Nghiên cứu rung động và biện pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm

Nghiên cứu rung động và biện pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS VŨ ĐÌNH LỢI

HÀ NỘI - NĂM 2013

i

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với GS.TS Vũ Đình Lợi đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị giúp tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu này Tác giả luôn trân trọng sự động viên, khuyến khích và những kiến thức chuyên môn mà Giáo sư đã chia

sẻ cho tác giả trong nhiều năm qua, giúp tác giả nâng cao năng lực khoa học

và củng cố lòng yêu nghề

Tác giả trân trọng cảm ơn Bộ môn Công trình quốc phòng, Viện Kỹ thuật công trình đặc biệt, Phòng Sau đại học – Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện giúp đỡ và hợp tác trong quá trình nghiên cứu

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải III

đã tạo điều kiện, hỗ trợ về vật chất, tinh thần và thời gian trong suốt quá trình nghiên cứu của tác giả

Cuối cùng tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia đình đã cảm thông, động viên và chia sẻ những khó khăn với tác giả trong suốt thời gian làm luận án./

Tác giả Nguyễn Quang Dũng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Quang Dũng, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả Nguyễn Quang Dũng

iii

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Lời cam đoan ii

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt vi

Danh mục các bảng biểu ix

Danh mục hình vẽ, đồ thị x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Khái niệm cường độ rung động 6

1.2 Cơ chế gây rung động và ảnh hưởng của rung động do khai thác hệ thống tàu điện ngầm 7

1.2.1 Cơ chế gây rung động do khai thác hệ thống tàu điện ngầm 7

1.2.2 Phản ứng của con người với rung động và giới hạn rung 9

1.2.3 Ảnh hưởng rung động đến công trình xây dựng 12

1.3 Tổng quan các phương pháp dự báo rung động và mô tả tải trọng động đoàn tàu 13

1.4 Tổng quan các phương pháp giảm rung động 19

1.5 Các kết quả đạt được của các công trình nghiên cứu đã công bố 22

1.6 Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 24

1.7 Các kết luận rút ra từ tổng quan 24

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THAM SỐ ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT 26

2.1 Các tham số động nền đất và tổng quan các phương pháp xác định 26

2.2 Phương pháp xác định tham số động của nền đất theo công thức thực nghiệm 30

2.2.1 Xác định vận tốc sóng cắt từ thí nghiệm SPT [66] 30

2.2.2 Xác định vận tốc sóng cắt từ thí nghiệm CPT [66] 31

iv

2.2.3 Xác định tỷ số cản theo công thức thực nghiệm 34

2.3 Thử nghiệm số xác định các tham số động nền đất tuyến metro số 6 - TpHCM 35

2.4 Kết luận chương 2 41

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT DO KHAI THÁC HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM 43

3.1 Đặt bài toán và các giả thiết tính toán 43

3.2 Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn phân tích bài toán tương tác giữa kết cấu và nền biến dạng chịu tải trọng động 44

3.3 Nghiên cứu rung động bằng phần mềm xác định tải trọng động tàu điện ngầm (DLT) và gói phần mềm PLAXIS 47

3.3.1 Phân tích lựa chọn mô hình nền áp dụng cho nền đất TPHCM 49

3.3.2 Nghiên cứu mô phỏng tải trọng động và xây dựng phần mềm xác định tải trọng động của đoàn tàu lưu thông trong hầm (DLT) 52

