Nghiên cứu ứng dụng TBM cân bằng áp lực đất trong thi công hầm khu vực hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN MẠNH CHIẾN

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TBM CÂN
BẰNG ÁP LỰC ĐẤT TRONG THI CÔNG HẦM KHU
VỰC HÀ NỘI

Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm
Mã số: 60.58.02.05.04

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS NGUYỄN VIẾT TRUNG

HÀ NỘI - 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tác giả luận văn xin cam đoan bản luận văn này là công trình khoa học
độc lập của cá nhân tác giả, không sao chép. Các số liệu, kết quả nghiên cứu,
tính toán nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng và
chƣa từng đƣợc công bố trong bất kì công trình nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày …. Tháng…… năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Mạnh Chiến


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu cùng với sự truyền đạt kiến thức từ các
thầy cô Trƣờng Đại Học Giao Thông Vận Tải, tôi đã hoàn thành luận văn thạc
sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu áp dụng biện pháp TBM cân bằng áp lực đất trong
thi công hầm khu vực Hà Nội”.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS.TS
Nguyễn Viết Trung trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện Luận văn, thầy
đã tận tình hƣớng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành Luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học,
Bộ môn Cầu hầm, các Thầy, Cô đã trực tiếp giảng dạy tôi đã tạo điều kiện
thuận lợi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Do điều kiện về thời gian, kiến thức và kinh nghiệm có hạn, Luận văn
có thể còn nhiều thiếu sót mong các thầy, cô và các bạn tham gia góp ý giúp
cho Luận văn có thể hoàn thiện hơn.
Cuối cùng tôi kính chúc quý Thầy, Cô và các bạn dồi dào sức khỏe,
thành công trong cuộc sống.
Tác giả

Nguyễn Mạnh Chiến


3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................ i

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ ii
MỤC LỤC..................................................................................................... iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT....................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH............................................................................ viii
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP THI CÔNG HẦM
BẰNG TBM, ÁP DỤNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM..................... 3
1.1. Tổng quan về công nghệ thi công hầm bằng khiên đào ........................ 3
1.1.1. Lịch sử phát triển hầm theo phƣơng pháp khiên (shield) ............... 3
1.1.2. Phân loại, ƣu nhƣợc điểm và phạm vi áp dụng ............................. 9
1.1.3 Nguyên lý cơ bản của thi công hầm bằng khiên đào .................... 16
1.1.4. Một số phƣơng pháp thi công bằng khiên đào ............................. 18
1.2. Triển vọng áp dụng công nghệ thi công hầm bằng TBM ở Việt Nam .....27
1.2.1. Công trình thủy điện ................................................................... 27
1.2.2. Dự án cấp thoát nƣớc .................................................................. 28
1.2.3. Dự án giao thông ........................................................................ 29
Kết luận chƣơng 1 .................................................................................... 30
CHƢƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC HÀ NỘI VÀ SỰ LÀM
VIỆC CỦA HẦM TRONG MÔI TRƢỜNG ĐẤT YẾU............................... 31
2.1. Đặc điểm địa chất khu vực Hà Nội .................................................... 31
2.1.1. Quy luật phân bố các dạng nền tại Hà Nội .................................. 31
2.1.2. Chia khu địa kỹ thuật lãnh thổ Hà Nội theo mức độ thuận tiện
cho xây dựng công trình ngầm đô thị.................................................... 35
2.2. Sự làm việc của hầm trong môi trƣờng đất yếu .................................. 38
2.2.1. Đất đá và các tính chất cơ bản của nền đất yếu ........................... 38
2.2.2. Nền đất yếu................................................................................. 42
2.2.3. Điều kiện địa chất, thuỷ văn ảnh hƣởng đến công trình ngầm ..... 43
2.2.4. Áp lực địa tầng lên công trình ngầm ........................................... 44

4

2.2.5. Ứng xử đất – kết cấu của đất xung quanh đƣờng hầm ................. 45
2.2.6. Tải trọng tác dụng lên đƣờng hầm .............................................. 51
2.3. Các công nghệ thi công hầm bằng TBM phù hợp với điều kiện địa
chất khu vực TP Hà Nội ........................................................................... 52
2.3.1. Máy đào và phƣơng pháp thi công khiên cân bằng áp lực đất
(Earth Pressure Balanced Shield – EPB Shield).................................... 52
2.3.2. Máy đào và phƣơng pháp thi công khiên dung dịch vữa (Slurry
Shield) .................................................................................................. 69
2.3.3. Phân tích sự phù hợp của công nghệ TBM cân bằng áp lực đất
với điều kiện địa chất khu vực TP Hà Nội ............................................ 71
CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TBM CÂN
BẰNG ÁP LỰC ĐẤT TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT DỰ ÁN METRO
LINE 3 HÀ NỘI (NHỔN – GA HÀ NỘI) .................................................... 79
3.1 Tính toán thiết kế vỏ hầm sử dụng cho dự án Metro line 3 ................. 82
3.1.1. Tiêu chuẩn quy chuẩn ................................................................. 82
3.1.2. Dữ liệu đầu vào để thiết kế và kiểm tra ....................................... 82
3.1.3. Lập mô hình F.E.M..................................................................... 85
3.1.4 Phân tích kết cấu của ứng xử dài hạn và các kiểm định ................ 88
3.1.5. Phụ lục........................................................................................ 99
3.2. Đánh giá ảnh hƣởng do công tác thi công hầm bằng EPB TBM ở Hà
Nội và giải pháp kỹ thuật. Một số sự cố trong quá trình thi công EPB
TBM............................................................................................... 121
3.2.1. Đánh giá những ảnh hƣởng tiềm ẩn xảy ra do công tác thi công
hầm ở Hà Nội ..................................................................................... 121
3.2.2. Kiểm soát kỹ thuật trong xây dựng công trình ngầm theo công
nghệ EPB TBM .................................................................................. 137
3.2.3. Một số sự cố trong quá trình thi công EPB TBM ...................... 147

