Đề tài Thiết kế và tổ chức thi công hầm Metro

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Thủ đô Hà Nội là một trung tâm văn hoá - chính trị của cả nước. Sự phát triển của thủ đô có ảnh hưởng rất lớn tới sự phát triển của đất nước. Hệ thống giao thông của thành phố đang phát triển không ngừng. Riêng tốc độ phát triển của các phương tiện giao thông đường bộ trong các năm 1996 tới nay là khoảng : 8 - 13% đối với xe máy, và 5 - 8% đối với xe ôtô. Chủng loại phương tiện cũng ngày càng đa dạng và phong phú hơn. Hệ thống cơ sở vật chất hạ tầng cho giao thông cũng có nhiều thay đổi. Nhiều tuyến đường lớn nhỏ tiếp tục được qui hoạch, mở rộng hợp lý, đạt yêu cầu về tiêu chuẩn chất lượng, đảm bảo phục vụ tốt cho các hoạt động lưu thông. Tuy nhiên cũng giống như các thành phố trên thế giới Hà Nội cũng gặp rất nhiều khó khăn về giao thông đô thị: + Giao thông tại thành phố đang quá tải, nhất là vào giờ cao điểm luôn xảy ra ách tắc tại các nút giao thông lớn do nhu cầu đi lại của người dân không ngừng tăng lên + Mức độ ô nhiễm môi trường do khí thải xe cộ, ô nhiễm tiếng ồn đã lên mức báo động. + Tại các khu phố đông dân cư, việc mở rộng hay quy hoạch lại đường rất khó thực hiện do liên quan đến các yếu tố lịch sử văn hoá và kiến trúc của thành phố, trong khi đó việc giải phóng mặt bằng còn nhiều bất cập, kéo dài và chi phí lớn. + Trong khi đó, điều kiện địa hình địa chất của thành phố Hà Nội cũng khá phức tạp, việc quy hoạch chưa hợp lý tại các vùng đông dân cư đã làm cho việc sử dụng các phương tiện công cộng trên mặt đất và trên cao gặp rất nhiều khó khăn vì hệ thống đường quá chằng chịt, nhỏ bé và hệ thống dây điện, cáp điện thoại đã tạo thành các mạng nhện rất khó giải quyết ở trên cao Trong khi đó, tốc độ phát triển của hệ thống giao thông vận tải đô thị (GTVTĐT) chưa đáp ứng được nhu cầu đi lại của người dân thủ đô. Xu thế phát triển hiện nay của toàn bộ hệ thống GTVTĐT ở Hà Nội chưa cân đối và hợp lý. Điều này có thể thấy rõ ở sự phát triển thiếu hài hoà giữa số lượng và chủng loại của các phương tiện giao thông với hệ thống cơ sở hạ tầng đô thị. Hệ thống cơ sở hạ tầng tuy phát triển nhanh và dần dần được hiện đại hoá nhưng không theo kịp với tốc độ phát triển nhanh đến mức không thể kiểm soát nổi của các phương tiện giao thông. Chính vì thế hệ thống cơ sở hạ tầng đô thị vẫn nhanh chóng bị quá tải và xuống cấp nghiêm trọng. Hiện trạng và viễn cảnh không xa của tình hình giao thông tại Hà Nội  cho thấy vấn đề đã mang tính cấp bách. Song song với các biện pháp tăng cường quản lý giao thông, thì việc phát triển vận tải hành khách công cộng với khối lượng lớn cũng được xem là giải pháp cần thiết và hợp lý. Trước thực trạng như vậy giải pháp khắc phục mang lại hiệu quả về nhiều mặt là xây dựng hệ thống giao thông ngầm, mà nổi bật là hệ thống tàu điện ngầm. Tàu điện ngầm đã xuất hiện trên thế giới từ rất lâu, qua thời gian nó đã chứng minh tính tối ưu, hợp lý trong việc giải quyết các vấn đề giao thông tại các thành phố lớn đông dân cư, nó hạn chế được tối đa các vấn đề của đô thị hiện đại như ô nhiễm, tắc nghẽn, ồn ào, nhu cầu đi lại không ngừng tăng lên nhờ những ưu điểm nổi trội: tốc độ cao, khả năng vận chuyển hành khách lớn, di chuyển êm, ít gây ô nhiễm môi trường, nâng cao mức sông của người dân đô thị. Việc xây dựng hệ thống tàu điện ngầm có ý nghĩa lớn trong giải quyết vấn đề giao thông đô thị, cho phép sử dụng đất đô thị hợp lý. Xuất phát từ vấn đề trên ,với những kiến thức đã được học trong trường, em chọn đề tài tốt nghiệp: ”Thiết kế và tổ chức thi công hầm Metro ”. Trong quá trình hoàn thiện đồ án này, em rất cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của kỹ sư Nguyễn Thạch Bích, giảng viên bộ môn Cầu Hầm, cùng một số thầy cô khác ở các bộ môn trong trường đã trang bị cho em những kiến thức quý báu về chuyên ngành Cầu Hầm trong suốt những năm học vừa qua Mặc dù đã có nhiều cố gắng, do thời gian có hạn, tài liệu tham khảo lại không đầy đủ và làm về một lĩnh vực còn khá mới mẻ nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy em rất mong muốn sự phê bình, góp ý của các thầy cô, và các bạn sinh viên trong trường để vững vàng trong công tác của mình sau này. Hà Nội, ngày 19 tháng 5 năm 2008 Sinh viên Chử Ngọc Minh Chiến PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. VAI TRÒ CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG PHÁT TRIỂN GIAO THÔNG ĐÔ THỊ Cïng víi sù ph¸t triÓn chãng mÆt cña x· héi, c¬ së h¹ tÇng ®« thÞ còng ph¶i ph¸t triÓn liªn tôc ®Ó phï hîp víi ®ßi hái cña x· héi. C¸c khu c«ng nghiÖp, khu chung c­, c¸c c«ng tr×nh d©n dông, khu vui ch¬i gi¶i trÝ, c«ng viªn ®­îc x©y dùng ngµy cµng nhiÒu, kÕt hîp víi m¹ng l­íi giao th«ng, s«ng hå t¹o nªn tæ hîp kiÕn tróc ®« thÞ phøc t¹p. MÆt kh¸c do tèc ®é më réng cña ®« thÞ lu«n chËm h¬n so víi nhu cÇu vÒ x©y dùng lu«n kh«ng ngõng gia t¨ng, v× vËy c¸c gi¶i ph¸p vÒ sö dông kh«ng gian ®« thÞ lu«n lµ mét vÊn ®Ò ®au ®Çu ®èi víi bÊt k× mét ®« thÞ nµo. Ngoµi c«ng t¸c më réng kh«ng gian theo mÆt b»ng, c¸c ®« thÞ hiÖn t¹i lu«n rÊt chó träng ®Õn viÖc ph¸t triÓn kh«ng gian theo mÆt ®øng b»ng c¸ch khai th¸c kh«ng gian trªn cao vµ kh«ng gian ngÇm. ViÖc chuyÓn mét sè c«ng tr×nh trªn mÆt ®Êt xuèng ngÇm ®· gi¶i phãng nhiÒu kho¶ng kh«ng gian lín trªn mÆt ®Êt, võa ®¸p øng ®­îc yªu cÇu vÒ kh«ng gian ®ång thêi còng mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ kh¸ cao. Khi sử dụng hiệu quả không gian ngầm cho phép : Tăng cường cấu trúc quy hoạch, kiến trúc của đô thị. Giải phóng nhiều công trình có tính chất phụ trợ ra khỏi mặt đất. Sử dụng đất đai đô thị hợp lý cho việc xây dựng nhà ở, tạo ra các công viên, bồn hoa, sân vận động, khu vực cây xanh, các vùng ’’ không có ô tô ” Tăng cường vệ sinh môi trường đô thị. Bảo vệ các tượng đài kiến trúc. Bố trí hiệu quả các cụm thiết bị kỹ thuật Trong trường hợp cần thiết, công trình ngầm còn dùng cho mục đích quốc phòng. Giải quyết được vẫn đề giao thông. Bªn c¹nh ®ã, viÖc quy ho¹ch hîp lý c¸c khu chung c­, c¸c khu c«ng nghiÖp, tr­êng häc, c«ng viªn khu vui ch¬i gi¶i trÝ… ph¶i kÕt hîp víi viÖc bè trÝ m¹ng l­íi giao th«ng ®Ó t¹o nªn mét khèi thèng nhÊt, hiÖu qu¶ nhÊt…, nh­ng ®ång thêi ph¶i ®¸p øng ®­îc yªu cÇu vÒ kiÕn tróc, thÈm mü cña ®« thÞ. Trong c«ng t¸c ph©n vïng vµ bè trÝ m¹ng l­íi giao th«ng theo mÆt ®øng kh«ng gian ®« thÞ th× ph­¬ng ¸n võa gi¶i quyÕt hîp lý vÊn ®Ò giao th«ng ®« thÞ võa cho phÐp khai th¸c vµ tËn dông ®­îc kh«ng gian ®« thÞ ®ã lµ thiÕt kÕ hÖ thèng giao th«ng ngÇm, trong ®ã ®iÓn h×nh lµ hÖ thèng tµu ®iÖn ngÇm. 1.2. TÍNH PHÙ HỢP CỦA TÀU ĐIỆN NGẦM TRONG PHÁT TRIỂN GIAO THÔNG CÔNG CỘNG Ở HÀ NỘI 1.2.1. Vai trò của giao thông ngầm Song song với sự phát triển về xã hội và kinh tế, các phương tiện giao thông nói chung và các phương tiện giao thông trong thành phố nói riêng cũng có sự phát triển mạnh mẽ. Trong các thành phố hệ thống các phương tiện giao thông rất đa dạng về loại hình và phong phú về thể loại. Theo cách phân loại về loại hình có các phương tiện giao thông công cộng như: xe buýt, xe điện; và các phương tiện giao thông cá nhân như: xe đạp, xe máy, ôtô, tàu thuyền. Theo cách phân loại về không gian bố trí thì gồm các phương tiện chạy trên mặt đất như ôtô, xe đạp, xe máy, tàu hỏa…; các phương tiện dưới mặt đất như tàu điện ngầm, tàu chạy bằng đệm từ; phương tiện trên cao như các hệ thống đường sắt trên cao, đường không. Theo cách phân loại về nguyên tắc hoạt động có phương tiện thô sơ, phương tiện chạy bằng động cơ: động cơ xăng, động cơ điện; phương tiện chạy bằng đệm từ. Khi đô thị phát triển nhanh, khối lượng vận chuyển hành khách lớn đến mức mạng lưới giao thông hành khách hiện tại trên mặt đất ( tàu điện, ô tô bus,…) không thể đáp ứng được. Dẫn đến yêu cầu tất yếu phải có một loại phương tiện khác giải quyết vẫn đề đó. Ngày nay, tau điện ngầm là dạng giao thông vận tải hành khách lớn nhất, tiện nghi và hoàn thiện nhât. Tàu điện ngầm có đại bộ phận tuyến đường nằm sâu trong lòng đất, ngoại ô mới chạy, có thể có những đoạn chạy trên mặt đất, cầu cạn hoặc đê cạn để phù hợp với mạng lưới giao thông chung và để tiết kiệm đầu tư xây dựng. Chi phí xây dựng tuyến đường thường rất đắt: khoảng 50 triệu đôla/km. Thời gian xây dựng 1 tuyến dài 20 km mất từ 5 đến 15 năm. Thu hồi vốn lâu. Kĩ thuật thi công phức tạp, đòi hỏi công nghệ hiện đại, trình độ cao. Tuy nhiên, tàu điện ngầm cũng có nhiều ưu điểm nổi bật không thể phủ nhận: Do tuyến đường hoàn toàn cách li nên dễ dàng thực hiện tự động hoá giúp cho mật độ tàu chạy có thể đạt 2-3 phút/tàu, tốc độ cao nhất 90 km/h, bình quân 40 – 50 km/h. Lượng hành khách vận chuỵển lớn: 60.000 - 80.000 lượt người/h (đối với tàu 1 chiều) có thể thoả mãn được yêu cầu đi lại trong giờ cao điểm, góp phần giải quyết tình trạng ách tắc giao thông. Yêu cầu về phòng hoả, giảm chấn, cách âm rất khắt khe nên có tính an toàn, tạo thoải mái cho hành khách. Giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng. 1.2.2. Tính phù hợp đối với việc phát triển giao thông tại Hà Nội Với những đặc điểm trên của thành phố Hà Nội, thì tiêu chí để đưa ra một hình thức vận tải hành khách công cộng hợp lý là như sau: Phù hợp với giao thông ở Hà Nội cho phép đáp ứng nhu cầu của người dân thành phố và hạn chế các phương tiện cá nhân. Phù hợp với “Sơ đồ quy hoạch tổng thể phát triển đô thị và hệ thống đường sắt đô thị đến năm 2020”, đồng thời cho phép phát triển các dự án đô thị và kinh tế của thành phố cũng như các trung tâm, văn hoá và du lịch. Phù hợp với khả năng tài chính của thành phố Hà Nội. Một hệ thống tiến tiến, hiện đại và có khả năng mở rộng tuyến để khai thác khi nhu cầu đi lại của người dân tăng cao. Thân thiện với môi trường, chủ yếu là các di tích lịch sử văn hoá và không gian thiên nhiên, hạn chế tối đa sự ô nhiễm về khói bụi cũng như tiếng ồn và giảm thiểu tai nạn giao thông. Cho phép tái tổ chức có hiệu quả những mạng lưới vận tải công cộng khác (xe buýt và hệ thống đường sắt khác). Sự phát triển của hình thức giao thông đường sắt nội đô, nhất là hệ thống tàu điện ngầm, được coi là một hình thức vận tại hiệu quả hiện đại tại Châu Âu và Mỹ, cũng như một số thành phố lớn khác trên thế giới sẽ phù hợp với sơ đồ phát triển hệ thống giao thông đường sắt nội đô đến năm 2020 vì: Hệ thống tàu điện ngầm đặt sâu đảm bảo sự thuận lợi cho dân cư tại các vùng đô thị và tăng cường các điều kiện về an toàn giao thông. Việc di chuyển trên một tuyến riêng, khổ tĩnh không riêng và di chuyển ngầm dưới đất làm giảm tối đa tiếng ồn đặc trưng của đường sắt Nhờ có các trục giao thông ngầm mà việc tiếp cận mạng lưới giao thông trên mặt đất đối với hệ thống được dễ dàng. Tính ưu việt của hệ thống càng tăng lên khi giá thành đất đô thị ngày càng tăng và kỹ thuật thi công ngày càng phát triển, trong khi rất cần duy trì không gian của thành phố nhất là tại các khu phố cổ. Khi điều kiện địa chất công trình và thuỷ văn thuận lợi thì việc xây dựng công trình ngầm tại các đô thị có thể rất hiệu quả Không những vậy với khả năng vận chuyển hành khách lớn, tốc độ cao các tuyến tàu điện ngầm sẽ đáp ứng nhu cầu đi lại dễ dàng hơn. Tất cả những biện pháp đó đã giúp cho giao thông công cộng trở nên hấp dẫn hơn. Năm 2003 2010 2020 2030 Đi bộ 1.5% 1.5% 1.5% 1.5% Xe đạp 22.0% 13.7% 5.9% 3.9% Xe máy 65% 50.4% 25.6% 15.5% Ôtô 1.8% 15.8% 28.3% 32.3% Xe buýt và phương tiện GTCC 9.5% 18.3% 38.6% 46.6% Các phương tiện khác 0.2% 0.2% 0.2% 0.2% Tổng 100% 100% 100% 100% Bảng 1.1 : Xu hướng phân bổ phương tiện giao thông của thành phố khi có các dự án về đường sắt nội đô 1.3. CƠ SỞ HÌNH THÀNH TUYẾN Tên dự án: Tuyến đường sắt đô thị thí điểm Thành phố Hà Nội, đoạn Nam Thăng Long - Giáp Bát. Cơ quan chủ quản dự án: Ủy ban Nhân dân Thành phố Hà Nội. Chủ đầu tư: Ban Quản lý, Phát triển vận tải công cộng và xe điện Hà Nội. Địa điểm xây dựng: Điểm đầu Nam Thăng Long (huyện Từ Liêm), điểm cuối Giáp Bát (Quận Hoàng Mai). Cơ sở thiết kế: Quy hoạch tổng thể Thủ đô Hà Nội đến năm 2020 được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 108/1998/QĐ-TTg ngày 20 - 6 - 1998 đã xác định: “Việc phát triển giao thông vận tải của Thủ đô phải lấy phát triển hành khách công cộng làm khâu trung tâm, bảo đảm tỷ lệ vận tải hành khách công cộng đến năm 2010 là 30% và đến năm 2020 là 50% số lượng hành khách. Cần ưu tiên cho việc xây dựng hệ thống đường sắt đô thị để tạo nên những trục chính của mạng lưới vận tải hành khách công cộng của Thủ đô”. Theo định hướng phát triển của