Tóm tắt Luận án Nghiên cứu dự báo lún mặt đất do đào đường hầm bằng khiên đào trong đất yếu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
TRẦN QUÝ ĐỨC
NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LÚN MẶT ĐẤT DO ĐÀO ĐƯỜNG HẦM
BẰNG KHIÊN ĐÀO TRONG ĐẤT YẾU
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt
Mã số:
9 58 02 06
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – NĂM 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG
Người hướng dẫn khoa học
1. TS Lê Đình Tân
2. PGS.TS Nguyễn Tương Lai
Phản biện 1: GS.TS Trịnh Minh Thụ
Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Đức Nguôn
Phản biện 3: TS Đỗ Ngọc Anh
Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện
theo quyết định số 2233/QĐ-HV ngày 03 tháng 7 năm 2018 của Giám
đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự
vào hồi … giờ … phút, ngày …. tháng… năm 2018
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự
- Thư viện Quốc gia
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Xây dựng công trình ngầm trong điều kiện địa chất gồm các lớp đất yếu nói
chung và đất yếu bão hòa nước nói riêng là một lĩnh vực phức tạp và khó khăn
do phải giải quyết nhiều vấn đề đồng thời bao gồm cả mô hình và phương pháp
tính toán, công nghệ và biện pháp thi công, ảnh hưởng lâu dài trong quá trình
khai thác sử dụng, … Các công trình nghiên cứu về dự báo lún mặt đất khi đào
đường hầm bằng khiên đào trong đất yếu ở Việt Nam là vấn đề mới và không
được công bố. Do đó, việc nghiên cứu dự báo quy luật lún mặt đất khi thi công
tuyến đường tàu điện ngầm bằng phương pháp khiên đào nhằm cảnh báo và
giảm thiểu các tác động tiêu cực đến các công trình phía trên đường hầm là một
nhiệm vụ quan trọng. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu dự báo lún mặt đất khi đào
đường hầm bằng khiên đào trong đất yếu” có ý nghĩa khoa học, thực tiễn và
có tính cấp thiết.
2. Đối tượng nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu dự báo lún mặt đất trong giai đoạn thi công do đào đường hầm
bằng phương pháp khiên đào trong điều kiện địa chất TP. HCM.
3. Phạm vi nghiên cứu của luận án
- Môi trường đất yếu tự nhiên; không xét đến hiện tượng xói ngầm trong nền
đất quanh đường hầm do thoát nước ngầm khi đào; điều kiện địa chất chọn để
nghiên cứu là khu vực thành phố Hồ Chí Minh.
- Ứng xử của nền đất là ứng suất - biến dạng tức thời trong giai đoạn thi công
đào đường hầm, không xét đến tính từ biến theo thời gian của nền đất.
4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp số.
5. Cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm 115 trang thuyết minh, trong đó có 27 bảng, 72 hình vẽ và
đồ thị, 115 tài liệu tham khảo, được cấu trúc gồm: mở đầu, 4 chương, kết luận
và kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục.
Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của đề tài luận án và bố cục luận án.
Chương 1: Tổng quan về dự báo lún mặt đất do đào đường hầm bằng khiên
đào trong đất yếu.
Chương 2: Cơ sở khoa học tính toán lún mặt đất do đào đường hầm bằng
khiên đào trong đất yếu.
Chương 3: Xây dựng mô hình dự báo lún mặt đất do đào đường hầm bằng
khiên đào trong đất yếu ở thành phố Hồ Chí Minh.
Chương 4: Phân tích và dự báo lún mặt đất do đào đường hầm bằng khiên
đào trong đất yếu ở thành phố Hồ Chí Minh.
Kết luận và kiến nghị: Trình bày các kết quả chính, những đóng góp mới
của luận án, các hướng phát triển và nghiên cứu tiếp theo.
2
CHƯƠNG 1: : TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO LÚN MẶT ĐẤT DO ĐÀO
ĐƯỜNG HẦM BẰNG KHIÊN ĐÀO TRONG ĐẤT YẾU
Trình bày tổng quan về dự báo lún mặt đất trong quá trình thi công đường
hầm trong đất yếu. Chương này mô tả về thi công đường hầm bằng khiên đào
trong đất yếu; các yếu tố ảnh hưởng đến lún mặt đất do đào đường hầm bằng
khiên đào trong đất yếu.
1.1. Tổng quan về nền đất yếu
1.1.1. Khái niệm đất yếu
Đất yếu là những đất có khả năng chịu tải nhỏ (vào khoảng 500÷1000 kPa)
có tính nén lún lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (e >1), môđun biến
dạng thấp (thường thì E0 = 5000 kPa), lực chống cắt nhỏ, … Ở trạng thái tự
nhiên, độ ẩm của chúng thường bằng hoặc lớn hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn
(đất sét mềm e ≥ 1,5; đất á sét bụi e ≥ 1), lực dính không thoát nước Cu ≤ 15kPa,
góc nội ma sát 0o, độ sệt IL > 0,5 (trạng thái dẻo mềm). Nếu không có biện pháp
xử lý đúng đắn thì việc xây dựng công trình trên đất yếu sẽ rất khó khăn hoặc
không thể thực hiện được.
1.1.2. Ảnh hưởng của nền đất yếu đến lún mặt đất do đào đường hầm
1.2. Phương pháp thi công đường hầm bằng khiên đào trong đất yếu
Theo Hiệp hội Xây dựng Công trình ngầm của CHLB Đức – DAUB, khiên
để thi công những đường hầm trong môi trường nền đất yếu đối với điều kiện
địa chất thành phố Hồ Chí Minh là loại khiên đào chống đỡ mặt gương bằng cần
bằng áp lực đất: SM-V5. Trong luận án chỉ nghiên cứu khiên đào SM-V5 (EPB)
Hình 1.2: Khiên đào đường hầm EPB (Earth
Pressure Balance).
