Nghiên cứu ứng xử của kết cấu chống trong đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong chịu tải trọng động đất tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

PHẠM VĂN VĨ

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CHỐNG TRONG ĐƯỜNG HẦM
TIẾT DIỆN HÌNH CHỮ NHẬT CONG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT

Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình ngầm
Mã số: 9580204

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI – 2022


Cơng trình được hồn thành tại Bộ mơn Xây dựng Cơng trình ngầm và mỏ,
Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Đỗ Ngọc Anh
2. GS.TS Daniel Dias

Phản biện 1: GS.TS Đỗ Như Tráng
Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải
Phản biện 2: TS Ngô Ngọc Thủy
Học viện Kỹ thuật Quân sự
Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Xuân Mãn
Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại

Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi …giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia
Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Thực tế đã cho thấy sự cần thiết và vai trò ngày càng quan trọng của hệ thống cơng
trình ngầm (CTN) đối với nhiều quốc gia trên thế giới. CTN đang được xây dựng với tốc
độ ngày càng tăng do nhu cầu cần thiết mở rộng không gian ngầm tại các khu đô thị đông
dân cư và các thành phố lớn. Do đặc điểm làm việc tương tác với môi trường đất đá xung
quanh nên CTN có khả năng chống động đất tốt hơn các cơng trình xây dựng trên mặt
đất. Mặc dù vậy, sự phá hủy của các CTN do động đất gây ra đã được ghi nhận tại nhiều
nơi trên thế giới. Xét đến quy mơ, chi phí xây dựng và vai trò của các CTN trong xã hội
hiện đại, ngay cả những tác động động đất nhỏ cũng có thể dẫn đến những thiệt hại đáng
kể. Do đó, việc xem xét ảnh hưởng của tải trọng động đất đến thiết kế, xây dựng, vận
hành và đánh giá rủi ro của CTN là rất quan trọng.
Ứng xử của các CTN khi chịu tải trọng động đất thường được nghiên cứu bằng các
phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp giải tích, phương pháp thực nghiệm,
phương pháp số. Hầu hết các kết quả nghiên cứu trên được thực hiện với đối tượng là các
đường hầm có tiết diện ngang hình trịn và hình chữ nhật. Trên thực tế cịn có các đường
hầm có các dạng tiết diện mặt cắt ngang khác, trong số đó có đường hầm tiết diện ngang
hình chữ nhật cong đã được phát triển gần đây và là đối tượng nghiên cứu của luận án
này.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào phát triển một phương pháp số dùng để tính tốn nội
lực phát sinh trong kết cấu chống (KCC) cũng như khảo sát các thông số ảnh hưởng
(KCC đường hầm, khối đất, v.v…) đến ứng xử của kết cấu đường hầm tiết diện hình chữ
nhật cong (tiết diện chữ nhật cong) khi chịu tải trọng động đất. Các mục tiêu chính của

luận án gồm:
- Làm rõ được ứng xử của đường hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất.
Đặc biệt chú ý đến điều kiện liên kiết giữa KCC và khối đất (đá) xung quanh (khối đấtKCC);
- Khảo sát được ảnh hưởng của các thông số như mô đun đàn hồi của đất, gia tốc
ngang lớn nhất và chiều dày KCC đến ứng xử của đường hầm tiết diện chữ nhật cong
chịu tải trọng động đất;
- Xây dựng được một sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới tác dụng lên KCC đường
hầm tiết diện chữ nhật cong khi chịu tải trọng động đất trong phương pháp HRM
(phương pháp lực kháng đàn hồi).
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Đường hầm tiết diện chữ nhật cong, chống giữ bằng kết
cấu chống liền khối làm việc trong môi trường đàn hồi, đào trong khu vực đô thị;
1


- Phạm vi nghiên cứu: Nội lực phát sinh trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật
cong khi chịu tải trọng động đất; Các thông số ảnh hưởng đến ứng xử của kết cấu chống
đường hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Tiếp thu, kế thừa: Tìm hiểu, tổng hợp, phân tích và đánh giá các tài liệu hiện có để
tiếp thu và kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đây liên quan đến tính tốn nội lực của
KCC đường hầm khi chịu tải trọng động đất.
- Phương pháp số: Mô phỏng đường hầm chịu tải trọng động đất bằng phần mềm
FLAC3D (Itasca, 2012) (FDM), Plaxis V8.6 và ngôn ngữ lập trình trong phần mềm
Matlab để tính tốn nội lực trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong trong điều
kiện chịu tải trọng động đất.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Làm rõ được biểu hiện ứng xử của kết cấu chống trong đường
hầm tiết diện chữ nhật cong khi chịu tải trọng động đất; Phát triển được phương pháp
HRM để tính tốn nội lực cho KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong khi chịu tải trọng

động đất. Đây là một tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà khoa học, góp phần đa dạng
hóa các phương pháp tiếp cận và nghiên cứu tính tốn, thiết kế các đường hầm khi chịu
tải trọng động đất.
- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở cho việc lựa chọn và đề
xuất giải pháp tính tốn thiết kế cho KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải
trọng động đất nhanh chóng, hiệu quả và phù hợp cho giai đoạn thiết kế sơ bộ.
6. Điểm mới của luận án
- Nghiên cứu ứng xử của KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng
động đất.
- Xây dựng một sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới tác dụng lên KCC đường hầm
tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất trong phương pháp HRM.
7. Luận điểm bảo vệ
 Luận điểm 1: Ứng xử của KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong có sự khác
biệt đáng kể so với KCC đường hầm tiết diện tròn khi chịu tải trọng động đất.
 Luận điểm 2: Xây dựng một sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới tác dụng lên
KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất trong phương pháp
HRM. Các công thức được đề xuất này đã được kiểm chứng với kết quả của mơ hình số
FDM.
8. Khối lượng và cấu trúc của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, 3 chương, kết luận, kiến nghị, các cơng trình khoa học
đã cơng bố liên quan đến luận án và danh mục tài liệu tham khảo. Tồn bộ nội dung luận
án trình bày trong 110 trang khổ giấy A4, trong đó có 9 bảng biểu, 47 hình vẽ.
2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CƠNG TRÌNH NGẦM CHỊU TẢI
TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
1.1. Đặt vấn đề
Cơng trình ngầm đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế - xã hội đất nước. Chúng
đang được xây dựng với tốc độ ngày càng tăng cho nhu cầu cần thiết mở rộng không gian

