Nghiên cứu ứng suất vỏ hầm có kể đến quá trình thi công theo phương pháp NATMứng dụng cho hầm giao thông Dự án đường cao tốc Nội Bài Lào Cai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI







NGUYỄN THANH TÙNG




NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT VỎ HẦM CÓ KỂ ĐẾN QUÁ
TRÌNH THI CÔNG THEO PHƯƠNG PHÁP NATM-
ỨNG DỤNG CHO HẦM GIAO THÔNG
DỰ ÁN ĐƯỜNG CAO TỐC NỘI BÀI - LÀO CAI






LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





HÀ NỘI – 2010

Bộ Giáo dục và đào tạo Bộ Nông nghiệp và PTNT
Trờng đại học Thuỷ lợi






NGUyễn thanh tùng



NGHIấN CU NG SUT V HM Cể K N QU TRèNH
THI CễNG THEO PHNG PHP NATM-NG DNG CHO
HM GIAO THễNG
D N NG CAO TC NI BI - LO CAI



Chuyên ngành : xây dựng công trình thuỷ
Mã số : 60-58-40


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật



Ngời hớng dẫn khoa học: gs.ts phạm ngọc khánh

Hà Nội, 2010
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Phạm Ngọc Khánh đã tận
tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ trong và ngoài trường
Đại học Thủy lợi, đặc biệt là phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, bộ môn Cơ học
kết cấu cùng bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành tốt
luận văn.
Do thời gian và trình độ có hạn nên luận văn còn nhiều hạn chế, mong các
thầy cô và bạn bè đồng nghiệp quan tâm góp ý để tác giả có thêm kiến thức và kinh
nghiệm trong vấn đề này.
Hà Nội, tháng 3 năm 2010.



Nguyễn Thanh Tùng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




MỤC LỤC
MỤC LỤC 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG 7
1.1.

SƠ

LƯỢC

VỀ

LỊCH

SỬ

XÂY

DỰNG,

PHÁT

TRIỂN

ĐƯỜNG

HẦM

GIAO

THÔNG. 7
1.1.1. Khái niệm chung về đường hầm giao thông. 7
1.1.2. Sơ lược về lịch sử xây dựng đường hầm giao thông. 11
1.2.

TÌNH

HÌNH

XÂY

DỰNG

HẦM

GIAO

THÔNG

TRÊN

THẾ

GIỚI

VÀ

VIỆT

NAM. 13
1.2.1. Tình hình xây dựng hầm giao thông trên thế giới. 13
1.2.2. Tình hình xây dựng hầm giao thông ở Việt Nam. 14
1.3. CÁC THÔNG SỐ CHÍNH VÀ HÌNH ẢNH MỘT SỐ CÔNG TRÌNH
ĐƯỜNG

HẦM

GIAO

THÔNG. 15
1.3.1. Các thông số chính của một số công trình hầm giao thông. 15
1.3.2. Hình ảnh một số công trình hầm giao thông. 16

1.3.2.1. Hầm Hải Vân 17
1.3.2.2. Hầm Đèo Ngang 18
1.3.2.3. Hầm Laerdal (Na Uy) 19
1.3.2.4. Hầm Hsuehshan (Đài Loan) 20
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM VÀ CHỌN
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 21
2.1.

CÁC

TÍNH

CHẤT

CƠ

HỌC

CỦA

MÔI

TRƯỜNG

ĐÁ 21
2.1.1. Độ bền nén đơn trục 21
2.1.2. Độ bền kéo đơn trục: 21
2.1.3. Độ bền cắt của đá: 22
2.1.4. Độ bền của đá ở trạng thái ứng suất ba chiều 22
2.1.5. Hệ số bền vững: 22

2.1.6. Hệ số kiên cố 22
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




2.1.7. Đặc trưng ứng suất biến dạng của môi trường đá 23
2.1.8. Quan hệ ứng suất- biến dạng và độ bền của đá: 24
2.2.

TRẠNG

THÁI

ỨNG

SUẤT

BIẾN

DẠNG

MÔI

TRƯỜNG

QUANH

VỎ

HẦM 25
2.2.1. Trạng thái ứng suất biến dạng của môi trường xung quanh trước khi xây
dựng hầm 25
2.2.2. Công nghệ thi công hầm theo phương pháp NATM. 26
2.2.2.1. Khái niệm: 26
2.2.2.2. Trình tự thiết kế cơ bản của phương pháp: 27
2.2.2.3. Các bước thi công chính của phương pháp NATM: 32
2.2.2.4. Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của phương pháp NATM: 34
2.2.3. Trạng thái ứng suất biến dạng sau khi xây dựng đường hầm 34
2.3.

