Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại Thành phố Hồ Chí Minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN THẠCH BÍCH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG TỔ HỢP KHOAN ĐÀO HẦM (TBM) ĐẾN LÚN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN BỀ MẶT TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN THẠCH BÍCH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG TỔ HỢP KHOAN ĐÀO HẦM (TBM) ĐẾN LÚN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN BỀ MẶT TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS.TS Nguyễn Phương Duy 2: GS.TS Trần Đức Nhiệm Hà Nội - 2022 “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT Page i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận án này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Phương Duy, và GS.TS Trần Đức Nhiệm. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận án này trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Hà Nội, Ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thạch Bích “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT Page ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Phương Duy, GS.TS. Trần Đức Nhiệm đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô bộ môn Cầu Hầm, Khoa Công Trình, Khoa Đào tạo Sau đại học trường Đại học Giao thông vận tải đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ và hướng dẫn trong suốt thời gian tác giả nghiên cứu tại Bộ môn và Khoa. Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể các thầy cô, các nhà khoa học đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu và có giá trị cho nội dung đề tài luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn các bạn bè, đồng nghiệp tận tình giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình tác giả học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thành viên gia đình đã thông cảm tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Trong khuôn khổ một luận án Tiến sĩ khoa học kỹ thuật, chắc chắn chưa đáp ứng được một cách đầy đủ những vấn đề đã nêu ra. Tôi xin chân thành cảm ơn và tiếp thu nghiêm túc những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả Nguyễn Thạch Bích “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT Page iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ....................................................................................................... iii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................ vii DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. ix PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI ...... 7 1.1 TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM METRO TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM................................................................................................. 7 1.1.1 Tình hình xây dựng Metro trên thế giới .................................................. 7 1.1.2 Tình hình xây dựng Metro tại Việt Nam ............................................... 11 1.2 THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM METRO BẰNG CÔNG NGHỆ TBM VÀ CÁC VẤN ĐỀ PHÁT SINH .......................................................................... 13 1.2.1 Sự ra đời và phát triển công nghệ TBM ................................................... 13 1.2.2. Phân loại TBM ....................................................................................... 16 1.2.3. Các vấn đề phát sinh trong quá trình thi công hầm Metro bằng TBM ..... 18 1.3 CÁC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC THI CÔNG HẦM METRO ĐẾN CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN MẶT ĐẤT ............................................................................................................. 23 1.3.1 Những tác động của việc xây dựng đường hầm và Metro đến công trình trên mặt đất ...................................................................................................... 23 1.3.2 Phân loại hư hỏng của các công trình lân cận do lún bề mặt .................... 25 1.3.3 Quan trắc chuyển dịch nền móng nhà cao tầng trong giai đoạn thi công móng và tầng hầm ............................................................................................ 26 1.3.4 Phân tích đánh giá kết quả quan trắc chuyển dịch nền móng và tầng hầm nhà cao tầng ..................................................................................................... 26 1.3.5 Các công trình nghiên cứu trong nước về biến dạng, lún các công trình đô thị xung quanh khu vực thi công Metro. ........................................................... 27 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ......................................................................... 28 “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT Page iv CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT DỰ TÍNH LÚN MẶT ĐẤT KHI THI CÔNG ỐNG HẦM TRÒN . ........................................................................... 29 2.1 PHÂN TÍCH VÀ DỰ BÁO LÚN MẶT ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT .................................................................................................. 29 2.1.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết của Sagaseta (1987), Verruijt và Booker (1996), Gonzalez và Sagaseta (2001) ................................................... 29 2.1.2. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết của Lee et al (1987), Rowe và Lee (1992) ............................................................................................................. 30 2.1.3. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết của Loganathan và Poulos (1998) .... 31 2.2 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ LÚN THEO PHƯƠNG PHÁP KINH NGHIỆM VÀ BÁN KINH NGHIỆM ............................................................ 33 2.2.1.Phương pháp nghiên cứu kinh nghiêm Macklin và Field (1999): ............. 33 2.2.2.Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm sử dụng hệ số ổn định: .......... 33 2.2.3.Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm của Schmidt-Peck (1969)...... 