Phân tích ổn định bề mặt gương đào khi xây dựng đường hầm trong điều kiện đất đá yếu bằng máy khiên đào

 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 60, Kỳ 1 (2019) 1 - 6 1 
Phân tích ổn định bề mặt gương đào khi xây dựng đường hầm 
trong điều kiện đất đá yếu bằng máy khiên đào 
Đỗ Ngọc Thái *, Đặng Văn Kiên 
Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam 
THÔNG TIN BÀI BÁO 
TÓM TẮT 
Quá trình: 
Nhận bài 11/10/2018 
Chấp nhận 06/12/2018 
Đăng online 28/02/2019 
 Công tác xây dựng đường hầm đô thị đang rất phát triển để đáp ứng nhu 
cầu cấp thiết của vấn đề giao thông vận tải, có rất nhiều đường hầm đô 
thị bố trí nằm nông thi công trong đất yếu. Công tác thi công các đường 
hầm có thể dẫn tới những dịch chuyển khối đất đá xung quanh, lún bề mặt 
và thậm chí gây sập đổ, phá hủy các tòa nhà. Trong những năm qua, máy 
khoan hầm được áp dụng thi công các đường hầm đô thị trong điều kiện 
khó khăn như điều kiện địa kỹ thuật phức tạp hay trong đất yếu. Đặc biệt 
đối với máy khoan hầm như máy khiên đào cân bằng khí nén, cân bằng 
áp lực đất hay cân bằng áp lực vữa luôn được phát triển và cải thiện về 
công nghệ nhằm nâng cao độ ổn định khi thi công các đường hầm trong 
các điều kiện khó khăn như điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy 
văn phức tạp cùng các điều kiện thi công khó khăn. Vấn đề ổn định gương 
đào là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong việc lựa chọn 
phương pháp thi công đường hầm. Giá trị áp lực duy trì lên mặt gương 
đào là thông số quan trọng, vì sử dụng các giá trị áp lực khác nhau không 
phù hợp có thể dẫn đến sập đổ hay phá hủy gương đào. Bài báo trình bày 
các phương pháp đánh giá độ ổn định gương đào và bằng phương pháp 
giải tích xác định giá trị áp lực gương đào tối thiểu dựa trên nguyên tắc 
cân bằng giới hạn. 
© 2019 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 
Từ khóa: 
Đường hầm 
Máy đào hầm 
Áp lực cân bằng gương 
hầm 
Ổn định gương hầm 
1. Mở đầu 
Xây dựng các đường hầm đô thị là giải pháp 
hiệu quả giải quyết nhu cầu phát triển hạ tầng cơ 
sở tại các thành phố. Quá trình xây dựng các 
đường hầm sẽ gây tác động đến khối đất xung 
quanh và các công trình trên mặt. Đối với các 
đường hầm đô thị thi công bằng máy khiên đào, 
phương pháp giữ ổn định gương hầm, duy trì áp 
lực cân bằng gương hầm rất quan trọng, ngoài việc 
đảm bảo an toàn trong quá trình thi công thì chúng 
còn kiểm soát, giảm thiểu quá trình dịch chuyển 
đất đá, lún trên bề mặt. Vì vậy, xác định phương 
pháp cân bằng gương hầm và giá trị áp lực lên mặt 
gương khi thi công các đường hầm đô thị bằng 
máy khiên đào có ý nghĩa rất lớn. 
Trong quá trình thi công đường hầm, phía 
_____________________ 
*Tác giả liên hệ 
E - mail: dongocthai@humg. edu. vn 
2 Đỗ Ngọc Thái, Đặng Văn Kiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 1 - 6 
trước gương hình thành khối đất đá phá hủy có xu 
hướng trượt, sụt lở vào trong gương hầm (Võ 
Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc, 2005; Do Ngoc 
Thai, Protosenya, 2017), sơ đồ khối đất đá sụt lở 
vào gương hầm được thể hiện trong Hình 1. Độ ổn 
định gương hầm phụ thuộc rất nhiều yếu tố như 
đặc tính khối đá đường hầm thi công qua, vị trí, 
kích thước đường hầm, công nghệ thi công. Hiện 
nay, thi công đường hầm trong điều kiện đất bão 
hòa chủ yếu sử dụng phương pháp thi công bằng 
máy khiên đào kiểu kín, phương pháp này cho 
