LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và làm luận văn cao học, được sự giúp đỡ của các
thầy, cô giáo trường Đại học Thủy lợi đặc biệt là thầy PGS.TS Nguyễn Hồng Nam,
cùng sự nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật,
chuyên ngành Địa kỹ thuật và xây dựng công trình ngầm.
Các kết quả đạt được là những đóng góp nhỏ về mặt khoa học trong quá trình
nghiên cứu những rủi ro địa kỹ thuật trong xây dựng hầm tàu điện ngầm tuyến số 3
Nhổn – Ga Hà Nội. Tuy nhiên, trong khuôn khổ luận văn, do điều kiện thời gian và
trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những khiếm khuyết. Tác giả rất mong
nhận được những ý kiến góp ý của các thầy, cô giáo và các đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Hồng Nam đã hướng
dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp các kiến thức khoa học cần thiết trong quá trình
thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo thuộc Bộ môn Địa kỹ
thuật, Khoa Công trình, Phòng Đào tạo ĐH&SĐH đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để
tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới anh Hoàng An Đà Giang và anh Phạm Thanh
Trung đã cũng cấp cho tôi những tài liệu quý liên quan đến đề tài này. Tôi muốn gửi
lời cảm ơn tới anh Đỗ Ngọc Anh đã cho tôi những nghiên cứu quý giá về mô hình
hầm của anh. Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn tới bạn Dương Việt Nga đã giúp đỡ tôi
trong việc chạy mô hình 3D.
Xin chân thành cảm ơn cơ quan, các bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã
động viên khích lệ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này.

Hà Nội, ngày 26 tháng 05 năm 2014
Tác giả
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 4
TỔNG QUAN 4
1.1 Tổng quan về xây dựng đường tàu điện ngầm trong đô thị trên thế giới. 4
1.1.1 Sơ lược về đường tàu điện ngầm và lịch sử xây dựng. 4
1.1.2 Các phương pháp thi công hầm. 5
1.2 Các rủi ro liên quan đến địa kỹ thuật khi xây dựng đường hầm
đô thị. 12
1.2.1 Các rủi ro xảy ra do khảo sát 13
1.2.2 Các rủi ro xảy ra do thiết kế 13
1.2.3 Các rủi ro xảy ra do thi công 14
1.2.4 Các rủi ro xảy ra do quản lý 15
1.2.5 Các rủi ro khác. 15
1.3 Sự cần thiết phải xây dựng đường tàu điện ngầm Hà Nội và những
thách thức. 16
1.3.1 Sự cần thiết phải xây dựng đường tàu điện ngầm Hà Nội. 16
1.3.2 Những thách thức khi xây dựng đường tàu điện ngầm Hà Nội. 17
1.4 Các nội dung nghiên cứu. 19
1.4.1 Nghiên cứu điều kiện địa chất, kết cấu đường hầm, biện pháp thi
công hầm. 19
1.4.2 Nghiên cứu mô phỏng bài toán xây dựng hầm tàu điện ngầm. 20
1.4.3 Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng đến mô hình bài toán
đào hầm. 20
1.4.4 Nghiên cứu các biện pháp xử lý nền và kết cấu công trình. 21
CHƯƠNG 2 22
L
) 76
3.5.2. Thay đổi áp lực gương hầm (P
g
) 79

3.5.3. Thay đổi áp lực phụt vữa đuôi khiên (P
v
) 82
3.5.4. Thay đổi thứ tự đào các hầm 84
3.5.5. Thay đổi độ sâu hầm 85
3.5.6. Thay đổi khoảng cách các hầm 87
3.5.7. Thay đổi mực nước ngầm 88
3.6. Tóm tắt chương III. 90
CHƯƠNG 4 91
MỘT SỐ BIỆN PHÁP XỬ LÝ ĐỂ GIẢM THIỂU RỦI RO 91
4.1 . Khái quát về các biện pháp phòng tránh rủi ro khi đào
đường hầm 91
4.1.1 Các biện pháp xử lý nền 91
4.1.2 Các biện pháp thi công 94
4.1.3 Biện pháp quan trắc trong khi thi công 95
4.2 Một số biện pháp xử lý tuyến đường hầm số 3 96
4.2.1 Lựa chọn độ sâu và khoảng cách hầm và thông số thi công 96
4.2.2 Lựa chọn biện pháp xử lý nền 97
4.3 Nhận xét 102
4.4 Tóm tắt chương 4 102
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103

