BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI KIỀU MINH QUANG XÂY DỰNG TUYẾN METRO NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN KÍCH NGẦM PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN THI CÔNG TẠI HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI KIỀU MINH QUANG KHÓA: 2015 – 2017 XÂY DỰNG TUYẾN METRO NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN KÍCH NGẦM PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN THI CÔNG TẠI HÀ NỘI Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DD&CN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN CÔNG GIANG Hà Nội - 2017 LỜI CẢM ƠN Trên thực tế khơng có thành công mà không gắn liền với giúp đỡ, hỗ trợ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người thầy, người cô, gia đình bạn bè Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, xin gửi đến TS Nguyễn Công Giang, người thầy hướng dẫn luận văn, dùng tri thức tâm huyết truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho suốt thời gian vừa qua Xin cảm ơn Khoa sau đại học - Đại học Kiến trúc Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình đào tạo thạc sỹ Và cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè bên động viên lúc khó khăn để vượt qua hồn thành tốt luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu Luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng TÁC GIẢ LUẬN VĂN Kiều Minh Quang MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG, SƠ ĐỒ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU  Lý chọn đề tài  Mục tiêu, mục đích nghiên cứu  Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Vấn đề nghiên cứu  Phương pháp nghiên cứu  Đóng góp mặt khoa học thực tiễn  Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN XÂY DỰNG TUYẾN METRO NGẦM 1.1 Khái quát Tuyến METRO ngầm 1.2 Cấu tạo công tuyến Metro ngầm 1.3 Thi công tuyến Metro ngầm phương pháp đào hở 13 1.4 Thi công tuyến Metro ngầm phương pháp đào kín 14 1.5 Phương pháp khoan kích ngầm Micro Tunneling 17 CHƯƠNG TÍNH TỐN TUYẾN METRO TRONG GIAI ĐOẠN THI CƠNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN KÍCH NGẦM 28 2.1 Cơ sở lý thuyết 28 2.2 Tính tốn kết cấu vỏ hầm phương pháp khoan kích ngầm 28 2.2.1 Mơ hình tính tốn 28 2.2.2 Tải trọng tác dụng 29 2.2.3 Sơ đồ tính - Ngun tắc tính tốn kết cấu vỏ hầm 42 2.2.4 Kiểm tra kết cấu vỏ hầm 44 2.3 Tính tốn biến dạng đất phương pháp khoan kích ngầm 47 2.3.1 Lý thuyết tính tốn 48 2.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 50 CHƯƠNG TÍNH TỐN ĐOẠN TUYẾN METRO NGẦM TẠI HÀ NỘI THEO PHƯƠNG PHÁP KHOAN KÍCH NGẦM 53 3.1 Giới thiệu đoạn tuyến Metro ngầm Hà Nội 53 3.2 Tính tốn kết cấu vỏ tuyến METRO ngầm 60 3.2.1 Thơng số tính tốn 60 3.2.2 Đặc trưng mặt cắt kết cấu: 62 3.2.3 Tải trọng tác dụng 62 3.3 Mơ hình hóa kết cấu vỏ tuyến METRO ngầm 66 3.3 Kiểm tra kết cấu vỏ hầm 70 3.4 Khảo sát biến dạng bề mặt đất số trường hợp 75 3.5 Đề xuất số giải pháp gia cố hạn chế lún bề mặt 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 Kết luận 78 Kiến nghị 78 Tài liệu tham khảo 80 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: Ký hiệu Ý nghĩa A Diện tích tiết diện ống As Diện tích cốt thép chịu lực