Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của đất nền xung quanh cống tròn chôn sâu tại khu vực thành phố hồ chí minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----

----

VÕ ĐÌNH DŨNG

NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG CỦA
ĐẤT NỀN XUNG QUANH CỐNG TRỊN CHƠN SÂU TẠI KHU
VỰC THÀNH PHỐ 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 11 NĂM 2013


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. BÙI TRƯỜNG SƠN
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. .........................................................................
2. .........................................................................
3. .........................................................................
4. .........................................................................
5. .........................................................................
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

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN

KHOA QL CHUN NGÀNH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : VÕ ĐÌNH DŨNG

MSHV

: 11094276

Ngày sinh

: 29/07/1980

Nơi sinh

: Quảng Nam

Chuyên ngành

: Địa Kỹ thuật Xây dựng

Mã số

: 60.58.60

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của đất nền xung quanh cống trịn
chơn sâu tại khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nhiệm vụ: Phân tích tổng hợp và đánh giá các giá trị áp lực đất lên cơng trình ngầm
có xét đến điều kiện môi trường địa chất, điều kiện thi cơng, độ sâu chơn cơng trình.
Nội dung:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về cống ngầm và phương pháp thi công cơng trình ngầm
Chương 2: Tải trọng và áp lực đất lên cơng trình ngầm theo điều kiện thi cơng
Chương 3: Đánh giá áp lực đất và trạng thái ứng suất – biến dạng của đất nền xung
quanh cống trịn chơn sâu tại khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh
Kết luận và kiến nghị
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 24/06/2013

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 22/11/2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

: TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
Tp. HCM, ngày 22 tháng 11 năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

PGS.TS. VÕ PHÁN

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Luận văn hồn thành đúng thời hạn ngồi những nỗ lực của bản thân còn phải kể
đến sự tận tâm giảng dạy của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng
dẫn, sự động viên tinh thần của bạn bè và đồng nghiệp.
Tôi xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Bùi Trường Sơn, đã tận tình giúp
đỡ, hướng dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong bộ môn Địa cơ Nền móng Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM đã tận tình truyền đạt cho tơi những
kiến thức q báu trong thời gian tôi học tập tại trường để phục vụ cho luận văn và
công việc của tôi sau này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè và đồng nghiệp, đã động viên, chia sẻ những
khó khăn trong cơng việc và hỗ trợ tơi trong q trình học tập.
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và người thân, đã cho tơi nguồn động viên tinh
thần to lớn để hồn thành luận văn này.
Luận văn được hồn thành nhưng khơng thể tránh được những thiếu xót và hạn
chế. Rất mong nhận được sự đóng góp của q thầy cơ, bạn bè và đồng nghiệp để
luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa thực tiễn.
Trân trọng.

Tp.HCM, ngày 22 tháng 11 năm 2013
Học Viên

Võ Đình Dũng


Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của đất nền xung

quanh cống trịn chơn sâu tại khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh
Studying stress – strain state of the ground surrounding the
buried circular pipe in HoChiMinh City
TÓM TẮT
Áp lực đất lên cơng trình ống chơn sâu phụ thuộc vào loại đất, hình dạng và
kích thước cơng trình, độ sâu, hình dạng và kích thước hố chơn và các tác nhân
khác như tải trọng ngoài, mực nước ngầm. Trên cơ sở chọn lựa, bổ sung sơ đồ tính
và chương trình tính tốn tự thiết lập, tiến hành phân tích đánh giá áp lực đất lên
cơng trình ống chơn sâu theo các điều kiện thi cơng thực tế. Ngồi ra, việc đánh giá
mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn trong mơi trường xung quanh cơng trình cịn cho
phép phân tích khả năng ổn định trong các mơi trường, cấu tạo địa chất khác nhau.
Kết quả nghiên cứu có ích cho việc tính tốn, bố trí cơng trình hợp lý với điều kiện
thực tế.
ABSTRACT
Earth pressure on buried pipes depends not only on soil type, shape and
dimension of structure but also on depth, shape and dimension of foundation holes
and on other factors such as structure load, underground water level. Based on the
choice of the computational scheme, complement and the self-built computer
program, the earth pressure on pipe structures in the construction condition is
evaluated and analyzed. In addition, evaluation of the limit state approaching degree
in surrounding environment is necessary for analysing the stability in variously
geological conditions. The research results are useful for calculating and setting
underground structures reasonably in practice.


-i-

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỐNG NGẦM VÀ PHƯƠNG PHÁP THI

CƠNG CƠNG TRÌNH NGẦM ................................................................................ 5
1.1.

Phân loại cống ngầm và phương pháp xây dựng .........................................5

1.1.1.

Phân loại cống ngầm ....................................................................................5

1.1.2.

Lý luận cơ bản trong thiết kế và thi công công trình ngầm .........................6

1.2.

Phương pháp thi công công trình ngầm .......................................................7

1.2.1.

Phương pháp thi công đào hở ......................................................................7

1.2.2.

Phương pháp đào kín ...................................................................................9

1.2.3.

Phương pháp thi cơng đường hầm dưới đáy nước.....................................17

1.3.

Nhận xét và phương hướng của đề tài .......................................................19

CHƯƠNG 2: TẢI TRỌNG VÀ ÁP LỰC ĐẤT LÊN CƠNG TRÌNH NGẦM
THEO ĐIỀU KIỆN THI CÔNG ............................................................................ 21
2.1.