phép không cần sử dụng các biện pháp giữ ổn định 
trước khi đào thông thường như hạ mực nước 
ngầm, khoan phụt vữa hoặc đóng băng. Ngoài ra 
còn cho phép kiểm soát độ lún bề mặt, hạn chế các 
rủi ro tại gương đào nhờ vào sự tồn tại liên tục của 
áp lực chống giữ trên mặt gương (Protosenya, et 
al., 2015). 
2. Phương pháp cân bằng áp lực lên gương hầm 
Máy khiên đào là máy đào hầm cơ giới có nhiều 
chức năng tập trung thống nhất như đào, che 
chống bảo vệ, lắp đặt vỏ hầm và vận chuyển đất 
đá. Máy khiên đào thích hợp cho việc thi công 
đường hầm qua vùng đất đá mềm yếu, phức tạp có 
nguy cơ mất ổn định cao, đất đá có khả năng sụt lở 
ngay vào không gian công trình nếu không có kết 
cấu chống giữ. Phần đầu cắt trang bị hệ thống đĩa 
cắt có nhiệm vụ phá vỡ khối đất đá, phần kế tiếp 
có bố trí các kích đẩy cho phép đầu cắt tiến về phía 
trước, phần đuôi khiên có nhiệm vụ lắp đặt vỏ 
hầm, vận chuyển đất đá về phía sau và đưa ra 
ngoài, bơm phụt vữa lấp đầy khoảng trống phía 
sau vỏ hầm. 
Khoang công tác ở phía sau mâm cắt luôn duy
 trì áp lực nhằm cân bằng áp lực nước ngầm và áp 
lực đất đá để giữ ổn định cho gương hầm và giảm 
những dịch chuyển lún trên mặt đất. Theo nguyên 
lý chống giữ gương bằng phương pháp cân bằng 
áp lực gương thì máy khiên đào được chia ra: 
khiên cân bằng áp lực khí nén; khiên cân bằng áp 
lực vữa; khiên cân bằng áp lực đất. 
Khiên cân bằng áp lực khí nén 
Khi thi công qua địa tầng có chứa nước ngầm, 
để ngăn chặn không cho nước ngầm xâm nhập vào 
buồng công tác, do đó buồng công tác luôn được 
duy trì một áp lực khí nén. Nhờ áp lực khí nén mà 
nước ngầm không chỉ bị giữ lại mà còn bị giữ sâu 
vào trong đất. 
Khiên cân bằng áp lực vữa 
Khiên đào áp lực vữa áp dụng phù hợp cho địa 
tầng có bề mặt gương có thể chống đỡ bằng dung 
dịch vữa áp lực, thi công trong những địa hình khó 
khăn như dưới các sông hồ hoặc dưới tầng nước 
ngầm, đất đào ra được đưa ra ngoài qua ống dẫn, 
đá cuội, sỏi được nghiền ra và di chuyển ra ngoài 
qua đường ống. Áp lực nước ngầm, áp lực địa tầng 
được cân bằng với áp lực dung dịch vữa. Áp lực 
dung dịch vữa được duy trì thích hợp cho việc tạo 
lên màng bùn chống đỡ khối đất trước gương. Đĩa 
cắt phía trước gương cào bóc khối đất ở mặt ngoài 
màng bùn. Hỗn hợp bùn đất trước gương sau khi 
được tách bóc được bơm hút đưa lên bề mặt đất 
để xử lý. 
Khiên cân bằng áp lực đất 
Đất được đào bởi đầu cắt của khiên sẽ được sử 
dụng để gia cố gương hầm. Chất tạo bọt được bơm 
vào trước đầu cắt làm cho đất kết dính lại đảm bảo 
kiểm soát chính xác áp lực cân bằng gương hầm. 
Đất sau khi tách bóc ra sẽ theo rãnh dao cắt tiến 
vào khoang công tác. Khi áp lực trong khoang công 
tác đủ lớn để chống lại áp lực địa tầng và áp lực 
nước ngầm thì mặt gương đào sẽ giữ được ổn định 
mà không bị sụt lở. Yêu cầu cần giữ cho lượng đất 
trong máng xoắn ốc và lượng đất trong khoang 
công tác cân bằng với lượng đất đào ra khi tiến vào 
trong khoang công tác. Đất đào ra được vận 
chuyển trong máng xoắn ốc ở phía sau khoang 
công tác theo cửa xả được đưa ra ngoài. Khiên cân 
bằng áp lực đất thích hợp với các địa tầng đất sét, 
đất có thành phần dính kết đồng thời bảo vệ có 
hiệu quả sự ổn định bề mặt gương đào, giảm được 
Hình 1. Sơ đồ sụt lở đất đá vào gương hầm. 
Khối đất đá trượt 
lở vào gương đào 
Gương đào đường hầm 
Lớp đất phủ 
 Đỗ Ngọc Thái, Đặng Văn Kiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 1 - 6 3 