ở các khu đô thị đông dân cư và các thành phố lớn.
Lãnh thổ Việt Nam nằm ở vị trí khá đặc biệt trên bản đồ kiến tạo vỏ Trái đất và tồn
tại các nguy cơ gây ra động đất cao. Đã có nhiều nghiên cứu về động đất nhằm thống kê,
khoanh vùng, dự báo, đánh giá nguy cơ động đất và thiết kế (Nguyễn và nnk, 2009; Bùi,
2010; Mai Đức Minh, 2011; TCVN, 2012; Nguyễn và nnk, 2012; Nguyễn và nnk, 2014;
Nguyễn và nnk, 2015; Nguyễn Đình Xuyên, 2015; Lê và nnk, 2015; Lê Bảo Quốc, 2015;
Đỗ Ngọc Anh, 2016).
Do đặc điểm làm việc tương tác với môi trường đất đá xung quanh nên các CTN có
khả năng chống động đất tốt hơn các cơng trình xây dựng trên bề mặt. Mặc dù vậy, số
liệu thống kê trên thế giới đã cho thấy nhiều dự án CTN bị phá hủy do tác động của động
đất. Các đánh giá chi tiết về tác động động đất của các CTN có thể được tìm thấy trong
các tài liệu liên quan (Hashash và nnk, 2001; Lanzano và nnk, 2008; Roy và Sarkar,
2016; Yu và nnk, 2016; Jaramillo, 2017). Do đó, việc xem xét ảnh hưởng của tải trọng
động đất đến việc phân tích, thiết kế, xây dựng, vận hành và đánh giá rủi ro của CTN là
rất quan trọng.
1.2. Ảnh hưởng của động đất tới CTN
Các tác động của động đất đối với các CTN có thể chia thành hai nhóm: rung lắc mặt
đất và phá hủy mặt đất (Wang, 1993) hoặc bốn nhóm: rung lắc mặt đất, phá hủy mặt đất,
gây trượt và hóa lỏng đất (FHWA, 2004). Phản ứng của khối đất do các loại sóng động
đất gây ra:
- Sóng khối truyền bên trong lớp vỏ trái đất;
- Sóng bề mặt truyền dọc theo bề mặt vỏ trái đất.
Ba dạng biến dạng của các CTN do sự rung lắc mặt đất gây ra:
- Nén / kéo dọc trục;
- Uốn dọc trục;
- Biến dạng Ovan (tiết diện trịn) / hình bình hành (tiết diện chữ nhật).
Mặt khác, sự cố phá hủy mặt đất do động đất gây ra:
- Phá hủy do hóa lỏng;
- Phá hủy do dịch chuyển các phay/đứt gẫy;
- Phá hủy do trượt mái dốc.

1.3. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của động đất tới CTN
Ứng xử của CTN khi chịu tải trọng động đất thường được nghiên cứu sử dụng các
phương pháp khác nhau, bao gồm:
3


- Phương pháp giải tích;
- Phương pháp thực nghiệm (mơ hình vật lý);
- Phương pháp số: phương pháp tải trọng tĩnh tương đương và phương pháp phân
tích động thực.
1.4. Đường hầm tiết diện chữ nhật cong
Đường hầm tiết diện tròn có hệ số sử dụng tiết diện ngang thấp. Trong khi đó, đường
hầm tiết diện chữ nhật lại có độ ổn định thấp. Gần đây, để khắc phục những hạn chế này,
đường hầm tiết diện chữ nhật cong đã được nghiên cứu và áp dụng. Đường hầm tiết diện
chữ nhật cong có các ưu điểm:
- Nâng cao hiệu quả sử dụng không gian ngầm;
- Giảm được khối lượng đào so với đường hầm tiết diện tròn;
- Giảm được hiện tượng tập trung ứng suất tại các góc so với đường hầm tiết diện
chữ nhật.
Một số nghiên cứu thực nghiệm cho kết cấu chống đường hầm tiết diện chữ nhật
cong với tỷ lệ thực hoặc tỷ lệ thu nhỏ (Liu và nnk, 2018; Zhang và nnk, 2017; Konstantin
và nnk, 2017; Zhu và nnk, 2017; Zhang và nnk, 2019), nghiên cứu trên mơ hình số (Do
và nnk, 2020) đã được thực hiện. Tuy nhiên, những nghiên cứu trên mới chỉ nghiên cứu
cho đường hầm tiết diện chữ nhật cong khi chịu tải trọng tĩnh mà chưa đề cập đến sự làm
việc của đường hầm này khi chịu tải trọng động đất.
1.5. Kết luận
Nhiều cơng trình nghiên cứu trên thế giới về CTN khi chịu tải trọng động đất cho
phép đánh giá ứng xử của CTN. Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu tập trung cho CTN
tiết diện tròn và tiết diện chữ nhật, chưa có nghiên cứu nào thực hiện cho CTN tiết diện
chữ nhật cong khi chịu tải trọng động đất và đây là đối tượng nghiên cứu chính của luận

án.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH SỐ CHO ĐƯỜNG HẦM TIẾT DIỆN
CHỮ NHẬT CONG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
Trong chương này, tác giả sử dụng mơ hình số FDM hai chiều trong phần mềm
FLAC3D để nghiên cứu ứng xử của đường hầm tiết diện chữ nhật cong khi chịu tải trọng
động đất. Mơ hình này được phát triển dựa trên việc xây dựng mơ hình số cho đường
hầm tiết diện trịn chịu tải trọng tĩnh tương đương đã được kiểm chứng với phương pháp
giải tích (Wang, 1993; Hashash và nnk, 2001; Hashash và nnk, 2005; Kouretzis và nnk,
2013). Các thông số ảnh hưởng như mô đun đàn hồi của đất, gia tốc ngang lớn nhất và
chiều dày của KCC đến ứng xử của đường hầm dưới tác dụng của tải trọng động đất đã
được thực hiện. Trong chương này, sự khác biệt về ứng xử của KCC, thể hiện thông qua
giá trị nội lực, trong đường hầm tiết diện chữ nhật cong và tiết diện tròn dưới tải trọng
4


động đất khi xét đến điều kiện liên kết giữa khối đất và KCC đường hầm được phân tích
chi tiết. Cần lưu ý trong toàn bộ luận án, giá trị nội lực trong KCC được hiểu là phần giá
trị nội lực gia tăng xác định bằng nội lực của KCC khi chịu tải trọng động đất trừ đi giá
trị nội lực tương ứng trong điều kiện tải trọng tĩnh.
2.1. Mô phỏng số đường hầm tiết diện tròn khi chịu tải trọng động đất
2.1.1. Thông số tham khảo của đường hầm trong nghiên cứu
Các thông số về mặt cắt ngang của đường hầm tiết diện chữ nhật cong trong nghiên
cứu này được lấy từ đường hầm đã được xây dựng ở Thượng Hải, Trung Quốc (Do và
nnk, 2020). Kích thước của đường hầm tiết diện chữ nhật cong có chiều rộng là 9,7m và
chiều cao là 7,2m và có diện tích tiết diện đào 60m2 (Hình 2.1). Đường hầm được chống
giữ bằng kết cấu bê tơng lắp ghép có chiều dày 0,5m. Trong nghiên cứu này, sử dụng
KCC bê tông liền khối, khơng tính đến ảnh hưởng của các mối nối giữa các tấm vỏ
chống. Căn cứ vào tiết diện ngang của đường hầm tiết diện chữ nhật cong, tác giả xác
định kích thước của đường hầm tiết diện trịn có cùng diện tích sử dụng như đường hầm
tiết diện chữ nhật cong, cụ thể: bán kính 4,89m, diện tích tiết diện đào là 75m2 (Hình

