Nghiên cứu ảnh hưởng của tương quan vị trí giữa hai đường hầm song song tới độ lún bề mặt đất áp dụng nghiên cứu đối với đường tàu điện ngầm tại hà nội
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.84 MB, 81 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
HOÀNG AN ĐÀ GIANG
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG QUAN VỊ TRÍ GIỮA HAI
ĐƯỜNG HẦM SONG SONG TỚI ĐỘ LÚN BỀ MẶT ĐẤT. ÁP DỤNG
NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI ĐƯỜNG TÀU ĐIỆN NGẦM TẠI HÀ NỘI
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình ngầm
Mã số: 60580204
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS Võ Trọng Hùng
HÀ NỘI - 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn
Hoàng An Đà Giang
MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA
TƯƠNG QUAN VỊ TRÍ GIỮA HAI ĐƯỜNG HẦM SONG SONG TỚI ĐỘ
LÚN BỀ MẶT ĐẤT
5
1.1. Tổng quan về hệ thống tàu điện ngầm đô thị trên thực tế trên thế giới và
ở Việt Nam
5
1.1.1. Tình hình xây dựng tàu điện ngầm trên thế giới
5
1.1.2. Tình hình xây dựng hệ thống tàu điện ngầm tại Hà Nội
9
1.1.3. Tình hình xây dựng hệ thống tàu điện ngầm tại thành phố Hồ Chí
Minh
1.2. Tình hình về cấu tạo của các đường hầm đô thị
11
13
1.2.1. Đường tàu điện ngầm
13
1.2.2. Đường hầm cho người đi bộ
13
1.2.3. Đường hầm kỹ thuật
13
1.3. Đặc điểm thi công và điều kiện xây dựng hai đường hầm song song
14
1.4. Các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của phương pháp thi công tới độ lún bề
mặt khi xây dựng trong đô thị
15
1.4.1. Ảnh hưởng của phương pháp thi công hầm bằng máy TBM đến độ
lún bề mặt
15
1.4.2. Ảnh hưởng của trình tự thi cơng tới độ lún bề mặt
17
1.5. Nghiên cứu về ảnh hưởng của yếu tố khoảng cách giữa hai cơng trình
ngầm song song tới độ lún bề mặt
20
1.6. Nghiên cứu về ảnh hưởng của cơng trình ngầm thi cơng bên dưới tới
cơng trình ngầm thi cơng bên trên
26
1.7. Các yếu tố khác ảnh hưởng tới độ lún bề mặt
27
1.8. Nhận xét chương 1
29
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM VỀ VẤN ĐỀ
ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG QUAN VỊ TRÍ GIỮA HAI ĐƯỜNG HẦM
SONG SONG TỚI ĐỘ LÚN BỀ MẶT
2.1.Phân loại tương quan vị trí giữa hai đường hầm song song
31
31
2.2. Tổng quan các phương pháp tính toán, dự báo đọ lún bề mặt gây ra bởi
hai đường hầm song song
32
2.2.1. Phương pháp lý thuyết
32
2.2.2. Phương pháp thực nghiệm
33
2.2.3. Phương pháp mơ hình hóa
34
2.3. Phương pháp lý thuyết tính tốn dự báo độ lún bề mặt xuất hiện khi thi
công một đường hầm độc lập
36
2.4. Phương pháp lý thuyết đánh giá mức độ lún bề mặt xuất hiện khi thi
công hai đường hầm song song cùng mức
39
2.5. Nghiên cứu sử dụng mơ hình số, tính tốn dự báo độ lún bề mặt xuất
hiện khi thi công đường hầm tàu điện ngầm trong đất yếu
41
2.6. Nhận xét chương 2
44
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ẢNH
HƯỞNG CỦA TƯƠNG QUAN VỊ TRÍ GIỮA HAI ĐƯỜNG HẦM SONG
SONG TỚI ĐỘ LÚN BỀ MẶT ĐẤT
46
3.1. Nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định sự ảnh hưởng của tương quan
vị trí giữa hai đường hầm song song tới độ lún bề mặt trong trường hợp hai
đường hầm song song cùng trục
46
3.2. Nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định sự ảnh hưởng của tương quan
vị trí giữa hai đường hầm song song tới độ lún bề mặt trong trường hợp tổng
quát
50
3.3. Nghiên cứu đề xuất xây dựng mơ hình xác định sự ảnh hưởng của tương
quan vị trí giữa hai đườn hầm song song tới độ lún bề mặt phục vụ cho
phương pháp mơ hình hóa
53
3.4. Nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định sự ảnh hưởng của tương quan
vị trí giữa hai đường hầm song song tới độ lún bề mặt
54
3.5. Nhận xét chương 3
55
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG TÍNH TỐN ĐỘ LÚN BỀ MẶT
ĐẤT CHO CÁC ĐƯỜNG HẦM TÀU ĐIỆN NGẦM TẠI HÀ NỘI
57
4.1. Giới thiệu sơ lược về Tuyến Đường sắt Đơ thị Thí điểm tại thành phố Hà
Nội, đoạn Nhổn - Ga Hà Nội
57
4.2. Điều kiện xây dựng đường tàu điện ngầm tại Hà Nội
58
4.3. Xác định các yếu tố ảnh hưởng tới độ lún bề mặt khi xây dựng đường tàu
điện ngầm tại thành phố Hà Nội
4.3.1. Lựa chọn mặt cắt để tính tốn
61
61
4.3.2. Xác định các yếu tố ảnh hưởng tới độ lún bề mặt khi xây dựng đường
tàu điện ngầm tại thành phố Hà Nội
61
4.4. Áp dụng nghiên cứu để tính tốn, dự báo xác định độ lún bề mặt xuất
hiện khi thi công hai đường hầm song song tại Hà Nội
64
4.5. Nhận xét chương 4
67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
68
TÀI LIỆU THAM KHẢO
70
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Z - độ sâu của đường hầm được tính từ tim hầm đến mặt đất, m;
a - khoảng cách giữa 2 trục đường hầm theo phương ngang, m;
b - khoảng cách giữa 2 trục đường hầm theo phương thẳng đứng, m;
R - bán kính hầm, m;
D - đường kính hầm, m;
Smax- độ lún cực đại, m;
VL- hệ số phụ thuộc vào độ dịch chuyển hội tụ của khối đất gây ra bởi phương
pháp thi công, %;
i - khoảng cách từ điểm uốn đến trục phễu lún, m;
K - hệ số phụ thuộc vào điều kiện địa chất của khối đất;
Sx - độ lún tại vị trí nằm các trục đường hầm một đoạn x, m;
x - khoảng cách từ trục công trình đến vị trí tính lún, m;
W - Nửa chiều rộng phễu lún, m;
A - tỷ số của nửa chiều rộng phễu lún và điểm uốn phễu lún i;
β - góc tại biên hầm giữa điểm giới hạn ảnh hưởng lún so với phương thẳng
đứng, o;
VS- thể tích phễu lún, m3;
Smod-độ lún thay đổi khi xét đến trình tự thi công, m;
M - hệ số thay đổi.
