Nghiên cứu ứng suất vỏ hầm có kể đến quá trình thi công theo phương pháp NATMứng dụng cho hầm giao thông Dự án đường cao tốc Nội Bài Lào Cai

Luận văn đã tổng quan lại các phương pháp tính toán đường hầm, đưa ra các ưu nhược điểm của các phương pháp từ đó so sánh, lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán. Phương pháp phần tử hữu hạn giải được các bài toán có biên phức tạp, phản ánh gần đúng thực tế sự làm việc của nền cho lời giải tương đối chính xác. Ngoài ra phương pháp này còn cho phép miền tính toán có các loại vật liệu khác nhau, hình dạng, kích thước và biên phức tạp. Luận văn sử dụng chương trình Plaxis 3D tunnel V1.2 của Hà Lan để tính toán đường hầm dưới dạng bài toán ứng suất biến dạng 3 chiều, có kể đến sự ảnh hưởng của các miền xung quanh đường hầm tới vỏ hầm bằng cách mô phỏng miền vật liệu đàn hồi tuyến tính quanh đường hầm. Luận văn đã tính toán ứng suất, biến dạng đường hầm giao thông thuộc dự án cao tốc Nội Bài – Lào Cai khi kể đến quá trình thi công theo phương pháp NATM của Áo, trong đó thệ hiện trực quan 3 chiều sự biến đổi ứng suất biến dạng trong suất quá trình thi công.

-

NGUYỄN THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT VỎ HẦM CÓ KỂ ĐẾN QUÁ TRÌNH THI CÔNG THEO PHƯƠNG PHÁP NATM-

ỨNG DỤNG CHO HẦM GIAO THÔNG

DỰ ÁN ĐƯỜNG CAO TỐC NỘI BÀI - LÀO CAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2010

DỰ ÁN ĐƯỜNG CAO TỐC NỘI BÀI - LÀO CAI

Chuyên ngành : xây dựng công trình thuỷ

Mã số : 60-58-40

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học: gs.ts phạm ngọc khánh

Hà Nội, 2010

LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Phạm Ngọc Khánh đã tận

tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ trong và ngoài trường

Đại học Thủy lợi, đặc biệt là phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, bộ môn Cơ học

kết cấu cùng bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành tốt

luận văn

Do thời gian và trình độ có hạn nên luận văn còn nhiều hạn chế, mong các

thầy cô và bạn bè đồng nghiệp quan tâm góp ý để tác giả có thêm kiến thức và kinh

nghiệm trong vấn đề này

Hà Nội, tháng 3 năm 2010

Nguyễn Thanh Tùng

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG 7

1.1.SƠLƯỢCVỀLỊCHSỬXÂYDỰNG,PHÁTTRIỂNĐƯỜNGHẦMGIAO THÔNG 7

1.1.1 Khái niệm chung về đường hầm giao thông 7

1.1.2 Sơ lược về lịch sử xây dựng đường hầm giao thông 11

1.2.TÌNHHÌNHXÂYDỰNGHẦMGIAOTHÔNGTRÊNTHẾGIỚIVÀVIỆT NAM 13

1.2.1 Tình hình xây dựng hầm giao thông trên thế giới 13

1.2.2 Tình hình xây dựng hầm giao thông ở Việt Nam 14

1.3.CÁCTHÔNGSỐCHÍNHVÀHÌNHẢNHMỘTSỐCÔNGTRÌNH ĐƯỜNGHẦMGIAOTHÔNG 15

1.3.1 Các thông số chính của một số công trình hầm giao thông 15

1.3.2 Hình ảnh một số công trình hầm giao thông 16

1.3.2.1 Hầm Hải Vân 17

1.3.2.2 Hầm Đèo Ngang 18

1.3.2.3 Hầm Laerdal (Na Uy) 19

1.3.2.4 Hầm Hsuehshan (Đài Loan) 20

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM VÀ CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 21

2.1.CÁCTÍNHCHẤTCƠHỌCCỦAMÔITRƯỜNGĐÁ 21

2.1.1 Độ bền nén đơn trục 21

2.1.2 Độ bền kéo đơn trục: 21

2.1.3 Độ bền cắt của đá: 22

2.1.4 Độ bền của đá ở trạng thái ứng suất ba chiều 22

2.1.5 Hệ số bền vững: 22

2.1.6 Hệ số kiên cố 22

2.1.7 Đặc trưng ứng suất biến dạng của môi trường đá 23

2.1.8 Quan hệ ứng suất- biến dạng và độ bền của đá: 24

2.2.TRẠNGTHÁIỨNGSUẤTBIẾNDẠNGMÔITRƯỜNGQUANHVỎ HẦM 25

2.2.1 Trạng thái ứng suất biến dạng của môi trường xung quanh trước khi xây dựng hầm 25

2.2.2 Công nghệ thi công hầm theo phương pháp NATM 26

2.2.2.1 Khái niệm: 26

2.2.2.2 Trình tự thiết kế cơ bản của phương pháp: 27

2.2.2.3 Các bước thi công chính của phương pháp NATM: 32

2.2.2.4 Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của phương pháp NATM: 34

2.2.3 Trạng thái ứng suất biến dạng sau khi xây dựng đường hầm 34

2.3.CÁCPHƯƠNGPHÁPTÍNHTOÁNKẾTCẤUĐƯỜNG HẦM 36

2.3.1 Tải trọng và tổ hợp tải trọng 36

2.3.2 Bài toán ứng suất biến dạng 37

2.3.3 Các phương pháp cơ bản tính ứng suất biến dạng đường hầm 41

2.3.3.1 Phương pháp cơ học kết cấu 41

2.3.3.2 Phương pháp cơ học vật rắn biến dạng 46

2.3.3.3 Các phương pháp số 47

2.3.4 Giải bài toán ứng suất biến dạng bằng phương pháp PTHH 49

2.4.NHẬNXÉT,ĐÁNHGIÁCÁCPHƯƠNGPHÁPTÍNH 54

2.4.1 Phương pháp cơ học kết cấu 54

2.4.2 Phương pháp cơ học vật rắn biến dạng 54

2.4.3 Các phương pháp số 55

2.4.3.1 Phương pháp phần tử biên 55

2.4.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 55

2.5.KẾTLUẬNCHƯƠNG2 56

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ ÁP DỤNG: TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG

3.1.GIỚITHIỆUVỀDỰÁNĐƯỜNGCAOTỐCNỘIBÀI–LÀOCAI 58

3.2.GIỚITHIỆUVỀĐƯỜNGHẦMGIAOTHÔNGTHUỘCDỰÁN 59

3.3.CÁCTHÔNGSỐTÍNHTOÁN 61

3.3.1 Sơ đồ tính toán 61

3.3.2 Giới thiệu phần mềm Plaxis 3D Tunnel dùng để tính toán 61

3.3.3 Thông số cơ bản dùng trong tính toán 62

3.3.3.1 Số liệu về bê tông: 62

3.3.3.2 Số liệu về vỏ hầm: 62

3.3.3.3 Số liệu về đá nền: 62

3.4.TRÌNHTỰVÀKẾTQUẢTÍNHTOÁNTHEOMÔHÌNHKẾTCẤUVÀ NỀNLÀMVIỆCĐỒNGTHỜIDÙNGPLAXIS3DTUNNEL 63

3.4.1 Trình tự gương đào và vị trí tương ứng: 63

3.4.2 Các bước tính toán: 64

3.4.3 Tính toán ổn định gương đào giai đoạn cuối: 72

3.5 KẾT QUẢ TÍNH VÀ NHẬN XÉT 73

3.5.1 Kết quả tính toán 73

3.5.2 Nhận xét kết quả 74

3.6.KẾTLUẬNCHƯƠNG3 74

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 75

4.1.KẾTLUẬN 75

4.1.1 Những vấn đề đã đạt được 75

4.1.2 Những vấn đề còn tồn tại 75

4.2.KIẾNNGHỊ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 79

MỞ ĐẦU

Do sự phát triển kinh tế và quốc phòng các loại kết cấu công trình ngầm ngày

càng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế Trong ngành giao thông công trình

