Phân tích chọn trình tự đào hợp lý cho hai đường hầm trên dưới của tuyến metro số 1 (Bến Thành Suối Tiên) đoạn qua nhà hát lớn thành phố

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ THÙY LINH

PHÂN TÍCH CHỌN TRÌNH TỰ ĐÀO HỢP LÝ CHO HAI ĐƯỜNG
HẦM TRÊN - DƯỚI CỦA TUYẾN METRO SỐ 1 (BẾN THÀNH SUỐI TIÊN), ĐOẠN QUA NHÀ HÁT LỚN THÀNH PHỐ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM
Mã Số

: 60580204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016


2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC THỰC HIỆN TẠI
Trường Đại Học Bách Khoa -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm
Cán bộ chấm nhận xét 1 :PGS. TS. Dương Hồng Thẩm
Cán bộ chấm nhận xét 2 :TS. Đỗ Thanh Hải
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 22 tháng 07 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1.

PGS.TS Lê Bá Vinh - Chủ tịch

2.

TS. Đặng Thanh Tùng - Thư ký

3.

PGS.TS. Dương Hồng Thẩm - ủy viên

4.

TS. Đỗ Thanh Hải-ủy viên

5.

TS. Trương Quang Thành - ủy viên
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành

sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Lê Bá Vinh

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm


3
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 SĨ
Họ và tền học viền: NGUYỄN THỊ THÙY LINH

MSHV: 13091294

Ngày, tháng, năm sinh: 07/08/1989

Nơi sinh: Cần Thơ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm
Mã số: 60580204
I.

TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích chọn trình tự đào hợp lý cho hai đường hầm trên -

dưới của tuyến metro số 1 (Bến Thành - Suối Tiên), đoạn qua Nhà Hát Lớn Thành
Phố.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1.

Nghiên cứu tổng quan về dự án và các liên cứu liên quan.

2.

Trình bày các cơ sở lý thuyết cho việc tính toán ứng suất, biến dạng quanh vỏ hầm

dạng tròn với phương pháp đào kín.
3.

Mô phỏng với hai trường hợp đào hầm và hai cách mô phỏng bằng mô hình Mohr

Coulomb và Hardening Soil.
4.

Đưa ra kết luận và trình tự đào cũng như các kiến nghị về các nghiên cứu tiếp

theo.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/07/2015
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 17/06/2016
V.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm
Tp. HCM, ngày... tháng... năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm

PGS.TS Lê Bá Vinh

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm


4
LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật với đề tài “Phân tích chọn trình tự đào hợp lý cho hai
đường hầm trên - dưới của tuyến Metro số 1 (BẾN THÀNH - SUỐI TIÊN), đoạn qua nhà
hát lớn thành phố” được thực hiện với kiến thức tác giả thu thập trong suốt quá trình học
tập tại trường. Cùng với sự cố gắng của bản thân là sự giúp đỡ, động viên của các thầy cô,
bạn bè, đồng nghiệp và gia đình trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Em xin gời lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Nguyễn Minh Tâm người thầy đã
nhiệt tình hướng dẫn, động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô bộ môn Cơ Địa Nền Móng những người đã cho
em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường.
Xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị, các bạn học viên chuyên ngành Kỹ Thuật Xây
Dựng Công Trình Ngầm, khóa 2013 - đợt II, những người bạn đã đồng hành và giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình học.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ và gia đình đã động viên và tạo điều kiện tốt nhất
cho tôi về vật chất và tinh thần trong những năm tháng học tập tại trường.
Luận văn được hoàn thành trong sự cố gắng hết sức của tác giả nhưng không thể
tránh được những thiếu sót và hạn chế, rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô,
bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn và có ý nghĩa trong thực tiễn.
Xin trân trọng cám ơn.
TP. Hồ Chí Minh, 17 tháng 06 năm 2016

Học viên

NGUYỄN THỊ THÙY LINH


5
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tên đề tài:
PHÂN TÍCH CHỌN TRÌNH TỰ ĐÀO HỢP LÝ CHO HAI ĐƯỜNG HẦM TRÊN
- DƯỚI CỦA TUYẾN METRO SỐ 1 (BẾN THÀNH - SUỐI TIÊN), ĐOẠN QUA NHÀ
HÁT LỚN THÀNH PHỐ.
Tóm tắt:
Vấn đề giải quyết phương tiện đi lại công cộng cho người dân thành phố Hồ Chí
Minh được thực hiện thông qua các đề án xây dựng các tuyến đường sắt đô thị - công trình
đang thu hút sự quan tâm đặc biệt của nhà nước, người dân cũng như các chuyên gia trong
ngành. Trong đó, tuyến số 1 Bến Thành - Suối Tiên đã được triển khai từ năm 2011. Tuyến
đường được xây dựng với tổng chiều dài là 19.7km (2.5km đi ngầm trong phạm vi nội
thành thành phố, 17.2km đi nổi trên cao) và đi qua 14 ga (3 ngầm +11 trên cao). Đoạn đi
ngầm được thi công bằng phương pháp TBM (Tunnel Boring Machine) với hai đường hầm
song song nằm ngang. Đặc biệt, tại vị trí đi qua Nhà Hát Lớn Thành phố, hai đường hầm
này được chuyển thành song song theo hướng trên-dưới. Việc thay đổi vị trí hai đường
hầm này gây ảnh hưởng rất khác và nguy hiểm hơn so với việc cho chúng chạy song song
nằm ngang. Chính vì sự đặc biệt đó, đơn vị thi công cần phân tích và nghiên cứu chi tiết
các yếu tố ảnh hưởng cũng như là các nguy cơ có thể xảy ra trong quá trình thi công đào
và cả khi đưa vào hoạt động sử dụng. Từ đó, đơn vị thi công mới có thể đưa ra biện pháp,
trình tự thi công hợp lý cùng với những hạn chế cần đảm bảo của công trình để không xảy
ra các sự cố không nên có.
Luận văn sẽ trình bày những nghiên cứu về các khuyến cáo đã từng được đưa ra trên
thế giới khi gặp trường hợp này, đồng thời áp dụng vào thực tiễn điều kiện địa chất của
khu vực quận 1 - thành phố Hồ Chí Minh để đưa ra các khuyến cáo hợp lý thông qua việc

