Thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch mặt đất do tác động xây dựng đường hầm và bến hầm tầu điện ngầm tuyến Nhổnga Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)

Thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch mặt đất do tác động xây dựng đường hầm và bến hầm tầu điện ngầm tuyến Nhổnga Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch mặt đất do tác động xây dựng đường hầm và bến hầm tầu điện ngầm tuyến Nhổnga Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch mặt đất do tác động xây dựng đường hầm và bến hầm tầu điện ngầm tuyến Nhổnga Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch mặt đất do tác động xây dựng đường hầm và bến hầm tầu điện ngầm tuyến Nhổnga Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch mặt đất do tác động xây dựng đường hầm và bến hầm tầu điện ngầm tuyến Nhổnga Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch mặt đất do tác động xây dựng đường hầm và bến hầm tầu điện ngầm tuyến Nhổnga Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch mặt đất do tác động xây dựng đường hầm và bến hầm tầu điện ngầm tuyến Nhổnga Hà Nội (Luận văn thạc sĩ)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THIẾT KẾ LƯỚI QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH MẶT ĐẤT

DO TÁC ĐỘNG XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM VÀ BẾN HẦM TẦU ĐIỆN NGẦM TUYẾN NHỔN – GA HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

NGUYỄN ĐỨC HẢI

HÀ NỘI, NĂM 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THIẾT KẾ LƯỚI QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH MẶT ĐẤT

DO TÁC ĐỘNG XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM VÀ BẾN HẦM TẦU ĐIỆN NGẦM TUYẾN NHỔN – GA HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS Nguyễn Xuân Bắc

Cán bộ chấm phản biện 1: TS Ngô Văn Hợi

Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS Trần Viết Tuấn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày 30 tháng 12 năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn của tôi là hoàn toàn trung thực, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2017

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Đức Hải

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành theo chương trình đào tạo Cao học Khoa Trắc địa - Bản đồ, chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa bản đồ, khóa 1 tại Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội

Để thực hiện luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi xin được bày

tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Xuân Bắc, người đã trực tiếp hướng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình thực hiện đề tài này

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, phòng Đào tạo cùng toàn thể các thầy, cô thuộc khoa Trắc địa - Bản đồ, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo một môi trường tốt cho tôi hoàn thành luận văn này Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và các đồng nghiệp, những người đã luôn bên tôi, động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi thực hiện luận văn một cách tốt nhất

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC BẢNG vi

THÔNG TIN LUẬN VĂN vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH MẶT ĐẤT DO TÁC ĐỘNG XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦMVÀ BẾN HẦM TẦU ĐIỆN NGẦM 5

1.1 Tổng quan phương pháp nghiên cứu chuyển dịch và biến dạng 5

1.1.1 Các phương pháp lý thuyết nghiên cứu về chuyển dịch và biến dạng bề mặt do việc thi công đường hầm, bến hầm tàu điện ngầm 5

1.1.2 Phương pháp số và mô hình dự báo chuyển dịch và biến dạng bề mặt do công trình ngầm gây ra 12

1.2 Tổng quan thiết kế lưới quan trắc17 1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 17

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 18

1.3 Nhận xét chương 1 19

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ LƯỚI QUAN TRẮCDỰ BÁO CHUYỂN DỊCH BỀ MẶT DO TÁC ĐỘNG CỦA VIỆCXÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM VÀ BẾN HẦM TẦU ĐIỆN NGẦM 20

2.1 Cơ sở khoa học 20

2.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất các đại lượng biến dạng 20

2.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng phần mềm plaxis 2D, plaxis 3D tunel dự báo chuyển dịch 28

2.2 Thiết kế lưới quan trắc 31

2.2.1 Mục đích, yêu cầu và phương án thiết kế lưới quan trắc 31

2.2.2 Bố trí mốc quan trắc chuyển dịch, biến dạng 33

2.2.3 Đánh giá độ ổn định của mốc trong quan trắc chuyển dịch, biến

dạng công trình 35

2.2.4 Công tác đo lún công trình 36

2.2.5 Quan trắc chuyển dịch ngang theo phương pháp đo góc cạnh 40

2.3 Nhận xét chương 2 43

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ LƯỚI 44

3.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu và tư liệu sử dụng 44

3.1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên 44

3.1.2 Đặc điểm địa chất 45

3.1.3 Đặc điểm địa chất thủy văn 46

3.2 Đánh giá đại lượng chuyển dịch 53

3.2.1 Chạy mô hình trường hợp không có vỏ hầm 53

3.2.2 Chạy mô hình trường hợp hầm có vỏ hầm 58

3.2.3 Mô hình Plaxis 3d tunnel dự báo chuyển dịch và biến dạng 60

3.3 Thiết kế hệ thống lưới trong quan trắc chuyển dịch biến dạng 62

3.3.1 Thiết kế lưới 63

3.3.2 Ước tính lưới 65

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Các thành phần ứng suất tác dụng lên mặt vuông góc với các trục tọa độ 5

Hình 1.2 Phân bố biến dạng và chuyển dịch trong khối đất với đường hầm có tiết diện tròn 11

Hình 1 3 Tính toán chuyển dịch bề mặt 11

Hình 1.4 Sơ đồ tính toán chuyển dịch và biến dạng 14

Hình 2.1 Quan hệ giữa cácdịchchuyểnbiến dạng và tiến độ thi công 25

Hình 2.2 Các giai đoạn của quá trình dịch chuyển đứng theo thời gian 27

Hình 2.3 Quá trình dịch chuyển đứng theo tham số thời gian 27

Hình 3.1 Cửa sổ chương trình Plaxis 8.2 53

Hình 3.2 Mô hình hình học của các lớp đất cùng với đường hầm trong nó 53

Hình 3.3 Cách tạo mắt lưới và sự phân chia mắt lưới quanh đường hầm 54

Hình 3.4 Mô hình hóa đường hầm có cùng bán kính phân bố ở độ sâu khác nhau 54

Hình 3.5 Mô hình hóa đường hầm ở cùng độ sâu với bán kính khác nhau 55

Hình 3.6 Kết quả phân bố chuyển dịch đứng (a) và biến dạng ngang (b) 55

Hình 3.7 Kết quả chuyển dịch đứng (a) và biến dạng ngang (b) 55

Hình 3.8 Sơ đồ tính độ nghiêng của các đoạn trên bề mặt đất 56

Hình 3.9 Sơ đồ tính độ cong 56

Hình 3.10 Phân chia các mắt lưới quanh hầm 58

Hình 3.11 Quy mô mô hình sau khi chương trình tính toán xong 59

Hình 3.12 Cửa sổ nhập 5 thông số đầu vào của chương trình Plaxis 3D 60

Hình 3.13 Tạo lưới 3D 61

Hình 3.14 Lắp vỏ hầm 61

Hình 3.15 Cập nhật áp lực nước 61

Hình 3.16 Mô hình 3D chuyển dịch đứng sau khi đào đường hầm 61

Hình 3.17 Mốc chôn sâu 63

Hình 3.18 Sơ đồ bố trí mốc cơ sở 63

Hình 3.19 Hệ thống mốc quan trắc 64

Hình 3.20 Mốc quan trắc 65

Hình 3.21 Sơ đồ ước tính lưới 67

Hình 3.22 Ước tính lưới khống chế cơ sở (Phương án 1) 69

Hình 3.23 Ước tính lưới quan trắc (Phương án 1) 71

Hình 3.24 Ước tính lưới quan trắc (Phương án 2) 72

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Chỉ tiêu kỹ thuật đo cao hình học trong quan trắc lún công trình 38

