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

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình đặc biệt
Mã số:

62 58 02 06

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ - BỘ QUỐC PHÕNG

Người hướng dẫn khoa học:
GS.TS Vũ Đình Lợi

Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Mạnh Yên
Đại học Xây dựng Hà Nội
Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Văn Quảng
Đại học Kiến Trúc Hà Nội
Phản biện 3: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh

Viện Cơ học

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện
theo quyết định số ………./……….., ngày ….. tháng ….. năm 2013
của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại: Học viện Kỹ thuật
Quân sự vào hồi: ……..giờ…….. ngày…..tháng….. năm 2013.
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự
- Thư viện Quốc gia


DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
1. Nguyễn Quang Dũng, Vũ Đình Lợi (2010), Đánh giá ảnh hưởng
rung dối với môi trường do khai thác tàu điện ngầm Hà Nội, Tạp
chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 136/082010.
2. Nguyễn Quang Dũng, Vũ Đình Lợi (2013), Dự báo rung động nền
do khai thác các tuyến metro Thành phố Hồ Chí Minh, Tạp chí
Giao thơng Vận tải, số tháng 04/2013.
3. Nguyễn Quang Dũng (2013), Ứng dụng phương pháp phổ biên độ
Fourier xác định tần số dao động riêng của nền đất, Tạp chí Khoa
học và Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, chun san tuyển
tập cơng trình Hội nghị khoa học các nhà nghiên cứu trẻ, số
154/04-2013.
4. Nguyễn Quang Dũng, Phan Thành Trung (2013), Mơ phỏng tải
trọng động đồn tàu di chuyển trong đường hầm để phân tích bài
tốn động của metro theo mơ hình bài tốn phẳng, Tạp chí Khoa
học và Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 155/06-2013.
5. Nguyễn Quang Dũng (2013), Sử dụng đệm đàn hồi giảm rung
động cho nền khi khai thác hệ thống Metro, Tạp chí Giao thơng
Vận tải, số tháng 07/2013.

1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Giao thơng ngầm là một hình thức giao thơng tiên tiến, sử dụng
hợp lý không gian ngầm, cho phép giải quyết nhiều vấn đề của các đô
thị lớn trên thế giới. Ở Việt Nam, đặc biệt là Hà Nội và TpHCM đã
tiến hành khởi động các dự án đường sắt đô thị. Khi đưa vào khai
thác hệ thống này sẽ phát sinh rung động gây khó chịu cho dân cư
sinh sống hai bên tuyến và có thể gây phá hoại kết cấu của cơng trình
xây dựng nếu xảy ra cộng hưởng.
Hiện nay ở nước ta chưa có các nghiên cứu về dự báo rung động
và biện pháp giảm rung động trong nền đất khi khai thác hệ thống
metro trước khi xây dựng, nhằm phát triển kinh tế quốc dân đi đôi
với việc đảm bảo môi trường sống đô thị. Do vậy đề tài “Nghiên cứu
rung động và 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.
Mục đích nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu phương pháp, mơ hình, thuật tốn và chương trình
tính để dự báo mức độ rung động của nền đất do tải trọng động của
đoàn tàu di chuyển trong hầm và biện pháp giảm rung động bằng
đệm đàn hồi.
Phạm vi nghiên cứu của luận án
- Về kết cấu: Kết cấu cơng trình hầm được mơ tả là hệ thanh.
- Về nền đất: Nền đất được mô tả bằng mô hình đàn dẻo.
- Về tải trọng: Tải trọng đồn tàu được mô 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.

Phƣơng pháp nghiên cứu
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 tải trọng động đầu vào trong Labview.
Cấu trúc của luận án
Toàn bộ nội dung luận án được trình bày trong phần mở đầu, 4
chương, phần kết luận, danh mục các tài liệu tham khảo. Nội dung


2
luận án bao gồm 119 trang, 16 bảng biểu, 81 hình vẽ và đồ thị, 85 tài
liệu tham khảo, 5 bài báo khoa học phản ánh nội dung của luận án.
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Luận án đã tiến hành tổng quan về các vấn đề liên quan đến nội
dung của luận án. Từ tổng quan rút ra các nhận xét, đánh giá như sau:
- Trong đánh giá rung động, áp dụng khái niệm “cường độ rung”,
cường độ rung được mô tả thông qua vận tốc và được phân cấp theo
Decibel rung động, ký hiệu là VdB để phân biệt với cường độ âm
thanh (dB) [7]. Các tiêu chuẩn trên thế giới về rung động áp dụng
điều kiện giới hạn rung như sau:
L max Li [ L]
[VdB]
(1.1)
trong đó:

Li

20 log 10

vi
vref

[VdB]

(1.2)

