Nghiên cứu nguyên lý làm việc của hầm trong môi trường nước

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2004 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: NGUYỄN THỊ NGỌC PHI Phái : Nữ Ngày tháng năm sinh: 02/12/1973 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Cầu, t

-]^ -

NGUYỄN THỊ NGỌC PHI

NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HẦM TRONG

MÔI TRƯỜNG NƯỚC

CHUYÊN NGÀNH : CẦU, TUYNEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

KHÁC TRÊN ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT

MÃ SỐ NGÀNH : 2.15.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 09 năm 2004

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS LÊ VĂN NAM………

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2 : ThS TRẦN QUANG THIỆN………

Cán bộ chấm nhận xét 1……… ………

Cán bộ chấm nhận xét 2 ………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN

THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2004

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2004

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN THỊ NGỌC PHI Phái : Nữ

Ngày tháng năm sinh: 02/12/1973 Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Cầu, tuynen và các công trình MSHV: CAUĐ13-021

xây dựng khác trên đường ôtô và đường sắt

I- TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu nguyên lý làm việc của hầm trong môi trường nước

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

Nghiên cứu ảnh hưởng của các lực tác động lên hầm, giải pháp giữ ổn định hầm, các dạng mặt cắt ngang và đề xuất công nghệ thi công

Chương mở đầu

Chương 1: Tác động của môi trường lên kết cấu hầm

Chương 2: Các phương pháp giữ ổn định hầm

Chương 3: Phân tích các thông số kỹ thuật hình dáng hợp lý của hầm

Chương 4: Đề xuất công nghệ thi công hầm

Chương kết luận và kiến nghị

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2004

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: TS LÊ VĂN NAM

VI- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: ThS TRẦN QUANG THIỆN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN

QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng Chuyên ngành thông qua

Tp HCM, ngày tháng năm 2004

TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài này, tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến :

TS Lê Văn Nam, ThS Trần Quang Thiện đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Cám ơn các ý kiến đóng góp của TS Lê Thị Bích Thủy và TS Trịnh Văn Chính Cám ơn các Thầy Cô trong bộ môn cầu đường, khoa xây dựng đã truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức và kinh nghiệm trong quá trình học tập tại trường Đại Học Bách Khoa

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và các bạn học viên học chung lớp đã tạo điều kiện, động viên giúp đỡ tôi rất nhiều

Xin chân thành cám ơn

Học viên cao học

Nguyễn Thị Ngọc Phi

ABSTRACT

Tunnels are ussually be used in transportation Traditional tunnel are buried underground (bored tunnel) or buried beneath the waterway which it traverses (immered tunnel)

A new development- the submerged floating tunnel - consists of suspending a tunnel within the waterway, either by tethering a buoyant tunnel section to the bed of the waterway, or by suspending a heavier-than-water tunnel section from

Chapter 1 : The effect of environment on tunnel

Chapter 2 : Stabilizing tunnel

Chapter 3 : Reasonable technical paremeters of tunnel

Chapter 4 : Proposing tunnel excution technology

Hầm là một dạng kết cấu hay gặp trong các công trình giao thông vận tải Hiện nay, trên thế giới thường dùng hầm chôn sâu trong lòng đất (hầm đào) hoặc hầm đặt sát đáy sông, biển (hầm dìm) Ngoài ra, còn có một dạng hầm khác mới mẻ hơn, khẩu độ nhịp ngắn hơn hai dạng hầm trên đó là hầm nằm trong môi trường nước

Hầm nằm trong nước là một dạng hầm được treo trong môi trường nước bằng các dây neo nối hầm với đáy sông, biển hoặc dùng phao nổi để treo hầm

Đề tài “ Nghiên cứu nguyên lý làm việc của hầm nằm trong môi trường nước” mong muốn đóng góp một phần nhỏ để đa dạng hóa các dạng hầm trong ngành giao thông

Đây là một lĩnh vực rất rộng và mới nên trong khuôn khổ của đề tài chỉ tập trung nghiên cứu một vài khía cạnh về nguyên lý làm việc, các thông số kỹ thuật của hầm … Đề tài gồm 4 chương chính :

Chương 1: Tác động của môi trường lên kết cấu hầm

Chương 2: Các phương pháp giữ ổn định hầm

Chương 3: Phân tích các thông số kỹ thuật hình dáng hợp lý của hầm Chương 4: Đề xuất công nghệ thi công hầm

Cơ sở nghiên cứu

1334

Chương 1 : Tác động của môi trường lên kết cấu hầm

677111111242729

Chương 2 : Các phương pháp giữ ổn định hầm

Chương 3 : Phân tích các thông số kỹ thuật hình dáng hợp lý của hầm

Chương 4 : Đề xuất công nghệ thi công hầm

Cấu tạo mối nối Nối các đốt hầm dưới nước Nối đốt hầm cuối cùng Khái niệm

Các bước thực hiện Cấu tạo trụ tạm Kết luận chương 4

646565656667687171727475

Chương kết luận và kiến nghị

5.1

5.2 Kết quả đạt được của đề tài Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo 7678

Phụ lục

Phụ lục 1 : Kết quả xác định nội lực trong hầm

Phụ lục 2 : Xác định bề dày vỏ hầm Phụ lục 3 : Độ sâu đặt hầm cần thiết

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1- Tính cần thiết của đề tài nghiên cứu :

