Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định công trình ngầm và áp dụng cho một đường hầm ở thành phố Hồ Chí Minh

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện luận văn Thạc sĩ với đề tài “ Ứng
dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định công trình ngầm và áp dụng
cho một đường hầm ở thành phố Hồ Chí Minh” tác giả đã hoàn thành theo đúng
nội dung của đề cương nghiên cứu, được Hội đồng Khoa học và Đào tạo của Khoa
Công Trình phê duyệt. Luận văn được thực hiện với mục đích nghiên cứu ứng dụng
lý thuyết độ tin cậy trong tính toán ổn định công trình ngầm.
Để có được kết quả này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PSG.TS.
Trịnh Minh Thụ và PGS.TS. Mai Văn Công - Khoa Công trình - Trường Đại học
Thủy lợi đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và đóng góp các ý kiến quý báu trong suốt
quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình, sự hỗ trợ về mặt chuyên môn
và kinh nghiệm của các thầy cô giáo trong khoa Công trình và đặc biệt là các thầy
cô trong bộ môn Địa Kỹ Thuật, Phòng Đào tạo Đại học và sau đại học; tập thể lớp
cao học 20ĐKT- Trường Đại học Thuỷ lợi cùng toàn thể gia đình và bạn bè đã
động viên, khích lệ, tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận
văn này.
Trong quá trình thực hiện luận văn, do kiến thức về cả hai mảng công trình
ngầm và lý thuyết độ tin cậy còn rất hạn chế nên chắc chắn không thể tránh khỏi
sai sót. Vì vậy, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô, đồng
nghiệp để giúp tác giả hoàn thiện về mặt kiến thức trong học tập và nghiên cứu.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2014
Tác giả

Hoàng Thị Lụa
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN CAM KẾT
Kính gửi: Ban Giám hiệu trường Đại học Thuỷ lợi
Phòng Đào tạo ĐH và Sau ĐH trường Đại học Thuỷ lợi.

Tên tôi là: Hoàng Thị Lụa
Học viên cao học lớp: 20ĐKT
Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
Mã học viên: 128580204030
Theo Quyết định số 116/QĐ-ĐHTL, của Hiệu trưởng trường Đại học Thuỷ
Lợi, về việc giao đề tài luận văn và cán bộ hướng dẫn cho học viên cao học khoá
20 đợt 2 năm 2012. Ngày 23 tháng 01 năm 2014, tôi đã được nhận đề tài: “ Ứng
dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định công trình ngầm và áp dụng
cho một đường hầm ở thành phố Hồ Chí Minh ” dưới sự hướng dẫn của thầy
giáo PGS.TS. Trịnh Minh Thụ và PGS.TS. Mai Văn Công.
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép
của ai. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được
đăng tải trên các tài liệu và các trang website theo danh mục tài liệu tham khảo của
luận văn.

Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2014
Người làm đơn


Hoàng Thị Lụa
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH NGẦM HIỆN NAY Ở
VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI 3
1.1. Giới thiệu chung về ổn định công trình ngầm 3
1.1.1. Vấn đề sử dụng công trình ngầm hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới 3
1.1.2. Một số sự cố mất ổn định công trình ngầm đã xảy ra. 4
1.2. Các nguyên nhân gây mất ổn định công trình ngầm thường gặp 10
1.2.1. Nhóm nguyên nhân gây mất ổn định trong giai đoạn thi công: 10

1.2.2. Nhóm nguyên nhân gây mất ổn định trong giai đoạn vận hành: 13
1.2.3. Tổng kết chung 14
1.3. Các phương pháp tính toán, thiết kế ổn định công trình ngầm truyền thống
và ưu nhược điểm của chúng 14

1.3.1. Phương pháp ứng suất cho phép 14
1.3.2. Phương pháp tính theo hệ số an toàn: 15
1.3.3. Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn: 15
1.3.2. Một số nhược điểm cơ bản của phương pháp thiết kế truyền thống: 16
1.4. Phương pháp sử dụng lý thuyết độ tin cậy tính toán ổn định công trình ngầm 16
1.5. Lựa chọn phương pháp tính toán 17
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN
CẬY VÀ NGUYÊN LÝ ÁP DỤNG TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CÔNG
TRÌNH NGẦM 18
2.1. Tóm tắt cơ sở lý thuyết: 18
2.1.1. Định nghĩa về rủi ro: 18
2.1.2. Phân tích độ tin cậy của thành phần hệ thống: 19
2.1.3. Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên: 21
2.2. Nguyên lý lý thuyết ứng dụng trong phân tích ổn định công trình ngầm 27
2.2.1. Xây dựng cây sơ đồ sự cố tổng quát 27
2.2.2. Phân tích áp lực tác dụng lên vỏ hầm 30
2.2.3. Mô tả bài toán mẫu cho một đoạn hầm đặc trưng 39
2.3. Kết luận chung 51
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO MỘT HẦM GIAO THÔNG Ở
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 54

3.1. Giới thiệu trường hợp nghiên cứu 54
3.2. Các tài liệu cần thiết trong tính toán 55
3.2.1. Tài liệu địa chất và địa chất thủy văn 55
3.2.2. Tài liệu về công trình và tải trọng 63

3.3. Tính toán ổn định công trình theo lý thuyết độ tin cậy 64
3.3.1.Kiểm tra ổn định theo cơ chế phá hoại vỏ hầm do ứng suất vượt mức cho
phép 65

