Nghiên cứu cơ chế mất ổn định hố đào sâu 33.5m công trình Nicoll Highway Singapore

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHÓ HỎ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----oOo----

LÊ PHÁT NGHĨA

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ MẤT ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO
SÂU 33.5m CÔNG TRÌNH NICOLL HIGHWAY SINGAPORE

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM
MÃ SỐ

: 60.58.02.04

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Tp HỒ CHỈ MINH, Tháng 6 Năm 2016


CÔN TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA - ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Tuấn Anh
Cán bộ chấm nhận xét 1: ..................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ..................................................................................
Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
...... năm ............

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm:
1: ...............................................................................
2: ...............................................................................

3: ...............................................................................
4: ...............................................................................
5: ...............................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Chủ nhiệm Bộ môn quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

tháng


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐỘC lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

Họ tên học viên: Lê Phát Nghĩa

MSHV: 13090089

Ngày, tháng, năm sinh: 19/06/1990

Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm

Mã số: 60580204

Email:

Điện thoại: 0963.499.369

I. TÊN ĐÈ TÀI:
NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ MẤT ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU 33.5m CÔNG TRÌNH
NICOLL HIGHWAY - SINGAPORE
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
- Mở đầu.
- Chương 1: TÔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU.
- Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ÔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU.
- Chương 3. MÔ PHỎNG HỐ ĐÀO SÂU 33.5m CÔNG TRÌNH NICOLL HIGHWAY
- SINGAPORE.
- Chương 4. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ MẤT ÔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU.
- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
- TÀI LIỆU THAM KHẢO
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

11/01/2016

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016
V.

CÁN BỘ HUỚNG DẪN:

PGS.TS. TRẦN TUẤN ANH

Tp. HCM, ngày.... tháng ...năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS. TRẰN TUẤN ANH

PGS.TS. LÊ BÁ VINH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới quý thầy cô trong Bộ môn Địa
cơ - Nền móng. Quý thầy cô đã nhiệt tình truyền đạt cho học viên những kiến thức quý báu,
tạo mọi điều kiện giúp đỡ học viên trong thời gian vừa qua.
Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Trần Tuấn Anh, người đã
giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình và luôn quan tâm, động viên tình thần trong thời gian học viên được
thầy giảng dạy môn học và hướng dẫn thực hiện Luận văn. Thầy đã định hướng đề tài, chỉ
dẫn những tài liệu, kiến thức quý báu cho học viên. Đồng thời, thầy đã truyền đạt cho học
viên hiểu được phương thức tiếp cận và giải quyết một vấn đề khoa học, đây chính là hành
trang quí giá mà học viên sẽ gìn giữ cho quá trình học tập và làm việc tiếp theo của mình.
Xin chân thành cám ơn Ban giám hiệu nhà trường, trường Đại học Bách Khoa, Phòng
Đào tạo Sau Đại học đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho học viên trong suốt quá
trình học tập.
Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình, Cơ quan và bạn bè thân hữu đã động viên, giúp đỡ
học viên trong thời gian học tập vừa qua.

Tp. HCM, ngày ... tháng ... năm 20ỉ6
HỌC VIÊN

Lê Phát Nghĩa


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong phạm vi đề tài này, tác giả muốn giới thiệu và áp dụng một số lý thuyết đã được nghiên
cứu hên thế giới để tính toán ổn định hố đào sâu. Qua đó, có thể ứng dụng để phân tích và
nghiêu cứu một bài toán cụ thể ở Singapore.
Luận văn này trình bày kết quả “Nghiên cứu cơ chế mất ổn định hố đào sâu 33.5m công trình
Nicoll Highway - Singapore”. Các thông số được nghiên cứu trong luận văn này gồm: nội
lực hệ thanh chống hố đào, chuyển vị và nội lực tường vây. Việc phân tích thông số được
thực hiện bằng phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng chương trình
Plaxis 2D để mô phỏng công trình thực tế. Kết phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn
sẽ được so sánh với kết quả tính toán bằng phương pháp giải tích và kết quả quan trắc ngoài
hiện trường. Thông qua việc tính toán và so sánh, tác giả trình bày cơ chế dẫn đến mất ổn
định hố đào sâu các nguyên nhân dẫn đến sự mất ổn định công trình.

SUMARY OF THESIS

Within the scope of the subject, the author would like to introduce and apply some theories
been studied in the world to calculate the stability of deep excavation. Thereby, it can be
applied to analyze and study some specific problems in Singapore.
This thesis has presented the results of “The study of instability mechanism of 33.5m deep
excavation works at Nicoll Highway- Singapore”. The parameters studied in this thesis are:
internal resources of strut system, displacements and internal forces of diaphragm wall. The
analysis of parameters has been done by the analytical method and finite element method

using Plaxis 2D program to simulate the actual works. Results analyzed by finite element
method will be compared with the results calculated by analytical method and results of
monitoring in the field. Through the calculation and comparison mechanism, the author has
presented instability leading to the instability of deep excavation, as well as some causes
leading to the instability of works.


