Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng và ổn định của nền đất yếu xung quanh đường hầm metro tp hcm trong quá trình thi công

Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------

NGUYỄN ANH TUẤN

PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI
ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG VÀ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN
ĐẤT YẾU XUNG QUANH ĐƯỜNG HẦM METRO
TP. HCM TRONG Q TRÌNH THI CƠNG
Chun ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng
Mã số ngành : 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2009


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thành Đạt

Cán bộ đồng hướng dẫn:

TS. Trần Xuân Thọ

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…….


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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 7 năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Nguyễn Anh Tuấn

Phái: Nam

Ngày tháng năm sinh:

03/7/1984

Nơi sinh: Hà Tĩnh

Chuyên ngành:

Địa kỹ thuật xây dựng

MSHV: 00907554

I- TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng và ổn định của nền đất
yếu xung quanh đường hầm metro thành phố Hồ Chí Minh trong q trình thi cơng
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
Chương 1: Tổng quan về ổn định và biến dạng của nền đất yếu xung quanh hầm.
Chương 2: Cơ sở tính tốn trạng thái ứng suất - biến dạng của nền đất yếu xung quanh
hầm.
Chương 3: Cấu tạo mặt cắt ngang của hầm trong điều kiện đất yếu.
Chương 4: Phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng và ổn định của nền đất yếu xung
quanh đường hầm metro thành phố Hồ Chí Minh trong quá trình thi cơng.
Kết luận và kiến nghị.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

Ngày 02 tháng 02 năm 2009

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

Ngày 03 tháng 07 năm 2009

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. Nguyễn Thành Đạt

VI- CÁN BỘ ĐỒNG HƯỚNG DẪN:

TS. Trần Xuân Thọ

Nội dung Luận văn Thạc sĩ đã được Hội đồng Chuyên ngành thông qua.
CB ĐỒNG HƯỚNG DẪN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
ĐỊA CƠ NỀN MĨNG

TS. Trần Xn Thọ

TS. Nguyễn Thành Đạt

TS. Võ Phán


LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian thực hiện và hoàn thành luận văn Thạc sĩ, đề tài “Phân tích trạng
thái ứng suất-biến dạng và ổn định của nền đất yếu xung quanh đường hầm metro
thành phố Hồ Chí Minh trong quá trình thi cơng”, tơi xin chân thành cảm ơn TS.
Nguyễn Thành Đạt, trường Đại học Giao thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh và
TS. Trần Xuân Thọ, trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình
giúp đỡ, hướng dẫn tơi hồn thành luận văn này.
Và tôi cũng trân trọng cảm ơn các thầy, cô trường Đại học Bách khoa thành phố
Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, tạo điều kiện học tập và giúp đỡ tôi trong thời gian
học tập và nghiên cứu tại Trường. Tôi chân thành cảm ơn các thầy phản biện đã có
những định hướng và góp ý thiết thực giúp tôi hiểu rõ hơn về đề tài nghiên cứu.
Tôi luôn biết ơn sâu sắc những người trong gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã
hỗ trợ, tạo mọi điều kiện cho tơi có thể hồn thành cơng tác học tập và giảng dạy.
Do thời gian thực hiện luận văn hạn hẹp nên khơng thể tránh khỏi những thiếu
sót và hạn chế, tơi rất mong nhận được những góp ý và trao đổi của quý thầy cô và các
bạn.
Trân trọng cảm ơn!

TÓM TẮT
Hiện nay, việc nghiên cứu xây dựng tuyến metro ở nước ta còn mới mẻ. Các cơ
quan chức năng chưa ban hành các chỉ dẫn cụ thể hay quy trình, quy phạm về thiết kế
và xây dựng tuyến metro. Vì vậy, đề tài “Phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng
và ổn định của nền đất yếu xung quanh đường hầm metro thành phố Hồ Chí
Minh trong quá trình thi cơng” là hết sức cần thiết, có tính khoa học và thực tiễn.
Luận văn được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý luận về lý thuyết và tiến hành
tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn (mô phỏng trên phần mềm Plaxis 3D
Tunnel). Nội dung và kết quả nghiên cứu được của đề tài:
- Độ lún cực đại ở mặt đất thay đổi theo chiều sâu đặt hầm: độ sâu đặt hầm càng
lớn thì độ lún ở bề mặt càng bé. Với độ sâu đặt hầm lớn hơn 3 lần đường kính thì biến
dạng bề mặt do sự có mặt của hầm có giá trị khơng đáng kể.
- Giá trị chuyển vị theo phương ngang tại vị trí bề mặt đất giảm nhanh hơn theo
chiều sâu đặt hầm so với lún thẳng đứng và có thể coi là không đáng kể khi ở chiều sâu
đặt hầm lớn hơn 20m.
- Khi xây dựng hai hầm song song, để hai hầm chịu lực độc lập thì khoảng cách
giữa hai hầm lớn hơn 20m, tức là khoảng 2.5D (D là đường kính hầm).
- Các cơng trình xây dựng trong phạm vi 45m (khoảng 6D, D là đường kính
hầm) từ tim hầm sang hai bên sẽ ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của hầm và ngược
lại.
Từ mơ hình tính tốn của đề tài ta có thể tính tốn được các nội lực trong các
giai đoạn thi công và giai đoạn hồn thành cơng trình. Vì vậy nó hồn tồn có thể được
áp dụng để tính tốn cho các cơng trình hầm tại thành phố Hồ Chí Minh và các vùng có
điều kiện địa chất tương tự.


