Tiến Sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất phi tuyến của đất đá đối với sự làm việc của hệ kết cấu vỏ hầm và nền

LỜI CẢM ƠN
Luận án tiến sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất phi tuyến
của đất đá đến sự làm việc của hệ kết cấu vỏ hầm và nền bằng phương
pháp khống chế hội tụ” được hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân tác giả
và sự giúp đỡ tận tình của Bộ môn Xây dựng CTQP – Viện KTCT Đặc Biệt;
Ban NCS – Phòng Sau đại học – Học viện Kỹ thuật Quân sự.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Sỹ Ngọc, PGS.TS Đào
Văn Canh, GS.TS Vũ Đình Lợi, PGS.TS Nguyễn Đức Nguôn, GS.TSKH
Nguyễn Văn Quảng đã đóng góp các ý kiến nhận xét để luận án được hoàn
thiện hơn. Xin được dành tình cảm chân thành đến cố PGS.TS Nghiêm Hữu
Hạnh – người thầy đã đi xa mà tác giả sẽ luôn nhớ đến thầy.
Xin được cảm ơn các đồng nghiệp ở trung tâm GTĐT – Đường sắt –
Viện Khoa học công nghệ GTVT và trực tiếp là TS Phạm Trường Thắng, TS
Lê Công Thành cũng như Lãnh đạo Viện Khoa học công nghệ Giao thông
vận tải đã tạo nhiều thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực
hiện luận án.
Cảm ơn các bạn lớp Cầu hầm B – K38 Trường ĐH Giao thông vận tải
và các đồng nghiệp là TS Đỗ Ngọc Anh, KS Nguyễn Anh Hùng, CN Nguyễn
Thu Hà, CN Hồ Ngọc Nhung đã luôn động viên, khích lệ tác giả về mọi mặt
trong suốt thời gian qua.
Đặc biệt, xin được bày tỏ lòng biết ơn vô cùng sâu sắc đến GS.TS Đỗ
Như Tráng đã hướng dẫn và tạo điều kiện quan trọng để tác giả vượt qua các
trở ngại hoàn thành luận án. Những lời động viên và cả sức ép công việc của
GS.TS Đỗ Như Tráng đã giúp tác giả hoàn thành được luận án.
Luận án này sẽ không thể hoàn thành nếu không có những người thân
yêu trong gia đình làm chỗ dựa về mọi mặt để tác giả có thể vượt qua những
khó khăn trong thời gian thực hiện luận án. Tuy đã rất cố gắng, nhưng do thời gian và trình độ có hạn nên trong
luận án chắc chắn còn những tồn tại, hạn chế. Tác giả mong muốn được thầy
cô, đồng nghiệp và bạn bè góp ý, trao đổi để tác giả có thể tiếp thu, hoàn thiện
kiến thức trong lĩnh vực chuyên môn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận án