Kết luận chƣơng 3 .................................................................................. 156
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................... 158
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................... 160


5

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
CPS

: Chemical Plug Shield (Phương pháp khiên CPS)

CTN

: Công trình ngầm

DOT

: Double O Tube (Phương pháp khiên DOT)

DPLEX

: Developing Parallel Link Excavating shield Method
(Phương pháp khiên nhiều trục lệch tâm)

ĐSĐT

: Đƣờng sắt đô thị

ĐTCT

: Địa chất công trình

EPB TBM

: Earth Pressure Balance-Tunneling Boring Machine
(Công nghệ đào hầm bằng khiên cân bằng áp lực đất)

FEM

: Finite element method (Phương pháp phần tử hữu hạn)

GTVT TPHN

: Giao thông vận tải thành phố Hà Nội

MF

: Multi Face (Phương pháp khiên đa mặt)

MMST

: Multi Micro Shield Tunnel
(Phương pháp khiên mini đa mặt)

MSD

: Mechanical Shield Docking (Phương pháp khiên MSD)

TTGH

: Trạng thái giới hạn


6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1: Một số đƣờng hầm xây dựng trên thế giới bằng phƣơng pháp
khiên đào ...................................................................................... 9
Bảng 2-1: Cấu tạo địa tầng Tp Hà Nội......................................................... 31
Bảng 2-2: Các dạng nền tự nhiên trong khu vực thành phố Hà Nội ............. 34
Bảng 2-3: Phân loại đất đá theo M.M.PROTODIAKONOV ........................ 41
Bảng 2-4: Bảng phân loại tải trọng tác dụng lên hầm ................................... 51
Bảng 2-5: Thông số về Shield của Herrenknecht .......................................... 55
Bảng 2-6: Thông số về Shield của Kawasaki ................................................ 55
Bảng 2-7: Thông số Shield Jack của máy EPB Shield Kawasaki 6.63m tại
dự án metro Singapo ................................................................... 57
Bảng 2-8: Một số thông số về Man lock (Máy Kawasaki) ............................ 58
Bảng 2-9: Một số thông số về Metarial lock (Máy Kawasaki) ...................... 59
Bảng 2-10: Thông số của Screw Conveyor của máy EPB Kawasaki ............ 60
Bảng 2-11: Thông số của Belt Conveyor của máy EPB Kawasaki ............... 62
Bảng 2-12: Một số thông số cần chú ý về mâm cắt (Máy Kawasaki) ............ 65
Bảng 2-13: Thông số động cơ cho đầu cắt quay (Máy Kawasaki) ................ 65
Bảng 3-1: Đặc điểm chính của Metro tuyến 3............................................... 81
Bảng 3-2: Vị trí các ga ngầm của tuyến HN MTR LINE 3 ........................... 81
Bảng 3-3: Đặc trƣng bê tông C40 ................................................................. 82
Bảng 3-4: Các đặc tính của thép ................................................................... 83
Bảng 3-5: Các thông số địa kỹ thuật ............................................................. 84
Bảng 3-6: Số liệu vòng vỏ hầm .................................................................... 85
Bảng 3-7: Đƣờng kính hình học của phân đoạn ............................................ 85

Bảng 3-8: Các tham số kỹ thuật của Mô hình đất làm cứng .......................... 86
Bảng 3-9: Các kết quả phân tích Kết cấu từ PLAXIS ................................... 88
Bảng 3-10: Các kết quả phân tích kết cấu đối với các kiểm tra tại ULS ........ 88
Bảng 3-11: Các kết quả phân tích kết cấu sử dụng sự phân bố lại mô menULS ............................................................................................ 89


vii

Bảng 3-12: Các kết quả phân tích kết cấu sử dụng sự phân bố lại mô menSLS ............................................................................................ 89
Bảng 3-13: Kiểm định lực uốn và lực pháp tuyến và cốt thép cần thiết ........ 89
Bảng 3-14: Kiểm định lực cắt và cốt thép cần thiết ...................................... 91
Bảng 3-15: Ứng suất bê tông và thép và bề rộng nứt cho phép ..................... 92
Bảng 3-16: Ứng suất bê tông và thép gặp phải – Chiều rộng vết nứt ............ 92
Bảng 3-17: Lực tại chỗ tiếp xúc mối nối....................................................... 93
Bảng 3-18: Bề mặt áp suất tiếp xúc – Cốt thép dọc ...................................... 97
Bảng 3-19: Bề mặt áp suất tiếp xúc – Cốt ngang .......................................... 98
Bảng 3-20: Tỷ lệ cốt thép ............................................................................. 98
Bảng 3-21: Công thức xác định chiều rộng hào lún .................................... 124
Bảng 3-22: Mối quan hệ giữa loại hƣ hỏng và biến dạng chịu kéo giới hạn
(sau Burland et al., 1977; Boscardin & Cording, 1989; and
Burland, 1995).......................................................................... 134
Bảng 3-23: Các giá trị điển hình của độ dốc toà nhà tối đa và độ lún đối với
danh mục nguy cơ hƣ hại.......................................................... 135
Bảng 3-24: Các giải pháp xử lý rủi ro:........................................................ 138
Bảng 3-25: Xử lý các sự cố nền đất và khiên đào ....................................... 141
Bảng 3-26: Xử lý sự cố về kích, hệ thống thuỷ lực ..................................... 143
Bảng 3-27: Nguyên nhân và cách xử lý dịch chuyển bất thƣờng ................ 145
Bảng 3-28: Xử lý sự cố xi lanh thuỷ lực ..................................................... 146