Bảng 3.1 Khoảng cách giữa các hố khoan liền kề nhau 48

Bảng 3.2 Bảng chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất của 12 hố khoan 50

Bảng 3.3 Thông số cơ lý trung bình của các lớp đất 52

THÔNG TIN LUẬN VĂN

Họ và tên: Nguyễn Đức Hải

Lớp: CH1TĐ Khóa: 1

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Xuân Bắc

Tên đề tài: Thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch mặt đất do tác động xây dựng đường hầm và bến hầm tầu điện ngầm tuyến Nhổn – ga Hà Nội

Trong luận văn học viên đã đưa ra cơ sở lý thuyết dự báo chuyển dịch và biến dạng theo phương pháp lý thuyết đàn hồi, phương pháp số và

mô hình dự báo Học viên đã ứng dụng phần mềm Plaxis 8.2 trên nền tảng phương pháp phần tử hữu hạn dự báo được kết quả chuyển dịch bề mặt do ảnh hưởng việc thi công đường hầm, bến hầm tầu điện ngầm Dựa trên kết quả thu nhận được từ mô hình dự báo, học viên đưa ra phương án thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch bề mặt khu vực có đường hầm tầu điện ngầm chạy qua

cơ lý của các lớp đất Từ kết quả dự báo chuyển dịch đưa ra phương án thiết

kế lưới quan trắc bề mặt phù hợp với các tiêu chuẩn ngành

Tính thực tiễn:

Hiện nay, để giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông đô thị, Nhà nước Việt Nam đang có kế hoạch xây dựng các tuyến đường hầm xuyên thành phố, đây sẽ đánh dấu một bước phát triển quan trọng và vượt bậc cho ngành giao thông Việt Nam Việc thi công các công trình ngầm ở thành phố lớn sẽ gây ảnh hưởng trực tiếp tới địa chất môi trường, nhà ở và các công trình xây dựng trên bề mặt

Hà Nội đã và đang tiến hành xây dựng các tuyến đường hầm chạy qua trung tâm thành phố Hà Nội, một trong số đó có đoạn đi ngầm Kim Mã – ga

Hà Nội dài 4 km từ ga S9 đến ga S12 thuộc tuyến số 2 “Nhổn – Ga Hà Nội”, kéo theo đó nhiều công trình trên bề mặt sẽ nằm trong vùng ảnh hưởng do tác động của công trình ngầm, trong đó có rất nhiều công trình mang giá trị lịch

sử, giá trị kinh tế

Vì vậy việc thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch dựa trên kết quả dự báo chuyển dịch bề mặt khi xây dựng đường hầm, bến hầm ở thành phố Hà Nội đang được đặt ra hết sức cấp thiết

2 Mục tiêu của đề tài

Đưa ra được cơ sở lý thuyết, đánh giá mức độ ảnh hưởng việc thi công đường hầm, bến hầm tầu điện ngầm đến công trình trên bề mặt ở tuyến Nhổn –

Ga Hà Nội, cụ thể đoạn đi ngầm Kim Mã – ga Hà Nội Thực hiện mô hình hóa trên nền tảng phần tử hữu hạn, dựa trên kết quả mô hình tiến hành phân tích đưa ra các hàm dự báo góc chuyển dịch, từ đó xác định vùng ảnh hưởng

Phương pháp phân tích: phân tích dữ liệu địa chất, sự tương quan giữa chúng, từ đó đưa ra được các số liệu đầu vào phục vụ cho việc mô hình hóa Phân tích tính chất hình học các tiết diện của đường hầm Phân tích kết quả thu nhận được từ mô hình: kết quả độ lún, tính chất hình học của đường cong

độ lún (đường dịch chuyển) trên bề mặt Phân tích mối liên hệ giữa góc chuyển dịch với độ sâu đặt đường hầm và biên độ lún Từ đó xác định vùng chịu ảnh hưởng lún Phân tích sự ảnh hưởng của dịch chuyển tới các công trình trên

bề mặt (nhà ở, cơ quan, di tích lịch sử) nằm trong vùng chịu ảnh hưởng

Phương pháp tổng hợp: tập hợp các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về chuyển dịch và biến dạng do tác động của việc thi công công trình ngầm, các tiêu chuẩn, quy chuẩn xây dựng lưới quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình

Về thực nghiệm:

Phương pháp mô hình hóa: ứng dụng các phần mềm plaxis 2D, plaxis 3D thực hiện mô phỏng quá trình địa động lực Từ đó thu nhận các kết quả chuyển dịch và biến dạng bề mặt

Phương pháp tin học: Xử lý kết quả thu nhận được từ mô hình, đưa ra được hàm góc chuyển dịch phụ thuộc vào độ sâu đặt đường hầm, bán kính đường hầm và tính cơ lý của đất Ước tính độ chính xác của lưới quan trắc Thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch, có các điểm mốc quan trắc nằm trong vùng ảnh hưởng do tác động của công trình ngầm

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết đánh giá chuyển di ̣ch và biến da ̣ng bề mă ̣t do ảnh hưởng của việc thi công đường hầm tầu điện ngầm

Nghiên cứu tính chất cơ lý của nền đất đệ tứ đoạn đi ngầm Kim Mã – ga

Hà Nội thuộc tuyến số 2 Nhổn – ga Hà Nội Ứng dụng các phần mềm plaxis 2D, 3D thực hiện mô phỏng đường hầm với số liệu đầu là các tính chất

cơ lý đất, độ sâu đặt đường hầm và bán kính đường hầm

Thiết kế lưới quan trắc lún bề mặt phía trên đường hầm khu vực Kim

Mã - ga Hà Nội

5 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết chuyển dịch và biến dạng do tác động của việc thi công tuyến hầm tàu điện ngầm Xác định đại lượng chuyển dịch, biến dạng bề mặt do việc xây dựng đường hầm tầu điện ngầm gây ra ứng với các đường hầm, bến hầm có bán kính và tiết diện khác nhau

