Tính Toán Neo Trong đất - Thiết Kế Và Tổ Chức Thi Công Hầm Giao ...

Thiết kế theo tiêu chuẩn BS 8081: 1989

a) Khái niệm

Neo là hệ thống làm ổn định kết cấu chống lại sự chuyển vị quá mức của kết cấu bằng cách tạo ra những ứng suất trớc giống nh là dây cáp neo vào trong đất và tạo ra những lực kéo nén.

b) Cấu tạo

Neo có cấu tạo gồm 3 phần chính

b1) Đầu neo

Đầu neo: có tác dụng truyền tải trọng kéo từ dây neo đến bề mặt đất hoặc kết cấu cần chống đỡ.

Đầu neo có 2 loại chủ yếu

- Đầu neo kiểu kéo lại đợc (có thể neo kéo lại tại bất cứ thời điểm nào bằng cách chêm chèn hoặc xiết ren)

- Đầu neo kiểu tiêu chuẩn (tải trọng trong dây neo tăng giảm trong một phạm vi nhất định)

b2) Dây neo

Dây neo: có tác dụng truyền tải trọng từ bầu neo đến đầu neo Dây neo thờng bao gồm thanh, cáp, dây thép đơn hoặc thành nhóm

b3) Bầu neo

Bầu neo: có tác dụng truyền tải trọng đến đất bao quanh.

Hình 4. . Neo trong đất

c) Phân loại neo trong đất [33]: c1) Theo mục đích sử dụng [12]

- Neo tạm thời là lọai neo có thể tháo ra sau khi kết cấu có khả năng tự chịu lực - Neo cố định là loại neo đợc sử dụng tùy thuộc vào thời gian tồn tại của công trình và tham gia vào quá trình chịu lực chung của kết cấu

c2) Theo phơng pháp chống đỡ của đất nền

- Neo ma sát là lọai neo đợc đỡ bởi lực ma sát giữa lớp vữa và đất,

- Neo chịu áp lực đất là loại neo mà lực neo với áp lực bị động của đất ở dạng bản hoặc dạng cọc,

- Neo phức tạp là loại neo kết hợp hai loại trên.

c3) Theo phạm vi sử dụng [28]

Kiểu neo loại A: dùng phổ biến nhất trong đá và rất ổn định với các đất đắp dính cứng,

Kiểu neo loại B: dùng phổ biến nhất trong đá yếu nứt nẻ và các lớp đất hạt thô nhng cũng rất phổ biến trong đất rời hạt mịn,

Kiểu neo loại C: chủ yếu dùng cho đất rời hạt mịn Kiểu neo loại D: dùng đợc trong nhiều loại đất.

Phơng pháp thiết kế đợc dựa theo phơng pháp các hệ số an toàn. Thiết kế hệ neo trong đất cần xem xét các vấn đề sau [28].

- Các kich thớc bầu neo - Độ sâu chôn neo - Hiệu ứng nhóm neo - ổn định chung của neo

Tùy theo thực tế địa chất công trình mà ta tính toán thiết kế neo cho phù hợp Trong công trình hầm Kim Liên ta sử dụng neo phun.Đây là loại neo trong đất hiện đại nhất hiện nay và đợc sử dụng nhiều nhất trong xây dựng [12].

d) Các kích thớc bầu neo

Trên cơ sở mô hình tính toán neo ta tính đợc lực kéo trong thanh neo (với trờng hợp không xét đến ứng lực căng kéo trớc).

Hình 4. . Mô hình tính toán neo

Ta đợc nội lực thanh neo:

Tên cấu kiện Nmax

(KN/m)

Tầng neo 1 147,6

Tầng neo 2 126,8

Lực căng lớn nhất trong neo là: Tu = 147,6KN

Cứ 2,5m theo chiều dài tờng ta bố trí một thanh neo thì nội lực trong thanh neo là Tu = 2,5.147,6 = 369 (KN)

Phơng pháp thực nghiệm của M.Bustanmante. . . U s S S T L D q π = Trong đó:

- TU: Lực kéo trong thanh neo (KN)

