Dự báo độ lún của bề mặt đất do đào hầm bằng máy đào TBM tại tuyến Metro Line 3, Hà Nội

DỰ BÁO ĐỘ LÚN CỦA BỀ MẶT ĐẤT DO ĐÀO HẦM
BẰNG MÁY ĐÀO TBM TẠI TUYẾN METRO LINE 3, HÀ NỘI
ĐẶNG HÔNG LAM*, NGUYỄN BÁ ĐỒNG*

Prediction of ground setlement due to trenchless excavation by TBM at
the metro line 3 in Hanoi
Abstract: The prediction of ground setlement due to trenchless excavation
is compulsory for the city metro projects, especialy in compactly
constructed cities such as Hanoi, HCMC. The paper deal with a method of
predicting the setlement of ground surface cocerning metro line
contruction and for example of metro line 3 Hanoi.
Keywords: Trenchless excavation, TBM, Metroline, Setlement.
1. GIỚI THIỆU CHUNG *
Ở TP. Hà Nội với mật độ dân cƣ đông đúc hiện
nay, đặc biệt là ở các khu vực tuyến hầm ngầm
của dự án Metro Line 3 đi qua, nên việc dự báo độ
lún của nền đất do quá trình thi công đào hầm
bằng TBM là rất quan trọng và cần đƣợc nghiên
cứu kỹ lƣỡng. Do phần lớn công tác đào hầm diễn
ra trong môi trƣờng đô thị có mật độ dày đặc, có
khả năng ảnh hƣởng đến mặt bằng xung quanh
hoặc kết cấu dƣới lòng đất trong phạm vi khu vực
ảnh hƣởng, nên việc xác định quy mô của sụt lún
có thể xảy ra đóng một vai trò lớn trong việc thiết
lập các quy định và chỉ dẫn kỹ thuật cho biện pháp
thi công và trong thiết kế các biện pháp giảm thiểu
rủi ro tại những vị trí cần thiết. Vì vậy việc tuyến
đƣờng sắt Metro Line 3 sử dụng công nghệ khoan
hầm TBM với những ƣu điểm vƣợt trội trong thi
công là mang tính cấp thiết nhằm hạn chế triệt để
những rủi ro do việc thi công hầm ảnh hƣởng xấu

đến công trình cũng nhƣ dân cƣ phía trên. Tuy
nhiên, việc dự báo độ lún của nền đất do quá trình
đào hầm cần đƣợc quan tâm. Bài báo tiến hành tập
hợp các lời giải giải tích đã có trên thế giới, sau đó
tìm cách áp dụng công thức đó vào điều kiện địa
chất ở Việt Nam mà cụ thể là tuyến Metro Line 3,
Hà Nội. Trong quá trình áp dụng công thức, nhóm

tác giả đã sử dụng công thức hệ số tƣơng đƣơng
cho nền đất nhiều lớp. Kết quả dự báo là một
trong những cơ sở để các đơn vị liên quan xem xét
đến vấn đề lún gây ra cho quá trình đào hầm sau
này không chỉ cho dự án Metro Line 3, Hà Nội mà
còn cho các tuyến đƣờng hầm sau này.
Cấu trúc của bài báo nhƣ sau: tiếp theo phần
giới thiệu là phần lời giải độ lún của nền bằng
các công thức giải tích đã nghiên cứu trên thế
giới cho nền đồng nhất, đề xuất sử dụng công
thức tƣơng đƣơng cho nền nhiều lớp. Sau đó là
vị dụ áp dụng các công thức trên cho tuyến
đƣờng sắt đô thị ở Hà Nội (Metro Line 3) và
một số nhận xét về kết quả. Cuối cùng là một số
kết luận chung của bài báo.
2. LỜI GIẢI BẰNG GIẢI TÍCH
2.1. Nền đất đồng nhất
Thông qua các nghiên cứu và kinh nghiệm
thực địa khác nhau, các phƣơng pháp thực nghiệm
đã đƣợc phát triển trong nhiều năm để dự đoán sự
biến dạng gây ra bởi việc đào hầm trên mặt đất
mềm của Peck (1969). Độ lún của bề mặt đƣợc đề

xuất ở hàm xấp xỉ hàm phân phối xác suất (Hình
1) đƣợc mô tả bởi Peck (1969).
(1)
trong đó:

*

Khoa Công trình - Đại học Giao thông Vận tải
03 Cầu Giấy - Láng Thượng - Đống Đa - Hà Nội
Email:

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020

là độ lún bề mặt ở khoảng cách

ngang (y) từ đƣờng tâm của đƣờng hầm và Smax là
độ lún tối đa tâm đƣờng hầm tại mặt đất (y = 0).
57


Theo công thức đƣợc đề xuất của Peck:
(2)
trong đó: là thể tích đất bị mất và i là giá
trị cần xác định.
Thể tích đất bị mất có thể tính theo công thức sau:
(3)

;

(4)

;

Các kết quả tính toán đã đƣợc tập hợp và
minh họa trong một sơ đồ không thứ nguyên của
i / R so với z /2R cho các đƣờng hầm khác nhau
trong các vật liệu khác nhau của Peck (1969).
Từ các quan hệ thu đƣợc với các quan sát thực
địa, Peck (1969) đã hình thành mối quan hệ sau
đây để ƣớc tính giá trị của i.
Công thức ƣớc tính giá trị i bằng thực
nghiệm:

(5)

Hình 1. Mô phỏng độ lún mặt đất

Trong công thức (3), giá trị VL ảnh hƣởng
đến việc dự tính độ lún của nền đất. Giá trị VL
phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có điều
kiện địa chất, hình học của hầm (độ sâu và
đƣờng kính hầm), công nghệ thi công. Trong
thực hành, VL đƣợc lấy theo kinh nghiệm của
một số nghiên cứu dƣới đây

Bảng 1. Các công thức kinh nghiệm xác định i
Công thức tìm i

Tác giả và cơ sở cho công thức

i / R = ( z o / 2R) n

Peck (1969) bằng quan sát thực địa đã đề xuất n = 0,8
÷ 1,0

i / R = ( z o / 2 R) n

Attewell và Farmer (1974) bằng quan sát thực địa của
các đƣờng hầm ở Vƣơng quốc Anh đã đề xuất n = 1

i / R = ( z o / 2 R) n

Clough và Schmidt (1981) bằng quan sát thực địa của
các đƣờng hầm Vƣơng quốc Anh trong đó n = 0,8

i=

0,43 z o +

1,1m

O'Reilly và New (1982) bằng quan sát thực địa của các
đƣờng hầm ở Vƣơng quốc Anh cho đất dính với
3 z o 34m

i = 0,28 z o - 0,1m

O'Reilly và New (1982) bằng quan sát thực địa của các
đƣờng hầm Vƣơng quốc Anh cho đất dạng hạt với
6 z 0 10m

i = 0,5 z o

Mair và cộng sự (1983) bằng quan sát thực địa và thử
nghiệm máy ly tâm

58

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020


Bảng 2. Một số giá trị của mất mát
khối lƣợng VL(%)

Tác giả

VL (%)

Phƣơng pháp
thi công

O'Reilly và New
(1982)

1.0 - 1.4

Open face

Mair và Taylor
(1997)

1.0 - 2.0

Open face

Mair và Taylor
(1997)

0.5 - 1.5

NATM

Mair và Taylor
(1997)

1.0 - 2.0

EPB hoặc
Slurry Shield
TBM

Shirlaw và cống
sự (2003)

0–6

EPB TBM

Binh Thanh Le
và

cộng
sự
(2019)

