Phân tích sự tương tác của công trình ngầm đào theo phương pháp đào hầm mới (NATM) trải qua quá trình gia tải của động đất với các loại đất đá

ANALYSIS OF NATM TUNNEL RESPONSES DUE TO EARTHQUAKE LOADING IN VARIOUS SOILS

TRANSLATED BY PHAM TIEN VU
©10/2005

1







PHÂN TÍCH S TNG TÁC CA CÔNG TRÌNH NGM
ÀO THEO PHNG PHÁP ÀO HM MI CA ÁO (NATM) TRI QUA QUÁ
TRÌNH GIA TI CA NG T VI CÁC LOI T Á

Tác gi:
Zaneta G. Adme
Home Institution—Florida State University
Home Advisor—Makola M. Abdullah, Ph.D
REU Institution—University of Tokyo
REU Advisor—Yozo Fujino, Ph. D.
ANALYSIS OF NATM TUNNEL RESPONSES DUE TO EARTHQUAKE LOADING IN VARIOUS SOILS

TRANSLATED BY PHAM TIEN VU
©10/2005

2

Phân tích s tng tác ca công trình ngm đào bng phng pháp NATM
trong quá trình gia ti ca đng đt vi các loi đt đá khác nhau

Tóm tt

Các công trình ngm đóng mt vai trò rt ln trong vic phát trin các vùng đô th. Trong
hu ht các vùng din tích ca các đô th, tht là khó khn đ xây dng các công trình gn sát
ngay các công trình đã đc cu trúc t trc. Rt nhiu các đô th li nm gn nhng ni có nh
hng ca nc vì th nên đt đá trong vùng thng yu. Mt s vùng li còn chu nhiu s nh
hng ca đng đt. Dn đn s cn thit cho vic trin khai phng pháp k thut đ xây dng
công trình ngm.

Phng pháp đào hm mi ca Áo
ngày mt tr lên ph bin mt cách rng
rãi và đã đc chp nhn bi rt nhiu
quc gia và nó đã tr thành mt chun
mc trong vic thit k và thi công công
trình ngm. NATM là mt phng pháp
kt hp s dng s chng gi ca đt đá
xung quanh và v chng công trình ngm
đ thành mt cu trúc chng gi. Vi s
phát trin m rng ca phng pháp này,
thì vic kho sát đ đánh giá điu kin phù
hp ca đt đá vi công trình ngm là mt
vic rt cn thit. Trong vic này thì đt đá
ca các thành ph s đc phân tích và
đánh giá xem kh nng thích ng ca các
loi đt đá vi các công trình ngm dùng
phng pháp NATM s dng các mô hình
hai chiu vi gi thit đt trong các điu

kin có đng đt.

Li gii thiu

Có nhiu lí do vì sao s dng các công trình ngm. Các công trình ngm có th kt ni
các vùng đt vi nhau đ tránh các điu kin đa cht nguy him, có th to các đng vòng đ
tránh các công trình đã xây dng n đnh, ngoài ra còn đóng góp rt ln làm gim các mi lo
ngi v vn đ môi trng. ó là các lí do chính đáng cho vic s dng các công trình ngm.
Nhng hu ht các đng hm đang đc s dng hin nay làm đ tng lu lng giao thông.
Mi nm phn trm dân s th gii sng trong đô th, by mi phn trm dân s sng trong
nhng vùng b nh hng ca đng đt (Merritt, J. L., Monsees, J. E., Hendron, A. J., 1985).
Vào giai đon đu, các công trình ngm đc thit k mà không tính toán đn nh hng ca
đng đt. Nhng gn đây, đã có rt nhiu s quan tâm đn tác hi ca đa chn đn các cu trúc
ca các công trình ngm (Merritt, J. L., Monsees, J. E., Hendron, A. J., 1985).






