ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HẦM

Lên mặt cắt dọc tuyến hầm, xác định chiều dài hầm. Thiết kế mặt cắt vỏ hầm và mặt cắt ngang hầm. Tính toán loại kết cấu vỏ hầm. Đề xuất phương án thi công hầm cho toàn hầm. Lựa chọn các thiết bị thi công chủ yếu ( khoan, xúc chuyển, xây vỏ..). Tính các thông số nổ mìn và lập hộ chiếu khoan nổ cho một gương đào. Tính toán và lập hộ chiếu gia cố chống tạm. Lập biểu đồ chu kỳ đào.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HẦM

Loại đất đá

Khoa cầu đờng

Bộ môn Cầu - Hầm Đồ án môn học

- Lờn mặt cắt dọc tuyến hầm, xỏc định chiều dài hầm.

- Thiết kế mặt cắt vỏ hầm và mặt cắt ngang hầm.

- Tớnh toỏn loại kết cấu vỏ hầm.

- Đề xuất phương ỏn thi cụng hầm cho toàn hầm.

- Lựa chọn cỏc thiết bị thi cụng chủ yếu ( khoan, xỳc chuyển, xõy vỏ ).

- Tớnh cỏc thụng số nổ mỡn và lập hộ chiếu khoan nổ cho một gương đào.

- Tớnh toỏn và lập hộ chiếu gia cố chống tạm.

- Lập biểu đồ chu kỳ đào.

YấU CẦU BẢN VẼ VÀ THUYẾT MINH:

- Biểu đồ nội lực (M và N) trong kết cấu vỏ hầm.

- Sơ đồ thi cụng hầm tỷ lệ 1/100.

- Cỏc mặt cắt ngang của sơ đồ thi cụng thể hiện cỏc cụng tỏc chủ yếu.

- Một hổ chiếu khoan nổ mỡn.

- Một hộ chiếu gia cố chống tạm.

- Biểu đồ chu kỳ đào.

1- Xác đ ịnh các thông số của tuyến hầm:

Tuyến hầm đi qua 2 điểm A và B có cùng cao độ, xuyên qua hai lớp địa chất khác nhau Loại hầm đường ôtô, khổ hầm 850cm Thiết kế hầm nằm trên đường thẳng, tường cong Khoảng cách giữa hai điểm L =390m

2- Thiết kế trắc dọc tuyến hầm:

Để đảm bảo cao độ giữa hai cửa hầm và đảm bảo cho việc thoát nước trong khi thi công được dể dàng ta thiết kế hầm với 2 hướng dốc, độ dốc dọc thiết kế chọn là 5.0‰.

19.5 19.5 19.5 19.5 19.5 17 19.5 19.5 19.5 19.5 14.5 19.5 19.5 19.5 19.5 12 19.5 19.5 19.5 19.5

mss:25 70 115 160 205 250

II THIẾT KẾ TRẮC NGANG HẦM:

1- Thiết kế khuôn trong vỏ hầm:

Khi chọn khuôn trong của vỏ hầm tuân thủ một số nguyên tắc sau:

- Hình dạng trục vòm phải trơn tru, liên tục vì trục vòm gấp khúc sẽ làm cho đường cong

áp lực và trục kết cấu tách ra bất lợi.

- Hầm núi chịu áp lực thẳng đứng là chủ yếu nên có thể chọn vòm bằng một tâm hoặc hai tâm có tường thẳng hay vòm nhọn ba tâm hay năm tâm có đường cong trong đó độ cong ở đỉnh

Khoa cầu đờng

*Vỏ hầm là một kết cấu siờu tĩnh làm trong một mụi trường đàn hồi phức tạp Bởi vậy kớch thước tiết diện ban đầu hoàn toàn dựa vào chủ quan mà dự kiến trước Cơ sở chủ yếu để lựa chọn cỏc kớch thước cơ bản của tiết diện vỏ hầm là: kinh nghiệm thiết kế, tham khảo những tài liệu thiết kế cú sẵn trong và ngoài nước.

