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

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 20 PHÂN TÍCH, SO SÁNH BÀI TOÁN THIẾT KẾ HỐ ĐÀO SÂU CHO GA NGẦM CỦA ĐƯỜNG SẮT HÀ NỘI QUA MỘT SỐ TIÊU CHUẨN NGUYỄN CHÂU LÂN* TRƯƠNG QUANG MẠNH** Analysis and Comparison of design solutions for deep excavation of some underground station in Hanoi Abstract: There are 8 urban railways which have been constructed according to Transport Development Plan for Hanoi until 2020. In which, the Urban Railway No.2 would be a vital role for urban transportation in near future. With the design of three elevated, seven underground stations, deep excavation is an indispensible part of the construction in this project. In details, C10 (Tran Hung Dao) terminal is more complex than others due to its configuration. Although 35 m in length, 1.2 m in diameter diaphragm wall and also H350-shaped steel support have been applied, the depth of excavation is up to 21 m, the stability of the foundation pit as well as the wall during excavation is a critical issue. To deal with excavation works design, this paper will present the calculation results of deep excavation at C10 terminal by using Geostructure analysis (Bentley) program. In particular, sheeting design tool is widely adopted for design and analysis of sheet piles and other retaining wall types. Modeling of layered-soil profile, staged-construction, it provides required pile embedment lengths (for fixed and hinged toes), bending moments, internal forces and wall displacement. In addition, due to the large depth of the foundation pit, slope stability analyses at the end of excavation works are also performed. Keywords: Deep excavation, Diaphragm wall, Urban railway, Geostructure analysis, underground station 1. GIỚI THIỆU CHUNG* Theo kế hoạch phát triển giao thông đô thị Hà Nội tầm nhìn 2020 đã được Thủ tướng chính phủ ban hành theo quyết định số 90/2008/ QĐ- TTG ngày 9 tháng 07 năm 2008, sẽ có 5 tuyến đường sắt đô thị được xây dựng. Trong đó, tuyến đường sắt đô thị số 2 đóng một vai trò rất quan trọng cho sự phát triển giao thông đô thị hiện tại và trong tương lai. Tuyến số 02 nối sân * Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam. E-mail: nguyenchaulan@utc.edu.vn ** Công ty TNHH tập đoàn xây dựng Delta. E-mail: quangmanh.uct@gmail.com bay Nội Bài và khu đô thị mới Đông Anh, Từ Liêm, Phố Cổ, qua quốc lộ 6 và Thượng Đình. Dự án tuyến 2 bắt đầu từ Nam Thăng Long đến ga Hàng Bài - Trần Hưng Đạo, với chiều dài 11,5 km (bao gồm 8.9 km đi nổi và 2,6 km đi ngầm), 10 ga với 1 depot diện tích 17,5 ha tại làng Xuân Đỉnh. Cụ thể, 7 ga ngầm sẽ được thiết kế đặt tại những nút giao thông trọng điểm trong thành phố [2]. Trong đó, ga C10 (Trần Hưng Đạo) không chỉ nằm ở vị trí quan trọng (gần với khu đông dân cư và các tòa nhà cao tầng) mà còn sâu và ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 21 phức tạp hơn các ga khác. Vì vậy, để đảm bảo an toàn trong quá trình thi công đào đất, tường vây được thiết kế với chiều sâu 35m và chiều dày 1,2m. Tại dự án này phần