Bài giảng Thiết kế công trình ngầm

§1 Khái niệm chung1.4 Nhiệm vụ và nội dung công tác khảo sát  Điều kiện địa hình, dân cư kinh tế: các lớp đất, nhận công, vật liệu xây dựng  Điều kiện, đặc điểm cấu tạo địa chất: thế n

Trang 1

THIẾT KẾ CÔNG

TRÌNH NGẦM

Giảng viên: TS Đỗ Tuấn Nghĩa

Bộ môn: Địa Kỹ Thuật Trường: Đại Học Thủy Lợi

Trang 3

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trang 4

Chương 1

KHÁI NIỆM CƠ BẢN

VỀ CTN

Trang 5

§1 Khái niệm chung

1.1 Phân loại CTN theo mục đích sử dụng

Trang 6

 CTN dùng cho vận tải:

Trang 7

Trang 8

Bản đồ

hệ thốngtầu điệnngầmĐài Bắc

Trang 9

Bản đồ

hệ thốngtầu điệnngầmTokyo

Trang 10

Bản đồ

hệ thốngtầu điệnngầm

Hà Nội (dự

kiến)

Trang 11

Bản đồ

hệ thốngtầu điệnngầm

Hồ ChíMinh (dựkiến)

Trang 12

Trang 13

Trang 14

Trang 15

 CT thủy công ngầm:

Hầm thủy điện

Hầm thoát nước

Hầm cấp nước

Trang 16

Trang 17

Trang 18

 Hầm phục vụ kinh doanh đô thị:

Khu kinh doanh dưới lòng đất (mall)

Hầm cung cấp gas

Đường ống dẫn dầu, nước nóng, cáp điện, v.v

Trang 19

Trang 20

Trang 21

Trang 22

Trang 23

Trang 24

 CTN có chức năng đặc biệt:

Trang 25

Trang 26

Trang 27

 CTN khai thác khoáng sản: hầm khai thác than,

muối,v.v

Trang 28

 CTN khai thác khoáng sản:

Trang 29

 CTN khai thác khoáng sản:

Trang 30

1.2 Phân loại CTN theo kích thước tiết diện

 CTN tiết diện nhỏ: chiều ngang sử dụng < 4 m

CTN tiết diện trung bình: chiều ngang sử dụng 4-8 m

TN tiết diện lớn: chiều ngang sử dụng > 8 m

Trang 31

1.3 Các hạng mục công việc trong quá trình thiết kế

CTN

 Khảo sát, điều tra, quy hoạch tổng thể khu vực

xây dựng

Tính toán thiết kế và lập bản vẽ thi công

Lập tổng dự toán và biện pháp thi công

Trang 32

1.4 Nhiệm vụ và nội dung công tác khảo sát

 Điều kiện địa hình, dân cư kinh tế: các lớp đất,

nhận công, vật liệu xây dựng

 Điều kiện, đặc điểm cấu tạo địa chất: thế nằm của

địa tầng

 Điều kiện khí tượng thủy văn: lượng mưa, mực

nước ngầm

 Đặc điểm tính chất cơ lý của đất đá

 Điều kiện địa chất thủy văn: đặc điểm tầng chứa

Trang 33

§2 Hầm đường sắt và tầu điện ngầm

Trang 34

Trang 35

2.1 Hầm đường sắt

Trang 36

2.1 Hầm đường sắt

 Vỏ hầm đường sắt:

Trang 37

 Kích thước vỏ hầm đường sắt đơn theo hệ số

cường độ (fc) của đất đá quanh hầm:

Đơn vị: mm

Trang 38

 Kích thước vỏ hầm đường sắt đôi theo hệ số

cường độ (fc) của đất đá quanh hầm:

Trang 39

2.2 Hầm đường tầu điện ngầm

Hầm đường tầu điện ngầm gồm:

Trang 40

Mặt cắtngangđiển hìnhtại Line 2 (HN)

21 m

13 m

Trang 41

150 m

24

m

Trang 42

Trang 43

Trang 44

Trang 45

Trang 46

2.1 Hầm khu vực lộ thiên

 Tiết diện: tròn hoặc tứ giác tùy theo cường độ đất

và phương pháp thi công

Trang 47

Trang 48

Trang 49

2.2 Nhà ga tầu điện ngầm

 Phân loại theo số sân chờ:

Trang 50

 Phân loại theo cấu tạo nhà ga: tiết diện vuông, tiết

diện tròn

Trang 51

 Cấu tạo vỏ nhà ga:

Trang 52

 Cấu tạo vỏ nhà ga:

Trang 53

§3 Hầm đường ô tô

 Hầm được xây dựng xuyên qua sông, núi, hoặc

qua không gian giao cắt với đường giao thông khác

 Yêu cầu khi thiết kế: chọn vị trí, độ sâu, chức

năng của đường hầm Nếu hầm đi qua sông cần chú

ý chiều dày lớp phủ và độ dốc

 Vỏ hầm cần được thiết kế có hệ thống thông gió ,

đường dành cho người đi bộ, hệ thống thoát nước

 Khi hầm dài hơn 300 m thì cần bố trí ngách tránh

Trang 54

§3 Hầm đường ô tô

Cấu tạo mặt cắt ngang hầm đường ô tô: (a) nền đá và

Trang 55

§4 Hầm dẫn nước

 Hầm dẫn nước gồm: hầm thủy điện, hầm cấp

nước, hầm thoát nước, v.v

 Theo mức độ áp lực của nước bên trong hầm:

Trang 56

Trang 57

 Hầm có áp:

Tiết diện tròn

Bề dày lớp vỏ BTCT ≥ 0.2 m

Khi thi công cần phụt vữa xi măng để làm tăng sự

liên kết và giảm tính thấm của đất đá

Trang 58

Trang 61

§5 Hầm lò khai khoáng

 Theo hình dạng chống lò: tứ giác, hình thang,

cung tròn v.v

 Thông số kỹ thuật của hầm thẳng:

Chiều rộng lối đi > 0.7 m

Khoảng cách giữa các phương tiện > 0.2 m

Khoảng cách giữa thiết bị và vách > 0.2 m

Chiều cao từ đỉnh ray tới đường điện > 1.9 m

Lớp sỏi đệm dưới tà vẹt > 0.1 m

5.1 Lò ngang

Trang 62

 Thông số kỹ thuật của hầm cong:

Tham khảo thống số của hầm thẳng

Nếu bán kính cong R < 15 m: lấy thêm bán kính

phía ngoài > 0.25 m và phía trong > 0.2 m

Nếu bán kính cong R > 15 m: lấy thêm bán kính

phía ngoài > 0.15 m và phía trong > 0.1 m

5.1 Lò ngang

 Tốc độ thông gió: >8 m/s với hầm chính và > 6

m/s với hầm phụ

Trang 63

 Tiết diện ngang của hầm: hình tròn, tứ giác, ô van

Tiết diện tròn dùng cho hầm sử dụng lâu dài (>15

Trang 64

 Tiết diện thanh chống và thanh dẫn hướng bằng

thép: thép hình I, C,

5.2 Lò đứng

 Tốc độ lưu thông khí: 8 m/s với hầm cho người đi

lại, 12 m/s với hầm vận chuyển hang, 15 m/s với

hầm thông gió có tời

Trang 65

 Lò nghiêng được lựa chọn phụ thuộc vào điều

kiện địa hình, chức năng của lò, và điều kiện kết nối

với công trình trên mặt đất

5.3 Lò nghiêng

 Mặt cắt ngang và lớp vỏ của lò nghiêng lấy giống

lò ngang khi góc nghiêng < 450 và giống lò đứng

khi góc nghiêng > 450

Trang 66

Chương 2

TÍNH CHẤT VẬT

LÝ-CƠ HỌC CỦA ĐẤT ĐÁ

Trang 67

§1 Cấu trúc, tính nứt nẻ, tính phong hóa, và tính lỗ

rỗng của đất đá

 Tính chất cơ-lý của đất đá có ảnh hưởng lớn tới

việc thiết kế và thi công CTN (áp lực đất, khoan nổ,

Trang 68

Đá biến chất: cường độ có thể tăng hay giảm tùy

thuộc vào tác nhân gây biến chất và đặc điểm của đá

gốc (đá phiến < đá gốc, đá sừng hình thành do tiếp

xúc nhiệt > đá gốc)