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Lê Phát Nghĩa, học viên cao học chuyên ngành Kỹ Thuật Xây Dựng Công
Trình Ngầm, khóa 2013 đợt 1. Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ “NGHIÊN cứu cơ
CHẾ MẤT ỐN ĐỊNH HỔ ĐÀO SÂU 33.5m CÔNG TRÌNH NICOLL HIGHWAY
- SINGAPORE” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và không sao chép.

Học viên

Lê Phát Nghĩa


MỤCLỤC
MỞ ĐẦU ..........................................................................................................................7
1. Đặt vấn đề ................................................................................................................7
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................8
3. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................8
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài.....................................................................................9
5. Phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................................................................9
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU ...............................................................10
1.1. Sơ lược về hố đào sâu .....................................................................................10
1.1.1. Khái niệm hố đào sâu ...................................................................................10
1.1.2. Một số nghiên cứu tiêu biểu về hố đào sâu ..................................................10
1.1.3. Cấu tạo kết cẩu chắn giữ thành hố đào .........................................................12

1.1.3.1. Bộ phận chắn đất ....................................................................................12
1.1.3.2. Hệ chống đỡ hố đào ................................................................................15
1.2. Yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định hố đào........................................................... 16
1.3. Nguyên nhân gây mất ổn định hố đào ................................................................ 18
1.3.1. Nguyên nhân khách quan..............................................................................18
1.3.2. Nguyên nhân chủ quan .................................................................................18
1.4. Một số công trình hố đào gặp sự cố trên thế giới và nước ta ..............................19
1.5. Nhận xét ..............................................................................................................22
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU ..................23
2.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 23
2.2. Lý thuyết tính toán áp lực ngang của đất lên tường chắn ...................................23
2.2.1. Lý thuyết Mohr - Rankine ........................................................................... 24
2.2.1.1. Đối với đất rời ........................................................................................24
2.2.1.2. Đối với đất dính......................................................................................26
2.2.2. Lý thuyết Coulomb.......................................................................................27
2.2.2.1. Áp lực đất chủ động ...............................................................................28
2.2.2.2. Áp lực đất bị động ..................................................................................31
2.3. Lý thuyết tính toán áp lực đất lên tường chắn hố đào sâu ..................................32
2.3.1. Áp lực đất dài hạn ........................................................................................32
2.3.2. Áp lực đất ngắn hạn......................................................................................33
2.4. Phân tích lực dọc tác dụng lên tường chắn hố đào sâu .......................................34
2.5. Phân tích ổn định hố đào sâu ..............................................................................37



2.5.1. Các loại hệ số an toàn .................................................................................. 37
2.5.2. Phá hoại cắt tổng thể .................................................................................... 39
2.5.3 Ổn định chống trồi đáy hố đào ..................................................................... 46
2.6. Phương pháp phần tử hữu hạn ........................................................................... 47
2.6.1 Giới thiệu ...................................................................................................... 47

2.6.2. Phân tích ứng xử thoát nước và không thoát nước trong Plaxis .................. 47
2.6.2.1 ......................................................................................................
ứng xử thoát nước (drained) .......................................................................................... 47
2.6.2.2 ứng xử không thoát nước (undrained).................................................... 48
2.6.2.3. Lựa chọn ứng xử trong phân tích hố đào sâu ........................................ 50
2.6.3. Các phương pháp A, B, c trong ứng xử Undrained ..................................... 51
2.6.3.1. Phương pháp A...................................................................................... 52
2. ............................................................................................................. Ó.3
.2. Phương pháp B.......................................................................................................... 53
2.6.3.3. Phương pháp c ....................................................................................... 54
2.6.4. Các mô hình đất nền .................................................................................... 54
2.6.4.1. .....................................................................................................
Mô hình Mohr-Coulomb ................................................................................................ 54
2.6.4.2. Mô hình hardening soil ......................................................................... 58
Chương 3. MÔ PHỎNG HỐ ĐÀO SÂU 33.5m CÔNG TRÌNH NICOLL HIGHWAY
SINGAPORE ................................................................................................................. 66
3.1. Mô tả công trình ................................................................................................ 66
3.2. Thiết kế và thi công ........................................................................................... 67
3.3. Sự sụp đổ công trình và vấn đề đặt ra ................................................................ 69
3.3.1. Sự sụp đổ công trình .................................................................................... 69
3.3.2. Vấn đề đặt ra ................................................................................................ 71
3.4. Mô phỏng công trình ......................................................................................... 71
3.4.1. Cấu tạo địa chất ........................................................................................... 71
3.4.2. Thiết kế thanh chống ................................................................................... 74
3.4.3. Mô phỏng công trinh bằng Plaxis ................................................................ 76
3.4.3.1. .....................................................................................................
Mô hình phần tử hữu hạn ............................................................................................... 76
3.4.3.2. Mô phỏng trình tự thi công ................................................................... 79
3.4.3.3. Các thông số đầu vào mô hình đất ........................................................ 80
3.4.4. Tính toán chuyển vị, nội lực của tường vây, thanh chống ........................... 83

3.4.4.1 Ket quả nội lực thanh chống qua các giai đoạn đào đất ......................... 83
3.4.4.2 Ket quả chuyển vị tường vây qua các giai đoạn đào đất ........................ 86