độ lún bề mặt, trong khi thi công dễ dàng thao tác 
và có tính an toàn cao. Khi thi công qua các tầng 
đất cát, sỏi, cần trộn thêm dung dịch vữa, phụ gia 
để cải tiến đặc tính của khối đất sau khi đào ra, như 
tăng tính lưu động, lấp đầy khoang công tác làm ổn 
định bề mặt gương. Phương pháp cân bằng áp lực 
gương hầm thi công tại một số đường hầm tại Nga 
được trình bày trong Bảng 1. 
3. Sơ đồ tính áp lực lên gương hầm 
Theo Kartoziya et al., (2003) giá trị áp lực lên 
gương hầm phụ thuộc vào các yếu tố sau: chiều 
sâu bố trí đường hầm; đặc tính cơ lý khối đất đá; 
khả năng xuất hiện nước ngầm hoặc tầng chứa 
nước. Giá trị áp lực lên gương hầm P, (kN/m2) 
được xác định theo công thức (1): 
wđ PPP 
Trong đó: Pđ - áp lực gây lên bởi đất đá, 
(kN/m2); Pw - áp lực gây lên bởi nước ngầm, 
(kN/m2). 
Theo Broms and Bennermark độ ổn định 
gương hầm được xác định qua hệ số N công thức 
(2) (Broms and Bennermark, 1967): 
uuTs CRCCqN /).(/)(  
Trong đó: γ – dung trọng của đất, (kN/m3); Cu - 
lực dính không thoát nước của lớp đất, (kN/m2); 
qs - áp lực trên mặt đất, (kN/m2), R - bán kính 
đường hầm, (m); C - chiều sâu xây dựng đường 
hầm (m), σT áp lực tác dụng lên gương hầm, 
(kN/m2). Theo kinh nghiệm, điều kiện mất ổn định
 khí N ≥ 6 do đó điều kiện ổn định gương hầm có 
giá trị áp lực lên gương hầm nhỏ nhất Hình 2 theo 
công thức (3) khi N = 6: 
usT CNqRC .).(  
Phương pháp cho phép phân tích độ ổn định 
của đất đá trên gương đối với đường hầm có bán 
kính R, (m) khoang công tác được duy trì áp lực 
cân bằng trong khoảng cách P, (m) tính từ mặt 
gương (Hình 3), (Devis et al., 1980). 
Trong hai trường hợp Hình 3a và Hình 3b 
nhóm tác giả đưa ra giá trị tính hệ số cân bằng (4), 
(5): 
 1
R
C
ln22N 
 1ln4
R
C
N 
Độ ổn định, cân bằng gương hầm được xác 
định qua hệ số cân bằng là tỷ số giữa tổng các lực 
chống trượt, dịch chuyển của khối đất đá với tổng 
lực gây trượt, dịch chuyển của khối đất đá vào 
gương hầm (Protosenya, et al., 2015). 
Để khảo sát hệ số cân bằng F ta xét một đường 
hầm có đường kính D, (m) thi công dưới độ sâu H, 
(m) tính từ bề mặt đất, phía trước gương hình 
thành vùng đất đá dưới tác động của trọng lượng 
có xu hướng trượt, dịch chuyển vào trong gương 
hầm. Phương pháp thi công sử dụng tổ hợp máy 
khoan đào, khoang áp lực có sử dụng áp lực lên 
gương q, (kN/m2) (Hình 4). 
Tuyến hầm 
Chiều 
dài, (m) 
Năm xây 
dựng 
Phương pháp cân bằng áp 
lực gương hầm 
Đường kính vỏ chống, 
Dngoài/Dtrong, (m) 
Đường hầm metro Lyublino 
tại Moskva 
1600 1988 - 1992 Khiên cân bằng áp lực khí nén 6,0/5,3 
Đường hầm kỹ thuật tại 
Petersburg 
1200 1995 - 2000 Khiên cân bằng áp lực đất 3,7/3,2 
Hầm kỹ thuật tại Moskva 800 1999 - 2000 Khiên cân bằng áp lực khí nén 4,24/3,84 
Đường tàu điện ngầm tại 
Kazan 
1188 2000 - 2001 Khiên cân bằng áp lực đất 5,60/5,10 
Đường tàu điện ngầm Butov 
tại Moskva 
1900 2000 - 2002 Khiên cân bằng áp lực đất 6,0/5,3 
Hầm giao thông Lefortova tại 
Moskva 
2222 2001 - 2003 Khiên cân bằng áp lực khí nén 13,75/12,35 
Đường tàu điện ngầm 
Razmyv tại Petersburg 
1100 2002 - 2003 Khiên cân bằng áp lực vữa 7,1/6,4 
Bảng 1. Phương pháp cân bằng áp lực gương được áp dụng thi công tại một số hầm tại Nga (Suprun, 2013). 
(1) 
(2) 
(3) 
(4) 
(5) 
4 Đỗ Ngọc Thái, Đặng Văn Kiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 1 - 6 
Giá trị hệ số cân bằng được xác định theo công 
thức (6): 
T
Pcc
F
 2121