1.0

TBM

Hình 2. Mô hình hóa cho nền đất nhiều lớp

2.2. Đề xuất công thức cho trƣờng hợp nền
đất không đồng nhất
Đối với nền đất không đồng nhất, có thể áp
dụng công thức tuyến tính gần đúng nhƣ sau: i =
keq.zo, Mair và cộng sự (1993) đã quan sát thấy
rằng giá trị keq tăng lên cùng với chiều sâu độ
lún dƣới đất.
Đối với đất không đồng nhất, có thể sử dụng
công thức trọng lƣợng đƣợc đề xuất sau đây:
(6)
Trong đó:
 là hệ số xét đến sự ảnh hƣởng của vị trí lớp
đất đến vị trí đào hầm, giá trị này có thể lấy
bằng 0.6
zi là chiều dày lớp đất số i
ki là tham số của lớp đất thứ i
m là số lƣợng lớp đất nằm trên chiều dày
1.5D tính từ tim đƣờng hầm, trong đó D là
đƣờng kính của hầm (hình 2)
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020

3. VÍ DỤ ÁP DỤNG
- Phần này của báo cáo trình bày các giới
thiệu địa chất của Tuyến Metro Line 3 Hà
Nội. Các điều kiện địa chất và địa kỹ thuật ở
khu vực Hà Nội khá phức tạp và do kiến thức
về các điều kiện địa kỹ thuật rất hạn chế, vì
vậy các chƣơng trình khảo sát toàn diện đã
đƣợc thực hiện để xác định các thông số địa
kỹ thuật cả bằng các thí nghiệm hiện trƣờng
và trong phòng.
3.1. Địa tầng của tuyến Metro Line 3
Do sự biến đổi trong trắc dọc của hầm và các
thông số địa kỹ thuật khác nhau, bài báo chỉ lựa
chọn mặt cắt địa chất tại ga S11 để làm ví dụ
minh họa kết quả tính (Systra. S.A, 2012).
Mặt cắt địa chất đƣợc thể hiện trong hình 3 .
Theo đó, địa chất tuyến Metro Line 3 đƣợc chia
thành 6 lớp: Đất lấp, GU3&4, GU1_s, GU1_s2,
GU5_a, GU5_b, và GU7&8 nhƣ sau:
- Lớp Đất lấp là tầng địa chất lấp phía trên có
chiều dày mỏng.
- Lớp GU3&4 là tổng hợp của tầng GU3 (Sét
giàu - CH) và GU4 (sét dẻo – MH) có tính dẻo
vừa đến dẻo cao. Nó chủ yếu bao gồm đất từ
hữu cơ và có thể đƣợc mô tả từ trạng thái mềm
đến cứng.
- Lớp GU1_s bao gồm Sét vô cơ (CL) có độ
dẻo thấp và có thể đƣợc mô tả là từ trạng thái
cứng đến rất cứng. Tầng này đƣợc phân chia

thành GU1_s_1 khi SPT N nhỏ hơn 10 (và q c
nhỏ hơn 1MPa) và GU1_s_2 khi SPT N lớn hơn
10 (và qc lớn hơn 1MPa).
59


- Lớp GU5 bao gồm Cát lẫn đất bột và
đƣợc phân loại là đất dạng hạt. Tầng này có
thể đƣợc phân chia thành GU5a là Cát đất bột
trạng thái chặt vừa (SPT N nhỏ hơn 30 và q c
nhỏ hơn 10MPa) và GU5b là Cát bột từ trạng
thái chặt đến rất chặt (SPT N lớn hơn 30 and
qc lớn hơn 10MPa).
- Lớp GU7&8 là sự kết hợp của tầng GU7
gồm Cát cuội sỏi và tầng GU8 là cuội sỏi.
Trong tầng GU7&8, giá trị SPT N là trên 50
phân xếp lớp này là lớp có trạng thái rất chặt.