ngầm được sử dụng dưới dạng các đường hầm (tunnel) trên các tuyến đường sắt và

đường bộ để vượt qua các chướng ngại phức tạp của thiên nhiên (như sông, núi)

hoặc làm các đường tàu điện ngầm trong các thành phố lớn để tăng lượng vận

chuyển hành khách và giảm mật độ giao thông trên mặt đất Trong ngành thủy lợi

và thủy điện có thể gặp dưới dạng các đường hầm dẫn nước và xả nước trong nhà

máy thủy điện, các hệ thống đường ống kỹ thuật cấp thoát nước Trong ngành dầu

khí công trình ngầm thường là các đường ống dẫn dầu, dẫn khí Đặc biệt trong lĩnh

vực quốc phòng các đường hầm được xây dựng làm để làm sở chỉ huy, công trình

ẩn nấp chiến đấu, cất giấu các loại vũ khí, trang bị kỹ thuật chiến đấu, các kho hậu

cần, quân y… Do có những ưu điểm vượt trội so với các công trình lộ thiên như tiết

kiệm được diện tích mặt bằng chiếm chỗ, không phụ thuộc vào địa hình thực tế,

tuyến ngắn, thẳng, bí mật…nên việc nghiên cứu các phương pháp tính toán và thiết

kế công trình ngầm là vấn đề có ý nghĩa thực tế

Ở Việt Nam công trình ngầm đã được xây dựng trong các ngành giao thông,

thủy điện, thủy lợi…và sẽ được xây dựng nhiều trong tương lai khi đường tàu điện

ngầm trong các thành phố lớn được triển khai xây dựng, đường hầm trong các công

trình thủy lợi, thủy điện, đặc biệt là khi ngày càng nhiều các tuyến đường cao tốc

được xây dựng, do các tiêu chuẩn thiết kế mà các đường hầm vượt chướng ngại vật

trên đường cao tốc sẽ được xây dựng nhiều trong tương lai

Giá thành xây dựng các công trình ngầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thiết

kế, thi công, thiết bị xây dựng…Do vậy có rất nhiều hướng nghiên cứu để hạ giá

thành công trình nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật Giải pháp thiết kế phù

hợp với các điều kiện tự nhiên và thiết bị thi công sẵn có là một trong những

phương hướng nghiên cứu đó Các chỉ dẫn nghiên cứu về các phương pháp thi công

và sự biến đổi nội lực trong quá trình thi công là rất hạn chế Vì vậy việc nghiên cứu

tính toán kết cấu đường hầm trong quá trình thi công là rất cần thiết

Trong khuôn khổ luận văn này tác giả chỉ nghiên cứu tính toán kết cấu đường

hầm giao thông theo phương pháp :

- Mô hình kết cấu và nền làm việc đồng thời

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG 1.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ XÂY DỰNG, PHÁT TRIỂN ĐƯỜNG HẦM

GIAO THÔNG

1.1.1 Khái niệm chung về đường hầm giao thông

Đường hầm giao thông gồm đường dành cho người đi bộ và đường hầm trên

các tuyến giao thông để vượt các chướng ngại vật như rừng núi, sông hồ, các khu

dân cư, khu công nghiệp và các công trình đặc biệt khác Một loại hình đặc biệt của

đường hầm giao thông là đường xe điện ngầm, tại hầu hết các thành phố lớn trên thế

giới như London, Paris, Berlin, Madrid, Moscow đều sử dụng mạng lưới xe điện

ngầm Đây là một loại hình vận tải công cộng có rất nhiều ưu điểm như: không tốn

diện tích trên mặt đất, ít gây ô nhiễm cả về khí thải và tiếng ồn, hiệu quả và an toàn

Hầm là phương tiện có hiệu quả để mở rộng khả năng vạch các tuyến đường

giao thông trong những điều kiện khó khăn, chúng được sử dụng để vượt qua các

chướng ngại Các chướng ngại gặp phải khi vạch các tuyến đường giao thông bao

gồm các chướng ngại cao và chướng ngại bằng Chướng ngại cao là các vùng đồi

núi, các đỉnh phân thuỷ Khi vạch tuyến đường sắt hoặc đường bộ thường có ba

giải pháp: đi vòng, kéo dài tuyến kết hợp với đường đào sâu và dùng hầm để vượt

chướng ngại

Khi đi vòng chướng ngại tuyến đường bị kéo dài và tăng độ dốc Đối với

đường sắt thường làm xấu những điều kiện khai thác của tuyến Trong thực tế đôi

khi giải pháp này không thực hiện được

Khi kéo dài tuyến kết hợp với việc đào sâu, chiều dài tuyến có thể ngắn hơn,

nhưng thường đòi hỏi độ dốc lớn và phải có các biện pháp bảo vệ những phần tuyến

ở trên cao, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt đới có nhiều mưa bão như ở nứơc ta

Những giải pháp xây tường chắn, làm hành lang bảo vệ tuyến khỏi các hiện tượng

sụt lở, đỏ lăn, đỏ đổ, là những giải phỏp thường gặp trong phương ỏn vượt chướng

ngại vật này và trong nhiều trường hợp chỳng cũng khụng rẻ

Đường đào

Hầm Kéo dài tuyến

Hỡnh 1.1: Vượt chướng ngại cao

Vượt chướng ngại vật bằng hầm cho phộp rỳt ngắn tuyến một cỏch đỏng kể,

giảm độ dốc Điều đú cho phộp tăng tải trọng tiờu chuẩn và tốc độ xe chạy, cải thiện

cỏc điều kiện kỹ thuật cũng như điều kiện khai thỏc của tuyến đường Tuy nhiờn,

vượt chướng ngại bằng hầm, nhất là hầm dưới thấp, cú chiều dài lớn cũng thường

đũi hỏi vốn đầu tư lớn vỡ thế việc chọn tuyến đường giao thụng được tiến hành trờn

cơ sở so sỏnh kinh tế, kỹ thuật cỏc phương ỏn

Chướng ngại bằng bao gồm cỏc vựng sụt lở, đất phủ, cỏc hiện tượng băng hà ở

xứ lạnh, cỏc vựng chứa nước như hồ, ao, sụng ngũi, eo biển, cũng như những vựng

xõy dựng dày đặc, cỏc điểm đụng dõn cư Những vựng sụt lở thường gõy nguy

hiểm cho việc khai thỏc cỏc tuyến đường nhất là vào những mựa mưa lũ Khi những

vựng sụt lở nhỏ cú thể bố trớ tuyến lờn cầu cạn cú trụ tựa lờn vựng đất ổn định dưới

sõu để vượt qua Biện phỏp này cũng thường phải kết hợp với những biện phỏp

chống trượt Khi vựng trượt lớn (thường lớn hơn 5m) và cú cỏc dũng nước ngầm

sõu thỡ giải phỏp cú ý nghĩa hơn cả là đưa tuyến đường vào sõu trong khối đỏ ngoài

phạm vi vựng trượt

Giải phỏp này cũng là hợp lý khi gặp lớp đất phủ cú chiều dày lớn trờn cỏc

sườn dốc được tạo nờn do hiện tượng phong hoỏ, nứt nẻ của đỏ, do đỏ lăn, rơi từ

trờn cao xuống rồi tớch tụ lại

Vùng trượt Vùng đất phủ

Hỡnh 1.2: Vượt cỏc vựng trượt, đất phủ

Khi vượt cỏc chướng ngại nước cú thể chọn cầu hoặc hầm So với vượt bằng

cầu thỡ vượt bằng hầm cú cỏc ưu điểm sau: khụng phải bố trớ khổ thụng thuyền,

trỏnh được cỏc ảnh hưởng do mưa giú, bóo, súng chiều dài giao nhau với cỏc

chướng ngại đụi khi ngắn hơn, nhất là trong trường hợp khổ thụng thuyền cao, bói

sụng rộng Xõy dựng đường dẫn thuận lợi hơn trong trường hợp giao nhau điểm dõn

cư, xõy dựng dày đặc Trong điều kiện những nước phỏt triển mật độ giao thụng

thuỷ ngày một tăng nhanh do đú nếu vượt bằng cầu ngoài việc cú cỏc trụ trờn đường

