Nghiên cứu rung động và biện pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
--------------

NGUYỄN QUANG DŨNG

NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG VÀ BIỆN PHÁP
GIẢM RUNG ĐỘNG TRONG NỀN DO KHAI THÁC
HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
--------------

NGUYỄN QUANG DŨNG

NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG VÀ BIỆN PHÁP
GIẢM RUNG ĐỘNG TRONG NỀN DO KHAI THÁC
HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình đặc biệt
Mã số: 62 58 02 06

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS. VŨ ĐÌNH LỢI

HÀ NỘI - NĂM 2013


i

LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với GS.TS Vũ
Đình Lợi đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá
trị giúp tác giả hồn thành luận án nghiên cứu này. Tác giả luôn trân trọng sự
động viên, khuyến khích và những kiến thức chun mơn mà Giáo sư đã chia
sẻ cho tác giả trong nhiều năm qua, giúp tác giả nâng cao năng lực khoa học
và củng cố lòng yêu nghề.
Tác giả trân trọng cảm ơn Bộ mơn Cơng trình quốc phịng, Viện Kỹ
thuật cơng trình đặc biệt, Phịng Sau đại học – Học viện Kỹ thuật Quân sự đã
tạo điều kiện giúp đỡ và hợp tác trong quá trình nghiên cứu.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải III
đã tạo điều kiện, hỗ trợ về vật chất, tinh thần và thời gian trong suốt quá trình
nghiên cứu của tác giả.
Cuối cùng tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân
trong gia đình đã cảm thơng, động viên và chia sẻ những khó khăn với tác giả
trong suốt thời gian làm luận án./.

Tác giả
Nguyễn Quang Dũng


ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Nguyễn Quang Dũng, tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên
cứu của riêng tơi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào.

Tác giả
Nguyễn Quang Dũng


iii
MỤC LỤC
Lời cảm ơn ......................................................................................................... i
Lời cam đoan ..................................................................................................... ii
Mục lục ............................................................................................................. iii
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt .................................................................. vi
Danh mục các bảng biểu. ................................................................................. ix
Danh mục hình vẽ, đồ thị .................................................................................. x
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................ 6
1.1. Khái niệm cường độ rung động ................................................................ 6
1.2. Cơ chế gây rung động và ảnh hưởng của rung động do khai thác hệ
thống tàu điện ngầm .................................................................................. 7
1.2.1. Cơ chế gây rung động do khai thác hệ thống tàu điện ngầm .................. 7
1.2.2. Phản ứng của con người với rung động và giới hạn rung ....................... 9
1.2.3. Ảnh hưởng rung động đến cơng trình xây dựng ................................... 12

1.3. Tổng quan các phương pháp dự báo rung động và mô tả tải trọng động
đoàn tàu. .................................................................................................. 13
1.4. Tổng quan các phương pháp giảm rung động . ...................................... 19
1.5. Các kết quả đạt được của các cơng trình nghiên cứu đã cơng bố ........... 22
1.6. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu .................................................... 24
1.7. Các kết luận rút ra từ tổng quan .............................................................. 24
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH
THAM SỐ ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT ............................................................ 26
2.1. Các tham số động nền đất và tổng quan các phương pháp xác định ...... 26
2.2. Phương pháp xác định tham số động của nền đất theo công thức thực
nghiệm ..................................................................................................... 30
2.2.1. Xác định vận tốc sóng cắt từ thí nghiệm SPT [66] .............................. 30
2.2.2. Xác định vận tốc sóng cắt từ thí nghiệm CPT [66]............................... 31


iv
2.2.3. Xác định tỷ số cản theo công thức thực nghiệm ................................... 34
2.3. Thử nghiệm số xác định các tham số động nền đất tuyến metro số 6 TpHCM ................................................................................................... 35
2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................... 41
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT DO KHAI
THÁC HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM .................................................... 43
3.1. Đặt bài toán và các giả thiết tính tốn ..................................................... 43
3.2. Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn phân tích bài tốn tương tác giữa
kết cấu và nền biến dạng chịu tải trọng động ......................................... 44
3.3. Nghiên cứu rung động bằng phần mềm xác định tải trọng động tàu
điện ngầm (DLT) và gói phần mềm PLAXIS......................................... 47
3.3.1. Phân tích lựa chọn mơ hình nền áp dụng cho nền đất TPHCM. .......... 49
3.3.2. Nghiên cứu mô phỏng tải trọng động và xây dựng phần mềm xác
định tải trọng động của đồn tàu lưu thơng trong hầm (DLT). ............ 52
3.3.3. Xác định tần số dao động riêng của nền nhiều lớp bằng Plaxis ........... 60