CÁC

PHƯƠNG

PHÁP

TÍNH

TOÁN

KẾT

CẤU

ĐƯỜNG

HẦM. 36

2.3.1. Tải trọng và tổ hợp tải trọng 36
2.3.2. Bài toán ứng suất biến dạng. 37
2.3.3. Các phương pháp cơ bản tính ứng suất biến dạng đường hầm. 41
2.3.3.1. Phương pháp cơ học kết cấu. 41
2.3.3.2. Phương pháp cơ học vật rắn biến dạng. 46
2.3.3.3. Các phương pháp số. 47
2.3.4. Giải bài toán ứng suất biến dạng bằng phương pháp PTHH. 49
2.4.

NHẬN

XÉT,

ĐÁNH

GIÁ

CÁC

PHƯƠNG

PHÁP

TÍNH 54
2.4.1. Phương pháp cơ học kết cấu 54
2.4.2. Phương pháp cơ học vật rắn biến dạng 54
2.4.3. Các phương pháp số. 55
2.4.3.1. Phương pháp phần tử biên. 55
2.4.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn 55
2.5.

KẾT

LUẬN

CHƯƠNG

2. 56
CHƯƠNG 3. VÍ DỤ ÁP DỤNG: TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG
THUỘC DỰ ÁN ĐƯỜNG CAO TỐC NỘI BÀI - LÀO CAI 58
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




3.1.

GIỚI

THIỆU

VỀ

DỰ

ÁN

ĐƯỜNG

CAO

TỐC

NỘI

BÀI

–

LÀO

CAI. 58
3.2.

GIỚI

THIỆU

VỀ

ĐƯỜNG

HẦM

GIAO

THÔNG

THUỘC

DỰ

ÁN. 59
3.3.

CÁC

THÔNG

SỐ

TÍNH

TOÁN. 61
3.3.1. Sơ đồ tính toán. 61
3.3.2. Giới thiệu phần mềm Plaxis 3D Tunnel dùng để tính toán. 61
3.3.3. Thông số cơ bản dùng trong tính toán. 62
3.3.3.1. Số liệu về bê tông: 62
3.3.3.2. Số liệu về vỏ hầm: 62
3.3.3.3. Số liệu về đá nền: 62
3.4.

TRÌNH

TỰ

VÀ

KẾT

QUẢ

TÍNH

TOÁN

THEO

MÔ

HÌNH

KẾT

CẤU

VÀ

NỀN

LÀM

VIỆC

ĐỒNG

THỜI

DÙNG

PLAXIS

3D

TUNNEL 63
3.4.1. Trình tự gương đào và vị trí tương ứng: 63
3.4.2. Các bước tính toán: 64
3.4.3. Tính toán ổn định gương đào giai đoạn cuối: 72
3.5. KẾT QUẢ TÍNH VÀ NHẬN XÉT 73
3.5.1. Kết quả tính toán. 73
3.5.2. Nhận xét kết quả 74
3.6.

KẾT

LUẬN

CHƯƠNG

3. 74
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 75
4.1.

KẾT

LUẬN 75
4.1.1. Những vấn đề đã đạt được. 75
4.1.2. Những vấn đề còn tồn tại 75

4.2.

KIẾN

NGHỊ 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 79



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 5

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




MỞ ĐẦU
Do sự phát triển kinh tế và quốc phòng các loại kết cấu công trình ngầm ngày
càng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Trong ngành giao thông công trình
ngầm được sử dụng dưới dạng các đường hầm (tunnel) trên các tuyến đường sắt và
đường bộ để vượt qua các chướng ngại phức tạp của thiên nhiên (như sông, núi)
hoặc làm các đường tàu điện ngầm trong các thành phố lớn để tăng lượng vận
chuyển hành khách và giảm mật độ giao thông trên mặt đất. Trong ngành thủy lợi
và thủy điện có thể gặp dưới dạng các đường hầm dẫn nước và xả nước trong nhà
máy thủy điện, các hệ thống đường ống kỹ thuật cấp thoát nước. Trong ngành dầu
khí công trình ngầm thường là các đường ống dẫn dầu, dẫn khí. Đặc biệt trong lĩnh
vực quốc phòng các đường hầm được xây dựng làm để làm sở chỉ huy, công trình
ẩn nấp chiến đấu, cất giấu các loại vũ khí, trang bị kỹ thuật chiến đấu, các kho hậu
cần, quân y… Do có những ưu điểm vượt trội so với các công trình lộ thiên như tiết

kiệm được diện tích mặt bằng chiếm chỗ, không phụ thuộc vào địa hình thực tế,
tuyến ngắn, thẳng, bí mật…nên việc nghiên cứu các phương pháp tính toán và thiết
kế công trình ngầm là vấn đề có ý nghĩa thực tế.
Ở Việt Nam công trình ngầm đã được xây dựng trong các ngành giao thông,
thủy điện, thủy lợi…và sẽ được xây dựng nhiều trong tương lai khi đường tàu điện
ngầm trong các thành phố lớn được triển khai xây dựng, đường hầm trong các công
trình thủy lợi, thủy điện, đặc biệt là khi ngày càng nhiều các tuyến đường cao tốc
được xây dựng, do các tiêu chuẩn thiết kế mà các đường hầm vượt chướng ngại vật
trên đường cao tốc sẽ được xây dựng nhiều trong tương lai.
Giá thành xây dựng các công trình ngầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thiết
kế, thi công, thiết bị xây dựng…Do vậy có rất nhiều hướng nghiên cứu để hạ giá
thành công trình nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật. Giải pháp thiết kế phù
hợp với các điều kiện tự nhiên và thiết bị thi công sẵn có là một trong những
phương hướng nghiên cứu đó. Các chỉ dẫn nghiên cứu về các phương pháp thi công
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 6