3.3.2. Kiểm tra ổn định theo cơ chếđẩy nổi của đường hầm 83
3.3.3. Kiểm tra ổn định theo cơ chế sụt lún quá mức cho phép của đường hầm . 92
3.3.4. Tổng hợp xác suất phá hoại 2 mặt cắt kiểm tra của đường hầm Metro1 100
3.4. Kết luận chương III 103
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1.Một số sự cố đường hầm trên thế giới 5

Bảng 1.2. Nguyên nhân dẫn tới sự cố khi thi công CTN bằng phương pháp đào
ngầm thông thường 11

Bảng 2-1. Công thức tính nội lực vỏ khuyên tròn biến dạng tự do 44
Bảng 3.1.Các đặc tính địa chất công trình của lớp A 58
Bảng 3.2.Các đặc tính địa chất công trình của lớp B 59
Bảng 3.3.Các đặc tính địa chất công trình lớp C 60
Bảng 3.4.Các đặc tính địa chất công trình lớp D 61
Bảng 3.5.Các đặc tính địa chất công trình của lớp E 62
Bảng 3.6. Hàm tin cậy theo cơ chế ứng suất vượt mức cho phép 66
Bảng 3.7. Danh sách biến cố định và giá trị tương ứng theo cơ chế ứng suất vượt
mức cho phép (mặt cắt 1-1) 67

Bảng 3.8. Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế ứng suất vượt mức cho phép 68
Bảng 3.9: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm AN 69
Bảng 3.10: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm AT 70
Bảng 3.11: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm BN 71

Bảng 3.12: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm BT 72
Bảng 3.13: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm CN 73
Bảng 3.13: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm CT 74
Bảng 3.14. Danh sách biến cố định và giá trị tương ứng theo cơ chế ứng suất vượt
mức cho phép 75

Bảng 3.15. Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế ứng suất vượt mức cho phép
(mặt cắt 2-2) 76

Bảng 3.16: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm AN 77
Bảng 3.17: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm AT 78
Bảng 3.18: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm BN 79
Bảng 3.19: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm BT 80
Bảng 3.20: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm CN 81
Bảng 3.21: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm CT 82
Bảng 3.22: Danh sách biến cố định theo cơ chế đẩy nổi đường hầm 84
Bảng 3.23: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế đẩy nổi hầm 84
Bảng 3.24: Xác suất sự cố đẩy nổi tại mặt cắt 1-1, trường hợp 1 và các hệ số ảnh
hưởng 85

Bảng 3.25: Danh sách biến cố định theo cơ chế đẩy nổi đường hầm 86
Bảng 3.26: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế đẩy nổi hầm 86
Bảng 3.27: Xác suất sự cố đẩy nổi tại mặt cắt 1-1, trường hợp 2 và các hệ số ảnh
hưởng 87

Bảng 3.28: Danh sách biến cố định theo cơ chế đẩy nổi đường hầm-TH1 88
Bảng 3.29: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế đẩy nổi hầm-TH1 88
Bảng 3.30: Xác suất sự cố đẩy nổi tại mặt cắt 2-2, TH1 và các hệ số ảnh hưởng 89
Bảng 3.31: Danh sách biến cố định theo cơ chế đẩy nổi đường hầm-TH2 90
Bảng 3.32: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế đẩy nổi hầm-TH2 91

Bảng 3.33: Xác suất sự cố đẩy nổi tại mặt cắt 2-2, TH 2 và các hệ số ảnh hưởng 91
Bảng 3.34. Ứng suất thẳng đứng trong nền hầm tại mặt cắt 1-1 93
Bảng 3.35: Các giá trị ứng suất tính lún 94
Bảng 3.36: Danh sách biến cố định theo cơ chế lún đường hầm-TH1 94
Bảng 3.37: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế lún hầm-TH1 95
Bảng 3.38: Xác suất sự cố lún quá mức cho phép tại mc1-1 và các hệ số ảnh hưởng
96

Bảng 3.39. Ứng suất thẳng đứng trong nền hầm tại mặt cắt 2-2 97
Bảng 3.40: Các giá trị ứng suất tính lún 97
Bảng 3.41: Danh sách biến cố định theo cơ chế lún đường hầm-TH1 97
Bảng 3.42: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế lún hầm-TH1 98
Bảng 3.43: Xác suất sự cố lún quá mức cho phép tại mc1-1 và các hệ số ảnh hưởng
99

Bảng 3.44. Bảng tổng hợp xác suất xảy ra sự cố với mặt cắt hầm 101

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Một số sự cố công trình ngầm trên thế giới 8
Hình 1.2. Tỷ lệ giữa các loại sự cố công trình ngầm 9
Hình 1.4. Cầu vượt Ngã Tư Sở và nhà dân lân cận bị lún nứt 10
Hình 1.5. Hầm Kim Liên bị mất ổn định thấm 10
Hình 2.1: Sơ đồ quá trình phân tích rủi ro 19
Hình 2.3: Định nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số độ tin cậy 20
Hình 2.4: Sơ đồ hóa cây sự cố công trình ngầm 29
Hình 2.5. Mô hình nền đàn hồi đối với hầm không áp 30
Hình 2.6. Sơ đồ các áp lực tác dụng lên vỏ hầm 31
Hình 2.7. Mô hình cân bằng giới hạn khi hầm đào nông 32
Hình 2.8. Mô hình vòm áp lực 35