SUMMARY
Currently, the research on the construction of metro routes in our country is still
fresh. The authorities have not issued any specific procedures, regulations or
instructions for the design and construction of metro line. Therefore, the topic

"Analysis on state of stress-strain and stability of the background around the metro
tunnel in Ho Chi Minh City during the construction process” is very necessary,
scientific and practical.
The dissertation has been made on the basis of theoretical research and
calculations by the Finite Element method (Plaxis 3D Tunnel software). These are the
research’s content and results:
- The change of maximum vertical displacement on the ground is according to
the depth setting of tunnel: the deeper the mine is, the smaller is the displacement of
the surface. If the depth of tunnel is greater than 3 times of the diameter of surface then
the deformation of surface due to the presence of tunnel is negligible.
- The horizontal displacement value on the surface, which dues to the depth of
the tunnel, decreases faster to vertical displacement one. If the depth of tunnel is
greater than 20m then it could be considered as a negligible value.
- When constructing 2 parallel tunnels, in order to make them independent in
forces suffering, the distance between them must be larger than 20m, about 2.5D (D is
the diameter of tunnels).
- Constructions which are within the radius of 45m (about 6D) will affect the
working conditions of tunnel and vice versa.
According to the topic’s calculation model, we can calculate the internal forces
during the constructing and the completion phase. Therefore, we can apply this
obtained results for the calculation on tunnels in Ho Chi Minh City and other areas
with the similar conditions.


MỤC LỤC
Mở đầu

1

1. Tính cấp thiết của đề tài

1

2. Mục tiêu của đề tài

1

3. Phương pháp nghiên cứu

1

4. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

2

5. Nội dung của đề tài

3

6. Hạn chế của đề tài

3

Chương 1: Tổng quan về ổn định và biến dạng của nền đất yếu xung quanh hầm
1.1. Khái niệm về đất yếu

4

1.2. Ổn định của nền đất yếu xung quanh hầm

7

1.3. Biến dạng của nền đất yếu xung quanh hầm

8

1.4. Quy luật và nguyên nhân lún xuống của mặt đất

14

1.4.1. Quy luật lún xuống của mặt đất

14

1.4.2. Nguyên nhân lún xuống của mặt đất

17

1.5. Một số sự cố trong thi công hầm

18

1.6. Nhận xét

19

Chương 2: Cơ sở tính tốn trạng thái ứng suất-biến dạng của nền đất yếu xung
quanh hầm
2.1. Quan hệ trạng thái ứng suất-biến dạng trong đất

20
20

2.1.1. Ứng suất và lộ trình ứng suất

20

2.1.2. Biến dạng

26

2.1.3. Quan hệ ứng suất và biến dạng

27

2.2. Áp lực địa tầng tác dụng lên hầm

33

2.2.1. Trạng thái phân bố ứng suất của đất trong tự nhiên

34

2.2.2. Trạng thái phân bố ứng suất của đất xung quanh hầm

35


2.2.3. Các phương pháp xác định áp lực địa tầng tác dụng lên hầm
2.3. Tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn

40
51

2.3.1 Mô phỏng trên phần mềm Plaxis 3D Tunnel

51

2.3.2 Mơ hình vật liệu sử dụng trong chương trình Plaxis 3D Tunnel

52

2.4. Nhận xét
Chương 3: Cấu tạo mặt cắt ngang cho hầm trong điều kiện đất yếu
3.1. Các phương pháp thi công hầm trong đất yếu

53
54
54

3.1.1. Phương pháp đào lộ thiên

54

3.1.2. Phương pháp thi công tường liên tục dưới đất

59

3.1.3. Phương pháp đào dưới nắp

63

3.1.4. Phương pháp khiên đào-TBM

64

3.2. Cấu tạo mặt cắt ngang cho hầm trong điều kiện đất yếu

69

3.2.1. Phân loại

69

3.2.2. Kết cấu vỏ hầm

70

3.2.3. Phân tích chọn kết cấu hợp lý cho tuyến metro

74

3.3. Nhận xét

75

Chương 4: Phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng và ổn định của nền đất yếu
xung quanh đường hầm metro Tp. Hồ Chí Minh trong q trình thi cơng
4.1. Nhận xét chung về cấu tạo địa chất tuyến metro đi qua

77
77

4.1. Hệ địa tầng

77

4.2. Đặc điểm địa chất cơng trình

77

4.2. Mơ tả cơng trình

81

4.3. Phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng và ổn định của nền đất yếu xung
quanh đường hầm mêtrơ thành phố Hồ Chí Minh trong q trình thi cơng
4.3.1. Mơ phỏng bài tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn

84
84

4.3.2. Phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng và ổn định của nền đất yếu
xung quanh đường hầm khi thay đổi chiều sâu đặt hầm

87


4.3.3. So sánh mơ hình tính của đề tài với phương pháp đường cong
Gaussian

97
4.3.4. Xác định bán kính ảnh hưởng của hầm theo phương ngang

99

4.3.5. Phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng và ổn định của nền đất yếu
xung quanh đường hầm tuyến đơi
4.4. Phân tích ổn định hầm trong quá trình sử dụng

102
108

Kết luận và kiến nghị

112

Tài liệu tham khảo

114


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Thành phố Hồ Chí Minh là một thành phố lớn, ngày càng phát triển và mở rộng,
diện tích xây dựng cơng trình ngày càng nhiều, dân số ngày càng tăng. Mạng lưới các
tuyến giao thông đường bộ khá phát triển; tuy nhiên vành đai đường nội thành chưa
hình thành, dẫn đến tình trạng xe đi vào trung tâm thành phố rất lớn.