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




và sự biến đổi nội lực trong quá trình thi công là rất hạn chế. Vì vậy việc nghiên cứu
tính toán kết cấu đường hầm trong quá trình thi công là rất cần thiết.
Trong khuôn khổ luận văn này tác giả chỉ nghiên cứu tính toán kết cấu đường
hầm giao thông theo phương pháp :
- Mô hình kết cấu và nền làm việc đồng thời.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 7

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG
1.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ XÂY DỰNG, PHÁT TRIỂN ĐƯỜNG HẦM
GIAO THÔNG.
1.1.1. Khái niệm chung về đường hầm giao thông.
Đường hầm giao thông gồm đường dành cho người đi bộ và đường hầm trên
các tuyến giao thông để vượt các chướng ngại vật như rừng núi, sông hồ, các khu
dân cư, khu công nghiệp và các công trình đặc biệt khác. Một loại hình đặc biệt của
đường hầm giao thông là đường xe điện ngầm, tại hầu hết các thành phố lớn trên thế

giới như London, Paris, Berlin, Madrid, Moscow đều sử dụng mạng lưới xe điện
ngầm. Đây là một loại hình vận tải công cộng có rất nhiều ưu điểm như: không tốn
diện tích trên mặt đất, ít gây ô nhiễm cả về khí thải và tiếng ồn, hiệu quả và an toàn.
Hầm là phương tiện có hiệu quả để mở rộng khả năng vạch các tuyến đường
giao thông trong những điều kiện khó khăn, chúng được sử dụng để vượt qua các
chướng ngại. Các chướng ngại gặp phải khi vạch các tuyến đường giao thông bao
gồm các chướng ngại cao và chướng ngại bằng. Chướng ngại cao là các vùng đồi
núi, các đỉnh phân thuỷ Khi vạch tuyến đường sắt hoặc đường bộ thường có ba
giải pháp: đi vòng, kéo dài tuyến kết hợp với đường đào sâu và dùng hầm để vượt
chướng ngại.
Khi đi vòng chướng ngại tuyến đường bị kéo dài và tăng độ dốc. Đối với
đường sắt thường làm xấu những điều kiện khai thác của tuyến. Trong thực tế đôi
khi giải pháp này không thực hiện được.
Khi kéo dài tuyến kết hợp với việc đào sâu, chiều dài tuyến có thể ngắn hơn,
nhưng thường đòi hỏi độ dốc lớn và phải có các biện pháp bảo vệ những phần tuyến
ở trên cao, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt đới có nhiều mưa bão như ở nứơc ta.
Những giải pháp xây tường chắn, làm hành lang bảo vệ tuyến khỏi các hiện tượng
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 8

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




sụt lở, đá lăn, đá đổ, là những giải pháp thường gặp trong phương án vượt chướng
ngại vật này và trong nhiều trường hợp chúng cũng không rẻ.
§êng ®µo
HÇm
KÐo dµi tuyÕn

Hình 1.1: Vượt chướng ngại cao
Vượt chướng ngại vật bằng hầm cho phép rút ngắn tuyến một cách đáng kể,
giảm độ dốc. Điều đó cho phép tăng tải trọng tiêu chuẩn và tốc độ xe chạy, cải thiện
các điều kiện kỹ thuật cũng như điều kiện khai thác của tuyến đường. Tuy nhiên,
vượt chướng ngại bằng hầm, nhất là hầm dưới thấp, có chiều dài lớn cũng thường
đòi hỏi vốn đầu tư lớn vì thế việc chọn tuyến đường giao thông được tiến hành trên
cơ sở so sánh kinh tế, kỹ thuật các phương án.
Chướng ngại bằng bao gồm các vùng sụt lở, đất phủ, các hiện tượng băng hà ở
xứ lạnh, các vùng chứa nước như hồ, ao, sông ngòi, eo biển, cũng như những vùng
xây dựng dày đặc, các điểm đông dân cư Những vùng sụt lở thường gây nguy
hiểm cho việc khai thác các tuyến đường nhất là vào những mùa mưa lũ. Khi những
vùng sụt lở nhỏ có thể bố trí tuyến lên cầu cạn có trụ tựa lên vùng đất ổn định dưới
sâu để vượt qua. Biện pháp này cũng thường phải kết hợp với những biện pháp
chống trượt. Khi vùng trượt lớn (thường lớn hơn 5m) và có các dòng nước ngầm
sâu thì giải pháp có ý nghĩa hơn cả là đưa tuyến đường vào sâu trong khối đá ngoài
phạm vi vùng trượt.
Giải pháp này cũng là hợp lý khi gặp lớp đất phủ có chiều dày lớn trên các
sườn dốc được tạo nên do hiện tượng phong hoá, nứt nẻ của đá, do đá lăn, rơi từ
trên cao xuống rồi tích tụ lại
Lun vn thc s k thut 9