mô phỏng bằng phần mềm plaxis 2D. Kết quả thu được sẽ là cơ sở đánh giá biện pháp thi
công thực tế và là nền tảng để xây dựng biện pháp thi công cho các tuyến sau trên địa bàn
thành phố.


6

SUMMARY OF THESIS
Name of subject:
Analyzing to choose the sequence of boring for two upper-under tunnel of Metro
line 1 (Ben Thanh - Suoi Tien), the part under the City Opera House.
Abstract:
Solving the public transportation for the people in Hochiminh City was conducted
through out
Solving public transportation problem of citizen in Ho Chi Minh city was executed
via construction Urban Metro lines - project is attracting special attention of the state,
people citizens as well as profesions. In particular, line 1 Ben Thanh - Suoi Tien has been
implemented since 2011. The road was built with a total length of 19.7km (2.5km
underground in city, well above 17.2km away) and pass through 14 stations (3
underground +11 above). Underground part constructed by means of TBM (Tunnel Boring
Machine) with two parallel horizontal tunnels. Especially, in the position to go through
City Opera House, two tunnels were converted into parallel up-down direction. The
change of position two tunnel effect is very different and more dangerous than they run
parallel to the horizontal. Because of the special, the construction unit to be analyzed and
studied in detail the factors that influence as well as the risk that may occur in the course
of boring and construction work being put into use. Since then, the construction company
can take action, a reasonable construction sequence along with the limitations of the work
needed to ensure non-occurrence of the incident should not have.
Thesis will present research on the recommendation had been made in the world
when this is the case, and applies to practical geological conditions of the area of District

1 - Ho Chi Minh City to put appropriate recommendations through the simulation using
Plaxis 2D software. The results will be the basis for evaluating the actual construction
methods and are the foundation for building construction methods for the following Lines
in the city.


7
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm.
Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu
khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.
Tp. HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016

Nguyễn Thị Thùy Linh


8

MUC LUC
PHẦN MỞ ĐẦU............................................................................................... 18
I.

Tính cấp thiết của đề tài: ........................................................................ 19

II. Mục tiêu nghiên cứu:.............................................................................. 22
III. Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu: ................................................... 23
IV. Nội dung nghiên cứu: ............................................................................ 24
V.

Tính thực tiễn và tính khoa học của đề tài: ........................................... 25

a.

Tính thực tiễn của đề tài: ........................................................................ 25

b.

Tính khoa học của đề tài: ....................................................................... 26

VI. Dự kiến kết luận, kiến nghị và những hạn chế: ..................................... 28
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN
QUAN

................................................................................................ 29

1.1.

Giới thiệu sơ lược dự án đường sắt đô thị thành phố Hồ Chí Minh:.... 30

1.2.

Giới thiệu về tuyến metro số 1 (Sài Gòn - Suối Tiên): .......................... 32

1.3.

Giới thiệu sơ lược về phần ngầm của tuyến Metro số 1: ....................... 34

c.

Trắc dọc tuyến của đoạn đi ngầm : ........................................................ 34

d.

Giới thiệu về loại máy TBM sử dụng cho giai đoạn 1 của dự án Metro

số 1:

................................................................................................................37
e.

Sơ lược về đoạn hầm ừên - dưới nằm dưới ga Nhà hát lớn thành phố sử

dụng nghiên cứu của đề tại: ....................................................................................38
1.4.

Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã thực hiện liên quan đến đề tài:..
................................................................................................................ 39

a.

Nghiên cứu về việc sử dụng mô hình “Hardening soil small strain”

trong các bài toán địa kỹ thuật - tác giả Rafal F Obrzud ........................................ 39
b.

Những ảnh hưởng địa kỹ thuật lên đường hầm hiện hữu gây ra bởi việc

xây dựng thêm đường hầm trong đất yếu ở Thượng Hải: ...................................... 40

c.

Biến dạng của nền đất khi thi công bằng phương pháp TBM - T/C cầu

đường Việt Nam, số 12/2007: ................................................................................ 43


9

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................... 46
2.1.

Lý thuyết hình thành vòm áp lực quanh hầm tròn trong đất: ................. 47

2.2.

Phương pháp tính toán ứng suất - chuyển vị đối với vỏ hầm dạng tròn

theo sơ đồ vòng đàn hồi:............................................................................................. 48
a.

