Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm metro đến biến dạng mặt đất khu vực tp hồ chí minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------

NGUYỄN QUANG KHẢI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ
TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM
MÉTRO ĐẾN BIẾN DẠNG MẶT ĐẤT
KHU VỰC TP. HỒ CHÍ MINH
CHUYÊN NGÀNH

: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MÃ SỐ NGÀNH

: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2009


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. VÕ PHÁN

Cán bộ chấm nhận xét 1 :................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 :................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm 2009


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

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 03 tháng 07 năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : NGUYỄN QUANG KHẢI

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 24/01/1983

Nơi sinh : Phú Yên

Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng

Mã số : 60.58.60

/ Nữ

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2007
1- TÊN ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM
MÉTRO ĐẾN BIẾN DẠNG MẶT ĐẤT KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH”
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm métro đến biến dạng mặt
đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh” với các nội dung chính như sau:
Mở đầu.
Chương 1. Tổng quan về biến dạng mặt đất do xây dựng đường hầm métro ở Tp. Hồ Chí
Minh.
Chương 2. Các phương pháp xác định biến dạng mặt đất do xây dựng đường hầm métro.
Chương 3. Cơ sở lý luận lựa chọn phương pháp tính thích hợp cho khu vực Tp. Hồ Chí Minh.
Chương 4. Nghiên cứu tính tốn biến dạng mặt đất khi thi công tuyến métro số 1 (UMRT1)
của Tp. Hồ Chí Minh.
Kết luận và kiến nghị.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/03/2009
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03/07/2009
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. VÕ PHÁN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. VÕ PHÁN

TS. VÕ PHÁN


LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng với đề tài:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm métro đến biến dạng
mặt đất khu vực TP. Hồ Chí Minh” là sự thể hiện những kiến thức tác giả đã thu
nhận được trong suốt 2 năm học tại Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh
dưới sự chỉ dẫn tận tình của các Thầy cơ trong Trường và đặc biệt là các Thầy trong
bộ mơn Địa cơ nền móng.
Tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn chân thành đến Thầy TS. Võ Phán
đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và cung cấp các thông tin cần thiết để tơi hồn thành
luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cơ giáo trong Bộ mơn Địa cơ nền móng:
TSKH. Lê Bá Lương, TS. Châu Ngọc Ẩn, TS. Bùi Trường Sơn, TS. Nguyễn Minh
Tâm, TS. Lê Bá Vinh, TS. Trần Xuân Thọ và Phòng Sau Đại học của Trường Đại
học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, các bạn trong lớp Địa kỹ thuật xây dựng K2007,
các đồng nghiệp đã giúp tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn để tơi
có thể thực hiện tốt đề tài này.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn mọi người trong gia đình tơi đã giúp đỡ và tạo điều
kiện thuận lợi về thời gian để tơi hồn thành luận văn đúng tiến độ.
Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên khơng tránh khỏi những hạn chế
và thiếu sót. Tơi rất mong được sự đóng góp của q Thầy cơ giáo, bạn bè và đồng
nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Quang Khải


SUMMARY OF THESIS
TITLE OF THESIS
Study of surface settlement by building metro constructions in Ho Chi Minh City.

ABSTRACT
Building shallow underground constructions in weak land makes subsidence.
Hence, we need to research and pay attention to this problem. In Vietnam, this
problem has not been concerned and has not researched completely.
This thesis introduces some computation methods and subsidence forecast based on
foreign reasearcher. And this theory developed will be used to calculate for Ho Chi
Minh City métro line. Based on the results of calculation, surface settlement by
building underground construction in Ho Chi Minh City will be predicted easily.
Finally, some solutions, process measures to restrict that surface settlement in order
to not affect to the existing contructions on the surface ground.
The thesis including contents as follows:
Chapter 1: Overview of the metro contructions: metro concept, some metro
contructions were built in the world, the metro project will be implemented in Ho
Chi Minh City, summarizes some methods of building metro construction,
overview of surface settlement by building metro constructions in Ho Chi Minh
City.
Chapter 2: Methods of caculate surface settlement by building metro constructions:
theoretical basis of caculation the surface settlement by building metro
constructions, the methods of calculation by the empirical formula, some study
based on methods of experiment, monitoring of work at the practical construction.
Chapter 3: Research methods and select the technology of construction for Ho Chi
Minh City. And methods of caculation will research for the results approximate
actual one.
Chapter 4: Research and calculate for metro line number 1 of Ho Chi Minh City
with the different geology to make conclusions.