Hình 1.1: Sơ đồ phân chia các loại khiên đào
theo Hiệp hội Xây dựng Công trình ngầm
CHLB Đức – DAUB.
Hình 1.3: Cấu tạo khiên đào cân bằng áp lực
vữa.
3
1.2.1. Phạm vi áp dụng của các loại khiên đào
Khiên đào SM (Shield Tunnelling Method) có những loại chính là SM khoan
đá, SM EPB (hỗ trợ cân bằng áp lực đất) và SM Slurry (chống đỡ mặt gương
Hình 1.4: Phạm vi áp dụng của các loại thiết bị đào đường hầm cho các loại đất khác nhau.
1.2.2. Các tiêu chí lựa chọn khiên đào
Những tiêu chí cần thiết theo khuyến cáo của Hiệp hội Công trình ngầm và
Không gian ngầm thế giới (The International Tunneling and Underground Space
Association, ITA – AITES) năm 2000.
1.2.3. Đánh giá lựa chọn khiên đào
Các loại khiên đào EPB đặc biệt phù hợp với các loại đất cố kết tại TP HCM.
Sẽ là sự lựa chọn tốt hơn khi hệ số thấm của đất nhỏ hơn 10-7 m/s trong trường
hợp đất yếu tại TP HCM.
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến lún mặt đất khi đào đường hầm bằng
khiên đào trong đất yếu
Các yếu tố ảnh hưởng đến lún mặt đất khi đào đường hầm bằng khiên đào
trong đất yếu gồm: đặc tính hình học của đường hầm; đặc tính môi trường đất
nền; môi trường đất yếu; nước ngầm; đặc tính của khiên đào và đặc tính của tải
trọng tác động.
1.4. Các phương pháp dự báo độ lún mặt đất do đào đường hầm bằng
khiên đào trên thế giới và ở Việt Nam
1.4.1. Trên thế giới
1.4.2. Ở Việt nam
1.5. Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu dự báo lún mặt đất do
đào đường hầm bằng khiên đào trong đất yếu
Ở Việt Nam, chưa có một công trình khoa học hoàn chỉnh về phương pháp
phân tích, đánh giá và rút ra quy luật lún mặt đất do đào hầm trong môi trường
đất yếu bằng phương pháp khiên đào trong giai đoạn thi công. Chưa có một
nghiên cứu nào hệ thống hóa được một bộ cơ sở dữ liệu về các yếu tố ảnh
hưởng đến lún mặt đất do đào đường hầm ở TP. HCM. Việc phân tích độ nhạy
của các yếu tố ảnh hưởng đến độ lún mặt đất do đào đường hầm bằng khiên đào
trong đất yếu cũng chưa được nghiên cứu cụ thể. Vấn đề dự báo lún mặt đất ở
nước ta mới chỉ dừng ở việc tính toán độ lún cụ thể cho từng công trình ngầm cụ
4
thể, chưa khái quát hóa được quy luật lún mặt đất. Khi thi công đường hầm
bằng khiên đào cần phải lựa chọn rất nhiều thông số về đặc tính hình học của
đường hầm. Việc xác định được các thông số này một cách hợp lý trong điều
kiện TP. HCM chưa được nghiên cứu.
1.6. Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan về: nền đất yếu, ảnh hưởng của nền đất yếu
đến độ lún mặt đất do đào đường hầm; các yếu tố ảnh hưởng đến lún mặt đất khi
đào đường hầm bằng khiên đào trong đất yếu. Trong chương này cũng đã tiến
hành phân tích vấn đề dự báo độ lún mặt đất do đào đường hầm bằng khiên đào
trên thế giới và ở Việt Nam và những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu dự
báo lún mặt đất do đào đường hầm bằng khiên đào trong đất yếu ở nước ta.
Luận án sẽ nghiên cứu mô hình và phương pháp tính toán lún mặt đất trong
môi trường đất yếu xung quanh đường hầm trong quá trình thi công và dự báo
lún mặt đất phía trên đường hầm; phân tích sự lún mặt đất xảy ra trên hai chiều
kích thước khi xây dựng đường hầm trong môi trường đất yếu từ đó dự đoán lún
mặt đất gây ra bởi xây dựng một đường hầm tuyến đôi trên đất yếu.
Luận án tập trung nghiên cứu:
- Môi trường đất được sử dụng trong phân tích là đất yếu tại TP. HCM. Môi
trường nghiên cứu xung quanh đường hầm;
- Đường hầm được đào bằng phương pháp khiên đào (SM);
- Áp dụng phương pháp giải tích và phương pháp số để tính toán, dự báo lún
mặt đất xung quanh đường hầm trong quá trình thi công.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN LÚN MẶT ĐẤT DO
ĐÀO ĐƯỜNG HẦM BẰNG KHIÊN ĐÀO TRONG ĐẤT YẾU
2.1. Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu về các yếu tố ảnh hưởng đến lún mặt đất
2.1.1. Dữ liệu về khiên đào
Khiên đào dự kiến sử dụng cho việc thi công tuyến tàu điện ngầm số 6 TP.
HCM là khiên EPB có các thông số như trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Một vài đặc tính kỹ thuật của khiên đào (Ban QLĐS đô thị).