Các loại tải trọng tác dụng lên cống ..........................................................21

2.1.1.

Trọng lượng bản thân cống ........................................................................22

2.1.2.

Trọng lượng và áp lực của chất lỏng trong ống .........................................23

2.1.3.

Áp lực nước ngầm......................................................................................24

2.1.4.

Hoạt tải .......................................................................................................25

2.2.

Các phương hướng tính áp lực địa tầng .....................................................28

2.3.

Tính tốn áp lực địa tầng theo quan điểm môi trường rời rạc ...................31

2.3.1.

Trạng thái ứng suất đất đá trước khi xây dựng cơng trình ngầm ...............31

2.3.2.

Tính tốn áp lực thẳng đứng lên cơng trình ngầm thi cơng bằng phương
pháp đào hở ................................................................................................32

2.3.3.

Áp lực lên cơng trình ngầm thi cơng bằng phương pháp đào kín .............47

2.3.4.

Phân tích tính tốn áp lực đất lên cơng trình ngầm đào hở theo Terzaghi 52

2.4.

Tương tác giữa vỏ và khối đất đá ..............................................................56

2.4.1.

Vỏ của hầm đào và cơng trình ngầm .........................................................56

2.4.2.

Phân tích tương tác của vỏ với khối đất đá bằng ứng dụng các mô hình cơ
học ..............................................................................................................58


-ii2.4.3.

Phân tích tương tác của vỏ với khới đất đá như là thành phần cấu tạo của
phương pháp tính toán vỏ ..........................................................................60

2.5.

Phương pháp chung tính toán vỏ cơng trình dạng trịn..............................61

2.5.1.

Các quan hệ tính toán cơ bản .....................................................................61

2.5.2.

Đánh giá đợ bền của vỏ..............................................................................63

2.6.

Nhận xét chương ........................................................................................64

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ÁP LỰC ĐẤT VÀ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT–
BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN XUNG QUANH CỐNG TRỊN CHƠN SÂU
TẠI KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH .................................................. 66
3.1.

Giới thiệu dự án và điều kiện địa chất cơng trình ......................................66

3.1.1.

Quy mơ dự án.............................................................................................66

3.1.2.

Địa điểm xây dựng dự án ...........................................................................69

3.2.

Đánh giá áp lực đất lên cơng trình chơn sâu có đường kính ϕ1000mm khi
thi cơng bằng phương pháp đào hở ............................................................72

3.2.1.

Cơ sở tính tốn ...........................................................................................72

3.2.2.

Lập trình tính tốn và kết quả áp lực đất lên công trình đào hở ................74

3.2.3.

Đánh giá áp lực lên vỏ dưới các tác nhân khác .........................................77

3.3.

Đánh giá áp lực đất lên cơng trình chơn sâu có đường kính ϕ3200mm khi

thi cơng bằng phương pháp đào kín ...........................................................82

3.3.1.

Cơ sở tính tốn ...........................................................................................82

3.3.2.

Trạng thái ứng śt trong mơi trường xung quanh cơng trình đào kín chơn
sâu ..............................................................................................................84

3.4.

Đánh giá và kết ḷn chương .....................................................................96

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 98
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................. 100


-iii-

PHẦN PHỤ LỤC
1.

Mợt sớ giao diện chương trình tính toán cho trường hợp thi công đào hở.

2.

Một số giao diện chương trình tính toán cho trường hợp thi cơng đào kín.

3.

Mợt sớ dữ liệu về dự án Vệ sinh mơi trường – giai đoạn 2.


-iv-

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 - Thi cơng và tái lập cơng trình ngầm theo phương pháp đào hở tại
TP.HCM ................................................................................................8
Hình 1.2 - Thi cơng cơng trình ngầm theo phương pháp đào kín tại TP.HCM ...10
Hình 1.3 - Sơ đờ thi cơng hầm theo phương pháp NATM ...................................11
Hình 1.4 - Thi công trong khối đá bở rời, sử dụng ván thép tạo ơ bảo vệ............11
Hình 1.5 - Sơ đờ thi cơng đào bằng khiên ...........................................................12
Hình 1.6 - Thi cơng kích ống D3000mm (Dự án vệ sinh môi trường giai đoạn 1)
.............................................................................................................14
Hình 1.7 - Cơng nghệ thi cơng theo phương pháp kích đẩy .................................15
Hình 1.8 - Hầm dìm sơng Sài Gòn (hầm Thủ Thiêm tại TP.HCM) được thi công
bằng phương pháp hạ từng đoạn .........................................................18
Hình 1.9 - Khu vực bãi đúc các đoạn hầm dìm. ...................................................18
Hình 1.10 - Sơ đờ thi công và hạ đốt hầm dìm (hầm Thủ Thiêm tại TPHCM) .....19
Hình 2.1 - Áp lực địa tầng do hoạt tải xe và tĩnh tải đất nền tác dụng .................22
Hình 2.2 - Áp lực nước trong cống a) Phân bố áp lực trong cống không áp; b)
Phân bố áp lực trong cớng có áp .........................................................24
Hình 2.3 - Biểu đờ áp lực nước ngầm : (a) Thành phần phân bố đều, (b) Thành
phần phân bớ khơng đều......................................................................25
Hình 2.4 - Phân bớ tải trọng đợng ........................................................................26
Hình 2.5 - Ứng śt lan tỏa của đất dưới tác dụng của tải trọng đợng .................27
Hình 2.6 - Áp lực ngang của đất ở chiều sâu H và bán kính ảnh hưởng R dưới tác
dụng của tải trọng tập trung W theo lý thuyết Boussinesq .................28

