Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất phi tuyến của đất đá đối với sự làm việc của hệ kết cấu vỏ hầm và nền bằng phương pháp khống chế hội tụ

LỜI CẢM ƠN
Luận án tiến sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất phi tuyến
của đất đá đến sự làm việc của hệ kết cấu vỏ hầm và nền bằng phương
pháp khống chế hội tụ” đƣợc hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân tác giả
và sự giúp đỡ tận tình của Bộ môn Xây dựng CTQP – Viện KTCT Đặc Biệt;
Ban NCS – Phòng Sau đại học – Học viện Kỹ thuật Quân sự.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Sỹ Ngọc, PGS.TS Đào
Văn Canh, GS.TS Vũ Đình Lợi, PGS.TS Nguyễn Đức Nguôn, GS.TSKH
Nguyễn Văn Quảng đã đóng góp các ý kiến nhận xét để luận án đƣợc hoàn
thiện hơn. Xin đƣợc dành tình cảm chân thành đến cố PGS.TS Nghiêm Hữu
Hạnh – ngƣời thầy đã đi xa mà tác giả sẽ luôn nhớ đến thầy.
Xin đƣợc cảm ơn các đồng nghiệp ở trung tâm GTĐT – Đƣờng sắt –
Viện Khoa học công nghệ GTVT và trực tiếp là TS Phạm Trƣờng Thắng, TS
Lê Công Thành cũng nhƣ Lãnh đạo Viện Khoa học công nghệ Giao thông
vận tải đã tạo nhiều thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực
hiện luận án.
Cảm ơn các bạn lớp Cầu hầm B – K38 Trƣờng ĐH Giao thông vận tải
và các đồng nghiệp là TS Đỗ Ngọc Anh, KS Nguyễn Anh Hùng, CN Nguyễn
Thu Hà, CN Hồ Ngọc Nhung đã luôn động viên, khích lệ tác giả về mọi mặt
trong suốt thời gian qua.
Đặc biệt, xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn vô cùng sâu sắc đến GS.TS Đỗ
Nhƣ Tráng đã hƣớng dẫn và tạo điều kiện quan trọng để tác giả vƣợt qua các
trở ngại hoàn thành luận án. Những lời động viên và cả sức ép công việc của
GS.TS Đỗ Nhƣ Tráng đã giúp tác giả hoàn thành đƣợc luận án.
Luận án này sẽ không thể hoàn thành nếu không có những ngƣời thân
yêu trong gia đình làm chỗ dựa về mọi mặt để tác giả có thể vƣợt qua những
khó khăn trong thời gian thực hiện luận án.


Tuy đã rất cố gắng, nhƣng do thời gian và trình độ có hạn nên trong
luận án chắc chắn còn những tồn tại, hạn chế. Tác giả mong muốn đƣợc thầy

cô, đồng nghiệp và bạn bè góp ý, trao đổi để tác giả có thể tiếp thu, hoàn thiện
kiến thức trong lĩnh vực chuyên môn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận án

NCS Vũ Thị Thuỳ Giang


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án

NCS Vũ Thị Thuỳ Giang


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC……………… ................................................................................ I
THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ..................................................... V
DANH MỤC HÌNH VẼ… ...........................................................................VII
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................XII
MỞ ĐẦU………………. ................................................................................ 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
THIẾT KẾ HẦM……… ................................................................................. 4
1.1. Tổng quan về thiết kế hầm .......................................................................4
1.1.1. Các mô hình thiết kế cho hầm ..............................................................5

1.1.2. Giới hạn thiết kế và giá trị an toàn cho kết cấu .....................................7
1.2. Cách phân loại truyền thống.....................................................................8
1.2.1. Trên cơ sở lý thuyết sức bền vật liệu ....................................................8
1.2.2. Các phƣơng pháp thiết kế trên cơ sở lý thuyết cơ học môi trƣờng liên
tục………………. ........................................................................................ 11
1.3. Phƣơng pháp khống chế hội tụ trong thiết kế hầm ............................... 13
1.3.1. Các giả thiết để xây dựng sơ đồ tính. ................................................. 17
1.3.2. Đánh giá về phƣơng pháp đào hầm mới của Áo (NATM) và ứng dụng
CCM trong thiết kế hầm............................................................................... 19
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 .............................................................................. 21
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP CCM ............. 23
2.1. Các giả thiết về tiêu chuẩn phá huỷ và các mô hình phá hủy ............... 23
2.1.1. Tiêu chuẩn phá huỷ Mohr – Coulomb ............................................... 23
2.1.2. Tiêu chuẩn Hoek – Brown ................................................................. 24
2.1.3. Các đặc trƣng phá hủy. ....................................................................... 26