ANALYSIS OF NATM TUNNEL RESPONSES DUE TO EARTHQUAKE LOADING IN VARIOUS SOILS

TRANSLATED BY PHAM TIEN VU
©10/2005

3

Ngi ta phân ra hai loi chính v nh
hng ca đng đt đn các công trình ngm:
s chn đng ca đt đt đá và s phá hu nn

móng. Khi đa chn xy ra, sóng đc truyn qua các lp v ca trái đt. Và kt qu là là s
chuyn đng ca nn móng đc hiu là các cn đa chn. Có hai loi đa cht c bn. Các sóng
ln đc truyn đi ni trong các lp ca v trái đt. Các sóng này có th là c sóng dc P và
sóng S ct ngang. Các sóng này truyn đi trc tip trong đt đá. Mt ca sóng truyn đi dc theo
b mt ca trái đt trong cùa mt loi vt cht và có th truyn trong nc. Các sóng này có th
là sóng Rayleigh hay sóng Love
(Merritt, J. L., Monsees, J. E., Hendron, A. J., 1985).Bt k mt
cu trúc ca công trình ngm nào cng b bin dng cng nh là đt đá b bin dng gây ra bi
các sóng đc truyn đi này. S phá
hy đt đá bao gm rt nhiu dng
khác nhau. Nó có th là các phay vò
nhàu đc hình thành, các vùng b
hóa lng và các s nâng h kin to.
Và mi ri ro này đu có nhng nh
hng không tt đn cu trúc các
công trình ngm (Merritt, J. L.,
Monsees, J. E., Hendron, A. J.,
1985).
ANALYSIS OF NATM TUNNEL RESPONSES DUE TO EARTHQUAKE LOADING IN VARIOUS SOILS

TRANSLATED BY PHAM TIEN VU
©10/2005

4

Nhiu phng pháp thit k và thi công công trình ngm thông thng đã đc s dng.
Và mt phng pháp chung nht trong đó là la chn tùy theo điu kin đa cht, kích thc
công trình ngm và các nhân t khác (Kirzhner, F. and Rosenhouse, G., 2000). Và có vài phng
pháp đã đc thit k và đa vào thc t. Phng pháp đào hm mi ca Áo là mt phng pháp
trong s đó, sau khi công trình ngm đc khai đào, bê tông phun đc phun lên b mt ca

công trình ngm bao ph ly b mt đt đá và tr thành thành phn ca cu trúc chng gi
(Yang, M. W. W., 2002). Phi ht sc cn thn trong quá trình khai đào và áp dng trc tip
phng tin chng gi đ ngn nga kh nng ri ca kt cu chng gi này. Các công trình
ngm này phi đc phun ph bao quanh tit din đ tránh áp lc tp trung vào mt khu vc ni
mà các kt chng c khí t ra bt li (Yamaji, H). Các đng hm này cng đc tn dng các
v chng mng đ làm gim cho nh nht mô men un. S quan trc đ đi phó kp thi trong
sut quá trình xây dng là mt yu t rt quan trng trong NATM. iu này có ngha là quy
trình và yêu cu chng gi phi tùy bin hp lí (Yang, M. W. W., 2002). Rt nhiu quc gia đã
chp nhn phng pháp này nh là mt phng pháp chính ca xây dng công trình ngm.

Phng pháp nghiên cu

Mc tiêu ca công trình là đánh giá và phân loi đt đá, khi đc s dng chung vi
đng hm đc thi công theo NATM. Vic này đc thc hin tt khi ch th b kích thích bi
các chn đng ca đng đt. By thành ph trên th gii đã đc la chn và đt đá  đó đc
đánh giá là ch yu nm trong vùng b dch đng cao nht. Và  đó đu đã tng tri qua quá trình
b đng đt.
 đa ra kt qu hp lí và đm bo s hoàn tt ca công trình, phng pháp gii quyt
đã đc thit lp. Bc th nht là nhn dng vn đ t nhiên và đánh giá tác đng có th xy
đn. Bc tip theo trong quy trình là đnh ngha các thông s đu vào và đnh ngha mô hình
da trên c s đu vào. Bc cui cùng là tìm ra gii pháp ca mu và xem xét kt qu ca công
trình.
Ba bc c bn c th là:
1. Nhn dng vn đ t nhiên
- Mô t cu trúc t nhiên
- Nhn dng ngun kích thích đng lc
- ánh giá kh nng có th xy ra
2. nh ngha mô hình
- Xác đnh thông s đu vào
ANALYSIS OF NATM TUNNEL RESPONSES DUE TO EARTHQUAKE LOADING IN VARIOUS SOILS