hệ thống đường sắt đô thị đến năm 2020 của thành phố Hà Nội, theo quy hoạch tổng thể của thành phố thì sẽ có hệ thống tuyến đường sắt nội đô trên mặt đất,trên cao và đi ngầm vận chuyển hành khách từ các vùng phụ cận Đông - Tây - Nam - Bắc vào trung tâm thành phố, với Ga Hà Nội là điểm gốc, tuyến thiết kế thuộc giai đoạn 5 của dự án, được dự kiến khởi công vào 2010 nhằm bảo đảm vận chuyển lượng hành khách di chuyển theo hướng Nam - Bắc của thành phố. TT Tên tuyến Chiều dài (km) Năm xây dựng Hệ thống dự kiến 1 Yên Viên – Ngọc Hồi 24.6 2003 – 2009 Tàu điện trên cao có sử dụng các làn đường sắt 2 Ga Hà Nội – Hà Đông 12.6 2004 – 2010 Tàu điện hoặc Metro 3 Voi Phục – Cầu Giấy – Cầu Diễn 8.00 2008 – 2012 Tàu điện hoặc Metro 4 Ga Hà Nội – Nội Bài 21.60 2010 – 2015 Tàu điện hoặc Metro có sử dụng ĐS Nam Thăng Long – Tang Mi 5 Giáp Bát – Nam T.Long 18.90 2010 – 2015 Tàu điện hoặc Metro 6 KS Deawoo – Láng – Hoà Lạc 32.10 2010 – 2015 Tàu điện hoặc Metro 7 Bưởi - Đông Anh – Sóc Sơn 23.90 2010 – 2015 Liên quan đến sự phát triển của khu Nam Thăng Long “Hanoi New Town” 8 Cổ Bi – Kim Nỗ 25.50 2010 – 2015 Liên quan đến sự phát triển của khu Nam Thăng Long “Hanoi New Town” Bảng 1.1 : Mạng lưới và dự án đầu tư đường sắt đô thị đến năm 2020 của Hà Nội a. Lưu lượng giao thông rất lớn Nếu tính cả hai hướng thì số lượng xe mỗi giờ dao động từ 7.500 đến trên 22.000 xe. Ðây là một trong những mức lưu lượng cao nhất thế giới. Nếu so với Lyon (thành phố có quy mô tương đương với Hà Nội nếu chỉ tính riêng khu vực đô thị) thì lưu lượng xe trên đường ôtô đô thị vào giờ cao điểm chỉ đạt khoảng 7.000 xe/h theo mỗi hướng. b. Các luồng di chuyển lớn theo hai chiều Trên tổng số các trục đường được điều tra, lưu lượng giao thông theo hướng vào nội thành đạt mức cao nhất vào buổi sáng, còn hướng ra ngoại thành đạt mức cực điểm vào buổi chiều. Cụ thể như sau :     + Buổi sáng có 49 332 người đi ra khu vành đai và 85 873 người đi vào trung tâm, tức là mức chênh lệch lên tới 74%,        +Buổi chiều có 60 196 người đi vào trung tâm và 76 535 người đi ra khu vành đai, tức là mức chênh lệch đạt 27%. Những số liệu này cho thấy rõ các luồng di chuyển luân phiên hai chiều giữa nơi ở và nơi làm việc. Vào buổi sáng, những khu vực ở trung tâm thành phố luôn thu hút nhiều lao động sống ở những khu vành đai, sau đó đến giờ cao điểm buổi chiều những người này lại trở về nhà sau giờ làm việc. c. Mức độ đi lại Những trục đường có nhiều người qua lại nhất đều là những trục xuyên tâm nối khu trung tâm thành phố với các khu vành đai. Nhu cầu đi lại của người dân Hà Nội được dự báo sẽ tăng mạnh : Năm 2002 2005 2010 2020 Số chuyến cần phải đi trung bình của 1 người dân/ngày 1.58 1.89 2.34 2.56 Số chuyến cần phải đi trung bình của 1 người dân/năm 577 690 854 934 Số chuyến đi trên ngày (nghìn lượt người) 4550 5706 7610 277 Nhu cầu đi lại trong một năm (triệu lượt người) 1661 2083 2778 3386 VTHKCC đáp ứng nhu cầu đi lại của nhân dân - Số triệu lượt người 49 417 833 1862 - Số phần trăm đi lại (%) 6 20 30 55 Bảng 1.2: Dự báo nhu cầu đi lại của người dân thủ đô d. Ðổi mới trong giao thông công cộng Năm 2000 giao thông công cộng chỉ đáp ứng 4% nhu cầu đi lại, tức là ở mức thấp nhất trong số các nước Ðông Nam Á. Tình hình này là kết quả của một quá trình suy giảm dần chất lượng của giao thông công cộng từ cuối những năm 1970. Do đó, số lượng hành khách đã giảm từ 76,5 triệu người vào năm 1978 (khoảng 25 - 30% lưu lượng giao thông) xuống chỉ còn 3,9 triệu người vào năm 1992.  Sự suy giảm này là do xe máy ngày càng được ưa chuộng, song cũng bắt nguồn từ sự sa sút chất lượng dịch vụ và không được chính quyền thành phố quan tâm từ khi tiến hành công cuộc Ðổi Mới (ngừng trợ giá cho giao thông công cộng). Các tuyến xe buýt đều bị bãi bỏ, mạng lưới tổ chức kém, xe quá cũ, giá vé quá cao so với chất lượng dịch vụ. Hình 1.2 - Biểu đồ so sánh xe buýt và xe điện Kể từ năm 2001, chính quyền thành phố đã quyết định đầu tư trở lại cho giao thông công cộng. Hàng loạt biện pháp đã được áp dụng khiến cho hành khách sử dụng xe buýt ngày càng nhiều : - Năm 2001, các xí nghiệp xe buýt được sát nhập lại trở thành Công ty Vận tải và Dịch vụ công cộng Hanoi Transerco nhằm tạo sự thống nhất toàn mạng lưới các tuyến buýt và hệ thống vé. - Các nguồn trợ cấp cho hoạt động xe buýt đã tăng gấp 6 lần trong vòng từ năm 2000 đến 2003. - Một chính sách nâng cao chất lượng dịch vụ đã được áp dụng sau khi thu được thành công từ ba tuyến xe buýt mẫu thí điểm trong khuôn khổ dự án Asia Trans giai đoạn 2002 - 2004 : nâng cao tính đúng giờ, áp dụng chính sách giá vé phù hợp hơn, mua thêm những xe buýt tiện nghi hơn...  1.4. QUY MÔ DỰ ÁN TUYẾN a. Lộ trình của tuyến: Tuyến đường sắt đô thị thí điểm đi theo lộ trình sau: điểm đầu Nam Thăng Long (theo Đường Phạm Văn Đồng) - Ngã ba Hoàng Quốc Việt - Nút giao với tuyến đường sắt Nhổn-Ga Hà Nội (Cầu vượt Xuân Thủy) - Bến xe Mỹ Đình - Nút giao BigC - Khuất Duy Tiến - Định Công - Điểm giao Giải Phóng b. Chiều dài tuyến: Tuyến đường sắt đô thị Nam Thăng Long – Giáp Bát có tổng chiều dài là: 15,005km. Phương án tuyến đưa ra là toàn bộ tuyến đều chạy ngầm, hầm đặt sâu, ở độ sâu trung bình từ 20 – 23m so với mặt đất, tuyến có tính đến giao cắt với các tuyến tàu điện trước đó là tuyến Nhổn – Ga Hà Nội (giao cắt khác mức tại ngã tư Xuân Thủy - Phạm Văn Đồng – Hồ Tùng Mậu – Phạm Hùng), tuyến Ngọc Khánh – Hòa Lạc (giao cắt tại ngã tư Trần Duy Hưng – Khuất Duy Tiến – Phạm Hùng) và tuyến Hà Nội – Hà Đông (giao cắt tại ngã tư Nguyễn Trãi – Khuất Duy Tiến). Đây là tuyến quan trọng tại phía Tây thành phố, đi qua rất nhiều khu dân cư, văn phòng và các địa điểm du lịch văn hóa lớn của thủ đô (SVĐ Quốc Gia, Siêu thị Big C, Metro, TTHG Quốc Gia, các khu cao ốc văn phòng làm việc…), dự báo trong tương lại nhu cầu đi lại dọc theo trục đường này là rất lớn, tuyến hình thành sẽ đáp ứng nhu cầu đi lại của người dân, làm giảm áp lực giao thông đi lại trên mặt đất. c. Số lượng các ga: Tổng số ga trên toàn chiều dài tuyến là 11 ga, các ga đều được bố trí ngầm. d. Khoảng cách trung bình giữa các ga Trên suốt chiều dài tuyến, khoảng cách trung bình giữa các ga là từ 1 – 1,5 km tùy thuộc vào mức độ tập trung dân cư, nhu cầu đi lại của vị trí đặt ga trên tuyến. STT Tọa độ Tên ga 1 Km0 + 450m Bến xe Nam Thăng Long 2 Km1 + 951m Siêu Thị Metro – Nam Thăng Long 3 Km3 + 550m Xuân Thủy – PVĐ, ĐH Quốc gia 4 Km4 + 950m BX Mỹ Đình 5 Km6 + 150m Ngã 3 Mễ Trì – Phạm Hùng 6 Km7 + 250m TTHGQG – Big C 7 Km8 + 650m Ngã tư Lê Văn Lương – Khuất Duy Tiến 8 Km10 + 00m Gần ngã tư Nguyễn Trãi - Khuất Duy Tiến 9 Km11 + 650m Khu Kim Giang 10 Km13 + 150m Thôn Hạ 11 Km14 + 450m Bến Giáp Bát Bảng 1.4: Khoảng cách chi tiết giữa các ga 1.5. ĐẶC ĐIỂM ĐOÀN TÀU a. Cơ cấu đoàn tàu: 5 toa, hệ số động lực 3% - Một đoàn tàu điện ngầm có một đầu máy và các toa chở khách. Hành khách có thể dễ dàng đi lại giữa các toa thông qua các khoang kết nối giữa chúng. Trong thời gian đầu, khi lượng hành khách chưa đông thì có thể bố trí 2 - 3 toa chở khách, sau đó khi nhu cầu đi lại tăng lên thì tiến hành nối thêm toa, hay có thể giảm chỗ ngồi trên toa. Tuổi thọ trung bình của đoàn tàu là 40 năm. - Độ cao của sàn tàu là không thay đổi trong suốt quá trình vận chuyển, và cao đúng bằng thềm của đường ke ga, thường là từ 1,1m đến 1,2m nhằm tạo điều kiện cho hành khách di chuyển lên xuống tại các ga. b. Kích thước toa: - Sử dụng toa có kích thước dài 18 - 20 m; rộng 2,8m; cao 3,8m, chiều cao sàn 0,9 - 1,15m. - Khả năng vận chuyển của mỗi toa tàu từ 140250 hành khách tuỳ thuộc vào số chỗ đứng trên một toa tàu. Chuyên chở bình thường với tỷ lệ 6 chỗ đứng/m2, tỷ lệ chỗ ngồi là 20% cho phép đảm bảo tính tiện nghi của phương tiện. Hình thức chuyên chở Tổng số chỗ Số chỗ ngồi Số chỗ đứng Chuyên chở tiện nghi: 4 chỗ đứng/1m2 640 160 (25%) 480 (75%) Chuyên chở bình thường: 6 chỗ đứng/1m2 800 160 (20%) 640 (82%) Chuyên chở đặc biệt: 8 chỗ đứng/1m2 1000 160 (16%) 840 (86%) Bảng 1.5: Năng lực vận chuyển của phương tiện c. Cự ly giữa 2 giá chuyển: 12,6 m d. Chiều cao từ đỉnh ray đến sàn toa: 1100 mm ( theo tiêu chuẩn của khổ đường 1435). e. Tải trọng trục: Sử dụng toa có tải trọng trục là 14 tấn. 1.6. CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG TUYẾN a. Khổ đường: 1435mm Hình 1.6: Cấu tạo khổ đường 1435 b. Tốc độ: Vthiết kế = 80km/h Gia tốc tối đa khi khởi hành 1 m/s2 Gia tốc trung bình khi hoạt động từ 0 – 40km/h 0.85 m/s2 Gia tốc trung bình khi hoạt động từ 40 – 80km/h 0,84 m/s2 Tăng tốc tối thiểu còn lại ở vận tốc 80km/h 0,3 m/s2 Giảm tốc trong trường hợp bình thường 1,1 m/s2 Giảm tốc trong trường hợp phanh gấp 1,4 m/s2 Tốc độ tối đa 80 km/h Bảng 1.6: Đặc tính khai thác của phương tiện c. Bán kính đường cong: STT Vị trí đỉnh đường cong R (m) 1 Ngã tư Hoàng Quốc Việt 5000 2 Cầu vượt Xuân Thủy 6000 3 Ngã ba Yên Hòa – Đại Mỗ 1200 4 Thanh Xuân Bắc 7000 5 Hoàng Đạo Thành – Kim Giang 1200 6 Định Công 1200 Bảng 1.7: Chi tiết đường cong tuyến d. Độ dốc dọc: Theo quy định thì độ dốc dọc trong khu gian tàu điện ngầm không được vượt quá 2%, trong điều kiện đường sắt điện khí hóa thì áp dụng là 3%. Trong ga độ dốc dọc không được vượt quá 0.6%. Tốt nhất nên cấu tao độ dốc trong ga là 0%, thoát nước bằng cách tạo lớp mui luyện có độ dốc là 1% ở hai bên ray. e. Điện áp: (2x600V-DC;1500V-DC) Nguồn điện cung cáo cho đường tầu điện ngầm lấy từ mạng lưới điện quốc gia thông qua trạm biến áp riêng là dọng điện xoay chiều ba pha có điện áp 6-10kV. Dòng điện này được chuyển thành nguồn điện một chiều DC 600 – 1500V cung cấp cho động cơ đoàn tàu và hạ áp thành nguồn điện 220/127V cho các thiết bị khác như thang máy, chiếu sang, quạt thông gió…..và các thiết bi khác. f. Hình thức lấy điện và biện pháp cấp điện : Theo thiết kế, toàn bộ tuyến chạy ngầm nên để làm giảm tĩnh không hầm, từ đó giảm kích thước hầm nên bố trí hình thức lấy điện theo ray thứ 3. Theo hình thức này, đường tải diện dẫn theo một thanh ray treo cách điện trên giá đỡ chạy song song với đường ray chính. Giá đỡ bố trí cách nhau 5m, chân đế giá dỡ lắp vào tà vẹt dương. Ray tải điện bố trí ở bên trái hoặc bên phải theo hướng của đoàn tàu chạy phụ thuộc hình thức sân ga là đảo hay bên. Dòng điện một chiểu từ trạm chỉnh lưu nối vào ray thứ 3 này. Động cơ lấy điện thông qua thanh quét lắp ở dưới thanh toa quét dọc theo thanh ray tải điện từ trên đỉnh ray, bên thành hoặc từ dưới ray. Thanh ray dẫn điện có hộp bảo vệ cách điện nên hình thức này an toàn cả trong trường hợp tuyến chạy nổi trên mặt đất. Đường ray tải điện chia thành từng đoạn bắt đầu từ nguồn trạm chỉnh lưu và ngắt ở điểm nối tiếp ở trạm ga sau, mỗi đoạn có một cầu dao ngắt mạch để phòng khi gặp sự cố hay khi cần thiết ngừng tầu để sửa chữa trong đường hầm. Những yêu cầu điện năng cơ bản trên đường tàu điện ngầm là động cơ kéo tàu, thiết bị truyền động băng tải, máy bơm và quạt, các lò sưởi nước, các cơ cấu (tín hiệu, điều khiển trung tâm) và thông tin, thiết bị cơ cấu vệ sinh - môi trường, điện chiếu sáng, các dụng cụ điện khác nhau. Cung cấp năng lượng trạm hạ thế có thể tiến hành từ nguồn trung tâm của hệ thống điện qua trạm kéo xây dựng ở mặt đất. Cung cấp như vậy thuộc về hệ thống cung cấp trung tâm và cho phép giảm được chiều dài tuyến cao áp, cũng như tránh được việc sử dụng các ô độc lập tại trung tâm cung cấp đối với tải trọng không lớn của trạm hạ thế đường tàu điện ngầm. Trong hệ thống cung cấp đó, trạm kéo ở mặt đất theo nguyên tắc, phải cách xa ga hành khách, đường tàu điện ngầm, nơi tải chính tập trung và điều đó bắt buộc phải đặt tuyến cáp dài. Trong hệ thống đó người ta xây dựng trạm kéo - hạ áp đồng thời, từ đó dòng điện được dẫn đến các hộ tiêu thụ nằm trong vùng phục vụ. Cung cấp cho đường tàu điện ngầm được thực hiện từ hệ thống cung cấp điện thành phố bằng dòng điện 3 pha điện áp 6kV-10kV dẫn đến trạm kéo - hạ thế ngầm, bố trí trong tổ hợp ga và trên đoạn giữa các ga. Trạm kéo - hạ áp của tuyến cần được cung cấp điện từ 3 nguồn độc lập của hệ thống điện thành phố. Trong đó, nguồn chính có thể là trạm điện. Trên trạm điện kéo, dòng điện xoay chiều điện áp 6-10kV được nắn sang dòng cố định bằng cách giảm điện thế đến 825V và truyền lên dây tiếp xúc (dòng chủ đạo) nằm phía bên trái đường ngầm theo chiều chuyển động của đoàn tàu. Dòng ngược trở lại đi qua trục và bánh xe toa tàu tới ray, sau đó theo cáp quay trở lại trạm. Đối với những tải còn lại trên trạm điện hạ thế, điện áp cao thế được giảm xuống đến 380V và để chiếu sáng đến 220V và 127V. Cung cấp cho các thiết bị điện- băng tải, quạt, bơm, các tổ hợp sửa chữa di động.v.v…được tiến hành trực tiếp từ trạm hoặc từ tuyến cung cấp trục chính tổng. Sử dụng hình thức cung cấp điện phân lẻ thông qua các trạm chỉnh lưu và hạ thế bố trí phân biệt tại các ga vì nó có các ưu điểm: - Giảm chiều dài đường cấp dẫn điện một chiều cao áp. - Giảm thất thoát điện năng - Hạn chế hiện tượng rò điện g. Khoảng thời gian giữa 2 chuyến tàu: 3 – 5 phút. Năng lực vào giờ cao điểm đạt 24000 HK/giờ/hướng. h. Năng lực vận chuyển: (HK/h/ hướng) V – Năng lực thông qua tính bằng số đôi tầu trong 1h, V = 12 đôi tàu/h M – Lượng hành khách có thể chở trên 1 chuyến tầu M = số toa x sức chứa 1 toa Tính với sức chứa tối đa khi tàu chuyên chở đặc biệt là 1000 HK. i. Năng lực thông qua: đánh giá qua mật độ đoàn tàu trên một hướng tuyến trong 1h. Mật độ tầu phụ thuộc vào những yếu tố sau: + Mức độ hiện đại của hệ thống điều khiển tự động + Phương tiện đầu máy và toa xe + Hệ thống hãm + Thời gian trả và đón khách, tổ chức và trang thiết bị nhà ga + Phương tiện quay đầu Mật độ tối đa là 3 phút có một chuyến tàu tương ứng với 6 phút cho một đôi tầu và năng lực thông qua là 10 - 12 đôi tàu/h. Thời gian đón, trả khách là 20 - 40s/chuyến. Muốn giảm thời gian này cần phải bố trí ga 2 bên thân tàu. Vào một phía và ra một phía. 1.7. ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC GA NGẦM a. Hình thức bố trí sân chờ trên ga: Tùy theo các phương án kết cấu lựa chọn mà các phương án nhà chờ đưa ra cũng khác nhau. + Nếu sử dụng hệ thống hầm đôi chạy song song thì hình thức bố trí sân chờ trên ga là dạng ke đảo. Nếu khoảng cách giữa 2 hầm là không quá lớn (20m) thì khi tuyến hầm chạy đến gần vị trí ga sẽ được uốn theo một bán kính nhất định và vuốt dần để để vào ga, và sau khi vào ga tuyến sẽ được bẻ ra theo đúng bán kính cũ. Chiều dài ke ga được bố trí phù hợp với chiều dài của đoàn tàu là 100m. + Nếu sử dụng hệ thống hầm đơn thì hình thức bố trí sân chờ trên ga thường là dạng bến, hành khách có thể di chuyển qua lại giữa 2 nhà chờ bằng hệ thống cầu thang lên sàn trung chuyển để sang phía bên kia. b. Chiều sâu đặt ga so với mặt đất: Hầm thi công theo phương pháp TBM, hầm đặt sâu nên cao độ của ga được bố trí cùng cao độ của đường hầm là sâu 23 - 26m so với mặt đất phụ thuộc vào độ sâu của đoạn tuyến chạy qua, tuy nhiên phải cao hoặc thấp hơn để đảm bảo đủ điều kiện về dốc dọc cho toàn tuyến. Các tính toán chi tiết được thể hiện trong phần thiết kế cơ sở. 1.8. ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT THỦY VĂN TUYẾN ĐI QUA a. Mô tả địa chất khu vực Khu vực tuyến đi qua nằm trên một kiểu địa hình đồng bằng khá đồng nhất được cấu tạo từ các thành tạo trẻ có tuổi Đệ Tứ, căn cứ vào loạt tờ địa chất Hà Nội tỷ lệ 1:200.000 và bản thuyết minh đi kèm, khu vực tuyến đi qua gồm các thành tạo địa chất sau: Hệ tầng Lệ Chi (QIlc): Thành phần cát, cuội, sỏi, sạn xen bột cát màu xám dày 35-70m. Hệ tầng Hà Nội (QII - IIIHN): Thành phần cuội, sỏi, sạn, dăm sạn thạch anh, xen bột sét màu vàng bề dày 2 - 20m. Hệ tầng Vĩnh Phúc (QIIIVP): Cát ít sạn sỏi, sét bột màu sắc loang lổ hoặc sét bột màu xám, dày 5-20m. Hệ tầng Hải Hưng (Q1 - 2IVHH): Cát, bột, sét, màu xám vàng (am), bột sét, cát hạt bụi, màu xám đen, xám tro (mb), bột cát sạn màu xám sẫm, sét màu đen và xanh, sét kaolin lẫn tàn tích thực vật, dày 2 - 10m. Hệ tầng Thái Bình (Q3IVTB): Thành phần sét, bột, cát màu xám nâu (am), cát, bột, sét màu xám đen (bm), sét màu nâu xen sét màu đen chứa tàn tích thực vật, cát hạt mịn màu xám, cát hạt nhỏ dày 1-5m. Hệ Đệ Tứ không phân chia (Q): Thành phần sỏi sạn, dăm tảng, sét bột dày 1-5m. Các thành tạo địa chất phân bố dọc theo tuyến, có độ dày mỏng khác nhau, diện tích phân bố khác nhau. b. Điều kiện khí hậu, thuỷ văn khu vực *Khí hậu : Nằm trong khu vực Hà Nội là khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm ướt.Thông thường khí hậu khu vực này có hai mùa rõ rệt là mùa mưa(từ tháng 4 đến tháng 10) và mùa khô (từ tháng 10 đến tháng 4 năm sau). Lượng mưa trung bình dao động từ 1200 mm đến 2200 mm (trung bình là 1500 mm), độ ẩm ướt trung bình 85%, lượng bốc hơi trung bình 938mm/năm. Vào mùa khô khí hậu tương đối tốt có nhiều thuận lợi cho xây dựng các công trình hạ tầng cơ sở. Do đó ta nên chọn thời gian thi công vào mùa khô. Chỉ tiêu tháng Nhiệt độ trung bình(độ C) Lượng mưa trung bình (mm) Độ ẩm trung bình(mm) Lượng bốc hơi trung bình(mm) 1 15.3 18 83 68 2 17.6 36 86 54 3 19.2 34 89 55 4 26.6 121 88 66 5 27.6 194 85 94 6 29 250 84 99 7 28.4 214 85 101 8 28.6 325 87 86 9 27.1 290 86 91 10 24.4 184 82 95 11 21.4 115 81 88 12 18.4 7 81 94 Ghi chú Trung bình 23.6 Tổng cộng 1788 Trung bình 84.8 Trung bình 99.1 Bảng 8: Các thông số khí hậu trung bình tháng trong năm khu vực Hà Nội *Thủy văn : Khu vực thành phố Hà Nội có điều kiện thủy văn khá phức tạp. Trong trầm tích đô thị thành phố Hà Nội có hai tầng chứa nước chính - Tầng chứa nước lỗ hổng các trầm tích Holocen và tầng chứa nước lỗ hổng các trầm tích Pleistocen. Đặc điểm chung của các tầng chứa nước là nước dưới đất tồn tại trong các lỗ hổng. Nằm giữa hai tầng chứa nước này là tầng cách nước Pleistocen trên. Hà Nội có sông Hồng chảy qua,rộng khoản 1Km - 1,5 Km. Mực nước cao nhất ghi nhận được là +14,3m và mực nước thấp nhất là +17,3 m. Mực nước trung bình dao động từ +1,28 trong mùa khô và +10,18 trong mùa mưa. Khu vực xây dựng đường hầm có liên quan đến mực nước ngầm. Theo tài liệu khảo sát địa chất thủy văn thì mực nước ngầm lớn nhất vào mùa mưa (tháng 8 âm lịch). Sau đó mức nước nâng rút dần xuống và thấp nhất vào tháng 12 âm lịch.Song theo tài liệu khảo sát thì mực nước ngầm dao động từ -30m đến +13m. *Nguồn nước: Nguồn nước dùng cho thi công và sinh hoạt được khai thác từ mạng lưới nước của thành phố, được cung cấp theo hệ thống ống nước sẽ được lắp đặt trong quá trình thi công. 1.9- ĐIỀU KIỆN MẶT BẰNG KHU VỰC THI CÔNG Đây là tuyến đường có nhiều khu công nghiệp và các khu đô thị, nên không cho phép thay đổi kiến trúc khu vực. Do vậy mặt bằng thi công khó khăn chật hẹp nên phải có phương án thiết kế và thi công cho phù hợp. Trong quá trình thi công cần chú ý đảm bảo giao thông vẫn an toàn, tránh gây tắc nghẽn, có thể cần bố trí các tuyến đường tránh khi thi công đi qua khu vực có lưu lượng giao thông lớn. Tuyến thi công bằng TBM nên chủ yếu cần bố trí mặt bằng thi công tại khu vực đầu và cuối tuyến. Khi đi vào khu đô thị, đường giao thông cần sử dụng các thiết bị chiếm dụng ít chiếm diện tích thi công và quá trình thi công cần diễn ra trong một chu trình kín, đảm bảo ít gây ảnh hưởng đến giao thông nhất, đảm bảo ít gây ảnh hưởng đến môi trường và diện tích giải phóng mặt bằng không quá lớn. PHẦN II: THIẾT KẾ SƠ BỘ 2.1. ĐOẠN CHUYẾN LỰA CHỌN THI CÔNG 2.1.1. Đặc điểm Tuyến lựa chọn thi công là khu gian từ Km6 + 150m đến Km7 + 250m, chạy từ ngã ba Mễ Trì – Phạm Hùng đến Trung tâm hội nghị Quốc gia – Siêu thị Big C. Đoạn tuyến có chiều dài là 1,1km, chạy dọc trục đường Phạm Hùng. Tuyến đường Phạm Hùng hiện nay có 2 hướng xe chạy, mỗi hướng có 5 làn đường, bề rộng một hướng tuyến là 17,5m, bề rộng dải phân cách là 28m. Đoạn tuyến thi công đi qua nhiều khu vực tập trung lưu lương giao thông lớn là các khu văn phòng, trụ sở, khu chung cư (Vimeco, Viglacera, TTHG Quốc Gia, Cavico…), khu mua sắm (Big C..)….. 2.1.2. Điều kiện địa chất đoạn tuyến đi qua Địa chất của đoạn tuyến đi qua gồm có 5 lớp: 1. Lớp phủ: Đất đắp nền, vai đường, nền ga, thành phần không đồng nhất, có chỗ là sét pha lẫn gạch, ngói vụn, có chỗ cát hạt nhỏ…., có bề dày 2,5m. 2. Lớp sét xen kẹp sét pha: màu xám vàng, xám trắng, xám nâu, trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng, có bề dày 3,0m. Với các chỉ tiêu cơ lý được tổng hợp trong bảng 2.1 TT Tên chỉ tiêu Giá trị 1 Thành phần hạt: P (%) 5,0mm-2,0mm 0.2 2,0mm-1,0mm 0.4 1,0mm-0,5mm 0.8 0,5mm-0,25mm 0.3 0,25mm-0,1mm 1.6 0,1mm-0,05mm 20.1 0,05mm-0,01mm 27.3 0,01mm-0,005mm 13.0 <0,005mm 36.3 2 Độ ẩm tự nhiên W(%) 27.9 3 Dung trọng tự nhiên gw(g/cm3) 1.92 4 Dung trọng khô gd(g/cm3) 1.50 5 Khối lượng riêng D(T/m3) 2.71 6 Độ bão hoà S(%) 94 7 Độ lỗ rỗng n (%) 45 8 Hệ số rỗng e o 0.807 9 Độ ẩm giới hạn chảy WL (%) 42.2 10 Độ ẩm giới hạn dẻo Wp (%) 23.9 11 Chỉ số dẻo Ip (%) 18.3 12 Độ sệt IL 0.22 13 Lực dính kết đơn vị C (KG/cm2) 0.22 14 Góc nội ma sát j (o) 16o25' 15 Hệ số nén lún a1-2(cm2/kG) 0.021 16 Ứng suất có điều kiệnTheo 22TCN18-79 R'(kG/cm2) 2.29 Bảng 2.1: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 2 3. Lớp cát pha: màu xám nâu, xám vàng, trạng thái dẻo, dày 10,5m. Với các chỉ tiêu cơ lý được cho trong bảng 2.2 4. Lớp cát mịn pha sét: Cát hạt mịn lẫn bụi sét xen kẹp cát hạt nhỏ, màu xám nâu, xám tro, kết cấu xốp đến chặt vừa, dày 9,5m. Với các chỉ tiêu cơ lý được cho trong bảng 2.2. 5. Lớp cát hạt trung lẫn sạn: màu xám nâu, xám vàng, kết cấu chặt vừa. TT Tên chỉ tiêu Giá trị 1 Thành phần hạt: P (%) 0,5mm-0,25mm 14.3 0,25mm-0,1mm 29.8 0,1mm-0,05mm 27.1 0,05mm-0,01mm 12.8 0,01mm-0,005mm 4.30 <0,005mm 11.6 2 Độ ẩm tự nhiên W(%) 23.1 3 Dung trọng tự nhiên gw(g/cm3) 1.97 4 Dung trọng khô gd(g/cm3) 1.60 5 Khối lượng riêng D(T/m3) 2.68 6 Độ bão hoà S(%) 92 7 Độ lỗ rỗng n (%) 40 8 Hệ số rỗng e o 0.675 9 Độ ẩm giới hạn chảy WL (%) 23.2 10 Độ ẩm giới hạn dẻo Wp (%) 16.5 11 Chỉ số dẻo Ip (%) 6.7 12 Độ sệt IL 0.99 13 Lực dính kết đơn vị C (KG/cm2) 0.10 14 Góc nội ma sát j (o) 17o44' 15 Hệ số nén lún a1-2(cm2/kG) 0.026 16 Ứng suất có điều kiệnTheo 22TCN18-79 R'(kG/cm2) <1.00 Bảng 2.2: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp cát Với điều kiện địa chất của tuyến đi qua, hầm được đặt trong 2 lớp địa chất 4 và 5, là các lớp có các chỉ tiêu cơ lý phù hợp với biến dạng, chuyển vị cho phép, đồng thời thỏa mãn chiều sâu đặt hầm hợp lý. 2.2. CÁC PHƯƠNG ÁN SƠ BỘ Hà Nội nằm trong vùng địa chất yếu, khi thi công dễ gây ra sụt lún, ảnh hưởng đến công trình bên trên nên phương án thi công lựa chọn cần đảm bảo ít làm biến dạng vùng đất đá xung quanh hầm nhất. Đồng thời chiều sâu đặt hầm cần hợp lý để trong quá trình thi công ít ảnh hưởng đến công trình trên mặt đất. Căn cứ vào địa chất và phương án thi công tiến hành chọn hầm đặt sâu với 2 phương án sơ bộ là: + Phương án hầm đơn + Phương án hầm đôi chạy song song 2.2.1. Phương án hầm đơn Hầm đặt tại độ sâu tim là 30m so với mặt đất, gồm 2 hướng tuyến cùng chạy chung trong một đường hầm a. Mặt cắt ngang: Mặt cắt ngang được mô tả chi tiết trong bản vẽ Khổ giới hạn là 2 khổ giới hạn 1435 dùng cho tàu điện ngầm, lồng vào nhau cách nhau 3400mm. Thông số kết cấu: + Bán kính trong: 8,6m, + Bán kính ngoài: 9,3m, + Chiều dày lớp vỏ hầm: 0,35m, + Chiều dày lớp bêtông thứ cấp: 0,05m. Ga bố trí là ga ke dạng bến, hành khách đi từ mặt đất sẽ theo hệ thống thang máy hoặc cầu thang bộ để xuống thẳng sân chờ nhà ga. Vỏ hầm gồm 9 mảnh lắp ghép được đúc sẵn ở nhà máy hoặc bãi thi công: STT Tên mảnh Số lượng Chiều dài (m) Bề dày (m) Góc chắn cung (o) 1 Mảnh N 6 3,5709 0,35 8 2 Mảnh T 1 3,5709 0,35 44 3 Mảnh P 1 3,5709 0,35 44 4 Mảnh K 1 0,6492 0,35 44 Bảng 2.3: Chi tiết các mảnh ghép vỏ hầm 2.2.2. Phương án hầm đôi chạy song song Hầm đặt tại độ sâu tim là 23m so với mặt đất, gồm 2 hướng tuyến cùng chạy trong 2 hầm song song với khoảng cách giữa 2 tim hầm là 20m. a. Mặt cắt ngang: Mặt cắt ngang được mô tả chi tiết trong bản vẽ Khổ giới hạn là khổ giới hạn 1435 dùng cho tàu điện ngầm Thông số kết cấu: + Bán kính trong: 5,6m, + Bán kính ngoài: 6,3m, + Chiều dày lớp vỏ hầm: 0,35m, + Chiều dày lớp bêtông thứ cấp: 0,05m. Ga bố trí là ga ke dạng đảo, hành khách đi từ mặt đất sẽ theo hệ thống cầu thang bộ hoặc thang cuốn đi xuống đến sàn trung gian, sau đó theo thang máy hoặc thang bộ để để xuống thẳng sân chờ nhà ga. Vỏ của một hầm gồm 6 mảnh lắp ghép được đúc sẵn ở nhà máy hoặc bãi thi công: STT Tên mảnh Số lượng Chiều dài (m) Bề dày (m) Góc chắn cung (o) 1 Mảnh N 3 3,518 0,35 15 2 Mảnh Mt 1 3,072 0,35 64,5 3 Mảnh Mp 1 3,072 0,35 64,5 4 Mảnh K 1 0,7330 0,35 72 Bảng 2.3: Chi tiết các mảnh ghép vỏ hầm 2.3. BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ 2.3.1. Lựa chọn biện pháp thi công 2.3.1.1. Các phương pháp thi công hệ thống mêtro trong thành phố Khái niệm: Metro là hệ thống đường sắt cao tốc nội đô khép kín, phục vụ vận tải hành khách công cộng độc lập với những mạng lưới giao thông khác trong thành phố. Trong hệ thống Metro có 3 loại tuyến : + Tuyến đường sắt trên cao chạy trên hệ thống cầu cạn để khắc phục mật độ kiến trúc cao và địa hình phức tạp. Loại tuyến này có ưu điểm thi công dễ dàng, chế độ khai thác đơn giản nhưng có nhược điểm là gây ồn và gây bụi cho thành phố, ảnh hưởng nhiều đến quy hoạch không gian của thành phố. + Tuyến chạy nổi trên mặt đất trong hệ thống đường riêng có hàng rào che kín. Những tuyến khác cắt ngang đều phải vượt qua bằng cầu hoặc hầm vượt. Loại tuyến này có ưu điểm: xây dựng đơn giản, rẻ, chế độ khai thác không phức tạp tuy nhiên lại gây ồn và bụi, chiếm dụng nhiều diện tích giao thông và gây khó khăn cho quy hoạch đô thị. + Tuyến chạy ngầm trong lòng đất dưới thành phố hay còn gọi là hệ thống tàu điện ngầm (Metro, subway…). Loại tuyến này chạy ngầm là chủ yếu, hành khách đi xuống tàu qua các nhà ga nối thông với mặt đất. Khi vượt qua sông tuyến có thể phải nổi lên để vượt sông bằng cầu và ở những khu vực xây dựng thưa hoặc gần đến khu Đêpo để quay đầu, tuyến có thể chạy nổi 1 đoạn. Nhiều tuyến tàu điện ngầm của một số thành phố trên thế giới, đoạn vượt sông người ta vẫn giải quyết bằng hầm. Tàu điện ngầm có năng lực vận chuyển lớn, đáp ứng được yêu cầu giao thông công cộng rất cao của một thành phố đông dân, chiếm dụng diện tích rất ít, không gây ồn và bụi và còn kết hợp một số chức năng khác trong đời sống xã hội của thành phố vì vậy tàu điện ngầm là một phương tiện giao thông công cộng phổ biến của nhiều thành phố trên thế giới. Đường tàu điện ngầm đầu tiên trên thế giới được xây dựng ở Anh vào năm 1863, cho đến nay đã có 80 thành phố trên thế giới sử dụng hệ thống tàu điện ngầm trong giao thông công cộng. Hệ thống đường tàu điện ngầm lớn nhất là NewYork với tổng chiều dài 392Km và 471 ga, thứ hai là Paris: 301 Km, 349 ga. Dựa vào kinh nghiệm thi công hầm và các công trình ngầm của các nước trên thế giới, với điều kiện của Hà Nội có thể vận dụng một số phương pháp thi công sau đây : a. Phương pháp thi công lộ thiên : Phương án thi công lộ thiên bao gồm các phương pháp sau đây : - Phương pháp đào hố móng. - Phương pháp dùng vì kéo di động. - Phương pháp thi công tường trong đất. - Phương pháp hạ đoạn. Phương pháp đào hố móng. Đầu tiên từ mặt đất tiến hành đào hố móng có vách xiên hoặc thẳng đứng với hệ thống chống vách đến độ sâu cần thiết đặt hầm. Sau đó tiến hành lắp đặt các cấu kiện BTCT định hình sẵn hoặc đổ bê tông toàn khối tại chỗ, xây dựng kết cấu chống thấm rồi lấp đất trở lại, khôi phục mặt đất tự nhiên hoặc xây dựng những công trình ngầm trên mặt đất như đường xá vỉa hè…. Để chống đỡ vách hố móng thẳng đứng dùng cọc cừ hoặc cọc cừ kết hợp với neo. Phương pháp thi công dùng hố móng đặc trưng bằng việc cơ giới hóa cao quá trình thi công, cho khả năng áp dụng các kết cấu kiểu công nghiệp hóa, các máy làm đất và các thiết bị nâng hạ có công suất lớn. Tuy nhiên trong điều kiện thành phố có công trình xây dựng dày đặc, mật độ giao thông lớn không phải lúc nào cũng áp dụng phương pháp cũng có hiệu quả. Việc đào các hố móng rộng kéo dài trên đoạn 100m-150m sẽ dẫn đến phá hoại giao thông đường phố trong suốt thời kỳ xây dựng, gây khó khăn cho cuộc sống bình thường của đô thị. Khi thi công hầm bằng phương pháp hố móng thường đòi hỏi chi phí lớn về kim loại, gỗ gia cố tạm. Ví dụ để gia cố hố móng sâu 6 - 7m rộng 8 - 10m sẽ chi phí 250 - 300 tấn thép và 60 -70m3 gỗ. Phương pháp dùng vì kéo di động. Để cơ giới hóa tối đa công tác đào, xúc đất và xây dựng vỏ hầm trong điều kiện thành phố có thể sử dụng vì chống di động bằng kim loại có tiết diện hở. Vì chống di chuyển bằng cách đẩy kích khiên lên vỏ hầm lắp ghép (hoặc vách đào) phía sau.Việc sử dụng vì chống di động cho phép: - Không cần sử dụng vì chống tạm và giảm nhẹ khó khăn khi xây dựng vì chống tạm. - Giảm khối lượng công tác đất khi đào hố móng và lấp trở lại sau khi xây dựng xong kết cấu (do giảm khe hở thi công giữa kết cấu và vách hố móng). - Giảm chiều dài của đoạn thi công có phá hoại do điều kiện bề mặt xuống đến 30-40m. - Nâng cao mức độ cơ giới hóa, giảm khó khăn trong thi công. - Nâng cao tốc độ xây dựng hầm. - Giảm tiếng ồn và chấn động. - Giảm nguy hiểm do chuyển vị, biến dạng bề mặt, nhà cửa và những công trình dọc theo tuyến hầm. Việc thi công có sử dụng vì chống di động có thể tiến hành trong bất cứ loại đất không cứng nào, loại trừ bùn và cát chảy. Khi có mực nước ngầm cao phương pháp này cũng có thể áp dụng cùng với việc hạ mực nước ngầm nhân tạo. Phương pháp tường trong đất. Khi bố trí công trình ngầm đặt nông, gần các công trình nhà cửa cũng như trong điều kiện giao thông thành phố dày đặc có thể áp dụng phương pháp tường trong đất. Đầu tiên ở những chỗ sẽ xây dựng tường của công trình ngầm, người ta đào hào và gia cố nó theo từng bước, rộng 0,6 - 0,8m sâu đến 18 - 20m trong đó sẽ xây dựng kết cấu tường của công trình ngầm. Sau đó tiến hành đào hố móng đến cao độ nóc công trình rồi đặt tấm trần đã xây xong được bảo vệ bằng phòng nước rồi lấp đất trở lại, khôi phục các công trình trên mặt đất như mặt đường, vỉa hè. Dưới sự bảo vệ của tường và trần đã tiến hành đào đất trong lõi, xây dựng tấm đáy và các vách ngăn … Việc xây dựng các kết cấu tường công trình ngầm có thể từ BTCT toàn khối hoặc áp dụng công nghệ tường lắp ghép trong đất tạo điểu kiện giảm bớt khối lượng công tác đất giảm chi phí bê tông cốt thép, giảm thời hạn và giá thành xây dựng. Phương pháp tường trong đất có ưu điểm hơn phương pháp hố móng là không đòi hỏi dùng tường cừ, đảm bảo ổn định cho nhà cửa và các công trình bên cạnh. Phương pháp này có thể áp dụng trong đất không cứng dạng bất kỳ (kể cả đất rời lẫn đất sét chặt) trừ loại đất bùn chảy, đất có lỗ rỗng lớn hoặc có kast . Phương pháp này có hiệu quả nhất khi chiều sâu hố đào lớn hơn 5 - 6m cũng như bố trí công trình ngầm gần sát nhà cửa và các công trình khác. Phương pháp hạ đoạn (Kenson Method). Phương pháp hạ đoạn được áp dụng trong các điều kiện thành phố, điều kiện địa chất công trình và điều kiện thủy văn trong môi trường đất mền yếu, trong các vùng có chứa nước sâu 6 - 40m và nó đặc biệt có hiệu quả khi xây dựng hầm trong môi trường đất có phát sinh tình trạng cát chảy, bùn chảy hoặc khi làm đường xe điện, ôtô điện qua đáy sông, hồ. Về nguyên tắc phương pháp này cũng thuộc quy trình thi công đào lộ thiên rồi lấp phủ nhưng để tăng tốc độ làm kết cấu vỏ hầm, hạn chế biến dạng, lún sụt đất ở hai bên tuyến hầm và giảm ảnh hưởng của nước ngầm đối với thời gian xây dựng và chất lượng kết cấu vỏ hầm, người ta đúc sẵn những khoang hầm bằng BTCT rồi dùng hệ thống thiết bị chuyên dùng hạ xuống hố đào. Phương pháp hạ đoạn đã được các nước trên thế giới áp dụng nhiều. Trong tương lai ở Việt Nam có thể áp dụng để thi công Metro qua sông Hồng hoặc những công trình ngầm qua những nơi có chiều sâu nước ngầm lớn, đất yếu không ổn định. Gần đây nhất là dự án vượt sông Sài Gòn bằng đường hầm Hàm Nghi qua Thủ Thiêm do công ty Anh Quốc Maunsell thiết kế đã áp dụng phương pháp hạ đoạn để thi công phần hầm qua sông. b. Phương pháp thi công kín. Phương pháp thi công kín có nhiều phương pháp thi công song ở đây ta chỉ xét phương pháp phổ biến nhất mà các nước trên thế giới đã sử dụng thi công đó là phương pháp khiên đào. Khiên đào là một máy thi công chuyên dụng để làm đường hầm trong thành phố, khi có yêu cầu phải giữ nguyên hiện trạng kết cấu đô thị (các công trình hạ tầng kỹ thuật và các công trình kiến trúc) ở trên mặt đất. Phương pháp khiên đào áp dụng trong những điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn phức tạp nhất, đất đá mềm yếu, không ổn định, chiều dài công trình lớn, tiết diện ngang không đổi. Khiên đào là một máy liên hợp được trang bị các hệ thống cơ giới để đào, bốc dỡ đất đá, lắp ghép vỏ hầm đồng thời là vỏ chống tạm vững chắc dưới sự bảo vệ của nó tiến hành tất cả các công việc đào hầm chính. Một số nước trên thế giới như Anh, Pháp, Mỹ, Nhật …áp dụng phương pháp này từ lâu. Trong khi phần lớn các đường hầm đường sắt được xây dựng trong đất đá núi cứng chắc thì các đường hầm ô tô và tàu điện ngầm trong đô thị được xây dựng trong điều kiện đất đá yếu bằng các máy đào dạng khiên. Hiện nay tại châu Âu đang thực hiện một số dự án rất lớn xây dựng đường tàu điện ngầm như ở Barcelona, Valencia, Sevilla, Milan, Turin, Roma, Malme, Lisbon, Porto và Praha…. Phần lớn số công trình trên được thi công bằng máy đào dạng khiên kích thước lớn do các công ty Lovat, Wirth/NFM và Herrenknecht sản xuất. Đường ô tô vành đai M30 ở Manrid sẽ được thi công bằng các khiên đào đường hầm lớn nhất thế giới. Một trong số đó có đường kính 15 m do công ty Herrenknecht chế tạo và đã hoạt động từ cuối năm 2005. Cỗ máy độc nhất vô nhị này được trang bị các lưỡi cắt bên trong và bên ngoài và chúng có thể quay theo các hướng ngược nhau. Khiên đào đường hầm do công ty Wirth - Tunnel Bore Extender (TBE) chế tạo cũng được xem là một cỗ máy độc đáo. Thiết bị được sử dụng thành công trong đào đường hầm Uetliberg - một công trình trọng điểm trên đường ô tô vành đai xung quanh thành phố Zurich. Thiết bị này phá huỷ đất đá không phải bằng sự va đập vào đất đá mà bằng sự “kéo căng” đất đá mà xét về mặt công nghệ thì hiệu quả hơn và giảm tiêu thụ năng lượng. Để có thể thi công bằng phương pháp khiên đào, trước hết phải thi công các giếng đứng (giếng thi công) để đưa máy móc thiết bị xuống. Giếng đứng được thi công bằng dàn khoan cơ giới hạng nặng hoặc có thể bằng các phương pháp đào hố móng thông thường có sử dụng neo gia cố, thi công theo công nghệ tường trong đất, công nghệ top - down. Giếng đứng thường được sử dụng để làm ga, thông gió… sau này. Trong thời gian khiên đào phá theo chiều sâu thì kết hợp hạ các vòm giếng kết cấu BTCT hoặc loại thép đặc biệt. Khi đạt đến độ sâu thiết kế và sau khi gia cố kết cấu thành giếng, tiếp theo là lắp đặt giá đỡ vòng khiên ngang và bắt đầu thi công mở rộng đường hầm. Đồng thời gian với tiến độ dịch chuyển khiên ăn sâu vào lòng đất là vận chuyến các khối BTCT lắp ghép vỏ hầm vào trong miệng giếng thi công. Các khối vỏ hầm lắp ghép được sản xuất hàng loạt trong nhà máy. Sau khi đưa các khối vào trong hầm tiến hành xếp đặt lắp ráp và vị trí liên hoàn giữa giá đế tựa thủy lực bằng vì kéo thép đặc biệt và vòng khiên đào phá, cùng với tác dụng lực ép thủy lực việc vận chuyển của các phay khiên vào lòng đất. Hệ thống liên hoàn vừa đào phá vừa lắp đặt khối BTCT lắp ghép vò hầm vào đường hầm là quá trình làm việc liên tục cho đến khi khiên đào đi hết đoạn đường giữa 2 giếng công trường. Việc theo dõi định vị đường đi của khiên đào hoàn toàn được điều khiển bằng hệ thống tự động trên mặt đất. Thi công bằng TBM có ưu điểm là tốc độ thi công nhanh, thi công liên tục, trình độ cơ giới hóa cao, cường độ lao động thấp, địa tầng ít bị lay động, chất lượng che chắn vỏ hầm tốt, điều kiện thông gió tốt, giảm hầm lò phụ, có thể áp dụng xây dựng các hệ thống Tunel kỹ thuật, các hầm đặt sâu trong lòng đất mà không ảnh hường đến kiến trúc ở bên trên, hoặc cải tạo hệ thống cơ sở cho các khu phố cũ mà quy hoạch không cho phép thay đổi kiến trúc. Tuy nhiên khi thi công bằng TBM và lựa chọn máy phụ thuộc vào địa chất tương ứng, kích thước định hình sẵn theo đường kính hầm, khó khăn khi thi công trong đoạn hầm có bán kính nhỏ, chiều dài đoạn thi công lớn (>750m). c. Đánh giá lựa chọn phương án thi công. Trên cơ sở đánh giá các phương án thi công và dựa vào điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn và điều kiện xã hội khu vực xây dựng ta chọn phương án thi công bằng khiên đào vì quan trọng nhất là nó đảm bảo không thay đổi kiến trúc khu vực xây dựng, không ảnh hưởng nhiều đến điều kiện và cuộc sống sinh hoạt xã hội của dân cư khu vực xây dựng. Để đảm bảo tốc độ và chất lượng xây dựng hầm ta chọn phương án thi công bằng khiên đào cơ giới (TBM). 