ii

2.2. Phân tích ổn định hầm trƣớc khi hình thành vùng cân bằng giới hạntrƣờng hợp không chống .............................................................................. 31
2.3. Xây dựng đƣờng cong phản lực nền ..................................................... 36
2.3.1. Vật liệu thoả mãn tiêu chuẩn Mohr – Coulomb. ................................ 37
2.3.2. Vật liệu thoả mãn tiêu chuẩn Hoek –Brown ...................................... 40
2.4. Hiệu ứng giải phóng ứng suất, biến dạng dọc trục hầm........................ 42
2.5. Đánh giá sức mang tải của nền ngoài giới hạn đàn hồi......................... 45
2.5.1. Mô hình tính toán ............................................................................... 46
2.5.2. Hệ số mất cƣờng độ “” của đá.......................................................... 46
2.5.3. Ví dụ khảo sát, các nhận xét và kết luận ............................................ 50
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 .............................................................................. 55
CHƢƠNG 3. ĐƢỜNG ĐẶC TÍNH CỦA KẾT CẤU CHỐNG VÀ LỜI GIẢI

CHO KẾT CẤU VỎ CÔNG TRÌNH NGẦM ............................................... 56
3.1. Các khái niệm chung về đƣờng cong đặc tính của kết cấu chống ........ 56
3.2. Xây dựng đƣờng đặc tính của kết cấu chống ........................................ 58
3.2.1. Mô hình cơ bản tính toán đƣờng cong đặc tính của kết cấu chống.... 58
3.2.2. Đƣờng đặc tính của vỏ bê tông và bê tông phun ................................ 61
3.2.3. Hệ vỏ hỗn hợp .................................................................................... 66
3.3. Hệ số bền……….. ................................................................................ 69
3.3.1. Bê tông và bê tông phun ..................................................................... 70
3.3.2.Neo…………… .................................................................................. 70
3.3.3. Hệ hỗn hợp ......................................................................................... 71
3.4. Phân tích hầm theo phƣơng pháp khống chế hội tụ bằng phần mềm
Phase2………… .......................................................................................... 71
3.4.1. Bài toán mô phỏng quá trình đào hầm theo các giai đoạn (St) thông
qua phản lực vì chống pi .............................................................................. 72


iii

3.4.2. Kết quả bài toán .................................................................................. 73
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 .............................................................................. 74
CHƢƠNG 4: KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC
THÔNG SỐ TRONG XÂY DỰNG HẦM.................................................... 76
4.1. Các trƣờng hợp phân tích. ..................................................................... 76
4.2. Phân tích số lƣợng các phần tử bị phá trên biên (%) theo độ cứng của
nền…………… ............................................................................................ 80
4.2.1. Trƣờng hợp bán kính hầm ri=2m, Chiều sâu đặt hầm H=50m. Không
có kết cấu chống. .......................................................................................... 80
4.2.2.Khi có kết cấu chống, tại St6; pi6=0,62MPa. ...................................... 82
4.3. Đánh giá ảnh hƣởng của hình dạng kết cấu, hệ số áp lực hông tới hệ số
bền của nền……. .......................................................................................... 84

4.2.3. Hệ số bền ............................................................................................ 84
4.2.4. Ảnh hƣởng của chiều sâu đặt hầm tới số lƣợng phần tử bị phá hủy trên
biên hầm (%) và tại các điểm xét; ................................................................ 86
4.3. Phân tích các thông số với hầm tròn và vòm tròn tƣờng thẳng, ........... 88
4.4. Ảnh hƣởng của công nghệ ..................................................................... 92
4.4.1. Sự xáo trộn đất đá do đào hầm ........................................................... 92
4.4.2. Khảo sát bán kính vùng phá hủy theo phản lực chống: ................... 100
4.5. Phân tích ảnh hƣởng của các yếu tố địa cơ học .................................. 103
KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 ............................................................................ 109
CHƢƠNG 5. ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP CCM VỚI ĐƢỜNG HẦM DẪN
NƢỚC THỦY ĐIỆN SỬ PÁN 2 – LÀO CAI............................................. 111
5.1. Tính chất cơ lý của đất đá của tuyến hầm dẫn nƣớc ........................... 111
5.2. Phân tích tƣơng tác hệ kết cấu vỏ hầm và nền theo tiêu chuẩn MohrCoulomb……… ......................................................................................... 113


iv

5.2.1. Áp dụng Phase2 trong điều kiện đá cứng tại thủy điện Sử Pán 2. ... 113
5.2.2. Sơ đồ tính toán: ................................................................................ 113
5.2.3. Kết quả tính toán .............................................................................. 114
5.3. Phân tích tƣơng tác hệ kết cấu vỏ hầm và nền theo tiêu chuẩn Hoek
Brown…………………………………..................................................... 121
5.3.1. Số liệu tính........................................................................................ 121
5.3.2. Kết quả tính toán .............................................................................. 121
5.3.3. Kết luận chung về 2 tiêu chuẩn áp dụng cho loại đá cứng............... 128
5.4. Hầm Sử Pán trong đá yếu .................................................................... 129
5.4.1. Số liệu tính........................................................................................ 129
5.4.2. Kết quả tính theo Mohr –Coulomb .................................................. 129
5.4.3. Tính theo tiêu chuẩn Hoek- Brown. ................................................. 133
KẾT LUẬN CHƢƠNG 5 ............................................................................ 137