TÓM TẮT LUẬN VĂN
TÊN ĐỀ TÀI
Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm métro đến biến dạng mặt

đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh.
TĨM TẮT
Lún sụt và biến dạng bề mặt là vấn đề quan tâm hàng đầu trong q trình thi cơng
đường hầm métro, đặc biệt là trong vùng đất yếu. Tuy nhiên ở nước ta vấn đề này
chưa được chú trọng nghiên cứu đúng mức. Luận văn này sẽ đưa ra các phương
pháp tính tốn biến dạng lún mặt đất do thi cơng đường hầm métro của các tác giả
nước ngoài. Và từ những lý thuyết đã nghiên cứu đó sẽ nghiên cứu tính tốn cho
khu vực TP. Hồ Chí Minh. Trên cơ sở những kết quả tính tốn được sẽ dự báo độ
lún bề mặt khi xây dựng đường hầm métro ở TP. Hồ Chí Minh. Cuối cùng là những
giải pháp, biện pháp xử lý để hạn chế những chuyển vị lún đó sao cho khơng ảnh
hưởng đến cơng trình hiện hữu trên bề mặt.
Luận văn bao gồm những nội dung chính như sau:
Chương 1: Tổng quan những vấn đề chung nhất về hầm métro: khái niệm métro, sơ
lược các cơng trình métro đã được xây dựng trên thế giới, các dự án métro sẽ triển
khai ở TP. Hồ Chí Minh, tóm tắt các phương pháp thi công métro, tổng quan về
biến dạng mặt đất, nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng bề mặt do
xây dựng cơng trình métro.
Chương 2: Các phương pháp xác định biến dạng mặt đất do xây dựng đường hầm
métro: cơ sở lý thuyết tính biến dạng lún bề mặt khi thi công đường hầm métro, các
phương pháp tính tốn theo các cơng thức bán kinh nghiệm, các nghiên cứu dựa
theo phương pháp thí nghiệm, quan trắc thực nghiệm và đo đạc thực địa.
Chương 3: Nghiên cứu chọn phương pháp và công nghệ thi công thích hợp cho khu
vực TP. Hồ Chí Minh. Và từ phương pháp thi cơng đó sẽ nghiên cứu phương pháp
tính cho kết quả gần đúng thực tế nhất.
Chương 4: Nghiên cứu tính tốn cụ thể cho tuyến métro số 1 của TP. Hồ Chí Minh
với các vùng địa chất khác nhau để đưa ra các nhận xét, kết luận.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................1

1. ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................1
2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................2
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................2
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ...............3
5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI .....................................................3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BIẾN DẠNG BỀ MẶT DO XÂY
DỰNG ĐƯỜNG HẦM MÉTRO Ở TP.HỒ CHÍ MINH
1.1. TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH ĐƯỜNG HẦM MÉTRO ..................4
1.1.1. Khái niệm cơng trình đường hầm métro ..........................................4
1.1.2. Các cơng trình đường hầm métro tiêu biểu trên thế giới ................5
1.1.3. Các dự án công trình đường hầm métro ở TP Hồ Chí Minh .........6
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM MÉTRO................7
1.2.1. Phương pháp đào hở (đào lộ thiên) ...................................................7
1.2.2. Phương pháp đào kín .........................................................................8
1.2.2.1. Phương pháp khoan nổ truyền thống và NATM ..........................8
1.2.2.2. Phương pháp đào hầm bằng cơ giới hoá (TBM và SM) ............11
1.2.2.3. Phương pháp kích đẩy (pipe jacking) ........................................13
1.3. TỔNG QUAN VỀ BIẾN DẠNG MẶT ĐẤT DO XÂY DỰNG ĐƯỜNG
HẦM MÉTRO ........................................................................................................14
1.3.1. Đặc điểm của biến dạng mặt đất do xây dựng đường hầm ...........14
1.3.2. Biến dạng lún ngắn và dài hạn của đất nền ....................................15
1.3.2. Các sự cố trong quá trình xây dựng hầm métro do biến dạng lún
bề mặt gây ra ..........................................................................................................16
1.4. NGUYÊN NHÂN GÂY BIẾN DẠNG MẶT ĐẤT DO XÂY DỰNG
ĐƯỜNG HẦM MÉTRO .......................................................................................19


1.4.1. Do mất mát thể tích xảy ra khi đào hầm métro .............................19
1.4.2. Độ chiết giảm thể tích đất nền (Vs) .................................................21

1.5. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BIẾN DẠNG LÚN BỀ MẶT .......22
1.5.1. Do ảnh hưởng của các điều kiện địa chất .......................................22
1.5.2. Do ảnh hưởng đặc điểm quy hoạch và xây dựng của khu vực .....23
1.5.3. Do ảnh hưởng của độ sâu đặt hầm ..................................................23
1.5.4. Do ảnh hưởng của sự thay đổi cao độ mực nước ngầm ................24
1.5.5. Phụ thuộc vào loại kết cấu cơng trình hầm ....................................24
1.5.6. Phụ thuộc vào tốc độ mở hầm .........................................................24
1.6. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỊNG CHỐNG TRONG Q TRÌNH THI
CƠNG ĐƯỜNG HẦM MÉTRO ĐỂ HẠN CHẾ BIẾN DẠNG LÚN ...............24
1.6.1. Sử dụng khiên cân bằng áp lực đất (EPB) và khiên hỗn hợp
(Mixshield) ..............................................................................................................24
1.6.1.1. Phương pháp khiên cân bằng áp lực đất (EPB Method) ..........25
1.6.1.2. Phương pháp khiên hỗn hợp Mixshield ....................................27
1.6.2. Sử dụng khiên bọt khí ......................................................................28
1.6.3. Sử dụng phương pháp gia cường địa chất ......................................29