tính toán kết cấu, tường vây được thực hiện theo tiêu chuẩn Nhật bản, đây là tiêu chuẩn có nhiều ưu điểm, tuy nhiên hiện nay vẫn là tiêu chuẩn chưa quen thuộc với các kỹ sư Việt Nam. Do đó bài báo này trình bày phương pháp tính toán và kiểm toán theo tiêu chuẩn LRFD [1] là tiêu chuẩn được áp dụng rộng rãi trong ngành Giao thông vận tải. Phần mềm Geostructure analysis phiên bản V.19 để tính toán và kiểm toán kết cấu tường vây theo tiêu chuẩn LRFD. 2. THIẾT KẾ TƯỜNG VÂY NHÀ GA 2.1 Thông số đầu vào 2.1.1 Điều kiện địa chất Báo cáo khảo sát địa chất bao gồm thông số các hố khoan địa chất, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT, và công tác thí nghiệm trong phòng đối với 43 hố khoan trên toàn tuyến (EV-B1 đến EV-B14 và DN1-1 đến DN1-29) và tham khảo 32 hố khoan cho các ga (ST-B1 đến ST-B2 và GN1-1 đến GN1-30), địa chất khu vực nghiên cứu có thể chia thành 13 lớp đất [2]. Bởi ga C10 nằm gần với hố khoan GN1-26 nên địa chất tính toán được lấy như dưới đây (Hình 1). 1 2 3 4 5 Support 1 G.L. 1.5 m Support 2 G.L. 6 m Support 3 G.L. 10.5 m Support 4 G.L. 15 m Support 5 G.L. 18 m G.L. 2 m G.L. 11 m G.L. 19 m G.L. 34 m G.L. 41 m Hình 1. Điều kiện địa chất khu vực nghiên cứu Thông số đất nền được tóm tắt trong Bảng 1. Bảng 1. Thông số đất trong tính toán Độ sâu (m) L ớ p Từ Đến Loại đất SPT (N) Lực dính (kN/m2) Góc ma sát Trọng lượng (kN/m3) M ô đun biến dạng (M pa) 1 0 2 Sét 2 15 0 18 9,8 2 2 11 Sét 12 30 0 18 9,8 3 11 19 Sét 15 40 0 18 13,5 4 19 34 Cát bụi 15 0 33 20 14 5 34 41 Cát bụi 26 0 35 20 14 6 41 - Cát bụi 50 0 40 20 14 2.1.2 Thông số tải trọng Nhà ga được xây dựng sát với khu vực đường đô thị. Ngoài tải trọng của hoạt tải xe cộ, tải trọng tính toán còn bao gồm cả hoạt tải thi công. Do vậy, tải bề mặt được lấy như sau: q = 12 kN/m2 theo quy định trong [1]. 2.1.3 Vật liệu Văng chống Lựa chọn H-350x350x12x19 cho tầng văng chống thứ nhất và thứ 2 với lực căng trước là 150 kN: Bảng 2. Thông số cho lớp văng 1 và 2 Diện tích mặt cắt ngang A = 17,19x10-3 m2 Chiều dài L = 19 m Khoảng cách S = 3 m Loại Spring Độ cứng gối đàn hồi K = 180947 kN/ m Chọn H-400x400x13x21 cho lớp văng thứ 3,4 và 5 với lực căng trước là 200 kN: Bảng 3. Thông số cho lớp văng 3,4 và 5 Diện tích mặt cắt ngang A = 21,87x10-3 m2 Chiều dài L = 19 m Khoảng cách S = 3 m Loại Spring Độ cứng gối đàn hồi K = 180947 kN/m ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 22 Tường vây Bảng 4. Thông số tường vây Cường độ nén fck = 30 Mpa Cường độ nén yêu cầu fcd = 21 Mpa Ứng suất nén cho phép fca = 8,0 Mpa Ứng suất cắt cho phép với thép fq1 = 0,3 Mpa Ứng suất cắt cho phép không thép fq2 = 1,62 Mpa Mô đun đàn hồi E = 2,35E4 Mpa 3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 3.1 Tính toán theo tiêu chuẩn Nhật Bản Về cơ bản, tường chắn đất theo tiêu chuẩn của Nhật Bản được thiết kế dựa trên phương pháp dầm trên nền đàn hồi. Chi tiết như sau:  Áp lực đất tác dụng lên tường chắn là áp lực đất chủ động và bị động, được giả thiết và tính toán theo các lý thuyết của Rankine-Resal và Coulomb (Hình 2). Hình 2. Sơ đồ tính toán áp lực đất