8

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1-1: Khiên bản quyền của Brunel (1860) ............................................... 4
Hình 1-2: Phƣơng pháp khiên đào áp dụng cho hầm qua sông Thames (Anh)....4
Hình 1-3: Kết cấu khiên dùng vữa của Greathead........................................... 5
Hình 1-4: Kết cấu khiên vữa Haag (1896) ...................................................... 6
Hình 1-5: Khiên cân bằng áp lực đất của công ty Sato Kogyo Nhật Bản ........ 7
Hình 1-6: Mặt cắt ngang đƣờng hầm qua eo biển Anh-Pháp .......................... 8
Hình 1-7. Hiện tƣợng sạt lở đất khi thi công bằng khiên có độ sâu không đủ lớn ...14
Hình 1-8: Sơ đồ bố trí thiết bị trong công nghệ thi công tunnel mặt cắt nhỏ
Microtunnelling .......................................................................... 15
Hình 1-9: Phƣơng pháp thi công hầm bằng khiên đào .................................. 16
Hình 1-10: Một giếng đứng để thi công hầm bằng khiên ở Barcelona .......... 17
Hình 1-11: Công nghệ thi công đƣờng hầm trong nền đất yếu ...................... 17
Hình 1-12: Sơ đồ cấu tạo của khiên dung dịch vữa ...................................... 18
Hình 1-13: Sơ đồ hệ thống thi công bằng khiên dung dịch vữa..................... 18
Hình 1-14 Khiên MF .................................................................................... 19
Hình 1-15: Đƣờng hầm Kyobashi................................................................. 19
Hình 1-16: Sơ đồ nguyên lý khiên nhiều trục lệch tâm ................................ 20
Hình 1-17: Khiên DPLEX hình chữ nhật 3.98x4.38m ................................. 20
Hình 1-18: Cấu tạo chung khiên mặt cắt tự do.............................................. 21
Hình 1-19: Các hình dạng mặt cắt ngang hầm thi công bằng khiên mặt cắt
tự do ........................................................................................... 21
Hình 1-20: Khiên mặt cắt tự do .................................................................... 22
Hình 1-21: Cấu tạo chung khiên hình cầu..................................................... 22
Hình 1-22: Sơ họa khiên MSD ..................................................................... 23
Hình 1-23: Khiên MMST ............................................................................ 24
Hình 1-24: Khiên bọt khí.............................................................................. 24
Hình 1-25: Cấu tạo khiên bọt khí.................................................................. 24

Hình 1-26: Sơ đồ cấu tạo khiên CPS ............................................................ 25


9

Hình 1-27: Khiên DOT................................................................................. 26
Hình 1-28: Sơ đồ nguyên lý khiên H&V ...................................................... 26
Hình 1-29: Khiên H&V ................................................................................ 26
Hình 1-30: Sơ đồ nguyên lý thi công mở rộng cục bộ................................... 27
Hình 1-31 Đầu máy TBM thi công tại hầm thủy điện Đại Ninh.................... 28
Hình 1-32: Micro EPB TBM Đƣờng kính 3.15m phục vụ thi công cống
thoát nƣớc tại Đức ...................................................................... 28
Hình 1-33: Máy khoan hầm của dự án Metro số 1, tuyến Bến Thành – Suối
Tiên EPB-TBM ( Earth Pressure Balance-Tunneling Boring
Machine) .................................................................................... 29
Hình 2-1: Phân bố theo mức độ thuận tiện xây dựng CTN của các khu
ĐTCT TP Hà Nội trên bản đồ. .................................................... 38
Hình 2-2: Sự phân bố ứng suất đất đá xung quanh hầm ................................ 46
Hình 2-3: Sơ đồ hệ thống thi công bằng khiên cân bằng áp lực đất............... 53
Hình 2-4: Sơ đồ cấu tạo của khiên cân bằng áp lực đất ................................. 53
Hình 2-5: Sơ đồ cấu tạo của khiên cân bằng áp lực đất (3D) ........................ 54
Hình 2-6: Front Shield.................................................................................. 56
Hình 2-7: Center Shield................................................................................ 56
Hình 2-8: Rear Shield ................................................................................... 57
Hình 2-9: Shield Jack ................................................................................... 58
Hình 2-10: Vị trí của Man Lock ................................................................... 59
Hình 2-11: Vị trí của Material Lock ............................................................. 59
Hình 2-12: Cấu tạo của Screw Conveyor (Máy Kawasaki) ........................... 60
Hình 2-13: Thiết bị Screw Conveyor (Máy Komatsu) .................................. 61
Hình 2-14: Cấu tạo hệ thống Belt Conveyor (Máy Kawasaki) ...................... 62

Hình 2-15: Hệ thống Belt Conveyor (Máy Komatsu) ................................... 63
Hình 2-16: Hình dáng mâm cắt (Máy Herrenknecht).................................... 64
Hình 2-17: Chi tiết mâm cắt (Máy Kawasaki) .............................................. 64
Hình 2-18: Mâm cắt có bố trí các lỗ để phun phụ gia (Máy Herrenknecht).. 65