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG MẶT
ĐẤT DO XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM MÉTRO
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH BIẾN DẠNG LÚN KHI THI CƠNG
ĐƯỜNG HẦM MÉTRO .......................................................................................30
2.1.1. Nghiên cứu dựa trên sơ đồ hóa q trình thi cơng ........................30
2.1.2. Nghiên cứu dựa trên lý thuyết mơ hình dẻo ...................................32
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN THEO CÁC CÔNG THỨC BÁN
KINH NGHIỆM .....................................................................................................34
2.2.1. Phương pháp của Schmidt-Peck (1969) ..........................................34
2.2.2. Phương pháp của Chow (1994) .......................................................39
2.2.3. Phương pháp của Mair và Taylor (1993) .......................................40


2.3. CÁC NGHIÊN CỨU DỰA THEO PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM VÀ

CÁC QUAN TRẮC THỰC NGHIỆM VÀ ĐO ĐẠC THỰC ĐỊA ....................41
2.3.1. Các nghiên cứu dựa trên phương pháp thí nghiệm - Phương pháp
vật liệu tương đương ..............................................................................................42
2.3.2. Nghiên cứu thực nghiệm trong điều kiện đo đạc thực địa ............43
2.3.3. Nghiên cứu tổng hợp của Wei-I.Chou và Antonio Bobet ..............45
2.4. CÁC NGHIÊN CỨU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU
HẠN .........................................................................................................................52
2.4.1. Mơ hình phẳng (2-D) ........................................................................52
2.4.2. Mơ hình khơng gian (3-D) ................................................................56

CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ LUẬN LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH
THÍCH HỢP CHO KHU VỰC TP. HỒ CHÍ MINH
3.1. KIẾN NGHỊ PHƯƠNG PHÁP THI CƠNG THÍCH HỢP CHO KHU
VỰC TP. HỒ CHÍ MINH .....................................................................................58
3.1.1. Phương pháp thi cơng phù hợp cho khu vực TP. Hồ Chí Minh ...58
3.1.1.1. Ưu điểm phương pháp đào kín bằng máy đào tổ hợp TBM .......60
3.1.1.2. Khuyết điểm phương pháp đào kín bằng máy đào tổ hợp TBM..61
3.1.2. Công nghệ đào hầm bằng máy đào tổ hợp TBM ...........................62
3.1.2.1. Nguyên lý cơ bản của thi công hầm bằng máy đào TBM ..........62
3.1.2.2. Cấu tạo của máy đào tổ hợp TBM .............................................62
3.1.2.3. Trình tự thi cơng đường hầm bằng máy đào TBM .....................65
3.1.3. Các giải pháp hạn chế lún có thể sử dụng khi thi cơng ở khu vực
TP. Hồ Chí Minh ....................................................................................................65
3.2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN THI CƠNG ĐƯỜNG HẦM
MÉTRO BẰNG MÁY ĐÀO TBM .......................................................................67
3.2.1. Phân tích q trình thi cơng bằng máy khoan TBM ....................67
3.2.2. Xây dựng mơ hình tính lý thuyết ....................................................69


3.2.3. Nghiên cứu xây dựng mơ hình tính bằng phương pháp phần tử

hữu hạn (chương trình Plaxis) ..............................................................................75
3.2.4. Các thơng số trong Plaxis để mơ phỏng mơ hình lý thuyết ..........78
3.2.5. Thiết lập q trình thi cơng hầm bằng máy đào TBM trong
chương trình Plaxis ................................................................................................79
3.3. PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TỐN THEO CÁC
PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU ..........................................................................81
3.3.1. Kết quả tính tốn lý thuyết .............................................................81
3.3.2. Kết quả tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn ..............85
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .........................................................................92

CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN BIẾN DẠNG MẶT ĐẤT KHI XÂY
DỰNG TUYẾN MÉTRO SỐ 1 (UMRT1) CỦA TP. HỒ CHÍ MINH
4.1. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC TP. HỒ CHÍ MINH ....................93
4.2. TÍNH TỐN BIẾN DẠNG LÚN BỀ MẶT CHO TUYẾN MÉTRO
SỐ 1 (UMRT1) .......................................................................................................95
4.2.1. Xác định phạm vi ảnh hưởng vùng biến dạng lún và tương quan
giữa chiều sâu đặt hầm và biến dạng lún bề mặt khi thi công hầm ..................97
4.2.2. Lún bề mặt khi xây dựng hầm đơi ...............................................101
4.2.2.1. Bài tốn hầm đơi nằm ngang ..................................................101
4.2.2.2. Bài tốn hầm đơi theo phương đứng ......................................105
4.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm đến
cơng trình trên mặt đất .......................................................................................108

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................112
1. KẾT LUẬN .................................................................................................112
2. KIẾN NGHỊ ................................................................................................114