Hình 3. Sơ đồ địa chất tại ga S11
3.2. Áp dụng tính chuyển vị bề mặt
▪ Sự ảnh hƣởng của VL đối với độ lún lớn
nhất bề mặt
Khối lƣợng vật liệu mất đi trong quá trình
đào ảnh hƣởng lớn đến việc dự tính độ lún của
nền đất. Theo các nghiên cứu của Binh Thanh
Le và cộng sự (2019) cho tuyến Metro line 1 ở
Sài Gòn thì hệ số VL có là 1%. Trong nghiên
cứu này, hệ số VL đƣợc chọn là 1% tƣơng tự
nhƣ ở tuyến Metro line 1 ở Sài Gòn.
▪ Tham số k

Tham số ki đƣợc lƣa chọn nhƣ sau tùy theo
60

tính chất của các lớp đất. Đối với địa chất ở
dự án Metro Line 3 thì có thể tham khảo theo
bảng 3.
Bảng 3. Một số giá trị của tham số k.
Tên lớp đất

Mô tả tính chất

Lớp đất đắp

Đất đắp

0,3

GU1_s

Sét pha có các lăng kính
bột hoặc sét bột

0,5

GU1_d

Sét pha có các lăng kính
bột hoặc sét bột

0,5

GU3&4

Sét trạng thái dẻo lẫn
hƣu cơ

0,5

GU5_a

Cát mịn hoặc cát bột 0,25
trạng thái rời rạc đến
chặt vừa

GU5_b

Cát mịn hoặc cát bột 0,25
trạng thái chặt

GU7&8

Cát và sỏi rất chặt

k

0,3

▪ Ảnh hƣởng của các lớp đất không đồng
nhất đến giá trị i.
- i là thông số chiều rộng ảnh hƣởng đến độ

lún đƣợc tính là i=keq.zo, trong đó keq hằng số
không có đơn vị, phụ thuộc vào loại đất và zo
là độ sâu của trục hầm dƣới mặt đất; i thể hiện
vị trí của điểm cong lún, trong đó hào có độ
dốc tối đa của nó; nó tách phần võng xuống
khỏi phần khu vực cong uốn của đƣờng của
đƣờng cong.
- Công thức (6) đƣợc sử dụng để dự tính keq
tƣơng đƣơng cho các lớp đất trong dự án Metro
Line 3 cho hầm ở vị trí sâu 21m đƣợc trình bày
ở bảng 4 và minh họa ở hình 4.
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020


Khoảng cách (m)
-25

-15

-5

5

15

25

0
10 m
-5

11 m

12 m
Độ lún (mm)

-10

13 m
14 m

-15

15 m
16 m

-20

17 m
18 m

-25

19 m
20 m

-30

21 m

Hình 5. Dự tính độ lún của bề mặt với
chiều sâu đặt hầm từ 10m đến 21m
Hình 4. Minh họa vị trí cho hầm sâu 21m
Bảng 4. Bảng thông số để tính giá trị keq
cho hầm ở độ sâu 21m

Lớp đất

zi

ki



Đất đắp

1

0,3

0,4

Ghi chú

Lớp đất xa hầm
GU3&4

10

0,5

0,4

GU1_s

3,5

0,5

0,6

GU5_a

6,5

0,25

0,6

Lớp

đất

gần

hầm

Đối với hầm của tuyến Metro line 3 có bán
kính R= 3,3m, đƣợc đào trong độ sâu tính từ
mặt đất đến tâm hầm là zo = 10 ÷ 21 (m), giá

trị i đƣợc tính toán theo công thức (2). Ta có
kêt quả tính sau cho vị trí đặt hầm ở độ sâu
tƣơng ứng với 10m đến 21m từ công thức (1)
nhƣ hình 5.
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020