Hình 2.7 - Sơ đồ chịu lực và hệ cơ bản tính vòm biến dạng tự do. ......................29
Hình 2.8 - Sơ đờ áp lực do trọng lượng của cợt đất .............................................32
Hình 2.9 - Sơ đồ áp lực đất tác dụng lên cơng trình .............................................33
Hình 2.10 - Sơ đờ lực tác dụng lên cơng trình theo Birbaumer .............................34
Hình 2.11 - Sơ đờ xác định áp lực đất lên cơng trình theo Birbaumer ...................35


-vHình 2.12 - Sơ đờ xác định áp lực địa tầng lên cơng trình theo ngun tắc tụt của
cợt địa tầng ..........................................................................................37
Hình 2.13 - Sơ đờ tải trọng tác dụng lên ớng chơn trong rãnh đào ........................38
Hình 2.14 - Quan hệ giữa hệ số tải trọng Cd và tỉ số H/Bd ....................................40
Hình 2.15 - Sơ đờ tính tốn áp lực địa tầng lên cơng trình chơn trong rãnh theo
G.K. Klein ...........................................................................................41
Hình 2.16 - (a) Trường hợp 1 .................................................................................42
Hình 2.16 - (b) Trường hợp 2 .................................................................................43
Hình 2.17 - Quan hệ Cc và H/Bc với giá trị Koμ = 0.19; Koμ = 0.13 ...................44
Hình 2.18 - Sơ đờ tải trọng đất tác dụng lên cơng trình ngầm chơn trong rãnh đào
nghiêng ................................................................................................46
Hình 2.19 - Sơ đồ phá hoại đất đá xung quanh hầm ..............................................48
Hình 2.20 - Sơ đờ tính áp lực thẳng đứng và áp lực ngang ....................................48
Hình 2.21 - Sơ đờ áp lực đất tác dụng lên công trình tròn thi cơng đào kín ..........50
Hình 2.22 - Sơ đờ tải trọng và ứng śt khới đất xung quanh cơng trình ..............53
Hình 2.23 - Biểu đờ áp lực nước trong ớng có áp. .................................................57
Hình 2.24 - Tính toán vỏ tròn theo phương pháp thay thế bằng hệ thanh ..............58
Hình 2.25 - (a) xác định sức kháng của vỏ với chuyển vị đất đá (b) biểu đờ sức
kháng vỏ. .............................................................................................59
Hình 2.26 - Sơ đờ phân tích tương tác của vỏ và đất đá (1) biểu đồ trạng thái cân
bằng, (2) biểu đồ sức kháng của vỏ .....................................................60
Hình 3.1 - Sơ đờ về hớ kích trịn ..........................................................................67
Hình 3.2 - Sơ đờ hớ nhận hình chữ nhật ...............................................................67

Hình 3.3 - Sơ đờ bài tốn đất lấp nhiều lớp ..........................................................73
Hình 3.4 - Quan hệ của áp lực địa tầng lên vịm cơng trình ngầm σz theo đợ sâu z
.............................................................................................................75
Hình 3.5 - Sơ đờ đánh giá tác động của tải trọng tác dụng lên bề mặt đât lên ớng
chơn sâu ...............................................................................................80
Hình 3.6 - Sơ đờ đánh giá áp lực bên trong đường ống .......................................81


-viHình 3.7 - Sơ đờ xác định ứng śt xung quanh cơng trình ngầm trong tọa đợ cực
.............................................................................................................83
Hình 3.8 - Giao diện chương trình tính trong trường hợp thi cơng đào kín .........85
Hình 3.9 - Phân bớ ứng śt σr tại các vị trí hơng, góc và đỉnh cơng trình ..........86
Hình 3.10 - Phân bớ ứng śt σθ tại các vị trí hơng, góc và đỉnh cơng trình .........87
Hình 3.11 - Phân bớ ứng śt σ1 tại các vị trí hơng, góc và đỉnh cơng trình .........87
Hình 3.12 - Phân bớ ứng śt σ3 tại các vị trí hơng, góc và đỉnh cơng trình .........88
Hình 3.13 - Phân bớ ứng śt r xung quanh cơng trình ngầm dạng trịn ở đợ
sâu 16m ứng với c=25KN/m2, φ=160 ................................................88
Hình 3.14 - Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn xung quanh công trình ngầm dạng
trịn ở đợ sâu 16m ứng với c=25KN/m2, φ=160 ................................89
Hình 3.15 - Mức đợ tiếp cận trạng thái giới hạn xung quanh cơng trình ngầm dạng
trịn ở đợ sâu 16m ứng với c=500KN/m2, φ=160. .............................90
Hình 3.16 - Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn xung quanh công trình ngầm dạng
trịn ở đợ sâu 36m ứng với c=25KN/m2, φ=160. ...............................91


-vii-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 - Giá trị xấp xỉ của dung trọng, tỉ số giữa áp lực đất theo phương ngang
với phương đứng, và hệ số ma sát giữa đất đắp và thành rãnh ...........40