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................115

-1-

MỞ ĐẦU
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm qua, quá trình đơ thị hố ở các đơ thị Việt Nam đang diễn
ra với nhịp độ rất lớn, đặc biệt ở TP. Hồ Chí Minh. Theo số liệu thống kê năm
2005, TP. Hồ Chí Minh với diện tích 2095 km2 và dân số là 6.239.938 người hiện là
thành phố lớn nhất cả nước. Mật độ dân số của thành phố hiện nay là 2.920
người/km2. Trung bình từ năm 1999 đến 2004, tốc độ tăng dân số bình quân tại
thành phố là 3,6%, cao hơn gần gấp 2 lần so với tỉ lệ tăng dân số tự nhiên của cả
nước. Đồng thời số lượng dân nhập cư từ các tỉnh thành khác cũng ngày càng tăng
dẫn đến nhu cầu đi lại tăng. Điều đó đang tạo ra một áp lực lớn đối với cơ sở hạ
tầng giao thơng vận tải đơ thị. Tình trạng tắc nghẽn giao thông, ô nhiễm môi trường
đô thị đang làm giảm chất lượng sống của người dân trong thành phố. Trong 5 năm
gần đây vận tải hành khách cơng cộng bằng xe bt ở TP. Hồ Chí Minh đã phát
triển, tuy nhiên mới đáp ứng được khoảng 3% đến 6% nhu cầu đi lại. [3]
Để giải quyết được điều đó cần phải xây dựng một hệ thống tuyến đường tàu
điện ngầm métro vận tải khối lượng lớn. Thông thường thành phố từ 1 triệu dân trở
lên là đã u cầu cần có giao thơng ngầm. Với quy mơ thành phố như hiện nay, việc
xây dựng hệ thống đường hầm giao thông trong thành phố là nhu cầu tất yếu và là
giải pháp hiệu quả nhất để giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn giao thông và ô nhiễm
môi trường.
Đây cũng là cách mà các nước phát triển trên thế giới đã thực hiện và cho
thấy hiệu quả rất cao. Với các hệ thống cơng trình đường hầm sẽ mang lại cho
thành phố những hình ảnh và hiệu quả tốt về cảnh quan, môi trường, đồng thời
tăng quỹ đất cho các cơng trình kiến trúc trên mặt đất, phát huy được tiềm năng dồi
dào của khoảng khơng gian ngầm, góp phần mang lại những hiệu quả kinh tế trước
mắt và lâu dài. Tuy nhiên ở các nước này cũng đã xảy ra các hiện tượng ngay trong
khi xây dựng hoặc sau một thời gian tồn tại của các cơng trình đường hầm nêu trên
trong lòng đất đã gây ra hiện tượng bề mặt đất bị lún làm ảnh hưởng rất lớn đến các

cơng trình đang có trên mặt đất.


-2Vì vậy vấn đề lún bề mặt cần phải được quan tâm nghiên cứu kỹ khi xây
dựng métro. Ở nước ta vì mới bắt đầu tính đến việc xây dựng métro nên vấn đề này
còn mới mẻ. Tuy nhiên trên thế giới, tại các nước phát triển thì vấn lún bề mặt đã và
đang được nghiên cứu nhiều. Song kết quả từ các nghiên cứu này không thể áp
dụng trực tiếp vào nước ta được vì điều kiện địa chất cũng như khí hậu ta khác họ
mà ta chỉ tham khảo để nghiên cứu tính tốn cho từng vùng địa chất của nước ta.
Sau đây tác giả sẽ giới thiệu nghiên cứu của mình về ảnh hưởng của quá trình xây
dựng đường hầm métro đến biến dạng lún mặt đất khu vực TP. Hồ Chí Minh.
2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Việc tiến hành xây dựng đường hầm métro ở TP. Hồ Chí Minh hiện nay là
cần thiết và là yêu cầu cấp bách để giải quyết tình trạng kẹt xe và ô nhiễm môi
trường của thành phố.
Tuy nhiên, trong q trình thi cơng xây dựng đường hầm métro, thường khối
lượng đất đào rất lớn, làm cho trạng thái ứng suất và biến dạng trong lòng đất bị
biến đổi rất lớn, nếu kỹ thuật thi cơng khơng tốt, sẽ có nhiều rủi ro. Bản thân cơng
trình đang xây dựng bị sự cố và làm cho cả cơng trình trên mặt đất bị biến dạng
(lún, nghiêng, nứt).
Vì vậy việc nghiên cứu biến dạng lún bề mặt do thi công đường hầm métro
là rất cần thiết. Nhất là trong giai đoạn hiện nay khi mà TP. Hồ Chí Minh chuẩn bị
tiến hành xây dựng tuyến métro số 1.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết biến dạng lún bề mặt do thi cơng đường hầm métro
dựa trên sơ đồ hóa q trình thi công kết hợp sử dụng phương pháp điểm, gần đúng.
Từ đó rút ra các phương pháp tính gần đúng biến dạng lún bề mặt do thi công
đường hầm métro. Trong phạm vi đề tài không tiến hành nghiên cứu thực nghiệm
và thí nghiệm mà sử dụng trực tiếp các kết quả rút ra từ các nghiên cứu thực
nghiệm và thí nghiệm của các tác giả đi trước.