DANH MỤC CÁC BẢNG
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tên bảng
Bảng 1.1. Chi tiết về hai đường hầm song song tại Lafayette
Park và St James Park
Bảng 1.2. Thông tin chi tiết thi công hai đường hầm song song
tại Heathrow Express
Bảng 2.1. Điều kiện địa chất khu vực khảo sát tuyến số 7
Tehran Metro
Bảng 2.2. Kết quả tính tốn độ lún bề mặt tại các mặt cắt khảo
sát tuyến số 7 Tehran Metro
Bảng 3.1. Thông số giả định khi thi công hai đường hầm song
song cùng trục
Bảng 3.2. Thông số giả định khi thi công hai đường hầm song
song trong trường hợp tổng quát
Bảng 4.1. Khảo sát địa chất tại dọc tuyến đường sắt đơ thị thí
điểm thành phố Hà Nội
Bảng 4.2. Thiết kế kỹ thuật tuyến tàu điện ngầm tại ví trí mặt
cắt ngang được lựa chọn
Bảng 4.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ lún bề mặt khi thi cơng
tuyến hầm
10
Bảng 4.4. Tính chất cơ lý của các lớp đất
11
Bảng 4.5. Độ lún bề mặt theo các phương pháp lý thuyết
Trang
18
26
42
43
48
52
60
62
63
63
64-66
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT
1
2
3
Tên hình vẽ
Hình 1.1. London Underground hệ thống tàu điện ngầm đầu
tiên trên thế giới
Hình 1.2. Ga Mayakovskaya là một trong những hệ thống tàu
điện ngầm đẹp nhất thế giới
Hình 1.3. Tuyến xe điện ngầm số 14 - “Meteor” ở Paris
Trang
6
7
7
Hình 1.4. Bản đồ các tuyến đường sắt đô thị theo Quy hoạch
4
phát triển giao thông vận tải Hà Nội đến năm 2020 được phê
9
duyệt năm 2008
5
6
7
8
9
10
11
12
Hình 1.5. Sự lún dọc trục khiên đào
Hình 1.6. Độ lún bề mặt gây ra bởi hai đường hầm song song
tại Lafayette Park
Hình 1.7. Độ lún bề mặt gây ra bởi hai đường hầm song song
tại St James Park
Hình 1.8. Mơ hình xác định ảnh hưởng của khoảng cách giữa
hai đường hầm song song cùng mức tới độ lún bề mặt
Hình 1.9. Độ lún bề mặt gây ra bởi từng đường hầm độc lập
với khoảng cách giữa hai đường hầm là 1,5D
Hình 1.10. Độ lún bề mặt gây ra bởi từng đường hầm độc lập
với khoảng cách giữa hai đường hầm là 3D
Hình 1.11. Độ lún bề mặt gây ra bởi từng đường hầm độc lập
với khoảng cách giữa hai đường hầm là 4,5D
Hình 1.12. Độ lún bề mặt gây ra bởi hai đường hầm song song
với khoảng cách giữa hai đường hầm là 1,5D
16
19
19
21
22
22
23
24
STT
13
14
Tên hình vẽ
Hình 1.13. Độ lún bề mặt gây ra bởi hai đường hầm song song
với khoảng cách giữa hai đường hầm là 3D
Hình 1.14. Độ lún bề mặt gây ra bởi hai đường hầm song song
với khoảng cách giữa hai đường hầm là 4,5D
Trang
24
25
Hình 1.15. Kết quả khảo sát đường cong lún khi thi công hai
15
đường hầm song song bên dưới một đường hầm khác tại
27
Heathrow Express
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Hình 1.16. Mối quan hệ giữa độ sâu, bán kính đường hầm và
độ rộng phễu lún
Hình 2.1. Tương quan vị trí giữa hai đường hầm song song
trong khơng gian
Hình 2.2. Hình dạng phễu lún theo phương vng góc với trục
cơng trình ngầm
Hình 2.3. Sơ đồ tính tốn độ lún bề mặt xuất hiện khi thi cơng
hai đường hầm song song cùng mức
Hình 2.4. Hình dạng phễu lún xuất hiện khi thi cơng 2 đường
hầm song song theo phương trình của O’Reilly & New (1988)
Hình 2.5. Mơ hình lưới sai phân hữu hạn phục vụ tính tốn độ
lún bề mặt khi xây dựng tuyến số 7 Tehran Metro
Hình 3.1. Sơ đồ tính tốn độ lún bề mặt xuất hiện khi thi công
hai đường hầm song song cùng trục
Hình 3.2. Đường cong lún trên bề mặt xuất hiện khi thi công
hai đường hầm song song cùng trục
Hình 3.3. Sơ đồ tính tốn độ lún bề mặt xuất hiện khi thi công
hai đường hầm song song trong trường hợp tổng quát
29
31
38
40
40
43
46
49
50
STT
25
26
27
28
Tên hình vẽ
Hình 3.4. Đường cong lún trên bề mặt xuất hiện khi thi công
hai đường hầm song song trong trường hợp tổng qt
Hình 3.5. Mơ hình xác định ảnh hưởng của tương quan vị trí
giữa hai cơng trình ngầm tới độ lún bề mặt
Hình 4.1. Mơ tả mặt cắt ngang địa chất lựa chọn phục vụ tính
tốn
Hình 4.2. Hình dạng đường cong lún trên bề mặt xuất hiện tại
mặt cắt lựa chọn theo các phương pháp tính
Trang
52
53
61
66
!1
MỞ ĐẦU
1.
