Adme Home Institution—Florida State University Home Advisor—Makola M.. Các sóng này có th là sóng Rayleigh hay sóng Love Merritt, J... Numerical analysis of tunnel dynamic response to e
Trang 1PHÂN TÍCH S T NG TÁC C A CÔNG TRÌNH NG M
ÀO THEO PH NG PHÁP ÀO H M M I C A ÁO (NATM) TR I QUA QUÁ
TRÌNH GIA T I C A NG T V I CÁC LO I T Á
Tác gi :
Zaneta G Adme
Home Institution—Florida State University Home Advisor—Makola M Abdullah, Ph.D REU Institution—University of Tokyo REU Advisor—Yozo Fujino, Ph D
Trang 2Phân tích s t ng tác c a công trình ng m đào b ng ph ng pháp NATM
trong quá trình gia t i c a đ ng đ t v i các lo i đ t đá khác nhau
Tóm t t
Các công trình ng m đóng m t vai trò r t l n trong vi c phát tri n các vùng đô th Trong
h u h t các vùng di n tích c a các đô th , th t là khó kh n đ xây d ng các công trình g n sát ngay các công trình đã đ c c u trúc t tr c R t nhi u các đô th l i n m g n nh ng n i có nh
h ng c a n c vì th nên đ t đá trong vùng th ng y u M t s vùng l i còn ch u nhi u s nh
h ng c a đ ng đ t D n đ n s c n thi t cho vi c tri n khai ph ng pháp k thu t đ xây d ng công trình ng m
Ph ng pháp đào h m m i c a Áo
ngày m t tr lên ph bi n m t cách r ng
rãi và đã đ c ch p nh n b i r t nhi u
qu c gia và nó đã tr thành m t chu n
m c trong vi c thi t k và thi công công
trình ng m NATM là m t ph ng pháp
k t h p s d ng s ch ng gi c a đ t đá
xung quanh và v ch ng công trình ng m
đ thành m t c u trúc ch ng gi V i s
phát tri n m r ng c a ph ng pháp này,
thì vi c kh o sát đ đánh giá đi u ki n phù
h p c a đ t đá v i công trình ng m là m t
vi c r t c n thi t Trong vi c này thì đ t đá
c a các thành ph s đ c phân tích và
đánh giá xem kh n ng thích ng c a các
lo i đ t đá v i các công trình ng m dùng
ph ng pháp NATM s d ng các mô hình
hai chi u v i gi thi t đ t trong các đi u
ki n có đ ng đ t
L i gi i thi u
Có nhi u lí do vì sao s d ng các công trình ng m Các công trình ng m có th k t n i các vùng đ t v i nhau đ tránh các đi u ki n đ a ch t nguy hi m, có th t o các đ ng vòng đ tránh các công trình đã xây d ng n đ nh, ngoài ra còn đóng góp r t l n làm gi m các m i lo
ng i v v n đ môi tr ng ó là các lí do chính đáng cho vi c s d ng các công trình ng m
Nh ng h u h t các đ ng h m đang đ c s d ng hi n nay làm đ t ng l u l ng giao thông
M i n m ph n tr m dân s th gi i s ng trong đô th , b y m i ph n tr m dân s s ng trong
nh ng vùng b nh h ng c a đ ng đ t (Merritt, J L., Monsees, J E., Hendron, A J., 1985) Vào giai đo n đ u, các công trình ng m đ c thi t k mà không tính toán đ n nh h ng c a
đ ng đ t Nh ng g n đây, đã có r t nhi u s quan tâm đ n tác h i c a đ a ch n đ n các c u trúc
c a các công trình ng m (Merritt, J L., Monsees, J E., Hendron, A J., 1985)
Trang 3Ng i ta phân ra hai lo i chính v nh
h ng c a đ ng đ t đ n các công trình ng m:
s ch n đ ng c a đ t đ t đá và s phá hu n n
móng Khi đ a ch n x y ra, sóng đ c truy n qua các l p v c a trái đ t Và k t qu là là s chuy n đ ng c a n n móng đ c hi u là các c n đ a ch n Có hai lo i đ a ch t c b n Các sóng
l n đ c truy n đi n i trong các l p c a v trái đ t Các sóng này có th là c sóng d c P và sóng S c t ngang Các sóng này truy n đi tr c ti p trong đ t đá M t c a sóng truy n đi d c theo
b m t c a trái đ t trong cùa m t lo i v t ch t và có th truy n trong n c Các sóng này có th
