Đồ án Hầm Giao thông

Hầm là công trình nhân tạo nằm trong lòng đất có một hoặc cả hai đầu nối thông với mặt đất dùng vào mục đích giao thông, dẫn nước hoặc bố trí các hệ thống kỹ thuật khác… Hầm có thể nằm ngang hoặc nghiêng, trường hợp công trình bố trí theo phương thẳng đứng thì gọi là giếng. Ngày nay hầm được sử dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quốc dân đặc biệt là ở các nước phát triển. Đa số các công trình hầm, đặc biệt là hầm lớn là dùng vào mục đích giao thông như hầm đường sắt, hầm đường bộ, đường thủy.

Đồ áN MÔN HọC THIếT Kế Vμ XÂY DựNG

HầM GIAO THÔNG QUA NúI PHầN I: ĐầU BμI ĐầU Số LIệU

I ĐầU BμI Vμ Xử Lý Số LIệU

- Số thứ tự : n=224.Ta có 168<n<224, vậy theo hướng dẫn chọn loại hầm là hầm

đường ôtô cho 3 làn xe của Áo Ta lại có n/56=224/56=4 vậy khổ hầm thiết kế là

K12,cao 4,9 m

- Ta có n/8=224/8=28 vậy theo hường dẫn ta có sơ đồ trắc dọc hầm là sơ đồ 8

- Ta có n=224 do đó theo hướng dẫn chiều dài tuyến hầmlà

L=200+5*n=200+5*224=1320(m)

L 2=0.002*(300-n)*L=0.002*(300-224)*1320=200.6(m)

L1=L-(L2+LA+LB)=1320-(200.6+224+15)=880.5(m)

Chọn dạnh địa chất

Ta có n/20=224/20=11dư 4 vậy số hiệu địa chất dùng thiết kế hầm là số 4 Số hiệu

cụ thể như trong bảng sau

Trong đó

+f:Là kí hiệu hệ số kiên cố

+γ:Là dung trọng của đất

+ϕ=arctg(f): Là góc nội ma sát của đất

Dạng địa chất:n=17

Dạng

địa

chất

LA(m) LB(m) Loại đất đá f γ(T/m3) Loại đất đá f γ(T/m3)

II Yêu cầu nội dung đồ án

- Lên mặt cắt dọc tuyến hầm, xác định chiều dài hầm

- Thiết kế mặt cắt vỏ hầm và mặt cắt ngang hầm

- Hầm ôtô có chiều dài L<400(m) thông gió tự nhiên

- Tính toán kết cấu vỏ hầm ứng với 1 lớp địa chất

III Yêu cầu với thuyết minh vμ bản vẽ

250

25

25

150

- Một hộ chiếu gia cố chống tạm

- Biểu đồ chu kì đào

Phần ii:thiết kế vμ xây dựng hầm Chương i:thiết kế trắc dọc vμ trắc ngang

i Thiết kế trắc dọc,trắc ngang tuyến hầm

1 Thiết kế trắc dọc tuyến hầm

a các thông số tuyến hầm

Tuyến hầm đi qua hai điểm Avà B xuyên qua 1ngọn núi gồm 2 lớp địa chất ,lớp 1 là lớp

đá Granít và lớp 2 là lớp đá Alevrôlít tương đối dày.Khoảng cách giữa A-B là 270m,điểm A có cao độ tự nhiên là 10m,điểm B có cao độ tự nhiên là 15m

Tuyến hầm là hầm đường ôtô ,hầm coa chiều dài 270m(<400m) do đó hầm được thiết

kế thông gió tự nhiên Chênh cao tự nhiên giữa A-B là 5m độ dốc dọc tự nhiên là 18,52%

Theo quy định đối với đường ôtô thì độ dốc dọc tối thiểu và độ dốc dọc lớn nhất là (thường 3,5%) Vậy ta thiết kế dốc dọc của tuyến hầm là

2 Thiết kế tắc ngang tuyến hầm

a Thiết kế khuôn trong vỏ hầm

Khi chọn khuôn trong của vỏ hầm tuân thủ một số nguyên tắc sau:

Hình dạng trục vòm phải trơn tru, liên tục vì trục vòm gấp khúc sẽ làm cho đờng cong

áp lực và trục kết cấu tách ra bất lợi

- Tường thẳng nói chung có chiều dày không đổi Trong trường hợp hầm để hạn chế độ lún có thể mở rộng móng tường

- Về quan đιểm thi công khuôn trong vỏ hầm phảι chọn đối xứng Đιều này áp dụng cho cả những trờng hợp hầm chịu áp lực xiên lệch, nằm trên sườn núi

- Chọn khuôn trong vỏ hầm phảι có một cự ly an toàn Cự ly này tuỳ loạι đιạ tầng có thể chọn từ 15-20cm

Khuôn trong của vỏ hầm có thể đợc thiết kế theo nhiều phơng pháp khác nhau Với hầm tường cong (f ≤ 3 ) ta sử dụng phơng pháp thiết kế ba tâm, với hầm tuờng thẳng sử dụng phương pháp một tâm

Hệ số kiên cố của các lớp địa chất đều >2(lớp I đá Granít f=8, lớp II đá Alevrôlít 3)do đó dấy hầm không cần làm vòm ngược kết cấu phần mặt đường xe chạy và chân tường vỏ hầm có thể đặt trực tiếp lên nền đá.

R60 R

Chương II: tính toán kết cấu vỏ hầm

i Số liêụ tính toán.

Ta tiến hành tính toán và thiết kế vỏ hầm cho lớp địa chất II - đá Alevrôlít - là lớp địa chất chiếm phần lớn trong khu vực địa chất tính toán thiết kế tuyến hầm đồng thời đây cũng là lớp địa chất kém nhất có hệ số kiên cố =2.5-3

Số liệu tính toán của lớp địa chất II

- Hệ số kiên cố : =2,5-3 Tính toán lấy (thiên về an toàn)

- Chiều dày đỉnh tường :

- Chiều dày tường hầm:

II Nguyên lý tính toán

- Kết cấu vỏ hầm được tính toán trên 1 m dài dọc hầm Theo phương ngang hầm ta chia

vỏ hầm thành những đoạn có chiều dài bằng nhau Kết cấu vỏ hầm chịu ALĐT thẳng

đứng và áp lực đẩy ngang của khối đất đá, trọng lượng bản thân của kết cấu.Tại những khu vực kết cấu vở hầm biến dạng và có chuyển vị về phái địa tầng thì kết cấu chịu thêm tác dụng của kháng lực đàn hồi của đại chất xung quanh

- Việc tính toán nội lực kết cấu vỏ hầm được thực hiện bằng phần mền tính toán kết cấu Sap2000 Khi tính toán nội lực ta mô hình hóa kết cấu vỏ hầm như sau: Các đoạn vỏ hầm được chia đều như trên được thay thế bằng các thanh có điểm đầu và cuối là các

điểm đầu và cuối của các đoạn chia như trên.Liên kết giữa các đoạn là liên kết ngàm cứng Các thanh được mô hình hóa thây thế các đoạn vỏ hầm có đặc trưng vật liệu và

mặt cắt như của các đoạn vỏ hầm nghĩa là có chiều rộng 1 m dọc theo chiều dài hầm

và có chiều dày bằng với chiều dày vỏ hầm tại các mặt cắt tượng ứng

- Tác dụng của kháng lực đàn hồi tại nhừng vùng kết cấu vỏ hầm có chuyển vị về phái

đại tâng thay thế với các gối đàn hồi.Các gối đàn hồi này đặt tại vị trí của các nút chia

đốt vỏ hầm Các gối đàn hồi này có độ cứng D được tính oán như sau Cá gối đàn hồi này có chiều dài là 1 m và kích thước mặt cắt có chiều dài bằng chiều của đôt vỏ hần tính toán(1m) chiều rang bằng tổng hai nủa chiều dài của 2 thanh vỏ đốt hầm lliền kề Mô đuyn đàn hồi của địa tầng :E=K