*Cấu tạo phần đỏy hầm bao gồm: kiến trỳc phần trờn của tuyến đường, lỏt đỏy và rónh thoỏt nước.

Tấm lỏt đỏy là một lớp bờtụng nghốo dày 10-20cm, đảm bỏo thoỏt nước ngang hầm với độ dốc là 2%.

Rónh thoỏt nước trong hầm quy định kớch thước tối thiểu là: cao 25cm, rộng 40cm.

Với hầm đường ụtụ ta bố trớ rónh thoỏt nước hai bờn hầm và sử dụng rónh thoỏt nước cao Chi tiết được thể hiện trờn bản vẻ:

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN KẾT CẤU VỎ HẦM

Khoa cầu đờng

II NGYUấN Lí TÍNH TOÁN :

- Kết cấu vỏ hầm được tớnh toỏn trờn 1m dài dọc hầm Theo phương ngang hầm ta chia

hầm thành những đoạn cú chiều dài bằng nhau Kết cấu vỏ hầm chịu ALĐT thẳng đứng

và ỏp lực ngang của khối đất đă, trọng lượng bản thõn của kết cấu Tại những khu vực

vỏ hầm biến dạng và cú chuyển vị về phớa địa tầng thỡ kết cấu chịu thờm tỏc dụng của khỏng lực đàn hồi của địa chất xung quanh.

- Việc tớnh toỏn nội lực của kết cấu vỏ hàm được thực hiện bằng phần mềm tớnh toỏn kết

cấu Sap2000 Khi tớnh toỏn nội lực ta mụ hỡnh hoỏ kết cấu vỏ hầm như sau : Cỏc đoạn

vỏ hầm được chia thành những đoạn cú chiều dài bằng nhau, được thay thế bằng cỏc thanh cú điểm đầu và điểm cuối là cỏc điểm đầu và điểm cuối của cỏc đoạn hầm trờn Liờn kết giữa cỏc đoạn là liờn kết ngàm cứng Cỏc thanh được mụ hỡnh hoỏ thay thế cỏc đoạn vỏ hầm cú đặc trưng vật liệu và mặt cắt như cỏc đoạn vỏ hầm, nghĩa là cú chiều rộng 1m dọc theo chiều dài hầm và cú chiều dày bằng với chiều dày vỏ hầm tại cỏc mặt cắt tương ứng.

- Tỏc dụng của khỏng lực đàn hồi tại những vựng kết cấu vỏ hầm cú chuyển vị về phớa địa

tầng thay thế bởi cỏc gối đàn hồi Cỏc gối đàn hồi này đặt tại cỏc nỳt chia đốt vỏ hầm Cỏc gối đàn hồi này cú độ cứng D được tớnh toỏn như sau : Cú kớch thước mặt cắt cú chiều dài bằng chiều dài của đốt vỏ hầm tớnh toỏn (1m), chiều rộng bằng tổng hai nửa chiều dài của 2 thanh vỏ đốt hầm liền kề nhau Mụđun đàn hồi của địa tầng : E = K.

Trong đú :

+ K : Hệ số khỏng kực đàn hồi.

chiều dài hai đoạn vỏ hầm kề nhau.

+ b : Là chiều dài của đốt vỏ hầm (b = 1m).

- Ta tớnh toỏn nội kực vỏ hầm theo phương phỏp đỳng dần, bằng cỏch ban đầu ở tất cả cỏc

nỳt đều cú cỏc gối đàn hồi và tớnh toỏn nội lực Sau khi tớnh toỏn nội lực thỡ cỏc gối đàn hồi mà cú phản lực õm thi ta thay thế bằng cỏc gối đàn hồi cú độ cứng bằng khụng

và tớnh toỏn lại cho đến khi tất cả cỏc gối đàn hồi đều cú phản lực gối dương thỡ thụi.

m d

Chiều dài một nửa trục vó hầm là S = 1134(cm)

15 16

17 18 19

20

42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22

Khoa cầu đờng

96 75 45 tan

* 819 2

1250 2

45 tan

725

Ta có sơ đồ vòm áp lực như sau:

' 01 7 2

45o   o

819 182

Khoa cầu đờng

* 82 1 3 2

* 2 1 2 45 tan

o

h n

2

96 75 45 tan

* 19 8 82 1

* 3 2

* 2 1 2 45 tan

2

4189.00762.02

-Khai báo và định nghĩa vật liệu dùng trong kết cấu.