L: Cường độ rung động lớn nhất phát sinh.
Li : Cường độ rung động tại khoảng thời gian 1s thứ i.
[L]: Cường độ rung động giới hạn trong tiêu chuẩn áp dụng.
vi : Vận tốc dao động căn quân phương tại khoảng 1s thứ i.
vref : Vận tốc dao động tham chiếu, vref=5.10-8 m/s [77].
- Các nghiên cứu đã tiếp cận bài tốn theo hướng giải quyết hai
mơ hình con: (i) bài toán tương tác ray-bánh xe để xác định tải trọng
xuống sàn hầm và (ii) bài toán tương tác động lực học hầm – nền.
- Nhiều nghiên cứu xem môi trường đất là một lớp với các tham
số là trung bình của các lớp hoặc nhiều lớp đàn hồi tuyến tính. Việc
quy đổi về 1 lớp trung bình khi đặc tính các lớp đất khác nhau nhiều
sẽ dẫn đến kết quả chưa phù hợp.
- Thực tế tải trọng động của đoàn tàu là rất phức tạp và bị ảnh
hưởng của nhiều yếu tố liên quan, đến nay nhiều nghiên cứu đã đơn
giản hóa xem tải trọng đồn tàu là hàm điều hịa 1 tần số và tính tốn
cho 1 trục hay 1 toa xe, dẫn đến việc mô phỏng tải trọng chưa sát
thực tế. Một số nghiên cứu sử dụng kết quả đo gia tốc hay tải trọng


3
tại đường ray làm dữ liệu đầu vào để tính toán, điều này chỉ áp dụng
cho bài toán kiểm tra rung động chứ khơng áp dụng cho bài tốn dự
báo rung.

- Các nghiên cứu này đã tiến hành tính tốn cho dự án tại khu vực
có nền đất khá tốt đến tốt vì vậy việc áp dụng vào điều kiện đất yếu
đô thị Việt Nam sẽ không phù hợp, đồng thời cũng chưa nghiên cứu
ảnh hưởng của các tham số của đất yếu đến cường độ rung động
- Các biện pháp giảm rung đang được quan tâm nhiều hiện nay là
bố trí đệm đàn hồi trong sàn hầm. Hiện nay các nghiên cứu hiệu quả
giảm rung của biện pháp này chưa có đánh giá tổng quát hiệu quả
giảm rung theo các phương án bố trí đệm đàn hồi.
Từ các nhận xét, đánh giá trên, tác giả đã lựa chọn đề tài, xác định
mục đích, nội dung, phương pháp và phạm vi nghiên cứu của luận án
như đã trình bày trong phần mở đầu.
CHƢƠNG II
PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP
XÁC ĐỊNH THAM SỐ ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT
2.1. Các tham số động nền đất và tổng quan các phƣơng pháp
xác định
Để giải quyết bài tốn mà luận án đặt ra cần có các tham số động
của nền đất. Luận án đã tổng quan về các phương pháp thí nghiệm
xác định các chỉ tiêu động của nền đất trên thế giới và phân tích điều
kiện áp dụng tại Việt Nam hiện nay.
Qua phân tích nhận thấy, điều kiện Việt Nam là hạn chế về vốn
đầu tư thiết bị, hạn chế về trình độ chun mơn, hạn chế về tay nghề
và cịn thiếu các tiêu chuẩn hướng dẫn thí nghiệm các chỉ tiêu động
của nền đất. Nhằm giải quyết các bài toán thực tiễn hiện nay phát
sinh trong điều kiện khó khăn, luận án đã áp dụng phương pháp xác
định các tham số động theo công thức thực nghiệm của Andrus [66]
nghiên cứu năm 2003 là xác định vận tốc truyền sóng cắt vs từ kết
quả thí nghiệm hiện trường SPT, CPT; của Ishibashi I., Zhang J.,
[50], [56], [72] xác định tỷ số cản .

4
2.2. Phƣơng pháp xác định tham số động của nền đất theo công
thức thực nghiệm
* Xác định v s từ kết quả thí nghiệm CPT [66]
Phương trình xác định vận tốc truyền sóng cắt vS từ kết quả thí
nghiệm CPT cho đất nói chung phụ thuộc vào sức kháng mũi xuyên
(qc -kPa), hệ số ứng xử của đất (Ic) và hệ số địa tầng (ASF) tương ứng
với từng độ sâu thí nghiệm Z(m) thể hiện trong bảng 2.3.
Bảng 2.3. Quan hệ của v S và CPT (qc -kPa) theo Andrus (2003) [66]
Ic
v S (m/s)
Phƣơng trình
0 , 342 0 , 688 0 , 092
Tất cả
(2.7)
vS 4,63qc I c Z
ASF
<2.05

vS

>2.60

vS

8,27qc

0 , 285

0,208qc

Ic

0 , 654

I

0 , 406

1, 910
c

Z 0,122 ASF

Z

0 ,108

ASF

(2.8)
(2.9)

Hệ số địa tầng ASF phụ thuộc vào hệ số ứng xử của đất (I c) tại
từng độ sâu thí nghiệm Z(m), được tra bảng 2.4.
Hệ số ứng xử của đất (Ic) phụ thuộc hệ số sức kháng mũi (Q), hệ
số sức kháng ma sát bên (F), được tính theo cơng thức sau:
Ic
3,47 logQ

trong đó:
Q

F

,
v

qc
pa

fs

.

