong cấu trúc võng địa hào. Nó lọt giữa 2 đứt gãy lớn, chạy theo hướng
Tây Bắc - Đông Nam là đứt gãy sông Hồng. Địa tầng Thành phố Nam Định
gồm 2 phần: Phần dưới là tầng móng bao gồm đất đá cổ có tuổi trước kỉ Đệ tứ.
Thành phần thạch học bao gồm phiến thạch sét, phiến thạch mica, sa thạch và
đá vôi. Phần trên là tầng phủ khá dày bao gồm các trầm tích mềm dính có tuổi

-10Đệ tứ. Trong đó nền đất phân bố hầu như rộng khắp, phát triển từ bề mặt đến
độ sâu khoảng 20m và có nơi lớn hơn. Dưới độ sâu này thường gặp những lớp
trầm tích Đệ tứ hệ tầng Vĩnh Phúc thành phần chủ yếu là sét, sét pha trạng
thái dẻo mềm đến nửa cứng. Mực nước ngầm ổn định ở độ sâu 1,2 ữ 1,5m.
Thành Phố Nam Định đang chuẩn bị lập dự án chuyển nút giao thông
cùng mức thành giao thông khác mức bằng hình thức giao chui tại nút giao cắt
Quốc lộ 10 và đường đi Hà Nội tại xã Tân An Lộc Hòa. Dự kiến hầm chui
được thi công đào hở với việc sử dụng công nghệ tường trong đất làm kết cấu
chắn giữ kết hợp làm kết cấu của hầm.

Hình 1.2- Nút giao thông giao cắt giữa Quốc lộ 10 và đường đi Hà Nội
tại xã Tân An

Lộc Hòa

TP Nam Định

1.1.4.1. Vị trí nút giao thông hầm vượt tại Thành phố Nam Định
Nút giao thông hầm vượt tại Thành phố Nam Định nằm trong phạm vi
giữa trung tâm Thành phố Nam Định và xã Lộc Hòa, là giao cắt giữa trục
đường 10 (Thái Bình Nam Định Ninh Bình) và đường đi Hà Nội (từ


-11trung tâm Thành phố Nam Định đi Hà Nội). Nút giao thông này được coi là
một trong những cửa ngõ chính vào Thành phố.
Nút giao thông hầm vượt tại Thành phố Nam Định thuộc phạm vi của
xã Tân An Lộc Hòa, xung quanh nút có một số cơ quan, bến xe và khu đô
thị mới Hòa Vượng.
1.1.4.2. Hiện trạng nút giao thông hầm vượt tại Thành phố Nam Định
Đây nút giao thông cùng mức, được tổ chức giao thông cưỡng bức bằng

các đảo tròn. Hiện trạng các đường dẫn vào nút như sau:
- Phía Đông, Tây: Đường đi từ trung tâm Thành phố Nam Định đi Hà
Nội rộng 21m lòng đường rộng 16m được chia làm hai chiều không có sự
phân biệt rõ ràng giữa làn xe thô sơ và làn xe cơ giới.
- Phía Nam, Bắc: Quốc lộ 10 rộng 36m gồm 4 làn xe cơ giới và 2 làn xe
thô sơ, ở giữa có dải phân cách trung tâm rộng 3m.
Kết quả phân tích năng lực thông hành cho thấy dòng xe chạy thẳng
lớn, dòng xe rẽ trái lớn, số lượng các điểm xung đột nhiều. Dòng xe rẽ trái từ
trung tâm Thành phố Nam Định qua đường 10 đi vào khu công nghiệp Hòa
Xá, cụm công nghiệp An Xá, từ Phủ Lý chạy về Thái Bình thường không chạy
vòng qua đảo giao thông theo quy định mà rẽ trái ngay trước nút gây ra tình
trạng giao thông lộn xộn cản trở lưu thông của các dòng xe khác, tăng số
lượng các điểm xung đột. Tuyến đường sắt chạy song song với đường đi Hà
Nội gây ảnh hưởng lớn đến lưu thông qua nút, đặc biệt là khi có tàu chạy qua.
Đây là một trong những nguyên nhân chính gây ùn tắc. Việc cải tạo nút giao
thông giao cắt giữa quốc lộ 10 và đường đi Hà Nội từ nút giao thông đồng mức
sang khác mức sẽ góp phần giải quyết các khó khăn trên
1.1.4.3. Đặc điểm địa chất tại Thành phố Nam Định liên quan đến việc xây
dựng hầm đường bộ
+ Lớp 1: Lớp kết cấu áo đường dày 0.5m
+ Lớp 2: Lớp kết cấu đất đắp dày 1.0m