As,tot Diện tích tồn tiết diện cốt thép dọc Asw Diện tích cốt thép đai C Lực dính đất đá e1, e2 Áp lực hông đất đá đỉnh ống, đáy ống Eb Modun đàn hồi bê tông Es Modun đàn hồi thép Esw Modun đàn hồi thép làm cốt đai H Chiều sâu đỉnh ống n Hệ số vượt tải, hệ số an toàn P Tải trọng bánh sau ô tô P’ Tải trọng phân bố hoạt tải ô tô tàu hỏa đỉnh ống Pk Lực kích ống q Tải trọng phân bố theo phương thẳng đứng đất đá R Bán kính theo tim thành ống Rng Bán kính ngồi ống Rtr Bán kính ống Rs, Rsc Cường độ chịu kéo cường độ chịu nén tính tốn thép t Chiều dày thành ống ts Chiều dày hiệu dụng thành ống ɣ Trọng lượng thể tích đất đá φ Góc ma sát đất µ0 Hệ số Poisson đất đá Các chữ viết tắt: CTNĐT : Cơng trình ngầm thị PP PTHH : Phương pháp phần tử hữu hạn DANH MỤC BẢNG, SƠ ĐỒ Số hiệu bảng, sơ đồ Tên bảng, sơ đồ Bảng 1-1 Bảng xếp hạng quốc gia có hệ thống Metro theo quy mô Bảng 1-2 Điều kiện địa chất áp dụng cho phương pháp kích đẩy Bảng 1-3 Địa tầng khu vực nội Thành Hà Nội Bảng 2-1 Ngưỡng hư hỏng phát triển Rankin lún bề mặt Bảng 3-1 So sánh chọn phương pháp thi cơng Bảng 3-2 Thơng số kích thước ống kích bê tơng cốt thép DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu hình Tên hình Hình 1-1 Sơ đồ tuyến tàu điện ngầm đô thị TP Hà Nội Hình 1-2 Sơ đồ tuyến tàu điện ngầm thị TP Hồ Chí Minh Hình 1-3 Sơ đồ cấu tạo đoạn tuyến Metro ngầm Hình 1-4 Sơ đồ cấu tạo nhà ga Metro ngầm Hình 1-5 Mặt cắt thi cơng ga Metro ngầm Hình 1-6 Mặt cắt ngang điển hình tuyến Metro ngầm đơn Hình 1-7 Đoạn tuyến metro ngầm xây dựng Hình 1-8 Hệ thống khiên đào - đào hầm qua sông Thames London (1825 – 1843) Hình 1-9 Một hình ảnh khiên đào Greathead chụp năm 1900 Hình 1-10 Sơ đồ cơng nghệ kích đẩy Hình 1-11 Phân bố địa chất khu vực nội thành Hà Nội Hình 1-12 Mặt cắt địa chất khu vực nội thành Hà Nội Hình 1-13 Mặt cắt địa chất cơng trình, Hà Nội Hình 1-14 Mặt cắt địa chất cơng trình, Hà Nội Hình 2-1 Kích thước hình học vỏ hầm Hình 2-2 Giả thiết tồn trọng lượng cột đất đá Hình 2-3 Giả thiết phần trọng lượng cột đất đá Berbaumer Hình 2-4 Giả thiết vịm sụp lở M.M.Protodjakonop Hình 2-5 Biểu đồ áp lực hơng Hình 2-6 Đặc trưng xe tải thiết kế Hình 2-7 Hoạt tải xe ô tô tác dụng lên đường hầm Hình 2-8 Sơ đồ áp lực kích ống Hình 2-9 Sơ đồ kích đẩy đường ngầm sử dụng băng giảm ma sát Hình 2-10 Bơm huyền phù bentonit (sét polime) xung quanh vỏ hầm Hình 2-11 Các giai đoạn kích đẩy ống kích có sử dụng kích trung gian Hình 2-12 Cấu tạo giếng kích Hình 2-13 Cấu tạo giếng nhận Hình 2-14 Chiều dài mở phần nối ống kích bên ngồi Hình 2-15 Phương pháp khun trịn biến dạng tự Hình 2-16 Phương pháp khun trịn mơi trường đàn hồi Hình 2-17 Sơ đồ tính phương pháp thay Hình 2-18 Điều kiện lắp đặt sau kích ngầm Hình 2-19 Biến dạng đất vng góc trục hầm Hình 2-20 Biến dạng bề mặt hầm Hình 2-21 Biến dạng bề mặt dọc tuyến (Attewell et al., 1986) Hình 3-1 Sơ đồ tuyến Hình 3-2 Sơ đồ bố trí nhà máy nước khu vực Hà Nội Hình 3-3 Sơ đồ đường mặt nước ngầm dọc tuyến Metro Hình 3-4 Mơ hình tuynel Plaxis 3D Tunnel Hình 3-5 Chuyển vị ngang đất Hình 3-6 Chuyển vị đứng đất Hình 3-7 Biểu đồ lực dọc Hình 3-8 Biểu đồ moment M11 Hình 3-9 Biểu đồ moment M22 Hình 3-10 Biểu đồ lực cắt Q12 Hình 3-11 