- DS: Đờng kính bầu neo, phụ thuộc đờng kính lỗ khoan, tính chất của đất và kĩ thuật phun tạo bầu neo, đợc xác định theo công thức:

DS = α.Dd

- α: Hệ số tra bảng, với đất cát bơm phun, α=1,5

Chọn đờng kính lỗ khoan Dd = 20(cm) => D = 1,5.20 = 30(cm);

qS: Phụ thuộc chỉ số N trong thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn. Với cát mịn N = 9 tra bảng ta có : qS = 0,125 (Mpa) = 125(KN/m2)

Thay số vào công thức ta có:

369 3,13( ) . . 3,14.0,30.125 U S S S T L m D q π = = = Lấy LS= 4 (m)

d2) Xác định chiều dài tự do:

Chiều dài tự do phải đợc đảm bảo cho bầu neo nằm ngoài cung trợt của đất đá Với đất có ϕ = 23,8O ta có thể coi cung trợt là một đờng thẳng bắt đầu từ chân t- ờng và kết hợp với phơng thẳng đứng góc 45O - ϕ/2

Giả thiết thanh neo hợp với phơng nằm ngang góc α = 35o

-y -x -x 45 °+ϕ /2 α= 3 0° A C B D O E

( ) 23,8 23,8

. tan 45 .sin 45 8 . tan 45 .sin 45

2 2 2 2 23,8 sin 135 sin 135 35 2 2 10,28 o o o AO AB AB m ϕ ϕ ϕ α  +   +   +   +   ữ  ữ  ữ  ữ         = =  − −   − −   ữ  ữ     = Lấy AB = 12 (m) d3) Lựa chọn kích thớc neo:

Lọai neo: Neo kiểu D - Phun vữa áp lực cao Chiều dài bầu neo L = 4,0(m)

Chiều dài của thanh neo l = 12(m) Đờng kính của bầu mở rộng D = 0,3(m) Đờng kính của thanh neo d = 0,15(m).

e) Độ sâu chôn neo

Bầu neo phải đợc chôn vào tầng đất tốt.Tốt nhất là tìm đợc tầng cát trung hoặc thô, nếu không thì cũng phải tìm đợc tầng cát pha hoặc sét pha, không dợc đặt bầu neo trong lớp đất yếu [12].

f) Hiệu ứng chung nhóm neo

Để hạn chế ảnh nhau giữa các bầu neo cần một khoảng cách ≥ 4D = 4.0,3 = 1,2m [7].

Trong thực tế thờng chấp nhận khoảng cách tối thiểu 1,5 đến 2,0 m.Với hầm Kim Liên ta chọn khoảng cách là 2,5m

g) Kiểm tra ổn định chung của neo

Khả năng chịu tải trọng giới hạn [28] 2 2 . . . .( ). . . . . 4 f u c ub a T =π D L C +π D −d N C +π d l C Trong đó - D đờng kính bầu neo mở rộng (m) - L chiều dài bầu neo (m)

- Cu độ bền cắt không thoát nớc trung bình trên toàn bộ chiều dài bầu neo (KN/m2) thực tế phổ Cu phổ biến [7] 2 0. . . 1.8,89.8. (23,8) 31,36( / ) u C =K γ h tgϕ+ =c tg = KN m - K0 Hệ số lấp đất (K0 = 1 với đất cát K0 = 0,5 với đất sét) - γ trọng lợng đất

- h độ cao bên trên lấy từ trung tâm thanh neo cho đến mặt đất - d đờng kính của thân (m)

- Nc hệ số sức chịu tải (phổ biến Nc = 9)

- Cub độ bền cắt không thoát nớc tại khoảng cuối của bầu neo (KN/m2) - l chiều dài của thân neo (m)

- Ca độ dính bám thântừ (0,3ữ0,35)Cu = 9,48(KN/m2) 2 2 3,14 3,14.0,5.4.31,36 .(0,5 0,15 ).9.31,36 3,14.0,15.12.9,408 300,52( ) 4 f T = + − + = KN

Vậy khả năng tải giới hạn của neo là Tf = 300 KN

h) Các yêu cầu chung về vật liệu h1) Xi măng [7]