-12+ Lớp 3: Lớp đất san lấp, sạn xỉ, gạch vỡ phần dưới là đất sét pha dày 1.5m
+ Lớp 4: Đất cát, cát pha màu xám, xám đen, trạng thái dẻo dày 4m
+ Lớp 5: Bùn sét pha màu xám, xám gụ xen kẹp các mạch cát pha dày 1.5m
+ Lớp 6: Đất cát, cát pha màu xám, xám đen, trạng thái dẻo dày 4.5m
+ Lớp 7: Bùn sét pha màu xám, xám gụ xen kẹp các mạch cát pha dày 10m
+ Lớp 8: Lớp sét pha màu xám, xám gụ xen kẹp các mạch cát pha dày 6.5m
+ Lớp 9: Cát hạt mịn màu xám, xám đen dày 10m

Qua thu thập tại hiện trường có thể đi đến một số kết luận và kiến nghị
như sau: Lớp đất 1, 2, 3 được bóc bỏ khi thi công. Lớp 4, 5, 6 là lớp đất khá
tốt xen kẹp với lớp đất xấu có chiều dày 10m. Lớp 7, 8 là lớp đất yếu có chiều
dày khá lớn (dày 16.5m). Lớp 9 là lớp đất khá tốt có chiều dày lớn.
Từ kết quả tổng hợp phân chia các lớp đất cho thấy lớp đất trên khá tốt,
lớp đất giữa rất xấu, phân bố ở độ sâu khoảng trên dưới 30m là lớp đất tốt.Khi
thiết kế và chọn giải pháp cần xem xét và đánh giá kỹ về điều kiện địa chất để
công trình được ổn định theo thời gian và đảm bảo hiệu quả kinh tế.
1.1.4.4. Phương án mặt cắt cho hầm vượt dự kiến tại Thành phố Nam Định

M.cắt địa chất

Trạm bơm nước

Hình 1.3- Mặt cắt dọc, mặt bằng cho hầm vượt dự kiến tại TP Nam Định


-13t = 300mm, Lớp CPĐDL2
t = 200mm, Lớp CPĐDL1
t = 70mm, Asphalt hạt thô
t = 50mm, Asphalt hạt mịn

1%

Cống ngầm D1000

Lớp BTAF t = 75mm
Lớp phòng nước t = 4mm

Lớp đệm cát

t=500mm

Hình 1.4- Mặt cắt ngang hầm
Dạng mặt cắt hình hộp chữ nhật mái sườn hai nhịp (có vách ngăn giữa)
- Chiều cao hầm

: 6,9m

- Chiều dày tường

: 1m

- Chiều dày dầm nóc

: 1m

- Chiều dày dầm đáy

: 0,75m

- Chiều dày tường ngăn : 0,5m
- Tĩnh không

- Độ dốc dọc trong hầm : 2,5%

: 4.5*(2*1.25+2*7+0.5)

Đây là dạng kết cầu phù hợp với phương pháp thi công lộ thiên bằng
công nghệ thi công tường trong đất và phương pháp thông thường ổn định
vách hố đào bằng cọc cừ có thể là lắp ghép hoặc đổ tại chỗ. Nó có ưu điểm là

hệ số sử dụng không gian cao kết hợp với tường trong đất làm tường chịu lực,
phương pháp thi công đơn giản, dễ định hình hóa các cấu kiện thi công lắp
ghép nên khả năng cơ giới hóa cao. Nhưng cũng có nhược điểm là khả năng
chịu lực kém hơn so với kết cấu vòm, cần phải mở rộng hầm sang một bên để
bố trí các đường ống kỹ thuật (hệ thống cáp điện, hệ thống thông gió, hệ thống
thoát nước ), chiều dày dầm nóc khá lớn do phải chịu tải trọng bên trên tương
đối lớn.