dựa trên phương pháp dầm trên nền đàn hồi  Độ sâu tường chắn được chọn là giá trị lấy lớn nhất trong các trường hợp sau: + Chiều sâu tối thiểu để chống lại hiện tượng đẩy trồi hố móng. + Chiều sâu đảm bảo chuyển vị, momen tường cũng như nội lực trong kết cấu chống đỡ trong phạm vi cho phép. + Trong trường hợp có tải đứng, độ sâu tường cần đảm bảo sự phá hoại nền dưới chân tường. + Độ sâu đặt cần đảm bảo nước ngầm không thấm vào trong hố móng trong suốt quá trình thi công.  Hệ số ổn định tính toán của hệ cần đảm bảo những yếu tố sau đây: Hệ số an toàn mỏi của vật liệu, ổn định chống trồi, ổn định chung của cả hệ 3.2 Phương pháp tính toán theo LRFD Tiêu chuẩn LRFD tính toán theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng theo trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng [1], theo nguyên lý tải trọng bé hơn hoặc bằng sức kháng. Trong nội dung bài báo này, phần mềm Geostructure Analysis được áp dụng để tính toán và kiểm toán kết cấu theo LRFD. Bộ phần mềm này có thể tính toán và kiểm toán theo các tiêu chuẩn khác nhau, ưu điểm của phần mềm bao gồm: - Phân tích dựa trên giả thiết trạng thái tới hạn và hệ số an toàn. - Mô hình các lớp đất khác nhau - Thẩm tra thiết kế cũng được phân tích dựa trên EN 1997-1, LRFD hay phương pháp tiếp cận cổ điển. - EN 1997 - lựa chọn hệ số an toàn dựa trên tiêu chuẩn của từng quốc gia tương ứng - EN 1997 - lựa chọn tất cả các phương pháp tiếp cận, cân nhắc đến tình huống thiết kế - Xây dựng hệ thống dữ liệu đất - Tùy biến tải trọng tác dụng (dải, hình thang, tập trung) - Mô hình nước ngầm phía trong và phía ngoài tường vây - Mô hình đường mặt đất phía ngoài tường vây - Ảnh hưởng của động đất (Mononobe- Okabe, Arrango). ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 23 - Phân tích áp lực đất hữu hiệu và áp lực đất tổng - Mô hình nhiều lớp văng chống Phương pháp tính toán ổn định được áp dụng là phương pháp cân bằng giới hạn - GLEM. Phương pháp này được dùng trong thiết kế bởi tính đơn giản, dễ áp dụng. Các thông số đất ,,c được chọn để tính toán áp lực đất. Ổn định của hệ được tính toán dựa trên phương pháp của Bishop. Và hệ chống được mô hình như là gối đàn hồi. 3.3. Trình tự tính toán theo các giai đoạn thi công Thi công hố đào sâu được chia thành 11 giai đoạn và quá trình tính toán được mô phỏng như dưới đây.  Bước 1: Đào đất đến độ sâu 2,0m. + z + z + z + z + z + z 2.00 2.00 9.00 8.00 15.00 7.00 + z + z + z + z + z + z 2.00 1.50 12.00 +x +z 35.00 Hình 3. Giai đoạn thi công số 1  Bước 2: Lắp đặt hệ văng chống số 1 ở độ sâu 1,5m. 180947.00kN/m 1.50 Hình 4. Giai đoạn thi công số 2  Bước 3: Đào đất đến độ sâu 6,5m. 6.50 Hình 5. Giai đoạn thi công số 3  Bước 4: Lắp đặt hệ văng chống số 2 ở độ sâu 6m. 180947.00kN/m 1.50 180947.00kN/m 6.00 Hình 6. Giai đoạn thi công số 4  Bước 5: Đào đất đến độ sâu 11m. 11.00 Hình 7. Giai đoạn thi công số 5  Bước 6: Lắp đặt hệ văng chống số 3 ở độ sâu 10,5m. 180947.00kN/m 1.50 180947.00kN/m 6.00 180947.00kN/m 10.50 Hình 8. Giai đoạn thi công số 6 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 24  Bước 7: Đào đất đến độ sâu 15,5m 15.50 Hình 9. Giai đoạn thi công số 7  Bước 8: Lắp đặt hệ văng chống số 4 ở độ sâu 15m. 180947.00kN/m 1.50 180947.00kN/m 6.00 180947.00kN/m 10.50 180947.00kN/m 15.00 Hình 10. Giai đoạn thi công số 8  Bước 9: Đào đất đến độ sâu 18,5m. 18.50 Hình 11. Giai đoạn thi công số 9  Bước 10: Lắp đặt hệ văng chống số 5 ở độ sâu 18m. 180947.00kN/m 1.50 180947.00kN/m 6.00 180947.00kN/m 10.50 180947.00kN/m 15.00 180947.00kN/m 18.00 Hình 12. Giai đoạn thi công 10  Bước 11: Đào đất đến độ sâu 21m. 21.00 0.25 Hình 13. Giai đoạn thi công số 11 4. KẾT QUẢ Kết quả của giai đoạn thi công cuối cùng được thể hiện như dưới đây (Hình 14). Max1 = 0.1; Max2 = -2.0mm Min1 = -3.1; Min2 = -33.6mm Displacement -3.1 -33.6 -13.4 0.1 -2.0 -1.0 -1.0 -37.5 37.5 [mm] 0 Max1 = 475.50; Max2 = 0.00kNm/m Min1 = 0.95; Min2 = -1525.79kNm/m Bending moment 0.95 -510.99 -374.62 -934.31 -926.95-926.955 4 -1324.35-1324.2323 -1299.34 -1525.79 -1517.39-1517.396 206 20 385.00 268.64 475.50 22.60 176.04 35.74 207.09 -2000.00 2000.00 [kNm/m] 0 Max1 = 436.63; Max2 = -8.44kN/m Min1 = 0.00; Min2 = -304.38kN/m Shear force -31.66-31.13 -151.08 -12.19 -30.99-30.991 431 43 -167.28 -118.01-118.65 .65 -153.21-153.21 -154.91 -64.87 -113.51-113.514.834.83 -181.92 -163.18 -271.23 -259.05 -304.38 -3.07 93.46 5.33 193.46 -8.44 411.43 5.09 436.63 60.88 350.40 3.96 44.40 -500.00 500.00 [kN/m] 0 Hình 14. Biểu đồ chuyển vị, momen, nội lực tường vây tại bước đào cuối cùng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 25 Bảng 5. Giá trị nội lực lớn nhất trong tường vây Lực cắt lớn nhất 436,63 kN/m Momen lớn nhất 1525,79 kN.m/m Chuyển vị lớn nhất 33,6 mm Mối quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất và chiều sâu đào trong thiết kế được so sánh với một số trường hợp điển hình khác được trình bày trong bảng 6. Kết quả cho thấy chuyển vị của tường nằm trong giới hạn cho phép và cũng thống nhất với kết quả từ các nghiên cứu khác [2-5]. Bảng 6. Mối quan hệ giữa chuyển vị và chiều sâu hố đào Ví dụ Chuyển vị (m) Khoảng chuyển vị So sánh (mm) Kiểm tra Liu, Rebecca, Charles, and Hong (2011) 33,6 0,14%H  0,68%H 29,4 <33,6 <142,8 OK Liu, Huang, Shi, and Ng, F.ASCE 33,6 0,14%H  0,89%H 29,4 <33,6<186,9 OK Tan, Y., & Li, M. (2011) 33,6 0,1%H  0,275%H 21<33,6<57,75 OK Wang, Xu& Wang (2009) 33,6 0,1%H  1,0%H 21<33,6<210 OK Ghi chú: H = 21 m là chiều sâu đào  Kiểm tra nội lực văng chống Bảng 7. Kiểm toán văng chống Lớp Chiều sâu (m) Chuyển vị (mm) Nội lực (kN) Diện tích MCN (m2) Ứng suất nén (MPa) 1 1,5 -2,1 1,60 17,19x10-3 0,09 2 6 -9,0 772,24 17,19x10-3 44,92 3 10,5 -17,1 1605,71 17,19x10-3 93,50 4 15 -24,9 1425,05 17,19x10-3 82,99 5 18 -27,3 868,56 17,19x10-3 50,53 Kiểm tra: σ < σa = 210 (MPa) với σa là ứng suất nén cho phép của văng chống, kết quả: Đạt.  