ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
oo
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 / 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

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.

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


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


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 Ph ươ ng pháp

K.V.Ruppenneyt,V.A. Lutkin, A.N. Dranovxki

56
4.2.3 Ph ươ ng pháp

B.G. Galerkin

56
4.2.4 Ph ươ ng pháp


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 k ế t c ấ u công trình h ầ m d ạ ng vòm

hình yên ng ự a

76
4.5.3 Tính toán k ế t c ấ u công trình h ầ m d ạ ng tròn 77
Ch ươ ng 5. PH ƯƠ NG PHÁP

THI CÔNG CÔNG

TRÌNH NG Ầ M PHÙ H Ợ P

V Ớ I KHU V Ự C NGHIÊN C Ứ U

79
5.1 Các phương pháp thi công công trình ngầm phù hợp với khu vực địa chất

mềm yếu

79
5.2 Bi ệ n pháp thi công h ầ m b

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


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

135
Bảng 6.7 Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị theo khoảng cách B 140
DANH MỤC CÁC BẢNG
Hình 1.1 Hầm khai thác mỏ Excelsior (Anh)

6
Hình 1.2 Metro Columbia Heights (Mỹ)

6
Hình 1.3 Đường hầm The Second Heinenoord

7
Hình 1.4 Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân (Việt Nam)

7
Hình 1.5 Hầm chui Tân Tạo cắt ngang QL1A (Việt Nam)

8
Hình 1.6 Hầm treo nổi trong nước

8
Hình 2.1 Bình đồ tuyến metro Bến Thành – Suối Tiên

16
Hình 2.2 Bình đồ tuyến Đại lộ Đông - Tây

17
Hình 2.3 Bản đồ địa chất khu vực Tp.HCM

24

Hình 4.1 Sơ đồ tính toán kết cấu ngầm dạng vòm hình yên ngựa

54
Hình 4.2 Phần tử thanh 2 nút

60
Hình 4.3 Phần tử thanh 3 nút

60
Hình 4.4 Phần tử dầm 2 nút

60
Hình 4.5 Phần tử dầm 3 nút

60
Hình 4.6 Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 1

63
Hình 4.7 Phần tử tam giác biến dạng tuyến tính loại 2

63
Hình 4.8 Phần tử tam giác biến dạng khối loại 1

63
Hình 4.9 Phần tử tam giác biến dạng khối loại 2

63
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 4.10 Phần tử tứ giác biến dạng tuyến tính 64
Hình 4.11 Phần tử tứ giác biến dạng khối


81
Hình 5.3 Kết cấu khiên dùng vữa của Greathead

82
Hình 5.4 Kết cấu khiên vữa Haag (1896)

83
Hình 5.5 Khiên cân bằng áp lực đất của công ty Sato Kogyo Nhật Bản

83
Hình 5.6 Sơ đồ cấu tạo cơ bản của khiên

86
Hình 5.7 Vành miệng cắt

87
Hình 5.8 Thiết bị bịt kín sau đuôi khiên

88
Hình 5.9 Thiết bị bịt kín 3 cấp sau đuôi khiên

88
Hình 5.10 Máy lắp ráp hình vành tròn

89
Hình 5.11 Máy hình tròn xoay

89
Hình 5.12 Phương pháp thi công hầm bằng khiên đào

Hình 5.23 Sơ đồ nguyên lý khiên nhiều trục lệch tâm

102
Hình 5.24 Khiên DPLEX hình chữ nhật 3.98x4.38m

103
Hình 5.25 Khiên DPLEX hình ovan, D=3.48m

103
Hình 5.26 Cấu tạo chung khiên mặt cắt tự do

104
Hình 5.27 Các hình dạng mặt cắt ngang hầm thi công bằng khiên mặt cắt tự do 104
Hình 5.28 Khiên mặt cắt tự do

105
Hình 5.29 Mặt cắt ngang đường hầm được thi công bằng khiên trên

105
Hình 5.30 Cấu tạo chung khiên hình cầu

106
Hình 5.31 Sơ đồ làm việc của khiên hình cầu đào liên tục kiểu dọc – ngang

107
Hình 5.32 Khiên hình cầu đào cự ly dài có đường kính 9.45m

108
Hình 5.33 Sơ họa khiên MSD


Hình 5.43 Thi công đường hầm theo phương pháp khiên không bị ảnh hưởng bởi
điều kiện tự nhiên