giao thụng thuỷ nú cũn đũi hỏi phải xõy cỏc cầu nhịp lớn và khổ thụng thuyền dưới

cầu cũng lớn,do đú vượt bằng cầu ngày càng đắt hơn, đặc biệt là những phương ỏn

vượt qua cỏc eo biển, cỏc phương ỏn nối đảo

Khổ thông thương

Hầm Cầu

Hỡnh 1.3: Vượt chướng ngại nước

Tuy nhiờn, giải phỏp vượt chướng ngại bằng hầm cũng cú khỏ nhiều nhược

điểm: phải thụng giú và thoỏt nước nhõn tạo, đụi khi khụng cú thỡ khụng thể khai

thỏc được cụng trỡnh; thời hạn thi cụng dài vỡ diện thi cụng hẹp; giỏ thành xõy dựng

cú thể lớn hơn vỡ khi làm hầm phải thực hiện khối lượng cụng tỏc đất khỏ lớn Tuy

nhiờn, bề rộng chướng ngại nước tăng thỡ giỏ thành một một dài cầu tăng, cũn giỏ

thành một mét dài hầm thì giảm và khi chiều cao cầu tăng thì khối lượng công tác

đất của phương án này cũng tăng lên

Về mặt an toàn trong thi công thì phương án cầu cũng không hơn hẳn phương

án hầm Ngày nay, kỹ thuật xây dựng hầm trong những điều kiện địa chất khó khăn

như đất yếu, cát chảy, dưới mực nước ngầm đã được hoàn thiện, phổ biến và được

cơ giới hoá ở trình độ cao, đảm bảo an toàn tuyệt đối Mặt khác, việc thi công hầm

lại không bị ảnh hưởng của thời tiết, khí hậu

Việc chọn phương án cầu hay hầm cũng được tiến hành trên cơ sở so sánh

kinh tế, kỹ thuật các phương án và phải có luận cứ đầy đủ, chắc chắn

Trong việc xây dựng và phát triển các thành phố hiện đại ngày nay phải giải

quyết đồng bộ hàng loạt các vấn đề như giao thông, đất đai xây dựng, bảo vệ môi

trường sinh thái, vệ sinh thành phố Các công trình ngầm nói chung, hầm nói riêng

đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề này

Theo dự báo đến năm 2020 85% dân số trên hành tinh này sẽ sống trong các

thành phố Hiện nay trên thế giới có hơn 300 thành phố có số dân từ 250 ngàn đến 1

triệu người, hơn 100 thành phố có số dân từ 1 đến 10 triệu người Trong những

thành phố này giao thông luôn là những vấn đề hết sức phức tạp Trong những năm

gần đây mật độ giao thông đặc biệt là ôtô tăng với nhịp độ gấp 3 ÷ 4 lần tăng của

dân số, 3 ÷ 3,5 lần tăng của việc xây dựng đường Lượng ôtô tính cho 1000 dân

hiện nay: ở Châu Âu là 250 ÷ 350 chiếc, ở Mỹ là 300 ÷ 400 chiếc, đến năm 2010

con số này có thể đạt tới 550 ÷ 650 chiếc và phần lớn chúng tập trung ở thành phố

Để tăng khả năng thông xe của đường phố người ta phân luồng chúng khỏi

đường phố bằng cách đưa lên cầu vượt hoặc vào trong hầm

Phương án cầu vượt có nhiều nhược điểm so với phương án hầm: các trụ cầu

vẫn ở trên mặt đất nên phá hoại cảnh quan thành phố; tạo nên tiếng ồn lớn và bụi,

gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Do đó việc sử dụng hầm cho xe lửa, xe

điện, ôtô trong thành phố lớn vẫn là phổ biến

Một phương hướng khác của tổ chức giao thông ngoài đường phố là dùng

đường sắt treo Các toa xe điện treo trên các trụ kiểu conson

Ưu điểm của phương án này là chi phí xây dựng có thể thấp, tốc độ chạy tàu

cao, tất cả sức kéo, các thiết bị phục vụ bố trí bên trong hộp nên không bị ảnh

hưởng của khí quyển, chuyển động không ồn, vị trí toa xe nằm dưới đường trượt

nên đảm bảo đi qua những chỗ đường cong bé mà không phải giảm tốc độ

Đường sắt treo có thể sử dụng có hiệu quả ở những vùng xây dựng còn thưa

thớt Trong vùng xây dựng dày đặc, khi không có những đường trục lớn giải pháp

hợp lý vẫn là dùng hầm [9]

1.1.2 Sơ lược về lịch sử xây dựng đường hầm giao thông

Nguồn gốc của việc xây dựng hầm đầu tiên phải kể đến việc tạo nên những

hang hầm từ thời cổ xưa Từ lâu, trước công nguyên ở Babilon, Ai Cập, Hy Lạp và

La Mã công tác xây dựng ngầm để khai thác khoáng sản, xây các lăng mộ, nhà

thờ sau đó là để cấp nước và giao thông Đáng kể hơn cả là những hầm do người

cổ La Mã xây dựng vào mục đích cấp, thoát nước và giao thông, một số còn giữ

nguyên đến ngày nay

Việc phát triển của xây dựng hầm gắn liền với việc phát triển của công cụ và

phương tiện sản xuất Trình độ của kỹ thuật xây dựng hầm tương ứng với trình độ

phát triển của sức sản xuất Tất cả những hầm cổ đều xây dựng trong đá cứng không

cần xây vỏ, tuy nhiên hang đã có dạng vòm giống như các hang động tự nhiên Việc

thi công dựa vào sức lao đông của nô lệ nhờ các công cụ thô sơ như: choòng, xà

beng, cũng như phương pháp nhiệt: đầu tiên đốt nóng gương rồi sau làm lạnh bằng

nước Sau khi đế quốc La Mã sụp đổ, xây dựng ngầm cũng như các hoạt động khác

của loài người đi vào thời kỳ suy thoái kéo dài Trong thời kỳ này công tác xây

dựng ngầm chủ yếu giành cho mục đích chiến tranh

Vào cuối thời kỳ trung cổ do việc mở rộng quan hệ giữa các dân tộc cũng như

việc rút ngắn con đường buôn bán người ta đã xây dựng các hầm đường thuỷ nối

thuốc nổ để phá đá Hầm đường thuỷ đầu tiên dài gần 160(m) đã xây dựng ở Pháp

trên kênh Langedok năm 1679 ÷ 1681

Việc xuất hiện đường sắt là nguyên nhân thúc đẩy sự nghiệp phát triển hầm

sau này Hầm đường sắt đầu tiên dài 1190(m) đã xây dựng vào 1826 ÷ 1830 trên

tuyến đường từ Liverpool tới Manchester ở Anh Cũng trong thời kỳ này hầm

đường sắt được xây dựng ở Pháp và các nước Châu Âu khác

Mặc dù việc xây dựng hầm đã phát triển nhưng chiều dài những hầm xây dựng

bằng khoan tay và thuốc nổ đen đã không vượt quá 3,5(km) Trình độ kỹ thuật hạn

chế việc xây dựng các hầm dài

Việc tìm ra thuốc nổ Pirocxilin (1845) cùng với việc áp dụng thành công máy

khoan đập xoay vào công việc mỏ đã tạo nên bước ngoặt trong xây dựng hầm và tạo

nên khả năng giải quyết những nhiệm vụ khó khăn nhất trong sự nghiệp xây dựng

những hầm như xây dựng những hầm xuyên dãy Anpe nối Pháp, Italia và Thụy Sỹ

Vào những năm 1857 ÷ 1871 đã xây dựng hầm Mont Cenis dài 12.850(m) nối

Pháp với Italia có độ chênh cao hai cửa là 132,28(m) Hầm Sin – Goithord dài

14.984(m) nối liền Gosehenen (Thụy Sỹ) và Airolo (Italia) được xây dựng vào

những năm 1872 ÷ 1882 Trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất đã xây dựng tất cả