1
0

Hình 2-19: Sơ đồ cấu tạo của khiên dung dịch vữa ....................................... 69
Hình 2-20: Sơ đồ hệ thống thi công bằng khiên dung dịch vữa..................... 71
Hình 2-21: Sự phân bố cỡ hạt trong GU1 (về phía trái) và GU3/4 (về phía
phải) ........................................................................................... 71
Hình 2-22 - Sự phân bố cỡ hạt trong GU5 (về phía trái) và GU7/8 (về phía
phải) ........................................................................................... 72
Hình 2-23: Phân bố kích thƣớc hạt của các mẫu đất thu đƣợc tại độ sâu
giữa 15m và 20m dọc theo hƣớng tuyến ngầm của Dự án
Đƣờng sắt Đô thị Thí điểm Thành phố Hà Nội (Hà Nội Metro
line 3) trong quá trình thực hiện chƣơng trình khảo sát địa kỹ
thuật bởi SYSTRA vào năm 2008............................................... 72
Hình 2-24: Sơ hoạ nguyên lý làm việc của “Hệ thống Chống đỡ Gƣơng đào
thứ cấp cho các EPB TBM” ........................................................ 74
Hình 2-25: Phạm vi áp dụng điển hình của một EPB-TBM (Thewes, 2009). 75
Hình 2-26: Phạm vi áp dụng mở rộng của EPB TBM với loại các chất cải
thiện khác nhau trong các loại đất khác nhau - các giới hạn
mang tính chỉ báo (từ EFNARC, tháng 4/2005). ......................... 75
Hình 2-27: Phạm vi áp dụng mở rộng của EPB TBM sử dụng các kỹ thuật
cải thiện tính chất đất khác nhau. ................................................ 76
Hình 2-28: Sử dụng các khiên đào EPB hay áp lực bùn vữa trong một phạm
vi đầy đủ các điều kiện đất (từ„ Các xem xét thiết kế TBM: Lựa

chọn các TBM EPB hay cân bằng áp lực vữa‟, R. Lovat) ........... 76
Hình 3-1: Hƣớng tuyến dự án Metro Line 3 Hà Nội ( Nhổn – Ga Hà Nội) ... 79
Hình 3-2: Bản đồ hƣớng tuyến dự án Metro Line 3 Hà Nội (Nhổn – Ga Hà
Nội) ............................................................................................ 80
Hình 3-3: Mặt cắt điển hình nhất (Mặt cắt 15 tại KP 798) ............................ 83
Hình 3-4: Hình dạng hình học và lƣới FEM ................................................. 87
Hình 3-5: Sơ đồ tƣơng tác đối với mặt cắt 1400x300 mm và fcu = 40 MPa.. 90
Hình 3-6: Độ lệch vòng tối đa ...................................................................... 93


1
1

Hình 3-7: Hình học của mặt mối nối. Các kích thƣớc của các góc chỉ là các
con số trình diễn. ........................................................................ 94
Hình 3-8: Bàn tính để xác định các vị trí của ứng suất căng phân cắt tối đa
và tối thiểu bên trong đoạn hầm. ................................................. 96
Hình 3-9: Hào lún trên hầm ........................................................................ 123
Hình 3-10: Sụt lún gây ra do hầm của nhà dân, London (sau Frischmann et
al., 1994) .................................................................................. 136
Hình 3-11: Hầm Sewage, Hull, UK, 1999 .................................................. 147
Hình 3-12: Wastewater Tunnel, Portsmouth, UK, May 2000 ..................... 148
Hình 3-13: Tòa nhà cao tầng phía trên đƣờng hầm bị hƣ hại nặng .............. 149
Hình 3-14: Vị trí đón máy TBM ................................................................. 150
Hình 3-15: Mô tả cấu tạo vị trí đón máy TBM ........................................... 151
Hình 3-16: Tòa nhà và công trình liền kề bị hƣ hỏng .................................. 152
Hình 3-17: Công tác khắc phục hậu quả ..................................................... 152
Hình 3-18: Ngập, sụt lở trong hầm ............................................................. 153
Hình 3-19: Lún sụt tạo thành hồ sâu trên mặt đất ....................................... 154
Hình 3-20: Tuyến Metro số 4, Rio, Brazil .................................................. 155

1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Từ đầu thế kỷ 19 đến nay, song song với việc đô thị hóa, khối lƣợng
xây dựng nhà ở và công trình công cộng ngày càng tăng, sự liên tục phát triển
mạng lƣới giao thông đƣờng 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
lƣu 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
nhƣ tính toán mang tính khu vực. Để có phƣơng 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 2012, thành phố Hà Nội với diện tích 3323.6
km2 và dân số là 6844.1 triệu ngƣời. Mật độ dân số của thành phố hiện nay là
2059 ngƣời/km2. 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 nƣớc. Thông thƣờng
thành phố từ 1 triệu dân trở lên là đã yêu cầu cần có giao thông ngầm. Với
quy mô thành phố nhƣ hiện nay, việc xây dựng hệ thống giao thông ngầm là
thực sự cần thiết và cấp bách. Có rất nhiều biện pháp thi công công trình
ngầm nhƣng đối với địa chất tại khu vực thành phố Hà Nội là địa chất yếu có
chiều dày khá lớn, ngoài ra còn có đặc điểm địa hình, nền móng các công
trình đặc thù thì phƣơng pháp khiên đào TBM có rất nhiều ƣu điểm để áp

dụng. Do đó việc nghiên cứu để áp dụng công nghệ thi công hầm TBM nói
chung và đi sâu vào công nghệ thi công hầm TBM cân bằng áp lực đất cho
khu vực Hà Nội là việc làm hết sức cần thiết. Nghiên cứu sẽ góp phần làm


2

chính xác hóa các tính toán phù hợp với điều kiện thực 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 áp dụng biện pháp TBM cân bằng áp lực
đất trong thi công hầm khu vực Hà Nội” cũng chính là nội dung của luận
văn tốt nghiệp thạc sỹ này.
2. Đối tƣợng nghiên cứu
Công nghệ thi công hầm TBM cho khu vực Hà Nội
3. Phạm vi nghiên cứu
Công nghệ thi công hầm TBM cân bằng áp lực đất cho khu vực Hà Nội
4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu áp dụng biện pháp thi công hầm hợp lý bằng biện pháp
TBM cân bằng áp lực đất cho khu vực Hà Nội
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Làm rõ đặc điểm công nghệ, ƣu điểm, sự phù hợp của công nghệ thi
công hầm TBM cân bằng áp lực đất đối với điều kiện địa chất Hà Nội.
6. Kết cấu của luận văn:
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, nội dung chính của
luận văn đƣợc trình bày trong 3 chƣơng:
Chƣơng 1 : Tổng quan về công nghệ thi công hầm bằng TBM, áp dụng
trên thế giới và ở Việt Nam
Chƣơng 2 : Đặc điểm địa chất khu vực Hà Nội và sự làm việc của hầm

trong môi trƣờng đất.
Chƣơng 3: Nghiên cứu áp dụng công nghệ TBM cân bằng áp lực đất
trong điều

kiện địa

chất

dự

án

Metro

Line

3

của

Hà

Nội


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP THI CÔNG HẦM BẰNG TBM,
ÁP DỤNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

