Đề tài Đánh giá lựa chọn giải pháp thi công và nghiên cứu tính toán ứng suất – biến dạng cho công trình ngầm giao thông phù hợp điều kiện khu vực TP. Hồ Chí Minh

Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Giảng viên hƣớng dẫn: TS. Võ Đại Nhật Sinh viên thực hiện: Trần Quốc Cƣờng Trang i LỜI CẢM ƠN Luận văn “ đánh giá lựa chọn giải pháp thi công và nghiên cứu tính toán ứng suất – biến dạng cho công trình ngầm giao thông phù hợp với điều kiện khu vực Tp. Hồ Chí Minh” đƣợc thực hiện từ tháng 10/2010 đến tháng 12/2010 với mục đích chính là cung cấp thông tin tổng quan về các dạng công trình giao thông ngầm có thể phát triển phù hợp điều kiện thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian tới, đƣa ra đánh giá sơ bộ và lựa chọn giải pháp thi công phù hợp cho từng loại hình công trình ngầm, nghiên cứu tính toán lựa chọn độ sâu đặt hầm và chuyển vị mặt đất do sự hiện diện của đƣờng hầm. Sinh viên thực hiện xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô bộ môn Địa Kỹ Thuật – Khoa KT Địa Chất & Dầu Khí – Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh nói chung và TS. Võ Đại Nhật nói riêng vì đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn và cung cấp thông tin cần thiết để sinh viên hoàn thành luận văn này. Do hạn chế về thời gian thực hiện và trình độ hiểu biết nên luận văn không tránh khỏi những thiếu xót, sinh viên rất mong nhận đƣợc sự đóng góp quý báu của các thầy cô và các bạn sinh viên tham khảo để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn SINH VIÊN THỰC HIỆN Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Giảng viên hƣớng dẫn: TS. Võ Đại Nhật Sinh viên thực hiện: Trần Quốc Cƣờng Trang ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung chính của luận văn tập trung vào việc giới thiệu một cách tổng quát nhất các loại hình công trình ngầm giao thông có thể triển khai phù hợp với điều kiện khu vực Tp. Hồ Chí Minh, đƣa ra các cơ sở lý thuyết dùng trong việc tính toán ứng suất – biến dạng cho đƣờng ngầm và ứng dụng phần mềm Plaxis để tính toán bài toán lựa chọn độ sâu đƣờng hầm hợp lý, xác định bán kính vùng ảnh hƣởng của đƣờng ngầm trong điều kiện địa chất đặc trƣng của khu vực thành phố. Luận văn đƣợc trình bày thành 4 chƣơng nhƣ sau: Chương 1: giới thiệu tổng quan về phƣơng pháp xây dựng đƣờng hầm trong điều kiện đô thị (các loại hình công trình ngầm, phƣơng pháp thi công …), các rủi ro có thể xảy ra do việc thi công đƣờng ngầm. Chương 2: giới thiệu đặc điểm tự nhiên – kinh tế – xã hội và đặc điểm địa chất công trình – địa chất thủy văn của Tp. Hồ Chí Minh. Đánh giá và nhận xét lựa chọn giải pháp thi công phù hợp cho các loại hình công trình ngầm có thể đƣợc triển khai trong khu vực thành phố. Chương 3: trình bày cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất – biến dạng cho công trình ngầm có tiết diện tròn, bán kính R trong hai điều kiện môi trƣờng đất đá là đàn hồi tuyến tính và đàn dẻo. Chương 4: ứng dụng phần mềm Plaxis trong việc tính toán ứng suất – biến dạng cho đƣờng ngầm. Từ đó phân tích kết quả nhằm lựa chọn độ sâu đặt hầm phù hợp và xác định bán kính vùng ảnh hƣởng của hầm đến chuyển vị của mặt đất. Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Giảng viên hƣớng dẫn: TS. Võ Đại Nhật Sinh viên thực hiện: Trần Quốc Cƣờng Trang iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... I TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................... II MỤC LỤC ....................................................................................................................... III DANH SÁCH BẢNG BIỂU .......................................................................................... VII DANH SÁCH HÌNH VẼ .............................................................................................. VIII CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VIỆC XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG ĐÔ THỊ ............................................................................................................... 1 1.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG CÁC ĐÔ THỊ ........................ 1 1.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM .............................. 3 1.2.1 Xây dựng đƣờng hầm bằng phƣơng pháp lộ thiên .......................................... 3 1.2.2 Xây dựng đƣờng hầm bằng phƣơng pháp hạ chìm ......................................... 5 1.2.3 Xây dựng đƣờng hầm bằng phƣơng đào kín ................................................... 8 1.2.3.1 Phƣơng pháp kích đẩy ................................................................................. 8 1.2.3.2 Phƣơng pháp “khiên đào” (Shield Method) ................................................ 9 1.3 ĐẶC ĐIỂM CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÔ THỊ ...................................................... 15 1.4 RỦI RO PHÁT SINH TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG .................................. 16 1.5 TỔNG KẾT CHƢƠNG ........................................................................................ 