35 2.2.4. Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm của Chow (1994) ................. 39 2.2.5. Phương pháp nghiên cứu bán kinh nghiêm của Mair và Taylor (1993) ... 40 CHƯƠNG 3 QUAN TRẮC - SO SÁNH KẾT QUẢ QUAN TRẮC LÚN BỀ MẶT DỌC ĐOẠN TUYẾN NGẦM DỰ ÁN XÂY DỰNG TUYẾN METRO SỐ 1 BẾN THÀNH – SUỐI TIÊN VỚI KẾT QỦA TÍNH TOÁN THEO LÝ THUYẾT. ....................................................................................................... 48 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN VÀ ĐOẠN TUYẾN METRO ĐI NGẦM ............................................................................................................. 48 3.2 QUÁ TRÌNH THI CÔNG TUYẾN NGẦM VÀ CÔNG TÁC QUAN TRẮC LÚN BỀ MẶT VÀ BIẾN DẠNG CÁC CÔNG TRÌNH ĐÔ THỊ TRÊN BỀ MẶT .............................................................................................. 50 3.2.1 Tầm quan trọng của công tác quan trắc .................................................... 50 3.2.2 Mục đích, nội dung của công tác quan trắc .............................................. 51 3.2.3. Nguyên tắc thiết kế hệ thống quan trắc ................................................... 53 3.2.4 Các nội dung quan trắc ............................................................................ 54 3.3 QUAN TRẮC VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ QUAN TRẮC ................... 57 “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT Page v 3.3.1 Sơ đồ bố trí các điểm quan trắc lún dọc tuyến Metro ngầm thi công theo TBM ............................................................................................................. 57 3.3.2 Kết quả quan trắc lún .............................................................................. 57 3.3.3 Nhận xét ................................................................................................. 60 3.4 PHÂN TÍCH LÚN MẶT ĐẤT THEO CÁC CÔNG THỨC LÝ THUYẾT VÀ SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ QUAN TRẮC ............................ 60 3.4.1 So sánh kết quả tính lún bề mặt theo các công thức lý thuyết và kết quả quan trắc thực tế tại hiện trường ....................................................................... 60 3.4.2 So sánh đường cong lún tính theo các lý thuyết với kết quả quan trắc ..... 64 3.5 Kết luận chương 3. ................................................................................... 65 CHƯƠNG 4 PHÁT TRIỂN NGHIÊN CỨU DỰ ĐOÁN LÚN BỀ MẶT VÀ XÂY DỰNG CÁC CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM DỰ TÍNH ĐỘ LÚN BỀ MẶT ............................................................................................................. 67 4.1 ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH HỆ SỐ MẤT MÁT THỂ TÍCH VLoss 67 4.1.1 Khái niệm hệ số mất mát thể tích VL ...................................................... 67 4.1.2 Phân tích các tương quan giữa Hệ số mất thể tích Vloss với các yếu tố đặc trưng. ............................................................................................................. 68 4.1.3 Đề xuất công thức tính Vloss ................................................................... 74 4.1.4 Áp dụng công thức VL trong tính toán lý thuyết và so sánh với kết quả quan trắc thực địa ............................................................................................. 78 4.2 ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH ĐỘ LÚN LỚN NHẤT Smax ............. 86 4.2.1 Định dạng tương quan giữa Độ lún lớn nhất (Smax) với các yếu tố đặc trưng. ............................................................................................................. 86 4.2.2. Đề xuất công thức tính Smax .................................................................. 91 4.2.3 Áp dụng công thức Smax trong tính toán lý thuyết và so sánh kết quả tính với kết quả quan trắc thực địa ........................................................................... 95 4.3 ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH THÔNG SỐ BỀ RỘNG MÁNG LÚN ............................................................................................................. 98 4.3.1 Khái niệm thông số bề rộng máng lún i ................................................... 98 4.3.2 Nghiên cứu mối tương quan giữa hệ số i với các yếu tố liên quan ........... 99 “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT Page vi 4.3.3 Nghiên cứu xây dựng công thức hệ số máng lún i ................................. 100 4.3.4 Áp dụng công thức i trong tính toán lý thuyết và so sánh kết quả tính với kết quả quan trắc thực địa ............................................................................... 101 4.3.5 So sánh đường cong lún tính bằng Smax, Vloss và i đề xuất với kết quả tính bằng các lý thuyết khác ........................................................................... 102 CHƯƠNG 5 NGHIÊN CỨU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH ẢNH HƯỞNG THI CÔNG HẦM BẰNG TBM ĐẾN CÔNG TRÌNH TRÊN BỀ MẶT TRONG ĐÔ THỊ. ............................................................................... 106 5.1 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH BÀI TOÁN PTHH CẢI TIẾN TÍNH LÚN BỀ MẶT VÀ ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG ĐẾN CÔNG TRÌNH TRÊN MẶT ĐẤT ......................................................................................... 106 5.1.1 Đề xuất phương pháp mô hình bài toán PTHH cải tiến. ......................... 106 5.1.2 So sánh kết quả phân tích bằng phương pháp cải tiến với số liệu quan trắc. ........................................................................................................... 108 5.2 Áp dụng Mô hình bài toán bằng theo phương pháp PTHH cải tiến đánh giá tác động thi công đường hầm đến các loại móng công trình trên mặt đất. ........................................................................................................... 109 5.2.1 Mô hình bài toán theo phương pháp PTHH cải tiến ............................... 109 5.2.2.Phân tích kết quả bài toán thi công hai ống hầm song song ................... 