Sự phát triển liên tục của của phương tiện giao thông vận tải dẫn đến sự phát

triển không ngừng của hạ tầng giao thông Có thể thấy rằng sự phát triển của hạ

tầng giao thông phản ánh rõ nét sự phát triển mọi mặt của quốc gia Sự phong

phú, đa dạng của điều kiện tự nhiên đã dẫn tới sự phát triển đa dạng của các công

trình giao thông như cầu, hầm, công trình phục vụ khai thác… Ngày nay, nhiều

mục tiêu đặt ra đối với các công trình giao thông như đảm bảo an toàn công trình,

an toàn giao thông, đầu tư thấp, hạn chế ảnh hưởng bất lợi với môi trường thiên

nhiên… Một trong những biện pháp đáp ứng các yêu cầu đó là dùng hầm thay cho

cầu hoặc đường ở những vị trí thích hợp

Hiện nay, hầm thường dùng để vượt qua biển, vịnh, sông, hồ … hoặc là xuyên núi

cao, nằm dưới các trung tâm thành phố lớn Trong đó hầm qua sông, biển thường

được chôn sâu dưới lòng đất hoặc nằm sát đáy sông, biển

Trong sự phát triển của lịch sử hầm tùy theo môi trường bao quanh hầm mà có

các dạng hầm khác nhau : đá đất bùn yếu Cho đến nay các dạng

hầm này đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công rất nhiều công trình trong

thực tế

Đối với những vùng sông, biển sâu việc làm hầm đặt dưới lòng đất làm cho chiều

dài hầm lớn, độ dốc hầm dẫn vào hầm chính cao đưa đến việc xây dựng hầm tốn

kém, xe chạy lên dốc sẽ thải ra nhiều chất thải và làm ảnh hưởng đến vấn đề môi

trường, hoặc trong trường hợp khi lớp đất nền đáy lòng sông tại nơi làm hầm là

lớp đất yếu, việc xử lý đất yếu tương đối tốn kém và phức tạp Một dạng hầm

khác có thể khắc phục hoặc hạn chế hai vấn đề trên : đó là hầm nằm trong môi

trường nước

Ưu điểm nổi bật làm cho ngưới ta chú ý đến hầm nằm trong môi trường nước là

chiều dài hầm ngắn hơn so với hầm dìm và hầm đào do đó chi phí xây dựng hầm

cũng như nguyên liệu sử dụng trong quá trình vận chuyển sẽ ít hơn

Hình 1 : Hầm đào

Hình 2 : Hầm dìm

Hình 3 : Hầm nằm trong nước Về lý thuyết có thể nhận thấy rằng đây là loại hầm có ưu điểm về mặt kinh tế,

tuy nhiên vì nằm trong môi trường nước nên dạng hầm này cũng tồn tại những

nhược điểm như : khó thi công, khó kiểm soát, ảnh hưởng đến giao thông tàu

ngầm… Hiện nay, trên thế giới dạng hầm này vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu

và chưa có công trình nào được đưa vào sử dụng

Vì vậy, việc nghiên cứu nguyên lý làm việc của hầm trong môi trường nước

mang ý nghĩa tiên phong Mục tiêu nghiên cứu nhằm thấy được tính khả thi của

dạng hầm này, đồng thời đưa ra cơ sở để tiếp tục nghiên cứu chi tiết, phát triển và

áp dụng vào thực tế

2) Tình hình nghiên cứu hầm nằm trong nước trên thế giới

Có nhiều quốc gia trên thế giới đưa ra ý tưởng về loại hầm nằm trong nước, đáng

chú ý nhất là NaUy, Ý và Nhật Bản

Năm 1995 Ban quản lý về giao thông công cộng Nauy kết hợp với các trường đại

học, viện nghiên cứu và các công ty tư vấn xây dựng nghiên cứu về hầm lơ lững

trong nước bắc qua vịnh hẹp ở Nauy (Norwegian fjord) và qua các hồ [8]

Ở Ý, một trong những phương án được đưa ra cho dự án liên kết hai bờ của eo

hẹp Messina đó là hầm treo trong nước do công ty cầu Archimede nghiên cứu [8]

Ở Nhật bản tổ chức nghiên cứu công nghệ về hầm trong nước qua vịnh Funka,

Hokkaido [8]

Trên thế giới hiện nay loại công trình này còn đang trong giai đoạn nghiên cứu vì

nó hết sức mới mẻ

3) Aùp dụng dạng hầm này trong nước ta :

- Đặc điểm địa chất nói chung ở Tp Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận : vùng đất

yếu phân bố rộng lớn, làm cho biện pháp xử lý địa chất nền móng xây dựng các

công trình trong đó có các công trình giao thông đường bộ, đường sắt… khá phức

tạp, đặc biệt là các công trình có quy mô và tải trọng lớn

- Ở các tỉnh miền tây nam bộ nước ta, số lượng sông ngòi tương đối nhiều : các

nhánh của sông Cửu Long (Sông Tiền, sông Hậu, Ba lai, Hàm luông, cổ Chiên),

các sông chảy ra Vịnh Thái lan ( sông Cái Lớn, Cái Bé, Oâng Đốc, Bảy Háp) Địa

chất ở vùng này được cấu thành bởi các lớp trầm tích trẻ Haloxen, chủ yếu là các

dạng đất yếu như sét nhão, bùn sét hữu cơ, bùn á sét, bùn á cát và đất than bùn

[7]

Ở Việt Nam, số lượng hầm dùng qua sông, biển chưa có, ở khu vực miền Nam

nếu như hầm Thủ Thiêm được đưa vào xây dựng như dự kiến thì đó là hầm đầu

tiên qua sông ở Việt Nam Tuy hiện nay nó cũng đang xới lên những quan điểm

khác nhau của các nhà khoa học Việt Nam về vấn đề này

Khi dùng dạng hầm trong môi trường nước, nhờ lực đẩy Acsimet nâng hầm theo

phương thẳng đứng, tổng lực tác dụng lên hầm theo chiều trọng lực sẽ nhỏ hơn

(so với hầm nằm trong đất), nên có thể sử dụng phao treo hoặc neo hầm, do đó

việc xử lý nền đất yếu sẽ tiết kiệm hơn

Tóm lại, với điều kiện địa chất yếu ở nhiều khu vực trong nước ta, việc nghiên

cứu hầm nằm trong nước cần được quan tâm, phần nào giải quyết vấn đề phức

tạp trong việc xử lý nền đất yếu, tiết kiệm kinh phí và làm đa dạng hoá các dạng

hầm trong ngành giao thông Đó cũng là mục tiêu đặt ra của luận án

4) Cơ sở nghiên cứu :