Biểu đồ lực dọc vỏ hầm Hình 3-12 Biểu đồ moment vỏ hầm Hình 3-13 Biểu đồ chuyển vị ngang vỏ hầm Hình 3-14 Biểu đồ chuyển vị đứng vỏ hầm Hình 3-15 Bố trí cốt thép vỏ hầm Hình 3-16 Biểu đồ chuyển vị đứng đất VL=1% Hình 3-17 Biểu đồ chuyển vị đứng đất VL=1% MỞ ĐẦU  Lý chọn đề tài Hệ thống giao thông đô thị huyết mạch thành phố nói chung phát triển kinh tế nói riêng Tuy nhiên năm gần tượng ùn tắc giao thông Hà Nội mối quan ngại người dân tham gia giao thơng Chính phủ, Bộ Giao thơng vận tải UBND thành phố Hà Nội quan tâm sâu sắc có nhiều giải pháp nhằm hạn chế tình trạng ách tắc, tăng cường an tồn, trật tự giao thơng thị, mang lại hiệu cao mở rộng đường, cầu vượt, hay làm đường vượt ngầm qua nơi giao cắt Thành phố Hà Nội thực xây dựng tuyến đường vượt ngầm hầm Kim Liên, ngã Trần Duy Hưng – Hoàng Minh Giám Các dự án thi công phương pháp đào mở nên dù hình thức có ưu điểm đơn giản thiết kế, phổ thông thi cơng có hạn chế lớn làm ảnh hưởng đến giao thơng q trình thi cơng, khó quản lý việc thi công kéo dài, phù hợp cho việc thi công độ sâu ngắn, nằm gần mặt đất Thi cơng đào mở, sau hồn thiện cơng trình, nhiều khu vực xung quanh vị trí dự án lồi lõm, chắp vá, làm mỹ quan đô thị Các nước phát triển nghiên cứu ứng dụng thành công công nghệ thi công ngầm - cơng nghệ khoan kích ngầm Phương pháp thi cơng ngầm đặc biệt giá trị với thành phố có mật độ giao thơng lớn Hà Nội thi công ngầm giao thông bên mặt đất lưu thơng bình thường nên khơng gây ùn tắc giao thông, không chiếm dụng mặt đường phương pháp đào mở thơng thường Đồng thời, đặc biệt hữu dụng với đường ngầm qua sông hay trường hợp đào mở từ mặt đất đoạn đường vướng trụ điện, biển báo, đường sắt Cơng nghệ khoan kích ngầm tỏ hiệu xây dựng cơng trình ngầm thị đặt sâu, đặc biệt xây dựng cơng trình ngầm dạng tuyến có mặt cắt ngang trịn hình chữ nhật Tuỳ theo dạng cơng trình ngầm loại trọng lực hay loại áp lực mà lựa chọn công nghệ cho phù hợp 2 Hiện nay, công nghệ khoan kích ngầm ứng dụng thi cơng cho đường ống thoát nước, hệ thống hạ tầng kỹ thuật TP Hồ Chí Minh TP Hà Nội Với độ sâu định, nơi giao thơng diễn bình thường phương pháp khoan kích ngầm lựa chọn tối ưu Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ thi công xây dựng cơng trình ngầm thị nói chung, tuyến METRO ngầm khu vực Hà Nội nói riêng cần thiết Do đó, phạm vi luận văn tốt nghiệp nghiên cứu công nghệ khoan kích ngầm, ứng dụng thiết kế thi cơng xây dựng tuyến METRO ngầm Thành phố Hà Nội  Mục tiêu, mục đích nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu luận văn ứng dụng tính tốn, thiết kế thi cơng xây dựng cơng trình ngầm thị Cụ thể: “Thiết kế xây dựng tuyến METRO ngầm cơng nghệ khoan kích ngầm” Mục đích nghiên cứu: áp dụng cơng nghệ khoan kích ngầm cho cơng tác thiết kế thi công xây dựng tuyến METRO ngầm thành phố Hà Nội  Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu vỏ hầm phương pháp khoan kích ngầm Phạm vi nghiên cứu: Đoạn tuyến METRO ngầm thành phố Hà Nội  Vấn đề nghiên cứu Cơng nghệ khoan kích ngầm xây dựng cơng trình ngầm thị : - Ý tưởng, ưu - nhược điểm, điều kiện áp dụng; - Trang thiết bị công nghệ; - Các giai đoạn xây lắp; - Kỹ thuật thi công tổ chức thi cơng; - Cấu tạo