GS. TS Đỗ Như Tráng

Học viện Kỹ thuật quân sự

1. ĐẶT VẤN ĐỀ:

Từ thực tế, các phương pháp phân chia gương đào trong thi công hầm thường hay sử dụng[1],[2],[4]: Đào toàn mặt cắt; Đào vòm trước; Đào tường trước; Đào kiểu bậc thang đứng; Đào kiểu bậc thang ngang. Ngoài ra khi tiết diện gương hầm quá lớn, điều kiện địa chất phức tạp, khi thi công, gương hầm có thể được chia thành nhiều bộ phận nhỏ để đào, đào đến đâu thi công vỏ hầm đến đó.

Dưới đây sẽ giới thiệu một số kết quả nghiên cứu sự ổn định của đất đá xung quanh khoang hầm dạng vòm tường thẳng khi thực hiện đào hầm theo các phương pháp được áp dụng nhiều hiện nay là: đào toàn mặt cắt, phương pháp đào tường trước và phương pháp đào vòm trước.

2.. PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG CỤ PHÂN TÍCH.

Nhìn chung cho đến nay do những khó khăn về mặt toán học, các lời giải giải tích mới chỉ giải quyết được một số bài toán với một số hình dạng mặt cắt đường hầm đặc biệt như hình tròn, hình elíp…Hầu hết các bài toán phân tích và thiết kế hầm thực tế với hình dạng mặt cắt ngang và phương pháp đào bất kỳ được thực hiện bằng phương pháp số, trong đó phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay[3].

Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của phương pháp phân chia gương đào đến ổn định của khoang hầm, tác giả sử dụng phần mềm địa kỹ thuật PLAXIS 8.2 [5] để phân tích trạng thái ứng suất của nền (nền ở đây được hiểu là môi trường đất đá xung quanh khoang hầm) và nội lực kết cấu vỏ hầm, kết hợp với phương pháp phâp tích ổn định khoang hầm theo năng lượng biến dạng hình dạng (áp dụng tiêu chuẩn của Mohr-Coulomb) khảo sát một công trình thực tế với các phương pháp phân chia gương đào khác nhau, từ đó rút ra những nhận xét, kiến nghị.

3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH THEO NĂNG LƯỢNG BIẾN DẠNG HÌNH DẠNG:

Ổn định của đường hầm có thể được đánh giá qua các mối quan hệ giữa năng lượng biến dạng hình dạng cho phép của nền xung quanh đường hầm và năng lượng biến dạng do đào hầm tạo ra [6].

Sự chảy dẻo chỉ xảy ra khi năng lượng biến dạng hình dạng tích lũy trong nó vượt quá giới hạn nào đó được xác định bởi các điều kiện dẻo.

Năng lượng biến dạng hình dạng U_s được thể hiện bằng cách sử dụng độ lệch của ứng suất chính (s₁ - s_m, s₂ - s_m, s₃ - s_m) theo công thức sau:

Năng lượng biến dạng hình dạng tại thời điểm khi đạt tới giới hạn được gọi là năng lượng biến dạng hình dạng cực đại và được biểu thị bằng đại lượng .

Một số điều kiện giới hạn dẻo là Von Mises, Tresca, Mohr-Coulomb và Drucker-Prager. Năng lượng biến dạng hình dạng cực đại với các điều kiện dẻo khác nhau được thể hiện trong bảng sau[6]:

Trong các ông thức trên: G = E/2(1+n) là mô đun trượt; s_m=(s₁ +s₂+s₃)/3 là giá trị ứng suất trung bình; s_y là ứng suất chảy đơn trục; c và f là lực dính và góc ma sát của nền; là giá trị được xác định từ lượng bất biến bậc hai J₂^' và lượng bất biến bậc ba J₃^' của độ lệch của ứng suất.

Ổn định của nền đá xung quanh hầm được đánh giá thông qua giá trị đại lượng , nếu nền xung quanh đường hầm thỏa mãn quan hệ , nó vẫn còn đàn hồi và và ổn định. Ngoài ra, trong phạm vi của là một vùng mất ổn định.

4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH VÀ CÁC TRƯỜNG HỢP PHÂN TÍCH.