Phân tích lý luận dựa trên cơ sở lý thuyết về cơ học chất lỏng + cơ kết cấu + sức

bền vật liệu + cơ học đất + động lực học sông ngòi … Các nội dung chính sẽ tiến

hành trong đề tài này gồm :

- Phân tích các lực tác dụng lên hầm

- Nghiên cứu, lựa chọn và đưa ra biện pháp giữ ổn định hầm

- Lựa chọn mặt cắt ngang hầm

- Đề xuất công nghệ thi công hầm

CHƯƠNG 1

TÁC ĐỘNG CỦA MÔI TRƯỜNG LÊN KẾT CẤU HẦM

Mục đích : Phân tích các lực tác dụng lên kết cấu hầm, đặc biệt là áp lực nước

và cách xác định các lực đó từ đó rút ra kết luận cơ bản đối với sự làm việc của

hầm

Hầm làm việc trong môi trường nước bao bọc xung quanh Nước gây lực tác động

vào hầm Nước vừa là nền mà hầm tựa lên vừa là môi trường mà áp lực của tải

trọng ( xe, tĩnh tải ) từ hầm truyền xuống

Ngoài trọng lượng bản thân hầm và tải trọng xe còn có các phản lực của nước tác

động lên hầm Khi tác động vào hầm những ngoại lực và tác động của các yếu tố

nói trên gây ra nội lực gồm : momen uốn, lực cắt, lực dọc trục…hay chính là trạng

thái ứng suất, biến dạng của hầm

Trong bước nghiên cứu tổng thể có thể coi hầm như một kết cấu dạng thanh (vì

kích thước mặt cắt ngang hầm rất nhỏ so với chiều dài hầm

Sơ đồ các lực tác dụng lên hầm như sau

TẢI TRỌNG THƯỜNG XUYÊN

TẢI TRỌNG THAY ĐỔI

Lực ma sát Lực cản Lực nâng Dao động

Xe cộ

1.1) – TẢI TRỌNG THƯỜNG XUYÊN

1.1.1) : Tĩnh tải bản thân hầm

Coi trọng lượng bản thân hầm là lực thẳng đứng phân bố đều theo chiều dài

đường trung bình của mặt cắt ngang hầm, cường độ của lực phân bố phụ thuộc

vào bề dày thành hầm và trọng lượng riêng của vật liệu

Đối với hầm mặt cắt tròn, nếu như bề dày hầm không đổi, trọng lượng bản thân

hầm sẽ phân bố đều theo chiều dài của đường trung bình của mặt cắt ngang và

trên một đơn vị chiều dài đường tròn là : g=γ*h (1.1)

Hợp lực của tải trọng này là trọng lượng của một đơn vị chiều dài hầm

γ

.

2 r h

Trong đó γ : trọng lượng riêng của vật liệu làm hầm

r : Bán kính trung bình của mặt cắt ngang

h : Bề dày thành hầm

Trọng lượng một đơn vị chiều dài hầm tính theo công thức sau :

γ

*

*)(

Trong đó a: Chiều cao hầm tính theo đường tim võ hầm

b : Chiều rộng hầm tính theo đường tim võ hầm

h : Bề dày thành hầm

1.1.2)- Aùp lực thủy tĩnh

Trong chất lỏng tĩnh lực mặt chỉ có 1 phần theo phương pháp tuyến với mặt tiếp

xúc, áp suất lực mặt gọi là áp suất thủy tĩnh p, khi có lực P tác dụng vào diện tích

Trong đó : po : áp suất trên mặt thoáng

γn : trọng lượng riêng của nước

h : độ sâu của điểm đang xét áp suất Để xét áp lực thủy tĩnh của nước lên hầm ta xét sơ đồ như hình vẽ (hình 1.3)

Cắt đốt hầm thành 1 phần tử có bề dày là δ, ta thấy áp lực của nước lên vỏ hầm

tại điểm bất kỳ (tại độ sâu z so với mặt thóang) có giá trị p= p0+zγn (theo

công thức 1.5) và hướng theo pháp tuyến với vỏ hầm tại điểm xem xét Giả sử

mặt cắt ngang hầm có hình dạng bất kỳ với đường viền K được biểu diển bằng

hàm số z=f(x) và mặt cắt ngang có diện tích được bao bởi đường K là G

Xét 1 phần tử được cắt ra từ K có chiều dài dl Chiều dài dl đủ nhỏ để coi áp lực

của nước lên vỏ trong phạm vi này là không đổi

' ' (x) z f

tgα = = ;

2 ' ' ) ( 1

1 cos

z

+

=

αα

z z

p dl

z p dl

p

K n

o K K

1

' ) (

sin ) (

+ +

= +

dx

dz z p dl

K n

o K K

) (

K

) , ( )

K

) (

P vậy theo công thức Green ta có tích phân trên không phụ thuộc

vào đđường cong lấy tích phân và luôn bằng 0

0 )

Điều này có nghĩa là tổng các lực do nước tác động lên phần tiết diện theo

Và không phụ thuộc vào hình dáng (z=f(x)) cũng như độ sâu ho của hầm

1.1.2.2- Lực tác động theo phương Z ( P z )

dl z z

p dl

z p dl

p

K n

o K K

1

1 ) (

cos ) (

+ +

= +

=

dx z

K

) , ( )

K

0 )

P

n

γδ

Theo công thức tích phân Green ta có :

dxdz z

P x

Q dz

dx z p Z

G n

o K

) (

0 ) (

∫∫ - diện tích mặt cắt ngang ⇒∑Z = −δγn G= −γnδG= −γn W

W – là thể tích của vật thể

Vật tổng lực của áp suất thủy tĩnh tác dụng theo phương thẳng đứng

Đây cũng chính là lực đẩy Acsimet tác động lên hầm

Như vậy tổng lực thủy tĩnh tác động lên hầm luôn là lực đẩy thẳng đứng (theo

phương Z) có giá trị bằng Pz = ΣZ = γnW và không phụ thuộc vào độ sâu đặt hầm,

hình dáng vật thể

1.1.2.3- Xác định vị trí điểm đặt lực

Vị trí điểm đặt lực của áp suất thủy tĩnh xác định theo điều kiện

x dl p z dl

z dl p

M

K

δαδ

z dl z

2 ' 2

'