-Khai báo và định nghĩa các loại mặt cắt dùng trong phân tích và tính toán kết cấu bao gồm cả việc khai báo và định nghĩa các tiết diện có mặt cắt thay đổi Vì vỏ hầm có chiều dày thay đổi và khi tính toán ta chia vỏ hầm ra thành đoạn nhỏ như đã trình bày trong nguyên lý tính toán vỏ hầm phía trên.

-Tiến hành mô hình hoá kết cấu vỏ hầm trong phần mềm Sap bao gồm:

-Định nghĩa các điều kiện biên bao gồm khai báo các gối đàn hồi và các thanh liên kết hai đầu khớp.

-Tiến hành mô hình hoá các loại tải trọng tác dụng lên kết cấu vỏ hầm bao gồm:

tổ hợp tải trọng dùng trong tính toán.

-Tiến hành kiểm tra lại quá trình mô hình hoá trước khi chạy chương trình.

-Tiến hành chạy chương trình và kiểm tra kết quả tính toán, thực hiện công tác thay đổi các điều kiện biên cho phù hợp với dạng làm việc thực tế cho đến khi nhận được kết quả với độ chính xác mong muốn.

-Tiến hành xuất các kết quả nội lực trong kết cấu (biểu đồ mômen, lực dọc và các kết quả khác)

Khoa cầu đờng

Bộ môn Cầu - Hầm Đồ án môn học

- Vật liệu của cỏc gối đàn hồi chịu nộn cú:

- Vật liệu của các gối đàn hồi chiệu kéo có:

Khoa cầu đờng

Tiết diện Tên(MC) t 3 (m) t 2 (m)

Khoa cầu đờng

Khoa cầu đờng

Bộ môn Cầu - Hầm Đồ án môn học

+ Môđun đàn hồi của vật liệ tại chân vòm theo phương ngang là E =K =5*10 4

+ Môđun đàn hồi của vật liệu nền tại chân vòm theo chống xoay là

Kết quả khai báo gối đàn hồi tại chân vòm như sau:

Khoa cầu đờng

Bộ môn Cầu - Hầm Đồ án môn học

- Liờn kết tại vị trớ đầu thanh thay thế cho tỏc dụng của điạ tầng là liờn kết gối di động do

đú khi khai bỏo điều kiện biờn tại cỏc nỳt này ta chỉ giữ lại thành phần lực theo phương dọc trục cũn lại ta giải phúng hết 2 thành phần cũn lại.

Kết quả khai bỏo cỏc gối di động tại cỏc thanh như sau:

- Giải phóng liên kết đầu còn lại của các thanh thay thế cho kháng lực đàn hồi đưa các thanh này về thanh hai đầu khớp Kết quả như sau:

Khoa cầu đờng

Bộ môn Cầu - Hầm Đồ án môn học

3.4 TIẾN HÀNH KHAI BÁO CÁC LOẠI TẢI TRỌNG.

- Ta tiến hành định nghĩa cỏc loại tải trọng:

+ TTBT: là tải trọng bản thõn kết cấu vỏ hầm

+ ALĐTTĐ: là ỏp lực địa tầng thẳng đứng.