2.3.1.2 Lựa chọn khiên đào khi thi công hầm trong đất yếu Khi xây dựng hầm trong đất yếu người ta sử dụng nhiều biện pháp khác nhau. Đối với các hầm dài sử dụng khiên đào cơ giới hoá là một phương pháp rất hiệu quả, đặc biệt khi thi công trong điều kiện của các thành phố. Trên thực tế để xây dựng công trình ngầm ở các thành phố trong nền đất yếu phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể, người ta sử dụng các phương pháp khác nhau. Sử dụng phương pháp đào hở và bán hở đi kèm điều kiện phá huỷ bề mặt đất, thời gian xây dựng kéo dài và gây ra các rủi ro phá huỷ các ngôi nhà và công trình gần kề. Phương pháp này chỉ có thể sử dụng khi xây dựng các hầm ngắn đặt nông. Sử dụng các phương pháp đào mỏ mà dựa trên công nghệ thi công hầm mới của Áo (NATM) sẽ rất khó khăn khi tồn tại đất yếu không ổn định bão hoà nước và không đảm bảo sự an toàn của việc thi công. Khi thi công hầm gắn dưới các chướng ngại vật nhân tạo hay tự nhiên như các ngôi nhà, công trình, đường giao thông sử dụng phương pháp đẩy là hợp lý. Phương pháp này có nhiều dạng biến đổi khác nhau và có thể phù hợp tốt đối với sự thay đổi của địa hình, địa chất và điều kiện xây dựng trên mặt đất. Để vượt qua các đới cà nát của các vết đứt gãy kiến tạo, đất không nguyên thổ và không ổn định có thể sử dụng các dạng khác nhau của vì chống vượt trước:màn chắn từ các ống, vòm bê tông, đất nền đã được tăng cường…Lựa chọn vì chống này hay loại kia phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của hầm, tính chất và các điều kiện thế nằm của đất, sự tồn tại của các thiết bị chuyên dụng… Trên thế giới khiên đào đã được dùng khi xây dựng hầm từ đầu thế kỷ thứ 19, ngày nay khiên đào được dùng rất phổ biến khi thi công hàm đủ dài trong điều kiện phức tạp, khi mà sử dụng các phương pháp đào mỏ hiệu quả thấp hoặc không kinh tế. Trong thực tế xây dựng hầm người ta sử dụng khiên đào cơ giới hoá (MS), khiên đào bán cơ giới (PMS) và khiên đào không cơ giới hoá (NMS). Khiên đào cơ giới hoá được chia ra thành khiên đào có áp lực cân bằng ở gương đào và khiên đào không có áp lực cân bằng ở gương đào (MS). Khiên đào có áp lực cân bằng ở gương đào phụ thuộc vào dạng vật liệu tạo áp lực ở gương đào được chia ra làm 4 loại: bằng dung dịch vữa sét (MS-S) (Bentonite Slurry Shield- BS Shield hoặc Hyđroshield), bằng đất đã được đào (MS-E) (Earth Pressure Baland Shield) (loại này được chia ra làm hai: chỉ nguyên đất MS-E và bơm vào đất dung dịch vữa sét hoặc bột MS-ED), bằng khí nén (MS-A) (Compressed Air Shield – CA Shield) và loại hỗn hợp (MS-M) (Mixshield). Mỗi loại khiên đào được dùng trong phạm vi nhất định của điều kiện địa chất và có giới hạn sử dụng hiệu quả nhất. Vì vậy để có thể lựa chọn được loại khiên đào phù hợp nhất cần phải làm sáng tỏ phạm vi sử dụng và sử dụng hiệu quả nhất của nó kết hợp với kinh nghiệm thi công hầm bằng khiên đào trên thế giới. Khiên đào không có áp lực cần bằng ở gương đào: Khiên đào không có áp lực cân bằng ở gương đào có thể là khiên đào cơ giới hoá, bán cơ giới hoặc không cơ giới. Do đặc điểm của khiên đào loại này có mặt trước mở toàn phần hay một phần để đào đất nên không đảm bảo sự ổn định gương đào trong nền đất nên không đảm bảo sự ổn định gương đào trong nền đất yếu. Chúng có thể được sử dụng chỉ trong các loại đất mà không xuất hiện sự chuyển dịch tự do của đất vào phía trong khiên đào: đất sỏi chặt với cátm cát và sét cứng. Tuy nhiên phạm vi sử dụng chúng có thể mở rộng khi kết hợp với các phương pháp đặc biệt khác: dùng khí nén, hạ mực nước ngầm nhân tạo, tăng cường đất. Khiên đào bán cơ giới và khiên đào không cơ giới hoá chỉ được sử dụng hợp lý khi xây dựng hầm ngắn với mặt cắt ngang không lớn. Như vậy việc đào hầm bằng khiên đào NMS và PMS chỉ có thể thực hiện được trong giới hạn rất hẹp của điều kiện địa chất và đòi hỏi nhiều nhân công, tốc độ xây dựng thấp và nguy hiểm cho công nhân, đặc biệt khi đào hầm trong nền đất yếu nằm dưới mực nước ngầm. Vì vậy trong những năm gần đây việc sử dụng khiên đào NMS và PMS đã được thay thế dần bằng khiên đào cơ giới hoá có áp lực cân bằng ở gương đào, điều đó được thể hiện trên hình vẽ. Khiên đào có áp lực cân bằng ở gương đào: Khi dùng áp lực cân bằng ở gương đào thì các khiên đào loại này đều là khiên đào cơ giới hoá. Điều kiện làm việc hiệu quả của khiên đào lại này được xác định bằng khả năng đảm bảo trạng thái ổn định của gương đào do khi đào đất sẽ gây ra sự phá huỷ trạng thái ứng suất tư nhiên của khối đất. Điều đó đạt được bằng cách tạo ra áp lực chủ động ở buồng kín sát gương đào tác dụng vào bề mặt đất ở gương đào. Khi sử dụng khiên đào MS-S buống kín gần gương đào chứa đầy dung tích vữa sét có áp lực. Dung dịch vữa sét này giữ đất yếu ở gương đào ở trạng thái ổn định nhờ xuất hiện một lớp màng đất sét trên bề mặt đất ở gương đào và nhờ áp lực ép của dung dịch vữa sét vào gương đào. Sự tăng cường ổn định phụ thêm cho gương đào đạt được nhờ sự tì bề mặt của cơ cấu đào vào gương đào trong quá trình di chuyển khiên đào để đào đất. Trong thực tế để điều chỉnh áp lực dung dịch ở gương đào người ta dùng 2 biện pháp:”điều chỉnh thể tích” và “điều chỉnh bằng gối khí nén”, biện pháp điều chỉnh thứ hai có tính chất “mềm” hơn và có hiệu quả hơn nên được ưa chuộng hơn. Sử dụng MS-S có hiệu quả nhất trong đất cát và sỏi (hạt nhỏ và trung bình) bão hoà nước đối với điều kiện là thành phần các hạt có kích thước nhỏ hơn 0.02 mm trong đất đã đào ra không vượt quá 10% theo trọng lượng. Phạm vi sử dụng MS-S được thể hiện trên hình vẽ. Hình 2.1: Phạm vi sử dụng của các loại TBM trong đất yếu Khuyết điểm lớn nhất khi sử dụng MS-S liên quan đến sự cần thiết phải bố trí hệ thống cung cấp và tuần hoàn vữa sét, khí nén chiếm diện tích lớn nhất trên mặt đất. Vấn đề này hoàn toàn được loại bỏ khi sử dụng khiên loại MS-E. Đất đá đào ra nằm trong buồng gần gương đào của MS-E nhờ sự di chuyển của khiên đào sẽ thay đổi chất lượng và gây nên áp lực tác dụng vào gương đào. Để điều chỉnh chất lượng đất người ta bơm dung dịch vữa sét hoặc bọt để tăng tính dẻo và giảm độ thấm của đất. Nhờ đó sẽ đảm bảo sự tăng cường ổn định của gương đào có hiệu quả hơn. Phạm vi sử dụng hiệu quả nhất của khiên đào dạng này trong đất sét hoặc bụi với độ ẩm cao với hàm lượng hạt cát không nhiều và khi tồn tại trong các loại đất đó thành phần hạt nhỏ có kích thước nhỏ hơn 0,05mm không nhỏ hơn 30%. Phạm vi sử dụng của khiên đào loại này thể hiện trên hình vẽ. Đối với khiên đào mà đất đào ở trong buồng kín đã được điều chỉnh chất lượng bằng cách bơm vào đó dung dịch vữa sét hoặc bọt (MS-ED) phạm vi sử dụng hiệu quả của nó được mở rộng đối với đất cát và sỏi. Đảm bảo ổn định của gương đào khi đào hầm bằng khiên MS-A khi so sánh với 2 loại khiên đào kể trên sẽ khó khăn hơn, bởi vì ở trong buồng kín gần gương đào người ta bơm vào khí nén thì áp lực của nó cân bằng với áp lực của nước ngầm chỉ ở tại một cao độ nào đó, ví dụ tại cao độ 1/3 chiều cao của gương đàog. Trong thực tế áp lực khi nén sẽ lấy bằng áp lực thuỷ tĩnh tại cao độ 1/3 hay 1/2 chiều cao gương đào. Phạm vi sử dụng hiệu quả nhất của khiên đào loại này giới hạn ở đất dính không ổn định và đất hỗn hợp một phần với độ thấm thấp và để đào hầm có đường kính không quá 5,5m. Đối với khiên đào hỗn hợp MS-M, vật liệu để tạo ra áp lực cân bằng ở gương đào phụ thuộc vào tính chất của đất mà sẽ được đào sẽ được sử dụng các loại khác nhau cho phù hợp: vữa sét, đất đã được đào, khí nén hoặc không dùng gì. Sử dụng khiên đào loại này cho phép đào đất trong giới hạn rộng hơn của điều kiện địa chất. Phạm vi sử dụng của nó là phạm vi sử dụng của tất cả các loại khiên đào kể trên. Khiên đào cơ giới hoá được sản xuất bởi rất nhiều hãng lớn chuyên nghiệp, chẳng hạn như các hãng của Anh quốc “Markham” và “Decker”, của Mỹ “Robbins” và “MEMCO”, của Canada “Lovat”, của Đức “Herrenknecht” và “Wirth”, của Nhật ‘Mitsubishi”, “Kawasaki” và “Hitachi”, của Pháp “NFM) và nhiều hãng khác. Các số liệu thống kê việc sử dụng các dạng khiên đào khác nhau khi xây dựng hầm trong các loại đất khác nhau và áp lực nước ngầm khác nhau được thể hiện trên các hình vẽ. Phân tích các kết quả thống kê chỉ ra trong thực tế có thể dùng khiên đào có áp lực cân bằng ở gương đào để đào hầm trong bất kỳ điều kiện địa chất nào với áp lực nước ngầm khác nhau. Tỷ số chiều sâu đặt hầm/đường kính hầm khoảng 2,5 chiếm đại đa số. Khiên đào được sử dụng khi thi công rất nhiều các hầm metro trong các thành phố như ở Lyon, Paris (Pháp), Cairo (Ai Cập), Madrid (Tây Ban Nha), Osaka, Tokyo (Nhật Bản)…Đối với các hầm đường ô tô đủ dài trong thành phố người ta cũng thường sử dụng khiên đào có áp lực cân bằng ở gương đào để đào hầm. Việc sử dụng khiên đào để đào hầm đường ô tô được thể hiện trong bảng 2.1. Loại khiên Đường kính khiên Địa chất Hãng sản xuất Hầm Thành phố/Nước Năm xây dựng MS-S 14.20 Cát, sét, á sét, đá vôi Herrenknecht, Đức Lefortovo Mockva/ LB Nga 2002-2003 MS-S 14.20 Cát, sét, cuội Herrenknecht, Đức Hầm No4 dưới vịnh Elbôi Gambyrg/ Đức 1995-2001 MS-S 11.67 Sét, cát, bụi, sỏi Herrenknecht, Đức Wesertunnel Đức 1999-2001 MS-S 14.14 Sét, cát, và sỏi Mitsubishi và Kawasaki, Nhật Dưới vịnh Tokyo Nhật 1994-1996 MS-S 12.33 Đất yếu và đá vôi Herrenknecht, Đức Thalwitunnel Zurich/ Thuỵ Sĩ 1999-2001 MS-S 13,12 Đất yếu Herrenknecht, Đức Kuala-Lumper /Malay 2004-2005 MS-E 11.02 Sét, á cát, cát, đá Mitsubishi, Nhật và NFM, Pháp “Caluire” Lyon/Pháp 1993-1996 MS-E 15.20 Phức tạp Herrenknecht, Đức Trên đường cao tốc M30 Madrid/Tây Ban Nha 2006 MS-E 12.06 Cát, cát kết Herrenknecht, Đức Barcelona/ Tây Ban Nha 2004-2006 MS-E 15.43 Phức tạp Herrenknecht, Đức Hầm qua sông ThượngHải/ Trung Quốc 2006 Bảng 2.1: Sử dụng khiên đào để thi công hầm đường ô tô 2.3.1.3. Kết luận Trong điều kiện nền đất yếu sử dụng khiên đào để thi công hầm dài là hợp lý, đặc biệt trong điều kiện của các thành phố, nơi mà sự phá huỷ bề mặt trong thời gian thi công hầm cần phải hạn chế một cách tối đa. Sử dụng khiên đào cơ giới hoá có áp lực cân bằng ở gương đào cho phép thi công hầm trong mọi điều kiện địa chất và áp lực nước ngầm bằng cách sử dụng vật liệu để tạo ra áp lực cân bằng ở gương đào một cách phù hợp. Trong điều kiện địa chất, giao thông và mật độ xây dựng ở 2 thành phố lớn của Việt Nam là Hà Nội và TP. HCM, kiến nghị sử dụng khiên đào loại MS-S, MS-E hay MS-M để thi công các hầm tuyến đường Metro và hầm đường ô tô đủ dài sẽ hạn chế được sự phá huỷ các ngôi nhà, công trình xây dựng gần kề và hệ thống công trình giao thông hiện tại. Việc sử dụng các phương pháp khác để thi công hầm sẽ không đạt được hiệu quả như vậy hoặc không khả thi. 2.3.2 Tóm tắt công nghệ 2.3.2.1. Định nghĩa. Máy TBM (Tunnel Boring Machine) là một tổ hợp máy khai đào toàn tiết diện cắt đất đá bằng các đĩa cắt định vị trên đầu cắt theo các vòng tròn trên đầu cắt. Theo sau lưỡi cắt là các thiết bị phụ trợ cho quá trình thi công như: băng chuyền vận chuyển chất thải, bộ phận lắp ráp kết cấu vỏ hầm, hệ thống đường sắt cho các gòng vẫn chuyển. 2.3.2.2 Đặc tính thiết kế : Kích thước lớn. Kích giữ ổn định thăng bằng bằng thuỷ lực. Lực cắt lớn được cung cấp bởi trục đẩy thuỷ lực. Các đĩa cắt phá đá bằng các lưới sắc cạnh. Vì kích cỡ và trọng lượng đặc trưng của TBM, chúng có thể thích hợp với việc khai đào các công trình ngầm thẳng như các công trình hầm dân dụng. Hình 2.2 : Tổng quan về máy TBM 2.3.2.3. Cấu tạo của máy TBM : Hình 2.3 : Cấu tạo phần đầu máy TBM có khiên đào. Hình 2.4 : Cấu tạo sơ bộ máy TBM mui trần. Hình 2.5: Mâm dao và mặt cắt máyTBM. 