Nếu như ở các nước tiên tiến trên thế giới, quỹ đất giao thông cho một địa bàn
thường từ 20 - 25% thì tỷ lệ này ở thành phố Hồ Chí Minh chỉ 13,42%.
Do đó cần có mạng lưới vận chuyển hành khách công cộng phát triển, đảm bảo
được lưu thông hàng ngày giữa các khu vực của thành phố một cách nhanh chóng,
thuận lợi, tin cậy, an tồn. Xây dựng các tuyến metro - xe điện ngầm với tốc độ cao và
năng lực lớn, có thể đảm nhận chuyên chở một khối lượng lớn hành khách với tốc độ
nhanh trong giờ cao điểm của đơ thị, khơng gây ơ nhiễm khí thải…nhằm đáp ứng yêu
cầu phát triển dài hạn của thành phố về vận chuyển hành khách công cộng.
Tuy nhiên, đối với Việt Nam lần đầu tiên xây dựng metro, chưa có kinh nghiệm
và do tính chất phức tạp về kỹ thuật, công nghệ xây dựng, công nghệ quản lý khai thác
đồng thời đòi hỏi nguồn vốn đầu tư lớn nên cần phải nghiên cứu kỹ các yếu tố ảnh
hưởng của môi trường đất đối với kết cấu của đường hầm metro và lựa chọn kết cấu
phù hợp với điều kiện của nước ta nói chung và trong điều kiện đất yếu ở thành phố Hồ
Chí Minh nói riêng.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng và ổn định của nền đất yếu xung quanh
đường hầm metro thành phố Hồ Chí Minh trong q trình thi cơng.
3. Phương pháp nghiên cứu
Phân tích, chọn lựa phương án và tiến hành tính tốn bằng phương pháp phần tử
hữu hạn.


2

4. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Tuyến metro đầu tiên trên thế giới được xây dựng cách đây trên một trăm năm,
ngày nay giao thông vận tải đô thị bằng hệ thống metro phát triển mạnh và phổ biến ở
các nước trên thế giới nhằm thỏa mãn nhu cầu đi lại của dân cư với mật độ lớn mà
khơng có loại phương tiện nào trong thành phố có thể đáp ứng được. Hệ thống metro
trên thế giới hiện đang trở thành phương tiện giao thông an tồn, nhanh chóng, hiện

đại, tiện nghi, khơng gây ơ nhiễm, có năng lực vận chuyển lớn, giải quyết được nhu
cầu đi lại của dân cư.
Ở nước ta, dân số tại các thành phố lớn hiện nay lớn hơn 5 triệu dân, mật độ đi
lại của dân cư lớn, hiện tượng ùn tắc giao thông vào các giờ cao điểm xảy ra thường
xuyên gây ảnh hưởng lớn đến sự phát triển chung của xã hội. Việc xây dựng một hệ
thống giao thông đô thị hiện đại đáp ứng được nhu cầu đi lại của dân cư như hệ thống
metro là điều cần thiết đối với các thành phố đang phát triển mạnh như thành phố Hồ
Chí Minh.

Hình 0.1: Đồn tàu metro
Hiện nay, việc nghiên cứu xây dựng tuyến metro ở nước ta còn mới mẻ, các cơ
quan chức năng chưa ban hành các chỉ dẫn cụ thể hay quy trình, quy phạm về thiết kế
và xây dựng tuyến metro. Từ thực tiễn về sự phát triển hệ thống metro trên thế giới và


3

xu hướng phát triển tại Việt Nam, việc nghiên cứu phân tích chọn kết cấu và cơng nghệ
xây dựng tuyến metro hợp lý và có thể áp dụng vào các thành phố lớn như Hà Nội,
thành phố Hồ Chí Minh cũng như các thành phố khác trong tương lai có cùng điều kiện
là hết sức cần thiết, có tính khoa học và thực tiễn.
5. Nội dung của đề tài
Luận án tập trung phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng và ổn định của nền
đất yếu xung quanh đường hầm metro thành phố Hồ Chí Minh trong q trình thi công,
gồm các phần sau đây:
Chương 1: Tổng quan về ổn định và biến dạng của nền đất yếu xung quanh hầm.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn trạng thái ứng suất - biến dạng của nền đất
yếu xung quanh hầm.
Chương 3: Cấu tạo mặt cắt ngang cho hầm trong điều kiện đất yếu.
Chương 4: Phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng và ổn định của nền đất yếu

xung quanh đường hầm metro thành phố Hồ Chí Minh trong q trình thi cơng.
Kết luận và kiến nghị.
6. Hạn chế của đề tài
Mơ hình bài tốn chỉ được thực hiện trên cơ sở lý thuyết và tính tốn bằng
phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên các phần mềm hiện có mà chưa có điều kiện thí
nghiệm sâu về mơ hình thực tế để tìm được kết quả chính xác.
Mặt khác, tài liệu tham khảo về nội dung của đề tài nghiên cứu còn hạn chế cũng
như chưa có các chỉ dẫn cụ thể hay quy trình, quy phạm về thiết kế và xây dựng tuyến
metro nên quá trình nghiên cứu gặp nhiều khó khăn.


