Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định công trình ngầm và áp dụng cho một đường hầm ở thành phố Hồ Chí Minh

Rgh : Cường độ giới hạn bền công trình Stt : Biến dạng, chênh lệch biến dạng của công trình [S] : Biến dạng, chênh lệch biến dạng cho phép R : Độ bền hay khả năng kháng hư hỏng S : Tải

L ỜI CẢM ƠN

Sau m ột thời gian nghiên cứu, thực hiện luận văn Thạc sĩ với đề tài “ Ứng

d ụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định công trình ngầm và áp dụng cho m ột đường hầm ở thành phố Hồ Chí Minh” tác giả đã hoàn thành theo đúng

n ội dung của đề cương nghiên cứu, được Hội đồng Khoa học và Đào tạo của Khoa Công Trình phê duy ệt Luận văn được thực hiện với mục đích nghiên cứu ứng dụng

lý thuy ết độ tin cậy trong tính toán ổn định công trình ngầm

Để có được kết quả này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PSG.TS

Tr ịnh Minh Thụ và PGS.TS Mai Văn Công - Khoa Công trình - Trường Đại học

Th ủy lợi đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và đóng góp các ý kiến quý báu trong suốt quá trình th ực hiện luận văn

Xin chân thành c ảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình, sự hỗ trợ về mặt chuyên môn

và kinh nghi ệm của các thầy cô giáo trong khoa Công trình và đặc biệt là các thầy

cô trong b ộ môn Địa Kỹ Thuật, Phòng Đào tạo Đại học và sau đại học; tập thể lớp cao h ọc 20ĐKT- Trường Đại học Thuỷ lợi cùng toàn thể gia đình và bạn bè đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận văn này

Trong quá trình th ực hiện luận văn, do kiến thức về cả hai mảng công trình

ng ầm và lý thuyết độ tin cậy còn rất hạn chế nên chắc chắn không thể tránh khỏi sai sót Vì v ậy, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô, đồng nghi ệp để giúp tác giả hoàn thiện về mặt kiến thức trong học tập và nghiên cứu

Xin trân tr ọng cảm ơn!

Hà N ội, ngày tháng 05 năm 2014

Tác gi ả

Hoàng Th ị Lụa

C ỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

B ẢN CAM KẾT

Kính g ửi: Ban Giám hiệu trường Đại học Thuỷ lợi

Phòng Đào tạo ĐH và Sau ĐH trường Đại học Thuỷ lợi Tên tôi là: Hoàng Thị Lụa

Học viên cao học lớp: 20ĐKT

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng

Mã học viên: 128580204030

Theo Quyết định số 116/QĐ-ĐHTL, của Hiệu trưởng trường Đại học Thuỷ

Lợi, về việc giao đề tài luận văn và cán bộ hướng dẫn cho học viên cao học khoá

20 đợt 2 năm 2012 Ngày 23 tháng 01 năm 2014, tôi đã được nhận đề tài: “ Ứng

d ụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định công trình ngầm và áp dụng cho m ột đường hầm ở thành phố Hồ Chí Minh ” dưới sự hướng dẫn của thầy

giáo PGS.TS Trịnh Minh Thụ và PGS.TS Mai Văn Công

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép

của ai Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tài liệu và các trang website theo danh mục tài liệu tham khảo của

luận văn

Hà N ội, ngày tháng 05 năm 2014

Người làm đơn

Hoàng Th ị Lụa

M ỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH NGẦM HIỆN NAY Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI 3

1.1.Giới thiệu chung về ổn định công trình ngầm 3

1.1.1.Vấn đề sử dụng công trình ngầm hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới 3

1.1.2.Một số sự cố mất ổn định công trình ngầm đã xảy ra 4

1.2.Các nguyên nhân gây mất ổn định công trình ngầm thường gặp 10

1.2.1.Nhóm nguyên nhân gây mất ổn định trong giai đoạn thi công: 10

1.2.2.Nhóm nguyên nhân gây mất ổn định trong giai đoạn vận hành: 13

1.2.3.Tổng kết chung 14

1.3.Các phương pháp tính toán, thiết kế ổn định công trình ngầm truyền thống và ưu nhược điểm của chúng 14

1.3.1.Phương pháp ứng suất cho phép 14

1.3.2 Phương pháp tính theo hệ số an toàn: 15

1.3.3.Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn: 15

1.3.2.Một số nhược điểm cơ bản của phương pháp thiết kế truyền thống: 16

1.4.Phương pháp sử dụng lý thuyết độ tin cậy tính toán ổn định công trình ngầm 16 1.5.Lựa chọn phương pháp tính toán 17

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY VÀ NGUYÊN LÝ ÁP DỤNG TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH NGẦM 18

2.1.Tóm tắt cơ sở lý thuyết: 18

2.1.1.Định nghĩa về rủi ro: 18

2.1.2.Phân tích độ tin cậy của thành phần hệ thống: 19

2.1.3.Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên: 21

2.2.Nguyên lý lý thuyết ứng dụng trong phân tích ổn định công trình ngầm 27

2.2.1.Xây dựng cây sơ đồ sự cố tổng quát 27

2.2.2.Phân tích áp lực tác dụng lên vỏ hầm 30

2.2.3.Mô tả bài toán mẫu cho một đoạn hầm đặc trưng 39

2.3 Kết luận chung 51

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO MỘT HẦM GIAO THÔNG Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 54

3.1.Giới thiệu trường hợp nghiên cứu 54

3.2.Các tài liệu cần thiết trong tính toán 55

3.2.1.Tài liệu địa chất và địa chất thủy văn 55

3.2.2.Tài liệu về công trình và tải trọng 63

3.3.Tính toán ổn định công trình theo lý thuyết độ tin cậy 64

3.3.1.Kiểm tra ổn định theo cơ chế phá hoại vỏ hầm do ứng suất vượt mức cho phép 65

3.3.2.Kiểm tra ổn định theo cơ chếđẩy nổi của đường hầm 83

3.3.3.Kiểm tra ổn định theo cơ chế sụt lún quá mức cho phép của đường hầm 92 3.3.4.Tổng hợp xác suất phá hoại 2 mặt cắt kiểm tra của đường hầm Metro1 100 3.4.Kết luận chương III 103

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

DANH M ỤC BẢNG

Bảng 1.1.Một số sự cố đường hầm trên thế giới 5

Bảng 1.2 Nguyên nhân dẫn tới sự cố khi thi công CTN bằng phương pháp đào ngầm thông thường 11

Bảng 2-1 Công thức tính nội lực vỏ khuyên tròn biến dạng tự do 44

Bảng 3.1.Các đặc tính địa chất công trình của lớp A 58

Bảng 3.2.Các đặc tính địa chất công trình của lớp B 59

Bảng 3.3.Các đặc tính địa chất công trình lớp C 60

Bảng 3.4.Các đặc tính địa chất công trình lớp D 61

Bảng 3.5.Các đặc tính địa chất công trình của lớp E 62

Bảng 3.6 Hàm tin cậy theo cơ chế ứng suất vượt mức cho phép 66

Bảng 3.7 Danh sách biến cố định và giá trị tương ứng theo cơ chế ứng suất vượt mức cho phép (mặt cắt 1-1) 67