26 hầm có chiều dài lớn hơn 5(km), trong đó có hầm dài nhất thế giới: hầm Sinplon

dài 19.870(m) nối Italia và Thụy Sỹ Đầu tiên là hầm Sinpon I bắt đầu năm 1898 kết

thúc năm 1906 Mặc dù gặp những khó khăn rất lớn như áp lực địa tầng tăng, gặp

nguồn nước nóng, nhiệt độ trong hầm cao (55oC) hầm Sinpon II đã xây dựng chỉ

đến năm 1921

Vật liệu chủ yếu để xây dựng vỏ hầm là đá hộc xây vữa vôi hoặc vữa xi măng

Vào năm 1889 lần đầu tiên sử dụng bêtông làm vỏ hầm Nhưng cho đến một phần

tư cuối của thế kỷ XX bêtông mới trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng hầm

[9]

1.2 TÌNH HÌNH XÂY DỰNG HẦM GIAO THÔNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ

VIỆT NAM

1.2.1 Tình hình xây dựng hầm giao thông trên thế giới

Thời thượng cổ con người đã biết đào các hầm ngầm đặc biệt để khai thác

quặng mỏ và than đá Người La Mã đã xây dựng các đương hầm thuỷ lợi đến nay

vẫn còn tốt Tác phẩm đầu tiên viết về xây dựng các đường hầm là cuốn De ra

metallica do một người Đức Georg Bawer (tên Latin là Georg Agricola) viết và xuất

bản vào năm 1556 Công trình ngầm hiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas, dài

155(m) được xây dựng từ năm 1676 đến năm 1681 cho kênh đào Midi ở miền Nam

nước Pháp

Đến thế kỉ thứ XIX, đặc biệt vào thế kỷ XX, do yêu cầu mà giao thông đường

bộ, đường thuỷ, đường sắt và giao thông thành phố mới phát triển mạnh mẽ, nhất là

giao thông hầm đường bộ, đường sắt, đường thuỷ và hầm cho tàu điện ngầm

Đã xuất hiện hầm đường bộ Sinplon qua dãy núi Alpes – Penins nằm giữa

Valacs (Thụy Sỹ) và Piemonte (Italia) dài 19.730m ở độ cao 2.009(m) Đó là đường

hầm ở trên núi cao được xây dựng sớm nhất và dài nhất trên thế giới vào thời đó

Vào thế kỷ XX ở các thủ đô lớn trên thế giới đã xây dựng mạng lưới tàu điện

ngầm đô thị hiện đại đặc biệt ở Moscow Ở Trung Quốc, sau ngày giải phóng 1949

đến nay đã xây dựng hơn 4.000(km) hầm đường sắt dài vào loại nhất thế giới

Năm 1995 Trung Quốc đã xây dựng hầm đường bộ Tần Lĩnh dài 19,45(km) đã

tạo một bước ngoặt đột phá mới về kỹ thuật xây dựng ở trong nước

Vào cuối thế kỷ XX kỹ thuật xây dựng hầm ngầm qua sông, qua eo biển đạt

bước phát triển mới đã có nhiều phương pháp thi công hữu hiệu Năm 1984, Nhật

Bản đã xây dựng đường hầm Thanh Hàm xuyên qua eo biển Tân Hải Hiệp dài

53,85(km) Năm 1991, nước Anh và nước Pháp hợp tác xây dựng đường hầm xuyên

qua eo biển Manche nối liền hai nước dài 50(km) ( trong đó có 37,5km nắm sâu

cách mặt nước biển khoảng 100m)

Tại cửa ngõ ra vào phía Nam thủ đô Kuala Lumpur (Malaysia), người ta xây

dựng hệ thống hầm giao thông và điều tiết lũ (SMART), là công trình đầu tiên trên

thế giới kết hợp hai trong một – hầm ngầm thoát nước và hầm xa lộ Theo thiết kế,

đường hầm SMART có chiều dài 4,7(km), hai tầng cho giao thông, một tầng cho

thoát nước khi mưa nhỏ, rộng 6,5(m) (2 làn xe), tốc độ thấp nhất 60(km/h)

Sau năm năm thi công, đoạn tuyến Marmaray (Thổ Nhĩ Kỳ), đoạn tuyến được

mong đợi từ lâu, nối giữa Châu Âu và Châu Á đang gấp rút thi công giai đoạn cuối,

toàn tuyến dài 76,3(km) trong đó có 13,6(km) hầm và sẽ hoàn thành năm 2011, khai

thác vào năm 2012 Đường hầm bao gồm 1.387(m) đoạn hầm ống chìm dưới eo

biển được đặt trong một đường hào ở độ sâu 60(m) so với mực nước biển

Xuyên suốt lịch sử, có thể nói việc xây dựng hầm trên thế giới đã phát triển từ

rất lâu, và ngày càng hoàn thiện về công nghệ thi công, rút ngắn thời gian, giảm

thiểu chi phí và xây dựng các công trình đường hầm giao thông mang tính lịch sử

Với bước phát triển khoa học kỹ thuật như vũ bão và sự ra đời công nghệ mới-

công nghệ xây dựng hầm áo mới New Austrian Tunneling Method (NATM), con

người có thể xây dựng ngầm dưới đất ở các vùng địa chất phức tạp khác nhau làm

cho công trình xây dựng hầm và công trình ngầm an toàn, kinh tế và ngày càng hấp

dẫn

1.2.2 Tình hình xây dựng hầm giao thông ở Việt Nam

Trước Cách mạng tháng Tám 1945, ở Việt Nam năm 1930, có xây dựng hầm

giao thông thuỷ Rú Cóc (ở xã Nam Sơn, huyện Anh Sơn, tỉnh Nghệ An) hầm ngầm

xuyên qua núi giúp cho thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu xuống hạ lưu sông Lam

để tránh đi qua đập nước Đô Lương Ngành đường sắt có vài hầm ngầm ở miền

Trung mà điển hình là hầm Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc đại phận tỉnh

Thừa Thiên Huế

Trong chiến tranh chống Pháp, chống Mỹ hầm được xây dựng nhiều song chủ

yếu là hầm ngắn nằm trong núi phục vụ cho quốc phòng làm kho tàng hay công sự

Ở tỉnh Quảng Nam hầm lò được xây dựng khá nhiều chủ yếu phục vụ khai thác

than

Sau ngày thống nhất đất nước năm 1975, ta mở đầu xây dựng hầm Dốc Xây

trên quốc lộ 1A ở phía nam tỉnh Ninh Bình dài khoảng 100(m) Trong công cuộc

xây dựng đất nước hiện đại quy mô hiện nay, nước ta đã xây dựng hầm đường bộ

qua đèo Hải Vân dài trên 6(km); khi vận hành đã rút ngắn thời gian qua đèo từ một

giờ xuống khoảng 15 phút; giao thông Nam Bắc đã nhanh chóng và an toàn, tiện

lợi Tháng 5/2002 ta đã khánh thành hầm Aroàng I trên đường Hồ Chí Minh dài

453(m) và tiếp tục xây dựng hầm Aroàng II

Hầm đường bộ đèo Hải Vân (Việt Nam) khẩu độ 12,85(m), cao 11(m) dài hơn

6(km), khởi công ngày 1/10/2000 Năm 2003 khởi công hầm đường bộ qua đèo

Ngang (giáp giới tỉnh Nghệ An và tỉnh Quảng Bình) và sau đó khởi công hầm ngầm

chui qua sông Sài Gòn,

Trong tương lai không xa hầm và công trình ngầm ở đất nước ta sẽ có bước

phát triển mới rất to lớn khi các tuyến đường giao thông phải đi vào các vùng đồi

núi hiểm trở hoặc vùng đô thị lớn

Hầm và công trình ngầm ở nước ta sẽ gắn với mọi công trình xây dựng cơ bản

của nền kinh tế quốc dân một cách hữu cơ và sẽ có bước phát triển mới trong sự

nghiệp xây dựng đất nước ta thành một nước công nghiệp hoá và hiện đại hoá

1.3 CÁC THÔNG SỐ CHÍNH VÀ HÌNH ẢNH MỘT SỐ CÔNG TRÌNH

ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG

1.3.1 Các thông số chính của một số công trình hầm giao thông

Chiều dài (m)