2


3.4.4.3 ......................................................................................................
Ket quả momen tường vây qua các giai đoạn đào đất ................................................... 89
3.4.4.4 ......................................................................................................
Ket quả độ lún đất nền xung quanh tường ..................................................................... 91
3.4.4.5 Nhận xét kết quả mô phỏng .................................................................... 93
Chương 4. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ MẤT ỔN ĐỊNH HỐ ĐÀO SÂU ......................... 94
4.1 Phân tích và đánh giá nội lực hệ thanh chống ..................................................... 94
4.2 Phân tích và đánh giá momen tường vây ............................................................ 99
4.3 Phân tích và đánh giá chuyển vị tường vây ....................................................... 101
4.4 Cơ chế mất ổn định hố đào sâu ......................................................................... 102
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 103
TÀI LỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 104

3


DANH MỤC HÌNH
Hình 1 -1: Tường chắn bằng cọc xi măng đất .............................................................................................................. 12
Hình 1 - 2 : Tường chắn bằng cừ Larsen ..................................................................................................................... 13
Hình 1-3: Tường cọc bản bê tông cố thép.................................................................................................................... 13
Hình 1-4: Tường cọc khoan nhồi ................................................................................................................................. 14
Hình 1 - 5: Công tác thi công tường vây barret ........................................................................................................... 14
Hình 1-6: Mặt bằng công trình VNPT Hà nội sử dụng tường C-Dwall ....................................................................... 15
Hình 1 - 7: Hệ giằng chống bằng thép ......................................................................................................................... 16

Hình 1 - 8: Hệ giằng chống bị biến dạng do thi công không đúng thiết kế .................................................................. 18
Hình 1-9: Hiện trường sụp đổ hố đào công trình Nicoll Highway ............................................................................... 19
Hình 1-10: Hiện trường sụp đổ hố đào trạm bom nước thải Bangkok ......................................................................... 20
Hình 1-11: Hiện trường sụp đổ hố đào cao ốc Pacific ................................................................................................. 21
Hình 1 -12: Hiện trường sụp lún nhà ở xung quan hố đào ........................................................................................... 22

Hình 2 -1: Sự thay đổi áp lực ngang của đất theo độ dịch chuyển của tường chắn ...................................................... 24
Hình 2-2: Các trạng thái cân bằng giới hạn dẻo của Rankine ...................................................................................... 26
Hình 2-3: Vòng tròn Mohr cho áp lực chủ động trong đất dính................................................................................... 26
Hình 2-4: Tính toán áp lực đất chủ động theo Coulomb .............................................................................................. 28
Hình 2 - 5: Áp lực đất lên lưng tường có hệ thanh chống ............................................................................................ 34
Hình 2 - 6: Áp lực đất lên lưng tường có hệ thanh chống ............................................................................................ 35
Hình 2-7: Tính lực dọc lên hệ thanh chống theo phương pháp một nữa ...................................................................... 36
Hình 2-8: Tính lực dọc lên hệ thanh chống theo phương pháp bên dưới ..................................................................... 36
Hình 2-9: Tính lực dọc lên hệ thanh chống theo phương pháp gối tựa ........................................................................ 37
Hình 2-10: Hiện tượng chân tường bị đá ..................................................................................................................... 39
Hình 2-11: Phân tích đẩy ngang tường cọc ván bằng phương pháp ứng suất tổng ...................................................... 40
Hình 2 -12: Phân tích đẩy trồi đáy hố đào theo phương pháp sức chịu tải của Terzaghi ............................................. 41
Hình 2-13: Phân tích đẩy trồi hố đào theo phương pháp Terzaghi .............................................................................. 42
Hình 2-14: Phân tích đẩy trồi đáy hố đào theo phương pháp sức chịu tải âm .............................................................. 43
Hình 2 - 15:Hệ so sức chịu tải của Skempton (1951) .................................................................................................. 44
Hình 2 -16: Vị trí tâm cung trượt tròn theo phương pháp mặt trượt trụ tròn ................................................................ 44
Hình 2-17: Phân tích đẩy trồi hố đào theo phương pháp mặt trượt trụ tròn ................................................................. 45
Hình 2 -18: Hệ so an toàn tăng khi vòng tròn phá hoại vượt quá bề rộng hố đào ........................................................ 46
Hình 2 -19: Lộ ưình ứng suất sử dụng phương pháp A ............................................................................................... 52
Hình 2 - 20: Lộ ưình ứng suất của đất co kết trước nặng sử dụng phương pháp A...................................................... 53
Hình 2 - 21: Lộ trình

ứng suất sử dụng phương pháp B ...................................................................................... 53

Hình 2 - 22: Quan hệ ứng suất - biến dạng mô hình Mohr - Coulomb ........................................................................ 54
Hình 2-23: Mặt giới hạn Mohr - Coulomb trong không gian ứng suất chính .............................................................. 56

4


Hình 2 - 24: Quan hệ

giữa biến dạng theo phương ngang so với phương đứng .................................................. 57

Hình 2 - 25: Quan hệ ứng suất và biến dạng Hyperbol cho mẫu nén ban đầu ............................................................. 60
Hình 2-26: Định nghĩa mô đun trong thí nghiệm nén cố kết ....................................................................................... 61
Hình 2-27: Các đường cong dẽo ứng với giá trị ỵ khác nhau....................................................................................... 62
Hình 2 - 28: Các mặt dẽo trong mặt phẳng p - q của mô hình Hardening

soil ........................................ 62

Hình 2 - 29: Mặt ngưỡng mô hình Hardening soil trong không gian ứng

suất chính ................................... 63

Hình 2 - 30: Đường cong biến dạng cho thí nghiệm 3 trục thoát nước tiêu chuẩn bao gồm góc giãn nở ................... 63