KẾT LUẬN CHUNG…. ............................................................................. 139
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 142


v

THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

a= Hằng số bền của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek - Brown
a= Hằng số bền dƣ của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown
C = Cƣờng độ cƣờng độ lực dính của khối đá
C*= Cƣờng độ cƣờng độ lực dính tƣơng đƣơng của khối đá

db= Đƣờng kính neo
E= Mô đun đàn hồi của khối đá
G = Mô đun trƣợt của khối đá
GSI= Chỉ số độ bền địa chất

kp= Hệ số dãn nở thể tích của khối đá ở trạng thái bị phá huỷ
mi = Hằng số của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown
mb' = Hằng số bền dƣ của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown
s= Hằng số bền của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown

s= Hằng số bền dƣ của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown
RMR= Chỉ số phân loại khối đá của Bieniawski
ri = Bán kính hầm
r = Khoảng cách từ tim hầm đến điểm khảo sát
re= Bán kính của vùng dẻo

u ri = Chuyển vị (độ hội tụ) của hầm không gia cố

= Hệ số suy giảm độ bền sau giới hạn bền
r= Ứng suất pháp tuyến

= Ứng suất tiếp tuyến
re= Ứng suất pháp tuyến tại biên của vùng đàn hồi - dẻo
= Ứng suất chính cực đại


vi

= Ứng suất chính cực tiểu
ci= Độ bền nén một trục của đá nguyên khối
 ci' =Độ bền nén dƣ của đá nguyên khối

= Hệ số áp lực hông
= Góc giãn nở của đá

= Góc ma sát trong của đá
= Hệ số Poisson của đá
z= Ứng suất trƣợt phân bố trên neo vữa
z = Ứng suất dọc phân bố trên neo
CCM: phƣơng pháp khống chế hội tụ (convergene –confinement
method)
CBGH: cân bằng giới hạn
D: Đƣờng kính hầm
KC: Kết cấu chống
ITA: Hiệp hội hầm và không gian ngầm quốc tế
Lu: biến dạng dọc trục hầm
NATM: phƣơng pháp đào hầm mới của Áo
PPMTT: phƣơng pháp mỏ truyền thống

TCPH: tiêu chuẩn phá hủy (phá hủy)
St: giai đoạn (Stage)
TTƢSBĐ: trạng thái ứng suất ban đầu (nguyên sinh)


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Quá trình thiết kế hầm theo ITA [38] ...............................................6
Hình 1.2. Mô hình biến dạng cục bộ (phƣơng pháp Zurabop – Bugaeva) .......9
Hình 1.3. Phƣơng pháp thay thanh [35] ......................................................... 10
Hình 1.4. Sơ đồ tính theo mô hình biến dạng toàn bộ của Đavƣđốp [35] ..... 10
Hình 1.5. Phân loại các phƣơng pháp tính theo ITA ..................................... 12
Hình 1.6. Các giai đoạn trong xây dựng hầm ................................................ 13
Hình 1.7. Đƣờng cong phản lực của nền và ảnh hƣởng của sự giải phóng ứng
suất theo các giai đoạn ................................................................................... 16
Hình 1.8. Mô hình bài toán tổng quát [20] .................................................... 18
Hình 2.1. Vòng tròn Mohr ứng suất ............................................................... 23
Hình 2.2. Các đặc trƣng phá huỷ của các loại đá có chất lƣợng khác nhau .. 27
Hình 2.3. Sơ đồ mô hình đàn - dẻo không đồng nhất và tƣơng tác hệ đất đá vỏ hầm ............................................................................................................ 28
Hình 2.4. Bài toán cơ bản của phƣơng pháp khống chế hội tụ [20] .............. 31
Hình 2.5. Phân bố độ bền nén σN (MPa) ........................................................ 36
Hình 2.6. Các giá trị của hệ số  tại các giai đoạn khác nhau trên khoang đào
........................................................................................................................ 43
Hình 2.7. Sơ đồ tính của bài bài toán và các mô hình đàn hồi –dẻo của đá .. 46
Hình 2.8. Kết quả khảo sát và tính toán. ........................................................ 51
Hình 2.9. Quan hệ giữa bán kính vùng phá hủy và phản lực với góc ma sát
trong =150; =300; =450 ............................................................................ 52