2.3.2.4. Quá trình tuần hoàn thao tác thi công của máy đào mui trần. - Khi bắt đầu đào, hệ thanh chống nằm ngang đã di chuyển đến bộ phận trước của giá máy chính đem chân chống tỳ vào vách hầm, tấm treo ở vòm đáy tý vào vách đá ở vòm, rút hệ chống dưới đằng sau lên. Khi đó mâm đào có thể chuyển động, các kích đẩy thúc mâm dao chuyển động tiến lên một hành trình. - Khi máy được đẩy lên phía trước, đạt đến điểm cuối cùng của hành trình đẩy của kích, kết thúc đào, mâm dao lớn ngừng quay, hạ bệ chống phía sau xuống, đồng thời tấm treo ở vòm đáy chống đỡ mâm dao lớn, như vậy trọng lượng toàn máy do hệ chân chống trước và sau chống đỡ. - Nơi lỏng hai cặp chân chống nằm ngang, di chuyển hệ chống nằm ngang đến đoạn trước của giá máy chính. Điều chỉnh phương hướng tiến lên của máy có thể thông qua hệ chống dưới phía sau để tiến hành điều chỉnh phương hướng đạt yêu cầu. - Sau khi hệ thanh chống ngang đã dời đến vị trí đoạn trứơc, người ta xiết chân chống vào vách hầm. Lúc ấy, rút hệ chống dưới phía sau lên, tấm treo trên vóm đáy lại ở trạng thái tiếp xúc hờ hững với vòm đáy. Chuận bị tiến hành chu trình tiếp theo. 2.3.2.5. Thi công vỏ hầm : Kết cấu vỏ hầm của đường hầm thi công bằng máy đào bao gồm lớp che chống tạm thời và vỏ xây lần thứ 2 gộp lại. Máy đào kiểu nào thì phải dùng hình thức che chống kiểu ấy. Sau khi tiến hành khảo sát địa chất đầy đủ xác định hình thức che chống. - Máy đào có khiên che, nói chung thường dùng phiến vỏ hầm hình ống tròn. Do nó thích hợp với loại vi nhám mềm yếu, sức chịu tải của vi nham thấp. - Máy đào mui trần thường vừa đào vừa thi công che chống tạm thời, sau đó mới tiến hành ghép cốp pha đổ bê tông vỏ hầm vĩnh cửu. Đặc biệt, sau khi đổ bê tông lần 2, máy không thể rút lui bằng đường cũ, chỉ có thể tiến lên phía trước. Kết cấu vỏ hầm thi công theo phương pháp khiên đào có tiết diện hình tròn, với vật liệu vỏ hầm bằng gang và bằng BTCT. Vỏ hầm bằng BTCT có hai loại : Đúc tại chỗ và Lắp ghép. Vỏ hầm lắp ghép được lắp từ các mảnh hầm đúc sẵn, vỏ mỏng có nhiều sườn tăng cường. Mỗi vành hầm là một đốt hầm có chiều dài là b thường bằng khoảng từ 50 – 100 cm, đốt hầm nối với nhau bằng mối nối gang. Theo chu vi mỗi vành hầm lại được chia làm thành một số mảnh và ghép lại với nhau bằng mối nối dọc thẳng theo các bán kính hướng tâm. Về nguyên tắc có thể chia đều chu vi đường hầm thành các đoạn bằng nhau để đúc các mảnh hầm cùng loại nhưng như vậy không lắp được mảnh cuối cùng khép kín vành hầm, để khép kín cần một mảnh đặc biệt hình nêm lắp vào từ phía trước hoặc ép từ bên trong, mảnh ghép cuối cùng gọi là mảnh khóa K. Vị trí của các mảnh ghép trong các đốt sau lắp ghép lệch đi so với đốt trước để tạo các mối nối sole nhau như mạch vữa xây bằng cách thay đổi vị trí các mảnh khóa. Nếu giữa các mối nối hầm các mối nối ngang được liên kết bằng bulông thì mảnh ghép được gọi là các bản tubing, kết cấu vỏ hầm làm việc như một đường ống còn các mối nối dọc liên kết với nhau băng bulong hoặc liên kết chốt. Nếu những đốt hầm liên kết với nhau bằng mối nối chốt hoặc chỉ là ép sít lại với nhau thì không gọi là tubing mà chì gọi là các bản cong, bản cong có sườn và gọi chung là nhưng vỉ ghép hầm. 2.4. KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM 2.4.1 Kết cấu vỏ hầm Vật liệu dùng cho vỏ công trình đường tầu điện ngầm cần bền vững, cứng, chống cháy, ổn định với môi trường hóa chất và điện hóa, tương ứng với các yêu cầu chống thấm, bền nhiệt lạnh, đảm bảo khả năng cơ giới hóa cao nhất khi sử dụng. Những vật liệu cơ bản phải thỏa mãn đầy đủ nhất các yêu cầu xây dựng ngầm là bêtông, bêtông cốt thép (BTCT) và gang. Đôi khi thép được sử dụng trong vỏ hỗn hợp nhiều lớp hoặc cho kết cấu chịu lực bên trong của ga. Lựa chọn vật liệu vỏ hầm công trình ngầm là một trong những vấn đề qua trọng của thiết kế do dạng vật liệu quyết định đặc điểm của giải pháp kết cấu công trình ngầm và các cấu kiện của nó sau này và các ảnh hưởng lớn đến sơ đồ tổ chức công nghệ xây dựng. Khi lựa chọn vật liệu cho kết cấu ngầm, trước tiên xác định hướng đến tính ưu việt của bêtông và BTCT. Trong từng đô thị lớn, nơi dự kiến xây dựng đường mêtrô, tồn tại các nhà máy kết cấu BTCT theo nguyên tắc, trước khi phát triển cơ sở vật tư – kỹ thuật riêng của công tác xây dựng mêtrô có khả năng thỏa mãn nhu cầu bêtông đổ tại chỗ và sản phẩm BTCT với khối lượng cần để triển khai công việc ở giai đoạn xây dựng đường mêtrô đầu tiên. Bêtông là vật liệu xây dựng cứng, bền, chống cháy và được sản xuất từ vật liệu địa phương khá rẻ (cát, đá dăm). Trạng thái dẻo của vật liệu tại thời điểm đổ bêtông tạo khả năng ứng dụng của chúng cho vỏ hầm toàn khối có dạng và kích thước bất kỳ, còn công nghệ hiện đại sản xuất bêtông lắp ghép – sản xuất các cấu kiện vỏ lắp ghép hình dạng bất kỳ trong khoảng đặc tính độ bền rộng, và một điều khá quan trọng là sự sai lệch kích thước hình học tối thiểu và năng suất khá cao. Tuy nhiên độ thấm nước của bêtông hạn chế phạm vi ứng dụng chúng trong các kết cấu ngầm: khi áp lực thủy tĩnh nước ngầm lớn hơn 0.1 Mpa, các tiêu chuẩn xây dựng khuyên không nên dùng kết cấu bêtông và BTCt nếu không có biện pháp bổ sung đảm bảo độ kín cho vỏ hầm. Khoảng gần 100 năm vỏ hầm BTCT lắp ghép từ bêtông không thấm nước với đệm lót cách nước ở các mối nối ứng dụng vào thực tế xây dựng mêtrô trong nước Nga đảm bảo được độ kín cho đường ngầm khi áp lực thủy tĩnh lên đến 0,25Mpa. Phần lớn công trình đường tàu điện ngầm thi công bằng phương pháp kín hay lộ thiên đều được thiết kế từ BTCT lắp ghép vì xây dựng lắp ghép là phù hợp nhất với các yêu cầu công nghiệp hóa. Xây dựng kết cấu lắp ghép hoàn toàn là thao tác lắp ghép đơn thuần đảm bảo năng suất lao động cao và tiến độ xây dựng hợp lý. Bêtông trong các kết cấu công trình đường tàu điện ngầm được lựa chọn tương ứng với các yêu cầu tiêu chuẩn và quy phạm đối với vật liệu xây dựng có xét đến sự làm việc của chúng trong điều kiện ngầm. Phụ thuộc vào dạng kết cấu, công dụng của chúng, các điều kiện thời tiết trong vùng xây dựng, các điều kiện thi công và khai thác công trình người ta xác định chỉ tiêu chất lượng bêtông. Các chỉ tiêu chất lượng cơ bản của bêtông là : Phân loại về độ bền nén dọc trục: chỉ tiêu này được chỉ rõ trong đồ án thiết kế trong mọi trường hợp như là một đặc tính cơ bản. Phân loại bêtông theo độ bền nén dọc trục (Mpa) gọi là sức kháng nén tức thời khối lập phương bêtông có kích thước cạnh là 15cm, thử nghiệm tương ứng với tiêu chuẩn qua 28 ngày đêm bảo quản ở nhiệt độ 20 ± 2o có xét đến sự thay đổi độ bền thống kê ( với độ đảm bảo là 0,95). Phân loại theo độ bền kéo dọc trục: được nêu ra khi chỉ tiêu này có ý nghĩa quan trọng và được kiểm soát trong quá trình sản xuất. Nó đặc trưng bằng độ bền mẫu bêtông chịu kéo dọc trục (Mpa) thử nghiệm với tiêu chuẩn. Mác bêtông theo độ chống thấm W, được dự kiến cho các kết cấu cần yêu cầu độ thấm giới hạn (vỏ đường hầm dưới mực nước). Chỉ tiêu này được đặc trưng bằng áp lực giới hạn của nước (kG/cm2), trong đó chưa quan sát thấy nước thấm qua mẫu thử tương ứng với tiêu chuẩn. Mác bêtông theo độ bền đóng băng F, được đưa ra dự kiến cho các kết cấu chịu tác động của sự đong và tan băng trong trạng thái ẩm ướt (ví dụ: vỏ hầm trong đoạn nổi lên bề mặt). Mác theo độ bền đóng băng được đặc trưng bằng số chu kỳ đóng và tan băng ở trạng thái no nước. Loại và mác bêtông hợp lý được lựa chọn trên cơ sở so sánh kinh tế - kỹ thuật dựa vào phương pháp thi công đường hầm, loại vỏ bêtông hoặc BTCT, trạng thái ứng suất - biến dạng của nó, phương pháp sản xuất và điều kiện khai thác v.v… Đối với các cấu kiện vỏ BTCT lắp ghép trong phương pháp thi công kín nên sử dụng loại bêtông B30, khi dùng phương pháp lộ thiên (bao gồm các vỏ theo đơn nguyên) B25; đối với vỏ BTCT toàn khối và vỏ bêtông ép – tại chỗ - B25; đối với vỏ bêtông toàn khối –B15. Cho phép sử dụng bêtông loại trung gian theo độ bền chịu nén (ví dụ 22,5 hoặc 27,5) trong điều kiện có thể tiết kiệm ximăng so với sử dụng bêtông tương ứng loại B25 hoặc B30 và không giảm các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của kết cấu. Để giảm chi phí cốt thép trong các cấu kiện BTCT lắp ghép làm việc chịu nén là chủ yếu và để giảm kích thước tiết diện của chúng, tốt nhất sử dụng loại cao B45-B60. Đặc tính độ bền và biến dạng của của bêtông các loại khác nhau cho trong bảng Các đặc trưng của bêtông Giá trị đặc tính (MPa) khi loại bêtông B15 B20 B25 B30 B35 B40 B45 B50 B55 B60 Sức kháng tiêu chuẩn của bêtông chịu dọc trục ( độ bền khối lập phương) Rbn 11,0 15,0 18,5 22,0 25,5 29,0 32,0 36,0 39,5 43,0 Sức kháng tính toán của bêtông chịu nén dọc trục( độ bền khối lập phương) đối với trạng thái giới hạn nhóm 1 Rb 8,5 11,5 14,5 17,0 19,5 22,0 25,0 27,5 30,0 33,0 Sức kháng tiêu chuẩn của bêtông chịu kéo dọc trục Rbtn 1,15 1,4 1,6 1,8 1,95 2,10 2,2 2,3 2,4 2,5 Sức kháng tiêu chuẩn của bêtông chịu kéo dọc trục cho trạng thái giới hạn nhóm 1 0,75 0,9 1,05 1,2 1,3 1,4 1,45 1,55 1,6 1,65 Môđun đàn hồi khi nén và kéo Eb.10-3 bêtông 23,0 27,0 30,0 32,0 34,5 36,0 37,5 39,0 39,5 40,0 Độ đông kết tự nhiên khi xử lý nhiệt trong trạng thái áp suất khí quyển… 20,5 24,0 27,0 29,0 31,0 32,5 34,0 34,0 35,5 36,0 Khi xử lý tự động 17,0 20,0 22,5 24,5 26,0 27,0 28,0 29,0 29,5 30,0 Bảng 2.2: Đặc trưng cơ học của bêtông Mác bêtông theo độ chống thấm đối với kết cấu vỏ hầm nằm cao hơn mực nước ngầm nên chọn ít nhất WH , còn xây dựng trong vùng đất ngập nước không chống thấm cần xác định dựa vào điều kiện địa chất thủy văn trong vùng xây dựng nhưng không nhỏ hơn W6. Mác thiết kế bêtông vỏ hầm theo độ bền đóng băng được lựa chọn dựa vào điều kiện làm việc của chúng và điều kiện khí hậu trong vùng xây dựng. Ví dụ: khi không có dấu hiệu biến đổi nhiệt độ trong đường hầm với nhiệt độ trung bình không khí bên ngoài của tháng lạnh nhất -15oC và cao hơn, mác bêtông theo độ bền đóng băng được chọn F100, còn khi nhiệt độ thấp hơn 15oC-F150; khi thay đổi trạng thái đóng và tan băng của bêtông trong kết cấu nằm trong trạng thái không khí ẩm – tương ứng F150 và F200, ở trạng thái no nước – F200 và F300. Để sản xuất vỏ bêtông và BTCT theo tiêu chuẩn hiện hành nên sử dụng bêtông nặng. Bêtông nhẹ trên cốt liệu xốp cho phép sử dụng khi so sánh kinh tế - kỹ thuật theo sự thảo thuẩn với chủ đầu tư. Ở đây cần chú ý rằng, vỏ hầm bêtông nhẹ trong nhiều trường hợp có thể rất hiệu quả. Khi loại độ bền, mác bêtông theo độ bền đóng băng và độ chông thấm như nhay, môđun đàn hồi của bêtông nhẹ vào khoảng 1,5 ÷ 2 lần thấp hơn các chỉ tiêu như trên của bêtông nặng. Vỏ hầm được làm từ bêtông nhẹ có độ biến dạng cao, nó làm việc tốt hơn trong điều kiện tĩnh. Vỏ mềm giảm tải trọng tiếp xúc từ áp lực đất đá, trong các tiết diện vỏ hầm như vậy giá trị mômen hơn và vì vậy ứng suất kéo trong bêtông cũng nhỏ hơn. Cốt thép trong kết cấu BTct được bố trí để tiếp nhận lực và tăng cường bêtông vùng nén. Cốt thép trong kết cấu theo tính toán gọi là cốt thép chịu lực, cốt thép bố trí theo quan niệm cấu tạo và công nghệ gọi là thép lắp ráp. Thép lắp ráp đảm bảo vị trí thép chịu lực theo thiết kế trong kết cấu và phân bố lực đều hơn giữa các thanh chịu lực riêng biệt. Ngoài ra thép lắp ráp có thể tiếp nhận nội lực do sụt bêtông, sự thay đổi nhiệt độ v.v… thông thường không xét trong tính toán. Cốt thép chịu lực và thép lắp ráp được liên kết với nhau thành sản phẩm cốt thép – hàn và buộc lưới và khung được bố trí trong côppha trước khi đổ bêtông. Lựa chọn thép làm cốt được tiến hành dựa vào loại kết cấu, sự có mặt của lực kéo trước cũng như điều kiện khai thác công trình. Cốt thép không ứng suất trước của kết cấu BTCT chủ yếu được sử dụng loại thép cán nóng có gờ loại A-III và cốt thép thông thường đường kín 3 ÷ 5mm –Bp-1. Đối với cốt thép ngang cho phép chọn thép thanh loại A-II và A-I. Cốt thép loại A-III, A-II và A-I nên sử dụng trong dạng khung hàn và lưới hàn, loại A-V, A-IV, cũng như cán thép cán nóng loại A-VI – chỉ dùng cho cốt thép dọc chịu lực khung và lưới buộc. Đặc tính tiêu chuẩn và tính toán của một số dạng cốt thanh cơ bản cho trong bảng. Loại cốt thép Sức kháng tiêu chuẩn Rsh MPa Sức kháng tính toán MPa Môđun đàn hồi Es MPa Chịu kéo Chịu nén Rcs Dọc Rs Ngang và uốn Rss A-I A-II A-III đường kính 6-8mm A-III và AT-III đường kính 10-40mm A-IV và AT-IVC Bp-1 đường kính: 3 4 5 235 295 390 390 590 410 405 305 255 280 355 365 510 375 365 360 175 225 285 290 405 270 265 260 225 280 355 365 400 375 365 360 210.000 210.000 200.000 200.000 190.000 170.000 170.000 170.000 Bảng 2.3: Sức kháng tiêu chuẩn và tính toán môđun đàn hồi của cốt thép thanh và sợi. 2.4.2. Kết cấu phần trên Kết cấu phần trên bao gồm đường ray, nền dưới ray, lớp bêtông hoặc đá balat, các móc gia cường trung gian, các mối nối ray v.v… Kết cấu phần trên của đường cần thỏa mãn các yêu cầu nhất định: chỉ một loại, ít tốn kim loại và có thể sửa chữa cũng như phải đảm bảo tính liên tục và an toàn cho chuyển động của đoàn tàu, tính ổn định, tính chất công nghệ trong quá trình khai thác, khả năng lắp ráp các cơ cấu của thiết bị điện, tính cách ly điện cho đường ray. Kiến trúc tầng trên của mêtrô trong đường hầm không dùng balát mà sử dụng tà vẹt đặt trên nền bêtông, trên những đoạn tuyến chạy nổi có thể dùng balát vì lý do trong đường hầm đá balát dễ bị nhiễm bẩn, điều kiện duy tu và vệ sinh khó khăn. Ray sử dụng trong đường hầm là loại ray P50 do chạy tàu liên tục, thời gian khai thác nhiều hơn so với tuyến đường sắt. Nên sử dụng ray hàn liền cho đường tàu điện ngầm. Hình 2.7: Cấu tạo ray Tà vẹt có thể là gỗ hoặc bêtông, tốt nhất là nên sử dụng tà vẹt gỗ vì khi đặt trực tiếp tà vẹt lên trên nền bêtông, độ cứng của đường rất lớn, ảnh hưởng không tốt đến điều kiện làm việc của đoàn tàu. Khi sử dụng tà vẹt bêtông phải sử dụng đệm đế ray bằng cao su chất lượng cao để giảm độ cứng này. Trong khu gian sử dụng loại tà vẹt dài 270mm, còn trong ga sử dụng loại tà vẹt 900mm đặt dưới mỗi vệt ray một thanh. Cự ly giữa các thanh tà vẹt 58cm tương đương vơi 1725 thanh trên 1km đường, nếu có bố trí thiết bị khai