Study of the influence of face pressure on surface settlements by shield tunneling

 Journal of Mining and Earth Sciences Vol. 61, Issue 1 (2020) 28 - 36 
Study of the influence of face pressure on surface settlements 
by shield tunneling 
Thai Ngoc Do 1,*, Toan Duc Do 2 
1 Faculty of Civil Engineering, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam 
2 Power Engineering Consulting Joint Stock Company 4, Vietnam 
ARTICLE INFO 
ABSTRACT 
Article history: 
Received 18th Nov 2019 
Accepted 9th Jan. 2020 
Available online 28th Feb. 2020 
 In the mechanized excavation of subway tunnels, the shield tunnel boring 
machine (TBM) has been developed in recent decades for managing the 
instability of the excavation profile in complicated geotechnical 
conditions in urban areas. The paper presents a 3D simulation procedure 
for the detailed description of TBM (via the finite element code Abaqus) 
and quantifies the influence of TBM face pressure on ground surface 
settlements. The model is used to calculate ground surface settlements for 
different values of TBM face pressure. An additional aspect of the 
investigation is the determination of the critical value of TBM face 
pressure, which controls face instability in very weak ground. During the 
advancement of shield tunnel boring machines, the face-stabilizing 
pressure is one of the most important factors of critical. In tunneling by 
shield tunnel boring machines, high face pressure often leads to surface 
upheaval, whereas low face pressure leads to sudden collapse of the face 
and ultimately settlement of the surface. For the model condition, the 
maximum value was quantity 250 kPa and the minimum value obtained 
quantity 150 KPa. 
Copyright © 2020 Hanoi University of Mining and Geology. All rights reserved. 
Keywords: 
Tunnel, 
Shield tunneling machines, 
Face pressure, 
Surface settlements. 
_____________________ 
*Corresponding author 
E-mail: dongocthai@humg.edu.vn 
DOI: 10.46326/JMES.2020.61(1).04 
28 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 61, Kỳ 1 (2020) 28 - 36 
Nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực gương đào đường hầm đến 
độ lún mặt đất khi thi công đường hầm bằng máy khiên đào 
Đỗ Ngọc Thái 1,*, Đỗ Đức Toàn 2 
1 Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam 
2 Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 4, Việt Nam 
THÔNG TIN BÀI BÁO 
TÓM TẮT 
Quá trình: 
Nhận bài 18/11/2019 
Chấp nhận 09/01/2020 
Đăng online 28/02/2020 
 Trong lĩnh vực xây dựng các đường hầm giao thông, máy khiên đào đang 
rất phát triển trong những năm gần đây để khắc phục các hiện tượng mất 
ổn định trong quá trình thi công khi gặp các điều kiện địa chất phức tạp 
trong đô thị. Bài báo sử dụng phương pháp mô hình số 3D bằng phần mềm 
Abaqus để mô phỏng quá trình thi công đường hầm và dự báo ảnh hưởng 
của giá trị áp lực gương đào đến độ lún mặt đất. Mô hình sử dụng để dự báo 
độ lún mặt đất khi duy trì các giá trị áp lực gương đào khác nhau. Khi thi 
công đường hầm bằng máy khiên đào việc duy trì áp lực lên gương đào để 
giữ ổn định bề mặt gương đào đường hầm là một trong số những thông số 
quan trọng nhất. Trong quá trình thi công, khi giá trị áp lực gương đào quá 
lớn có thể gây ra các hiện tượng đẩy trồi lên trên mặt đất, khi áp lực gương 
đào có giá trị nhỏ có thể gây ra các hiện tượng trượt lở đột ngột vào trong 
gương đào và gây ra sụt lún lên đến mặt đất. Đối với điều kiện bài toán mô 
phỏng, áp lực bề mặt gương đào hiệu quả có giá trị tối đa là 250kPa và giá 
trị tối thiểu là 150kPa. 
© 2020 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 
Từ khóa: 
Đường hầm, 
Máy khiên đào, 
Áp lực bề mặt gương, 
Độ lún mặt đất. 