17 CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC TP.HỒ CHÍ MINH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CHO CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG NGẦM 18 2.1 GIỚI THIỆU VỀ TP. HỒ CHÍ MINH .................................................................. 18 2.1.1 Đặc điểm tự nhiên: ....................................................................................... 18 2.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội ................................................................................ 19 2.2 ĐẶC ĐIỂM ĐCCT – ĐCTV THÀNH PHỐ ........................................................ 20 Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Giảng viên hƣớng dẫn: TS. Võ Đại Nhật Sinh viên thực hiện: Trần Quốc Cƣờng Trang iv 2.2.1 Đặc điểm cấu trúc ĐCCT – ĐCTV khu vực Tp. Hồ Chí Minh .................... 20 2.2.1.1 Đặc điểm cấu trúc địa chất khu vực Tp. Hồ Chí Minh .............................. 20 2.2.1.2 Đặc điểm ĐCTV khu vực Tp. Hồ Chí Minh ............................................. 22 2.2.2 Đặc điểm địa hình – địa mạo – kiến tạo ....................................................... 23 2.2.2.1 Đặc điểm địa hình – địa mạo ..................................................................... 23 2.2.2.2 Đặc điểm kiến tạo ...................................................................................... 24 2.2.3 Phân vùng ĐCCT và tính chất cơ lý của đất đá ............................................ 26 2.2.3.1 Khu DA1 .................................................................................................... 27 2.2.3.2 Khu DA2 .................................................................................................... 28 2.2.3.3 Khu DA3 .................................................................................................... 28 2.2.3.4 Khu DA4 .................................................................................................... 29 2.2.3.5 Khu DA5 .................................................................................................... 30 2.2.3.6 Khu DB1 .................................................................................................... 31 2.2.3.7 Khu DC1 .................................................................................................... 32 2.2.3.8 Khu DC2 .................................................................................................... 32 2.2.3.9 Khu DC3 .................................................................................................... 33 2.2.3.10 Khu DC4.................................................................................................... 34 2.2.3.11 Khu DC5.................................................................................................... 34 2.2.3.12 Khu EG ...................................................................................................... 35 2.3 ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP THI CÔNG CHO CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG NGẦM TRONG KHU VỰC TP. HỒ CHÍ MINH ....... 36 2.4 TỔNG KẾT CHƢƠNG ........................................................................................ 40 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG XUNG QUANH ĐƯỜNG HẦM .................................................................................... 41 Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Giảng viên hƣớng dẫn: TS. Võ Đại Nhật Sinh viên thực hiện: Trần Quốc Cƣờng Trang v 3.1 ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA ĐẤT ĐÁ .................................................................. 41 3.1.1 Đất đá và tính chất cơ bản của nền đất yếu ................................................... 41 3.1.1.1 Biến dạng của đất đá .................................................................................. 41 3.1.1.2 Độ bền của đất đá....................................................................................... 42 3.1.1.3 Tính chất từ biến của đất đá ....................................................................... 43 3.1.1.4 Hệ số kiên cố.............................................................................................. 44 3.1.2 Nền đất yếu theo quan điểm xây dựng công trình ngầm .............................. 45 3.2 ỨNG XỬ ĐẤT XUNG QUANH ĐƢỜNG HẦM................................................ 47 3.2.1 Áp lực địa tầng .............................................................................................. 47 3.2.2 Ứng xử đất – kết cấu xung quanh đƣờng hầm .............................................. 47 3.2.2.1 Trạng thái ứng suất tự nhiên của đất đá ..................................................... 47 3.2.2.2 Sự phân bố ứng suất của đất nền xung quanh hầm .................................... 48 3.2.3 Tải trọng tác dụng lên đƣờng hầm ................................................................ 54 3.4 TỔNG KẾT CHƢƠNG ........................................................................................ 