Dự báo độ lún của bề mặt đất do đào hầm bằng máy đào tbm tại tuyến Metro line 3, Hà Nội

f ground surface cocerning metro line contruction and for example of metro line 3 Hanoi. Keywords: Trenchless excavation, TBM, Metroline, Setlement. 1. GIỚI THIỆU CHUNG * Ở TP. Hà Nội với mật độ dân cƣ đông đúc hiện nay, đặc biệt là ở các khu vực tuyến hầm ngầm của dự án Metro Line 3 đi qua, nên việc dự báo độ lún của nền đất do quá trình thi công đào hầm bằng TBM là rất quan trọng và cần đƣợc nghiên cứu kỹ lƣỡng. Do phần lớn công tác đào hầm diễn ra trong môi trƣờng đô thị có mật độ dày đặc, có khả năng ảnh hƣởng đến mặt bằng xung quanh hoặc kết cấu dƣới lòng đất trong phạm vi khu vực ảnh hƣởng, nên việc xác định quy mô của sụt lún có thể xảy ra đóng một vai trò lớn trong việc thiết lập các quy định và chỉ dẫn kỹ thuật cho biện pháp thi công và trong thiết kế các biện pháp giảm thiểu rủi ro tại những vị trí cần thiết. Vì vậy việc tuyến đƣờng sắt Metro Line 3 sử dụng công nghệ khoan hầm TBM với những ƣu điểm vƣợt trội trong thi công là mang tính cấp thiết nhằm hạn chế triệt để những rủi ro do việc thi công hầm ảnh hƣởng xấu đến công trình cũng nhƣ dân cƣ phía trên. Tuy nhiên, việc dự báo độ lún của nền đất do quá trình đào hầm cần đƣợc quan tâm. Bài báo tiến hành tập hợp các lời giải giải tích đã có trên thế giới, sau đó tìm cách áp dụng công thức đó vào điều kiện địa chất ở Việt Nam mà cụ thể là tuyến Metro Line 3, Hà Nội. Trong quá trình áp dụng công thức, nhóm * Khoa Công trình - Đại học Giao thông Vận tải 03 Cầu Giấy - Láng Thượng - Đống Đa - Hà Nội Email: dang.hong.lam@utc.edu.vn tác giả đã sử dụng công thức hệ số tƣơng đƣơng cho nền đất nhiều lớp. Kết quả dự báo là một trong những cơ sở để các đơn vị liên quan xem xét đến vấn đề lún gây ra cho quá trình đào hầm sau này không chỉ cho dự án Metro Line 3, Hà Nội mà còn cho các tuyến đƣờng hầm sau này. Cấu trúc của bài báo nhƣ sau: tiếp theo phần giới thiệu là phần lời giải độ lún của nền bằng các công thức giải tích đã nghiên cứu trên thế giới cho nền đồng nhất, đề xuất sử dụng công thức tƣơng đƣơng cho nền nhiều lớp. Sau đó là vị dụ áp dụng các công thức trên cho tuyến đƣờng sắt đô thị ở Hà Nội (Metro Line 3) và một số nhận xét về kết quả. Cuối cùng là một số kết luận chung của bài báo. 2. LỜI GIẢI BẰNG GIẢI TÍCH 2.1. Nền đất đồng nhất Thông qua các nghiên cứu và kinh nghiệm thực địa khác nhau, các phƣơng pháp thực nghiệm đã đƣợc phát triển trong nhiều năm để dự đoán sự biến dạng gây ra bởi việc đào hầm trên mặt đất mềm của Peck (1969). Độ lún của bề mặt đƣợc đề xuất ở hàm xấp xỉ hàm phân phối xác suất (Hình 1) đƣợc mô tả bởi Peck (1969). (1) trong đó: là độ lún bề mặt ở khoảng cách ngang (y) từ đƣờng tâm của đƣờng hầm và Smax là độ lún tối đa tâm đƣờng hầm tại mặt đất (y = 0). ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 58 Theo công thức đƣợc đề xuất của Peck: (2) trong đó: là thể tích đất bị mất và i là giá trị cần xác định. Thể tích đất bị mất có thể tính theo công thức sau: ; (3) ; (4) Hình 1. Mô phỏng độ lún mặt đất Các kết quả tính toán đã đƣợc tập hợp và minh họa trong một sơ đồ không thứ nguyên của i / R so với z /2R cho các đƣờng hầm khác nhau trong các vật liệu khác nhau của Peck (1969). Từ các quan hệ thu đƣợc với các quan sát thực địa, Peck (1969) đã hình thành mối quan hệ sau đây để ƣớc tính giá trị của i. Công thức ƣớc tính giá trị i bằng thực nghiệm: (5) Trong công thức (3), giá trị VL ảnh hƣởng đến việc dự tính độ lún của nền đất. Giá trị VL phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có điều kiện địa chất, hình học của hầm (độ sâu và đƣờng kính hầm), công nghệ thi công. Trong thực hành, VL đƣợc lấy theo kinh nghiệm của một số nghiên cứu dƣới đây Bảng 1. Các công thức kinh nghiệm xác định i Công thức tìm i Tác giả và cơ sở cho công thức i / R = ( z o / 2R) n Peck (1969) bằng quan sát thực địa đã đề xuất n = 0,8 ÷ 1,0 i / R = ( z o / 2 R) n Attewell và Farmer (1974) bằng quan sát thực địa của các đƣờng hầm ở Vƣơng quốc Anh đã đề xuất n = 1 i / R = ( z o / 2 R) n Clough và Schmidt (1981) bằng quan sát thực địa của các đƣờng hầm Vƣơng quốc Anh trong đó n = 0,8 i = 0,43 z o + 1,1m O'Reilly và New (1982) bằng quan sát thực địa của các đƣờng hầm ở Vƣơng quốc Anh cho đất dính với 3 z o 34m i = 0,28 z o - 0,1m O'Reilly và New (1982) bằng quan sát thực địa của các đƣờng hầm Vƣơng quốc Anh cho đất dạng hạt với 6 z 0 10m i = 0,5 z o Mair và cộng sự (1983) bằng quan sát thực địa và thử nghiệm máy ly tâm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 59 Bảng 2. Một số giá trị của mất mát khối lƣợng VL(%) Tác giả VL (%) Phƣơng pháp thi công O'Reilly và New (1982) 1.0 - 1.4 Open face Mair và Taylor (1997) 1.0 - 2.0 Open face Mair và Taylor (1997) 0.5 - 1.5 NATM Mair và Taylor (1997) 1.0 - 2.0 EPB hoặc Slurry Shield TBM Shirlaw và cống sự (2003) 0 – 6 EPB TBM Binh Thanh Le và cộng sự (2019) 1.0 TBM 2.2. Đề xuất công thức cho trƣờng hợp nền đất không đồng nhất Đối với nền đất không đồng nhất, có thể áp dụng công thức tuyến tính gần đúng nhƣ sau: i = keq.zo, Mair và cộng sự (1993) đã quan sát thấy rằng giá trị keq tăng lên cùng với chiều sâu độ lún dƣới đất. Đối với đất không đồng nhất, có thể sử dụng công thức trọng lƣợng đƣợc đề xuất sau đây: (6) Trong đó:  là hệ số xét đến sự ảnh hƣởng của vị trí lớp đất đến vị trí đào hầm, giá trị này có thể lấy bằng 0.6 zi là chiều dày lớp đất số i ki là tham số của lớp đất thứ i m là số lƣợng lớp đất nằm trên chiều dày 1.5D tính từ tim đƣờng hầm, trong đó D là đƣờng kính của hầm (hình 2) Hình 2. Mô hình hóa cho nền đất nhiều lớp 3. VÍ DỤ ÁP DỤNG - Phần này của báo cáo trình bày các giới thiệu địa chất của Tuyến Metro Line 3 Hà Nội. Các điều kiện địa chất và địa kỹ thuật ở khu vực Hà Nội khá phức tạp và do kiến thức về các điều kiện địa kỹ thuật rất hạn chế, vì vậy các chƣơng trình khảo sát toàn diện đã đƣợc thực hiện để xác định các thông số địa kỹ thuật cả bằng các thí nghiệm hiện trƣờng và trong phòng. 3.1. Địa tầng của tuyến Metro Line 3 Do sự biến đổi trong trắc dọc của hầm và các thông số địa kỹ thuật khác nhau, bài báo chỉ lựa chọn mặt cắt địa chất tại ga S11 để làm ví dụ minh họa kết quả tính (Systra. S.A, 2012). Mặt cắt địa chất đƣợc thể hiện trong hình 3 . Theo đó, địa chất tuyến Metro Line 3 đƣợc chia thành 6 lớp: Đất lấp, GU3&4, GU1_s, GU1_s2, GU5_a, GU5_b, và GU7&8 nhƣ sau: - Lớp Đất lấp là tầng địa chất lấp phía trên có chiều dày mỏng. - Lớp GU3&4 là tổng hợp của tầng GU3 (Sét giàu - CH) và GU4 (sét dẻo – MH) có tính dẻo vừa đến dẻo cao. Nó chủ yếu bao gồm đất từ hữu cơ và có thể đƣợc mô tả từ trạng thái mềm đến cứng. - Lớp GU1_s bao gồm Sét vô cơ (CL) có độ dẻo thấp và có thể đƣợc mô tả là từ trạng thái cứng đến rất cứng. Tầng này đƣợc phân chia thành GU1_s_1 khi SPT N nhỏ hơn 10 (và qc nhỏ hơn 1MPa) và GU1_s_2 khi SPT N lớn hơn 10 (và qc lớn hơn 1MPa). ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 60 - Lớp GU5 bao gồm Cát lẫn đất bột và đƣợc phân loại là đất dạng hạt. Tầng này có thể đƣợc phân chia thành GU5a là Cát đất bột trạng thái chặt vừa (SPT N nhỏ hơn 30 và qc nhỏ hơn 10MPa) và GU5b là Cát bột từ trạng thái chặt đến rất chặt (SPT N lớn hơn 30 and qc lớn hơn 10MPa). - Lớp GU7&8 là sự kết hợp của tầng GU7 gồm Cát cuội sỏi và tầng GU8 là cuội sỏi. Trong tầng GU7&8, giá trị SPT N là trên 50 phân xếp lớp này là lớp có trạng thái rất chặt. Hình 3. Sơ đồ địa chất tại ga S11 3.2. Áp dụng tính chuyển vị bề mặt ▪ Sự ảnh hƣởng của VL đối với độ lún lớn nhất bề mặt Khối lƣợng vật liệu mất đi trong quá trình đào ảnh hƣởng lớn đến việc dự tính độ lún của nền đất. Theo các nghiên cứu của Binh Thanh Le và cộng sự (2019) cho tuyến Metro line 1 ở Sài Gòn thì hệ số VL có là 1%. Trong nghiên cứu này, hệ số VL đƣợc chọn là 1% tƣơng tự nhƣ ở tuyến Metro line 1 ở Sài Gòn. ▪ Tham số k Tham số ki đƣợc lƣa chọn nhƣ sau tùy theo tính chất của các lớp đất. Đối với địa chất ở dự án Metro Line 3 thì có thể tham khảo theo bảng 3. Bảng 3. Một số giá trị của tham số k. Tên lớp đất Mô tả tính chất k Lớp đất đắp Đất đắp 0,3 GU1_s Sét pha có các lăng kính bột hoặc sét bột 0,5 GU1_d Sét pha có các lăng kính bột hoặc sét bột 0,5 GU3&4 Sét trạng thái dẻo lẫn hƣu cơ 0,5 GU5_a Cát mịn hoặc cát bột trạng thái rời rạc đến chặt vừa 0,25 GU5_b Cát mịn hoặc cát bột trạng thái chặt 0,25 GU7&8 Cát và sỏi rất chặt 0,3 ▪ Ảnh hƣởng của các lớp đất không đồng nhất đến giá trị i. - i là thông số chiều rộng ảnh hƣởng đến độ lún đƣợc tính là i=keq.zo, trong đó keq hằng số không có đơn vị, phụ thuộc vào loại đất và zo là độ sâu của trục hầm dƣới mặt đất; i thể hiện vị trí của điểm cong lún, trong đó hào có độ dốc tối đa của nó; nó tách phần võng xuống khỏi phần khu vực cong uốn của đƣờng của đƣờng cong. - Công thức (6) đƣợc sử dụng để dự tính keq tƣơng đƣơng cho các lớp đất trong dự án Metro Line 3 cho hầm ở vị trí sâu 21m đƣợc trình bày ở bảng 4 và minh họa ở hình 4. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 61 Hình 4. Minh họa vị trí cho hầm sâu 21m Bảng 4. Bảng thông số để tính giá trị keq cho hầm ở độ sâu 21m Lớp đất zi ki  Ghi chú Đất đắp 1 0,3 0,4 Lớp đất xa hầm GU3&4 10 0,5 0,4 GU1_s 3,5 0,5 0,6 Lớp đất gần hầm GU5_a 6,5 0,25 0,6 Đối với hầm của tuyến Metro line 3 có bán kính R= 3,3m, đƣợc đào trong độ sâu tính từ mặt đất đến tâm hầm là zo = 10 ÷ 21 (m), giá trị i đƣợc tính toán theo công thức (2). Ta có kêt quả tính sau cho vị trí đặt hầm ở độ sâu tƣơng ứng với 10m đến 21m từ công thức (1) nhƣ hình 5. -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -25 -15 -5 5 15 25 Đ ộ lú n ( m m ) Khoảng cách (m) 10 m 11 m 12 m 13 m 14 m 15 m 16 m 17 m 18 m 19 m 20 m 21 m Hình 5. Dự tính độ lún