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG
CỦA NỀN ĐẤT YẾU XUNG QUANH HẦM
1.1. Khái niệm về đất yếu [2]
Đất yếu nói chung là loại đất sét có độ ẩm tự nhiên lớn, ở trạng thái dẻo mềm
đến trạng thái dẻo nhão đến nhão như bùn sét, đất loại sét, đất bột bão hịa nước, sức
chịu tải thấp, tính nén cao.
Loại đất yếu chủ yếu phổ biến ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh là bùn sét.
Bùn sét và đất bùn là trầm tích trong mơi trường nước lặng (tĩnh) hoặc trong hoàn cảnh
nước chảy chậm chạp, qua tác dụng sinh hóa hình thành các dạng sét. Loại đất dạng sét
này chứa một hàm lượng hữu cơ nhất định nên có màu xám đen, xanh đặc trưng. Bùn
sét có độ ẩm thiên nhiên thay đổi lớn hơn giới hạn chảy ( W > WL ), hệ số rỗng tự nhiên
e > 1.5. Khi hàm lượng hữu cơ lớn hơn 10% gọi là đất hữu cơ.
Một số đặc trưng cơ lý đất yếu khu vực thành phố Hồ Chí Minh
Đặc trưng của đất yếu khu vực này là: độ ẩm tự nhiên cao, tiếp cận hoặc lớn hơn
giới hạn chảy, hệ số rỗng thường lớn hơn 1.5, tính nén cao ( a1− 2 > 0.5MPa −1 ), cường độ
thấp, hệ số thấm rất bé. Do vậy, đất mềm yếu có một số tính chất cơng trình dưới đây:

- Tính xúc biến (tính thay đổi khi tiếp xúc): đất yếu có đặc trưng xúc biến, khi
đất nguyên dạng chịu tác dụng lực rung, liên kết giữa các hạt bị phá hoại, giảm cường
độ của đất hoặc làm cho đất chuyển sang trạng thái lỏng rất nhanh. Tính xúc biến lớn
hay nhỏ, thường dùng độ nhạy K s để biểu thị. Độ nhạy của đất yếu K s khoảng 3 đến
4, cá biệt có nơi đạt đến 8-9. Vì thế cho nên sau khi nền đất yếu chịu tải trọng rung dễ
xảy ra sự trượt hướng sườn, xảy ra hiện tượng lún và hai mặt hơng ở đáy móng bị dồn
ép ra.
- Tính lưu biến: trong đất yếu, ngồi hiện tượng cố kết thoát nước dẫn tới biến
dạng, dưới tác dụng của ứng suất cắt, đất cịn có thể phát sinh biến dạng cắt theo thời


5

gian. Quá trình này diễn ra dài và chậm rãi. Điều này còn ảnh hưởng rất lớn đến vấn đề
lún của nền, khơng có lợi đối với tính ổn định của nền.
- Tính nén cao: đất yếu thuộc loại đất có tính nén ép cao, hệ số nén lớn, đại bộ
phận biến dạng nén của đất yếu phát sinh trong điều kiện áp lực thẳng đứng dưới
100kPa. Biến dạng nén lún rất lớn, chỉ số nén C c biến đổi từ 0.5-1.5. Module tổng biến
dạng E 0− 2 = 5 − 20kG / cm 2 .
- Tính thấm nước thấp: tính thấm nước của đất yếu rất thấp, thường hệ số thấm
theo chiều thẳng đứng vào khoảng Ax10-6 đến Ax10-8 cm/s, điều này khơng có lợi đối
với nền thốt nước cố kết, phản ứng lún nền cơng trình theo thời gian kéo dài. Thời kỳ
đầu gia tải, trong nền thường xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tương đối cao, ảnh
hưởng đến cường độ đất nền, đồng thời cũng phản ánh thời gian lún của cơng trình rất
dài.
- Tính khơng đồng đều: do hồn cảnh trầm tích, trong tầng đất dạng sét thường
cục bộ có kẹp đất bột chiều dày không giống nhau khiến cho sự phân bố theo phương
ngang và hướng thẳng đứng có sự cách biệt, làm cho nển cơng trình kiến trúc dễ xảy ra
lún không đều.
Đặc trưng cơ lý của đất yếu khu vực thành phố Hồ Chí Minh có thể khái qt

như sau:
Độ ẩm: 77.15%
Khối lượng riêng ρ : 15.5kN/m3
Khối lượng riêng khô ρ d : 8.7 kN/m3
Khối lượng riêng khô ρ s : 26.4kN/m3
Hệ số rỗng: 2.03
Độ bão hòa: 100%
Độ sệt I L : 1.33cm/s
Lực dính: 6kN/m2


6

Góc ma sát trong ϕ : 40
Hệ số thấm k : 4x10-7 cm/s
Đất yếu khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và TP. HCM có tuổi địa chất là Đệ
Tứ hiện đại (QIV). Do q trình tích tụ trầm tích diễn ra mạnh mẽ trong khoảng 500010000 năm đến hiện nay (có những lớp trầm tích hiện đại có bề dày đạt đến trên 50m)
nên đưa đến hình thành cấu tạo không đồng nhất của đất nền theo phương ngang cũng
như theo phương đứng. Bề dày lớp đất yếu càng lớn thì tính đồng nhất thể hiện càng rõ
rệt. Đối với đặc điểm biến dạng của đất yếu, tính chất này thể hiện rõ rệt qua hệ số quá
cố kết OCR =

Pc
(với γ ' - trọng lượng riêng của đất, z – độ sâu mẫu đất khảo sát)
γ '.z

trong khi hệ số rỗng hầu như thay đổi không đáng kể theo độ sâu.
Theo kết quả thí nghiệm của khoảng gần 700 mẫu đất yếu ở khu vực cho thấy
giá trị áp lực tiền cố kết pc của bùn sét pha, sét pha cát cao hơn bùn sét. Đối với bùn
sét, trong phạm vi độ sâu đến 6m, giá trị OCR dao động trong khoảng 2÷4 (cá biệt có