3.3.3 Xác định tần số dao động riêng của nền nhiều lớp bằng Plaxis 60

3.3.3.1 Xác định tần số dao động riêng của nền đất tuyến metro số 6 63

3.3.3.2 Ảnh hưởng sự phân bố các lớp đất và sức cản của nền 65

3.4 Dự báo rung động của nền do khai thác tàu điện ngầm TpHCM 68

3.4.1 Xác định sơ đồ bố trí tải trọng động và kích thước mô hình 70

3.4.2 Cường độ rung động theo phương ngang hầm tại Km0+940 và Km 6+700 trên tuyến metro số 6 – TpHCM 73

3.5 Thử nghiệm số khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố của hầm, nền đến rung động trong nền 75

3.5.1 Ảnh hưởng của khuyết tật mặt tiếp xúc bánh xe-ray đến rung động nền 75

3.5.2 Ảnh hưởng của tốc độ chạy tàu đến rung động nền 76

3.5.3 Ảnh hưởng loại hầm đến rung động nền 76

3.5.4 Ảnh hưởng độ dày vỏ hầm đến rung động nền 77

v

3.5.5 Ảnh hưởng của lớp đất yếu đến rung động nền 78

3.6 Kết luận chương 3 80

3.6.1 Những kết quả chính đạt được 80

3.6.2 Những kiến nghị về mặt kỹ thuật 81

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP GIẢM RUNG ĐỘNG TRONG NỀN DO KHAI THÁC HỆ THỐNG XE ĐIỆN NGẦM 83

4.1 Đặt vấn đề 83

4.2 Vật liệu đàn hồi giảm rung động 85

4.3 Mô hình bài toán và trình tự tính toán hiệu quả giảm rung 87

4.4 Đánh giá hiệu quả giảm rung động bằng đệm đàn hồi Sylomer đặt vĩnh cửu trong đường hầm 94

