Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qia đô thị phù hợp với khu vực tp hồ chí minh

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

PHẠM MINH TIẾN

NGHIÊN CỨU
TÍNH TỐN VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG
HẦM GIAO THÔNG QUA ĐÔ THỊ PHÙ HỢP
VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM
CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ
MÃ SỐ NGÀNH

: 60 58 30

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2007


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 . . . . . tháng . . . . . năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: PHẠM MINH TIN

Gii tớnh : Nam ỵ/ N

Ngy, thỏng, nm sinh : 16/04/1979

Nơi sinh : Hà Tây

Chuyên ngành : Xây dựng đường ô tô và đường thành phố (Mã số : 60 58 30)
Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005
1- TÊN ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN VÀ BIỆN PHÁP THI CƠNG HẦM GIAO THÔNG
QUA ĐÔ THỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM”
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

“Nghiên cứu tính tốn và biện pháp thi công hầm giao thông qua đô thị phù hợp
với điều kiện khu vực Tp.HCM” với các nội dung chính như sau:
Chương 1. Tổng quan về cơng trình ngầm giao thơng đơ thị, các biện pháp thi cơng
cơng trình ngầm trên thế giới và ở Việt Nam
Chương 2. Phân vùng địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh.
Chương 3. Sự làm việc của hầm trong môi trường đất
Chương 4. Các phương pháp tính tốn cơng trình hầm.
Chương 5. Các phương pháp thi cơng cơng trình ngầm phù hợp với điều kiện của khu
vực nghiên cứu
Chương 6. Một số vấn đề cần giải quyết khi xây dựng cơng trình hầm trong điều kiện
đơ thị thành phố Hồ Chí Minh
Phần kết luận và kiến nghị
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/02/2007
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/11/2007
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS. LÊ VĂN NAM
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


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

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS. TS. LÊ VĂN NAM

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 . . . . . .


LỜI CẢM ƠN
Luận văn “Nghiên cứu tính tốn và biện pháp thi công hầm giao thông qua
đô thị phù hợp với điều kiện khu vực Tp.HCM” được thực hiện từ tháng 02/2007
đến tháng 11/2007 với mục đích nghiên cứu đưa ra phương pháp tính tốn, thi cơng
hầm giao thơng bằng phương pháp phù hợp. Đề tài cũng đưa ra những lý thuyết để
chọn chiều sâu đặt hầm, ảnh hưởng của cơng trình lân cận,… Luận văn cũng đưa ra
ví dụ tính tốn tham khảo cho đoạn tuyến metro tại Thành phố Hồ Chí Minh với địa
chất đã được khảo sát.

Tơi xin trân trọng cảm ơn Thầy PGS. TS. Lê Văn Nam đã giúp đỡ, tận tình
hướng dẫn và cung cấp các thơng tin cần thiết để tơi hồn thành luận văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của TS. Phùng Mạnh Tiến, là người
thầy và cũng là đồng nghiệp, đã có góp ý, hướng dẫn và tạo điều kiện cho tơi hồn
thành tốt luận văn này. Tơi cũng xin cảm ơn thầy TS. Trịnh Văn Chính đã cung cấp
tài liệu và có những góp ý hữu ích trong q trình thực hiện luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Bộ môn Cầu đường và
Khoa Sau Đại học của Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, các
bạn trong lớp CĐ K2005, các đồng nghiệp đã giúp tôi trong suốt thời gian học tập
và thực hiện luận văn để có thể thực hiện tốt đề tài.
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 cô giáo, bạn bè và đồng
nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Minh Tiến


TĨM TẮT
ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG HẦM GIAO
THÔNG QUA ĐÔ THỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM”

Giới thiệu chung
Xác định mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu
luận văn, nêu được ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận văn.
Chương 1. Tổng quan về cơng trình ngầm, các biện pháp thi cơng cơng trình
ngầm trên thế giới và ở Việt Nam

Nêu tổng quan về các công trình ngầm theo lịch sử phát triển trên thế giới
cũng như tại Việt Nam. Sơ bộ các phương pháp tính tốn cũng như các phương
pháp thi cơng đường hầm phổ biến trên thế giới hiện nay. Luận văn chú trọng vào
khu vực có địa chất yếu qua đơ thị nên có những nhận xét tổng quan và u cầu khi
tính tốn, thi cơng đường hầm qua khu vực đặc trưng này.
Chương 2. Đặc điểm địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh
Dựa trên số liệu địa chất của các dự án lớn, có đủ số liệu thí nghiệm của các
dự án đang triển khai trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh để tổng hợp và có cái
nhìn tổng quan về địa chất của khu vực. Qua đó lựa chọn địa chất đặc trưng và có
nhận xét, kiến nghị một số lưu ý khi xây dựng hầm qua khu vực địa chất này.
Chương 3. Sự làm việc của hầm trong mơi trường đất
Nghiên cứu các đặc tính cơ bản của đất để từ đó xác định được cơ chế tác
dụng của áp lực địa tầng lên cơng trình ngầm. Từ đó cũng thấy được ứng xử của đất
- kết cấu tùy theo loại đất sẽ quyết định hình dáng, kích thước hầm. Ngồi ra việc
xác định các tổ hợp tải trọng cũng có ý nghĩa quan trọng đảm bảo cơng trình ổn
định và an tồn trong q trình thi công và khai thác.