Các thành phần
Đơn vị
m
m
Giá trị
6,79
7,8
Đường kính
Chiều dài máy
Đường kính ngoài của khiên
Tốc độ di chuyển của khiên
Áp lực phụt vữa tại đuôi khiên
Khối lượng vữa phụt đơn vị tại đuôi khiên
m
6,34
2,0
0,3
m/h
MPa
(m3/m)
2,0
2.1.2. Dữ liệu về đường hầm tàu điện ngầm
Đánh giá và lựa chọn các chỉ tiêu cơ lý đất nền hợp lí:
Bảng 2.2: Giꢀ trị trung bꢁnh cꢀc chꢂ tiêu cơ lꢃ cꢀc lꢄp đất (Ban Quản lꢃ Đường sắt đô
thị, 2010).
5
Lớp đất
Thông số
Độ sâu đáy lớp (m)
F
2b
2
3 và 3a
4
3,07
3,07
7,29
4,22
17,27
9,98
45,96
28,69
50
4,04
20,075
0,0225
0,0225
0,5610
0,4
0,15
12
7
Bề dày (m)
Dung trọng tự nhiên (kN/m3)
Hệ số thấm theo phương ngang (cm/s)
Hệ số thấm theo phương đứng (cm/s)
Hệ số rỗng ban đầu
19,421
2,722
2,722
0,6557
0,4
0,09
5
6
19,0733 19,0733 19,9885
0,04
0,04
0,03551
0,03551
0,33
0,33
0,5664
0,4
0,39
10
0,7230 0,7230
Hệ số Poát-xông
Lực dính (MPa)
Góc ma sát trong (độ)
Môđun biến dạng (MPa)
0,4
0,25
7
0,4
0,11
15
4
4
5
2.2. Quá trình đào đường hầm bằng khiên đào
Phân tích quá trình làm việc của khiên đào EPB có thể chia ra theo 5 giai
- Giai đoạn 1: Khu vực xa phía
trước gương đào;
- Giai đoạn 2: Tại khu vực ngay
phía sau mặt gương đào;
- Giai đoạn 3: Tại khu vực thân
khiên đào;
- Giai đoạn 4: Khiên đào tiếp tục
tiến lên từng bước đào;
Hình 2.1: Mô phỏng thi công đường hầm
bằng SM.
- Giai đoạn 5: Khi vữa phụt bên ngoài vỏ chống hầm đã đông cứng.
2.3. Các phương pháp tính độ lún mặt đất
Các phương pháp
tính lún mặt đất do đào
hầm được sử dụng bao
gồm: phương pháp thực
nghiệm và bán thực
nghiệm; phương pháp
giải tích và phương pháp
số (Hình 2.2).
2.4. Phân tích lựa chọn các phương pháp tính độ lún mặt đất
Phương pháp
Ưu điểm
Hạn chế
- Tính toán rất đơn giản
- Xem xét ít tham số.
- Cung cấp ý tưởng và ước tính ban đầu - Không thể giải quyết các vấn
Thực nghiệm/bán
thực nghiệm
về tính lún.
đề phức tạp khác của đất.
- Hữu ích cho việc so sánh kết quả với - Không xét đến kỹ thuật thi
các phương pháp khác.
công.
Phương pháp
- Có thể tính với các thông số biến thiên.
- Số lượng các giải pháp có
6
Phương pháp
giải tích
Ưu điểm
- Tính được cả chuyển vị ngang và hạn.
chuyển vị đứng. - Áp dụng đối với loại đất cụ
Hạn chế
- Mối tương tác giữa các các tham số dễ thể.
hiểu
- Áp dụng cho bất kỳ loại đất phức tạp.
- Tính được cả chuyển vị ngang và
chuyển vị đứng.
- Có thể giải quyết nhiều thông số.
- Có thể thực hiện nghiên cứu tham số.
- Công cụ tính toán thân thiện với người
sử dụng.
- Xây dựng mô hình và phân
tích tốn nhiều thời gian.
- Có thể dẫn đến kết quả gây
hiểu nhầm nếu người dùng
không có sự hiểu biết sâu sắc
về quá trình và phần mềm lập
mô hình.
Phương pháp số
- Hiển thị hình ảnh tốt hơn.
- Có thể dễ dàng vẽ được biểu đồ và đồ
thị. Tự động tạo lưới.
- Không dễ xác minh và xác
nhận kết quả.
2.5. Phân tích hao hụt thể tích nền đất
"Hao hụt thể tích nền đất" hay "mất mát đất " (VL) xung quanh đường hầm là
do thể tích đất đào lớn hơn so với thể tích chiếm chỗ của đường hầm. Hao hụt
thể tích nền đất là tỷ lệ giữa thể tích phễu lún trên đơn vị chiều dài theo hướng
trục đường hầm và thể tích đường hầm theo lý thuyết:
V V /V V / 0,25
.D2
(2.1)
h
L
s
s
2.5.1. Xác định lượng hao hụt thể tích nền đất
Dựa trên lý thuyết của Rowe và Jack (1983), mất mát thể tích (VL) cũng có
thể được tính bằng cách sử dụng phương trình sau:
V 4g R g2 / 4R2
(2.2)
L
t
s
t
s
2.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hao hụt thể tích nền đất
2.5.2.1. Loại đất
Bảng 2.4: Hao hụt thể tích nền đất cho đất cố kết.
Điều kiện về nền
Phương pháp đào đường hầm
VL (%)
0,5 ÷ 3,0
2,0 ÷ 2,5
1,0 ÷ 1,5
30,0÷45,0
5,0 ÷ 20,0
Ghi chú
đất
Đất sét cứng nứt Có chống đỡ hoặc không (Shield
Mất mát đất thông
thường 1% ÷ 2%
nẻ
or none)
Có chống đỡ trong áp lực khí tự
nhiên (Shield in free air)
Có chống đỡ trong áp lực khí nén
(Shield in compressed air)
Có chống đỡ trong khí tự nhiên
(Shield in free air)
Trầm tích băng hà
Kiểm soát dịch chuyển
mặt đất bằng khí nén
Trầm tích Cát sét
gần đây
(Cu=10÷40 kPa)
Có chống đỡ trong khí nén (Shield
in compressed air)
Bảng 2.5: Hao hụt thể tích nền đất cho đất rời
Điều kiện về nền đất
Cát mịn
VL (%)
0,5÷1,0
1,0÷2,5
3,0 ÷ 5,0
Ghi chú
Trong trường hợp đất trương nở, 1% của VT
1÷2% cho kết cấu hầm tốt và đất ít cố kết.