Tính toán vỏ hầm theo sơ đồ vòng biến dạng tự do: .............................. 48

b.

Tính toán vỏ hầm theo sơ đồ vòng trong môi trường đàn hồi................ 48

2.3.

Cơ sở lý thuyết phần tử hữu hạn và mô hình đất: .................................. 50

a.

Cơ sở lý thuyết phần tử hữu hạn: ........................................................... 50

b.

Cơ sở lý thuyết về mô hình sử dụng mô phỏng đối với phần mềm

Plaxis: .................................................................................................................... 58
2.4.

Phân tích sử dựng các mô hình đất để mô phỏng địa chất khu vực: ...... 63

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG - PHÂN TÍCH BIỆN PHÁP THI CÔNG
BẰNG PLAXIS 2D (MÔ HÌNH MOHR COULOMB) ......................................... 65
3.1.
a.

Địa chất sử dụng mô phỏng trong mô hình: ........................................... 66
Mặt cắt địa chất với các tầng địa chất sử dụng mô phỏng cho đoạn

chuyển hướng của hai hầm Metro : ........................................................................ 67
b.

Các thông số sử dụng cho mô hình Mohr Coulomb tại thời điểm tức

thời (giai đoạn thi công): ........................................................................................ 68
3.2.
trước:

Mô phỏng trường hợp hầm phía tây (hầm nằm trên) được thi công
................................................................................................................ 74

a.

Geometry: ............................................................................................... 74

b.

Gán vật liệu: ........................................................................................... 74

c.

Ngoại lực tác dụng: ................................................................................ 75

d.

Mô hình: ................................................................................................. 75

e.

Các giai đoạn thi công Plaxis Calculation: ............................................ 77

f.

Kết quả tính toán: ................................................................................... 82

3.3.

Mô phỏng trường hợp hầm phía đông (hầm nằm dưới) được thi công


10

trước:

................................................................................................................87
a.

Geometry:............................................................................................... 87

b.

Gán vật liệu: ........................................................................................... 87

c.

Ngoại lực tác dụng: ................................................................................ 87

d.

Mô hình: ................................................................................................. 87

e.

Các giai đoạn thi công Plaxis Calculation: ............................................ 87

f.

Kết quả tính toán: ................................................................................... 88

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG - PHÂN TÍCH BIỆN PHÁP THI CÔNG
BẰNG PLAXIS 2D (MÔ HÌNH HARDENING SOIL) ........................................ 93
Địa chất sử dụng mô phỏng trong mô hình:........................................... 94

4.1.
a.

Mặt cắt địa chất với các tầng địa chất sử dụng mô phỏng cho đoạn

chuyển hướng của hai hầm Metro : ........................................................................94
b.

Các thông số sử dụng cho mô hình Mohr Coulomb tại thời điểm tức

thời (giai đoạn thi công): ........................................................................................94
Mô phỏng trường hợp hầm phía tây (hầm nằm trên) được thi công

4.2.
trước:

................................................................................................................98
a.

Geometry:............................................................................................... 98

b.

Gán vật liệu: ........................................................................................... 98

c.

Ngoại lực tác dụng: ................................................................................ 99

d.

Mô hình: ................................................................................................. 99

e.

Các giai đoạn thi công Plaxis Calculation: ............................................ 99

f.

Kết quả tính toán: ................................................................................... 99
Mô phỏng trường hợp hầm phía đông (hầm nằm dưới) được thi công

4.3.
trước:

................................................................................................................104
a.

Geometry:............................................................................................. 104

b.

Gán vật liệu: ......................................................................................... 104

c.

Ngoại lực tác dụng: .............................................................................. 104

d.

Mô hình: .............................................................................................. 104


11

e.

Các giai đoạn thỉ công Plaxis Calculation: ....................................... 104

f. ...................................................................................................... Kết quả
tính toán: .................................................................................................... 104
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VẰ KIẾN NGHỊ _______________________ 109
5.1.

Kết luận: .............................................................................................. 110

a.

về chuyển vị của toàn mô mình: ........................................................ 110

b.

về hệ số an toàn: .................................................................................. 111

c.

về nội lực trong vỏ hầm: .................................................................... 112

d.
5.2.

về lụa chọn mô hình đất mô phỏng cho bài toán: ........................... 113
Kiến nghị: ............................................................................................ 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO ______________________________________ 116


12

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Lún sụt sân một trường đại học ở Paris khi máy đào hầm đi qua (tuyến
14) năm 2003 .............................................................................................................. 26
Hình 1.1 - Bản đồ quy hoạch các tuyến Metro thành phố Hồ Chí Minh ........... 31
Hình 1.2 - Bản đồ quy hoạch tuyến Metro số 1 (Sài Gòn - Suối Tiên) của thành
phố Hồ Chí Minh ........................................................................................................ 33
Hình 1.3 - Bản đồ chi tiết nhà ga dọc tuyến (cập nhật) của tuyến Metro số 1 (Sài
Gòn-Suối Tiền) ........................................................................................................... 33
Hình 1.4- Các phân đoạn với bản vẽ chi tiết dọc hầm ngầm ............................. 35
Hình 1.5- Mặt cắt mô phỏng quá trình thay đổi khoảng cách và vị trí của hai hầm
song song .................................................................................................................... 35
Hình 1.6 - Mặt cắt mô phỏng đoạn chuyển thành vị trí trên - dưới của hai hầm36
Hình 1.7- Mặt cắt dọc máy TBM sử dụng trong gói thầu 1 .............................. 37
Hình 1.8- Mặt cắt ngang hầm đoạn khiên đào ................................................... 38
Hình 1.9: Phối cảnh hai hầm Metro tuyến số 1, đoạn ga Nhà Hát Lớn Thành