nhiều trường hợp lên đến 6÷8), đến độ sâu từ 6-12m dao động trong khoảng 1,2÷1,7,
trung bình từ độ sâu 0-12m giá trị OCR: 1,5÷2,5. Từ 12m trở đi đến độ sâu hơn 20m
thì đất nền được xem như cố kết thường hoặc dưới cố kết.
Giá trị OCR lớn ở vùng trên của lớp đất yếu được giải thích là do độ bền kiến
trúc, do sự dao động của thủy triều có tác dụng như quá trình dỡ tải và nén lại, quá
trình thổ nhưỡng hóa và hàng loạt yếu tố khác. Vùng từ độ sâu 12m trở đi, do q trình
tích tụ trầm tích diễn ra mạnh mẽ nên q trình cố kết thấm do trọng lượng bản thân
được xem như chưa hồn tồn chấm dứt.
Ngồi ra, tính chất khơng đồng nhất của nền đất yếu khu vực còn thể hiện ở sự
khác biệt của các giá trị hệ số thấm theo phương ngang và phương đứng. Tuy nhiên,
các tính tốn cho thấy sự khác biệt hệ số thấm theo hai phương (không quá 10) ảnh
hưởng không đáng kể lên kết quả dự báo độ biến dạng theo thời gian.


7

Giá trị chỉ số nén Cc dao động từ 0,5÷1,1 tỷ lệ với hệ số rỗng tự nhiên và độ ẩm
giới hạn chảy nhưng không phụ thuộc độ sâu. Trong đa số trường hợp, cho đến độ sâu
20m, hệ số rỗng của đất yếu của khu vực thay đổi không theo quy luật (đường cong
nén lún do tải trọng của trọng lượng bản thân), giá trị trung bình thay đổi không đáng
kể. Như vậy, tương tự như hệ số rỗng, chỉ số nén không thay đổi đáng kể theo độ sâu.
1.2. Ổn định của nền đất yếu xung quanh hầm
Trạng thái đất nền xung quanh hầm được gọi là ổn định nếu trong suốt khoảng
thời gian thi công không bị sụt, trượt và chuyển dịch của chu vi hầm không vượt q
phạm vi cho phép.
Trong thực tế cũng có khơng ít trường hợp khi khối địa tầng trong đó có đặt
hầm bị sụt, trượt gây nên biến dạng thậm chí có khi phá hoại cơng trình. Những yếu tố:
địa hình sườn dốc; độ lớn và đặc trưng đất trên nóc hầm; các điều kiện phân lớp của địa
tầng; lực dính của đất; chế độ nước ngầm và hiện tượng trượt bề mặt là những yếu tố
vơ cùng quan trọng. Có khơng ít những khối địa tầng hồn tồn ổn định trước khi đào

hầm, nhưng lại phát hiện có dịch chuyển sau khi xây dựng hầm do hậu quả thay đổi
chế độ nước ngầm do hang gây ra.
Nước ngầm là một trở ngại quan trọng trong q trình thi cơng hầm, khơng thể
dùng biện pháp thốt nước tự nhiên được mà phải có thiết bị để bơm hút ra ngồi.
Nước ngầm làm giảm yếu sự kết dính của đất nên áp lực địa tầng cũng tăng lên. Trong
nước ngầm có những thành phần hóa học có tác dụng xấu đến kết cấu vỏ. Trong khi thi
cơng, nước ngầm có khi là nguyên nhân gây ra những tai nạn bất ngờ, như trường hợp
gặp phải túi nước lớn hoặc khi hầm đi qua sơng. Vì vậy khi thiết kế phải nghiên cứu kỹ
tình hình nước ngầm để xác định được lượng nước, nguồn gốc, thành phần hóa học,
nhiệt độ để có biện pháp xử lý thích hợp. Lượng nước ngầm trong các vùng địa chất có
thể rất khác nhau, cần khoan thử và hút thử để xác định cụ thể và đề phịng những
trường hợp đột xuất sau này có thể gây tai nạn. [9]


8

Ổn định hầm gồm 2 giai đoạn: giai đoạn thi cơng và giai đoạn vận hành, vì vậy
khi tính tốn, thiết kế phải tính cho cả hai trường hợp, đảm bảo cho cơng trình an tồn,
đáp ứng các u cầu kỹ thuật trong q trình thi cơng và vận doanh.
1.3. Biến dạng của nền đất yếu xung quanh hầm
Xây dựng hầm sẽ tác động lên khối đất bao quanh hang đào và gây ra sự biến
dạng của khối đất và mặt đất. Nghiên cứu biến dạng khối đất xung quanh hầm có thể
đưa ra đặc điểm và cơ chế xuất hiện biến dạng:
- Xây dựng hầm đi kèm với sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng tự nhiên
của khối đất và có thể gây ra sự phá huỷ không thể hồi phục lại của đất nền.
- Sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng tương tự như vậy dẫn đến sự xuất
hiện trường biến dạng (chuyển dịch) trong khối đất xung quanh hầm;
- Sự phân bố biến dạng trong khối đất từ nguồn biến dạng (hang đào) diễn ra
theo tất cả các hướng từ hang đào và mang đặc tính tắt dần;
- Hướng của trường biến dạng tập trung vào tâm của hang đào.