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng về kinh tế, các cơ sở hạ tầng
cũng phải thay đổi để thích ứng. Một trong số các vấn đề đó là giao thơng và đặc
biệt là giao thông đô thị. Giao thông ở các đô thị ngày nay đang ở mức quá tải và
không gian mặt đất không đủ để đáp ứng nhu cầu, việc quy hoạch lại hệ thống
đường là bài toán nan giải cho các nhà quy hoạch. Chính vì vậy, ta phải nghiên
cứu sử dụng các quỹ không gian khác như khoảng không gian bên trên và
khoảng không gian ngầm.
Trong điều kiện quỹ đất hạn hẹp, mật độ các cơng trình, đường giao thông
trên bề mặt tương đối dày đặc và không được quy hoạch phù hợp, để phát triển
hệ thống cơ sở hạ tầng nhất thiết phải phát triển hệ thống các cơng trình ngầm.
Tốc độ và quy mơ phát triển của hệ thống các cơng trình ngầm tại nhiều thành
phố trên thế giới đã minh chứng điều đó. Tại thành phố Hồ Chí Minh, đã và đang
có các dự án xây dựng cơng trình ngầm được triển khai như đường hầm Thủ
Thiêm qua sơng Sài Gịn cùng các hệ thống đường tàu điện ngầm. Còn tại thành
phố Hà Nội, vấn đề này cũng đã được các nhà quản lý, nghiên cứu khoa học
quan tâm song vì những lý do nhất định mà chủ yếu là hạn chế về nguồn vốn xây
dựng nên vẫn chưa được triển khai trong thực tế.
Trong khu vực đô thị, khi xây dựng các đường hầm giao thông công cộng
thường dẫn tới hiện tượng lún bề mặt có khả năng gây thiệt hại tới các cơng trình
trên bề mặt đang tồn tại. Hệ thống tàu điện ngầm trong đô thị hiện nay thường
xây dựng hai đường hầm song song cùng mức với nhau phục vụ hai chiều đi lại
của đường tàu điện ngầm. Tuy vậy, với sự tập trung dân số tại các thành phố lớn,
nhu cầu đi lại tăng cao đòi hỏi phải mở rộng hệ thống giao thông ngầm, để tận
dụng khoảng không gian ngầm, cần mở rộng hệ thống tàu điện ngầm theo các
mức khác nhau. Tương quan vị trí giữa hai đường hầm song song sẽ có ảnh
hưởng nhất định tới độ lún bề mặt. Việc xem xét, tính tốn ảnh hưởng của mối
!2
tương quan vị trí giữa hai đường hầm song song đến độ lún bề mặt là cần thiết để
phục vụ cho cơng tác hỗ trợ cho hệ thống cơng trình trên mặt đất.
2.
Mục đích nghiên cứu
Đề tài được thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu đề xuất phương pháp xác
định sự ảnh hưởng của tương quan vị trí giữa hai đường hầm song song tới độ
lún bề mặt đất.
3.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phạm vi của luận văn tập trung nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định
độ lún bề mặt gây ra bởi hai đường hầm song song trong trường hợp cùng trục
khác mức và trường hợp tổng quát, thi công trong điều kiện địa chất đô thị trên
nền đất yếu, được thi công bằng phương pháp sử dụng máy khoan hầm. Kết quả
nghiên cứu được áp dụng thí điểm cho các đường hầm tàu điện ngầm xây dựng
trong điều kiện địa chất tại Hà Nội.
4.
Nội dung nghiên cứu
Trên cơ sở các kết quả tổng kết, đánh giá về ảnh hưởng của đường hầm
đơn, các đường hầm song song tới độ lún bề mặt khi thi công các cơng trình
ngầm trên thế giới trong các khu vực đơ thị qua vùng đất đá mềm. Kết hợp với
các kết quả đánh giá điều kiện địa chất khu vực thành phố Hà Nội theo quan
điểm xây dựng cơng trình ngầm, nội dung luận văn sẽ tổng hợp các giải pháp
đánh giá ảnh hưởng của hai đường hầm song song đến độ lún bề mặt. Từ đó,
nghiên cứu và đề xuất phương pháp xác định sự ảnh hưởng của tương quan vị trí
giữa hai đường hầm song song tới độ lún bề mặt.
Nội dung chính của luận văn bao gồm:
- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của tương quan vị trí giữa hai
đường hầm song song tới độ lún bề mặt.
- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về vấn đề ảnh hưởng của tương quan
vị trí giữa hai đường hầm song song tới độ lún bề mặt đất.