Cát trung
Cát thô
7
2.5.2.1. Phương pháp thi công đường hầm
Bảng 2.6: Phần trăm hao hụt thể tích nền đất.
Công nghệ đào
Khiên đào
Phương pháp khai đào tuần tự
Bảng 2.7: Khuyến cꢀo lượng hao hụt thể tích nền đất.
VL (%)
0,5 ÷ 1
0,8 ÷ 1,5
Điều kiện về nền đất
Khiên đào đường hầm
VL (%)
Đất đá trầm tích bị phong hoá hoàn toàn
Bồi tích cổ
Slurry
1
EPB
0,9
EPB
0,9
2.5.2.2. Kích thước đường hầm
Với đường kính của đường hầm là D, thể tích đào đường hầm trên đơn vị
chiều dài theo hướng trục đường hầm, được tính bằng một biểu thức toán học
đơn giản: Vh = 0,25..D2.
2.5.3. Lựa chọn hao hụt thể tích nền đất hợp lí
Với mô tả điều kiện địa chất địa chất công trình tuyến tàu điện ngầm số 6,
khi mô hình hóa quá trình đào hầm bằng khiên đào trong đất yếu, phần trăm hao
hụt thể tích nền đất dao động từ lớn nhất là 1% đến nhỏ nhất là 0,2%.
2.6. Các mô hình nền và các tham số của nó
Luận án sẽ sử dụng mô hình đàn dẻo lý tưởng Mohr- Coulomb để tính toán
và dự báo lún mặt đất cho đường hầm đặt sâu trong đất yếu.
2.6.1. Một số mô hình nền cho phương pháp số
Các mô hình nền đã được liên tục phát triển trong những năm gần đây. Có
một số lượng lớn mô hình nền đã được phát triển trong các nghiên cứu địa kỹ
thuật. Schweiger (2009) đã phân chia thành năm nhóm mô hình nền như sau:
- Các mô hình đàn hồi tuyến tính và phi tuyến;
- Mô hình đàn dẻo lý tưởng (Mohr-Coulomb);
- Mô hình đơn diện dẻo tăng bền đẳng hướng (Isotropic hardening single
surface plasticity models);
- Mô hình lưỡng diện dẻo tăng bền đẳng hướng (Isotropic hardening double
surface plasticity models);
- Mô hình đa diện dẻo tăng bền động học (Kinematic hardening multi-
surface plasticity models).
2.6.2. Lựa chọn mô hình nền hợp lý
Luận án sẽ sử dụng mô hình đàn dẻo lý tưởng Mohr-Coulomb (MC) để tính
toán và dự báo lún mặt đất cho đường hầm đặt sâu trong đất yếu.
2.7. Các phương pháp dự báo quy luật lún mặt đất
Do sự không đồng nhất và phi tuyến của môi trường nền đất, mối quan hệ
phi tuyến tính và đa chiều vốn có giữa lún mặt đất (do đào đường hầm bằng
EPB gây ra) với các yếu tố ảnh hưởng, nên phương pháp hồi quy hoặc các
phương pháp dựa trên trí tuệ nhân tạo có khả năng được sử dụng để dự báo lún
mặt đất. Luận án sử dụng phương pháp hồi quy để dự báo lún mặt đất do thi
công tuyến tàu điện ngầm số 6 tại TP. HCM.
8
2.8. Kết luận chương 2
Chương 2 đã thu thập, phân tích, đánh giá các dữ liệu cơ bản phục vụ tính
toán, dự báo lún mặt đất do đào đường hầm trong đất yếu bằng khiên đào EPB.
Chương 2 cũng đã tổng hợp, phân tích, đánh giá các mô hình và phương pháp
dự báo độ lún mặt đất do đào đường hầm. Kết quả phân tích cho thấy tồn tại
một mối liên hệ giữa đại lượng hao hụt thể tích nền đất và đặc trưng địa chất,
đặc trưng hình học của đường hầm với độ lún mặt đất do đào đường hầm trong
đất yếu bằng khiên đào EPB. Tuy nhiên, đến nay vẫn chưa có một phương pháp
chính xác và tường minh để mô tả liên hệ giữa độ lún mặt đất với các đặc trưng
của nền và công trình. Việc tính toán chính xác độ lún mặt đất do đào đường
hầm trong đất yếu bằng khiên đào EPB vẫn phải kết hợp giữa nghiên cứu lý
thuyết, thí nghiệm và quan trắc.
Để dự báo lún mặt đất do đào đường hầm trong đất yếu bằng khiên đào EPB
có thể áp dụng phương pháp hồi quy trên cơ sở kết hợp các công thức thực
nghiệm, bán thực nghiệm, kết quả phân tích mô hình số và số liệu quan trắc. Ở
Việt Nam mới bắt đầu xây dựng đường hầm trong đất yếu nên rất thiếu số liệu
quan trắc, trong chương sau luận án sẽ nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo lún
mặt đất bằng phương pháp hồi quy trên cơ sở kết hợp các công thức thực
nghiệm, bán thực nghiệm đã công bố và kết quả khảo sát mô hình số bằng phần
mềm Plaxis 3DT.