+ ALN: là ỏp lực địa tầng nằm ngang

+ TH2: là tổ hợp tải trọng theo TTGHCĐ21 Trong tổ hợp này ta lấy hệ số tải trọng là: TTBT =1.2, ALĐTTĐ = 1.5, ALN = 0.8

Khoa cầu đờng

Bộ môn Cầu - Hầm Đồ án môn học

- Tiến hành định nghĩa cỏc loại tải trọng, kết quả như sau:

+ TTBT:

-ALĐTTĐ:

Khoa cầu đờng

Bộ môn Cầu - Hầm Đồ án môn học

- ALN:

3.5 TIẾN HÀNH CHẠY CH ƯƠ NG TRÌNH.

Sau khi đã hoàn thành tất cả các công việc khai báo, mô hình hoá kết cấu ta tiến hành chạy chương trình tính toán và kiểm tra kết quả tính toán nội lực.

Khoa cầu đờng

Bộ môn Cầu - Hầm Đồ án môn học

- Sơ đồ tớnh toỏn kết cấu vỏ hầm chọn thiết kế là:

- Biểu đồ mụmen uốn trong kết cấu vỏ hầm ở TTGHCĐ1:

Tương tự ta có 2 biểu đồ tương ứng với TTGHCD2:

Khoa cầu đờng

Bộ môn Cầu - Hầm Đồ án môn học

Một số bảng số liệu và kết quả tớnh toỏn cho trường hợp TH1:

Frame Output

Frame Elem

Elem Station

Khoa cầu đờng

1 Kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu

2. Khi kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu vỏ hầm ta tiến hành kiểm tra kết cấu vỏ hầm theo 2 tr ờnghợp là tiết diện của kết cấu vỏ hầm chịu nén lệch tâm bé và nén lệch tâm lớn

- Nếu tiết diện chịu nén lệch tâm bé (độ lệch tâm e=M/n <0,225.d) thì tiết diện hầm đợc kiểm tra theocông thức:

e d

bd mR N

75 , 1







d e

bd mR N

Trong đó :+ N: là lực nén của tiết diện kiểm tra

+ Ngh: là lực nén giới hạn của tiết diện (khả năng chịu nén của tiết diện)+ m: là hệ số điều kiện làm việc (kể tới sự sai lệch của sơ đồ làm việc); m=0,9+ Rn: Cờng độ chịu nén của bê tông vỏ hầm, Rn = 900 T/m2

+ Rk: Cờng độ chịu kéo của bê tông vỏ hầm, Rk = 75 /m2

+ b: là chiều rộng tính toán của đốt vỏ hầm (b=1m)

+ d: chiều dày tiết diện vỏ hầm kiểm tra

+ e: độ lệch tâm của tiết diện vỏ hầm

+ 1,75: là hệ số xét đến tăng khả năng chịu lực do biến dạng dẻo

Sau khi tính toán ta có bảng sau

Tiết

Kiểu lệch tâm

Rn

- Trong thực tế thiết kế và thi công xây dụng hầm có một số các biện pháp chính sau.

+ Biện pháp thứ nhất: Là tăng khả năng chịu của tiết diện bằng cách tăng cờng độ chịu nén

và chịu kéo của bê tông lên hay nói cách khác ta tăng mác bê tông lên

+ Biện pháp thứ hai: Tăng chiều dày của kết cấu vỏ hầm lên để giảm độ lệch tâm domômen uốn gây ra

+ Biện pháp thứ ba: Là ta tiến hành đặt cốt thép vào khu vực có các tiết diện chịu lệch tâmlớn do mômen uốn và khi đó ta tính toán các tiết tiết diện vỏ hầm là một kết cấu bêtông cốt thépchịu uốn chứ không tính toán kiểm tra tiến diện theo tiết diên chịu nén lệch tâm nữa

- Nhận xét các phơng án điều chỉnh thiết kế:

+ Với phơng án 1 là phơng án tăng mác bê tông: Ta thấy kết cấu vỏ hầm chỉ có một số các tiết diệnchịu lệch tâm lớn là không đảm bảo khả năng chịu lực còn các tiết diện còn lại thì đảm bảo khả năng chịulực nên khi ta tiến hành tăng khả năng chịu lực của vật liệu vỏ hầm (tăng Mác bê tông vỏ hầm) sẽ gâylãng phí và tốn kếm vật liệu Cho thấy phơng án này không hiệu quả kinh tế không cao