Trong đó :

+K: Hệ số kháng lực đàn hồi(lấy như trên)

+Si:là chiều dài của vở hầm mà gối đàn hồi thay thế, lấy bằng tổng của hai nửa chiều dài đoạn vỏ hầm ở hai bên của nút chia đốt vở hầm tương ứng +b: Là chiều dài của đốt vỏ hầm(b=1m)

- Ta tính toán nội lực vỏ hầm theo phương pháp đúng dần bằng cách bân đầu ở tất các nút đều có các gối đần hồi và tính toán nội lực.Sau khi tính toán nội lực thì các gối đần hồi mà có phản lực gối âm thì ta thay thế bàng các gối hần hồi có độ cúng bàng không

và tính toán lại cho tới khi tất cả các gối đàn hồi đều có phản lực gối dương thi thôi

- Tại vị trí chân vòm thì ta mô hình hóa điều kiện biên như một ngàn đàn hồi( vị trí chân vòn chỉ có chuyển vị lún và xoay tại chỗ mà không có chuyển vị ngang).Độ cứng của ngàm đàn hồi tại vị trí chân vòm xác định như sau

Trong đó:

+Ko: Là hệ ssos kháng đàn hồi của địa tầng tại chân vòm

+Ja:Là mô men quán tính của tiết diện chân vòm:

III tính toán vỏ hầm

1 Tính toán chia đốt vỏ hầm

Như đã nói ở trên mỗi nửa vỏ hầm được chia thành 20 đốt Công việc tính toán chia

Sau khi tiến hành tính toán chia đốt vỏ hầm trên Autocard ta đ−ợc kết quả nh− sau

Sơ đồ chia đốt một nửa vỏ hầm

39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20

Bảng tính toán độ cứng của các gối đàn hồi:

Tiết diện Đốt Chiều dài đốt d(m) K(T/m2) D(Độcứng của gối)

- áp lực địa tầng thẳng đứng tiêu chuẩn là

- áp lực địa tầng thẳng đứng tính toán là

b áp lực ngang địa tầng (xác định theo công thức Cu-Klông)

- Hệ số áp lực ngang

- áp lực địa tầng nằm ngang

- áp lực ngang tại đáy móng

Ap lực ngang của địa tầng phân bố dạng bậc nhất tác dụng lên kết cấu vỏ hầm Để đơn giản cho tính toán quy về dạng phân bố đều vói trị số bằng trung bình cộng của áp lực ngang tại đỉnh vòm và chân vòm Ta Đđợc nh− sau

Sơ đồ xác định ALĐT thẳng đứng lên vỏ hầm

3 tính toán vỏ hầm

Việc tính toán nội lực kết cấu vỏ hầm đ−ợc thục hiện trong phần mềm Sap 2000.Việc tính toán nội lực trong phần mền bao gồm các công việc và trình tự nh− sau

- Khai báo và định nghĩa vật liệu dùng trong kết cấu

- Khai báo và định nghĩa các loại mặt cát dùng trong phân tích và tính toán kết cấu bao gồm cả việc kháI báo và định nghĩa các tiết diện có mặt cắt thayđổi.Vì vỏ hầm có

chiều dày thay đổi và khi tính toán ta chia vỏ hầm ra thành các đoạn nhỏ nhu đã trình bày trong nguyên lý tính toán vỏ hầm bên trên

- Tiến hành mô hình hóa kết cấu vỏ hầm trong phần mềm Sap 2000 bao gồm;

+Nhập các phần tử của kết cấu vỏ hầm và Sap 2000 từ AotuCad

+Tiến hành khai báo và gán các mạt cắt vào các phần tử

+Tiến hành đặt tên cho các phần tử vỏ(các thanh vỏ hầm)và các gối đàn hồi

- Định nghĩa các điều kiện biên bao gồm khai báo các gối dàn hồi và các thanh liên kết hai đầu khớp