Phố và công năng của các tầng hầm ........................................................................... 38
Hình 1.10 Mặt cắt ngang hai hầm trên - dưới đoạn dưới Nhà Hát Lớn thành phố
.................................................................................................................................... 39
Hình 1.11: Đường cong ứng suất - biến dạng: so sánh giữa các mô hình phi tuyến
(Mohr Coulomb, Hardening soil, Hardening soil small strain, J-4q) và thí nghiệm CIEU
cho việc mô phỏng ứng xử của đất quanh hầm .......................................................... 40
Hình 1.12: Mô hình 3D mô phỏng sự chồng lắp của các tuyến Metro Thượng
Hải............................................................................................................................... 41
Hình 1.13: Kết quả phân tích chuyển vị thẳng đứng ở từng vị trí phân khúc khi
hình thành lần lượt hầm dưới và hầm trên của tuyến metro số 11, Thượng Hải ........ 42
Hình 2.1: Sơ đồ tính toán và hệ cơ bản của vòng trong môi trường dẻo ........... 48
Hình 2.2: Các sơ đồ tính toán vỏ hầm như vòng trong môi trường đàn hồi bằng
phương pháp của đơn vị thiết kế tàu điện ngầm (Metroproekt); a,ỗ,b - các sơ đồ tính
toán, p, i hệ cơ bản ...................................................................................................... 50
Hình 2.3: Việc chia lưới địa chất và các nút trong phương pháp PTHH .......... 53


13

Hình 2.4: Mặt dẻo của mô hình Mohr-Coulomb ............................................... 59
Hình 2.5: Hướng dẻo trong mặt phẳng ứng suất mô hình Mohr-Coulomb ...... 60
Hình 2.6: Mặt phẳng dẻo trong không gian ứng suất chính ............................. 61
Hình 2.7: Mặt dẻo của mô hình Hardening Soil trong không gian ứng suất chính
và trong mặt phang ..................................................................................................... 62
Hình 3.1: Mô hình đất trong mô phỏng với phần mềm Plaxis 2D .................... 75
Hình 3.2: Bước refine line cho phần tử hầm khi mô phỏng bằng Plaxis 2D ...76
Hình 3.3: Lưới phần tử khi hoàn tất giai đoạn mesh ......................................... 76
Hình 3.4: Phân tích áp lực thủy tĩnh ở điều kiện ban đầu .................................. 77
Hình 3.5: Mô phỏng cho phase 1 (trường hợp hầm nằm trên được thi công trước)
.................................................................................................................................... 78

Hình 3.6: Mô phỏng cho phase 2 (trường hợp hầm nằm trên được thi công trước)
.................................................................................................................................... 79
Hình 3.7: Mô phỏng cho phase 3 (trường hợp hầm nằm trên được thi công trước)
.................................................................................................................................... 79
Hình 3.8: Mô phỏng cho phase 4 (trường hợp hầm nằm trên được thi công trước)
.................................................................................................................................... 80
Hình 3.9: Mô phỏng cho phase 5 (trường hợp hầm nằm trên được thi công trước)
.................................................................................................................................... 81
Hình 3.10: Chọn điểm phân tích và bắt đầu quá trình tính toán ........................ 82
Hình 3.11: Kết quả chuyển vị bài toán cuối phase 3 (trường hợp thi công hầm nằm
trên trước) ................................................................................................................... 83
Hình 3.12: Kết quả chuyển vị bài toán cuối phase 4 (trường hợp thi công hầm nằm
trên trước) ................................................................................................................... 83
Hình 3.13: Lực dọc và lực cắt trong vỏ hầm ttên ở cuối phase 3 (TH thi công hầm
nằm trên trước) ........................................................................................................... 84
Hình 3.14: Moment uốn và chuyển vị vỏ hầm trên ở cuối phase 3 (TH thi công
hầm nằm trên trước).................................................................................................... 84
Hình 3.15: Lực dọc và lực cắt trong vỏ hầm trên ở cuối phase 4 (TH thi công
hầm nằm trên trước)................................................................................................... 85
Hình 3.16: Moment uốn và chuyển vị vỏ hầm trên ở cuối phase 4 (TH thi công


