Ảnh hưởng của độ cứng kết cấu chống đỡ tức thời và thời điểm lắp đặt đến hệ số giải phóng ứng suất khi thi công hầm bằng phương pháp NATM

Việc nghiên cứu ”Ảnh hưởng của độ cứng kết cấu chống đỡ tức thời và thời điểm lắp đặt đến hệ số giải phóng ứng suất khi thi công hầm bằng phương pháp NATM” có ý nghĩa vô cùng quan trọng

Sau thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông Vận tảitôi đã hoàn thành luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Để hoàn thành luậnvăn này tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô hướng dẫn, cácnhà khoa học, gia đình và bạn bè Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến BanGiám Hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Giao thông Vận tải

đã giúp đỡ Tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu, đặc biệt đến người

hướng dẫn TS Nguyễn Phương Duy đã tận tình giúp đỡ trong quá trình

nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp Trong khuôn khổ và thời giantiến hành của một luận văn thạc sỹ Khoa học kỹ thuật, chưa hẳn đã giải quyếttriệt để và hoàn thiện được đầy đủ những vấn đề đặt ra Chính vì vậy, Tôicũng chân thành cảm ơn và tiếp thu nghiêm túc những ý kiến đóng góp củacác nhà khoa học và các đồng nghiệp

Hà Nội, ngày tháng 06 năm 2016

Học viên cao học

Nguyễn Văn Phương

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sốliệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và có trích dẫn nguồn gốc rõràng.

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Phương

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN HỆ SỐ GIẢI PHÓNG ỨNG SUẤT 3

1.1 Khái niệm về chiều dài không chống đỡ và thời gian đặc trưng 3

1.2 Các nghiên cứu về ứng xử của nền đất và thời gian đặc trưng 11

1.2.1 Đặc điểm 11

1.2.2 Mô hình tương tác giữa nền và vỏ chống 12

1.3 Phương pháp đường cong hội tụ - chống đỡ và đường cong ứng xử của nền đất 17

1.4 Các nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện đất nền đến hệ số giải phóng ứng suất 27

1.5 Kết luận 27

CHƯƠNG 2: KẾT CẤU CHỐNG ĐỠ TỨC THỜI VÀ THỜI GIAN ĐẶC TRƯNG 28

2.1 Khái niệm về kết cấu chống đỡ tức thời trong thi công hầm bằng NATM 28

2.2 Vai trò và biện pháp thi công bê tông phun 31

2.2.1 Vai trò của bê tông phun 31

2.2.2 Biện pháp thi công bê tông phun 32

2.3 Vai trò và biện pháp thi công vòm thép 35

2.4 Vai trò và biện pháp thi công neo gia cường 39

2.4.1 Vai trò của neo gia cường 39

2.5 Kết luận 40

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CỨNG KẾT CẤU CHỐNG ĐỠ TỨC THỜI VÀ THỜI ĐIỂM LẮP ĐẶT ĐẾN HỆ SỐ GIẢI PHÓNG ỨNG SUẤT 42

3.1 Xây dựng bài toán nghiên cứu trường hợp 42

3.1.1 Khảo sát một đường hầm có các số liệu tính toán ban đầu 42

3.1.2 Kết quả tính toán như sau 42

3.2.Phương pháp đường cong hội tụ - chống đỡ có vài trò quan trọng trong các lĩnh vực thiết kế đường hầm 44

3.2.1 Xác định chất lượng đặc tính tĩnh của đường hầm 44

3.2.2 Kiểm tra tính hợp lý của các mã tính toán số phức tạp: 46

3.2.3 Đánh giá tầm quan trọng tương đối của các thông số tính toán: 46

3.2.4 Xác định tải trọng thẳng đứng tác động lên kết cấu chống đỡ: 48

3.2.5 Ước tính ban đầu về độ dày các khu vực dỏ quanh đường hầm: 48

3.2.6 Đánh giá sự tồn tại nhiễu loạn ứng suất và biến dạng quanh đường hầm: 48 3.2.7 Ước tính các yếu tố hội tụ đường hầm: 49

3.2.8 Tối ưu hóa các kết cấu chống đỡ và các yếu tố gia cố đá: 49

3.2.9 Phân tích ngược các phép đo giám sát: 50

3.2.10 Đánh giá điều kiện tĩnh của bề mặt: 51

3.3 Ảnh hưởng của độ cứng của kết cấu chống đỡ đến hệ số giải phóng ứng suất 52

giải phóng ứng suất 60

3.4.1 Mô hình tương tác giữa nền và vỏ chống 60

3.4.2 Hệ số giải phóng ứng suất 62

3.5 Kết luận: 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

Bảng 3-1: Thông số địa chất giả định cho các khối đá được xem xét trong các

tính toán cho RMR=35(Trường hợp a) và RMR = 55 (trường hợpb) 45

Hình 1-1: Phép đo hội tụ đặc trưng C (x,t) với thời gian t, tiến độ đào hầm x.