NCS Vũ Thị Thuỳ Giang

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án


NCS Vũ Thị Thuỳ Giang
i
MỤC LỤC
MỤC LỤC I
THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT . V
DANH MỤC HÌNH VẼ .VII
DANH MỤC BẢNG BIỂU XII
MỞ ĐẦU . 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
THIẾT KẾ HẦM . 4
1.1. Tổng quan về thiết kế hầm .4
1.1.1. Các mô hình thiết kế cho hầm 5
1.1.2. Giới hạn thiết kế và giá trị an toàn cho kết cấu .7
1.2. Cách phân loại truyền thống .8
1.2.1. Trên cơ sở lý thuyết sức bền vật liệu 8
1.2.2. Các phương pháp thiết kế trên cơ sở lý thuyết cơ học môi trường liên
tục . 11
1.3. Phương pháp khống chế hội tụ trong thiết kế hầm . 13
1.3.1. Các giả thiết để xây dựng sơ đồ tính. . 17
1.3.2. Đánh giá về phương pháp đào hầm mới của Áo (NATM) và ứng dụng
CCM trong thiết kế hầm . 19
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 21
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP CCM . 23
2.1. Các giả thiết về tiêu chuẩn phá huỷ và các mô hình phá hủy . 23
2.1.1. Tiêu chuẩn phá huỷ Mohr – Coulomb . 23
2.1.2. Tiêu chuẩn Hoek – Brown . 24
2.1.3. Các đặc trưng phá hủy. . 26 ii
2.2. Phân tích ổn định hầm trước khi hình thành vùng cân bằng giới hạn-
trường hợp không chống 31
2.3. Xây dựng đường cong phản lực nền . 36
2.3.1. Vật liệu thoả mãn tiêu chuẩn Mohr – Coulomb. 37
2.3.2. Vật liệu thoả mãn tiêu chuẩn Hoek –Brown 40
2.4. Hiệu ứng giải phóng ứng suất, biến dạng dọc trục hầm 42
2.5. Đánh giá sức mang tải của nền ngoài giới hạn đàn hồi . 45
2.5.1. Mô hình tính toán . 46
2.5.2. Hệ số mất cường độ “” của đá 46
2.5.3. Ví dụ khảo sát, các nhận xét và kết luận 50
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 55
CHƯƠNG 3. ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA KẾT CẤU CHỐNG VÀ LỜI GIẢI
CHO KẾT CẤU VỎ CÔNG TRÌNH NGẦM . 56
3.1. Các khái niệm chung về đường cong đặc tính của kết cấu chống 56
3.2. Xây dựng đường đặc tính của kết cấu chống 58
3.2.1. Mô hình cơ bản tính toán đường cong đặc tính của kết cấu chống. . 58
3.2.2. Đường đặc tính của vỏ bê tông và bê tông phun 61
3.2.3. Hệ vỏ hỗn hợp 66
3.3. Hệ số bền 69
3.3.1. Bê tông và bê tông phun . 70
3.3.2.Neo 70
3.3.3. Hệ hỗn hợp . 71
3.4. Phân tích hầm theo phương pháp khống chế hội tụ bằng phần mềm
Phase2 71
3.4.1. Bài toán mô phỏng quá trình đào hầm theo các giai đoạn (St) thông
qua phản lực vì chống p i 72 iii
3.4.2. Kết quả bài toán 73
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 74
CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC
THÔNG SỐ TRONG XÂY DỰNG HẦM 76
4.1. Các trường hợp phân tích. . 76
4.2. Phân tích số lượng các phần tử bị phá trên biên (%) theo độ cứng của
nền 80