Sử dụng phần mềm Plaxis 8.5 và Plaxis 3D Tunnel để tính tốn biến dạng
lún bề mặt khi thi công tuyến métro số 1 (UMRT1) của TP. Hồ Chí Minh.


-34. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học của đề tài là xác định ra được phân bố lún bề mặt theo
hướng ngang và dọc theo trục đường hầm xuất hiện theo quá trình thi cơng bằng
phương pháp khiên đào SM (Shield Method) và khoan đào bằng máy TBM
(Tunnelling Boring Method).
Đồng thời trong đề tài cũng sẽ khảo sát các mối quan hệ giữa kích thước
đường hang với chiều sâu đặt của nó, cũng như sự thay đổi phương pháp (vật liệu)
chèn lấp khoảng hở giữa đất nền và kết cấu vỏ, ảnh hưởng của phương pháp ổn
định mặt gương đào trong quá trình thi cơng đến lún bề mặt đất. Từ đó sẽ so sánh
với các phương pháp khác để đưa ra các nhận xét cũng như khuyến cáo để tránh
những rủi ro có thể gặp phải trong q trình thi cơng hầm đặt nông trong nền đất.
Thời gian sắp tới TP. Hồ Chí Minh sẽ triển khai xây dựng các tuyến métro
theo như qui hoạch đã được duyệt. Vì vậy nội dung mà đề tài đang nghiên cứu là
hết sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn to lớn. Kết quả nghiên cứu của đề tài là căn
cứ để các đơn vị thi công đưa ra các phương pháp xử lý thích hợp để tránh các sự
cố về lún bề mặt khi thi công đường hầm métro ở TP. Hồ Chí Minh.
5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Vấn đề lún bề mặt chia ra làm hai loại chủ yếu là ngắn và dài hạn. Phạm vi
nghiên cứu của đề tài là tập trung nghiên cứu các lún ngắn hạn.
Giới hạn đất nền nghiên cứu là đất yếu thuộc khu vực TP. Hồ Chí Minh.
Phương pháp thi cơng nghiên cứu là phương pháp khiên đào SM và khoan đào bằng
máy TBM có sử dụng biện pháp ổn định mặt gương đào.
Phạm vi nghiên cứu kết cấu đường hầm đơn dạng trịn có kích thước và
chiều sâu đặt thay đổi để khảo sát kết quả. Kết cấu chống đỡ của hầm sẽ sử dụng là
các tấm bê tơng đúc sẵn, có sử dụng phương pháp phun vữa phía sau vỏ được gắn
trực tiếp vào đuôi khiên và cuối cùng sẽ là lớp bê tông vỏ hầm đúc tại chỗ.

Trong phạm vi đề tài có xét đến ảnh hưởng của nước ngầm dưới đất. Đất nền
là các lớp đất đồng nhất, mô hình vật liệu làm việc của đất nền có thể là đàn hồi
tuyến tính.


-4-

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BIẾN DẠNG BỀ MẶT DO XÂY
DỰNG ĐƯỜNG HẦM MÉTRO Ở TP.HỒ CHÍ MINH
1.1. TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH ĐƯỜNG HẦM MÉTRO
1.1.1. Khái niệm cơng trình đường hầm métro [20]
Métro (hay tàu điện ngầm) là hệ thống vận tải lớn trong đô thị chạy trên
đường ray và thường có một phần lớn chiều dài tuyến đi ngầm dưới lịng đất.
Cơng trình tàu điện ngầm có khả năng vận chuyển từ 50.000 đến 70.000
hành khách trong một giờ với tốc độ 40 ÷ 60km/h, khơng cản trở giao thơng trên
tuyến phố. Có thể nói một thành phố văn minh, hiện đại khơng thể thiếu cơng trình
tàu điện ngầm.
Từ thời thượng cổ con người đã biết đào các đường hầm đặc biệt để khai
thác quặng mỏ và than đá. Người La Mã đã biết xây dựng các đường hầm ngầm
thủy lợi và còn tồn tại đến ngày nay. Đó là hầm Eupalinos ở Samos được xây dựng
vào năm 500 trước công nguyên. Cùng với sự phát triển của phương tiện sản xuất,
đường hầm hiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas qua kênh đào Midi dài 173m
được xây dựng ở Pháp từ năm 1679 đến năm 1681.
1.1.2. Các cơng trình đường hầm métro tiêu biểu trên thế giới [20]
Vào thế kỉ XX ở các thủ đô lớn trên thế giới đã xây dựng mạng lưới tàu điện
ngầm đô thị hiện đại. Đến nay thì hơn 100 thành phố trên thế giới đã có hệ thống
đường tàu điện ngầm.
• Ở thành phố London (Anh): được xây dựng và khai triển từ năm 1863. Đến
nay đã có 415 km và 378 nhà ga, đạt năng lực vận chuyển 2,3 triệu khách/km/năm,
vận tốc trung bình đạt 33km/h.