Để xây dựng mô hình tính chọn các giả thiết sau đây:

- Dạng vòm tường cong hay thẳng được áp dụng nhiều trong đào hầm theo công nghệ NATM hay Mỏ truyền thống. Để đơn giản nhưng không ảnh hưởng tới kết quả phân tích, chọn hầm dạng vòm tường thẳng có kích thước như hình 2.

- Không áp dụng các giải pháp gia cố nền đá xung quanh.

- Quá trình phân tích hầm được thực hiện theo mô hình biến dạng liên tục- phẳng (hình 1).

Hình 1. Mô hình biến dạng liên tục- phẳng.

Các số liệu tính toán được cho trong bảng 2.

Mô hình tính: Cắt 1m hầm theo phương vuông với trục hầm để khảo sát. Bài toán được xem là bài toán biến dạng phẳng phù hợp với hình 1[3],[6]. Do kết cấu có dạng hình học và tải trọng đối xứng nên xây dựng mô hình tính cho nửa hầm. Nền sử dụng mô hình vật liệu đàn dẻo Mohr - Coulomb, kết cấu bê tông sử dụng mô hình đàn hồi.

Miền khảo sát được xác định như sau: đầu tiên lấy theo khuyến cáo của Hội địa kỹ thuật Đức tính từ tâm đường hầm lấy sang 2 bên bằng 4¸5 lần B (với B là chiều rộng của đường hầm), lấy xuống dưới bằng 3¸4 lần B để tính toán, sau đó mở rộng miền khảo sát về mỗi phía thêm B/2 và tính toán lại. So sánh kết quả của hai lần tính tại các điểm nghiên cứu, nếu có sự sai lệch lớn thì tiếp tục mở rộng miền khảo sát, nếu sự sai lệch là không đáng kể thì có thể sử dụng mô hình có miền khảo sát nhỏ hơn để giảm thời gian tính toán [5]. Trong bài toán này miền khảo sát được lấy như sau: tính từ giữa đáy hầm (gốc 0,0) lấy sang trái 60m và xuống dưới 48m (hình 4.3). Điều kiện biên hai cạnh bên miền khảo sát liên kết ngăn cản chuyển vị ngang (phương x), biên dưới miền khảo sát liên kết ngăn cản chuyển vị theo phương đứng và phương ngang (phương x và phương y). Lưới phần tử do chương trình phát sinh tự động là phần tử tam giác 15 nút.

Bảng 2: Các số liệu tính toán

Các trường hợp khảo sát:

Tiếp theo sẽ thực hiện phân tích cho các trường hợp sau đây:

Hình 4: Sơ đồ thi công vòm trước Hình 5: Sơ đồ thi công tường trước

Trình tự tính toán được thực hiện như sau:

1.Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của nền và nội lực kết cấu cho các trường hợp khảo sát, chọn các điểm ứng suất tại đỉnh vòm (x=0) và ngang tường (y=2,5m) sử dụng phần mềm Plaxis 8.2 [5].

2.Từ giá trị các điểm ứng suất, sử dụng chương trình tính ổn định theo năng lượng biến dạng hình dạng viết bằng ngôn ngữ Matlab để phân tích ổn định.

Kết quả phân tích: Được thể hiện trong các bảng và đồ thị sau:

Bảng 3: Kết quả tính toán ổn định trong nền cho các điểm ứng suất

với các trường hợp thi công khác nhau - khi không có vỏ bê tông

Bảng 4: Kết quả tính toán ổn định trong nền cho các điểm ứng suất

với các trường hợp thi công khác nhau - khi có vỏ bê tông

Hình 7: Biểu đồ mô men kết cấu vỏ hầm với các trường hợp thi công khác nhau

Bảng 5a: Kết quả nội lực trong kết cấu vòm với các trường hợp thi công khác nhau

Bảng 5b: Kết quả nội lực trong kết cấu tường với các trường hợp thi công khác nhau

5. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN:

Kết quả phân tích với các số liệu ban đầu như trên trong trường hợp không phải là thủy tĩnh (hệ số áp lực ngang k<1), nền ở bên tường luôn mất ổn định hơn so với ở đỉnh vòm.