4.2.1. Trường hợp bán kính hầm r i =2m, Chiều sâu đặt hầm H=50m. Không
có kết cấu chống. 80
4.2.2.Khi có kết cấu chống, tại St6; p i6 =0,62MPa. 82
4.3. Đánh giá ảnh hưởng của hình dạng kết cấu, hệ số áp lực hông tới hệ số
bền của nền . 84
4.2.3. Hệ số bền 84
4.2.4. Ảnh hưởng của chiều sâu đặt hầm tới số lượng phần tử bị phá hủy trên
biên hầm (%) và tại các điểm xét; 86
4.3. Phân tích các thông số với hầm tròn và vòm tròn tường thẳng, . 88
4.4. Ảnh hưởng của công nghệ . 92
4.4.1. Sự xáo trộn đất đá do đào hầm . 92
4.4.2. Khảo sát bán kính vùng phá hủy theo phản lực chống: . 100
4.5. Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố địa cơ học 103
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 109
CHƯƠNG 5. ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP CCM VỚI ĐƯỜNG HẦM DẪN
NƯỚC THỦY ĐIỆN SỬ PÁN 2 – LÀO CAI . 111
5.1. Tính chất cơ lý của đất đá của tuyến hầm dẫn nước . 111
5.2. Phân tích tương tác hệ kết cấu vỏ hầm và nền theo tiêu chuẩn Mohr-
Coulomb . 113 iv
5.2.1. Áp dụng Phase2 trong điều kiện đá cứng tại thủy điện Sử Pán 2. . 113
5.2.2. Sơ đồ tính toán: 113
5.2.3. Kết quả tính toán 114
5.3. Phân tích tương tác hệ kết cấu vỏ hầm và nền theo tiêu chuẩn Hoek
Brown . 121
5.3.1. Số liệu tính 121
5.3.2. Kết quả tính toán 121
5.3.3. Kết luận chung về 2 tiêu chuẩn áp dụng cho loại đá cứng. 128
5.4. Hầm Sử Pán trong đá yếu 129
5.4.1. Số liệu tính 129
5.4.2. Kết quả tính theo Mohr –Coulomb 129
5.4.3. Tính theo tiêu chuẩn Hoek- Brown. . 133
KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 137
KẾT LUẬN CHUNG . . 139
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 142 v
THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
a= Hằng số bền của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek - Brown
a = Hằng số bền dư của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown
C = Cường độ cường độ lực dính của khối đá
C*= Cường độ cường độ lực dính tương đương của khối đá
d b = Đường kính neo
E= Mô đun đàn hồi của khối đá
G = Mô đun trượt của khối đá
GSI= Chỉ số độ bền địa chất
k
p  = Hệ số dãn nở thể tích của khối đá ở trạng thái bị phá huỷ
m i = Hằng số của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown
'
b
m  = Hằng số bền dư của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown
s= Hằng số bền của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown
s = Hằng số bền dư của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown
RMR= Chỉ số phân loại khối đá của Bieniawski
r i = Bán kính hầm
r = Khoảng cách từ tim hầm đến điểm khảo sát
r e = Bán kính của vùng dẻo
u ri = Chuyển vị (độ hội tụ) của hầm không gia cố
 = Hệ số suy giảm độ bền sau giới hạn bền

