Bộ giáo dục và đào tạo
Bộ xây dựng
Trờng đại học kiến trúc hà nội
đỗ nhật tân
Nghiên cứu tính toán tờng trong đất
trong thi công hầm vợt
tại thành phố nam định
luận văn thạc sĩ kỹ thuật
chuyên ngành: xây dựng dân dụng và công nghiệp
mã số: 60.58.20
Hà Nội 2011
Bộ giáo dục và đào tạo
Bộ xây dựng
Trờng đại học kiến trúc hà nội
đỗ nhật tân
Nghiên cứu tính toán tờng trong đất
trong thi công hầm vợt
tại thành phố nam định
luận văn thạc sĩ kỹ thuật
chuyên ngành: xây dựng dân dụng và công nghiệp
mã số: 60.58.20
ngời hớng dẫn khoa học
gs.ts đỗ nh tráng
Hà Nội 2011
Bộ giáo dục và đào tạo Bộ xây dựng
Trờng đại học kiến trúc hà nội
đỗ nhật tân
Nghiên cứu tính toán tờng trong đất
trong thi công hầm vợt
tại thành phố nam định
luận văn thạc sĩ kỹ thuật

6
1.1.4
Giới thiệu về phơng án hầm vợt dự kiến tại Thành
phố Nam Định.
9
1.2
Tổng quan về các phơng pháp thi công hầm
14
1.2.1
Các phơng pháp đào kín
14
1.2.2
Các phơng pháp đào hở (lộ thiên)
15
1.2.3
Một số phơng pháp khác thi công công trình ngầm .
21
1.3
Công nghệ xây dựng tờng trong đất
24
1.3.1
Phạm vi áp dụng và các u nhợc điểm
24
1.3.2
Công nghệ xây dựng tờng trong đất
26
Chơng II
Lý thuyết tờng trong đất trong thi
công công trình hầm vợt.
34

Phạm vi áp dụng.
58
2.3.2
Các dạng mô hình đợc thiết lập sẵn trong phần mềm
59
2.3.3
Các số liệu đầu vào và đầu ra khi tính toán
60
Chơng III
Phân tích, khảo sát sự làm việc của
tờng trong đất trong thi công hầm
vợt và tính toán kết cấu vỏ hầm vợt
61
3.1
Tính toán tờng trong đất trong thi công hầm vợt
với các điều kiện địa chất khu vực TP Nam Định.
61
3.1.1
Phân tích kết cấu tờng trong đất theo các phơng pháp
hiện hành bằng chơng trình tính theo ngôn ngữ Matlab
61
3.1.2
Phân tích kết cấu tờng trong đất theo phơng pháp
Sachipana
70
3.1.3
Phân tích kết cấu tờng trong đất bằng phần mềm Plaxis
73
3.2
Khảo sát ảnh hởng của nớc ngầm, chiều dày của

Phân loại hầm
4
3.1
Thông số địa chất
63
3.2
Thông số đầu vào của phần tử tấm Plate
63
3.3
Thông số đầu vào của phần tử thanh chống Strut
64
3.4
Nội lực kết cấu tờng trong đất tính theo Matlab
66
3.5
Nội lực kết cấu tờng trong đất tính theo Plaxis
75
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Số hiệu
Tên hình vẽ, đồ thị
Trang
1.1
Công trình hầm chui ngã t Kim Liên, Hà Nội
7
1.2
Nút giao thông giao cắt giữa Quốc lộ 10 và đờng đi Hà
Nội tại xã Tân An Lộc Hòa TP Nam Định
10
1.3
Mặt cắt dọc, mặt bằng hầm vợt dự kiến tại TP Nam Định

Sơ đồ thi công tờng liên tục trong đất bằng cọc đào
29
Số hiệu
Tên hình vẽ, đồ thị
Trang
1.14
Sơ đồ thi công tờng liên tục trong đất bằng cọc khoan và xung
30
1.15
Tờng trong đất lắp ghép theo sơ đồ công nghệ thứ nhất
31
1.16
Tờng trong đất lắp ghép theo sơ đồ công nghệ thứ hai
32
1.17
Kết cấu hỗn hợp của tờng trong đất lắp ghép
33
2.1
Vòng tròn ứng suất ở điều kiện cân bằng giới hạn
36
2.2
Trạng thái chủ động và bị động Rankine
37
2.3
Tính áp lực chủ động Rankine
38
2.4
Tính áp lực chủ động của đất gồm nhiều lớp
39
2.5