Chuyờn ngnh Xõy dng cụng trỡnh thy Hc viờn : Nguyn Thanh Tựng




Hầm
Hầm
Hầm
Vùng trợt

Vùng đất phủ

Hỡnh 1.2: Vt cỏc vựng trt, t ph
Khi vt cỏc chng ngi nc cú th chn cu hoc hm. So vi vt bng
cu thỡ vt bng hm cú cỏc u im sau: khụng phi b trớ kh thụng thuyn,
trỏnh c cỏc nh hng do ma giú, bóo, súng chiu di giao nhau vi cỏc
chng ngi ụi khi ngn hn, nht l trong trng hp kh thụng thuyn cao, bói
sụng rng. Xõy dng ng dn thun li hn trong trng hp giao nhau im dõn
c, xõy dng dy c. Trong iu kin nhng nc phỏt trin mt giao thụng
thu ngy mt tng nhanh do ú nu vt bng cu ngoi vic cú cỏc tr trờn ng
giao thụng thu nú cũn ũi hi phi xõy cỏc cu nhp ln v kh thụng thuyn di
cu cng ln,do ú vt bng cu ngy cng t hn, c bit l nhng phng ỏn
vt qua cỏc eo bin, cỏc phng ỏn ni o
Khổ thông
thơng
Hầm
Cầu

Hỡnh 1.3: Vt chng ngi nc
Tuy nhiờn, gii phỏp vt chng ngi bng hm cng cú khỏ nhiu nhc
im: phi thụng giú v thoỏt nc nhõn to, ụi khi khụng cú thỡ khụng th khai
thỏc c cụng trỡnh; thi hn thi cụng di vỡ din thi cụng hp; giỏ thnh xõy dng
cú th ln hn vỡ khi lm hm phi thc hin khi lng cụng tỏc t khỏ ln. Tuy
nhiờn, b rng chng ngi nc tng thỡ giỏ thnh mt một di cu tng, cũn giỏ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 10

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng

thành một mét dài hầm thì giảm và khi chiều cao cầu tăng thì khối lượng công tác
đất của phương án này cũng tăng lên.
Về mặt an toàn trong thi công thì phương án cầu cũng không hơn hẳn phương
án hầm. Ngày nay, kỹ thuật xây dựng hầm trong những điều kiện địa chất khó khăn
như đất yếu, cát chảy, dưới mực nước ngầm đã được hoàn thiện, phổ biến và được
cơ giới hoá ở trình độ cao, đảm bảo an toàn tuyệt đối. Mặt khác, việc thi công hầm
lại không bị ảnh hưởng của thời tiết, khí hậu.
Việc chọn phương án cầu hay hầm cũng được tiến hành trên cơ sở so sánh
kinh tế, kỹ thuật các phương án và phải có luận cứ đầy đủ, chắc chắn.
Trong việc xây dựng và phát triển các thành phố hiện đại ngày nay phải giải
quyết đồng bộ hàng loạt các vấn đề như giao thông, đất đai xây dựng, bảo vệ môi
trường sinh thái, vệ sinh thành phố Các công trình ngầm nói chung, hầm nói riêng
đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề này.
Theo dự báo đến năm 2020 85% dân số trên hành tinh này sẽ sống trong các
thành phố. Hiện nay trên thế giới có hơn 300 thành phố có số dân từ 250 ngàn đến 1
triệu người, hơn 100 thành phố có số dân từ 1 đến 10 triệu người. Trong những
thành phố này giao thông luôn là những vấn đề hết sức phức tạp. Trong những năm
gần đây mật độ giao thông đặc biệt là ôtô tăng với nhịp độ gấp 3 ÷ 4 lần tăng của
dân số, 3 ÷ 3,5 lần tăng của việc xây dựng đường. Lượng ôtô tính cho 1000 dân
hiện nay: ở Châu Âu là 250 ÷ 350 chiếc, ở Mỹ là 300 ÷ 400 chiếc, đến năm 2010
con số này có thể đạt tới 550 ÷ 650 chiếc và phần lớn chúng tập trung ở thành phố.
Để tăng khả năng thông xe của đường phố người ta phân luồng chúng khỏi
đường phố bằng cách đưa lên cầu vượt hoặc vào trong hầm.
Phương án cầu vượt có nhiều nhược điểm so với phương án hầm: các trụ cầu
vẫn ở trên mặt đất nên phá hoại cảnh quan thành phố; tạo nên tiếng ồn lớn và bụi,
gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Do đó việc sử dụng hầm cho xe lửa, xe
điện, ôtô trong thành phố lớn vẫn là phổ biến.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 11