r = Ứng suất pháp tuyến

  = Ứng suất tiếp tuyến


re
= Ứng suất pháp tuyến tại biên của vùng đàn hồi - dẻo
 
= Ứng suất chính cực đại vi
 
= Ứng suất chính cực tiểu

ci
= Độ bền nén một trục của đá nguyên khối
'
ci

=Độ bền nén dư của đá nguyên khối
 = Hệ số áp lực hông

= Góc giãn nở của đá

 = Góc ma sát trong của đá

 = Hệ số Poisson của đá
 z = Ứng suất trượt phân bố trên neo vữa
 z = Ứng suất dọc phân bố trên neo
CCM: phương pháp khống chế hội tụ (convergene –confinement
method)
CBGH: cân bằng giới hạn
D: Đường kính hầm
KC: Kết cấu chống
ITA: Hiệp hội hầm và không gian ngầm quốc tế
L u : biến dạng dọc trục hầm
NATM: phương pháp đào hầm mới của Áo
PPMTT: phương pháp mỏ truyền thống
TCPH: tiêu chuẩn phá hủy (phá hủy)
St: giai đoạn (Stage)
TTƯSBĐ: trạng thái ứng suất ban đầu (nguyên sinh) vii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Quá trình thiết kế hầm theo ITA [38] .6
Hình 1.2. Mô hình biến dạng cục bộ (phương pháp Zurabop – Bugaeva) .9
Hình 1.3. Phương pháp thay thanh [35] . 10
Hình 1.4. Sơ đồ tính theo mô hình biến dạng toàn bộ của Đavưđốp [35] . 10
Hình 1.5. Phân loại các phương pháp tính theo ITA . 12
Hình 1.6. Các giai đoạn trong xây dựng hầm 13
Hình 1.7. Đường cong phản lực của nền và ảnh hưởng của sự giải phóng ứng
suất theo các giai đoạn . 16
Hình 1.8. Mô hình bài toán tổng quát [20] 18
Hình 2.1. Vòng tròn Mohr ứng suất . 23
Hình 2.2. Các đặc trưng phá huỷ của các loại đá có chất lượng khác nhau 27
Hình 2.3. Sơ đồ mô hình đàn - dẻo không đồng nhất và tương tác hệ đất đá -
vỏ hầm 28
Hình 2.4. Bài toán cơ bản của phương pháp khống chế hội tụ [20] 31
Hình 2.5. Phân bố độ bền nén σ N (MPa) 36
Hình 2.6. Các giá trị của hệ số  tại các giai đoạn khác nhau trên khoang đào
43
Hình 2.7. Sơ đồ tính của bài bài toán và các mô hình đàn hồi –dẻo của đá 46
Hình 2.8. Kết quả khảo sát và tính toán. 51
Hình 2.9. Quan hệ giữa bán kính vùng phá hủy và phản lực với góc ma sát
trong =15
0
; =30
0
; =45
0
52 viii
Hình 2.10. Quan hệ giữa đường cong đặc tính nền và phản lực với góc ma sát
trong =15
0
; =30
0
và =45
0
. 52
Hình 2.11. Quan hệ giữa đường cong đặc tính nền và phản lực với góc ma sát
trong =15
0 ; cho các trường hợp góc dãn nở  khác nhau . 54
Hình 3.1. Các đặc trưng biến dạng khối của kết cấu vỏ hầm khi tác dụng
tương hỗ với khối đá xung quanh 58
Hình 3.2 Sơ đồ các lực tác dụng lên vỏ hầm. 58
Hình 3.3. Đường đặc tính của kết cấu chống. 59
Hình 3.4. Phần vỏ hầm chưa được chống đỡ sát gương đào. 60
Hình 3.5 Ảnh hưởng của giá trị u 0 . 60
Hình 3.6. Ảnh hưởng độ cứng của vỏ hầm. . 60
Hình 3.8. Hệ thống chống đỡ vỏ bê tông và BTP 64
Hình 3.9. Sơ đồ tương tác song song hệ vỏ hỗn hợp. 67
Hình 3.10. Ảnh hưởng của kết cấu chống hỗn hợp [25], [28] . 67
Hình 3.11. Đường cong phản lực hệ hỗn hợp từ ba vỏ hầm thành phần được
lắp dựng tại các thời điểm khác nhau và tại các khoảng các khác nhau 69
Hình 3.12. Mô phỏng quá trình đào qua hệ số k St . . 72
Hình 3.13. Kết quả đường cong phản lực nền theo hai lời giải . 74
Hình 4.1. Sơ đồ các trường hợp khảo sát . 77
Hình 4.2. Mô hình khảo sát 78
Hình 4.3. Hệ tọa độ chung . 79
Hình 4.4. Các điểm đặc trưng cho tính toán – vị trí các điểm xét . 79
Hình 4.5. Đặc trưng tính toán cho vòm tường thẳng –vị trí các điểm xét . 80 ix
Hình 4.6. Số lượng phần tử phá hủy trên biên N ph (%) với hệ số áp lực hông 81