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết thiết tối ưu lưới quan trắc lún Công nghệ và phương pháp quan trắc lún đạt độ chính xác theo yêu cầu lưới quan trắc lún

bề mặt do ảnh hưởng của việc xây dựng công trình ngầm

Thiết kế lưới cơ sở và lưới quan trắc chuyển dịch phủ trùm khu đo Ước tính độ chính xác của lưới và lựa chọn máy móc có thông số kỹ thuật phù hợp với yêu cầu độ chính xác của lưới

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài đề xuất hàm số góc chuyển dịch phụ thuộc vào giá trị trung bình góc ma sát trong, bán kính đường hầm và độ sâu đặt đường hầm

Lập được phương án thiết kế lưới quan trắc lún cho vùng bị ảnh hưởng, sử dụng kết quả dự báo độ lún bề mặt làm cơ sở ước tính độ chính xác của lưới

7 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị và phần phụ lục, luận văn được trình bày trong 3 chương, gồm:

Chương 1 Tổng quan về lưới quan trắc chuyển dịch mặt đất do tác động xây dựng đường hầm và bến hầm tầu điện ngầm

Chương 2 Phương pháp thiết kế luới quan trắc dự báo chuyển dịch bề mặt do tác động của việc xây dựng đường hầm và bến hầm tầu điện ngầm Chương 3 Thực nghiệm thiết kế lưới

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI QUAN TRẮCCHUYỂN DỊCH

MẶT ĐẤT DO TÁC ĐỘNG XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM

VÀ BẾN HẦM TẦU ĐIỆN NGẦM 1.1 Tổng quan phương pháp nghiên cứu chuyển dịch và biến dạng

1.1.1 Các phương pháp lý thuyết nghiên cứu về chuyển dịch và biến dạng

bề mặt do việc thi công đường hầm, bến hầm tàu điện ngầm

1.1.1.1 Phương pháp tính chuyển dịch và biến dạng theo lý thuyết đàn hồi

Biết rằng có rất nhiều phương pháp lý thuyết được đề xuất để nghiên cứu quá trình chuyển dịch và biến dạng của khối đất đá cũng như trên bề mặt đất gây nên do việc thi công các công trình ngầm Các phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng và trong luận văn này xem xét phân tích quá trình

cơ học môi trường liên tục, trên cơ sở toán học của lý thuyết đàn hồi [1] để đưa ra phương pháp tính chuyển dịch và biến dạng của khối đất đá khi xây dựng đường hầm trong đó

Hình 1.1 Các thành phần ứng suất tác dụng lên mặt vuông góc

với các trục tọa độ

Trong đó: x,y,z là ứng suất pháp tuyến;

z y

x  

 , , là ứng suất tiếp tuyến

Phương trình liên kết giữa các thành phần của ứng suất:

Giả thiết V – là một phần nhỏ của vật giới hạn bởi bề mặt khép kín S, khi đó:

0)

x

X

V

zx yx



(1.1) Xác định các đại lượng chuyển dịch theo thành phần biến dạng Điều kiện liên tục của Sen-Vena

Nhiệm vụ: tính các thành phần chuyển dịch u ,v, khi cho biết các thành phần biến dạng xx, …,  là các hàm theo x, y, z xy

Nói cách khác là đi tìm u ,v,, thỏa mãn điều kiện:

z y

v x

u

zz yy

x

v y

[1

)]

([

1

)]

([

1

y x z

zz

z x y

yy

z y x

xx

E E E

Với G làmođul chuyển dịch :

)1( 

 E

từ đây thu được phương trình đối với biến dạng thể tích:

)(

1

z y x zz

yy xx

0)

0)

(1.6)

,0)

trong đó kí hiệulà lấy đạo hàm theo Laplas, tức là:

2

2 2

2 2

2

z

u y

u x

u u

a Các phương trình mặt phẳng trong lý thuyết đàn hồi

Trong các phương trình mặt phẳng của lý thuyết đàn hồi, thành phần chuyển dịch bằng không, còn u, v là hàm số chỉ phụ thuộc theo x, y Trong trường hợp này ta có [1]:

y

v x

x

u G b

u G

,0)

trong đó lấy đạo hàm theo Laplace đối với hàm hai ẩn, ví dụ:

2

2 2

2

y

u x

u u

y

xy yy

y x y

yy

y x x

xx

G

G b

b G

G b

b G

2

[2

1

)]

()(

2

[2

(1.13)

(1.15)

)(

)(

2

G b

b x

)(2

G b

b y

Giả thiết( x0, y0)là điểm bất kì của vật Xét các điểm (x,y) trên vật phân

bố giới hạn bên trong các tam giác vuông có tâm là ( x0, y0) khi đó có các

biểu thức hàm số u và v theo x và y:

)()]

()(2[

),(

0

y f dx G

b

b y

x u

()(2[

),(

0

x f dy G

b

b y

x v

trong đó f1(y), f2(x)là hàm số phụ thuộc tương ứng theo y và x

Kết hợp (1.11), (1.12) và (1.13) thu được phương trình sau:

b

b y

y x x

x

x

])(

)(2

y

y

dy x

G b

b



])(

)(2

[

0

)()

f

0

22

)()

(

,22

)()

- Đường hầm phân bố tương đối gần với bề mặt tự do của tải trọng mặt đất (phía trên đường hầm bao giờ cũng có giới hạn biên đó chính là bề mặt đất);

- Đặc điểm hình thành và phát triển của chuyển dịch luôn gắn với tác động của tải trọng lên đường hầm (một áp lực bất kỳ lên khối đất đều ảnh hưởng đến phân bố chuyển dịch đứng)

Quá trình hình thành và biến động của chuyển dịch và biến dạng trong khối đất khi đào đường hầm trong nó được khẳng định bằng kết quả nghiên cứu thực tế Và đã chỉ ra rằng sau khi đào đường hầm thì hai vùng đất nằm phía trên mái hầm và phía dưới nền hầm sẽ giãn nở hướng về tâm đường hầm, còn hai vùng nằm bên sườn trái, sườn phải đường hầm sẽ chịu áp lực nén [2]; [3] Quá trình chuyển dịch theo phương thẳng đứng không đối xứng qua trục ngang đi qua tâm của đường hầm: đại lượng chuyển dịch của vùng đất nằm phía trên mái hầm theo phương thẳng đứng hướng về tâm lớn hơn nhiều so với đại lượng chuyển dịch của vùng đất nằm phía dưới nền hầm theo phương thẳng đứng hướng về tâm Từ đây thấy rõ đại lượng chuyển dịch trong khối đất ở mực tương ứng với trục ngang đi qua tâm của đường hầm sẽ khác không, chiều chuyển dịch theo hướng từ trên xuống dưới và đại lượng chuyển dịch lớn phân bố ở gần đường hầm