- Tiến hành mô hình hóa các loại tỉa trọng tác dung kên két cấu vỏ hầm bao gồm:

+Khai báo các loại tảI trọng(tảI trọng bản thân ,áp lực địa tầng thẳng đứng, áp lực đại tầng nằm ngang).Và khai báo các tổ họp tảI trọng dung trong tính toán

+Định nghĩa các loại tảI trọng tác dụng lên kết cấu

- Tiến hành kiểm tra lại qua trình mô hình hóa trước khí chạy chương trình

- Tiến hành chạy chường trình và kiểm tra kết qủa tính toán,thục hiện công tác lặp thay

đổi các điều kiện biên cho phù hợp vói dạng làm việc thực tế cho đén khi nhận được kết quả vói độ chính xác mong muốn

- Tiến hành xuất các kết quả nội lực trong kết cấu(biểu đồ momen, lực dọc và các kết quả khác)

a Tiến hμnh khai báo vμ định nghĩa các loại vật liệu dùng trong tính toán

Trong quá trình mô hình hóa và tính toán ta sử dụng 3 loại vật liệu chính là:

- Vật liệu bê tông làm vỏ hầm Bê tông vỏ hầm có cá tính chất chính sau: Be tông mác M200 có

Cường dộ chịu nén: Rn=9(MPa)=90(KG/cm2)

Cường dộ chịu kéo :Rk=0.75(MP)=7.5 (KG/cm2)

Mô duyn đàn hồi:Ec=2,4 (T/m2)

Hệ số giãn nở vì nhiệt là: α=0.2

Trọng lượng riêng γc=2.4(T/m3)

- Vật liệu của các gối đàn hồi chịu nén có.:

Trọng l−ợng riêng γ = 0(T/m3)

Mô duyn đàn hồi: E=K=3 (t/m2)

- Vật liệu của các gối đàn hồi chịu kéo có.:

Trọng l−ợng riêng γ = 0(T/m3)

Mô duyn đàn hồi rất nhỏ lấy bằng: E=1(T/m2)

b Tiến hμnh khai báo vμ định nghĩa các loại mặt cắt dung trong tính toán

- Vỏ hầm đựơc chia thành 38 đoạn nhỏ vói các mặt cắt tại các vị trí nh− sau.Vỡ vỏ hầm đụi xỳng nờn ta khai bỏo cỏc mặt cắt như sau

Tiết diện Mặt cắt Đốt Chiều dài đốt d(m) t3(m) t2(m)

- Ta khai bao các mặt cắt có tiết đổi thay đổi cho các đoạn vỏ hầm (thanh)trong phạm vi

vỏ hầm có tiết diện thay đổi Nh− sau

Tiết diện

Mặt cắt thay đổi Tên MC đầu MC cuối

c Tiến hμnh mô hình hóa kết cấu vỏ hầm

Sau khi đã có mô hình kết cấu vỏ hầm nhập vào từ Auto CAD ta tiến hành gán các mặt cắt

có tiết diện không đổi và thay đổi đồng thời tiến hành đặt tên cho các thanh vỏ hầm nhu sau

Tờn thanh Đầu Cuối Tờn MC Tiết diện Mặt cắt thay đổi đầu MC cuối

PT31 31 32 T26 MC3 MC2 PT32 32 33 T27 MC2 MC1

d Tiến hμnh khai bao các điều kiện

Khai báo và địnhnghĩa các điều kiện biên bao gồm

- Khai báo các gối dần hồi tại vị trí chân vòm với các thông số sau:

+Mô duyn đàn hồi của vật liệu nền tại chân vòn theo phương thẳng đứnglà

+Mô duyn đàn hồi của vật liệu nền tại chân vòn theo phương thẳng ngang là

+Mô duyn đàn hồi của vạt liệu nền tại chân vòn theo chống xoay là :à

Kết quả khai báo gối đàn hồi tại chân vòn như sau:

- Liên kết tại vị trí đầu thanh thay thế cho tác dụng của địa tầng là liên két gối di động

do đó khi khai báo điều kiện biên tại các nút này ta chi giữ lại thành phần lực theo phương dọc truc còn lại ta giả phóng hết 2 thành phàn còn lai