4Hình 1-2: So sánh kết quả các giải pháp vi phân đóng với các phương pháp

sai phân hữu hạn (FDM) đối với các mô hình đàn hồi-nhớtMaxwell: (a) chuyển vị hướng tâm; (b) áp suất miếng lót Lưu ý:Lớp lót được đặt tức thời tại t=0 7Hình 1-3: So sánh kết quả các giải pháp vi phân đóng với các phương pháp

sai phân hữu hạn (FDM) đối với các mô hình đàn hồi-nhớt Voigt: (a) chuyển vị hướng tâm; (b) áp suất miếng lót Lưu ý: Lớplót đươc đặt tức thời tại t=0 8Hình 1-4: Mô hình đàn hồi- nhớt Burger 9Hình 1-5: Kết quả các phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) đối với các mô

Kelvin-hình đàn hồi-nhớt-dẻo: (a) chuyển vị hướng tâm; (b) áp suất lớplót Lưu ý: lớp lót được lắp đặt tức thời tại thời gian t=0 10Hình 1-6: Bán kính dẻo quanh đường hầm được tính đối với mô hình đàn hồi-

nhớt-dẻo 11Hình 1-7: Vị trí bề mặt hố đào với các phần nghiên cứu được xem xét 16Hình 1-8: Phương đường cong hội tụ - chống đỡ: biểu diễn hình học của vấn

đề và ví dụ về một đường cong đường cong hội tụ - chống đỡ 19Hình 1-9: Trạng thái cân bằng các lực của phần tử vô cùng nhỏ quanh các lỗ

trống trong điều kiện đối xứng trục 19Hình 1-10: Đường cong hội tụ - chống đỡ của một đường hầm đối với môi

trường đàn hồi tuyến tính 21Hình 1-11: Vùng dẻo xung quanh đường hầm 22

giả định là tiêu chí sức bền Hoek-Brown được chấp nhận, thông

qua 26

Hình 2-1: Chèn gỗ giữa khối đá và khung thép lòng mo; b - vỏ bê tông cài đệm gỗ (theo Heise & Herbst 1913) 36

Hình 2-2: Các dạng kết cấu chống linh hoạt kích thước 37

Hình 2-3: Khớp ma sát với thép lòng máng, 37

Hình 2-4: Vỏ bê tông phun linh hoạt kích thước với khe biến dạng 38

Hình 3-1: Xu hướng bán kính dẻo Rpl trong hàm áp suất trong p (trường hợp a) 45

Hình 3-2: Xu hướng bán kính dẻo Rpl trong hàm áp suất trong p (trường hợp b) 47

Hình 3-3: Chương trình tính toán của phương pháp phản ứng siêu tĩnh 47

Hình 3-4: Ba loại đặc tính khả thi của bề mặt hố đào khi không có các can thiệp khác: ổn định với đặc tính đàn hồi, ổn định trong thời gian ngắn với đặc tính dẻo-đàn hồi và không ổn định 52

Hình 3-5: Đường cong hội tụ - chống đỡ và đường phản ứng chống đỡ 53

Hình 3-6: Đường cong hội tụ - chống đỡ đặc trưng của đường hầm với sự có mặt của gia cố hướng tâm 55

Hình 37: Cốt dọc của bề mặt sử dụng phương pháp đường cong hội tụ -chống đỡ 55

Hình 3-8: Lỗ trống hình cầu được xét để đánh giá các điều kiện của bề mặt hố đào khi sử dụng phương pháp đường cong hội tụ - chống đỡ 56

Hình 3-9: Đường cong đường cong Hội tụ - chống đỡ (bên trái) và xu hướng bán kính dẻo trong hàm áp suất trong (bên phải) đối với lỗ trống dạng tròn và lỗ trống hình cầu khi cho đường kính 4m, độ sâu của đường hầm là 300m khối đá theo tiêu chuẩn GSI index=48 58

Hình 3-11: Mô hình sai phân hữu hạn 3D Khhu vực dẻo quanh đường hầm

cũng được biểu thị Khối đá theo luật ứng suất-biến dạng Aydan 63Hình 3-12: Đường ứng suất tại điểm C (đỉnh), I (đáy) và S (cạnh tường)

quanh đường hầm Khối đá có tính đàn hồi tuyến tính Điều kiệnthất bại 64Hình 3-13: Đường ứng suất tại điểm F (bề mặt đường hầm) Khối đá có tính

đàn hồi-dẻo hoàn toàn tuyến tính 65Hình 3-14: Đường ứng suất tại điểm C (Đỉnh), I (Đáy) và S (cạnh tường)

xung quanh đường hầm Khối đá có tính đàn hôi-dẻo hoàn toàntuyến tính (Elpla) hoặc tuân theo quy luật ứng suất-biến dạngAydan/ 66Hình 3-15: Sự phân bố chuyển vị quanh đường hầm Khối đá có đặc tính theo

quy luật ứng suất-biến dạng Aydan Mặt cắt ngang dọc trục 67Hình 3-16: Sự phân bố chuyển vị hướng tâm quanh đường hầm Khối đá có

đặc tính tuân theo quy luật đàn hồi-dẻo hoàn toàn (ELPLA) hoặcquy luật ứng suất-biến dạng Aydan Mặt cắt ngang trục dọc 68Hình 3-17: Sự phân bố chuyển vị ngang trước bề mặt đường hầm Ba mô hình

đặc tính của khối đá được xem xét Mặt cắt ngang dọc trục 69

Phương pháp NATM : Phương pháp xây dựng hầm mới của

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Do nhu cầu giao thông ngày càng phát triển,việc xây dựng tuyến đườngBắc Nam đi qua những nơi có núi đá thì giải pháp làm hầm qua núi là giảipháp tối ưu nhất, vì rút ngắn được hành trình của tuyến Điều này được chứngminh bằng những công trình hầm đã được xây dựng như: Hầm Hải Vân, hầm

Cổ Mã, hầm qua đèo Ngang, hầm Phú Gia – Phước Tượng, và hầm thuộc góithầu số 4- dự án cao tốc Đà Nẵng- Quảng Ngãi , Những hầm này đều đượcxây dựng bằng phương pháp NATM Trong thi công hầm bằng phương phápNATM, kết cấu chống đỡ tức thời có ý nghĩa vô cùng quan trọng bảo vệ nềnđất đá xung quanh hang đào cũng như kích thích sự hình thành vòm tự chịu

lực của nền đất đá Việc nghiên cứu ”Ảnh hưởng của độ cứng kết cấu chống đỡ tức thời và thời điểm lắp đặt đến hệ số giải phóng ứng suất khi thi công hầm bằng phương pháp NATM” có ý nghĩa vô cùng quan trọng và

quyết định sự thành công cũng như hiệu quả của hệ thống chống đỡ

2 Mục đích nghiên cứu:

Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của độ cứng và thời điểm lắp đặt của kếtcấu chống đỡ đến sự hình thành vòm chịu lực xung quanh chu vi đào