Trong đó: τ1 - lực chống lại quá trình trượt, gây 
ra trên bề mặt bên, (kN/m2); τ2 - lực chống lại quá 
trình trượt, dịch chuyển xuống của khối đá vào 
gương do lực ma sát trên bề mặt (AC) gây ra, 
(kN/m2); c1 - lực chống lại quá trình trượt, dịch 
chuyển xuống của khối đất đá do lực dính bề mặt 
bên gây ra, (kN/m2); c2 - lực chống lại quá trình 
trượt, dịch chuyển xuống của khối đất đá vào 
gương do lực dính bề mặt (AC) gây ra, (kN/m2); P 
- lực ngăn cản quá trình trượt, dịch chuyển khối 
đất đá vào trong gương do áp lực lên gương q gây 
ra, (kN/m2); T - giá trị lực gây ra quá trình trượt, 
dịch chuyển của khối đất đá vào gương hầm, 
(kN/m2). 
Tổng trọng lượng khối đá trượt, dịch chuyển 
xuống gương hầm W, (kN) xác định theo công 
thức (7). 
VW   
V - thể tích khối đất đá trượt, dịch chuyển 
xuống gương hầm (m3); γ - dung trọng của khối 
đất đá vùng phá hủy, (kN/m3) ta có (8): 
2
45..2..
12
1 2 tgHDDDHV
 


