Phân tích, so sánh bài toán thiết kế hố đào sâu cho ga ngầm của đường sắt Hà Nội qua một số tiêu chuẩn

PHÂN TÍCH, SO SÁNH BÀI TOÁN THIẾT KẾ HỐ ĐÀO SÂU<br /> CHO GA NGẦM CỦA ĐƯỜNG SẮT HÀ NỘI<br /> QUA MỘT SỐ TIÊU CHUẨN<br /> <br /> NGUYỄN CHÂU LÂN*<br /> TRƯƠNG QUANG MẠNH**<br /> <br /> Analysis and Comparison of design solutions for deep excavation of<br /> some underground station in Hanoi<br /> Abstract: There are 8 urban railways which have been constructed<br /> according to Transport Development Plan for Hanoi until 2020. In which,<br /> the Urban Railway No.2 would be a vital role for urban transportation in<br /> near future. With the design of three elevated, seven underground stations,<br /> deep excavation is an indispensible part of the construction in this project.<br /> In details, C10 (Tran Hung Dao) terminal is more complex than others<br /> due to its configuration. Although 35 m in length, 1.2 m in diameter<br /> diaphragm wall and also H350-shaped steel support have been applied,<br /> the depth of excavation is up to 21 m, the stability of the foundation pit as<br /> well as the wall during excavation is a critical issue.<br /> To deal with excavation works design, this paper will present the<br /> calculation results of deep excavation at C10 terminal by using<br /> Geostructure analysis (Bentley) program. In particular, sheeting design<br /> tool is widely adopted for design and analysis of sheet piles and other<br /> retaining wall types. Modeling of layered-soil profile, staged-construction,<br /> it provides required pile embedment lengths (for fixed and hinged toes),<br /> bending moments, internal forces and wall displacement. In addition, due<br /> to the large depth of the foundation pit, slope stability analyses at the end<br /> of excavation works are also performed.<br /> Keywords: Deep excavation, Diaphragm wall, Urban railway,<br /> Geostructure analysis, underground station<br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU CHUNG* bay Nội Bài và khu đô thị mới Đông Anh, Từ<br /> Theo kế hoạch phát triển giao thông đô thị Liêm, Phố Cổ, qua quốc lộ 6 và Thượng Đình.<br /> Hà Nội tầm nhìn 2020 đã được Thủ tướng chính Dự án tuyến 2 bắt đầu từ Nam Thăng Long<br /> phủ ban hành theo quyết định số 90/2008/ QĐ- đến ga Hàng Bài - Trần Hưng Đạo, với chiều<br /> TTG ngày 9 tháng 07 năm 2008, sẽ có 5 tuyến<br /> dài 11,5 km (bao gồm 8.9 km đi nổi và 2,6 km<br /> đường sắt đô thị được xây dựng. Trong đó,<br /> đi ngầm), 10 ga với 1 depot diện tích 17,5 ha tại<br /> tuyến đường sắt đô thị số 2 đóng một vai trò rất<br /> quan trọng cho sự phát triển giao thông đô thị làng Xuân Đỉnh. Cụ thể, 7 ga ngầm sẽ được<br /> hiện tại và trong tương lai. Tuyến số 02 nối sân thiết kế đặt tại những nút giao thông trọng điểm<br /> trong thành phố [2].<br /> *<br /> Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam. Trong đó, ga C10 (Trần Hưng Đạo) không<br /> E-mail: nguyenchaulan@utc.edu.vn<br /> **<br /> Công ty TNHH tập đoàn xây dựng Delta.<br /> chỉ nằm ở vị trí quan trọng (gần với khu đông<br /> E-mail: quangmanh.uct@gmail.com dân cư và các tòa nhà cao tầng) mà còn sâu và<br /> <br /> 20 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019<br /> phức tạp hơn các ga khác. Vì vậy, để đảm bảo Thông số đất nền được tóm tắt trong Bảng 1.