3 Nội dung nghiên cứu:

 Cở sở lý thuyết và các nghiên cứu liên quan đến hệ số giải phóng ứngsuất;

 Kết cấu chống đỡ tức thời và thời gian đặc trưng;

 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng kết cấu chống đỡ tức thời và thờiđiểm lắp đặt đến hệ số giải phóng ứng suất;

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Các công trình hầm xuyên núi thi công bằng phương pháp NATM

5 Mục tiêu nghiên cứu:

Xác lập mối liên hệ giữa độ cứng và thời điểm lắp đặt kết cấu chống đỡtức thời và hệ số giải phóng ứng suất của nền đất đá xung quanh chu vi đào

6 Phương pháp nghiên cứu:

Tổng hợp các nghiên cứu đã được thực hiện trong lĩnh vực trên thế giới

và trong nước Nghiên cứu ứng dụng phương pháp Convergence –Confinement xây dựng đường cong ứng xử của nền đất đá xung quanh vỏhầm Thiết lập các đặc trưng ứng xử của hệ thống chống đỡ tức thời Nghiêncứu trường hợp là hàm của độ cứng và thời gian lắp đặt kết cấu chống đỡtrong thi công hầm bằng NATM

7 Cơ sở lý luận, thực tiễn của đề tài:

+ Khoa học về thiết kế, xây dựng và khai thác hầm

+ Khoa học về phương pháp thi công xây dựng hầm qua núi

+ Thực tiễn xây dựng các dự án công trình hầm đang thực hiện ởViệt Nam

8 Kết cấu của luận văn:

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văntrình bày trong 3 chương chính sau:

Chương 1: Cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu liên quan đến hệ số giải

phóng ứng suất Chương 2: Kết cấu chống đỡ tức thời và thời gian đặc trưng

Chương 3: Nghiên cứu cứu ảnh hưởng của độ cứng kết cấu chống đỡ

tức thời và thời điểm lắp đặt đến hệ số giải phóng ứng suất

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN

QUAN ĐẾN HỆ SỐ GIẢI PHÓNG ỨNG SUẤT 1.1 Khái niệm về chiều dài không chống đỡ và thời gian đặc trưng

Hang đào và các phương pháp chống đỡ được sử dụng khi đào hầmtrong điều kiện đá bị nén dần xuất hiện trong các khối đá khác nhau đem đếnnhiều thành công cũng như thất bại ở nhiều nơi trên thế giới mặc dù hầu hếtcác phương pháp đều được thực hiện tại Châu Âu và Nhật Bản Thậm chí khixem xét các bài học rút ra và được báo cáo lại trong các tài liệu về hầm và cơhọc đá thì người ta cũng khó có thể đưa ra kết luận phương pháp đáng tin cậynhất được sử dụng để giải quyết vấn đề với các điều kiện như trên Nỗ lực củachúng ta ở đây đó là đưa ra báo cáo một số xu hướng chung về các phươngpháp chống đỡ và hang đào trong điều kiện đá nén sau khi nghiên cứu vềđường hầm “hiện đại”

Sự dịch chuyển bề mặt phụ thuộc vào thời gian cần được nhận ra vàphân định rõ ràng với đặc tính lưu biến phụ thuộc vào thời gian của khối đá.Điều này có thể được thực hiện bằng cách biểu diễn đồ thị hội tụ C so vớikhoảng cách từ mặt cắt ngang đo được tới bề mặt hang đào x và so với thờigian t (xem hình 1.1) Trong khi đó bề mặt gần với mặt cắt quan sát, tham sốchủ yếu chính là khoảng cách tới bề mặt; mặt khác khi bề mặt ở quá xa thì nókhông còn ảnh hưởng gì nữa và phản ứng của dường hầm được điều chỉnh bởiđặc tính lưu biến của khối đá

Theo như miêu tả của Sulem (1994), định luật được sử dụng nhằm phânbiệt hiệu ứng dịch chuyển bề mặt từ đặc tính phụ thuộc vào thời gian của khối

đá được viết như sau:

C(x, t) = C∞ f(x) 1+ mg(t) ( 1.0)Trong đó:

f(x)=1-(

x

x X )2 ( 1.0)

X = khoảng cách có liên quan tới khoảng cách ảnh hưởng bề mặt

T = Thời gian đặc trưng liên quan tới đặc tính phụ thuộc vào thời giancủa khối đá

C∞= “hội tụ tức thời” có được trong trường hợp tỉ lệ dịch chuyển vô hạn(không có ảnh hưởng phụ thuộc vào thời gian)

hội tụ C (x,t) phụ thuộc vào ảnh hưởng của việc dịch chuyển bề mặt Ngượclại, khi bề mặt dịch chuyển ra xa khỏi trạm quan sát đó (x/X>5) thì độ hội tụphụ thuộc vào đặc tính lưu biến của khối đá Có vẻ như hợp lý khi phân tíchcác phép đo hội tụ không phụ thuộc vào thời gian ở khu vực gần bề mặtđường hầm; khi bề mặt đủ xa thì hầu hết cần phải tập trung vào đặc tính phụthuộc thời gian của khối đá.