Hình 3- 1: Vị trí toàn tuyến xây dựng C825 và C824 .................................................................................................. 66
Hình 3- 2: Vị trí xảy ra sự cố ...................................................................................................................................... 66
Hình 3- 3: Toàn cảnh xảy ra sự cố sập hố đào ............................................................................................................ 67
Hình 3- 4: Mặt cắt tường vây và hệ chống đỡ hố đào .................................................................................................. 68
Hình 3-5: Sơ đồ hệ thanh chống hố đào....................................................................................................................... 68
Hình 3- 6: Vị trí thanh chống S335 bị mất ổn định ...................................................................................................... 69
Hình 3- 7:: Thanh giằng bị biến dạng thiết kế sai ........................................................................................................ 70

Hình 3-8: Nhà thầu thi công tự ý đổi thiết kế gia cường thanh giằng .......................................................................... 70
Hình 3- 9: Biểu đồ chuyển vị của tường chắn phía Nam (I - 104) ............................................................................... 71
Hình 3- 10: Sơ đồ các giếng khoan thăm dò địa chất................................................................................................... 72
Hình 3-11: Mặt cắt địa chất tại vị trí xảy ra sự cố ( COI Report, 2005)....................................................................... 73
Hình 3- 12: Sức chống cắt không thoát nước tù thí nghiệm hiện trường (Whittle and Davies, 2006). 73
Hình 3- 13: Mô hình đất đơn giản hoá ......................................................................................................................... 74
Hình 3- 14: Mô hình tính toán lực dọc tác dụng lên thanh chống ................................................................................ 75
Hình 3-15: Cách xác định bề rộng mô hình Plaxis ...................................................................................................... 77
Hình 3- 16: Mô hình hố đào được mô phỏng bằng Plaxis ........................................................................................... 77
Hình 3- 17: Nội lực lớn nhất hệ thanh chống phân tích bằng mô hình đất Morh Coulomb theo phương phápB (MH
MCB) .......................................................................................................................................... 83
Hình 3- 18: Nội lực lớn nhất hệ thanh chống phân tích bằng mô hình đất Morh Coulomb theo phương pháp A (MH
MCA) .......................................................................................................................................... 83
Hình 3- 19: Nội lực lớn nhất hệ thanh chống phân tích bằng mô hình đất Hardening Soil (MH HS)
..................................................................................................................................................................................... 84
Hình 3- 20: Khả năng chịu lực hệ thanh chống theo thiết kế ....................................................................................... 84
Hình 3-21:

Chuyển vị tường phân tích bằng MH - MCB (Ưxmax=355mm) ....................................................... 86

Hình 3- 22:

Chuyển vị tường phân tích bằng MH - MCA (Ưxmax=255mm) ....................................................... 86

Hình 3- 23:

Chuyển vị tường phân tích bằng MH - HS (Ưxmax=283mm) ........................................................... 87

Hình 3- 24:

Chuyển vị tường theo quan trắc theo thời gian thi công (Ưxmax=325mm) ....................................... 87

Hình 3- 25: Momen tường vây phân tích bằng MH - MCB (Mmax=4719kNm/m).................................................... 89
Hình 3- 26: Momen tường vây phân tích bằng MH - MCA (Mmax=3897kNm/m) ................................................... 89
5


Hình 3- 27: Momen tường vây phân tích bằng MH - HS (Mmax=4480 kNm/m) ...................................................... 90
Hình 3- 28:

Độ lún đất nền xung quanh tường vây theo MH - MCB (Ưymax=162mm) ...................................... 91

Hình 3- 29:

Độ lún đất nền xung quanh tường vây theo MH - MCA (Ưymax=123mm) ...................................... 91

Hình 3- 30:

Độ lún đất nền xung quanh tường vây theo MH - HS (Ưymax=163mm) .......................................... 92

Hình 3- 31:

Độ lún đất nền xung quanh tường vây theo quan trắc (04/04/2004 Uy=150mm) ............................. 92

Hình 4 -1: So sánh nội lực lớn nhất hệ thanh chống ................................................................................................... 94
Hình 4- 2: Nội lực hệ chống 7, 8, 9 theo quan trắc ..................................................................................................... 95
Hình 4- 3: Thí nghiệm ảnh hưởng của độ lệch trục đối với khả năng chịu lực của thanh chống theo 2
dạng kết cấu Stiffeners và C-Channel ......................................................................................................................... 97
Hình 4- 4: Sự ảnh hưởng của độ trồi hệ king post gây ra sự lệch trục hệ shoring....................................................... 97
Hình 4- 5:

Độ trồi đáy hố móng phase đào bỏ sàn JGP ......................................................................................... 98

Hình 4- 6:

Momen tường vây phân tích bằng MH - MCB so với thiết kế ............................................................. 99

Hình 4- 7:

Momen tường vây phân tích bằng MH - MCA so với thiết kế............................................................. 99