viii

Hình 2.10. Quan hệ giữa đƣờng cong đặc tính nền và phản lực với góc ma sát
trong =150; =300 và =450......................................................................... 52
Hình 2.11. Quan hệ giữa đƣờng cong đặc tính nền và phản lực với góc ma sát
trong =150; cho các trƣờng hợp góc dãn nở  khác nhau.. ......................... 54
Hình 3.1. Các đặc trƣng biến dạng khối của kết cấu vỏ hầm khi tác dụng
tƣơng hỗ với khối đá xung quanh .................................................................. 58
Hình 3.2 Sơ đồ các lực tác dụng lên vỏ hầm. ................................................ 58
Hình 3.3. Đƣờng đặc tính của kết cấu chống. ................................................ 59
Hình 3.4. Phần vỏ hầm chƣa đƣợc chống đỡ sát gƣơng đào. ........................ 60
Hình 3.5 Ảnh hƣởng của giá trị u0 ................................................................. 60
Hình 3.6. Ảnh hƣởng độ cứng của vỏ hầm. ................................................... 60
Hình 3.8. Hệ thống chống đỡ vỏ bê tông và BTP .......................................... 64
Hình 3.9. Sơ đồ tƣơng tác song song hệ vỏ hỗn hợp. .................................... 67
Hình 3.10. Ảnh hƣởng của kết cấu chống hỗn hợp [25], [28] ....................... 67
Hình 3.11. Đƣờng cong phản lực hệ hỗn hợp từ ba vỏ hầm thành phần đƣợc
lắp dựng tại các thời điểm khác nhau và tại các khoảng các khác nhau ........ 69
Hình 3.12. Mô phỏng quá trình đào qua hệ số kSt.......................................... 72
Hình 3.13. Kết quả đƣờng cong phản lực nền theo hai lời giải ..................... 74
Hình 4.1. Sơ đồ các trƣờng hợp khảo sát ....................................................... 77
Hình 4.2. Mô hình khảo sát ............................................................................ 78
Hình 4.3. Hệ tọa độ chung ............................................................................. 79
Hình 4.4. Các điểm đặc trƣng cho tính toán – vị trí các điểm xét ................. 79
Hình 4.5. Đặc trƣng tính toán cho vòm tƣờng thẳng –vị trí các điểm xét ..... 80


ix

Hình 4.6. Số lƣợng phần tử phá hủy trên biên Nph(%) với hệ số áp lực hông 81

 =0.5; tại St 11; pi11=0 MPa - không có kết cấu chống đỡ. ......................... 81
Hình 4.7. Số lƣợng phần tử phá hủy trên biên Nph(%) với =0. 5, tại St6;
pi6=0,62 (MPa) -có kết cấu chống đỡ. ............................................................ 82
Hình 4.8. Số lƣợng phần tử bị phá hủy trên biên theo fkp và giai đoạn ......... 83
Hình 4.9. Hệ số bền B khi không có kết cấu chống ....................................... 85
Hình 4.10. Hệ số bền B khi có kết cấu chống pi6 =0.62 (MPa) ..................... 85
Hình 4.11. Các phần tử bị phá hủy trên biên theo chiều sâu đặt hầm khi có kết
cấu chống........................................................................................................ 86
Hình 4.12. Số lƣợng phần tử trên biên bị phá hủy khi không có kết cấu chống
theo chiều sâu đặt hầm ................................................................................... 87
Hình 4.13. Dang phá hủy do kéo và trƣợt với  =0.25 .................................. 88
Hình 4.14. Dạng phá hủy do kéo và trƣợt với  =0.5 .................................... 88
Hình 4.15. Dạng phá hủy do kéo và trƣợt với  =1 ....................................... 89
Hình 4.16. Chuyển vị tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ số áp
lực hông =0.25 ............................................................................................ 89
Hình 4.17. Chuyển vị tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ số áp
lực hông 0.5 .............................................................................................. 89
Hình 4.18. Chuyển vị tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ số áp
lực hông =1 ................................................................................................. 90
Hình 4.19. Biến dạng trƣợt tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ
số áp lực hông =0.25 ................................................................................... 90


x

Hình 4.20. Biến dạng trƣợt tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ
số áp lực hông =0.5 ..................................................................................... 90
Hình 4.21. Biến dạng trƣợt tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ
số áp lực hông =1 ........................................................................................ 91
Hình 4.22. Biến dạng thể tích tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống,

=0.25 ........................................................................................................... 91
Hình 4.23. Biến dạng thể tích tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống,
hệ số áp lực hông =0.5 ................................................................................ 91
Hình 4.24. Biến dạng thể tích tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống,
hệ số áp lực hông =1 ................................................................................... 92
Hình 4.25. Đƣờng cong phản lực nền xét tới các yếu tố thời gian, công nghệ
........................................................................................................................ 97
Hình 4.26. Quan hệ bán kính vùng tải trọng theo phản lực chống. ............... 98
Hình 4.27. Biểu đồ vùng dẻo theo phản lực chống ........................................ 98
Hình 4.28. Sơ đồ tính của bài toán ............................................................... 100
Hình 4.29. Quan hệ giữa các bán kính vùng phá hủy, vùng cân bằng giới hạn
(m) và phản lực chống theo ảnh hƣởng của công nghệ ............................... 102
Hình 4.30. Quan hệ giữa tải trọng pi( MPa) và thời gian lắp dựng vỏ (ngày)
theo chiều dày vỏ (m) ................................................................................... 108
Hình 5.1. Sơ đồ tính của bài toán ................................................................. 114
Hình 5.2. Đƣờng cong phản lực nền ............................................................ 114
Hình 5.3. Chuyển vị theo các giai đoạn ....................................................... 115
Hình 5.4. Chuyển vị theo khoảng cách tính từ biên hầm với các thời điểm lắp
dựng vỏ khác nhau. ...................................................................................... 116