• Ở thành phố New York (Hoa Kỳ): được khai triển từ năm 1894. Đến nay
đã có 471 km và 468 nhà ga, đạt năng lực vận chuyển 3 triệu khách/km/năm, vận
tốc trung bình đạt 29 km/h.
• Ở thành phố Paris (Pháp): khai triển từ năm 1900. Đến nay đã có 211 km
và 375 nhà ga, đạt năng lực vận chuyển 6 triệu khách/km/năm, với vận tốc trung
bình là 22km/h.


-5• Ở thành phố Moskva (Nga): khai triển từ năm 1935. Đến nay đã có 265 km
và 164 nhà ga, đạt năng lực vận chuyển 12,1 triệu hành khách/km/năm, vận tốc
trung bình đạt 41 km/h.

Hình 1.1. Mơ hình métro Tokyo (Nhật Bản) tại ga Iidabashi

Hình 1.2. Mơ hình tổ hợp métro, nhà ga và
bãi đỗ ôtô ngầm ở NewYork (Mỹ)


-61.1.3. Các dự án đường hầm métro ở TP. Hồ Chí Minh [16]
Theo quy hoạch phát triển giao thơng ở TP.HCM đến năm 2020, TP.HCM sẽ
có 6 tuyến tàu điện ngầm với tổng chiều dài hơn 100km. Khổ đường sắt áp dụng
cho các tuyến métro sẽ là 1,435m, mỗi đoàn tàu métro gồm 3 đến 4 toa, sức chở của
một toa dài 20 mét là 200 người. Trên tuyến, trung bình cách 1 đến 1,2km sẽ có một
nhà ga cho khách lên xuống. Tốc độ tối đa của métro là 130km/h, trong điều kiện
chạy trong đô thị với việc phải dừng lại nhiều lần ở các ga thì tốc độ trung bình của
tàu điện ngầm metro là 60 - 80km/h.
Danh mục đầu tư phát triển 6 tuyến métro theo quy hoạch TP. HCM trong
giai đoạn 2008 – 2020:
1/ Tuyến số 1: Bến Thành – Suối Tiên dài 19,7km, trong đó có 2,2km đi
ngầm từ khu vực Bến Thành, sau khi vượt qua sơng Sài Gịn sẽ đi nổi trên cao dài

17,7km. Tuyến này do các công ty Nhật nghiên cứu và thiết kế xây dựng. Dự kiến
cơng trình sẽ hồn thành vào giữa năm 2013 và sẽ đưa vào khai thác thử nghiệm
trong 6 tháng để đến năm 2014 sẽ đưa vào khai thác chính thức.

Hình 1.3. Bình đồ tuyến métro Bến Thành – Suối Tiên
2/ Tuyến số 2: Bến xe Tây Ninh – Trường Chinh – Tham Lương – Cách
Mạng Tháng Tám – Bến Thành – Thủ Thiêm, dài 19km. Tuyến này do các tập đồn
cơng nghiệp Đức và Áo nghiên cứu.


-73/ Tuyến số 3: Quốc lộ 13 – Bến xe miền Đông – Xô Viết Nghệ Tĩnh –
Nguyễn Thị Minh Khai – Trần Phú – Hùng Vương – Hồng Bàng – Kinh Dương
Vương – Bến xe miền Tây – Tân Kiên. Tuyến này dài 23km và do các tập đồn
cơng nghiệp Đức – Áo nghiên cứu.
4/ Tuyến số 4: Cầu Bến Cát (quận 12) – đường Thống Nhất – đường 26
Tháng 3 – Nguyễn Oanh – Nguyễn Kiệm – Phan Đình Phùng – Hai Bà Trưng –
Bến Thành – Nguyễn Thái Học – Khánh Hội – Lê Văn Lương – Nguyễn Văn Linh
dài 24km. Tuyến này vừa được tập đoàn đường sắt Thượng Hải, Trung Quốc tiếp
nhận nghiên cứu đầu tư, xây dựng.
5/ Tuyến số 5: Bến xe Cần Giuộc mới – Quốc lộ 50 – Tùng Thiện Vương –
Lý Thường Kiệt – Hoàng Văn Thụ – Phan Đăng Lưu – Bạch Đằng – Điện Biên Phủ
– cầu Sài Gòn dài 17km.
6/ Tuyến số 6: Bà Quẹo – Âu Cơ – Luỹ Bán Bích – Tân Hố – Vịng xoay
Phú Lâm dài 6km.
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM MÉTRO
1.2.1. Phương pháp đào hở (đào lộ thiên) [14]