'

) ( 1

1 )

( 1

(

+

+ +

=∫

x dx z p z dx dx

dz z

) , (

; ) (

P x

x

M

G

n G

Vậy hợp lực của áp lực thủy tĩnh luôn đi qua điểm có hoành độ xG : nghĩa là đi

qua trọng tâm của G

Điểm đặt của Pz là trọng tâm của thể tích chất lỏng bị vật chiếm chổ

1.2 – TẢI TRỌNG THAY ĐỔI

1.2.1 -Hoạt tải xe cộ :

Xe chạy trong hầm cũng như khi chạy trên cầu, gây ra lực thẳng đứng lệch tâm

hay chính tâm phụ thuộc vào tình trạng xe chạy Momen, lực cắt và lực dọc sinh

ra trong hầm phụ thuộc vào dạng liên kết của hầm với môi trường

1.2.2 Aûnh hưởng của sóng :

1.2.2.1 : Lý thuyết về sóng tuyến tính

Sóng trên mặt biển do gió tạo nên là các sóng trọng lực Dưới tác dụng của

gió, do ma sát giữa không khí và nước, và do tác động của trọng lực các phần

tử nước sẽ chuyển động và trong điều kiện lý tưởng sẽ tạo ra sóng điều hòa

Để mô phỏng chuyển động của sóng mặt người ta thường giả thiết chuyển

động của chất lỏng là không có xoáy, không chịu nén và không có ma sát

Dựa trên giả thiết này ta tính được chuyển động của chất lỏng do sóng và từ

đó sẽ tính ra được lực quán tính tác dụng lên một vật rắn nằm trong chất lỏng

(phương trình Morison)

Xét chuyển động của sóng phẳng dựa trên hình 1.1, trong đó mặt sóng được

biểu diễn bằng phương trình z= ξ(x,t) Mặt nước tĩnh ứng với phương trình

z=0 và đáy biển ứng với phương trình z=-d

Hình 1.4 : Một sóng điều hoà

Một phần tử ở tọa độ (x,z) có dịch chuyển theo phương x và z tương ứng là u,

w và vận tốc tương ứng là : [2]

t

w w t

u u

dt

dz z

w dt

dx x

Các phương trình cơ bản của chuyển động chất lỏng là phương trình liên tục

và phương trình Euler có dạng sau

0 2

2 2

2

=

∂

∂ +

φφ

0 )

( 2

Trong phương trình (1.10) , p=p(x,z,t) là áp suất thủy động, ρ là mật độ chất

lỏng, g là gia tốc trọng trường Đây là phương trình Euler cho chất lỏng không

xoáy và được gọi là phương trình Bernoulli không dừng

Để giải phương trình 1.9 và 1.10 ta lập các điều kiện biên sau :

a- Ở đáy biển z=-d, thành phần vận tốc thẳng góc với đáy biển bằng 0

u t xdt

dx dt

dz z

w

∂

∂ +

( 2

grad

Theo lý thuyết sóng tuyến tính ta giả thiết hàm z= ξ(x, t) biểu diễn mặt tự do của

sóng là bé so với chiều sâu biển d, bỏ qua các số hạng phi tuyến

2

.

2

)

(gradφ = u + w , ngoài ra trong các điều kiện biên (1.12), (1.13) thay thế

cho phương trình của mặt sóng z= ξ(x, t), ta đặt z=0 Từ phương trình (1.12),

(1.13) ta có các điều kiện biên trên mặt z=0 là

)(

exp[

)(),,(x z t f z j kx ωt

Trong đó j là số ảo, f(z) là hàm sẽ xác định sau

Thay (1.17) vào (1.9) ta được phương trình ( ) 2 0

∂

∂

f k z

z

Nghiệm của phương trình vi phân (1.18) có dạng

)cosh(

)

với A, B là các hằng số ; k=2π/λ gọi là số sóng, λ : chiều dài sóng

Điều kiện biên (1.14) cho ta xác định B :

kd B B

kd Ak

t kx j d

f

=

→

= +

0 )]

( exp[

) (

Điều kiện biên (1.16) cho ta

) ( ) , (x t ae j kx ωt

Với hàm thế vận tốc :

) ( cosh

) ( cosh )

, ,

kd

d z k ag j t z

( ) 0 ( )

Chiều dài sóng :

) ( cosh cosh

) (

.

t x kd

d z k ak e

kd

d z k agk

ωω

+

) , ( cosh

) ( sinh cosh

) (

.

t x kd

d z k gk j e

kd

d z k agk

) ( cosh cosh

) (

t x kd

d z k jgk e

kd

d z k jagk

) , ( cosh

) ( sinh cosh

) (

t x kd

d z k jk e

kd

d z k agk

2 / )

( sin ) ( cosh

; 2 /

coshkd =e kd k z+d = k z+d =e k(z+d) , lúc đó các phương trình

(1.22), (1.23), (1.24), (1.26) lấy phần thực có dạng

) cos(

.

t kx e

a

u= ω kz −ω (1.26.1)

) sin(

.

t kx e

a

) sin(

2

t kx e

a

) cos(

2

t kx e

a

Các công thức từ (1.22) đến (1.26) dùng để xác định vận tốc và gia tốc của chất

lỏng do sóng gây ra Các thành phần này là các hàm số phụ thuộc vào biên độ

sóng, chu kỳ sóng, chiều dài sóng và độ sâu mực nước

1.2.2.2: Lý thuyết về sóng ngẫu nhiên:

Phương trình của mặt sóng tuyến tính trong trường hợp phương truyền sóng tạo

một góc µ so với trục x có dạng [2]