Bảng 2.2 - Giá trị Cc theo H/Bc trong trường hợp xác định được mặt đẳng lún ..45
Bảng 2.3 - Hệ số xét tỉ số lún ................................................................................45
Bảng 2.4 - Giá trị hệ số kiên cố f (Protodiakonov) ...............................................49
Bảng 3.1 - Khối lượng dự kiến thực hiện .............................................................68
Bảng 3.2 - Diện tích tự nhiên các phường địa bàn quận 2 ....................................69
Bảng 3.3 - Thông số đất nền trên cơng trình ớng chơn sâu ..................................77


-1-

MỞ ĐẦU
So với các nước đang phát triển, cơ sở hạ tầng ở Việt Nam, đặc biệt là các
công trình thoát nước mưa, thu gom và xử lý nước thải, quản lý chất thải rắn chưa
được đầu tư đúng yêu cầu và chưa theo kịp với sự phát triển của đô thị. Điều này
ảnh hưởng tới môi trường và sức khoẻ của cộng đồng dân cư, ảnh hưởng đến phát
triển kinh tế xã hội của đô thị.
Trong những năm qua, các nguồn vốn ODA dành cho đầu tư xây dựng hạ tầng
được triển khai ở khắp Việt Nam, trong đó, nguồn vốn ODA World Bank được sử
dụng và mang lại nhiều kết quả tại các địa phương trong cả nước. Được sự chấp
tḥn của Chính phủ và các Bợ ngành, Thành phớ Hờ Chí Minh (TP.HCM) đã được
đầu tư xây dựng dự án về thoát nước mưa, thoát nước thải trong giai đoạn 20022012 (gọi là dự án giai đoạn 1) bằng nguồn vốn ODA của World Bank. Cho đến
nay, các cơng trình của Dự án giai đoạn này đã và đang phát huy hiệu quả và cải
thiện điều kiện mơi trường đáng kể của TP.HCM, mang lại lợi ích to lớn cho người
dân khu vực dự án.
Số lượng công trình ngầm đang triển khai ở khu vực TP.HCM ngày càng
nhiều cả về sớ lượng lẫn tầm vóc cơng trình với mục đích cải tạo hệ thớng thoát
nước mưa, thu gom và xử lý nước thải, khôi phục cải tạo hệ thống kênh, nhằm giảm
thiểu ô nhiễm môi trường trong khu vực, nâng cao chất lượng đời sống nhân dân đơ
thị.
Để tiếp tục phát huy những lợi ích trên cũng như giải qút những vấn đề cịn

tờn tại những khu vực chưa được đầu tư thỏa đáng, Uỷ ban Nhân dân TP.HCM
(UBND TP.HCM) có chủ trương tiếp tục triển khai dự án giai đoạn 2. Dự án giai
đoạn 2 được thực hiện bằng nguồn vốn của Ngân hàng Thế giới (WB) và ng̀n
ngân sách TPHCM với tổng kinh phí khoảng 480 triệu USD. Dự án đã được UBND
TP.HCM phê duyệt và dự kiến khởi công vào năm 2015 và đưa vào sử dụng vào
năm 2019.


-2-

Hình 1- Lộ trình kích ống D3200mm từ sơng Sài Gòn về Phường Thạnh Mỹ Lợi,
Quận 2 (Dự án Vệ sinh Mơi trường giai đoạn 2)
Với mục đích cải tạo hệ thống thoát nước mưa khu vực Quận 2 (hệ thống thu
gom và xử lý nước thải kết nối với hệ thớng đã có từ giai đoạn 1) nhằm giảm thiểu ô
nhiễm môi trường và nguồn nước thải ra sông Sài Gịn, dự án gờm các hạng mục
như: Xây dựng mới hệ thống thoát nước thải khu vực Quận 2, xây dựng tuyến cống
bao từ giếng bờ đông sông Sài Gòn về phường Thạnh Mỹ Lợi, Quận 2, nhà máy xử
lý nước thải. Trong đó, hệ thớng cớng thu gom nước thải được thi cơng sâu trong
lòng đất có những vị trí sâu nhất đến 36m với đường kính từ 3200mm. Ở đây,
biện pháp thi cơng đào kín là mợt trong những chọn lựa hợp lý. Trong khi đó, các
cơng trình có đợ chơn sâu bé thường được thi cơng bằng các phương pháp đào lợ
thiên. Việc tính toán phân tích khả năng ổn định và chọn lựa kết cấu công trình
cống chôn sâu phù hợp với điều kiện môi trường địa chất điều kiện thi công là công
tác quan trọng trong việc triển khai dự án.


-3Vì vậy, nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của đất nền xung quanh
cống trịn chơn sâu tại khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh là vấn đề cấp thiết
nhằm đánh giá khả năng ổn định cũng như phục vụ tính tốn thiết kế cho loại
hình cơng trình đặc biệt này.