pa
,
v

2

1,22 log F

2 0,5

(2.10)

n

(2.11)

.100%
(2.12)
,
qc
v
fs : Sức kháng ma sát đơn vị thành lỗ xuyên
qc : Sức kháng mũi trong thí nghiệm CPT.
pa = 100kPa: Ứng suất tham chiếu.
’v : Ứng suất có hiệu thẳng đứng (kPa).
n =0,5 1: Số mũ phụ thuộc vào chu trình tinh tốn hệ số ứng
xử của đất.
Hệ số ứng xử của đất Ic được xác định theo chu trình [66] như sau:
1) Tính Ic theo (2.10) với n=1 được giá trị Ic= Ic1 ;
2) Nếu Ic1 > 2,6; sử dụng kết quả Ic = Ic1 ;


5
3) Nếu Ic1 <2,6; tính lại Ic theo (2.10) với n=0,5 được giá trị I c=Ic2 ;
- Nếu Ic2 < 2,6; sử dụng kết quả Ic=Ic2 đã tính với n=0,5;
- Nếu Ic2 > 2,6; tính lại Ic theo (2.10) với n=0,7;
4) Kết thúc chu trình.
Bảng 2.4. Bảng tra ASF cho thí nghiệm CPT theo Andrus (2003) [66]
Loại địa tầng, vị trí
Loại đất
Ic
ASF v s (m/s)
Các loại
Tất cả 1,00 60 260
Holocen

Cát sạch, cát bùn <2,05 1,00 110 260
Đồng bằng ven biển
Sét, bùn sét
>2,60 1,00 60 230
Các loại
Tất cả 1,23 130 300
Pleistocen
Cát sạch, cát bùn <2,05 1,34 160 300
Đồng bằng ven biển
Sét, bùn sét
>2,60 1,16 130 250
.v.v.
.v.v.
.v.v. .v.v.
.v.v.
* Xác định tỷ số cản theo cơng thức thực nghiệm
Việc xác định chính xác và xét đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng
đến tỷ số cản là một việc khó khăn. Năm 1993, Ishibashi và Zhang
[50], [56] đã đề xuất công thức kinh nghiệm xác định như sau:
1 e
0,333

0 , 0145. PI 1, 3

2

G
. 0,586
Gmax

2

1,547

G
Gmax

1

(2.13)

trong đó:
G
m ( , PI ) mo
K , PI . m
(2.14)
Gmax
PI: Chỉ số dẻo của đất (%).
: Biên độ biến dạng cắt trung bình (%).
m: Ứng suất nén có hiệu của đất (kPa).
Các hàm số không đơn vị trong công thức (2.14) được xác định
chi tiết theo hướng dẫn trong [50], [56].
2.3. Thử nghiệm số xác định các tham số động nền đất tuyến
metro số 6 - TpHCM.
Áp dụng phương pháp xác định tham số động của nền theo cơng
thức thực nghiệm, tính tốn tốc độ truyền sóng cắt từ kết quả thí
nghiệm CPT cho nền đất tuyến metro số 6 – TpHCM. Kết quả tính


6

tốn cụ thể cho hai vị trí đại diện của tuyến, vị trí Km 0+940 (vị trí có
độ sâu hầm là nhỏ nhất và điều kiện địa chất tốt nhất tuyến) và vị trí
Km 6+700 (vị trí có độ sâu hầm là lớn nhất và có lớp đất yếu dày
nhất trên tuyến), kết quả tính tốn thể hiện trên bảng 2.6 và bảng 2.7.
Bảng 2.6. Kết quả xác định vận tốc truyền sóng cắt
và tỷ số cản tại Km0+940

Bảng 2.7. Kết quả xác định vận tốc truyền sóng cắt
và tỷ số cản tại Km6+700

Nhận xét:
- Trong phương pháp tính tốn ở trên sử dụng kết quả thí nghiệm
hiện trường CPT và niên đại địa tầng trong các báo cáo khảo sát tổng
hợp của khu vực TpHCM: Các số liệu có độ tin cậy;
- Hai khu vực so sánh khảo sát là vùng đồng bằng ven biển: Hai
khu vực có sự tương tự về vị trí địa lý;
- Niên đại hình thành địa tầng của khu vực TpHCM chủ yếu là
Holocen và Pleistocen [3], cịn South Carolina ngồi Holocen,
Pleistocen cịn có cả niên đại Đệ tam: Hai khu vực có sự tương tự về


7
tuổi địa tầng;
- So sánh kết quả thực nghiệm xác định tốc độ sóng trong đất sét,
bão hịa nước tại TpHCM đã công bố trong [11] là 100 m/s với kết
quả tính tốn cho lớp sét bão hịa đã tính tốn trong bảng 2.7 (lớp 1)
là vS=103,01m/s: Kết quả tính tốn là phù hợp với thực nghiệm;
Qua các phân tích ở trên, việc áp dụng các công thức thực nghiệm
ở trên là phù hợpvà có độ tin cậy để áp dụng.
CHƢƠNG 3

NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT
DO KHAI THÁC HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM
3.1. Đặt bài toán và các giả thiết tính tốn
Khảo sát hệ kết cấu – mơi
trường làm việc theo sơ đồ biến
dạng phẳng (hình 3.1), với các giả
thiết sau:
- Vật liệu của kết cấu làm việc
trong giai đoạn đàn hồi.
- Nền đất là đàn - dẻo, các tính
chất cơ học của nền thay đổi theo Hình 3.1. Mơ hình bài tốn khi
từng lớp nhưng trong một lớp xem hệ chịu tác dụng tải trọng động
tàu điện ngầm
là không đổi.
- Chuyển vị và biến dạng tại điểm bất kỳ của hệ kết cấu – môi
trường là nhỏ.
- Khi chịu tải, điều kiện liên tục về chuyển vị được thoả mãn
trên bề mặt tiếp xúc giữa các lớp nền cũng như trên bề mặt tiếp xúc
của kết cấu và nền tức là không xảy ra sự trượt và tách tương đối.
- Hệ kết cấu và môi trường làm việc trong điều kiện bài toán
phẳng. Đồng thời xem hệ chỉ chịu rung động khi có tải trọng lưu
thơng đến vị trí nghiên cứu.
3.2. Cơ sở phƣơng pháp phần tử hữu hạn phân tích bài tốn
tƣơng tác giữa kết cấu và nền biến dạng chịu tải trọng động
Dưới tác dụng của tải trọng động, phương trình vi phân chuyển
động của hệ khi vật liệu là đàn hồi như sau [9], [23], [73], [74]:


8
M U

C U

K U

(3.7)

R

Khi đó
hệ phương trình vi phân (3.7) được viết lại như sau:
M U

CU

U

KU U

R

(3.8)

Sau khi giải các phương trình này được chuyển vị nút của các
phần tử và sử dụng các quan hệ của PTHH ta sẽ tính được nội lực,
biến dạng và ứng suất trong mỗi phần tử. Luận án sử dụng phần mềm
Plaxis để giải phương trình (3.8) với mơ hình nền đất là đàn dẻo.
3.3. Nghiên cứu rung động bằng phần mềm xác định tải trọng
động tàu điện ngầm (DLT) và gói phần mềm PLAXIS
Luận án đề xuất trình tự giải quyết bài tốn dự báo rung động

bằng Plaxis thể hiện trên sơ đồ hình 3.2. Thực chất sơ đồ hình 3.2
dựa trên việc giải quyết bài toán cho hai bài toán con: (1) Xác định
tải trọng động đoàn tàu tác dụng xuống sàn hầm bằng phần mềm
DLT do tác giả xây dựng và (2) Giải bài toán tương tác kết cấu vỏ
hầm - nền đất thực hiện trên gói phần mềm Plaxis.

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


9
3.3.1. Phân tích lựa chọn mơ hình nền áp dụng cho nền đất
TpHCM
Luận án đã phân tích đặc điểm các mơ hình trong Plaxis và đặc
điểm nền đất khu vực TpHCM và đề xuất sử dụng mơ hình đàn dẻo
Mohr-Coulomb cho các lớp đất, riêng lớp đất 1 là lớp đất yếu nên sử
dụng mơ hình Cam-Clay cải biên.
3.3.2. Nghiên cứu mô phỏng tải trọng động và xây dựng phần
mềm xác định tải trọng động của đồn tàu lƣu thơng
trong hầm (DLT).
Tải trọng trục xe được xem là lực tác dụng từ đường ray xuống
sàn hầm, kết cấu đường ray khơng có đá balát được xem là đàn hồi
và có khả năng chống uốn. Khi đó áp dụng lý thuyết dầm liên tục
Bernoulli-Euler trên nền đàn hồi và tải trọng đặt tại vị trí z=0 (trục z
là trục dọc theo tim đường ray). Hàm phân bố lực thẳng đứng (z)
do trục xe có trọng lượng P=1 [22], [48]:
z
z
z
1

( z)
e cos
sin
(3.13)
2
trong đó:
α: Chiều dài ảnh hưởng của tải trọng,
EI: Độ cứng chống uốn của ray.
S: Mơ đun đàn hồi của nền.