Một vấn đề lưu ý nữa đó là khoảng cách ảnh hưởng của bề mặt (ví dụnhư tham số X) có thể thấy nó phụ thuộc vào mức độ của khu vực dẻo xungquanh đường hầm Trong trường hợp đường hầm dạng tròn không có lớp lót

đi xuyên qua khối đá đàn hồi-dẻo (mô hình ứng suất-biến dạng có tính dẻo lýtưởng theo tiêu chí đàn hồi Mohr – Coulomb) trong môi trường ứng suất tĩnh,

sự hội tụ C(x) là (theo Panet và Guenot,1982):

Rpl= bán kính khu vực dẻo cho pi=0

Định luật sự hội tụ được miêu tả ở trên có thể được sử dụng một cáchhiệu quả cho các đường hầm thực tế trong điều kiện đá chịu nén như Panettình bày (1996) Khi một dãy công trình/hang đào đang được áp dụng theomột khuôn mẫu hệ thống, liên tục và các phép đo hội tụ được thực hiện nhưmột hàm của khoảng x với thời gian t (Hình 1.1) thì việc tính toán bằng số vàphân tích bằng các cách điều chỉnh đường cong cho phép ta thực hiện các việcsau:

-Xác định các thông số X, T, m,n cho một hệ thống mặt cắt ngang màcác phép đo hội tụ có sẵn bằng cách dùng phương trình 1.1,1.2 và 1.3

-Đánh giá thông số C∞ đối với bất kỳ một mặt cắt nào được đào mớibằng cách điều chỉnh đường cong của các phép đo hội tụ đầu tiên và phải cậpnhật các thông số mới X, T,m, n;

-Đánh giá bán kính khu vực dẻo bằng cách dùng phương trình 1.4;

-Dự đoán sự hôi tụ đường hầm cuối cùng C∞(1+m).

Ví dụ cho đường kính đường hầm là 6 m được xác định trong khối đáyếu với độ sâu 300 m so với bề mặt (p0=7.5 MPa) Dựa vào chỉ số GSI đượcước tính bằng 30, Các thông số khối đá Mohr-Coulomb được giả thiết nhưsau:

Mô đun biến dạng E = 4.5 GPa

Tỉ lệ Poisson v = 0.25

Lực cố kết c = 0.15 MPa

Góc ma sát = 28o

Các phân tích 2D được thực hiện bằng mã FLAC đối với ví dụ và các

mô hình đặc tính phụ thuộc thời gian được xem xét như sau:

 Đàn hồi - nhớt tuyến tính

 Đàn hồi -dẻo - nhớt

Ở ví dụ này có thêm lớp lót bê tông dạng tròn với độ dày 45cm được cho

là đặc tính đàn hồi tiếp tuyến với các thông số sau:

Mô đun đàn hồi E = 31.0 GPa

Mô đun cắt trượt G0 = 2.0 GPa

Mô đun cắt trượt G1 = 2.0 MPa năm

Hệ số nhớt  = 6.0 năm

Các kết quả có được được chỉ ra ở các Hình 1.2 và 1.3 tương ứng với môhình Maxwell và Kelvin-Voigt Ở mỗi trường hợp, các giải pháp vi phân đóng

được so sánh với các kết quả bằng số Nhìn chung, việc so sánh này rất đầy

đủ thỏa mãn cả chuyển vị hướng tâm được tính toán và áp suất lớp lót Trongtrường hợp đối với mô hình Kelvin-Voigt, giải pháp bằng số đưa ra các kếtquả hơi vượt mức ước tính giá trị áp suất trên lớp lót ít nhất là tải trọng 6 nămđầu tiên

Hình 1-2: So sánh kết quả các giải pháp vi phân đóng với các phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) đối với các mô hình đàn hồi-nhớt Maxwell: (a) chuyển vị hướng tâm; (b) áp suất miếng lót Lưu ý: Lớp lót được đặt tức

thời tại t=0

Hình 1-3: So sánh kết quả các giải pháp vi phân đóng với các phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) đối với các mô hình đàn hồi-nhớt Kelvin- Voigt: (a) chuyển vị hướng tâm; (b) áp suất miếng lót Lưu ý: Lớp lót đươc

1996), yếu tố đàn hồi - nhớt được lựa chọn để phù hợp với mô hình Burger(dạng mô hình Kelvin với mô hình Maxwell được chỉ ra ở Hình 1.4), điềunày cho biết một phản ứng phụ thuộc thời gian điển hình đối với khối đá hơn

cả mô hình Maxwell va Kelvin-Voigt Luật ứng suất-biến dạng dẻo phù hợpvới mô hình Mohr-Coulomb

Hình 1-4: Mô hình đàn hồi- nhớt Burger

Theo mô hình Mohr-Coulomb, các thông số khối đá là số liệu được đưa

ra ngay đầu ví dụ Các thông số phụ thuộc thời gian đối với mô hình Burgernhư sau:

Rõ ràng từ các số liệu như nhau thì sự xuất hiện của lớp lót cứng góp phầnhạn chế mức độ bán kính dẻo

Hình 1-5: Kết quả các phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) đối với các

mô hình đàn hồi-nhớt-dẻo: (a) chuyển vị hướng tâm; (b) áp suất lớp lót.

Lưu ý: lớp lót được lắp đặt tức thời tại thời gian t=0

Hình 1-6: Bán kính dẻo quanh đường hầm được tính đối với mô hình đàn

Theo Fenner, nếu một kết cấu gia cố cứng được lắp đặt sớm nó sẽ chịutải lớn hơn bởi vì khối đá xung quanh khoang đào chưa biến dạng dầy đủ để

đạt đến trang thái cân bằng Tính chất của đất đá trở nên phi tuyến (dẻo) Khikết cấu gia cố được lắp đặt sau một chuyển vị nhất định nào đó đã xảy ra khi

đó hệ thống đạt đến trạng thái cân bằng với tải trọng tác dụng tác dụng lên vỏchống sẽ nhỏ hơn Sự sụt lở bắt đầu và áp lực tác động lên vỏ chống tăng lênrất nhanh (loosening) Nếu kết cấu gia cố được lắp đặt đúng thời điểm biếndạng cho phép thì khi đó áp lực lên kết cấu chống có giá trị nhỏ nhất màkhông làm mất đi khả năng ổn định của hầm

1.2.2 Mô hình tương tác giữa nền và vỏ chống.

1.2.2.1 Đường cong phản ứng của đất nền.