1. Mở đầu 
Quá trình thi công các đường hầm sẽ gây ra 
những tác động đến khối đất đá xung quanh và các 
công trình trên mặt đất. Đối với các đường hầm 
trong đô thị, công tác thi công dưới các tòa nhà cao 
tầng hay dưới hệ thống kỹ thuật ngầm đô thị luôn 
tiềm ẩn những rủi ro như gây lún, biến dạng thậm 
chí gây sập đổ phá hủy các công trình trên mặt đất 
hay ở vị trí lân cận (Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh 
Đắc, 2005; Do Ngoc Thai and Protosenya, 2017). 
Do đó công tác quy hoạch, thiết kế ban đầu, bao 
gồm lựa chọn hướng tuyến hay thiết kế kỹ thuật 
cần thiết đánh giá, dự báo mức độ tác động từ hoạt 
động thi công đường hầm đến các công trình lân 
cận, công tác đánh giá dự báo đó mang ý nghĩa rất 
quan trọng trong quá trình xây dựng đường hầm. 
Các phương pháp chính để thi công đường hầm 
bao gồm phương pháp đào lộ thiên, phương pháp 
mỏ hay phương pháp đào hầm mới của Áo và 
phương pháp sử dụng máy khoan hầm. Ngày nay, 
phương pháp thi công bằng máy khoan hầm đặc 
biệt là máy khiên đào được áp dụng rộng rãi khi 
xây dựng các đường hầm tầu điện ngầm trong 
_____________________ 
*Tác giả liên hệ 
E - mail: dongocthai@humg. edu. vn 
DOI: 10.46326/JMES.2020.61(1).04 
 Đỗ Ngọc Thái, Đỗ Đức Toàn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (1), 28 - 36 29 
thành phố. Phương pháp thi công bằng máy khiên 
đào ngoài việc đảm bảo chất lượng công trình, sự 
ổn định cao cho đường hầm còn giảm thiểu được 
những ảnh hưởng chấn động, dịch chuyển lún bề 
mặt đất hay bảo vệ các công trình xung quanh khu 
vực thi công. 
2. Phương pháp cân bằng áp lực lên gương đào 
Trong quá trình thi công đường hầm, phía 
trước gương đào hình thành khối đất đá phá hủy 
có xu hướng trượt, sụt lở vào trong gương hầm. 
Độ ổn định gương hầm phụ thuộc rất nhiều yếu tố 
như đặc tính khối đất mà đường hầm thi công qua, 
vị trí, kích thước đường hầm, công nghệ thi công. 
Hiện nay, thi công đường hầm trong điều kiện địa 
chất yếu 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 đào 
(Protosenya et al., 2015). 
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 (Vittorio Guglielmetti et al., 2007). 
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 và 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 đẩy 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 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. 
3. Dự báo giá trị lún mặt đất 
Phương pháp bán thực nghiệm được các nhà 
nghiên cứu R.B.Peck, (1969) và Schmidt, (1974) 
đề xuất bằng cách đo một số điểm tại hiện trường, 
kết quả thu được là dưới tác động của quá trình thi 
công đường hầm thì trên mặt đất sẽ hình thành 
vùng lún (Hình 1), đường cong lún mặt đất thể 
hiện trên Hình 2.
30 Đỗ Ngọc Thái, Đỗ Đức Toàn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (1), 28 - 36 
Khi thi công đường hầm trong môi trường đất 
đồng nhất, đẳng hướng thì gây ra độ lún trên bề 
mặt có giá trị (Sv,) đường cong lún bề mặt đất được 
Peck, (1969) giả định có dạng hàm phân phối 
chuẩn Gauss, với điểm lún cực đại Sv.max nằm ngay 
trên trục thằng đứng của đường hầm: 
𝑆𝑣 = 𝑆𝑣.𝑚𝑎𝑥 . 𝑒
−[𝑥2/(2.𝑖2)] 
Trong đó: Sv.max - Giá trị độ lún lớn nhất theo 
phương thẳng đứng dọc trục đường hầm, m; x - 
khoảng cách từ trục đường hầm đến điểm khảo 
sát theo phương nằm ngang, m; i - Khoảng cách từ 
trục đường hầm đến điểm uốn theo phương nằm 
ngang, m. 