2
2
45..2
tgHD
Trong đó: D - đường kính đường hầm, (m); φ - 
góc nội ma sát của đất đá vùng phá hủy, (độ). 
Lực chống lại quá trình trượt, dịch chuyển 
xuống của khối đất đá do lực ma sát trên bề mặt 
bên gây ra τ1, (kN/m2) (9): 
bStg
H
 
  
  

2
45cos
2
45sin
2
1
Với Sb - diện tích mặt trượt xung quanh, (m2) 
(10) 
  
 
2
45cos
2
45
tgHD
HSb
Lực chống lại quá trình trượt, dịch chuyển 
xuống của khối đất đá vào gương do lực ma sát
(6) 
(7) 
(8) 
(9) 
(10) 
Hình 4. Sơ đồ xác định áp lực lên gương hầm 
(Protosenya, et al., 2015). 
Hình 2. Sơ đồ xác định áp lực lên gương hầm 
(Broms and Bennermark, 1967). 
Hình 3. Sơ đồ xác định áp lực lên gương hầm 
(Devis et al., 1980); (a) sơ đồ tính dọc trục hầm; 
(b) sơ đồ tính ngang trục hầm. 
C
D
P
qs
(a)
(b)
qs
 Đỗ Ngọc Thái, Đặng Văn Kiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 1 - 6 5 
(17) 
trên bề mặt (AC) gây ra τ2, (kN/m2) (11). 
  tgW  cos2 
Lực chống lại quá trình trượt, dịch chuyển 
xuống của khối đất đá do lực dính bề mặt bên gây 
ra c1, (kN/m2) (12): 
  
2
45cos1
bScc 
Trong đó: c - lực dính kết bề mặt của đất đá. Lực 
chống lại quá trình trượt, dịch chuyển xuống của 
khối đất đá vào gương do lực dính bề mặt (AC) gây 
ra c2, (kN/m2) (13): 

cos4
2
2


cD
c 
Lực ngăn cản quá trình trượt, dịch chuyển 
xuống của khối đất đá vào trong gương do áp lực 
gương hầm q, (kN/m2) gây ra P, (kN/m2) (14): 
 

2
45
4
2
2 
tgq
D
P 
trong đó: q - áp lực tác dụng lên gương hầm, 
(kN/m2). 
Giá trị lực gây ra quá trình trượt, dịch chuyển 
của khối đất đá vào gương hầm T, (kN/m2) (15): 
 sin..sin VWT  
Thay vào công thức (6) ta có (16): 
 
  
  bStg
H
F 

2
45cos
2
45sin
2
   
2
45coscos
  bSctgW 


sin../
2
45
4cos4
2
22
Vtgq
DcD
 



Để đảm bảo an toàn ta có hệ số F = 1 thay vào 
công thức ta có giá trị áp lực tác dụng lên gương 
hầm (17): 
 