8
Hình 1.5
Phương pháp kích đẩy ống
9
Hình 1.6
Khiên đào
9
Hình 1.7
Thi công hầm bằng khiên đào qua sông S.t Clair (Mỹ).
10
Hình 1.8
Khoan hầm bằng máy TBM
10
Hình 1.9
Phương pháp đào bán hở
11
Hình 1.10
Phương pháp hầm dìm
12
Hình 1.11
Ùn tắc giao thông tại Hà Nội
16
Hình 2.1
Tuyến đường sắt Hà Nội số 3.
23
Hình 2.2
Các bước phân loại đất.
24
Hình 2.3
Sự thay đổi mực nước tầng Holocene

Hình 2.12
Phân bố kích thước hạt của đất tại độ sâu 15m đến 20m
35
Hình 2.13
Máng lún dọc theo đường hầm
36
Hình 2.14
Mất mát đất trong quá trình đào hầm
37
Hình 2.15
Mất mát đất tại khiên đào
37
Hình 3.1
Sơ đồ cân bằng áp lực tác dụng tại gương đào
42
Hình 3.2
Sơ đồ các lực tác dụng tại gương đào
43
Hình 3.3
Mô hình nêm trượt
44
Hình 3.4
Đường cong phân bố lún theo Peck
47
Hình 3.5
Kích thước mô hình
56
Hình 3.6
Mô hình 2D tại Km 219+118
56

Kết quả tính độ lún và độ lún lệch theo phương pháp L&P
tại Km 219+418 và Km 221+658
63

Hình 3.17
Kết quả tính độ lún và độ lún lệch theo mô hình 2D tại Km
219+118 và Km 221+784
65
Hình 3.18
Kết quả tính độ lún và độ lún lệch theo mô hình 2D từ Km
219+923 đến Km 221+498
66
Hình 3.19
Kết quả tính độ lún và độ lún lệch theo mô hình 2D tại Km
219+148 và Km 221+658
67
Hình 3.20
Tạo lưới 3D gồm 3 đoạn chính
68
Hình 3.21
Các pha trong mô hình 3D
69
Hình 3.22
Mô hình 3D tại Km 219+923
70
Hình 3.23
Kết quả phân tích theo mô hình 3D tại Km 219+923

80
Hình 3.31
Hệ số áp lực tối thiểu gương hầm bên trên
80
Hình 3.32
Hệ số áp lực tối đa gương hầm bên dưới
81
Hình 3.33
Hệ số áp lực tối đa gương hầm bên trên
81
Hình 3.34
Ảnh hưởng của P
v
đến độ lún và độ lún lệch tại Km
219+923
83
Hình 3.35
Ảnh hưởng của thứ tự đào hầm đến độ lún và độ lún lệch tại
Km 219+923
84

Hình 3.36
Ảnh hưởng của độ sâu đặt hầm đến độ lún và độ lún lệch tại
Km 221+658
86
Hình 3.37
Ảnh hưởng của khoảng cách các hầm đến độ lún tại

98
Hình 4.8
Kết quả phân tích trước và sau khi xử lý nền
101
Hình phụ
lục 1
Các ký hiệu trên mặt cắt địa chất

Hình phụ
lục 2
Mặt cắt địa chất từ Km 218+700 đến Km 220+00

Hình phụ
lục 3
Mặt cắt địa chất từ Km 220+00 đến Km 221+270

Hình phụ
lục 4
Mặt cắt địa chất từ Km 221+270 đến Km 222+470
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Ký hiệu
Tên bảng
Trang
Bảng 1.1

Bảng 3.6
Ảnh hưởng của Pv đến cấp độ hư hỏng
82
Bảng 3.7
Độ lún lớn nhất khi thay đổi độ sâu hầm tại Km 221+658
85
Bảng 3.8
Ảnh hưởng của khoảng cách hầm đến độ lún tại Km
221+658
87
Bảng 4.1
Ứng xử đối với độ lún quan trắc được tại đường hầm Toulon
96
Bảng 4.2
Các chỉ tiêu cơ lý tính toán lớp tương đương L1_s2
100
Bảng 4.3
Các chỉ tiêu cơ lý tính toán lớp tương đương L3&4
100
Bảng phụ
lục 5
Cao độ các lớp đất đá và độ sâu hầm
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
Ký hiệu

oed

Mô đun nén cố kết tham chiếu
E
ref
ur

Mô đun dỡ tải - nén lại tham chiếu
f
s

Ma sát đơn vị thành bên
H
Độ sâu của trục đường hầm
i
Hoành độ điểm uốn của võng lún
K
Hệ số thấm
K
Lực chống trượt trên mặt trượt của nêm
K
0

Hệ số áp lực đất tĩnh
K
cd

Hệ số áp lực chủ động.
K
y


Áp lực phụt vữa đuôi khiên
q
c

Sức kháng xuyên
qh
tầng chứa nước Holocene
qp
tầng chứa nước Pleistocene
q
u

Cường độ khắng nén 1 trục không hạn chế nở hông
R
Bán kính của đường hầm
S
Áp lực chống đỡ gương hầm
S
Độ lún mặt đất tại điểm cách tim hầm một khoảng là x
SS
Máy khiên vữa bùn SS (slurry shield)
S
max

Độ lún mặt đất lớn nhất tại trục thẳng đứng đi qua tim hầm.
S
z

Độ lún tại độ sâu z.