Đề tài luận văn được chọn lựa nhằm nghiên cứu tổng hợp và chọn lựa phương
pháp tính tốn hợp lý cho loại hình cơng trình ớng chơn sâu. Ngoài ra, để thực hiện
tính tốn, cần thiết xây dựng các chương trình tính nhằm hỗ trợ việc phân tích và
giúp đánh giá kết quả mợt cách nhanh chóng, hiệu quả.
Mục đích và nhiệm vụ:
- Mục đích: Phân tích đánh giá trị áp lực đất tác dụng lên cơng trình ngầm là
mợt trong các bước quan trọng trong tính tốn thiết kế, nhằm rút ra các nhận xét
hữu ích cho các trường hợp thực tế của khu vực. Trong tính tốn thiết kế cơng trình
ngầm, việc xác định áp lực đất tác dụng lên cơng trình đóng vai trò quan trọng hàng
đầu. Áp lực do trọng lượng bản thân cột đất gây lên cơng trình ngầm phụ tḥc vào
nhiều ́u tớ như: loại đất, kích thước cơng trình, đợ sâu chơn cơng trình và mợt sớ
tác nhân khác. Trong khi đó, với điều kiện địa chất phức tạp tại khu vực thành phớ
Hờ Chí Minh, việc xây dựng cơng trình ngầm đòi hỏi phải xét đến ảnh hưởng của
môi trường đất khác nhau như cát, bùn sét yếu, đất sét, điều kiện thi cơng (kín, hở).
Do các điều kiện về quy hoạch thành phớ, đợ sâu chơn cơng trình ngầm nhất thiết
phải lớn để tránh gây tác động đến các cơng trình hiện hữu. Áp lực đất lên cơng
trình ngầm có thể khác biệt theo chiều sâu chơn và phụ thuộc môi trường đất xung
quanh. Hơn nữa phương pháp thi cơng cơng trình ngầm có ảnh hưởng rất lớn đến
giá trị áp lực đất tính tốn lên cơng trình. Việc phân tích các ́u tớ ảnh hưởng này
là mục đích ưu tiên chọn lựa của luận văn.
- Nhiệm vụ: Phân tích tổng hợp và đánh giá các giá trị áp lực đất lên cơng
trình ngầm có xét đến điều kiện môi trường địa chất, điều kiện thi công, độ sâu chơn
cơng trình.


-4Phương pháp nghiên cứu:
Tổng hợp các phương pháp tính toán áp lực đất lên cơng trình ngầm. Trong
đó, có xét đến các yếu tố như chỉ tiêu cơ lý của mơi trường đất đá xung quanh cơng
trình ngầm, đợ sâu chơn cơng trình ngầm cũng như phương pháp thi cơng.
- Thiết lập các chương trình tính toán và thể hiện kết quả.

- Kết quả tính tốn từ chương trình thiết lập sẽ được phân tích tổng hợp làm
cơ sở cho việc chọn lựa kết cấu và bớ trí cơng trình ngầm.


-5-

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CỐNG NGẦM VÀ PHƯƠNG PHÁP THI CƠNG CƠNG
TRÌNH NGẦM
Cơng trình ngầm là mợt trong các loại cơng trình đặc biệt do được bớ trí bên
dưới bề mặt đất. Tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất, các yếu tố về địa chất
thủy văn cũng như trình độ, khả năng thi công mà phương pháp thi công công trình
ngầm được chọn lựa khác nhau.
1.1.

Phân loại cống ngầm và phương pháp xây dựng

1.1.1. Phân loại cống ngầm
Cống ngầm thường được sử dụng cho các công trình cơ sở hạ tầng, đặc biệt
phổ biến cho các khu vực đông dân cư. Ở các đô thị lớn trên thế giới, các đường dây
thông tin, năng lượng, hệ thống cấp thoát nước được xây dựng ngầm dưới đất.
Trong đa số các trường hợp, độ sâu công trình ngầm càng lớn thì các tác đợng do sự
có mặt của chúng với các công trình hiện hữu bên trên càng bé, ống ngầm được
phân chia thành các nhóm theo các tiêu chuẩn sau [2], [9], [13], [19].
- Theo công dụng, gồm các loại cống: cấp nước, thoát nước, tiêu nước, dẫn
nhiệt, tháo nước (dưới đường ôtô và đường sắt), cống trong công trình thủy công,
ống dẫn dầu, dẫn hơi.
- Theo vật liệu, gồm các loại cống: thép, gang, xi măng amiăng, bê tông, bê
tông cốt thép, gạch, sành, chất dẻo và một số vật liệu khác.
- Theo áp lực của chất lỏng chứa trong cống tác động lên thành cống gồm

các loại cớng: khơng áp và có áp.
- Theo hình dáng mặt cắt ngang, gồm các loại cống hình tròn, hình bầu dục,
hình máng, hình vuông, hình chữ nhật. Việc chọn lựa hình dáng mặt cắt ngang của
cống phụ thuộc vào điều kiện địa chất công trình, địa hình, biện pháp thi công hay
thiết kế kỹ thuật.