3.3.3.1. Xác định tần số dao động riêng của nền đất tuyến metro số 6 ......... 63
3.3.3.2. Ảnh hưởng sự phân bố các lớp đất và sức cản của nền .................... 65
3.4. Dự báo rung động của nền do khai thác tàu điện ngầm TpHCM ........... 68
3.4.1. Xác định sơ đồ bố trí tải trọng động và kích thước mơ hình ................ 70
3.4.2. Cường độ rung động theo phương ngang hầm tại Km0+940 và Km
6+700 trên tuyến metro số 6 – TpHCM. ............................................... 73
3.5. Thử nghiệm số khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố của hầm, nền đến
rung động trong nền ................................................................................ 75
3.5.1. Ảnh hưởng của khuyết tật mặt tiếp xúc bánh xe-ray đến rung động
nền ......................................................................................................... 75
3.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ chạy tàu đến rung động nền ............................. 76
3.5.3. Ảnh hưởng loại hầm đến rung động nền .............................................. 76
3.5.4. Ảnh hưởng độ dày vỏ hầm đến rung động nền ..................................... 77


v
3.5.5. Ảnh hưởng của lớp đất yếu đến rung động nền .................................... 78
3.6. Kết luận chương 3 ................................................................................... 80
3.6.1. Những kết quả chính đạt được .............................................................. 80
3.6.2. Những kiến nghị về mặt kỹ thuật .......................................................... 81
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP GIẢM RUNG ĐỘNG
TRONG NỀN DO KHAI THÁC HỆ THỐNG XE ĐIỆN NGẦM ........... 83
4.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 83
4.2. Vật liệu đàn hồi giảm rung động............................................................. 85
4.3. Mơ hình bài tốn và trình tự tính tốn hiệu quả giảm rung .................... 87
4.4. Đánh giá hiệu quả giảm rung động bằng đệm đàn hồi Sylomer đặt
vĩnh cửu trong đường hầm ...................................................................... 94
4.4.1. Phương án bố trí 1 lớp đệm đàn hồi Sylomer ....................................... 95
4.4.1.1. Bố trí tấm Sylomer tại đáy ray ......................................................... 95
4.4.1.2. Bố trí 1 lớp Sylomer trong sàn hầm .................................................. 97

4.4.2. Phương án bố trí 2 lớp Sylomer trong sàn hầm ................................. 102
4.5. Khảo sát ảnh hưởng một số yếu tố đến hiệu quả giảm rung của đệm
đàn hồi Sylomer .................................................................................... 109
4.5.1. Ảnh hưởng của chiều dày lớp đệm đàn hồi Sylomer .......................... 109
4.5.2. Ảnh hưởng của chiều rộng lớp đệm đàn hồi Sylomer ........................ 110
4.5.3. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi lớp đệm Sylomer. ............................ 111
4.5.4. Ảnh hưởng của lớp đất yếu ................................................................ 112
4.6. Kết luận chương 4 ................................................................................. 114
4.6.1. Những kết quả chính đạt được ............................................................ 114
4.6.2. Những kiến nghị về mặt kỹ thuật ........................................................ 114
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................. 116
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ..... 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 121


vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục các ký hiệu
1.1. Các ký hiệu bằng chữ Latinh
A

Biên độ dao động,

ASF

Hệ số địa tầng

[B]n

Ma trận quan hệ biến dạng - chuyển vị của phần tử,

[C]n, [C]

Ma trận cản của phần tử , ma trận cản của hệ,

E

Mô đun đàn hồi của vật liệu,

e

Hệ số rỗng của đất,

fS

Sức kháng ma sát trên thành lỗ xuyên,

fSP

Tần suất lấy mẫu,

F(t)

Hàm tải trọng động của đoàn tàu theo thời gian,

g

Gia tốc trọng trường,

G

Mô đun kháng trượt của vật liệu,

Ic

Hệ số ứng xử của địa tầng,

[K]n, [K]

Ma trận độ cứng phần tử, ma trận độ cứng của hệ,

L

Cường độ rung động lớn nhất,

[M]n, [M]

Ma trận khối lượng phần tử, ma trận khối lượng của hệ,
Số búa SPT/30cm,

PI

Chỉ số dẻo của đất,

qc

Sức kháng mũi trong thí nghiệm CPT,

t1, t2

Thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc tính tốn VRMS,

U, UX, UY

Chuyển vị, chuyển vị theo phương x và y,

,

Véc tơ chuyển vị nút của phần tử, véc tơ chuyển vị nút của hệ,

vn

Vận tốc dao động tại thời điểm n,

vmax

Vận tốc dao động lớn nhất,

vmax
vP

Hiệu quả giảm giá trị vận tốc rung lớn nhất,
Vận tốc truyền sóng nén,


vii
vS

Vận tốc truyền sóng cắt,

v, vx, vy

Vận tốc dao động, vận tốc dao động theo phương x và y,

vref

Vận tốc dao động tham chiếu,

vRMS

Vận tốc dao động căn quân phương,

V

Vận tốc khai thác chạy tàu,
1.2. Các ký hiệu bằng chữ Hy Lạp

,

Các tham số trong tích phân Newmark,

R,

R

Các hằng số cản Rayleigh,

S

Độ dày đệm đàn hồi trong trường hợp bố trí 1 lớp,

S1

Độ dày đệm đàn hồi lớp trên trong trường hợp bố trí 2 lớp,

S2

Độ dày đệm đàn hồi lớp dưới trong trường hợp bố trí 2 lớp,

t

Bước thời gian tích phân,

L

Hiệu quả giảm rung,
Hiệu quả giảm rung trung bình,
Hàm số phân bố tải trọng P=1 tại tọa độ z,