1.1.1.3 Tính toán chuyển dịch và biến dạng theo phương pháp S.G Aversin và E Litvinisin

Phương pháp tính chuyển dịch và biến dạng của S.G Aversin và E Litvinisin được viết chi tiết trong các công trình [2], [4]

Phương trình vi phân chuyển dịch đất đá:

x y B x y A

2

(1.16)

Hình 1.2 Phân bố biến dạng và chuyển dịch trong khối đất với đường hầm có tiết diện tròn

a) phân bố chuyển dịch đứng; b) phân bố chuyển dịch ngang

Lấy 2 mặt cắt đứng ab và cd cách nhau một đơn vị dài (hình 1.2), khi đó coi độ lún mái là m(x), còn độ lún trên bề mặt đất (x) (ở đó m(x) là tổng dịch chuyển mái vòm đến thời điểm gia cố, cố định mái vòm (ηщ) và độ lún sau khi cố định mái vòm (ηз), hay m = ηщ + ηз, đối với các đường lò ở mỏ than

m là độ dày của vỉa khai thác) Độ lún bề mặt (x) được tính theo phương trình:

H q dy x

y x y

C x

m x

()

Hình 1 3 Tính toán chuyển dịch bề mặt

Đại lượng C(y) là hàm số phụ thuộc theo y, biểu thị mối quan hệ giữa biến dạng ngang với sự thay đổi khối lượng vật chất, còn q là hệ số giãn nở

của đất và hệ số q được tính gần đúng theo công thức

( )

)()

(

2 2

2

x H

K

qH x

(

(1.18) Kết quả trên chưa phải kết quả cuối cùng, để hoàn thiện bài toán cần xác định hệ số K và q tương ứng Hàm K(y) thể hiện tính chất cơ học của đất, được tính theo công thức: E  tg

G y

Kazakov, R.A Mullier, M.A Iophis Phương pháp hàm thực nghiệm, được sử dụng để đánh giá chuyển dịch và biến dạng với điều kiện địa chất trong xây dựng đường hầm tầu điện ngầm tại Xanhpetecbua và Matxcova của tác giả M.A Iophis Kết quả thu nhận được từ hàm thực nghiệm được đưa vào tiêu chuẩn kỹ thuật [5]

Theo phương pháp đề xuất củ a M.A Iophis đại lượng chuyển dịch và biến dạng cực đại trên mặt đất (độ lún, độ nghiêng, độ cong, chuyển dịch ngang, biến dạng ngang) được tính toán theo độ dày lớp phủ và các hệ số cơ

lý thực nghiệm của lớp đất Khi đó độ lún cực đại trên bề mặt đất được tính theo công thức:

,2 1 0

0  q  m  n  n

trong đó m là độ dày lớp phủ; q0là hệ số truyền chuyển dịch từ đường hầm đến bề mặt đất, n1, n2là hệ số khai thác

1.1.2.1 Phân bố chuyển dịch và biến dạng với sự trợ giúp của hàm thực nghiệm

Để tính chuyển dịch và biến dạng trong vùng bị lún khi đào đường hầm thường sử dụng phương pháp hàm thực nghiệm – hàm phân bố các dạng tính chuyển dịch và biến dạng, các công thức tính giá trị trung bình của độ lún, độ nghiêng, độ cong, chuyển dịch và biến dạng ngang

Hàm phân bố độ lún và đạo hàm bậc một, bậc hai của chúng S(z), S(z), S(z), từ kết quả xử lý số liệu quan trắc chuyển dịch bề mặt đất, đưa ra được các thông số chuyển dịch đó là góc giới hạn chuyển dịch (0, 0, 0), từ đó xác định được biên độ chuyển dịch L1, L2, L3, góc có độ lún cực đại và các góc thể hiện cấp độ dịch chuyển (1, 2, 3), tiếp theo xác định vị trí của điểm trong vùng bị lún có độ lún cực đại

Hình 1.4 Sơ đồ tính toán chuyển dịch và biến dạng

theo phương pháp thực nghiệm Theo các thông số của chuyển dịch và theo các chỉ tiêu của đất đá (bề dày của vỉa, độ sâu khai thác, kích thước đường hầm, góc nghiêng của vỉa, độ dày lớp đất mặt…) xác định được kích thước của biên độ chuyển dịch (độ dài biên độ L1, L2, L3) Theo công thức thực nghiệm, học viên tính được độ lún cực đại - 0 Các đại lượng chuyển dịch và biến dạng tại từng điểm nằm trong vùng ảnh hưởng chuyển dịch theo các công thức [1]:

Hàm độ lún η(z), độ nghiêng i(z) và độ cong k(z) trên bề mặt đất xét tại các điểm thuộc mặt cắt tiết diện của đường hầm:

 z 0 S z

 (1.20)

  S  z

L z

(1.21)

L z

k 20 

(1.22) Chuyển dịch ngang tại điểm thuộc mặt cắt tiết diện của đường hầm: Theo đường hầm:

(z) S 0,5aη ξ(x)   0  (1.23)

Theo tiết diện ngang của đường hầm:

2BS(z)],(z)

S[0,5aηξ(x)  0   (1.24)

trong đó B là hệ số được xác định theo công thức:

hhtgαa

1B

hệ số ứng với chuyển dịch ngang lớn nhất

Hàm phân bố S(z) và các đạo hàm bậc một, bậc hai của nó S(z), S(z) nhận được theo bảng cho trước trong [6]

Các nhà khoa học trong lĩnh vực trắc địa mỏ và cơ học đất đã đưa ra nhiều hàm số thực nghiệm để biểu thị giá trị thực nghiệm trong các bảng [6] như S G Avershin, R A Mullier, S P Kolbenkov, A N Pablov… Phổ biến đó là các hàm số mũ, hàm lượng giác và hàm Gauss Trong đó công thức thực nghiệm đưa ra bởi S P Kolbenkov hàm phân bố là hàm số

mũ [2]:

, z) (1 S(z)    zb ecz (1.26) trong đó z x/L, Llà chiều dài biên độ dịch chuyển, х là hoành độ của điểm xem xét (gốc của trục tọa độ tính từ điểm có độ lún lớn nhất), е là cơ số của logarit tự nhiên, a, b, c là các hệ số được xác định theo giá trị hàm phân bố cho trước trong các bảng [6]