119
Hình 5.44 Hầm theo phương pháp khiên có thể bảo vệ tự nhiên trên mặt đất

119
Hình 6.1 Mặt cắt ngang điển hình vỏ hầm

124
Hình 6.2 Sơ đồ khối tính toán kết cấu vỏ hầm

126
Hình 6.3 Mô hình bài toán hầm đơn trong Plaxis

126
Hình 6.4 Biểu đồ quan hệ độ sâu chôn hầm H – lực dọc Nmax

127
Hình 6.5 Biểu đồ quan hệ độ sâu chôn hầm H – moment Mmax 128
Hình 6.6 Biểu đồ quan hệ độ sâu chôn hầm H – chuyển vị

128
Hình 6.7 Mô hình bài toán hầm đôi theo phương ngang trong Plaxis

130
Hình 6.8 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – Chuyển vị

132
Hình 6.9 Biểu đồ quan hệ khoảng cách tim hầm ngang B – moment Mmax

I. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN
1. NHIỆM VỤ :
Từ đầu thế kỷ 19 đến nay, song song với việc đô thị hóa, khối lượng xây dựng
nhà ở và công trình công cộng ngày càng tăng, sự liên tục phát triển mạng lưới giao
thông đường bộ, sự hình thành các công trình và cụm công trình công nghiệp mới,
các xí nghiệp… đang yêu cầu đô thị dành riêng cho những khu đất lớn. Những khu
đất đó, đặc biệt tại những khu trung tâm nhằm đô thị, ngày càng khan hiếm. Việc
phát triển và sử dụng các không gian trên cao và không gian ngầm nhằm tăng quỹ
không gian đô thị, nâng cao năng lực lưu thông và vận chuyển hàng hóa, hành
khách… là một tất yếu khách quan.
Việc xây dựng công trình ngầm phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa chất và địa
hình của khu vực xây dựng nên việc áp dụng các biện pháp thi công cũng như tính
toán mang tính khu vực. Để có phương pháp tính toán và biện pháp thi công phù
hợp nhất với khu vực xây dựng thì cần phải có các nghiên cứu cụ thể. Do đó việc
nghiên cứu cách tính toán và biện pháp thi công phù hợp với điều kiện địa hình, địa
chất là một việc làm cần thiết.
Theo số liệu thống kê năm 2005 [10], thành phố Hồ Chí Minh với diện tích 2095
km
2
và dân số là 6.239.938 người hiện là thành phố lớn nhất cả nước. Mật độ dân số
của thành phố hiện nay là 2.920 người/km2. Trung bình từ năm 1999 đến 2004, tốc
độ tăng dân số bình quân tại thành phố là 3,6%, cao hơn gần gấp 2 lần so với tỉ lệ
tăng dân số tự nhiên của cả nước. Thông thường thành phố từ 1 triệu dân trở lên là
đã yêu cầu cần có giao thông ngầm. Với quy mô thành phố như hiện nay, việc xây
dựng hệ thống giao thông ngầm là thực sự cần thiết và cấp bách. Địa chất tại khu
vực thành phố Hồ Chí Minh là địa chất yếu có chiều dày khá lớn, ngoài ra còn có
đặc điểm địa hình, nền móng công trình đặc thù. Do đó việc nghiên cứu để có
phương pháp tính toán và biện pháp thi công phù hợp là việc làm hết sức cần thiết.
Nghiên cứu sẽ góp phần làm chính xác hóa các tính toán phù hợp với điều kiện thực
- 17