Ghi chú

1 Hầm Hải Vân 6.280 - Đường hầm thoát hiểm

dài: 6.280 (m)

- Đường hầm thông gió dài: 1.810 (m)

- Hầm lọc bụi tĩnh điện dài: 153 (m)

4 Hầm Dốc Xây (Ninh Bình) 100 Trên Quốc Lộ 1A

5 Hầm Thanh Hàm (Nhật Bản) 53.850

6 Hầm qua eo biển Manche 50.000 Nối liền Anh và Pháp

7 Hầm qua sông Trường Giang

8 Hầm Tần Lĩnh (Trung Quốc) 19.450

9 Hầm Saint Cloud (Pháp) 909

10 Hầm Laerdal (Na Uy) 24.500

11 Hầm Hsuehshan (Đài Loan) 13.000

1.3.2 Hình ảnh một số công trình hầm giao thông

1.3.2.1 Hầm Hải Vân

1.3.2.2 Hầm Đèo Ngang

1.3.2.3 Hầm Laerdal (Na Uy)

1.3.2.4 Hầm Hsuehshan (Đài Loan)

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM VÀ CHỌN PHƯƠNG

PHÁP TÍNH TOÁN Công trình giao thông nói chung, đường hầm giao thông nói riêng thường chịu

tác dụng của các loại tải trọng như: áp lực đất đá, sự thay đổi của nhiệt độ, độ ẩm

Dưới tác dụng của các nguyên nhân trên bên trong công trình xuất hiện ứng

suất, khi ứng suất vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây nứt nẻ dẫn đến nhẹ thì làm

giảm chất lượng công trình, nặng thì làm công trình bị phá hoại Tính toán ứng suất

trong công trình dưới tác dụng của các nguyên nhân trên là yêu cầu được đề ra khi

thiết kế các công trình Lời giải của bài toán ứng suất biến dạng càng chính xác thì

các công trình được thiết kế càng đảm bảo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật

2.1 CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MÔI TRƯỜNG ĐÁ

2.1.1 Độ bền nén đơn trục

Đặc trưng cho khả năng kháng nén của đá được xác định bằng giá trị ứng suất

phát sinh khi mẫu thí nghiệm bị phá hủy dưới tác dụng của lực nén trên một trục ký

hiệu là c hay n được xác định bởi công thức:

Trong đó: Pmax : Lực nén đơn trục lớn nhất làm phá hủy mẫu

P0 : Là diện tích tiết diện ngang ban đầu của mẫu

2.1.2 Độ bền kéo đơn trục

Đặc trưng cho khả năng chống chịu lực kéo của đá, được xác định bằng ứng

suất khi kéo mẫu đá bị phá hủy dưới tác dụng của tải trọng kéo theo một trục, ký

hiệu t, k, được xác định bởi công thức:

Trong đó: Ptmax : Là lực gây phá hủy mẫu

F : Là diện tích tiết diện ngang ban đầu của mẫu

P: Lực cắt khi mẫu phá hủy (kg)

F: Diện tích mặt cắt ban đầu (cm2)

2.1.4 Độ bền của đá ở trạng thái ứng suất ba chiều

Dưới tác dụng của ngoại lực, đá làm việc ở trạng thái ứng suất phức tạp Để

nghiên cứu trạng thái ứng suất dưới tác dụng của các trường lực khác nhau cần thí

nghiệm nén theo phương pháp 3 trục Phụ thuộc vào trang thiết bị thí nghiệm và yêu

cầu nghiên cứu, có thể lựa chọn các sơ đồ thí nghiệm:

3 2 1 3 2 1 3 2

2.1.5 Hệ số bền vững

Là chỉ tiêu đặc trưng cho khả năng của đá chống lại sự phá hủy của ngoại lực,

ký hiệu là F được xác định thông qua độ bền nén bằng công thức:

Theo Protodiakonop coi cả môi trường đất đá rời rạc, nhưng để xét tính dính

kết, phải tăng hệ số ma sát giữa các thành phần hạt lên thành một hệ số giả định gọi

là hệ số kiên cố của đá, ký hiệu fkc Hệ số này là giả định nhưng mang ý nghĩa đặc

trưng cho một tính chất cơ học của đá

Đối với môi trường cơ học rời rạc, thì điều kiện cân bằng giới hạn sẽ là:

Đối với môi trường có tính dính kết, thì điều kiện cân bằng theo

Protodiakonop có thể viết như sau:

kc

f tg

2.1.7 Đặc trưng ứng suất biến dạng của môi trường đá

2.1.7.1 Mô đun đàn hồi E

Đặc trưng cho độ biến dạng đàn hồi của vật liệu kéo hay nén đơn trục, được

xác định bởi tỷ số giữa ứng suất pháp  khi kéo hay nén đơn trục và độ biến dạng

dọc tương đối với ứng suất đó:







2.1.7.2 Mô đun đàn hồi khi cắt ( mô đun trượt G)

Đặc trưng cho khả năng chống lại sự thay đổi hình dạng khi giữ nguyên thể

tích mẫu, bằng tỷ số ứng suất tiếp chia cho biến dạng xoay G:







2.1.7.3 Hệ số poisson (hệ số biến dạng ngang) v

Là tỷ số giữa biến dạng ngang tương đối ’ và biến dạng dọc tương đối  của

mẫu thí nghiệm khi chịu lực tác dụng:

,



2.1.8 Quan hệ ứng suất- biến dạng và độ bền của đá

Đường cong ứng suất – biến dạng của đá:

Quan hệ ứng suất – biến dạng được thể hiện qua đường cong ứng suất- biến

dạng, được xác định bằng thí nghiệm Quan hệ ứng suất biến dạng của đá có thể

chia thành 4 vùng như sau :

Hình 2.1 Quan hệ ứng suất biến dạng của đá [4]

Trong đó: (1): - OA - Đoạn này hơi cong và lõm thể hiện sự khép kín của

(4): - CD) - Đoạn thể hiện miền phá hủy

Các đoạn OA và AB rất gần với đoạn thẳng, nhưng khi tăng hoặc giảm tải, sự

thay đổi cấu trúc hoặc tính chất của đá là không thuận nghịch trong thực tế coi là

thẳng đàn hồi tuyến tính Vùng BC thường bắt đầu ở khoảng 2.3 của giá trị cực đại,

độ dốc của đường cong giảm dần đến không, tương ứng với sự gia tăng ứng suất

Trong vùng này, sự biến đổi tính chất và cấu trúc đá là không thuận nghịch do sự

xuất hiện biến dạng dẻo, vết nứt là các chu kỳ tăng và giảm kế tiếp nhau vẽ nên các