phân tích kết cấu tuyến METRO ngầm thi cơng theo phương pháp khoan kích ngầm; - Kiến nghị khả áp dụng phương pháp khoan kích ngầm để xây dựng cơng trình ngầm đô thị - Tuyến METRO ngầm thành phố Hà Nội  Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu phương pháp nghiên cứu lý thuyết Thu thập, sưu tầm tư liệu: tìm hiểu tài liệu cơng nghệ thi cơng xây dựng, cách tính tốn kết cấu đường vượt ngầm phương pháp khoan kích ngầm tài liệu địa hình, địa chất cơng trình khu vực thành phố Hà Nội Phân tích: dựa vào tài liệu có để đánh giá phù hợp công nghệ thi công xây dựng đường vượt ngầm phương pháp khoan kích ngầm với địa hình, địa chất khu vực thành phố Hà Nội.Từ đó, áp dụng cách tính tốn thiết kế thi cơng cho cơng trình cụ thể Tóm tắt khoa học: đề xuất, kiến nghị áp dụng phương pháp khoan kích ngầm xây dựng cơng trình ngầm Thành phố Hà Nội  Đóng góp mặt khoa học thực tiễn Góp phần làm rõ cơng nghệ thi cơng phương pháp khoan kích ngầm, khả áp dụng, phương pháp tính tốn kết cấu đường vượt ngầm, kỹ thuật sử dụng theo phương pháp nói riêng việc phát triển ứng dụng phương pháp khoan kích ngầm nói chung  Cấu trúc luận văn Luận văn bao gồm: mở đầu, chương, kết luận kiến nghị Mở đầu Lý chọn đề tài Mục tiêu, mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Vấn đề nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Đóng góp mặt khoa học thực tiễn Chương Tổng quan xây dựng tuyến Metro ngầm Chương Tính tốn tuyến metro giai đoạn thi cơng phương pháp khoan kích ngầm Chương Tính tốn đoạn tuyến metro ngầm Hà Nội theo phương pháp khoan kích ngầm Kết luận kiến nghị THƠNG BÁO Để xem phần văn tài liệu này, vui lịng liên hệ với Trung Tâm Thơng tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội Email: digilib.hau@gmail.com TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn nghiên cứu công năng, nhiệm vụ tuyến Metro ngầm, xây dựng tuyến Metro ngầm giới cơng nghệ đào kín – khoan kích ngầm, khả áp dụng ưu nhược điểm chúng Các sở lý thuyết tính tốn đề cập, áp dụng để tính tốn kết cấu cho cơng trình cụ thể Việt Nam (Tuyến Metro ngầm - tuyến đường sắt Hà Nội) Với phân tích ưu – nhược điểm, phù hợp phương pháp kích đẩy với điều kiện địa chất, thủy văn điều kiện thi công cho thấy phương pháp kích đẩy hướng hồn tồn áp dụng tốt thi cơng xây dựng hệ thống tuyến Metro ngầm thành phố Hà Nội mang lại hiệu kinh tế, không làm gián đoạn hoạt động bình thường mặt đất, giảm thiểu rủi ro xây dựng sử dụng; Qua phân tích kết cấu tuyến thi cơng phương pháp kích đẩy: Việt Nam hồn tồn làm chủ cơng nghệ thi công đường ống phương pháp này; Ảnh hưởng khu dân cư: có ảnh hưởng tương đối lớn đến độ lún bề mặt thi công phương pháp khoan kích ngầm bên Do đó, việc lựa chọn phương tiện thi công đào, nghiên cứu biện pháp phịng chống lún đất ảnh hưởng đến cơng trình lân cận; Áp dụng mơ hình tính tốn Plaxis3D cho kết giống với lý thuyết Nhưng đồng thời với việc tính tốn cần phải kết hợp với quan sát, đo đạc q trình thi cơng để có đánh giá kết tính tốn theo lý thuyết với thực tế Kiến nghị Với việc thi cơng tuyến Metro có kích thước lớn,việc chọn kích phù hợp khó khăn( Pk=33326 T lớn) cần nghiên cứu phát triển phương pháp thi cơng khoan kích ngầm