14

hầm nằm trên trước)................................................................................................... 85
Hình 3.17: Lực dọc và lực cắt trong vỏ hầm dưới ở cuối phase 4 (TH thi công
hầm nằm trên trước)................................................................................................... 86
Hình 3.18: Moment uốn và chuyển vị vỏ hầm dưới ở cuối phase 4 (TH thi công
hầm nằm trên trước).................................................................................................... 86
Hình 3.19: Các phase tính toán cho trường hợp hầm phía đông được thi công

trước ........................................................................................................................... 87
Hình 3.20: Kết quả chuyển vị bài toán cuối phase 3 (trường hợp thi công hầm
nằm dưới trước) ......................................................................................................... 88
Hình 3.21: Kết quả chuyển vị bài toán cuối phase 4 (trường hợp thi công hầm
nằm dưới trước) ......................................................................................................... 89
Hình 3.22: Lực dọc và lực cắt trong vỏ hầm trên ở cuối phase 4 (TH thi công
hầm nằm dưới trước) ................................................................................................. 89
Hình 3.23: Moment uốn và chuyển vị vỏ hầm trên ở cuối phase 4 (TH thi công
hầm nằm dưới trước) ................................................................................................. 90
Hình 3.24: Lực dọc và lực cắt ttong vỏ hầm dưới ở cuối phase 3 (TH thi công
hầm nằm dưới trước) ................................................................................................. 90
Hình 3.25: Moment uốn và chuyển vị vỏ hầm dưới ở cuối phase 3 (TH thi
công hầm nằm dưới trước)......................................................................................... 91
Hình 3.26: Lực dọc và lực cắt ttong vỏ hầm dưới ở cuối phase 4 (TH thi công
hầm nằm dưới trước) ................................................................................................. 91
Hình 3.27: Moment uốn và chuyển vị vỏ hầm dưới ở cuối phase 4 (TH thi
công hầm nằm dưới trước).......................................................................................... 92
Hình 4.1: Kết quả chuyển vị bài toán cuối phase 3 (trường hợp thi công hầm
nằm trên trước) .......................................................................................................... 100
Hình 4.2: Kết quả chuyển vị bài toán cuối phase 4 (trường hợp thi công hầm
nằm trên trước) ......................................................................................................... 100
Hình 4.3: Lực dọc và lực cắt trong vỏ hầm trên ở cuối phase 3 (TH thi công
hầm nằm trên trước)................................................................................................. 101
Hình 4.4: Moment uốn và chuyển vị vỏ hầm trên ở cuối phase 3 (TH thi công
hầm nằm trên trước)................................................................................................. 101


15

Hình 4.5: Lực dọc và lực cắt trong vỏ hầm trên ở cuối phase 4 (TH thi công

hầm nằm trên trước)................................................................................................. 102
Hình 4.6: Moment uốn và chuyển vị vỏ hầm trên ở cuối phase 4 (TH thi công
hầm nằm trên trước)................................................................................................. 102
Hình 4.7: Lực dọc và lực cắt trong vỏ hầm dưới ở cuối phase 4 (TH thi công
hầm nằm trên trước)................................................................................................. 103
Hình 4.8: Moment uốn và chuyển vị vỏ hầm dưới ở cuối phase 4 (TH thi công
hầm nằm trên trước)................................................................................................. 103
Hình 4.9: Kết quả chuyển vị bài toán cuối phase 3 (trường hợp thi công hầm
nằm dưới trước) ....................................................................................................... 105
Hình 4.10: Kết quả chuyển vị bài toán cuối phase 4 (trường hợp thi công hầm
nằm dưới trước) ....................................................................................................... 105
Hình 4.11: Lực dọc và lực cắt trong vỏ hầm trên ở cuối phase 4 (TH thi công
hầm nằm dưới trước) ............................................................................................... 106
Hình 4.12: Moment uốn và chuyển vị vỏ hầm ttên ở cuối phase 4 (TH thi công
hầm nằm dưới trước) ............................................................................................... 106
Hình 4.13: Lực dọc và lực cắt ttong vỏ hầm dưới ở cuối phase 3 (TH thi công
hầm nằm dưới trước) ............................................................................................... 107
Hình 4.14: Moment uốn và chuyển vị vỏ hầm dưới ở cuối phase 3 (TH thi
công hầm nằm dưới trước)....................................................................................... 107
Hình 4.15: Lực dọc và lực cắt ttong vỏ hầm dưới ở cuối phase 4 (TH thi công
hầm nằm dưới trước) ............................................................................................... 108
Hình 4.16: Moment uốn và chuyển vị vỏ hầm dưới ở cuối phase 4 (TH thi
công hầm nằm dưới trước)....................................................................................... 108
Hình 5.1: ứng suất có hiệu trong mô hình cuối quá trình thi công với mô phỏng
bằng mô hình Hardening soil - bên trái (THI), bên phải (TH2) ............................... 111


16

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Bảng tổng hợp cấu tạo địa chất khu vực xây dựng tuyến Metro số 4, số
11 ở Thượng Hải......................................................................................................... 41
Bảng 2.1: Sơ đồ xác định áp lực địa tầng lên hầm được thi công theo phương pháp
đào kín ........................................................................................................................ 47
Bảng 3.1: Tổng hợp thông số trọng lượng riêng tự nhiên các lóp đất ............... 68
Bảng 3.2: Thông số trọng lượng riêng bão hòa các lớp đất ............................... 69
Bảng 3.3: Tổng hợp hệ số thấm ngang các lớp đất............................................ 70
Bảng 3.4: Tổng hợp hệ số thấm đứng các lớp đất ............................................. 70
Bảng 3.5: Tổng hợp module đàn hồi Mô hình Mohr-Coulomb các lớp đất ..... 72
Bảng 3.6: Tổng hợp hệ số poison các lóp đất .................................................... 73
Bảng 3.7:Tổng hợp Lực dính các lóp đất .......................................................... 73
Bảng 3.8: Tổng hợp góc ma sát trong của các lớp đất....................................... 74
Bảng 5.1: Tóm tắt nội lực vỏ hầm trong hai trường hợp mô phỏng với mô hình
Mohr Coulomb ......................................................................................................... 112
Bảng 5.2: Tóm tắt nội lực vỏ hầm trong hai trường hợp mô phỏng với mô hình
Hardening Soil .......................................................................................................... 113


17

PHẦN MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài:

I.