Kết quả khai báo các goi di đọng tại các thanh như sau

- Giải phóng liên kết đầu còn lại của các thanh thay thế cho kháng lực đàn hồi đua các thanh này về thanh 2 đầu khớp >kết quả ta được như sau:

e Tiến hμnh khai bao các loại tảI trọng

- Ta tiến hành định nghĩa các loại tải trọng:

+Dead: là tảI trọng bản thân kết cấu vỏ hầm

+ALTD: Là áp lực địa tầng thẳng đứng

- Khai báo các loại tổ hợp trọng

+TTCD1: Là tổ hợp tải trọng theo trang TTGHCĐI Trong tổ hợp này ta lấy hệ hệ số tải trọng cho Dead là γ=1.2 còn ALTD và ALN là γ=1

+TTSD: Là tổ hợp tải trọng theo trang TTGHSD Trong tổ hợp này ta lấy hệ hệ số tảitrọng cho Dead là γ=1 còn ALTDlà γ=0.6667 và ALN là γ=0.8333

- Tiến hành định nghĩa các loại trọng

+Tải trọng thảng đứng thì kháI báo hệ số trọng l−ợng tác dụng là :-1.Sau khi khai báo tảI trọng bản thân ta đ−ợc kết quả nh− sau

+ Tải trọng thẳng đứng(ALTD) tác dụng lên các thanh nằm trong pham vi phần vòm cong của vỏ hầm với cường độ là :-9.146(T/m) Sau khi khai khai báo tải trọng ALTD

ta được kết quả như sau

+Tải trọng nằm ngang(ALN) tác dụng lên các thanh nằm trong pham vi 1/2 vỏ hầm bên trái với cường độ là :0.6(T/m) và lên các thanh nằm trong pham vi 1/2 vỏ hầm bên phải với cường độ là :-0.6(T/m) Sau khi khai khai báo tải trọng ALN ta được kết quả như sau

f Tiến hμnh chạy chương trình

Sau khi đã hoàn thành tất cả các công việc khai báo ,mô hình hõa kết cấu ta tiến hành chạy chương trình tính toán và kiển tra kết quả tính toán nội lực

Sơ đồ các loại mặt cắt trong các phân tử chọn làm tính toán thiết kế

Biểu đồ momen uốn trong kết cấu vỏ hầm ở TTGHCĐI

Biểu đồ lục dọc trong hầm ở TTGHCĐI

4 Kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu vỏ hầm

Khi kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu vỏ hầm ta tiến hành kiểm tra theo 2 trường

hợp là tiết diện của kết cấu vỏ hầm chịu nén lệch tâm bé và nén lệch tâm lớn

- Nếu tiết diện chịu nén lệch tâm bé (độ lệch tâm e=M/n <0,225.d) thì tiết diện hầm

được kiểm tra theo công thức

- Nếu tiết diện chịu nén lệch tâm lớn (độ lệch tâm e=M/n 0,225.d) thì tiết diện hầm

được kiểm tra theo công thức

Trong đó :

+ Là lực nén của tiết diện kiểm tra

+ Là lực nén giới hạn cuat tiết diện (khả năng chịu nén của tiết diện)

+m: Là hệ số điều kiện làm việc (kể tới sự sai lệch của sơ đồ làm việc )

Lấy m=0,9

+ :Cường độ chịu nén của bê tông vỏ hầm

+ : Cường độ chịu kéo của bê tông vỏ hầm

+ b: Là chiều rộng tính toán của đôt vỏ hầm (b=1m)

+d: Chiều dày tiết diện vỏ hầm kiểm tra

+e: Độ lệch tâm của tiết diện vỏ hầm

+1,75: Là hệ số xét đến tăng khả năng chịu lực do biến dạng dẻo

Sau khi tính toán ta có bảng sau

Tiết

diện M(Tm) N(T) e(m) d(m)

0,225d (m)