Chương 4. Các phương pháp tính tốn cơng trình hầm.
Nghiên cứu các phương pháp tính tốn cơng trình ngầm theo các phương
pháp chính là phương pháp lực, phương pháp biến dạng, phương pháp phần tử hữu
hạn, … Từ đó rút ra phương pháp tính và mơ hình tính tốn hợp lý với điều kiện địa
chất yếu để áp dụng cho phù hợp.

Chương 5. Phương pháp thi cơng cơng trình ngầm phù hợp với điều kiện của
khu vực nghiên cứu
Với địa chất yếu, khơng có điều kiện đào hở thì phương pháp đào kín bằng
khiên đào là phù hợp nhất. Chương này tìm hiểu kỹ về phương pháp khiên đào từ
khi phát minh cho đến nay, từ đơn giản đến phức tạp. Nghiên cứu nguyên lý hoạt
động của các loại khiên đào hiện đại như phương pháp khiên cân bằng áp lực đất,

khiên cân bằng áp lực vữa, khiên bọt khí, khiên đa mặt, khiên nhiều trục, khiên mặt
cắt tự do, khiên hình cầu… cùng với đặc điểm cũng như phạm vi áp dụng thích hợp
của chúng để có thể áp dụng vào từng điều kiện cụ thể hợp lý nhất. Sự đa dạng của
khiên cho phép giải quyết các vấn đề thi công hầm gần như không hạn chế.

Chương 6. Một số vấn đề cần giải quyết khi xây dựng cơng trình hầm trong
điều kiện đơ thị thành phố Hồ Chí Minh
Do cơng trình ngầm đi qua khu vực địa chất yếu trong điều kiện đô thị đông
đúc nên để đảm bảo thi cơng và khai thác an tồn cho cơng trình ngầm cũng như
các cơng trình lân cận thì cần phải giải quyết một số bài toán thực tế.
Các bài toán cơ bản đặt ra la các bài toán tìm chiều sâu đặt hầm hợp lý, tính
tốn ảnh hưởng của hầm đến các cơng trình ngầm cũng như các cơng trình trên mặt
đất lân cận. Từ đó xác định được phạm vi an toàn và mức độ ảnh hưởng lên các
cơng trình để có các biện pháp xử lý thích hợp.

Chương 7. Kết luận và kiến nghị


MỤC LỤC
Chương 1.

TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH NGẦM, CÁC PHƯƠNG
PHÁP THI CƠNG CƠNG TRÌNH NGẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ
Ở VIỆT NAM .................................................................................. 3

1.1

TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH NGẦM ............................................... 3

1.2

CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN TÍNH TỐN ĐƯỜNG HẦM ............... 9

1.3

CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM.................. 9

1.3.1

Phương pháp mỏ (phương pháp khoan nổ) ..................................... 10

1.3.2

Phương pháp dùng máy đào các loại thích hợp với thi cơng đường

hầm trên núi, thi công đường hầm nông và trong đất mềm............................. 11
Phương pháp đào lộ thiên là phương pháp thi công đường hầm nông

1.3.3

và trong đất mềm ........................................................................................... 11
Phương pháp tường liên tục dưới đất thi công hầm trong đất mềm yếu

1.3.4

........................................................................................................ 11
1.3.5

Phương pháp khiên.......................................................................... 11

1.3.6

Phương pháp hạ chìm...................................................................... 11

1.3.7

Đánh giá và đề xuất phương án....................................................... 12
CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM GIAO THƠNG ĐƠ THỊ

1.4

KHU VỰC TP.HCM................................................................................13
1.4.1

Bối cảnh .......................................................................................... 13

1.4.2

Đặc điểm cơng trình ngầm đơ thị..................................................... 13

Chương 2.

ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC TP.HCM ............................ 16

2.1

Thống kê số liệu địa chất..........................................................................16

2.2

Đặc điểm địa chất.....................................................................................17

2.3

Lựa chọn các thông số đặc trưng dùng tính tốn .......................................24

2.4

Một số lưu ý .............................................................................................25

2.4.1

Cát có thể chảy lỏng........................................................................ 25

2.4.2

Khả năng ăn mịn bê tơng của nước ngầm ....................................... 25


Chương 3.

SỰ LÀM VIỆC CỦA HẦM TRONG ........................................... 26

MÔI TRƯỜNG ĐẤT.......................................................................................... 26
3.1

Các đặc tính cơ bản của đất ......................................................................26

3.1.1

Đất đá và các tính chất cơ bản của nền đất yếu............................... 26

3.1.1.1 Biến dạng của đất đá ................................................................... 26
3.1.1.2 Độ bền của đất đá........................................................................ 27
3.1.1.3 Tính lưu biến của đất đá .............................................................. 29
3.1.1.4 Hệ số kiên cố ............................................................................... 30
3.1.2

Nền đất yếu ..................................................................................... 32

3.1.2.1 Các tính chất của nền đất yếu ...................................................... 32
3.2

Điều kiện địa chất, thuỷ văn ảnh hưởng đến công trình ngầm ...................33

3.3

Áp lực địa tầng lên cơng trình ngầm .........................................................34

3.4

Ứng xử đất – kết cấu của đất xung quanh đường hầm...............................36

3.4.1

Sự phân bố ứng suất trong đất nền xung quanh hầm ....................... 36

3.4.2

Các phương pháp xác định áp lực địa tầng...................................... 41

3.4.2.1 Tính tốn áp lực địa tầng theo quan điểm mơi trường phân tán ... 42
3.4.2.2 Tính tốn áp lực ngang ................................................................ 48
3.4.2.3 Tính tốn phản lực đáy hầm......................................................... 49
3.5

Tải trọng tác dụng lên đường hầm ............................................................51

Chương 4.

CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN........................................... 53

CƠNG TRÌNH NGẦM ....................................................................................... 53
4.1

Các phương pháp lực ...............................................................................53

4.1.1

Phương pháp SN.Naumov................................................................ 53

4.1.2

Phương pháp G.G. Zurabov ............................................................ 53

4.1.3

Phương pháp thay thế bằng hệ thanh .............................................. 54

4.1.4

Phương pháp S.A. Orlov.................................................................. 54

4.1.5

Phương pháp S.S. Đavưđov ............................................................. 54

4.1.6

Phương pháp I.A. Malikova............................................................. 55

4.2

Các phương pháp biến dạng ....................................................................55


4.2.1

Phương pháp Ya. Bialer .................................................................. 56

4.2.2

Phương pháp K.V.Ruppenneyt,V.A. Lutkin, A.N. Dranovxki ............ 56

4.2.3

Phương pháp B.G. Galerkin ............................................................ 56

4.2.4

Phương pháp M.M. Protodiakonov.................................................. 56

4.3

Phương pháp phần tử hữu hạn .................................................................57

4.3.1

Khái niệm chung về phương pháp PTHH ........................................ 57

4.3.2

Phương pháp PTHH trong tính tốn cơng trình ngầm ..................... 59

4.3.2.1 Các mơ hình tính.......................................................................... 59
4.3.2.2 Các dạng phần tử......................................................................... 59
4.3.2.3 Nguyên tắc chia lưới phần tử ....................................................... 67
4.3.2.4 Các dạng mơ hình nền ................................................................. 68
4.3.3
4.4

Giới thiệu một số phần mềm tính tốn sử dụng phương pháp PTHH 71

Phương pháp phần tử rời rạc.....................................................................71
Các phương pháp tính tốn thiết kế đường hầm phù hợp đối với địa chất

4.5

mềm yếu...................................................................................................72
4.5.1

Tính tốn kết cấu hầm theo phương pháp thay thế bằng hệ thanh.... 73

4.5.2

Tính tốn kết cấu cơng trình hầm dạng vịm hình n ngựa ............. 76

4.5.3

Tính tốn kết cấu cơng trình hầm dạng trịn .................................... 77

Chương 5.

PHƯƠNG PHÁP THI CƠNG CƠNG TRÌNH NGẦM PHÙ HỢP
VỚI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ................................................... 79

Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với khu vực địa chất

5.1

mềm yếu...................................................................................................79
5.2

Biện pháp thi công hầm bằng phương pháp khiên đào ..............................80

5.2.1

Lịch sử phát triển hầm theo phương pháp khiên (shield) ................. 80

5.2.2

Cấu tạo, phân loại khiên đào........................................................... 86

5.2.2.1 Cấu tạo của khiên ........................................................................ 86
5.2.2.2 Phân loại khiên............................................................................ 90
5.2.2.3 Căn cứ chọn loại khiên ................................................................ 92
5.2.3

Nguyên lý cơ bản của thi công hầm bằng khiên đào ........................ 93


5.2.3.2 Máy đào và phương pháp thi công khiên cân bằng áp lực đất (Earth
Pressure Balanced Shield – EPB Shield).................................................... 95
5.2.3.3 Máy đào và phương pháp thi công khiên dung dịch vữa (Slurry
Shield)
5.2.4

.................................................................................................... 97

Các phương pháp mới thi công bằng khiên đào..............................100

5.2.4.1 Phương pháp khiên đa mặt MF (Multi Face) .............................100
5.2.4.2 Phương pháp khiên nhiều trục lệch tâm DPLEX (Developing
Parallel Link EXcavating shield Method)..................................................102
5.2.4.3 Phương pháp khiên mặt cắt tự do................................................104
5.2.4.4 Phương pháp khiên hình cầu.......................................................106
5.2.4.5 Phương pháp khiên MSD (Mechanical Shield Docking)..............109
5.2.4.6 Phương pháp khiên MMST (Multi Micro Shield Tunnel).............110
5.2.4.7 Phương pháp khiên bọt khí .........................................................111
5.2.4.8 Phương pháp khiên CPS (Chemical Plug Shield)........................113

5.2.4.9 Phương pháp khiên DOT (Double O Tube).................................114
5.2.4.10 Phương pháp khiên H & V .........................................................115
5.2.4.11 Phương pháp khiên mở rộng cục bộ ...........................................118
5.2.5

Ưu khuyết điểm của biện pháp thi công hầm bằng khiên đào..........119

5.2.5.1 Ưu điểm của thi công đường hầm theo phương pháp khiên.........119
5.2.5.2 Khuyết điểm của thi công đường hầm theo phương pháp khiên...120

Chương 6.

MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT KHI XÂY DỰNG CƠNG
TRÌNH NGẦM TRONG ĐIỀU KIỆN TP. HỒ CHÍ MINH ......121

6.1

Tính tốn đường hầm có xét ảnh hưởng của các cơng trình lân cận ........121

6.1.1

Cấu tạo đường hầm trong đất yếu ..................................................121

6.1.1.1 Bố trí chung của đường hầm ......................................................121
6.1.1.2 Mặt cắt ngang đường hầm trong nền đất yếu ..............................122
6.1.1.3 Kích thước mặt cắt ngang đường hầm trong nền đất yếu ............122
6.1.2

Bài toán 1: Xác định độ sâu đặt hầm hợp lý ...................................125

6.1.3

Bài toán 2: Ảnh hưởng của 2 đường hầm lân cận nhau ..................130


6.1.3.1 Bài toán biến thiên khoảng cách theo phương ngang ..................130
6.1.3.2 Bài toán biến thiên khoảng cách theo phương đứng....................134
6.1.4

Bài tốn 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của cơng trình trên mặt đất xuống

cơng trình ngầm............................................................................................138

Chương 7.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................143

7.1

Kết luận..................................................................................................143

7.2

Kiến nghị................................................................................................144


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Phân loại hầm ở Việt Nam theo tiêu chí kiểu/loại hầm ............................. 5
Bảng 2.1 Đặc tính địa chất cơng trình của lớp A ................................................... 18
Bảng 2.2 Đặc tính địa chất cơng trình của lớp B ................................................... 19

Bảng 2.3 Đặc tính địa chất cơng trình của lớp C ................................................... 20
Bảng 2.4 Đặc tính địa chất cơng trình của lớp D ................................................... 22
Bảng 2.5 Đặc tính địa chất cơng trình của lớp E.................................................... 23
Bảng 3.1 Phân loại đất đá theo M.M.PROTODIAKONOV .................................. 31
Bảng 3.2 Bảng tra hệ số ứng suất tập trung .......................................................... 40
Bảng 3.3 Bảng phân loại tải trọng tác dụng lên hầm.............................................. 51
Bảng 5.1 Một số đường hầm xây dựng trên thế giới bằng phương pháp khiên đào 85
Bảng 5.2 Bảng phân loại khiên áp dụng trong các địa tầng thích ứng .................... 91
Bảng 6.1 Bảng quan hệ hệ số kiên cố – bề dày vịm .............................................123
Bảng 6.2 Thơng số đất nền...................................................................................124
Bảng 6.3 Thơng số vật liệu vỏ hầm ......................................................................125
Bảng 6.4 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị và nội lực hầm theo chiều sâu chôn hầm
............................................................................................................................127
Bảng 6.5 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị và nội lực hầm trên hầm 1 theo khoảng
cách xây dựng hầm 2 ...........................................................................................131
Bảng 6.6 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị và nội lực hầm trên hầm 1 theo khoảng
cách xây dựng hầm 2 ...........................................................................................135
Bảng 6.7 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị theo khoảng cách B..........................140


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Hầm khai thác mỏ Excelsior (Anh)........................................................... 6
Hình 1.2 Metro Columbia Heights (Mỹ) ................................................................. 6
Hình 1.3 Đường hầm The Second Heinenoord ........................................................ 7
Hình 1.4 Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân (Việt Nam)............................................ 7
Hình 1.5 Hầm chui Tân Tạo cắt ngang QL1A (Việt Nam) ...................................... 8
Hình 1.6 Hầm treo nổi trong nước........................................................................... 8
Hình 2.1 Bình đồ tuyến metro Bến Thành – Suối Tiên...........................................16
Hình 2.2 Bình đồ tuyến Đại lộ Đơng - Tây.............................................................17
Hình 2.3 Bản đồ địa chất khu vực Tp.HCM ...........................................................24

Hình 3.1 Vịng trịn Mohr.......................................................................................28
Hình 3.2 Biến dạng của đất đá theo thời gian. ........................................................29
Hình 3.3 Sự phân bố ứng suất đất đá xung quanh hầm ...........................................37
Hình 3.4 Áp lực thẳng đứng trường hợp đào thẳng đứng........................................43
Hình 3.5 Áp lực thẳng đứng trường hợp đào thành nghiêng ...................................44
Hình 3.6 Vịm cân bằng áp lực...............................................................................46
Hình 3.7 Sơ đồ xác định kích thước vịm cân bằng.................................................46
Hình 3.8 Sơ đồ xác định áp lực thẳng đứng và áp lực ngang ..................................48
Hình 3.9 Sơ đồ xác định áp lực đẩy trồi .................................................................50
Hình 3.10 Sự phân bố áp lực đáy ...........................................................................50
Hình 4.1 Sơ đồ tính tốn kết cấu ngầm dạng vịm hình yên ngựa ...........................54
Hình 4.2 Phần tử thanh 2 nút..................................................................................60
Hình 4.3 Phần tử thanh 3 nút..................................................................................60
Hình 4.4 Phần tử dầm 2 nút....................................................................................60
Hình 4.5 Phần tử dầm 3 nút....................................................................................60
Hình 4.6 Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 1............................................63
Hình 4.7 Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 2............................................63
Hình 4.8 Phần tử tam giác biến dạng khối loại 1 ....................................................63
Hình 4.9 Phần tử tam giác biến dạng khối loại 2 ....................................................63