Hình 2.9. Áp lực tác dụng lên công trình ngầm đặt sâu 38
Hình 2.10 :Sơ đồ mặt cắt tính toán 40
Hình 2.11. Tiết diện đặc trưng kiểm tra ứng suất 41
Hình 2.12 Sơ đồ cây sự cố chi tiết tính toán 42
Hình 2.13. Hệ cơ bản tính toán nội lực vỏ hầm 44
Hình 3.1: Sơ đồ bố trí các tuyến hầm thuộc dự án Metro Hồ Chí Minh 54
Hình 3.2:Bản đồ địa chất của thành phố Hồ Chí Minh tuyến Mê Trô dựkiến 56
Hình 3.3: Mặt cắt địa chất dọc tuyến Metro1 57
Hình 3.4: Minh họa vị trí hầm trong đất 63
Hình 2.11. Tiết diện đặc trưng kiểm tra ứng suất 65
Hình 3.5: Biểu đồ phân phối ảnh hưởng các hệ số đến cơ chế phá hoại điểm AN 69
Hình 3.7: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối các hệ số ảnh hưởng tới ổn định tại BN 71
Hình 3.8: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại BT 72
Hình 3.9: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại CN 73
Hình 3.10: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại CT 74
Hình 3.11: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại AN 77
Hình 3.12: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại AT 78
Hình 3.13: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại BN 79
Hình 3.14: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại BT 80
Hình 3.15: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại CN 81
Hình 3.16: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại CT 82
Hình 3.16: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối hệ số ảnh hưởng mất ổn định đẩy nổi tại mc1-
1, TH1 85
Hình 3.17: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối hệ số ảnh hưởng mất ổn định đẩy nổi tại mc1-
1, TH2 87

Hình 3.17: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối hệ số ảnh hưởng mất ổn định đẩy nổi tại mc2-
2, TH1 90
Hình 3.18: Biểu đồ phân phối tỷ lệ % các hệ số ảnh hưởngđến mất ổn định do đẩy
nổi tại mc2-2, TH2 91

Hình 3.20: Biểu đồ phân phối tỷ lệ % các hệ số ảnh hưởngđến mất ổn định do lún
quá mức cho phép, mc1-1 96
Hình 3.20: Biểu đồ phân phối tỷ lệ % các hệ số ảnh hưởngđến mất ổn định do lún
quá mức cho phép, mc1-1 99
Hình 3.21: Tổng hợp xác suất sự cố mặt cắt 1-1 theo OpenFTA 102
Hình 3.22: Tổng hợp xác suất sự cố mặt cắt 2-2 theo OpenFTA 103
BẢNG CÁC KÝ HIỆU
σ
max

: Ứng suất tính toán lớn
[σ]
: Ứng suất cho phép
K : Hệ số an toàn;
F
g
: Yếu tố gây ổn định;
F
t
: Yếu tố gây mất ổn định;
K
cp
: Hệ số an toàn cho phép
N
tt
: Lực tính toán gây mất ổn định
R
gh
: Cường độ giới hạn bền công trình
S

tt
: Biến dạng, chênh lệch biến dạng của công trình
[S] : Biến dạng, chênh lệch biến dạng cho phép
R
: Độ bền hay khả năng kháng hư hỏng
S
: Tải trọng hay khả năng gây hư hỏng
Z : Hàm tin cậy
γ
R

: Hệ số an toàn của độ bền
γ
S

: Hệ số an toàn của tải trọng
Φ
-1

: Hàm ngược của hàm phân bố tiêu chuẩn
F
X
-1
: Hàm ngược của hàm phân bố xác suất của biến X
P
đ
: Áp lực đất theo phương thẳng đứng
P
v
: Áp lực đẩy ngược tác dụng lên đáy hầm

P
build
: Tải trọng do các công trình trên mặt đất gây nên
P
tran
: Tải trọng do các phương tiện, máy móc trên mặt đất gây nên
P
w
: Áp lực nước ngầm
P
ng
: Áp lực theo phương ngang
h : Chiều sâu lớp đất trên đỉnh hầm
h
w
: Chiều cao mực nước ngầm trên đỉnh hầm
ρ : Khối lượng riêng tự nhiên
ρ’
: Khối lượng riêng đẩy nổi
γ
w
: Khối lượng của nước
K
0
: Hệ số áp lực ngang
c : Lực dính của đất
φ : Góc ma sát trong của đất
p : Tải trọng bề mặt
h
q

: Chiều cao vòm áp lực
f
k
: Hệ số vững chắc của đất
σ : Ứng suất pháp
k
a
: Hệ số phụ thuộc
f
k
: Độ nứt nẻ của đá
g : Tải trọng của vỏ trên 1 đơn vị dài
q, σ
z

: Địa áp thẳng đứng trên đỉnh hầm
R
tr
: Bán kính trong của vỏ hầm
�M

: Tổng momen
�𝑁

: Lực dọc tổng hợp
F : Diện tích của tiết diện tính toán
W : Modun chống uốn
W
giữ
: Tổng lực giữ công trình không bị đẩy nổi

W
đẩy nổi
: Lực đẩy nổi
g : Trọng lượng 1m theo chu vi ngoài của hầm
R
ng
: Bán kính ngoài của hầm
ρ : Dung trọng tự nhiên của lớp đất
ρ’
: Dung trọng hiệu quả của đất
H
i
: Chiều dày lớp đất thứ i
h
w
: Chiều cao cột nước trên đỉnh hầm
ρ
w
: Dung trọng riêng của nước
V
hầm
: Thể tích hầm
[S]
: Độ lún cho phép
S
c

: Độ lún cố kết ổn định
S
i

: Độ lún cố kết ổn định của lớp thứ i
𝜎
𝑧đ

: Ứng suất bản thân đất nền
∆σ
z
: Ứng suất tăng thêm thẳng đứng
i1
σ

: Ứng suất trung bình thẳng đứng lớp i ứng với giai đoạn trước khi
tác dụng ứng suất gây lún.
i2
σ

: Ứng suất trung bình thẳng đứng lớp i ứng với giai đoạn Sau khi
tác dụng ứng suất gây lún.