Phân tích kết quả thu nhận được từ công thức (1.26) thấy rằng hàm số thu nhận được cho kết quả tốt đối với hàm phân bố độ lún, còn hàm phân bố

độ nghiêng và độ cong còn hạn chế, đặc biệt là sự phức tạp về mặt toán học khi lấy đạo hàm bậc một, bậc hai và cách tính giá trị của ba hệ số

Công thức tính S(z) theo giáo sư S.G Aversin:

4z

4e)(1)

S   (1.27)

Để tiện lợi cho việc tính toán và tối ưu hóa công thức hàm thực nghiệm

số mũ TS.Nguyễn Xuân Bắc đưa ra công thức xác định hàm phân bố độ lún [9]:

2 -kz

2)ez(1S(z) a (1.28) Trong công thức (1.28):z  x/L, Llà chiều dài biên độ dịch chuyển, х là hoành độ của điểm xem xét (gốc của trục tọa độ tính từ điểm có độ lún lớn nhất), е là cơ số của logarit tự nhiên, a, k là các hệ số được xác địh theo giá trị hàm phân bố cho trước trong các bảng [6]

Hàm (1.28) chỉ phụ thuộc vào hệ số a, k và nhiệm vụ là đưa ra cách xác định hệ số a, k sao cho sai số trung phương của kết quả thu được tính theo công thức với kết quả cho trước trong bảng tính là nhỏ nhất Đối với từng cấp

độ đào hầm, luận văn xác định được giá trị hệ số a, k riêng Toàn bộ phép tính được thực hiện trong chương trình Mathcad, để xác định hệ số a, k luận văn đã

sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất Tương tự như vậy, việc tính đạo hàm bậc một theo a, k đối với hàm độ nghiêng và độ cong để tính ra hệ số của hàm thực nghiệm độ nghiêng và độ cong tương ứng với từng đường hầm

1.1.2.2 Mô hình hóa trên nền tảng phương pháp số

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, ngày nay việc áp dụng tin học vào dự báo chuyển dịch và biến dạng đạt được nhiều thành tựu, cần phải kể đến phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp hiệu giới hạn, phương pháp giới hạn biên và các phương pháp khác Được ứng dụng rỗng rãi trong dự báo chuyển dịch và biến dạng bề mặt do xây dựng đường hầm tầu điện ngầm đó là phương pháp phần tử hữu hạn, có thể kể đến các tác giả A

G Protosen, V.M Ulisik, V.V Rechis, D.V Panphil, D.A Potemkin, M.A Karaseva, P.A Demenkova, Phạm Anh Tuấn, Nguyễn Xuân Bắc và các tác giả khác [7] Nội dung của phương pháp sẽ được trình bày trong 2.1.2

Trong công trình của V.V Rechis [5] đưa ra, các yếu tố ảnh hưởng lớn đến chuyển dịch và biến dạng bề mặt trong môi trường đất yếu Đó là đường kính hầm, mođun biến dạng đất và mức độ tải trọng lên khối đất Mọi tính toán được xây dựng trong môi trường đàn hồi, cũng như môi trường đàn hồi

dẻo Trong kết quả thu nhận được sự khác nhau về độ lún cực đại nằm phía trên đường hầm, độ lún thu nhận được lớn nhất khi đường hầm nằm trong lớp cát, độ lún nhỏ nhất khi đường hầm phân bố trong lớp đất sét Từ đó đưa ra biên độ ảnh hưởng tính theo tính chất của lớp đất và độ sâu đặt đường hầm Trong công trình này học viên chưa tính đến công nghệ đào hầm hiện đại Mọi tính toán được thực hiện trong mặt phẳng

Trong công trình của D.V Panphilov [8] đã phân tích đưa ra thiếu sót của phương pháp tính chuyển dịch trong mặt phẳng Tác giả đưa ra phương án

mô hình hóa trong không gian ba chiều

Trong công trình của Phạm Anh Tuấn [9] trong mô hình có tính đến khiên đào hiện đại, đại lượng lún của lớp đất, áp lực lên gương lò và thành hầm, trong đó có tính đến áp lực của bơm phun lên thành hầm, tạo thêm áp lực ban đầu theo tiết diện ngang của đường hầm Theo kết quả tính toán thực nghiệm trong việc xác định giá trị lấp đầy độ rỗng giữa thành hầm và lớp đất,

sẽ đẩy nổi bề mặt đất một giá trị nhất định

Trong công trình của Nguyễn Xuân Bắc [3] tác giả đưa ra phương án tính biến dạng và chuyển dịch bề mặt có tính đến bán kính đường hầm, độ sâu đặt đường hầm, tính chất cơ lý của các lớp đất, tính chất của vỏ hầm

1.2 Tổng quan thiết kế lưới quan trắc

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Các nước phát triển trên thế giới đã có sự trợ giúp của trắc địa trong công tác xây dựng và khai thác không gian ngầm đô thị, như xây dựng hầm để

xe, xây dựng đường hầm thoát nước, xây dựng đường hầm tầu điện ngầm Ngoài việc định hướng, quy hoạch và xây dựng các công trình cần phải quan trắc và theo dõi sự biến động, các tác động do công trình ngầm gây ra cho các công trình lân cận và các công trình phân bố phía trên bề mặt Các quốc gia

đó đều có các quy phạm, các tiêu chuẩn kỹ thuật về xây dựng lưới mặt bằng,

lưới khống chế độ cao, từ đó làm cơ sở thiết kế lưới quan trắc trong hầm, lưới quan trắc bề mặt với công nghệ truyền thống và công nghệ GNSS hiện nay

kế VNIPI) [13], V.N Gasin, A.P Storozdenko [14], Z.P Tamutis (Nga), Triều Định Ba, Đào Bản Tảo, Đặng Dược Tiến, Trương Chính Lộc (Trung quốc ) [15] Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật công nghệ GNSS đã được đưa vào quan trắc chuyển dịch và biến dạng Đã có quy phạm và tiêu chuẩn ứng với từng quốc gia phát triển Điều này còn thiếu với nước Việt Nam

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Các công trình nghiên cứu trong nước về lĩnh vực thiết kế lưới quan trắc cho các công trình nhà ở, công trình dân dụng, bề mặt do ảnh hưởng của thi công công trình ngầm cần kể đến các tác giả Phan Văn Hiến, Đỗ Ngọc Đường, Trần Khánh, Nguyễn Đình Bé, Võ Chí Mỹ, Nguyễn Duy Đô, Đinh Xuân Vinh, Phạm Anh Tuấn [15], [16], [17], [18], [19] trong công trình này

các tác giả đã đưa ra tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của lưới khống chế, kỹ thuật và phương pháp thiết kế lưới truyền thống cũng như hiện đại Từ đó đưa

ra phương án thiết kế tối ưu hóa lưới trắc địa trong thi công đường hầm và quan trắc biến dạng công trình bề mặt