3.3. Nhận xét
Qua kết quả tính ở hình 5, ta thấy rằng độ lún
lớn nhất của bề mặt đất xẩy ra ở trục đi qua tâm
hầm. Giá trị độ lún này tỷ lệ nghịch với chiều
sâu chôn hầm, tức là giá trị độ lún lớn nhất gần
28mm ứng với độ sâu chôn hầm tại 10m, giá trị
này giảm dần đến 15mm ứng với độ sâu chôn
hầm là 21m.
Phạm vị ảnh hƣởng (độ lún của bề mặt) phụ
thuộc vào độ sâu đặt hầm, cụ thể: với độ sâu đặt
hầm 10m thì phạm vị ảnh hƣởng khoảng 12m về
phía 2 bên; trong khi giá trị phạm vi ảnh hƣởng
này lên đến khoảng 25m cho hầm sâu 21m.
4. KẾT LUẬN
Bài báo trình bày công thức tính dự báo độ
lún của hầm do quá trình thi công TBM và áp
dung để dự tính độ lún cho tuyến Metro Line 3,
Hà Nội. Công thức giải thích trong bài báo là
đƣợc phát triển từ các nghiên cứu cho nền đất
đồng nhất cho trƣờng hợp nền đất có nhiều lớp
khác nhau. Ƣu điểm của công thức này cho
phép dự tính rất nhanh giá trị độ lún của nền, từ
đó đƣa ra các phƣơng án xử lý gia cố nền đất bề
mặt nếu yêu cầu.

61


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Attewell, P.B. and Farmer, I.W., 1974,
“Ground deformations resulting from shield
tunneling in London clay,” Canadian
Geotechnical Journal, Vol. 11, pp.380-395.
2. Binh Thanh Le, Minoru Kuriki, Quoc
Phan, Neil Taylor, 2020. “An empirical analysis
on measured ground surface settlement induced
by TBM tunnelling in Ho Chi Minh city”.
Lecture Notes in Civil Engineering, vol 62.
Springer, Singapore.
3. Clough, G.W. and Schmidt, B., 1981
“Excavation and Tunneling,” Soft Clay
Engineering, Chapter 8, edited by E.W. Brand
and R.P. Brenner, Elsevier.
4. Mair, R.J., and Taylor, R.N. 1997.
“Theme lecture: Bored tunnelling in the urban
environment”. In Proceedings of the fourteenth
international conference on soil mechanics and
foundation engineering, Balkema (pp. 2353–
2385).
5. Mair, R.J., Gunn, M.J. and O’Reilly,
M.P., 1983, “Ground movements around
shallow tunnels in soft clay,” 10th International
Conference on Soil Mechanics and Foundation
Engineering, Stockholm, pp. 323-328.

6. Mair, R.J., Taylor, R.N. and Bracegirdle,
A., 1993, “Subsurface settlement profiles
above tunnels in clay,” Geotechnique, Vol.43,
pp.315-320.
7. O’Reilly, M.P. and New, B.M., 1982,
“Settlements above tunnels in the UK- their
magnitude and prediction,” Tunneling ’82, pp.
173-181.
8. Peck, R. B., 1969, “Deep Excavations and
Tunneling in Soft Ground,” State of the Art
Volume, Seventh International Conference on
Soil Mechanics and Foundation Engineering,
pp. 225-290, Mexico City.
9. Shirlaw, J.N., Ong, J.C.W., Rosser, H.B.,
Tan, C.G, Osborne, N.H. and Heslop, P.J.E. 2003.
“Local settlements and sinkholes due to EPB
tunnelling”. Proc. ICE, Geotechnical Engineering
I 56, October Issue GE4, pp 193–211.
10. Systra S.A 2012. “Báo cáo thiết kế kỹ
thuật_ Dự án: Tuyến đƣờng sắt đô thị thí điểm
thành phố Hà Nội đoạn Nhổn – Ga Hà Nội_Gói
thầu: Đoạn đi ngầm – tuyến và nhà ga
(SYSTRA S.A – tƣ vấn thực hiện dự án)”
11. Wooi Leong Tan, 2003. “Parameters and
Considerations in Soft Ground Tunneling”.
School of Civil & Environmental Engineering
Nanyang Technological University, Singapore.

Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN CHÂU LÂN

62

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020