4.4.1 Phương án bố trí 1 lớp đệm đàn hồi Sylomer 95

4.4.1.1 Bố trí tấm Sylomer tại đáy ray 95

4.4.1.2 Bố trí 1 lớp Sylomer trong sàn hầm 97

4.4.2 Phương án bố trí 2 lớp Sylomer trong sàn hầm 102

4.5 Khảo sát ảnh hưởng một số yếu tố đến hiệu quả giảm rung của đệm đàn hồi Sylomer 109

4.5.1 Ảnh hưởng của chiều dày lớp đệm đàn hồi Sylomer 109

4.5.2 Ảnh hưởng của chiều rộng lớp đệm đàn hồi Sylomer 110

4.5.3 Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi lớp đệm Sylomer 111

4.5.4 Ảnh hưởng của lớp đất yếu 112

4.6 Kết luận chương 4 114

4.6.1 Những kết quả chính đạt được 114

4.6.2 Những kiến nghị về mặt kỹ thuật 114

KẾT LUẬN CHUNG 116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

fSP Tần suất lấy mẫu,

F(t) Hàm tải trọng động của đoàn tàu theo thời gian,

qc Sức kháng mũi trong thí nghiệm CPT,

t1, t2 Thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc tính toán VRMS,

U, UX, UY Chuyển vị, chuyển vị theo phương x và y,

, Véc tơ chuyển vị nút của phần tử, véc tơ chuyển vị nút của hệ,

vn Vận tốc dao động tại thời điểm n,

vmax Vận tốc dao động lớn nhất,

vmax Hiệu quả giảm giá trị vận tốc rung lớn nhất,

vP Vận tốc truyền sóng nén,

vii

vS Vận tốc truyền sóng cắt,

v, vx, vy Vận tốc dao động, vận tốc dao động theo phương x và y,

vref Vận tốc dao động tham chiếu,

vRMS Vận tốc dao động căn quân phương,

V Vận tốc khai thác chạy tàu,

1.2 Các ký hiệu bằng chữ Hy Lạp

, Các tham số trong tích phân Newmark,

R, R Các hằng số cản Rayleigh,

S Độ dày đệm đàn hồi trong trường hợp bố trí 1 lớp,

S1 Độ dày đệm đàn hồi lớp trên trong trường hợp bố trí 2 lớp,

S2 Độ dày đệm đàn hồi lớp dưới trong trường hợp bố trí 2 lớp,

t Bước thời gian tích phân,

L Hiệu quả giảm rung,

Hiệu quả giảm rung trung bình, (z) Hàm số phân bố tải trọng P=1 tại tọa độ z,

DFN Phương pháp mạng rời rạc đứt gãy

DLT2013 Phần mềm tính toán tải trọng động của đoàn tàu tác dụng xuống

vỏ hầm,

viii FEM Phương pháp phần tử hửu hạn,

FDM Phương pháp sai phân hữu hạn,

GPMB Giải phóng mặt bằng,

PPV Vận tốc dao động đỉnh,

PTHH Phần tử hữu hạn,

RMS Căn quân phương,

SPT Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn,

Sylomer Tên vật liệu đàn hồi tiêu chuẩn của hãng Getzner,

SR Ký hiệu của loại Sylomer tiêu chuẩn của hãng Getzner, SDOF Hệ một bậc tự do,

TpHCM Thành phố Hồ Chí Minh,

VdB Đơn vị của cường độ rung hay decibel rung động,

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Mô tả phản ứng của người với rung động [43] 9

Bảng 1.2 Cường độ rung cao nhất cho phép trong nhà [43] 10

Bảng 1.3 Cường độ rung tối đa và trung bình cho phép [75], [76], [77] 11

Bảng 1.4 Rung động giới hạn đối với kết cấu công trình xây dựng [43] 12

Bảng 2.1 Quan hệ của vS và SPT (N*60) cho đất cát theo Andrus (2003) [66] 30

Bảng 2.2 Bảng tra ASF cho thí nghiệm SPT theo Andrus (2003) [66] 31

Bảng 2.3 Quan hệ của vS và CPT (qc -kPa) theo Andrus (2003) [47] 32

Bảng 2.4 Bảng tra ASF cho thí nghiệm CPT theo Andrus (2003) [66] 32

Bảng 2.5 Phương trình xác định vS cho các lớp đất theo độ sâu tuyến metro 6 39

Bảng 2.6 Kết quả xác định tốc độ sóng cắt và tỷ số cản tại Km0+940 40

Bảng 2.7 Kết quả xác định tốc độ sóng cắt và tỷ số cản tại Km6+700 40

Bảng 3.1 Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất của tuyến metro số 6 – TpHCM [2] 69

Bảng 3.2: Kích thước hình học và các chỉ tiêu vật liệu của hầm tuyến metro số 6 70

Bảng 4.1 So sánh ba loại sản phẩm giảm rung của hãng Getzner [45] 86

Bảng 4.2 Quan hệ giữa hệ số mất mát và tần số kích thích của tải trọng [45] 86

Bảng 4.3 Trị số ứng suất giới hạn của các loại Sylomer [45], [46] 87

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình M.1 Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị Hà Nội 2

Hình M.2 Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị TpHCM 3

Hình 1.1 Sơ đồ phát sinh và lan truyền rung động từ tàu điện ngầm [43] 7

Hình 1.2 Sơ đồ khối quá trình truyền dẫn rung động [64] 8

Hình 1.3 Phân loại các phương pháp dự báo rung động 13

Hình 1.4 Giao diện chính của phần mềm PiP version 4.01 17

Hình 1.5 Các giải pháp sử dụng đệm đàn hồi trong sàn hầm [60] 20

Hình 2.1 Các phương pháp xác định tham số động nền đất [69] 27

Hình 2.2 Miền và phạm vi áp dụng các thí nghiệm động [52] 28

Hình 2.3 Quan hệ giữa tỷ số cản của cát (PI=0%) và 35

Hình 2.4 Quan hệ giữa tỷ số cản của sét (PI=35%) và 35

Hình 2.5 Kết quả tính toán tốc độ truyền sóng cắt từ thí nghiệm CPT cho điểm xuyên HX02 tuyến metro số 6 38

Hình 2.6 Kết quả tính toán tốc độ truyền sóng cắt từ thí nghiệm CPT cho điểm xuyên HX08 tuyến metro số 6 38

Hình 3.1 Mô hình bài toán khi hệ chịu tác dụng tải trọng động tàu điện ngầm 43

Hình 3.2 Sơ đồ khối giải bài toán dự báo rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm bằng gói phần mềm Plaxis 48