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




Một phương hướng khác của tổ chức giao thông ngoài đường phố là dùng
đường sắt treo. Các toa xe điện treo trên các trụ kiểu conson.
Ưu điểm của phương án này là chi phí xây dựng có thể thấp, tốc độ chạy tàu
cao, tất cả sức kéo, các thiết bị phục vụ bố trí bên trong hộp nên không bị ảnh
hưởng của khí quyển, chuyển động không ồn, vị trí toa xe nằm dưới đường trượt
nên đảm bảo đi qua những chỗ đường cong bé mà không phải giảm tốc độ.
Đường sắt treo có thể sử dụng có hiệu quả ở những vùng xây dựng còn thưa
thớt. Trong vùng xây dựng dày đặc, khi không có những đường trục lớn giải pháp
hợp lý vẫn là dùng hầm. [9]
1.1.2. Sơ lược về lịch sử xây dựng đường hầm giao thông.
Nguồn gốc của việc xây dựng hầm đầu tiên phải kể đến việc tạo nên những
hang hầm từ thời cổ xưa. Từ lâu, trước công nguyên ở Babilon, Ai Cập, Hy Lạp và
La Mã công tác xây dựng ngầm để khai thác khoáng sản, xây các lăng mộ, nhà
thờ sau đó là để cấp nước và giao thông. Đáng kể hơn cả là những hầm do người
cổ La Mã xây dựng vào mục đích cấp, thoát nước và giao thông, một số còn giữ
nguyên đến ngày nay.
Việc phát triển của xây dựng hầm gắn liền với việc phát triển của công cụ và
phương tiện sản xuất. Trình độ của kỹ thuật xây dựng hầm tương ứng với trình độ
phát triển của sức sản xuất. Tất cả những hầm cổ đều xây dựng trong đá cứng không
cần xây vỏ, tuy nhiên hang đã có dạng vòm giống như các hang động tự nhiên. Việc
thi công dựa vào sức lao đông của nô lệ nhờ các công cụ thô sơ như: choòng, xà
beng, cũng như phương pháp nhiệt: đầu tiên đốt nóng gương rồi sau làm lạnh bằng
nước. Sau khi đế quốc La Mã sụp đổ, xây dựng ngầm cũng như các hoạt động khác
của loài người đi vào thời kỳ suy thoái kéo dài. Trong thời kỳ này công tác xây
dựng ngầm chủ yếu giành cho mục đích chiến tranh.

Vào cuối thời kỳ trung cổ do việc mở rộng quan hệ giữa các dân tộc cũng như
việc rút ngắn con đường buôn bán người ta đã xây dựng các hầm đường thuỷ nối
các đường giao thông thuỷ đang ngăn cách nhau bởi các dãy núi bằng việc sử dụng
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 12

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




thuốc nổ để phá đá. Hầm đường thuỷ đầu tiên dài gần 160(m) đã xây dựng ở Pháp
trên kênh Langedok năm 1679 ÷ 1681.
Việc xuất hiện đường sắt là nguyên nhân thúc đẩy sự nghiệp phát triển hầm
sau này. Hầm đường sắt đầu tiên dài 1190(m) đã xây dựng vào 1826 ÷ 1830 trên
tuyến đường từ Liverpool tới Manchester ở Anh. Cũng trong thời kỳ này hầm
đường sắt được xây dựng ở Pháp và các nước Châu Âu khác.
Mặc dù việc xây dựng hầm đã phát triển nhưng chiều dài những hầm xây dựng
bằng khoan tay và thuốc nổ đen đã không vượt quá 3,5(km). Trình độ kỹ thuật hạn
chế việc xây dựng các hầm dài.
Việc tìm ra thuốc nổ Pirocxilin (1845) cùng với việc áp dụng thành công máy
khoan đập xoay vào công việc mỏ đã tạo nên bước ngoặt trong xây dựng hầm và tạo
nên khả năng giải quyết những nhiệm vụ khó khăn nhất trong sự nghiệp xây dựng
những hầm như xây dựng những hầm xuyên dãy Anpe nối Pháp, Italia và Thụy Sỹ.
Vào những năm 1857 ÷ 1871 đã xây dựng hầm Mont Cenis dài 12.850(m) nối
Pháp với Italia có độ chênh cao hai cửa là 132,28(m). Hầm Sin – Goithord dài
14.984(m) nối liền Gosehenen (Thụy Sỹ) và Airolo (Italia) được xây dựng vào
những năm 1872 ÷ 1882. Trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất đã xây dựng tất cả
26 hầm có chiều dài lớn hơn 5(km), trong đó có hầm dài nhất thế giới: hầm Sinplon
dài 19.870(m) nối Italia và Thụy Sỹ. Đầu tiên là hầm Sinpon I bắt đầu năm 1898 kết
thúc năm 1906. Mặc dù gặp những khó khăn rất lớn như áp lực địa tầng tăng, gặp

nguồn nước nóng, nhiệt độ trong hầm cao (55
o
C) hầm Sinpon II đã xây dựng chỉ
đến năm 1921.
Vật liệu chủ yếu để xây dựng vỏ hầm là đá hộc xây vữa vôi hoặc vữa xi măng.
Vào năm 1889 lần đầu tiên sử dụng bêtông làm vỏ hầm . Nhưng cho đến một phần
tư cuối của thế kỷ XX bêtông mới trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng hầm.
[9]