-6- Theo cấu tạo gờm các loại cớng có thành trơn, thành ́n nếp hay loại cớng
có đai.
- Theo mới nối giữa các đoạn, gồm các loại cống nối cứng, nới mềm, cớng có
mới nới cho phép các đoạn xoay tương đới với nhau, cớng có mới nới cho phép
chuyển vị dọc trục, cớng có mới nới đới đầu (âm dương).
- Theo cách lắp đặt cống, gồm các loại: cống chôn trong đất đắp là cống đặt
ngay trên mặt đất hoặc cống đặt nông so với bề rộng hố đào rời sau đó được lấp đất
lên; cớng chơn trong hào sâu là loại cống đặt trong hào hở, hẹp nhưng sâu với hai
vách cứng, rời sau đó được lấp đất; hay cớng l̀n trong đất bằng cách đào đường
hầm kín, lúc này toàn bộ khối đất thiên nhiên kể từ trên mặt đất xuống không bị phá
hoại.
- Theo cách tựa lên nền, gồm các loại: cống tựa trên mặt nền phẳng, cống tựa
trên nền đất tự nhiên hay đất đắp đã được làm lõm theo chu vi mặt cắt ngang cớng,
cớng tựa trên gới như đặt cớng trên móng cọc trong điều kiện địa chất yếu.
- Theo lý thuyết tính toán kết cấu cũng phân chia thành cống cứng như cống
bê tông, bê tông cốt thép và cống mềm như cống PVC, cống CC-GRP (là cống làm
từ vật liệu liên hợp gồm nhựa thông, sợi thủy tinh, cát, CaCO3,…).
Việc xây dựng các công trình ngầm và công trình đào sâu khác nhau về ý
nghĩa công nghệ và phạm vi áp dụng, về chiều sâu và kích thước trên mặt bằng, có
thể được bớ trí riêng rẽ hay dưới các cơng trình hiện hữu phụ thuộc vào điều kiện
địa chất, địa hình, thủy văn.
1.1.2. Lý luận cơ bản trong thiết kế và thi công công trình ngầm
Tổng hợp tất cả các biện pháp và kỹ tḥt thi cơng có thể phân ra làm hai loại

lý luận sau [3], [4], [5].
“Lý luận tải trọng rời” xem đất đá có khả năng tự ổn định, không phát sinh tải
trọng. Đất đá không ổn định có thể gây ra sụt lở nên cần phải dùng kết cấu để che
chống. Tải trọng tác dụng lên kết cấu chớng chính là trọng lực khới đất đá đã bị
long rời trong mợt phạm vi nhất định có khả năng sụt lở. Đây là lý luận truyền


-7thớng, đại diện cho trường phái này có Terzaghi, Protodiakonov và một số người
khác.
Về nguyên lý cơ học, lý luận này xem đất đá vây quanh là khối hạt rời để tính
toán tải trọng phân bớ lớn hay nhỏ của nó phát sinh đới với kết cấu chớng đỡ. Cơ
học kết cấu xem hệ chống và vỏ hầm là kết cấu chịu tải để tính toán nợi lực. Lập
nên hệ thống cơ học “Tải trọng – Kết cấu” lấy tải trọng bất lợi nhất tổng hợp lại làm
tải trọng thiết kế kết cấu.
“Lý luận đất đá chịu tải” xem đất đá ổn định hiển nhiên là nhờ bản thân có
năng lực chịu tải và tự ổn định; đất đá xung quanh mất ổn định là một quá trình, nếu
trong quá trình đó, ta cung cấp mợt sự hỗ trợ hoặc hạn chế cần thiết thì đất đá xung
quanh vẫn có thể trở lại trạng thái ổn định. Đại diện cho trường phái này có K.V.
Rabcewicz, Miler Fecher, Fenner Talobre, H. Kastener và mợt sớ người khác.
Nói chung, ở “lý ḷn tải trọng rời” chú ý đến kết quả và xử lý theo kết quả;
còn “lý luận đất đá chịu tải” lại chú trọng đến quá trình và tiến hành khống chế đối
với quá trình, tức là lợi dụng đầy đủ năng lực chịu tải của đất đá xung quanh. Trong
thực tế thi công, việc lựa chọn phương pháp hay lý luận nào đều phải cân nhắc đến
điều kiện thực tế cơng trình để đánh giá và phân tích, đơi khi kết hợp nhiều phương
pháp để đáp ứng yêu cầu thực tế xây dựng.
1.2.

Phương pháp thi cơng cơng trình ngầm
Có rất nhiều phương pháp thi cơng cơng trình ngầm, có thể chia thành 3 nhóm

như sau: Phương pháp đào và lấp (đào hở), đào kín, phương pháp hầm dìm (khi thi
cơng hầm trong nước. Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm nhất định
và tuỳ từng điều kiện địa chất, hiện trường, khả năng công nghệ cụ thể mà có thể
vận dụng hợp lý.
1.2.1. Phương pháp thi cơng đào hở
Thi công hở là tiến hành đào hào từ trên mặt đất, xây dựng cơng trình và ći
cùng lại phủ đất hay vật liệu lên trên kết cấu cơng trình ngầm (cut-and-cover).
Thông thường với phương pháp này, kết cấu công trình ngầm có thể được xây dựng


-8từ đáy hào (phương thức tường nền) hoặc trước tiên thi cơng tường và nóc của kết
cấu cơng trình ngầm (phương thức tường nóc) và sau đó các cơng tác khác được
tiến hành và hồn thiện.
Tùy tḥc vào điều kiện mặt bằng thi cơng, hào của cơng trình ngầm có thể
được thi công với thành hào nghiêng hoặc thẳng đứng. Trong thành phố phương án
thành hào đứng thường là giải pháp tất yếu. Việc bảo vệ ổn định thành hào đóng vai
trò quan trọng liên quan đến ổn định của các cơng trình trên mặt đất cũng như đảm
bảo các điều kiện thi công tiếp theo. Tùy thuộc vào điều kiện đất nền và các cơng
trình kiến trúc trên mặt đất cần được bảo vệ mà các kết cấu bảo vệ thành hào được
áp dụng rất đa dạng. Kết cấu bảo vệ thành hào có thể được thu hời sau khi thi cơng
kết cấu cơng trình ngầm nhưng cũng có thể được giữ lại làm một bộ phận quan
trọng của kết cấu cơng trình ngầm.
Trong những điều kiện cho phép, đây là phương pháp thi công kinh tế nhất để
thi cơng các cơng trình ngầm, trong hồn cảnh hiện nay cần chú ý xem xét khả năng
bớ trí các tún ngầm dọc theo các tún đường bợ sẵn có. Q trình thi cơng nên
thực hiện theo sơ đờ “ćn chiếu” để hạn chế ách tắc giao thơng.