đường cong hoàn toàn khác nhau Một chu kỳ dỡ tải cho một giá trị biến dạng dư

Nếu lại tăng tải thì đường cong ứng suất – biến dạng của lần này thấp hơn nhưng

song song với đường OABC Đoạn BC bắt đầu từ điểm C, điểm cực đại của đường

cong ứng suất – biến dạng ứng với độ bền tột đỉnh và ứng với đường cong có độ

dốc âm Một chu kỳ dỡ tải thường dẫn đến một giá trị biến dạng rất lớn và nếu tăng

tải tiếp sẽ vẽ nên đường cong ứng suất – biến dạng và đường cong CD, ứng với độ

bền tới hạn nằm thấp hơn điểm S Vùng CD là vùng đặc thù của trạng thái biến

dạng cứng Tuy nhiên trong các thí nghiệm nén thông thường các mẫu thường bị

phá vỡ ngay ở lân cận điểm C

2.2 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG MÔI TRƯỜNG QUANH VỎ

HẦM

2.2.1 Trạng thái ứng suất biến dạng của môi trường xung quanh trước khi xây

dựng hầm

Trước khi đào đường hầm khối địa tầng nằm trong trạng thái cân bằng ổn định

và trạng thái ứng suất của nó được xác định bởi trọng lượng bản thân và tính chất cơ

lý của địa tầng, bởi ảnh hưởng của nhiệt độ và nước ngầm

Ứng suất ban đầu trong khối địa tầng trước lúc đào chủ yếu do trọng lượng bản

thân của lớp đá nằm trên đó gây ra Trong trường hợp đơn giản là địa tầng trầm tích,

phân lớp nằm ngang, sự thay đổi của nhiệt độ và kiến tạo không đáng kể Nếu tách

một phân tố đá tại độ sâu H= hi ( hi là chiều dày từng lớp địa tầng kể từ mặt đất

đến phân tố đang xét) thì trên phân tố ứng suất theo phương thẳng đứng là:

Trong đó: i : Khối lượng riêng của địa tầng trong lớp i

0: Hệ số áp lực bên của địa tầng

Vật liệu nằm trong khối đang xét có thể xem như vật liệu đàn hồi tuyến tính,

do đó trạng thái ứng suất tuân theo ứng xử lý thuyết đàn hồi Giả thiết này có thể

phù hợp không chỉ đá cứng mà với cả đất đá mềm yếu, khi thay đổi áp lực địa tầng

trong một giới hạn không lớn ( từ áp lực ban đầu đến áp lực sau khi gia cố hầm) thì

giữa ứng suất và biến dạng có mối liên hệ tuyến tính

Trong trường hợp này hệ số áp lực bên 0 có thể biểu thị qua hệ số biến dạng

Tùy theo địa điểm xây dựng mà áp lực do trọng lượng của địa tầng cũng khác

nhau Nếu địa tầng không nằm ngang, xiên lệch thì áp lực sẽ không đối xứng Nếu

các lớp thẳng đứng có các tính chất cơ lý khác nhau theo các lớp thì áp lực cũng

khác nhau

2.2.2 Công nghệ thi công hầm theo phương pháp NATM

2.2.2.1 Khái niệm

Quan điểm thiết kế thi công hầm theo phương pháp cổ truyền là coi đất đá

xung quanh gây ra áp lực tác dụng lên vỏ hầm Vỏ hầm khi đó là kết cấu chịu lực

chính Do đó khi thi công hầm theo phương pháp cổ truyền, sau khi khai đào ta cần

nhanh chóng xây dựng kết cấu chống đỡ và vỏ hầm để chịu sự tác động của đất đá

xung quanh

Đến những năm 1957-1965 kỹ sư mỏ người Áo, Giáo sư Tiến sỹ L.V

Rabcewicz đã phát triển thành phương pháp mới về thi công hầm từ những kinh

nghiệm thi công hầm Phương pháp này thay đổi quan điểm thiết kế thi công hầm

Nó tỏ ra có nhiều ưu thế hơn các phương pháp cổ truyền và đã áp dụng ở nhiều

nước trên thế giới thông qua các công trình thực tiễn trong nhiều lĩnh vực như

đường bộ, đường sắt và đường thuỷ Ở Việt Nam phương pháp này được áp dụng

đầu tiên tại dự án Hầm đường bộ Hải Vân, tiếp theo là Hầm Đèo Ngang,

Phương pháp NATM (New Austrian Tunneling Method) bao gồm các biện

pháp mà việc hình thành đất đá xung quanh hầm được liên kết thành kết cấu vòm

chống Do đó việc liên kết này tự bản thân nó sẽ trở thành một phần của kết cấu đỡ

hầm Khi đào hầm, sự cân bằng hiện có nguyên thuỷ của các lực trong khối đá sẽ

chuyển sang tình trạng cân bằng mới, thứ cấp và cũng ổn định Điều này chỉ có thể

đạt được thông qua sự kế tiếp của các giai đoạn trước mắt cùng với tiến trình phân

bổ lại các ứng suất đa dạng Mục đích của NATM là kiểm soát được các tiến trình

chuyển đỏi này trong khi vẫn cân nhắc về mặt kinh tế và an toàn [12]

2.2.2.2 Trình tự thiết kế cơ bản của phương pháp

1/ Lập tuyến

Việc lập tuyến hầm được thực hiện theo chức năng của hầm chẳng hạn như các

điều kiện địa chất, vị trí hầm, kiểm soát an toàn trong và sau quá trình thi công, ảnh

hưởng đến môi trường và hiệu quả kinh tế [12]

- Định tuyến hầm trên bình đồ và trắc dọc của hầm được thiết kế đảm bảo các

chức năng và mục đích của hầm như là một phần của tuyến đường theo địa hình, địa

chất, môi trường dựa trên kết quả đo đạc tại hiện trường

- Vị trí cửa hầm: Các yếu tố chính để quyết định vị trí của cửa hầm là tuyến

bình đồ và trắc ngang của đường, điều kiện địa hình, địa chất khu vực cửa hầm Các

điều kiện địa chất xung quanh khu vực cửa hầm khó mong đợi được khả năng tự

chống đỡ của đất đá do tầng phủ mỏng và các điều kiện địa chất không thuận lợi

Để có hiệu ứng vòm đất xung quanh hầm, độ dày tối thiểu của lớp phủ phải lớn hơn

2 lần đường kính hầm

- Mặt cắt ngang hầm: Kích thước hầm và mặt cắt bên trong hầm sẽ được ước

tính theo loại và mục đích sử dụng Mặt cắt bên trong hầm sẽ phù hợp theo kích

thước hầm, thiết bị thông gió, thiết bị chiếu sáng, thiết bị cấp cứu, các biển báo và

dung sai cho phép của các sai sót trong thi công

- Thiết kế khu vực cửa hầm

2/ Khảo sát chi tiết và phân loại đất đá khu vực tuyến hầm

Loại đá được đánh giá dựa vào điều kiện địa chất, màu sắc trên bề mặt đá,

phân bố các khe nứt và cú đập của búa địa chất Loại hệ thống chống đỡ được phân

loại theo tiêu chuẩn kỹ thuật (chiều dày bê tông phun, chiều dài, khoảng cách các

neo đá, kết cấu khung thép ) Loại đá và hệ thống chống đỡ có liên quan với nhau

qua Hệ thống phân loại điểm số khối đá (RMR) Hệ thống phân loại điểm số khối

đá (RMR) được xác định dựa trên các thông số: Độ bền nén đơn trục của đá, chỉ số

chất lượng đá RQD, khoảng cách giữa các khe nứt, tình trạng nước ngầm, sự định

hướng của các khe nứt [12]

3/ Xử lý số liệu để phân tích thiết kế

Số liệu về địa chất được đệ trình là kết quả của sự kiểm tra địa kỹ thuật và địa

chất theo yêu cầu cần phải được đánh giá theo quan điểm của kỹ sư hầm Các công

việc là phân tích thí nghiệm trong phòng, đánh giá các tính chát vật lý của khối đá,

các tính chất vật lý sử dụng trong tính toán thiết kế [12]

4/ Tính toán thiết kế

Phương pháp NATM là phương pháp sử dụng bê tông phun và neo đá như là

yếu tố chống đỡ chính để ổn định hầm Cường độ bê tông phun và neo đá sẽ dần

dần được tăng lên theo thời gian Vì vậy, yếu tố thời gian là quan trọng trong thiết

kế chống đỡ hầm Nhân tố giải phóng ứng suất (tác động 3 chiều của gương hầm)

luôn là nhân tố có tác động tương tự như yếu tố thời gian và nó thường được áp

dụng trong thiết kế hầm được đào theo phương pháp khoan và nổ mìn là phương

pháp có các thành phần của hệ thống chống đỡ được lắp đặt ở vùng lân cận xung

quanh gương hầm Dưới đây giới thiệu một số phương pháp tính toán: [12]