(z)

Biên độ biến dạng cắt,
’V

Ứng suất có hiệu thẳng đứng,
Hệ số Poisson,

i,
i,

j
j

Các tần số dao động riêng,
Các tỷ số cản,
Tỷ số cản,

2. Danh mục các chữ viết tắt
BEM

Phương pháp phần tử biên

CPT

Thí nghiệm xuyên tĩnh,

DFN

Phương pháp mạng rời rạc đứt gãy

DLT2013

Phần mềm tính tốn tải trọng động của đồn tàu tác dụng xuống
vỏ hầm,


viii
FEM

Phương pháp phần tử hửu hạn,

FDM

Phương pháp sai phân hữu hạn,

GPMB

Giải phóng mặt bằng,

PPV

Vận tốc dao động đỉnh,

PTHH

Phần tử hữu hạn,

RMS

Căn quân phương,

SPT

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn,

Sylomer

Tên vật liệu đàn hồi tiêu chuẩn của hãng Getzner,

SR

Ký hiệu của loại Sylomer tiêu chuẩn của hãng Getzner,

SDOF

Hệ một bậc tự do,

TpHCM

Thành phố Hồ Chí Minh,

VdB

Đơn vị của cường độ rung hay decibel rung động,


ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Mô tả phản ứng của người với rung động [43] ................................ 9
Bảng 1.2. Cường độ rung cao nhất cho phép trong nhà [43] .......................... 10
Bảng 1.3. Cường độ rung tối đa và trung bình cho phép [75], [76], [77]. ...... 11
Bảng 1.4. Rung động giới hạn đối với kết cấu cơng trình xây dựng [43]. ..... 12
Bảng 2.1. Quan hệ của vS và SPT (N*60) cho đất cát theo Andrus (2003)
[66] .................................................................................................. 30
Bảng 2.2. Bảng tra ASF cho thí nghiệm SPT theo Andrus (2003) [66] ......... 31
Bảng 2.3. Quan hệ của vS và CPT (qc -kPa) theo Andrus (2003) [47] ........... 32
Bảng 2.4. Bảng tra ASF cho thí nghiệm CPT theo Andrus (2003) [66] ......... 32
Bảng 2.5. Phương trình xác định vS cho các lớp đất theo độ sâu tuyến
metro 6 ............................................................................................ 39
Bảng 2.6. Kết quả xác định tốc độ sóng cắt và tỷ số cản tại Km0+940 ......... 40

Bảng 2.7. Kết quả xác định tốc độ sóng cắt và tỷ số cản tại Km6+700 ......... 40
Bảng 3.1. Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất của tuyến metro số 6 – TpHCM [2] ...... 69
Bảng 3.2: Kích thước hình học và các chỉ tiêu vật liệu của hầm tuyến metro
số 6 .................................................................................................. 70
Bảng 4.1. So sánh ba loại sản phẩm giảm rung của hãng Getzner [45] ......... 86
Bảng 4.2. Quan hệ giữa hệ số mất mát và tần số kích thích của tải trọng
[45] .................................................................................................. 86
Bảng 4.3. Trị số ứng suất giới hạn của các loại Sylomer [45], [46] ............... 87


x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình M.1. Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị Hà Nội ..................... 2
Hình M.2. Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đơ thị TpHCM ................... 3
Hình 1.1. Sơ đồ phát sinh và lan truyền rung động từ tàu điện ngầm [43]......... 7
Hình 1.2. Sơ đồ khối quá trình truyền dẫn rung động [64] ................................. 8
Hình 1.3. Phân loại các phương pháp dự báo rung động .................................. 13
Hình 1.4. Giao diện chính của phần mềm PiP version 4.01 ............................. 17
Hình 1.5. Các giải pháp sử dụng đệm đàn hồi trong sàn hầm [60] ................... 20
Hình 2.1. Các phương pháp xác định tham số động nền đất [69]..................... 27
Hình 2.2. Miền và phạm vi áp dụng các thí nghiệm động [52] ........................ 28
Hình 2.3. Quan hệ giữa tỷ số cản của cát (PI=0%) và ................................... 35
Hình 2.4. Quan hệ giữa tỷ số cản của sét (PI=35%) và .................................. 35
Hình 2.5. Kết quả tính tốn tốc độ truyền sóng cắt từ thí nghiệm CPT cho
điểm xuyên HX02 tuyến metro số 6. ................................................ 38
Hình 2.6. Kết quả tính tốn tốc độ truyền sóng cắt từ thí nghiệm CPT cho
điểm xuyên HX08 tuyến metro số 6. ................................................ 38
Hình 3.1. Mơ hình bài tốn khi hệ chịu tác dụng tải trọng động tàu điện
ngầm .................................................................................................. 43
Hình 3.2. Sơ đồ khối giải bài toán dự báo rung động trong nền do khai thác

hệ thống tàu điện ngầm bằng gói phần mềm Plaxis ......................... 48
Hình 3.3. Các tham số của mơ hình Mohr-Coulomb trong Plaxis [26] ............ 51
Hình 3.4. Các tham số của mơ hình Cam-Clay cải biên trong Plaxis [26] ....... 51
Hình 3.5. Sơ đồ tải trọng của 1 trục xe tác dụng lên ray theo Bernoulli-Euler 54
Hình 3.6. Đồ thị hàm