Sau khi đào hầm, ứng suất trong đất đá xung quanh khoang hầm bị biếnđổi từ trạng thái ứng suất nén ba trục sang trạng thái ứng suất ban đầu mà cóthể xuất hiện vùng biến dạng dẻo dẫn đến sự phá hoại Trong trường hợp ứngsuất ban đầu là trường ứng suất thuỷ tĩnh (hệ số áp lực hông = 1) thì sự phân

bố ứng suất xung quanh khoang đào có bán kính ri Giả thiết rằng, phạm vitrường ứng suất ban đầu p0, áp lực gia cố pi và đặc tính vật liệu của đất đá.Trên mô hình đàn dẻo và trường ứng suất xung quanh hầm có 2 vùng biếndạng:

1- vùng biến dạng đàn hồi;

2 – vùng biến dạng dẻo

- Ứng suất tại ranh giới của vùng biến dạng dẻo là:

σ re=(γHH +Cctg ϕ )(r e

r i)α−Cctg ϕ

re – ranh giới của vùng biến dạng dẻo (bán kính của khu vực biến dạng dẻo)

- Ứng suất trong vùng biến dạng đàn hồi (r ≥ re):

1.2.2.2 Hiệu ứng giải phóng ứng suất, chuyển vị hướng tâm của biên hầm

theo trục hầm.

Đường cong đường cong hội tụ - chống đỡ được miêu tả ở trên đã khôngxem xét tới các kết cấu chống đỡ khả thi trong đường hầm mà chỉ xem xét ápsuất trong chúng khác nhau gây ra phản ứng khác nhau trong đường hầm cả

về khía cạnh hội tụ và khía cạnh mở rộng của khu vực dẻo Để phân tích cáctác động qua lại giữa đường hầm và các kết cấu chống đỡ chi tiết hơn thì tacần phải miêu tả các kết cấu chống đỡ thông qua dòng phản ứng của chính nó

và ta cũng cần phải đưa vào các khái niệm áp suất trong giả định

Áp suất trong giả định là một con số được đưa vào nhằm cho phép giảiquyết các vấn đề 3 chiều (do có sự xuất hiện của mặt hố đào) với thiết kế 2chiều đã được đơn giản hóa như trên thực tế phương pháp đường cong hội tụ -chống đỡ đã thể hiện Sau khi đã xác định được phần chính xác phải nghiêncứu dọc trục đường hầm thì các tình huống khác nhau sau đây sẽ cần phải tiếnhành xem xét:

-Khi mặt hố đào vẫn cách rất xa phần được nghiên cứu thì áp suất trongtác động lên vành đường hầm tương lai bằng p0: sự nhiễu loạn ứng suất xảy rakhi đào ở phần được nghiên cứu có thể xem như không đáng kể (hình 1.7a)-Khi mặt hố đào gần với phần được nghiên cứu thì sẽ xuất hiện ứng suấtnhất định ngay trên mặt bao gồm việc giảm áp suất trong và đồng thời xuấthiện chuyển vị hướng tâm trên vành đai đường hầm tương lại thậm chí làtrước lúc đào (hình 1.7b)

- Khi mặt hố đào qua phần được nghiên cứu thì phần thêm vào do mặt hốđào gây ra nhiễu khí trên đường hầm có thể được xem xét thông qua các kháiniệm áp suất trong giả định giảm dần tới tận khi nó biến mất, theo hàmkhoảng cách từ mặt đường hầm (hình 1.7d-e)

Với khái niệm áp suất trong giả định như vậy, ta có thể xem đường congđường cong hội tụ - chống đỡ như biểu thị đồ họa của trạng thái biến dạng

xuất hiện dọc trục đường hầm Mỗi điểm trên đường cong biểu thị một trạngthái cụ thể với các vị trí mặt hố đào nhất định.

Panet và Guenotvà sau này là A F.T.E.S (phương trình 1.9) đã gợi ýcông thức phân tích xu hướng chuyển vị hướng tâm trên vành đai đường hầm

cả trước và sau mặt hố đào với các trường hợp cụ thể của 1 đường hầm trongmôi trường đàn hồi và không có các kết cấu hỗ trợ Từ đường cong này cùngvới việc nhận biết đường cong hội tụ - chống đỡ của đường hầm trong môitrường đàn hồi, ta có thể có được biểu thị áp suất trong giả định dọc trụcđường hầm với khu vực sau mặt hố đào đó là:

2

1

a=0,75

x= khoảng cách từ bề mặt

u∞= chuyển vị hướng tâm của tường ở khoảng cách lớn tính từ bề mặt (x = ∞)

Hình 1-7: Vị trí bề mặt hố đào với các phần nghiên cứu được xem xét.