Hình 3.5. Sơ đồ tải trọng của 1 trục xe tác
dụng lên ray theo Bernoulli-Euler

4

4 EI
S

Hình 3.6. Đồ thị hàm (z)
của 1 trục xe P=1

Mở rộng cho trường hợp đoàn tàu có N toa xe và mỗi toa có n trục
xe, và sử dụng nguyên lý cộng tác dụng và chứng minh được công
thức hàm tải trọng theo thời gian. Trên cơ sở lý thuyết dầm liên tục
Bernoulli-Euler trên nền đàn hồi, lập thành phần mềm mơ phỏng tải
trọng động đồn tàu theo thời gian bằng ngôn ngữ Labview 2011 đặt
tên là “Dynamic Loading on Tunnel – DLT”. Chương trình có khả


10

năng tính tốn cho 5 trường hợp có và khơng có bố trí giảm rung
bằng đệm đàn hồi trong đường ray. Giao diện chính của chương trình
thể hiện trên hình 3.8, một đoạn code chương trình thể hiện trên hình
3.10.

Hình 3.8. Giao diện mơ đun chính của chương trình DLT

Hình 3.10. Một đoạn code chương trình trong Labview cho mơ đun 01.
3.3.3. Xác định tần số dao động riêng của nền nhiều lớp bằng
Plaxis
Plaxis khơng có mơ đun tính tốn tần số dao động riêng của mơ
hình nhằm xác định ma trận cản, chính vì vậy phải áp dụng phương
pháp phổ biên độ Fourier là cần thiết khi sử dụng gói phần mềm này
để phân tích bài tốn động lực học có xét đến cản của nền đất.


11
Áp dụng tính tốn tần số dao động riêng cho hai vị trí Km0+940
và Km6+700 với các tham số động của nền đã xác định trong bảng
2.6 và 2.7. Sử dụng các tham số tối ưu theo kiến nghị trong [19],
[31], [32] và đánh giá ảnh hưởng của nền nhiều lớp, của tỷ số cản đến
kết quả bài toán. Kết quả tính tốn cụ thể cho hai vị trí như sau:
- Km0+940: f1 =1,37Hz và f2 =3,52Hz.
- Km6+700: f1 =1,17Hz và f2 =2,73Hz.
3.4. Dự báo rung động của nền do khai thác tàu điện ngầm TpHCM
3.4.1. Xác định sơ đồ bố trí tải trọng động và kích thƣớc mơ hình
Dự báo rung động cho hai vị trí trên tuyến metro số 6 – TpHCM
có lý trình Km0+940 và Km6+700. Tải trọng động của đoàn tàu
Metropolis 98[55] và các tham số khác được chi tiết tại mục 3.4.2
của luận án. Theo tính tốn, sơ đồ tải trọng bất lợi nhất là trường hợp

tải trọng đối xứng (hai đồn tàu lưu thơng ngược chiều nhau trong hai
ống hầm và gặp nhau tại vị trí tính tốn), do đó trong luận án tất cả
các tính tốn thử nghiệm số được tính tốn cho trường hợp tải trọng
đối xứng là trường hợp bất lợi nhất về cường độ rung.

số 6–TpHCM [2]


12

tại Km6+700 tuyến số 6-TpHCM [2]
3.4.2. Cƣờng độ rung động theo phƣơng ngang tại Km0+940
và Km 6+700 trên tuyến metro số 6 – TpHCM.
Tính tốn cường độ rung động theo phương ngang tuyến metro số
6 với tải trọng đoàn tàu Metropolis 98 và cấu tạo đường ray có các
thơng số trong mục 3.3.2 bằng phần mềm DLT. Đường ray có độ sâu
khuyết tật 0,3mm và bước sóng khuyết tật là ngẫu nhiên tính theo các
tần số đại diện của dải tần số ngẫu nhiên 8Hz, 16Hz, 31,5Hz, 63Hz.

t đất
theo phương ngang, tại Km0+940, khi V=80km/h.


13

phương ngang, tại Km6+700, khi V=80km/h.
Nhận xét:
- Theo kết quả tính, tại vị trí tính tốn cường độ rung vượt
mức cho phép (75VdB) [13], [43], [75], [77], cụ thể Km0+940 là
17,86VdB và tại Km6+700 là 15,51VdB, do vậy cần phải có biện

pháp giảm rung. Theo FTA (2006) [43], tại các vị trí nghiên cứu có
vmax<5mm/s do vậy ảnh hưởng của rung động đến kết cấu cơng trình
xây dựng hai bên tuyến là không đáng kể.
3.5. Thử nghiệm số khảo sát ảnh hƣởng của các yếu tố của hầm, nền
đến rung động trong nền
3.5.1. Ảnh hƣởng của khuyết tật mặt tiếp xúc bánh xe -ray đến
rung động nền
Khảo sát bài toán cho vị trí Km0+940 trong các trường hợp thay
đổi tần số khuyết tật fir, khi V=80 km/h.

của điểm B và f ir tại Km0+940,
khi V=80km/h.
Nhận xét: Khi khuyết tật đường ray có độ sâu 0,3mm và tốc độ
chạy tàu 80km/h, cường độ rung sẽ gia tăng thêm 2,5 0 VdB tương
ứng với bước sóng khuyết tật 0,35m đến 2,8m.
max


14
3.5.2. Ảnh hƣởng của tốc độ chạy tàu đến rung động nền
Khảo sát bài toán tại Km0+940 với sự thay đổi của tốc độ chạy
tàu, với bước sóng khuyết tật a ir=30cm.