 =0.5; tại St 11; p i11 =0 MPa - không có kết cấu chống đỡ. . 81
Hình 4.7. Số lượng phần tử phá hủy trên biên N ph (%) với =0. 5, tại St6;
p i6 =0,62 (MPa) -có kết cấu chống đỡ. 82
Hình 4.8. Số lượng phần tử bị phá hủy trên biên theo f kp và giai đoạn . 83
Hình 4.9. Hệ số bền B khi không có kết cấu chống . 85
Hình 4.10. Hệ số bền B khi có kết cấu chống p i6 =0.62 (MPa) . 85
Hình 4.11. Các phần tử bị phá hủy trên biên theo chiều sâu đặt hầm khi có kết
cấu chống 86
Hình 4.12. Số lượng phần tử trên biên bị phá hủy khi không có kết cấu chống
theo chiều sâu đặt hầm . 87
Hình 4.13. Dang phá hủy do kéo và trượt với  =0.25 88
Hình 4.14. Dạng phá hủy do kéo và trượt với  =0.5 88
Hình 4.15. Dạng phá hủy do kéo và trượt với  =1 . 89
Hình 4.16. Chuyển vị tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ số áp
lực hông =0.25 89
Hình 4.17. Chuyển vị tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ số áp
lực hông 0.5 89
Hình 4.18. Chuyển vị tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ số áp
lực hông =1 . 90
Hình 4.19. Biến dạng trượt tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ
số áp lực hông =0.25 . 90 x
Hình 4.20. Biến dạng trượt tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ
số áp lực hông =0.5 . 90
Hình 4.21. Biến dạng trượt tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ
số áp lực hông =1 91
Hình 4.22. Biến dạng thể tích tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống,
=0.25 . 91
Hình 4.23. Biến dạng thể tích tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống,
hệ số áp lực hông =0.5 91
Hình 4.24. Biến dạng thể tích tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống,
hệ số áp lực hông =1 . 92
Hình 4.25. Đường cong phản lực nền xét tới các yếu tố thời gian, công nghệ
97
Hình 4.26. Quan hệ bán kính vùng tải trọng theo phản lực chống. . 98
Hình 4.27. Biểu đồ vùng dẻo theo phản lực chống 98
Hình 4.28. Sơ đồ tính của bài toán . 100
Hình 4.29. Quan hệ giữa các bán kính vùng phá hủy, vùng cân bằng giới hạn
(m) và phản lực chống theo ảnh hưởng của công nghệ . 102
Hình 4.30. Quan hệ giữa tải trọng p i ( MPa) và thời gian lắp dựng vỏ (ngày)
theo chiều dày vỏ (m) . 108
Hình 5.1. Sơ đồ tính của bài toán . 114
Hình 5.2. Đường cong phản lực nền 114
Hình 5.3. Chuyển vị theo các giai đoạn . 115
Hình 5.4. Chuyển vị theo khoảng cách tính từ biên hầm với các thời điểm lắp
dựng vỏ khác nhau. 116 xi
Hình 5.5. Quan hệ M,N,Q với phản lực p i theo các giai đoạn (Stage) 119
Hình 5.6. Quan hệ các thông số phân tích theo Giai đoạn-Stage 120
Hình 5.7. Quan hệ các thông số phân tích theo phản lực. 120
Hình 5.8. Đường cong phản lực nền theo tiêu chuẩn Hoek - Brown 122
Hình 5.9. Chuyển vị theo các giai đoạn . 122
Hình 5.10. Chuyển vị theo khoảng cách tính từ biên hầm với các thời điểm
lắp dựng vỏ khác nhau. 123
Hình 5.11. Quan hệ M,N,Q với phản lực p i (theo các St) 127
Hình 5.12. Quan hệ các thông số phân tích theo Giai đoạn-Stage 127
Hình 5.13. Quan hệ các thông số phân tích theo phản lực. . 128
Hình 5.14. Đường cong phản lực nền . 130
Hình 5.15. Chuyển vị tổng 130
Hình 5.16. Chuyển vị theo các giai đoạn . 131
Hình 5.17. Sự hình thành vùng phá hủy theo các St 132
Hình 5.18. Đường cong phản lực nền theo tiêu chuẩn Hoek –Brown (p i =0)133
Hình 5.19. Chuyển vị theo các giai đoạn . 134