Kiểm tra ổn định tổng thể  Phân tích cung trượt tròn Bishop: Utilization = 65,0 % (FS=1,53>1,4) So sánh với kết quả tính toán được dựa trên tiêu chuẩn Nhật Bản, giá trị lớn nhất của nội lực trên 1 m dài tường vây theo các giai đoạn thi công (Bảng 8). ĐẠT Hình 15. Phân tích ổn định ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 26 Bảng 8. Kết quả so sánh Nội lực Tiêu chuẩn ASSHTO LRFD Tiêu chuẩn Nhật Bản Lực cắt lớn nhất (kN/m) 436,63 630 Momen lớn nhất (kN.m/m) 1525,79 1078 Chuyển vị lớn nhất (mm) 33,6 25,6 Từ kết quả so sánh ở bảng 8, nhìn chung có thể nhận thấy rằng tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD bằng mô hình trong phần mềm Geostructure analysis có xu hướng thiên về an toàn hơn so với tính toán theo tiêu chuẩn của Nhật Bản. Cụ thể, giá trị momen và chuyển vị lớn nhất thu được theo tiêu chuẩn của Mỹ cao hơn so với tính toán theo tiêu chuẩn của Nhật (41,5% đối với giá trị momen và 31,25% cho giá trị chuyển vị). Tuy nhiên, giá trị lực cắt tính được theo tiêu chuẩn Nhật Bản lại lớn hơn so với tiêu chuần LRFD với cùng bước đào (630 kN/m so với 436,63 kN/m). Hình 16. Biểu đồ nội lực tính toán theo tiêu chuẩn Nhật Bản 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Bài viết này trình bày một ví dụ tính toán hố đào sâu cho tuyến đường sắt đô thị Hà Nội. Theo đó, một số kết luận có thể được rút ra như sau:  Cả hai tiêu chuẩn thiết kế đều đưa ra tính toán an toàn cho hố đào trong trường hợp này. Việc áp dụng hai tiêu chuẩn trên cho thi công hố đào sâu với điều kiện địa chất ở Hà Nội là thích hợp. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2019 27  Trong bài viết này, thiết kế dựa trên tiêu chuẩn AASHTO LRFD cũng đã được so sánh với tiêu chuẩn Nhật Bản. Kết quả sự khác nhau có thể đến từ giả thiết thiết kế, điều này cần được kiểm định lại trong những thiết kế tiếp theo.  Kết quả tính toán theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD có phần thiên về an toàn hơn so với tiêu chuẩn của Nhật Bản, điều này được thể hiện ở giá trị momen và giá trị chuyển vị lớn nhất. 5.2 Kiến nghị  Quan trắc là cần thiết trong suốt quá trình thi công. Chuyển vị của tường vây và biến dạng của mặt đất xung quanh công trình cũng như công trình lân cận cần được quan trắc một cách cẩn thận.  Nội lực văng chống là giá trị cần được đánh giá để đảm bảo cho quá trình lựa chọn và kiểm toán khả năng làm việc của kết cấu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] AASHTO, LRFD, Bridge Specification Design, USA, 2012. [2] Hồ sơ thiết kế phần ga ngầm tuyến số 2, Tedi và các công ty liên doanh [3] Liu, G. B., Jiang, R. J., Ng, C. W., & Hong, Y. (2011). Deformation characteristics of a 38 m deep excavation in soft clay. Canadian Geotechnical Journal, 48(12), 1817-1828. [4] Tan, Y., & Li, M. (2011). Measured performance of a 26 m deep top-down excavation in downtown Shanghai. Canadian Geotechnical Journal, 48(5), 704-719. [5] Liu, G. B., Huang, P., Shi, J. W., & Ng, C. W. W. (2016). Performance of a deep excavation and its effect on adjacent tunnels in Shanghai soft clay. Journal of Performance of Constructed Facilities, 30(6), 04016041. [6] Wang, J. H., Xu, Z. H., & Wang, W. D. (2009). Wall and ground movements due to deep excavations in Shanghai soft soils. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 136(7), 985-994. Người phản biện: PGS.TS. ĐOÀN THẾ TƯỜNG