xi

Hình 5.5. Quan hệ M,N,Q với phản lực pi theo các giai đoạn (Stage) ........ 119
Hình 5.6. Quan hệ các thông số phân tích theo Giai đoạn-Stage ................ 120
Hình 5.7. Quan hệ các thông số phân tích theo phản lực............................. 120
Hình 5.8. Đƣờng cong phản lực nền theo tiêu chuẩn Hoek - Brown .......... 122
Hình 5.9. Chuyển vị theo các giai đoạn ....................................................... 122
Hình 5.10. Chuyển vị theo khoảng cách tính từ biên hầm với các thời điểm
lắp dựng vỏ khác nhau. ................................................................................ 123

Hình 5.11. Quan hệ M,N,Q với phản lực pi (theo các St) ............................ 127
Hình 5.12. Quan hệ các thông số phân tích theo Giai đoạn-Stage .............. 127
Hình 5.13. Quan hệ các thông số phân tích theo phản lực. ......................... 128
Hình 5.14. Đƣờng cong phản lực nền ......................................................... 130
Hình 5.15. Chuyển vị tổng .......................................................................... 130
Hình 5.16. Chuyển vị theo các giai đoạn ..................................................... 131
Hình 5.17. Sự hình thành vùng phá hủy theo các St .................................... 132
Hình 5.18. Đƣờng cong phản lực nền theo tiêu chuẩn Hoek –Brown (pi=0)133
Hình 5.19. Chuyển vị theo các giai đoạn ..................................................... 134
Hình 5.20. Hệ số bền giữa hai tiêu chuẩn ................................................... 136


xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Giá trị  ,B cho một số loại đất đá ................................................ 35
Bảng 2.2. Giá trị M và m................................................................................ 35
Bảng 2.3. Giá trị f2 ......................................................................................... 36
Bảng 2.4. Kết quả tính toán ảnh hƣởng của góc dãn nở . ........................... 53
Bảng 3.1. Hệ số kSt tƣơng ứng với pi ............................................................. 73
Bảng 4.1. Tính chất cơ lý của đá:................................................................... 77
Bảng 4.2. Kết quả khảo sát số lƣợng phần tử phá hủy trên biên N ph (%) với
các hệ số áp lực hông khác nhau khi không có gia cố (chống đỡ),St 11, ri=2
(m), H=50 (m), p=0.0 (MPa).......................................................................... 81
Bảng 4.3. Kết quả khảo sát số lƣợng phần tử phá hủy trên biên N ph (%) với
các hệ số áp lực hông  khác nhau khi có gia cố (chống đỡ):St 6, ri=2 (m),
H=50 (m), p=0.62( MPa) ............................................................................... 83
Bảng 4.4. Kết quả khảo sát. ........................................................................... 96
Bảng 4.5. Kết quả tính toán chiều cao vùng dẻo (CBGH) và vùng phá hủy và
chiều cao khối đá sập tƣơng ứng .................................................................... 98

Bảng 4.6. Quan hệ giữa bán kính vùng phá hủy theo pi .............................. 101
Bảng 4.7. Quan hệ tải trọng pi (MPa) theo thời gian và chiều dày vỏ hầm...108
Bảng 5.1. Bảng giá trị tính toán các chỉ tiêu kháng cắt khe nứt .................. 112
Bảng 5.2. Bảng giá trị tính toán các chỉ tiêu cơ lý của khối đá phiến thạch anh
Biotit chiều sâu đặt hầm 100m theo tiêu chuẩn Hoek –Brown ................... 112
Bảng 5.3. Tính chất cơ lý của nền theo tiêu chuẩn Mohr - Coulomb .......... 113
Bảng 5.4. Giá trị các chuyển vị theo các giá trị phản lực pi ........................ 115


xiii

Bảng 5.5. Hệ số bền theo các giai đoạn ....................................................... 117
Bảng 5.6. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 5 ...... 118
Bảng 5.7. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 10 .... 118
Bảng 5.8. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 15 .... 119
Bảng 5.9. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 20 .... 119
Bảng 5.10. Bảng so sánh các thông số phân tích cuối cùng với các thời điểm
lắp dựng kết cấu vỏ hầm khác nhau: ............................................................ 119
Bảng 5.11. Bảng giá trị chuyển vị biên hầm theo các giai đoạn .................. 122
Bảng 5.12. Bảng quan hệ phản lực–biến dạng theo các giai đoạn .............. 124
Bảng 5.13. Hệ số bền theo các giai đoạn ..................................................... 124
Bảng 5.14. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 5 .... 125
Bảng 5.15. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 10 .. 126
Bảng 5.16. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 15 .. 126
Bảng 5.17. Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 20 .. 126
Bảng 5.18. Bảng so sánh các thông số phân tích cuối cùng với các thời điểm
lắp dựng kết cấu vỏ hầm khác nhau: ............................................................ 127
Bảng 5.19. Bảng so sánh tƣơng quan theo tiêu chuẩn Hoek Brown và MohrCoulomb ....................................................................................................... 129
Bảng 5.20. Số liệu tính theo tiêu chuẩn Mohr -Coulomb và Hoek – Brown129
Bảng 5.21. Giá trị phản lực với các giai đoạn tƣơng ứng ............................ 130