Theo O’Reilly and New (1982) giá trị khoảng 
cách từ tâm đường hầm đến điểm uốn theo 
phương nằm ngang (i) được xác định theo công 
thức: 
i = (K.z0) 
Trong đó: K - Tham số chiều rộng vùng lún, phụ 
thuộc vào điều kiện và loại đất mà đường hầm thi 
công qua, ví dụ đối với cát trong điều kiện nước 
ngầm ta có K = 0,2÷0,3 và đối với đất sét ta có K = 
0,4÷0,7; z0 - Chiều sâu bố trí đường hầm, m. 
Thể tích vùng lún trên mỗi đơn vị chiều dài 
đường hầm được xác định theo công thức: 
𝑉𝑆 = ∫ 𝑆𝑣.𝑚𝑎𝑥. 𝑒
−[𝑥2/(2.𝑖2)] = √2𝜋. 𝑖. 𝑆𝑣.𝑚𝑎𝑥
∞
−∞
Lượng mất thể tích đất (VL) là tỷ số giữa thể tích 
của vùng lún và thể tích đào lý thuyết tính cho một 
đơn vị chiều dài. 
VL=(VS/V0).100 %
Trong đó: V0 - Thể tích đào lý thuyết, m3. 
Lượng mất thể tích là do sự khác biệt về thể 
tích đào đường hầm và thể tích hoàn thành sau khi 
lắp đặt vỏ chống. Đất xung quanh đường hầm di 
chuyển để lấp đầy sự mất thể tích này, cường độ 
di chuyển lấp thể tích cũng gây ra lượng mất thể 
tích, giá trị mất thể tích còn phụ thuộc vào phương 
pháp đào, loại đất công trình đào qua và sự thận 
trọng của đơn vị thi công đường hầm. Một phần 
của lượng hao hụt thể tích đất xung quanh hầm sẽ 
phát triển lên đến bề mặt và tạo ra vùng lún. Hay 
nói cách khác, thể tích vùng lún trên mặt đất tương 
ứng với lượng mất đất xung quanh đường hầm. 
Từ các công thức (1), (2) và (3) độ lún tại điểm 
bất kỳ trên mặt đất được xác định theo công thức: 
𝑆𝑣 =
𝑉𝑠
√2𝜋.𝐾.𝑧0
. 𝑒−[𝑥
2/(2𝐾2.𝑧0
2)] 
Hình 1. Hình dạng vùng lún trên mặt đất sau khi 
thi công đường hầm. 
Hình 1. Bộ thiết bị bay Inspite 2. 
(1) 
(2) 
(3) 
(4) 
(5) 
 Đỗ Ngọc Thái, Đỗ Đức Toàn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (1), 28 - 36 31 
Phương pháp dự báo lún bề mặt khi thi công 
đường hầm tàu điện ngầm thành phố có thể sử 
dụng phương pháp giải tích hoặc phương pháp 
mô hình số. Để dự báo giá trị lún mặt đất gây ra từ 
công tác thi công một đường hầm cụ thể có thể kết 
hợp nhiều phương pháp dự báo và được so sánh 
với kết quả đo đạc, quan trắc thực tế của các công 
trình có điều kiện xây dựng tương tự. Trong Bảng 
1 thể hiện kết quả đo đạc, quan trắc thực tế giá trị 
lún mặt đất gây ra bởi công tác xây dựng đường 
hầm. 