A Phương pháp đường cong phản lực đất đá sử dụng cho thiết kế hệ thống

chống đỡ

 Phương trình vi phân đàn hồi - dẻo được sử dụng để tính toán đường cong

phản lực đất đá

Các kiện để giải phương trình vi phân này là:

+ Kiểu đường hầm tròn đào trong môi trường đồng nhất dưới áp lực thuỷ tĩnh

+ Điều kiện uốn của khối đất đá được tính theo tiêu chuẩn đường cong Morh - Coulomb

+ Quy tắc dòng chảy được áp dụng để tính toán ứng suất và sức căng của trạng thái dẻo

 Mặt cắt thiết kế

 Tải trọng thiết kế

Điều kiện áp suất thuỷ tĩnh được giả thiết tương ứng với tầng phủ, nghĩa là bao

gồm cả áp suất nước Ứng suất xung quanh hầm dự tính cao hơn áp suất nước và kết

quả của việc tính toán sẽ chuyển sang phía an toàn hơn

 Tính toán khả năng chống đỡ:

- Bê tông phun: Bê tông phun được xem như một lớp vỏ mỏng hình trụ rỗng

có áp suất đồng dạng ở mặt ngoài Khả năng chống đỡ của bê tông phun và sự dịch

chuyển của bê tông phun được tính theo phương trình cường độ bê tông phun

c

c is

R

h

P  

, E .h

1(PU

sc

2 sc is

c: Cường độ đơn trục của bê tông phun h: Độ dày của lớp bê tông phun

Rc: Bán kính của lớp bê tông phun

Usc: Sự chuyển dịch của bê tông phun

Esc: Mô đuyn đàn hồi của bê tông phun

sc: Hệ số Poison của bê tông phun ( giả sử sc = 0,2)

- Neo đá: Khả năng chống đỡ của neo đá được tính theo phương trình:

B B B

B 2 R l S

C  

[12] (2-13) Tổng khả năng chịu tải cho số neo lắp đặt dọc theo đường kính hầm:

B 0

B iB

L.R.2

C.nP





[12] (2-14) Trong đó: CB: Khả năng chống đỡ một đơn vị của neo đá

R0: Bán kính của neo đá

LB: Chiều dài của neo đá

SB: Cường độ của neo đá

LB: Khoảng cách giữa các neo đá dọc theo trục hầm Khả năng tới hạn của neo đá nhỏ hơn độ bền vật liệu neo đá và gần như bằng

với độ bền của đinh ốc Khả năng chống đỡ của neo đá sẽ được điều chỉnh bằng khả

S S iSP

lR

A

P  

Trong đó: RiSP: Khả năng chống đỡ của khung thép

S: Độ bền của khung thép

AS: Diện tích tiết diện của khung thép

RS: Bán kính của khung thép

lS: Khoảng cách của khung thép dọc theo trục hầm

 Tính toán đường cong phản lực của đất đá:

Đường cong này được tính toán như sau:

+ Toàn bộ áp suất tầng phủ sẽ tác động lên hầm

+ Áp suất phân bố xung quanh gương hầm được xác định bằng hệ số giải

phóng ứng suất

+ Hành vi của khố đá trong trạng thái biến dạng được mô tả theo đàn hồi dẻo

lý tưởng

+ Bỏ qua sự nén ép của khối đá

 Kết quả và đánh giá tính toán

B Mô hình phân tích bằng máy

Theo đà phát triển của ngành công nghệ máy tính, nhiều loại khác nhau của

mô hình tính số được phát triển trên khắp thế giới Một phương pháp điển hình để

mô hình hoá sự phân tích là phương pháp phần tử hữu hạn - một phương pháp đã có

một lịch sử phát triển gần 40 năm và là phương pháp rất hữu ích để đánh giá sự

phân bố ứng suất và sức căng trên một mẫu liên tục

Trình tự tính toán:

 Tính toán trường ứng suất ban đầu

 Mô phỏng thi công đào hầm và tính toán ứng suất và sự dịch chuyển

xung quanh hầm

 Tính toán khu vực uốn và thay đổi môđuyn đàn hồi và lực kết dính

của khu vực uốn

 Tính toán lại ứng suất và sự dịch chuyển xung quanh hầm

 Lập lại các bước trên

Khả năng chống đỡ được tính toán theo phương pháp ứng suất bên trong

2.2.2.3 Các bước thi công chính của phương pháp NATM

 Thi công khai đào bằng nổ mìn, bằng máy hoặc nhân công Việc khai đào

có thể tiến hành toàn bộ mặt cắt, phương pháp cắt bậc trước hoặc phương pháp lò

phụ trước,… tuỳ thuộc vào điều kiện đất đá, tiết diện mặt cắt ngang, giai đoạn xây

dựng, điều kiện địa điểm Việc khai đào hầm được thực hiện sao cho đất đá không

bị rời ra để giữ cho đất đá có chức năng chống đỗ ở mức tối đa và mặt cắt của

gương càng lớn càng tốt

 Bốc xúc đất đá: được tiến hành phù hợp với điều kiện đất đá, điều kiện địa

điểm, kích thước mặt cắt ngang hầm, chiều dài đường hầm, độ dốc, phương pháp

khai đào, hệ thống truyền động trong đường hầm, loại bốc xúc, và cự ly vận chuyển

đến bải thải…

 Thi công hệ thống chống đỡ

Công tác chống đỡ được tiến hành ngay sau khi khai đào để tạo cho đất đá

xung quanh sớm có chức năng chống đỡ Hệ thống chống đỡ kết hợp với đất đá

hoặc bám sát đất đá càng gần càng tốt để cho đất đá ổn định Hệ thống chống đỡ

trong phương pháp NATM gồm: bê tông phun, neo đá và khung thép

Loại hệ thống chống đỡ được chọn tuỳ thuộc vào điều kiện đất đá

Khi điều kiện đất đá rắn chắc tiến hành phun vữa, tiếp đó thi công neo đá

Khi điều kiện đất đá yếu: tiến hành phun vữa lần đầu, hệ thống chống bằng

thép, phun vữa lần hai, tiếp đó là thi công neo đá

Đặc biệt, cụng tỏc phun vữa phải được tiến hành ngay sau khi khai đào để

giảm thiểu sự sập gương và làm tơi vựng xung quanh trong điều kiện đất đỏ yếu

 Quan trắc đo đạc sự biến dạng của vỏ hầm

 Thi cụng lớp phũng chống nước

 Thi cụng lớp bờ tụng vỏ hầm Lớp bờ tụng vỏ hầm được thi cụng khi biến

dạng vỏ hầm ở một chỉ số cho phộp Trỡnh tự thi cụng là: Lắp đặt hệ thống vỏn

khuụn, đổ bờ tụng vỏ hầm

Tầng cách ly phòng nước

2.2.2.4 Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của phương pháp NATM

 Sử dụng triệt để sự chống đỡ tự nhiên của đất đá xung quanh Vữa phun,

neo đá, hệ thống chống đỡ bằng thép… bảo đảm sự ổn định của đất đá khi thi công

 Kích thước mặt cắt ngang lớn có thể thiết kế lớn hơn so với phương pháp cổ

truyền Với mặt cắt lớn thì NATM hiệu quả hơn phương pháp cổ truyền

 Đối với đất đá cứng phương pháp NATM tỏ ra hiệu quả hơn Do vậy

phương pháp này được áp dụng khi điều kiện đất đá tốt Khi đất đá yếu, rời rạc vẫn

có thể thi công theo NATM tuy nhiên chi phí tốn kém hơn do phải dùng các phương

pháp phụ trợ

Kết luận: Trong lĩnh vực thi công hầm, trên thế giới đã và đang tồn tại nhiều

phương pháp thi công Mỗi phương pháp thi công đều có những ưu nhược điểm

riêng Phạm vi áp dụng của mỗi phương pháp phụ thuộc vào điều kiện đất đá, chức

năng của đường hầm, các điều kiện địa điểm, tác động đến môi trường xung quanh

và hiệu quả kinh tế Với mỗi dự án cụ thể chúng ta cần xem xét, phân tích, đánh

giá kỹ các điều kiện để lựa chọn phương pháp thi công hầm hợp lý cả về mặt kỹ

thuật, an toàn và kinh tế

2.2.3 Trạng thái ứng suất biến dạng sau khi xây dựng đường hầm

Khi đường hầm khoan đào tại độ sau lớn, hiệu ứng vòm hình thành trên đỉnh

hầm có thể đủ chống đỡ tải trọng bên trên và đường hầm tiến dần đến trạng thái ổn

