24Mr-Ngoc-QLKT1

SỐ ĐẶC BIỆT CHÀO MỪNG TEDI ĐÓN NHẬN DANH HIỆU ANH HÙNG LAO ĐỘNG GIỚI THIỆU CHƢƠNG TRÌNH PHẦN MỀM FIDES-WINTUBE ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH 3D TÍNH TỐN THIẾT KẾ HẦM GIAO THƠNG ThS NGUYỄN TUẤN NGỌC Tổng Cơng ty Tư vấn thiết kế GTVT Lời nói đầu: Hầm đường xây dựng nhằm mục đích giúp xe cộ lưu thông vượt qua chướng ngại vật núi đá (hầm Hải Vân, hầm Đèo Ngang), qua sơng (hầm Thủ Thiêm – thành phố Hồ Chí Minh) áp dụng nút giao thông khác mức (hầm chui Kim Liên – thành phố Hà Nội) Quá trình thiết kế hầm giao thơng địi hỏi phải thực lượng lớn tính tốn ứng suất, biến dạng môi trường đất đá xung quanh hầm nội lực kết cấu chống đỡ Sự phát triển cơng nghệ tin học thời gian qua nói chung việc ứng dụng chương trình phần mềm chun dụng tính tốn thiết kế hầm nói riêng góp phần tăng suất lao động, giảm thời gian, tăng độ xác tính tốn, nâng cao chất lượng đồ án thiết kế hầm Có thể kể tên số phần mềm chuyên dụng Phase2, RS3 hãng Rocscience, Plaxis hãng Plaxis, Midas/GST MidasIT, phần mềm FLAC3D, UDEC hãng Itasca… Bài viết cung cấp thơng tin giới thiệu chương trình phần mềm Wintube hãng FIDES DVPARTNER trình bày số cần thiết tính tốn khơng gian 3D tính toán thiết kế hầm ngầm Wintube phần mềm chuyên dụng để lập mơ hình tiền xử lý (Pre-Processor) bao gồm xây dựng dạng hình học hầm, mơ tả vật liệu đất đá xung quanh hầm, thiết bị neo, bê tông vỏ hầm, dạng tải trọng Dữ liệu thu từ Wintube giải thể kết tính tốn chương trình Sofistik (đối tác hãng FIDES DV-PARTNER chương trình tính tốn kết cấu mạnh ứng dụng nhiều tính tốn cơng trình cầu) Trong phần mềm khác bao gồm phận tiền xử lý (Pre-Processor), giải (Solver), hiển thị kết tính tốn (Post-Processor) việc tập chung vào mảng tiền xử lý giúp Wintube cơng cụ mạnh để lập mơ hình tiền xử lý chuyên dụng cho hầm GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHƢƠNG TRÌNH PHẦN MỀM WINTUBE Phần mềm Wintube Hãng FIDES DV-PARTNER (trụ sở Đức) phần mềm chun dụng để lập mơ hình tính tốn hầm Mơ hình chia lưới phần tử, khai báo vật liệu, tải trọng xây dựng Wintube sau tính tốn (Solver) hiển thị kết chương trình Sofistik (đối tác FIDES DV-PARTNER) Chương trình phần mềm Wintube từ đầu nghiên cứu, phát triển thành công cụ chuyên dụng để mô cơng trình hầm Phần mềm bao gồm wizard hỗ trợ người dùng việc khai báo số liệu hình học, đặc tính vật liệu, tải trọng, trạng thái bước thi công Các file liệu xây dựng từ Wintube xuất dạng ASCII (text) chỉnh 96 Th«ng tin sửa dễ dàng cần thiết trước tính tốn giải Sofistik Wintube cho phép xuất báo cáo tính tốn tự động để dễ dàng kiểm sốt số liệu tính tốn 1.1 Chức giao tiếp ngƣời dùng (User Interface): Chương trình Wintube lập trình có chức hỗ trợ người sử dụng thơng qua giao diện đồ họa Nếu so với phần mềm FLAC3D hãng Itasca, người dùng phải thuộc viết dịng lệnh (codes) Wintube hỗ trợ người dùng nhập liệu thông qua giao diện đồ họa Điều hữu ích với người dùng trở thành yêu cầu phần mềm thiết kế tính tốn Bên cạnh đó, Wintube cho phép người dùng tùy chỉnh đối tượng cần hiển thị, đặt tên đối tượng, nhóm đối tượng Q 1.2014 cách thơng minh… Mơ hình hình học xây dựng thông qua đối tượng điểm, đường thẳng, đường cong Tập hợp đường 2D tạo thành mặt phẳng chương