Máy TBM có thể chia thành 2 loại chính là có khiên hoặc không có
khiên. Máy TBM có khiên đi kèm gọi là máy khoan hầm có khiên (shielded
TBM), một số vẫn gọi là khiên đào còn TBM không có khiên thực ra là
khoảng không sau đầu cắt để hở, để công nhân/kỹ thuật có thể thao tác kỹ
thuật đƣợc gọi là open-type TBM, chỉ dùng trong điều kiện đá cứng. Có thể
phía sau vẫn có khiên (không nhất thiết) để đảm bảo an toàn cho ngƣời và
thiết bị chứ không phải phục vụ chống đỡ áp lực đất đá quanh hầm.
Trong phạm vi luận văn hƣớng tới khu vực thành phố Hà Nội địa chất
cơ bản là yếu nên chỉ trình bày về TBM có khiên cũng nhƣ đi sâu vào loại
TBM cân bằng áp lực đất.
1.1. Tổng quan về công nghệ thi công hầm bằng khiên đào
1.1.1. Lịch sử phát triển hầm theo phương pháp khiên (shield)
Đƣờng hầm thi công theo phƣơng pháp khiên đào đầu tiên do ông Marc
Isambard Brunel phát triển để đào đƣờng hầm qua sông Thames bắt đầu vào
năm 1825 (mặc dù vậy đến năm 1943 đƣờng hầm mới đƣợc mở). Brunel đƣợc
cho là đã lấy cảm hứng từ hình ảnh con hà Teredo navalis, một loài động vật
thân mềm rất có hiệu quả trong việc đào ăn qua gỗ chìm trong nƣớc mà ông ta
quan sát đƣợc khi làm việc tại xƣởng đóng tàu. Khiên đào do Maudslay, Sons
& Field, của Lambeth, London chế tạo, cũng là ngƣời đã chế tạo ra máy bơm
hơi

nƣớc

để

thoát

nƣớc

đƣờng

hầm.


4

Hình 1-1: Khiên bản quyền của Brunel (1860)
Brunel lần đầu tiên dùng kết cấu chắn này trên công trình đƣờng hầm ở
sông Thames Luân Đôn. Cỗ máy khiên hình chữ nhật có diện tích 11.3(m) x
6.7(m) và đƣợc hợp thành bởi 12 khung giá tiếp giáp nhau. Mỗi khung giá có
3 khoang, mỗi khoang bên trong có một công nhân điều khiển. Nhƣ vậy tất cả
có 36 công nhân. Công trình hầm dƣới sông khởi công năm 1825 trong thi
công gặp rất nhiều khó khăn sau khi trải qua 5 lần lũ đặc biệt lớn đến năm
1843 mới hoàn thành.
Trong thời gian đầu của phƣơng pháp khiên, khiên đào có chức năng
bảo vệ cho các lao động thủ công làm công tác đào hầm, dần dần phát triển
thay thế bằng các đốt tƣờng hầm chế tạo sẵn. Khiên đào cũng đã đƣợc chia
thành các mặt thi công với các phần chồng lên nhau để mỗi công nhân có thể
đào một cách thuận tiện nhất.

Hình 1-2: Phƣơng pháp khiên đào áp dụng cho hầm qua sông
Thames (Anh)


5

Thiết kế ban đầu của Brunel về căn bản đã đƣợc Peter W. Barlow cải
tiến trong quá trình thi công đƣờng ngầm Tower dƣới sông Thames ở trung
tâm London năm 1870. Có lẽ cải tiến quan trọng nhất mang tính quyết định
trong thiết kế của Barlow là nó có tiết diện hình tròn (không giống nhƣ của

Brunel có tiết diện hình chữ nhật) làm cho việc thi công đơn giản hơn và có
khả năng chống đỡ tốt hơn trọng lƣợng đất xung quanh.
Năm 1869, công trình sƣ Janes Heary Grethead dùng kết cấu khiên
hình tròn lại một lần nữa xây dựng đƣờng hầm dƣới hầm sông Thames, lớp vỏ
hầm lần đầu tiên dùng ống gang. Chiều dài đƣờng hầm dài 402m, đƣờng kính
ngoài 2.18m, đƣờng hầm về cơ bản đào trong vùng đất sét. Cho nên về mặt
khống chế nƣớc ngầm không gặp khó khăn gì, kết cấu khiên ống tròn trở
thành dạng hình phổ biến cho các khiên sau này.
Năm 1874, Greathead phát hiện trong tầng địa chất có tính thẩm thấu
mạnh rất khó sử dụng khí nén đỡ bề mặt của đƣờng hầm, do đó lại sử dụng
kết cấu chắn có thể lỏng chống đỡ bề mặt làm việc của hầm. Dùng dòng chảy
lỏng với hình thức vữa bùn để thải đất.

Hình 1-3: Kết cấu khiên dùng vữa của Greathead
Năm 1886, Greathead khi thi công đƣờng ngầm ở Luân Đôn đã sử dụng
kết hợp giải pháp khí nén với kết cấu khiên đào. Thi công trong điều kiện khí
nén đã làm nên một tiến bộ to lớn trong việc đào đƣờng hầm trong tầng chịu
áp lực nƣớc, đã lấp đƣợc lỗ hỗng trong thi công hầm trên phạm vi thế giới số
lƣợng sử dụng phƣơng pháp đào bằng kết cấu khiên tăng lên nhanh chóng.