Hình 4- 8:

Momen tường vây phân tích bằng MH - HS so với thiết kế................................................................ 100

Hình 4- 9:

Chuyển vị lớn nhất phân tích bằng pp PTHH và quan trắc ................................................................. 101

6


MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Ngày nay, các thành phố lớn ửên thế giới có tốc độ phát triển không ngừng, kèm theo
đó là sự tăng dân số rất nhanh dẫn đến nhu cầu về chỗ ở và đi lại ngày càng lớn. Để đáp
ứng những yêu cầu đó đòi hỏi các thành phố cải tạo hoặc xây mới các đô thị của mình một
cách tối ưu trên một không gian chật hẹp. Với ý tưởng chung là triệt để khai thác và sử
dụng không gian dưới mặt đất cho mục đích kinh tế, xã hội, văn hoá môi trường và cả cho

phòng vệ quốc phòng, dân sự.
Việc xây dựng các loại hình công trình đặt sâu trong lòng đất như hiện nay dẫn đến
xuất hiện hoàng loạt kiểu hố đào sâu khác nhau. Để thực hiện chúng, người thiết kế và thi
công cần có những biện pháp chắn giữ để bảo vệ thành vách hố đào và công nghệ đào
thích hợp về mặt kỹ thuật - kinh tế cũng như an toàn về người và môi trường.
Cùng với sự phát triển của công nghệ thi công hố đào sâu, những phương pháp khảo
sát địa chất công trình, người ta cũng đã đạt được nhiều bước tiến về lý thuyết tính toán
cũng như phát triển những phần mềm hỗ trợ để phân tích và quyết định phương án thiết
kế phù hợp nhất. Những phần mềm này đòi hỏi người kỹ sư sự am hiểu một cách thông
suốt về lý thuyết tính toán và cách thức tính toán của nó (các mô hình đất, cách loại ứng
xử của đất,...) để đạt được kết quả gần đúng nhất và an toàn khi thi công cũng như khi đưa
công trình vào hoạt động.
Do nhiều nguyên nhân khác nhau có thể dẫn đến sự cố khi thi công hố đào sâu như:
thi công không giống như thiết kế, kết quả khảo sát địa chất bên dưới công trình không
đúng, chưa hiểu rõ phần mềm hỗ trợ tính toán,... Hậu quả dẫn đến là một số công trình đã
gặp sự cố dẫn đến thiệt hại về con người và kinh tế rất lớn. Từ những công trình đã gặp sự
cố, việc tìm ra nguyên nhân và cách khắc phục sự cố là một cần thiết để tránh những trường
hợp đáng tiếc có thể xảy ra.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Vào lúc 3:00 PM, ngày 20 tháng 4 năm 2004, tại Singapore, xảy ra sự cố sập hố đào

7


sâu 33.5m gây nhiều thiệt hại về tài sản và nhân mạng. Do đó, mục đích thực hiện luận
văn này nhằm mô phỏng lại công trình bằng phần mềm Plaxis 2D. Sau đó, tìm hiểu cơ chế
gây mất ổn định hố đào và nguyên nhân sự cố trên.
Các hiện tượng xuất hiện khi thi công hố đào sâu sẽ như thế nào? Cơ chế nào gây mất
ổn định hố đào sâu? Tầm quan trọng của thông số đầu vào và mô hình bài toán? Trình độ
của đội ngũ thi công có đảm bảo thiết kế?

Để trả lời các câu hỏi trên, tác giả tiến hành các nghiên cứu như sau:
- Phân tích các hiện tượng có thể xảy ra trong quá trình thi công hố đào sâu.
- Các cơ chế dẫn đến sự mất ổn định của hố đào sâu.
- So sánh và đánh giá tính chính xác của phương pháp số thông qua một số phương
pháp giải tích đơn giản.
3. Phương pháp nghiên cứu
Để nghiên cứu những nội dung trên, học viên đã lựa chọn phương pháp sau:
- Thu thập dữ liệu từ các báo cáo của các cơ quan và các tác giả có uy tín làm cơ sở cho
việc nghiên cứu.
- Kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế thông qua các phương pháp tính toán bằng giải tích.
- Mô hình hoá công trình thực tế bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
- Sử dụng kết quả quan ttắc ngoài thực địa và các kết quả điều tta sau sự cố của cơ quan
có uy tín; kết hợp với kết quả mô phỏng công trình để tiến hành so sánh với thiết kế trước
đó.
- Phân tích cơ chế gây mất ổn định của hố đào sâu trên công trình thực tế.
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đề tài này có ý nghĩa nhằm tìm ra các nguyên nhân chính và các nguyên nhân phụ gây
ra mất ổn định hố đào sâu 33.5m - công trình Nicoll Highway Singapore. Từ đó, rút ra
được những bài học về thiết kế và thi công.
Từ kết quả nghiên cứu của đề tài này ta có thể rút ra được một số bài học về thiết kế

8


hố đào sâu. Ngoài ra, Việt Nam hiện hiện nay có tốc độ phát triển nhanh vì vậy đề tài này
có giá trị tham khảo rất thiết thực để tham khảo nhằm cung cấp thêm một số kinh nghiệm
thiết kế hố đào sâu.
5. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đề tài giới hạn trong phạm vi công trình hố đào sâu 33.5m công trình Nicoll Highway
- Singapore. Đề tài sử dụng các kiến thức trong phạm vi liên quan đến chuyên ngành xây

dựng công trình ngầm và một số ít kiến thức của các ngành khác khi nó có tầm ảnh hưởng
quan trọng. Và đối tượng nghiên cứu từ công trình hố đào sâu Nicoll Highway Singapore.