!3
- Nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định sự ảnh hưởng của tương quan vị
trí giữa hai đường hầm song song tới độ lún bề mặt đất.
- Nghiên cứu áp dụng tính tốn độ lún mặt đất cho các đường hầm tàu điện
ngầm Hà Nội.
Trong chương 1, nội dung luận văn tiến hành tổng hợp các nghiên cứu về
hệ thống tàu điện ngầm, tình hình xây dựng các đường hầm song song với nhau
trong thực tế tại đô thị, điều kiện xây dựng, cấu tạo của các đường hầm đô thị và
tập trung vào các nghiên cứu về hiện tượng lún mặt đất khi xây dựng đường hầm
độc lập hoặc hai đường hầm xây dựng song song với nhau. Từ những nghiên cứu
đã có đưa ra kết luận về ảnh hưởng của tương quan vị trí giữa hai đường hầm
song song đến độ lún bề mặt và so sánh các kết quả nghiên cứu.
Nội dung chương 2 tập trung nghiên cứu các phương pháp lý thuyết và thực
nghiệm để tính tốn độ lún bề mặt trong các trường hợp thi cơng cơng trình
ngầm độc lập và hai cơng trình ngầm song song cùng mức.
Từ những nghiên cứu trong chương 2, chương 3 luận văn nghiên cứu xây
dựng, đề xuất phương pháp lý thuyết, xây dựng mơ hình xác định ảnh hưởng của
tương quan vị trí giữa hai đường hầm song song tới độ lún bề mặt.
Với kết quả nghiên cứu đã đề xuất trong chương 3, luận văn thực hiện áp
dụng tính tốn độ lún mặt đất cho một mặt cắt địa chất đại diện của hai đường
tàu điện ngầm tuyến Nhổn - Ga Hàng Cỏ tại thành phố Hà Nội trong chương 4.
5.
Phương pháp nghiên cứu
Luận văn được thực hiện bằng phương pháp phân tích tài liệu, phương pháp
nghiên cứu lý thuyết, phương pháp mơ hình.
6.
Ý nghĩa khoa học
Ý nghĩa khoa học của đề tài là xây dựng và đề xuất phương pháp bước đầu
xác định sự ảnh hưởng của tương quan vị trí giữa hai đường hầm song song tới
độ lún bề mặt.
!
!4
7.
Ý nghĩa thực tiễn
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là sử dụng để bước đầu tính tốn độ lún bề mặt
khi thi công hai đường hầm song song. Phương pháp có thể được áp dụng tính
tốn cho tuyến đường tàu điện ngầm thi công trong thành phố Hà Nội tuyến
Nhổn - Ga Hàng Cỏ.
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng tương quan vị trí giữa hai đường hầm song
song tới độ lún bề mặt. Áp dụng nghiên cứu đối với đường tàu điện ngầm tại Hà
Nội” được thực hiện trong bối cảnh ở thành phố Hà Nội hầu như vẫn chưa tiến
hành xây dựng các cơng trình ngầm nằm trong phạm vi nghiên cứu của đề tài. Vì
vậy, các kết quả của phương pháp đều dựa trên các kết quả nghiên cứu khi xây
dựng các tuyến đường tàu điện ngầm trên thế giới. Để kết quả nghiên cứu của đề
tài phát huy hiệu quả trong thực tiễn cần có những nghiên cứu bổ sung trong thời
gian tới gắn liền với những dự án, cơng trình ngầm cụ thể sẽ thực hiện.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo GS.TS.Võ Trọng
Hùng, người đã dành nhiều thời gian quan tâm giúp đỡ tác giả trong q trình
cơng tác cũng như trong quá trình viết bản luận văn tốt nghiệp Cao học. Sự giúp
đỡ tận tình của thầy giáo đã giúp tác giả rất nhiều để hoàn thành bản luận văn
này.
Ngồi ra, trong q trình thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ
tận trình của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Xây dựng Cơng trình ngầm và Mỏ,
sự giúp đỡ của các thầy cơ giáo trong Phịng Đại học và sau Đại học, sự giúp đỡ
của Nhà trường Đại học Mỏ - Địa chất và bạn bè, đồng nghiệp.
!
!5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CỦA TƯƠNG QUAN VỊ TRÍ GIỮA HAI ĐƯỜNG HẦM SONG SONG
1.
TỚI ĐỘ LÚN BỀ MẶT ĐẤT
!
1.1. Tổng quan về hệ thống tàu điện ngầm đô thị trên thực tế trên thế giới
và ở Việt Nam
1.1.1. Tình hình xây dựng tàu điện ngầm trên thế giới
Đường tàu điện ngầm còn được gọi là metro (viết tắt của metropolitan) là
phương thức vận tải hành khách đường sắt đô thị với khối lượng lớn, tốc độ cao,
sử dụng không gian ngầm đô thị. Trong giai đoạn 2010-2011, tàu điện ngầm ở
một số đô thị lớn trên thế giới đã chuyên chở một khối lượng lớn hành khách đi
lại, góp phần giải quyết nạn ùn tắc giao thông, như: Tokyo 3.200 triệu hành
khách/năm, Seoul 2.500 triệu hành khách/năm, Moscow 2.400 triệu hành khách/
năm, Bắc Kinh 2.180 triệu hành khách/năm, New York 1.640 triệu hành khách/
năm, Paris 1.500 triệu hành khách/năm, Luân Đôn 1.100 triệu hành khách/năm .