là sóng Rayleigh hay sóng Love (Merritt, J L., Monsees, J E., Hendron, A J., 1985).B t k m t
c u trúc c a công trình ng m nào c ng b bi n d ng c ng nh là đ t đá b bi n d ng gây ra b i các sóng đ c truy n đi này S phá
h y đ t đá bao g m r t nhi u d ng
khác nhau Nó có th là các phay vò
nhàu đ c hình thành, các vùng b
hóa l ng và các s nâng h ki n t o
Và m i r i ro này đ u có nh ng nh
h ng không t t đ n c u trúc các
công trình ng m (Merritt, J L.,
Monsees, J E., Hendron, A J.,
1985)
Trang 4Nhi u ph ng pháp thi t k và thi công công trình ng m thông th ng đã đ c s d ng
Và m t ph ng pháp chung nh t trong đó là l a ch n tùy theo đi u ki n đ a ch t, kích th c công trình ng m và các nhân t khác (Kirzhner, F and Rosenhouse, G., 2000) Và có vài ph ng pháp đã đ c thi t k và đ a vào th c t Ph ng pháp đào h m m i c a Áo là m t ph ng pháp trong s đó, sau khi công trình ng m đ c khai đào, bê tông phun đ c phun lên b m t c a công trình ng m bao ph l y b m t đ t đá và tr thành thành ph n c a c u trúc ch ng gi (Yang, M W W., 2002) Ph i h t s c c n th n trong quá trình khai đào và áp d ng tr c ti p
ph ng ti n ch ng gi đ ng n ng a kh n ng r i c a k t c u ch ng gi này Các công trình
ng m này ph i đ c phun ph bao quanh ti t di n đ tránh áp l c t p trung vào m t khu v c n i
mà các k t ch ng c khí t ra b t l i (Yamaji, H) Các đ ng h m này c ng đ c t n d ng các
v ch ng m ng đ làm gi m cho nh nh t mô men u n S quan tr c đ đ i phó k p th i trong
su t quá trình xây d ng là m t y u t r t quan tr ng trong NATM i u này có ngh a là quy trình và yêu c u ch ng gi ph i tùy bi n h p lí (Yang, M W W., 2002) R t nhi u qu c gia đã
ch p nh n ph ng pháp này nh là m t ph ng pháp chính c a xây d ng công trình ng m
Ph ng pháp nghiên c u
M c tiêu c a công trình là đánh giá và phân lo i đ t đá, khi đ c s d ng chung v i
đ ng h m đ c thi công theo NATM Vi c này đ c th c hi n t t khi ch th b kích thích b i các ch n đ ng c a đ ng đ t B y thành ph trên th gi i đã đ c l a ch n và đ t đá đó đ c đánh giá là ch y u n m trong vùng b d ch đ ng cao nh t Và đó đ u đã t ng tr i qua quá trình
b đ ng đ t
đ a ra k t qu h p lí và đ m b o s hoàn t t c a công trình, ph ng pháp gi i quy t
đã đ c thi t l p B c th nh t là nh n d ng v n đ t nhiên và đánh giá tác đ ng có th x y
đ n B c ti p theo trong quy trình là đ nh ngh a các thông s đ u vào và đ nh ngh a mô hình
d a trên c s đ u vào B c cu i cùng là tìm ra gi i pháp c a m u và xem xét k t qu c a công trình
Ba b c c b n c th là:
1 Nh n d ng v n đ t nhiên
- Mô t c u trúc t nhiên
- Nh n d ng ngu n kích thích đ ng l c
- ánh giá kh n ng có th x y ra
2 nh ngh a mô hình
- Xác đ nh thông s đ u vào
Trang 5- Gi i quy t v n đ đ thu đ c câu tr l i
- Xem xét l i các k t qu
Các thành ph đ c l a ch n cho công trình này là:
• Agadir, Ma r c;
• Avezzano, Italy;
• Chimbote, Pê ru;
• Los Angeles, California, Hoa K ;
• Mexico City, Mê Hi Cô;
• Tangshan, Trung Qu c;
• Tokyo, Nh t B n
B N PHÂN B NG T TH GI I (1999-2003)
Có b n tiêu chu n c b n đ c l a ch n đ s d ng trong l a ch n các thành ph trong công trình Tiêu chu n th nh t là l ch s đ ng đ t c a thành ph ây là vi c r t c n thi t đ s