9


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU

1.1. Sơ lược về hố đào sâu
1.1.1. Khái niệm hố đào sâu
Năm 1943, Terzaghi đưa ra khái niệm: hố đào sâu là hố đào có chiều sâu lớn hơn chiều
rộng của hố. Nhưng đến năm 1967, Terzaghi và Peck đề nghị hố đào sâu là hố đào có chiều
sâu lớn hơn 6m. Tuy nhiên, trong thực tế ở những hố đào có chiều sâu ít hơn 5m nhưng
phải đào trong đất có điều kiện địa chất công trình và địa chất thuỷ văn phức tạp thì ứng
xử của hố đào cũng có thể xem là hố đào sâu.
1.1.2. Một số nghiên cứu tiêu biểu về hố đào sâu
Các công trình nghiên cứu tiêu biểu về hố đào sâu nói chung là Peck(1969), Lambe
(1970), O’Rourke (1981), Clough và O’Rourke (1990) đã tổng hợp quá trình phát triểu của
công tác thiết kế, thi công và quan trắc hố đào sâu với các chủ đề liền quan đến quan trắc
công trình thực, chuyển vị nền đất và tường hố đào, phân tích bằng phương pháp số và ứng
suất lên tường khi đắp đất và đầm chặt. Sau đây là một số tổng kết về các công trình nghiên
cứu trên.
❖

Nghiên cứu của Peck( 1969):
Peck đã xem xét những hố đào sâu là những hố đào với những cạnh thẳng đứng yêu

cầu hệ thống chống đỡ bên ngoài. Chuyển vị ngang, lún đất nền cạnh hố đào, mất ổn định
trồi đáy hố đào, những phương pháp giảm chuyển vị đất nền cạnh hố đào, và những biểu
đồ áp lực đất cho thiết kế hố đào sâu là những chủ đề chính được thảo luận bởi Peck. Tuy

nhiên, những nhận xét trên của Peck được dựa trên kinh nghiệm cá nhân và những trường
hợp nghiên cứu đã xuất bản.
Có 3 chủ đề chính trong thảo luận của Peck của hố đào sâu. Thứ nhất đó là sự quan
trọng của loại đất và đặc tính thực hiện hố đào sâu. Thứ hai đó là sự quan trọng của chiều
sâu hố đào. Thứ ba đó là cái mà Peck gọi là “tay nghề công nhân” trong việc kiểm soát
chuyển vị.
❖

Nghiên cứu của Lambe (1970)

10


Bài báo nghiên cứu của Lambe năm 1970 trên hố đào giằng chống tập trung trên thiết
kế và phân tích hố đào sâu và hệ chống của nó. Lambe xem xét lại những yếu tố ảnh hưởng
chuyển vị của đất do việc đào. Tác giả đã bao gồm ba trường hợp của hố đào cho dự án xe
điện ngầm MBTA ở Boston, và ứng dụng tình hình của đề tài nghiên cứu cho thiết kế và
phân tích một trong ba trường hợp đó và so sánh dự đoán với đo đạc được.
Lambe đã kết luận rằng tình hình của đề tài nghiên cứu cho thiết kế và phân tích hố
đào giằng chống thì cách khá xa sự thỏa mãn, vì lực của hệ chống đỡ và chuyển vị đất nền
không thể dự đoán với sự tin tưởng. Lambe cũng đề xuất rằng phương pháp phần tử hữu
hạn và kinh nghiệm chia sẻ thông qua những trường hợp đã xuất bản là hai trong số những
cách hứa hẹn nhất để đạt tới sự hiểu biết quá trình thực hiện hố đào sâu.

❖

Nghiên cứu của O’Rourke (1981)
O’Rourke nghiên cứu chuyển vị đất nền gây ra bởi hố đào sâu có giằng chống và những

hoạt động thi công liên quan. Ông đã chỉ ra sự quan trọng của hoạt động chuẩn bị công

trường lên chuyển vị đất nền, và cũng đã liệt kê ra sự bố trí lại và việc hạ mực nước ngầm,
thi công tường vây, thi công hố móng sâu cũng như là những hoạt động chuẩn bị của công
trường có thể gây ra chuyển vị đất nền. Tác giả cũng nghiên cứu quan hệ giữa hình dạng
chuyển vị của tường hố đào và tỉ số chuyển vị ngang và đứng của mặt đất nền bằng cách
xem xét dữ liệu thực hiện từ bảy trường hợp nghiên cứu. O’Rourke cũng kết luận từ những
phân tích rằng tỉ số chuyển vị ngang trên chuyển vị đứng là 1.6 đối với biến dạng công sôn
thuần túy và 0.6 đối với biến dạng phình trồi thuần túy của tường vây. Ngoài ra, O’Rourke
cũng đã nêu ra những kết luận về tác động của độ cứng giằng chống, việc ứng suất trước
của giằng chống, và sự tính toán thời gian của việc lắp đặt chống. Tác giả nhận xét rằng
độ cứng hữu hiệu của chống có thể thấp hơn 2% so với độ cứng chuẩn AE/L do hiệu ứng
nén tại vị trí liên kết và hiệu ứng uốn của giằng chống.
❖