max của điểm B và vận tốc chạy tàu, tại
Km0+940, khi a ir =30cm.
Nhận xét: Trong phạm vi tốc độ khai thác V<100km/h, cường độ
rung sẽ giảm trung bình khoảng 2,2VdB cho mỗi 20km/h giảm tốc.
3.5.3. Ảnh hƣởng loại hầm đến rung động nền
Khảo sát bài toán tại vị trí Km6+700, thay kết cấu hầm chữ nhật
bằng hầm trịn và đặt cùng cao độ đỉnh ray, trong cùng điều kiện tải

trọng tác động và điều kiện khuyết tật đường ray là như nhau.

max của các điểm A J trong trường hợp
mặt cắt ngang hầm là chữ nhật và tròn, tại Km0+940,
khi V=80km/h, a ir =30cm.
Nhận xét: Trong cùng một điều kiện địa chất, với hai loại hầm có
dạng mặt cắt ngang khác nhau nhưng kết quả cường độ rung gây ra
cho nền khác nhau rất ít, có thể coi là bằng nhau.
3.5.4. Ảnh hƣởng độ dày vỏ hầm đến rung động nền
Khảo sát bài tốn tại vị trí Km0+940, với các trường hợp vỏ
hầm trịn có độ dày 20, 30, 40, 50cm, trong cùng điều kiện tải trọng
tác động và điều kiện khuyết tật đường ray là như nhau.


15

max của các điểm A J tương ứng với các
trường hợp độ dày vỏ hầm, tại Km0+940, khi V=80km/h, a ir =30cm.
Nhận xét: Khi thay đổi chiều dày vỏ hầm từ 20÷50cm, cường độ
và vận tốc rung lớn nhất của điểm nghiên cứu có thay đổi nhưng trị
số thay đổi rất nhỏ và có thể xem như khơng đáng kể.
3.5.5. Ảnh hƣởng của lớp đất yếu đến rung động nền
Khảo sát sự thay đổi cường độ rung theo phương thẳng đứng tại
tọa độ X=7m cho hai vị trí Km0+940 và Km6+700, trong cùng điều
kiện tải trọng tác động và điều kiện khuyết tật đường ray là như nhau.

h hầm
(X=7m), khi V=80km/h, a ir =30cm.
Nhận xét:
- Trong điều kiện mực nước ngầm cao, các lớp đất từ đỉnh hầm

trở lên có tốc độ truyền sóng cắt vS<200m/s và hệ số rỗng e
=0,65 0,75, làm gia tăng cường độ rung động cho nền đất.


16
- Đối với lớp đất yếu dưới mực nước ngầm như lớp số 1 (có
vS=103,01m/s, hệ số rỗng e=2,07, độ bão hòa 97,5%) tại Km6+700,
lớp đất này ở trạng thái rất mềm đến chảy có ảnh hưởng làm giảm
cường độ rung động phát sinh cho những lớp trên nó.
CHƢƠNG 4
NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP GIẢM RUNG ĐỘNG TRONG
NỀN DO KHAI THÁC HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM
4.1. Đặt vấn đề
Như đã phân tích trong tổng quan, Luận án lựa chọn nghiên cứu
xác định hiệu quả giảm rung của các phương án bố trí đệm đàn hồi và
nghiên cứu ảnh hưởng của lớp đất yếu đến hiệu quả giảm rung động
của đệm đàn hồi. Các phương án bố trí như hình 4.1.
Mơ tả phƣơng án
Cấu tạo phƣơng án
a) Thiết kế ban đầu
khơng có giảm rung
b) Bố trí đệm giảm rung
tại đáy ray (khơng sử
dụng tà vẹt)
c) Bố trí đệm đàn hồi bao
bọc ở đáy và bên hơng
tà vẹt
d) Bố trí một lớp đệm
đàn hồi trong sàn hầm
dạng tấm hoặc gối.

e) Bố trí đệm đàn hồi bao
bọc ở đáy và bên hông
tà vẹt và một lớp trong
sàn hầm.


17

f) Bố trí hai lớp đệm đàn
hồi trong sàn hầm
dạng tấm hoặc gối.
Hình 4.1. Các phương án bố trí đệm đàn hồi trong đường ray
4.2. Vật liệu đàn hồi giảm rung động
Sau khi phân tích ưu, nhược điểm và các đặc tính khác của một số
vật liệu đàn hồi, luận án kiến nghị sử dụng đệm đàn hồi được sử dụng
phổ biến trên thế giới là tấm Sylomer của Hãng Getzner (Đức) để
giảm rung. Sylomer là loại vật liệu hỗn hợp (PUR) có tính chất đàn
hồi và được chia làm 10 như bảng 4.3.
Bảng 4.3. Trị số ứng suất giới hạn của các loại Sylomer [45], [46]
Độ
bền

Loại Sylomer - Màu sắc

(MPa)