Hình 4.10 Phần tử tứ giác biến dạng tuyến tính......................................................64
Hình 4.11 Phần tử tứ giác biến dạng khối...............................................................64
Hình 4.12 Phần tử khối biến dạng tuyến tính loại 1................................................64
Hình 4.13 Phần tử khối biến dạng tuyến tính loại 2................................................64
Hình 4.14 Mơ hình phần tử tiếp xúc phẳng của Goodman......................................65
Hình 4.15 Mơ hình phần tử tiếp xúc khơng gian của Goodman ..............................66
Hình 4.16 Quan hệ ƯS-BD của mơ hình đàn dẻo lý tưởng.....................................69
Hình 4.17 Tính tốn hầm theo phương pháp thay thế bằng hệ thanh ......................74
Hình 4.18 Sơ đồ tính tốn kết cấu ngầm dạng vịm hình n ngựa .........................76

Hình 4.19 Sơ đồ chịu lực và hệ cơ bản để tính hầm dạng hình trịn ........................77
Hình 5.1 Khiên bản quyền của Brunel (1860) ........................................................80
Hình 5.2 Phương pháp khiên đào áp dụng cho hầm qua sơng Thames (Anh) .........81
Hình 5.3 Kết cấu khiên dùng vữa của Greathead....................................................82
Hình 5.4 Kết cấu khiên vữa Haag (1896) ...............................................................83
Hình 5.5 Khiên cân bằng áp lực đất của cơng ty Sato Kogyo Nhật Bản..................83
Hình 5.6 Sơ đồ cấu tạo cơ bản của khiên................................................................86
Hình 5.7 Vành miệng cắt .......................................................................................87
Hình 5.8 Thiết bị bịt kín sau đi khiên .................................................................88
Hình 5.9 Thiết bị bịt kín 3 cấp sau đi khiên ........................................................88
Hình 5.10 Máy lắp ráp hình vành trịn....................................................................89
Hình 5.11 Máy hình trịn xoay ...............................................................................89
Hình 5.12 Phương pháp thi cơng hầm bằng khiên đào............................................93
Hình 5.13 Một giếng đứng để thi cơng hầm bằng khiên ở Barcelona......................94
Hình 5.14 Hình 5.9. Cơng nghệ thi cơng đường hầm trong nền đất yếu..................94
Hình 5.15 Sơ đồ hệ thống thi công bằng khiên cân bằng áp lực đất ........................95
Hình 5.16 Sơ đồ cấu tạo của khiên cân bằng áp lực đất ..........................................95
Hình 5.17 Sơ đồ cấu tạo của khiên cân bằng áp lực đất (3D)..................................95
Hình 5.18 Sơ đồ cấu tạo của khiên dung dịch vữa ..................................................97
Hình 5.19 Sơ đồ hệ thống thi công bằng khiên dung dịch vữa................................99
Hình 5.20 Khiên MF............................................................................................101


Hình 5.21 Đường hầm Kyobashi..........................................................................101
Hình 5.22 Nhà ga Osaka Business Park ...............................................................102
Hình 5.23 Sơ đồ nguyên lý khiên nhiều trục lệch tâm ..........................................102
Hình 5.24 Khiên DPLEX hình chữ nhật 3.98x4.38m ...........................................103
Hình 5.25 Khiên DPLEX hình ovan, D=3.48m ....................................................103
Hình 5.26 Cấu tạo chung khiên mặt cắt tự do.......................................................104
Hình 5.27 Các hình dạng mặt cắt ngang hầm thi công bằng khiên mặt cắt tự do ..104

Hình 5.28 Khiên mặt cắt tự do .............................................................................105
Hình 5.29 Mặt cắt ngang đường hầm được thi cơng bằng khiên trên ....................105
Hình 5.30 Cấu tạo chung khiên hình cầu..............................................................106
Hình 5.31 Sơ đồ làm việc của khiên hình cầu đào liên tục kiểu dọc – ngang ........107
Hình 5.32 Khiên hình cầu đào cự ly dài có đường kính 9.45m .............................108
Hình 5.33 Sơ họa khiên MSD ..............................................................................109
Hình 5.34 Khiên MSD có đường kính 4.1m, tổng chiều dài 1515m (707m + 808m),
loại khiên dung dịch bùn. .....................................................................................110
Hình 5.35 Khiên MMST ......................................................................................111
Hình 5.36 Khiên bọt khí.......................................................................................112
Hình 5.37 Cấu tạo khiên bọt khí...........................................................................113
Hình 5.38 Sơ đồ cấu tạo khiên CPS .....................................................................114
Hình 5.39 Khiên DOT..........................................................................................115
Hình 5.40 Sơ đồ nguyên lý khiên H&V ...............................................................116
Hình 5.41 Khiên H&V .........................................................................................117
Hình 5.42 Sơ đồ ngun lý thi cơng mở rộng cục bộ............................................118
Hình 5.43 Thi cơng đường hầm theo phương pháp khiên không bị ảnh hưởng bởi
điều kiện tự nhiên ................................................................................................119
Hình 5.44 Hầm theo phương pháp khiên có thể bảo vệ tự nhiên trên mặt đất .......119
Hình 6.1 Mặt cắt ngang điển hình vỏ hầm............................................................124
Hình 6.2 Sơ đồ khối tính tốn kết cấu vỏ hầm......................................................126
Hình 6.3 Mơ hình bài tốn hầm đơn trong Plaxis ................................................126
Hình 6.4 Biểu đồ quan hệ độ sâu chôn hầm H – lực dọc Nmax ............................127