Nghiên cứu của Clough và O’Rourke (1990)
Clough và O’Rourke nghiên cứu chuyển vị gây ra bổi hổ đào sâu bằng cách xem xét

dữ liệu từ trường hợp và những nghiên cứu trước đỏ. Các tác giả đã chia chuyển vị ra làm
2 loại. Thứ nhất là chuyển vị do quá trình đào thi công tường vây, và loại kia là chuyển vị
gây ra bởi hoạt động thi công phụ. Họ đã kết luận từ những nghiên cứu của mình rằng
11


chuyển vị do hố đào sâu có thể được dự đoán trong những phạm vỉ hợp lý nếu nguồn gốc
chuyển vị được xem xét.

1.1.3. Cấu tạo kết cấu chắn giữ thành hố đào
1.1.3.1.

BỘ phận chắn đất

Gồm các kết cấu chắn đất ngăn nước (tường liên tục trong đất, tường ưộn xỉ măng
đất,...) và các kế cấu chắn đất không ngăn nước ( cọc thép chữ H hay chữ I cố bản cài, cọc
nhồi đặt thưa,..
Một sổ loại tường chắn hổ đào thường sử dụng:
❖

Cọc xi măng đất: Trộn đất với xi măng ở dưới sâu, lợi dụng phản ứng hoá học - vật lý
xảy ra giữa xỉ măng với đất, làm cho đất mềm đóng rắn lại. Sau khỉ đóng rắn lại sẽ
thành tường chắn cố dạng bản liền khối đạt cường độ nhất định, được sử dụng rộng rãi
trong việc quây giữ hố đào sâu từ 5-7m.

Hình 1-1: Tường chắn bằng cọc xi măng đất

12


❖

Cọc bản thép (cừ Larsen): Dùng phương pháp đỏng hoặc rung để hạ chứng vào trong
đất, sau khỉ hoàn thành việc chắn giữ, cố thể được tái sử dụng. Loại này rất thích hợp
khi thi công trong thành phố và trong đất dính, được sử dụng cho hố đào
sâu từ 3 - 10m.

Hình 1 - 2: Tường chắn bằng cừ Larsen

❖

Cọc thép hình: các cọc thép hình chữ I hay H được hạ vào trong đất liền sát nhau bằng
búa đóng hay rung tạo thành tường chắn kiểu hàng cọc, trên đỉnh tường được giằng
bằng thép hình. Loại này thường dùng cho hố đào sâu 6 - 13m.

❖

Cọc bản bê tông cốt thép: Cọc có chiều dài từ 6 - 12m, sau khi hạ cọc xuống đất, người
ta tiến hành cố định đầu cọc bằng dầm vòng bê tông cố thép hay thanh neo, thích hợp
cho loại hố đào từ 3 - 6m.

Hình 1-3: Tường cọc bản bê tông cổ thép

13


♦♦♦ Cọc khoan nhồi: Cọc khoan nhồi có đường kính 0.6 - lm, dài từ 15 - 30m làm thành
tường chắn theo kiểu hàng cọc, đỉnh cọc được cố định bằng dầm vòng bằng bê tông
cốt thép. Loại này thích hợp cho hố đào sâu từ 6 - 13m.

Hình 1-4: Tường cọc khoan nhồi

❖

Tường vây barret: là tường bê tông đổ tại chỗ, chiều dày từ 0.6 - 0.8m để chắn giữ ổn
định hổ đào sâu trong quả trình thỉ công. Tường được làm từ các đoạn cọc barret, tiết
diện chữ nhật với chiều rộng từ 2.6 - 5m. Các đoạn barret được liên kết chống thấm
bằng gioăng cao su. Loại này thường được thiết kế cho hổ đào có chiều sâu lớn hơn
10m hoặc trong điều kiện thi công tương đối khó khăn.

Hình 1-5: Công lác thỉ công tường vây barret

❖

Tường vây chu vi ừòn (C-Dwall): là loại tường vây được thi công bởi nhiều tấm panel
hình chữ nhật liên kết vớì nhau bởi các khớp mềm hoặc các dạng gioăng cản nước liên
14


tực để tạo thành một hình dạng tròn hoàn chỉnh. Ưu điểm của dạng tường này là tự ỏn
định dưới tác dụng của áp lực đất.

Hình 1-6: Mặt bằng công trình VNPT Hà nội sử dụng tường C-Dwall

1.1.3.2.
❖

Hệ chống đỡ hố đào

Thanh chống bằng gỗ: Loại thanh chống này cố giá thành rẻ nhưng cố cường độ chịu
nén thấp, dễ nứt, rất nhạy cảm vối sụ ăn mòn, độ cứng dọc trục bé. Bên cạnh đó, việc
nối ghép các thanh gỗ với nhau rất khó khăn, đồng thời không thể tái sử dụng cho công
trình khác. Do đố, hệ thanh chống bằng gỗ ít được sừ dụng trong thi công hố đào.