[
[

tĩnh ]

0,011 0,018 0,028 0,042 0,055 0,110 0,220 0,450 0,850

1,200

tổng ] 0,016 0,028 0,042 0,065 0,085 0,160 0,350 0,700 1,300 1,800

Tấm Sylomer được sử dụng phải được lựa chọn thoả mãn hai
điều kiện chịu lực như sau: tĩnh ≤[ tĩnh ] và tổng ≤[ tổng ]
(4.1)
4.3. Mơ hình bài tốn và trình tự tính tốn hiệu quả giảm rung
L1 là cường độ
rung dự báo khi
không áp dụng
biện pháp giảm
rung; L2 là cường
độ rung dự báo khi
áp dụng đệmđàn
hồi; L là hiệu quả
giảm rung động
của đệm mềm, đàn
hồi.
Hình 4.4. Sơ đồ giải bài tốn giảm rung cho cơng trình có lớp đệm
đàn hồi bằng phần mềm Plaxis


18
Phương pháp đánh giá hiệu quả giảm rung trong luận án sử dụng
là phương pháp PTHH trong Plaxis, tải trọng động trong trường hợp
có bố trí đệm đàn hồi Sylomer giảm rung được xác định bằng phần

mềm DLT tương ứng với các trường hợp bố trí như hình 4.1. Trình tự
toán hiệu quả giảm rung các phương án theo sơ đồ hình 4.4.
4.4. Đánh giá hiệu quả giảm rung động bằng đệm đàn hồi
Sylomer đặt vĩnh cửu trong đƣờng hầm.
Trên cơ sở số liệu của các bài tốn đã trình bày trong chương 3,
tiến hành tính tốn hiệu quả giảm rung động của từng phương án đề
xuất trong hình 4.1 cho hai chiều dày của tấm Sylomer là 12,5mm và
25mm nhằm xây dựng đồ thị tra cứu trong thiết kế.
Loại Sylomer được lựa chọn sử dụng trong các phương án là loại
phải thỏa mãn hai điều kiện: Điều kiện chịu lực theo cơng thức (4.1)
và có mơ đun đàn hồi động là nhỏ nhất trong các loại Sylomer thỏa
mãn điều kiện chịu lực theo (4.1), để đảm bảo hiệu quả giảm rung là
lớn nhất theo (3.14) và (3.19). Cụ thể như sau: Sử dụng loại SR450
tại đáy ray, loại SR110 tại đáy tà vẹt và loại SR28 trong sàn hầm.
4.4.1. Phƣơng án bố trí 1 lớp đệm đàn hồi Sylomer
Tiến hành tính tốn hiệu quả giảm rung cho các phương án bố trí
1 lớp đệm đàn hồi trên hình 4.1b, 4.1c và 4.1d với Hs thay đổi. Kết
quả hiệu quả giảm rung động trung bình L được tổng hợp thành đồ
thị hình 4.19 như sau:

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.


19
4.4.2. Phƣơng án bố trí 2 lớp Sylomer trong sàn hầm
Tiến hành tính tốn hiệu quả giảm rung cho các phương án bố trí
2 lớp đệm đàn hồi trên hình 4.1e và 4.1f với Hs1 thay đổi. Kết quả
hiệu quả giảm rung động trung bình L được tổng hợp thành đồ thị
hình 4.26 như sau:

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.
Nhận xét: Khi bố trí 1 lớp đệm đàn hồi, hiệu quả giảm rung tăng
dần theo chiều sâu bố trí Hs. Khi bố trí 2 lớp đệm đàn hồi, tỷ lệ chiều
sâu bố trí đệm đàn hồi so với đáy tà vẹt tối ưu là 0,55 Hs1 /Hs2 1.
4.5. Khảo sát ảnh hƣởng một số yếu tố đến hiệu quả giảm rung
của đệm đàn hồi Sylomer
4.5.1. Ảnh hƣởng của chiều dày lớp đệm đàn hồi Sylomer

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 f ir =63Hz.


20
Khảo sát bài tốn bố trí 1 lớp đệm đàn hồi tại đáy sàn hầm, thay
đổi chiều dày của đệm đàn hồi. Kết quả khảo sát sự thay đổi hiệu quả
giảm rung của điểm B, trên mặt đất có tọa độ X=7m, tại Km0+940
theo độ dày tấm Sylomer thể hiện trên hình 4.27.
Nhận xét: Theo kết quả tính tốn trên hình 4.27, hiệu quả giảm
rung tăng thêm trung bình 1VdB khi tăng thêm 12,5mm, như vậy
hiệu quả giảm rung không tăng tương xứng với khối lượng Sylomer
phải bỏ ra.
4.5.2. Ảnh hƣởng của chiều rộng lớp đệm đàn hồi Sylomer
Khảo sát bài tốn bố trí một lớp đệm đàn hồi dưới đáy tà vẹt
25cm, bố trí hai hình thức cấu tạo đệm đàn hồi Sylomer ở dạng tấm
(hình 4.28a) và dạng gối (hình 4.28b). Kết quả tính cường độ rung
theo phương ngang tại Km0+940 cho hai hình thức bố trí như sau:

Hình 4.28. Bố trí đệm đàn hồi Sylomer SR28 dày 25mm cách đáy tà
vẹt 25cm, dạng tấm và dạng gối

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,tại
Km0+940, khi V=80km/h và f ir =63Hz.