của bề mặt với chiều sâu đặt hầm từ 10m đến 21m 3.3. Nhận xét Qua kết quả tính ở hình 5, ta thấy rằng độ lún lớn nhất của bề mặt đất xẩy ra ở trục đi qua tâm hầm. Giá trị độ lún này tỷ lệ nghịch với chiều sâu chôn hầm, tức là giá trị độ lún lớn nhất gần 28mm ứng với độ sâu chôn hầm tại 10m, giá trị này giảm dần đến 15mm ứng với độ sâu chôn hầm là 21m. Phạm vị ảnh hƣởng (độ lún của bề mặt) phụ thuộc vào độ sâu đặt hầm, cụ thể: với độ sâu đặt hầm 10m thì phạm vị ảnh hƣởng khoảng 12m về phía 2 bên; trong khi giá trị phạm vi ảnh hƣởng này lên đến khoảng 25m cho hầm sâu 21m. 4. KẾT LUẬN Bài báo trình bày công thức tính dự báo độ lún của hầm do quá trình thi công TBM và áp dung để dự tính độ lún cho tuyến Metro Line 3, Hà Nội. Công thức giải thích trong bài báo là đƣợc phát triển từ các nghiên cứu cho nền đất đồng nhất cho trƣờng hợp nền đất có nhiều lớp khác nhau. Ƣu điểm của công thức này cho phép dự tính rất nhanh giá trị độ lún của nền, từ đó đƣa ra các phƣơng án xử lý gia cố nền đất bề mặt nếu yêu cầu. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Attewell, P.B. and Farmer, I.W., 1974, “Ground deformations resulting from shield tunneling in London clay,” Canadian Geotechnical Journal, Vol. 11, pp.380-395. 2. Binh Thanh Le, Minoru Kuriki, Quoc Phan, Neil Taylor, 2020. “An empirical analysis on measured ground surface settlement induced by TBM tunnelling in Ho Chi Minh city”. Lecture Notes in Civil Engineering, vol 62. Springer, Singapore. 3. Clough, G.W. and Schmidt, B., 1981 “Excavation and Tunneling,” Soft Clay Engineering, Chapter 8, edited by E.W. Brand and R.P. Brenner, Elsevier. 4. Mair, R.J., and Taylor, R.N. 1997. “Theme lecture: Bored tunnelling in the urban environment”. In Proceedings of the fourteenth international conference on soil mechanics and foundation engineering, Balkema (pp. 2353– 2385). 5. Mair, R.J., Gunn, M.J. and O’Reilly, M.P., 1983, “Ground movements around shallow tunnels in soft clay,” 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Stockholm, pp. 323-328. 6. Mair, R.J., Taylor, R.N. and Bracegirdle, A., 1993, “Subsurface settlement profiles above tunnels in clay,” Geotechnique, Vol.43, pp.315-320. 7. O’Reilly, M.P. and New, B.M., 1982, “Settlements above tunnels in the UK- their magnitude and prediction,” Tunneling ’82, pp. 173-181. 8. Peck, R. B., 1969, “Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground,” State of the Art Volume, Seventh International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, pp. 225-290, Mexico City. 9. Shirlaw, J.N., Ong, J.C.W., Rosser, H.B., Tan, C.G, Osborne, N.H. and Heslop, P.J.E. 2003. “Local settlements and sinkholes due to EPB tunnelling”. Proc. ICE, Geotechnical Engineering I 56, October Issue GE4, pp 193–211. 10. Systra S.A 2012. “Báo cáo thiết kế kỹ thuật_ Dự án: Tuyến đƣờng sắt đô thị thí điểm thành phố Hà Nội đoạn Nhổn – Ga Hà Nội_Gói thầu: Đoạn đi ngầm – tuyến và nhà ga (SYSTRA S.A – tƣ vấn thực hiện dự án)” 11. Wooi Leong Tan, 2003. “Parameters and Considerations in Soft Ground Tunneling”. School of Civil & Environmental Engineering Nanyang Technological University, Singapore. Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN CHÂU LÂN