Vậy quá trình chuyển dịch của đất dưới tác động của việc đào hầm bắt đầu xung
quanh hang đào và diễn ra liên tục, và khi tồn tại lớp đất yếu tương đối ở phía trên
hang đào chuyển dịch này đạt đến bề mặt đất. Quá trình này tiếp tục cho đến khi thiết
lập sự cân bằng của trạng thái ứng suất - biến dạng trong khối đất bao xung quanh hang
đào hoặc khi lắp đặt hệ thống vì chống cứng vĩnh cửu cùng với việc bơm vữa lấp khe
hở thi công.
Phân tích trường véc tơ biến dạng xuất hiện trong khối đất xung quanh hầm mặt
cắt trịn trong một mơi trường đồng nhất, đẳng hướng, từ sự tạo thành hang có thể nhận
xét sau: Biến dạng nén thẳng đứng xuất hiện trong phần đặt gần chu tuyến hang đào tại
cao độ đường kính nằm ngang của hầm, cịn trên và dưới hang đào theo đường kính
thẳng đứng - biến dạng kéo. Chuyển dịch thẳng đứng lớn nhất trong khối đất tập trung
ở trên và dưới hang đào, ở cao độ đường kính nằm ngang của hầm, chuyển dịch này
bằng khơng, cịn chuyển dịch ngang có giá trị lớn nhất ở cao độ bán kính nằm ngang


9

của hầm và bằng không ở đỉnh và đáy của hang đào. Trường biến dạng thẳng đứng và
nằm ngang của đất bao quanh hầm có tính đối xứng qua trục thẳng đứng và nằm ngang
của hầm, một cách tương ứng.
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến dạng của khối đất, trong đó
các yếu tố liên quan đến công nghệ xây dựng, điều kiện địa chất thuỷ văn và đặc điểm
kết cấu của hầm giữ vị trí quan trọng.
Nếu xây dựng cơng trình ngầm được thực hiện bằng phương pháp kín thì sự phá
hoại khối đất bao trùm một số vùng trên hầm đào và phụ thuộc vào chiều sâu đặt ngầm,
sự phá hoại có thể tiến triển trên mặt đất. Trong trường hợp này có thể xảy ra độ lún
móng của các nhà, cơng trình lân cận và của mạng kỹ thuật ngầm, phá vỡ áo đường và
đường tàu điện nằm trên cơng trình ngầm đang xây dựng và cuối cùng là ảnh hưởng có
hại đến giao thơng trên mặt đất. Tất cả các điều đó yêu cầu phải có các biện pháp đặc
biệt để hạn chế chuyển vị và biến dạng của mặt đất cũng như để bảo vệ nhà và các

mạng kỹ thuật dẫn đến tăng giá thành xây dựng cơng trình ngầm. [8]
Sự phá hoại khối đất khi xây dựng 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. Nói chung khối chuyển dịch có thể được thể
hiện bởi hai mặt cắt chủ yếu là các mặt đứng, cắt khối đất theo chiều dọc và mặt ngang
trục cơng trình ngầm tại điểm có độ lún bề mặt lớn nhất.

Hình 1.1: Sơ đồ phát triển các khối chuyển dịch trong các mặt cắt ngang a)


10

và dọc b) chính; biểu đồ độ nghiêng và đường cong c)
Các yếu tố tự nhiên và nhân tạo có ảnh hưởng lên cường độ của quá trình
chuyển vị và biến dạng khối đất và mặt đất là:
- Các điều kiện địa chất và thủy văn.
- Đặc điểm của quy hoạch và xây dựng khu vực đô thị.
- Sự tồn tại của các mạng kỹ thuật và cơng trình ngầm.
- Hình dạng và kích thước của cơng trình ngầm đang xây dựng và độ sâu chôn
ngầm.
- Các giải pháp cấu tạo và quy hoạch không gian.
- Sự tổ chức và cơng nghệ xây dựng cơng trình ngầm…
Các yếu tố tự nhiên quan trọng nhất là các yếu tố địa chất và địa chất thủy văn.
Phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất, đặc điểm thế nằm của chúng, chế độ nước ngầm,
sự chuyển vị và biến dạng mặt đất được xuất hiện theo nhiều cách khác nhau. Ví dụ,
trong đất ẩm khơng dính, sự phát triển chuyển vị và biến dạng xảy ra rất nhanh trong
vòng vài ngày đêm, trong đó các giá trị độ lún có thể rất lớn. Trong các đất sét do lực
dính của chúng, quá trình chuyển vị và biến dạng xảy ra chậm hơn, còn giá trị độ lún
xảy ra nhỏ hơn nhiều so với trong đất rời. Trong đất sét dẻo, độ lún được tăng dần

trong thời gian một số tháng (trong đó xuất hiện độ lún bổ sung, gây nên do chảy dẻo
của đất sét), còn sự tắt lún kéo rất dài theo thời gian đơi khi trong vịng ≥ 2-3 năm.


11

Hình 1.2: Biểu đồ phân bố độ lún ở đất cát (a) và đất sét ( δ )
Trong các đất đá, nửa đá đồng nhất có kết cấu nguyên dạng, theo ngun tắc là
rất nhỏ, có thể khơng cần tính đến. Tuy nhiên trong các đất đá có vết nứt và bị phá
hoại, chuyển vị và biến dạng có thể xảy ra rất mạnh.
Trong các đất hỗn hợp, chuyển vị và biến dạng của mặt đất được xác định chủ
yếu bằng các điều kiện thế nằm của chúng. Ví dụ, nếu trực tiếp trên hầm đào tồn tại đất
cứng nhưng bị phá hoại, cịn trên đó là đất yếu hơn, thì sự chuyển vị mạnh của đất
cứng sẽ được mềm hóa bằng khối đất yếu hơn, chuyển vị và biến dạng của mặt đất sẽ
khá mềm mại.
Ảnh hưởng đặc điểm quy hoạch và xây dựng của khu vục đô thị cũng như đặc
điểm các mạng cơng trình ngầm hoặc các cơng trình ngầm khác đến q trình chuyển
vị mặt đất trên cơng trình ngầm đang xây dựng dẫn đến sự phá hoại ban đầu của khối
đất. Chuyển vị và biến dạng đó có thể chồng lên chuyển vị và biến dạng gây nên do mở
hầm ngầm. Tăng kích thước mặt cắt ngang của hầm đào ngầm trong cùng một điều
kiện địa chất cơng trình dẫn đến tăng cường độ chuyển vị và biến dạng mặt đất do tăng
giới hạn khối chuyển dịch và giá trị lún trong đó.