+ Với phơng án 2 là phơng án tăng chiều dày của kết cấu vỏ hầm: Kết cấu vỏ hầm chỉ có một số cáctiết diện chịu lệch tâm lớn là không đảm bảo khả năng chịu lực còn các tiết diện còn lại thì đảm bảo khảnăng chịu lực Khi ta tiến hành tăng chiều dày vỏ hầm dẫn tới phải tăng khối l ợng bê tông vỏ hầm lênnhiều đồng thời với đó là tăng tải trọng bản thân kết cấu nên khả năng cải thiện độ lệch tâm là không lớn.Mặt khác, khi tăng chiều dày vỏ hầm sẽ dẫn tới tăng diện tích hang đào làm tăng khối lợng công tác đàophá, xúc bốc vận chuyển đất đá Cho thấy phơng án này gây lãng phí không cần thiết nhiều và hiệu quảtăng khả năng chịu lực của tiết diện không cao

Khoa cầu đờng

Bộ môn Cầu - Hầm Đồ án môn họcVậy kiến nghị biện pháp thiết kế cho các mặt cắt có độ lệch tâm lớn không đảm bảo khả năng chịu lực

là bố trí cốt thép tại khu vực mà các tiết diện không đảm bảo khả năng chịu lực do có độ lệch tâm lớn vàtính toán kiểm tra khả năng chịu lực của mặt cắt là mặt cắt của kết cấu bê tông cốt thép

Phần iii: tổ chức thi công hầm

i Chọn phơng án thi công hầm.

Chọn phơng pháp thi công hầm là một khâu quan trọng trọng thiết kế và xây dựng hầm, quyết địnhcác biện pháp kĩ thuật thi công có ảnh hởng rất lớn đến tiến độ công trình, thời hạn thi công và giá thànhcông trình

Hầm có chiều dài 390m và thiết kế với lớp địa chất thứ hai: Cát cố kết mềm có f = 4 nên chọn phơng

án thi công đào bậc thang

ii.Thiết kế khoan nổ mìn.

1 Xác định tiết diện tính toán khoan nổ mìn.

Nh trên ta đã kiến nghị biện pháp đào hang đó và biện pháp đào bậc thang trên Toàn bộ tiết diệnhang đào có chiều rộng là 12,5m; và chiều cao tiết diện hang đào là 8,20m do đó ta kiến nghị chọn:

- Chiều cao của bậc thang đào dới là: 3,5m

- Chiều cao của bậc thang đào trên là: 4,7m

Với chiều cao của bậc thang trên và dới nh trên thì ta thấy diện tích tiết diện hang đào của bậcthang trên và dới là xấp xỉ nhau Ta có sơ đồ tiết diện hang đào bậc thang nh sau:

Ta tiến hành tính toán thiết kế khoan nổ mìn cho tiết diện của phần gơng đào của bậc thang trên.Phần hang đào tính toán khoan nổ mìn là phần bên trên không gạch chéo trong hình dới:

S=46,5m2S=43,5m2

Khoa cầu đờng

- Xúc bốc bằng máy xúc dạng b không gầu dạng tay vơ do Liên Xô xản xuất

3 Bớc đào và chiều sâu khoan nổ mìn.

Chiều sâu khoan lỗ mìn l0 đợc xác định trên các cơ sở là: Điều kiện ổn định của nóc hang đào, thờigian của chu kì thi công, năng lực của thiết bị khoan

- Theo năng lực của máy khoan (máy Boomer 352) thì chiều sâu khoan ngập cần của máy khoan là

l01 = 4,64m

- Theo điều kiện ổn định của nóc hang đào thì với hệ số kiên cố của địa chất là f = 4 ta có giá trị

b-ớc đào là W = 1,52m

Hệ số sử dụng lỗ mìn  = 0,9 thì chiều sâu khoan lỗ mìn là l0 = W/ = 2,22 m

- Khi thi công dùng máy khoan Boomer 352 là loại máy khoan nặng (máy có tổng trọng lợng là27tấn) và tiến hành xúc bốc là bằng cơ giới, từ thực tế thi công hầm với điều kiện này thì chiều sâu lỗkhoan hợp lí là l0 = 2,54m

