ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------oao------------------
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

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS. LÊ VĂN NAM

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. LÊ VĂN NAM Cán bộ chấm nhận xét 1:

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.

Chương 1. Tổng quan về công trình ngầm, các biện pháp thi công công trình
ngầm trên thế giới và ở Việt Nam
Nêu tổng quan về các công trình ngầm theo lịch sử phát triển trên thế giới
cũng như tại Việt Nam. Sơ bộ các phương pháp tính toán cũng như các phương
pháp thi công đường hầm phổ biến trên thế giới hiện nay. Luận văn chú trọng vào
khu vực có địa chất yếu qua đô thị nên có những nhận xét tổng quan và yêu cầu khi
tính toán, thi công đường hầm qua khu vực đặc trưng này.

Chương 2. Đặc điểm địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh
Dựa trên số liệu địa chất của các dự án lớn, có đủ số liệu thí nghiệm của các
dự án đang triển khai trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh để tổng hợp và có cái

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
và trong đất mềm...........................................................................................11
1.3.4 Phương pháp tường liên tục dưới đất thi công hầm trong đất mềm yếu
........................................................................................................11
1.3.5 Phương pháp khiên..........................................................................11
1.3.6 Phương pháp hạ chìm......................................................................11
1.3.7 Đánh giá và đề xuất phương án.......................................................12
1.4 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM GIAO THÔNG ĐÔ THỊ
KHU VỰC TP.HCM................................................................................13

3.5 Tải trọng tác dụng lên đường hầm............................................................51

Chương 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN...........................................53
CÔNG TRÌNH NGẦM.......................................................................................53
4.1 Các phương pháp lực ...............................................................................53
4.1.1 Phương pháp SN.Naumov................................................................53
4.1.2 Phương pháp G.G. Zurabov............................................................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 Phương pháp K.V.Ruppenneyt,V.A. Lutkin, A.N. Dranovxki............56
4.2.3 Phương pháp B.G. Galerkin............................................................56
4.2.4 Phương pháp M.M. Protodiakonov..................................................56
4.3 Phương pháp phần tử hữu hạn .................................................................57
4.3.1 Khái niệm chung về phương pháp PTHH........................................57
4.3.2 Phương pháp PTHH trong tính toán công trình ngầm.....................59
4.3.2.1 Các mô hình tính..........................................................................59
4.3.2.2 Các dạng phần tử.........................................................................59
4.3.2.3 Nguyên tắc chia lưới phần tử.......................................................67
4.3.2.4 Các dạng mô hình nền.................................................................68
4.3.3 Giới thiệu một số phần mềm tính toán sử dụng phương pháp PTHH71
4.4 Phương pháp phần tử rời rạc.....................................................................71
4.5 Các phương pháp tính toán thiết kế đường hầm phù hợp đối với địa chất
mềm yếu...................................................................................................72
4.5.1 Tính toán kết cấu hầm theo phương pháp thay thế bằng hệ thanh....73

5.2.4.9 Phương pháp khiên DOT (Double O Tube).................................114
5.2.4.10 Phương pháp khiên H & V .........................................................115
5.2.4.11 Phương pháp khiên mở rộng cục bộ ...........................................118
5.2.5 Ưu khuyết điểm của biện pháp thi công hầm bằng khiên đào..........119
5.2.5.1 Ưu điểm của thi công đường hầm theo phương pháp khiên.........119
5.2.5.2 Khuyết điểm của thi công đường hầm theo phương pháp khiên...120

Chương 6. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUYẾT KHI XÂY DỰNG CÔNG
TRÌNH NGẦM TRONG ĐIỀU KIỆN TP. HỒ CHÍ MINH......121
6.1 Tính toán đường hầm có xét ảnh hưởng của các công trình lân cận........121
6.1.1 Cấu tạo đường hầm trong đất yếu..................................................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
7.1 Kết luận..................................................................................................143
7.2 Kiến nghị................................................................................................144
DANH MỤC CÁC BẢNG

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 3.1 Vòng tròn Mohr.......................................................................................28
Hình 3.2 Biến dạng của đất đá theo thời gian.........................................................29
Hình 3.3 Sự phân bố ứng suất đất đá xung quanh hầm...........................................37
Hình 3.4 Áp lực thẳng đứng trường hợp đào thẳng đứng........................................43
Hình 3.5 Áp lực thẳng đứng trường hợp đào thành nghiêng...................................44
Hình 3.6 Vòm cân bằng áp lực...............................................................................46
Hình 3.7 Sơ đồ xác định kích thước vòm cân bằng.................................................46
Hình 3.8 Sơ đồ xác định áp lực thẳng đứng và áp lực ngang..................................48
Hình 3.9 Sơ đồ xác định áp lực đẩy trồi.................................................................50
Hình 3.10 Sự phân bố áp lực đáy...........................................................................50
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 Hình 4.10 Phần tử tứ giác biến dạng tuyến tính......................................................64
Hình 4.11 Phần tử tứ giác biến dạng khối...............................................................64

Hình 5.21 Đường hầm Kyobashi..........................................................................101
Hình 5.22 Nhà ga Osaka Business Park...............................................................102
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..............................................................................109
Hình 5.34 Khiên MSD có đường kính 4.1m, tổng chiều dài 1515m (707m + 808m),
loại khiên dung dịch bùn......................................................................................110
Hình 5.35 Khiên MMST......................................................................................111
Hình 5.36 Khiên bọt khí.......................................................................................112
Hình 5.37 Cấu tạo khiên bọt khí...........................................................................113
Hình 5.38 Sơ đồ cấu tạo khiên CPS.....................................................................114
Hình 5.39 Khiên DOT..........................................................................................115
Hình 5.40 Sơ đồ nguyên lý khiên H&V...............................................................116
Hình 5.41 Khiên H&V.........................................................................................117
Hình 5.42 Sơ đồ nguyên lý thi công mở rộng cục bộ............................................118
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

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
- 2 -
tế và giảm thiểu chi phí xây dựng công trình, giảm thiểu nguy cơ xảy ra sự cố trong
quá trình thi công và khai thác là một yếu tố rất quan trọng trong việc xây dựng
công trình ngầm. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
Do đó việc “Nghiên cứu tính toán và biện pháp thi công hầm giao thông qua
đô thị phù hợp với điều kiện khu vực Tp.HCM” cũng chính là nội dung của luận
văn tốt nghiệp thạc sỹ này.

2. NỘI DUNG LUẬN VĂN :

• 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.
- 4 -
• 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
xuyên qua núi giúp cho thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu sang hạ lưu sông Lam để
tránh đi qua đập nước Đô Lương. Ngành đường sắt có một số hầm ngầm ở miền
Trung, điển hình là hầm Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc Thừa Thiên Huế.
Trong chiến tranh chống Pháp, chống Mỹ hầm được xây dựng nhiều song chủ
yếu là hầm ngắn, nhằm phục vụ quốc phòng làm kho tàng, công sự…
Sau ngày thống nhất đất nước 1975, đầu tiên xây dựng hầm Dốc Xây trên QL1A

Một số hình ảnh đường hầm trến thế giới và tại Việt Nam với những công dụng
khác nhau:
- 6 -

Hình 1.1 Hầm khai thác mỏ Excelsior (Anh) Hình 1.2 Metro Columbia Heights (Mỹ)
- 7 -

Hình 1.3 Đường hầm The Second Heinenoord Hình 1.4 Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân (Việt Nam)
- 8 -
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
- 9 -
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