Hình 5.20. Hệ số bền giữa hai tiêu chuẩn . 136
xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Giá trị  ,B cho một số loại đất đá 35
Bảng 2.2. Giá trị M và m 35
Bảng 2.3. Giá trị f 2 . 36
Bảng 2.4. Kết quả tính toán ảnh hưởng của góc dãn nở . . 53
Bảng 3.1. Hệ số k St tương ứng với p i . 73
Bảng 4.1. Tính chất cơ lý của đá: . 77
Bảng 4.2. Kết quả khảo sát số lượng phần tử phá hủy trên biên N ph (%) với
các hệ số áp lực hông khác nhau khi không có gia cố (chống đỡ),St 11, r i =2
(m), H=50 (m), p=0.0 (MPa) 81
Bảng 4.3. Kết quả khảo sát số lượng phần tử phá hủy trên biên N ph (%) với
các hệ số áp lực hông  khác nhau khi có gia cố (chống đỡ):St 6, r i =2 (m),
H=50 (m), p=0.62( MPa) . 83
Bảng 4.4. Kết quả khảo sát. . 96
Bảng 4.5. Kết quả tính toán chiều cao vùng dẻo (CBGH) và vùng phá hủy và
chiều cao khối đá sập tương ứng 98
Bảng 4.6. Quan hệ giữa bán kính vùng phá hủy theo p i 101
Bảng 4.7. Quan hệ tải trọng p i (MPa) theo thời gian và chiều dày vỏ hầm .108
Bảng 5.1. Bảng giá trị tính toán các chỉ tiêu kháng cắt khe nứt 112
Bảng 5.2. Bảng giá trị tính toán các chỉ tiêu cơ lý của khối đá phiến thạch anh
Biotit chiều sâu đặt hầm 100m theo tiêu chuẩn Hoek –Brown . 112
Bảng 5.3. Tính chất cơ lý của nền theo tiêu chuẩn Mohr - Coulomb 113
Bảng 5.4. Giá trị các chuyển vị theo các giá trị phản lực p i 115 xiii
Bảng 5.5. Hệ số bền theo các giai đoạn . 117
Bảng 5.6. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 5 118
Bảng 5.7. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 10 118
Bảng 5.8. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 15 119
Bảng 5.9. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 20 119
Bảng 5.10. Bảng so sánh các thông số phân tích cuối cùng với các thời điểm
lắp dựng kết cấu vỏ hầm khác nhau: 119
Bảng 5.11. Bảng giá trị chuyển vị biên hầm theo các giai đoạn 122
Bảng 5.12. Bảng quan hệ phản lực–biến dạng theo các giai đoạn 124
Bảng 5.13. Hệ số bền theo các giai đoạn . 124
Bảng 5.14. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 5 125
Bảng 5.15. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 10 126
Bảng 5.16. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 15 126
Bảng 5.17. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 20 126
Bảng 5.18. Bảng so sánh các thông số phân tích cuối cùng với các thời điểm
lắp dựng kết cấu vỏ hầm khác nhau: 127
Bảng 5.19. Bảng so sánh tương quan theo tiêu chuẩn Hoek Brown và Mohr-
Coulomb . 129
Bảng 5.20. Số liệu tính theo tiêu chuẩn Mohr -Coulomb và Hoek – Brown129
Bảng 5.21. Giá trị phản lực với các giai đoạn tương ứng 130
Bảng 5.22. Chuyển vị theo các giai đoạn . 131
Bảng 5.23. Tương quan giữa chuyển vị và nội lực 132 xiv
Bảng 5.24. Bảng các giá trị chuyển vị theo khoảng cách tính từ biên hầm tới
biên miền tính toán tính tại các Stage 2, 10 và Stage 20: 133
Bảng 5.25. Giá trị nội lực theo p i và chuyển vị u . 134
Bảng 5.26. Hệ số bền theo các giai đoạn . 135
1
MỞ ĐẦU
Công trình ngầm được xây dựng trong lòng đất chịu tác động của nhiều
yếu tố đa dạng và phức tạp. Việc tính toán kết cấu công trình ngầm cần phải
xem xét một cách cụ thể điều kiện địa chất, tính chất của đất đá, cấu tạo của
địa tầng; hình dạng, kích thước và vật liệu vỏ hầm; cũng như phương pháp thi
công và đặc điểm sử dụng công trình.
Lịch sử phát triển của xây dựng công trình ngầm cho thấy có rất nhiều
