Luận văn Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua đô thị phù hợp với điều kiện khu vực TP HCM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------oao------------------ PHẠM MINH TIẾN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN 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 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA 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 TIẾN Giới tính : Nam þ/ Nữ Ngày, tháng, năm 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 TOÁN VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG HẦM GIAO THÔNG QUA ĐÔ THỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHU VỰC TP.HCM” 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: “Nghiên cứu tính toán 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 công trình ngầm giao thông đô thị, các biện pháp thi công công 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 toán công trình hầm. Chương 5. Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với điều kiện của khu vực nghiên cứu Chương 6. Một số vấn đề cần giải quyết khi xây dựng công trình hầm trong điều kiện đô 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 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN 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 toán 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 toán, thi công hầm giao thông bằng phương pháp phù hợp. Đề tài cũng đưa ra những lý thuyết để chọn chiều sâu đặt hầm, ảnh hưởng của công trình lân cận,… Luận văn cũng đưa ra ví dụ tính toán tham khảo cho đoạn tuyến metro tại Thành phố Hồ Chí Minh với địa chất đã được khảo sát. Tôi xin trân trọng cảm ơn Thầy PGS. TS. Lê Văn Nam đã giúp đỡ, tận tình hướng dẫn và cung cấp các thông tin cần thiết để tôi hoàn 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 tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn thầy TS. Trịnh Văn Chính đã cung cấp tài liệu và có những góp ý hữu ích trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi 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 tôi đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về thời gian để tôi hoàn thành luận văn đúng tiến độ. Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Tôi rất mong được sự đóng góp của quý 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 TÓM TẮT ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN 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 công trình ngầm, các biện pháp thi công công 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 toán cũng như các phương pháp thi công đường hầm phổ biến trên thế giới hiện nay. Luận văn chú trọng vào khu vực có địa chất yếu qua đô thị nên có những nhận xét tổng quan và yêu cầu khi tính toán, thi công 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 môi 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 công 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. Ngoài ra việc xác định các tổ hợp tải trọng cũng có ý nghĩa quan trọng đảm bảo công trình ổn định và an toàn trong quá trình thi công và khai thác. Chương 4. Các phương pháp tính toán công trình hầm. Nghiên cứu các phương pháp tính toán công 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 mô hình tính toán hợp lý với điều kiện địa chất yếu để áp dụng cho phù hợp. Chương 5. Phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với điều kiện của khu vực nghiên cứu Với địa chất yếu, không 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 công trình hầm trong điều kiện đô thị thành phố Hồ Chí Minh Do công trình ngầm đi qua khu vực địa chất yếu trong điều kiện đô thị đông đúc nên để đảm bảo thi công và khai thác an toàn cho công trình ngầm cũng như các công 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 toán ảnh hưởng của hầm đến các công trình ngầm cũng như các công trình trên mặt đất lân cận. Từ đó xác định được phạm vi an toàn và mức độ ảnh hưởng lên các công trình để có các biện pháp xử lý thích hợp. Chương 7. Kết luận và kiến nghị MỤC LỤC Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM, CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM .................................................................................. 3 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM ............................................... 3 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN TÍNH TOÁN 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 công đường hầm trên núi, thi công đường hầm nông và trong đất mềm............................. 11 1.3.3 Phương pháp đào lộ thiên là phương pháp thi công đường hầm nông và trong đất mềm ........................................................................................... 11 1.3.4 Phương pháp tường liên tục dưới đất thi công hầm trong đất mềm yếu ........................................................................................................ 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 1.4 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM GIAO THÔNG ĐÔ THỊ KHU VỰC TP.HCM................................................................................13 1.4.1 Bối cảnh .......................................................................................... 13 1.4.2 Đặc điểm công trình ngầm đô 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 toán .......................................24 2.4 Một số lưu ý .............................................................................................25 2.4.1 Cát có thể chảy lỏng........................................................................ 25 2.4.2 Khả năng ăn mòn bê tông 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 công 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 toán áp lực địa tầng theo quan điểm môi trường phân tán ... 42 3.4.2.2 Tính toán áp lực ngang ................................................................ 48 3.4.2.3 Tính toán phản lực đáy hầm......................................................... 49 3.5 Tải trọng tác dụng lên đường hầm ............................................................51 Chương 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN........................................... 53 CÔNG 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 toán công trình ngầm ..................... 59 4.3.2.1 Các mô 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 mô hình nền ................................................................. 68 4.3.3 Giới thiệu một số phần mềm tính toán sử dụng phương pháp PTHH 71 4.4 Phương pháp phần tử rời rạc.....................................................................71 4.5 Các phương pháp tính toán thiết kế đường hầm phù hợp đối với địa chất mềm yếu...................................................................................................72 4.5.1 Tính toán kết cấu hầm theo phương pháp thay thế bằng hệ thanh.... 73 4.5.2 Tính toán kết cấu công trình hầm dạng vòm hình yên ngựa ............. 76 4.5.3 Tính toán kết cấu công trình hầm dạng tròn .................................... 77 Chương 5. PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM PHÙ HỢP VỚI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ................................................... 79 5.1 Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với khu vực địa chất 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) .................................................................................................... 97 5.2.4 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 CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG ĐIỀU KIỆN TP. HỒ CHÍ MINH ......121 6.1 Tính toán đường hầm có xét ảnh hưởng của các công 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 toán 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của công trình trên mặt đất xuống công 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 công trình của lớp A ................................................... 18 Bảng 2.2 Đặc tính địa chất công trình của lớp B ................................................... 19 Bảng 2.3 Đặc tính địa chất công trình của lớp C ................................................... 20 Bảng 2.4 Đặc tính địa chất công trình của lớp D ................................................... 22 Bảng 2.5 Đặc tính địa chất công 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 vòm .............................................123 Bảng 6.2 Thông số đất nền...................................................................................124 Bảng 6.3 Thông 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 lự