21
Nhận xét: Kết quả tính tốn cho thấy hiệu quả giảm rung khi bố
trí dạng gối có tăng hơn bố trí dạng tấm, nhưng sự khác biệt nhau rất
nhỏ khoảng 0,16 0,17VdB. Do đó ngồi việc so sánh chi phí cho vật
liệu Sylomer, phải so sánh thêm cả chi phí công nghệ thi công khi
thiết kế chọn phương án.
4.5.3. Ảnh hƣởng của mô đun đàn hồi lớp đệm Sylomer.
Khảo sát bài tốn bố trí 1 lớp đệm đàn hồi tại đáy sàn hầm, thay
đổi chủng loại Sylomer bố trí (SR28, SR55, SR110, SR450 và
SR1200) tức là thay đổi mô đun đàn hồi động của tấm Sylomer
(Edyn ). Kết quả khảo sát sự thay đổi hiệu quả giảm rung của điểm B,
trên mặt đất có tọa độ X=7m, tại Km0+940 theo loại Sylomer sử
dụng như sau:

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 f ir =63Hz.
Nhận xét: Theo kết quả tính tốn, việc tăng mơ đun đàn hồi của
đệm đàn hồi làm giảm hiệu quả giảm rung động, quy luật giảm hiệu
quả giảm rung theo hàm logarit. Do đó cần chọn loại Sylomer có mơ
đun đàn hồi thấp nhất trong các loại đáp ứng yêu cầu chịu lực (4.1)
để đạt được hiệu quả giảm rung cao nhất.

4.5.4. Ảnh hƣởng của lớp đất yếu
Khảo sát bài toán xác định hiệu quả giảm rung của tấm
Sylomer SR28 dày 25mm bố trí tại đáy sàn hầm thể hiện trên hình
4.18a cho hai vị trí Km0+940 và Km6+700, nhằm đánh giá ảnh
hưởng của lớp đất yếu là lớp 1 tại vị trí Km6+700 trên tuyến metro số
6. Kết quả khảo sát hiệu quả giảm cường độ rung cho các vị trí trên
mặt đất thể hiện trên hình 4.31 và hiệu quả giảm trị số vận tốc rung
lớn nhất cho các điểm trên mặt đất thể hiện trên hình 4.32.


22

Hình 4.31. Hiệu quả giảm
Hình 4.32. Hiệu quả giảm vận tốc
cường độ rung của đệm đàn hồi rung lớn nhất của đệm đàn hồi
Sylomer SR28 dày 25mm bố trí Sylomer SR28 dày 25mm tại đáy
tại đáy sàn hầm, khi V=80km/h
sàn hầm, khi V=80km/h và
và f ir =63Hz.
f ir =63Hz.
Nhận xét: Từ hình 4.31 nhận thấy hiệu quả giảm cường độ
rung ( L) có sự khác biệt khơng lớn trong hai trường hợp khi khơng
có lớp 1 (Km0+940) và có lớp 1(Km6+700). Từ hình 4.32 cho thấy
hiệu quả giảm giá trị vận tốc dao động lớn nhất ( Vmax) của tấm
Sylomer khi trong nền có lớp đất yếu (lớp 1, có hệ số rỗng lớn e=2,07
và bão hòa) tại Km6+700 nhỏ hơn khi trong nền đất khơng có lớp
này tại Km0+940.
KẾT LUẬN CHUNG
1. Những kết quả chính và đóng góp mới của luận án
- Xây dựng phần mềm mô phỏng số tải trọng động của đoàn tàu di

chuyển trong hầm - DLT2013 trong các trường hợp có và khơng có
đệm đàn hồi giảm rung theo lý thuyết của mơ hình dầm trên nền đàn
hồi Bernoulli-Euler bằng ngơn ngữ lập trình Labview 2011. Kết quả
này thể hiện ở cơng trình đã cơng bố [4].
- Bổ sung và chứng minh độ tin cậy của phương pháp phổ Fourier
trong việc xác định tần số dao động riêng của nền đất nhiều lớp khi
áp dụng Plaxis giải bài toán tương tác động lực học kết cấu và nền.
Kết quả này thể hiện ở cơng trình đã công bố [3].
- Kết hợp sử dụng phần mềm DLT và Plaxis, chứng minh rung
động do khai thác tuyến metro số 6 –TpHCM sẽ gây khó chịu cho
dân cư hai bên tuyến. Khẳng định sự cần thiết nghiên cứu biện pháp
giảm rung động trước khi xây dựng các tuyến tàu điện ngầm của Việt