d ng các thành ph th ng b nh h ng c a đ ng đ t l n Tiêu chu n ti p theo là s dân trong thành ph Xác đ nh đ c thông s này là c n thi t đ xác đ nh ti p tiêu chu n th ba: kh n ng công trình ng m có th đ c s d ng Tiêu chu n cu i cùng đ c dùng đ l a ch n các thành
ph là s khác nhau c a các lo i đ t đá đ c tìm th y trong vùng M t đi u c ng r t c n thi t đ
l a ch n các thành ph là đ t đá ph i có đa d ng t ng ph n nhau đ trong quá trình phân tích tìm đ c k t qu trong mi n r ng
Hi n có 15 lo i đ t đá khác nhau hi n có trên th gi i (theo quan đi m c a Yamaji, H)
i u này có th đ c hi u r ng r t là c n thi t đ l y các lo i đ t đá này thí nghi m đ tìm ra
ki u thi công công trình ng m m t cách thích h p v i m i lo i đ t đá đ c li t kê M i thành
ph s d ng trong thí nghi m đã đ c phân lo i đ t đá Lo i đ t đá đó đ c phân lo i k t h p theo m i yêu c u c th Lo i đ t đá và thành ph n đ t đá (k c các thành ph n khác bao g m trong đ t đá đó) c a m i thành ph đ c li t kê trong b ng sau:
Trang 6B N PHÂN B T Á TRÊN TH GI I
a đi m Lo i đ t đá Thành ph n đ t đá có ch a
Los Angeles, California, Hoa K Mollisols H p ch t h u c
Mexico City, Me hi cô Andisols Bùn có đ d o trung bình
Tính ch t c a các lo i đ t đá đ c li t kê nh sau Các tính ch t này đ c li t kê là c n
thi t cho vi c tính toán cho m i thành ph
Lo i đ t đá l Tr ng ng th
tích (kg/m 3 )
Mô đun đàn h i (Pa)
H s Poát xông
Góc n i ma sát (đ ) L c dính k t (Pa)
Cát đ t huy n/bùn k t
H n h p s i k t và cát
ng nh t, h t thô 1600 2.50E+07 0.25 34 0
d o trung bình đ n
d o trung bình 1800 1.00E+06 0,25 20 8000
Trang 7
L p đá
L p đ t ph
Di n tính toán c a các l p đ t đá theo chi u r ng là 130 mét và 130 chi u cao L p d i đáy là đá gra-nít b t đ u xu t hi n đ sâu 106 mét Tính ch t c a l p này đ c gi nguyên cho
m i l n th nghi m L p cao nh t là l p đ t ph có chi u dày 24 mét và tính ch t c a nó thay đ i theo m i th nghi m t i các thành ph khác nhau Công trình ng m, v i ti t di n tròn đ n v i
đ ng kính 22 mét và n m đ sâu 67 mét bên d i m t đ t
V i công trình này, ph ng pháp đ c s d ng đ phân tích là ph ng pháp ph n t h u
h n Ph ng pháp ph n t h u h n đ c s d ng cho mô hình và gi i quy t các v n đ k thu t hai hay ba chi u ph c t p Ph ng pháp ph n t h u h n bi n đ i d li u đ u ra thành d ng hình
nh trình bày trên màn hình và nh ng ch ng trình có th đem l i các d li u t các đi m khác nhau trong c u trúc Ch ng trình Phân tích Ph n t h u h n hình (VisualFEA) ph i h p ph n
m m x lý ph n t h u h n hi u qu v i giao di n đ h a thân thi n v i ng i dùng làm gi m
b t th i gian so n ch ng trình
đ m b o đ chính xác c a mô hình, có m t vài thông s ph i đ c nh p vào ch ng trình VisualFEA u tiên, m t mô hình ng su t b m t hai chi u đ c s d ng Nó đ c s
d ng đ mô hình hóa c u trúc ba chi u và chúng là đ ng nh t trên su t chi u dài, ch ng h n nh :
d m và tr D li u đ c l y t m t đi m gi a c a b m t đá và đ t ph tr c ti p bên trên đi m cao nh t c a công trình ng m
i m c n quan tâm
C u trúc mô hình VisualFEA
Trang 8
Gi i h n th ng đ ng c đ nh đ c đ a vào đ gi i h n đ d ch đ ng t i nút c a mô hình
M t b hãm (damper) đ c đ nh v t i đáy c a đ ng biên đ gi đáy biên kh i s d ch đ ng không ki m soát đ c V i mô hình Rayleigh này đ hãm 0,05 đ c s d ng đ mô hình đ hãm
t nhiên tiêu bi u cho các lo i đ t đá
Ngu n c a đ ng l c kích thích s d ng trong công trình này đ c gia t ng theo tr n đ ng