TRANSLATED BY PHAM TIEN VU
©10/2005

5
- Tìm mô hình mô phng vn đ t nhiên s dng các thông s đu vào
3. Tìm gii pháp ca mô hình s
- Gii quyt vn đ đ thu đc câu tr li
- Xem xét li các kt qu

Các thành ph đc la chn cho công trình này là:
• Agadir, Ma rc;
• Avezzano, Italy;
• Chimbote, Pê ru;
• Los Angeles, California, Hoa K;
• Mexico City, Mê Hi Cô;
• Tangshan, Trung Quc;
• Tokyo, Nht Bn.
BN  PHÂN B NG T TH GII (1999-2003)


Có bn tiêu chun c bn đc la chn đ s dng trong la chn các thành ph trong
công trình. Tiêu chun th nht là lch s đng đt ca thành ph. ây là vic rt cn thit đ s
dng các thành ph thng b nh hng ca đng đt ln. Tiêu chun tip theo là s dân trong
thành ph. Xác đnh đc thông s này là cn thit đ xác đnh tip tiêu chun th ba: kh nng
công trình ngm có th đc s dng. Tiêu chun cui cùng đc dùng đ la chn các thành
ph là s khác nhau ca các loi đt đá đc tìm thy trong vùng. Mt điu cng rt cn thit đ
la chn các thành ph là đt đá phi có đa dng tng phn nhau đ trong quá trình phân tích
tìm đc kt qu trong min rng.
Hin có 15 loi đt đá khác nhau hin có trên th gii (theo quan đim ca Yamaji, H).

iu này có th đc hiu rng rt là cn thit đ ly các loi đt đá này thí nghim đ tìm ra
kiu thi công công trình ngm mt cách thích hp vi mi loi đt đá đc lit kê. Mi thành
ph s dng trong thí nghim đã đc phân loi đt đá. Loi đt đá đó đc phân loi kt hp
theo mi yêu cu c th. Loi đt đá và thành phn đt đá (k c các thành phn khác bao gm
trong đt đá đó) ca mi thành ph đc lit kê trong bng sau:


ANALYSIS OF NATM TUNNEL RESPONSES DUE TO EARTHQUAKE LOADING IN VARIOUS SOILS

TRANSLATED BY PHAM TIEN VU
©10/2005

6
BN  PHÂN B T Á TRÊN TH GII

a đim Loi đt đá Thành phn đt đá có cha
Agadir, Ma rc Alfisols Sét có đ do thp
Avezzano, Italy Ultisols Bùn có đ do thp
Chimbote, Pê ru Entisols Hn hp cát si
Los Angeles, California, Hoa K Mollisols Hp cht hu c
Mexico City, Me hi cô Andisols Bùn có đ do trung bình
Tangshan, Trung Quc Inceptisols Si cát
Tokyo, Nht Bn Oxisols t sét có đ do cao

Tính cht ca các loi đt đá đc lit kê nh sau. Các tính cht này đc lit kê là cn
thit cho vic tính toán cho mi thành ph.

Loi đt đá
Trng
lng th

tích (kg/m
3
)
Mô đun
đàn hi
(Pa)
H s Poát
xông
Góc ni ma
sát (đ)
Lc dính
kt (Pa)
Si kt
ng nht 1600 4.00E+07 0,25 34 0
Cát ht mn cha nc 2100 4.00E+07 0,25 35 0
Cát đt huyn/bùn kt
hay sét kt
2100 4.00E+07 0,25 35 1000
Hn hp si kt và cát
kt
2000 1.50E+07 0.25 38 3000
Cát kt
ng nht, mn 1600 1.50E+07 0.25 32 0
ng nht, ht thô 1600 2.50E+07 0.25 34 0
ng nht, c ht đu 1800 2.0E+07 0,25 33 0
Bùn kt
 do nh 1750 4.0E+06 0,25 28 2000
 do trung bình đn
cao
1700 3.00E+06 0,25 25 3000