Các quốc gia phát triển, các quốc gia và khu vực láng giềng đã vượt trước
Việt Nam khá xa về lĩnh vực xây dựng hệ thống tàu điện ngầm:
Nước Anh là nước đầu tiên trên thế giới xây dựng hệ thống tàu điện ngầm
Underground, đoạn tàu điện ngầm đầu tiên dài 6 km khánh thành năm 1863. Vào
những năm ấy, tàu chạy chủ yếu bằng hơi nước và hơn 60 % là chạy ở trên mặt
đất khơng hồn tồn đúng như tên gọi của nó. Đến tận gần 30 năm sau, tức là
vào năm 1890, hệ thống tàu chạy bằng điện đầu tiên do công ty đường sắt
London áp dụng kỹ thuật mới xây dựng bằng đường ống đưa tàu xuống sâu hơn
trong lòng đất. Hiện nay hệ thống tàu điện ngầm của Anh dài 417,5 km, 247 ga.
Còn ở New York (Mỹ) hệ thống tàu điện ngầm dài 384,9 km, với 484 ga.
!
!
!6
Hình 1.1. London Underground hệ thống tàu điện ngầm đầu tiên trên thế giới [3]
Tại Moskva tuyến tàu điện ngầm đầu tiên đã được xây dựng năm 1931 và
khai thác năm 1935 với 13 nhà ga từ ga Sokolniki tới ga Park Kultury trên tuyến
đường dài 11,2 km và trở thành hệ thống tàu điện ngầm nổi tiếng thế giới . Hệ
thống tàu điện ngầm của Moskva hiện có 12 tuyến, dài 293,1 km, 177 nhà ga
(trong đó có 14 ga nổi còn lại là ga ngầm), ga sâu nhất ở cao độ -84 m, khoảng
cách các ga trung bình 1,8-2,5 km. Năm 2008 hệ thống này đã chuyên chở 2,573
tỷ lượt hành khách . Đây là hệ thống metro có trọng tải hành khách lớn thứ 2 thế
giới, sau hệ thống metro ở Tokyo. Hằng ngày, có hơn 7 triệu hành khách đi lại
trong hệ thống này. Mỗi ga metro đều được trang trí rất cơng phu. Nơi đây được
mệnh danh là “Cung điện ngầm dưới lòng đất”. Tuy metro Moskva không phải
là hệ thống metro lớn nhất thế giới nhưng có một điều chắc chắn rằng, nó là hệ
thống metro đẹp nhất thế giới .
!
!
!7
Hình 1.2. Ga Mayakovskaya là một trong những hệ thống tàu điện ngầm
đẹp nhất thế giới [4]
Ở Paris (Pháp) hệ thống tàu điện ngầm Métro Paris có 16 tuyến (hình 1.3),
dài 211 km theo thống kê đến năm 2007, với 298 trạm, hiện nay Métro Paris
phục vụ bình quân 4,5 triệu lượt người mỗi ngày. Vào năm 2005, Métro Paris có
tổng cộng 1,365 tỷ lượt hành khách .
!
Hình 1.3. Tuyến xe điện ngầm số 14 - “Meteor” ở Paris [5]
Tại Nhật, hệ thống tàu điện ngầm Tokyo vào thời điểm tháng 6 năm 2008,
toàn bộ mạng lưới Tokyo Metro, Toei và Tokyo Waterfront Area Rapind Transit
có 282 nhà ga, 14 tuyến với chiều dài cả hệ thống là 3.288 km. Các mạng lưới
Tokyo Metro và Toei mỗi ngày vận chuyển tổng cộng trung bình 8 triệu lượt
hành khách. Dù được xếp hạng nhất về số lượt hành khách sử dụng trên thế giới,
hệ thống tàu điện ngầm chỉ chiếm một phần nhỏ lượng khách vận chuyển bằng
!8
tàu đường ray nhanh nặng ở Tokyo, chỉ 282 ga trên tổng số 882 ga đường ray tại
thời điểm năm 2007 .
Singapore bắt đầu xây dựng tàu điện ngầm vào năm 1993 với tuyến dài 67
km (trong đó có 20 km đi ngầm), tiếp tục phát triển tuyến Đông - Bắc 20 km đi
ngầm (1998) và tuyến vành đai 34 km đi ngầm (2002) .
Thái Lan xây dựng tuyến tàu điện ngầm đầu tiên Chaloem
Ratchamongkhon tại thủ đô Bangkok vào năm 1996 và đưa vào khai thác tháng
7 năm 2004, dài 21,5 km với 18 ga. Tuyến này cũng là giai đoạn khởi đầu của dự
án hệ thống đường sắt đơ thị dài 326 km, trong đó có 42 km đi ngầm .
Đài Loan đã đưa tuyến tàu điện ngầm đầu tiên của thành phố Đài Bắc đi
vào hoạt động từ năm 1996, hiện đang khai thác 10 tuyến dài 106 km với 96 ga,
năng lực vận chuyển 1,66 triệu hành khách/ngày; đang xây dựng 60 km và 52
ga, sẽ xây dựng thêm 98 km để hoàn thiện hệ thống tàu điện ngầm 270 km với
năng lực vận chuyển 3,6 triệu hành khách/ngày. Còn tại thành phố Cao Hùng đã
đưa vào hoạt động hệ thống tàu điện ngầm từ năm 2008 và hiện có 2 tuyến dài
42,7 km với 38 ga trong đó có 24 ga đi ngầm .
Vào những năm 1950 Trung Quốc đã chuẩn bị cho dự án tàu điện ngầm và
sau đó là thực hiện quy hoạch mạng lưới tàu điện ngầm của thủ đô Bắc Kinh.
