TÍNH TOÁN LÚN BỀ MẶT GÂY RA BỞI THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM THEO CÔNG NGHỆ KÍCH ĐẨY KS. BÙI THANH MAI TS. NGÔ ĐĂNG QUANG TS. NGUYỄN XUÂN HUY Bộ môn Kết cấu xây dựng Viện Khoa học và Công nghệ xây dựng giao thông Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một số nguyên nhân và phương pháp xác định lún bề mặt trong quá trình thi công và khai thác công trình ngầm (CTN) được thi công theo công nghệ kích đẩy. Một số kết quả tính toán cho một CTN cụ thể đang được thi công tại thành phố Hồ Chí Minh cũng sẽ được giới thiệu. Summary: The article introduces some causes and methods of estimating the face stability and the surface settlement induced during building and operating underground works using pipe-jacking technology. Some results of a cacultion for an underground works presently carried out in Ho Chi Minh city are also presented. I. MỞ ĐẦU Các công trình ngầm (CTN) trong đô thị ngày càng trở nên phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hiện đại. Có nhiều biện pháp kỹ thuật khác nhau được sử dụng để xây dựng những công trình này. Hai kỹ thuật chính được sử dụng để xây dựng các CTN đô thị là kỹ thuật đào hở và kỹ thuật đào kín. Mỗi công nghệ đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các loại công trình ngầm khác nhau. Kỹ thuật đào kín tỏ ra đặc biệt có hiệu quả khi thi công các CTN trong đô thị đặt sâu. Đối với các CTN dạng trọng lực, kĩ thuật kích đẩy ống (thuộc nhóm kỹ thuật đào kín) là một lựa chọn thích hợp [3]. Một vấn đề chung được đặt ra đối với việc xây dựng các CTN là sự ảnh hưởng của nó đối với môi trường xung quanh trong và sau quá trình thi công. Việc xác định lún bề mặt là vấn đề rất quan trọng cần được quan tâm khi xây dựng CTN, đặc biệt là các CTN được xây dựng trong đô thị do có rất nhiều các công trình kiến trúc, nhà cửa, kết cấu hạ tầng kỹ thuật v.v… nằm lân cận khu vực CTN. Lún bề mặt, tuỳ thuộc vào mức độ, phạm vi ảnh hưởng, hướng và tốc độ phát triển, có thể gây tác động xáo trộn trạng thái của các công trình này, làm thay đổi chức năng sử dụng và nguy hiểm hơn, có thể phá huỷ kết cấu gây mất ổn định công trình [1]. II. GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ KÍCH ĐẨY Theo định nghĩa của Hiệp hội kỹ sư xây dựng Hoa Kỳ (American Society of Civil Engineers-ASCE) [9] có thể hiểu công nghệ kích đẩy ống (pipe jacking) như sau: công nghệ kích đẩy là một hệ thống gồm nhiều đốt ống được lắp đặt trực tiếp ở phía sau một khiên đào, được đẩy đi bằng hệ kích thuỷ lực, từ một giếng kích đẩy (drive shaft/pit) đến một giếng nhận (receiving shaft/pit) để tạo thành một công trình ngầm liên tục trong lòng đất. Những đặc điểm chung nhất của công nghệ kích đẩy ống là : (1) được điều khiển từ xa; (2) có dẫn hướng; (3) được kích đẩy theo hướng tuyến đã định và (4) đất nền được chống đỡ liên tục. Hình 1. Mô tả sơ đồ công nghệ kích đẩy III. LÚN BỀ MẶT VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LÚN BỀ MẶT Do lực kích đẩy ống tác dụng trong quá trình kích đẩy có phương nằm ngang nên việc xác định lún theo phương thẳng đứng của công trình ngầm được thi công theo công nghệ kích đẩy chỉ chủ yếu phụ thuộc vào loại thiết bị được sử dụng trong quá trình đào hầm. 1. Các nguyên nhân gây lún bề mặt khi thi công CTN bằng phương pháp kích đẩy Hình 2. Hình dạng phễu lún trên bề mặt do thi công CTN Thiết bị chủ yếu được sử dụng để đào hầm trong quá trình thi công kích đẩy là khiên đào hoặc máy đào tổ hợp TBM (Tunnel boring machine). Do đó, lún bề mặt có thể phân ra làm 4 nhóm sau (hình 3): Hình 3. Độ lún dọc theo máy khiên đào - Lún ở phía trước và phía trên gương đào (đoạn a): Gây ra bởi sự dịch chuyển của đất ở phía trước và trên khu vực khiên đào về phía khoảng trống vừa tạo ra; - Lún dọc theo trục khiên