Việt Nam đang trong thời gian phát triển cơ sở hạ tầng mạnh với sự đầu tư của
các nguồn vốn ODA, các dự án tàu điện ngầm cũng từ đây được triển khai. Lý do mà
dự án tàu điện ngầm lại là một giải pháp khả thi và hữu ích đối với thành phố lớn và
phát triển không ngừng như thành phố Hồ Chí Minh là vì các nguyên nhân sau:
-

Khả năng mở rộng các đường hiện hữu hoặc quy hoạch thêm các tuyến
đường bộ khác trong thành phố để giải quyết nhu cầu đi lại cho người dân
thành phố là khó thực hiện do: chi phí đền bù giải tỏa lớn, thời gian giải tỏa
và thi công lâu, ảnh hưởng lớn đến sinh hoạt người dân, quỹ đất hiện tại
không còn nhiều...

-

Tiếp tục phát triển các tuyến đường bộ sẽ làm kích thích sự phát triển của
phương tiện đi lại cá nhân, làm tình trạng khói bụi - ô nhiễm môi tường - tai
nạn giao thông sẽ càng tăng cao.

-

Việc phát triển các dự án tàu điện ngầm và tàu điện trên cao hạn chế tối thiểu
yêu cầu giải tỏa - đền bù, đặc biệt là trong khu vực nội thành thành phố. Việc
thi công thực hiện trong lòng đất hoặc trên cao nên gây ảnh hưởng nhỏ tới
hoạt động của người dân thành phố.

-

Vận hành của tàu điện ngầm không tạo ra các chất thải gây ô nhiễm môi
trường.

-

Giảm thiểu tai nạn giao thông, góp phần giải quyết lớn cho nhu cầu đi lại của
người dân.

-

Rút ngắn thời gian di chuyển cho người dân trong nội thành và hơn nữa là sự
giao lưu với các thành phố vệ tinh quanh thành phố Hồ Chí Minh.

Bên cạnh đó, việc áp dụng một loại hình công trình hoàn toàn rất mới ở Việt
Nam cũng có nhiều vấn đề khiến các nhà chức trách và các chuyên gia phải băn khoăn
lo lắng. Điển hình là vấn đề công nghệ xây dựng và các nguy cơ có thể xảy ra trong
quá trình thi công của đoạn tàu điện đi ngầm dưới lòng đất. Chính vì thế, việc ứng


18

dụng công nghệ tiên tiến TBM là giải pháp an toàn, thích hợp, đã từng được áp dụng
rất thành công cho những đường hầm ửên thế giới. TBM là công nghệ đào hầm bằng
máy khiên đào tự động, đào kín trong lòng đất, không gây chấn động và ảnh hưởng
đến các công trình phía trên, về tuyến Metro số 1, đề án đã thông qua việc sử dụng 2
máy khiên đào với đường kính 6.6m được đào song song nằm ngang. Khi 2 hầm này
đi gần đến vị trí dưới chân nhà Hát Lớn Thành Phố, từ hai hầm nằm ngang sẽ được
chuyển hướng dần dần để tiến đến vị trí hai hầm trên-dưới vì các lý do:
-

Tránh ảnh hưởng đến hệ thống móng của nhà hát lớn và các nhà cao tầng
nằm san sát nhau trong khu vực này.

-

Thích hợp cho việc xây dựng nhà ga số 2 tại Nhà Hát Lớn Thành Phố.

Sự tương tác về ứng suất và biến dạng giữa hai đường hầm này bị thay đổi khá

lớn và nguy hiểm hơn so với việc để chúng chạy song song nhau. Cụ thể là:
-

Trường hợp đào hầm nằm bên dưới ( sau đây sẽ gọi là hầm 1) trước rồi mới
đào hầm bên trên (sau đây sẽ gọi là hầm 2) có thể gây ra việc phá vỡ thế cân
bằng lớp đất đá phía trên của hầm 1, gây sập hầm 1 trong quá trình thi công
hầm 2. Hoặc giả, do sự dỡ tải từ việc thi công hầm 2 sẽ làm đất đá xung
quanh hầm 1 biến dạng lớn (nở ra) làm thay đổi kích thước hầm 1 đã đào.

-

Trường hợp đào hầm 2 trước rồi mới đào hầm 1 có khả năng gây ra lún sụt
cho đáy hầm 2 (cũng là khu vực đất đá phía trên hầm 1) do mất thế cân bằng
ứng suất trong đất từ việc đào hầm 1.

-

Việc đặt đường hầm này nằm ttên (hoặc nằm dưới) đường hầm còn lại chắc
chắn sẽ gây ảnh hưởng lớn hơn so với việc nằm ngang. Trực quan cho nhận
xét này là ứng suất có hiệu theo phương đứng bao giờ cũng lớn hơn ứng suất
có hiệu theo phương ngang.