-141.2. Tổng quan về các phương pháp thi công hầm [2, 8, 12, 17]
1.2.1. Các phương pháp đào kín
1.2.1.1. Phương pháp mỏ truyền thống
Đây là phương pháp thi công phổ biến dùng để thi công các hầm lò khai
thác khoáng sản. Nhiều đường hầm giao thông, thủy lợi và quân sự cũng được
thi công theo phương pháp này. Trong đất đá cứng hầm thường được thi công
bằng khoan nổ mìn. Trường hợp hầm thi công trong điều kiện địa chất yếu
không ổn định cần phải chống tạm ngay. Kết cấu chống tạm hoặc bằng khung
gỗ, hoặc bằng vòm thép, khung sườn thép. Hệ thống vỏ cuối cùng của đường
hầm là kết cấu gạch đá hoặc bê tông, bê tông cốt thép. Đôi khi người ta cũng
sử dụng hệ thống neo và bê tông phun làm kết cấu chống tạm.
1.2.1.2. Thi công hầm theo phương pháp NATM
Quan điểm thiết kế và thi công hầm theo các phương pháp thi công
truyền thống là coi đất đá xung quanh gây ra áp lực tác dụng lên vỏ hầm. Vỏ
hầm khi đó là kết cấu chịu lực chính. Vì vậy mà sau khi khai đào xong cần
nhanh chóng xây dựng kết cấu chống đỡ vỏ hầm để chịu sự tác động của đất
đá xung quanh
NATM là phương pháp thi công hầm bao gồm các biện pháp mà việc
hình thành đất đá xung quanh hầm được liên kết thành kết cấu vòm chống. Do
đó, việc liên kết này tự bản thân nó sẽ trở thành một phần của kết cấu chống
đỡ. Khi đào hầm sự cân bằng hiện có nguyên thủy của các lực trong khối đá sẽ

chuyển sang tình trạng cân bằng mới, thứ cấp và cũng ổn định. Điều này chỉ
có thể đạt được thông qua sự kế tiếp của các giai đoạn trước mặt cùng với tiến
trình phân bổ các ứng suất đa dạng. Mục đích của NATM là kiểm soát được
tiến trình chuyển đổi này trong khi vẫn cân nhắc về mặt kinh tế và vẫn an
toàn. Phương pháp này thường áp dụng trong điều kiện đất đá tốt. Khi đất đá
yếu, rời rạc vẫn có thể áp dụng NATM nhưng chi phí tốn kém hơn do phải
dùng các phương pháp phụ trợ.


-151.2.1.3. Phương pháp thi công TBM
Phương pháp thi công TBM là phương pháp thi công bằng máy liên hoàn.
Máy đào hầm đầu tiên được Beaumont (người Anh) thiết kế năm 1864 và đưa
vào chế tạo, sử dụng năm 1881 để đào hầm dưới eo biển English Chanel. Tuy
vậy máy đào đường hầm thương phẩm chỉ được James S.Robbins đưa vào sử
dụng lần đầu ở các mỏ vùng Bắc Mỹ vào năm 1947, cùng khoảng thời gian đó
những máy tương tự cũng được phát triển ở Châu Âu. Nếu như ban đầu các máy
đào đường hầm chỉ sử dụng ở những công trình đất đá mềm như cát kết mềm,
phiến sét, các mỏ muối... thì cho đến nay các máy đào đường hầm có thể sử
dụng để đào trong đất đá cứng có độ bền nén đến 300Mpa. Phương pháp thi
công bằng máy đào đường hầm TBM là một phương pháp thi công hiện đại, tốc
độ thi công nhanh.
1.2.2. Các phương pháp đào hở (lộ thiên)
Thi công theo phương pháp đào lộ thiên phức tạp nhất là khâu đào đất,
còn công tác thi công kết cấu chính hoàn toàn giống như việc thi công công
trình nổi trên mặt đất. Trình tự thi công đào lộ thiên như sau:
- Đào đất từ trên xuống dưới đến cao độ thiết kế.
- Thi công kết cấu chính từ dưới lên trên tương tự công trình nổi.
- Đắp trả hố đào và khôi phục lại mặt bằng như trước.
1.2.2.1. Đào lộ thiên với mái dốc tự nhiên
Theo phương pháp này trong đất ổn định có độ ẩm tự nhiên và khi có

mặt bằng rộng thì có thể đào hầm với mái dốc tự nhiên mà không cần gia
cường. Việc đảm bảo ổn định hố móng chỉ dựa vào khả năng tự ổn định của
mái đất tự nhiên (Hình1.5).
Phương pháp này có đặc điểm là thi công nhanh do cơ giới hóa tốt, chất
lượng thi công dễ kiểm soát nhưng khối lượng đất đào lại tăng lên và diện tích
mặt bằng yêu cầu rất lớn do đó không hợp lý với điều kiện đô thị chật hẹp.