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 13

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




1.2. TÌNH HÌNH XÂY DỰNG HẦM GIAO THÔNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ
VIỆT NAM.
1.2.1. Tình hình xây dựng hầm giao thông trên thế giới.
Thời thượng cổ con người đã biết đào các hầm ngầm đặc biệt để khai thác
quặng mỏ và than đá. Người La Mã đã xây dựng các đương hầm thuỷ lợi đến nay
vẫn còn tốt. Tác phẩm đầu tiên viết về xây dựng các đường hầm là cuốn De ra
metallica do một người Đức Georg Bawer (tên Latin là Georg Agricola) viết và xuất
bản vào năm 1556. Công trình ngầm hiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas, dài
155(m) được xây dựng từ năm 1676 đến năm 1681 cho kênh đào Midi ở miền Nam
nước Pháp.
Đến thế kỉ thứ XIX, đặc biệt vào thế kỷ XX, do yêu cầu mà giao thông đường
bộ, đường thuỷ, đường sắt và giao thông thành phố mới phát triển mạnh mẽ, nhất là
giao thông hầm đường bộ, đường sắt, đường thuỷ và hầm cho tàu điện ngầm.
Đã xuất hiện hầm đường bộ Sinplon qua dãy núi Alpes – Penins nằm giữa

Valacs (Thụy Sỹ) và Piemonte (Italia) dài 19.730m ở độ cao 2.009(m). Đó là đường
hầm ở trên núi cao được xây dựng sớm nhất và dài nhất trên thế giới vào thời đó.
Vào thế kỷ XX ở các thủ đô lớn trên thế giới đã xây dựng mạng lưới tàu điện
ngầm đô thị hiện đại đặc biệt ở Moscow. Ở Trung Quốc, sau ngày giải phóng 1949
đến nay đã xây dựng hơn 4.000(km) hầm đường sắt dài vào loại nhất thế giới.
Năm 1995 Trung Quốc đã xây dựng hầm đường bộ Tần Lĩnh dài 19,45(km) đã
tạo một bước ngoặt đột phá mới về kỹ thuật xây dựng ở trong nước.
Vào cuối thế kỷ XX kỹ thuật xây dựng hầm ngầm qua sông, qua eo biển đạt
bước phát triển mới đã có nhiều phương pháp thi công hữu hiệu. Năm 1984, Nhật
Bản đã xây dựng đường hầm Thanh Hàm xuyên qua eo biển Tân Hải Hiệp dài
53,85(km). Năm 1991, nước Anh và nước Pháp hợp tác xây dựng đường hầm xuyên
qua eo biển Manche nối liền hai nước dài 50(km) ( trong đó có 37,5km nắm sâu
cách mặt nước biển khoảng 100m).
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 14

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




Tại cửa ngõ ra vào phía Nam thủ đô Kuala Lumpur (Malaysia), người ta xây
dựng hệ thống hầm giao thông và điều tiết lũ (SMART), là công trình đầu tiên trên
thế giới kết hợp hai trong một – hầm ngầm thoát nước và hầm xa lộ. Theo thiết kế,
đường hầm SMART có chiều dài 4,7(km), hai tầng cho giao thông, một tầng cho
thoát nước khi mưa nhỏ, rộng 6,5(m) (2 làn xe), tốc độ thấp nhất 60(km/h).
Sau năm năm thi công, đoạn tuyến Marmaray (Thổ Nhĩ Kỳ), đoạn tuyến được
mong đợi từ lâu, nối giữa Châu Âu và Châu Á đang gấp rút thi công giai đoạn cuối,
toàn tuyến dài 76,3(km) trong đó có 13,6(km) hầm và sẽ hoàn thành năm 2011, khai
thác vào năm 2012. Đường hầm bao gồm 1.387(m) đoạn hầm ống chìm dưới eo
biển được đặt trong một đường hào ở độ sâu 60(m) so với mực nước biển.