W
Áp lực nước tác dụng lên gương hầm

w
Độ ẩm
w
L

Độ ẩm giới hạn chảy
w
P

Độ ẩm giới hạn dẻo
z
Tọa độ theo phương z
z
0

Độ sâu của đường phân chia vòm và tường hầm (springline)

Góc tới hạn = 45º +/2.

0

Lượng mất mát thể tích

Trọng lượng riêng


Góc trượt của nêm

0

Tải trọng phân bố tại z = 0

ben

Áp lực dung dịch bentonite tác dụng lên gương hầm

d

Áp lực đất tác dụng lên gương hầm

n

Áp lực nước

v

Ứng suất tổng theo phương thẳng đứng
'
v

Ứng suất hiệu quả theo phương thẳng đứng


Sập hầm trong đô thị kéo theo nhiều vấn đề như phá hủy các công trình lân cận,
nâng cao giá thành công trình, kiện cáo bởi bên thứ 3, ảnh hưởng đến tiến độ xây
dựng công trình. Việt Nam lại thiếu kinh nghiệm trong việc xây dựng công tình tàu
2
điện ngầm đô thị, vì vậy cần thiết phải nghiên dự báo những rủi ro có thể xảy ra để
từ đó có các biện pháp phòng tránh.
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:
 Tổng quan về tình hình xây dựng đường hầm đô thị trên thế giới và các
rủi ro liên quan đến địa kỹ thuật;
 Đánh giá sự ổn định của nền và các công trình lân cận khi mô phỏng quá
trình xây dựng và khai thác tàu điện ngầm Hà Nội tuyến số 3. Dựa trên
kết quả mô phỏng, cảnh báo các rủi ro địa kỹ thuật có thể xảy ra do xây
dựng tàu điện ngầm Hà Nội tuyến số 3;
 Kiến nghị một số biện pháp kết cấu công trình và xử lý nền đất để tránh
được các rủi ro trên nếu có.
Phạm vi nghiên cứu là đoạn đi ngầm dài 4 Km thuộc tuyến tàu điện ngầm số 3,
không xét phần nhà ga, dốc hạ và các công trình phụ trợ.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Dùng phương pháp tiếp cận trực tiếp hoặc gián tiếp:
 Phương pháp trực tiếp: Tiếp cận các cá nhân, các công ty, tổ chức có
liên quan đến dự án nhằm khai thác số liệu công trình.
 Phương pháp gián tiếp: Sử dụng thông tin truyền thông, internet và các
phương tiện khác để thu thập thông tin về phương pháp phân tích và dự
báo các rủi ro của việc xây dựng đường hầm tàu điện ngầm trong đô thị.
Các phương pháp nghiên cứu bao gồm:
 Khảo sát hiện trường và thu thập thông tin.

trên mặt đất để giảm bớt khó khăn và giá thành thi công.
Tuyến đường tàu điện ngầm đầu tiên được xây dựng ở nước Anh năm 1860,
hoàn thành vào năm 1863, dài 6 km và được xây dựng bằng phương pháp đào hở
(cut and cover). Từ đó đến nay, tàu điện ngầm đã từng bước phát triển và có diện
mạo hiện đại như ngày nay.
Thống kê chung về tàu điện ngầm ở một số thành phố lớn trên thế giới được
thể hiện trong bảng 1.1. 5
Bảng 1.1: Thống kê về tàu điện ngầm ở một số thành phố lớn trên thế giới [38]
Thành phố
Năm
bắt đầu
Lượng
khách (triệu
lượt/ngày)
Chiều dài
(km)
Số nhà ga
Vận tốc