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO LÚN MẶT ĐẤT DO
ĐÀO ĐƯỜNG HẦM BẰNG KHIÊN ĐÀO TRONG ĐẤT YẾU Ở
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
3.1. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn
3.1.1. Xây dựng các kịch bản tính toán
Luận án sẽ xây dựng mô hình 3D để khảo sát, phân tích lún mặt đất do đào
đường hầm bằng khiên đào trong đất yếu.
3.1.2. Thiết lập bài toán tính lún mặt đất do đào đường hầm bằng khiên đào
trong đất yếu
Khảo sát hệ kết cấu – môi trường làm việc với các giả thiết sau:
Nền đất được mô phỏng bởi mô hình đàn - dẻo, các tính chất cơ học của nền
thay đổi theo từng lớp nhưng trong một lớp xem là không đổi: sử dụng mô hình
Mohr - Coulomb. Vật liệu của đường hầm làm việc trong giai đoạn đàn hồi.
3.1.3. Kiểm chứng thông số mô hình nền
Bảng 3.1: Kết quả lún mặt đất lꢄn nhất từ mô hꢁnh MC và kết quả tính từ FLAC 2D cho
tuyến đường hầm Tehran.
Thông số
Giá trị
Độ sâu đặt đường hầm, z (m)
12,5 14,5 15 20
Thể tích phễu lún trên đơn vị chiều dài theo hướng trục đường hầm,
0,37 0,37 0,37 0,37
VS (m3)
Chiều sâu của đường tim đường hầm so với mặt đất, z0 (m)
8,6
10,6 11,1 16,1
9
Độ lệch tiêu chuẩn của đường cong tính lún, i
2,308 2,868 3,18 4,41
Khoảng cách từ trục tim thẳng đứng của mặt cắt đường hầm, x (m)
0
0
0
0
MC
HS
85
74
37
48
37
65
56
31
34
25
50 36,5
41 31
31 30
19 6.5
PLAXIS 3DT
Độ lún mặt đất, Smax (mm)
FLAC 2D cho tuyến đường hầm Tehran
MC
HS
Chênh lệch (mm)
10
1
3.2. Xây dựng chương trình tính dự báo lún mặt đất
3.2.1. Ngôn ngữ viết chương trình tính
Luận án tiến hành lập chương trình tính dự báo lún mặt đất do đào đường
hầm bằng khiên đào (chương trình tính DBL) trong đất yếu bằng MATLAB dựa
trên các công thức kinh nghiệm, bán kinh nghiệm và giải tích kết hợp với kết
quả tính từ PLAXIS 3DT để tìm ra hàm hồi quy dự báo lún mặt đất.
3.2.2. Cấu trúc của chương trình tính DBL
Chương trình tính dự báo lún mặt đất (DBL) gồm 3 chương trình con lần
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc của chương trꢁnh tính DBL.
3.2.3. Tính năng và cơ sở lý thuyết của chương trình tính DBL1.
Chương trình DBL1 được xây dựng nhằm tính độ lún mặt đất theo phương
pháp thực nghiệm, bán thực nghiệm và giải tích cho đường hầm tuyến đơn
Hình 3.2: Lưu đồ thuật giải chương trꢁnh tính DBL1.
10
3.2.3.1. Chương trình tính DBL1a cho đường hầm đơn
Chương trình tính DBL1a được tích hợp bởi nhiều hàm tính độ lún thẳng
đứng khi đào đường hầm đơn trong các đoạn mã chương trình.
3.2.3.2. Chương trình tính DBL1b cho đường hầm tuyến đôi
Chương trình tính DBL1b tính độ lún thẳng đứng khi đào đường hầm tuyến
đôi và được mô tả trong đoạn mã chương trình displacementT2.m
3.2.4. Tính năng và cơ sở lý thuyết của chương trình tính DBL2
Chương trình tính DBL2 được xây dựng nhằm dự báo độ lún mặt đất bằng
Dự báo độ lún mặt
đất bằng hàm hồi
Độ lún lớn
quy
Chuẩn bị dữ
liệu phân tích:
- PLAXIS
- Chương trình
DBL1
nhất (Smax
)
Loại bỏ các
giá trị nằm
ngoài xu
hướng
Kiểm
định
hàm hồi
quy
Hàm
hồi qui
Lựa chọn
dạng hàm hồi
quy
chung
Đồ thị 3D
Hình 3.3: Lưu đồ thuật giải chương trꢁnh tính DBL2.
3.2.5. Tính năng và cơ sở lý thuyết của chương trình tính DBL3
Chương trình tính DBL3 được xây dựng nhằm xác định đường kính hầm,
Hình 3.4: Lưu đồ thuật giải chương trꢁnh tính DBL3
3.3. Kiểm chứng các kết quả theo chương trình tính DBL
Sử dụng chương trình tính DBL để tính độ lún của các điểm khảo sát với các
mặt đất trong quá trình thi công đường hầm đơn trong đất yếu ở 5 độ sâu đặt
đường hầm khác nhau lần lượt là 1,0D; 1,5D; 2,0D; 3,0D; 4,5D với đường kính
Bảng 3.2: Tổng hợp kết quả tính toꢀn theo chương trꢁnh tính.