Bảng 5.22. Chuyển vị theo các giai đoạn..................................................... 131
Bảng 5.23. Tƣơng quan giữa chuyển vị và nội lực ...................................... 132


xiv

Bảng 5.24. Bảng các giá trị chuyển vị theo khoảng cách tính từ biên hầm tới
biên miền tính toán tính tại các Stage 2, 10 và Stage 20: ............................ 133
Bảng 5.25. Giá trị nội lực theo pi và chuyển vị u......................................... 134
Bảng 5.26. Hệ số bền theo các giai đoạn ..................................................... 135


1

MỞ ĐẦU
Công trình ngầm đƣợc xây dựng trong lòng đất chịu tác động của nhiều
yếu tố đa dạng và phức tạp. Việc tính toán kết cấu công trình ngầm cần phải
xem xét một cách cụ thể điều kiện địa chất, tính chất của đất đá, cấu tạo của
địa tầng; hình dạng, kích thƣớc và vật liệu vỏ hầm; cũng nhƣ phƣơng pháp thi
công và đặc điểm sử dụng công trình.
Lịch sử phát triển của xây dựng công trình ngầm cho thấy có rất nhiều
phƣơng pháp tính toán kết cấu công trình ngầm khác nhau. Trong đó, có
phƣơng pháp dựa trên những cơ sở lý luận chính xác, có phƣơng pháp gần
đúng dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kinh nghiệm thực tế.
Do tính chất làm việc phức tạp của công trình ngầm mà cho đến nay
vẫn chƣa có một lý thuyết nào giải quyết một cách triệt để và trọn vẹn bài
toán tổng quát thiết kế tính toán kết cấu công trình ngầm. Trong thực tế, tùy
từng điều kiện cụ thể mà có thể áp dụng một phƣơng pháp phù hợp nhất.
Vì điều kiện địa chất phức tạp, đa dạng, các biện pháp công nghệ thi
công công trình ngầm cũng rất khác nhau và các phƣơng pháp tính toán kết

cấu chống đỡ đƣờng hầm tùy thuộc vào công nghệ thi công.
Phƣơng pháp thiết kế truyền thống coi kết cấu gia cố là kết cấu tạm thời
trong quá trình thi công, chịu các tải trọng do phần đất đá long rời gây ra, nên
các kết cấu chống tạm này thƣờng tính toán làm việc độc lập với kết cấu vỏ
hầm vĩnh cửu và không tận dụng đƣợc nhiều sức mang tải của đất đá xung
quanh nên thƣờng có chiều dày lớn, kết cấu gia cố nặng nề, chi phí xây dựng
hầm lớn.


2

Từ khi có sự xuất hiện của NATM với các nguyên tắc thiết kế riêng,
ngƣời ta mới quan tâm nhiều hơn đến khả năng tự mang tải của khối đá trong
công tác thiết kế hầm. Việc mở ra hƣớng đi mới này đã dẫn đến bài toán
tƣơng tác hệ kết cấu vỏ hầm – đất đá để tận dụng khả năng chịu lực của đất đá
khi vƣợt quá giới hạn bền.
Phƣơng pháp CCM là một trong những hƣớng đi nhằm giải quyết bài
toán tính toán hệ kết cấu vỏ hầm – đất đá với nền đàn dẻo (có tính đến giai
đoạn ngoài đàn hồi của đất đá-trong vùng cân bằng giới hạn)-về bản chất là
phƣơng pháp tính toán và khống chế chuyển vị.
Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu các phƣơng pháp thiết kế hầm hiện có, phân tích các mô
hình thiết kế hầm.
Tiến hành nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp CCM, phát
triển và bổ sung các nghiên cứu vùng phá hủy theo nguyên tắc của CCM và
thực hiện các khảo sát số, từ đó rút ra các kết luận cụ thể về việc áp dụng
phƣơng pháp CCM trong công tác thiết kế hầm.
Khảo sát vùng cân bằng giới hạn với các biến dạng dẻo phi tuyến khi
xuất hiện vùng dẻo.
Phân tích, đánh giá ảnh hƣởng độ cứng của đất đá, chiều sâu đặt hầm

và hình dạng hầm.
Phân tích các thông số ảnh hƣởng đến khả năng làm việc của hầm nhƣ
ảnh hƣởng của công nghệ, yếu tố địa cơ học và thời gian trong phƣơng pháp
CCM.
Phƣơng pháp nghiên cứu