Sét kt
 do nh 1900 2.00E+06 0,28 24 6000
 do trung bình 1800 1.00E+06 0,25 20 8000
 do cao 1650 6.00E+05 0,25 17 10000
t ph hu c 1550 5.00E+05 0,25 20 7000
á
Gra nít 2700 7.40E+10 0,25 51 5.51E+07
ANALYSIS OF NATM TUNNEL RESPONSES DUE TO EARTHQUAKE LOADING IN VARIOUS SOILS

TRANSLATED BY PHAM TIEN VU
©10/2005

7
Cu trúc vt lý s dng cho mô phng này là mt công trình ngm đào qua hai lp đt đá.


Lp đá
Lp đt
p
h
Din tính toán ca các lp đt đá theo chiu rng là 130 mét và 130 chiu cao. Lp di
đáy là đá gra-nít bt đu xut hin  đ sâu 106 mét. Tính cht ca lp này đc gi nguyên cho
mi ln th nghim. Lp cao nht là lp đt ph có chiu dày 24 mét và tính cht ca nó thay đi
theo mi th nghim ti các thành ph khác nhau. Công trình ngm, vi tit din tròn đn vi
đng kính 22 mét và nm  đ sâu 67 mét bên di mt đt.
Vi công trình này, phng pháp đc s dng đ phân tích là phng pháp phn t hu
hn. Phng pháp phn t hu hn đc s dng cho mô hình và gii quyt các vn đ k thut
hai hay ba chiu phc tp. Phng pháp phn t hu hn bin đi d liu đu ra thành dng hình
nh trình bày trên màn hình và nhng chng trình có th đem li các d liu t các đim khác
nhau trong cu trúc. Chng trình Phân tích Phn t hu hn hình (VisualFEA) phi hp phn

mm x lý phn t hu hn hiu qu vi giao din đ ha thân thin vi ngi dùng làm gim
bt thi gian son chng trình.
 đm bo đ chính xác ca mô hình, có mt vài thông s phi đc nhp vào chng
trình VisualFEA. u tiên, mt mô hình ng sut b mt hai chiu đc s dng. Nó đc s
dng đ mô hình hóa cu trúc ba chiu và chúng là đng nht trên sut chiu dài, chng hn nh:
dm và tr. D liu đc ly t mt đim gia ca b mt đá và đt ph trc tip bên trên đim
cao nht ca công trình ngm.


im cn quan tâm
Cu trúc mô hình VisualFEA

ANALYSIS OF NATM TUNNEL RESPONSES DUE TO EARTHQUAKE LOADING IN VARIOUS SOILS

TRANSLATED BY PHAM TIEN VU
©10/2005

8
Gii hn thng đng c đnh đc đa vào đ gii hn đ dch đng ti nút ca mô hình.
Mt b hãm (damper) đc đnh v ti đáy ca đng biên đ gi đáy biên khi s dch đng
không kim soát đc. Vi mô hình Rayleigh này đ hãm 0,05 đc s dng đ mô hình đ hãm
t nhiên tiêu biu cho các loi đt đá.
Ngun ca đng lc kích thích s dng trong công trình này đc gia tng theo trn đng
đt  Kô Bê – Nht Bn nm 1995.


Gia tc

Thi
g

ian
Gia tng thông s đu vào (1995 Kobe, Japan)

Các thông s đu vào đc s dng vì đng đt đã tác dng vào Kô Bê – Nht Bn đã
phá hy ln nht ti c s h tng trong lch s. Thông s đng lc đu vào t trn đng đt
đc đt ti đáy vùng biên.
Kt qu
Vi mc đích so sánh, d liu đc ghi chép t si đng nht và bùn đ do trung bình
đn cao đc thc hin.





Si đng nht
Sét do trung
bình đn cao
 dch chuyn = 0,5753cm
 dch chuyn = 0,2838cm
ANALYSIS OF NATM TUNNEL RESPONSES DUE TO EARTHQUAKE LOADING IN VARIOUS SOILS

TRANSLATED BY PHAM TIEN VU
©10/2005

9

Mc dù các di màu dng nh là tng t trong s dch chuyn ca chúng, s khác
nhau ca chúng đc xp sp ln lt theo t l ca mi loi đt đá. T l ca si đng nht bin
đi t 0-2,1406 cm và t l ca đ do ca bùn t trung bình đn cao ch dao đng trong khon
0-1,1526 cm.