Xi măng phải là một trong các loại sau: - Xi măng Portland PC30, PC40,

- Xi măng Portland đông cng nhanh, - Xi măng Portland bền sunphat,

- Xi măng Portland lò cao nhiệt lợng thấp.

h2) Nớc[28]

Nớc không đợc chứa các thành phần có hại cho thép hoặc xi măng, không đợc chứa nhiều hơn 500 mg ion clorit/lít

h3) Dây neo[28]

Thành phần của thép phải là loại có chứa từ 0,15 ữ 0,25 nitơ, có thể cán nóng hoặc cán nguội.

h4) Đầu neo

Đầu neo phải cho phép dây neo đợc căng kéo, neo tại bất kỳ lực nào cho đến 80% của lực dây neo đặc trng và cho phép điều chỉnh lực lên hoặc xuống trong giai đoạn căng kéo ban đầu.

Đầu neo có thể cho phép dây neo lệch một góc ± 50 so với trục của dây neo.

h5) Bản đỡ

Bản đỡ đợc gắn dới đầu neo để phân bố lực dây neo vào kết cấu chính hoặc hố đào, cần có đệm cao su hoặc vữa với chiều dày ≥ 10mm

k) Yêu cầu về bảo vệ chống ăn mòn[28]

Do tính chất nội lực trong móng lúc là kéo, lúc lại là nén nên neo đợc thiết kế theo nguyên lý của neo có đầu căng kéo lại đợc. Nghĩa là:

- Phải có cấu tạo sao cho vữa bảo vệ hay vữa chuyền tải coi nh không chịu ứng suất theo cả hai chiều nén và kéo, dễ gây ra những vết nứt hoặc phá hoại dọc thân neo, làm mất đi tính năng bảo vệ chống ăn mòn của vữa cũng nh khả năng chuyền tải tại các giao diện trong neo.

- Phải đảm bảo dây neo nằm đúng tâm của cột vữa, đảm bảo cho lớp vữa phủ tối thiểu 10mm bên trong lỗ khoan cho dây neo và mũ tại cơ cấu định tâm, tạo ra sự phù hợp về góc nghiêng của neo đất tại tâm và điểm võng giữa các điểm đỡ nhằm tạo lớp vữa phủ tối thiểu 5mm cho dây neo và mũ.

- Muốn vậy neo đợc thiết kế cần dùng ống dẫn nhăn nửa cứng thuộc loại ống Plastic.

- Để bảo vệ ống dẫn và truyền tải ta dùng vữa cao su.

- Bản thân các dây neo đợc bảo vệ trực tiếp bởi một lớp mạ kẽm, bao xung quanh phía ngoài là Bitum. Mức co nở của Bitum trong ỗng dẫn đợc theo dõi định kỳ. Phần dây neo phía ngoài của đầu neo đợc bôi mỡ theo đúng TC BS 8081: 1989

Chơng 5: Hệ thống hạ tầng kỹ thuật

Trong quá trình thi công, khai thác, nhằm đảm bảo an toàn cho kết cấu hầm cũng nh cho các phơng tiện tham gia giao thông thì hầm cần phải có các hệ thống kỹ thuật đi kèm. Hệ thống thoát nớc Hệ thống thông gió Hệ thống chiếu sáng Hệ thống cấp điện 5.1. Phòng và thoát nớc cho hầm: 5.1.1. Các biện pháp chống thấm:

Sự cố thấm nớc trong đờng hầm không những làm mất thẩm mỹ mà còn làm cho bê tông vỏ hầm bị chóng h hại và làm giảm cơ năng của các thiết bị kỹ thuật trong công trình, làm giảm khả năng khai thác an toàn cho các phơng tiện giao thông

Trong thực tế có nhiều biện pháp chống thấm cho công trình hầm nh:

- Tăng độ chặt của bê tông vỏ hầm (Thay đổi cấp phối cốt liệu, thêm chất phụ gia, phơng pháp đầm lèn bê tông);

- Làm chặt các lớp đất xung quanh vỏ hầm (Bơm vữa ximăng - bitum vào sau vỏ hầm;

- Sử dụng vật liệu không thấm nớc làm thành tầng phòng nớc ở mặt trong hoặc mặt ngoài vỏ hầm (màng chống thấm, phun phủ vật liệu chống thấm lên vỏ hầm) [39].