<br /> an toàn trong quá trình thi công đào đất, tường<br /> Bảng 1. Thông số đất trong tính toán<br /> vây được thiết kế với chiều sâu 35m và chiều<br /> Độ sâu (m) Trọng M ô đun biến<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Lớp<br /> dày 1,2m. Tại dự án này phần tính toán kết cấu, Loại đất<br /> SPT Lực dính Góc ma<br /> dạng<br /> 2<br /> (N) (kN/m ) sát lượng<br /> tường vây được thực hiện theo tiêu chuẩn Nhật Từ Đến 3 (M pa)<br /> (kN/m )<br /> bản, đây là tiêu chuẩn có nhiều ưu điểm, tuy 1 0 2 Sét 2 15 0 18 9,8<br /> nhiên hiện nay vẫn là tiêu chuẩn chưa quen 2 2 11 Sét 12 30 0 18 9,8<br /> thuộc với các kỹ sư Việt Nam. Do đó bài báo 3 11 19 Sét 15 40 0 18 13,5<br /> 4 19 34 Cát bụi 15 0 33 20 14<br /> này trình bày phương pháp tính toán và kiểm 5 34 41 Cát bụi 26 0 35 20 14<br /> toán theo tiêu chuẩn LRFD [1] là tiêu chuẩn 6 41 - Cát bụi 50 0 40 20 14<br /> được áp dụng rộng rãi trong ngành Giao thông<br /> vận tải. Phần mềm Geostructure analysis phiên 2.1.2 Thông số tải trọng<br /> bản V.19 để tính toán và kiểm toán kết cấu Nhà ga được xây dựng sát với khu vực<br /> tường vây theo tiêu chuẩn LRFD. đường đô thị. Ngoài tải trọng của hoạt tải xe cộ,<br /> 2. THIẾT KẾ TƯỜNG VÂY NHÀ GA tải trọng tính toán còn bao gồm cả hoạt tải thi<br /> 2.1 Thông số đầu vào công. Do vậy, tải bề mặt được lấy như sau:<br /> 2.1.1 Điều kiện địa chất q = 12 kN/m2 theo quy định trong [1].<br /> Báo cáo khảo sát địa chất bao gồm thông số 2.1.3 Vật liệu<br /> các hố khoan địa chất, thí nghiệm xuyên tiêu Văng chống<br /> chuẩn SPT, và công tác thí nghiệm trong phòng Lựa chọn H-350x350x12x19 cho tầng văng<br /> đối với 43 hố khoan trên toàn tuyến (EV-B1 đến chống thứ nhất và thứ 2 với lực căng trước là<br /> EV-B14 và DN1-1 đến DN1-29) và tham khảo 150 kN:<br /> 32 hố khoan cho các ga (ST-B1 đến ST-B2 và<br /> Bảng 2. Thông số cho lớp văng 1 và 2<br /> GN1-1 đến GN1-30), địa chất khu vực nghiên<br /> cứu có thể chia thành 13 lớp đất [2]. Bởi ga C10 Diện tích mặt<br /> A = 17,19x10-3 m2<br /> nằm gần với hố khoan GN1-26 nên địa chất tính cắt ngang<br /> toán được lấy như dưới đây (Hình 1). Chiều dài L = 19 m<br /> Khoảng cách S = 3 m<br /> Support 1<br /> G.L. 1.5 m<br /> 1 G.L. 2 m Loại Spring<br /> Support 2 Độ cứng gối kN/<br /> G.L. 6 m 2 K = 180947<br /> đàn hồi m<br /> Support 3<br /> G.L. 11 m<br /> G.L. 10.5 m<br /> Support 4<br /> G.L. 15 m 3 Chọn H-400x400x13x21 cho lớp văng thứ<br /> Support 5 3,4 và 5 với lực căng trước là 200 kN:<br /> G.L. 18 m G.L. 19 m<br /> <br /> Bảng 3. Thông số cho lớp văng 3,4 và 5<br /> 4 Diện tích mặt A = 21,87x10-3 m2<br /> cắt ngang<br /> G.L. 34 m Chiều dài L = 19 m<br /> 5<br /> Khoảng cách S = 3 m<br /> G.L. 41 m Loại Spring<br /> Độ cứng gối K = 180947 kN/m<br /> Hình 1. Điều kiện địa chất khu vực nghiên cứu đàn hồi<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 21<br />  Tường vây + Chiều sâu đảm bảo chuyển vị, momen<br /> tường cũng như nội lực trong kết cấu chống đỡ<br /> Bảng 4. Thông số tường vây<br /> trong phạm vi cho phép.<br /> Cường độ nén fck = 30 Mpa + Trong trường hợp có tải đứng, độ sâu<br /> Cường độ nén yêu fcd = 21 Mpa tường cần đảm bảo sự phá hoại nền dưới<br /> cầu chân tường.<br /> Ứng suất nén cho fca = 8,0 Mpa + Độ sâu đặt cần đảm bảo nước ngầm<br /> phép không thấm vào trong hố móng trong suốt quá<br /> Ứng suất cắt cho fq1 = 0,3 Mpa trình thi công.