Sự miêu tả này chỉ ra rằng trong trường hợp giả thuyết cụ thể thì áp suấttrong giả định bằng 75% ứng suất ban đầu p0 tồn tại tương ứng với bề mặt hốđào (x=0)

Đối với môi trường dẻo-đàn hồi cùng với sự xuất hiện các kết cầu chống

đỡ thì xu hướng chuyển vị hướng tâm dọc trục đường hầm không thay đổinhiều cho dù có thay đổi giá trị u∞ Tuy nhiên, Áp suất trong giả định tươngứng với bề mặt hố đào luôn thấp hơn giá trị xác định với các giả thuyết củamôi trường đàn hồi không kết cấu chống đỡ (phương trình 1.9)

Một trong những khía cạnh thú vị của phương pháp đường cong hội tụ chống đỡ đó là người ta có thể xem xét tới sự xuất hiện của các kết cấu chống

-đỡ thông qua các định nghĩa riêng biệt về dòng phản ứng

Các kết cấu chống đỡ được đặt gần bề mặt hố đào nơi tường hầm chỉ rachuyển vị hướng tâm nhất định (uin) Giá trị (uin) có thể lại đạt được dựa vàophương trình 1.9 viết lại như sau:

.

.

in in eq

d=khoảng cách từ bề mặt phần lắp đặt các kết cấu hỗ trợ

uin = tăng từ 0 đến giá trị do phương trình trên kiểm nghiệm

Hầm được xem như một ống hình trụ có đáy là gương đào Sau khi đàohầm, theo hướng đào cách bề mặt gương khoảng cách 1D (D - đường kínhhầm) biến dạng của đất đá xuất hiện Do sự tác động của bề mặt gương vàphần đất đá chưa đào nên biến dạng cực đại của đất đá khi không gia cố chỉđạt được ở một khoảng cách nhất định tính từ mặt gương Kết quả đo đạc thựcnghiệm chỉ ra rằng biến dạng cực đại đạt được ở khoảng cách 1,53D tính từmặt gương đào Mối liên hệ giữa tỷ số chuyển vị hướng kính và khoảng cáchtính từ bề mặt gương x đối với đường hầm bán kính ri được một số tác giả xâydựng trên cơ sở số liệu đo đạc thực nghiệm như sau:

λd : được gọi là hệ số giải phóng ứng suất

1.3 Phương pháp đường cong hội tụ - chống đỡ và đường cong ứng xử của nền đất

Phương pháp đường cong hội tụ - chống đỡ, dựa trên phân tích trạng tháiứng suất và biến dạng phát sinh trong đất đá xung quanh hầm tròn Chính nhờ

vào đặc tính đơn giản mà phương pháp này đã được sử dụng phổ biến vàonhững năm 70, đặc tính đơn giản đó dựa trên các căn cứ như sau:

- Đường hầm sâu dạng tròn (điều kiện biên đến vô cùng)

- Các ứng suất ban đầu của loại siêu tĩnh và không đổi trong môi trườngxung quanh đường hầm (bỏ qua sự biến động ứng suất với chiều sâu do sứcnặng của đá)

- Khối đá liên tục, đồng nhất và đẳng hướng

- Vấn đề hai chiều và trường ứng suất phẳng

- Đường cong đường cong hội tụ - chống đỡ (đường cong phản lực nền):

Về cơ bản, phương pháp đường cong hội tụ - chống đỡ bao gồm các địnhnghĩa về mối quan hệ giữa áp suất trong ( ứng suất hướng tâm) và chuyển vịhướng tâm (các giá trị tuyệt đối) (p- | u |) trên đường phân giới lỗ trống tròn ởđường hầm Mối quan hệ này được gọi là đường cong hội tụ - chống đỡ Khi áp suất trong bằng P0 (ứng suất thủy tĩnh) thì không có thay đổi nào

về trạng thái ứng suất và biến dạng ban đầu xung quanh các lỗ trống và do đó,chuyển vị hướng tâm của tường là 0 Khi áp suất trong p giảm xuống thìchuyển vị hướng tâm bắt đầu xuất hiện: đầu tiên nó làm tăng tuyến tính tạimột điểm nhất định (khi áp suất dưới Pcr), thì có khả năng tạo ra một loạiđường cong Trong trường hợp đơn giản nhất đối với tính năng đàn hồi của đáthì đường cong hội tụ - chống đỡ được thể hiện bằng một đoạn tuyến tính

Có năm phương trình chi phối môi trường đàn hồi xung quanh các lỗ trống:

- Hai luật ứng suất-biến dạng theo thuyết đàn hồi (trường ứng suấtphẳng:=0) (1.13)

- Phương trình cân bằng các lực lượng trong điều kiện đối xứng trục (1.14)Hai phương trình đồng dư biến dạng trọng điều kiện đối xứng trục (1.15)

Hình 1-8: Phương đường cong hội tụ - chống đỡ: biểu diễn hình học của vấn đề và ví dụ về một đường cong đường cong hội tụ - chống đỡ

Chú thích: p: áp suất bên trong đường hầm, R: Bán kính đường hầm, r:tọa độ hướng tâm, u: chuyển vị hướng tâm của đường hầm, po: ứng suất thủytĩnh, per: áp lực/ áp suất tới hạn

Hình 1-9: Trạng thái cân bằng các lực của phần tử vô cùng nhỏ quanh

các lỗ trống trong điều kiện đối xứng trục

Trong đó: r và  = ứng suất hướng vào tâm ứng suất vòm (ứng suấtnén mang dấu dương) và cũng là ứng suất chính.

r

u r du dr

2 0

Hình 1-10: Đường cong hội tụ - chống đỡ của một đường hầm đối với môi

trường đàn hồi tuyến tính.

Thay r=R vào phương trình (1.20) ta được đường cong hội tụ - chống đỡ(như hình 1.10)

P p  sin  c  ( 1.0)

Trong đó: Cp và p là lực cố kết cực đại và góc ma sát cực đại.