trình có khả tự động nhận biết mặt phẳng trước tự động hóa chia lưới phần tử tứ giác Quadmesh (2D) phần tử khối BRIC (3D) Trong q trình xây dựng mơ hình hình học, khối thể tích kết cấu tự động giao cắt nhau, tránh tình trạng vị trí khơng gian lại xuất hai nút phần tử khác Ngồi ra, để tăng tốc độ nhập liệu hình học, chương trình cho phép nhập liệu từ file DXF (Autocad) Điều hữu ích vẽ thiết kế hầm giao thông thường thực phần mềm Autocad ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ Giai đoạn đầu, chưa thi công đào hầm Giai đoạn 01, thi công đào phần hầm trái Giai đoạn 02, thi công lớp bê tông chống đỡ Giai đoạn 03, tiếp tục đào phần hầm bên trái Giai đoạn 04 thi công lớp bê tông chống đỡ Hầm trái hồn thành thi cơng hầm bên phải Hồn thành công tác đào đất thi công vỏ hầm hai hầm Wintube cho phép nhanh chóng xây dựng mơ hình tính 3D từ mơ hình tính 2D Hình Tính xây dựng mơ hình tính tốn hầm theo bước thi cơng Ngồi ra, phần mềm Wintube cung cấp nhiều wizard hỗ trợ nhập liệu số liệu hình học mặt cắt hầm, bước thi cơng, tải trọng… giúp nhanh chóng thực tính tốn sơ Chương trình phần mềm thiết kế hầm Wintube cho phép xây dựng mơ hình hầm có bước thi cơng đào hầm phức tạp Ví dụ mơ tả q trình thi cơng đào hai hầm xong xong nhau, hầm bao gồm nhiều bước thi công khác Việc hoạch định bước thi công đào hầm, lắp đặt hệ thống chống đỡ cần đặc biệt lưu ý sau bước thi công, ứng suất môi trường đất đá xung quanh hầm thay đổi, phân bố lại 1.3 Chức hiển thị kết kèm theo nội lực kết cấu tính tốn, tạo báo cáo chống đỡ tích lũy lại (Report): 1.2 Các mơ hình vật liệu đất Sau tính tốn xong nền: giải Sofistik, người dùng Bên cạnh loại vật liệu bê sử dụng ln mơ tơng, thép, chương trình đun hiển thị kết Wintube cho phép khai báo tạo báo cáo nhanh mô hình vật liệu đất chương trình Chức khác bao gồm mơ hình tạo báo cáo nhanh cho phép Mohr-Columb, Druc, Gran, xuất file kết dạng Rock, Mise/Drucker-Prager pdf bao gồm thông số đầu Mỗi loại mơ hình vật liệu tương vào, bước thi cơng, tải thích với loại vật liệu đất trọng tính tốn bước đá khác yêu cầu thi công ứng suất, tham số đầu vào riêng chuyển vị mơi trường đất Đồng thời, chương trình cho đá, nội lực (mơ men, lực cắt, phép mơ tả tính chất dòng lực dọc) kết cấu chống thấm vật liệu đất theo mơ đỡ hình Darcy truyền nhiệt theo mơ hình Fourier Q 1.2014 Th«ng tin 97 SỐ ĐẶC BIỆT CHÀO MỪNG TEDI ĐÓN NHẬN DANH HIỆU ANH HÙNG LAO ĐỘNG Hình Biểu đồ mơ men nội lực lớp vỏ hầm chịu lực 1.4 Phạm vi Áp dụng chƣơng trình Wintube: Chương trình Wintube thích hợp để mơ cơng trình hầm thi cơng theo phương pháp đào, đắp; hầm đào đất đá có sử dụng bê tơng phun, hầm thi cơng thiết bị TBM Đặc biệt, tính mơ 3D cho phép tính tốn khối đặc biệt vị trí hầm rẽ nhánh, vị trí hầm mở rộng Hình Mơ hình tính tốn thi cơng hầm thiết bị TBM phần mềm Wintube SỰ CẦN THIẾT ÁP DỤNG PHÂN TÍCH KHƠNG GIAN 3D (3D analysis) TRONG TÍNH TỐN THIẾT KẾ HẦM Thơng thường, kích thước chiều dài hầm lớn nhiều so với kích thước mặt cắt ngang hầm Vì vậy, việc phân tích tính tốn hầm theo tốn phẳng (2D) thường xem xét Điều có số lợi ích thời gian thiết lập mơ hình tính tốn nhanh, cần tập trung vào bước thi công đào, lắp dựng hệ chống đỡ vị trí mắt cắt hầm xét Số lượng phần tử (elements) ít, thời gian thực tính tốn giảm nhiều Khi có thay đổi vị trí mặt cắt hầm xét, khơng phải thực tính tốn (analysis) mặt cắt khác Đó lợi ích sử dụng phần mềm tính tốn phẳng 2D phần mềm Phase2 hãng Rocscience tính tốn thiết kế hầm Tuy nhiên, việc sử dụng cơng cụ tính tốn 2D để thực tính tốn thiết kế hầm gặp số khó khăn định Bài viết trình bày số hạn chế phương pháp tính tốn hội tụ Convergence Confinement Method (CCM) phương pháp bản, thường sử dụng dùng công cụ phần mềm 2D giải toán thiết kế hầm ngầm [1] Phương pháp tính tốn hội tụ CCM phát triển mạnh năm 1960, thân thuật ngữ CCM đề cập đến từ trước Phương pháp tính tốn hội tụ CCM yêu cầu cần ba thành phần biểu đồ chuyển vị dọc hầm - Longitudinal Deformation Profile (LDP), biểu đồ phản ứng đất - Ground Reaction Curve (GRC) biểu đồ đặc trưng kết cấu chống đỡ - Support Characteristic Curve (SCC) Q trình thi cơng đào hầm khiến môi trường đất đá xung quanh hầm thay đổi trạng thái ứng suất biến dạng Môi trường đất đá xung quanh hầm chuyển trạng thái làm việc đàn hồi sang trạng thái đàn dẻo Khi khảo sát hầm có tiết diện trịn chịu áp lực đều, chuyển vị bắt đầu xuất vị trí phía trước cách mặt đào khoảng hai lần đường kính hầm đạt giá trị cực đại vị trí phía sau cách mặt đào khoảng hai lần đường kính (Hình 4) Hình Phạm vi chuyển trạng thái dẻo chuyển vị khối đá thi công đào hầm Vlachopoulos Diederichs xây dựng loạt biểu đồ mối quan hệ chuyển vị hầm phụ thuộc theo vị trí điểm xét bán kính vùng đá chảy dẻo (biểu đồ LDP) 98 Th«ng tin Q 1.2014 ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ Hình 5a Biểu đồ LDP theo Vlachopoulos Diederichs [2] Hình 5b Biểu đồ phản ứng đất GRC Biểu đồ GRC xây dựng dựa tính tốn phân tích chuyển vị môi trường đất cho tham số áp lực chống đỡ suy giảm liên tục Cần lưu ý áp lực chống đỡ suy giảm ứng suất đất phân bố lại, đất chuyển từ trạng thái làm việc đàn hồi sang đàn dẻo, tương ứng với đoạn thẳng đoạn cong biểu đồ Hình 5c Biểu đồ đặc trưng kết cấu chống đỡ SCC Biểu đồ đặc trưng kết cấu chống đỡ SCC xây dựng phụ thuộc vào độ cứng loại hình kết cấu chống đỡ Các loại kết cấu chống đỡ phổ biến bao gồm vỏ hầm bê tông, bê tông phun, neo, khung thép chống Biểu đồ thường bao gồm đoạn thẳng ứng với trạng thái làm việc đàn hồi đoạn thẳng nằm ngang tương ứng với giới hạn chảy kết cấu chống đỡ Việc lựa chọn thời điểm đưa kết cấu chống đỡ vào chịu lực lựa chọn độ cứng kết cấu chống đỡ cần đảm bảo hợp lý Một nguyên tắc phương pháp NATM kết cấu chống đỡ cần lựa chọn cho không cứng, không mềm, thời điểm đưa kết cấu chống đỡ vào khơng q sớm khơng q muộn Điều cho phép phát huy khả chịu lực môi trường đất đá xung quanh hầm tối ưu kết cấu chống đỡ đưa vào Mối quan hệ biểu đồ LDP, GRC SCC trình bày hình - Áp lực địa tầng có dạng thủy tĩnh (uniform or hydrostatic) - Hầm có dạng tiết diện trịn, bán kính R Hình Sự thay đổi ứng suất môi trường đất đá quanh hầm theo ứng suất địa tầng Hình Mối quan hệ biểu đồ LDP, GRC SCC Như vậy, sử dụng cơng cụ phân tích 2D để phân tích tính tốn cho cơng trình hầm ngầm cần số liệu ba dạng biểu đồ trình bày Phương pháp tính tốn hội tụ CCM công nhận sử dụng rộng rãi, nhiên, phương pháp xây dựng dựa hai giả thiết quan trọng sau [1], [3]: Quý 1.2014 Trong trường