σ
zi

: Ứng suất thẳng đứng gây lún lớp thứ i
µ
0
: Hệ số nở hông lớp thứ i
h
i

: Chiều dày lớp i
e
1i

: Hệ số rỗng lớp i ứng với giai đoạn trước khi gia tải
e
2i

: Hệ số rỗng lớp i ứng với giai đoạn sau khi gia tải


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Công trình ngầm hiện nay là một giải pháp thích hợp để tăng khả năng đáp
ứng mật độ dân số cao của đô thị. Thêm vào đó sử dụng công trình ngầm có ưu
điểm là ít bị ảnh hưởng hơn bởi các vấn đề như ô nhiễm môi trường, biến đổi khí
hậu. Các trung tâm lớn của Việt Nam như thành phố Hà Nội và Hồ Chí Minh cũng
đang trú trọng hơn tới việc xây dựng và sử dụng giao thông và không gian ngầm.
Đặc điểm của các công trình ngầm, đặc biệt là công trình phục vụ giao thông,
thường kéo dài qua nhiều vùng có điều kiện khác nhau về địa chất, thủy văn và tải
trọng bề mặt. Bên cạnh đó, các yếu tố này còn biến đổi theo thời gian. Sự ổn định
của công trình ngầm lại phụ thuộc vào các yếu tố trên mà khi tính toán thiết kế
thường chúng ta chỉ chọn được một số giá trị, ứng với địa điểm và thời gian nhất
định. Vì vậy kết quả tính toán có thể chưa phù hợp.
Việc áp dụng lý thuyết độ tin cậy trong tính toán có thể giúp chúng ta tính toán
ổn định khi có xét đến sự thay đổi của các yếu tố trên. Do đó đề tài nghiên cứu có
tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn.
2. Mục đích của đề tài
-Nghiên cứu lý thuyết của phương pháp, phân tích, đánh giá và tổng kết kinh

nghiệm của việc sử dụng phương pháp trong các tính toán tương đương, từ đó đưa
ra cơ sở lý thuyết của phương pháp và ưu nhược điểm của phương pháp.
-Nghiên cứu các phương pháp tính toán ổn định công trình ngầm thường sử
dụng hiện nay, ưu nhược điểm của phương pháp.
- Đánh giá khả năng ứng dụng lý thuyết độ tin cậy để tính toán ổn định công
trình ngầm.
-Đề xuất phương án và quy trình cho việc sử dụng lý thuyết về độ tin cậy trong
tính toán ổn định công trình ngầm. Tính toán cụ thể cho một công trình ngầm.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu phát triển ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định
công trình ngầm. Dựa trên cơ sở lý thuyết chung về độ tin cậy và cơ sở tính toán ổn
định công trình ngầm, thực hiện xây dựng bài toán mẫu để đánh giá an toàn công

2
trình theo lý thuyết độ tin cậy, sau đó sử dụng bài toán mẫu đã xây dựng được để
tính toán với số liệu công trình cụ thể (MetroI Hồ Chí Minh).
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp khảo sát, thu thập số liệu thực tế tại một số công trình đã xây
dựng ở trong nước.
- Phương pháp chuyên gia: tập hợp, phân tích ý kiến của các chuyên gia.
- Khai thác nguồn thông tin mở trên mạng.
- Nghiên cứu lý thuyết cơ bản qua những tài liệu trong nước cũng như quốc tế.
- Ứng dụng công nghệ tin học hỗ trợ việc tính toán, nghiên cứu bằng việc sử
dụng các phần mềm.
Với những nội dung và lý do kể trên học viên đã lựa chọn đề tài luận văn là:
“Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định công trình ngầm và ứng dụng cho
một đường hầm ở thành phố Hồ Chí Minh”.
Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương như sau:
Chương I: Tổng quan về ổn định công trình ngầm hiện nay ở Việt Nam và
một số nước trên thế giới: Chương này nhằm mục đích tổng hợp tài liệu về vấn đề

sử dụng công trình ngầm hiện nay, các sự cố đã xảy ra trong quá trình thi công và
sử dụng công trình ngầm, phân tích nguyên nhân và đưa ra những nguyên nhân căn
bản gây mất ổn định cho công trình ngầm và đề xuất phương pháp tính ổn định cho
công trình ngầm.
Chương II: Cơ sở lý thuyết của phương pháp độ tin cậy: Nội dung cơ bản
chương này sẽ nghiên cứu sơ bộ cơ sở lý thuyết ban đầu của phương pháp độ tin
cậy, nghiên cứu cơ sở tính toán ổn định công trình ngầm và mục tiêu là phải xây
dựng được phương trình hàm tin cậy để tính toán ổn định công trình ngầm theo lý
thuyết độ tin cậy.
Chương III: Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy tính toán ổn định cho một đường
hầm giao thông ở Thành phố Hồ Chí Minh. Trong chương này tác giả luận văn sẽ
áp dụng các phương trình mẫu đã xây dựng ở chương II cùng với các phần mềm hỗ
trợ vào tính toán công trình cụ thể và phân tích các kết quả tính toán đạt được.