Hai biện pháp cuối đòi hỏi kỹ thuật cũng nh kinh phí cao nên ít đợc sử dụng cho các công trình ngầm đặt nông.Riêng biện pháp thứ nhất là đợc sử dụng nhiều hơn cả. Đối với hầm Kim Liên ta sử dụng bê tông có chất phụ gia chống thấm, đồng thời có sử dụng màng chống thấm cho lớp áo đờng, sơn chống thấm cho tờng bên.

a) Sử dụng màng chống thấm bao quang hầm

Hình 5. . Một loại màng chống thấm

Màng chống thấm đợc sử dụng cho toàn bộ phần vòm và phần bản đáy.Riêng khu vực cửa hầm cần chú ý tới hiện tợng thẩm thấu nớc trên măt đất xuống.

Trình tự thi công màng chống thấm : - Làm phẳng bề mặt bê tông

- Quét một lớp chất kết dính (nhủ tơng) lên bề mặt bê tông - Đặt màng chống thấm lên ( từ 3á 4 lớp màng)

Phần bản đáy thì màng chống thấm đợc rải trên bề mặt lớp bê tông lót trớc khi đổ bê tông (tuy nhiên biện pháp này thờng dùng cho tầng hầm nhà cao tầng nhiều hơn.Nếu hầm sử dụng bê tông chống thấm thì không cần sử dụng màng chống thấm).

Hình 5. . Thi công màng chống thấm

b) Phun vật liệu chống thấm

Vật liệu chống thấm thờng dùng là: - Nhóm silicat, bitum, hắc ín

- Vữa xi măng cát

- Nhựa tổng hợp (keo Epoxy, nhựa Phuphorol axetat, phụ gia đông cứng và cát thạch anh mịn)

Phun chống thấm cho toàn bộ mặt trong hầm kín và phun những vị trí mối nối cho khu vực hầm dẫn.

Trình tự thi công màng chống thấm : - Làm phẳng và làm sạch bề mặt bê tông

- Phun vật liệu lên bề mặt bằng máy tạo áp lực hoạc máy tạo bụi (Phun nhiều hơn một lần)

- Phun nhẹ nớc sạch để tạo phản ứng giửa chất chống thấm và bề mặt bê tông

Hình 5. . Phun chống thấm cho hầm

5.1.2. Hệ thống thoát nớc:

Hầm đợc bố trí rảnh thoát nớc chạy dọc hai bên hầm.

Rảnh thoát có cùng độ dốc với độ đốc của đờng hầm.Những đoạn hầm nằm ngang (độ dốc 0%) độ dốc rảnh nhỏ nhất là 3% [39].

Độ dốc của rảnh thoát nớc hầm dẫn ngợc chiều với độ dốc tuyến đờng để hạn chế nớc mặt chảy vào trong hầm

Rảnh thoát nớc phải có nắp đậy, lới chắn rác Có hai bể chứa nớc ở hai bên hông của hầm kín

Mỗi bể chứa đợc bố trí ba máy bơm thờng trực và một máy dự phòng. Hệ thống thu nớc từ các đờng gom hai bên sẽ đa nớc xuống bể bơm và dẫn tới trạm bơm đặt trong công viên Thống Nhất cạnh đó. Trạm bơm hoạt động hoàn toàn tự động và bơm nớc ra sông Sét theo cống Nam Khang. Toàn hệ thống có sáu máy bơm thờng trực, hai máy bơm dự phòng (mỗi máy bơm có công suất 10m3/ phút). Các máy bơm hoạt động lần lợt tùy theo mực nớc ngập trong hầm.

- Nớc trên mặt đờng chảy vào rảnh - Nớc từ rảnh chảy vào các hố ga

- Từ hố ga nớc dồn vào hai bể chứa ở hai phía hầm dẫn - Bơm tự động bơm nớc ra ngoài.

5.2. Thông gió cho hầm:

5.2.1. Khái niêm:

Thông gió là quá trình đa vào hầm một lợng không khí sạch cần thiết để hòa loảng và đẩy khí độc ra ngoài [39], tránh cho con ngời cảm giác "độ ngầm" [31].