Trang 69

1.1 Cấu trúc của đất đá

 Kiến trúc và cấu tạo của đất đá thể hiện trạng thái

cấu thành của khoáng vật tạo ra đất đá

 Kiến trúc của đất đá được đặc trưng bởi: trình độ

kết tinh, hình dáng, kích thước, và liên kết của các

Trang 70

1.1 Cấu trúc của đất đá

 Cấu tạo của đất đá là đặc điểm về sự phân bố và

sắp xếp của các hợp phần tạo đất đá

Đất đá có cấu tạo khối: tính đồng nhất

Đất đá có cấu tạo lớp: tính dị hướng về cơ học và

tính chất đối với nước

Trang 71

1.2 Tính nứt nẻ của đá

 Tính nứt nẻ được đặc trưng bởi mức độ phát triển

và đặc điểm của các khe nứt trong đá

 Phân loại đá theo tính nứt nẻ:

Đá nứt nẻ thấp: các khe nứt hẹp bề rộng < 1 mm,

khoảng cách giữa các khe 0.5-1 mm

Đá nứt nẻ trung bình: các khe nứt hẹp và vừa nằm

xen kẽ, khoảng cách giữa các khe 0.3-0.5 mm

Đá nứt nẻ mạnh: các khe nứt hẹp, vừa, và rộng

Trang 72

1.2 Tính nứt nẻ của đá

 Hướng phát triển của khe nứt phụ thuộc vào tác

nhân phong hóa, thành phần khoáng vật, lực vận

động kiến tạo

 Đá nứt nẻ càng mạnh thì độ bền càng thấp, độ ổn

định thấp, tính thấm nước tăng, nhưng dễ phá dỡ

Trang 73

1.3 Tính phong hóa của đá

 Mức độ phong hóa của đá giảm dần theo chiều

sâu và được chia thành các đới:

Đới nứt nẻ: các khe nứt phát triển ít, đá trong đới

nứt nẻ gần giống đá gốc về hình dạng và cường độ

Đới khối tảng: các khe nứt phát triển mạnh phá

hủy đá thành các khối Tính chất của đá bắt đầu khác

đá gốc

Đới dăm sạn: gồm dăm sạn lẫn cuội nhỏ Khoáng

Trang 74

1.3 Tính phong hóa của đá

Đới vụn mịn: khoáng vật thứ sinh chiếm ưu thế

so với khoáng vật nguyên sinh Độ bền chống cắt

của đá thấp

Trang 75

1.4 Tính lỗ rỗng của đá

 Theo nguồn gốc của lỗ rỗng:

Lỗ rỗng nguyên sinh: thành tạo đồng thời với quá

trình hình thành đá

Lỗ rỗng thứ sinh: thành tạo do đá gốc bị phong

hóa, xâm thực, v.v

Trang 76

V là thể tích hạt đất đá

Trang 77

1.4 Tính lỗ rỗng của đá

 Độ rỗng của đá càng lớn thì cường độ của đá càng

giảm

Trang 78

§2 Thủy tính của đất đá

2.1 Tính trương nở và tính co ngót

 Tính trương nở là khả năng tăng thể tích của đất

đá khi bị thấm nước

 Đặc biệt với đất sét: nước làm giảm lực dính kết

của hạt sét, tăng thể tích đất, và giảm tính thấm

Trang 79

 Các chỉ tiêu cho tính trương nở:

Độ trương nở: V(sau trương nở)/V (trước trương nở)

(%)

Độ ấm trương nở: độ ẩm ứng với trạng thái đất đá

trương nở tối đa (%)

Áp lực trương nở: áp lực phát sinh khi đất đá trương

nở (kG/cm2)

Trang 80

 Tính co ngót là khả năng giảm thể tích của đất đá

khi bị mất nước

 Độ ẩm giới hạn co ngót: là độ ẩm tương ứng với

trạng thái có ngót tối đa của đất đá

 Đất đá càng trương nở nhiều thì càng co ngót lớn

Trang 81

2.2 Trạng thái dẻo của đất đá

 Tính dẻo của đất đá là khả năng trở về hình dạng

ban đầu sau khi ngừng tác dụng lực lên đất đá

 Đất sét có tính dẻo và độ dẻo phụ thuộc vào thành

phần và hàm lượng hạt phân tán mịn, hạt sét, cation

 Đất cát, đá cứng, và nửa cứng không có tính dẻo

Trang 82

khi khô và khi bão hòa nước (kG/cm2)