282
-
Seoul
1974
7.0
317
328
-
Mexico
1969
4.4
226
195
-
Ban đầu, hầm tàu điện ngầm được xây dựng bằng phương pháp đào thủ công,
chống giữ tạm bằng gỗ và hầm được xây bằng gạch và tàu chạy bằng hơi nước. Dần
dần theo sự phát triển của ngành xây dựng, phương pháp thi công hầm cũng được
cải tiến. Ban đầu là chống giữ tạm bằng khiên (shield) đơn giản, thi công bằng bán
cơ giới, rồi đào hầm bằng mìn. Tiếp theo công nghệ đào hầm mới của Áo (NATM)
được phát minh và từ đó đến nay, phương pháp này được áp dụng nhiều, nhất là các
đường hầm xây dựng trong đá. Việc phát minh ra máy khoan hầm (TBM) là một
bước tiến quan trọng trong ngành xây dựng hầm. Nó giúp cho việc đào hầm thuận
tiện và nhanh chóng, an toàn hơn trong khu vực đô thị.
Ngày nay, các phương pháp đào hầm được cải tiến. Tùy thuộc vào điều kiện đất
nền, diện tích mặt bằng, khả năng kinh tế… mà lựa chọn phương án khác nhau cho
phù hợp. Việc chọn phương án đào hầm hợp lý không những giúp tiết kiệm thời
gian, kinh phí và còn đảm bảo hơn cho sự an toàn – một vấn đề không đơn giản đối
với việc xây dựng hầm trong đô thị.
1.1.2 Các phương pháp thi công hầm.
6

a. Đào toàn tiết diện b. Đào từng phần trong đất đá yếu
Hình 1.2: Phương pháp đào kín.
b. Phương pháp khoan nổ.
Phương pháp này sử dụng thuốc nổ để thực hiện công tác đào. Một chu trình đào
hầm bao gồm các bước: Khoan tạo lỗ trên gương hầm, nạp thuốc nổ, tiến hành nổ
mìn, thông gió, vận chuyển đất đá và sửa bề mặt vách hầm, gia cố tạm và thi công
vỏ hầm (hình 1.3). Phương pháp khoan nổ thường áp dụng để thi công các đường
hầm trong điều kiện đất đá cứng chắc.

1. Khoan tạo lỗ 2. Nạp thuốc nổ 3. Nổ mìn

4.Thông gió 5. Vận chuyển đất đá 6. Thi công vỏ hầm
Hình 1.3: Phương pháp khoan nổ.
c. Phương pháp NATM (new Austrian tunnelling method).
Được ra đời trong những năm 60 của thế kỷ 20, phương pháp này nhanh chóng
trở thành một trào lưu trong lĩnh vực xây dựng hầm. Công tác đào được tiến hành
giống như phương pháp đào thủ công hay khoan nổ, tuy nhiên điểm khác là việc
thiết kế vỏ hầm có tính đến khả năng tự chống đỡ của bản thân đất đá xung quanh
đường hầm. Biện pháp thi công phải xử lý khối đất đá trên vòm hầm sao cho đất đá
8
xung quanh hầm được liên kết thành kết cấu vòm chống đỡ. Do đó, tự bản thân khối
đất đá xung quanh sẽ trở thành một phần kết cấu chống đỡ hầm. Cách chống đỡ
truyền thống bằng gỗ hoặc bằng vòm thép không thể giúp ngăn ngừa sự biến dạng
của khối đá xung quanh hầm. Bê tông phải được phun ngay sau khi đào để có thể
ngăn sự biến dạng của khối đá một cách hữu hiệu (hình 1.4). Các bước thi công theo
phương pháp NATM gồm: Đào đất đá, vận chuyển đất đá, gia cố tạm, thi công vỏ
hầm.

f. Phương pháp khoan hầm TBM (tunnel boring machine).
Đây là bước phát triển cao hơn của phương pháp đào hầm bằng khiên đào. Hầm
được thi công bằng máy đào toàn tiết diện TBM. Toàn bộ các quá trình thi công
được cơ giới hóa và được vận hành bởi buồng điều khiển. Gương hầm có thể được
ổn định nhờ vào sự cân bằng áp lực của đất đá đào ra hoặc bằng vữa Bentonite. Máy
cân bằng áp lực đất là dùng chính mùn đất đá khoan ra trộn lẫn với bọt để tạo vữa
cân bằng với gương hầm. Máy dùng Bentonite thì được cấp dung dịch bentonite vào
buồng khoan, đất đá khoan ra được hòa trộn với bentonite và vận chuyển ra ngoài
bể xử lý, lọc lấy bentonite và tái sử dụng. Các bộ phận cơ bản của đầu máy khoan
TBM được mô phỏng trong hình 1.8.

Hình 1.8: Khoan hầm bằng máy TBM [35]
7
11
Chú thích hình 1.8:
1. Đầu cắt
6. Bộ phận bịt đuôi khiên
2. Dung dịch Bentonite
7. Đường cấp dung dịch Bentonite
3. Bọt khí
8. Đường ra của vật liệu đào
4. Kích đẩy
9. Phun vữa lấp nhét
5. Vỏ hầm

Quy trình khoan hầm bằng máy TBM cơ bản như sau: Đầu cắt quay để cắt đất
đá trên gương hầm. Đất đá được trộn với dung dịch bentonite để đưa ra ngoài. Máy