Hình 6.5 Biểu đồ quan hệ độ sâu chơn hầm H – moment Mmax ..........................128
Hình 6.6 Biểu đồ quan hệ độ sâu chơn hầm H – chuyển vị...................................128
Hình 6.7 Mơ hình bài tốn hầm đơi theo phương ngang trong Plaxis ...................130
Hình 6.8 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – Chuyển vị.................132
Hình 6.9 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – moment Mmax .........132

Hình 6.10 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – chuyển vị................132
Hình 6.11 Mơ hình bài tốn hầm đơi theo phương đứng trong Plaxis ...................134
Hình 6.12 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm đứng h – Chuyển vị .................136
Hình 6.13 Biểu đồ quan hệ cách tim hầm đứng h – moment Mmax......................136
Hình 6.14 Biểu đồ quan hệ cách tim hầm đứng h – chuyển vị ..............................136
Hình 6.15 Các điểm chảy dẻo trong nền tương ứng h=12m & h=15m..................138
Hình 6.16 Mơ hình bài tốn trong Plaxis với B=10m ...........................................139
Hình 6.17 Biến dạng sau cùng của hầm, đất nền và nhà với B=10m.....................140
Hình 6.18 Biểu đồ chuyển vị tại các vị trí ứng với khoảng cách B .......................141


-1-

GIỚI THIỆU CHUNG
I. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN
1. NHIỆM VỤ :

Từ đầu thế kỷ 19 đến nay, song song với việc đơ thị hóa, khối lượng xây dựng
nhà ở và cơng trình cơng cộng ngày càng tăng, sự liên tục phát triển mạng lưới giao
thông đường bộ, sự hình thành các cơng trình và cụm cơng trình cơng nghiệp mới,
các xí nghiệp… đang u cầu đơ thị dành riêng cho những khu đất lớn. Những khu
đất đó, đặc biệt tại những khu trung tâm nhằm đô thị, ngày càng khan hiếm. Việc
phát triển và sử dụng các không gian trên cao và không gian ngầm nhằm tăng quỹ
không gian đô thị, nâng cao năng lực lưu thông và vận chuyển hàng hóa, hành
khách… là một tất yếu khách quan.
Việc xây dựng cơng trình ngầm phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa chất và địa
hình của khu vực xây dựng nên việc áp dụng các biện pháp thi cơng cũng như tính
tốn mang tính khu vực. Để có phương pháp tính tốn và biện pháp thi cơng phù
hợp nhất với khu vực xây dựng thì cần phải có các nghiên cứu cụ thể. Do đó việc
nghiên cứu cách tính tốn và biện pháp thi cơng phù hợp với điều kiện địa hình, địa

chất là một việc làm cần thiết.
Theo số liệu thống kê năm 2005 [10], thành phố 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. Thông thường thành phố từ 1 triệu dân trở lên là
đã yêu cầu cần có giao thơng ngầm. Với quy mơ thành phố như hiện nay, việc xây
dựng hệ thống giao thông ngầm là thực sự cần thiết và cấp bách. Địa chất tại khu
vực thành phố Hồ Chí Minh là địa chất yếu có chiều dày khá lớn, ngồi ra cịn có
đặc điểm địa hình, nền móng cơng trình đặc thù. Do đó việc nghiên cứu để có
phương pháp tính tốn và biện pháp thi công phù hợp là việc làm hết sức cần thiết.
Nghiên cứu sẽ góp phần làm chính xác hóa các tính tốn phù hợp với điều kiện thực


-2-

tế và giảm thiểu chi phí xây dựng cơng trình, giảm thiểu nguy cơ xảy ra sự cố trong
quá trình thi công và khai thác là một yếu tố rất quan trọng trong việc xây dựng
cơng trình ngầm. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
Do đó việc “Nghiên cứu tính tốn và biện pháp thi cơng hầm giao thông qua
đô thị phù hợp với điều kiện khu vực Tp.HCM” cũng chính là nội dung của luận
văn tốt nghiệp thạc sỹ này.

2. NỘI DUNG LUẬN VĂN :
Chương 1. Tổng quan về cơng trình ngầm, các biện pháp thi cơng cơng trình ngầm
trên thế giới và ở Việt Nam
Chương 2. Đặc điểm địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh.
Chương 3. Sự làm việc của hầm trong mơi trường đất.
Chương 4. Các phương pháp tính tốn cơng trình hầm.
Chương 5. Các phương pháp thi cơng cơng trình ngầm phù hợp với điều kiện của

khu vực nghiên cứu
Chương 6. Một số vấn đề cần giải quyết khi xây dựng cơng trình hầm trong điều
kiện đơ thị thành phố Hồ Chí Minh
Chương 7. Kết luận và kiến nghị


-3-

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH NGẦM, CÁC
PHƯƠNG PHÁP THI CƠNG CƠNG TRÌNH
NGẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
1.1

TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH NGẦM
Hầm là cơng trình được xây dựng trong lịng đất hoặc dưới lịng sơng, biển. Hiện

nay việc sử dụng cơng trình hầm rất phổ biến trên thế giới trong nhiều lĩnh vực khác
nhau của nền kinh tế, tuỳ theo mục đích sử dụng, phạm vi và phương pháp xây
dựng ta có những loại hầm thích hợp.
Thời thượng cổ con người đã biết đào các hầm ngầm đặc biệt để khai thác quặng
mỏ và than đá. Người La Mã đã xây dựng các đường hầm ngầm thủy lợi đến nay
vẫn còn tốt. Gắn liền với sự phát triển, của thiết bị và phương tiện sản xuất, con
đường hầm hiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas qua kênh đào Midi dài 173m
được xây dựng ở Pháp vào năm 1679 – 1681. Đường hầm càng phát triển khi vận
chuyển đường sắt càng phát triển để vượt qua các chướng ngại vật như núi, đèo...
Vào thế kỉ XX ở các thủ đô lớn trên thế giới đã xây dựng mạng lưới tàu điện
ngầm đô thị hiện đại, đặc biệt là ở Maxcơva.
Một số đường hầm tiêu biểu trên thế giới qua các thời kỳ như sau:
• Năm 1826–1830 xây dựng đường hầm đường sắt dài 119m ở Anh.
• Năm 1935 xây dựng đường tàu điện ngầm ở Matxocova.

• Năm 1857–1871 xây dựng đường hầm Monxenis dài 12.8km nối Pháp và Ý
• Năm 1872 – 1882 đường hầm Xen–Gotan dài 14482m nối Ý với Thụy Sỹ.
• Đường hầm ơtơ dài nhất là Xen-gatarskui l = 16320 xây dựng xong 1980.
• Năm 1982 ở Nhật xây dựng xong đường hầm Dai –Shimizu dài 22 km.
• Năm 1988, sau 20 năm, xây dựng đã hoàn thành con đường hầm đường sắt
Sei-kan dưới biển nối liền hai hòn đảo ở Nhật dài 53,85 km trong đó 23,3
km nằm cách dưới đáy biển 100m, đây là con đường hầm dài nhất thế giới
hiện nay.


-4-

• Đến tháng 1-1988 chiều dài đường hầm Matxcơva là 224 km với 135 ga
(bến). Năm 2005, hệ thống xe điện ngầm của Nga kỷ niệm 70 năm thành
lập với 276km đường hầm và 170 nhà ga. Hệ thống này phục vụ đến 9 triệu
lượt người/ngày.
• Năm 1991 nước Anh và nước Pháp xây dựng đường hầm xuyên qua eo
biển Manche nối liền nước Anh và nước Pháp mang tên Euro Tunnel dài
50km (trong đó có 37,5km nằm sâu cách mặt nước biển khoảng 100m)
hồn thành năm 1994. Cơng trình được đánh giá là kỳ quan kỹ thuật ngầm
giữa Anh và Pháp.
• Năm 1995 trung Quốc đã xây dựng hầm đường bộ Tần Lĩnh dài 19,45km
đã tạo một bước đột phá mới về kĩ thuật xây dựng đường hầm.

Tại Việt nam, trước Cách mạng Tháng Tám 1945, năm 1930 có xây dựng hầm
giao thơng thủy Rú Cóc (ở xã Nam Sơn huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An), hầm ngầm
xuyên qua núi giúp cho thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu sang hạ lưu sông Lam để
tránh đi qua đập nước Đơ Lương. Ngành đường sắt có một số hầm ngầm ở miền
Trung, điển hình là hầm Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc Thừa Thiên Huế.
Trong chiến tranh chống Pháp, chống Mỹ hầm được xây dựng nhiều song chủ

yếu là hầm ngắn, nhằm phục vụ quốc phòng làm kho tàng, công sự…
Sau ngày thống nhất đất nước 1975, đầu tiên xây dựng hầm Dốc Xây trên QL1A
ở phía Nam tỉnh Ninh Bình dài khoảng 100m.
Tháng 5/2002 Việt Nam đã khánh thành hầm Arồng I trên đường Hồ Chí Minh
dài 453m và tiếp tục xây dựng hầm Aroàng II.
Hầm đường bộ đèo Hải Vân khẩu độ 12,85m cao 11m dài hơn 6,7km khánh
thành vào ngày 02/06/2005 là một trong những dự án giao thông quan trọng áp
dụng khoa học công nghệ tiên tiến của nước ta trong công cuộc xây dựng đất nước.
Khi hầm xây dựng xong đã rút ngắn thời gian qua đèo từ 1 giờ xuống còn 15 phút.