Nói đến thiết kế lưới truyền thống là nói đến thiết kế lưới tọa độ mặt bằng theo các quy phạm và quy định kỹ thuật hiện hành Các quy phạm dưới đây đều có phần nói đến thiết kế lưới khống chế:

- Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về Xây dựng lưới độ cao QCVN 11:2008/BTNMT do Cục Đo đạc và Bản đồ Việt Nam [20];

- TCVN 9360:2012 do Viện Khoa học công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng biên soạn, tiêu chuẩn quy định các chỉ tiêu kỹ thuật đo độ lún công trình dân dụng và công nghiệp bằng phương pháp đo cao hình học [21];

- Quy phạm đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500 1:1000 1:2000 1:5000 (phần ngoài trời) do cục Đo đạc bản đồ nhà nước ban hành năm 1990 [22]

1.3 Nhận xét chương 1

a Để dự báo sự phân bố chuyển dịch, biến dạng của khối đất và đường cong độ lún bề mặt do ảnh hưởng của việc thi công công trình ngầm có thể dựa trên cơ sở lý thuyết cơ học môi trường liên tục, cụ thể cơ sở toán trong lý thuyết đàn hồi Cần phải tính đến yếu tố phân bố bất đối xứng của chuyển dịch đứng

b Có thể ứng dụng phương pháp số và mô hình trong dự báo chuyển dịch và biến dạng bề mặt do công trình ngầm gây ra, đẩy nhanh về thời gian về tiết kiệm kinh tế

c Trong thiết kế lưới quan trắc dịch chuyển cần dựa trên kết quả dự báo chuyển dịch đứng và chuyển dịch ngang

d Thiết kế lưới quan trắc bề mặt theo phương pháp truyền thống ứng với các quy phạm và quy định kỹ thuật hiện hành Cần lựa chọn công nghệ và phương pháp đo phù hợp với mục đích, yêu cầu của công tác quan trắc chuyển dịch

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ LƯỚI QUAN TRẮC

DỰ BÁO CHUYỂN DỊCH BỀ MẶT DO TÁC ĐỘNG CỦA VIỆC XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM VÀ BẾN HẦM TẦU ĐIỆN NGẦM

2.1 Cơ sở khoa học

2.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất các đại lượng biến dạng

Các yếu tố cơ bản quyết định quy luật và tính chất của quá trình dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt bao gồm:

- Điều kiện địa chất công trình (Tính chất cơ lý đất đá);

- Điều kiện địa chất chung, điều kiện địa chất thủy văn;

- Yếu tố công nghệ (Tính chất hình học của công trình; Độ sâu phân bố của công trình ngầm; …);

- Tham số thời gian

2.1.1.1 Điều kiện địa chất công trình (Tính chất cơ lý đất đá) [22]

Quy luật dịch chuyển đất đá và sự phân bố không gian của chúng trên bề mặt và trong lòng đất phụ thuộc vào tính chất cơ lý đất đá trong khu vực Đất

đá có niên đại hình thành khác nhau nên sự phân bố, thế nằm, các thông số lớp và đặc tính cơ lý cũng khác nhau Xuất phát từ lịch sử thành tạo, đất đá được chia làm ba loại: mắc ma, trầm tích và biến chất; theo tính chất cơ lý, đất đá được chia ra: đắt đá rắn, bở rời và dẻo, các đặc tính của các loại đất đá này sẽ bị biến đổi do quá trình khai thác Có các đặc tính cơ lý đất đá sau đây với mức độ khác nhau có ảnh hưởng tới các đại luợng dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt:

- Độ cứng (thành phần và kích thước hạt);

- Tính phân lớp;

- Tính lưu biến;

- Trọng luợng riêng và tỷ trọng;

Tính chất cơ lý của đất đá thể hiện qua độ bền và sức chống đỡ trong điều kiện bị tác động được đại diện chủ yếu bằng độ cứng Protodiaconov Trong điều kiện như nhau, dịch chuyển xẩy ra trong đá yếu như sét, đá phiến sét v.v nhanh hơn so với trong đất đá cứng Độ rắn trung bình, cấu trúc địa tầng và vị trí của các lớp đá cứng quyết định mức độ và quy luật dịch chuyển biến dạng, ví dụ: trong điều kiện như nhau, độ lún trong đá cứng nhỏ hơn trong đất đá yếu, cần lưu ý rằng: tính chất cơ lý của đất đá thường không ổn định

và đồng nhất ở các vùng khác nhau

b) Tính phân lớp của đất đá: là khả năng phân rã, chia lớp của đất đá dưới tác dụng của lực cơ học hoặc nhiệt độ Trong quá trình thi công đường hầm, dưới tác động của công nghệ, đất đá được giải phóng năng lượng, các lớp đất đá giãn tách nhau Tính phân lớp của đất đá càng lớn, quá trình dịch chuyển biến dạng càng xảy ra nhanh hơn với phạm vi và tốc độ lớn hơn

c) Tính lưu biến: Sự thay đổi ứng suất và dịch chuyển trong khối đất đá phụ thuộc vào thời gian Tính lưu biến còn phụ thuộc vào phương pháp điều khiển áp lực đất vách trong quá trình thi công Sự thay đổi đặc tính khối đất theo thời gian được gọi là tính lưu biến, là yếu tố ảnh hưởng đến quá trình dịch chuyển và biến dạng

d) Trọng lượng riêng và tỷ trọng đất đá:

Trọng lượng riêng là trọng lượng của một đơn vị thể tích đất (ở trạng thái tự nhiên hoặc trạng thái no nước, …) Trong thực tế, thường sử dụng khái niệm tỷ trọng đất đá với đơn vị kN/cm3

e) Độ rỗng đất đá: Độ rỗng dất đá là tỷ số giữa thể tích lỗ hổng và thể tích khối đất đá Dựa vào tỷ số này để phân loại đất đá theo độ rỗng như sau:

Trên đây là các yếu tố liên quan đến tính chất cơ - lý đất đá và ý nghĩa của chúng đối với quá trình, quy luật, sự phân bố và các đại lượng dịch chuyển và biến dạng Trong từng điều kiện, mỗi yếu tố có mức độ và phạm vi ảnh hưởng khác nhau với sự tác động tương hỗ phức tạp

2.1.1.2 Điều kiện địa chất [22]