đào (đoạn b): Do 2 nguyên nhân chủ yếu là do khoảng hở giữa khối đất và thành máy khiên đào và ma sát giữa khiên đào với khối đất; - Lún tại đuôi khiên đào (đoạn c): Do một khoảng hở phát triển giữa đuôi khiên đào với khối đất bao quanh; - Lún liên quan đến biến dạng của lớp vỏ hầm (đoạn d): Các phân đốt bê tông đúc sẵn được lắp đặt phía trong lớp vỏ khiên ở phía đuôi có thể bị biến dạng khi chịu lực đẩy của kích và áp lực đất, gây lún bề mặt. 2. Các phương pháp tính lún Có hai phương pháp tính lún bề mặt đất đang được sử dụng phổ biến là (1) phương pháp kinh nghiệm và bán kinh nghiệm/giải tích dựa trên các công thức kinh nghiệm được rút ra từ kết quả quan trắc tại các công trình cũ và đã được chứng minh là tương đối phù hợp qua các ứng dụng thực tế và (2) phương pháp số (chủ yếu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn) là phương pháp khá phổ biến hiện nay, hoặc kết hợp cả hai phương pháp trên. 2.1. Phương pháp giải thích (phương pháp kinh nghiệm và bán kinh nghiệm) [1,2] Có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xây dựng phương trình xác định lún bề mặt như các nghiên cứu của Peck và Schmidt, Cording và Hansmire, Atkinson và Potts, Attewell và Woodman, O’Reilly và New, v.v… Có thể tổng kết về tính lún thẳng đứng theo phương pháp giải tích như sau: a. Lún thẳng đứng theo phương vuông góc với CTN Các tác giả đều đề xuất giả thiết máng lún có dạng đường cong phân phối chuẩn (hình 4). ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = 2 2 max i2 y expSS (1) Trong đó: Hình 4. Hình dạng máng lún S: Độ lún bề mặt theo tính toán lý thuyết, thường được giả định có dạng hàm sai số Gauss hay đường cong phân phối chuẩn. S max : Độ lún bề mặt lớn nhất, ở phía trên trục hầm, thường được xác định thông qua thể tích phễu lún. Giá trị này phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa cơ học của khối đất như độ bền, độ cứng, tính thấm, cao độ nước ngầm, v.v…, các thông số hình học của CTN như đường kính CTN, độ sâu đặt CTN, phương pháp thi công, trình độ kỹ thuật thi công. exp: Hàm số mũ e x , trong đó, e được lấy gần bằng 2,178 và là cơ số của hàm số logarit tự nhiên. y: Khoảng cách ngang từ tim CTN đến điểm cần tính lún. i: Độ lệch tiêu chuẩn của đường cong tính lún, là khoảng cách từ điểm uốn của máng lún đến tim CTN, còn được gọi là thông số bề rộng máng lún. Có nhiều công thức để xác định giá trị i trong đó chủ yếu là các công thức thu được từ kết quả quan trắc hiện trường. Theo đó, giá trị i phụ thuộc vào kích thước (đường kính) CTN, điều kiện địa chất và đặc biệt là độ sâu đặt CTN (H). b. Lún dọc trục CTN Hiện nay, những nghiên cứu xung quanh việc xác định đường cong lún theo phương dọc trục CTN còn rất hạn chế. Theo Attewell và Woodman [5], độ lún tại vị trí mặt gương đào có thể lấy gần bằng 1/2 độ lớn cuối cùng (hình 5). Độ lún tại một điểm dọc trục CTN có thể được tính theo công thức: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ν=ν i x FS)x(S max,0y (2) Trong đó: ∫ ∞− − π =φ x i2 x x 2 x 2 e 2i 1 )x( (3) x: Khoảng cách từ điểm tính lún đến vị trí mặt gương. i x : Thông số bề rộng máng lún theo phương dọc CTN, một cách gần đúng, có thể lấy i x = i với i đã tính toán ở trên. Hình 5. Hình dạng máng lún 2.2. Phương pháp số Với sự phát triển mạnh mẽ của công cụ máy tính, phương pháp số ngày càng chiếm ưu thế trong những năm gần đây. Rõ ràng việc ứng dụng phương pháp số trong việc giải quyết vấn đề lún mặt đất gây ra bởi quá trình đào hầm là thích hợp nhất. Phương pháp số không chỉ được sử dụng để dự đoán lún bề mặt mà còn mô tả toàn bộ quá trình thiết kế hầm, bao gồm việc mô phỏng các giai đoạn đào hầm và đặt các đốt hầm, sự tương tác giữa các đốt hầm đã đặt với đất đá xung quanh, ảnh hưởng của các công trình đặt gần đó, ảnh hưởng của hiện tượng thấm và hiện tượng cố kết, v.v… Mô hình phương pháp số tiêu biểu được sử dụng trong phân tích địa kỹ thuật thường bao gồm các hệ thống nút, phần tử và điều kiện biên. Trong đó, các phần tử được sử dụng để mô hình hoá đặc trưng hình học và cơ học của khối đất đá cũng như kết cấu. Các nút có vai trò xác định vị trí và liên kết các phần tử còn điều kiện biên sẽ mô tả lại đặc điểm liên kết của mô hình với không gian còn lại xung quanh. Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số phổ thông nhất trong việc ước tính lún bề mặt do thi công hầm. Khi mô hình hoá và dự báo phát triển lún bề mặt bằng một phần mềm địa kỹ thuật chuyên dụng, cần có các số liệu đầu vào như: kích thước hình học; tính chất vật liệu của hệ thống chống đỡ, phương pháp thi công, điều kiện địa chất,… Các kết quả đầu ra, ngoài biến dạng lún mặt đất, còn bao gồm cả nội lực trong vỏ hầm (lực dọc và mô men uốn dùng để thiết kế cốt thép trong vỏ hầm), và các sơ đồ phân bố ứng suất. Mục đích phân tích sẽ quyết định việc lựa chọn phần tử, kích thước và mức độ phức tạp của mô hình. Các phần tử hữu hạn nên được lựa chọn sao cho có thể mô hình hoá một cách gần đúng nhất sự làm việc thực tế của đất đá mà không quá phức tạp, vượt quá khả năng của các công cụ tính toán thông thường. Hiện nay, trên thế giới đang có rất nhiều phần mềm tính toán, phân tích địa kỹ thuật khác nhau như GTS, Plaxis, v.v. Mỗi phần mềm đều có những điểm mạnh, điểm yếu khác nhau và, do đó, được áp dụng thích hợp cho những lĩnh vực khác nhau. - Plaxis 3D Tunnel: là một phần mềm trong họ các phần mềm PLAXIS của hãng PLAXIS (Hà Lan). Đây là phần mềm địa kỹ thuật được phát triển cho mục đích tính toán biến dạng và ổn định ở dạng 3D các kết cấu hầm. - midasGTS: midasGTS – Geotechnical & Tunnel Analysis System là một hệ thống phần mềm tính toán địa kỹ thuật và hầm được hai hãng phần mềm hàng đầu thế giới là MIDAS IT (Hàn Quốc) và ADINA (Hà Lan) hợp tác phát triển. Theo công bố của nhà sản xuất, GTS có khả năng tính toán, phân tích hầu hết các bài toán phổ biến trong lĩnh vực địa kỹ thuật dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn với các mô hình 2D và 3D. IV. VÍ DỤ ÁP DỤNG Ví dụ sau trình bày kết quả áp dụng phương pháp t 1. Các số liệu của ví dụ Trong phần này, một dự án lắp đặt hệ thống cấp nước ngầm trong nội thành thành phố Hồ Chí Minh bằng phương pháp kích đẩy được sử dụng làm ví dụ tính toán. Dự án này được thực hiện trong hai năm 2005 – 2006 do Sở tài nguyên và môi trường thành phố Hồ Chí Minh phối hợp cùng công ty NISHIMATSU. Trong ví dụ này, chỉ trích ra một phần của hệ thống để nghiên cứu lún bề mặt. Các thông số địa chất, đặc trưng hình học của công trình cũng như đặc điểm của hệ thống kích đẩy được tóm tắt dưới đây. a. Đặc điểm đất đá Đất trong khu vực thi công là đất cát với các thuộc tính cơ bản sau: - Trọng lượng riêng g = 2,02T/m 3 - Góc ma sát trong j = 28 0 - Cường độ lực dính c = 0 - Mực nước ngầm -2m b. Điều kiện thi công Chiều sâu đặt ống thực tế H = 11,22m ÷ 9,69m. Trong ví dụ này, chiều sâu đặt ống được lấy là H = 11m. Đường kính ngoài của khiên đào D = 2,6m c. Đặc điểm của hệ thống kích đẩy - Đường kính trong của ống D = 2,2m - Bề dày ống t = 0,2m - Đường kính ngoài của ống D = 2,6m 2. Tính toán lún bề mặt theo công thức thực nghiệm và bán thực nghiệm Trong phần này, công thức kinh nghiệm của O'Reilly và New [1, 2] sẽ được sử dụng để ước tính lún. Giá trị lún bề mặt lớn nhất theo phương thẳng đứng (xét trên mặt cắt ngang ống tại vị trí trọng tâm của ống) là S max = 3,8mm 3. Tính toán theo phương pháp số a. Xây dựng lưới phần tử hữu hạn Hình 5 và 6 mô tả lưới phần tử hữu hạn, bao gồm phần tử vỏ hầm, phần tử đất đá xung quanh hầm, phần tử đất đá trong hầm trước khi đào và phần tử mô tả giếng kích đẩy và