Bảng 3.8 Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế ứng suất vượt mức cho phép 68

Bảng 3.9: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm AN 69

Bảng 3.10: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm AT 70

Bảng 3.11: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm BN 71

Bảng 3.12: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm BT 72

Bảng 3.13: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm CN 73

Bảng 3.13: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm CT 74

Bảng 3.14 Danh sách biến cố định và giá trị tương ứng theo cơ chế ứng suất vượt mức cho phép 75

Bảng 3.15 Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế ứng suất vượt mức cho phép (mặt cắt 2-2) 76

Bảng 3.16: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm AN 77

Bảng 3.17: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm AT 78

Bảng 3.18: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm BN 79

Bảng 3.19: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm BT 80

Bảng 3.20: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm CN 81

Bảng 3.21: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm CT 82

Bảng 3.22: Danh sách biến cố định theo cơ chế đẩy nổi đường hầm 84

Bảng 3.23: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế đẩy nổi hầm 84

Bảng 3.24: Xác suất sự cố đẩy nổi tại mặt cắt 1-1, trường hợp 1 và các hệ số ảnh hưởng 85

Bảng 3.25: Danh sách biến cố định theo cơ chế đẩy nổi đường hầm 86

Bảng 3.26: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế đẩy nổi hầm 86

Bảng 3.27: Xác suất sự cố đẩy nổi tại mặt cắt 1-1, trường hợp 2 và các hệ số ảnh hưởng 87

Bảng 3.28: Danh sách biến cố định theo cơ chế đẩy nổi đường hầm-TH1 88

Bảng 3.29: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế đẩy nổi hầm-TH1 88

Bảng 3.30: Xác suất sự cố đẩy nổi tại mặt cắt 2-2, TH1 và các hệ số ảnh hưởng 89

Bảng 3.31: Danh sách biến cố định theo cơ chế đẩy nổi đường hầm-TH2 90

Bảng 3.32: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế đẩy nổi hầm-TH2 91

Bảng 3.33: Xác suất sự cố đẩy nổi tại mặt cắt 2-2, TH 2 và các hệ số ảnh hưởng 91

Bảng 3.34 Ứng suất thẳng đứng trong nền hầm tại mặt cắt 1-1 93

Bảng 3.35: Các giá trị ứng suất tính lún 94

Bảng 3.36: Danh sách biến cố định theo cơ chế lún đường hầm-TH1 94

Bảng 3.37: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế lún hầm-TH1 95

Bảng 3.38: Xác suất sự cố lún quá mức cho phép tại mc1-1 và các hệ số ảnh hưởng 96

Bảng 3.39 Ứng suất thẳng đứng trong nền hầm tại mặt cắt 2-2 97

Bảng 3.40: Các giá trị ứng suất tính lún 97

Bảng 3.41: Danh sách biến cố định theo cơ chế lún đường hầm-TH1 97

Bảng 3.42: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế lún hầm-TH1 98

Bảng 3.43: Xác suất sự cố lún quá mức cho phép tại mc1-1 và các hệ số ảnh hưởng 99

Bảng 3.44 Bảng tổng hợp xác suất xảy ra sự cố với mặt cắt hầm 101

DANH M ỤC HÌNH

Hình 1.1 Một số sự cố công trình ngầm trên thế giới 8

Hình 1.2 Tỷ lệ giữa các loại sự cố công trình ngầm 9

Hình 1.4 Cầu vượt Ngã Tư Sở và nhà dân lân cận bị lún nứt 10

Hình 1.5 Hầm Kim Liên bị mất ổn định thấm 10

Hình 2.1: Sơ đồ quá trình phân tích rủi ro 19

Hình 2.3: Định nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số độ tin cậy 20

Hình 2.4: Sơ đồ hóa cây sự cố công trình ngầm 29

Hình 2.5 Mô hình nền đàn hồi đối với hầm không áp 30

Hình 2.6 Sơ đồ các áp lực tác dụng lên vỏ hầm 31

Hình 2.7 Mô hình cân bằng giới hạn khi hầm đào nông 32

Hình 2.8 Mô hình vòm áp lực 35

Hình 2.9 Áp lực tác dụng lên công trình ngầm đặt sâu 38

Hình 2.10 :Sơ đồ mặt cắt tính toán 40

Hình 2.11 Tiết diện đặc trưng kiểm tra ứng suất 41

Hình 2.12 Sơ đồ cây sự cố chi tiết tính toán 42

Hình 2.13 Hệ cơ bản tính toán nội lực vỏ hầm 44

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí các tuyến hầm thuộc dự án Metro Hồ Chí Minh 54

Hình 3.2:Bản đồ địa chất của thành phố Hồ Chí Minh tuyến Mê Trô dựkiến 56

Hình 3.3: Mặt cắt địa chất dọc tuyến Metro1 57

Hình 3.4: Minh họa vị trí hầm trong đất 63

Hình 2.11 Tiết diện đặc trưng kiểm tra ứng suất 65

Hình 3.5: Biểu đồ phân phối ảnh hưởng các hệ số đến cơ chế phá hoại điểm AN 69

Hình 3.7: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối các hệ số ảnh hưởng tới ổn định tại BN 71

Hình 3.8: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại BT 72

Hình 3.9: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại CN 73

Hình 3.10: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại CT 74

Hình 3.11: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại AN 77

Hình 3.12: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại AT 78

Hình 3.13: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại BN 79

Hình 3.14: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại BT 80

Hình 3.15: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại CN 81

Hình 3.16: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại CT 82

Hình 3.16: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối hệ số ảnh hưởng mất ổn định đẩy nổi tại mc1-1, TH1 85

Hình 3.17: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối hệ số ảnh hưởng mất ổn định đẩy nổi tại mc1-1, TH2 87

Hình 3.17: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối hệ số ảnh hưởng mất ổn định đẩy nổi tại mc2-2, TH1 90

Hình 3.18: Biểu đồ phân phối tỷ lệ % các hệ số ảnh hưởngđến mất ổn định do đẩy nổi tại mc2-2, TH2 91

Hình 3.20: Biểu đồ phân phối tỷ lệ % các hệ số ảnh hưởngđến mất ổn định do lún quá mức cho phép, mc1-1 96

Hình 3.20: Biểu đồ phân phối tỷ lệ % các hệ số ảnh hưởngđến mất ổn định do lún quá mức cho phép, mc1-1 99