Thông số
Giá trị
2,0
Tỷ số độ sâu đặt hầm và đường kính hầm, z0 /D (m)
Độ lệch tiêu chuẩn của đường cong tính lún, i
1,0
4,1
1,5
4,5
3,0 4,5
7,5 12,4
4,8
Chương trình tính DBL
PLAXIS 3DT
Sai số (%)
18,8 19,0 18,3 14,8 6,2
18,0 17,2 17,0 16,1 5,8
4,35 10,41 7,86 8,26 6,9
Độ lún mặt
đất, S (mm)
11
Kết quả lún thẳng đứng lớn nhất
theo PTHH của PLAXIS 3DT gần sát
với kết quả tính toán theo chương trình
tính DBL đã lập. Có thể thấy giá trị
lún thẳng đứng lớn nhất của cả hai
phương pháp gần với nhau hơn khi
chiều sâu đặt đường hầm tăng lên
3.4. Kết luận chương 3
Chương 3 đã tiến hành thử nghiệm số để tính lún mặt đất với một khối lượng
lớn mô hình phần tử hữu hạn PLAXIS mô phỏng quá trình thi công đào đường
hầm bằng phương pháp khiên đào trong đất yếu của TP. HCM ứng với các giá
trị thông số hình học của đường hầm, thông số khiên đào và mực nước ngầm.
Từ mô hình tính toán đường hầm bằng chương trình PLAXIS ta có thể tính toán
được các giá trị độ lún mặt đất trong các giai đoạn thi công. Vì vậy, nó hoàn
toàn có thể được áp dụng để tính toán độ lún mặt đất khi đào đường hầm bằng
khiên đào tại TP. HCM. Trên cơ sở kết hợp kết quả phân tích theo phương pháp
số bằng PTHH và các phương pháp thực nghiệm, bán thực nghiệm, giải tích,
luận án đã thiết lập được chương trình tính DBL có giao diện thân thiện, dễ tính
toán. Chương trình tính dự báo lún mặt đất (DBL) gồm 3 chương trình con lần
lượt là chương trình tính DBL1, DBL2 và DBL3. Chương trình tính này giúp tự
động hóa quá trình tính toán, góp phần hoàn thiện phương pháp dự báo lún mặt
đất. Qua việc so sánh giữa kết quả tính toán theo chương trình tính DBL với kết
quả mô phỏng PLAXIS 3DT, kết quả tính lún mặt đất là khá phù hợp. Điều đó
chứng tỏ có thể sử dụng chương trình tính này để dự báo lún mặt đất khi đào
đường hầm với độ chính xác đạt yêu cầu, nhằm giảm thời gian, công sức.
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ DỰ BÁO LÚN MẶT ĐẤT DO ĐÀO
ĐƯỜNG HẦM BẰNG KHIÊN ĐÀO TRONG ĐẤT YẾU Ở THÀNH
PHỐ HỒ CHÍ MINH
Chương này sẽ đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến lún mặt đất do đào đường
hầm của tuyến tàu điện ngầm số 6 trong điều kiện đất yếu ở TP. HCM.
4.1. Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến lún mặt đất do đào đường
hầm bằng khiên đào trong đất yếu
4.1.1. Ảnh hưởng của các đặc tính hình học của đường hầm
4.1.1.1. Ảnh hưởng của đường kính đường hầm
- Trường hợp hầm tuyến đơn:
Có thể thấy rằng độ lún mặt đất lớn nhất chịu ảnh hưởng đáng kể bởi đường
mặt đất lớn nhất. Đường kính đường hầm luôn là một trong những yếu tố quan
12
trọng để ước tính độ lún mặt đất lớn nhất trong tất cả các phương pháp thực
nghiệm. Kết quả của phân tích PLAXIS 3DT phù hợp với các phương pháp của
Verruijt và Booker (1996); Loganathan và Poulos (1998).
b) Quan hệ giữa độ lệch tiêu chuẩn của đường
cong tính lún và đường kính hầm.
a) Quan hệ giữa độ lún lꢄn nhất và đường
kính hầm.
Hình 4.1: Ảnh hưởng của đường kính hầm đến lún bề mặt.
Hình 4.2: Ảnh hưởng của đường kính
đường hầm đến độ lún lꢄn nhất.
Hình 4.3: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số độ lún và
tỷ số chiều sâu đặt đường hầm – đường kính
đường hầm
Theo kết quả thu được từ phương pháp số, giảm đường kính đường hầm từ
12,0m xuống 6,0m dẫn đến giá trị lún mặt đất lớn nhất giảm gần 50%, do đó
đường kính đường hầm là một trong các yếu tố quan trọng nhất khi tính lún mặt
đã xây dựng được biểu đồ quan hệ giữa: tỷ số độ lún và tỷ số chiều sâu đặt
quan hệ trên có dạng tuyến tính với R2 = 0,9637:
S
/ S 0,0935. z / D 1,2702.
t
(3.1)
max
- Trường hợp hầm tuyến đôi
Luận án đã tính cho 3 giá trị đường kính đường hầm khác nhau lần lượt là
từ 7m đến 12m như hiển thị trong hình 4.5.
13
Luận án đã tính cho 5 giá trị tỷ số (L/D) lần lượt là 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 và 3,5.
Độ lún mặt đất có quan hệ tuyến tính với tỷ số (L/D). Khi đường kính đường
hầm thay đổi các đường quan hệ này gần như là tịnh tiến song song với nhau.
Đường quan hệ này có thể mô tả bởi hàm hồi quy tuyến tính như sau: S =
a1.(L/R) + a0; với giá trị a1 từ 1,2346 đến 2,1605 và a0 từ -5,8025 đến -13,179.