12

Độ sâu đặt cơng trình ngầm trực tiếp ảnh hưởng đến sự phát triển chuyển vị và
biến dạng mặt đất. Khi cơng trình ngầm đặt nơng, khối đất trên chúng theo ngun tắc
có khả năng chịu lực khơng lớn, do đó độ lún mặt đất xuất hiện nhanh và giá trị của
chúng tăng với việc giảm chiều sâu chôn ngầm. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ rõ

rằng giảm chiều sâu chôn ngầm của tuyến ngầm từ 0.75D đến 0.25D (D là đường kính
đường ngầm) dẫn đến tăng độ lún bề mặt khoảng 3.7 lần. Quan hệ giữa độ lún mặt đất
lớn nhất và chiều sâu đặt đường ngầm thể hiện trên hình sau:

Hình 1.3: Quan hệ thực nghiệm giữa độ lún cực đại η m
và độ sâu tương đối của đường ngầm H/D
Khi các cơng trình ngầm đặt sâu, sẽ có bức tranh ngược lại: Giá trị chuyển vị và
biến dạng tăng gần tỉ lệ với việc tăng chiều sâu chơn ngầm. Điều đó được giải thích
bằng việc tăng vùng đất phá hoại và các vùng của khối đất làm việc đồng thời với vỏ
của hầm. Trong đó, tốc độ lún giảm gần tỉ lệ thuận với chiều sâu, cịn độ dài q trình
chuyển vị và biến dạng mặt đất tăng lên.
Loại kết cấu cơng trình ngầm cũng ảnh hưởng lên chuyển vị và biến dạng mặt
đất. Ví dụ, nếu trong đất yếu không ổn định sử dụng vỏ hầm khơng đủ cứng thì biến


13

dạng của nó có thể gây nên chuyển dịch của khối đất và kéo theo sự chuyển vị và biến
dạng mặt đất bổ sung. Trong đất chặt có tính đàn hồi, sử dụng vỏ hầm mềm lắp ghép
ép vào đất hoặc nén toàn khối cho phép ngăn ngừa sự phá hoại của khối đất, giảm
chuyển vị và biến dạng của mặt đất.
Về giá trị độ lún định hướng của mặt đất có thể luận giải theo số liệu thí nghiệm
mở hầm bằng khiên đường tàu điện ngầm Matxcơva đường kính 5.5m tại độ sâu 3-10m
so với mặt đất trong đất rời và đất dính. Xử lý thống kê các kết quả đo thực tế trên
1300 mốc đã nhận được đường cong phân bố độ lún cuối cùng. Độ lún lớn nhất trên
trục đường hầm đo được thay đổi từ 70 đến 200mm, còn chiều dài khối lún từ 15 đến
hơn 30m, trong đó theo ngun tắc, phần chính của lún xuất hiện trong khoảng thời
gian 2-3 ngày đêm sau khi mở hầm bằng khiên đào qua mặt cắt cho trước. Thời gian ổn
định toàn bộ độ lún trong vùng ảnh hưởng của đường hầm kéo dài khoảng 5-6 tháng,
cịn ngồi giới hạn vùng đó là 2-3 năm.

Cường độ phát triển chuyển vị và biến dạng phụ thuộc rất nhiều vào tính chất
của đất và tốc độ mở hầm. Theo số liệu thí nghiệm mở hầm bằng khiên cho đường tàu
điện ngầm Matxcơva, tốc độ lún mặt đất lớn nhất trong đất cát là 80-100, trong đất sét
là 12-20, còn trong đất hỗn hợp là 15-50mm/ngày đêm, trong đó chúng được giảm
xuống khi tăng tốc độ mở hầm. Thời gian chu kỳ mặt đất lún mạnh nhất trong đất cát là
5-15, trong đất sét là 15-20, còn trong đất hỗn hợp là 10-25mm/ngày đêm.
Sự xuất hiện chuyển vị hoặc biến dạng mặt đất khi mở hầm bằng khiên đào
trong đất yếu do những nguyên nhân chính sau đây: dỡ đất trong gương của khiên; lấp
không kịp thời và không đảm bảo chất lượng các khe hở thi công; biến dạng vỏ đuôi
khiên và vỏ thân đường hầm.
Các khối lồi đất trong gương của khiên đào thường xuyên xuất hiện khi mở hầm
bằng các khiên khơng cơ giới hóa trong đất yếu do hệ chống mái và mặt gương không
đủ, cũng như khi lệch khiên khỏi vị trí thiết kế, đặc biệt trên tuyến cong, nơi thực tế tất
yếu tồn tại khối lượng dư của đất theo chu tuyến hầm. Khối lồi của đất trong gương


14

của khiên cũng có thể có khi thu dọn các đất hòn lớn hoặc trong đoạn ngắt quãng của
nước ngầm. Khi di chuyển, các khiên “nhấc lên”. Để tách khỏi sự “bám dính” trong đất
yếu, gây ra “sự trồi lên” của đất trước khiên và mặt đất bị nâng lên.
Khi giảm hoặc loại bỏ khối đất lồi trong gương khiên, nguyên nhân lún chính
của khối đất là sự tồn tại các khe hở giữa vỏ hầm và chu tuyến hầm đào trên đoạn vỏ
đuôi của khiên. Bịt các khe hở đó khơng kịp thời và khơng chất lượng dẫn đến sụt
nhanh khối đất lên vỏ hầm, gây nên chuyển vị và biến dạng của mặt đất.
Khi xây dựng đường ngầm đặt nơng bằng phương pháp kích đẩy do cắt khối
lượng đất bằng phần dao, chuyển vị và biến dạng ngang của mặt đất trong giới hạn
khối trượt được tạo nên chủ yếu do lượng dư và phần lồi của đất cả khi xây dựng tường
chắn cố định cho đường hầm cũng như khi mở hầm sử dụng hệ chống di động. Điều đó
dẫn đến biến dạng và hư hỏng những nhà, mà móng của chúng nằm trong giới hạn ảnh