  
  bStg
2
45cos
2
45sin
2
H
sin.V.q 
 
   
2
45coscos
  bSctgW 
 



2
45tg
4
D
/)
cos4
cD 2
22 

Áp dụng tính toán cho một đường hầm có 
đường kính D = 7 (m), vị trí xây dựng dưới độ sâu 
H = 20 (m), thi công trong khối đất đá có dung 
trọng  = 19 (kN/m3), = 170, c = 21 (kN/m2),  = 
450. Khi áp lực lên gương q = 0 (kN/m2). Thay vào 
công thức (6) ta có hệ số F = 0, 95 1, tại gương 
xảy ra mất an toàn, khối đất đá dịch chuyển vào 
gương hầm. Để đảm bảo an toàn ta cần có hệ số F 
= 1 áp dụng công thức (17) suy ra áp lực khối đất 
đá tác dụng lên gương đào q = 150 (kN/m2) ≈ 
0,38.γ.H (kN/m2). 
4. Kết quả và thảo luận 
Phương pháp cân bằng áp lực lên gương, ổn 
định gương đào khi thi công đường hầm đô thị 
được sử dụng rộng rãi như: phương pháp cân 
bằng khí nén, cân bằng áp lực đất, cân bằng áp lực 
vữa. Tùy thuộc vào đặc tính kỹ thuật đường hầm, 
điều kiện địa chất, địa chất thủy văn khu vực xây 
dựng đường hầm để chúng ta lựa chọn phương 
pháp cân bằng áp lực lên gương phù hợp. 
Từ công thức (17) ta thấy giá trị áp lực cân 
bằng gương hầm được xác định phụ thuộc vào 
đường kính, chiều sâu bố trí đường hầm và các giá 
trị đặc tính cơ lý đất đá. 
5. Kết luận 
Duy trì áp lực lên gương có tác dụng nhằm cân 
bằng giữ ổn định gương đào, kiểm soát, giảm thiểu 
độ dịch chuyển khối đất đá, lún bề mặt. Giá trị áp 
lực cân bằng gương được xác định phụ thuộc vào 
đường kính, chiều sâu bố trí đường hầm và các giá 
đặc tính cơ lý khối đất đá xung quanh. 
Khi xây dựng đường hầm đô thị bằng máy 
khiên đào cần khảo sát điều kiện địa chất, địa chất 
thủy văn khu vực xây dựng đường hầm để lựa 
chọn phương pháp cần bằng gương và giá trị áp 
lực lên gương phù hợp. 
Giá trị áp lực lên gương được tính toán, xác 
định bằng các phương pháp như giải tích, thí 
nghiệm hoặc mô hình hóa. Trong quá trình thi 
công thực tế được thử nghiệm, điều chỉnh giá trị 
áp lực cân bằng gương phù hợp. 
Tài liệu tham khảo 
Broms, В. В., and Bennermark, H., 1967. Stability 
of clay in vertical openings. Journal of Soil 
Mechanics and Foundations. ASCE, 193(MS1), 
71 - 94. 
(11) 
(12) 
(13) 
(14) 
(15) 
(16) 
6 Đỗ Ngọc Thái, Đặng Văn Kiên/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 60 (1), 1 - 6 
Davis, E. H., Gunn, M. J., Mair, R. J., Seneviratne, H. 
N., 1980. The stability of shallow tunnels and 
underground openings in cohesive material. 
Geotechnique 30(4), 397 - 416. 
Do Ngoc Thai and Protosenya, A. G., 2017. The 
effect of tunnel face support pressure on 
ground surface settlement in urban areas due 
to shield tunneling. Geo - Spatial Technologies 
and Earth resources (ISM - 2017), 415 - 420. 
Kartoziya, B. A., Fedunets, B. I., Shuplik, M. N., 
2003. Mine and Underground Construction. 
Publishing House of Moscow mining University 
2. 815. 
Protosenya, A. G., Belyakov, N. A., Do Ngoc Thai,
 2015. The development of prediction method 
of earth pressure balance and earth surface 
settlement during tunneling with mechanized 
tunnel boring machines. Proceeding 
softhemining institute 211. 53 - 63. 
Suprun, I. K, 2013. Prediction method of the stress 
- strain state of the tunnel liningwith 
mechanized tunnel boring machines. 
Publishing House of Petersburg Mining 
University, St. Petersburg, Russia. 
Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc, 2005. Cơ học đá 
ứng dụng trong xây dựng công trình ngầm và 
khai thác mỏ. Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật. 
Hà Nội. 
ABSTRACT 
Tunnel face stability analysis in soft ground by shield tunneling 
Thai Ngoc Do, Kien Van Dang 
Faculty of Civil Engineering, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam 
Tunneling in urban areas is growing in response to the increased needs for efficient transportation, 
many urban tunnels are constructed in soft ground at shallow depths. The construction of tunnels in 
urban areas may cause ground displacement which distort and damage overlying buildings. In the past 
fewdecades, tunnel boring machines have been used to drill in increasingly difficult geotechnical 
conditions such as soft ground like soft clay. This is particularly true for mechanised tunnelling and 
specific boring machines, as, for examples, the compressed air shield, the earth pressure balanced shield 
and the slurry shield, have been developed in the recent decades for managing the instability of the 
excavation profile in unfavourable geotechnical and hydrogeological conditions, with challenge external 
constraints. The stability of the face is one of the most important factors in selecting the adequate method 
of excavation of a tunnel. This face pressure is a critical paramater because the varying pressure can lead 
to the total failure and collapse of the face. In this paper aims to offer a guide to the methods for tunnel 
face stability assessment in mechanised tunnelling and used analytical calculation methods to determine 
the minimum tunnel face pressure are either based on the limit equilibrium methods.