111 5.2.3 Kết luận ................................................................................................ 118 5.3 NHỮNG ĐỀ XUẤT NHẰM KIỂM SOÁT TÁC ĐỘNG ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG TBM ĐẾN CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN BỀ MẶT .............................................................................. 119 5.3.4 Ảnh hưởng của lún bề mặt đến công trình lân cận ................................ 124 5.3.5 Các giới hạn phá hoại công trình ........................................................... 125 5.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 ....................................................................... 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA NGHIÊN CỨU SINH .. 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 134 “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT Page vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 : Mạng lưới và dự án đầu tư đường sắt đô thị đến năm 2020 của Hà Nội .................................................................................................. 12 Bảng 1.2: Bảng phân loại TBM ........................................................................ 17 Bảng 2.1 Công thức xác định Smax: .................................................................. 36 Bảng 2.2: Công thức xác định tham số bề rộng i: ............................................. 37 Bảng 3.1. Số lần đo chuyển vị của các điểm đo [120]....................................... 55 Bảng 3.2 Các hạng mục khảo sát công trình dọc tuyến Bến Thành Suối Tiên [120] ............................................................................................... 56 Bảng 3.3 So sánh kết quả quan trắc với kết quả tính toán theo Peck ( 1969) ... 61 Bảng 3.4 So sánh kết quả quan trắc với kết quả tính toán theo New & O’Reilly (1982) và Mair (1993) .................................................................... 62 Bảng 3.5 So sánh kết quả quan trắc với kết quả tính toán theo Attewell (1977) ; Clough & Schmidt (1981) và Atkinson & Potts (1979) ................... 63 Bảng 3.6: Sai số trung bình của độ lún lớn nhất giữa kết quả tính với quan trắc64 Bảng 4.1 Quan hệ giữa hệ số mất mát thể tích và áp lực bơm vữa bên thành p269 Bảng 4.2 Quan hệ giữa hệ số mất mát thể tích với áp lực bơm vữa bên thành p2 và độ sâu đặt hầm ........................................................................... 72 Bảng4.3: Số liệu quan trắc lún bề mặt tại mặt căt điển hình ............................. 75 Bảng4.4: Kết quả tính Vloss theo số liệu quan trắc hiện trường ....................... 76 Bảng 4.5 Kết quả hệ số mất mát thể tích VL tính theo công thức đề xuất .......... 83 Bảng 4.6 So sánh kết quả Vloss tính toán theo công thức đề xuất với Vloss quan trắc .................................................................................................. 84 Bảng 4.7 Giá trị lún lớn nhất tương ứng với các trường hợp đường kính hầm .. 87 Bảng 4.8 Giá trị lún lớn nhất tương ứng với các trường hợp đường độ sâu hầm ....................................................................................................... 88 Bảng 4.9 Độ lún lớn nhất Smax ứng với các hệ số Vloss .................................. 89 Bảng 4.10 Dữ liệu quan trắc từ Km 1+500 đến KM 0+850 .............................. 92 Bảng 4.11 Độ lún lớn nhất Smax tình theo công thức đề xuất. ......................... 95 “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT Page viii Bảng 4.12. So sánh kết quả lún lớn nhất giữa số liệu quan trắc với kết quả tình toán bằng công thức Smax đề xuất .................................................. 96 Bảng 4.13 Sai số trung bình của độ lún lớn nhất giữa kết quả tính ................... 97 Bảng 4.14 So sánh kết quả tính hệ số i theo công thức đề xuất ...................... 102 và so sánh với số liệu quan trắc ...................................................................... 102 Bảng 5.1 Phương pháp mô hình bài toán PTHH cải tiến tính lún mặt đất và chuyển vị đáy móng công trình hiện hữu trên mặt đất ................... 108 Bảng 5.2 Thông số đầu vào cho các lớp đất .................................................... 111 Bảng 5.3 Các đặc tính của vật liệu vỏ hầm và kết cấu móng công trình mặt đất ..................................................................................................... 111 Bảng 5.4 Chuyển vị móng nông khi thi công ống hầm bên trái ...................... 113 Bảng 5.5 Chuyển vị móng nông khi thi công hai ống hầm ............................. 114 Bảng.5.7 Chuyển vị đáy móng cọc khi thi công hai ống hầm ......................... 117 Bảng 5.8 . Tiêu chuẩn giới hạn phá hoại các công trình nhà do biến dạng mặt đất ..................................................................................................... 125 Bảng 5.9. Phân loại các hư hỏng bề ngoài trên tường (Burland & Wroth, 1975) ..................................................................................................... 126 Bảng 5.10. Quan hệ giữa loại hư hỏng và biến dạng kéo giới hạn .................. 126 “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xây dựng đường hầm bằng tổ hợp khoan đào hầm (TBM) đến lún và các công trình trên bề mặt tại thành phố Hồ Chí Minh” – Nguyễn Thạch Bích – Đại học GTVT Page ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 0.1: Hiện trạng giao thông công cộng tại Hà Nội ....................................... 1 Hình 0.2: Mô hình thi công tuyến Metro ngầm chìm trong đô thị ....................... 3 Hình 0.3: Hiện tượng lún sụt mặt đường do thi công tuyến Metro ngầm ............ 3 Hình 0.4: Các loại mất thể tích khi thi công hầm bằng công nghệ TBM ............. 3 Hình 1.1: Biểu đồ các thông số chính của một số hệ thống Metro nổi tiếng trên thế giới .............................................................................................. 7 Hình 1.2: Bản đồ mạng lưới hệ thống tàu điện ngầm tại Paris ............................ 8 Hình 1.3: Bản đồ mạng lưói tàu điện ngầm tại Matxcơva ................................... 9 Hình 1.4: Bản đồ mạng lưới Metro tại thành phố London ..............................