<br /> phép với thép  Hệ số ổn định tính toán của hệ cần đảm<br /> Ứng suất cắt cho fq2 = 1,62 Mpa bảo những yếu tố sau đây: Hệ số an toàn mỏi<br /> phép không thép của vật liệu, ổn định chống trồi, ổn định chung<br /> Mô đun đàn hồi E = 2,35E4 Mpa của cả hệ…<br /> 3.2 Phương pháp tính toán theo LRFD<br /> 3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN Tiêu chuẩn LRFD tính toán theo hệ số tải<br /> 3.1 Tính toán theo tiêu chuẩn Nhật Bản trọng và hệ số sức kháng theo trạng thái giới<br /> Về cơ bản, tường chắn đất theo tiêu chuẩn hạn cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng [1],<br /> của Nhật Bản được thiết kế dựa trên phương theo nguyên lý tải trọng bé hơn hoặc bằng sức<br /> pháp dầm trên nền đàn hồi. Chi tiết như sau: kháng. Trong nội dung bài báo này, phần mềm<br />  Áp lực đất tác dụng lên tường chắn là áp Geostructure Analysis được áp dụng để tính<br /> lực đất chủ động và bị động, được giả thiết và toán và kiểm toán kết cấu theo LRFD.<br /> tính toán theo các lý thuyết của Rankine-Resal Bộ phần mềm này có thể tính toán và kiểm<br /> và Coulomb (Hình 2). toán theo các tiêu chuẩn khác nhau, ưu điểm của<br /> phần mềm bao gồm:<br /> - Phân tích dựa trên giả thiết trạng thái tới<br /> hạn và hệ số an toàn.<br /> - Mô hình các lớp đất khác nhau<br /> - Thẩm tra thiết kế cũng được phân tích dựa<br /> trên EN 1997-1, LRFD hay phương pháp tiếp<br /> cận cổ điển.<br /> - EN 1997 - lựa chọn hệ số an toàn dựa trên<br /> tiêu chuẩn của từng quốc gia tương ứng<br /> - EN 1997 - lựa chọn tất cả các phương pháp<br /> tiếp cận, cân nhắc đến tình huống thiết kế<br /> - Xây dựng hệ thống dữ liệu đất<br /> - Tùy biến tải trọng tác dụng (dải, hình thang,<br /> Hình 2. Sơ đồ tính toán áp lực đất dựa trên tập trung)<br /> phương pháp dầm trên nền đàn hồi - Mô hình nước ngầm phía trong và phía<br /> ngoài tường vây<br />  Độ sâu tường chắn được chọn là giá trị - Mô hình đường mặt đất phía ngoài<br /> lấy lớn nhất trong các trường hợp sau: tường vây<br /> + Chiều sâu tối thiểu để chống lại hiện tượng - Ảnh hưởng của động đất (Mononobe-<br /> đẩy trồi hố móng. Okabe, Arrango).<br /> <br /> <br /> 22 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019<br />  - Phân tích áp lực đất hữu hiệu và áp lực<br /> đất tổng 6.50<br /> <br /> <br /> - Mô hình nhiều lớp văng chống<br /> Phương pháp tính toán ổn định được áp dụng<br /> là phương pháp cân bằng giới hạn - GLEM.<br /> Phương pháp này được dùng trong thiết kế bởi<br /> tính đơn giản, dễ áp dụng.<br /> Các thông số đất ,,c được chọn để tính toán<br /> áp lực đất. Ổn định của hệ được tính toán dựa Hình 5. Giai đoạn thi công số 3<br /> trên phương pháp của Bishop. Và hệ chống<br /> được mô hình như là gối đàn hồi.  Bước 4: Lắp đặt hệ văng chống số 2 ở độ<br /> 3.3. Trình tự tính toán theo các giai đoạn sâu 6m.<br /> thi công<br /> Thi công hố đào sâu được chia thành 11 giai 1.50<br /> 180947.00kN/m<br /> 6.00<br /> <br /> <br /> đoạn và quá trình tính toán được mô phỏng như 180947.00kN/m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> dưới đây.<br />  Bước 1: Đào đất đến độ sâu 2,0m.<br /> <br /> 12.00<br /> <br /> <br /> <br /> 1.50 2.00 +x 2.00 2.00<br /> <br /> <br /> 9.00 Hình 6. Giai đoạn thi công số 4<br /> +z<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 8.00<br /> 35.00<br />  Bước 5: Đào đất đến độ sâu 11m.<br /> +z 15.00<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7.00 11.00<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Giai đoạn thi công số 1<br /> <br />  Bước 2: Lắp đặt hệ văng chống số 1 ở độ<br /> sâu 1,5m.<br /> Hình 7. Giai đoạn thi công số 5<br /> <br /> 1.50<br /> 180947.00kN/m<br />  Bước 6: Lắp đặt hệ văng chống số 3 ở độ<br /> sâu 10,5m.