-16-

1.Mỏi dc t nhiờn 2.Cụng trỡnh ngm 3.Cụng trỡnh xõy ni
Hỡnh1.5- S o l thiờn vi mỏi dc t nhiờn
1.2.2.2. Đào lộ thiên với hệ gia cường cố định
* Hệ gia cường kiểu công-son:
Trong khu vực đô thị, khi chiều sâu đào lớn và trong điều kiện mặt bằng
thi công chật hẹp thì việc mở móng với mái dốc tự nhiên là không khả thi.
Ngoài ra cần phải hạn chế khối lượng công tác đào đất nên người ta dùng kết
cấu chịu lực kiểu công-son hạ xuống hố móng sau đó mới tiến hành đào hố
móng. Kết cấu này dựa vào độ cứng bản thân và áp lực đất bị động để chống
lại áp lực đất chủ động bên ngoài (Hình1.6)

1.Cụng trỡnh ngm 2.Cụng trỡnh xõy dng ni
3.Kt cu gia cng vỏch h o
Hỡnh1.6- S m h o vi h gia cng kiu cong son
Hệ gia cường kiểu công-son này có thể là cọc gỗ, cọc thép, cọc BTCT,
cọc nhồi đặt sít với nhau thành tường chắn tương tự như dạng cọc ván thép


-17hoặc cách quãng và phun bê tông tùy theo yêu cầu chịu lực. Hiện nay người ta
còn làm hệ gia cường dạng tường chắn bằng cọc khoan đóng hoặc hạ cọc, cột

BTCT vào lỗ khoan sẵn và sử dụng các panen tường đúc sẵn. Hệ gia cường
này phần lớn lấy lại được sau khi xây dựng xong nhưng hầu như không tận
dụng được.
Khi chiều sâu đào lớn, hệ gia cường chịu lực quá lớn và nếu điều kiện
đô thị cho phép mái hố đào có thể được dỡ tải đến mực nước ngầm sau đó mới
hạ kết cấu che chắn xuống dưới hố móng và tiến hành đào (hình 1.7a) hoặc có
thể đóng hệ gia cường xuống đến độ cao dưới mực nước ngầm trước, phần còn
lại mở móng với mái dốc tự nhiên (hình 1.7b).
2
B

B

1
3

B1
B2

B1
B2

1.Cụng trỡnh ngm 2.Cụng trỡnh xõy dng ni
3.Kt cu gia cng vỏch h o
Hỡnh 1.7- H gia cng kiu cụng-son cú bin phỏp gim ti
Kết cấu này có ưu điểm là rất thuận tiện khi thi công đào đất bằng cơ
giới hóa dễ đảm bảo chất lượng thi công vì trong hố móng không có chướng
ngại vật cản trở. Tuy nhiên hệ gia cường loại này rất phức tạp khi thi công nó
và tốn kém do chịu lực rất lớn nhất là khi thi công hố móng sâu.
*Kết cấu che chắn vây xung quanh:

Khi hố móng sâu, hệ kết cấu gia cường kiểu công-son không còn hợp lý
nữa. Khi đó người ta tiến hành dùng hệ thanh chống hoặc neo trong đất để
tăng cường cho hệ gia cường loại này.
- Hệ thống chống ngang (Hình 1.8): Hệ thống nằm ngang gồm hai loại
thanh chống là chống ngang và chống góc. Các thanh chống này thường làm


-18bằng thép hình, thép ống chế tạo thành dạng tăng-đơ để có thể thay đổi chiều
dài khi cần thiết điều chỉnh. Sau khi thi công kết cấu che chắn xong, tiến hành
đào đất đến cao độ lớp chống ngang thứ nhất thì lắp ghép hệ thống ngang thứ
nhất; tiếp tục đào đến cao độ lớp 2 và lắp hệ thanh chống thứ hai lặp lại
phương pháp trên cho đến cao độ đáy móng thì ngưng sau đó thi công kết cấu
chính. Ưu điểm của hệ thống chống ngang là chuyển vị ngang của tường nhỏ,
chiều sâu đào không bị hạn chế nhưng lại khó cơ giới hóa thi công do vướng
hệ thống chống.
Lớp chống 1
Lớp chống 2