Trong khi đó theo tiêu chí sức bền Hoek và Brown thì :

cr c

(1.0)Trong đó:

 = cường độ chịu nén đơn trục của đá nguyên vẹn

Hình 1-11: Vùng dẻo xung quanh đường hầm

Nếu kết quả pcr là âm hoặc bằng không thì đường cong Đường cong Hội

tụ - chống đỡ tiếp tục xuất hiện một phân đoạn tuyến tính điều này có nghĩa làmặc dù các vật liệu có đặc tính đàn hồi-dẻo thì giới hạn đàn hồi vẫn không đạtđược tại bất kỳ điểm nào và các nguyên vật liệu vẫn còn trong trường đàn hồikhắp nơi Thay vào đó nếu pcr là dương thì một vùng có độ dày (Rpl-R) vớiđặc tính dẻo xuất hiện cho p<pcr xung quanh các lỗ trống ( Hình 1.8) Do vậy,bán kính dẻo xác định giới hạn diện tích mang đặc tính dẻo: Các nguyên vậtliệu vẫn còn tiếp tục duy trì trong điều kiện đàn hồi ở bất kỳ khoảng cách nàolớn hơn Rpl.

Trong trường hợp giả định luật đặc tính giòn lý tưởng dẻo- đàn hồi thìtrạng thái ứng suất tại khu vực dẻo sẽ nhường chỗ cho các tiêu chí bền còn lại

Bằng cách thay thế các đặc điểm của tiêu chí bền trong điều kiện dư (đượcđưa vào công thức ứng suất chính) ở phương trình (1.14) thay vì (σϑ-σr) vàtích hợp với các điều kiện biên thông thường tới chu vi lỗ trống (với r=R : σr

= p) ứng suất xuyên tâm trong khu vục dẻo đạt được như sau

Theo tiêu chí sứ bền Mohr-Coulomb ta có:

2sin

1 sin

.

r r

Theo tiêu chí sức bền Hoek và Brown ta có:

Vì vậy, ứng suất vòm tại khu vực dẻo đơn giản có được thông qua cáctiêu chí sức bền dư khi biết ứng suất xuyên tâm

Cân bằng phương trình (1.24) hoặc (1.25) với phương trình (1.18) vàgiải tìm được r thì ta sẽ tìm ra được bán kính dẻo

Theo tiêu chí sức bền Mohr-Coulomb ta có:

1 1

r

N p

c c

R

c p tg

2

. r c

N m pl

 ( 1.0)trong đó

Cho p=pcr, có thể thấy bán kính dẻo trùng với bán kính lỗ trống và do vậykhu vực dẻo sẽ có độ dày bằng 0 Khi áp suất trong thấp hơn, Rpl bắt đầu tăng

và độ dày khu vực dẻo cũng tăng

Khi cho r lớn hơn bán kính dẻo thì đá vẫn duy trì đặc tính đàn hồi nhưmiêu tả trong phương trình 16-20, tuy nhiên cần đặt thêm một điều kiện biênmới tương ứng với bán kính dẻo

Cho r=Rpl: r p cr

2 0

1

R v

1

cr

R v

R v

Với giả thuyết về các tiêu chí độ bền Mohr-Coulomb cùng việc xem xétcác điện thế dẻo tương tự tiêu chí sức bền thì ta có thể có được các giải phápquan trọng trong dạng thức chuyển vị hướng tâm u của đường hầm khi p<pcr,

có nghĩa là Rpl>R [5] ( phương trình 1.33)

1 0

1 0

p N pl r

N r

r N

R

p tg

R

R R

Việc đơn giản hóa được chấp nhận quan trọng nhất bao gồm công đoạnxem xét tổng biến dạng trong môi trường dẻo (và không gồm yếu tố đàn hồi

bị ảnh hưởng bởi các thông số đàn hồi) độc lập với yếu tốt dẻo (bị ảnh hưởngbởi điện thế dẻo)

Trong cả hai trường hợp (tiêu chí sức bền M-C hay H-B), các thông

số miêu tả đặc tính biến dạng trong môi trường dẻo(ψ hoặc f) ảnh hưởngtới đường cong hội tụ - chống đỡ của đường hầm tới mức độ lớn hơn Tuynhiên cách xác định này không hề đơn giản: không có quy tắc thực nàotồn tại tạo điều kiện thuận lợi để đánh giá và cũng không có bất kỳ kiểmnghiệm tại chỗ nào phù hợp với mục đích này

Hình 1-12: Mối quan hệ giữa các biến dạng tổng chính trong môi trường dẻo, giả định là tiêu chí sức bền Hoek-Brown được chấp nhận, thông qua.

Một cách khác để ước tính các thông số đó là tiến hành phân tích ngượccác phép đo hội tụ sẵn có trong suốt công trình nghiên cứu

Công thức phân tích đường cong khống chế hội tụ được miêu tả trướcđây thường được tích hợp với sự hiệu chỉnh độ quá tải trên nóc hầm do trọng

lượng của đá dẻo sinh ra Sự hiệu chỉnh này rõ ràng được thực hiện khi ápsuất nhỏ hơn pcr và giá trị p tăng lên tại mỗi điểm trên đường cong ta có ∆P =

1.5 Kết luận

Sự dịch chuyển bề mặt của gương đào phụ thuộc vào thời gian cần đượcnhận ra và phân định rõ ràng với đặc tính lưu biến phụ thuộc vào thời giancủa khối đá Điều này được thực hiện bằng cách biểu diễn đồ thị hội tụ so vớikhoảng cách từ mặt cắt ngang đo được tới bề mặt hang đào và so với thờigian

Quá trình xây dựng hầm cần được thực hiện với mục đích duy trì hoặccải thiện khả năng chịu tải của khối đá, nhằm phát huy tối đa khả năng chống

đỡ và tạo sự phát triển thuận lợi của trường ứng suất trong khối đá đó

Khi kết cấu gia cố được lắp đặt sau một chuyển vị nhất định đã xảy rakhi đó hệ chống đạt đến trạng thái cân bằng với tải trọng tác dụng, tác dụnglên vỏ chống sẽ nhỏ hơn.