Xuyên suốt lịch sử, có thể nói việc xây dựng hầm trên thế giới đã phát triển từ
rất lâu, và ngày càng hoàn thiện về công nghệ thi công, rút ngắn thời gian, giảm
thiểu chi phí và xây dựng các công trình đường hầm giao thông mang tính lịch sử.
Với bước phát triển khoa học kỹ thuật như vũ bão và sự ra đời công nghệ mới-
công nghệ xây dựng hầm áo mới New Austrian Tunneling Method (NATM), con
người có thể xây dựng ngầm dưới đất ở các vùng địa chất phức tạp khác nhau làm
cho công trình xây dựng hầm và công trình ngầm an toàn, kinh tế và ngày càng hấp
dẫn.
1.2.2. Tình hình xây dựng hầm giao thông ở Việt Nam.
Trước Cách mạng tháng Tám 1945, ở Việt Nam năm 1930, có xây dựng hầm
giao thông thuỷ Rú Cóc (ở xã Nam Sơn, huyện Anh Sơn, tỉnh Nghệ An) hầm ngầm
xuyên qua núi giúp cho thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu xuống hạ lưu sông Lam
để tránh đi qua đập nước Đô Lương. Ngành đường sắt có vài hầm ngầm ở miền
Trung mà điển hình là hầm Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc đại phận tỉnh
Thừa Thiên Huế.
Trong chiến tranh chống Pháp, chống Mỹ hầm được xây dựng nhiều song chủ
yếu là hầm ngắn nằm trong núi phục vụ cho quốc phòng làm kho tàng hay công sự.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 15

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




Ở tỉnh Quảng Nam hầm lò được xây dựng khá nhiều chủ yếu phục vụ khai thác
than.
Sau ngày thống nhất đất nước năm 1975, ta mở đầu xây dựng hầm Dốc Xây
trên quốc lộ 1A ở phía nam tỉnh Ninh Bình dài khoảng 100(m). Trong công cuộc
xây dựng đất nước hiện đại quy mô hiện nay, nước ta đã xây dựng hầm đường bộ
qua đèo Hải Vân dài trên 6(km); khi vận hành đã rút ngắn thời gian qua đèo từ một

giờ xuống khoảng 15 phút; giao thông Nam Bắc đã nhanh chóng và an toàn, tiện
lợi. Tháng 5/2002 ta đã khánh thành hầm Aroàng I trên đường Hồ Chí Minh dài
453(m) và tiếp tục xây dựng hầm Aroàng II.
Hầm đường bộ đèo Hải Vân (Việt Nam) khẩu độ 12,85(m), cao 11(m) dài hơn
6(km), khởi công ngày 1/10/2000. Năm 2003 khởi công hầm đường bộ qua đèo
Ngang (giáp giới tỉnh Nghệ An và tỉnh Quảng Bình) và sau đó khởi công hầm ngầm
chui qua sông Sài Gòn,
Trong tương lai không xa hầm và công trình ngầm ở đất nước ta sẽ có bước
phát triển mới rất to lớn khi các tuyến đường giao thông phải đi vào các vùng đồi
núi hiểm trở hoặc vùng đô thị lớn.
Hầm và công trình ngầm ở nước ta sẽ gắn với mọi công trình xây dựng cơ bản
của nền kinh tế quốc dân một cách hữu cơ và sẽ có bước phát triển mới trong sự
nghiệp xây dựng đất nước ta thành một nước công nghiệp hoá và hiện đại hoá.
1.3. CÁC THÔNG SỐ CHÍNH VÀ HÌNH ẢNH MỘT SỐ CÔNG TRÌNH
ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG.
1.3.1. Các thông số chính của một số công trình hầm giao thông.
TT Tên Hầm
Chiều dài
(m)
Ghi chú
1 Hầm Hải Vân 6.280
- Đường hầm thoát hiểm
dài: 6.280 (m)
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 16

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng

- Đường hầm thông gió
dài: 1.810 (m)
- Hầm lọc bụi tĩnh điện
dài: 153 (m).
2 Hầm Đèo Ngang 495

3 Hầm A Roàng I 453 Đường Hồ Chí Minh
4 Hầm Dốc Xây (Ninh Bình) 100 Trên Quốc Lộ 1A
5 Hầm Thanh Hàm (Nhật Bản) 53.850
6 Hầm qua eo biển Manche 50.000 Nối liền Anh và Pháp
7
Hầm qua sông Trường Giang
(Trung Quốc)
8.900

8 Hầm Tần Lĩnh (Trung Quốc) 19.450
9 Hầm Saint Cloud (Pháp) 909
10 Hầm Laerdal (Na Uy) 24.500
11 Hầm Hsuehshan (Đài Loan) 13.000
1.3.2. Hình ảnh một số công trình hầm giao thông.







Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 17

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng

1.3.2.1. Hầm Hải Vân.



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 18

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




1.3.2.2. Hầm Đèo Ngang.



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 19

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




1.3.2.3. Hầm Laerdal (Na Uy).

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 20

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




1.3.2.4. Hầm Hsuehshan (Đài Loan).



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 21

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM VÀ CHỌN PHƯƠNG
PHÁP TÍNH TOÁN
Công trình giao thông nói chung, đường hầm giao thông nói riêng thường chịu
tác dụng của các loại tải trọng như: áp lực đất đá, sự thay đổi của nhiệt độ, độ ẩm
Dưới tác dụng của các nguyên nhân trên bên trong công trình xuất hiện ứng
suất, khi ứng suất vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây nứt nẻ dẫn đến nhẹ thì làm
giảm chất lượng công trình, nặng thì làm công trình bị phá hoại. Tính toán ứng suất
trong công trình dưới tác dụng của các nguyên nhân trên là yêu cầu được đề ra khi
thiết kế các công trình. Lời giải của bài toán ứng suất biến dạng càng chính xác thì
các công trình được thiết kế càng đảm bảo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật.
2.1. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MÔI TRƯỜNG ĐÁ.