(z) của 1 trục xe P=1 ................................................... 54

Hình 3.7. Sơ đồ tải trọng trục đồn tàu và kích thước toa xe ........................... 55
Hình 3.8. Giao diện mơ đun chính của chương trình DLT ............................... 58
Hình 3.9. Sơ đồ khối tổ chức chương trình DLT .............................................. 58
Hình 3.10. Một đoạn code chương trình trong Labview cho mơ đun 01. ........ 59


xi
Hình 3.11. Giao diện nhập liệu cho mơ đun 01 – Khơng bố trí đệm đàn hồi ... 60
Hình 3.12. Giao diện kết quả cho mô đun 01 – Không bố trí đệm đàn hồi ...... 60
Hình 3.13. Bản ghi động đất Upland, ngày 28/02/1990, 11h43’00” PM được
tích hợp sẵn trong phần mềm Plaxis [26]. ........................................ 61
Hình 3.14. Trình tự xác định tần số dao động riêng trong Plaxis ..................... 61
Hình 3.15. Xác định tần số dao động riêng nền đất tại Km0+940.................... 64
Hình 3.16: Xác định tần số dao động riêng nền đất tại Km6+700 ................... 65
Hình 3.17. Ảnh hưởng của nền nhiều lớp đến tần số dao động riêng .............. 66
Hình 3.18. Ảnh hưởng sức cản của các lớp đất đến tần số dao động riêng ..... 67
số 6 – TpHCM [2] ......... 69
– TpHCM [2] ......... 70
.................... 71
............ 71
động tổng cộng của điểm B khi tải trọng đối
xứng và không đối xứng, tại Km0+940, khi V= 80km/h,

fir=63Hz. .......................................................................................... 72
x

và vy của B, tại Km0+940, khi V=80km/h,

fir=63Hz. .......................................................................................... 73
fir=63Hz. .......................................................................................... 73
Hình 3.26. Đồ thị cường độ rung theo thời gian của B, E, H, tại Km0+940,
khi V=80km/h, fir= 63Hz ................................................................ 74
phương ngang, tại Km0+940, khi V=80km/h. .............................. 74
phương ngang, tại Km6+700, khi V=80km/h. .............................. 74
L, vmax của điểm B và fir, tại Km0+940, khi
V=80km/h. ..................................................................................... 74


xii
0. Quan hệ giữa L, vmax của điểm B và vận tốc chạy tàu, tại
Km0+940, khi air=30cm.................................................................. 76
. Sự thay đổi L, vmax của các điểm A J trong trường hợp mặt cắt
ngang hầm là chữ nhật và tròn, tại Km6+700, khi V=80km/h,
air=30cm. ......................................................................................... 77
2. Sự thay đổi L, vmax của các điểm A J tương ứng với các trường
hợp độ dày vỏ hầm, tại Km0+940, khi V=80km/h, air=30cm. ....... 77
3. Quan hệ giữa L, vmax của điểm B và độ dày vỏ hầm, tại
Km0+940, khi V=80km/h, air=30cm. ............................................. 77
4. Đồ thị của vx của điểm ở đáy lớp 1 ( X=7m, Y=-16.41m) và đỉnh
lớp 1(X=7m, Y=-4.79m), tại Km6+700, khi V=80km/h,
fir=63Hz. .......................................................................................... 78
5. Đồ thị của vy của điểm ở đáy lớp 1 ( X=7m, Y=-16.41m) và đỉnh
lớp 1(X=7m, Y=-4.79m), tại Km6+700, khi V=80km/h,

fir=63Hz. .......................................................................................... 78
6. Sự thay đổi L theo phương thẳng đứng tại đỉnh hầm (X=7m), khi
V=80km/h, air=30cm. ...................................................................... 79
Hình 4.1. Các phương án bố trí đệm đàn hồi trong đường ray ........................ 84
Hình 4.2. Quan hệ giữa mô đun đàn hồi động của Sylomer và tần số kích
thích của tải trọng [46] .................................................................... 86
Hình 4.3. Sơ đồ giải bài tốn giảm rung cho cơng trình có lớp đệm đàn hồi
bằng phần mềm Plaxis ................................................................... 88
Hình 4.4. Sơ đồ giải bài tốn giảm rung cho cơng trình có lớp đệm đàn hồi
bằng gói phần mềm Plaxis .............................................................. 89
Hình 4.5. Nguyên lý phân bố tải trọng xuống vỏ hầm trong trường hợp có
và khơng có đệm mềm bố trí trong đường ray ............................... 90
Hình 4.6. Giao diện nhập số liệu khi bố trí 1 lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm . 91
Hình 4.7. Giao diện kết quả khi bố trí 1 lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm ......... 91