2.15
Rời rạc hữu hạn kết cấu tờng chắn
53
2.16
Sơ đồ tính phần tử dầm
53
2.17
Sơ đồ tính toán phần tử hữu hạn hệ thanh
54
3.1
Mặt cắt ngang hầm hình hộp mái phẳng có vách ngăn ở giữa
62
3.2
Sơ đồ tính tờng theo ngôn ngữ lập trình Matlab
64
3.3
Biểu đồ chuyển vị của tờng trong đất tính theo Matlab
65
3.4
Biểu đồ mômen của tờng trong đất tính theo Matlab
65
3.5
Biểu đồ lực cắt của tờng trong đất tính theo Matlab
66
Số hiệu
Tên hình vẽ, đồ thị
Trang
3.6
Sơ đồ tính tờng theo phơng pháp Sachipana
70

3.17
Quan hệ giữa mômen và chiều dày tờng theo Matlab
79
3.18
Quan hệ giữa chuyển vị và chiều dày tờng theo Plaxis
80
3.19
Quan hệ giữa lực cắt và chiều dày tờng theo Plaxis
80
3.20
Quan hệ giữa mômen và chiều dày tờng theo Plaxis
81
3.21
Sơ đồ tính toán hầm vợt trong giai đoạn khai thác
82
3.22
Biểu đồ mômen, lực dọc của hầm vợt trong giai đoạn
khai thác
82
3.23
Biểu đồ lực cắt của hầm vợt trong giai đoạn khai thác
83
-1-
mở đầu
* Tớnh c
p thit ca t
i
Do nhu cầu phát triển của kinh tế, hầm vợt và không gian ngầm ngày
càng đợc quan tâm. Tại các thành phố lớn hệ thống tàu điện ngầm đang đợc
triển khai xây dựng. Một số dự án về hầm vợt đã đợc triển khai lập dự án,

Cho nên việc nghiên cứu áp dụng tờng trong đất trong thi công hầm
vợt là cần thiết. Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu Nghiên cứu tính toán
tờng trong đất trong thi công hầm vợt tại Thành phố Nam Định.
* Mc tiờu ti lun văn
- Nghiên cứu và tính toán tờng trong đất vào xây dựng công trình hầm
vợt ở Việt Nam, áp dụng cụ thể cho hầm vợt dự kiến sẽ đợc xây dựng tại
Thành phố Nam Định.
- ứng dụng khảo sát, phân tích sự làm việc của kết cấu cấu tờng trong
đất trong thi công công trình hầm vợt với các điều kiện địa chất ở Thành phố
Nam Định.
- Phân tích sự làm việc của kết cấu công trình ngầm thi công theo
phơng pháp tờng trong đất, từ các kết quả nghiên cứu có thể đề xuất các
kiến nghị về giải pháp kết cấu hợp lý.
*
i tng v phm vi nghiờn cu
Các công trình hầm vợt ứng dụng công nghệ tờng trong đất với điều
kiện địa chất tại Thành phố Nam Định.
* N
i dung nghiờn cu ca ti
Luận văn có ba chơng với các nội dung chính nh sau
Chơng 1: Tổng quan về công trình hầm vợt và các phơng pháp thi
công hầm vợt. Giới thiệu về phơng án hầm vợt dự kiến tại Thành phố Nam
Định.
-3-
Chơng 2: Lý thuyết tờng trong đất trong thi công công trình hầm vợt
Chơng 3: Phân tích, khảo sát sự làm việc của tờng trong đất trong thi
công hầm vợt và tính toán kết cấu vỏ hầm vợt.
Kết luận và kiến nghị
* Phơng pháp nghiên cứu
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về công trình hầm, các công nghệ thi

phổ biến trong việc xây dựng các công trình thủy lợi đầu mối nh các trạm
thủy điện, công trình thủy Trong xây dựng và phát triển các thành phố hầm
vợt đợc sử dụng rộng rãi để bố trí các mạng lới giao thông, để làm các kho
tàng, bể chứa, gara, bãi chứa xe và các mục đích đặc biệt khác.
Theo công dụng và những đặc biệt về kết cấu hầm đợc chia thành các
nhóm và các loại sau:
Bảng 1.1- Phân loại hầm
STT
Đặc điểm công trình
Phân loại
1
Hầm trên đờng giao thông
- Hầm đờng sắt
- Hầm xe điện ngầm
- Hầm đờng ô tô
- Hầm cho ngời đi bộ
- Hầm đờng thủy
2
Hầm thủy lợi
- Hầm trong các trạm thủy điện
- Hầm thủy nông: hầm dẫn nớc tới
-5-
tiêu, cải tạo đất
- Hầm trên các đờng cấp thoát nớc
- Hầm đờng thủy
3
Hầm để bố trí các hệ thống
kỹ thuật, đặc biệt quan trọng
trong thành phố, khu dân c,
khu công nghiệp