2.2).
o1 (0, 6350)

500

R9450
R500

o

o

8
(-3400, 1930)

5
(3400, 1930)

o

o

3
(-500, 0)

4
(500, 0)

(-3400, -1930)
7

6200

R4850

(3400, -1930)
6

o

500

o

500

8700

500

o2 (0, -6350)

Hình 2.1. Đường hầm tiết diện chữ nhật
cong ở Thượng Hải (Do và nnk, 2020),
đơn vị là mm

Hình 2.2. Đường hầm tiết diện trịn có cùng
tiết diện sử dụng với đường hầm tiết diện
chữ nhật cong, đơn vị là mm

2.1.2. Mơ hình số của đường hầm tiết diện trịn
Xây dựng mơ hình số sai phân hữu hạn (FDM) cho đường hầm tiết diện tròn sử dụng
phần mềm (FLAC3D) (Itasca, 2012) để nghiên cứu ứng xử của đường hầm tiết diện tròn
chịu tải trọng tĩnh tương đương. Tương tự các nghiên cứu trước đó của Sederat và nnk.
(2009), Naggar và Hinchberger. (2012), và Do và nnk. (2015), biến dạng ovan của KCC
đường hầm tiết diện tròn gây ra bởi tải trọng động đất được mô phỏng bằng cách gán
chuyển vị phân bố hình tam giác ngược lên hai biên hơng của mơ hình và gán chuyển vị
5


bằng hằng số lên trên đỉnh của mơ hình (Hình 2.4). Độ lớn của chuyển vị áp gán lên biên
của mơ hình được xác định thơng qua biến dạng cắt lớn nhất, max, tính tốn dựa trên gia
tốc ngang lớn nhất, aH, và các thông số liên quan (Bảng 2.1). Đáy của mơ hình được cố
định theo mọi phương.

Hình 2.4. Sơ đồ gán chuyển vị trong mơ hình số của đường hầm tiết diện tròn chịu tải
trọng tĩnh tương đương (Do và nnk, 2015)
Bảng 2.1. Các thông số của đất và KCC đường hầm tiết diện trịn
Thơng số
Ký hiệu
Đơn vị
Tính chất của đất
Trọng lượng thể tích
γ
MN/m3
Mơ đun đàn hồi
Es
MPa
Hệ số Poisson
νs

Góc ma sát trong
φ
độ
Lực dính kết
c
MPa
Hệ số áp lực ngang
K0
Chiều sâu đến tâm đường hầm
H
m
Gia tốc ngang lớn nhất
aH
g
Cường độ trận động đất
Mw
Khoảng cách tới tâm chấn
km
Tính chất của KCC đường hầm
Mô đun đàn hồi
El
MPa
Hệ số Poisson
νl
Chiều dày kết cấu chống
t
m
Đường kính đào đường hầm
D
m

Giá trị
0.018
100
0.34
33
0
0.5
20
0.5
7.5
10
35000
0.15
0.5
9.76

2.2. Kiểm chứng độ tin cậy của mơ hình số cho trường hợp đường hầm tiết diện tròn
Kết quả của phương pháp số với điều kiện tải trọng tĩnh tương đương được so sánh
với phương pháp giải tích do Wang (1993) đề xuất và được cải tiến sau đó bởi Kouretzis
(2013). Các đặc tính của khối đất và vật liệu KCC đường hầm trong nghiên cứu được giả
thiết làm việc ở trạng thái đàn hồi. Hình 2.7 trình bày kết quả nội lực (mơmen M và lực
6


dọc N) trong KCC đường hầm tiết diện tròn được tính tốn bởi phương pháp số và
phương pháp giải tích trong hai điều kiện trượt và không trượt giữa KCC đường hầm và
khối đất xung quanh.
Phương pháp giải tích (Wang):

b) Lực dọc, MN/m

a) Mô men, MNm/m

Phương pháp số FDM (FLAC3D):

c) Mơ men, MNm/m

d) Lực dọc, MN/m

Hình 2.7. Phân bố nội lực trong KCC đường hầm tiết diện trịn được tính toán bằng
phương pháp số FDM (FLAC3D) và phương pháp giải tích (Wang, 1993).
- Kết quả nội lực được tính tốn bởi phương pháp số và phương pháp giải tích có sự
khác nhau không đáng kể, dưới 2%.
- Mômen lớn nhất trong KCC ở điều kiện trượt lớn hơn 14% so với mômen lớn nhất
trong KCC ở điều kiện không trượt (Hình 2.7a và 2.7c).
- Lực dọc lớn nhất trong KCC ở điều kiện trượt nhỏ hơn rất nhiều so với lực dọc lớn
nhất trong KCC ở điều kiện không trượt, xấp xỉ 80% (Hình 2.7b và 2.7d).
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như gia tốc ngang lớn nhất, aH, mô đun
đàn hồi của đất, Es, và chiều dày KCC đường hầm, t, có xét đến ảnh hưởng của điều kiện
liên kết (trượt, không trượt) giữa khối đất và KCC đường hầm cũng cho thấy kết quả nội

7


lực được tính tốn bởi phương pháp số và phương pháp giải tích có sự khác nhau khơng
đáng kể, dưới 2%.
2.3. Mô phỏng số cho đường hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất
Trong phần này, mô hình số phát triển cho đường hầm tiết diện chữ nhật cong được
xây dựng tương tự như mơ hình số cho đường hầm tiết diện tròn đã được kiểm chứng ở

trên, chỉ có hình dạng tiết diện trịn được thay đổi thành hình dạng tiết diện chữ nhật cong
(Hình 2.11). Các thơng số hình học của đường hầm tiết diện chữ nhật cong được trình
bày trong Hình 2.1 và các thơng số khác được trình bày trong Bảng 2.1.

Hình 2.11. Sơ đồ gán chuyển vị trong mơ hình số của đường hầm tiết diện chữ nhật cong
chịu tải trọng tĩnh tương đương
2.4. Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến KCC đường hầm tiết diện chữ nhật
cong trong điều kiện tải trọng tĩnh tương đương
Hình 2.14 giới thiệu kết quả của mô men và lực dọc trong KCC đường hầm tiết diện
chữ nhật cong khi chịu tải trọng tĩnh tương đương có xét đến ảnh hưởng của điều kiện
liên kết (trượt, không trượt) giữa khối đất và KCC đường hầm.
- Mômen và lực dọc lớn nhất quan sát được trong KCC đường hầm tiết diện chữ
nhật cong xuất hiện ở các góc (đoạn có bán kính cong nhỏ) trên tiết diện ngang của
đường hầm.
- Mômen lớn nhất trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong ở điều kiện không
trượt lớn hơn ở điều kiện trượt. Kết quả này ngược lại với kết quả thu được cho trường
hợp của KCC đường hầm tiết diện tròn. Điều này cho thấy sự khác biệt về ứng xử của hai
loại KCC trong đường hầm tiết diện tròn và đường hầm tiết diện chữ nhật cong khi chịu
tải trọng động đất.
Trong các phần tiếp theo, ảnh hưởng của các thông số như gia tốc ngang lớn nhất, aH,
mô đun đàn hồi của đất, Es, và chiều dày KCC đường hầm, t, và ảnh hưởng của điều kiện
liên kết (trượt, không trượt) giữa khối đất và KCC được khảo sát. Các nghiên cứu này
nhằm làm nổi bật kết quả khác biệt giữa ứng xử của đường hầm tiết diện chữ nhật cong
với đường hầm tiết diện trịn có cùng tiết diện sử dụng khi chịu tải trọng động đất.
8


a) Mơ men M, (MNm/m)

b) Lực dọc N, (MN/m)