Hình 1.4. Các giải pháp bảo vệ thành hào theo điều kiện thi công

-8Để áp dụng phương pháp thi công hở ta cần chú ý các điều kiện:
- Để thi công cần thiết phải có mặt bằng tự do trên mặt đất vừa đủ, như tại
các quảng trường, nút giao thông của các đường lớn, chẳng hạn một sân ga tàu điện
ngầm có chiều dài khoảng 120m, tàu tốc hành khoảng 210m.
- Do thời gian thi cơng lâu và diện tích sử dụng lớn, nên gây ảnh hưởng lớn
đến giao thông đi lại trên mặt đất. Do vậy nhất thiết phải chú ý đến các giải pháp
giảm ảnh hưởng đến giao thông trên mặt đất.
- Phương pháp xây dựng này cần loại trừ các mối nguy hiểm đối với các
cơng trình kiến trúc lân cận, chẳng hạn do gây lún sụt, dịch chuyển đất. Vì vậy khi
độ sâu thi cơng lớn, chẳng hạn 25m, khoảng cách đến các cơng trình kiến trúc
khơng xa thì nhất thiết phải áp dụng các biện pháp đặc biệt (tường cọc nhồi, tường
hào nhồi, tường trong đất).
- Với phương pháp thi cơng hở thì các tác động xấu đến môi trường sống,
như tiếng ồn, bụi bẩn, ảnh hưởng đến việc đi lại, là khó tránh khỏi. Do vậy cần phải
có các giải pháp hợp lý nhằm giảm thiểu các tác động này.
- Trong nhiều trường hợp phải tính đến các điều kiện của cơng trình kiến
trúc, nền đất và nước ngầm khi phải áp dụng lâu dài và trên diện rộng giải pháp hạ
mực nước ngầm.
1.2.2. Phương pháp đào kín [22]

Hình 1.5. Sơ đồ phân loại các phương pháp đào kín thi cơng ngầm


-9-

Hình 1.6. Phân nhóm theo quy trình đào ngầm
1.2.2.1. Phương pháp khoan nổ truyền thống và NATM
Phương pháp thi công cơng trình ngầm truyền thống hay cịn gọi là phương
pháp mỏ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng hầm và cơng trình ngầm do
khả năng áp dụng cho nhiều loại cơng trình ngầm khác nhau như hầm giao thơng,

thuỷ điện, tầng hầm,… với những hình dạng và kích thước hình học phức tạp, và
xây dựng trong đất đá bất kỳ.

Hình 1.7. Các bước thi cơng theo phương pháp NATM


- 10 Trong các phương pháp thi công hầm truyền thống trong các loại đất đá khác
nhau khi chưa có các phương tiện thi công cơ giới và trong nhiều trường hợp khác,
giải pháp chống đỡ tạm trong thi công dưới đây vẫn được áp dụng.

Hình 1.8. Chống đỡ hầm khi thi công theo các phương pháp thủ công
Các công đoạn cơ bản của các phương pháp thi công theo truyền thống và
NATM cơ bản là như nhau, sự khác nhau chỉ là vấn đề tận dụng tối đa khả năng
mang tải của khối đất đá bao quanh hầm, đây cũng là hạn chế lớn của NATM vì chỉ
có đất đá có độ cứng nhất định nào đó mới có khả năng này.
NATM kết hợp dùng các bulông neo đá và bê tông phun chủ yếu dùng
để làm kết cấu chống đỡ trong thi công (vỏ hầm sơ cấp) và sau này là một bộ phận
cấu thành của vỏ chịu lực trong khai thác (vỏ hầm thứ cấp) khi đào hầm trong đá
cứng đang được ứng dụng trong thi công hầm đô thị. Sau gần 4 thập niên phát triển
liên tục và được đúc kết đã đạt tới độ hoàn thiện đáng tin cậy. Phương pháp này có
tính ưu việt vì nó có tính kinh tế trội hơn so với công nghệ khiên đào.
Các nguyên tắc cơ bản của phương pháp NATM:
- Khối đất đá xung quanh là thành phần mang tải chính và khả năng chịu tải
của nó phải được duy trì bằng cách khơng làm xáo trộn khối đá.


- 11 - Sức chịu tải của khối đá phải được bảo tồn bằng cách sử dụng các thành
phần chống đỡ bổ sung.
- Vỏ hầm phải có mỏng và nếu cần gia cường bổ sung thì phải dùng lưới
thép, vì chống thép và neo đá chứ không phải bằng cách tăng chiều dày vỏ hầm.

Hình 1.9. Thi cơng hầm theo phương pháp NATM
1.2.2.2. Phương pháp đào hầm bằng cơ giới hoá (TBM và SM)
Sơ đồ nguyên lý đào hầm cho các phương pháp TBM, SM (Khiên), hay
TBM Mini về cơ bản là như nhau, như trên hình vẽ dưới đây:

Hình 1.10. Đào bằng khiên
Về cơ bản phương pháp TBM và SM có rất nhiều điểm giống nhau, sự khác
nhau với các tổ hợp đào hiện đại chỉ ở cấu tạo bộ phận công tác (đào phá đất đá,


- 12 khoan đào là tư tưởng chính của TBM) và cấu tạo vỏ bảo vệ (vì chống và khiên là
tư tưởng chính của phương pháp khiên SM). Khi thi cơng sẽ có hiện tượng lún bề
mặt đáng kể trong các trường hợp mà độ dày tầng đất phủ là nhỏ. Tuy nhiên bằng
biện pháp dùng vữa phun được kiểm soát tốt để chèn lấp vào khe hổng sau vỏ hầm
(backfill) thì vẫn có thể kiềm chế lún ở mức độ nhỏ, và tránh được những phương
hại nghiêm trọng đối với các cơng trình lân cận.