)]

( exp[

) , , (x y t a j k x x k y y ωt

Trong đó : k x =kcosµ; k y =ksinµ

Trong thực tế sóng gây ra chủ yếu bởi gió Gió thổi trên mặt nước yên tĩnh, do sự

ma sát không khí và nước kéo theo lớp nước trên mặt chuyển động và tạo ra

sóng Trong giai đoạn đầu, các sóng có biên độ bé và bước sóng ngắn Gió tiếp

tục thổi, các sóng này sẽ lớn dần, đồng thời tiếp tục các sóng bé khác, các sóng

này kết hợp với các sóng lớn đã có trước đây Tổ hợp nhiều sóng với các biên độ

khác nhau, phương truyền khác nhau cùng với sự thay đổi của gió theo phương và

cường độ, sự thay đổi của chiều sâu nước, của độ nhám đáy nước, địa hình v.v…

làm cho sóng nước không còn là sóng điều hòa mà là một trường quá trình ngẫu

nhiên

Có thể xem sóng ngẫu nhiên như sự tổ hợp của vô số sóng tuyến tính với các biên

độ khác nhau an tần số khác nhau ωn các số sóng khác nhau kxn, kyn với các pha

ban đầu khác nhau αn phân bố đều trong khoảng [0-2π]

−

=

=

1 1

)]

( exp[

) , , ( )

Vì các quá trình ngẫu nhiên thành phần ξn làđộc lập, theo định lý giới hạn trung

tâm của quá trình ngẫu nhiên ξ là một quá trình ngẫu nhiên chuẩn với mật độ xác

0 2

Theo lý thuyết xác suất thống kê với các đại lượng ngẫu nhiên, một quá trình dải

hẹp, phân bố chuẩn như vậy thì biên độ và chiều cao sóng gần đúng sẽ có phân

bố Rayleigh

Để đặc trưng cho trạng thái sóng trong một thơi gian ngắn ta ghi lại, ví dụ, sự

biến thiên của chiều cao mặt nước trong một khoảng thời gian tại một điểm nhất

định ( xem hình 1.10)

ξ (t)

Hình 1.10 Từ biểu đồ này ta đo được chiều cao sóng hn (n=1,2,3…) và chu kỳ sóng Tn

Chiều cao này là khoảng cách theo phương thẳng đứng từ một điểm cực đại

đến một điểm cực tiểu tiếp theo Các chiều cao sóng được phân ra từng lớp ví

dụ từ 0-0.5m, từ 0.5-1.0m … Và xác suất của từng lớp được vẽ thành biểu

đồ xác suất như hình vẽ, xác suất phân bố này gần đúng được xem có dạng

phân bố Rayleigh

Hình 1.11 Theo lý thuyết quá trình ngẫu nhiên biên độ a được xem như giá trị cực đại

của ξ và mật độ phân bố của nó có dạng phương trình :

0 ),

2 exp(

) (

a a f

o o

vì h=2a nên dựa vào phương trình biến đổi của mật độ xác suất ta có hàm mật

độ xác suất của chiều cao sóng

0 ), 8

exp(

4

) ( )

h da

dh

a fa

h

fh

o

(1.31)

Trong thực tế để tính toán sóng ngẫu nhiên người ta dựa vào các thông số

chiều cao sóng có ý nghĩa Hs và chu kỳ sóng có ý nghĩa Ts [18]

a- Chiều cao sóng có ý nghĩa : là chiều cao trung bình của 1/3 sóng cao nhất

trong các sóng

b- Chu kỳ sóng có ý nghĩa : là trung bình của các chu kỳ của 1/3 cao nhất

trong các sóng

Sau khi xác định được các thông số của sóng ngẫu nhiên thay vào các công

thức (2.22 đến 2.26) sẽ xác định được vận tốc và gia tốc dòng chảy do sóng

gây ra

1.2.2.3 – Tải trọng sóng tác dụng lên hầm:

1- Lực ma sát, lực cản và lực nâng

Dựa trên phương trình của Morison viết về sóng tác dụng lên thân của hình

tru, A.H Mousselli đã áp dụng công thức này trong trường hợp hầm nằm

ngang như sau :

Lực do chất lỏng tác dụng lên hầm có thể phân ra làm 3 lực : lực thứ nhất là

lực quán tính, gây ra do gia tốc các phần tử chất lỏng hoặc là do sự chuyển

động của chất lỏng bị cản lại bởi hầm nằm trong nước Lực thứ 2 là lực cản do

ma sát giữa chất lỏng và hầm Ngoài ra lực tách xoáy làm cho lực ngang biến

đổi chu kỳ theo phương thẳng góc tạo thành lực nâng FL Gọi F là lực do chất

lỏng tác dụng lên 1 đơn vị chiều dài của hầm [5]

) )(

4 / (

dt

du A C

F i =ρ m

2 2

1

e D

2 2

1

e L

Trong đó : Fi : lực ma sát trên đơn vị chiều dài hầm

Fd : lực cản trên đơn vị chiều dài hầm

FL : lực nâng trên đơn vị chiều dài hầm

ρ : trọng lượng riêng của nước

D : Kích thước ngang lớn nhất của mặt cắt ngang hầm vuông góc với phương dòng chảy

A : Diện tích mặt cắt ngang

Ue : vận tốc tương đối ( có hiệu ) của nước theo phương ngang tại vị trí có hầm

du/dt : gia tốc của nước chuyển động theo phương ngang tại vịï trí tiếp xúc với hầm

CD : hệ số lực cản

Cm : hệ số quán tính

CL : hệ số nâng Vấn đề khó khăn ở đây là cách xác định các hệ số CD, CM và CL

- Xác định C D

Trong điều kiện dòng chảy ổn định thì CD phụ thuộc vào hệ số Reynolds và bề

mặt của hầm

Số Reynolds được định nghĩa [5]:

ν

D U

e =

ν: tính nhớt động của nước ; đối với nước biển ν = 1*10-5 ft2 / sec =

9.26*10-2 cm2 / sec

hệ số nhám k của bề mặt hầm k= e/D ( cm/cm)

e: chiều cao của độ nhám

Hình 3.8 chỉ cách xác định CD phụ thuộc Re và k

Scan hình 3.8 P41 sách Offshore

Hình 1.12

Mặc dù hệ số cản CD được tính cho dòng chảy đều nhưng công thức này vẫn được

dùng cho dòng chảy “ động “ liên hệ đến sóng bằng cách lựa chọn dòng chảy có

vận tốc lớn nhất bao quanh hầm để tính toán

Ghi chú : Bảng trên dùng trong trường hợp bề mặt hầm có độ nhám nhỏ

Ví dụ : Hầm tiết diện tròn có đường kính D= 10m = 1000cm

Vận tốc nước chảy quanh hầm Ue= 30 cm/s

Xác định các hệ số CD, CM

Tính số Reynolds :

ν

D U

e = = 30*1000/(9.62*10-2) = 302419 tra bảng 3.2 ta được CD=0.7; CL=0.7 và CM= 2.5-Re/5*105 = 1.89

2 – Aûnh hưởng của dòng xoáy (dao động do sóng)

Khi dòng nước chảy qua hầm, xoáy nước sẽ xuất hiện phía sau hầm Những xoáy

nước này sinh ra bởi dòng chảy không đều và không ổn định phía sau Sự rơi của

xoáy gây ra sự thay đổi của áp suất nước tác động lên thành hầm

Tần số xoáy phụ thuộc đường kính hầm và vận tốc dòng chảy Nếu tần số xoáy

trùng với tần số chuyển động tự nhiên của nhịp hầm thì cộng hưởng xảy ra và

nhịp hầm sẽ bị hư hại

Dao động của đường hầm có thể xảy ra theo hướng dòng chảy hoặc hướng vuông

góc dòng chảy trong đó dao động xảy ra theo hướng vuông góc dòng chảy là

nguy hiểm hơn Dao động theo phương dòng chảy nói chung thì không gây ra nguy

hiểm ngoại trừ trường hợp ngoại lệ xảy ra

Hình 1.13 Sự hư hại của hầm do chuyển động xoáy này có thể ngăn chặn được nếu như tần

số xoáy không trùng với tần số dao động tự nhiên một khoảng nào đó Khi đó dao

động của hầm là nhỏ nhất

Tần số dao động của xoáy [5]

D

SV

S : Số Strauhal

V : vận tốc dòng chảy

D : Đường kính võ hầm hoặc chiều cao của tiết diện ngang hầm

Số Strouhal là một hàm của số Reynold ( như hình vẽ 1.4)

Hình 1.14 Hoerner (1965) chứng minh rằng Strouhal number có thể liên hệ với hệ số cản

bằng quan hệ sau đây: [5]

75 0 ) (

21 0

D

C

Trong trường hợp thông thường thì S=0.2

Tần số tự nhiên cuả nhịp hầm phụ thuộc vào độ cứng của hầm và điều kiện gối

tựa 2 đầu nhịp hầm, chiều dài nhịp, tải trọng [5]

M

EI L

C

EI : Độ cứng của hầm

L : chiều dài nhịp hầm

M : Khối lượng tổng cộng của hầm / đơn vị chiều dài

C : hằng số phụ thuộc điều kiện biên của nhịp

Ví dụ : nếu 2 đầu nhịp là gối giản đơn C = π/2, nếu là ngàm C = 3.5

Trong thực tế khó mà mô hình hoàn hoàm đúng điều kiện biên Tuy nhiên trong

nhiều trường hợp thì giá trị nhỏ nhất khi mà điều kiện biên là gối giản đơn

Dao động sinh ra do xoáy là 1 hàm của vận tốc giảm VR :

D f

V V

n

V : vận tốc dòng chảy

fn : tần số tự nhiên của hầm

D : đường kính hầm hoặc là chiều cao hầm

Nhịp hầm bắt đầu dao động theo dòng chảy khi tần số rơi gần bằng 1/3 tần số tự

nhiên của nhịp hầm lúc đó VR=1.3 Khi vận tốc dòng chảy V tăng cao đến mức

nào đó thì dao động vuông góc với chảy bắt đầu xuất hiện lúc này giá trị của VR

khoảng gần bằng 5 Trong trường hợp này tần số dao động tự nhiên của nhịp dầm

(fn) bằng với tần số xoáy của dòng chảy ( fs)

Cho mục đích thiết kế, ta thường duy trì sao cho VR < 3.5 ( tương đương với fs / fn

= 0.7)

Ví dụ : Chiều dài nhịp hầm : L = 150 m

Đường kính ngoài của hầm : D = 10 m Đường kính trong của hầm : D1 = 9.2 m Vận tốc dòng chảy : V = 0.6 m/sec

Nhịp dầm có liên kết 2 đầu là gối giản đơn Yêu cầu : kiểm tra dao động xoáy của nhịp dầm

Giải :

a- Tính số Reynolds :

5

5 6 10 10

10 6 0

x x

f s

c- Tần số dao động tự nhiên của kết cấu nhịp :

M

EI L

C

f n = 2

4 4

4 4

1

4 ( 10 9 2 ) 139 2

64 ) (

* ) 2 9 10 ( 4 ) (

4

4 4 4

* 748 1

10 32 292 150

57

Trong trường hợp này 0.012 < 0.02

Hầm hầm an toàn dưới tác dụng của xoáy

1.2.3 : Aûnh hưởng của gió :

Gió trên biển khá phức tạp, gió có vai trò quan trọng đến độ bền kết cấu và ổn

định công trình biển

1.2.3.1: Tốc độ gió và phân bố tốc độ:

Tốc độ gió tính theo đơn vị đo tốc độ hoặc đọc từ thang cấp gió Cách thông

dụng trên thế giới là sử dụng thang cấp gió để miêu tả trạng thái gió trên biển

Thang cấp gió đầu tiên được lập từ năm 1802 còn tác dụng đến ngay nay Việt

Nam đang áp dụng thang cấp gió B gồm 12 cấp từ năm 1926

Bảng 1.2 : Phân cấp gió

Gió rất mạnh Gió dữ dội Bão Bão mạnh Bão rất mạnh Bảo trên cấp 12

0 < 0.3 0.3 < 1.6 1.6 < 3.4 3.4 < 5.5 5.5 < 8.0 8.0 < 10.8 10.8< 13.9 13.9 < 17.2 17.2 < 20.8 20.8 < 24.5 24.5 < 28.5 28.5 < 32.7

Gió sinh ra do chênh lệch áp suất khí quyển Chuyển động các luồng khí từ

nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp hơn

1.2.3.2- Cấu trúc gió :

Gió thổi theo cơn, độ dài cơn gió có thể chỉ vài mươi giây đồng hồ và có cơn còn

ngắn hơn Gió không chỉ thay đổi theo vận tốc mà hướng tác dụng cũng luôn

thay đổi

Vận tốc gió phân bố theo quy luật nhất định theo chiều cao tính từ mặt biển :

s m h

z z

z u

u Z 2 5 {ln( ) 5.75 } /

0 +

Trong đó uz tính cho cao độ z trên mặt biển, z tính bằng m

U : vận tốc không khí tính bằng ( / )

10 ln 5 2 0

10 m s z

V

h : chiều cao lớp biên, h = u/(6fc) (m)

fc : thông số mang tên Coriolic tính bằng 2 Ω sinφ , rad / s

Ω: vận tốc quay của trái đất 72.9*10-6 rad/s

φ : vĩ độ , độ

Khi vận tốc gió thay đổi, áp lực gió tác dụng lên thành phao cũng thay đổi Phân

bố vận tốc gió trong mỗi cơn gió tính theo công thức tuyến tính hoá :

u = uo + at

uo : vận tốc thấp nhất

a : hệ số tăng của vận tốc gió ; u

T t

u u a

Vận tốc gió trung bình Thời gian to, [s]

1.41 1.32 1.27 1.24

1.38 1.31 1.26 1.23

Xác định cấp gió, vận tốc gió mới là bước đầu của tiêu chuẩn Xác định áp lực

gió và momen nghiêng do gió gây ra là điều vô vùng quan trọng

Aùp lực gió tính bằng công thức : 2

2 o

WIND u C

CWIND : hệ số khí động

ρ : mật độ không khí, thường ρ = 1/8 (kg.s2.m-4 )

Lực gió tác dụng lên thành phao bằng tích áp lực gió nhân diện tích hứng gió:

2 0

Theo số liệu đo được từ các phòng thí nghiệm giá trị các hệ số khí động nằm

trong giới hạn :

C P, WIND = 1.1÷1.3; C M, WIND = 1.2÷1.4

Trường hợp phao bị nghiêng, thành đứng ban đầu của phao không còn đứng

thẳng, góc nghiêng giữa hướng tác dụng của gió với phao (ϕ) thay đổi hệ số thủy

khí không giử giá trị ban đầu Theo kết quả nghiên cứu của các nhà nghiên cứu

người Nhật Bản đưa ra rằng hệ số thủy khí giảm dầm theo độ nghiêng của tàu

ϕ

sin 25 0 cos )

1.2.4 : Aûnh hưởng của dòng chảy :

1.2.4.1: Các loại dòng chảy :

- Dòng thủy triều

- Dòng chảy do gió

- Dòng chảy thường xuyên

- Dòng chảy do động đất, núi lửa

Lực tác dụng của dòng chảy lên công trình biển chủ yếu là lực cản thủy động,

là một đại lượng phi tuyến đối với vận tốc nên không thể tính toán tổng hợp

lực cản lên công trình bằng cách cộng các lực cản do các dòng chảy riêng rẽ

gây ra

1- Dòng triều : Do lực hấp dẫn mặt trăng và quả đất, là 1 loại sóng trọng lực

với chu kỳ và chiều dài sóng rất lớn Từ lý thuyết sóng tuyến tính lúc w và k

bé ta có [2] ω= gd k Với giả thuyết coshk(z + d) ≈ 1 và

0 ) (

sink z + d ≈

ta thấy các dòng chảy song song với đáy biển với vận tốc

d

g a

v= , ví dụ với độ sâu biển d=100m và với biên độ triều v=1.25m/s Do ma sát ở đáy biển

nên profil dòng chảy có dạng như lớp biên rối, vận tốc của nó giảm từ mặt đến

đáy theo quy luật : [2]

7

1 ) )(

( ) (

d

z d v z

v = với v(d) là vận tốc dòng chảy trên mặt, d là cao độ mặt biển, z là cao độ tại vị trí cần xác định vận tốc

2- Dòng chảy do gió gây ra :

Dòng chảy do gió gây ra là dòng chảy trên mặt biển được tạo ra do ma sát của

lớp biên rối giữa nước và không khí Khác với chuyển động của sóng trọng lực

do gió gây ra, dòng chảy do gió gắn liền với sự tịnh tiến của một khối nước từ

nơi này đi nơi khác

Dòng chảy do gió bị lái cong do tác dụng của lực Coriolis Ngay ở trên mặt

nước , dòng chảy lệch 45o theo phương của gió và độ lệch càng tăng dần theo

độ sâu, ở độ sâu 50m đến 200m thậm chí phương dòng chảy có thể ngược với

phương của gió , đồng thời vận tốc của dòng chảy cũng giảm dần theo độ sâu

và ở độ sâu nói trên thậm chí phương dòng chảy có thể ngược với phương của

gió, đồng thời vận tốc của dòng chảy cũng giảm dần theo độ sâu và ở độ sâu

nói trên nó chỉ còn 1/23 vận tốc ở trên mặt [2] Nếu không có các

quan sát chính xác, có thể lấy vận tốc dòng chảy trên mặt bằng 1% vận tốc

trung bình của gió trong 1h ở độ cao 10m [2]