6

Thiết kế của Barlow đã đƣợc James Henry Greathead mở rộng và cải
tiến thêm để xây dựng City & South London railway (ngày nay là một phần
của tuyến đƣờng ngầm phía Bắc London) vào năm 1884. Cho tới ngày nay,
hầu hết các khiên đào vẫn dựa theo khiên của Greathead một cách chặt chẽ.
Một tiến bộ kỹ thuật khác của phƣơng pháp khiên sau khi Brunel phát
minh là đã dùng máy móc đào thay cho nhân công. Bản quyền khiên về cơ
giới hóa đầu tiên đƣợc công nhận năm 1876 cho John Dickinson Bruton và

George Brunton ngƣời Anh. Cỗ máy khiên này có mâm dao xoay hình nửa
quả cầu do một số tấm tạo thành, đất đào ra rơi vào trong gầu hƣớng tâm trên
mâm dao. Gầu đƣa vật liệu vào băng chuyền chuyển về phía sau khiên rồi vận
chuyển đi.
Năm 1896, Price xin đăng ký bản quyền. Năm 1897, cỗ máy này đã
đƣợc sử dụng thành công ở tầng đất sét Luân Đôn, lần đầu tiên nó tổ hợp 2
loại kết cấu khiên Greathead và kết cấu khiên mâm dao xoay. Bánh xe cắt
đƣợc tổ hợp từ 4 cánh
nan hoa trên đó có lắp công cụ cắt và gọt. Trên bánh cắt có gầu xúc, đất
đào ra đƣợc nâng lên đổ vào máng xiên và chảy vào xe chở vật liệu chờ sẵn,
chuyển lên mặt đất.
Năm 1896, Haag đăng ký bản quyền máy khiên của Đức đầu tiên ở
Berlin. Đó là cỗ máy khiên dùng vữa để đỡ bề mặt đào hầm và bọc kín buồng
đào đất để làm buồng áp lực

Hình 1-4: Kết cấu khiên vữa Haag (1896)


7

Vào đầu thế kỉ XX, phƣơng pháp thi công bằng khiên đã đƣợc đẩy
mạnh ở các nƣớc Mĩ, Anh, Đức, Liên Xô, Pháp. Chỉ trong thập kỉ 30-40 tại
các nƣớc ấy đã dùng khiên xây dựng nhiều tuyến đƣờng hầm Metro, đƣờng
hầm ô tô qua sông với đƣờng kính từ 3.0-9.5m.
Năm 1960, Schneidereit đề ra dùng vữa sét bentonite để đỡ bề mặt
công tác.
Năm 1963, lần đầu tiên công ty Sato Kogyo Nhật Bản đã phát minh ra
khiên cân bằng áp lực đất.

Hình 1-5: Khiên cân bằng áp lực đất của công ty Sato Kogyo Nhật Bản

Lúc bấy giờ công ty Sato Kogyo đang tìm phƣơng pháp đào hầm trong
lớp đất mềm xốp dƣới mực nƣớc ngầm. Do máy đào khiên khí nén và dung
dịch vữa đã sử dụng thành công ở Nhật Bản, việc phát minh ra khiên cân bằng
áp lực đất làm ngƣời ta rất kinh ngạc. Phát minh ra khiên cân bằng áp lực đất
là vì ở Nhật Bản trong nhiều thành phố lớn có quy định và pháp luật nghiêm
ngặt đối với môi trƣờng. Cho đến nay kỹ thuật đƣờng hầm khiên đào đƣợc
phát triển vƣợt bậc ở Nhật Bản và Nhật Bản đã chế tạo hơn 2000 cỗ máy
khiên đào và trình độ kỹ thuật hầm khiên đứng vào hàng đầu thế giới.
Năm 1984, Thƣợng Hải chế tạo khiên đƣờng kính 11.32m xây dựng
thành công đƣờng ô tô ngầm dƣới đáy sông phía Đông đƣờng Hoàng Phố
Giang

–

Diên

An.


8

Tháng 5-1987 công trình đƣờng hầm eo biển Anh – Pháp khởi công, cự
ly tim hai hầm đƣờng sắt là 30m, đƣờng kính trong hầm là 7.6m, đƣờng kính
trong của đƣờng hầm bổ trợ trung gian là 4.8m. Đƣờng hầm xuyên qua chỗ
hẹp nhất của eo biển. Cự ly giữa phía bắc núi Castle của vùng Folkestone
nƣớc Anh đến Coquelles của Pháp là 50.5km có gần 37km đƣờng hầm hoàn
toàn nằm dƣới đáy eo biển.

Hình 1-6: Mặt cắt ngang đƣờng hầm qua eo biển Anh-Pháp
Thi công tuyến đƣờng hầm này đã dùng tổng cộng 11 máy khiên. Bên

phía Pháp dùng 5, Anh dùng 6 cỗ máy. Sai số của khiên đào đƣờng hầm phụ
trợ chỉ có 350mm (chiều ngang) và 60mm (chiều đứng). Công trình đƣờng
hầm này hoàn thành vào giữa năm 1991.
Năm 1987, công trình đƣờng hầm cáp điện vƣợt sông tại ga phía Nam thành
phố Thƣợng Hải, sử dụng thành công cỗ máy khiên cân bằng áp lực đất dạng
vữa áp lực đƣờng kính 4.35m lần đầu tiên do Trung Quốc sản xuất.
Năm 1989, công trình đƣờng hầm dùng khiên dung dịch vữa lớn nhất của
Nhật Bản khởi công, đƣờng hầm đáy eo biển Tokyo dài 9.1km là đƣờng hầm
đáy biển chuyên dụng đƣờng bộ dài nhất thế giới, thi công dùng 8 cỗ khiên kiểu
dung dịch vữa áp lực. Đến cuối tháng 10-1996, đã thông đƣờng hầm.
Năm 1992, Nhật Bản nghiên cứu chế tạo khiên đầu tiên trên thế giới
kiểu vữa áp lực 3 đầu và sử dụng thành công trong thi công công trình nhà ga