thác nằm giữa hai tà vẹt thì khoảng cách này có thể lên đến tối đa là 67,5cm. Khi đường có bán kính cong ≤ 300m phải có ray hộ luân, quy cách bố trí ray hộ luân tương tự như trên mặt cầu tức là sử dụng ray nhỏ hơn ray chínhm khoảng cách tĩnh giữa ray trong và ray ngoài 200mm và hai ray trong chụm đầu vào nhau làm thành hình thoi. Liên kết giữa ray và tà vẹt sử dụng cóc vì đinh vít, không dùng đinh đóng. Nếu bêtông cấp 30 đổ tạo thành lòng máng ở giữa, đáy máng cách đỉnh ray 53cm và có độ dốc dọc 0.3% để thoát nước. Mặt nền có độ dốc 3% , trên mặt nền tạo thành các rãnh ngang, các thanh tà vẹt nằm gọn trong những rãnh ngang đó, dưới đáy các rãnh đếm các tấm nhựa polyclovinil dày 7mm, hai bên ray tà vẹt chèn các tấm nhựa polyetylen để chống ồn. Mặt tà vẹt cao hơn mặt bêtông 3cm. Hình 2.7: Kết cấu phần trên 2.4.3. Cấu tạo hệ thống cấp điện - tiếp điện, chiếu sáng Những yêu cầu điện năng cơ bản trên đường tàu điện ngầm là đông cơ kéo tàu, thiết bị truyền động băng tải, máy bơm và quạt gió, các lò sưởi nước, các cơ cấu tín hiệu, điều khiển trung tâm, hợp khối và thông tin, các thiết bị cơ cấu vệ sinh môi trường, điện chiếu sáng, các dụng cụ điện khác nhau v.v… Cung cấp năng lượng trạm hạ thế có thể được tiến hành từ nguồn trung tâm của hệ thống điện qua trạm kéo xây dựng ở mặt đất. Cung cấp như vậy thuộc về hệ thống cung cấp trung tâm (tập trung) và cho phép giảm được chiều dài tuyến cao áp, cũng như tránh được việc sử dụng các ô độc lập tại trung tâm cung cấp đối với tải trọng không lớn của trạm hạ thế đường tàu điện ngầm. Trong hệ thống cung cấp đó, trạm kéo ở mặt đất theo nguyên tắc phải cách xa ga hành khách đường tàu điện ngâm, nơi tải chính tập trung và điều đó buộc phải đặt tuyến cáp dài. Ngày nay hệ thống cung cấp điện không tập trung (phân tán) được phổ biến rộng rãi trên đường tàu điện ngầm. Trong hệ thống đó người ta xây dựng trạm kéo – hạ áp đồng thời (CTΠ), từ đó dòng điện được dẫn đến các hộ tiêu thụ nằm trong vùng phục cụ đã cho của CTΠ. Ưu việt của trạm kéo hạ áp như vậy là khi khoảng cách giữa CTΠ (1.5÷ 2.1km) không lớn, không cần phải sử dụng cáp dài liên kết các trạm với ray tiếp xúc và tuyến cao áp giữa trạm kéo và hạ áp, giảm được sự hao hụt cả điện áp trong mạng kéo, giảm được sự chập chờn (rò rỉ điện) của dòng điện và không yêu cầu tách 1 phần điện tích bổ sung để xây dựng nhà ở mặt đất. Tuy nhiênm sự xây dựng trạm ngầm CTΠ yêu cầu tuân thủ điều kiện bổ sung khi thiết kế ga mêtrô, đảm bảo xây dựng sơ đồ kết cấu trống nhất cho công trình ga. Cung cấp điện cho đường tàu điện ngầm được thực hiện từ hệ thống cung cấp điện thành phố bằng dòng 3 pha điện áp 6 -10 kV dẫn đế trạm kéo- hạ thế ngầm, bố trí trong tổ hợp ga và và trên đoạn giữa các ga. Trạm kéo – hạ áp của tuyến cần được cung cấp điiện từ 3 nguồn độc lập của hệ thống điện trong thành phố. Trong đó, nguồn chính có thể là trạm điện. Trên trạm điện kéo, dòng điện xoay chiều điện áp 6-10KV được nắn sang dòng cố định bằng cách giảm điện thế đến 825V và truyền lên dây tiếp xúc (dòng chủ đạo) nằm phía bên trái đường ngầm theo chiều chuyển động của đoàn tàu. Dòng ngược trở lại đi qua trục và bánh xe toa tàu tới ray, sau đó theo cáp quay trở lại trạm. Đối với những tải còn lại trên trạm điện hạ thế, điện áp cao thế được giảm xuống đến 380V và để chiếu sáng đến 220V và 127V. Cung cấp cho các thiết bị điện- băng tải, quạt, bơm, các tổ hợp sửa chữa di động.v.v…được tiến hành trực tiếp từ trạm hoặc từ tuyến cung cấp trục chính tổng. Chiếu sáng: để chiếu sáng nhân tạo các phòng công trình tàu điện ngầm, người ta sử dụng các dạng chiếu sáng: làm việc, sự cố và thoát nạn. Chiếu sáng làm việc các phòng hành khách được thiết kế 2 hệ: chung (phân bố đều và phân vùng) và hỗn hợp (chung và cục bộ). Các chi tiết thiết bị chiếu sáng trong các hệ đó theo loại phân bố ánh sáng có thể thẳng, chủ yếu là thẳng, phân bố đều, chủ yếu là phản quang. Chiếu sáng nhân tạo chung các phòng hành khách dùng cho sự vắng mặt thường xuyên của con người, theo nguyên tắc được đảm bảo bằng đèn khí đốt phân cực cao áp và thấp áp. Các bóng đèn sợi đốt chỉ được sử dụng trong thông tin liên lạc khi cần thiết tạo hình nội thất cũng như theo các điều kiện cung cấp của mạng. Để tạo nên ánh sáng đầy đủ, hợp lý các phòng hành khách cẩn đảm bảo giá trị độ chiếu sáng hình trụ trung bình trong các thiết bị chiếu sáng ở các gian có giới hạn 70lk. Trong đó sự thay đổi cho phép ko vượt quá 20%. Chiếu sáng sự cố và thoát nạn bằng các bóng đèn sợi đốt cho các phòng hành khách và đường ngầm, khoảng 5% từ độ chiếu sáng tiêu chuẩn đối với chiếu sáng làm việc, nhưng ít nhất 2lk cho phòng hành khách và 0.5lk cho đường ngầm. Đèn chiếu sáng sự cố có thể được sử dụng cho chiếu sáng thoát nạn. Chiếu sáng gian giữa và sân ga đường tàu điện ngầm thông thường được thực hiện nhờ bóng đèn chiếu sang bố trí trong các vòm, các lỗ trên trân cũng như trên các khu vực hở bằng cách sử dụng các chao đèn loại trừ khả năng làm chói mắt lái tàu. Cho phép sự dụng các nguồn sang điện áp 380V ở những vị trí tiếp cận được để phục vụ ( trên độ cao không lớn hơn 5m). Trong các phòng hành khách, ở các băng tải và cầu thang bộ được bố trí các công tắc đèn tự động bật mạng chiếu sáng sự cố khi tắt mạng chiếu sáng làm việc. Trong các phòng còn lại cũng như trong đường ngầm, đường cụt, và ở các điểm kiểm tra tàu, đèn chiếu sáng (thoát nạn) được bật thủ công. Đối với các thiết bị điều khiển vô tuyến và từ xa, cục bộ, cũng như để điều khiển băng tải và các thiết bị cơ điện khác trên các tuyến, người ta sử dụng hệ thống tự động và cơ học vô tuyến. Các nút điều khiển và kiểm soát từ xa được bố trí ở các trạm điều khiển trung tâm, còn điều khiển vô tuyến và kiểm soát - ở các trạm điều khiển tuyến. Tự động và điều khiển từ xa trong chuyển động tàu: với mục đích đảm bảo an toàn, điều khiển và tổ chức chuyển động tàu, tuyến đường tàu điện được trang bị các cơ cấu cố định sau: điều khiển liên hoàn và đảm bảo an toàn chuyển động tàu trong dung lượng điều khiển tốc độ tự động (ACP) và hợp khối tự động (AБ). Cơ cấu ACP đảm bào hình thành và truyền vào mắt xích ray tín hiệu cốt bằng cơ cấu tàu về tốc độ chuyển động cho phép của đoàn tàu trên đoạn đường đã cho và tín hiệu cảnh báo về tốc độ cho phép của đoạn tàu trên trên đoạn tuyến phía trước. Cơ cấu ACP được trang bị cho tất cả các đoạn tuyến bao gồm tuyến liên kết, nhánh và tuyến chạy thử của đềpô điện. Công thức lớn nhất của tuyến được tính theo ACP. Trong đó dự trữ thời gian trên các đoạn nối ga cần để ít nhất 15 giây, và trên các đoạn vào ga, đoạn ga và ra ít nhất 5 giây. Cơ cấu AБ cho phép tàu đi trên đoạn nối ga chỉ trong trường hợp nếu tín hiệu ngăn ngừa đoạn nối ga đó cho phép chạy tiếp theo đường nối đó. Sử dụng hợp khối tự động trên đường tàu điện ngầm cho phép giảm tối đa khoảng cách giữa các đoàn tàu khi đảm bảo an toàn chuyển động và công suất tới 48 cặp tàu trong 1 giờ. Đóng và mở khối tự động khối – tín hiệu xảy ra do tác động của đoàn tàu chuyển động đến cơ cấu tín hiệu gián tiếp qua xích ray. Tuyến ray của từng hướng được phân chia bằng các mối nối cách ly trên từng đoạn dài 62 đến 550m. Ở đầu mỗi đoạn cách ly được bố trí đèn tín hiệu, đóng mạch tín hiệu của chúng được thực hiện bằng rơle chuyên dùng đặt cạnh đèn tín hiệu và liên kết với 2 ray. Trên các đoạn ngầm và đoạn ở mặt đất kín của tuyến đường tàu điện ngầm được bố trí các đèn tín hiệu loại “mêtrô”, còn trên các tuyến bến bãi đêpô điệnvà những đoạn mặt đất lộ thiên – đèn tín hiệu trên các cột thấp dùng trên các tuyến đường sắt. Đèn tín hiệu thông thường được bố trí bên phải đường theo hướng chuyển động của tàu tại những vị trí lái tàu nhìn được. Trong đường ngầm 1 tuyến tại những vị trí khó nhìn, cho phép đặt đèn tín hiệu ở bên trái theo hướng chuyển động. Đèn tín hiệu tác dụng bán tự động được trang bị bằng các đèn tín hiệu đến, còn đèn tín hiệu tuyến chính cần có các tín hiệu báo đến tự động. Thông tin: Để tổ chức chuyển động rõ ràng và đều đặn cho các đoạn tàu, dòng hành khách và tọa độ hóa công tác của nhân viên dịch vụ đường tàu điện ngầm người ta dự kiến những phương tiện thông tin liên lạc sau đây. Thông tin điều hành cung cấp điện, điện cơ khí, băng tải và các đoàn tàu. Thông tin giữa bộ phận điều hành để trao đổi thương lượng trên các điểm điều khiển tuyến. Thông tin radio đoàn tàu để trao đổi trạm điều hành tàu với lái tàu. Thông tin đường ngầm, ga, băng tải. Thông tin dịch vụ. Thông tin trực tiếp đến các đơn vị công an. Thông tin điện thoại tự động để trao đổi về các hoạt động hành chính-nội vụ. Thông tin radio cơ động để trao đổi phiên trực lái tàu. Quan sát vô tuyến để theo dõi chuyển động của hành khách. Các tín hiệu thông báo về giờ bắt đầu và kết thúc làm việc của ga. Các thông báo loa để thông tin cho hành khách và nhân viên phục vụ. Đồng hồ điện tử thông báo thời gian chạy và dừng cho hành khách và nhân viên. 2.4.4. Hệ thống thoát nước Tất cả các công trình ngầm của Metro đều được trang bị hệ thống thoát nước cấu tạo từ các máng và ống tự chảy, các giếng thu, các thiết bị bơm thoát nước với các hố thu gom và đường ống dẫn nước có áp. Nước xuất hiện trong các hầm đào ngầm từ đất xung quanh do cách nước chưa đảm bảo và sự tồn tại các lỗi khi làm lớp cách nước cũng như do rửa đường ngầm nối ga và ga trong quá trình khai thác. Nước vào đường hầm theo đường ống và máng với độ dốc dọc ít nhất 0,3%, độ dốc ngang ít nhất 2-3% và được hướng về bể thu của thiết bị thoát nước, sau đó chúng được bơm lên mặt đất vào hệ thống thoát nước chung của đô thị bằng máy bơm và được hướng vào bể thu của thiết bị thoát nước, sau đó chúng được bơm lên mặt đất vào hệ thống thoát nước chung của đô thị bằng máy bơm. Loại thiết bị bơm được lựa chọn vào sự bố trí chúng và đặc điểm kết cấu của công trình thoát nước. Thiết bị bơm thoát nước được lắp ráp trong các khoang chuyên dùng . 2.5. THÔNG GIÓ TRONG HẦM 2.5.1. Thành phần các khí độc hại trong hầm. Độ độc hại cơ bản trong đường hầm là khí CO2, nhiệt và khí ẩm thải ra từ con người, từ các thiết bị đang hoạt động và chuyển động của tàu cũng như các khí khác thâm nhập vào hầm cùng với không khí bên ngoài (thông gió ) và từ môi trường xung quanh. Ngoài ra độ độc hại trong hầm có thể là do bụi tạo nên trong đường hầm cùng với không khí thông gió vào đường hầm, khói lẫn dầu mỡ và sự trao đổi vi sinh của không khí. - Nhiệt thải được tạo ra từ chuyển động và phanh của tàu chạy điện, từ công suất các thiết bị phụ khi khai thác đường tàu điện ngầm chuyển sang nhiệt (các thiết bị thông gió, chiếu sáng,…) từ hành khách và nhân viên phục vụ đường hầm. - Độ ẩm tương đối cao được xác định bằng hơi ẩm thâm nhập vào đường hầm từ hành khách và nhân viên dịch vụ, từ nước trong đất thấm qua vỏ hầm. Yếu tố cơ bản là số lượng hơi ẩm thoát ra từ 1 người, phụ thuộc vào nhiệt độ trung bình của không khí trong đường ngâm. - Điôxit cacbon ( CO2 ) được tạo ra từ hơi thở của con người ( hành khách và nhân viên dịch vụ ), khí nước qua vỏ hầm, đặc biệt nếu đường hầm cắt qua khoáng chất đá vôi no nước. - Bụi trong đường hầm được tạo ra khi phanh tàu trên đoạn dốc xuống và gần ga, do sự bào mòn từ từ nền trong hầm, các cấu kiện kết cấu phía trên của tuyến và thành phần chuyển động, cũng như bụi bẩn do hành khách mang xuống mặt đất. - Hơi dầu mỡ được tạo thành do làm lạnh hơi mỡ khoáng chất va dầu hoả. Các chất này được dùng trong bôi trơn và rửa các bộ phận chuyển động của toa tàu, bị bốc hơi vào môi trường không khí đường hầm do các bề mặt nóng lên của tàu khi chuyển động. - Sự trao đổi vi sinh của không khí phát sinh từ con người, đặc biệt là trong các toa tàu và trên ga trong thời kì hành khách tụ tập vào giờ cao điểm. Trong các đường hầm metro, người ta sử dụng hệ thống thông gió hút-đẩy theo chiều dọc tạo chuyển động không khi theo toàn bộ mắt cắt đường hầm, đó là các tuyến ống dẫn khí. Hệ thống thông gió đường ngầm được dùng cho các khu gian và ga, các đường hầm băng tải, cầu thang bộ hành, phòng thu tiền… 2.5.2. Thông gió trong đường hầm đặt sâu. Trên tuyến đặt sâu, người ta sử dụng thông gió hút – đẩy nhân tọa. Ở giữa đường nối ga, người ra xây dựng giếng thông gió có quạt thông gió. Mỗi giếng thông gió đảm bảo thông gió cho đường ngầm chiều dài tới 2500m. Thông gió đường ngầm đặt sâu thực hiên qua giếng đứng, kích thước mặt cắt ngang của chúng được xác định theo tính toán với tốc độ chuyển động của không khí 7-8m/s .