Trong cả hai trường hợp, người kỹ sư phải đưa ra khoảng cách hợp lý giữa hai
hầm để ttánh các nguy cơ có thể xảy ra. Từ đó, phương án nào có nguy cơ thấp hơn
và phù hợp vói điều kiện thực tế sẽ được chọn làm biện pháp thi công cuối cùng.
Chính từ sự cần thiết cùa việc lựa chọn phương án thi công, luận văn này sẽ trình
bày cụ thể các bước tính toán và mô phỏng giả định cho hai trường hợp nêu trên, từ đó


19

đưa ra các yêu cầu để đảm bảo an toàn thi công cho từng trường hợp. Kết luận sẽ là sự
so sánh để chọn phương án thi công tối ưu và phù hợp hơn.


20

II.

Mục tiêu nghiên cứu:
Với độ nóng của dự án Metro hiện nay, chắc chắn sẽ có nhiều nghiên cứu xoay

quanh các vấn đề về biên pháp, tính hợp lý, chuyển vị, tính khả thi, sức ảnh hưởng....với
cùng định hướng chung là tìm hiểu sâu xa về biện pháp thi công khá mới và có nguy cơ
cũng khá cao là Công Trình Ngầm. Một mục tiêu khác là nhằm dự đoán các sự cố có
thể xảy ra trong quá trình thi công cũng như sử dụng, đây là vấn đề quan trọng và hầu
như không thể không đề cập và nghiên cứu khi thực hiện công trình có độ khó cao. Cũng
với mục đích và ý hướng này, nghiên cứu nhằm đưa ra cách phân tích và cơ sở để lựa
chọn phương pháp thi công tối ưu, giảm thiểu rủi ro cho việc xây dựng hai đường hầm
song song trên-dưới với điều kiện địa chất cụ thể khu vực quận 1 thành phố Hồ Chí
Minh. Gợi ra hướng chọn trình tự thi công khi bắt buộc phải chuyển hướng đào cho các
tuyến tàu điện ngầm. Góp phần bổ sung cái nhìn tổng quát cho việc lựa chọn biện pháp
thi công tuyến tàu điện ngầm đầu tiên tại thành phố Hồ Chí Minh, từ đó, công nghệ thi
công mới TBM trở nên không quá lạ lẫm trong việc ứng dụng và tính toán tại Việt Nam.
Ngoài ra, nghiên cứu sẽ tổng hợp các lý thuyết tính toán cơ bản cho các công trình
ngầm, là cơ sở để hình thành các tính toán sau này.


21

III.

Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu:
Nghiên cứu được thực hiện thông qua việc mô phỏng thực nghiệm bằng phương

pháp phần tử hữu hạn, cụ thể là phần mềm Plaxis, giả định với tham số thay đổi là: trình
tự thi công, mô hình sử dụng để mô phỏng.
Việc mô phỏng sẽ sử dụng dữ liệu đầu vào thực tế của tuyến Metro số 1 (Bến
Thành - Suối Tiên) tại mặt cắt nằm dưới ga Nhà Hát Lớn Thành Phố gồm: địa chất từ
đơn vị khảo sát, kích thước và trắc dọc tuyến từ đơn vị thiết kế.
Bên cạnh đó, luận văn cũng sẽ đưa ra một số trường hợp tương tự trên thế giới đã
ứng dụng và phân tích để người đọc có cái nhìn tổng quát và so sánh rõ ràng hơn.


22

Nội dung nghiên cứu:

IV.

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, đề tài sẽ bao gồm các nội dung được
chọn lọc và phân tích như sau:
-

Tìm hiểu các nghiên cứu đã được thực hiện trên thế giới liên quan đến vấn đề
lựa chọn phương án đào hầm kín, về khoảng cách an toàn giữa hai hầm song
song. Tổng kết sơ bộ về các vấn đề cần được đặt ra và các khuyến cáo từ
những tác giả này.

-

Giới thiệu sơ bộ về thông tin dự án tuyến tàu điện ngầm số 1 (Bến Thành Suối Tiên). Bên cạnh đó, vấn đề biện pháp thi công cũng sẽ được khái quát
lại. Mặt khác, luận văn sẽ đi sâu hơn trong việc chi tiết hóa biện pháp thi
công bằng máy khiên đào được sử dụng cho tuyến MeUo số 1 này.

-

Trình bày về cơ sở lý thuyết của việc tính toán ứng suất - biến dạng cho kết
cấu hầm dạng vòng tròn, tiêu chuẩn Việt Nam về tính toán cho hầm dạng
vòng tròn.

-

Tổng hợp kết quả khảo sát địa chất của tuyến và đặc biệt là khu vực có trắc
dọc tuyến là hai đường hầm song song trên - dưới.

-

Phân tích việc sử dụng các mô hình tính toán đất thích hợp dành cho khu vực
thành phố Hồ Chí Minh của tuyến Metro số 1 nói riêng và sử dụng cho các
mô hình tính toán của hầm nói chung khi áp dụng vào phần mềm Plaxis 2D.
Từ đó áp dụng vào thực tế bài toán.

-

ứng dụng mô phỏng biện pháp thi công hai hầm bằng phần mềm Plaxis với
các biến số thay đổi là: trình tự đào hầm, mô hình đất mô phỏng sử dụng. Từ
đó, đưa ra các giới hạn cho từng trường hợp đào.

-

So sánh, tổng hợp giữa hai trình tự đào với các ưu - khuyết đểm để chọn lựa
trình tự đào hợp lý và khả thi hơn.