3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH
NGẦM HIỆN NAY Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI
1.1. Giới thiệu chung về ổn định công trình ngầm
1.1.1.Vấn đề sử dụng công trình ngầm hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới
Công trình ngầm đã bắt đầu được xây dựng từ rất lâu để phục vụ cho một số
nhiệm vụ chuyên biệt.Trong những thập kỷ gần đây, công trình ngầm là một giải
pháp thích hợp để tăng khả năng đáp ứng mật độ cao của dân số đô thị.Thêm vào đó
sử dụng công trình ngầm có ưu điểm là ít bị ảnh hưởng hơn bởi các vấn đề như ô
nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu.Vì vậy ở các thành phố lớn trên thế giới cũng
như ở Việt Nam đã và đang trú trọng khai thác sử dụng cũng như xây dựng mới
công trình ngầm.
Ở Việt Nam cũng như trên thế giới, công trình ngầm đã được xây dựng để
phục vụ những mục đích chính như:

+ Mục đích giao thông: hầm đường sắt, tàu điện ngầm, đường ô tô xuyên núi,
vượt sông, vượt biển, hầm cho người đi bộ qua đường, hầm vượt nút giao thông.
+ Mục đích thủy lợi: hầm thủy điện, hầm cấp thoát nước, cống ngầm
+ Công trình ngầm đô thị: Gara ngẩm, hầm nhà dân dụng, hầm nhà xưởng,
trung tâm thương mại, hầm cấp thoát nước, hầm cáp thông tin, thậm chí cả thành
phố ngầm.
+ Ngoài ra các công trình ngầm còn phục vụ cho các mục đích quân sự, khai
khoáng, kho tàng, nhà máy, thực phẩm, lăng mộ
Một số các công trình ngầm nổi tiếng đã được xây dựng trên thế giới như: Hệ
thống tàu điện ngầm Green Park, London, 1964; hầm Southend-on-sea Sewage,
UK, 1966; Rørvikskaret Road Tunnel on Highway 19, Thụy Điển, 1970, Orange-
fish Tunnel, Nam Phi, 1970; Seoul Metro Line 5, Hàn Quốc, 1991; Munich

4
Underground, Đức, 1980;Gibei Railway Tunnel, Romania, 1985 . Moda Collector
Tunnel, Istanbul Sewerage Scheme, Thổ Nhĩ Kỳ, 1989
Một số các công trình ngầm quan trọng đã được xây dựng ở Việt Nam từ rất
lâu như hầm giao thông qua đèo Hải Vân, hầm thủy điện Hòa Bình, Sơn La Hai
thành phố lớn là Hà Nội và Hồ Chí Minh cũng đã và đang thực hiện các dự án lớn
về quy hoạch, xây dựng công trình ngầm như hệ thống tàu điện ngầm Metro Hà
Nội, Metro Hồ Chí Minh, trung tâm thương mại Rolyal city, pacific
Vai trò của công trình ngầm ngày càng quan trọng hơn, đặc biệt là với các
thành phố dân cư đông đúc. Tuy nhiên để xây dựng và sử dụng công trình ngầm
một cách hiệu quả, tránh các thiệt hại về tính mạng cũng như tài sản do các sự cố
công trình ngầm gây ra hiện vẫn là một vấn đề cần đầu tư nghiên cứu kỹ lưỡng
trong cả khâu khảo sát, thiết kế và biện pháp thi công.
1.1.2. Một số sự cố mất ổn định công trình ngầm đã xảy ra.
Trên thực tế, trong cả quá trình thi công và vận hành công trình ngầm đã xảy
ra rất nhiều vấn đề liên quan đến sự an toàn, ổn định của bản thân công trình cũng
như các công trình lân cận.

Căn cứ vào nguyên lý tính toán địa lực tác dụng lên công trình ngầm, ta phân
chia công trình ngầm thành 2 kiểu là hố đào sâu (thường gặp là các tầng hầm nhà
cao tầng), và đường hầm kín nằm dưới mặt đất (thường gặp là các đường tàu điện
ngầm). Phạm vi luận văn xem xét đến các đường hầm kín xây dựng trong các đô thị,
trên nền đất.
Sau đây là trích dẫn một số sự cố đã xảy ra đối với hầm thi công trong đất
trong cả giai đoạn thi công và khi đã đi vào sử dụng.
1.1.2.1. Trên thế giới
Một số các sự cố công trình ngầm đã xảy ra trên thế giới được trích dẫn trong
bảng sau:


5
Bảng 1.1.Một số sự cố đường hầm trên thế giới [19]
Tên công
trình
Mô tả ra sự cố
Loại
hình
công
trình
Thời
điểm
Hậu qủa
Sao Paulo
metro,
Brazil
Không có sụt lở nhưng trên mặt đất
hình thành phễ
u lún (120mm).