3

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về phƣơng pháp thiết kế hầm theo
CCM, xây dựng lời giải và thuật toán tính toán kết cấu chống đỡ (đƣờng cong
phản lực nền, đƣờng cong đặc tính của kết cấu chống). Thực hiện khảo sát số
ảnh hƣởng của một số yếu tố đến chế độ tƣơng tác vỏ hầm – đất đá theo
phƣơng pháp CCM.
Các bài toán khảo sát đƣợc thực hiện trên ngôn ngữ lập trình Matlab và
phần mềm Phase2.
Nội dung chính của luận án
Chƣơng 1: Tổng quan về các phƣơng pháp thiết kế hầm.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp CCM.
Chƣơng 3: Đƣờng cong đặc tính của kết cấu chống và lời giải cho vỏ
công trình ngầm
Chƣơng 4: Phân tích, đánh giá ảnh hƣởng các thông số trong xây dựng
hầm
Chƣơng 5: Áp dụng phƣơng pháp CCM với đƣờng hầm dẫn nƣớc thủy
điện Sử Pán 2 – Lào Cai
Kết luận và kiến nghị


4

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
THIẾT KẾ HẦM.
1.1.

Tổng quan về thiết kế hầm
So với các lĩnh vực xây dựng khác thì xây dựng công trình ngầm có

những đặc thù riêng biệt và có mối quan hệ mật thiết với môi trƣờng đất đá.
Việc xây dựng một dự án hầm phụ thuộc nhiều vào việc xử lý mối tƣơng tác
giữa đất đá và kết cấu chống đỡ đƣờng hầm. Việc thi công công trình ngầm
trong diện công tác chật hẹp và yêu cầu thông gió trong suốt quá trình thi
công đòi hỏi các công tác lập kế hoạch, thiết kế, thi công, an toàn lao động, ...
phải đƣợc nghiên cứu xem xét một cách thận trọng trong một tổng thể chung.
Chính vì vậy, quá trình xây dựng một dự án hầm đòi hỏi tất cả các công tác
đều gắn kết chặt chẽ với nhau và luôn đƣợc đối chiếu, bổ sung và sửa đổi khi
cần thiết.
Việc tính toán thiết kế kết cấu công trình ngầm cần phải xem xét một
cách cụ thể các điều kiện địa kỹ thuật: tính chất của đất đá, cấu tạo của địa
tầng;... hình dạng, kích thƣớc và vật liệu vỏ hầm; phƣơng pháp thi công và
đặc điểm sử dụng công trình.
Trong xây dựng công trình ngầm cho thấy có rất nhiều phƣơng pháp
tính toán kết cấu công trình ngầm khác nhau. Trong đó, có phƣơng pháp dựa
trên những cơ sở lý luận chính xác, có phƣơng pháp gần đúng dựa trên các kết
quả nghiên cứu thực nghiệm và kinh nghiệm thực tế và các phƣơng pháp hỗn
hợp, kết hợp các ý tƣởng của hai phƣơng pháp kể trên.
Do điều kiện địa chất phức tạp, đa dạng, các biện pháp công nghệ thi
công công trình ngầm cũng rất khác nhau nên có nhiều phƣơng pháp tính toán
kết cấu chống đỡ đƣờng hầm khác nhau tùy thuộc vào công nghệ thi công.

5

Bỏ qua những giới thiệu khác đã đƣợc giới thiệu trong nhiều tài liệu
khác nhau, ở đây trình bày một phƣơng pháp thiết kế hầm tƣơng đối tổng quát
theo quan điểm của Hiệp hội Hầm và không gian ngầm quốc tế (ITA)[38]:
Theo quan điểm của ITA, thì xây dựng hầm, khác với xây dựng các
công trình trên mặt đất, quá trình thiết kế phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác
nhau nhƣ là các tham số của đất nền, phƣơng pháp đào hầm và loại cũng nhƣ
phƣơng pháp thi công lắp dựng kết cấu gia cố-chống đỡ (vỏ) hầm.
Các số liệu chung trong thiết kế hầm có thể tóm tắt nhƣ sau: điều kiện
địa chất hiện trƣờng, các yếu tố địa kỹ thuật, công nghệ và thiết bị đào hầm,
thiết kế kết cấu chống đỡ kể cả yếu tố dài hạn, các nguyên tắc đấu thầu và
luật.
1.1.1. Các mô hình thiết kế cho hầm
Trong thiết kế, việc phân tích kết cấu nhằm đảm bảo cho kết cấu có đủ
khả năng làm việc mà không bị phá hủy trong thời gian dự án. Vì thế, việc
xây dựng mô hình là cần thiết để phân tích để dự báo hầm trong cả quá trình
thi công và khai thác. Các yếu tố chính của bài toán thiết kế hầm đƣợc minh
hoạ trong hình 1.1 [34],[38], [39], bao gồm:
(1)

Khảo sát địa chất và khảo sát hiện trƣờng để xác định tuyến,

hƣớng, chiều sâu, v.v của hầm đào.
(2)

Thí nghiệm đất đá để xác định các đặc trƣng của đất đá: ứng suất

ban đầu, độ bền của đá hay đất, đứt gãy, trạng thái của nƣớc…v.v.. phục vụ
cho việc xây dựng mô hình thiết kế.