55 CHƯƠNG 4: GIẢI BÀI TOÁN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG XUNG QUANH ĐƯỜNG HẦM BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS TRÊN CỞ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN TỬ HỮU HẠN (PTHH) ...................................................................................... 57 4.1 GIỚI THIỆU VỀ PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (PTHH) .................. 57 4.1.1 Khái niệm chung về phƣơng pháp ................................................................ 57 4.1.2 Các dạng phần tử sử dụng trong phƣơng pháp PTHH .................................. 58 4.1.2.1 Phần tử kết cấu ........................................................................................... 58 4.1.2.2 Phần tử đất đá ............................................................................................ 58 4.1.2.3 Phần tử tiếp xúc ........................................................................................... 60 4.1.3 Các dạng mô hình nền ................................................................................... 62 Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Giảng viên hƣớng dẫn: TS. Võ Đại Nhật Sinh viên thực hiện: Trần Quốc Cƣờng Trang vi 4.1.3.1 Mô hình nền đàn hôi .................................................................................. 62 4.1.3.2 Mô hình nền đàn dẻo lý tƣởng ................................................................... 63 4.1.3.3 Các mô hình nền khác ................................................................................ 64 4.1.4 Các bƣớc tiến hành giải bài toán theo phƣơng pháp PTHH ......................... 64 4.2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM PLAXIS ................................................................... 65 4.3. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PLAXIS ĐỂ TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM ............................................................................. 66 4.3.1 Yêu cầu bài toán ............................................................................................ 66 4.3.2 Trình tự giải bài toán Plaxis .......................................................................... 67 4.3.3 Kết quả tính toán bằng phần mềm plaxis ...................................................... 76 4.4 TỔNG KẾT CHƢƠNG ........................................................................................ 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 88 Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Giảng viên hƣớng dẫn: TS. Võ Đại Nhật Sinh viên thực hiện: Trần Quốc Cƣờng Trang vii DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tổng hợp mối tƣơng quan giữa phƣơng pháp đào và địa tầng tƣơng ứng ... 11 Bảng 2.1: Tổng hợp phân vùng và phân khu ĐCCT khu vực TP. Hồ Chí Minh ......... 26 Bảng 2.2: Tổng hợp các phƣơng pháp đào phù hợp với từng loại hình công trình ngầm ....................................................................................................................................... 39 Bảng 3.1: Phân loại đất đá theo M.M.PROTODIAKONOV ........................................ 46 Bảng 4.1: Bảng tổng hợp kết quả tính toán chuyển vị và nội lực vỏ hầm theo độ sâu chôn hầm ........................................................................................................................ 76 Bảng 4. 2: Kết quả tổng hợp chuyển vị mặt đất tính từ tâm hầm ................................. 83 Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Giảng viên hƣớng dẫn: TS. Võ Đại Nhật Sinh viên thực hiện: Trần Quốc Cƣờng Trang viii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Minh họa cho mạng lƣới giao thông ngầm trong khu đô thị ......................... 1 Hình 1.2: Mô hình công nghệ thi công “tƣờng trong đất” ............................................. 4 Hinh 1.3: Hình dạng của đƣờng hầm đƣợc thi công bằng phƣơng pháp hạ chìm .......... 5 Hinh 1.4: Sơ đồ hạ các đơn nguyên đƣờng hầm vào hào có sử dụng phao (a), (b) và sàn nổi (i) ......................................................................................................................... 6 Hinh 1.5: Các phƣơng pháp đào kín và lựa chọn giải pháp bảo vệ mặt đào ................. 8 Hinh 1.6: Các sơ đồ kích đẩy đƣờng ngầm dƣới khối đƣờng sắt (a); và dƣới sông (b) . 9 Hinh 1.7: Sơ đồ cấu tạo khiên ....................................................................................... 10 Hinh 1.8: Quy trình công nghệ thi công đƣờng hầm theo phƣơng pháp khiên đào ..... 13 Hinh 1.9: Thi công hầm bằng phƣơng pháp khiên không bị tác động bởi các yếu tố trên mặt .......................................................................................................................... 14 Hình 2.1: Sơ đồ định hƣớng không gian phát triển khu vực Tp. Hồ Chí Minh đến 2020 ....................................................................................................................................... 18 Hình 2.2: Bình đồ trầm tích đệ tứ khu vực Tp. Hồ Chí Minh ...................................... 20 Hình 2.3 : Mặt cắt ĐCTV từ Tân Trụ qua Bình Chánh đến Vĩnh Cửu ........................ 