Có hai phơng án thông gió trong hầm :

- Thông gió tự nhiên (dựa vào các yếu tố tự nhiên nh địa hình, độ dốc, hớng gió). - Thông gió nhân tạo (sử dụng các hệ thống cơ học nh quạt, hệ thống dẫn).

5.2.2. Tính toán thông gió:

a) Tính toán lợng khí độc trong hầm

Lợng khí độc chủ yếu là CO và CO2 do việc đốt cháy xăng dầu của động cơ thải ra [39].Nó phụ thuộc vào các yếu tố sau :

Số lợng xe chạy trong hầm, N (ở đây ta tính cho trờng hợp lớn nhất Nmax = 10998 xe quy đổi/1h cao điểm).

Tốc độ cho phép VK = 40Km/h Lợng nhiên liệu xe tiêu thụ qc

. ( / ) 3600 K c V q =q g s Trong đó :

q là định mực tiêu thụ của mỗi loại xe

250 300 q= á g/mã lực.h [2] Nên ta có: 40 . 250. 2,77( / ) 3600 3600 K c V q =q = = g s

Hàm lợng khí độc thải ra trên mỗi đoạn hầm:

6,06. .[1 0,022. 0,9.(1 0,023. )]

i c

Trong đó

H độ chênh cao của hầm so với mực nớc biển.H=10 do Hà Nội cao hơn mực nớc biển trung bình từ 5-20m

0,85 0,95

a= á hệ số d không khí

→ bi =6,06.2,77.[1 0,022.5 0,9.(1 0,023.5)]+ - - =5,262( / )g s

Lợng khí độc thải ra trên đoạn hầm dài 1km khi các xe chuyển động theo một h- ớng: . i. i K N B m b V = ồ Trong đó

mi =1 tỉ lệ xe tơng ứng (ta lấy theo xe quy đổi) → 10998.1,0.5,262 1446,786( / )

40

B= = g s

b) Tính toán lợng khí sạch cần thiết

Với hầm Kim Liên ta có thể xem hầm nh một bình kín trong đó đang chứa một khối lợng khí độc [39].Lợng khí cần đa vào cho hầm dài 1km là:

3 ( / ) B Q m s D =

Trong đó D là nồng độ khí độc cho phép. Với khí CO thì D = 1.10-3 g/m3 [31]

→ 3 3 1446,786 1446786( / ) 1.10 Q= - = m s

Hầm Kim Liên dài 140m nên

→ 1446786 3

.140 202550,04( / ) 1000

kimlien

Q = = m s

c) Lựa chọn phơng án thông gió

Lu lợng gió tự nhiên qua hầm [39]

3600. .

e e

Q = F V

Trong đó

F tiết diện ngang tỉnh không trong hầm F = 4,75.9 = 42,75m2 V vận tốc gió chuyển động.Hà Nội có V = 2m/s

→ Qe=3600.42,75.2=307800(m s3/ )

Nhận thấy Qe = 307800 (m3/s) > Qkimlien = 409180 (m3/s).Nên thông gió tự nhiên có thể đáp ứng đợc, không cần phải thông gió nhân tạo cho hầm.

5.3. Chiếu sáng cho hầm:

5.3.1. Yêu cầu chung:

Tất cả các công trình ngầm giao thông đô thị cần phải có chiếu sáng nhân tạo [31].

Khi các phơng tiện giao thông vào hầm sẻ gặp hai vấn đề sau [39]

- Thay đổi ánh sáng đột ngột, từ độ sáng ban ngày đến độ sáng thấp trong hầm; - Sự thay đổi đột ngột về không gian, từ tầm nhìn rộng sang tầm nhìn hạn chế; Tại lối ra của hầm cũng có hiện tợng ngợc lại nhng không nguy hiểm bằng khi vào hầm.

Nguồn năng lợng chiếu sáng đợc bố trí trong các khoang kĩ thuật đảm bảo an toàn cao, hệ thống đờng dây là các loại cáp mềm bọc trong các ống cách điện, các