Hình 1.1 - Thi cơng và tái lập cơng trình ngầm theo phương pháp đào hở tại
TP.HCM

-91.2.2. Phương pháp đào kín
Hầm và các khơng gian ngầm ngày càng có vai trị quan trọng trong mợt hệ
thớng giao thông hiện đại. Hầu hết các khu vực đô thị trên thế giới đều phải đối mặt
với nhiều vấn đề lớn, đặc biệt là giao thông. Kết cấu hạ tầng cũ nhìn chung là lỗi
thời, không còn đáp ứng được nhu cầu sử dụng. Trong bới cảnh đó thì không gian
giao thông theo hướng trên cao và theo hướng đi ngầm trong lòng đất được xem xét.
Hơn nữa, công trình hầm có những ưu thế vượt trợi so với các loại hình giao thơng
khác nhờ sự đi lại nhanh chóng, tiện lợi và an tồn cao, nhất là trong trường hợp
thiên tai, chiến sự. Có thể nói giao thơng ngầm là xu thế phát triển tất yếu của một
nền kinh tế hiện đại của thế giới.
Phương pháp đào kín chẳng những được áp dụng cho các công trình giao
thông mà còn được áp dụng rộng rãi cho các loại hình công trình khác như : Hệ
thống cấp, thoát nước. Các yếu tố về địa chất, cụ thể là các điều kiện địa chất của
khới nền ln đóng vai trị chủ yếu trong việc quyết định tính khả thi của một dự án
hầm. Trình độ kỹ thuật trước đây chỉ cho phép xây dựng các hầm ngắn. Ngày nay,
nhờ những tiến bộ về khoa học và công nghệ người ta có thể xây dựng được hầm ở
bất kỳ nơi nào khi cần thiết hoặc có chủ định làm. Những lợi ích về kinh tế xã hội
và đặc biệt là về môi trường trở thành những yếu tố thiết yếu và trong mợt sớ trường
hợp, có tầm quan trọng khơng kém so với các yếu tố về kỹ thuật và địa chất. Việc
liên kết cơng trình hầm với các mạng lưới giao thơng hiện có cũng là mợt ́u tớ có
tính quyết định. Do những ràng buộc này mà các công trình hầm thường phải bớ trí
trên các tún đường đi qua khu vực địa tầng có cấu trúc khơng phải là lý tưởng, đó
là các khu vực đơ thị lớn, thường nằm ở các vùng châu thổ (địa tầng mềm yếu).
Mặc dù hiện nay những khía cạnh về địa chất được xem là thứ yếu và được kỳ vọng
là có thể giải qút được với cơng nghệ hiện có. Song trên thực tế, việc đào hầm
trong đất mềm yếu vẫn là một thách đố nan giải đối với giới xây dựng hầm bởi vì
ln có những rủi ro khó lường.

-10-

Hình 1.2 - Thi cơng cơng trình ngầm theo phương pháp đào kín tại TP.HCM
Có thể đưa ra cách phân loại các phương pháp đào hầm kín theo thuật ngữ
thường được sử dụng ở Việt nam như sau:
a) Phương pháp khoan nổ truyền thống và NATM.
b) Phương pháp khiên đào (SM) và phương pháp khoan đào (TBM)
c) Phương pháp kích đẩy (pipe jacking).
d) Các phương pháp đặc biệt (Phương pháp làm lạnh, phương pháp nổ ép)
a.

Phương pháp khoan nổ truyền thống và NATM
Ở đây, người ta gọi là phương pháp khoan nổ là phương pháp truyền thống bởi

vì phương pháp này được ứng dụng sớm nhất vào việc đào hầm lò khai thác mỏ. Ở
phương pháp này dùng khoan nổ để đào kết hợp che chống bằng các cấu kiện thép
hay gỗ tạm thời đến khi đường hầm đã hình thành xong, dần dần đem hệ che chắn
tạm thời thay thế bằng vỏ hầm vĩnh cửu đổ tồn khới. “Lý luận tải trọng rời” là lý
luận được rút ra trên cơ sở phương pháp mỏ truyền thống. Thực vậy, sau khi thi
công, khu vực giữa vỏ hầm và địa tầng khơng có liên kết chặt chẽ, đất đá biến dạng
và tác động lên vỏ hầm như là một tải trọng.
Sở dĩ gọi là phương pháp NATM (New Austrian Tunnelling Method) là do
nhà bác học người Áo K.V. Rabcewicz đề xuất đầu tiên. Phương pháp này lấy phun
bê tông và neo làm biện pháp che chống chủ yếu, thông qua giám sát đo đạc khống


-11chế biến dạng của địa tầng. Đây là phương pháp dựa trên “lý luận đất đá chịu lực”,
do vậy cần hết sức giảm thiểu số lần lay động, cường độ lay động, phạm vi lay động
và thời gian lay động trong khối đất đá. Vì vậy, thường dùng máy đào đất đá mà
không dùng phương pháp khoan nổ. Tuy nhiên, trong trường hợp đá cứng hay do

điều kiện khác phải dùng biện pháp nổ mìn thì cần khớng chế tớc độ, cường độ phá
nổ. Việc che chống phải khẩn trương theo kịp mặt đào để đất đá không bị long rời ở
vị trí khơng che chớng. Phương pháp này lợi dụng khả năng chịu lực tốt và tự ổn
định của môi trường đá mà giảm thiểu công tác chống đỡ. Đây là phương pháp hiện
đại và được sử dụng rộng rãi trong xây dựng cơng trình ngầm trong đá hoặc trong
đất dính.