Hình 2.14. Phân bố nội lực trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong được tính tốn
bởi phương pháp số FDM (FLAC3D)
2.4.1. Ảnh hưởng của gia tốc ngang lớn nhất (aH)
Gia tốc ngang lớn nhất, aH thay đổi trong phạm vi từ 0.05g tới 0.75g tương ứng với
biến dạng cắt, γmax, thay đổi từ 0.038% tới 0.57%. Các thông số khác như trong Bảng 2.1.
Kết quả cho thấy, mô men và lực dọc trong KCC đường hầm tăng tuyến tính khi aH tăng
(Hình 2.15).
1.5

Giá trị gia tăng lực dọc lớn nhất và nhỏ nhất N
(MN/m)

Giá trị gia tăng mô men lớn nhất và nhỏ nhất M
(MNm/m)

1.5
1
0.5
0

1
0.5
0

-0.5

-0.5
-1

-1.5

Mmax_CNC_ns
Mmax_Trịn_ns
Mmin_CNC_ns
Mmin_Trịn_ns

-2

-1

-1.5

Mmax_CNC_fs
Mmax_Trịn_fs
Mmin_CNC_fs
Mmin_Trịn_fs

-2.5

Nmax_CNC_ns
Nmax_Trịn_ns
Nmin_CNC_ns
Nmin_Trịn_ns

-2

Nmax_CNC_fs
Nmax_Trịn_fs
Nmin_CNC_fs

Nmin_Trịn_fs

-2.5

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0

aH (g)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

aH (g)

a) Mơ ment, MNm/m

b) Lực dọc, MN/m

Hình 2.15. Ảnh hưởng của gia tốc ngang lớn nhất tới nội lực trong KCC đường hầm tiết
diện chữ nhật cong và tiết diện tròn
- Ở điều kiện không trượt, mômen trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong
lớn hơn xấp xỉ 20% so với mô men trong KCC đường hầm tiết diện tròn;
- Ở điều kiện trượt, mơmen trong KCC đường hầm tiết diện trịn lớn hơn xấp xỉ 4%
so với mô men trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong;
- Với KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong, mô men trong KCC đường hầm ở
điều kiện trượt luôn nhỏ hơn khoảng 10% so với điều kiện không trượt. Mối quan hệ này
trái ngược với trường hợp của đường hầm tiết diện tròn;

9

- Đối với cả hai hình dạng tiết diện ngang của đường hầm, lực dọc trong KCC
đường hầm ở điều kiện không trượt lớn hơn khoảng 80% so với điều kiện trượt;
Lực dọc trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong nhỏ hơn 9% so với lực dọc
trong KCC đường hầm tiết diện trịn ở điều kiện khơng trượt (Hình 2.15b).
2.4.2. Ảnh hưởng của mơ đun đàn hồi của đất (Es)
Mô đun đàn hồi của đất, Es, được giả thiết thay đổi trong khoảng từ 10 tới 350 MPa,
các thông số khác như trong Bảng 2.1. Kết quả nhận được ở Hình 2.16 cho thấy rằng:
Giá trị gia tăng lực dọc lớn nhất và nhỏ nhất N
(MN/m)

Giá trị gia tăng mơ men lớn nhất và nhỏ nhất M
(MNm/m)

1.25
1
0.75
0.5
0.25

Mmax_CNC_ns
Mmax_Trịn_ns
Mmin_CNC_ns
Mmin_Trịn_ns

0
-0.25

Mmax_CNC_fs
Mmax_Trịn_fs

Mmin_CNC_fs
Mmin_Trịn_fs

-0.5
-0.75
-1
-1.25

1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
Nmax_CNC_ns
Nmax_Trịn_ns
Nmin_CNC_ns
Nmin_Trịn_ns

-2
-2.5

Nmax_CNC_fs
Nmax_Trịn_fs
Nmin_CNC_fs
Nmin_Trịn_fs

-3

0

50

100

150

200

250

300

350

0

50

100

150

200

250

300

350

Mơđun đàn hồi, Es (MPa)

Môđun đàn hồi, Es (MPa)

a) Mô ment, MNm/m

b) Lực dọc, MN/m

Hình 2.16. Ảnh hưởng của Es tới nội lực trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong
và tiết diện trịn
- Ở điều kiện khơng trượt: Mơ men gây ra trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật
cong luôn lớn hơn mô men trong KCC đường hầm tiết diện tròn khi Es thay đổi;
- Ở điều kiện trượt:
+ Khi Es < 150 MPa, mômen trong KCC đường hầm tiết diện trịn lớn hơn mơmen
trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong;
+ Khi trị Es > 150 MPa, mơmen uốn trong KCC đường hầm tiết diện trịn lại nhỏ
hơn mômen trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong.
- Khi Es tăng gây ra sự gia tăng đáng kể lực dọc trong KCC đường hầm ở cả hai
đường hầm tiết diện chữ nhật cong và tiết diện tròn đối với điều kiện khơng trượt. Trong
khi đó, gần như khơng có sự thay đổi của lực dọc trong KCC đường hầm ở điều kiện
trượt khi Es thay đổi;
- Lực dọc trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong nhỏ hơn 9% so với lực dọc
trong KCC đường hầm tiết diện tròn.
2.4.3. Ảnh hưởng của chiều dày KCC đường hầm (t)
Chiều dày KCC đường hầm được giả thiết thay đổi trong khoảng từ 0,2 tới 0,8m
trong khi các thông số khác như trong Bảng 2.1. Hình 2.17 cho thấy chiều dày KCC
đường hầm có ảnh hưởng lớn đến nội lực xuất hiện trong hai loại tiết diện đường hầm khi
chịu tải trọng động đất.