vẫn còn tốt. Gắn liền với sự phát triển, của thiết bị và phương tiện sản xuất, con
đường hầm hiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas qua kênh đào Midi dài 173m
được xây dựng ở Pháp vào năm 1679 – 1681. Đường hầm càng phát triển khi vận
chuyển đường sắt càng phát triển để vượt qua các chướng ngại vật như núi, đèo
Vào thế kỉ XX ở các thủ đô lớn trên thế giới đã xây dựng mạng lưới tàu điện
ngầm đô thị hiện đại, đặc biệt là ở Maxcơva.
Một số đường hầm tiêu biểu trên thế giới qua các thời kỳ như sau:
• Năm 1826–1830 xây dựng đường hầm đường sắt dài 119m ở Anh.
• Năm 1935 xây dựng đường tàu điện ngầm ở Matxocova.
• Năm 1857–1871 xây dựng đường hầm Monxenis dài 12.8km nối Pháp và Ý
• Năm 1872 – 1882 đường hầm Xen–Gotan dài 14482m nối Ý với Thụy Sỹ.
• Đường hầm ôtô dài nhất là Xen-gatarskui l = 16320 xây dựng xong 1980.
• Năm 1982 ở Nhật xây dựng xong đường hầm Dai –Shimizu dài 22 km.
• Năm 1988, sau 20 năm, xây dựng đã hoàn thành con đường hầm đường sắt
Sei-kan dưới biển nối liền hai hòn đảo ở Nhật dài 53,85 km trong đó 23,3
km nằm cách dưới đáy biển 100m, đây là con đường hầm dài nhất thế giới
hiện nay.
• Đến tháng 1-1988 chiều dài đường hầm Matxcơva là 224 km với 135 ga
(bến). Năm 2005, hệ thống xe điện ngầm của Nga kỷ niệm 70 năm thành
lập với 276km đường hầm và 170 nhà ga. Hệ thống này phục vụ đến 9 triệu
lượt người/ngày.
• Năm 1991 nước Anh và nước Pháp xây dựng đường hầm xuyên qua eo
biển Manche nối liền nước Anh và nước Pháp mang tên Euro Tunnel dài
50km (trong đó có 37,5km nằm sâu cách mặt nước biển khoảng 100m)
hoàn thành năm 1994. Công trình được đánh giá là kỳ quan kỹ thuật ngầm
giữa Anh và Pháp.
• Năm 1995 trung Quốc đã xây dựng hầm đường bộ Tần Lĩnh dài 19,45km
đã tạo một bước đột phá mới về kĩ thuật xây dựng đường hầm.
Tại Việt nam, trước Cách mạng Tháng Tám 1945, năm 1930 có xây dựng hầm
giao thông thủy Rú Cóc (ở xã Nam Sơn huyện Anh Sơn tỉnh Nghệ An), hầm ngầm

Tổng cộng 19566.28 100.00 52 100.00
Cùng với sự phát triển khoa học kĩ thuật và sự ra đời các công nghệ thi công
hầm mới, hiện đại, trong tương lai không xa hầm và công trình ngầm ở nước ta sẽ
có bước phát triển mới rất to lớn khi các tuyến đường giao thông phải đi vào các
vùng đồi núi hiểm trở hoặc vùng đô thị lớn.
Một số hình ảnh đường hầm trến thế giới và tại Việt Nam với những công dụng
khác nhau:
- 21 -
Hình 1.1 Hầm khai thác mỏ Excelsior (Anh)
Hình 1.2 Metro Columbia Heights (Mỹ)
Hình 1.3 Đường hầm The Second Heinenoord
Hình 1.4 Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân (Việt Nam)
Hầm cho người đi bộ và xe máy trên Quốc lộ 1A đoạn An Sương – An Lạc:
Hình 1.5 Hầm chui Tân Tạo cắt ngang QL1A (Việt Nam)
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hiện nay gần như chưa xảy ra trường
hợp nào do ảnh hưởng của điều kiện địa chất mà dẫn đến khả năng không thể xây
dựng được đường hầm và có thể nói là không hạn chế. Đường hầm được xây dựng
trong những điều kiện địa chất, địa hình khó khăn. Thực tế nhiều tuyến đường hầm
giao thông trên thế giới đã đi xuyên qua lòng sông, đáy biển là những nơi ẩn chứa
điều kiện địa chất phức tạp, thậm chí có những đường hầm được treo trong nước.
Hình 1.6 Hầm treo nổi trong nước
1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM
Do tính chất nằm sâu trong lòng đất nên kết cấu công trình ngầm chịu lực
tương đối phức tạp. Nội lực trong vỏ hầm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: tính chất
của đất đá, cấu tạo địa tầng, hình dạng và kích thước vỏ hầm, phương pháp thi công
cũng như đặc điểm sử dụng công trình ngầm. Về cơ bản có 2 phương pháp tính toán
công trình ngầm là theo phương pháp lực và phương pháp biến dạng.
Các phương pháp lực sử dụng các giả thiết về nền biến dạng cục bộ hay nền
biến dạng tuyến tính làm cơ sở xác định chuyển vị của địa tầng trên vách hang, đưa
về các sơ đồ tính toán của cơ học kết cấu. Các phương pháp lực có ý nghĩa thực