xiii
Hình 4.8. Giao diện nhập số liệu khi bố trí 2 lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm . 92
Hình 4.9. Giao diện kết quả khi bố trí 2 lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm ......... 92
Hình 4.10: Quan hệ giữa max F(t) và Hs với s=12,5mm và 25mm, khi
V=80km/h và fir=63Hz. .................................................................. 93
Hình 4.11: Quan hệ giữa max F(t) và Hs1 với s1=12,5mm, 25mm và
s2=25mm, khi V=80km/h và fir=63Hz. ......................................... 93
Hình 4.12. Đồ thị vận tốc rung của điểm B khi không giảm rung và sử dụng
tấm Sylomer SR450 đặt tại đáy ray, tại km 0+940, V=80km/h,
fir=63Hz. .......................................................................................... 95
Hình 4.13. Đồ thị cường độ rung theo thời gian của điểm B khi không giảm
rung và sử dụng tấm Sylomer SR450 đặt tại đáy ray, tại km
0+940, V=80km/h, fir=63Hz. .......................................................... 95
Hình 4.14. Hiệu quả giảm rung của tấm Sylomer SR450 đặt tại đáy ray ......... 96

Hình 4.15. Hiệu quả giảm rung của tấm Sylomer SR110 đặt tại đáy tà vẹt ..... 98
Hình 4.16. Hiệu quả giảm rung của tấm Sylomer SR28 đặt cách đáy tà vẹt
25cm ................................................................................................ 99
Hình 4.17. Hiệu quả giảm rung của tấm Sylomer SR28, đặt cách đáy tà vẹt
50cm .............................................................................................. 100
Hình 4.18. Hiệu quả giảm rung của tấm Sylomer SR28 đặt tại đáy sàn hầm 101
Hình 4.19. Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung và độ sâu bố trí của đệm đàn
hồi Sylomer trong phương án bố trí một lớp ................................ 102
Hình 4.20. Đồ thị vận tốc rung của điểm B khi không giảm rung và giảm
rung bằng 2 lớp Sylomer (Lớp dưới SR28 dày 25mm đặt tại đáy
sàn hầm, lớp trên SR110 với độ dày khác nhau đặt tại đáy tà vẹt,
tại Km 0+940, V=80km/h, fir=63Hz ............................................. 103
Hình 4.21. Đồ thị Cường độ rung theo thời gian của điểm B khi không giảm
rung và giảm rung bằng 2 lớp Sylomer (Lớp dưới SR28 dày


xiv
25mm đặt tại đáy sàn hầm, lớp trên SR110 với độ dày khác nhau
đặt tại đáy tà vẹt, tại Km 0+940, V=80km/h, fir=63Hz. ............... 103
Hình 4.22. Hiệu quả giảm rung của hai lớp Sylomer: SR110 tại đáy tà vẹt và
SR28- 25mm đặt tại đáy sàn hầm. ................................................ 104
Hình 4.23. Hiệu quả giảm rung của hai lớp Sylomer: SR28 cách đáy tà vẹt
25cm và SR28-25mm đặt tại đáy sàn hầm. .................................. 105
Hình 4.24. Hiệu quả giảm rung của hai lớp Sylomer: SR28 cách đáy tà vẹt
42cm và SR28-25mm đặt tại đáy sàn hầm. .................................. 106
Hình 4.25. Hiệu quả giảm rung của hai lớp Sylomer: SR28 cách đáy tà vẹt
50cm và SR28-25mm và đặt tại đáy sàn hầm. ............................. 107
Hình 4.26. Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung và độ sâu bố trí của lớp
Sylomer 1 trong phương án bố trí hai lớp .................................... 108
Hình 4.27. Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung động của điểm B và độ dày lớp

đệm đàn hồi Sylomer SR28 bố trí tại đáy sàn hầm, tại Km0+940,
khi V=80km/h và fir=63Hz. .......................................................... 109
Hình 4.28. Bố trí đệm đàn hồi Sylomer SR28 dày 25mm cách đáy tà vẹt
25cm, dạng tấm và dạng gối ......................................................... 110
Hình 4.29. Hiệu quả giảm rung khi bố trí đệm đàn hồi Sylomer SR28 dày
25mm, bố trí dạng tấm và dạng gối cách đáy tà vẹt 25cm,khi
V=80km/h và fir=63Hz. ................................................................ 111
Hình 4.30. Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung động của điểm B và mô đun
đàn hồi động (loại Sylomer) của tấm Sylomer dày 25mm tại đáy
sàn hầm, tại Km0+940, khi V=80km/h và fir=63Hz. .................... 112
Hình 4.31. Hiệu quả giảm cường độ rung của đệm đàn hồi Sylomer SR28
dày 25mm bố trí tại đáy sàn hầm, khi V=80km/h và fir=63Hz. ... 113
Hình 4.32. Hiệu quả giảm vận tốc rung lớn nhất của đệm đàn hồi Sylomer
SR28 dày 25mm bố trí tại đáy sàn hầm, khi V=80km/h và
fir=63Hz. ........................................................................................ 113