-5-

Hầm Thủ Thiêm nối quận 1 và quận 2 của Tp.HCM đang được xây dựng có các
thơng số sau : Chiều dài của hầm là 1.490m, gồm phần dìm dài 370m, phần hầm
đào lấp 680m và đường dẫn hai đầu hầm 540m. Tiết diện hữu dụng của hầm đủ để
bố trí sáu làn xe và hai đường thốt hiểm hai bên rộng 2x2m cùng các thiết bị thông
tin liên lạc, thơng gió, chiếu sáng, thốt nước... đảm bảo an tồn cho các phương
tiện xe cơ giới, kể cả xe gắn máy lưu thông theo tốc độ thiết kế.
Cho đến nay, Việt Nam có khoảng 52 hầm giao thơng được xây dựng trong thế
kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 theo các tiêu chuẩn thiết kế và thi công của Pháp, Nga,
Trung Quốc, Áo ứng với mỗi thời kỳ khác nhau [7]:
Bảng 1.1 Phân loại hầm ở Việt Nam theo tiêu chí kiểu/loại hầm

Phân loại theo chiều dài

Phân loại theo số lượng

Loại hầm
Chiều dài (m)

Tỉ lệ %

Số lượng

Tỷ lệ %

Hầm đường bộ

7625.00

38.97

5

9.62

Hầm đường sắt

11507.28

58.81

41

78.85

Hầm người đi

434.00

2.22

6

11.54

19566.28

100.00

52

100.00

Tổng cộng

Cùng với sự phát triển khoa học kĩ thuật và sự ra đời các công nghệ thi công
hầm mới, hiện đại, trong tương lai không xa hầm và cơng trình ngầm ở nước ta sẽ
có bước phát triển mới rất to lớn khi các tuyến đường giao thông phải đi vào các
vùng đồi núi hiểm trở hoặc vùng đơ thị lớn.
Một số hình ảnh đường hầm trến thế giới và tại Việt Nam với những công dụng
khác nhau:


-6-

Hình 1.1 Hầm khai thác mỏ Excelsior (Anh)

Hình 1.2 Metro Columbia Heights (Mỹ)

-7-

Hình 1.3 Đường hầm The Second Heinenoord

Hình 1.4 Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân (Việt Nam)


-8-

Hầm cho người đi bộ và xe máy trên Quốc lộ 1A đoạn An Sương – An Lạc:

Hình 1.5 Hầm chui Tân Tạo cắt ngang QL1A (Việt Nam)
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hiện nay gần như chưa xảy ra trường
hợp nào do ảnh hưởng của điều kiện địa chất mà dẫn đến khả năng không thể xây
dựng được đường hầm và có thể nói là khơng hạn chế. Đường hầm được xây dựng
trong những điều kiện địa chất, địa hình khó khăn. Thực tế nhiều tuyến đường hầm
giao thông trên thế giới đã đi xuyên qua lịng sơng, đáy biển là những nơi ẩn chứa
điều kiện địa chất phức tạp, thậm chí có những đường hầm được treo trong nước.

Hình 1.6 Hầm treo nổi trong nước


-91.2

CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN TÍNH TỐN ĐƯỜNG HẦM
Do tính chất nằm sâu trong lịng đất nên kết cấu cơng trình ngầm chịu lực

tương đối phức tạp. Nội lực trong vỏ hầm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: tính chất

của đất đá, cấu tạo địa tầng, hình dạng và kích thước vỏ hầm, phương pháp thi cơng
cũng như đặc điểm sử dụng cơng trình ngầm. Về cơ bản có 2 phương pháp tính tốn
cơng trình ngầm là theo phương pháp lực và phương pháp biến dạng.
Các phương pháp lực sử dụng các giả thiết về nền biến dạng cục bộ hay nền
biến dạng tuyến tính làm cơ sở xác định chuyển vị của địa tầng trên vách hang, đưa
về các sơ đồ tính tốn của cơ học kết cấu. Các phương pháp lực có ý nghĩa thực
nghiệm lớn, quá trình tính tốn nói chung khơng q phức tạp, đã được vận dụng
nhiều trong thực tế. Phương pháp lực có một số tác giả như SN.Naumov, G.G.
Zurabov, S.A. Orlov, S.S. Đavưđov, I.A. Malikova, phương pháp thay thế bằng hệ
thanh của Viện thiết kế đường tàu điện ngầm Maxcơva…
Phương pháp biến dạng tính tốn kết cấu cơng trình ngầm giả thiết môi
trường biến dạng liên tục, xem vỏ hầm là một vịng có bề dày nhỏ đặt trong chu vi
lỗ kht của địa tầng để xác định trạng thái ứng suất trong điều kiện cùng chịu lực
của vỏ hầm và môi trường xung quanh, nghĩa là có xét đến tác dụng tương hỗ của
khối địa tầng và vì chống. Trong quá trình tính đưa về các sơ đồ tính tốn của lý
thuyết đàn hồi. Phương pháp biến dạng có một số tác giả như Ya. Bialer,
K.V.Ruppenneyt,

V.A.

Lutkin,

A.N.

Dranovxki,

B.G.

Galerkin,

M.M.

Protodiakonov, …

1.3

CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN THI CƠNG ĐƯỜNG HẦM
Thi cơng đường hầm là thuật ngữ gọi chung phương pháp thi công xây dựng,

kĩ thuật thi công và quản lý thi công các đường hầm và cơng trình ngầm.
Lựa chọn phương pháp thi cơng chủ yếu phải dựa vào điều kiện địa chất và địa
chất thủy văn, kết hợp với mặt cắt đường hầm, kiểu vỏ, cơng năng sử dụng và trình
độ kỹ thuật thi cơng… cùng một số nhân tố khác nghiên cứu cân nhắc, tổng hợp lại
để quyết định.