Năm 1965, giai đoạn 1 của dự án tàu điện ngầm Bắc Kinh dài 54km đã được
khởi công xây dựng và đi vào hoạt động năm 1970. Bắc Kinh đã có 9 tuyến tàu
điện ngầm hoạt động, dài 189 km, với 138 ga. Từ năm 1998 có 21 dự án đường
sắt nội đô ở Trung Quốc đã được khởi công, dài 500 km, vồn đầu tư khoảng 170
tỷ nhân dân tệ. Chi phí trung bình đối với tàu điện ngầm là 400-500 triệu nhân
dân tệ/1 km, gấp từ 2-3 lần so với xây dựng đường sắt trên cao (150-250 triệu
nhân dân tệ/1 km) .
Mức tự động hoá của tàu điện ngầm rất cao, thường khơng có người quản
lý giúp giảm chi phí về nhân lực vận hành hệ thống.
!9
Hệ thống tàu điện ngầm thường được dùng để đáp ứng các nhu cầu của
thành phố trung tâm nơi tập trung q nhiều cơng trình dân dụng mà các giải
pháp đường sắt nổi, đường sắt trên cao không giải quyết được vấn đề. Phương
pháp đào hở, đào bằng các máy khoan hầm TBM bên dưới các cơng trình đang
tồn tại trên mặt đất là những phương pháp đang được sử dụng rộng rãi để xây
dựng đường hầm tàu điện ngầm.
1.1.2. Tình hình xây dựng hệ thống tàu điện ngầm tại Hà Nội
Hình 1.4. Bản đồ các tuyến đường sắt đơ thị theo Quy hoạch phát triển giao
thông vận tải Hà Nội đến năm 2020 được phê duyệt năm 2008 [2]
Hệ thống đường sắt đô thị đi ngầm và đi trên cao đã được đề cập từ đồ án
Điều chỉnh quy hoạch chung Thủ đô Hà Nội đến năm 2020 được phê duyệt năm
1998 (tại Quyết định số 108/1998/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ), sau đó đã
được cụ thể hóa trong Quy hoạch phát triển giao thông vận tải Thủ đô Hà Nội
năm 2020, được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt năm 2008 tại Quyết định số
!10
90/2008/QĐ-TTg. Theo đó đường sắt đơ thị của Thủ đơ bao gồm 6 tuyến: Tuyến
1: Ngọc Hồi - Như Quỳnh (38,7 km); Tuyến 2: Nội Bài - Thượng Đình (35,2
km); Tuyến 2A: Cát Linh - Hà Đông (14 km); Tuyến 3: Nhổn - Hồng Mai (21
km); Tuyến 4: Tuyến vịng, nối các tuyến 1, 2, 3 và 5 (53 km); và Tuyến 5: Nam
Tây Hồ - Hòa Lạc (34,5 km). Đến năm 2020 sẽ có khoảng 35 km Metro đi ngầm
trong tổng số gần 200 km đường sắt đô thị (hình 1.4).
Các dự án đường sắt đơ thị đang được thực hiện theo quy hoạch là:
- Tuyến 1: Yên Viên - Ngọc Hồi, 27 km đi trên cao (giai đoạn 1: 15 km, giai
đoạn 2: 12 km), do Bộ Giao thông vận tải thực hiện.
- Tuyến 2: Nam Thăng Long - Thượng Đình (Dự án 1: Nam Thăng Long Trần Hưng Đạo 11,5 km, với 3 km đi trên cao và 8,5 km đi ngầm. Dự án 2: Trần
Hưng Đạo - Thượng Đình 5,7 km đi ngầm), 17,2 km (với 14,2 km đi ngầm), do
thành phố Hà Nội thực hiện.
- Tuyến 2A: Cát Linh - Hà Đông, 13 km đi trên cao, do Bộ Giao thông vận
tải thực hiện.
Sau khi Quốc hội thông qua Nghị quyết số 15 về điều chỉnh địa giới hành
chính thành phố Hà Nội (2008), Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt Quy hoạch
chung xây dựng Thủ đơ Hà Nội đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050 tại
Quyết định số 1259/QĐ-TTg ngày 26/7/2011. Tổng công ty Tư vấn thiết kế giao
thông vận tải (TEDI) đang nghiên cứu Quy hoạch phát triển giao thông vận tải
Thủ đơ Hà Nội đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2050. Quy hoạch này sẽ làm
rõ hơn vai trị của các tuyến đường sắt đơ thị đi ngầm và đi trên cao trong mạng
lưới giao thông vận tải đo thị đa phương thức, xác định vị trí các tuyến ga và quy
mơ thích hợp.
1.1.3. Tình hình xây dựng hệ thống tàu điện ngầm tại thành phố Hồ Chí Minh
Quy hoạch phát triển giao thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh đến năm
2020 và tầm nhìn sau năm 2020 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại
Quyết định số 101/QĐ-Ttg ngày 22/01/2007, mạng lưới giao thông vận tải đa
!11
phương thức đang trong q trình quy hoạch, trong đó gồm có hệ thống đường
sắt đơ thị (UMRT), đường sắt vận tải nhẹ (LRT) và đường sắt đơn ray
(monorail). Tuyến 1 và tuyến 2 đang trong giai đoạn thực hiện. Các tuyến UMRT
đều có đoạn đi ngầm ở nội thành và đi trên cao ở ngoại thành. Theo đó, về quy
hoạch đường sắt đơ thị có 7 tuyến UMRT và 3 tuyến đường sắt nhẹ (1 tuyến LRT
và 2 tuyến monorail) cụ thể như sau:
- Tuyến 1: Bến Thành - Suối Tiên (19,7 km với 2,6 km đi ngầm và 17,1 km
đi trên cao);
- Tuyến 2: Thủ Thiêm - Bến xe Tây Ninh (19,2 km; Giai đoạn 1: Bến Thành
- Tham Lương 11, 322 km);
- Tuyến 3A: Bến Thành - Tân Kiên (12,14 km);
- Tuyến 3B: Ngã Sáu Cộng Hòa - Hiệp Bình Phước (11,5 km);
- Tuyến 4: Bến Cát - Nguyễn Văn Linh (24 km);
- Tuyến 5: Cầu Sài Gòn - Bến xe Cần Giuộc mới (23,39 km);
- Tuyến 6: Bà Quẹo - Vòng xoay Phú Lâm (khoảng 10 km).