<br /> <br /> 1.50<br /> 180947.00kN/m<br /> 6.00<br /> 10.50<br /> 180947.00kN/m<br /> <br /> 180947.00kN/m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Giai đoạn thi công số 2<br /> <br />  Bước 3: Đào đất đến độ sâu 6,5m. Hình 8. Giai đoạn thi công số 6<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 23<br />   Bước 7: Đào đất đến độ sâu 15,5m<br /> 1.50<br /> 180947.00kN/m<br /> 6.00<br /> 10.50<br /> 180947.00kN/m<br /> 15.00<br /> 18.00<br /> 180947.00kN/m<br /> <br /> 180947.00kN/m<br /> 15.50<br /> 180947.00kN/m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 12. Giai đoạn thi công 10<br /> <br /> Hình 9. Giai đoạn thi công số 7  Bước 11: Đào đất đến độ sâu 21m.<br /> <br />  Bước 8: Lắp đặt hệ văng chống số 4 ở độ<br /> sâu 15m.<br /> <br /> 21.00<br /> <br /> <br /> 1.50<br /> 180947.00kN/m<br /> 6.00<br /> 10.50 0.25<br /> 180947.00kN/m<br /> 15.00<br /> <br /> 180947.00kN/m<br /> <br /> 180947.00kN/m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 13. Giai đoạn thi công số 11<br /> <br /> 4. KẾT QUẢ<br /> Kết quả của giai đoạn thi công cuối cùng<br /> Hình 10. Giai đoạn thi công số 8 được thể hiện như dưới đây (Hình 14).<br /> <br />  Bước 9: Đào đất đến độ sâu 18,5m. Displacement<br /> Min1 = -3.1; Min2 = -33.6mm<br /> Max1 = 0.1; Max2 = -2.0mm<br /> Bending moment<br /> Min1 = 0.95; Min2 = -1525.79kNm/m<br /> Max1 = 475.50; Max2 = 0.00kNm/m<br /> Shear force<br /> Min1 = 0.00; Min2 = -304.38kN/m<br /> Max1 = 436.63; Max2 = -8.44kN/m<br /> -3.1 0.1<br /> <br /> -2.0 0.95 -31.66-31.13<br /> -3.07 93.46<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 385.00 -151.08 5.33-12.19 193.46<br /> -30.99-30.99<br /> -31.43-31.43<br /> 268.64<br /> -510.99<br /> <br /> 475.50 -167.28 -8.44<br /> -118.01<br /> -118.65-118.65 411.43<br /> -374.62 -153.21-153.21<br /> -154.91<br /> 22.60<br /> <br /> 18.50 -934.31<br /> -926.95-926.95<br /> -925.94 -64.87<br /> 5.09 436.63<br /> -113.51-113.51<br /> -114.83-114.83<br /> 176.04<br /> -1324.35-1324.23<br /> -1324.23 60.88 350.40<br /> -1299.34 -181.92<br /> -163.18<br /> -1525.79<br /> -33.6 -1517.39-1517.39<br /> -1516.20-1516.20<br /> 35.74 -271.23<br /> -1.0 -259.05<br /> <br /> -304.38<br /> 3.96<br /> <br /> <br /> 207.09<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 44.40<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -13.4 -1.0<br /> <br /> -37.5 0 37.5 -2000.00 0 2000.00-500.00 0 500.00<br /> <br /> Hình 11. Giai đoạn thi công số 9 [mm] [kNm/m] [kN/m]<br /> <br /> <br /> <br /> <br />  Bước 10: Lắp đặt hệ văng chống số 5 ở độ Hình 14. Biểu đồ chuyển vị, momen, nội lực<br /> sâu 18m. tường vây tại bước đào cuối cùng<br /> <br /> <br /> 24 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019<br />  Bảng 5. Giá trị nội lực lớn nhất Mối quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất và<br /> trong tường vây chiều sâu đào trong thiết kế được so sánh với<br /> một số trường hợp điển hình khác được trình<br /> Lực cắt lớn nhất 436,63 kN/m bày trong bảng 6. Kết quả cho thấy chuyển vị<br /> Momen lớn nhất 1525,79 kN.m/m của tường nằm trong giới hạn cho phép và<br /> Chuyển vị lớn nhất 33,6 mm cũng thống nhất với kết quả từ các nghiên cứu<br /> khác [2-5].<br /> <br /> Bảng 6. Mối quan hệ giữa chuyển vị và chiều sâu hố đào<br /> Chuyển vị So sánh Kiểm<br /> Ví dụ Khoảng chuyển vị<br /> (m) (mm) tra<br /> Liu, Rebecca, Charles,<br /> 33,6 0,14%H  0,68%H 29,4