Độ lún mặt đất tăng từ 10mm đến 20mm do tăng đường kính đường hầm từ 7
4.1.1.2. Ảnh hưởng của chiều sâu đặt đường hầm
- Trường hợp hầm đơn
Tiến hành phân tích lún mặt đất do đào đường hầm đơn bằng khiên đào
trong đất yếu khi thay đổi chiều sâu đặt đường hầm. Tổng hợp kết quả tính toán
Bảng 4.1: Tổng hợp kết quả tính toꢀn theo mô hꢁnh 3D
Độ sâu đặt đường hầm
Chuyển vị đứng (cm)
Chuyển vị ngang (cm)
12,5 14,5 15
8,5 7,0 6,9
1,27 1,09 0,95 0,63
20
3,65
28
2,20
0,35
30
1,77
0,07
40
1,39
0,07
Với đường kính đường hầm 7,8m, với chiều sâu đặt đường hầm tăng dần
thấy rằng khi càng xuống sâu thì giá trị lún mặt đất càng giảm và ở một độ sâu
nhất định thì giá trị lún này là không đáng kể (trong trường hợp này là 25m,
14
- Trường hợp hầm tuyến đôi:
Luận án nghiên cứu sự thay đổi
chiều sâu đặt đường hầm tuyến
nhất có quan hệ nghịch biến với
độ sâu đặt đường hầm. Đường
hầm tuyến đôi có tổng độ lún mặt
đất đường hầm tuyến đôi lớn hơn
so với đường hầm đơn từ 16,76%
Bảng 4.2: Tổng hợp kết quả tính toꢀn đường hầm tuyến đôi khi thay đổi chiều sâu đặt
hầm
12
-16
-20
16
-14,1
-17
24
-8,8
-13
28
-7,6
-11
36
-6
Độ sâu đặt đường hầm (m)
Độ lún mặt đất lớn nhất hầm thứ nhất (mm)
Độ lún mặt đất lớn nhất của hai hầm (mm)
Chênh lệch (%)
-8,8
23,12 16,76 24,28 19,65 16,18
4.1.1.3. Ảnh hưởng của sự thay đổi khoảng cách giữa hai đường hầm tuyến đôi
Ảnh hưởng của sự thay đổi trong khoảng cách nằm ngang L đến chuyển vị
của nền đất đã được nghiên cứu trong trường hợp độ sâu đặt đường hầm là
1,5D. Khoảng cách giữa hai đường hầm tuyến đôi lần lượt bằng 1,5D, 2D, 2,5D.
- Khi đường hầm thứ hai ở bên
cạnh một đường hầm thứ nhất vừa
xây xong, thì độ lún mặt đất của
đường hầm thứ hai sẽ lớn hơn so
với độ lún mặt đất của đường hầm
thứ nhất và sau khi thi công xong
cả hai đường hầm thì đường trung
tâm của rãnh lún trên mặt đất gây
ra giữa hai đường hầm sẽ không
đối xứng.
- Khi xây dựng hai đường hầm đặt song song cùng độ sâu, nếu cự ly quá gần
thì áp lực rất lớn, khối đất giữa hai đường hầm sẽ không chịu được và có thể bị
phá hoại. Kết quả tính toán cho thấy, để hai đường hầm chịu lực độc lập thì
khoảng cách giữa hai đường hầm lớn hơn 20m, tức là khoảng 2,5 lần đường
kính hầm.
15
4.1.2. Ảnh hưởng của các đặc tính nền đất
4.1.2.1. Ảnh hưởng của lực dính
- Trường hợp hầm đơn
Các giá trị độ lún mặt đất ứng với các giá trị khác nhau của lực dính của đất
nền được thể hiện trong hình 4.10.
Hình 4.11: Ảnh hưởng của sự thay đổi lực
dính của đất nền đến đường cong lún mặt đất
do đào đường hầm tuyến đôi bằng khiên đào.
Hình 4.10: Ảnh hưởng của lực dính của đất
nền lên lún mặt đất do đào đường hầm đơn
bằng khiên đào.
- Trường hợp hầm tuyến đôi
Đường cong lún mặt đất khi đào đường hầm tuyến đôi trong các trường hợp
40mm khi lực dính của đất nền tăng 10kPa.
4.1.2.2. Ảnh hưởng của góc ma sát trong của đất nền
- Trường hợp hầm đơn
Luận án đã thực hiện thay đổi các giá trị góc ma sát trong của đất nền khác
nhau với các giá trị 2o, 4o, 6o, 8o và 10o được áp dụng để khảo sát ảnh hưởng đến
độ lún mặt đất. Từ số liệu tính toán bằng mô hình, thiết lập quan hệ giữa độ lún
đại diện quan hệ trên có dạng hàm đa thức bậc 3 với R² = 0,9873;
Smax= 0,0055.3 - 0,0961.2 + 0,3024. + 12,551
Hình 4.12: Lún mặt đất do đào đường hầm
đơn bằng khiên đào khi thay đổi góc ma sát
trong của đất nền.
Hình 4.13: Ảnh hưởng của sự thay đổi góc ma
sát trong của đất nền đến đường cong lún mặt
đất do đào đường hầm tuyến đôi bằng khiên đào.
- Trường hợp hầm tuyến đôi
Đường cong lún mặt đất khi đào đường hầm tuyến đôi trong các trường
khoảng 1mm khi góc ma sát trong của đất nền tăng 20.
16
4.1.3. Ảnh hưởng của các đặc tính khiên đào
4.1.3.1. Ảnh hưởng của áp lực cân bằng bề mặt gương
- Trường hợp hầm đơn
So sánh giữa các kết quả cho thấy độ lún lớn nhất sẽ giảm khoảng 0,8mm
nếu áp lực bề mặt tăng lên khoảng 50 kPa. Khi áp lực cân bằng bề mặt tăng lên
- Trường hợp hầm tuyến đôi
Khi áp lực cân bằng bề mặt gương tăng, lượng lún mặt đất giảm xuống. Nó
cho thấy rằng áp lực cân bằng bề mặt gương là một tham số quan trọng để kiểm
soát độ lún mặt đất và tác động môi trường của đào đường hầm (Hình 4.15).
Hình 4.15: Các dạng đường cong lún do đào
đường hầm tuyến đôi bằng khiên đào theo sự
biến thiên của áp lực cân bằng bề mặt gương.