Tuyến đường sắt đô thị số 1 Bến Thành - Suối Tiên là tuyến đường sắt đô
thị đầu tiên tại thành phố Hồ Chí Minh đã bắt đầu được khởi công xây dựng,
được Ủy ban Nhân dân thành phố Hồ Chí Minh phê duyệt thực hiện tháng
4/2007.
Liên quan đến dự án đường sắt đô thị Tuyến 1 Cơ quan Hợp tác quốc tế
Nhật Bản (JICA) đã khảo sát sơ bộ Dự án Nhà ga trung tâm Bến Thành giai đoạn
2011-2012.
Trong quá trình chuẩn bị đầu tư và thực hiện đầu từ các dự án các vấn đề
sau đây cần phải tiếp tục được nghiên cứu để nâng cao hiệu qủa sử dụng và khai
thác hệ thống đường sắt đô thị tại Thủ đơ Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh như
sau (TEDI và TEDI South, 2012):
- Chưa có sự liên kết trong toàn bộ hệ thống giữa các tuyến;
- Việc trung chuyển hành khách giữa các tuyến tại ga chưa thuận lợi;
!12
- Việc điều phối vận hành hệ thống giữa các tuyến chưa thể thực hiện được;
- Chưa tổ chức cứu hộ cứu nạn chung trong hệ thống;
- Chưa tận dụng khai thác chung các hệ thống thiết bị, depot;
- Chưa có sự kết nối giữa cơng trình ngầm hiện hữu với các tuyến tàu điện
ngầm;
- Chưa có một quy trình, quy định thống nhất cho các công tác lập dự án, thi
công, bàn giao sử dụng đối với không gian ngầm đô thị;
- Thiếu cơ sở dữ liệu được quản lý thống nhất về cơng trình ngầm hiện hữu.
Rõ ràng là tàu điện ngầm là một phương thức vận tải hành khách công cộng
không thể thiếu ở các đô thị lớn, góp phần quan trọng cho việc khắc phục tình
trạng quá tải, ùn tắc giao thông trên mặt đất và làm hiện đại hóa hệ thống giao
thơng đơ thị.
Với những kinh nghiệm phát triển tàu điện ngầm của các nước đi trước và
những thực tiễn xây dựng hệ thống tàu điện ngầm của Thủ đô Hà Nội và thành
phố Hồ Chí Minh sẽ là những bài học qúy giá cho việc quy hoạch không gian
ngầm và hệ thống tàu điện ngầm ở các đô thị lớn của Việt Nam mà trước hết là:
các đô thị loại I trực thuộc Trung ương: Hải Phịng, Đà Nẵng, Cần Thơ; Các đơ
thị loại I trực thuộc tỉnh: Thái Nguyên (tỉnh Thái Nguyên), Việt Trì (tỉnh Phú
Thọ), Nam Định (tỉnh Nam Định), Vinh (tỉnh Nghệ An), Huế (tỉnh Thừa Thiên Huế), Quy Nhơn (tỉnh Bình Định), Nha Trang (tỉnh Khánh Hịa), Bn Ma
Thuột (tỉnh Đắc Lăk), Đà Lạt (tỉnh Lâm Đồng)...
!
1.2. Tình hình về cấu tạo của các đường hầm đô thị
Các đường hầm trong đơ thị thường tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng và
biện pháp thi cơng mà có cấu tạo khác nhau.
1.2.1. Đường tàu điện ngầm
Đường tàu điện ngầm là dạng đặc biệt của hệ thống đường sắt thích hợp với
các thành phố trung tâm và các vùng lân cận. Với đặc thù phải xây dựng trong
!13
mơi trường đơ thị nơi tập trung nhiều cơng trình dân sinh, thường được đặt gần
mặt đất để thuận tiện cho người sử dụng, quá trình xây dựng dài nhưng vẫn phải
đảm bảo an tồn cho cơng trình bề mặt và sự vận hành giao thông trên mặt đất
nên hiện nay phương pháp xây dựng chủ yếu được sử dụng để xây dựng đường
tàu điện ngầm là sử dụng máy khiên đào. Các nhà ga có thể được được xây dựng
bằng phương pháp đào hở để tiết kiệm chi phí. Và như vậy, hình dạng tiết diện
mặt cắt ngang khi thi cơng của đường tàu điện ngầm thường là hình trịn, sử
dụng kết cấu bê tơng cốt thép đúc sẵn để lắp ghép kết cấu chống.
1.2.2. Đường hầm cho người đi bộ
Vì người đi bộ có thể lên xuống với góc độ lớn, quay đầu với góc tuỳ ý nên
đường hầm dành cho người đi bộ có yêu cầu tối thiểu và nguyên thuỷ nhất của
đường hầm. Công tác xây dựng đường hầm cho người đi bộ có rất ít hạn chế. Do
đó, tiết diện mặt cắt ngang sử dụng của đường hầm thường hình chữ nhật để có
thể tận dụng hết khoảng không gian ngầm, đường hầm thường được đặt nông sát
mặt đất để thuận tiện cho người đi bộ sử dụng. Phương pháp xây dựng chủ yếu
cho các đường hầm này là phương pháp thi công lộ thiên.