Hình 3.3 Các tham số của mô hình Mohr-Coulomb trong Plaxis [26] 51

Hình 3.4 Các tham số của mô hình Cam-Clay cải biên trong Plaxis [26] 51

Hình 3.5 Sơ đồ tải trọng của 1 trục xe tác dụng lên ray theo Bernoulli-Euler 54 Hình 3.6 Đồ thị hàm (z) của 1 trục xe P=1 54

Hình 3.7 Sơ đồ tải trọng trục đoàn tàu và kích thước toa xe 55

Hình 3.8 Giao diện mô đun chính của chương trình DLT 58

Hình 3.9 Sơ đồ khối tổ chức chương trình DLT 58

Hình 3.10 Một đoạn code chương trình trong Labview cho mô đun 01 59

Hình 3.11 Giao diện nhập liệu cho mô đun 01 – Không bố trí đệm đàn hồi 60

Hình 3.12 Giao diện kết quả cho mô đun 01 – Không bố trí đệm đàn hồi 60

Hình 3.13 Bản ghi động đất Upland, ngày 28/02/1990, 11h43’00” PM được tích hợp sẵn trong phần mềm Plaxis [26] 61

Hình 3.14 Trình tự xác định tần số dao động riêng trong Plaxis 61

Hình 3.15 Xác định tần số dao động riêng nền đất tại Km0+940 64

Hình 3.16: Xác định tần số dao động riêng nền đất tại Km6+700 65

Hình 3.17 Ảnh hưởng của nền nhiều lớp đến tần số dao động riêng 66

Hình 3.18 Ảnh hưởng sức cản của các lớp đất đến tần số dao động riêng 67

số 6 – TpHCM [2] 69

– TpHCM [2] 70

71

71

động tổng cộng của điểm B khi tải trọng đối xứng và không đối xứng, tại Km0+940, khi V= 80km/h, fir=63Hz 72

x và vy của B, tại Km0+940, khi V=80km/h, fir=63Hz 73

fir=63Hz 73

Hình 3.26 Đồ thị cường độ rung theo thời gian của B, E, H, tại Km0+940, khi V=80km/h, fir= 63Hz 74

phương ngang, tại Km0+940, khi V=80km/h 74

phương ngang, tại Km6+700, khi V=80km/h 74

L, vmax của điểm B và fir, tại Km0+940, khi V=80km/h 74

0 Quan hệ giữa L, vmax của điểm B và vận tốc chạy tàu, tại

Km0+940, khi air=30cm 76 Sự thay đổi L, vmax của các điểm A J trong trường hợp mặt cắt ngang hầm là chữ nhật và tròn, tại Km6+700, khi V=80km/h,

thích của tải trọng [46] 86 Hình 4.3 Sơ đồ giải bài toán giảm rung cho công trình có lớp đệm đàn hồi

bằng phần mềm Plaxis 88 Hình 4.4 Sơ đồ giải bài toán giảm rung cho công trình có lớp đệm đàn hồi

bằng gói phần mềm Plaxis 89 Hình 4.5 Nguyên lý phân bố tải trọng xuống vỏ hầm trong trường hợp có

và không có đệm mềm bố trí trong đường ray 90 Hình 4.6 Giao diện nhập số liệu khi bố trí 1 lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm 91 Hình 4.7 Giao diện kết quả khi bố trí 1 lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm 91

xiiiHình 4.8 Giao diện nhập số liệu khi bố trí 2 lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm 92 Hình 4.9 Giao diện kết quả khi bố trí 2 lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm 92 Hình 4.10: Quan hệ giữa max F(t) và Hs với s=12,5mm và 25mm, khi

V=80km/h và fir=63Hz 93 Hình 4.11: Quan hệ giữa max F(t) và Hs1 với s1=12,5mm, 25mm và

s2=25mm, khi V=80km/h và fir=63Hz 93 Hình 4.12 Đồ thị vận tốc rung của điểm B khi không giảm rung và sử dụng

tấm Sylomer SR450 đặt tại đáy ray, tại km 0+940, V=80km/h,

fir=63Hz 95 Hình 4.13 Đồ thị cường độ rung theo thời gian của điểm B khi không giảm

rung và sử dụng tấm Sylomer SR450 đặt tại đáy ray, tại km

0+940, V=80km/h, fir=63Hz 95 Hình 4.14 Hiệu quả giảm rung của tấm Sylomer SR450 đặt tại đáy ray 96 Hình 4.15 Hiệu quả giảm rung của tấm Sylomer SR110 đặt tại đáy tà vẹt 98 Hình 4.16 Hiệu quả giảm rung của tấm Sylomer SR28 đặt cách đáy tà vẹt