Hình 1.11. TBM trong đá cứng ở hầm thủy điện Đại Ninh

Hình 1.12. Cấu tạo chi tiết máy đào TBM và vỏ hầm đúc sẵn


- 13 1.2.2.3. Phương pháp kích đẩy (pipe jacking)
Phương pháp kích đẩy là một kĩ thuật đào ngầm được sử dụng cho các cơng
trình ngầm chủ yếu loại đường ống kĩ thuật, thi cơng bằng cách đẩy các đoạn ống
có chiều dài nhất định với đường kính giới hạn. Phương pháp này được sử dụng chủ
yếu cho các đường hầm có đường kính nhỏ đặt ở chiều sâu khơng lớn lắm và xây
dựng tại những nơi mà phương pháp đào hở khơng thích hợp. Để giảm ma sát vì
chống với khối đất, khơng gian phía sau tu bin được bơm vữa sét.

Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý mở hầm bằng phương pháp kích đẩy

Hình 1.14. Cơng nghệ thi cơng kích đẩy tiên tiến
Có thể thấy được các đặc điểm chính cuả kích đẩy là giá thành tương đối rẻ
hơn so với khiên đào hay TBM, không làm gián đoạn giao thơng, ít gây lún bề mặt
và vận tốc đào lớn.
Ngồi những phương pháp trên ra, cịn có các phương pháp khác như:
phương pháp làm lạnh, nổ ép, giếng chìm hơi ép, đào vượt, phun vữa…


- 14 1.3. TỔNG QUAN VỀ BIẾN DẠNG MẶT ĐẤT DO XÂY DỰNG ĐƯỜNG
HẦM MÉTRO
1.3.1. Đặc điểm của biến dạng mặt đất do xây dựng đường hầm métro
Sự phá hoại khối đất khi xây dựng các cơng trình hầm bằng phương pháp kín
được đặc trưng bằng việc tạo nên khối đất chuyển dịch, đó là một phần mặt đất mà
trong giới hạn đó xảy ra chuyển vị và biến dạng của đất. Bề mặt kết cấu chuyển
dịch có dạng hình yên ngựa với đường cong thay đổi mềm mại. Khối chuyển dịch
có thể được thể hiện bằng 2 mặt cắt chủ yếu: mặt cắt khối đất theo chiều dọc và mặt
ngang trục cơng trình hầm tại điểm có độ lún bề mặt lớn nhất.
Do chuyển dịch đứng và ngang xảy ra không đều nên xuất hiện biến dạng
nghiêng, lệch và biến dạng kéo và nén.

Hình 1.15. Sơ đồ phát triển khối chuyển dịch trong các mặt cắt ngang (a)
và dọc (), biểu đồ độ nghiêng và đường cong (b) [10]

Hình 1.16. Mơ hình 3D vùng biến dạng lún bề mặt [19]


- 15 1.3.2. Biến dạng lún ngắn và dài hạn của đất nền [6]

Mức độ biến dạng trong ứng xử cơ học của đất phụ thuộc vào yếu tố thời
gian, vì vậy phải đưa ra khái niệm về biến dạng ngắn và dài hạn:

Hình 1.17. Biến dạng lún ngắn và dài hạn
+ Biến dạng lún ngắn hạn: Theo như các số liệu nghiên cứu trong vùng đất
sét Lon Don thì biến dạng lún ngắn hạn này xảy ra trong khoảng 4 ngày đầu sau khi
đào hầm. Tỷ lệ thời gian này ngắn hơn hoặc có thể so sánh được với thời gian tiến
lên của quá trình đào hầm gây ra biến dạng lún của đất nền. Báo cáo của Macklin
và Field (1999) nói rằng các biến dạng lún ngắn hạn nằm tại vị trí mặt cắt trong
khoảng thời gian 24 giờ trước và sau khi khiên đào vượt qua. Có một bằng chứng
rằng biến dạng ngắn hạn của đất nền xuất hiện và kết thúc ngay tại thời điểm mà
đầu đào vượt qua. Phản ứng của đất nền ở thể tích khơng đổi đã ngay lập tức thiết
lập nên một trạng thái ứng suất mới của nền đất, bản chất của nó là sự gia tăng tải
trọng lên xung quanh biên hầm. Xét riêng về khía cạnh của hầm thì các biến dạng
này được coi là nhỏ nên không đủ để gây ra phá hoại hoặc biến đổi kết cấu của đất
một cách đáng kể. Điều đó có thể nói rằng cấu trúc của đất không hề thay đổi trong
suốt quá trình này.
+ Biến dạng lún dài hạn: Biến dạng dài hạn là kết quả của các quá trình từ
biến, hiện tượng lão hố và cố kết, đó chính là các sự thay đổi các tính chất của đất
nền dưới tác dụng của tải trọng không đổi. Yếu tố thời gian của các hiện tượng này
phụ thuộc vào các điều kiện của đất nền, nó có thể là hàng tuần hoặc hàng tháng với
đất cát và sét mềm, hàng năm với nền sét cứng. Giá trị của biến dạng lún dài hạn