9

tuyến số 7 đƣờng sắt ngầm dài 107m ở thành phố Osaka. Tháng 11 trong năm
hoàn thành và sử dụng.
Tháng 11-2001, đƣờng hầm lớn nhất thế giới Groene Hart bắt đầu đào,
là nhánh của đƣờng sắt cao tốc Lu than – A-mi-cithan : nó xuyên qua một
vùng thiên nhiên xanh, lƣới sông ngòi dày đặc, xe cộ qua lại nhộn nhịp, tổng
chiều dài là 7156.018m, đƣờng kính ngoài là 14.3m, đƣờng kính trong là
13.3m, bề dày tấm vỏ hầm 0.6m. Dùng khiên cân bằng vữa sét đƣờng kính
14.87m thi công, đây là cỗ máy lớn nhất trong lịch sử. Tài liệu ghi chép tiến
độ thi công : ngày tốt nhất là 22m, tuần tốt nhất (7 ngày) là 118m, liên tục tốt
nhất là 4 tuần với 438m.
Bảng 1-1: Một số đƣờng hầm xây dựng trên thế giới bằng phƣơng pháp
khiên đào
Đƣờng Chiều
Tên đƣờng hầm

kính dài LM

Độ

Trọng Số kích Tổng lực Bề dày

nhanh lƣợng

của

đẩy của

vỏ

nhạy

G1

khiên

khiên

khiên

LM/D

(T)

(chiếc)

(KN)

(mm)

5,73

0,63

400

30

60.000

70

9,63

4,71

0,49

315

28

56.000

63

9,65
9,50
9,5
10,20
11,26

5,70
5,50
4,73
6,63
7,80

0,59
0,576
0,50
0,65
0,69

275
340
400
480

28
32
36
40
40

64.000
67.000
80.000
88.000

D (m)

(m)

Hầm Vehicular(Hà Lan)

9,17

Hầm Brooklyn Battery
Hầm Queens Midrown
Hầm Ahtwerpen (Bỉ)
Hầm Mêtrô (Maxcơva)
Hầm Đả Phố Lộ
Hầm Diên An Đông Lộ

70

1.1.2. Phân loại, ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng
1.1.2.1 Phân loại
Khiên có nhiều loại, song có thể phân loại theo các dấu hiệu sau: theo
mức độ cơ giới hoá; theo công dụng của tunnel; theo phƣơng pháp bảo vệ
gƣơng đào, theo công nghệ đào hầm và theo tiết diện mặt cắt ngang của
tunnel

đào

v.v…


10

* Theo mức độ cơ giới hoá đào bốc xúc đất đá, vận chuyển đất đá và
xây lắp vỏ tunnel, các tổ hợp khiên đào hầm hầm đƣợc chia thành những
nhóm sau:
+ Khiên đào hầm thủ công;
+ Khiên đào hầm bán thủ công;
+ Tổ hợp khiên đào hầm cơ giới hoá 100%.
* Theo công dụng của tunnel các tổ hợp khiên đào hầm đƣợc chia làm
hai nhóm:
+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm chuyên dùng để đào tunnel dành cho
giao thông nhƣ các tổ hợp đào đƣờng hầm metro, đƣờng hầm ô tô, đƣờng hầm
đƣờng sắt v.v…
+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm chuyên dùng để đào tunnel cho hạ tầ ng
cơ sở đô thị nhƣ đƣờng ống thoát nƣớc, đƣờng ống lắp đặt các cáp điện, viễn
thông v.v…
* Theo phương án chống sạt lở gương đào các tổ hợp khiên đào
hầm đƣợc chia làm bốn nhóm sau:
+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm trong đất có khả năng tự ổn định, không
có khoang bảo vệ gƣơng đào (non Pressure Balance Shields);
+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm bảo vệ gƣơng đào bằng khoang chứa đất
(Earth Pressure Balance Shields);
+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm bảo vệ gƣơng đào bằng khoang thuỷ lực
(Bentonite-Slurry Supported Shields);
+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm bảo vệ gƣơng đào hỗn hợp (Mix
Pressure Balance Shields).

* Theo số khiên trong một tổ hợp, các tổ hợp khiên đào hầm đƣợc
chia làm các nhóm sau:
+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm với một khiên bảo vệ - Single Shield
TBM;
+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm với hai khiên bảo vệ - Double Shields;


11

+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm với guốc chống vào thành hầm - Gripper
TBM.
* Ngoài ra khiên đào hầm còn đƣợc phân loại theo các dấu hiệu khác
nhƣ:
+ Theo diện tích mặt cắt tunnel đào: Khiên loại nhỏ (đƣờng kính nhỏ
hơn 3,2 m), khiên loại trung bình (đƣờng kính nhỏ hơn 5,2 m) và loại lớn
(đƣờng kính lớn hơn 5,2 m). Tổ hợp khiên đào tunnel lớn nhất hiện nay có
đƣờng kính 19m do hãng Herrenknech – CHLB. Đức sản xuất bán cho một
công ty hạ tầng cơ sở Moskva.
+ Theo lĩnh vực ứng dụng đào hầm các khiên đào hầm đƣợc chia thành
các nhóm sau:
- Khiên đào hầm dùng để đào tunnel trong đất ngập nƣớc;
- Khiên đào hầm dùng để đào tunnel trong đất thể hạt có độ ẩm bình
thƣờng;
- Khiên đào hầm dùng để đào tunnel trong đất độ ổn định kém có độ
ẩm bình thƣờng;
- Khiên đào hầm dùng để đào tunnel trong đất có độ cứng từ 0,5 – 5
theo bảng chia của GS Prôkôbôvsky.
- Khiên đào hầm dùng để đào tunnel trong đất có độ cứng lớn hơn 5
theo bảng chia của GS. Prôkôbôvsky.
+ Dựa vào hình dạng mặt cắt của khiên, khiên đƣợc chia thành các

nhóm sau:
+ Khiên tròn;
+ Khiên hình elíp;
+ Khiên hình chữ nhật;
+ Khiên hình móng ngựa.
Tunnel ngầm có mặt cắt tiết diện ngang hình tròn có thể chống lại áp lực đất
và áp lực nƣớc tƣơng đối tốt, lắp ráp vỏ hầm tƣơng đối đơn giản, có thể dùng