❖

Thanh chống bằng bê tông: Loại thanh chống này cố độ cứng dọc trục lớn nên cố thể
sử dụng với các hố đào cố hình dạng khác nhau mà không gây ra hiện tượng chùng ứng
suất. Tuy nhiên, hệ thanh chố này cố trọng lượng lón, không dễ dàng cho việc tháo dỡ,
việc kích tải trước cho hệ cũng rất khó khăn và phải cần nhiều thời gian để đạt được
cường độ cho phép. Do đó, hệ thanh chống bằng bê tông cốt thép không phải là lựa
chọn tối ưu trong thỉ công hố đào.

❖

Thanh chống bằng thép: Hệ thanh chống bằng thép có ưu điểm như: dễ lắp đặt và tháo
dỡ, thời gian thi công ngắn, chi phí thấp, dễ kích tải trước. Do đỏ, hệ thanh chống bằng
thép được dùng rộng rãi trong thỉ công hổ đào sâu.

15


Hình 17: Hệ giằng chổng bằng thép

1.2. Yếu tố ảnh hưởng đến sự ấn định hố đào
ứng xừ của hố đào sâu cỏ liên quan đến sự ổn định và mức độ chuyển vị của hố đào và
đất nền xung quanh hố đào. Độ ổn định của hố đào và mức độ chuyển vị của nền xung
quanh cổ mối liên hệ mật thiết với nhau. Hệ số an toàn càng lốn tin mức độ chuyển vị càng
nhỏ và ngược lạỉ. Sau đây là một số yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định và mức độ chuyển
vị của hố đào.
Sự thay đổi trường ứng suất trong đất nền: Sự giảm ứng suất theo phương thẳng đứng
và phương nằm ngang xảy ra frong qua trình đào và việc thay đổi sự cân bằng áp lực nước
lỗ rỗng cỏ tác động quan trọng tới biến dạng của đất. Sự thay đổì mối quan hệ ứng suất biến dạng theo thời gian trong quá trình đào sẽ làm thay đổi ứng suất hữu hiệu khi áp lực
nước lỗ rỗng được cân bằng lại
Kích thước hố đào: Hình dạng mặt bằng, diện tích mặt bằng và độ sâu của hố mống,
tất cả đều cố ảnh hưởng lớn tới sự mở rộng và sụ phân bố dịch chuyển đất xung quanh và
bên dưới đảy hố móng vối những điều kiện đất nền nhất định. Độ sâu hố đào hiển nhiên
cố ảnh hướng tới sự dịch chuyển của đất.
Mực nước ngầm: Tác động của nước ngần đối với độ lún của đất rất đa dạng và xảy ra
ở các giai đoạn đào khác nhau. Dòng thấm bên dưới cọc cừ làm đẩy nổi đáy hố đào và là
nguyên nhân làm giảm áp lực nước ngầm làm gia tăng ứng suất hữu hiệu và độ lún bên
ngoài biên hố đào.
Đặc tính của đất: Theo Peck (1969), dịch chuyển của tường và độ lún của đất trong đất
16

cứng sẽ có trị số nhỏ hơn so với trong đất mềm.
Độ cứng hệ chống đỡ: Việc tăng độ cứng hệ chống đỡ làm giảm chuyển dịch của đất
bên ngoài hố móng. Lực cân bằng thay đổi trong thanh chống và sự thay đổi áp lực đất ở
dưới đáy hố móng là nguyên nhân gây ra một lượng dịch chuyển ngang phụ thuộc vào độ
cứng của thanh chống và độ cứng của đất ở trạng thái nén bên dưới đáy hố móng.
Biện pháp thi công: Việc lựa chọn biện pháp thi công tổng thể đối với tầng hầm ( top
- down, bottom - up), kĩ thuật sử dụng thanh chống hay ván cừ cho biên tầng hầm, khoảng
thời gian tiến hành các giai đoạn đào,... tất cả đều có ảnh hưởng đến sự dịch chuyển và ổn
định của đất ở quanh hố móng với điều kiện đất nền và kích thước hố móng đã xác định.
Trình độ thi công: Nhiều kết quả quan trắc và các tiêu chuẩn thi công khác nhau đều
cho thấy rằng việc đào nhanh và thái độ thi công cẩu thả đối với công việc chống đỡ hố
đào cũng dẫn tới sự dịch chuyển của hệ thanh chống, sự lún sụt của đất và những phá hoại
cục bộ và đã có trường hợp dẫn tới sụp đổ. Cũng có nguyên nhân do công tác giám sát và
quản lí thi công không chặt chẽ... đã gây ra lún sụt đất xung quanh hố đào hay mất ổn định
dẫn đến sụp đổ của hệ chống đỡ hố móng. Do đó, trình độ và sự nghiêm túc của đội ngũ
thi công có ảnh hưởng rất lớn đến sự ổn công trình hố đào sâu.

Hình 1 - 8: Hệ giằng chông bị biến dạng do thỉ công không đủng thiết kế

1.3. Nguyên nhân gây mất ổn định hố đào
1.3.1. Nguyên nhân khách quan
Các số liệu khảo sát địa chất khó đại diện được cho từng lớp đất. Độ chính xác của các
17