10


Giá trị gia tăng lực dọc lớn nhất và nhỏ nhất N
(MN/m)

Giá trị gia tăng mô men lớn nhất và nhỏ nhất M
(MNm/m)

2
1.5
1
Mmax_CNC_ns
Mmax_CNC_fs
Mmax_Tròn_ns
Mmax_Tròn_fs
Mmin_CNC_ns
Mmin_CNC_fs
Mmin_Tròn_ns
Mmin_Tròn_fs

0.5
0

-0.5
-1

-1.5

1

0.5

0

-0.5

-1
Nmax_CNC_ns
Nmax_Tròn_ns
Nmin_CNC_ns
Nmin_Tròn_ns

-1.5

Nmax_CNC_fs
Mmax_Tròn_fs
Nmin_CNC_fs
Mmin_Tròn_fs

-2

-2
0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.1

0.9

Chiều dày vỏ chống (m)

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Chiều dày vỏ chống (m)

b) Lực dọc, MN/m

a) Mơ ment, MNm/m

Hình 2.17. Ảnh hưởng của t tới nội lực trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong
- Điều kiện không trượt, mômen trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong
luôn lớn hơn mơ men trong KCC đường hầm tiết diện trịn. Sự chênh lệch giảm dần từ
124% xuống còn 6%, tương ứng với chiều dày KCC tăng từ 0,2 đến 0,8 m;
- Điều kiện trượt:
+ Khi t < 0,5 m, mômen trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong lớn hơn
mô men trong KCC đường hầm tiết diện tròn;
+ Khi t > 0,5 m, mômen trong KCC đường hầm tiết diện trịn lại lớn hơn mơ men
trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong.
- Lực dọc trong KCC đường hầm ở điều kiện không trượt luôn lớn hơn nhiều lực
dọc ở điều kiện trượt;
- Lực dọc trong KCC đường hầm tiết diện tròn lớn hơn lực dọc trong KCC đường
hầm tiết diện chữ nhật cong khoảng 9% đối với điều kiện khơng trượt và 25% đối với
điều kiện trượt (Hình 2.17b).
Kết quả cho thấy tăng chiều dày KCC khi thiết kế các đường hầm chịu động đất
không phải là giải pháp hiệu quả.
2.5. Kết luận
Dựa trên kết quả nghiên cứu, có thể rút ra kết luận như sau:
- Các thơng số aH, Es và t có ảnh hưởng lớn đến nội lực gây ra trong KCC của hai
đường hầm tiết diện chữ nhật cong và tiết diện tròn đối với cả điều kiện không trượt và
trượt;
- Điều kiện liên kết giữa khối đất và KCC đường hầm có ảnh hưởng lớn đến ứng xử
của KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong. Ứng xử của KCC đường hầm tiết diện chữ
nhật cong hoàn toàn khác so với ứng xử của KCC đường hầm tiết diện trịn. Cụ thể,
mơmen trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong ở điều kiện không trượt lớn hơn ở

điều kiện trượt, trái ngược với sự thay đổi mô men trong KCC đường hầm tiết diện tròn;

11


- Lực dọc trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong luôn nhỏ hơn khoảng 9% so
với lực dọc trong KCC đường hầm tiết diện tròn ở điều kiện không trượt;
- KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong làm việc nguy hiểm hơn ở điều kiện không
trượt khi chịu tải trọng động đất;
- Kết quả cho thấy giải pháp tăng chiều dày KCC khi thiết kế các đường hầm chịu
động đất không phải là giải pháp hiệu quả.
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN SƠ ĐỒ TẢI TRỌNG TĨNH TƯƠNG
ĐƯƠNG TÁC DỤNG LÊN KẾT CẤU CHỐNG ĐƯỜNG HẦM TIẾT DIỆN CHỮ
NHẬT CONG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT TRONG PHƯƠNG PHÁP HRM
Phương pháp HRM đã được sử dụng để xác định nội lực trong KCC đường hầm tiết
diện tròn do động đất gây ra ở điều kiện tải trọng tĩnh tương đương (Do và nnk, 2015;
Sun và nnk, 2020). Dựa trên ứng suất tiếp tác dụng lên KCC đường hầm được đề xuất bởi
Peinzen và Wu (1998) và Naggar và nnk. (2008), Do và nnk (2015) đã xác định các
thông số khơng thứ ngun của tải trọng ngồi tác dụng lên KCC đường hầm chịu tải
trọng động đất do ứng suất tiếp gây ra. Tiếp tục phát triển trên nghiên cứu trước đó của
Do và nnk (2015), Sun và nnk (2020) đã xem xét ảnh hưởng của khối đất xung quanh và
KCC đường hầm để xác định các thông số khơng thứ ngun của tải trọng ngồi tác dụng
lên KCC đường hầm.
Chương này nhằm mục đích giới thiệu một sơ đồ tải trọng tĩnh mới tác dụng lên
KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong khi chịu tải trọng động đất ở điều kiện tải trọng
tĩnh tương đương trong phương pháp HRM. Trình tự các nội dung thực hiện như sau:
- Trình bày các cơng thức tốn học cơ bản của phương pháp HRM;
- Đề xuất một sơ đồ tải trọng mới tác dụng lên KCC đường hầm tiết diện chữ nhật
cong. Sơ đồ tải trọng này có chứa hai thông số không thứ nguyên a, b sẽ được xác định ở
bước tiếp theo;

- Ba thông số a, b và β được xác định bằng cách hiệu chỉnh sao cho kết quả tính
tốn bằng phương pháp HRM phù hợp với kết quả của phương pháp số FDM sử dụng
phần mềm FLAC3D (Itasca, 2012) được sử dụng làm kết quả tham chiếu;
- Sơ đồ tải trọng mới được phát triển trong phương pháp HRM được kiểm chứng
bằng cách khảo sát với các yếu tố ảnh hưởng khác nhau bao gồm gia tốc ngang lớn nhất,
tính chất của đất, chiều dày KCC đường hầm, hình dạng đường hầm, kích thước đường
hầm và độ sâu đặt đường hầm.

12


3.1. Phương pháp HRM áp dụng cho đường hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải
trọng tĩnh
Phương pháp HRM đã được phát triển để tính tốn nội lực trong KCC đường hầm
chịu tải trọng tĩnh (Oreste, 2007; Do và nnk, 2014, 2015; Sun và nnk, 2020). Gần đây,
(Do và nnk, 2020) đã sử dụng phương pháp HRM để nghiên cứu ứng xử của các đường
hầm tiết diện hình vng cong và tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng tĩnh (Hình 3.1).