(3)

Sử dụng kinh nghiệm và tính toán, đánh giá sơ bộ để xác định

mặt cắt ngang yêu cầu, chọn phƣơng pháp đào và máy đào hầm, cững nhƣ
điều kiện nƣớc dƣới đất và lựa chọn các kết cấu gia cố hợp lý.


6

(4)

Sau khi các bƣớc (1)–(3) đƣợc hoàn thành, lựa chọn mô hình

thiết kế.
Áp dụng các điều kiện cân bằng và các tiêu chuẩn thiết kế để xem xét
đánh giá: thiết kế có an toàn hay không.
Địa chất

Địa kỹ thuật

Kinh nghiệm
và đánh giá

Khảo sát hiện trƣờng
Mặt bằng & Trắc dọc

Các đặc trƣng của nền:
Ứng suất, biến dạng, độ
bền, nƣớc, tính nứt nẻ,…

Phƣơng pháp đào hầm;
Kết cấu vỏ;
Phân tích tĩnh
hệ thống

Mô hình
cơ học
An toàn
Các giả thiết phá hủy

Tiêu chuẩn thiết kế
(Criteria)

Không

Có
Rủi ro

Phƣơng diện mời thầu
Đào hầm

Đo đạc hiện trƣờng

Đo hiện trƣờng:
Biến dạng dừng?

Có
Trạng thái an toàn
cần thiết

Không
g
“An toàn”

Hình 1.1. Quá trình thiết kế hầm theo ITA [38]


7

Các mô hình khác nhau có thể đƣợc sử dụng cho mỗi thời kì đào hầm
(các giai đoạn) với lớp vỏ hầm sơ bộ (vỏ chống tạm trong công nghệ truyền
thống) và vỏ cuối cùng, và các mô hình phản lực của đất đá ….
Việc thiết kế có thể đƣợc bắt đầu bằng đánh giá và áp dụng các mô
hình đơn giản. Sau đó, các mô hình này sẽ đƣợc điều chỉnh dựa trên các kinh
nghiệm thực tế thu đƣợc trong quá trình thi công và cuối cùng đƣa ra mô hình
xác thực và phù hợp.
Tất cả các yếu tố của mô hình thiết kế cần đƣợc xem xét trong mối
tƣơng quan tổng thể, thống nhất.
Mức độ đơn giản hoá hay sự chuyển đổi mô hình tính cần phù hợp với
với tất các các yếu tố của mô hình thiết kế. Ví dụ, sẽ là không nhất quán để áp
dụng các công cụ toán học với độ chính xác rất cao cùng với với sự phỏng
đoán một cách thô sơ xác định các đặc trƣng cơ lý quan trọng của đất đá.
1.1.2. Giới hạn thiết kế và giá trị an toàn cho kết cấu
Khái niệm về giới hạn thiết kế là yêu cầu cho toàn bộ các phƣơng pháp
và công nghệ thi công và đây là cơ sở (tiêu chuẩn) thiết kế hầm. Một kết cấu
công trình ngầm có thể không đảm bảo an toàn trong các trƣờng hợp dƣới
đây:
+ Kết cấu mất khả năng chống thấm.
+ Các biến dạng phát triển đạt giá trị lớn.
+ Hầm không đủ bền.

+ Vật liệu của các phần tử kết cấu bị hỏng cục bộ hay mất độ bền.
+ Kết cấu chống đỡ không hợp lý hoặc gây ra hƣ hỏng.
+ Vật liệu bị mỏi.


8

+ Hầm bị sập do thiếu ổn định.
Mô hình thiết kế kết cấu cần có các tiêu chuẩn liên quan tới phá hủy,
bao gồm:
+ Biến dạng và chuyển vị.
+ Ứng suất.
+ Mặt cắt ngang vỏ bị hỏng.
+ Độ bền của đất đá.
+ Các phân tích bài toán theo các mô hình phá huỷ.
Về nguyên tắc, các dự trữ an toàn (hệ số an toàn) có thể đƣợc lựa chọn
khác nhau cho từng trƣờng hợp phá hủy đã đƣợc liệt kê ở trên. Tuy nhiên, các
giá trị thực của hệ số an toàn thực tế là rất phức tạp và chịu nhiều ảnh hƣởng
bởi sự đa dạng về các đặc trƣng của đất đá - kết cấu vỏ hầm và các tƣơng tác
của chúng. Vì vậy, các kết quả tính toán nên chú ý tới sự liên quan tƣơng ứng
với các tiêu chuẩn phù hợp trong điều kiện cụ thể.
1.2.

Cách phân loại truyền thống
Có thể liệt kê một số cách phân loại nhƣ sau:
(1) Tính toán vỏ hầm theo các phƣơng pháp tách kết cấu ra khỏi môi

trƣờng đất đá.
(2) Tính toán kết cấu cùng làm việc với môi trƣờng đất đá.
1.2.1. Trên cơ sở lý thuyết sức bền vật liệu



Mô hình nền biến dạng cục bộ