Đường hầm đường kính 6m, chống
bằng bê tông phun dày 200mm. Sự
thay đổi điều kiện khối đất và điều
kiện thoát nước trước gương là
nguyên nhân chính dẫn đến sự cố
Hầm
tàu
điện
ngầm
1991 Phá huỷ toà
nhà trên mặt
đất
Gibei
Railway,
Romania,
Thấu kính cát không mong đợi chảy
tràn vào hầm qua vùng gương hầm
làm tắc một đoạn hầm
Railway

1985 Gián đoạn
thi công
Bochum
Metro,
Đức
Phá huỷ phát triển lên tới bề mặt
hình thành phễu sụt. Nước ngầ
m là
nguyên nhân dẫn tới mất ổn định
khối đất trước gương. Một vòm sụt

lở có thể tích 30m
3

hình thành phía
dưới mặt đường giao thông
Hầm
tàu
điện
ngầm
1985 -
Munich
Metro,
Đức
Sụt lở đất tại khu vực giếng thi công,
giếng bị ngập nước. Nguyên nhân là
do chiều dày lớp đất cứng bảo vệ
trên nóc đường hầm tại đoạ
n giao
với giếng không như dự đoán là
1,5m mà chỉ có 0,8m. Thể tích đất
sụt lở vào giếng là 450 m
3

Metro 1987 Phá huỷ mặt
đất, máy đào
bị vùi lấp
Munich
Metro,
Germany
Chiều dày lớp đất phủ cuội sỏ

i là
5m, phễu sụt phát triển tới bề mặt có
thể tích 30m
3
. Sụt lở xẩy ra tại phần
vòm không được chống giữ kịp thời
Metro 1987 Phá huỷ mặt
đất

6
Tên công
trình
Mô tả ra sự cố
Loại
hình
công
trình
Thời
điểm
Hậu qủa
Munich
Metro,
Germany
Khoảng 300m
3
đất đã sụt lở vào
CTN kéo theo hố sụt phát triển tới bề
mặt. Nguyên nhân là do lớp đất cứng
bảo vệ trên nóc hầm quá mỏ
ng so

với dự đoán thu được từ kết quả
khảo sát dẫn đến chiều dài neo bảo
vệ tiến trước không đủ dài để giữ ổn
định gương hầm.
Metro 1987 Phá huỷ mặt
đất, máy đào
bị vùi lấp
Munich
Metro,
Germany
Đường hầm đang thi công qua vùng
đất được đóng băng thì 200m
3
đất sụt
lở vào trong CTN và phát triể
n lên
tới bề mặt. Nguyên nhân là do vùng
đất đóng băng không đảm bảo chất
lượng, vẫn tồn tại một khoảng đất
không được đóng băng và đất bắt
đầu sụt lở từ khu vực này.
Metro 1987 Phá huỷ mặt
đất, máy đào
bị vùi lấp
Seoul
Metro,
Korea
Phá huỷ phát triển tới bề mặt xẩy ra
khi đang đào bằng máy đào
Roadheader trong khối đất cát, cuội

sỏi chứa nước. Phễu sụ
t có kích
thước rộng 4m, sâu 6m
Metro 1992 phá huỷ
công trình
bề mặ
t, gián
đoạ
n giao
thông
Lambach
tunnel,
Austria
Phá huỷ phát triển tới bề mặt bắt đầu
từ vị trí phần nền
Railwa
y
1992 Phá hủy
mặt đất
Road
Tunnel,
Sao
Đường hầm thi công trong đấ
t sét
cứng nứt nẻ với tầng đất phủ nhỏ.
Phần vòm tiến trước quá xa dẫn đến
Metro 1993 Phá huỷ mặt
đất mạnh

7

Tên công
trình
Mô tả ra sự cố
Loại
hình
công
trình
Thời
điểm
Hậu qủa
Paulo,
Brazil
mất ổn định và biên hầm dịch
chuyển hội tụ đáng kể. Phá huỷ xẩy
ra tại gương hầm
Munich
Metro,
Germany
Chiều dày lớp đất cứng trên nóc đột
ngột giảm so với dự kiến khiến cho
lớp cuội sỏi chứa nước phía trên sụt
lở vào trong đường hầm
Metro 1994 Chết người,
gián đoạn
hoạt động
bề mặt
Hangzho
u Metro,
Trung
Quốc,

Sập vỏ hầm, phá hủy áo hầm dầy
800mm, tạo ra hố sụt rộng 21m, sâu
16m, nước từ sông chảy tràn vào hố
sụt
Metro 15.11
.2008

Phá 75m
đư
ờ
ng giao
thông, hệ
th
ống ống dẫ
n
nư
ớ
c 11
phương ti
ệ
n
giao thông rơi
xu
ống hố,
Một số hình ảnh sự cố công trình ngầm đã xảy ra trên thế giới [20]

a. Sự cố bục vỏ, nước tràn vào hầm, mô phỏng sự cố
hầm SouthendonSea Sewage, Anh, 1966

8

b. Sự cố hầm Gibei Railway, Romania, 1985
(Do đi qua vùng địa chất (thấu kính cát) không như mong đợi.)


c. Sự cố sập vỏ hầm Hangzhou Metro, Trung Quốc, 15.11.2008
Hình 1.1. Một số sự cố công trình ngầm trên thế giới
Các chuyên gia đã liệt kê, so sánh tỷ lệ giữa các loại sự cố đã xẩy ra đối với
công trình ngầm trên thế giới và cho kết quả như sau:

9

Hình 1.2. Tỷ lệ giữa các loại sự cố công trình ngầm
Như vậy sự cố sụt đổ công trình ngầm và phá hủy phát triển đến mặt đất là hai
sự cố xẩy ra nhiều nhất (chiếm 80% tổng số sự cố xẩy ra đối với công trình ngầm).
1.1.2.2. Ở Việt Nam
Một số sự cố công trình ngầm trong đất đã xảy ra ở Việt Nam [11]:
+ Sự cố kỹ thuật tại hầm chui qua cầu Văn Thánh 2 tại TP. Hồ Chí Minh:
Sau khi đưa đường hầm vào sử dụng đã xuất hiện các sự cố như:
Mặt cầu bị sụt lún hơn 70cm đến mức không thể sử dụng được;
Đường hầm bị lún hơn 1m, kết cấu hầm rạn nứt, phá hủy nghiêm trọng;
Các công trình xây dựng lân cận khu vực hầm chui bị sụt lún, rạn nứt và phá
hủy nghiêm trọng bắt buộc phải tiến hành tháo dỡ, giải tỏa để đảm bảo an toàn


Hình 1.3.
Ả
nh hưở
ng
c

ủa sự cố

h
ầm chui

Văn Thánh
đ
ến mặt cầu



10
+ Thi công hầm đường bộ Ngã Tư Sở gây lún nứt đường nhựa và các hộ dân,
vết nứt rộng 30cm, kéo dài gần 100m, các tường nhà dân bị xé 2-3m.

Hình 1.4. Cầu vượt Ngã Tư Sở và nhà dân lân cận bị lún nứt
+ Sự cố thấm nước tại hầm giao thông Kim Liên sau một thời gian đi vào hoạt động:

Hình 1.5. Hầm Kim Liên bị mất ổn định thấm
1.2. Các nguyên nhân gây mất ổn định công trình ngầm thường gặp
Tổng hợp từ các sự cố công trình ngầm đã xảy ra và kết quả đánh giá nguyên
nhân gây ra các sự cố đó của các chuyên gia, các hình thức mất ổn định có thể được
chia ra như sau:
1.2.1. Nhóm nguyên nhân gây mất ổn định trong giai đoạn thi công:
Những nguyên nhân dẫn tới sự cố đã gặp khi thi công CTN bằng phương pháp
đào ngầm thông thường [20] (bảng 2):

11
Bảng 1.2. Nguyên nhân dẫn tới sự cố khi thi công CTN bằng phương pháp đào
ngầm thông thường

Nguyên nhân

Nguyên nhân

A-Sự cố xẩy ra tại phần vòm tiến
trước nằm giữa gương đào và
vòm ngược
11
Phá huỷ xảy ra trước khi khép
kín vòm ngược
A
1
Sụt lở xẩy ra do đất đá trên gương
mất ổn định 12
Phá huỷ xả
y ra do sai sót
trong thi công

A
2
Sụt lở xẩy ra do phía trước gương
đào tồn tại các công trình nhân tạo
thi công trước đó

B- Sự cố xẩ
y ra trong khu
vực đã thi công kết cấu
chống sơ bộ
A

3
Phá huỷ trong vỏ chống do dịch
chuyển, biến dạng vượt quá giới hạn
cho phép
1
Phá huỷ xảy ra do dịch
chuyển vượt quá giới hạn cho
phép
A
4
Phá huỷ tại nền theo phương dọc
trục đường hầm 2
Phá huỷ do nhiều vị trí ứng
suất cục bộ quá lớn vượt quá
giá trị cho phép hoặc do điều
kiện tải trọng không dự kiến
trước
A
5
Phá huỷ tại nền theo phương hướng
tâm trong quá trình thi công đường
hầm
3
Phá huỷ xảy ra do sai sót về
thi công hoặc vật liệu chống
A
6
Phá hủy do hiệu ứng dầ
m (beam
cantilever) tại khoảng giữa phần

vòm và vị trí khép kín vòm ngược
4
Phá huỷ xảy ra tại vị
trí liên
kết giữa các kết cấu chống
A
7
Phá huỷ do phần vòm tiến trước
vượt quá xa vị
trí khép kín vòm
ngược
5
Phá huỷ do lỗi trong sửa
chữa, thay đổi kết cấu chống
sơ bộ


12

Nguyên nhân

Nguyên nhân
A
8
Phá huỷ xẩy ra tại phần vòm ngược
tạm

C- Các dạng phá huỷ khác
A
9

Phá huỷ xẩy ra tại phần chân kết cấu
vỏ chống phần vòm do đất nền vượt
quá khả năng mang tải
1
Phá huỷ tại khu vực cửa hầm
do đất đá phong hoá, bở rời
A
10
Phá huỷ trong kết cấu chống do ứng
suất hoặc do dịch chuyển củ
a các
khối đá theo khe nứt
2
Phá huỷ phát triển từ giếng
đầu do đất đá yếu có hoặc có
nước ngầm

• Nguyên nhân gây ra sự cố trong phương pháp máy khiên đào:
Có thể phân nhóm cơ chế phá huỷ chủ yếu khi thi công CTN bằng máy khiên
đào trong điều kiện đất yếu thành 2 nhóm:
- Nhóm 1: sụt lở đất tại gương đào;
- Nhóm 2: phá huỷ kết cấu khung vỏ chống CTN đã lắp đặt.
Nguyên nhân gây phá huỷ dưới dạng sụt lở đất tại gương đào được phân thành 4
dạng sau:
-Đất tại khu vực phía trước gương đào quá yếu không phù hợp với biện pháp thi
công đang sử dụng dẫn tới những phá huỷ, sụt lở xẩy ra tại nền, nóc gương đào, sụt
lở cục bộ hay toàn bộ mặt gương;
-Chiều dày tầng đất phủ nhỏ hoặc tồn tại các hố trên bề mặt gây ra sự sụt lở bề
mặt;
-Đất/nước ngầm xâm nhập vào trong CTN;

-Trên nóc CTN tồn tại cấu trúc yếu theo phương thẳng đứng, các công trình
nhân tạo làm mất tính đồng nhất của môi trường gây suy yếu khối đất.
Phá huỷ xẩy ra trong kết cấu khung vỏ chống CTN được phân thành 5 dạng sau:
Phá huỷ do cắt; Phá huỷ do nén; Phá huỷ do kết hợp uốn và đẩy; Phá huỷ cục bộ;
Mức độ kín khít giữa các đốt vỏ hầm. Nhóm phá hủy do nguyên nhân này tương tự
như đối với các dạng phá hủy trong kết cấu chống khi thi công theo phương pháp
đào mang tính chu kỳ.