Đường hầm thông gió liên kết giếng đứng với đường hầm Metro thường được lấy dạng hình tròn với đường kính bên trong là 4m. Để thoát nước, đường hầm thông gió được bố trí theo độ dốc dọc ít nhất 0,3% kể từ giếng đứng và có độ dốc ngang ít nhất là 2%. Để giảm sức kháng chuyển đông của không khí trong đường hầm thông gió, tại những vị trí lượn vòng của không khí người ta bố trí các bánh lái hướng chuyên dùng, còn góc xoay phía trong được cắt góc 45o.Giếng thông gió được bố trí hệ thống cầu thang phòng cháy trong đó cứ 6m bố trí một khu vực trung gian. Đoạn tuyến Metro ngầm và kín trên mặt đất cần trang bị hệ thống thông tin trắc viễn truyền các giá trị thông số không khí đo được (nhiệt độ và độ ẩm không khí, lượng đioxit và ôxit cácbon) về trung tâm điều hành. Thiết bị thông gió cấu tạo từ quạt thông gió, động cơ điện và truyền động của quạt. Lựa chọn loại quạt để thông gió đường ngầm được tiến hành theo điều kiện làm việc vật lý đặc biệt của chúng dưới lòng đất. Để thông gió đường ngầm ta sử dụng 2 loại quạt sau là: quạt ly tâm và đồng trục. Quạt đường hầm cần phải thỏa mãn các điều kiện sau đây: - Có công suất lớn (180000-250000m3/h) và kích thước tối thiểu ; - Có khoảng thay đổi công suất cho phép rộng(trong giới hạn 70000-250000m3/h); - Hệ số tác động có ích khi chế độ làm việc tối ưu; - Làm việc theo hướng xuôi và đảo chiều ; - Đảm bảo sự làm việc song song và ổn định của 2 quạt là như nhau; - Truyền dẫn từ động cơ điện đến quạt phải tin cậy, đơn giản trong hoạt động và ít tiếng ồn ; - Kết cấu quạt cần ít rung tháo lắp được,tin cậy đảm bảo tiếng ồn khí động học nhỏ nhất. 2.6. ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.6.1. Phương án hầm đơn Ưu điểm: + Kết cấu chịu lực tốt: Kết cấu có dạng tròn, về mặt hình học thì dạng mặt cắt này có khả năng tối ưu về chịu lực. + Thỏa mãn tốt các điều kiện làm việc của vỏ hầm trong đất yếu. + Quá trình thi công đơn giản + Về tính kinh tế thì phương án này tiết kiệm hơn do chỉ phải sử dụng 2 hệ thống tổ hợp khiên đào để thi công tuyến hầm đơn.. + Hệ số sử dụng không gian lớn. Nhược điểm: - Tiết diện hầm lớn nên khó khăn về công nghệ do đòi hỏi phải đặt trước một máy TBM có đường kính khá lớn. - Do có đường kính lớn nên khả năng gây trồi lún bề mặt lớn hơn so với hầm có đường kính nhỏ hơn, sự chuyển vị biến dạng trong thi công làm ảnh hưởng đến công trình trên mặt đất lớn hơn. - Trong quá trình thi công và khai thác, nếu gặp phải sự cố sẽ làm quá trình thi công cũng như khai thác bị đình trệ, phải chờ khi khắc phục xong sự cố mới đưa vào vận hành tiếp được do đó có thể kéo dài thời gian thi công. 2.6.2. Phương án hầm đôi chạy song song Ưu điểm: + Kết cấu chịu lực tốt, do tiết diện cùng có dạng hình tròn. + Do kích thước nhỏ hơn phương án hầm đôi nên khả năng gây trồi lún bề mặt là nhỏ hơn. + Do kích thước nhỏ hơn nên dễ dàng cho công nghệ phù hợp các loại máy TBM có kích thước trung bình. + Trong quá trình thi công, nếu một hầm gặp sự cố không thể thi công tiếp được thì hầm còn lại vẫn có thể tiến hành thi công bình thường. + Khai thác dễ dàng, trường hợp 1 hầm gặp sự cố ta có thể sử dụng hầm còn lại làm hầm để khai thác và khắc phục sự cố. Nhược điểm: - Do phải sử dụng đến 2 máy đào để thi công 2 đường hầm do đó giá thành công trình tăng lên. - Việc khoan thăm dò địa chất tăng, khối lượng đất thải lớn, khối lượng bêtông, cốt thép sử dụng tăng. - Số lượng máy móc phụ trợ cho quá trình thi công tăng - Quá trình thi công phức tạp hơn. Nhằm mục đích học tập và nghiên cứu, em kiến nghị lựa chọn phương án hầm đôi chạy song song làm phương án thiết kế PHẦN III:THIẾT KẾ KỸ THUẬT TÍNH TOÁN KẾT CẤU 1.1. SỐ LIỆU TÍNH TOÁN 1.1.1. Địa chất Các kết quả địa chất được áp dụng trong tính toán: STT Tên lớp Bề dày (m) (kN/m3) (kN/m3) C (kN/m2) Eox103 (kN/m2) 1 Lớp phủ 2,5 22 20 37o 0,3 3 1 2 Sét + sét pha 3,0 18,835 14,475 16o25’ 0,35 5 10 3 Cát pha 10,5 15,696 19,326 17o44’ 0,3 1 50 4 Cát mịn pha sét 9,5 15,696 19,326 17o44’ 0,3 2 80 5 Cát trung lẫn sạn 6,5 15,696 19,326 17o44’ 0,3 1 120 Bảng 4.1: Số liệu địa chất 1.2. TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KẾT CẤU 1.2.1. Áp lực địa tầng thẳng đứng Chọn chiều sâu đặt tim hầm là -16m (độ sâu là 23m) so với mặt đất, nên hầm nằm giữa 2 lớp thành tạo địa chất là: + Lớp Cát hạt mịn lẫn bụi sét xen kẹp cát hạt nhỏ, màu xám nâu, xám tro, kết cấu xốp đến chặt vừa. + Lớp cát hạt trung lẫn sạn: màu xám nâu, xám vàng, kết cấu chặt vừa. Áp lực địa chất thẳng đứng là tải trọng của các lớp đất phía trên hầm. 1.2.2. Áp lực địa tầng nằm ngang Áp lực nằm ngang là áp lực phân bố đều và tăng dần theo chiều sâu đến đáy hầm. 1.2.3. Trọng lượng bản thân vỏ hầm Coi tiết diện là hình chữ nhật ta có: Để đơn giản trong quá trình tính toán và thiên về an toàn ta coi tải trọng do tĩnh tải phân bố đều có hướng từ trên xuống với trị số : Trong đó: n3 là hệ số vượt tải của tĩnh tải đối với kết cấu lắp ghép. 1.2.4. Áp lực thủy tĩnh Áp lực nước ngầm tác dụng lên kết cấu được xác định bằng vị trí của công trình so với mặt thoáng của nước ngầm. Áp lực nước ngầm tác dụng lên kết cấu có thể phân tích thành 2 thành phần: + Thành phần phân bố đều có trị số bằng trị số chiều cao cột nước trên đỉnh hầm. + Thành phần thay đổi theo chiều sâu có trị số = (1 - cos).2r. 1.2.5. Phản lực địa tầng Khi tải trọng ngoài tác dụng vào vỏ hầm sẽ làm phát sinh phản lực từ địa tầng đến đáy vỏ. 1.2.6. Tải trọng do ảnh hưởng của đường hầm song song với nó Hai hầm đặt cách nhau 20m ( khoảng cách các tim hầm), sẽ được mô hình hóa trong mô hình từ đó sẽ tính được ảnh hưởng của 2 hầm. 1.2.7. Tải trọng do các công trình trên mặt đất Do hầm đặt sâu (23m), lại chạy dọc theo tim đường bộ bên trên nên có thể bỏ qua sự tác dụng không đáng kể của loại tải trọng này. 1.2.8. Tải trọng tạm thời Bao gồm tải trọng tạm thời trong quá trình thi công, lắp ráp như áp lực phun vữa bê tông sau vỏ hầm, ảnh hưởng của nhiệt độ xung quanh hầm, ảnh hưởng của co ngót và từ biến của bê tông vỏ hầm, áp lực của các kích khiên đào. Thông thường trong thiết kế công trình ngầm đối với kết cấu lắp ghép do có khả năng làm việc được ngay nên ta không xét đến loại tải trọng này và chúng nhỏ hơn nhiều so với áp lực của đất đá. Ngoài ra đối với các công trình ngầm trong thành phố, tải trọng tạm thời còn phải kể đến các loại tải trọng do các phương tiện giao thông bên trên hay bên trong công trình ngầm, áp lực do hoạt tải đi qua công trình ngầm, lực nằm ngang do hãm phanh, lực lắc ngang, lực ly tâm của xe cộ chuyển động. Nhưng do chiều sâu đặt hầm là lớn nên ảnh hưởng của loại tải trọng này là rất nhỏ, có thể bỏ qua. 1.2.9. Tải trọng đặc biệt. Bao gồm các loại tải trọng xuất hiện có tính chất ngẫu nhiên hoặc do sự cố bất ngờ như áp lực do động đất, sập lở hoặc một bộ phận của công trình bị hư hỏng. Ở đồ án này ta không xét đến. Từ đó ta có sơ đồ tải trọng tác dụng lên kết cấu: Hình 4.1: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên kết cấu 1.3. TÍNH TOÁN KẾT CẤU VỎ HẦM 1.3.1. Kết cấu vỏ hầm 1.3.1.1. Vai trò của vỏ hầm: Kết cấu vỏ hầm được thiết kế và xây dựng với mục đích: + Chịu áp lực địa tầng xung quanh và những tác động khác lên hầm, + Ngăn cản biến dạng của môi trường nền xung quanh khu vực hang đào không cho vi phạm vào khổ giới hạn kiến trúc, + Ngăn cản sụp đổ cục bộ và bất thường đảm bảo an toàn giao thông, + Chống dột và chống thấm nước ngầm vào trong hầm, + Giảm sức cản tác dụng lên các phương tiện giao thông chạy trong hầm, + Tạo môi trường thuận lời cho người làm việc trong hầm, + Tạo dáng kiến trúc trong hầm. 1.3.1.2. Mặt cắt kết cấu - Đường kính trong : do = 5600 mm - Chiều dày kết cấu : dk = 350 mm - Đường kính ngoài : dn = 6300 mm - Chiều dài một đốt hầm : b = 1200 mm Sử dụng kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép, gồm 6 mảnh STT Tên mảnh Số lượng Chiều dài (m) Bề dày (m) Góc chắn cung (o) 1 Mảnh N 3 3,518 0,35 15 2 Mảnh Mt 1 3,072 0,35 64,5 3 Mảnh Mp 1 3,072 0,35 64,5 4 Mảnh K 1 0,7330 0,35 72 Bảng 4.2: Chi tiết các mảnh ghép vỏ hầm 1.3.2. Mô hình tính Kết cấu hầm là bê tông cốt thép lắp ghép, làm việc như một vòng tròn thống nhất chịu tải trọng cân bằng các phía nhưng không cản trở biến dạng, làm việc trong môi trường đàn hồi, Chọn một nửa kết cấu vỏ hầm để tiến hành tính toán. 1.3.3. Tính toán nội lực Sử dụng phần mềm Plaxis 8.2 để mô hình hóa và tính toán, ta được kết quả sau: X Y N Q M ex e 0,225dk Ngh N [m] [m] [kN] [kN] [kNm] [m] [m] [m] [kN] [kN] 0.000 -19.150 -1004.319 0.085 69.430 -0.069 0.106 0.079 3748.989 1305.614 0.257 -19.139 -1005.499 -7.020 68.521 -0.068 0.107 0.079 3714.430 1307.149 0.513 -19.108 -1008.817 -13.798 65.842 -0.065 0.110 0.079 3616.944 1311.462 0.765 -19.056 -1014.248 -20.277 61.456 -0.061 0.114 0.079 3469.185 1318.523 1.012 -18.983 -1021.767 -26.480 55.423 -0.054 0.121 0.079 3286.748 1328.297 1.012 -18.983 -1021.588 -26.290 55.423 -0.054 0.121 0.079 3287.006 1328.065 1.252 -18.890 -1030.928 -31.889 47.888 -0.046 0.129 0.079 3087.538 1340.206 1.484 -18.779 -1041.515 -36.489 39.086 -0.038 0.137 0.079 2887.129 1353.969 1.706 -18.648 -1053.238 -40.180 29.214 -0.028 0.147 0.079 2695.189 1369.21 1.916 -18.500 -1065.988 -43.050 18.462 -0.017 0.158 0.079 2517.104 1385.784 1.916 -18.500 -1065.667 -42.299 18.462 -0.017 0.158 0.079 2517.188 1385.367 2.152 -18.300 -1081.991 -45.481 4.765 -0.004 0.171 0.079 2326.547 1406.588 2.368 -18.078 -1097.844 -46.623 -9.489 0.009 0.184 0.079 2161.258 1427.197 2.560 -17.835 -1112.932 -45.963 -23.826 0.021 0.196 0.079 2020.791 1446.812 2.728 -17.575 -1126.962 -43.738 -37.795 0.034 0.209 0.079 1903.258 1465.05 2.728 -17.575 -1126.687 -43.422 -37.795 0.034 0.209 0.079 1903.184 1464.693 2.825 -17.393 -1134.655 -40.796 -46.511 0.041 0.216 0.079 1837.571 1475.052 2.910 -17.205 -1141.379 -37.084 -54.537 0.048 0.223 0.079 1781.562 1483.793 2.983 -17.013 -1146.757 -32.638 -61.732 0.054 0.229 0.079 1734.465 1490.783 3.043 -16.815 -1150.685 -27.811 -67.974 0.059 0.234 0.079 1695.630 1495.891 3.043 -16.815 -1150.670 -27.542 -67.974 0.059 0.234 0.079 1695.625 1495.871 3.089 -16.615 -1152.920 -22.098 -73.112 0.063 0.238 0.079 1664.744 1498.797 3.123 -16.411 -1153.467 -15.987 -77.035 0.067 0.242 0.079 1641.539 1499.507 3.143 -16.206 -1152.248 -9.568 -79.675 0.069 0.244 0.079 1625.660 1497.923 3.150 -16.000 -1149.205 -3.198 -80.988 0.070 0.245 0.079 1616.877 1493.966 3.150 -16.000 -1149.269 -2.955 -80.988 0.070 0.245 0.079 1616.904 1494.05 3.143 -15.794 -1144.352 3.509 -80.937 0.071 0.246 0.079 1615.204 1487.657 3.123 -15.589 -1137.759 10.156 -79.524 0.070 0.245 0.079 1620.695 1479.087 3.089 -15.385 -1129.474 16.631 -76.767 0.068 0.243 0.079 1633.556 1468.316 3.043 -15.185 -1119.480 22.581 -72.707 0.065 0.240 0.079 1654.114 1455.324 3.043 -15.185 -1119.625 22.804 -72.707 0.065 0.240 0.079 1654.172 1455.512 2.983 -14.987 -1108.077 28.420 -67.417 0.061 0.236 0.079 1682.909 1440.499 2.910 -14.795 -1095.348 33.745 -61.005 0.056 0.231 0.079 1720.458 1423.953 2.825 -14.607 -1081.454 38.498 -53.561 0.050 0.225 0.079 1767.719 1405.89 2.728 -14.425 -1066.405 42.398 -45.193 0.042 0.217 0.079 1825.844 1386.327 2.728 -14.425 -1066.599 42.585 -45.193 0.042 0.217 0.079 1825.909 1386.578 2.619 -14.250 -1050.737 45.812 -36.060 0.034 0.209 0.079 1896.153 1365.957 2.499 -14.082 -1034.505 48.406 -26.344 0.025 0.200 0.079 1979.892 1344.856 2.368 -13.923 -1017.943 50.183 -16.183 0.016 0.191 0.079 2079.125 1323.325 2.227 -13.773 -1001.089 50.958 -5.723 0.006 0.181 0.079 2196.251 1301.415 2.227 -13.773 -1001.298 51.102 -5.723 0.006 0.181 0.079 2196.266 1301.687 2.077 -13.632 -984.582 50.972 4.824 -0.005 0.170 0.079 2333.329 1279.956 1.918 -13.501 -968.456 50.066 15.242 -0.016 0.159 0.079 2492.126 1258.993 1.750 -13.381 -952.973 48.285 25.380 -0.027 0.148 0.079 2675.121 1238.865 1.575 -13.272 -938.186 45.532 35.084 -0.037 0.138 0.079 2884.350 1219.642 1.575 -13.272 -938.355 45.598 35.084 -0.037 0.138 0.079 2884.208 1219.861 1.393 -13.175 -924.695 42.009 44.138 -0.048 0.127 0.079 3118.623 1202.103 1.205 -13.090 -912.489 37.680 52.354 -0.057 0.118 0.079 3374.274 1186.235 1.013 -13.017 -901.794 32.637 59.605 -0.066 0.109 0.079 3644.488 1172.332 0.815 -12.957 -892.665 26.905 65.765 -0.074 0.101 0.079 3916.987 1160.465 0.815 -12.957 -892.765 26.940 65.765 -0.074 0.101 0.079 3916.669 1160.595 0.615 -12.911 -885.528 20.673 70.685 -0.080 0.095 0.079 4170.075 1151.186 0.411 -12.877 -880.316 14.024 74.261 -0.084 0.091 0.079 4378.702 1144.411 0.206 -12.857 -877.154 7.093 76