25cm 99 Hình 4.17 Hiệu quả giảm rung của tấm Sylomer SR28, đặt cách đáy tà vẹt

50cm 100 Hình 4.18 Hiệu quả giảm rung của tấm Sylomer SR28 đặt tại đáy sàn hầm 101 Hình 4.19 Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung và độ sâu bố trí của đệm đàn

hồi Sylomer trong phương án bố trí một lớp 102 Hình 4.20 Đồ thị vận tốc rung của điểm B khi không giảm rung và giảm

rung bằng 2 lớp Sylomer (Lớp dưới SR28 dày 25mm đặt tại đáy sàn hầm, lớp trên SR110 với độ dày khác nhau đặt tại đáy tà vẹt, tại Km 0+940, V=80km/h, fir=63Hz 103 Hình 4.21 Đồ thị Cường độ rung theo thời gian của điểm B khi không giảm

rung và giảm rung bằng 2 lớp Sylomer (Lớp dưới SR28 dày

xiv25mm đặt tại đáy sàn hầm, lớp trên SR110 với độ dày khác nhau đặt tại đáy tà vẹt, tại Km 0+940, V=80km/h, fir=63Hz 103 Hình 4.22 Hiệu quả giảm rung của hai lớp Sylomer: SR110 tại đáy tà vẹt và

SR28- 25mm đặt tại đáy sàn hầm 104 Hình 4.23 Hiệu quả giảm rung của hai lớp Sylomer: SR28 cách đáy tà vẹt

25cm và SR28-25mm đặt tại đáy sàn hầm 105 Hình 4.24 Hiệu quả giảm rung của hai lớp Sylomer: SR28 cách đáy tà vẹt

42cm và SR28-25mm đặt tại đáy sàn hầm 106 Hình 4.25 Hiệu quả giảm rung của hai lớp Sylomer: SR28 cách đáy tà vẹt

50cm và SR28-25mm và đặt tại đáy sàn hầm 107 Hình 4.26 Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung và độ sâu bố trí của lớp

Sylomer 1 trong phương án bố trí hai lớp 108 Hình 4.27 Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung động của điểm B và độ dày lớp

đệm đàn hồi Sylomer SR28 bố trí tại đáy sàn hầm, tại Km0+940, khi V=80km/h và fir=63Hz 109 Hình 4.28 Bố trí đệm đàn hồi Sylomer SR28 dày 25mm cách đáy tà vẹt

25cm, dạng tấm và dạng gối 110 Hình 4.29 Hiệu quả giảm rung khi bố trí đệm đàn hồi Sylomer SR28 dày

25mm, bố trí dạng tấm và dạng gối cách đáy tà vẹt 25cm,khi V=80km/h và fir=63Hz 111 Hình 4.30 Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung động của điểm B và mô đun

đàn hồi động (loại Sylomer) của tấm Sylomer dày 25mm tại đáy sàn hầm, tại Km0+940, khi V=80km/h và fir=63Hz 112 Hình 4.31 Hiệu quả giảm cường độ rung của đệm đàn hồi Sylomer SR28

dày 25mm bố trí tại đáy sàn hầm, khi V=80km/h và fir=63Hz 113 Hình 4.32 Hiệu quả giảm vận tốc rung lớn nhất của đệm đàn hồi Sylomer

