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.
167 trang |
Chia sẻ: vietpd | Lượt xem: 1960 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua đô thị phù hợp với điều kiện khu vực thành phố Hồ Chí Minh, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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