Hình 3.21: Tổng hợp xác suất sự cố mặt cắt 1-1 theo OpenFTA 102

Hình 3.22: Tổng hợp xác suất sự cố mặt cắt 2-2 theo OpenFTA 103

Rgh : Cường độ giới hạn bền công trình

Stt : Biến dạng, chênh lệch biến dạng của công trình

[S] : Biến dạng, chênh lệch biến dạng cho phép

R : Độ bền hay khả năng kháng hư hỏng

S : Tải trọng hay khả năng gây hư hỏng

Z : Hàm tin cậy

γR : Hệ số an toàn của độ bền

γS : Hệ số an toàn của tải trọng

Φ-1 : Hàm ngược của hàm phân bố tiêu chuẩn

FX-1 : Hàm ngược của hàm phân bố xác suất của biến X

Pđ : Áp lực đất theo phương thẳng đứng

Pv : Áp lực đẩy ngược tác dụng lên đáy hầm

Ptran : Tải trọng do các phương tiện, máy móc trên mặt đất gây nên

Pw : Áp lực nước ngầm

Png : Áp lực theo phương ngang

h : Chiều sâu lớp đất trên đỉnh hầm

hw : Chiều cao mực nước ngầm trên đỉnh hầm

ρ : Khối lượng riêng tự nhiên

ρ’ : Khối lượng riêng đẩy nổi

γw : Khối lượng của nước

Wgiữ : Tổng lực giữ công trình không bị đẩy nổi

g : Trọng lượng 1m theo chu vi ngoài của hầm

R ng : Bán kính ngoài của hầm

ρ : Dung trọng tự nhiên của lớp đất

ρ’ : Dung trọng hiệu quả của đất

Hi : Chiều dày lớp đất thứ i

hw : Chiều cao cột nước trên đỉnh hầm

ρ w : Dung trọng riêng của nước

e1i : Hệ số rỗng lớp i ứng với giai đoạn trước khi gia tải

e2i : Hệ số rỗng lớp i ứng với giai đoạn sau khi gia tải

1

M Ở ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của đề tài

Công trình ngầm hiện nay là một giải pháp thích hợp để tăng khả năng đáp ứng mật độ dân số cao của đô thị Thêm vào đó sử dụng công trình ngầm có ưu điểm là ít bị ảnh hưởng hơn bởi các vấn đề như ô nhiễm môi trường, biến đổi khí

hậu Các trung tâm lớn của Việt Nam như thành phố Hà Nội và Hồ Chí Minh cũng đang trú trọng hơn tới việc xây dựng và sử dụng giao thông và không gian ngầm Đặc điểm của các công trình ngầm, đặc biệt là công trình phục vụ giao thông, thường kéo dài qua nhiều vùng có điều kiện khác nhau về địa chất, thủy văn và tải

trọng bề mặt Bên cạnh đó, các yếu tố này còn biến đổi theo thời gian Sự ổn định

của công trình ngầm lại phụ thuộc vào các yếu tố trên mà khi tính toán thiết kế thường chúng ta chỉ chọn được một số giá trị, ứng với địa điểm và thời gian nhất định Vì vậy kết quả tính toán có thể chưa phù hợp

Việc áp dụng lý thuyết độ tin cậy trong tính toán có thể giúp chúng ta tính toán

ổn định khi có xét đến sự thay đổi của các yếu tố trên Do đó đề tài nghiên cứu có tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

2 M ục đích của đề tài

-Nghiên cứu lý thuyết của phương pháp, phân tích, đánh giá và tổng kết kinh nghiệm của việc sử dụng phương pháp trong các tính toán tương đương, từ đó đưa

ra cơ sở lý thuyết của phương pháp và ưu nhược điểm của phương pháp

-Nghiên cứu các phương pháp tính toán ổn định công trình ngầm thường sử

dụng hiện nay, ưu nhược điểm của phương pháp

- Đánh giá khả năng ứng dụng lý thuyết độ tin cậy để tính toán ổn định công trình ngầm

-Đề xuất phương án và quy trình cho việc sử dụng lý thuyết về độ tin cậy trong tính toán ổn định công trình ngầm Tính toán cụ thể cho một công trình ngầm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu phát triển ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định công trình ngầm Dựa trên cơ sở lý thuyết chung về độ tin cậy và cơ sở tính toán ổn định công trình ngầm, thực hiện xây dựng bài toán mẫu để đánh giá an toàn công

2

trình theo lý thuyết độ tin cậy, sau đó sử dụng bài toán mẫu đã xây dựng được để

tính toán với số liệu công trình cụ thể (MetroI Hồ Chí Minh)

4 Cách ti ếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp khảo sát, thu thập số liệu thực tế tại một số công trình đã xây

dựng ở trong nước

- Phương pháp chuyên gia: tập hợp, phân tích ý kiến của các chuyên gia

- Khai thác nguồn thông tin mở trên mạng

- Nghiên cứu lý thuyết cơ bản qua những tài liệu trong nước cũng như quốc tế

- Ứng dụng công nghệ tin học hỗ trợ việc tính toán, nghiên cứu bằng việc sử

dụng các phần mềm

Với những nội dung và lý do kể trên học viên đã lựa chọn đề tài luận văn là:

“Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định công trình ngầm và ứng dụng cho

một đường hầm ở thành phố Hồ Chí Minh”

Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương như sau:

Chương I: Tổng quan về ổn định công trình ngầm hiện nay ở Việt Nam và

một số nước trên thế giới: Chương này nhằm mục đích tổng hợp tài liệu về vấn đề

sử dụng công trình ngầm hiện nay, các sự cố đã xảy ra trong quá trình thi công và

sử dụng công trình ngầm, phân tích nguyên nhân và đưa ra những nguyên nhân căn

bản gây mất ổn định cho công trình ngầm và đề xuất phương pháp tính ổn định cho

công trình ngầm

Chương II: Cơ sở lý thuyết của phương pháp độ tin cậy: Nội dung cơ bản

chương này sẽ nghiên cứu sơ bộ cơ sở lý thuyết ban đầu của phương pháp độ tin

cậy, nghiên cứu cơ sở tính toán ổn định công trình ngầm và mục tiêu là phải xây

dựng được phương trình hàm tin cậy để tính toán ổn định công trình ngầm theo lý

thuyết độ tin cậy

Chương III: Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy tính toán ổn định cho một đường

hầm giao thông ở Thành phố Hồ Chí Minh Trong chương này tác giả luận văn sẽ

áp dụng các phương trình mẫu đã xây dựng ở chương II cùng với các phần mềm hỗ

trợ vào tính toán công trình cụ thể và phân tích các kết quả tính toán đạt được

3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH NGẦM HIỆN NAY Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI

1.1 Giới thiệu chung về ổn định công trình ngầm

1.1.1 Vấn đề sử dụng công trình ngầm hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới

Công trình ngầm đã bắt đầu được xây dựng từ rất lâu để phục vụ cho một số nhiệm vụ chuyên biệt.Trong những thập kỷ gần đây, công trình ngầm là một giải pháp thích hợp để tăng khả năng đáp ứng mật độ cao của dân số đô thị.Thêm vào đó

sử dụng công trình ngầm có ưu điểm là ít bị ảnh hưởng hơn bởi các vấn đề như ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu.Vì vậy ở các thành phố lớn trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã và đang trú trọng khai thác sử dụng cũng như xây dựng mới công trình ngầm

Ở Việt Nam cũng như trên thế giới, công trình ngầm đã được xây dựng để

phục vụ những mục đích chính như:

+ Mục đích giao thông: hầm đường sắt, tàu điện ngầm, đường ô tô xuyên núi, vượt sông, vượt biển, hầm cho người đi bộ qua đường, hầm vượt nút giao thông + Mục đích thủy lợi: hầm thủy điện, hầm cấp thoát nước, cống ngầm

+ Công trình ngầm đô thị: Gara ngẩm, hầm nhà dân dụng, hầm nhà xưởng, trung tâm thương mại, hầm cấp thoát nước, hầm cáp thông tin, thậm chí cả thành

phố ngầm

+ Ngoài ra các công trình ngầm còn phục vụ cho các mục đích quân sự, khai khoáng, kho tàng, nhà máy, thực phẩm, lăng mộ

Một số các công trình ngầm nổi tiếng đã được xây dựng trên thế giới như: Hệ

thống tàu điện ngầm Green Park, London, 1964; hầm Southend-on-sea Sewage,

UK, 1966; Rørvikskaret Road Tunnel on Highway 19, Thụy Điển, 1970, fish Tunnel, Nam Phi, 1970; Seoul Metro Line 5, Hàn Quốc, 1991; Munich

về quy hoạch, xây dựng công trình ngầm như hệ thống tàu điện ngầm Metro Hà

Nội, Metro Hồ Chí Minh, trung tâm thương mại Rolyal city, pacific

Vai trò của công trình ngầm ngày càng quan trọng hơn, đặc biệt là với các thành phố dân cư đông đúc Tuy nhiên để xây dựng và sử dụng công trình ngầm

một cách hiệu quả, tránh các thiệt hại về tính mạng cũng như tài sản do các sự cố công trình ngầm gây ra hiện vẫn là một vấn đề cần đầu tư nghiên cứu kỹ lưỡng trong cả khâu khảo sát, thiết kế và biện pháp thi công

1.1.2 Một số sự cố mất ổn định công trình ngầm đã xảy ra

Trên thực tế, trong cả quá trình thi công và vận hành công trình ngầm đã xảy

ra rất nhiều vấn đề liên quan đến sự an toàn, ổn định của bản thân công trình cũng như các công trình lân cận

Căn cứ vào nguyên lý tính toán địa lực tác dụng lên công trình ngầm, ta phân chia công trình ngầm thành 2 kiểu là hố đào sâu (thường gặp là các tầng hầm nhà cao tầng), và đường hầm kín nằm dưới mặt đất (thường gặp là các đường tàu điện

ngầm) Phạm vi luận văn xem xét đến các đường hầm kín xây dựng trong các đô thị, trên nền đất

Sau đây là trích dẫn một số sự cố đã xảy ra đối với hầm thi công trong đất trong cả giai đoạn thi công và khi đã đi vào sử dụng

1.1.2.1 Trên thế giới

Một số các sự cố công trình ngầm đã xảy ra trên thế giới được trích dẫn trong

bảng sau:

Th ời điểm H ậu qủa

bằng bê tông phun dày 200mm Sự

thay đổi điều kiện khối đất và điều

kiện thoát nước trước gương là

nguyên nhân chính dẫn đến sự cố

Hầm tàu điện

ngầm

1991 Phá huỷ toà

nhà trên mặt đất

Gibei

Railway,

Romania,

Thấu kính cát không mong đợi chảy

tràn vào hầm qua vùng gương hầm

nguyên nhân dẫn tới mất ổn định

khối đất trước gương Một vòm sụt

lở có thể tích 30m3

hình thành phía dưới mặt đường giao thông

Hầm tàu điện

Sụt lở đất tại khu vực giếng thi công,

giếng bị ngập nước Nguyên nhân là

do chiều dày lớp đất cứng bảo vệ

trên nóc đường hầm tại đoạn giao

với giếng không như dự đoán là

Chiều dày lớp đất phủ cuội sỏi là

5m, phễu sụt phát triển tới bề mặt có

thể tích 30m3

Sụt lở xẩy ra tại phần vòm không được chống giữ kịp thời

Metro 1987 Phá huỷ mặt

đất

6

Tên công

Lo ại hình công trình

Th ời điểm H ậu qủa

bảo vệ trên nóc hầm quá mỏng so

với dự đoán thu được từ kết quả

khảo sát dẫn đến chiều dài neo bảo

vệ tiến trước không đủ dài để giữ ổn

lở vào trong CTN và phát triển lên

tới bề mặt Nguyên nhân là do vùng

đất đóng băng không đảm bảo chất

lượng, vẫn tồn tại một khoảng đất

không được đóng băng và đất bắt

đầu sụt lở từ khu vực này

Phá huỷ phát triển tới bề mặt xẩy ra

khi đang đào bằng máy đào

Roadheader trong khối đất cát, cuội

sỏi chứa nước Phễu sụt có kích

thước rộng 4m, sâu 6m

Metro 1992 phá huỷ

công trình

bề mặt, gián đoạn giao thông

7

Tên công

Lo ại hình công trình

Th ời điểm H ậu qủa

Chiều dày lớp đất cứng trên nóc đột

ngột giảm so với dự kiến khiến cho

lớp cuội sỏi chứa nước phía trên sụt

lở vào trong đường hầm

Metro 1994 Chết người,

gián đoạn

hoạt động

bề mặt Hangzho

thống ống dẫn nước 11 phương tiện

giao thông rơi

xuống hố,

Một số hình ảnh sự cố công trình ngầm đã xảy ra trên thế giới [20]

a Sự cố bục vỏ, nước tràn vào hầm, mô phỏng sự cố

hầm SouthendonSea Sewage, Anh, 1966

8

b Sự cố hầm Gibei Railway, Romania, 1985 (Do đi qua vùng địa chất (thấu kính cát) không như mong đợi.)

c Sự cố sập vỏ hầm Hangzhou Metro, Trung Quốc, 15.11.2008

Hình 1.1 Một số sự cố công trình ngầm trên thế giới Các chuyên gia đã liệt kê, so sánh tỷ lệ giữa các loại sự cố đã xẩy ra đối với công trình ngầm trên thế giới và cho kết quả như sau:

Một số sự cố công trình ngầm trong đất đã xảy ra ở Việt Nam [11]:

+ Sự cố kỹ thuật tại hầm chui qua cầu Văn Thánh 2 tại TP Hồ Chí Minh: Sau khi đưa đường hầm vào sử dụng đã xuất hiện các sự cố như:

Mặt cầu bị sụt lún hơn 70cm đến mức không thể sử dụng được;

Đường hầm bị lún hơn 1m, kết cấu hầm rạn nứt, phá hủy nghiêm trọng;

Các công trình xây dựng lân cận khu vực hầm chui bị sụt lún, rạn nứt và phá hủy nghiêm trọng bắt buộc phải tiến hành tháo dỡ, giải tỏa để đảm bảo an toàn

1.2 Các nguyên nhân gây mất ổn định công trình ngầm thường gặp

Tổng hợp từ các sự cố công trình ngầm đã xảy ra và kết quả đánh giá nguyên nhân gây ra các sự cố đó của các chuyên gia, các hình thức mất ổn định có thể được chia ra như sau:

1.2.1 Nhóm nguyên nhân gây mất ổn định trong giai đoạn thi công:

Những nguyên nhân dẫn tới sự cố đã gặp khi thi công CTN bằng phương pháp đào ngầm thông thường [20] (bảng 2):

11

Bảng 1.2 Nguyên nhân dẫn tới sự cố khi thi công CTN bằng phương pháp đào

ngầm thông thường

A-S ự cố xẩy ra tại phần vòm tiến

trước nằm giữa gương đào và

A

2

Sụt lở xẩy ra do phía trước gương

đào tồn tại các công trình nhân tạo

thi công trước đó

B- S ự cố xẩy ra trong khu

v ực đã thi công kết cấu

Phá huỷ tại nền theo phương hướng

tâm trong quá trình thi công đường

hầm

3

Phá huỷ xảy ra do sai sót về thi công hoặc vật liệu chống

A

6

Phá hủy do hiệu ứng dầm (beam

cantilever) tại khoảng giữa phần

Phá huỷ do lỗi trong sửa

chữa, thay đổi kết cấu chống

sơ bộ

Phá huỷ tại khu vực cửa hầm

do đất đá phong hoá, bở rời

A

10

Phá huỷ trong kết cấu chống do ứng

suất hoặc do dịch chuyển của các

khối đá theo khe nứt

2

Phá huỷ phát triển từ giếng đầu do đất đá yếu có hoặc có nước ngầm

• Nguyên nhân gây ra sự cố trong phương pháp máy khiên đào:

Có thể phân nhóm cơ chế phá huỷ chủ yếu khi thi công CTN bằng máy khiên đào trong điều kiện đất yếu thành 2 nhóm:

- Nhóm 1: sụt lở đất tại gương đào;

lở cục bộ hay toàn bộ mặt gương;

-Chiều dày tầng đất phủ nhỏ hoặc tồn tại các hố trên bề mặt gây ra sự sụt lở bề

mặt;

-Đất/nước ngầm xâm nhập vào trong CTN;

-Trên nóc CTN tồn tại cấu trúc yếu theo phương thẳng đứng, các công trình nhân tạo làm mất tính đồng nhất của môi trường gây suy yếu khối đất

Phá huỷ xẩy ra trong kết cấu khung vỏ chống CTN được phân thành 5 dạng sau: Phá huỷ do cắt; Phá huỷ do nén; Phá huỷ do kết hợp uốn và đẩy; Phá huỷ cục bộ;

Mức độ kín khít giữa các đốt vỏ hầm Nhóm phá hủy do nguyên nhân này tương tự như đối với các dạng phá hủy trong kết cấu chống khi thi công theo phương pháp đào mang tính chu kỳ

13

1.2.2 Nhóm nguyên nhân gây mất ổn định trong giai đoạn vận hành:

-Điều kiện địa chất nền thay đổi theo thời gian: Độ ổn định của công trình ngầm

phụ thuộc một phần lớn vào đặc trưng kháng cắt của đất nền (như φ, c) Các đặc trưng này; theo các phương pháp thiết kế truyền thống; thường được chọn là một giá trị cố định Tuy nhiên trong điều kiện đất nền không cho ứng xử đúng như mong đợi, hoặc giá trị này bị suy giảm, biến đổi theo thời gian, hoặc bị thay đổi do tác động môi trường (ví dụ như thay đổi mực nước ngầm dẫn đến cố kết, trương nở) Khi các đặc trưng kháng cắt thay đổi theo chiều hướng bất lợi so với giá trị lựa chọn thiết kế ban đầu, đến một lúc nào đó, đất không còn đủ khả năng chống đỡ, có thể sẽ

dẫn đến mất ổn định công trình ;

-Nước ngầm: Khi mực nước ngầm dao động, không chỉ làm ảnh hưởng đến các

chỉ tiêu cơ lý đất nền mà còn làm thay đổi áp lực thủy tĩnh tác động lên công trình Trong trường hợp xảy ra hiện tượng nước chảy vào trong công trình, công trình có

thể gặp sự cố do hai vấn đề sau: + Dòng thấm gây cản trở hoạt động hoạt động bình thường của công trình (như người tham gia giao thông) và làm suy yếu cường độ công trình tại vị trí xảy ra thấm + Sự vận động của dòng thấm kéo theo đất cát chui vào hầm gây xói ngầm, đào rỗng đất nền và thay đổi cấp phối hạt;

-Động đất, nổ mìn, lực rung động do máy móc vận hành gây mất ổn định công trình;

-Sụt lún nền công trình do tải trọng bề mặt, công trình lân cận gây ra: Khi công trình ngầm đặt không sâu trong lòng đất, dưới tác dụng của tải trọng của các công trình lân cận (xây dựng, phá dỡ nhà cửa, tải trọng giao thông ) sẽ làm thay đổi ứng

suất dẫn đến chuyển vị cho vùng nền ngay phía dưới các tải trọng này Sự chuyển vị

của đất nền này kéo theo chuyển vị của công trình ngầm Sự thay đổi tải trọng này kéo theo thay đổi ứng suất tác dụng lên vỏ công trình ngầm Nếu các giá trị thay đổi vượt phạm vi cho phép có thể gây mất ổn định cục bộ công trình;

-Mất ổn định kết cấu chống đỡ, bảo vệ, vỏ công trình: Khi ứng suất tác dụng lên

vỏ công trình vượt quá khả năng cho phép của vỏ thì có thể gây phá hoại lớp vỏ

cục bộ như nứt, gẫy tại một số vị trí (như chân tường hầm, đỉnh hầm, khớp nối giữa

Hình 1.6 Tỷ lệ giữa các nguyên nhân gây sự cố công trình ngầm [11]

1.3 Các phương pháp tính toán, thiết kế ổn định công trình ngầm truyền

thống và ưu nhược điểm của chúng

Thiết kế truyền thống hiện nay là tính toán công trình theo mô hình tất định Theo phương pháp này các giá trị thiết kế của tải trọng và các tham số độ bền được xem là xác định, tương ứng với trường hợp và tổ hợp thiết kế.Người thiết kế lựa chọn điều kiện giới hạn và tương ứng với nó là các tổ hợp tải trọng thiết kế thích hợp.Giới hạn này thường tương ứng với độ bền đặc trưng của công trình