SR28 dày 25mm bố trí tại đáy sàn hầm, khi V=80km/h và

fir=63Hz 113

1

MỞ ĐẦU

Không gian ngầm là một lĩnh vực mới đang được quan tâm gần đây, nhằm nghiên cứu những vấn đề có liên quan đến kinh tế - kỹ thuật và môi trường khi khai thác phần dưới mặt đất theo nhu cầu phát triển các khu công nghiệp và các đô thị lớn Sử dụng hợp lý không gian ngầm đô thị cho phép hạn chế được nhu cầu tăng diện tích của đô thị, cho phép giải quyết nhiều bài toán quản lý đô thị và quản lý giao thông ở tầm vĩ mô Khi phát triển thành phố theo cả “bốn chiều”, vấn đề đặt ra là việc kiểm soát chất lượng môi trường sống trong các đô thị lớn là một nhiệm vụ quan trọng, nhằm đảm bảo sức khoẻ của cư dân, năng suất lao động Chất lượng môi trường sống đô thị phụ thuộc vào trạng thái môi trường, một trong các thông số quan trọng đó là mức độ ồn, rung động

Ở Việt Nam, trong những năm qua quá trình phát triển ở các đô thị Việt Nam đang diễn ra với nhịp độ rất lớn, đặc biệt ở Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Điều đó đang tạo ra một áp lực lớn đối với cơ sở hạ tầng giao thông đô thị Vì vậy nhiều giải pháp đã được nghiên cứu đưa vào áp dụng và thực hiện trong những năm gần đây Điển hình là Hà Nội và TpHCM đã quy hoạch xây dựng mạng lưới đường sắt đô thị hiện đại kết hợp với nhiều giải pháp khác

Hệ thống metro Hà Nội được quy hoạch gồm 6 tuyến (hình M.1) với lưu lượng vận chuyển khoảng 10~15 vạn khách/ngày trong giai đoạn đầu và 40~45 vạn khách/ngày trong giai đoạn sau [17] Mạng lưới đường sắt đô thị TpHCM [17] theo quy hoạch có 6 tuyến với tổng chiều dài 107km, cùng với

ba tuyến xe điện mặt đất và monorail có tổng chiều dài 35km nhằm mục tiêu thay thế 25% lượng xe gắn máy lưu thông trên đường đến năm 2010 và vào giai đoạn cuối 2020 sẽ giảm một nửa lượng xe gắn máy lưu thông trên đường Năng lực chuyên chở ước tính trong điều kiện chạy 5 phút/chuyến tàu 5-6 toa là 1,644 triệu lượt hành khách/năm [18]

2 Khi đưa vào vận hành hệ thống tàu điện ngầm, các cơ cấu rung của toa

xe sẽ tác động lên ray và các cơ cấu hỗ trợ bên dưới của ray gây ra rung động, đặc biệt trong điều kiện đất yếu các rung động này sẽ rất phức tạp Rung có thể gây phá hoại kết cấu công trình xây dựng và gây khó chịu cho con người đặc biệt vào ban đêm đối với các khu dân cư sống hai bên tuyến đường, các khu vực giải trí, văn hoá (nhà hát, trường học, bệnh viện ) ở gần tuyến

Hình M.1 Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị Hà Nội [17]

Với sự phát triển của hệ thống tàu điện ngầm như Việt Nam hiện nay, thực sự cần thiết phải xây dựng phương pháp đánh giá rung động và biện pháp giảm rung động trong nền đất khi khai thác hệ thống metro Đặc biệt trong bối cảnh phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay, việc dự báo rung động khi khai thác các tuyến tàu điện ngầm cần phải triển khai sớm trước khi thi công xây dựng nhằm phát triển nền kinh tế quốc dân đi đôi với việc đảm

bảo chất lượng môi trường sống đô thị Vì vậy “Nghiên cứu rung động và

3

biện pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm”

luận án đặt ra cho đến nay đang là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Hình M.2 Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị TpHCM [18]

4

Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án:

- Phân tích và lựa chọn phương pháp xác định các tham số động của nền đất làm cơ sở giải quyết bài toán tương tác kết cấu hầm – nền phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam

- Nghiên cứu và xây dựng chương trình mô phỏng số tải trọng động của đoàn tàu di chuyển trong hầm, nhằm tạo dữ liệu đầu vào cho bài toán phân tích tương tác hầm - nền chịu tác dụng của tải trọng khai thác hệ thống tàu điện ngầm

- Nghiên cứu tính toán mức độ rung động của nền đất do tải trọng động của đoàn tàu di chuyển trong hầm bằng phương pháp phần tử hữu hạn, trên cơ

sở bài toán phẳng và phân tích ảnh hưởng của các tham số đến rung động trong nền

- Nghiên cứu lựa chọn giải pháp, chứng minh hiệu quả của phương pháp giảm rung động bằng đệm đàn hồi đặt trong sàn hầm và phân tích ảnh hưởng của các tham số đệm đàn hồi đến hiệu quả giảm rung động của các phương án đề xuất

- Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, đề xuất sử dụng đệm đàn hồi giảm rung động vào công tác thiết kế, xây dựng các tuyến metro trong tương lai của Việt Nam, phục vụ phát triển kinh tế đi đôi với đảm bảo môi trường sống

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án:

Đối tượng nghiên cứu:

Hệ kết cấu đường tàu điện ngầm và nền đất xung quanh trong đô thị chịu tác động của tải trọng động khai thác tàu điện ngầm

Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu bài toán tương tác động lực học của hệ tàu điện ngầm – kết cấu hầm– nền đất yếu trên sơ đồ bài toán biến dạng phẳng với các trường hợp

có và không có biện pháp giảm rung bằng đệm đàn hồi đặt trong sàn hầm,

không có sự tách trượt giữa các lớp đất, giữa kết cấu và nền đất:

5

- Về kết cấu: Kết cấu công trình hầm được mô tả là hệ thanh

- Về nền đất: Nền đất được mô tả bằng mô hình đàn dẻo

- Về tải trọng: Tải trọng đoàn tàu được mô tả là một dãy trục xe di chuyển trong hầm có xét đến khuyết tật của mặt tiếp bánh xe-ray và không xét

hệ treo giảm chấn của toa xe Hàm tải trọng theo thời gian được xác định theo

lý thuyết dầm liên tục Bernoulli-Euler

Phương pháp nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu lý thuyết, sử dụng phương pháp PTHH tiến hành thử nghiệm

số tính toán hệ “tàu điện ngầm – kết cấu hầm – nền đất” và lập trình tính toán

số liệu đầu vào trong môi trường Labview

Nội dung luận án

Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của luận án, và bố cục của luận án Chương 1: Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu, phương pháp dự báo

rung động và biện pháp giảm rung động do khai thác hệ thống tàu điện ngầm

Đề xuất nội dung và phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án

Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương pháp xác định các tham số

động của nền đất phù hợp với điều kiện Việt Nam

Chương 3: Nghiên cứu rung động của nền đất chịu tác động của tải

trọng khai thác hệ thống tàu điện ngầm

Chương 4: Nghiên cứu biện pháp giảm rung động của nền bằng đệm

đàn hồi đặt trong đường tàu điện ngầm

Kết luận chung: Trình bày các kết quả chính và những đóng góp mới

của luận án

Tài liệu tham khảo

6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái niệm cường độ rung động

Trong đánh giá ảnh hưởng của rung động, giá trị vận tốc đỉnh tối đa (PPVmax) thường được sử dụng để đánh giá rung động do nổ phá, tải trọng xung và mức độ phá hoại công trình xây dựng PPVmax không phù hợp để đánh giá đáp ứng của cơ thể con người vì phải mất một khoảng thời gian cơ thể người mới đáp ứng lại tín hiệu rung động Khái niệm dao động trung bình được đưa ra, tuy nhiên trung bình của một dãy tín hiệu dao động thường bằng không do đó phải sử dụng khái niệm dao động trung bình của bình phương (RMS) và trung bình thường được tính trong khoảng thời gian 1s (One-second-RMS) [25], [43], [77], [78]