Vậy sơ bộ ta kiến nghị chọn chiều sâu khoan của lỗ mìn là: l0 = 2,5m

- Đồng thời từ f = 4 tra bảng ta đợc khoảng cách các lỗ đột phá theo phơng đứng là: a=60cm=0,6m

- Các lỗ đột phá khoan sâu hơn mặt phẳng các lỗ mìn phá, biên và đáy 1 khoảng là (0,1-0,15)l0 =

25cm=0,25m

- Chọn khoảng cách các lỗ đột phá tại đáy các lỗ mìn là: 20cm = 0,2m

- Chọn góc nghiêng của các lỗ đột phá là:  = 750 Từ đó ta có đợc khoảng cách các lỗ đột phá trên

g-ơng đào là b = 170cm = 1,7m

- Chiều dài lỗ đột phá có tính tới góc nghiêng: l dp 2 , 85m

75 sin

25 , 0 5 , 2

0 





5 Tính toán và bố trí lỗ mìn trên gơng đào.

1 0

DK k d

S q a

P a

P

Trong đó:

+ P0: là chu vi hang đào theo đờng biên thiết kế không kể đáy (P0 = 17m)

+ a0: Khoảng cách giữa các lỗ mìn biên, với đá toàn khối có f = 4 chọn a0 = 0,65m

+ P1: Chiều rộng đáy hang đào, P1 = 11,7m

+ a1: Khoảng cách giữa các lỗ mìn đáy, chọn a1 = 0,4W = 0,4.2,25 = 0,9m

+ S’: Là diện tích nhân trong tiết diện ngang của hang đào đợc xác định thông qua giá trị đờngkháng nhỏ nhất của lỗ mìn biên Wb

Khoa cầu đờng

Bộ môn Cầu - Hầm Đồ án môn học

+ k3: Hệ số lấp đầy lỗ mìn, tra bảng ta đợc k3 = 0,55

+ D: Là độ chặt của thuốc nổ, với thuốc nổ Amônít N06 có D = 1,25

+ K0: Là hệ số làm chặt trong quá trình nạp, với Amônit N06 bánh thì K0 = 1

17 18

19 20

21

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

36 37 38 39

0.88

0.20 0.20

- Từ lợng tiêu hao thuốc nổ đơn vị q0 = 0,65 Kg/m3 ta sơ bộ xác định khối lợng thuốc nổ cho một chu kì

đào là: Q = q0.W.S = 0,65.2,25.44,5 = 65,08 Kg

- Với các lỗ mìn biên L22-L47 dùng kết cấu nạp cách đoạn gồm 5 thỏi thuốc nổ Amônit N020 đờng kínhnhỏ (trọng lợng 5.100=500 g) và hai thỏi thuốc nổ Amônit N06 đờng kính 3,6cm (trọng lợng2.200=400 g) ở cuối lỗ Do đó trọng lợng thuốc nổ cho 1 lỗ mìn biên là 0,9Kg

- Tổng trọng lợng thuốc nổ cho 26 lỗ mìn biên là: Qb = 0,9.26 = 23,4 Kg

+ 4: Là thanh nứa dùng để buộc các thỏi thuốc nổ từ bên ngoài

+ 5: Là nút mìn phía đầu lỗ mìn (là hỗn hợp cát và sét với tỷ lệ 1:3, độ ẩm từ 18-20%)

que nứa thành lỗ khoan

dây điện

thuốc nổ dây nổ

- Lợng thuốc nổ trung bình cho một lỗ mìn loại khác là:

q Q Q b Kg l

34

4 , 23 08 , 65 26