Về cơ bản, phương pháp đường cong hội tụ - chống đỡ bao gồm các địnhnghĩa về mối quan hệ giữa áp suất trong ( ứng suất hướng tâm) và chuyển vịhướng tâm (các giá trị tuyệt đối) (p- | u |) trên đường phân giới lỗ trống tròn ởđường hầm

CHƯƠNG 2 KẾT CẤU CHỐNG ĐỠ TỨC THỜI VÀ THỜI GIAN

ĐẶC TRƯNG 2.1 Khái niệm về kết cấu chống đỡ tức thời trong thi công hầm bằng NATM

Sau khi đào hầm, để giữ ổn định đất đá xung quanh hầm trước khi thicông kết cấu vỏ hầm, người ta tiến hành dựng các vì chống tạm (thường làbằng gỗ hoặc thép)

- Hệ thống chống đỡ phải được lắp đặt kịp thời Lắp đặt các hệ thốngchống đỡ quá sớm hay quá muộn sẽ đem lại kết quả bất lợi Hệ thống chống

đỡ cũng không được quá mềm hay quá cứng Các hệ thống chống đỡ cần cómột độ mềm dẻo thích hợp để duy trì cường độ của khối đá Nếu hệ thốngchống đỡ được lắp đặt quá sớm, áp lực tác dụng lên kết cấu chống đỡ sẽ rấtcao Mặt khác áp lực sẽ tiếp tục tăng lên khi lắp đặt hệ thống chống đỡ chậm

Hệ thống chống đỡ được lắp đặt đúng lúc có khả năng giảm tải trọng đến nhỏnhất Nếu hệ thống chống đỡ quá cứng sẽ đắt, quá mềm thì khối đá biến dạngnhiều, tải trọng tác dụng lên hệ thống chống đỡ sẽ rất cao Tải trọng tác độnglên hệ thống chống đỡ sẽ giảm đến nhỏ nhất khi hệ thống chống đỡ có độmềm dẻo thích hợp

- Để đánh giá thời gian thích hợp khi lắp đặt hệ thống chống đỡ, cầnnghiên cứu khảo sát đặc tính biến dạng phụ thuộc thời gian của khối đá

- Không chỉ dựa vào công tác thí nghiệm trong phòng mà còn phải tiếnhành đo đạc biến dạng đường hầm để đánh giá thời gian thích hợp lắp đặt kếtcấu chống đỡ Thời gian tự đứng vững của vách hầm, tốc độ của sự biến dạng

và loại đá là những nhân tố quan trọng để tính toán thời gian chống đỡ váchđào của khối đá Đối với phương pháp NATM, công việc không thể thiếuđược là đo đạc quan trắc Những nhân tố được nhắc đến ở trên được xác định

từ kết quả đo đạc quan trắc và những tính toán mang tính thống kê dựa trênkết quả của việc đo đạc quan trắc rất có ích cho việc dự đoán được sự biếndạng ở bước đào hầm tiếp theo

- Nếu sự biến dạng hoặc sự tơi của khối đá được dự đoán là rất lớn, bềmặt hầm đã đào phải được phun bê tông kín như là màn che Kết cấu chống

đỡ bằng gỗ và thép chỉ tiếp xúc với bề mặt tường hầm ở các điểm chèn Vìthế, đất đá giữa các điểm tiếp xúc sẽ vẫn còn không được chống đỡ nên sựbiến dạng hoặc tơi của khối đá sẽ phát triển

- Trong trường hợp hệ thống chống đỡ (ban đầu) cần phải gia cường, cácthanh thép, khung chống thép và neo đá nên được sử dụng Không nên tăngchiều dày lớp bê tông vỏ hầm vì sẽ làm giảm diện tích tiết diện khai thác củahầm

- Thời gian và phương pháp thi công vỏ hầm được quyết định dựa trênkết quả quan trắc của thiết bị.Thông thường lớp bê tông vỏ hầm được thi côngsau khi biến dạng của hầm đã ổn định Nếu sự biến dạng có xu hướng giatăng, cần kiểm tra kỹ nguyên nhân Trong trường hợp này , lớp bê tông vỏhầm phải được thiết kế đủ cường độ chống lại áp lực của khối đá tác dụng lên

- Về mặt lý thuyết, cấu trúc của hầm giống như một cái ống hình trụ dàygồm hệ thống chống đỡ và vỏ hầm cùng với môi trường đất đá xung quanh.Các cấu trúc này hợp lại với nhau làm cho hầm tự ổn định.Hệ thống chống đỡtruyền thống gồm phần vòm và trụ đỡ, khối đá xung quanh được xem như làtải trọng tác dụng lên hầm Theo lý thuyết NATM, hầm được xem như là mộtcấu trúc hỗn hợp gồm khối đá, hệ thống chống đỡ và vỏ hầm

- Theo phương pháp NATM, điều quan trọng là phải duy trì cường độnguyên thủy của khối đá Cách chống đỡ truyền thống bằng gỗ hoặc bằngvòm thép không thể giúp ngăn ngừa sự biến dạng của khối đá xung quanhhầm Bê tông phải được phun ngay sau khi đào để có thể ngăn sự biến dạngcủa khối đá một cách hữu hiệu

- Kết cấu hầm là tổ hợp giữa đá núi và vỏ hầm Hầm được chống đỡ chủyếu bằng khối đá xung quanh Do đó hệ thống chống đỡ hầm chỉ nên áp dụnghạn chế và mang tính hỗ trợ hiệu ứng tự ổn định của khối đá