tiên tiến giới 79 Để nắm bắt hội phát triển công nghệ này, nhà chuyên môn người trực tiếp thiết kế, thi cơng cần phải có nghiên cứu chun sâu hơn, đúc rút kinh nghiệm rút từ dự án trước Từ giảm thiểu cố khơng đáng có cho cơng trình; Trong phạm vi luận văn chưa đề cập hết cố gặp phải q trình tính tốn, thi cơng phương pháp khoan kích ngầm cách xử lý cố Vì vậy, tác giả mong muốn có thêm nhiều nghiên cứu bổ sung cho thiếu sót luận văn 80 Tài liệu tham khảo Nguyễn Đức Nguôn (2011), Bài giảng Địa kỹ thuật Cơng trình ngầm thị International Association of Public Transport (10/2015), World metro figures, Statistics brief 2014 outlook and focus on automated lines, UITP International Association of Public Transport (10/2014), World metro figures Statistics brief 2014, UITP Mechanized Tunnelling in Urban Areas - Grasso 2008 Bộ Giao thông vận tải (2005), 22TCN 272-2005 Tiêu chuẩn thiết kế cầu, phần - tr.12 Bộ Xây Dựng Việt Nam- Bộ đất đai, hạ tầng,giao thông du lịch Nhật Bản Tiêu chuẩn cơng nghệ khoan kích ngầm (03/2016) Tư vấn thực dự án (SYSTRA) (2016), Địa chất, địa chất thủy văn địa kỹ thuật, Dự án Tuyến đường sắt thị thí điểm Thành phố Hà Nội Đánh giá công nghệ tiên tiến khoan ngầm công nghệ micro tunneling – Giáo sư Kikuo Matsui, Trường Đại học Kyushu-Fukuoka, Nhật Bản (2016) Melis M, Medina L, Rodriguez JM Prediction and analysis of subsidence induced by shield tunneling in the Madrid Metro extension Can Geotech J 2002;39:1273–87 10 Schmidt B Prediction of settlements due to tunneling in soil: three case histories In: Proc 2nd rapid excavation tunneling conference, San Francisco, CA, 1969 pp 801–12 11 Attewell PB, Farmer IW Ground deformations resulting from shield tunneling in London Clay Can Geotech J 1974;11:380–95 12 Clough GW, Schmidt B Design and performance of excavation and tunnels in soft clay In: Soft clay engineering Amsterdam: Elsevier; 1981 p 569–634 13 O’Reilly MP, New BM Settlements above tunnels in U.K – their magnitude and prediction, Tunneling ’82, 1982 pp 173–181 81 14 Uriel AO, Sagaseta C Selection on design parameters for underground construction Proc of the 12th international congress on soil mechanics, Rio de Janeiro, vol Rotterdam: A.A Balkema; 1989 p 2521–51 15 Gonzales C, Sagaseta C Patterns of soil deformations around tunnels Application to the extension of Madrid Metro Comput Geotech 2001; 28:445– 68 16 Rowe RK, Kack GJ A theoretical examination of the settlements induced by tunneling: four case histories Can Geotech J 1982; 20:299–314  ... BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI KIỀU MINH QUANG KHÓA: 2015 – 2017 XÂY DỰNG TUYẾN METRO NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN KÍCH NGẦM PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN THI CƠNG TẠI HÀ NỘI... 1.2 Cấu tạo công tuyến Metro ngầm 1.3 Thi công tuyến Metro ngầm phương pháp đào hở 13 1.4 Thi công tuyến Metro ngầm phương pháp đào kín 14 1.5 Phương pháp khoan kích ngầm Micro Tunneling... ngầm đô thị Cụ thể: ? ?Thi? ??t kế xây dựng tuyến METRO ngầm cơng nghệ khoan kích ngầm? ?? Mục đích nghiên cứu: áp dụng cơng nghệ khoan kích ngầm cho công tác thi? ??t kế thi công xây dựng tuyến METRO ngầm