Khi đào hầm theo các phương pháp phân chia gương đào khác nhau, trạng thái ứng suất trong nền xung quanh khoang hầm biến đổi sau mỗi bước thi công, ổn định ở trạng thái sau cùng của các phương pháp thi công là khác nhau.

Các kết luận trên đây chỉ đúng cho các số liệu ban đầu như đã nêu trên và chỉ phù hợp khi trong nền có sự xuất hiện biến dạng dẻo trong các giai đoạn đào, trong trường hợp nền hoàn toàn đàn hồi thì sự ổn định của nền xung quanh đường hầm không phụ thuộc vào phương pháp đào hầm.

Tuy nhiên việc lựa chọn phương pháp phân chia gương đào trong thi công hầm được lựa chọn trên cơ sở phân tích nhiều yếu tố như điều kiện trang bị và năng lực thi công, yêu cầu tiến độ thi công, hiệu quả kinh tế của giải pháp thi công… và yếu tố cơ học chỉ là một trong những tiêu chí để xem xét đánh giá. Các phương pháp thi công vòm trước hoặc bậc thang trên vẫn là các giải pháp hiệu quả khi thi công các công trình có chiều cao lớn.

Để tăng cường ổn định cho nền việc đưa kết cấu chống đỡ vào càng sớm càng tốt, đưa kết cấu chống đỡ vào khi sự biến dạng của nền xung quanh khoang hầm đã phát triển đầy đủ sẽ không có ý nghĩa cho việc cải thiện sự ổn định của nền mà có thể làm giảm sự ổn định của nền (TH5). Tuy nhiên khi đưa kế cấu chống đỡ vào sớm, nghĩa là không tận dụng khả năng tự mang tải của nền, nội lực trong kết cấu sẽ lớn dẫn đến tốn kém vật liệu, giảm hiệu quả kinh tế.

Nhìn chung khi có vỏ bê tông, sự ổn định của nền xung quanh đường hầm được cải thiện. Nhưng trong trường hợp thi công vòm trước (TH6) sự ổn định của nền trên vòm hầm được tăng cường, nhưng sự mất ổn định của nền tại khu vực tường gia tăng nên cần có giải pháp hợp lý khi thi công phần tường.

Hình dạng của hầm chắc chắn sẽ có ảnh hưởng phức tạp tới ổn định của hầm mà trong phạm vi báo cáo này chưa đề cập đến, cần thiết phải bổ sung cho các hình dạng khác.

Việc đánh giá ổn định của khoang hầm khi thi công theo các phương pháp phân chia gương đào có ý nghĩa thiết thực và cần được đưa vào như một tiêu chí để lựa chọn phương pháp phân chia. Lựa chọn phương pháp phân chia gương đào hợp lý sẽ hạn chế tối đa sự mất ổn định của hầm, điều này đồng nghĩa với việc thi công sẽ an toàn hơn và tiết kiện vật liệu chống đỡ, nâng cao hiệu quả kinh tế.

Phương pháp đánh giá ổn định theo năng lượng biến dạng hình dạng với tiêu chuẩn của Mohr-Coulomb thể hiện tính phù hợp và tương đối toàn diện do đã đề cập được khá đầy đủ các tham số đặc trưng cho tính chất cơ lý của nền và vỏ. Phương pháp này cần được nghiên cứu phát triển cho các mô hình nền khác và ứng dụng rộng rãi trong phân tích ổn định.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Thế Phùng, Nguyễn Ngọc Tuấn (2001), Thi công công trình ngầm, Nxb Khoa học và kỹ thuật.

2. Đỗ Như Tráng (2001), Giáo trình thi công công trình ngầm, Học viện KTQS.

3. Đỗ Như Tráng (2002), Cơ học đá và tương tác hệ kết cấu công trình ngầm - môi trường đất đá, Nxb Quân đội nhân dân.

4. Nguyễn Xuân Trọng (2004), Thi công hầm và công trình ngầm, Nxb Xây dựng.

5. Plaxis version 8.2 help (2002).

6. Yoshiji Matsumoto and Takashi Nishioka (1991), Theoretical tunnel mechanics, University of Tokyo press, Japan.