Theo kết quả đo đạc quan trắc thực tế, giá trị 
lún mặt đất gây ra bởi công tác xây dựng đường 
hầm trên Bảng 1 ta thấy, đối với các đường hầm 
thi công trong điều kiện thành phố thì phương 
pháp thi công phổ biến là sử dụng máy khiên đào 
cân bằng áp lực đất và máy khiên đào cân bằng áp 
lực vữa. Các đường hầm có kích thước lớn (đường 
kính lớn hơn 9 m) thì giá trị lún mặt đất có giá trị 
lớn hơn 17 mm. Các đường hầm có kích thước nhỏ 
(đường kính nhỏ hơn 4 m) thì giá trị lún mặt đất 
có giá trị nhỏ từ 5÷6 mm. Đường hầm có kích 
thước trung bình như đường hầm tầu điện ngầm 
D tại Lyon, Pháp có đường kính 6,27 m và độ sâu 
thi công 16,4 m; sử dụng khiên cân bằng áp lực 
vữa trong điều kiện thi công cát sét mịn thì kết quả 
đo đạc, quan trắc giá trị lún mặt đất là 13,5 mm. 
Như vậy giá trị lún mặt đất phụ thuộc vào kích 
thước đường hầm, vị trí thi công đường hầm, điều 
kiện thi công qua như lớp đất sét, đất mùn hay cát 
pha,... và phương pháp thi công sử dụng loại máy 
khiên đào cân bằng áp lực lên gương đào đường 
hầm. 
4. Xây dựng mô hình số 
Để dự báo độ lún mặt đất khi thi công đường 
hầm bằng máy khiên đào, trong nghiên cứu này sử 
dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua 
phần mềm chuyên dụng Simulia Abaqus 6.12. 
Phần mềm cho phép phân tích các quá trình thi 
công tách bóc đất đá, duy trì áp lực ổn định gương 
đào, công tác lắp dựng vỏ chống và công tác phụt 
vữa lấp đầy khoảng trống giữa bề mặt đất đá và vỏ 
chống, đồng thời đưa ra các kết quả giá trị ứng 
suất và dịch chuyển khối đất đá gây ra bởi công tác 
thi công đường hầm. 
4.1. Kích thước mô hình 
Kích thước mô hình có ảnh hưởng đến tốc độ 
tính toán, độ chính xác của kết quả tính toán, vùng 
phân tích được lựa chọn có kích thước bằng 7,0 
lần đường kính hầm theo phương ngang và 
phương thẳng đứng sao cho vùng ảnh hưởng tạo 
ra tại đường biên trong kết quả phân tích có giá trị 
trong giới hạn cho phép. Chiều cao tính từ đỉnh 
hầm đến lớp biên phía trên bằng chính độ sâu đặt 
đường hầm. Kích thước mô hình phân tích 
(100x100x120). 
TT Đường hầm 
Đường 
kính, m 
Chiều sâu bố trí 
đường hầm, m 
Giá trị lún 
mặt đất, mm 
Kiểu máy khiên đào; đường 
hầm thi công trong lớp đất. 
1 
Hầm đường sắt tại thành phố 
Barcelona, Tây Ban Nha. 
11,2 30,00 5,0 
Khiên áp lực đất; đất sét và 
cát. 
2 
Hầm thoát nước ở Sudden 
Valley, Mỹ. 
14,3 9,12 43,0 
Khiên cân bằng áp lực đất; 
cát bão hòa nước. 
3 
Hầm tầu điện ngầm đường số 
1 ở Madrid, Tây Ban Nha. 
9,38 15,50 18,0 
Khiên áp lực đất; cát và đất 
sét. 
4 
Hầm tầu điện ngầm số 2 ở 
Madrid, Tây Ban Nha. 
9,38 17,00 21,2 
Khiên áp lực đất; đất sét và 
cát. 
5 
Đường hầm ô tô ở Val-de 
Marne, Pháp. 
3,35 7,75 5,3 
Khiên cân bằng áp lực vữa; 
sỏi cát. 
6 
Đường hầm tầu điện ngầm số 
2 tại Thượng Hải, Trung quốc. 
11,2 24,50 17,9 
Khiên cân bằng áp lực vữa; 
đất mùn, cát pha. 
7 
Đường hầm tầu điện ngầm D 
tại Lyon, Pháp. 
6,27 16,40 13,5 
Khiên cân bằng áp lực vữa; 
cát sét mịn. 