EI, EA

Hình 3.1. Sơ đồ mơ hình hóa kết cấu chống đường hầm trong phương pháp HRM khi
chịu tải trọng tĩnh. Với σv: tải trọng thẳng đứng; σh: tải trọng ngang; kn: độ cứng pháp
tuyến của lò xo; ks: độ cứng tiếp tuyến của lò xo; EI và EA: độ cứng của KCC đường
hầm; X và Y là tọa độ Cartesian (Do và nnk, 2020)
3.2. Phát triển phương pháp HRM áp dụng cho đường hầm tiết diện chữ nhật cong
chịu tải trọng động đất
Khi sử dụng phương pháp HRM để thiết kế đường hầm chịu tải trọng động đất, cần
phải xác định tải trọng bên ngoài tác dụng lên KCC đường hầm. Biến dạng hình ovan của
mặt cắt ngang đường hầm là biến dạng quan trọng nhất đối với các đường hầm tiết diện
tròn chịu tải trọng động đất (Hashash và nnk, 2001; Lu và nnk, 2017; Sun và nnk, 2019)

như trong Hình 3.4a. Ứng suất và biến dạng do động đất gây ra có thể dễ dàng được xác
định khi ứng suất cắt được đặt lên biên ngoài của trường tự do, như minh họa trong Hình
3.4b. Ứng suất cắt, τ, có thể xác định đựa trên biến dạng cắt của trường tự do γmax
(Penzien, 1998; Hashash và nnk, 2001):
Tương tự, ứng suất cắt đặt lên biên của trường tự do cũng gây ra biến dạng cho KCC
đường hầm tiết diện chữ nhật cong như trong Hình 3.4c. Kết quả này thu được bằng cách
sử dụng phương pháp số FDM (FLAC3D) và nội lực xuất hiện trong KCC đường hầm tiết
diện chữ nhật cong được trình bày trong Hình 3.5 (Hình 2.10 cho điều kiện khơng trượt).
Trên cơ sở phân tích các thành phần ứng suất tác dụng trên biên KCC đường hầm khi
chịu tải trọng tĩnh tương đương trong mơ hình số FDM, tác giả luận án đề xuất sơ đồ tải
trọng tác dụng lên KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong như thể hiện trên Hình 3.6.
Sơ đồ này đặc trưng bởi 2 hệ số không thứ nguyên a và b.
13


Hình 3.4. Biến dạng của KCC: (a) biến dạng hình ovan cho đường hầm tiết diện tròn; (b)
ứng suất cắt tương ứng; (c) biến dạng cho đường hầm tiết diện chữ nhật cong; (d) ứng
suất cắt tương ứng.

Nmax = 0.791 (MN/m)

Mmax = 0.900 (MNm/m)

a) Mơ men

b) Lực dọc

Hình 3.5. Phân bố mômen và lực dọc trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong
khi sử dụng phương pháp số FDM (FLAC3D)

14


Hình 3.6. Sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương tác dụng lên KCC đường hầm tiết diện
chữ nhật cong trong phương pháp HRM
Trong phương pháp HRM, sự tương tác giữa đất-KCC đường hầm thơng qua các nút
có gắn các lị xo pháp tuyến và tiếp tuyến (Hình 3.1), với độ cứng tương ứng là kn và ks,
và được xác định thông qua độ cứng ban đầu của đất η0. Trong các đường hầm tiết diện
chữ nhật cong, độ cứng ban đầu η0 sẽ thay đổi tùy thuộc vào bán kính của KCC đường
hầm (Do và nnk, 2020):
(3.8)
Trong đó νs và Es lần lượt là hệ số Poisson và mô đun đàn hồi của đất; Ri là bán kính
của đoạn cong thứ i (i = 1, 2 và 3 tương ứng với đỉnh, vai và hông của đường hầm); β là
hệ số không thứ nguyên cần xác định trong nghiên cứu này.
Trong các phân tích cho các bài tốn đường hầm khi chịu tải trọng tĩnh, giá trị của β
ảnh hưởng đến độ cứng của lò xo thường được chọn là 1 (Molins và nnk, 2011; Mashimo
và nnk, 2005) hoặc 2 (Do và nnk, 2015). Gần đây, (Sun và nnk, 2020) đã xác định giá trị
β tùy thuộc vào đặc tính của đất và KCC đường hầm đối với trường hợp đường hầm tiết
diện tròn khi chịu tải trọng động đất. Trong chương này, hệ số không thứ nguyên (β)
cũng cần được xác định để mô tả gần đúng nhất sự tương tác giữa khối đất - KCC đường
hầm.
3.3. Thực hiện q trình hiệu chỉnh, xác định các thơng số của sơ đồ tải trọng
Từ kết quả của mơ hình số FDM và kết quả được tiến hành hiệu chỉnh trong phương
pháp HRM xác định được ba thông số không thứ nguyên a, b và β bằng phân tích hồi
quy. Ba thông số a, b và β là các hàm số phụ thuộc vào tính chất của đất và tính chất của
KCC đường hầm. Trình tự thực hiện xem Hình 3.8 và Bảng 3.3.

15

3.3.1. Nghiên cứu thơng số trên mơ hình FDM
Sử dụng mơ hình số FDM đã xây dựng ở Chương 2 (Hình 2.9) để nghiên cứu thơng
số các yếu tố ảnh hưởng đến nội lực trong KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong với
dữ liệu đầu vào trong Bảng 3.1 (kết quả đã nghiên cứu ở mục 2.4 trong Chương 2) và
Bảng 3.2 (Hình 3.7). Các kết quả này sẽ sử dụng làm kết quả tham chiếu để thực hiện
hiệu chuẩn ba tham số không thứ nguyên a, b và β nhằm xác định sơ đồ tải trọng tĩnh
tương đương trong phương pháp HRM.
Bảng 3.1. Các dữ liệu đầu vào cho phát triển phương pháp HRM
Thơng số
Ký hiệu
Đơn vị
Tính chất của đất
Trọng lượng thể tích
γ
MN/m3
Mơ đun đàn hồi
Es
MPa
Hệ số Poisson
νs
Góc ma sát trong
φ
độ
Lực dính kết
c
MPa
Hệ số áp lực ngang
K0
Chiều sâu đến tâm đường hầm
H

m
Gia tốc ngang lớn nhất
aH
g
Cường độ trận động đất
Mw
Khoảng cách tới tâm chấn
Km
Tính chất của KCC đường hầm
Mô đun đàn hồi
E
MPa
Hệ số Poisson
ν
Chiều dày kết cấu chống
t
m
Chiều cao đường hầm
h
m
Chiều rộng đường hầm
w
m

Giá trị
0.018
10-350
0.34
33
0

0.5
20
0.5
7.5
10
35000
0.15
0.3-0.8
7.2
9.7

Bảng 3.2. Các thông số hình học của các tiết diện ngang đường hầm (Hình 3.7) (Do và
nnk, 2020)
TH

Chiều rộng
(w) (m)

Chiều cao
(h) (m)

Tỷ số
h/w

R1 (m)

R2 (m)

R3 (m)