Kt qu th nghim ti mi thành ph đc lit kê nh bên di. Theo bng di,
Tangshan – Trung Quc có đ dch đng cc đi nh nht  ti đim cn quan tâm.  dch
đng cc đi này ch là 0,02057 cm. a đim đo đc đ dch đng cc đi cao nht là thành
ph Tokyo – Nht Bn đó là 1,419 cm.

a đim Loi đt đá  dch đng (cm)
Agadir, Ma rc t sét đ do thp 0.4304
Avezzano, Italy Bùn đ do thp 0.2129
Chimbote, Pê ru Hn hp cát-si 0.05604
Los Angeles, California, M t hu c 0.1704
Mexico City, Hê hi cô Bùn đ do trung bình 0.2839
Tangshan, Trung Quc Cát si – bùn/nc 0.02057
Tokyo, Japan t sét đ do cao 1,419

Kt lun và hng phát trin
Công trình này đã tìm ra các loi đt đá bao gm t 10÷15 % loi ht mn là kh thi di
tác đng kích thích ca đa chn hn các loi đt đá mà phn trm ht mn nh hn 10%. t đá
vi lng ln nht các ht mn (>50%) không thích hp so vi các loi đt đá khác.
Công trình đã m ra mt hng phát trin trong tng lai. Ly mt ví d, mt mô hình ba
chiu có th đc s dng. Phi kt hp nhiu nhiu lp đt đá khác cng có th đc s dng
và mc nc ngm có th đc gii thiu đ mô phng kh nng có th ca s hóa lng. Trong
tng lai, có th tng các lp đ tính toán hn na đ kt qu sát thc t hn. Qua đây cng cho
thy, chng trình phn t hu hn có nhng công c tt đ kho sát các vn đ phc tp và nó
cng là mt công c tt trong đào to.
ANALYSIS OF NATM TUNNEL RESPONSES DUE TO EARTHQUAKE LOADING IN VARIOUS SOILS

TRANSLATED BY PHAM TIEN VU
©10/2005

10

Xin cm n ti:
• MCEER
• FAMU Undergraduate Program
• National Science Fundation
• REUJAT Program
• University of Tokyo
• Tin s khoa hc Makola M. Abdulla
• Terri R. Norton, M.S.C.E












TÀI LIU THAM KHO
Kirzhner, F. and Rosenhouse, G., 2000. Numerical analysis of tunnel dynamic response to earth motions. Tunneling
and Underground Space Technology, Volume 15, Issue 3, 249-258 .

Merritt, J. L., Monsees, J. E., Hendron, A. J., 1985. Seismic design of underground structures: Proc of the 1985
Rapid Excavation and Tunneling Conference, New York. International Journal of Rock Mechanics and Mining
Science & Geomechanics Abstracts, Volume 23, Issue 6, 255-282.

Yang, M. W. W., 2002. Principles of Tunnel Lining Design. AGS/IMM Technical Meeting 2002 on “Underground
Excavation in Urban Environments”.

Yamaji, H. Iwate-Ichinohe Tunnel on the Tohake New Trunk Line. JSCE, Volume 30, Issue 10, 1435-1468 .

Intuition Software, 1999. VisualFEA-Visual Finite Element Analysis. Chonbuk, South Korea: Intuition Software.

www.dot.state.co.us/WolfCreekPass/index.cfm
www.eurotunnel.com/ukcMain/ukcCompany/ukcAboutUs/ukpAboutUsHistory
www.ctrl.co.ukwww.panynj.gov/tbt/ltframe.htm
www.gel.civil.nagasaki-u.ac.jp/text/example/ex27/kan2.html
www.who.int/archives/inf-pr-1997/en/pr97-08.html
www.geolsoc.org.uk/pdfs/earthquakes.pdf
www.fao.org/ag/agl/agll/wrb/mapindex.stmatlas.geo.cornell.edu/education
www.pbs.org/wgbh/buildingbig/tunnel/basics.htmlpghbridges.com/termsTun.htm
www.mrtunnel.com/frame2.htm
www.dot.state.ak.us/creg/whittiertunnel/virtualdrive.htm