Nguồn gốc của việc xây dựng hầm đầu tiên phải kể đến việc tạo nên
những hang ngầm từ thời cổ xa. Từ lâu, trớc công nguyên ở Babilon, Ai
Cập, Hy Lạp và La Mã công tác xây dựng ngầm đợc tiến hành để khai thác
khoáng sản, xây dựng các lăng mộ, nhà thờ sau đó đến cấp nớc và giao
thông. Đáng kể hơn là những hầm do ngời La Mã xây dựng vào mục đích
cấp, thoát nớc và giao thông, một số còn giữ nguyên cho đến ngày nay.
Vào cuối thời kỳ trung cổ do việc mở rộng quan hệ giữa các dân tộc
cũng nh việc rút ngắn con đờng buôn bán ngời ta đã xây dựng các hầm
-6-
đờng thủy nối các đờng giao thông thủy đang ngăn cách nhau bởi các dãy
núi bằng việc sử dụng thuốc nổ đen để phá đá.
Việc xuất hiện đờng sắt là nguyên nhân thúc đẩy sự nghiệp phát triển
hầm sau này. Hầm đờng sắt đầu tiên dài 1190m xây dựng năm 1826-1830 từ
Liverpool đến Manchester Anh. Cũng trong thời kỳ này, hầm đờng sắt đợc
xây dựng ở Pháp và các nớc Châu Âu khác.
Sau chiến tranh thế giới lần thứ I, nhịp điệu xây dựng hầm giảm bởi vì
đến thời kỳ này hầu nh mạng lới đờng sắt đã hoàn thiện ở các nớc Châu
Âu. Trong số những hầm xây dựng thời kỳ này có hầm Apenhin B trên tuyến
Phlorece đi Bolona (1920-1931). Đây là hầm đờng sắt tuyến đôi dài nhất thế
giới có một ga ở giữa. Cũng thời kỳ này (1927) đã kết thúc việc xây dựng hầm
đờng thủy Rove dài 7,12Km trên tuyến Marcei-Ron ở Pháp có tiết diện
ngang lớn nhất thế giới 24,5x17,1m.
Tuyến đờng xe điện ngầm ở Luân Đôn vận hành năm 1863 là các
tuyến xe điện ngầm đầu tiên trên thế giới và nó cũng mở đầu thời kỳ xây dựng
các hệ thống xe điện ngầm ở thành phố lớn trên thế giới. Đến nay thế giới đã
đa vào vận hành trên 100 hệ thống xe điện ngầm ở trên 30 nớc và cũng
đang thiết kế thi công hơn 30 hệ thống khác.
1.1.3. Tổng quan về xây dựng hầm vợt ở Việt Nam
Các công trình ngầm đô thị nh hệ thống tàu điện ngầm, bãi đỗ xe
ngầm, hầm vợt đờng bộ , cho tới cuối thế kỷ XX vẫn cha có công trình