23 Hình 2.4: Mặt cắt địa chất điển hình của Tp. Hồ Chí Minh theo hƣớng Tây Bắc – Đông Nam và hƣớng Tây - Đông .................................................................................. 38 Hình 3.1: Vòng tròn Mohr và đƣờng bao Coulomb ..................................................... 43 Hình 3.2: Biến dạng của đất đá theo thời gian .............................................................. 44 Hình 3.3: Sơ đồ phân bố ứng suất xung quanh hầm ..................................................... 49 Hình 3 4: Sơ đồ nghiên cứu bài toán biến đổi ứng suất – biến dạng trong nền đất xung quanh đƣờng hầm có tiết diện tròn ................................................................................ 50 Hình 3.5: Sơ đồ lực, vùng biến dạng dẻo và phân bố ứng suất quanh hầm ................. 52 Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Giảng viên hƣớng dẫn: TS. Võ Đại Nhật Sinh viên thực hiện: Trần Quốc Cƣờng Trang ix Hình 3.6: Mô hình bài toán xác định chuyển vị trên biên hầm .................................... 53 Hình 4.1: Mô hình phần tử tam giác biến dạng loại 1 (a) và phần tử tam giác biến dạng loại 2 (b) ......................................................................................................................... 59 Hình 4.2: Mô hình phần tử tam giác biến dạng khối loại 1 (a) và loại 2 (b) ................ 59 Hình 4.3: Mô hình phần tử tứ giác biến dạng tuyến tính (a) và phần tử tứ giác biến dạng khối (b) .................................................................................................................. 60 Hình 4.4: Mô hình phần tử khối biến dạng tuyến tính loại 1 (a) và loại 2 (b) .............. 60 Hình 4.5: Mô hình phần tử tiếp xúc phẳng của P.Goodman ........................................ 61 Hình 4.6: Mô hình phần tử tiếp xúc không gian của P.Goodman ................................ 62 Hình 4. 7: Sơ đồ cây trình bày các bƣớc giải bài toán bằng Plaxis .............................. 68 Hình 4.8: Cửa sổ khai báo thông tin ban đầu của bài toán Plaxis ................................ 69 Hình 4 9: Minh họa quá trình xây dựng mô hình địa chất, gán thông số vật liệu và đặt điều kiện biên cho bài toán ............................................................................................ 69 Hình 4 10: Cửa số khai báo thông số đƣờng hầm ........................................................ 70 Hình 4.11: Kết quả chia lƣới phần tử cho bài toán đã nêu ........................................... 70 Hình 4.12: Kết quả xây dựng áp lực nƣớc ban đàu ...................................................... 71 Hình 4.13: Sơ đồ kết quả xác định ứng suất hữu hiệu ban đầu của bài toán ................ 71 Hình 4.14: Cửa số tính toán cho bài toán đã cho .......................................................... 72 Hình 4.15: Cửa số lựa chọn vị trí kiểm tra ứng suất – chuyển vị ................................. 72 Hình 4.16: Giai đoạn xây dựng đƣờng hầm trƣớc khi tính toán ................................... 73 Hình 4.17: Cửa số tính toán trong phần mềm Plaxis .................................................... 73 Hình 4.18: Lƣới biến dạng tổng thể .............................................................................. 74 Hình 4.19: Kết quả tính toán tổng chuyển vị ................................................................ 74 Hình 4.20: Kết quả tính toán ứng suất hữu hiệu sau khi đào hầm................................ 75 Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Giảng viên hƣớng dẫn: TS. Võ Đại Nhật Sinh viên thực hiện: Trần Quốc Cƣờng Trang x Hình 4.21: Kết quả tính toán nội lực bên trong vỏ hầm ............................................... 75 Hình 4.22: Kết quả tính toán chuyển vị tổng thể của vỏ hầm ...................................... 76 Hình 4.23.: Biểu đồ quan hệ giữa độ sâu đặt hầm và lực dọc lớn nhất xuất hiện trên vỏ hầm ................................................................................................................................ 77 Hình 4.24: Biểu đồ quan hệ giữa độ sâu đặt hầm và moment uốn lớn nhất xuất hiện trên vỏ hầm .................................................................................................................... 77 Hình 4.25: Biểu đồ quan hệ giữa độ sâu đặt hầm và lực cắt lớn nhất xuất hiện trên vỏ hầm ................................................................................................................................ 78 Hình 4.26: Biểu đồ quan hệ giữa độ sâu đặt hầm và chuyển vị đứng tại điểm O ........ 78 Hình 4.27: Biểu đồ quan hệ giữa độ sâu đặt hầm và chuyển vị ngang tại điểm O....... 79 Hình 4.28: Biểu đồ quan hệ giữa độ sâu đặt hầm và chuyển vị đứng tại các điểm A,B,C theo phƣơng án 1 của vỏ hầm ............................................................................ 79 Hình 4.29: Biểu đồ quan hệ giữa độ sâu đặt hầm và chuyển vị ngang tại các điểm A,B,C theo phƣơng án 1 của vỏ hầm ............................................................................ 80 Hình 4.30: Biểu đồ quan hệ giữa độ sâu đặt hầm và chuyển vị đứng tại các điểm A,B,C theo phƣơng án 2 của vỏ hầm ............................................