hưởng của cơng trình ngầm. Sử dụng trong các trường hợp này phương pháp đào hào
với công nghệ “tường trong đất” về nguyên tắc đảm bảo an toàn cho những nhà lân cận
không cần biện pháp bảo vệ nào. [8]
1.4. Quy luật và nguyên nhân lún xuống của mặt đất [15]
1.4.1. Quy luật lún xuống của mặt đất
Khi thi công hầm trong đất yếu bằng phương pháp khiên đào TBM sẽ làm cho
mặt đất bị lún xuống và đường hầm lún sụt trong giai đoạn thi công và giai đoạn vận
doanh. Biến dạng của mặt đất sản sinh dọc trục đường hầm có thể chia làm 3 giai đoạn:
mặt đất gồ lên và lún xuống trước khiên, lún xuống khi thi công và lún xuống do cố
kết.


15

Hình 1.4: Quy luật biến dạng chung của mặt đất
Khi khối đất phía trước khiên bị dồn ép, mặt đất phía trước khiên có gồ lên chút
ít. Nhưng khi khối đất tại mặt đào không được che chống đầy đủ, khối đất phía trước
khiên phát sinh di động xuống dưới và hướng ra phía sau, do đó làm cho mặt đất lún
xuống.
Khi khiên được đẩy lên, khối đất hai bên khiên di động di động ra phía ngồi và
khi vỏ hầm đã thốt ly đi khiên, do có khe hở thi cơng giữa vách ngồi vỏ hầm và
vách đất, mặt đất sẽ có một lượng lún khá lớn và tốc độ lún cũng rất lớn, đồng thời
khối đất hai bên hầm lại di động hướng vào trung tâm đường hầm. Độ lún trong giai
đoạn đó là độ lún thi cơng, thường hoàn thành trong 1-2 tháng.
Do khối đất xung quanh đường hầm bị xáo động trong q trình thi cơng, áp lực
nước lỗ rỗng dâng cao, sau đó tùy theo áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán, địa tầng sẽ phát
sinh lún do cố kết chính. Sau khi áp lực nước lỗ rỗng có xu hướng đi dần vào ổn định,
bộ khung của khối đất vẫn sẽ từ biến, tức là cố kết thứ sinh làm cho địa tầng lún xuống.
Độ lún mặt đất liên quan mật thiết với điều kiện thi cơng và điều kiện mặt đất.
Sai sót trong thi công luôn luôn dẫn đến các độ lún mặt đất nhiều hay ít, như: che

chống chính diện của khiên, mức độ bịt chặt mặt đào của khiên, che chống có kịp thời
hay khơng, việc phun vữa bịt khe hở đằng sau đi khiên có kịp thời hay khơng… đều
có thể dẫn đến sai khác nhau về độ lún. Nhưng trong cùng điều kiện thi công nhất định,


16

do điều kiện địa chất khác nhau, mà gây ra độ lún chênh lệch nhau, tình trạng này
khơng thể có cách gì đảo ngược được trước lúc thi cơng, thì có thể cho rằng điều kiện
địa chất là nguyên nhân chính gây ra lún sụt.
Ví dụ: khi dùng khiên dùng khiên thi cơng trong đất sét mềm và bão hịa đầu tiên
sẽ sản sinh độ lún thi công tương đối lớn, khi áp lực che chống mặt đào nhỏ hơn áp lực
bên nguyên thủy, khối đất mặt đào sẽ phát sinh lưu động dẻo vào trong khiên. Đất sét
mềm và bão hịa tuy khơng dễ bong rời như đất sét hạt nhưng đặc tính lưu động dẻo
gặp điều kiện thi công khiên không thỏa đáng, sẽ làm cho mặt đất sinh ra một phạm vi
lún và lượng lún khá lớn. Do cường độ chống cắt của đất sét mềm và bão hịa tương
đối thấp, khi thi cơng bằng khiên ứng suất biến dạng và chuyển vị của khối đất bị xáo
động có thể đủ để phá hoại cường độ chống cắt của đất, do đó hình thành một khu dẻo
trong một phạm vi nhất định xung quanh đường hầm.
Khi khu dẻo tương đối lớn, sẽ sản sinh độ lún tái cố kết khá lớn, và thời gian ổn
định cũng tương đối dài, vả lại độ lún tái cố kết lại có thể làm cho phạm vi độ lún thi
cơng mở rộng ra. Do đặc tính cố kết của đất sét mềm và bão hòa sau khi bị xáo động,
khi người ta xây dựng một đường hầm thứ hai ở bên cạnh một đường hầm thứ nhất vừa
xây xong, thì độ lún mặt đất của đường hầm thứ hai sẽ lớn hơn so với độ lún mặt đất
của đường hầm thứ nhất, và sau khi thi công xong cả hai đường hầm thì đường trung
tâm của rãnh lún trên mặt đất gây ra giữa hai đường hầm sẽ không đối xứng. Phạm vi
lún và lượng lún phía đường hầm thứ nhất đều khá lớn.

Hình 1.5: Sơ đồ lún theo mặt cắt ngang khi thi công bằng khiên
a) Một khiên; b) Hai tuyến khiên

1- Khiên được đẩy trước; 2- Khiên thi công sau; 3- Địa tầng tốt; 4- Địa tầng bị xáo