phương pháp tính toán kết cấu công trình ngầm khác nhau. Trong đó, có
phương pháp dựa trên những cơ sở lý luận chính xác, có phương pháp gần
đúng dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kinh nghiệm thực tế.
Do tính chất làm việc phức tạp của công trình ngầm mà cho đến nay
vẫn chưa có một lý thuyết nào giải quyết một cách triệt để và trọn vẹn bài
toán tổng quát thiết kế tính toán kết cấu công trình ngầm. Trong thực tế, tùy
từng điều kiện cụ thể mà có thể áp dụng một phương pháp phù hợp nhất.
Vì điều kiện địa chất phức tạp, đa dạng, các biện pháp công nghệ thi
công công trình ngầm cũng rất khác nhau và các phương pháp tính toán kết
cấu chống đỡ đường hầm tùy thuộc vào công nghệ thi công.
Phương pháp thiết kế truyền thống coi kết cấu gia cố là kết cấu tạm thời
trong quá trình thi công, chịu các tải trọng do phần đất đá long rời gây ra, nên
các kết cấu chống tạm này thường tính toán làm việc độc lập với kết cấu vỏ
hầm vĩnh cửu và không tận dụng được nhiều sức mang tải của đất đá xung
quanh nên thường có chiều dày lớn, kết cấu gia cố nặng nề, chi phí xây dựng
hầm lớn.
2
Từ khi có sự xuất hiện của NATM với các nguyên tắc thiết kế riêng,
người ta mới quan tâm nhiều hơn đến khả năng tự mang tải của khối đá trong
công tác thiết kế hầm. Việc mở ra hướng đi mới này đã dẫn đến bài toán
tương tác hệ kết cấu vỏ hầm – đất đá để tận dụng khả năng chịu lực của đất đá
khi vượt quá giới hạn bền.
Phương pháp CCM là một trong những hướng đi nhằm giải quyết bài
toán tính toán hệ kết cấu vỏ hầm – đất đá với nền đàn dẻo (có tính đến giai
đoạn ngoài đàn hồi của đất đá-trong vùng cân bằng giới hạn)-về bản chất là
phương pháp tính toán và khống chế chuyển vị.
Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu các phương pháp thiết kế hầm hiện có, phân tích các mô
hình thiết kế hầm.
Tiến hành nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp CCM, phát
triển và bổ sung các nghiên cứu vùng phá hủy theo nguyên tắc của CCM và
thực hiện các khảo sát số, từ đó rút ra các kết luận cụ thể về việc áp dụng
phương pháp CCM trong công tác thiết kế hầm.
Khảo sát vùng cân bằng giới hạn với các biến dạng dẻo phi tuyến khi
xuất hiện vùng dẻo.
Phân tích, đánh giá ảnh hưởng độ cứng của đất đá, chiều sâu đặt hầm
và hình dạng hầm.
Phân tích các thông số ảnh hưởng đến khả năng làm việc của hầm như
ảnh hưởng của công nghệ, yếu tố địa cơ học và thời gian trong phương pháp
CCM.
Phương pháp nghiên cứu 3
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về phương pháp thiết kế hầm theo
CCM, xây dựng lời giải và thuật toán tính toán kết cấu chống đỡ (đường cong
phản lực nền, đường cong đặc tính của kết cấu chống). Thực hiện khảo sát số
ảnh hưởng của một số yếu tố đến chế độ tương tác vỏ hầm – đất đá theo
phương pháp CCM.
Các bài toán khảo sát được thực hiện trên ngôn ngữ lập trình Matlab và
phần mềm Phase2.
Nội dung chính của luận án
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp thiết kế hầm.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của phương pháp CCM.
Chương 3: Đường cong đặc tính của kết cấu chống và lời giải cho vỏ
công trình ngầm
Chương 4: Phân tích, đánh giá ảnh hưởng các thông số trong xây dựng
hầm
Chương 5: Áp dụng phương pháp CCM với đường hầm dẫn nước thủy
điện Sử Pán 2 – Lào Cai
Kết luận và kiến nghị