Bảng 1. Kết quả đo đạc, quan trắc thực tế giá trị lún mặt đất gây ra bởi công tác xây dựng đường hầm 
(Vittorio Guglielmetti et al., 2007). 
32 Đỗ Ngọc Thái, Đỗ Đức Toàn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (1), 28 - 36 
Mô hình mô phỏng có kích thước đường hầm 
có đường kính D = 7 m, được đào tại vị trí độ sâu 
Z0 = 20 m. Lắp dựng vỏ chống bê tông đúc sẵn có 
chiều dày d = 0,35 m, mô đun đàn hồi E = 30 GPa, 
hệ số Poisson = 0,2 và sử dụng mô hình vật liệu vỏ 
chống bê tông đúc sẵn là đàn hồi tuyến tính. 
Mô hình vật liệu cho các lớp đất được sử dụng 
mô hình Mohr - Coulomb. Các tham số cơ lý chính 
của các lớp đất đá được giả định có các tham số 
như trong Bảng 2. 
4.2. Điều kiện biên 
Biên trái và biên phải của mô hình chọn loại cố 
định có ứng suất tiếp và chuyển vị ngang tại biên 
bằng không; ứng suất pháp và chuyển vị thẳng 
đứng để tự do. Biên đáy của mô hình có chuyển vị 
ngang, thẳng đứng bằng 0; ứng suất tiếp, pháp 
tuyến để tự do. Biên phía bề mặt để tự do cho phép 
chuyển vị thẳng đứng và chuyển vị ngang như trên 
Hình 3 và Hình 4. 
TT 
Loại đất 
Chiều dày lớp, 
 H (m) 
Khối lượng thể 
tích, γ (kN/m3) 
Mô đun đàn 
hồi, E (MPa) 
Hệ số 
Poisson, (ν) 
Góc ma sát 
trong, φ (0) 
Lực dính 
kết, c (kPa) 
1 Sét mềm 5 19,0 8 0,35 80 12 
2 Cát 7 19,2 15 0,35 100 15 
3 Sét 21 20,0 30 0,32 250 22 
4 Đá 67 22,0 100 0,25 320 30 
Bảng 2. Đặc tính cơ lý các lớp đất. 
Hình 3. Điều kiện biên bài toán. 
Hình 4. Vị trí các lớp đất đá. 
 Đỗ Ngọc Thái, Đỗ Đức Toàn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (1), 28 - 36 33 
4.3. Áp lực lên gương đào 
Trong quá trình thi công đường hầm qua đất 
yếu, phía trước gương đào hình thành khối đất đá 
phá hủy có xu hướng trượt, sụt lở vào trong gương 
đào (Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc, 2005; Do 
Ngoc Thai and Protosenya, 2017). Duy trì áp lực 
lên gương đào có tác dụng nhằm cân bằng áp lực 
gương giữ ổn định gương đào, kiểm soát, giảm 
thiểu độ dịch chuyển khối đất đá, lún bề mặt đất. 
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. Ở 
mô hình này để phân tích ảnh hưởng của giá trị áp 
lực gương đào đến độ lún mặt đất, sử dụng áp lực 
lên gương đào có giá trị trung bình thay đổi Fg = 
50÷250 kPa như trên Hình 5. Áp lực áp lực gương 
phân bố tuyến tính tăng theo độ sâu, trường hợp 
duy trì áp lực gương Fg = 50 kPa là giá trị áp lực 
gương trung bình tại trục đường hầm bằng 50 
kPa, giá trị áp lực gương tăng tuyến tính theo độ 
sâu từ đỉnh hầm đến đáy hầm (đường kính D = 
7m) với giá trí biến đổi 12kPa/m. 
4.4. Các giai đoạn mô phỏng tính toán thi công 
đường hầm 
Các giai đoạn mô phỏng, tính toán công tác thi 
công đoạn hầm bao gồm: 
Giai đoạn 1: xây dựng điều kiện biên, trường 
ứng suất ban đầu; 
Giai đoạn 2: tách bóc đất đá, duy trì áp lực lên 
gương đào; 
Giai đoạn 3: lắp đặt vỏ chống cho đường hầm, 
duy trì áp lực phụt vữa phía sau vỏ chống. 