Công trình được coi là an toàn khi khoảng cách giữa tải trọng và độ bền đủ lớn

để đảm bảo thỏa mãn từng trạng thái giới hạn của tất cả các thành phần công trình Tính toán theo cách này mới chỉ giải quyết được hai vấn đề là ổn định tổng thể

và ổn định theo độ bền của công trình

Nội dung các phương pháp thiết kế như sau:

1.3.1.Phương pháp ứng suất cho phép

Là phương pháp kiểm tra độ bền công trình dựa vào việc so sánh ứng suất phát

sinh trong công trình do tải tác dụng vào công trình và ứng suất lớn nhất mà vật liệu xây dựng công trình chịu đựng được

+ [σ] - ứng suất cho phép, lấy theo tài liệu, tiêu chuẩn

1.3.2 Phương pháp tính theo hệ số an toàn:

Phương pháp này thường được ứng dụng trong tính toán ổn định Khi đó công thức kiểm tra là:

+ Kcp - hệ số an toàn cho phép, phụ thuộc cấp công trình và tổ hợp tải trọng;

1.3.3 Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn:

• Trạng thái giới hạn I (về cường độ)

Nét đặc thù của phương pháp tính theo trạng thái giới hạn về cường độ là việc

sử dụng một nhóm các hệ số mang đặc trưng thống kê: hệ số tổ hợp tải trọng nc, hệ

số điều kiện làm việc m, hệ số độ tin cậy Kn, hệ số vượt tải nc, hệ số an toàn về vật liệu KVL Nhóm các hệ số này thay thế cho một hệ số an toàn chung FS Điều kiện đảm bảo ổn định hay độ bền của công trình là:

nc.Ntt≤ mRgh/Kn (1.3)

* Trong đó:

16

+ Ntt – Lực tính toán gây mất ổn định;

+ Rgh: Cường độ giới hạn bền công trình

• Trạng thái giới hạn II ( về biến dạng)

Theo trạng thái giới hạn về biến dạng, điều kiện để công trình ổn định là

Stt≤ [S] (1.4)

* Trong đó:

+ Stt- Biến dạng, chênh lệch biến dạng của công trình theo tính toán ;

+ [S] – Biến dạng, chênh lệch biến dạng cho phép, lấy theo tài liệu, tiêu chuẩn

1.3.2 Một số nhược điểm cơ bản của phương pháp thiết kế truyền thống:

+ Chưa đưa ra được xác suất phá hỏng của từng thành phần trong hệ thống công trình cũng như của toàn hệ thống

+ Chưa xét được ảnh hưởng của quy mô hệ thống (như chiều dài tuyến) mà chỉ tính toán các mặt cắt tiêu biểu và áp dụng tương tự cho toàn tuyến Trong khi đó, ví

dụ, tuyến công trình càng dài thì nguy cơ mất ổn định càng cao

+ Chưa xét được xác suất xảy ra thiệt hại và mức độ thiệt hại của vùng xảy ra

sự cố, ví dụ như cùng một sự cố xảy ra ở vị trí dân cư đông đúc phải thiệt hại lớn hơn so với nơi không có dân sinh

1.4 Phương pháp sử dụng lý thuyết độ tin cậy tính toán ổn định công trình ngầm

Phương pháp lý thuyết độ tin cậy (hay còn gọi là phương pháp thiết kế ngẫu nhiên) là phương pháp thiết kế dựa trên cơ sở toán xác suất thống kế để phân tích tương tác giữa các biến ngẫu nhiên của tải trọng và của sức chịu tải trong các cơ chế phá hoại theo giới hạn làm việc của công trình.Trong thiết kế ngẫu nhiên, tất cả các

cơ chế phá hỏng được mô tả bởi mô hình toán hoặc mô hình mô phỏng tương ứng Tính toán xác suất phá hỏng của một bộ phận kết cấu hoặc của công trình được dựa trên hàm độ tin cậy của từng cơ chế phá hỏng Hàm độ tin cậy này được thiết lập dựa căn cứ vào trạng thái giới hạn tương ứng với cơ chế phá hỏng tương ứng và là hàm của nhiều biến và tham số ngẫu nhiên Do đó kết quả tính toán từ phương pháp

17

độ tin cậy không những cho xác suất phá hỏng của từng cơ chế đơn lẻ mà còn cho biết mức độ ảnh hưởng của từng biến ngẫu nhiên và tổng hợp cho ta xác suất cuối cùng của cả hệ thống đang xem xét Cở sở lý thuyết và ứng dụng của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên tác giả đi sâu vào phân tích và nghiên cứu trong chương II

1.5 Lựa chọn phương pháp tính toán

So sánh với phương pháp thiết kế tất định, phương pháp thiết kế ngẫu nhiên đã

dựa trên xác suất hoặc tần suất chấp nhận thiệt hại của vùng ảnh hưởng, kết quả là đưa ra được xác suất hư hỏng của từng thành phần công trình và toàn bộ hệ thống Hay có thể nói, phương pháp tính toán theo độ tin cậy tổng hợp được cho toàn hệ

thống Thêm vào đó phương pháp thiết kế ngẫu nhiên có ưu điểm là không chọn

một giá trị tải trọng thiết kế cụ thể như phương pháp thiết kế tất định, phương pháp này cũng kể đến được các khả năng xuất hiện các tải trọng vượt quá hoặc nhỏ hơn

tải trọng thiết kế Trong khi đó đây chính là một thiếu sót nghiêm trọng trong việc ước lượng mức độ hư hỏng của công trình cho mục đích duy tu bảo dưỡng khi thiết

kế theo phương pháp tất định

Trong điều kiện công trình ngầm đang được trú trọng ở Việt Nam, việc nghiên

cứu mở rộng ứng dụng của phương pháp thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy kết hợp

với phân tích các yếu tố tác động, ảnh hưởng đến ổn định công trình ngầm là nhu

cầu thực tiễn Phương pháp này sẽ được nghiên cứu lý thuyết và xây dựng bài toán

mẫu ở chương II, ứng dụng phương pháp luận nêu trên được thực hiện cụ thể cho cho một công trình là đường hầm Metro thành phố Hồ Chí Minh, tuyến số 1

2.1.1 Định nghĩa về rủi ro:

Rủi ro được định nghĩa một cách tổng quát là tích số của xác suất xảy ra thiệt

hại với lũy thừa bậc n của hậu quả thiệt hại:

M ức độ rủi ro= (Xác suất xảy ra sự cố) × (Hậu quả thiệt hại) n (1)

Trong đó lũy thừa bậc n phụ thuộc vào tình trạng của hệ thống, thông thường

với n=1 là trường hợp phân tích rủi ro tự nhiên, và n>1 là trường hợp rủi ro không mong muốn