1
MỞ ĐẦU
Không gian ngầm là một lĩnh vực mới đang được quan tâm gần đây,
nhằm nghiên cứu những vấn đề có liên quan đến kinh tế - kỹ thuật và môi
trường khi khai thác phần dưới mặt đất theo nhu cầu phát triển các khu công
nghiệp và các đô thị lớn. Sử dụng hợp lý không gian ngầm đô thị cho phép
hạn chế được nhu cầu tăng diện tích của đơ thị, cho phép giải quyết nhiều bài
tốn quản lý đô thị và quản lý giao thông ở tầm vĩ mô. Khi phát triển thành
phố theo cả “bốn chiều”, vấn đề đặt ra là việc kiểm sốt chất lượng mơi
trường sống trong các đô thị lớn là một nhiệm vụ quan trọng, nhằm đảm bảo
sức khoẻ của cư dân, năng suất lao động. Chất lượng môi trường sống đô thị
phụ thuộc vào trạng thái môi trường, một trong các thông số quan trọng đó là
mức độ ồn, rung động.

Ở Việt Nam, trong những năm qua quá trình phát triển ở các đô thị Việt
Nam đang diễn ra với nhịp độ rất lớn, đặc biệt ở Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh.
Điều đó đang tạo ra một áp lực lớn đối với cơ sở hạ tầng giao thông đô thị. Vì
vậy nhiều giải pháp đã được nghiên cứu đưa vào áp dụng và thực hiện trong
những năm gần đây. Điển hình là Hà Nội và TpHCM đã quy hoạch xây dựng
mạng lưới đường sắt đô thị hiện đại kết hợp với nhiều giải pháp khác.
Hệ thống metro Hà Nội được quy hoạch gồm 6 tuyến (hình M.1) với lưu
lượng vận chuyển khoảng 10~15 vạn khách/ngày trong giai đoạn đầu và
40~45 vạn khách/ngày trong giai đoạn sau [17]. Mạng lưới đường sắt đơ thị
TpHCM [17] theo quy hoạch có 6 tuyến với tổng chiều dài 107km, cùng với
ba tuyến xe điện mặt đất và monorail có tổng chiều dài 35km nhằm mục tiêu
thay thế 25% lượng xe gắn máy lưu thông trên đường đến năm 2010 và vào
giai đoạn cuối 2020 sẽ giảm một nửa lượng xe gắn máy lưu thông trên
đường. Năng lực chuyên chở ước tính trong điều kiện chạy 5 phút/chuyến tàu
5-6 toa là 1,644 triệu lượt hành khách/năm [18].


2
Khi đưa vào vận hành hệ thống tàu điện ngầm, các cơ cấu rung của toa
xe sẽ tác động lên ray và các cơ cấu hỗ trợ bên dưới của ray gây ra rung động,
đặc biệt trong điều kiện đất yếu các rung động này sẽ rất phức tạp. Rung có
thể gây phá hoại kết cấu cơng trình xây dựng và gây khó chịu cho con người
đặc biệt vào ban đêm đối với các khu dân cư sống hai bên tuyến đường, các
khu vực giải trí, văn hố (nhà hát, trường học, bệnh viện...) ở gần tuyến.

Hình M.1. Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị Hà Nội [17]
Với sự phát triển của hệ thống tàu điện ngầm như Việt Nam hiện nay,
thực sự cần thiết phải xây dựng phương pháp đánh giá rung động và biện
pháp giảm rung động trong nền đất khi khai thác hệ thống metro. Đặc biệt
trong bối cảnh phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay, việc dự báo rung

động khi khai thác các tuyến tàu điện ngầm cần phải triển khai sớm trước khi
thi công xây dựng nhằm phát triển nền kinh tế quốc dân đi đôi với việc đảm
bảo chất lượng mơi trường sống đơ thị. Vì vậy “Nghiên cứu rung động và


3
biện pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm”
luận án đặt ra cho đến nay đang là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Hình M.2. Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị TpHCM [18]


4
Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án:
- Phân tích và lựa chọn phương pháp xác định các tham số động của
nền đất làm cơ sở giải quyết bài toán tương tác kết cấu hầm – nền phù hợp với
điều kiện thực tế Việt Nam.
- Nghiên cứu và xây dựng chương trình mơ phỏng số tải trọng động của
đoàn tàu di chuyển trong hầm, nhằm tạo dữ liệu đầu vào cho bài tốn phân
tích tương tác hầm - nền chịu tác dụng của tải trọng khai thác hệ thống tàu
điện ngầm.
- Nghiên cứu tính tốn mức độ rung động của nền đất do tải trọng động
của đoàn tàu di chuyển trong hầm bằng phương pháp phần tử hữu hạn, trên cơ
sở bài tốn phẳng và phân tích ảnh hưởng của các tham số đến rung động
trong nền.
- Nghiên cứu lựa chọn giải pháp, chứng minh hiệu quả của phương
pháp giảm rung động bằng đệm đàn hồi đặt trong sàn hầm và phân tích ảnh
hưởng của các tham số đệm đàn hồi đến hiệu quả giảm rung động của các
phương án đề xuất.
- Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, đề xuất sử dụng đệm đàn hồi giảm

rung động vào công tác thiết kế, xây dựng các tuyến metro trong tương lai của
Việt Nam, phục vụ phát triển kinh tế đi đôi với đảm bảo môi trường sống.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án:
Đối tượng nghiên cứu:
Hệ kết cấu đường tàu điện ngầm và nền đất xung quanh trong đô thị chịu
tác động của tải trọng động khai thác tàu điện ngầm.
Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu bài toán tương tác động lực học của hệ tàu điện ngầm – kết
cấu hầm– nền đất yếu trên sơ đồ bài tốn biến dạng phẳng với các trường hợp
có và khơng có biện pháp giảm rung bằng đệm đàn hồi đặt trong sàn hầm,
khơng có sự tách trượt giữa các lớp đất, giữa kết cấu và nền đất:


5
- Về kết cấu: Kết cấu cơng trình hầm được mô tả là hệ thanh.
- Về nền đất: Nền đất được mơ tả bằng mơ hình đàn dẻo.
- Về tải trọng: Tải trọng đồn tàu được mơ tả là một dãy trục xe di
chuyển trong hầm có xét đến khuyết tật của mặt tiếp bánh xe-ray và không xét
hệ treo giảm chấn của toa xe. Hàm tải trọng theo thời gian được xác định theo
lý thuyết dầm liên tục Bernoulli-Euler.
Phương pháp nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu lý thuyết, sử dụng phương pháp PTHH tiến hành thử nghiệm
số tính tốn hệ “tàu điện ngầm – kết cấu hầm – nền đất” và lập trình tính tốn
số liệu đầu vào trong mơi trường Labview.
Nội dung luận án
Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của luận án, và bố cục của luận án
Chương 1: Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu, phương pháp dự báo
rung động và biện pháp giảm rung động do khai thác hệ thống tàu điện ngầm.
Đề xuất nội dung và phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án.
Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương pháp xác định các tham số

động của nền đất phù hợp với điều kiện Việt Nam.
Chương 3: Nghiên cứu rung động của nền đất chịu tác động của tải
trọng khai thác hệ thống tàu điện ngầm.
Chương 4: Nghiên cứu biện pháp giảm rung động của nền bằng đệm
đàn hồi đặt trong đường tàu điện ngầm.
Kết luận chung: Trình bày các kết quả chính và những đóng góp mới
của luận án.
Tài liệu tham khảo


6
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Khái niệm cƣờng độ rung động
Trong đánh giá ảnh hưởng của rung động, giá trị vận tốc đỉnh tối đa
(PPVmax) thường được sử dụng để đánh giá rung động do nổ phá, tải trọng
xung và mức độ phá hoại cơng trình xây dựng. PPVmax không phù hợp để
đánh giá đáp ứng của cơ thể con người vì phải mất một khoảng thời gian cơ
thể người mới đáp ứng lại tín hiệu rung động. Khái niệm dao động trung bình
được đưa ra, tuy nhiên trung bình của một dãy tín hiệu dao động thường bằng
khơng do đó phải sử dụng khái niệm dao động trung bình của bình phương
(RMS) và trung bình thường được tính trong khoảng thời gian 1s (Onesecond-RMS) [25], [43], [77], [78].
Cường độ rung động tại một điểm có thể xác định thông qua ba thông số
của dao động là chuyển vị, vận tốc và gia tốc. Trong các tiêu chuẩn liên quan
thường sử dụng giá trị vận tốc dao động để xác định cường độ rung và được
tính theo đơn vị decibel và để phân biệt với cường độ âm thanh thêm ký hiệu
V phía trước tức là VdB (Vibration decibel) [43]. Cường độ rung động lớn
nhất trong thời gian tác dụng của tải trọng tại vị trí nghiên cứu được tính tốn
như sau [77]:

L

[ L]

[VdB]

(1.1)

[VdB]

max Li

(1.2)

[m/s]

(1.3)

[m/s]

(1.4)

trong đó:
Li
vi

vn

20 log10

(t 2
2
v xn

vi
vref

1
t1 ) f SP
2
v yn

2
vn
n

L: Cường độ rung động lớn nhất phát sinh.


7
Li: Cường độ rung động theo thời gian tại khoảng thời gian 1s thứ i.
[L]: Cường độ rung động giới hạn trong tiêu chuẩn tham chiếu áp dụng.
vi : Vận tốc dao động trung bình của điểm nghiên cứu tại khoảng thời
gian 1s thứ i.
vref : Vận tốc dao động tham chiếu, vref=5.10-8m/s [77].
t1, t2: Thời điểm bắt đầu, kết thúc tính tốn vi, t2-t1=1s [43], [77], [78].
fSP : Số lượng dữ liệu vận tốc tính tốn hay đo được trong 1 giây.
vxn, vyn, vn : Vận tốc dao dộng theo phương ngang, phương đứng và tổng
cộng thứ n trong thời gian dao động của điểm nghiên cứu.
Theo СП 23-105-2004 của Nga tại điều 3.1.4 cho phép tính tốn dự báo

rung động của tòa nhà được phép lấy giá trị vận tốc v dự báo của mặt đất tại
móng của tịa nhà để đánh giá [77], do đó trong luận án sử dụng giá trị vận tốc
rung động tại mặt đất để áp dụng đánh giá.
1.2. Cơ chế gây rung động và ảnh hƣởng của rung động do khai thác hệ
thống tàu điện ngầm
1.2.1. Cơ chế gây rung động do khai thác hệ thống tàu điện ngầm