SR1

8.76

8.15

0.930

8.36

1.02

4.99

SR2

9.13

7.89

0.864

7.09

1.23

4.81

SR3

9.39

7.53

0.802

8.5

0.96

5.07

SR4

9.70

7.20

0.742

9.95

1.00

5.35

16


Hình 3.7. Các thơng số hình học của các tiết diện ngang đường hầm (đơn vị: m) (Do và

nnk, 2020)
3.3.2. Phân tích số trong phương pháp HRM
Để sử dụng phương pháp HRM cho đường hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng
động đất, cần xây dựng công thức của ba thông số không thứ nguyên (a, b và β) để xác
định tải trọng tĩnh tương đương bên ngoài tác dụng lên KCC đường hầm. Trình tự các
bước thực hiện để xác định ba tham số a, b, và β thể hiện trên Hình 3.8 và Bảng 3.3.
Table 3.3. Trình tự các bước thực hiện xác định ba tham số a, b, và β
Bước Miêu tả nội dung thực hiện
1
Thiết lập các thông số đầu vào của đất, KCC đường hầm và kích đường hầm {ti, hi, wi,
Esi} bằng cách sử dụng dải dữ liệu trong bảng Bảng 3.1 và 3.2.
2
Tính tốn lực dọc, mơ men trong KCC đường hầm {NFDM, MFDM} sử dụng mơ hình số
FDM và tính tốn lực dọc, mô men ban đầu {NHRM, MHRM} bằng phương pháp HRM
khi lựa chọn ban đầu cho a = b = β = 1.
3
Xác định sai số của lực dọc và mơ men trong KCC đường hầm được tính tốn bằng hai
phương pháp FDM và HRM.
4
Nếu sai số eN ≤ 0.02 và eM ≤ 0.02, xuất a, b và β. Ngược lại, điểu chỉnh lại ba tham số
cho đến khi đạt được sai số cho phép.
5
Bước 2 và 4 được lặp đi lặp lại cho tới khi tất cả các các thông số trong Bảng 3.1 và 3.2
đã được khảo sát.
6
Xác định các cơng thức tính giá trị a, b và β phụ thuộc vào các thông số ti, hi, wi, Esi
bằng phân tích hồi quy.

17

Thiết lập các thông số đầu vào của đất, đường hầm{ ,
and
ban đầu được
tính tốn bởi PP HRM

Lựa chon các bộ thơng số
{ ,
}

}
và
được tính tốn
bởi mơ hình số FDM

Xác định sự sai khác giữa hai
phương pháp
Không
thỏa mãn
Điều chỉnh lại
a, b và β

=
=

}
}

Thỏa mãn
Xuất kết quả a, b và β

Không
thỏa mãn

Tính cho tất cả
các trường hợp

i=i+1

Thỏa mãn
a = ƒ( ,
b = f( ,
β = f( ,

)
)
)

Hình 3.8. Sơ đồ thuật toán để xác định ba tham số nghiên cứu a, b, và β
Sau khi q trình hiệu chỉnh hồn thành, ba tham số không thứ nguyên a, b, và β
được trình bày dưới dạng các cơng thức từ (3.17) tới (3.27) trên cơ sở các đường hồi quy
(Hình 3.9, 3.10):
(3.15)
(3.16)
(3.17)
(3.18)
(3.19)
(3.20)
(3.21)
(3.22)

18


(3.23)
(3.24)
(3.25)

- Thông số a được biểu diễn dưới dạng hàm số phụ thuộc vào mô đun đàn hồi của
đất (Es);
- Các thông số 𝛽 và b là các hàm số phụ thuộc vào chiều dày KCC đường hầm (t),
chiều cao đường hầm (h), chiều rộng đường hầm (w) và mô đun đàn hồi của đất (Es), như
được thể hiện trong Hình 3.9 và 3.10.
1.25

0.3
0.2

β2

0.1

β1

1

Dữ liệu kết quả số
0.75

0
-0.1

Đường hồi quy

Dữ liệu kết quả số

-0.2
0.5
0

50

100

150

200

250

300

Đường hồi quy

-0.3
0.02

350

0.04

0.06

Mô đun đàn hồi, Es (MPa)

0.08

0.1

0.12

0.9

0.95

t/h

a)

b)

0.15

2

0.1

1.5

0.05

1

Đường hồi quy

β4

β3

Dữ liệu kết quả số

0

0.5

Dữ liệu kết quả số
-0.05
-0.1
0.03

0

Đường hồi quy

-0.5
0.035

0.04

0.045

0.05

0.055

0.7

t/w

0.75

0.8

0.85

h/w

c)

d)

Hình 3.9. Dữ liệu kết quả tính trong phương pháp HRM và đường hồi quy cho β1, β2, β3
và β4 tạo ra tham số β.

19


13

Thông số a

12.8

Dữ liệu kết quả số
Đường hồi quy

12.6
12.4
12.2
12
0

50

100

150

200

250

300

350

Mô đun đàn hồi, Es (MPa)

a)
2
1.5

Dữ liệu kết quả số

Dữ liệu kết quả số

0.8
0.3

b2

0.5

b1

Đường hồi quy

Đường hồi quy

1

0

-0.2

-0.5
-0.7

-1
-1.5
0

50

100

150

200

250

300

-1.2
0.02

350

0.04

0.06

Mô đun đàn hồi, Es (MPa)

b)

0.1

0.12

0.9

0.95

c)

0.1

1.1

Dữ liệu kết quả số
0

0.08

t/h

Dữ liệu kết quả số
0.9

Đường hồi quy

Đường hồi quy

0.7

b4

b3

-0.1

0.5
0.3

-0.2
0.1
-0.3
0.03

-0.1
0.035

0.04

0.045

0.05

0.055

0.7

0.75

0.8

t/w

0.85

h/w

d)

e)

Hình 3.10. Dữ liệu kết quả tính trong phương pháp HRM và đường hồi quy cho tham số a
và b1, b2, b3 và b4 tạo ra tham số b. Es
Để làm rõ hơn tính chính xác của sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới sử dụng trong
phương pháp HRM, Hình 3.11 trình bày một ví dụ so sánh mô men và lực dọc trong
KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong được tính tốn bởi phương pháp HRM và mơ
hình số FDM với cùng điều kiện đầu vào Es = 100MPa và t = 0.5m, các thông số khác
như trong Bảng 3.1. Kết quả so sánh cho thấy sự khác biệt rất nhỏ về mô men và lực dọc
20


trong KCC đường hầm được tính tốn bằng phương pháp HRM và mơ hình số FDM. Sự
sai lệch là 1,2% và 0,6% tương ứng với giá trị mô men và lực dọc lớn nhất.

FDM: Mmax = 0.900 MNm/m

FDM: Nmax = 0.791 MNm/m

HRM: Mmax = 0.911 MNm/m

HRM: Nmax = 0.786 MNm/m

a) Mơ men M (MNm/m)

b) Lực dọc N (MN/m)