ống kỹ thuật và các loại đờng ngầm khác. Hà Nội dự kiến xây dựng một số
bãi đỗ xe, khai thác ngầm các điểm dịch vụ thơng mại, vệ sinh công cộng
Đã thấy có sự chuẩn bị cho dự án xây gara ôtô ngầm ở vờn hoa Hàng Đậu,
nghiên cứu cho sự khai thác không gian ngầm phục vụ mục đích thơng mại
tại các ga ngầm và các tổ hợp thơng mại dọc theo hai tuyến metro đầu tiên số
2 và số 3 nói trên.
* Tại Thành phố Hồ Chí Minh:
- Công trình ngầm tại nút giao thông: tại Thành phố Hồ Chí Minh đã
lập dự án chuyển 4 nút giao thông cùng mức thành giao thông khác mức bằng
hình thức giao chui, bao gồm: nút Nam Kỳ Khởi Nghĩa - Lý Chính Thắng, nút
Điện Biên Phủ - Hai Bà Trng, nút Xô Viết Nghệ Tĩnh - Cách Mạng Tháng
Tám và nút Quảng trờng Dân Chủ.
- Công trình ngầm vợt sông: Thành phố Hồ Chí Minh với đặc trng địa
hình đồng bằng Nam Bộ nhiều sông rạch, muốn giữ sự độc đáo cảnh quan
sông nớc và môi trờng thiên nhiên phải sử dụng rất nhiều công trình vợt
sông. Một trong những công trình vợt sông đã đợc xây dựng đó là đờng
mới Thủ Thiêm (trong đó có hầm Thủ Thiêm). Công trình này là gói thầu số 4
nằm trong dự án xây dựng đại lộ Đông - Tây, có chiều dài khoảng 22km đi
qua địa bàn 6 quận huyện nối trung tâm thành phố với đô thị mới Thủ Thiêm.
Tổng chiều dài của hầm là 1.774m (đờng dẫn: 551m, đờng hầm có nắp:
851m, hầm dìm: 372m). Chiều cao toàn bộ hầm (cả vỏ) là 22,80m. Hầm gồm
4 làn xe chạy.
- Các tuyến đờng sắt đô thị (Metro): Thành phố Hồ Chí Minh đã lập
dự án nghiên cứu tiền khả thi về hệ thống giao thông đô thị bằng phơng tiện
bánh sắt trong đó có hệ thống metro khép kín. Một số tuyến chính đợc dự
-9-
kiến xây dựng nh tuyến số 1 Bến Thành - Suối Tiên dài 19,7km, tuyến số 2
từ ngã t An Sơng - Bến Thành - Thủ Thiêm dài 19km, tuyến số 3 từ Quốc lộ
13 - bến xe Miền Đông - Tân Kiên dài 24km, tuyến số 4 từ Bến Cát - đờng
Nguyễn văn Linh dài 24km, tuyến số 5 từ cầu Sài Gòn - bến xe Cần Giuộc dài

1,5m.
Thành Phố Nam Định đang chuẩn bị lập dự án chuyển nút giao thông
cùng mức thành giao thông khác mức bằng hình thức giao chui tại nút giao cắt
Quốc lộ 10 và đờng đi Hà Nội tại xã Tân An Lộc Hòa. Dự kiến hầm chui
đợc thi công đào hở với việc sử dụng công nghệ tờng trong đất làm kết cấu
chắn giữ kết hợp làm kết cấu của hầm.
Hình 1.2- Nút giao thông giao cắt giữa Quốc lộ 10 và đờng đi Hà Nội
tại xã Tân An Lộc Hòa TP Nam Định
1.1.4.1. Vị trí nút giao thông hầm vợt tại Thành phố Nam Định
Nút giao thông hầm vợt tại Thành phố Nam Định nằm trong phạm vi
giữa trung tâm Thành phố Nam Định và xã Lộc Hòa, là giao cắt giữa trục
đờng 10 (Thái Bình Nam Định Ninh Bình) và đờng đi Hà Nội (từ
-11-
trung tâm Thành phố Nam Định đi Hà Nội). Nút giao thông này đợc coi là
một trong những cửa ngõ chính vào Thành phố.
Nút giao thông hầm vợt tại Thành phố Nam Định thuộc phạm vi của
xã Tân An Lộc Hòa, xung quanh nút có một số cơ quan, bến xe và khu đô
thị mới Hòa Vợng.
1.1.4.2. Hiện trạng nút giao thông hầm vợt tại Thành phố Nam Định
Đây nút giao thông cùng mức, đợc tổ chức giao thông cỡng bức bằng
các đảo tròn. Hiện trạng các đờng dẫn vào nút nh sau:
- Phía Đông, Tây: Đờng đi từ trung tâm Thành phố Nam Định đi Hà
Nội rộng 21m lòng đờng rộng 16m đợc chia làm hai chiều không có sự
phân biệt rõ ràng giữa làn xe thô sơ và làn xe cơ giới.
- Phía Nam, Bắc: Quốc lộ 10 rộng 36m gồm 4 làn xe cơ giới và 2 làn xe
thô sơ, ở giữa có dải phân cách trung tâm rộng 3m.
Kết quả phân tích năng lực thông hành cho thấy dòng xe chạy thẳng
lớn, dòng xe rẽ trái lớn, số lợng các điểm xung đột nhiều. Dòng xe rẽ trái từ
trung tâm Thành phố Nam Định qua đờng 10 đi vào khu công nghiệp Hòa
Xá, cụm công nghiệp An Xá, từ Phủ Lý chạy về Thái Bình thờng không chạy