Kiểu lệch tõm

Rn (T/m2) Rk (T/m2) m Ngh (T)

Từ kết quả của bảng kiểm toán tiết diện ta thấy tiết diện vỏ hầm dã thiết kế có các tiết

điện không đảm bảo khả năng chịu lực do đó ta phải có các biện pháp điều chỉnh thiết kế

để các tiết diện vỏ hầm đủ khả năng chịu lực

- Trong thực tế thiết kế và thi công xây dụng hầm có một số các biện pháp chính sau

+Biện pháp thứ nhất: Là tăng khả năng chịu của tiết diện bằng cách tăng cường

đọ chịu nén và chịu kéo của bê tong lên hay nói cách khác ta tăng mác bê tông

lên

+Biện pháp thứ hai:Tăng chiều dày của kết kết cấu vỏ hầm lên để giảm độ lẹch

tâm do mô men uốn gây ra

+Biện pháp thứ ba :Là ta tiến hành thiết kế lại khuôn trong và khuôn ngoài cho

kết cấu vỏ hầm

+Biện pháp thứ tư : Là ta tiến hành đặt côt thép vào khu vực có các tiết diện chịu

lệch tâm lớn do mô men uốn và khi đó ta tính toán các tiết tiết diện vỏ hầm là

một kết cấu bê tông cốt thép chịu uốn chứ không tính toán kiểm tra tiến diện theo

tiết diên chịu nến lệch tâm nữa

- Nhận xét các phương án điều chỉnh thiết kế:

+Với phương án 1 là phương án tăng mác bê tông: Ta thấy kết cấu vỏ hầm chỉ có một

số các tiết diện chịu lệch tâm lớn là không đẩm bảo khả năng chịu lực còn các tiết diện

còn lại thì đảm bảo khả năng chịu lục nên khi ta tiến hành tăng tăng khả nawgn chịu

lực của vật liệu vỏ hầm (tăng Mác bê tông vỏ hầm) sẽ gây lãng phí và tốn kếm vật liệu

khi tăng chiều dày vỏ hầm sẽ dẫn tới tăng diện tích hang đào làm tăng khối lượng công tác đào phá xúc bốc vận chuyển đất đá Cho thấy phương án làm tăng khối lượn vật liệu và khối lượng công tác đào phá xúc bốc gây lãng phí không cần thiết nhiều và hiệu quả tăng khả năng chịu lục của tiết diện không cao

+ Với phương án 3 là phương án tăng tiến hành tính toán thiết kế lại khuôn trong và khuôn ngoài kết cấu vỏ hầm: Ta thấy phương án này làm phức tạp cho công tác thiết

kế làm thay đổi mặt cắt ngang kết cấu vỏ hầm và cũng dẫn tới có khả năng sẽ làm tăng tiết diện hang đào Ta thấy phương án này có tính khả thi cũn không cao

+Ta thấy với phương án thứ 4: Đó là tiến hành bố trí cốt thếp tại khu vực kết cấu vỏ hầm có đọ lệch tâm lớn và không đảm bảo chịu lực.Với các khu vực không đảm bảo chịu lực ta chỉ cần tiến hành bố trí cốt thép và tính toán kiểm tra tiết diện như tiết diện của kết cấu bê tông cốt thép bình thường Ta thấy phương án này khá tiết kiệm vất liệu, và tính toán cũng khá đơn giản không máy phức tạp,khối lượng vật liệu bê tông

vỏ hầm không thay dổi nhiều và quan trọng nhất là mặt cắt ngang hầm đã chon thiết

kế tính toán không bị thay đổi gi cả

Vậy kiến nghị đề xuất biện pháp thiết kế cho các mặt cắt có độ lệch tâm lớn không đảm bảo khả năng chịu lực là tiến hành bố trí cốt thép tại khu vực mà các tiết diện không đảm bảo khả năng chịu lực do có độ lệch tâm lớn và tính toán kiển tra khả năng chịu lực của mặt cắt là mặt cắt của kết cấu bê tông cốt