3 - Các dòng hải lưu và dòng chảy khác :

Hải lưu hoặc dòng chảy thường xuyên là dòng chảy có vận tốc lớn ở biển Nó

gây ra do gió mùa thường xuyên trên quả đất và do các ảnh hưởng khác như

lực Corilis, sự chêch lệch nhiệt độ [2]

1.2.4.2 -Lực do dòng chảy tác dụng lên công trình :

Aùp dụng công thức tương tự như trong trường hợp do sóng gây ra, lực do dòng

chảy sinh ra quanh hầm gồm các thành phần : lực cản, lực ma sát và lực nâng

1.3- Kết luận chương 1 :

Trong chương này về cơ bản đã xác định được các lực tác dụng lên hầm đó là cơ

sở để thực hiện các chương tiếp theo :

- Aùp suất thủy tĩnh (pt): tác dụng vuông góc với bề mặt vật thể, phân tích áp suất

thành 2 thành phần, thành phần nằm ngang px và thành phần thẳng đứng pz khi

đó Σpx = 0 và Σpz = W*γ = hằng số

- Các lực gây ra bởi sóng và các loại dòng chảy gồm có lực cản, lực ma sát và

lực nâng Các lực này đều là hàm số của vận tốc và gia tốc, mà vận tốc và gia

tốc phụ thuộc vào các đặc trưng của sóng, dòng chảy như là chiều cao sóng,

chu kỳ sóng… vì vậy việc xác định các đặc trưng của sóng, dòng chảy dùng

trong thiết kế có ý nghĩa rất quan trọng quyết định đến sự an toàn của công

trình

- Ngoài các lực trên, sóng còn gây ra dao động của hầm, tần số xoáy do sóng gây

ra phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy và đường kính hầm Do đó khi thiết kế

hầm cần lựa chọn các thông số về chiều dài nhịp, độ cứng, và điều kiện liên

kết gối sao cho không xảy ra hiện tượng cộng hưởng

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIỮÕ ỔN ĐỊNH HẦM

Mục đích : Phân tích, lựa chọn các dạng liên kết giữõa hầm với môi trường bên

ngoài nhằm thỏa mãn điều kiện ổn định của hầm và độ bền của liên kết

Dựa theo kết quả từ chương 1, khi hầm nằm trong môi trường nước ngoài

các tải trọng thông thường như tĩnh tải hầm và hoạt tải xe, hầm còn chịu tác động

của môi trường xung quanh như gió, sóng, dòng chảy vv

W : Trọng lượng bản thân hầm

px : Aùp lực thủy tĩnh theo phương ngang

T : Hoạt tải xe chạy tác dụng lên hầm

Pz : Lực đẩy Ascimet ( thành phần thẳng đứng của áp suất thủy tĩnh)

FD, FI, FL : Lực cản, lực ma sát và lực nâng sinh ra do tác dụng động của

nước

Hình 2.1 : Các lực tác dụng lên hầm

2.1) GIỮÕ ỔN ĐỊNH HẦM BẰNG DÂY NEO

Giữõ ổn định hầm bằng dây neo là phương pháp dùng dây (cáp) một đầu liên kết

vào hầm còn đầu kia gắn vào đáy môi trường nước ( hình 2.2)

Hình 2.2

2.1.1) Điều kiện áp dụng :

Xét hệ tương tác gồm hầm và dây neo Các lực thường xuyên tác dụng lên

hầm là tĩnh tải hầm W, lực đẩy Acsimet Pz và áp suất thủy tĩnh px theo phương

ngang hầm ( hình 2.1) Do tính chất đối xứng của px khi xét về ổn định tổng thể

hầm thì thành phần lực và momen gây ra do áp suất thủy tĩnh px tự cân bằng với

nhau, do đó trong bài toán ổn định không xét đến ảnh hưởng của thành phần này

Phương pháp giữõ hầm bằng dây neo được dùng trong trường hợp lực đẩy Acsimet

lớn hơn tổng lực của tĩnh tải và hoạt tải W + T ≤ Pz+ FL hay viết dưới dạng

đẳng thức tương đương W+T = Pz+FL – P (2.1)

trong đó P >=0

Điều kiện (2.1) là điều kiện áp dụng của hệ

2.1.2) Điều kiện hầm không biến dạng sơ đồ hình học :

Nguyên lý áp dụng : “hai tấm cứng nối với nhau bởi ba liên kết không giao nhau

tại 1 điểm thì tạo thành kết cấu ( tấm cứng mới) không biến dạng hình học” [6]

Từ đẳng thức (2.1) ta có P = (Pz+ FL) – (W+T) >=0

Điều này được hiểu : tổng các lực tác dụng theo phương thẳng đứng lên hầm luôn

có hợp lực là lực P hướng thẳng đứng lên trên và có giá trị dương Nghĩa là khi

chịu tác dụng của các lực theo phương thẳng đứng hầm sẽ không bị chuyển vị

xuống phía dưới Vì thế có thể thay hợp lực P >=0 bằng liên kết gối đơn như

hình vẽ 2.3

Xét biến dạng của hệ một đoạn hầm và mặt đất ( đáy của môi trường nước ) được

nối với nhau bằng 2 liên kết là dây neo AB và CD ( hình 2.2) Điều kiện cho hầm

không biến dạng sơ đồ hình học ở đây được hiểu là hầm không có chuyển động

tương đối so với mặt đất

Hình 2.4

Vì là bài toán phẳng nên chuyển vị được xét theo 3 phương : chuyển vị đứng,

chuyển vị ngang và chuyển vị xoay

a- Chuyển vị đứng :

Khi chịu các lực tác dụng thẳng đứng hầm luôn có xu hướng bị đẩy lên (theo điều

kiện (2.1)), cả 2 dây neo AB, CD đều chịu lực kéo, giữõa hầm và mặt đất được nối