Hệ số mất thể tích gây ra do thi công đường hầm bằng công nghệ TBM cân bằng áp lực đất, kết quả quan trắc và phân tích số bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Tác giả: ThS. NGUYỄN THẠCH BÍCH; TS. NGUYỄN PHƯƠNG DUY - Trường Đại học Giao thông vận tải; TS. NGUYỄN NGỌC THANH - Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Sơ đồ bố trí điểm đi quan trắc lún bề mặt đoạn thi công bằng TBM

Trong hai thập kỷ qua, tổ hợp máy đào hầm TBM với công nghệ giữ ổn định mặt gương đào bằng cân bằng áp lực đất (EPB - Earth Pressure Balanced) đã ghi nhận những bước tiến bộ lớn và được coi như một kỹ thuật đào hầm đã được chứng minh trong việc thích ứng với các điều kiện địa chất mà trước đó thường ít được áp dụng. Kỹ thuật này ngày càng trở nên phổ biến ứng dụng thi công các tuyến hầm đặt nông tại các khu vực trung tâm đô thị [6], nơi mà việc kiểm soát chuyển vị lún trên mặt đất là vô cùng quan trọng. Mặc dù vậy, việc đào hầm bằng khiên đào EPB không tránh khỏi việc gây ra các xáo trộn của trường ứng suất và áp lực nước ngầm xung quanh chu vi đào và dẫn đến sự dịch chuyển của mặt đất trong ngắn hạn và dài hạn. Những chuyển vị không được mong muốn này có thể gây ra những ảnh hưởng bất lợi cho cả các công trình xây dựng bên trên và bên dưới mặt đất [7]. Do đó, mối quan tâm lớn nhất trong xây dựng đường hầm ở khu vực đô thị là đánh giá các chuyển vị lún mặt đất gây ra trong quá trình đào hầm để ngăn ngừa bất kỳ nguy cơ lún bề mặt quá mức nào có thể làm hư hỏng các kết cấu xây dựng trên bề mặt.

Kinh nghiệm với khiên đào EPB cho thấy những xáo trộn của nền đất này chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các thông số vận hành của tổ hợp thiết bị: áp lực chống đỡ mặt gương đào, độ côn của khiên đào TBM (khe hở của khiên), quy trình bơm vữa sau khiên, tốc độ hình thành cường độ của vữa bơm và lực kích thủy lực cũng như tốc độ đào hầm. Do bởi sự tương tác phức tạp giữa các yếu tố khác nhau này cùng với ứng xử phức tạp của nền đất, cách tiếp cận với phương pháp số được xem như là phương pháp phù hợp nhất để phân tích bài toán. Mặt khác, Panet [2] và sau đó là Benmebarek et al. [1] chứng minh rằng, bằng cách sử dụng các mô hình 2D đơn giản kết hợp cùng với khái niệm giải phóng ứng suất và mất thể tích tương ứng ở mỗi giai đoạn của công tác đào hầm, ứng xử tương tác kết cấu - nền đất có thể được phân tích một cách hiệu quả.

Bài báo sau đây giới thiệu một ứng dụng của mô hình đơn giản hóa của bài toán trong không gian hai chiều (2D) để phân tích ảnh hưởng của áp lực khiên đào (trên khoảng hở thành bên khiên đào) trong quá trình đào hầm với khiên đào cân bằng áp lực đất đến hệ số mất thể tích và máng lún trên mặt đất. Mô hình phân tích mô phỏng bài toán của một mặt cắt điển hình trên tuyến metro số một của TP. Hồ Chí Minh (đoạn ngầm giữa các ga Ba Son và Nhà hát lớn). Đoạn tuyến đã hoàn thành xây dựng vào năm 2019, từ đó các số liệu quan trắc đặc biệt là các giá trị lún trên mặt đất gây ra trong quá trình đào hầm đã được công bố [5].

Mời độc giả xem nội dung đầy đủ bài khoa học tại đây