2.1.1. Độ bền nén đơn trục.
Đặc trưng cho khả năng kháng nén của đá được xác định bằng giá trị ứng suất
phát sinh khi mẫu thí nghiệm bị phá hủy dưới tác dụng của lực nén trên một trục ký
hiệu là 
c
hay 
n
được xác định bởi công thức:
0
max
P
P
c


[4] (2-1)
Trong đó: P
max
: Lực nén đơn trục lớn nhất làm phá hủy mẫu
P
0
: Là diện tích tiết diện ngang ban đầu của mẫu.
2.1.2. Độ bền kéo đơn trục.
Đặc trưng cho khả năng chống chịu lực kéo của đá, được xác định bằng ứng
suất khi kéo mẫu đá bị phá hủy dưới tác dụng của tải trọng kéo theo một trục, ký
hiệu 
t
, 
k
, được xác định bởi công thức:

F
P
t
t
max


[4] (2-2)
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 22

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




Trong đó: P
tmax
: Là lực gây phá hủy mẫu.
F : Là diện tích tiết diện ngang ban đầu của mẫu.
2.1.3. Độ bền cắt của đá.
Là giá trị ứng suất cắt tới hạn mà tại đó đá bị cắt, ký hiệu là 
s
, được xác định
theo công thức:
F
P
s


[4] (2-3)

Trong đó: 
s
: Là độ bền cắt.
P: Lực cắt khi mẫu phá hủy (kg).
F: Diện tích mặt cắt ban đầu (cm
2
).
2.1.4. Độ bền của đá ở trạng thái ứng suất ba chiều.
Dưới tác dụng của ngoại lực, đá làm việc ở trạng thái ứng suất phức tạp. Để
nghiên cứu trạng thái ứng suất dưới tác dụng của các trường lực khác nhau cần thí
nghiệm nén theo phương pháp 3 trục. Phụ thuộc vào trang thiết bị thí nghiệm và yêu
cầu nghiên cứu, có thể lựa chọn các sơ đồ thí nghiệm:
321321321
;;


[4] (2-4)
2.1.5. Hệ số bền vững.
Là chỉ tiêu đặc trưng cho khả năng của đá chống lại sự phá hủy của ngoại lực,
ký hiệu là F được xác định thông qua độ bền nén bằng công thức:
100
c
F


[4] (2-5)
Trong đó: 
c
: Là độ bền nén đơn trục
2.1.6. Hệ số kiên cố.

Theo Protodiakonop coi cả môi trường đất đá rời rạc, nhưng để xét tính dính
kết, phải tăng hệ số ma sát giữa các thành phần hạt lên thành một hệ số giả định gọi
là hệ số kiên cố của đá, ký hiệu f
kc
. Hệ số này là giả định nhưng mang ý nghĩa đặc
trưng cho một tính chất cơ học của đá.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 23

Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng




Đối với môi trường cơ học rời rạc, thì điều kiện cân bằng giới hạn sẽ là:
ftg


hay
f


[4] (2-6)
Trong đó:  Là góc ma sát của đất đá.
f: Là hệ số ma sát.
Đối với môi trường có tính dính kết, thì điều kiện cân bằng theo
Protodiakonop có thể viết như sau:
kc
ftgK



hay
kc
f


[4] (2-7)
Trong đó: K là hệ số dính của đất đá; f
kc
là hệ số ma sát giả định hay gọi là hệ
số kiên cố.
2.1.7. Đặc trưng ứng suất biến dạng của môi trường đá.
2.1.7.1. Mô đun đàn hồi E.
Đặc trưng cho độ biến dạng đàn hồi của vật liệu kéo hay nén đơn trục, được
xác định bởi tỷ số giữa ứng suất pháp  khi kéo hay nén đơn trục và độ biến dạng
dọc tương đối với ứng suất đó:


E
[4] (2-8)
2.1.7.2. Mô đun đàn hồi khi cắt ( mô đun trượt G).
Đặc trưng cho khả năng chống lại sự thay đổi hình dạng khi giữ nguyên thể
tích mẫu, bằng tỷ số ứng suất tiếp chia cho biến dạng xoay G:


G
[4] (2-9)
2.1.7.3. Hệ số poisson (hệ số biến dạng ngang) v.
Là tỷ số giữa biến dạng ngang tương đối ’ và biến dạng dọc tương đối  của
mẫu thí nghiệm khi chịu lực tác dụng:



,
v
[4] (2-10)