Mặt đất

Thanh văng

Mặt đào

Kết cấu che chắn

Hỡnh 1.8- S kt cu võy xung quanh v h thng chng ngang
- Hệ thống chống xiên (Hình 1.9): Hệ thống chống xiên được sử dụng
khi bề ngang hố móng lớn và hình dạng không đồng nhất. Sau khi đóng kết cấu
gia cường đến cao độ, tiến hành đào hố móng theo phương pháp rãnh trung tâm

đến cao độ đáy móng chống xiên, lắp đặt hệ thống chống xiên một đầu chống
vào kết cấu gia cường và một đầu chống vào khối móng vừa xây dựng xong,
sau đó đào khối đất còn lại. Khi lắp các thanh chống xiên, lắp thanh ngoài cùng
trước sau đó lắp thanh phía trong rồi mới thi công kết cấu chính.
Ưu điểm của loại chống xiên là thi công được ở những địa hình không
cho phép đào hố móng theo kích thước đồng nhất. Tuy nhiên nhược điểm lớn
nhất của loại này là chuyển vị ngang của kết cấu gia cường tương đối lớn dễ
gây lún sụt cho đất bên ngoài hố móng và công trình lân cận do đó chỉ nên
hạn chế khi chiều sâu hố móng nhỏ. Mặt khác việc thi công khối móng của hệ
chống xiên phải chia thành từng đợt xen kẽ nhau gây phức tạp.


-19Mặt đất
Thanh chống xiên thứ 1
Lăng thể trượt
Thanh chống xiên thứ 2
Mặt đào

Kết cấu che chắn

Hỡnh 1.9- S h thng chng xiờn
- Neo trong đất: Để khắc phục nhược điểm của hai hệ thống chống
ngang và chống xiên đó là gây vướng víu và hạn chế cơ giới hóa thi công ta
dùng loại kết cấu neo giữ hệ gia cường vào trong đất gọi là neo trong đất. Neo
trong đất khống chế được chuyển vị ngang của hệ gia cường, giảm nhỏ độ lún
mặt đất ngoài hố móng của công trình bên cạnh và thích hợp với nhiều loại hệ
gia cường. Neo trong đất, cấu tạo gồm 3 bộ phận cơ bản là đầu neo, thân neo
và đoạn neo giữa. Đoạn đầu neo liên kết với hệ gia cường qua thanh sườn để
liên kết các phiến của hệ gia cường. Đoạn thân neo tính từ sau đầu neo đến hết
phạm vi lăng thể trượt và được bọc bằng ống dẫn nhựa cho phép chuyển dịch

tự do. Đoạn neo giữ được bố trí ngoài lăng thể trượt của đất, tùy theo yêu cầu
chịu lực mà cốt neo có thể được mở rộng và bơm vữa để tăng lực ma sát neo
giữ. Trình tự thi công là sau khi hạ kết cấu gia cường đến cao độ, tiến hành
đào đất đến cao độ chôn neo, khoan lỗ, cắm neo vào và bơm vữa vào lỗ neo.
Sau 7 ữ 10 ngày tiến hành kéo dự ứng lực và tiếp tục đào hố móng đến cao độ
hoàn chỉnh, sau đó thi công kết cấu chính. Neo trong đất có nhiều ưu điểm
như đã nêu trên, tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của nó là công nghệ phức tạp,
giá thành cao, khó tận dụng và luân chuyển nhiều lần. Ngoài ra không nên sử
dụng neo khi địa tầng là cát chảy và có nhiều công trình xung quanh dễ gây
lún sụt.