Các điều kiện địa chất quan trọng nhất tác động đến quá trình dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt bao gồm:

a) Cấu trúc địa tầng đất đá

Thứ tự các lớp đất đá đóng vai trò quan trọng đối với quá trình dịch chuyển Chẳng hạn, khi đá cứng nằm trực tiếp trên vách hầm mà trên nó lại là lớp đá yếu thì lớp đá yếu này sẽ làm dịu và điều hòa chuyển dịch đột ngột của lớp đá cứng Trong trường hợp thứ tự phân lớp ngược lại thì chuyển dịch xảy ra

ít êm dịu hơn và thường xuất hiện các kẽ nứt

b) Đặc điểm địa chất kiến tạo

Các đứt gãy kiến tạo lớn có ảnh hưởng quyết định tới quá trình dịch chuyển đất đá và mặt đất Khi phát hiện sự có mặt của các đứt gãy, cần phải điều chỉnh phương án thiết kế và thi công Bên cạnh đó, các hiện tượng kiến tạo khác nhau trong khối đất là nguyên nhân làm cho độ bền cơ học của đất bị giảm Một số thông số dịch chuyển như góc dốc, góc dịch chuyển chịu ảnh hưởng trực tiếp của phá hủy kiến tạo, trong đó, đứt gãy là yếu tố quan trọng nhất Khi trong khu vực thi công tồn tại các đứt gãy lớn, các lớp đất có thể xuất hiện sự bất thường trong quy luật dịch chuyển, kể cả các đại lượng dịch chuyển và tính chất của nó

2.1.1.3 Điều kiện công nghệ [22]

Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới các đại lượng dịch chuyển biến dạng bao gồm:

a) Đường kính đường hầm

Đại lượng dịch chuyển và biến dạng tỷ lệ thuận với đường kính của đường hầm: Nguyên nhân của dịch chuyển đất đá và mặt đất là do thi công tạo nên vùng trống, quy mô và mức độ dịch chuyển phụ thuộc vào kích thước khoảng trống, kích thước khoảng trống lại phụ thuộc vào bán kính và hình dạng đường hầm Do đó, các công thức dự báo lún, biến dạng cực đại đều chứa tham số bán kính đường hầm, thông thường được ký hiệu là “R”

tả bằng các hàm toán học và là đối tượng nghiên cứu của các lý thuyết dự báo dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt Các đại lượng dịch chuyển biến dạng phụ thuộc vào độ sâu đặt đường hầm: độ sâu đặt đường hầm càng lớn thì góc biên càng lớn và kích thước bồn dịch chuyển cũng tăng theo

c) Hình dáng và kích thước đường hầm

Hình dạng và kích thước đường hầm quyết định loại hình và phạm vi bồn dịch chuyển trên mặt đất Có thể đưa ra mối quan hệ giữa hình dạng và kích thước đường hầm với đại lượng dịch chuyển đứng Trong thi công đường hầm tầu điện ngầm thường lựa chọn đường hầm với bán kính trên dưới 3 mét có hình viền là hình tròn, hình ovan Trong thi công bến hầm tàu điện ngầm thường lựa chọn bến có bán kính trên dưới 5 mét có hình viền là hình tròn, hình ovan, hình elips, hình đa giác

Khi thi công hầm trên mặt đất sẽ hình thành bồn dịch chuyển với dịch chuyển đứng đến một giá trị giới hạn (thường gọi là dịch chuyển đứng cực đại), khi đường hầm đủ dài có thể tạo thành bồn dịch chuyển với đáy phẳng

d) Hệ thống thi công và phương pháp điều khiển áp lực

Mối quan hệ giữa các đại lượng dịch chuyển và hệ thống thi công, phương pháp điều khiển áp lực được biểu thị bằng hệ số dịch chuyển a (như trong khai thác mỏ) Hệ số này biểu thị đại lượng biến dạng đứng lớn nhất trong bồn dịch chuyển toàn phần khi khai thác độ dày g=2R Tất cả các đại lượng biến dạng trong bồn dịch chuyển toàn phần tỷ lệ thuận với tích các giá trị a và g Ngoài hệ thống thi công và phương pháp điều khiển áp lực, hệ số a cũng chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau đây:

- Độ sâu khai thác;

- Bán kính đường hầm;

- Thành phần thạch học của đất đá;

- Độ cứng của đất;

- Điều kiện địa chất thủy văn

Các phương án thi công với công nghệ khác nhau có mức độ ảnh hưởng khác nhau đối với các thông số dịch chuyển

e) Tiến độ thi công hầm

Trước đây, thường hay nói tới các đại lượng ở giai đoạn cuối của quá trình dịch chuyển tức là ở giai đoạn tĩnh Quá trình dịch chuyển ở chu trình động kể từ khi hình thành và phát triển bồn dịch chuyển sẽ cho thấy bức tranh động rõ nét hơn

Hình 2.1 Quan hệ giữa cácdịchchuyểnbiến dạng và tiến độ thi công

Trường hợp trên hình 2.1 cho thấy quá trình động tạo thành bồn dịch

chuyển trên bề mặt tương ứng với các giai đoạn 1, 2, 3 của tiến độ khai thác

Dễ dàng nhận thấy rằng: đại lượng dịch chuyển đứng trên bề mặt bắt đầu xuất

hiện sau một thời gian thi công với kích thước khoảng trống vừa đủ để tạo

thành dịch chuyển và lan truyền dịch chuyển lên mặt đất Thoạt đầu, bồn dịch

chuyển hình thành dưới dạng một phần với các đại lượng dịch chuyển biến

dạng nhỏ Cùng với thời gian và tiến độ thi công, ranh giới bồn dịch chuyển

phát triển dần và được gọi là bồn dịch chuyển động (Dynamic) Hình dạng bồn

dịch chuyển càng phẳng khi tiến độ thi công càng nhanh, đây là phương án có

lợi đối với các công trình trên bề mặt

2.1.1.4 Tham số thời gian

Hiện tượng biến dạng bắt đầu xuất hiện trên bề mặt sau một thời gian thi

công được tiến hành Thời gian này vừa đủ để quá trình dịch chuyển đất đá từ

trên khoảng trống lan truyền dần lên mặt đất và theo dòng thời gian, quá trình

dịch chuyển đất đá tăng dần Sau khi đạt đến giá trị cực đại, các trị số dịch

chuyển giảm dần cho tới khi đất đá trở lại thế cân bằng và hoàn toàn ổn định

Như vậy, để quá trình dịch chuyển bắt đầu cho đến khi kết thúc cần có tham

số thời gian Thực chất, dịch chuyển biến dạng là một quá trình động và bao

giờ cũng xuất hiện chậm hơn so với tiến độ của khoảng trống, là một quá

trình tiệm cận Trong nhiều trường hợp, sau khi kết thúc đào hầm, quá trình

vẫn tiếp tục có khi kéo dài tới vài năm

Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy rằng: ảnh hưởng của thi công công

trình đường hầm lên bề mặt đất bắt đầu xuất hiện khi khoảng trống đạt phía dưới

đạt kích thước (0,2-0,25) Quá trình dịch chuyền đứng một điểm trên bề mặt sẽ

trải qua bốn giai đoạn (hình 2.2):