giếng nhận. Các phần tử này có dạng tam giác hoặc tứ giác. Tại vị trí gần giếng kích đẩy, giếng nhận cũng như vị trí đặt hầm, có sự tập trung ứng suất, các phần tử hữu hạn được chia nhỏ hơn so với các phần tử đất đá ở xa. Do các bước thi công kích đẩy là giống nhau nên sau khi mô hình hoá được một đốt hầm, sẽ sử dụng lệnh “extrude” để tạo các đốt hầm còn lại. Hình 6. Lưới phần tử trên mô hình 3D Hình 7. Lưới phần tử trên mặt cắt ngang b. Phân tích kết quả -4.486E-4 4.131E-4 4.131E-4 -4.486E-4 Hình 8. Biểu đồ chuyển vị theo phương thẳng đứng (lún) tại đốt 1 Hình 9. Phóng đại để quan sát hình dạng máng lún Một số kết quả đặc trưng khi phân tích quá trình xây dựng công trình ngầm bằng phương pháp kích đẩy theo phương pháp số: phễu lún có hình dạng của đường cong phân phối chuẩn giống như giả thiết đã được sử dụng trong phương pháp giải tích, giá trị chuyển vị lớn nhất xác định được là S max = 1,93. Hình 8 mô tả giá trị chuyển vị tại vị trí ống đốt 1 trước khi lắp đặt ống. hình 9 là hình phóng đại để quan sát hình dạng máng lún. Các hình 10 mô tả chuyển vị trên mô hình không gian của công trình ngầm sau khi được thi công xong. Hình 11 mô tả chuyển vị thẳng đứng nhình theo phương dọc hầm sau khi công trình ngầm được thi công xong. Hình 10. Biểu đồ chuyển vị trên mô hình không gian 4.722E-4 -8.067E-4-1.943E-3 2.824E-4 Hình 11. Biểu đồ chuyển vị thẳng đứng (nhìn theo phương dọc hầm) V. SO SÁNH VÀ KẾT LUẬN Các kết quả ban đầu trong tính lún bằng mô hình trên phần mềm GTS tương đối phù hợp với kết quả thu được từ các công thức thực nghiệm cả về hình dạng máng lún và giá trị lún lớn nhất (theo công thức thực nghiệm, độ lún lớn nhất tính được tại vị trí tim ống, xét trên mặt cắt ngang là S max = 3,8mm còn theo kết quả tính toán bằng phần mềm GTS, độ lún lớn nhất sau khi kết thúc quá trình thi công là S max = 1,93mm). Khi tính toán lún bề mặt nên sử dụng kết hợp cả phương pháp giải tích và phương pháp số. Tuy nhiên, những phương pháp trên đây mới là những kết quả ban đầu. Cần phải có các số liệu đo đạc tại hiện trường để có thể đánh giá được mức độ chính xác của các phương pháp tính đã được sử dụng trên đây. Tài liệu tham khảo [1]. Eric Leca, Animatuer, Barry New. General Reporter, Settlement induced by tunnelling in soft ground, ITA/AITES Report 2006. [2]. Takahiro Aoyagi (1995). Representing Settlement for Soft Ground Tunneling, Master thesis. Massachusetts Institute of Technology. [3]. Thomson James (1995). Pipe Jacking and Microtunnelling, Blackie Academic & Professional, London. [4]. W. Broere (2001). Tunnel Face Stability & New CPT Applications, Hà Lan. [5]. John Pickhaver. Numerical Modelling of building response to tunnelling, Thesis at University of Oxford. [6]. GTS Analysis Reference. [7]. Jean-Francois Serratrice & Jean Pierre Magnan. Surface settlement analysis and prediction during construction of the Toulon Underground Crossing’s nothern tunnel, Pháp. [8]. F.X. Borghi. Soil conditioning for pipe- jacking and tunnelling, University of Cambridge. [9]. ASCE (1999). Standard Construction Guidelines for Microtunnelling, American Society of Civil Engineers, Public Ballot, Rev. 8, July♦ . TÍNH TOÁN LÚN BỀ MẶT GÂY RA BỞI THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM THEO CÔNG NGHỆ KÍCH ĐẨY KS. BÙI THANH MAI TS. NGÔ ĐĂNG QUANG TS. NGUYỄN XUÂN HUY Bộ môn Kết cấu xây dựng Viện Khoa học và Công. trong quá trình kích đẩy có phương nằm ngang nên việc xác định lún theo phương thẳng đứng của công trình ngầm được thi công theo công nghệ kích đẩy chỉ chủ yếu phụ thuộc vào loại thi t bị được. được sử dụng trong quá trình đào hầm. 1. Các nguyên nhân gây lún bề mặt khi thi công CTN bằng phương pháp kích đẩy Hình 2. Hình dạng phễu lún trên bề mặt do thi công CTN Thi t bị chủ yếu được