Quá trình phân tích rủi ro của một hệ thống theo phương pháp ngẫu nhiên bao gồm các bước:

+ Mô tả các thành phần của hệ thống;

+ Liệt kê các kiểu nguy cơ và sự cố có thể xảy ra;

+ Định lượng hậu quả cho tất cả các sự cố có khả năng xảy ra;

+ Xác định và đánh giá rủi ro;

+ Ra quyết định trên kết quả phân tích rủi ro

Sơ đồ tiếp cận tổng quát để đánh giá, phân tích rủi ro ứng dụng cho thiết kế công trình được thực hiện như minh họa tại Hình 2-1

19

Hỡnh 2.1: Sơ đồ quỏ trỡnh phõn tớch rủi ro

2.1.2 Phõn tớch độ tin cậy của thành phần hệ thống:

Trạng thỏi giới hạn là trạng thỏi ngay trước khi sự cố xảy ra Độ tin cậy là xỏc suất mà trạng thỏi giới hạn khụng bị vượt qua Người ta thường dựng cỏc trạng thỏi giới hạn để xõy dựng, thành lập cỏc hàm tin cậy Cụng thức tổng quỏt của một hàm tin cậy cú dạng 2.1 sau:

Z=R-S (2.1)

* Trong đú:+ R – Độ bền hay khả năng khỏng hư hỏng;

+ S – Tải trọng hay khả năng gõy hư hỏng

Việc tớnh toỏn xỏc suất phỏ hỏng của một thành phần được dựa trờn hàm tin cậy của từng cơ chế phỏ hỏng Hàm tin cậy Z được thiết lập căn cứ vào trạng thỏi giới hạn tương ứng với cơ chế phỏ hỏng đang xem xột và là hàm của nhiều biến và tham số ngẫu nhiờn Theo đú, Z<0 được coi là cú hư hỏng xảy ra và hư hỏng khụng xảy ra nếu Z nhận cỏc giỏ trị cũn lại (Z≥0)

điều chỉnh

Xác đinh xác suất xảy ra sự cố

Tiêu chuẩn, tiêu chí

Cấp độ rủi ro chấp nhận

đánh giá

Tần suất và mức độ thiệt hại

Ra quyết định Rủi ro

Kết hợp XS

và thiệt hại

Tiêu chuẩn tham chiếu

đối tượng phân tích rủi ro

Mô tả hệ thống

Liệt kê các sự cố và thảm họa

có thể xảy ra

định lượng hậu quả

20

Trạng thái giới hạn là trạng thái mà tại đó Z=0 trong mặt phẳng RS; đây được coi là biên sự cố

Xác suất phá hỏng được xác định: Pf = P(Z≤0) = P(S≥R)

Độ tin cậy được xác định là : P(Z>0) = 1-Pf

Trường hợp đơn giản, hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân bố chuẩn, việc tính toán xác suất xảy ra sự cố thông qua hàm phân phối tiêu chuẩn ΦN(-β) bằng cách sử dụng các giá trị kỳ vọng µZ, độ lệch chuẩn σZ và chỉ số

độ tin cậy β=µZ/σZ của hàm tin cậy

Hàm tin cậy biểu diễn trong mặt phẳng RS và xác suất xảy ra sự cố và chỉ số

độ tin cậy được định nghĩa trên Hình 2.2 và 2.3 dưới đây:

Hình 2.3: Định nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số độ tin cậy [7]

Z<0 Vùng sự cố

Z>0 Vùng an toàn Z=0 Biên sự cố

Hình 2.2: Hàm tin cậy biểu diễn trong mặt phẳng RS

21

Điểm nằm trong miền sự cố với mật độ xác suất lớn nhất được coi là điểm thiết kế.Thông thường điểm này nằm trên đường biên sự cố.Điểm thiết kế đóng vai trò quan trọng trong ước lượng xác suất xảy ra sự cố

2.1.3 Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên:

2.1.3.1 Tính toán cấp độ I:

Một cách tổng quát, hiện nay các thiết kế được dựa vào các tiêu chuẩn và hướng dẫn thiết kế.Trong đó các thông số độ bền được gia giảm bằng các hệ số đặc trưng, các thông số tải trọng được gia tăng bằng các hệ số tải trọng Thể hiện theo công thức 2.2:

+ γS – Hệ số an toàn của tải trọng

Các giá trị đặc trưng của thông số độ bền và tải trọng được tính theo công thức 2.3:

S S S

R R R

k S

k R

σµ

σµ

Một số sách hướng dẫn thiết kế gần đây đã liên kết tính toán theo biểu thức 2.2

với lí thuyết độ tin cậy để tính toán xác suất xảy ra sự cố ở mức độ II Sự kết hợp này được thể hiện trong định nghĩa điểm thiết kế “Điểm thiết kế là điểm nằm trong miền sự cố với mật độ xác suất kết hợp của độ bền và tải trọng là lớn nhất” Vì vậy

mà giá trị độ bền và tải trọng tại điểm sự cố gần với giá trị tại điểm thiết kế:

R R R R

V S

V R

βαµβσαµ

βαµβσαµ

+

=+

=

+

=+

22

Thế công thức 2.4 vào 2.3 được hệ phương trình của các hệ số an toàn thành phần 2.5:

S S

S S S

R R

R R R

V k

V S

S

V

V k R

*

*

βαγ

βα

S R

R R

σσ

σα

Tùy thuộc dạng hàm tin cậy và phân bố các biến ngẫu nhiên cơ bản mà các trường hợp tính toán cấp độ này bao gồm:

+ Trường hợp (1): Hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân bố chuẩn;

+ Trường hợp (2): Hàm tin cậy phi tuyến;

+ Trường hợp (3): Các biến cơ bản không phân bố chuẩn;

+ Trường hợp (4): Các biến ngẫu nhiên cơ sở phụ thuộc

(1) Trường hợp (1) - Hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân

bố chuẩn:

Trường hợp này việc tính toán xác suất xảy ra sự cố là đơn giản bằng cách sử dụng các giá trị kỳ vọng và độ lệch chuẩn của các biến cơ bản Trị số độ tin cậy được xác định theo biểu thức 2.7:

a a

n

X n X

X

Z = + + + +

1 21

j i j

i

Z a a Cov X X

1 1

),(

σ

Các biến ngẫu nhiên cơ bản X1, X2, …, Xn tuân theo luật phân bố chuẩn thì Z cũng là hàm phân bố chuẩn Xác suất Z<0 được xác định thông qua hàm phân bố tiêu chuẩn:

=

<

z z z

z

Z P

σ

µσ

µ

0)

0( (2.9)

(2) * Trường hợp (2) - Hàm tin cậy phi tuyến:

Trường hợp hàm tin cậy là hàm phi tuyến của một số biến cơ bản độc lập có phân bố chuẩn thì hàm này sẽ không phân bố chuẩn.Có thể sử dụng phương pháp khai triển Taylor (lấy 2 số hạng đầu tiên của đa thức) để xác định hàm tin cậy Z gần đúng Biểu thức gần đúng có dạng 2.10