12

cấu kiện thông dụng, dễ thay thế, vì thế đƣợc dùng tƣơng đối rộng rãi nên các
tổ hợp khiên thƣờng có dạng trụ tròn.
Trên thực tế có các loại khiên và tổ hợp khiên sau:
Khiên thủ công;
Khiên bán thủ công;
Tổ hợp khiên loại thƣờng không có khoang bảo vệ gƣơng đào;
Tổ hợp khiên với khoang giữ gƣơng đào bằng đất (earth pressure
balance shield);
Tổ hợp khiên với khoang giữ gƣơng đào bằng dung dịch betonite
(Slurrypressure balance shield);
Tổ hợp máy đào hầm hầm trong nền đá cứng;
Ngoài ra còn có các loại khiên và tổ hợp khiên đặc biệt với khoang giữ
gƣơng đào bằng khí nén. Loại này là sự kết hợp khiên thủ công với khoang
khí nén, khiên bán thủ công với khoang khí nén.
1.1.2.2 Ưu nhược điểm
1.1.2.2.1. Ưu điểm
a. Dƣới sự che chống của khiên có thể đào và xây vỏ một cách an toàn.
b. Tốc độ thi công nhanh. Toàn bộ quá trình hoạt động của khiên nhƣ:
đào, đƣa đất đá ra, lắp ráp vỏ hầm v.v... có thể cơ giới hoá, tự động hoá để

giảm cƣờng độ lao động.
c. Quá trình thi công không ảnh hƣởng đến giao thông và công trình
trên mặt đất cũng nhƣ giao thông thuỷ.
d. Trong thi công không bị ảnh hƣởng bởi thời tiết.
e. Trong thi công không gây tiếng ồn và chấn động, không gây ô nhiễm
môi trƣờng xung quanh.
f. Xây dựng trong đƣờng hầm dài trong vùng đất mềm yếu ngậm nƣớc,
hoặc ở dƣới sâu luôn có tính ƣu việt về mặt kỹ thuật và kinh tế, vì thế phƣơng
pháp thi công bằng khiên thích hợp nhất là xây dựng đƣờng hầm trong địa


13

tầng rời rạc, mềm yếu và có nƣớc ngầm, xây dựng đƣờng hầm dƣới đáy sông,
trong thành phố (xây dựng metro) và các loại công trình hạ tầng đô thị khác.
1.1.2.2.2. Nhược điểm
Phƣơng pháp thi công bằng khiên thích hợp với đƣờng hầm dài (có một
số tài liệu cho biết thi công các đƣờng hầm ngắn hơn 750m thì không kinh tế).
Bởi vì khiên là một tổ hợp thiết bị cơ giới rất đắt, có tính chuyên dụng rất cao,
mỗi loại thích hợp với điều kiện thuỷ văn, địa chất, kích thƣớc mặt kết cấu
riêng đã đƣợc thiết kế chế tạo đặc biệt, không thể thay đổi sử dụng một cách
tuỳ tiện cho các công trình ngầm khác. Ngoài ra, nếu đƣờng hầm có bán kính
cong quá nhỏ hoặc lớp đất phủ trên hầm quá nông thì gặp rất nhiều khó khăn.
Đƣờng hầm dƣới đáy nƣớc nếu gặp lớp phủ quá nông thi công sẽ không an
toàn. Khi thi công bằng khiên nếu dùng phƣơng pháp khí áp suất cao để ổn
định gƣơng đào, thì ngƣời lao động rất dễ bị bệnh “giếng chìm”, và ngoài ra
còn rất nhiều bệnh khác liên quan nên yêu cầu bảo hộ đối với lao động phải
rất cao. Khi thi công bằng khiên rất khó tránh lún trong lớp đất phía trên, nhất
là chỗ tầng đất mềm yếu lại có nƣớc, khi lắp vỏ hầm phải chú ý phun vữa vào
sau lƣng vỏ hầm. Những khuyết điểm nói trên trong thi công bằng khiên đang

đƣợc nghiên cứu khắc phục.
Với những tuyến ngầm có chiều sâu không lớn lắm nên thi công bằng
phƣơng pháp đào hở vì với lớp đất phủ nhỏ cùng với điều kiện địa chất không
ổn định sẽ dẫn tới hiện tƣợng sạt lở đất bề mặt. Nếu vì lý do đặc biệt bắt buộc
phải thi công bằng khiên thì phải có giải pháp ổn định địa tầng hợp lý và đặc
biệt không đƣợc thi công bằng tổ hợp khiên Air- pressure balance.
Tuy nhiên, giá thành một tổ hợp máy TBM là không rẻ, theo tính toán
nếu chiều dài của tuyến ngầm nhỏ hơn 750 m thì sử dụng tổ hợp khiên đào
ngầm không hiệu quả về mặt kinh tế. Mặt khác, mỗi một tổ hợp khiên đào
ngầm chỉ có hình dáng và kích thƣớc phù hợp với một tuyến ngầm tunnel nhất
định nên việc dùng tổ hợp của tuyến này sang thi công cho tuyến có mặt cắt