Hình 1.1. Sơ đồ phát sinh và lan truyền rung động từ tàu điện ngầm [43]
Q trình truyền sóng rung động từ tàu điện ngầm thơng qua hầm đến
cơng trình xây dựng gần đó rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố (hình
1.1). Để phân tích các yếu tố này có thể chia q trình truyền sóng rung động


8
làm ba thành phần: nguồn rung, đường truyền dẫn và nơi tiếp nhận. Sơ đồ

Nguồn

khối quá trình phát – truyền – tác động của rung động như hình 1.2 [64].
Tương tác
Bánh xe- ray
Rung vỏ hầm
Tiếp cận
đất - đá
Rung đất đá tiếp giáp nền, vỏ hầm
Đường truyền dẫn

Lan truyền
trong đất- đá
Rung móng cơng trình

Tiếp cận
móng kết cấu
cơng trình
Rung sàn, tường cơng trình

Nơi nhận

Kích thích các
thiết bị nhạy
cảm với rung

Làm giảm
chức năng

Tiếp cận khơng
khí trong phịng

Phá hoại
cơng trình

Người cảm
thấy rung

Người nghe
thấy ồn

Hình 1.2. Sơ đồ khối quá trình phát sinh truyền dẫn rung động [64]
Khi đồn tàu khơng chuyển động sẽ gây ra một lực tác động lên đường
ray đó là trọng lượng bản thân của đồn tàu, lực này thơng qua bánh xe truyền
lên ray, tà vẹt, vỏ hầm rồi vào nền đất; tải trọng đó gọi là tĩnh tải. Khi đồn

tàu chuyển động, lực tác động đó sẽ dịch chuyển theo và gây ra rung động.
Do sự tương tác giữa các cơ cấu tàu điện ngầm, đường ray và các kết cấu bên
dưới đường ray nên các rung động này có thể bị ảnh hưởng gia tăng hay giảm
đi trước khi truyền dẫn vào môi trường đất xung quanh [40], [43].
Các rung động phát sinh do tàu điện ngầm tác động lên vỏ hầm và lan
truyền ra nền đất dưới dạng sóng đàn hồi. Sóng truyền đi trong nền đất, đá


9
bao gồm sóng nén (dao động dọc theo hướng truyền sóng) và sóng cắt (dao
động theo phương vng góc với phương truyền sóng), trên phạm vi gần mặt
đất có hai loại sóng đó là sóng Rayleigh và sóng Love [35], [40], [78], [79].
Khi xem nền đất là đồng nhất và đẳng hướng, sóng truyền theo các hướng từ
một nguồn là như nhau, do đó việc mơ tả các sóng này bằng phương trình
tốn học là đơn giản. Tuy nhiên nền đất trong thực tế là một môi trường phức
tạp, nhiều lớp, chính các ngun nhân này làm cho q trình truyền sóng trở
nên phức tạp khi áp dụng các phương trình xét đến trường hợp tổng quát.
Khi tiếp cận đến móng của các cơng trình, rung động truyền lên các phần
khác của cơng trình gây ra rung động. Các rung động này có thể được cảm
nhận ở các phần khác nhau của vật thể bị rung hay nghe thấy dạng rùng rùng.
Sự rung động của sàn, tường, các thiết bị nội thất sẽ gây ra tiếng ồn khó chịu
hoặc có thể gây thiệt hại cho các thiết bị nhạy cảm với rung động trong cơng
trình. Trong một số trường hợp rung cịn có thể gây đe dọa đến sự an tồn của
cả cơng trình một khi xảy ra sự cộng hưởng.
1.2.2. Phản ứng của con ngƣời đối với rung động và giới hạn rung
Cơ thể con người bị ảnh hưởng bởi rung động với tần số bất kỳ khi biên
độ đủ lớn. Khả năng chịu ảnh hưởng do rung động của con người phụ thuộc
đặc điểm cơ thể khi chịu tác động, các tác động đến tâm, sinh lý của người và
khoảng thời gian chịu tác động, tần số tác động. Các tài liệu mô tả kinh
nghiệm thực tế liên quan đến vấn đề này có rất nhiều trên thế giới, cường độ

rung giới hạn đối với người được chia làm 3 mức như bảng 1.1 [43].
Bảng 1.1. Mô tả phản ứng của người với rung động [43]
Cường độ rung
Phản ứng của con người
65 VdB
- Ngưỡng cảm nhận được rung động của đa số người.
- Khoảng giữa của vùng bắt đầu cảm thấy và cảm nhận
75 VdB
rất rõ ràng. Nhiều người cảm thấy bực bội phiền hà
cường độ rung này.
- Rất khó chịu, nhưng có thể chấp nhận được nếu rung
85 VdB
động xuất hiện không thường xuyên mỗi ngày.