) )(

( )

( )

g X

g X g

∂

∂ +

) )(

( )

g

i −

∂

∂ +

=

µ

µ (2.11)

0 ) ( )( ) (

=

=

n i

X i

z

i X n

i i z

z

i

i

X X g

X X

X

g X

g

σσ

µσ

µ

β (2.13)

Nếu hàm tin cậy được tuyến tính hóa tại điểm X (µX ,µX , ,µX n)

2 1

2 1

X X X X

X X X

i n n

X g

g

σµµµ

µµµ

β (2.14)

Qua biểu thức 2.13 nhận thấy rằng việc tính toán giá trị gần đúng của β thông qua tuyến tính hóa hàm tin cậy phụ thuộc vào việc lựa chọn điểm tuyến tính hóa của hàm Nhưng theo Hasofer và Lind thì chỉ số độ tin cậy không phụ thuộc vào hàm tin cậy có phải là hàm tuyến tính không Vì vậy, cần tuyến tính hóa hàm Z tại đúng điểm thiết kế (điểm thiết kế là điểm nằm trên biên sự cố với khoảng cách đến gốc tọa độ là ngắn nhất).Có nhiều phương pháp để tìm điểm thiết kế thông qua quá trình lặp, nhưng có hai phương pháp thường dùng là phương pháp giải tích và phương pháp số

- Phương pháp đầu tiên dựa vào việc chuẩn hóa hàm tin cậy thành hàm của các biến tiêu chuẩn Tọa độ của điểm thiết kế là:

(U1*,U*2, ,U n*)=(α1β,α2β, ,αnβ)và

1

* 1

*

X X

U f U f

βα

βα

α (2.16)

Trường hợp này giá trị αiđược tính theo công thức 2.17:

( ) ( )

( )

z

X i

n j

X j

X i

i

i i

X X

g X

X g X

σ

σσ

σα

(2.18)

* Trường hợp (3) – Các biến cơ sở không tuân theo luật phân bố chuẩn:

Nếu bài toán liên quan đến các biến cơ sở ngẫu ngiên không phân bố chuẩn thì hàm tin cậy cũng không phân bố chuẩn.Để có thể áp dụng được phương pháp gần đúng cấp độ II thì cần phải biến đổi các biến cơ sở này thành các biến cơ sở phân bố chuẩn Khi đó biểu thức 2.19 sau phải thỏa mãn tại điểm thiết kế:

( ) ( )* *

U X

F X =Φ (2.19) Hay:

U =Φ− X ; * 1{ ( )* }

U F

X = X− Φ (2.20)

* Trong đó:

+ Φ-1

– Hàm ngược của hàm phân bố tiêu chuẩn;

+ FX-1 – Hàm ngược của hàm phân bố xác suất của biến X;

x

x X

X X

f

X X

F

σ

µϕ

+ ϕ – Hàm mật độ xác suất phân bố tiêu chuẩn;

Giải hệ phương trình trên thu được:

( )

( ) ( )

1

* '

*

* 1

'

X X

X

X

X X

X F X

X f

X F

σµ

ϕσ

Từ hệ phương trình 2.22 cho thấy, độ lệch chuẩn và trung bình giá trị xấp xỉ

của hàm phân bố chuẩn phụ thuộc vào giá trị của X tại điểm thiết kế Do đó, trong quá trình tính toán lặp điểm thiết kế và chỉ số độ tin cậy cần phải tính luôn giá trị

mới của σ’x ,µ’x tại mỗi bước:

* Trường hợp (4) – Các biến ngẫu nhiên cơ sở phụ thuộc:

Nếu các biến ngẫu nhiên cơ sở là phụ thuộc thì chúng phải được biến đổi sang dạng biến độc lập Nếu tồn tại một hàm liên hệ thể hiện sự phụ thuộc giữa các biến thì có thể rút gọn các biến trong hàm tin cậy.Trong nhiều trường hợp không xác định được chính xác mối liên hệ giữa các biến, khi đó cần thiết phải biểu diễn bằng

các mối tương quan thống kê.Trong những trường hợp như vậy, các biến cơ sở có thể biến đổi được.Phương pháp biến đổi tổng quát được sử dụng rộng rãi là Rosenblatt – Tranformation

27

Phương pháp biến đổi Rosenblatt dựa trên hàm mật độ xác suất kết hợp của một vector thống kê với các biến cố phụ thuộc Bắt đầu bằng hàm mật độ xác suất của một vector có n biến ngẫu nhiên, ta có thể xác định các hàm mật độ xác suất của

Z S R

f f R S dRdS P

Z

P (2.23)

Về nguyên tắc tích phân này được xác định bằng phương pháp giải tích, nhưng đối với các bài toán kĩ thuật bằng cách này rất hạn chế.Vì vậy, giải pháp thông thường là tính toán sử dụng các phương pháp số.Có hai phương pháp được sử dụng nhiều là phương pháp tích phân số và phương pháp Monte Carlo

Trong Luận văn nàytác giả áp dụng ở cấp độ II, tức là sử dụng một số phương pháp xấp xỉ và bài toán được tuyến tính hóa, hàm mật độ xác suất của các biến ngẫu nhiên được thay thế bằng hàm mật độ tuân theo luật phân phối chuẩn Kết quả xác định xác suất xảy ra sự cố của hệ thống cũng như xác suất của từng cơ chế xảy ra sự

28

Một số nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự cố đối công trình ngầm như đã nêu ra ở chương I bao gồm:

- Điêu kiện địa chất nền suy giảm theo thời gian;

- Áp lực nước ngầm quá lớn, bao gồm cả áp lực đẩy ngược tác dụng lên đáy công trình và áp lực dòng thấm tác động vào công trình, đặc biệt là các vị trí

- Sụt lún nền do mất đất do quá trình thi công gây ra;

- Các điều kiện địa chất không như mong đợi (không được phát hiện trong quá trình khảo sát địa chất)

- Mất ổn định do kết cấu chống đỡ, bảo vệ, vỏ công trình không thực hiện được chức năng như thiết kế

• Các biểu hiện sự cố thường gặp như:

- Rạn nứt cục bộ một số vị trí trên công trình do ứng suất tác dụng vượt ứng

suất cho phép của vỏ hầm

- Công trình bị sụt lún không đều, lún từng đốt hầm và mất liên kết ổn định

với các đốt khác

- Công trình bị đẩy nổi, bản đáy bị đẩy bật

- Công trình bị thấm, bị nước chảy tràn vào phía trong công trình

Dựa trên các cơ chế xảy ra sự cố ta có thể xây dựng sơ đồ cây sự cố như sau:

29

Hình 2.4: Sơ đồ hóa cây sự cố công trình ngầm

σ max >[σ] Wđn>Wgiữ Qphản lực>[Q} S>[S]