1.2.3. Đường hầm kỹ thuật
Đường hầm kỹ thuật được xây dựng để vận chuyển nước hoặc nước thải
tuỳ theo mục đích sử dụng khác nhau. Nguồn cung cấp nước ngọt cho thành phố,
kênh mương, thuỷ lợi, đường hầm xả, cơng trình thuỷ điện và đường hầm dẫn
dịng là một số ví dụ về đường hầm kỹ thuật. Với mục đích sử dụng như vậy kết
cấu đường hầm kỹ thuật thường bao gồm đặc tính trơn nhẵn và cách nước. Độ
trơn nhẵn của đường hầm phụ thuộc vào vận tốc dòng nước và độ dài đường
hầm. Bên cạnh đó tính cách nước phụ thuộc vào áp suất bên trong và bên ngoài
đường hầm.
Vì vậy kết cấu chống của đường hầm kỹ thuật thường có u cầu về tính
trơn nhẵn và tính cách nước cao hơn các loại đường hầm khác. Các đường hầm
này thường có yêu cầu về độ sâu đặt hầm, phương pháp thi công sử dụng trong
!14
đô thị thường dùng máy khiên đào, khi phương pháp thi công bằng máy khiên
đào không mang lại hiệu quả hoặc khơng khả thi có thể sử dụng phương pháp thi
công thông thường.
1.3. Đặc điểm thi công và điều kiện xây dựng hai đường hầm song song
Trong các dự án xây dựng đường hầm vì nhiều lý do khác nhau nên thường
bố trí hai hay nhiều đường hầm song song. Đặc biệt trong lĩnh vực giao thông
vận tải khi thiết kế đường hầm giao thơng thì đi kèm với nó bắt buộc phải có
thơng gió, đường hầm thốt hiểm. Khi lưu lương phương tiện giao thơng q
lớn, cơng trình phục vụ cho nhiều loại phương tiện như ô tô, tàu điện ngầm, xe
lửa, ... thì kích thước đường hầm phải đủ lớn. Việc lựa chọn phương án hai hay
nhiều hầm phải được xem xét, tính tốn và lựa chọn.
Đối với những dự án đường hầm dẫn nước, khi lưu lượng tính tốn lớn dẫn
đến kích thước đường hầm phải lớn hơn do đó thường phải lựa chọn hai đường
hầm. Hơn nữa, ngồi việc thiết kế hầm chính cịn phải bố trí hầm phục vụ thi
cơng như hầm thơng gió, hầm vận chuyển, hầm xả lũ,... Chúng thường là các
đường hầm nhánh đôi khi là những nhánh song song.
Khi thi công đường hầm trong đơ thị nói chung thường gặp các vấn đề sau:
- Không gian thi công bằng phương pháp ngầm chật hẹp.
- Các cơng trình dân sinh trên mặt đất không cho phép thi công bằng phương
pháp đào hở, cũng như thi cơng cơng trình ngầm bằng phương pháp nổ mìn
thơng thường.
- Điều kiện địa chất trong đơ thị nhìn chung thường yếu, địi hỏi phải có biện
pháp chống đỡ ngay sau khi đào đồng thời chống sập lở gương đào.
- Đối với thành phố Hà Nội nói riêng, vì cơ sở hạ tầng khơng đồng bộ, quy
hoạch khơng hợp lý nên phần ngầm của các cơng trình xây dựng trên mặt đất rất
phức tạp gây ra rất nhiều khó khăn khi quy hoạch và xây dựng tuyến tàu điện
ngầm.
!15
- Vì xây dựng trong thành phố nên ln phải có biện pháp đảm bảo an tồn
giao thơng trên mặt đất khi thi cơng cơng trình ngầm.
Đối với thi cơng hai đường hầm song song ngồi những khó khăn kể trên sẽ
có một số vấn đề sau:
- Diện tích đào lớn gồm hai đường hầm sẽ gây ra biến đổi độ lún bề mặt
phức tạp hơn so với một đường hầm độc lập.
- Các yếu tố về độ sâu, khoảng cách và biện pháp thi công ảnh hưởng rất lớn
đến hiện tượng lún bề mặt, vì thế khi xem xét tính tốn thiết kế kết cấu, lập biện
pháp thi cơng cần phải xem xét tất cả các vấn đề này.
- u cầu về độ chính xác khi thi cơng cao hơn, vì khi thi cơng hai đường
hầm song song ngồi việc khống chế độ chính xác của tim hầm cịn phải khống
chế độ chênh cao và khoảng cách giữa hai đường hầm.
- Ứng suất xung quanh khối đất đá bao quanh 2 cơng trình ngầm song song
biến đổi phức tạp hơn, đòi hỏi thiết kế vỏ chống cần phải được tính tốn kỹ
lưỡng.
1.4. Các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của phương pháp thi công tới độ lún
bề mặt khi xây dựng trong đô thị
1.4.1. Ảnh hưởng của phương pháp thi công hầm bằng máy TBM đến độ lún bề
mặt
Đối với việc thi cơng cơng trình ngầm trong thành phố, việc kiểm sốt biến
dạng bề mặt là vơ cùng quan trọng. Một trong những yếu tố vơ cùng quan trọng,
có tính chất quyết định ảnh hưởng tới độ lún bề mặt là phương pháp thi cơng.
Tuy đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu nhưng các thơng số nêu lên ảnh hưởng
của phương pháp thi công tới độ lún bề mặt vẫn chưa có phương pháp xác định
cụ thể mà chỉ có thể xác định dựa trên kinh nghiệm, các thông số đo đạc tại hiện
trường.
Hiện nay, khi thi công cơng trình ngầm trong đơ thị, do ảnh hưởng của yếu
tố con người và cơng trình sẵn có trên mặt đất, việc thi công các đường hầm