4.1.3.2. Ảnh hưởng của lượng tổn thất đất
Bảng 4.3: Cꢀc giꢀ trị lún ứng vꢄi phần trăm mất mꢀt thể tích khꢀc nhau.
VL (%)
Smax (cm)
0,5
1,5
0,6
1,7
0,7
1,9
0,8
2,2
0,9
2,4
1,0
2,5
Hình 4.16: Biểu đồ quan hệ giữa độ lún mặt
đất và lượng tổn thất đất do đào đường hầm
đơn bằng khiên đào.
Hình 4.17: Độ lún mặt đất lꢄn nhất do đào
đường hầm tuyến đôi bằng khiên đào tại TP.
HCM.
17
Ảnh hưởng của các giá trị lượng tổn thất đất khác nhau đối với độ lún mặt
đất tăng lên.
Bảng 4.4: Độ lún mặt đất lꢄn nhất do đào đường hầm tuyến đôi bằng khiên đào ứng
vꢄi cꢀc giꢀ trị mất mꢀt thể tích khꢀc nhau.
Độ lún mặt đất lớn nhất (mm)
Mất mát thể tích (%)
Đường hầm trái
12,35
Đường hầm phải
20,22
0,5
0,75
1,0
14,19
22,43
15,89
24,34
1,25
1,5
17,68
18,62
26,45
27,49
4.1.3.3. Ảnh hưởng của áp lực phụt vữa chèn
Hình 4.18: Độ lún mặt đất do đào đường hầm
đơn ứng vꢄi các giá trị khác nhau của áp lực
phụt vữa ở đuôi của khiên đào.
Hình 4.19: Lún dọc trục do đào đường hầm
đơn bằng khiên đào vꢄi các giá trị khác
nhau của áp lực phụt vữa.
Khi áp lực phụt vữa chèn thay đổi 133% thì độ lún mặt đất lớn nhất giảm đi
4.1.4. Ảnh hưởng của các đặc tính tải trọng
hình 4.21 cho thấy sự biến thiên của lún mặt đất lớn nhất theo phụ tải bề mặt
theo phương pháp số và thực nghiệm (Herzog (1985) và Schmidt (1981) cho
một đường hầm đặt ở độ sâu 20,8m. Kết quả PLAXIS 3DT cho thấy sự gia tăng
phụ tải bề mặt từ 0 đến 30 kPa dẫn tới gia tăng độ lún mặt đất khoảng 1mm.
Hình 4.21 cho thấy các đường cong lún dọc trục đường hầm ứng với bốn giá
trị của phụ tải bề mặt. Kết quả cho thấy lún mặt đất dọc trục đường hầm tăng
khi phụ tải bề mặt tăng lên.
18
khiên đào.
đơn bằng khiên đào.
4.2. Xây dựng hàm hồi quy để dự báo quy luật lún mặt đất
Chương trình tính DBL2 giả thiết hàm hồi quy cho độ lún mặt đất lớn nhất
và độ lệch tiêu chuẩn của đường cong tính lún có dạng như sau:
i a0 a11 z / D a (L / D) a c a41 a51P a61Q
0
21
31
a12 z / D 2 a22 L / D a32c2 a422 a52P2 a62Q2
(4.1)
2
0
a13 z / D 3 a23 L / D a33c3 a433 a53P3 a63Q3
3
0
Smax a0 a11 z / D a (L / D) a c a41 a51P a61Q
0
21
31
a12 z / D 2 a22 L / D a32c2 a422 a52P2 a62Q2
(4.2)
2
0
a13 z / D 3 a23 L / D a33c3 a433 a35P3 a63Q3
3
0
Bảng 4.5: Cꢀc tham số của hàm hồi quy dự bꢀo độ lún lún mặt đất do đào hầm bằng
khiên đào trong đất yếu.
Hàm hồi quy
Hàm hồi quy
Hàm hồi quy
Hệ số
Hệ số
Hệ số
i
Smax
338,4116
6,6494
0,5807
-0,8748
0,8209
-1,4771
-2,1815
i
Smax
i
Smax
a0
95,1716
-2,6902
-5,5485
1,0406
-1,7012
1,0618
-1,6712
a11
a21
a31
a41
a51
a61
a12
a22
a32
a42
A52
A62
1,0416
3,7772
-0,1188
0,2939
-0,0050
0,0058
-2,8708
-0,3382
0,0828
-0,1826
0,0068
0,0075
a13
a23
a33
a43
A53
A63
-0,0614
-0,4935
0,0044
-0,0146
7,64E-06
0,2180
-0,0078
-0,0028
0,0094
-1,05E-05
-6,62E-06 -8,63E-06
Giải bài toán với chương trình tính DBL, luận án đã tìm được một phương
án mà tại đó trị số hàm mục tiêu đạt giá trị nhỏ nhất PS = 80,8.
Như vậy, hàm xấp xỉ đa thức bậc ba tốt nhất dự báo quy luật lún mặt đất do
đào hầm đơn bằng khiên đào trong đất yếu nhận được như sau:
i 95,1716 2,6902 z / D 5,5485(L / D) 1,0406c 1,7012 1,0618P 1,6712Q
0
1,0416 z / D 2 3,7772 L / D 0,1188c2 0,29392 0,0050P2 0,0058Q2
(4.3)
2
0
0,0614 z / D 3 0,4935 L / D 0,0044c3 0,01463 7,64E06.P3 6,62E06.Q3
3
0
Tải về để xem bản đầy đủ
27 trang
21820
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận án Nghiên cứu dự báo lún mặt đất do đào đường hầm bằng khiên đào trong đất yếu", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tom_tat_luan_an_nghien_cuu_du_bao_lun_mat_dat_do_dao_duong_h.pdf