Hình 3.11. So sánh mô men và lực dọc trong KCC đường hầm được tính tốn bởi phương
pháp HRM và mơ hình số FDM
3.4. Kiểm chứng sơ đồ tải trọng mới trong phương pháp HRM áp dụng cho đường
hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất
Thực hiện kiểm chứng nhằm chứng minh khả năng ứng dụng của sơ đồ tải trọng tĩnh
tương đương mới trong phương pháp HRM áp dụng cho đường hầm tiết diện chữ nhật
cong chịu tải trọng động đất. Kiểm chứng đầu tiên áp dụng với sự thay đổi của gia tốc
ngang lớn nhất, aH. Sau đó là thay đổi mô đun đàn hồi của đất, chiều dày KCC đường
hầm ở kiểm chứng thứ 2 và 3. Trong kiểm chứng thứ 4, đánh giá ảnh hưởng của việc thay
đổi kích thước tiết diện ngang đường hầm đồng dạng. Yếu tố hình dạng tiết diện ngang
đường hầm tiết diện chữ nhật cong thay đổi ở Bảng 3.2. (Do và nnk, 2020) được xét tới
trong kiểm chứng 5. Ảnh hưởng của độ sâu đường hầm được xem xét trong kiểm chứng
6. Cuối cùng, kiểm chứng 7 được thực hiện khi sử dụng các thông số trong nghiên cứu
của Hashash và nnk. (2005) và Sun và nnk. (2020). Trong mỗi kiểm chứng, giá trị nội lực
trong KCC đường hầm được tính tốn bằng phương pháp HRM và đều được so sánh với
kết quả của mơ hình số FDM.
Các kết quả kiểm chứng thu được cho thấy rằng phương pháp HRM sử dụng sơ đồ tải
trọng tĩnh tương đương mới đề xuất có thể được sử dụng để tính tốn nội lực trong KCC
đường hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất.
3.5. Kết luận
Nội dung luận án trong Chương 3 đã đề xuất một sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương
mới sử dụng trong phương pháp HRM để tính tốn nội lực trong KCC đường hầm tiết
diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất.
Độ tin cậy khi sử dụng phương pháp HRM cho đường hầm tiết diện chữ nhật cong đã
được kiểm chứng thông qua kết quả nghiên cứu thông số xem xét tới một loạt yếu tố ảnh
21

hưởng, trên cơ sở so sánh kết quả nội lực trong KCC đường hầm được tính tốn bởi
phương pháp HRM với mơ hình số FDM.
Phương pháp HRM sử dụng sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương đề xuất trong nghiên
cứu này cung cấp một phương pháp mới và miễn phí để thiết kế sơ bộ cho đường hầm
tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận chung
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu đánh giá về ảnh hưởng của tải trọng động đất tới
đường hầm tiết diện trịn và chữ nhật nhưng chưa có nghiên cứu nào thực hiện đối với
đường hầm tiết diện chữ nhật cong. Luận án đã sử dụng phương pháp mơ hình số FDM
để khảo sát ứng xử của KCC trong đường hầm tiết diện chữ nhật cong khi chịu tải trọng
động đất, so sánh và làm rõ sự khác biệt giữa ứng xử của đường hầm tiết diện tròn và tiết
diện chữ nhật cong. Luận án cũng đã đề xuất được sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới
tác dụng lên KCC trong đường hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất khi sử
dụng phương pháp HRM.
Kết quả của luận án đã có những đóng góp mới cho thiết kế đường hầm tiết diện chữ
nhật cong với KCC liên tục khi chịu tải trọng động đất, cụ thể:
 Các thông số, như mô đun đàn hồi của đất, Es, gia tốc ngang lớn nhất, aH, chiều
dày KCC đường hầm, t, có ảnh hưởng lớn đến nội lực gây ra trong KCC của cả hai
đường hầm tiết diện chữ nhật cong và tiết diện tròn trong cả hai điều kiện không trượt và
trượt giữa khối đất và KCC;
 Điều kiện liên kết giữa khối đất và KCC đường hầm có ảnh hưởng lớn đến ứng xử
của KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong và ứng xử này hoàn toàn khác khi so sánh
với trường hợp đường hầm tiết diện trịn. Cụ thể, mơmen trong KCC đường hầm tiết diện
chữ nhật cong ở điều kiện không trượt lớn hơn ở điều kiện trượt. Trong khi đó, mơmen
trong KCC đường hầm tiết diện trịn ở điều kiện khơng trượt nhỏ hơn ở điều kiện trượt;
 Đã đề xuất được sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới tác dụng lên KCC đường
hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất trong phương pháp HRM;
 Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng khi kết cấu KCC đường hầm linh hoạt hơn khối
đất xung quanh, KCC đường hầm sẽ bị biến dạng lớn hơn so với biến dạng cắt của khối

đất. Ngược lại, khi KCC đường hầm cứng hơn khối đất xung quanh, nó có xu hướng
chống lại sự dịch chuyển của khối đất.
Phương pháp HRM sử dụng sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới đề xuất trong
nghiên cứu này cung cấp một phương pháp mới và miễn phí để thiết kế sơ bộ cho đường
hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất.
Cần lưu ý là tất cả các phân tích trên mơ hình số được thực hiện trong nghiên cứu này
không xét tới ảnh hưởng của nước ngầm. Ngoài ra, do tác giả của luận án chưa tìm được
22


bộ dữ liệu thực nghiệm thích hợp nên tất cả các kết quả số vẫn chưa được so sánh và
kiểm chứng với dữ liệu thực nghiệm.
Kiến nghị
Một số hướng nghiên cứu được đề xuất cho giai đoạn tiếp theo là:
 Kiểm chứng độ tin cậy của mơ hình số bằng dữ liệu thí nghiệm hoặc dữ liệu quan
trắc thực;
 Nghiên cứu mô phỏng số cho KCC đường hầm lắp ghép có xem xét đến các mối
nối;
 Cải tiến phương pháp HRM cho KCC đường hầm tiết diện chữ nhật cong lắp
ghép;
 Phát triển và phân tích trường hợp chịu tải trọng động đất thực tế với mơ hình số
ba chiều cho hầm tiết diện chữ nhật cong;
Trong giai đoạn dài hạn, cần tiếp tục:
 Phát triển và phân tích số 3D nghiên cứu ứng xử của KCC đường hầm có xem xét
đến ảnh hưởng của nước ngầm;
 Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu trên bề mặt tới đường hầm trong điều kiện tải
trọng động đất.

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC
LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN

Bài báo trên tạp chí ISI:
1. Do Ngoc Anh, Dias Daniel, Zhang ZX., Huang X., Nguyen Tai Tien, Pham Van
Vi, Nait-Rabah O. (2020), Study on the behaviour of squared and sub-rectangular
tunnels using the Hyperstatic Reaction Method, Transp Geotech, 22, 10021. doi:
10.1016/j.trgeo.2020.100321 (ISSN: 2214-3912).
2. Pham Van Vi, Do Ngoc Anh, Daniel Dias (2021), Sub-rectangular tunnels
behavior
under
seismic
loading,
Appl.
Sci,
11,
9909.
doi.org/10.3390/app11219909 (ISSN: 2076-3417).
3. Pham Van Vi, Do Ngoc Anh, Dias Daniel, Nguyen Chi Thanh, Dang Van Kien
(2022), Sub-rectangular tunnels behavior under static loading. Transp. Infrastruct.
Geotechnol. doi.org/10.1007/s40515-022-00230-w (ISSN: 2196-7202).
4. Do Ngoc Anh, Pham Van Vi, Dias Daniel. A New Quasi-Static Loading Scheme
for the Hyperstatic Reaction Method - Case of Sub-Rectangular Tunnels under
Seismic Conditions, Comput. Methods Appl. Mech. Eng. (ISSN: 0045-7825)
(under review).

23