định mới không cần gia có Nếu khẩu độ đường hầm đủ lớn so với độ sâu khoang

đào, độ vững chắc của đá kém, trạng thái cân bằng giới hạn của đất đá phía trên dần

phát triển đến mặt đất và sẽ hình thành một vùng lún sụt đặc trưng trên mặt đất

Mặt khác khi công trình ngầm đào trong khối đá tại độ sâu lớn, trạng thái cân

bằng ứng suất – biến dạng ban đầu vốn có của đá bao quanh bị xáo trộn và phân bổ

lại, để đạt trạng thái cân bằng mới Trường ứng suất mới sinh ra đủ lớn sẽ vượt quá

độ bền cùa đá làm đá bao quanh hình thành vùng dẻo, đường hầm bị phá hoại dưới

dạng sụt nóc hầm, bóc tác lớp đá tại mặt hông hầm hoặc nổ đá, thậm chỉ có thể dấn

đến sập lấp hầm

Trong thực tế thường dùng kỹ thuật thăm dò bằng phương pháp sóng đàn hồi

để xác định phạm vi ảnh hưởng của đá bao quanh (người ta lập ra bảng xác định

phạm vi ảnh hưởng một số đá sau khi đào)

Để giải ứng suất quanh đường hầm có thể dùng lý thuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo

hoặc lý thuyết cơ học vật thể rời để đánh giá trạng thái ứng suất tùy theo yêu cầu

thiết kế Trong phạm vị luận văn này chủ yếu chỉ tập trung nghiên cứu bài toán ứng

suất quanh đường hầm theo lý thuyết đàn hồi Các phương pháp nghiên cứu theo lý

thuyết khác chỉ giới thiệu sơ lược do yêu cầu của nó để hiệu được thật sâu sắc cần

có thời gian đào tạo, nghiên cứu cũng như trình độ nhất định

2.2.3.1 Xác định áp lực đá núi theo phương pháp cân bằng giới hạn vật thể rời

Khi buồng hầm được đào trong đất đá, có thể hình thành vòm cân bằng tự

nhiên (vòm áp lực hay vòm sụt) hoặc bị sập, tùy theo độ bền vững của đất đá bao

quanh và khẩu độ hầm

Snip 2.06.09- 84 (1985) quy định rằng, khi fk <4 và khoảng cách từ đỉnh hầm

đến mặt đất lớn gấp hai lần chiều cao vòm sụt h, lấy áp lực đặt lên đỉnh hầm bằng

trọng lượng của đất đá trong giới hạn bởi vòm sụt

Khi hầm đào ở độ sâu nhỏ hơn, lấy áp lực đá tác dụng lên đỉnh hầm bằng trọng

lượng toàn bộ tầng đất đá phủ lên nó

2.2.3.2 Xác định ứng suất quanh đường hầm theo lý thuyết đàn hồi

Do ảnh hưởng của việc đào hầm, trạng thái ứng suất đất đá xung quanh công

trình biến đổi rất nhiều so với trạng thái ban đầu Sự biến đổi đó phụ thuộc rất nhiều

vào tính chất cơ lý môi trường đất đá, độ sâu công trình, hình dạng và kích thước

tiết diện hầm, vị trí ( nằm xiên, ngang hay thẳng đứng) phương pháp thi công công

trình ngầm, độ cứng vỏ hầm Vì vậy việc xác định trạng thái ứng suất xung quanh

công trình sẽ gặp nhiều khó khăn đòi hỏi phải nghiên cứu kỹ

Để xác định trạng thái ứng suất biến dạng xung quanh công trình hầm giao

thông theo lý thuyết đàn hồi phải đưa vào tính toán một số giả thiết cơ bản sau:

- Tính chất môi trường là giống nhau về mọi hướng- đẳng hướng

- Vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi

- Môi trường tính toán là bán không gian vô hạn, có mặt giới hạn là mặt đất,

trạng thái ứng suất chủ yếu do trượng lượng bản thân đất đá gây nên

- Không xét đến ứng suất do quá trình kiến tạo và biến dạng dẻo cục bộ

- Không có những hiện tượng vật lý và hóa học làm biến đổi tính chất môi

+ Tác dụng của vữa lên vỏ khi phun xi măng

+ Áp lực của các thiết bị cơ khí khi thi công

- Nhóm tải trọng đặc biệt:

+ Tác dụng của động đất và nổ mìn

Tổ hợp tải trọng và chú ý đối với vật liệu

Tải trọng và tác dụng phải lấy riêng với những tổ hợp bất lợi nhất có thể xảy ra

trong trường hợp khai thác và xây dựng

Trong giai đoạn thi công tải trọng chủ yếu là áp lực đất đá theo phương thẳng

đứng, nằm ngang và trọng lượng bản thân gia cố ( có xét đến sức kháng của đá) Tải

trọng của áp lực đất đá lên gia cố tạm mà độ bền của nó tăng lên theo thời gian

Trong luận văn, tác giả tập trung nghiên cứu giai đoạn thi công hầm theo công

nghệ NATM Trong giai đoạn thi công tải trọng chủ yếu là áp lực đất đá theo

phương thẳng đứng, nằm ngang và trọng lượng bản thân gia cố (có xét đến sức

kháng của đá)

Bài toán cơ bản đối với tính toán kết cấu đường hầm là xác định nội lực-

chuyển vị trong kết cấu dưới tác dụng của tải trọng có kể đến sự tương tác với môi

trường xung quanh

2.3.2 Bài toán ứng suất biến dạng

Công trình giao thông nói chung, đường hầm giao thông nói riêng thường chịu

tác dụng của các loại tải trọng như: áp lực đất đá, sự thay đổi của nhiệt độ, độ

ẩm,…Dưới tác dụng của các nguyên nhân trên bên trong công trình xuất hiện ứng

suất, khi ứng suất vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây nứt nẻ dẫn đến nhẹ thì làm

giảm chất lượng công trình, nặng thì làm công trình bị phá hoại Tính toán ứng suất

trong công trình dưới tác dụng của các nguyên nhân trên là yêu cầu được đề ra khi

thiết kế các công trình Lời giải của bài toán ứng suất biến dạng càng chính xác thì

các công trình được thiết kế càng đảm bảo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật

Giả thiết công trình là hệ cơ học cân bằng tĩnh, xét cân bằng phân tố có kích

thước dxdydz - như hình 2-3 được tách ra bằng các mặt vuông góc với các trục x, y,

z các thành phần ứng suất trên các mặt của phân tố thoả mãn phương trình cân

bằng:

0Pzyxz

0Pyzxy

0Pxzyx

yz xz z

yz xy y

xz xy x

Trong miền tính toán, dưới tác dụng của các nguyên nhân như thay đổi nhiệt

độ, độ ẩm sinh ra biến dạng o ứng suất trong công trình sinh ra do sự biến thiên

biến dạng so với biến dạng ban đầu o Nhưng các biến dạng này không phải là tuỳ

ý mà phải ràng buộc với nhau bằng phương trình liên tục thì vật thể mới biến dạng

y

xy y

2

z y y

z

yz z

2

x z z

x

zx x

2

(2-17)

z y x

z y

x

x yz

xy zx

x z

y

y zx

yz xy

y x

z

x xy

zx yz