hợp áp lực địa tầng có giá trị phụ thuộc theo hướng thẳng đứng nằm ngang, nghiên cứu Carranza-Torres Fairhurst giới hạn klim việc áp dụng phương pháp tính tốn hội tụ CCM Với kklim, phạm vi đất đá chuyển sang trạng thái đàn dẻo có dạng cánh bướm Trong Th«ng tin 99 SỐ ĐẶC BIỆT CHÀO MỪNG TEDI ĐÓN NHẬN DANH HIỆU ANH HÙNG LAO ĐỘNG trường hợp này, CarranzaTorres Fairhurst khuyến nghị áp dụng phương pháp số khác để tính tốn Cũng theo Carranza-Torres Fairhurst, tiết diện hầm có dạng khơng phải hình trịn (trường hợp phổ biến với hầm giao thơng), việc áp dụng phương pháp tính tốn hội tụ CCM thực dựa việc quy đổi tương đường hầm hình trịn có bán kính R trung bình cộng kích thước lớn kích thước nhỏ hầm Như vậy, thấy việc áp dụng chương trình tính tốn phẳng 2D phân tích, thiết kế hầm theo CCM phù hợp khuyến nghị sử dụng rộng rãi việc hoạch định thiết kế ban đầu Trong trường hợp đòi hỏi chi tiết hơn, giả thiết phương pháp tính tốn hội tụ CCM khơng cịn đảm bảo, việc tính tốn theo khơng gian 3D cần thực để có lời giải xác, phù hợp Trong thực tế nghiên cứu Carranza-Torres Fairhurst, tính tốn khơng gian 3D thực phần mềm FLAC3D 3DEC hãng Itasca để so sánh Đây phần mềm tính tốn nghiên cứu, thiết kế hầm mạnh, nhiên có nhược điểm người dùng cần viết câu lệnh (codes) để thực tính tốn Vì vậy, việc xây dựng mơ hình địi hỏi nhiều thời gian, cơng sức Việc sử dụng phần mềm tính tốn 3D có ý nghĩa đoạn cơng trình hầm phức tạp hầm rẽ nhánh, hầm mở rộng lớn mềm 2D tính tốn cơng trình hầm ngầm, qua làm rõ trường hợp cần phải sử dụng phần mềm có khả tính tốn khơng gian 3D để kiểm chứng lại kết phân tích 2D [3] Nicholas Vlachopoulos, Mark S Diederichs khuyến nghị việc phân tích 3D trường hợp cần phân tích chi tiết Bên cạnh Wintube, giới phổ biến phần mềm tính tốn 3D mạnh phục vụ thiết kế hầm RS3 Rocscience, FLAC3D, 3DEC Itasca, Plaxis3D hãng Plaxis, Midas/GTS hãng MidasIT… Sản phẩm hãng phát triển phần mềm có tính tương đồng nhau, đáp ứng u cầu tính tốn thiết kế Tuy nhiên, sản phẩm có đặc thù riêng với chương trình phần mềm FLAC3D người Hình Tính tốn đoạn hầm rẽ dùng phải nhập số liệu thông nhánh chương trình qua câu lệnh, chương trình FLAC3D RS3 có giao diện thân thiện KẾT LUẬN chạy mơi trường Bài viết trình bày giới thiệu Window 64 để tận dụng thông tin phần mềm nhớ đệm RAM lớn… Việc Wintube hãng FIDES DV- lựa chọn đầu tư mua phần PARTNER Đây phần mềm mềm thích hợp góp phần chun dụng nhằm mơ hình nâng cao chất lượng đồ án hóa hầm ngầm trước đưa thiết kế hầm giao thông vào giải Sofistik Bài viết trình bày ưu nhược điểm sử dụng phần TÀI LIỆU THAM KHẢO Application of the Convergence-Confinement Method of Tunnel Design to Rock Masses That Satisfy the Hoek-Brown Failure Criterion, C Carranza-Torres and C Fairhurst, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol 15, No 2, pp 187-213, 2000 Improved Longitudinal Displacement Profiles for Convergence Confinement Analysis of Deep Tunnels, N Vlachopoulos, M S Diederichs, Rock Mech Rock Eng (2009) 42: 131–146 Appropriate Uses and Practical Limitations of 2D Numerical Analysis of Tunnels and Tunnel Support Response, Nicholas Vlachopoulos, Mark S Diederichs, Geotech Geol Eng, DOI 10.1007/s10706-0149727-x 100 Th«ng tin Quý 1.2014