-201.2.2.3. Đào lộ thiên với hệ gia cường di động
Để cơ giới hóa công tác đào, bốc dỡ đất và xây dựng kết cấu chính của
hầm đặt nông bằng phương pháp lộ thiên có thể áp dụng hệ thống gia cường
bằng kim loại, có tiết diện hở di động được trong quá trình thi công. Hiện nay
ở Nga (Liên Xô cũ) đã chế tạo và sử dụng tổ hợp cơ giới hoàn thiện KMO 2x5
với khiên hở như sau:
- Trang bị cho công trường đầy đủ các thiết bị và đường vận chuyển riêng
- Đào một đoạn đường sơ bộ để lắp ghép tổ hợp khiên.
- Bố trí tường trụ và di chuyển khiên đầu tiên.
- Đào từng đoạn dài 1,5m bằng máy đào gầu nghịch.
- Thi công lớp đệm của vỏ hầm.
- Vận chuyển các khối đơn nguyên vỏ hầm đến từ phía sau và dùng cẩu
chân dê chạy trên ray lắp ghép vào vị trí.
- Thi công mối nối giữa các đơn nguyên và lớp cách nước.
- Đắp đất và tái lập hiện trạng cho bề mặt trên hầm.
Phương pháp sử dụng hệ gia cường di động khắc phục hầu hết các
nhược điểm điểm của các phương pháp trước là:
- Hoàn toàn loại trừ hệ gia cường cố định và sự phức tạp khi thi công.

- Giảm khối lượng đào và đắp đất do giảm khe hở giữa hố móng và thành hầm
- Tăng mức độ cơ giới hóa thi công.
- Giảm mức độ rung và ồn, giảm biến dạng mặt đất và lún các công trình lân cận
Bên cạnh những ưu điểm kể trên, thi công sử dụng khiên hở có những
nhược điểm khó tránh khỏi sau:
- Chiều dài của đơn nguyên giới hạn bằng bước của thanh trượt kích khiên
- Lực kích di chuyển khiên rất lớn có thể gây hư hỏng vỏ hầm vì kích tì
trực tiếp lên vỏ hầm đã thi công trước đó.
- Khó đảm bảo chất lượng cho lớp đệm móng của dưới đơn nguyên hầm.
- Khó khăn khi lắp đặt lại mạng lưới kỹ thuật ngầm (nếu có).


-211.2.2.4. Đào lộ thiên có kết cấu chống giữ bằng tường liên tục trong đất
Tường liên tục trong đất chống giữ hố đào được thi công bằng các máy
đào đặc biệt tạo thành các đoạn hào với độ dài nhất định, vách hào trong quá
trình thi công được giữ ổn định bằng dung dịch sét bentônít. Sau khi tạo được
một đoạn hào, tiến hành đặt khung lưới cốt thép đã chế tạo sẵn vào trong đó
rồi tiến hành đổ bê tông bằng các ống dẫn (như đối với cọc khoan nhồi). Các
đoạn tường được nối với nhau bằng các đầu nối đặc biệt (ống đầu nối, hộp đầu
nối) tạo thành tường bê tông cốt thép liên tục trong đất. Tường liên tục trong
đất được quây lại khép kín theo chu vi hố đào, sau khi đào hố đào có thể bố trí
thêm hệ thanh chống hoặc neo để chắn đất, ngăn nước phục vụ thi công công
trình ngầm trong hố đào. Phương pháp này thích hợp cho những hố đào có độ
sâu từ 10m trở lên, mặt bằng thi công chật hẹp, điều kiện địa chất yếu nhất là
trong các tầng đất không đồng nhất có lẫn cát, cuội hoặc các tầng đá phong
hóa không sử dụng được phương pháp cọc hàng. Kết cấu tường trong đất cũng
có thể dùng các tấm tường bằng BTCT đúc sẵn. Để thi công tường liên lục
trong đất cần có các máy đào chuyên dụng (kiểu gầu ngoạm, kiểu xoay tròn
hoặc kiểu xung kích); thiết bị bơm tuần hoàn và xử lý dung dịch sét, thiết bị
cẩu lắp lưới cốt thép và các tấm tường, hệ thống đường ống để đổ bê tông dưới

nước. Tường liên tục trong đất nếu kết hợp làm kết cấu chịu lực của công trình
thì hiệu quả kinh tế cao.
1.2.3. Một số phương pháp khác thi công công trình ngầm
Ngoài các phương pháp thi công đã nêu trên để thi công công trình
ngầm còn sử dụng một số phương pháp khác như: phương pháp giếng chìm và
giếng chìm hơi ép; phương pháp hạ đoạn, phương pháp đào dưới nắp
- Phương pháp giếng chìm và giếng chìm hơi ép: thường dùng để thi
công các công trình ngầm dạng gian lớn, các giếng đứng, buồng khiên. Theo
phương pháp này trên mặt đất hoặc trong hố đào nông có nền đặc biệt xây
dựng kết cấu của công trình ngầm dạng giếng và hạ dần kết cấu xuống bằng