đ t Kô Bê – Nh t B n n m 1995
Th i gian Gia t ng thông s đ u vào (1995 Kobe, Japan)
Các thông s đ u vào đ c s d ng vì đ ng đ t đã tác d ng vào Kô Bê – Nh t B n đã phá h y l n nh t t i c s h t ng trong l ch s Thông s đ ng l c đ u vào t tr n đ ng đ t
đ c đ t t i đáy vùng biên
K t qu
V i m c đích so sánh, d li u đ c ghi chép t s i đ ng nh t và bùn đ d o trung bình
đ n cao đ c th c hi n
bình đ n cao
d ch chuy n = 0,5753cm d ch chuy n = 0,2838cm
Trang 9nhau c a chúng đ c x p s p l n l t theo t l c a m i lo i đ t đá T l c a s i đ ng nh t bi n
đ i t 0-2,1406 cm và t l c a đ d o c a bùn t trung bình đ n cao ch dao đ ng trong kho n 0-1,1526 cm
K t qu th nghi m t i m i thành ph đ c li t kê nh bên d i Theo b ng d i,
Tangshan – Trung Qu c có đ d ch đ ng c c đ i nh nh t t i đi m c n quan tâm d ch
đ ng c c đ i này ch là 0,02057 cm a đi m đo đ c đ d ch đ ng c c đ i cao nh t là thành
ph Tokyo – Nh t B n đó là 1,419 cm
K t lu n và h ng phát tri n
Công trình này đã tìm ra các lo i đ t đá bao g m t 10÷15 % lo i h t m n là kh thi d i tác đ ng kích thích c a đ a ch n h n các lo i đ t đá mà ph n tr m h t m n nh h n 10% t đá
v i l ng l n nh t các h t m n (>50%) không thích h p so v i các lo i đ t đá khác
Công trình đã m ra m t h ng phát tri n trong t ng lai L y m t ví d , m t mô hình ba chi u có th đ c s d ng Ph i k t h p nhi u nhi u l p đ t đá khác c ng có th đ c s d ng
và m c n c ng m có th đ c gi i thi u đ mô ph ng kh n ng có th c a s hóa l ng Trong
t ng lai, có th t ng các l p đ tính toán h n n a đ k t qu sát th c t h n Qua đây c ng cho
th y, ch ng trình ph n t h u h n có nh ng công c t t đ kh o sát các v n đ ph c t p và nó
c ng là m t công c t t trong đào t o
Trang 10Xin c m n t i:
• MCEER
• FAMU Undergraduate Program
• National Science Fundation
• REUJAT Program
• University of Tokyo
• Ti n s khoa h c Makola M Abdulla
• Terri R Norton, M.S.C.E
TÀI LI U THAM KH O
Kirzhner, F and Rosenhouse, G., 2000 Numerical analysis of tunnel dynamic response to earth motions Tunneling
and Underground Space Technology, Volume 15, Issue 3, 249-258
Merritt, J L., Monsees, J E., Hendron, A J., 1985 Seismic design of underground structures: Proc of the 1985 Rapid Excavation and Tunneling Conference, New York International Journal of Rock Mechanics and Mining
Science & Geomechanics Abstracts, Volume 23, Issue 6, 255-282
Yang, M W W., 2002 Principles of Tunnel Lining Design AGS/IMM Technical Meeting 2002 on “Underground
Excavation in Urban Environments”
Yamaji, H Iwate-Ichinohe Tunnel on the Tohake New Trunk Line JSCE, Volume 30, Issue 10, 1435-1468
Intuition Software, 1999 VisualFEA-Visual Finite Element Analysis Chonbuk, South Korea: Intuition Software
www.dot.state.co.us/WolfCreekPass/index.cfm
www.eurotunnel.com/ukcMain/ukcCompany/ukcAboutUs/ukpAboutUsHistory
www.ctrl.co.ukwww.panynj.gov/tbt/ltframe.htm
www.gel.civil.nagasaki-u.ac.jp/text/example/ex27/kan2.html
www.who.int/archives/inf-pr-1997/en/pr97-08.html
www.geolsoc.org.uk/pdfs/earthquakes.pdf
www.fao.org/ag/agl/agll/wrb/mapindex.stmatlas.geo.cornell.edu/education
www.pbs.org/wgbh/buildingbig/tunnel/basics.htmlpghbridges.com/termsTun.htm
www.mrtunnel.com/frame2.htm
www.dot.state.ak.us/creg/whittiertunnel/virtualdrive.htm