13
1.2.2. Nhóm nguyên nhân gây mất ổn định trong giai đoạn vận hành:
-Điều kiện địa chất nền thay đổi theo thời gian: Độ ổn định của công trình ngầm
phụ thuộc một phần lớn vào đặc trưng kháng cắt của đất nền (như φ, c). Các đặc
trưng này; theo các phương pháp thiết kế truyền thống; thường được chọn là một
giá trị cố định. Tuy nhiên trong điều kiện đất nền không cho ứng xử đúng như mong
đợi, hoặc giá trị này bị suy giảm, biến đổi theo thời gian, hoặc bị thay đổi do tác
động môi trường (ví dụ như thay đổi mực nước ngầm dẫn đến cố kết, trương nở).
Khi các đặc trưng kháng cắt thay đổi theo chiều hướng bất lợi so với giá trị lựa chọn
thiết kế ban đầu, đến một lúc nào đó, đất không còn đủ khả năng chống đỡ, có thể sẽ
dẫn đến mất ổn định công trình ;
-Nước ngầm: Khi mực nước ngầm dao động, không chỉ làm ảnh hưởng đến các
chỉ tiêu cơ lý đất nền mà còn làm thay đổi áp lực thủy tĩnh tác động lên công trình.
Trong trường hợp xảy ra hiện tượng nước chảy vào trong công trình, công trình có
thể gặp sự cố do hai vấn đề sau: + Dòng thấm gây cản trở hoạt động hoạt động bình
thường của công trình (như người tham gia giao thông) và làm suy yếu cường độ
công trình tại vị trí xảy ra thấm. + Sự vận động của dòng thấm kéo theo đất cát chui
vào hầm gây xói ngầm, đào rỗng đất nền và thay đổi cấp phối hạt;
-Động đất, nổ mìn, lực rung động do máy móc vận hành gây mất ổn định công trình;
-Sụt lún nền công trình do tải trọng bề mặt, công trình lân cận gây ra: Khi công
trình ngầm đặt không sâu trong lòng đất, dưới tác dụng của tải trọng của các công
trình lân cận (xây dựng, phá dỡ nhà cửa, tải trọng giao thông ) sẽ làm thay đổi ứng

suất dẫn đến chuyển vị cho vùng nền ngay phía dưới các tải trọng này. Sự chuyển vị
của đất nền này kéo theo chuyển vị của công trình ngầm. Sự thay đổi tải trọng này
kéo theo thay đổi ứng suất tác dụng lên vỏ công trình ngầm. Nếu các giá trị thay đổi
vượt phạm vi cho phép có thể gây mất ổn định cục bộ công trình;
-Mất ổn định kết cấu chống đỡ, bảo vệ, vỏ công trình: Khi ứng suất tác dụng lên
vỏ công trình vượt quá khả năng cho phép của vỏ thì có thể gây phá hoại lớp vỏ
cục bộ như nứt, gẫy tại một số vị trí (như chân tường hầm, đỉnh hầm, khớp nối giữa

14
các đốt hầm), đẩy bật bản đáy (do ứng suất nền bị giảm khi đào hầm, do nước ngầm
sinh lực đẩy nổi quá lớn)
1.2.3. Tổng kết chung
Liệt kê các nguyên nhân gây sự cố công trình ngầm, chuyên gia cho tỷ lệ phần
trăm giữa các loại sự cố như sau:

Hình 1.6. Tỷ lệ giữa các nguyên nhân gây sự cố công trình ngầm [11]
1.3. Các phương pháp tính toán, thiết kế ổn định công trình ngầm truyền
thống và ưu nhược điểm của chúng
Thiết kế truyền thống hiện nay là tính toán công trình theo mô hình tất định.
Theo phương pháp này các giá trị thiết kế của tải trọng và các tham số độ bền được
xem là xác định, tương ứng với trường hợp và tổ hợp thiết kế.Người thiết kế lựa
chọn điều kiện giới hạn và tương ứng với nó là các tổ hợp tải trọng thiết kế thích
hợp.Giới hạn này thường tương ứng với độ bền đặc trưng của công trình.
Công trình được coi là an toàn khi khoảng cách giữa tải trọng và độ bền đủ lớn
để đảm bảo thỏa mãn từng trạng thái giới hạn của tất cả các thành phần công trình.
Tính toán theo cách này mới chỉ giải quyết được hai vấn đề là ổn định tổng thể
và ổn định theo độ bền của công trình.
Nội dung các phương pháp thiết kế như sau:
1.3.1.Phương pháp ứng suất cho phép
Là phương pháp kiểm tra độ bền công trình dựa vào việc so sánh ứng suất phát

sinh trong công trình do tải tác dụng vào công trình và ứng suất lớn nhất mà vật liệu
xây dựng công trình chịu đựng được.