Trang 84

2.3 Tính hóa mềm và tính tan rã

b) Tính tan rã

 Tính tan rã là khả năng mất lực liên kết trong đất

đá do chất kết dính giữa các hạt bị hòa tan

 Các chỉ tiêu đặc trưng cho tính tan rã:

Thời gian tan rã: khoảng thời gian tính từ lúc bắt

đầu đến khi kết thúc quá trình tan rã

Đặc điểm tan rã: phản ánh hình thức quá trình tan

rã

Trang 85

2.3 Tính hóa mềm và tính tan rã

b) Tính tan rã

 Tính tan rã ảnh hưởng tới tính ổn định của đất đá

xung quanh CTN, độ dốc của mái, v.v

Trang 86

2.4 Tính hút nước và tính nhả nước

a) Tính hút nước

 Tính hút nước là tính chất hấp thụ nước của đất đá

 Tính hút nước phụ thuộc vào độ lớn, đặc tính lỗ

rỗng, và điều kiện hấp thụ nước (có áp hay không)

 Độ hút nước:

𝑊ℎ = 𝑚𝑤

𝑚𝑠Trong đó, mw là khối lượng nước hấp thụ (g) và ms

Trang 87

Trong đó, mbh là khối lượng nước chứa đầy khe nứt

của đá (g) (dưới áp lực 150 atm)

 Hệ số bão hòa:

𝐾𝑏ℎ = 𝑊ℎ

𝑊

Trang 88

2.4 Tính hút nước và tính nhả nước

b) Tính nhả nước

Tính nhả nước là khả năng giải phóng 1 lượng

nước nhất định bằng cách chảy tự do dưới tác dụng

của trọng lực

 Hệ số nhả nước:

𝜇 = 𝑊ℎ𝑀 − 𝑊𝑃𝑇𝐿𝑁Trong đó, WhM là độ hút nước lớn nhất và WPTLN là

độ hút nước phân tử lớn nhất

Trang 89

2.5 Tính thấm nước

 Tính thấm nước là khả năng cho nước thấm qua

của đất đá

 Tính thấm được đặc trưng bởi hệ số thấm K

 K phụ thuộc vào kích thước lỗ rỗng và khe nứt,

thành phần khoáng vật của đất đá, và ngoại lực tác

dụng

Trang 90

 Vận tốc thấm

V = KITrong đó, K là hệ số thấm, I là gradient thủy lực

Trang 91

Trang 92

§3 Quan hệ giữa ứng suất và thành phần biến dạng của đất đá

Các ứng suất chính của khối đá

Trang 93

§3 Quan hệ giữa ứng suất và thành phần biến dạng của đất đá

Trang 94

§4 Cường độ và đường tròn ứng suất giới hạn của đất đá

Cường độ của đất đá là khả năng chống lại lực tác

dụng gây ra biến dạng

Theo biến dạng, đất đá được chia ra:

Đất đá có phá hoại giòn

Đất đá có phá hoại dẻo

Trang 95

Quan hệ giữa cường độ chống nén (Rn), kéo (Rk), và

Trang 96

Đường bao ứng suất giới hạn của đất đá có rất nhiều

dạng: đường thẳng, elip, parabol, v.v

Với các vật thể phân tán mịn hoặc thô, đường bao

ứng suất giới hạn thường là dạng đường thẳng:

𝜏 = 𝜎𝑡𝑔𝜑 + 𝑐

Trang 97

§5 Tính chất của đá vụn thô-nửa cứng

Thể phân tán thô là đất đá trầm tích không có lực

liên kết hoặc liên kết yếu

Khối đất đá có mặt dốc tạo với mặt phẳng ngang 1

góc 𝛼0

Trang 99

đơn vị

Trang 100

§6 Tính chất của đá cứng

Hệ số cường độ lấy từ TNo

f = 𝑅𝑛′

100Trong đó,

𝑅𝑛′ là độ bền chống phá hoại khi nén 1 trục

Trang 101

§7 Tính chất của đất loại sét

Sinh viên tự nghiên cứu

Trang 102

§8 Tính biến dạng lún theo thời gian-nén cố kết thấm

Trang 103

§9 Phương pháp xác định tính chất cơ học của đá

Trang 104

Chương 3

ÁP LỰC ĐẤT ĐÁ TÁC

DỤNG LÊN CTN

Trang 105

Trang 106

1 Tổ hợp tải trọng

 Các TT đưa vào TK CTN bao gồm:

i TT cơ bản: (1) TT bản thân; (2) AL đất; (3) AL

nước; (4) TT của CT bên trên; (5) TT của thiết bị

ii TT phụ: (1) giãn nở do nhiệt; (2) TT thi công (máy

đào, áp lực vữa sau vỏ hầm)

iii TT đặc biệt: (1) động đất; (2) AL đất do sạt lở

Trang 107

Các THTT:

i THTT cơ bản: tĩnh tải và hoạt tải

ii THTT phụ: TT cơ bản+ TT phụ

iii THTT đặc biệt: TT cơ bản+ TT đặc biệt

TT tính toán = TT tiêu chuẩn*hệ số vượt tải (n)

i Hệ số vượt tải thông thường ≥ 1 với TTGH1

ii Hệ số vượt tải = 1 với TTGH2

Trang 108

1 ALD đứng (có vòm AL) 1.5

2 ALD ngang (có vòm AL) 1.8

3 ALD đứng (ko có vòm AL) 1.4

4 ALD ngang (ko có vòm AL) 1.2

5 TT bản thân CK đúc sẵn 1.1

6 TT bản thân CK đổ tại chỗ 1.2

7 TT bản thân CK ứng suất trước 1.3

8 Hoạt tải đường sắt 1.3

n<1?

Trang 109

ii Chiều sâu chôn hầm

iii Kích thước, tiết diện hầm

iv PP thi công hầm

v Thời gian thi công hầm

Trang 110

2 Áp lực đất đá

Phân loại ALD:

i Theo hướng của ALD: (1) AL đứng; (2) AL

ngang; (3)AL ngược

1

2

H

h B

Trang 111

H

h B

ii Theo trạng thái phân bố: (1) AL đối xứng; (2)

AL lệch

Trang 112

PP nghiên cứu ALD:

i PP nghiên cứu lý thuyết

ii PP nghiên cứu trong phòng TN

iii PP nghiên cứu thực địa

Trang 113

 PP nghiên cứu lý thuyết:

i Hướng 1: (1) pp tính gần đúng; (2) ko xét tới tương

tác địa tầng và vì chống; (3) áp dụng số liệu thực tế

vào giả sử

ii Hướng 2: (1) pp giải tích cơ học MT liên tục; (2) xét

tương tác giữa địa tầng và vì chống dung g/s về biến

dạng

iii Hướng 3: (1) pp giải tích cơ học MT liên tục; (2) xét

tương tác giữa địa tầng và vì chống dùng g/s về ổn

định

Độ chính xác của kết quả: Hướng 1>2 và 3

Trang 114

§2 Trạng thái phân bố US của đất đá

1 Trạng thái phân bố US của đất đá trong tự nhiên

z

i US theo phương đứng: 𝜎𝑧 = 𝛾𝐻 = 𝑖=1𝑛 𝛾𝑖ℎ𝑖

Trang 115

ii Do phân tố ko có bd ngang nên:

𝜀𝑥 = 𝜀𝑦 = 0 Với

Trang 116

Thay 𝐾0 = 𝜇

1−𝜇 (hệ số ALD tĩnh)

𝜎𝑥 = 𝜎𝑦 = 𝐾0𝛾𝐻=𝐾0 𝑖=1𝑛 𝛾𝑖ℎ𝑖

Tiêu đề	Thiết Kế Công Trình Ngầm
Người hướng dẫn	TS. Đỗ Tuấn Nghĩa
Trường học	Đại Học Thủy Lợi
Chuyên ngành	Địa Kỹ Thuật
Thể loại	bài giảng

Định dạng
Số trang	245
Dung lượng	5,22 MB