4.5. Kết quả tính toán 
Kết quả mô phỏng lún mặt đất gây ra bởi công 
tác thi công đường hầm với các giá trị áp lực 
gương hầm khác nhau được thể hiện trên Hình 6, 
Kết quả cho thấy mối tương quan giữa áp lực 
gương hầm và độ lún mặt đất: khi sử dụng giá trị 
áp lực gương hầm càng nhỏ thì giá trị độ lún mặt 
đất càng lớn. 
Để đánh giá sự phụ thuộc của giá trị áp lực 
gương hầm đến độ lún mặt đất, nghiên cứu này 
thay đổi giá trị áp lực lên gương đào Fg = 50÷250 
kPa, kết quả thu được giá trị lún mặt đất dọc trục 
đường hầm thể hiện trong Hình 7. 
Từ kết quả phân tích mô hình số thể hiện trên 
Hình 7 cho thấy giá trị áp lực duy trì lên gương đào 
có ảnh hưởng đến giá trị lún mặt đất. Khi giá trị áp 
lực duy trì lên gương đào càng giảm thì giá trị lún 
mặt đất tăng. Với giá trị áp lực lên gương đào Fg = 
50 kPa giá trị lún mặt đất là 42mm lớn gấp 5 lần 
giá trị lún mặt đất đối với trường hợp áp dụng giá 
trị áp lực lên gương đào Fg = 250 kPa có giá trị lún 
mặt đất là 9mm. 
Đối với trường hợp Fg = 50 kPa thì tác động từ 
công tác thi công đường hầm gây ra lún mặt đất có 
giá trị lớn nhất là 41÷42 mm và ở vị trí gương đào 
có giá trị lún trên bề mặt đất là 14÷15 mm. Giá trị 
kết quả phân tích cho thấy, giá trị lún trên bề mặt 
đất ở vị trí gương đào có giá trị bằng (0,34÷0,35) 
lần giá trị lún bề mặt lớn nhất gây ra bởi công tác 
thi công đường hầm Sv-gương = (0,34÷0,35)Sv-max. 
Vùng ảnh hưởng lún mặt đất phía trước gương đạt 
tới 30÷35 m, giá trị lún mặt đất đạt giá trị lớn nhất 
phía sau gương 50m. 
Hình 5. Duy áp lực lên bề mặt gương đào đường hầm 
34 Đỗ Ngọc Thái, Đỗ Đức Toàn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (1), 28 - 36 
(a) (b) 
(c) (d) 
(e) 
Hình 6. Kết quả mô phỏng giá trị lún mặt đất khi 
thay đổi giá trị áp lực gương hầm: 
(a) - Giá trị áp lực lên gương Fg = 50kPa; 
(b) - Giá trị áp lực lên gương Fg = 100kPa; 
(c) - Giá trị áp lực lên gương Fg = 150kPa; 
(d) - Giá trị áp lực lên gương Fg = 200kPa; 
(e) - Giá trị áp lực lên gương Fg = 250kPa. 
 Đỗ Ngọc Thái, Đỗ Đức Toàn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (1), 28 - 36 35 
Đối với trường hợp Fg = 250 kPa thì tác động 
từ công tác thi công đường hầm gây ra lún mặt đất 
có giá trị lớn nhất là 8÷9 mm và ở vị trí gương đào 
giá trị lún trên bề mặt đất là 3÷4mm. Giá trị kết 
quả phân tích cho thấy, giá trị lún trên bề mặt đất 
ở vị trí gương đào có giá trị bằng (0,37÷0,44) lần 
giá trị lún bề mặt lớn nhất gây ra bởi công tác thi 
công đường hầm Sv-gương = (0,37÷0,44)Sv-max. Vùng 
ảnh hướng lún mặt đất phía trước gương đạt tới 
15÷20 m, giá trị lún mặt đất đạt giá trị lớn nhất tại 
vị trí phía sau gương 30 m. Tuy nhiên vị trí 20m 
phía trước gương giá trị lún bề mặt có giá trị 
dương "+", tức là xuất hiện hiện tượng đẩy trồi đất 
đá, vữa áp lực lên bề mặt đất. 