- Giai đoạn chuẩn bị;

- Giai đoạn bắt đầu;

- Giai đoạn chuyển dịch mạnh mẽ;

- Giai đoạn kết thúc

Hình 2.2 Các giai đoạn của quá trình dịch chuyển đứng theo thời gian

Hệ số thời gian phụ thuộc vào độ sâu đặt đường hầm, hệ thống công nghệ thi công hầm và tiến độ đào hầm thường được đưa vào các hàm dự báo chuyển dịch Quá trình biến dạng bề mặt theo thời gian được thể hiện trên hình 2.3 Khoảng thời gian dài hay ngắn phụ thuộc vào:

2.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng phần mềm plaxis 2D, plaxis 3D tunel dự báo chuyển dịch

2.1.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn [23]

Cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn ra đời và phát triển rất mạnh mẽ và là một phương pháp được dùng rất phổ biến hiện nay khi tính toán các bài toán cơ học Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số để tìm nghiệm gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định V Tuy nhiên phương pháp phần tử hữu hạn không tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìm trên toàn miền V mà chỉ trong từng miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định V Chính vì lẽ đó nên phương pháp này rất thích hợp để tìm nghiệm gần đúng cho các bài toán vật lý, kỹ thuật khi mà hàm cần tìm được xác định trên những miền phức tạp là những vùng nhỏ có các đặc trưng hình học, vật lý khác nhau, chịu các điều kiện biên khác nhau Phương pháp được phát biểu một cách tổng quát chặt chẽ như một phương pháp biến phân hay phương pháp dư có trọng số trên mỗi phần tử

Quá trình giải bài toán phần tử hữu hạn phẳng các bước giải bài toán phần tử hữu hạn phẳng là:

- Chia miền phân tích thành các phần tử đơn;

- Cấu tạo ma trận độ cứng của mỗi phần tử và tính tải trọng điểm nút đẳng hiệu của phần tử;

- Cấu tạo ma trận độ cứng kết cấu và tải trọng điểm nút đẳng hiệu kết cấu từ đó tìm được phương trình cân bằng của kết cấu;

- Tìm nghiệm của phương trình cân bằng điểm nút, dùng điều kiện biên chuyển dịch hoặc ràng buộc chuyển dịch để tìm nghiệm của phương trình cân bằng điểm nút, từ đó tìm được chuyển dịch của điểm nút;

- Tính biến dạng và ứng suất của các phần tử đơn

2.1.2.2 Phần mềm plaxis 2D, plaxis 3D tunel dự báo chuyển dịch

a Plaxis 2D

Plaxis 2D là phần mềm địa kỹ thuật dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, chuyên dùng cho phân tích biến dạng và ổn định nền đất theo mô hình phẳng (hai chiều)

Plaxis 2D được trang bị đầy đủ các tính năng để có thể giải quyết được

những bài toán vốn rất phức tạp và đa dạng của địa kỹ thuật Dùng để phân tích hai chiều biến dạng và ổn định trong ngành địa kỹ thuật Nó được trang

bị với các tính năng để ứng xử với các khía cạnh khác nhau của các cấu trúc địa chất và các quá trình xây dựng

Plaxis 2D có các chương trình tạo nên một gói phần tử hữu hạn dành cho

việc phân tích hai chiều biến dạng và ổn định trong kỹ thuật địa kỹ thuật Địa

kỹ thuật ứng dụng đòi hỏi các mô hình tiên tiến thành lâ ̣p cho các mô phỏng phi tuyến tính, ứng sửa và dị hướng phụ thuộc thời gian của đất hoặc đá Ngoài ra, vì đất là một vật liệu đa pha, đặc biệt là cần thiết để đối phó với áp lực thủy tĩnh và không có lỗ rỗng thủy tĩnh trong đất

Tính năng của phần mềm Plaxis 2D:

- Mô hình hóa hợp lý các đặc trưng của địa kỹ thuật;

- Giao diện đồ họa người dùng dễ sử dụng;

- Tự động nhận dạng của các lớp đất;

- Kết cấu các yếu tố, thép tấm, vải địa kỹ thuật và neo;

- Không giới hạn kết hợp của các lực lượng điểm và tải phân phối;

- Nhập mô hình từ CAD;

- Nâng cao các mô hình đất: nén và cắt cứng, hành vi creep, mô hình cam-sét, đàn hồi-dẻo cho các yếu tố cấu trúc, mô hình Hoek Brown, phương pháp căng cứng nhỏ;

- Mô phỏng thí nghiệm

Trình tự giải một bài toán kết cấu bằng phần mềm Plaxis 2D:

- Thiết lập các thông số ban đầu của bài toán;

- Mô hình sơ đồ của bài toán;

- Khai báo tải trọng;

- Thiết lập điều kiện giới hạn;

- Khai báo các tính chất của vật liệu;

- Chia lưới phần tử;

- Thiết lập điều kiện về mực nước;

- Định nghĩa các giai đoạn tính toán;

- Xem và xuất giá trị của nội lực, chuyển vị và ứng suất

b Plaxis 3D

Plaxis 3D là một chương trình phần tử hữu hạn dùng để phân tích 3D biến dạng và ổn định trong ngành địa kỹ thuật Nó được trang bị với các tính năng để giải quyết các vấn đề khác nhau của các cấu trúc địa chất phức tạp và quá trình xây dựng sử dụng những phương pháp lý thuyết đúng đắn và thực tiễn Với Plaxis 3D, hình học phức tạp của đất và các cấu trúc có thể được định nghĩa theo hai chế độ khác nhau Các chế độ này được xác định cụ thể đối với đất hoặc mô hình kết cấu Những mô hình khối độc lập có thể được giao cắt và tạo lưới tự động Các phương pháp thi công theo giai đoạn cho phép phần mềm mô phỏng thực tế quá trình xây dựng và đào đắp bằng cách

mở và tắt cụm đất và các đối tượng kết cấu, gắn tải trọng, thay đổi của mực nước ngầm, v v

Mô hình của phần mềm plaxis 8.2:

Plaxis có thể sử dụng để thực hiện biến dạng phẳng, đối xứng trục và đơn giản hóa sự phân tích 3 chiều (đối xứng trục 3 chiều) Một mô hình biến dạng phẳng được sử dụng cho những cấu trúc với một (nhiều hoặc ít hơn) mặt cắt ngang đồng dạng và trạng thái ứng suất tương ứng và sự phối hợp tải