-

Đối chiếu kết quả nghiên cứu với các kết quả của những nghiên cứu cũ trên
thế giới về vấn đề này để đánh giá tính hợp lý cũng như độ tin cậy của kết
quả.

- Lọc ra những hạn chế còn tồn đọng của đề tài, từ đó đưa ra những hướng cho
các nghiên cứu tiếp theo trong tương lai liên quan đến vấn đề này.


23

V.

Tính thực tiễn và tính khoa học của đề tài:
a. Tính thực tiễn của đề tài:
Đề tài được thực hiện trong giai đoạn dự án Metro số 1 đang là công trình thu hút

sự quan tâm của đông đảo người dân cả nước nói chung, cư dân đang sống và làm việc
ở thành phố Hồ Chí Minh nói riêng. Trong đó, không thể thiếu sự đóng góp những
nghiên cứu của các kỹ sư xây dựng ưong nghề. Bên cạnh những cải tiến về đời sống,
giao thông quan trọng, dự án còn là bước ngoặt lớn về sự phát triển cơ sở hạ tầng, kỹ
thuật thi công tiên tiến của Việt Nam, góp phần rút ngắn khoảng cách về công nghệ với
các nước đang phát triển.
Mặt khác, việc thi công công trình đoạn ngầm là vấn đề quan ngại nhất của mọi
người. Người dân trong khu vực thi công luôn trong hạng thái lo lắng vì ngay dưới nhà

ở đang bị đào hỗng bằng loại thiết bị lần đầu tiên được ứng dụng tại khu dân cư của Việt
Nam, vấn đề đặt ra luôn là vấn đề “an toàn”: “Liệu việc tính toán cho biện pháp thi công
rất mới mẻ như công nghệ TBM có được thực hiện kỹ lưỡng và chính xác không?” hoặc
“Có phải sẽ dễ dàng phát sinh những sự cố trong quá trình thi công?”... Một ví dụ của
tai nạn lao động xảy ra trong quá trình thi công hầm bằng phương pháp TBM là ở dự án
ĐƯỜNG HẦM CAO TỐC 99 ở Seattle Ed Murray làm 4 người công nhân bị thương
do sập hệ thống cốt thép tường hầm. Ví dụ khác là tai nạn sụt lún sân một tường đại học
Paris khi TBM đi qua như hình bên dưới:


24

Hình 1.1: Lún sụt sân một trường đại học ở Paris khỉ máy đào hầm đì qua
(tuyến 14) năm 2003.
Bên cạnh đó, việc đảm bảo hình dạng và kích thước đường hầm sau khi đào cũng
là một vấn đè đáng quan tâm.
Chình vì lý do đó, luận văn được thực hiện như là một tiếng nói bổ sung, đóng góp
cho việc xác minh tính an toàn của quá trình thi công và tính ổn định sau khi đào. Mặt
khác, đề tài cũng sẽ là phần mở đầu cho việc làm quen với công nghệ đào hầm tiên tiến
của thế giới: công nghệ TBM, để công nghệ này sẽ không còn lạ lẫm với người dân Việt
Nam nói chung và người dân của các thành phố lớn - nơi có thể sẽ sắp được tiếp cận với
hệ thống tàu điện ngầm nói riêng.
b. Tính khoa học của đề tài:
Cho tới thời điểm hiện nay, việc ứng dụng công nghệ TBM đã không còn là một
vấn đề xa lạ đối với khoa học của các nước tiên tiến. Nhưng, không vì thế mà các nghiên
cứu về biện pháp thi công này bị xem nhẹ và lãng quên. Các nhà chuyên môn trên thế
giới vẫn đang tiếp tục đào sâu nghiên cứu với những khu vực địa chất cụ thể khác nhau.
Trong đó, việc thi công hai hầm đôi song song luôn là vấn đề được tranh cãi và mổ xẻ,

25

bởi lẽ trong trường hợp này, các nguy cơ về độ an toàn có khả năng xảy ra là khá cao.
Đặc biệt hơn là trường hợp hai hầm song song hên - dưới lại càng là vấn đề đáng quan
tâm hơn. Một điển hình của sự cố trong quá trình đào hầm bằng TBM là trường hợp
đường hầm dưới eo biển Tsugaru - là đường hầm qua biển dài nhất thế giới, một máy
đào hầm TBM đã bị bỏ lại khi chỉ mới đào được 2km vì lý do địa chất có thay đổi phức
tạp và khó khăn trong việc phun vữa cố định mặt đất trước khiên đào.
Vì vậy, việc nghiên cứu về tính hợp lý và an toàn cho trình tự thi công hai hầm
đôi nằm trên - dưới như đường hầm Metro số 1, đoạn qua Nhà Hát Lớn Thành Phố là
một vấn đề cần thiết và có giá trị về mặt khoa học. Nghiên cứu cũng giúp bổ sung kiến
thức cơ bản về tính toán ứng suất - biến dạng của đất đá quanh hầm đôi, giúp làm quen
với quá trình tính toán mô phỏng cho kết cấu hầm, đặc biệt là với công nghệ thi công
TBM và trường hợp thế nằm đặc biệt này của hai hầm song song. Từ đó, việc thi công
các tuyến tiếp theo của hệ thống Metro thành phố được xem xét một cách hệ thống và
có cơ sở hơn.