Giá trị dịch chuyển trên mặt cắt ngang được thể 
hiện trên Hình 8. 
Trên hình 8, thể hiện giá trị lún mặt đất lớn 
nhất trên mặt cắt ngang khi sử dụng các giá trị áp 
lực lên gương khác nhau. Từ kết quả phân tích mô 
hình số cho thấy giá trị áp lực duy trì lên gương 
đào có ảnh hưởng đến giá trị lún mặt đất. Khi giá 
trị áp lực duy trì lên gương đào càng giảm thì giá 
trị dịch chuyển lún mặt đất tăng. 
5. Kết luận 
Từ kết quả phân tích mô hình số nhận thấy, đối 
với đường hầm bố trí nằm gần mặt đất, trong điều 
kiện địa chất yếu khi thi công dẫn đến hiện tượng 
lún mặt đất. 
Giá trị lún lớn nhất Sv-max xuất hiện phía sau 
gương đào, cách gương đào 30÷50m. Ở vị trí 
gương đào giá trị lún trên bề mặt đất đạt 
(0,34÷0,44)Sv-max. 
Giá trị áp lực duy trì lên gương đào có ảnh 
hưởng đến giá trị lún mặt đất. Khi giá trị áp lực 
gương đào quá lớn có thể gây ra các hiện tượng 
đẩy trồi lên trên mặt đất, khi áp lực gương đào có 
giá trị nhỏ có thể gây ra các hiện tượng trượt lở 
đột ngột vào trong gương đào và gây ra sụt lún lên 
đến bề mặt đất. 
Dựa vào các kết quả mô hình số trên và các kết 
quả quan trắc đo đạc thực tế từ các công trình 
cùng điều kiện xây dựng, đối với bài toán trên để 
đảm bảo an toàn trong thi công, giảm giá trị lún 
mặt đất và không để xảy ra hiện tượng đẩy trồi đất 
hoặc vữa áp lực lên mặt đất ta lựa chọn giá trị áp 
lực duy trì lên gương đào là: 150 kPa ≤ Fg ≤250 
kPa. 
Tài liệu tham khảo 
Abaqus Inc. “Abaqus User's Manual.” Version 6.12. 
Simulia. 2012. 773p. 
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 tunnelling. Geo - Spatial Technologies 
and Earth resources (ISM - 2017). 415 - 420. 
1 - Fg = 50 kPa; 2 - Fg = 100 kPa; 3 - Fg = 150 kPa; 4 - Fg = 200 kPa; 5 - Fg = 250 kPa. 
Hình 7. Lún mặt đất dọc trục đường hầm khi sử dụng các giá trị áp lực lên gương đào khác nhau 
36 Đỗ Ngọc Thái, Đỗ Đức Toàn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (1), 28 - 36 
O’Reilly, M. P. and New, B. M., (1982). Settlements 
above tunnels in the UK - their magnitude and 
prediction. Tunnelling 82. 173 - 181. 
Peck, R.B. (1969). Deep excavations and 
tunnelling in soft ground. In: Proc. 7th ICSMFE, 
State-of-the-art Volume, Mexico City. Mexico: 
Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos. 225 
- 290. 
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. 
Proceedings of the mining institute 211. 53 - 63. 
Schmidt, B., 1974. Prediction of Settlements Due 
To Tunnelling in Soil: Three Case Histories, 
Proceedings. Rapid Excavation and Tunnelling 
Conference 2. 1179 - 1199.. 
Vittorio Guglielmetti, (2007). Mechanized 
Tunneling in Urban Areas: Design 
methodology and construction control / 
Vittorio Guglielmetti, Piergiorgio Grasso, 
Shulin Xu; Taylor&Francis e-Library. 2007. 
504. 
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. 463.