Hình 1.3- Mặt cắt dọc, mặt bằng cho hầm vợt dự kiến tại TP Nam Định
-13-
1%
Cống ngầm D1000
Lớp BTAF t = 75mm
Lớp phòng nớc t = 4mm
Lớp đệm cát
t = 200mm, Lớp CPĐDL1
t = 300mm, Lớp CPĐDL2
t = 70mm, Asphalt hạt thô
t = 50mm, Asphalt hạt mịn
t=500mm
Hình 1.4- Mặt cắt ngang hầm
Dạng mặt cắt hình hộp chữ nhật mái sờn hai nhịp (có vách ngăn giữa)
- Chiều cao hầm : 6,9m - Chiều dày tờng : 1m
- Chiều dày dầm nóc : 1m - Chiều dày dầm đáy : 0,75m
- Chiều dày tờng ngăn : 0,5m - Độ dốc dọc trong hầm : 2,5%
- Tĩnh không : 4.5*(2*1.25+2*7+0.5)
Đây là dạng kết cầu phù hợp với phơng pháp thi công lộ thiên bằng
công nghệ thi công tờng trong đất và phơng pháp thông thờng ổn định
vách hố đào bằng cọc cừ có thể là lắp ghép hoặc đổ tại chỗ. Nó có u điểm là
hệ số sử dụng không gian cao kết hợp với tờng trong đất làm tờng chịu lực,
phơng pháp thi công đơn giản, dễ định hình hóa các cấu kiện thi công lắp
ghép nên khả năng cơ giới hóa cao. Nhng cũng có nhợc điểm là khả năng
chịu lực kém hơn so với kết cấu vòm, cần phải mở rộng hầm sang một bên để
bố trí các đờng ống kỹ thuật (hệ thống cáp điện, hệ thống thông gió, hệ thống
thoát nớc), chiều dày dầm nóc khá lớn do phải chịu tải trọng bên trên tơng
đối lớn.
-14-
1.2. Tổng quan về các phơng pháp thi công hầm [2, 8, 12, 17]

Máy đào hầm đầu tiên đợc Beaumont (ngời Anh) thiết kế năm 1864 và đa
vào chế tạo, sử dụng năm 1881 để đào hầm dới eo biển English Chanel. Tuy
vậy máy đào đờng hầm thơng phẩm chỉ đợc James S.Robbins đa vào sử
dụng lần đầu ở các mỏ vùng Bắc Mỹ vào năm 1947, cùng khoảng thời gian đó
những máy tơng tự cũng đợc phát triển ở Châu Âu. Nếu nh ban đầu các máy
đào đờng hầm chỉ sử dụng ở những công trình đất đá mềm nh cát kết mềm,
phiến sét, các mỏ muối thì cho đến nay các máy đào đờng hầm có thể sử
dụng để đào trong đất đá cứng có độ bền nén đến 300Mpa. Phơng pháp thi
công bằng máy đào đờng hầm TBM là một phơng pháp thi công hiện đại, tốc
độ thi công nhanh.
1.2.2. Các phơng pháp đào hở (lộ thiên)
Thi công theo phơng pháp đào lộ thiên phức tạp nhất là khâu đào đất,
còn công tác thi công kết cấu chính hoàn toàn giống nh việc thi công công
trình nổi trên mặt đất. Trình tự thi công đào lộ thiên nh sau:
- Đào đất từ trên xuống dới đến cao độ thiết kế.
- Thi công kết cấu chính từ dới lên trên tơng tự công trình nổi.
- Đắp trả hố đào và khôi phục lại mặt bằng nh trớc.
1.2.2.1. Đào lộ thiên với mái dốc tự nhiên
Theo phơng pháp này trong đất ổn định có độ ẩm tự nhiên và khi có
mặt bằng rộng thì có thể đào hầm với mái dốc tự nhiên mà không cần gia
cờng. Việc đảm bảo ổn định hố móng chỉ dựa vào khả năng tự ổn định của
mái đất tự nhiên (Hình1.5).
Phơng pháp này có đặc điểm là thi công nhanh do cơ giới hóa tốt, chất
lợng thi công dễ kiểm soát nhng khối lợng đất đào lại tăng lên và diện tích
mặt bằng yêu cầu rất lớn do đó không hợp lý với điều kiện đô thị chật hẹp.
-16-
1.Mỏi d
c t nhiờn
2.Cụng trỡnh ng
m