Hình 1.3 - Sơ đờ thi cơng hầm theo phương pháp NATM

Hình 1.4 - Thi cơng trong khối đá bở rời, sử dụng ván thép tạo ô bảo vệ


-12b.

Phương pháp khiên đào (SM) và phương pháp khoan đào (TBM)
Sơ đồ nguyên lý đào hầm cho các phương pháp TBM, SM (Khiên) hay TBM

Mini và kích đẩy (Pipe-Jacking) về cơ bản là như nhau, như trên hình vẽ 1.5 dưới
đây:

Hình 1.5 - Sơ đờ thi cơng đào bằng khiên
Những thiết bị cơ giới hóa đào đất để làm hầm khá đa dạng, kể từ loại máy xúc
có trang bị răng xới, các thiết bị thuỷ lực và các máy đào hầm đa hình (roadheaders)
cho đến các TBM có cấu tạo khác nhau. Ngày nay, phương pháp khoan đào
(TBM) là phương pháp đào hầm phổ biến nhất. Loại thiết bị đa dụng
Roadheader hữu ích ở nhiều trường hợp khi sử dụng TBM khơng có hiệu quả về mặt
chi phí. 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 đákhoan đào; tư tưởng chính của TBM) và cấu tạo vỏ bảo vệ (vì chớng- khiên; tư
tưởng chính của phương pháp khiên).
Mặc dù có nhiều loại phương tiện kỹ thuật đang thịnh hành, song TBM hay

phương pháp khiên đào (SM) và sau này cả kích đẩy (Pipe-Jacking hay mini khiên),
thiết bị chuyên dùng, có thể cơ giới hoá được tồn bợ các khâu: đào, chớng đỡ, thi


-13công áo hầm và chuyển vận đất thải, đã được công nhận là một trong những đột phá
quan trọng về cơng nghệ thi cơng hầm.
Sử dụng mợt ớng thép hình trụ có đường kính lớn hơn đường kính ngồi vỏ
hầm làm vì chớng, vỏ hầm trong trường hợp này thường là vỏ dạng tròn. Đoạn đầu
ớng có thiết bị che chống và đào đất, đoạn giữa của ống được lắp các kích đẩy cho
máy tiến tới trước, đoạn ći của ống có thể lắp các ống bê tông vỏ hầm đúc sẵn
(tồn khới hay những phiến cong nhỏ lắp thành cơng trình kích thước lớn) hoặc các
vành thép để đổ bê tông vỏ tại chỗ. Đất đá ở trước khiên được đào đi trong một
khoảng bằng bề rộng của một đớt vỏ hầm. Sau đó khiên di chuyển về phía trước tạo
nên mợt khoảng trớng ở phía sau, tại đây tiến hành lắp đặt hoặc đổ tại chỗ mợt vịng
vỏ hầm (đốt hầm) dưới sự che chống của vỏ khiên, đồng thời vữa xi măng cát được
ép vào khe hở đằng sau lưng các vòng bê tông để vỏ hầm và địa tầng xung quanh bó
chặt vào nhau. Để lắp đặt khiên, thường một giếng đứng được đào trước, lắp ráp
khiên tại đáy giếng đứng và đất đá do khiên đào xong được đưa ra ngoài cũng thông
qua giếng đứng này.
c.

Phương pháp kích đẩy
Khi thi cơng hệ thớng cơng trình ngầm như hầm ôtô, hầm cho người đi bộ,

hầm kĩ tḥt hay các cơng trình cấp thoát nước đặt khơng quá sâu bên dưới những
cơng trình trên mặt như nhà cửa, đường xá và mợt sớ cơng trình hiện hữu khác, sử
dụng phương pháp đào lộ thiên hay khiên đào sẽ khơng tránh khỏi gây lún cơng
trình trên mặt do biến dạng của khối đất đá xung quanh. Mặt khác, sử dụng những
phương pháp đó cho hầm có chiều dài không đáng kể (100 – 150m) là không hiệu
quả. Trong trường hợp này, phương pháp đẩy ép (hay phương pháp kích đẩy) phù

hợp với những điều kiện ràng ḅc trong khu vực đô thị.
Phương pháp này gần giống với phương pháp khiên đào, ở đây việc đào đất có
thể bằng thủ công hoặc bằng cơ giới như máy đào, khiên đào. Hình dạng đường
hầm thường là hình tròn, đầu khiên cũng như hệ thống đường ống gồm các đốt cống
đúc sẵn được kích tới trước nhờ phản lực của trạm kích đặt ở đáy giếng đứng (khác
với phương pháp khiên đào là hệ thớng kích đặt ở đầu khiên và nhờ vào phản lực