Cường độ rung động tại một điểm có thể xác định thông qua ba thông số của dao động là chuyển vị, vận tốc và gia tốc Trong các tiêu chuẩn liên quan thường sử dụng giá trị vận tốc dao động để xác định cường độ rung và được tính theo đơn vị decibel và để phân biệt với cường độ âm thanh thêm ký hiệu

V phía trước tức là VdB (Vibration decibel) [43] Cường độ rung động lớn nhất trong thời gian tác dụng của tải trọng tại vị trí nghiên cứu được tính toán như sau [77]:

][

v

v

L 20log10 [VdB] (1.2)

n n SP

f t t

1

2 )(

1

[m/s] (1.3)

2 2

yn xn

L: Cường độ rung động lớn nhất phát sinh

vref : Vận tốc dao động tham chiếu, vref=5.10-8m/s [77]

t1, t2: Thời điểm bắt đầu, kết thúc tính toán vi, t2-t1=1s [43], [77], [78]

fSP : Số lượng dữ liệu vận tốc tính toán hay đo được trong 1 giây

vxn, vyn, vn : Vận tốc dao dộng theo phương ngang, phương đứng và tổng cộng thứ n trong thời gian dao động của điểm nghiên cứu

Theo СП 23-105-2004 của Nga tại điều 3.1.4 cho phép tính toán dự báo rung động của tòa nhà được phép lấy giá trị vận tốc v dự báo của mặt đất tại móng của tòa nhà để đánh giá [77], do đó trong luận án sử dụng giá trị vận tốc rung động tại mặt đất để áp dụng đánh giá

1.2 Cơ chế gây rung động và ảnh hưởng của rung động do khai thác hệ thống tàu điện ngầm

1.2.1 Cơ chế gây rung động do khai thác hệ thống tàu điện ngầm

Hình 1.1 Sơ đồ phát sinh và lan truyền rung động từ tàu điện ngầm [43]

Quá trình truyền sóng rung động từ tàu điện ngầm thông qua hầm đến công trình xây dựng gần đó rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố (hình 1.1) Để phân tích các yếu tố này có thể chia quá trình truyền sóng rung động

8 làm ba thành phần: nguồn rung, đường truyền dẫn và nơi tiếp nhận Sơ đồ khối quá trình phát – truyền – tác động của rung động như hình 1.2 [64]

Hình 1.2 Sơ đồ khối quá trình phát sinh truyền dẫn rung động [64]

Khi đoàn tàu không chuyển động sẽ gây ra một lực tác động lên đường ray đó là trọng lượng bản thân của đoàn tàu, lực này thông qua bánh xe truyền lên ray, tà vẹt, vỏ hầm rồi vào nền đất; tải trọng đó gọi là tĩnh tải Khi đoàn tàu chuyển động, lực tác động đó sẽ dịch chuyển theo và gây ra rung động

Do sự tương tác giữa các cơ cấu tàu điện ngầm, đường ray và các kết cấu bên dưới đường ray nên các rung động này có thể bị ảnh hưởng gia tăng hay giảm

đi trước khi truyền dẫn vào môi trường đất xung quanh [40], [43]

Các rung động phát sinh do tàu điện ngầm tác động lên vỏ hầm và lan truyền ra nền đất dưới dạng sóng đàn hồi Sóng truyền đi trong nền đất, đá

Tương tác Bánh xe- ray

Tiếp cận móng kết cấu công trình

Lan truyền trong đất- đá

Tiếp cận đất - đá

Tiếp cận không khí trong phòng

Kích thích các thiết bị nhạy cảm với rung

Người nghe thấy ồn

Người cảm thấy rung

Phá hoại công trình

Làm giảm chức năng

9 bao gồm sóng nén (dao động dọc theo hướng truyền sóng) và sóng cắt (dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng), trên phạm vi gần mặt đất có hai loại sóng đó là sóng Rayleigh và sóng Love [35], [40], [78], [79] Khi xem nền đất là đồng nhất và đẳng hướng, sóng truyền theo các hướng từ một nguồn là như nhau, do đó việc mô tả các sóng này bằng phương trình toán học là đơn giản Tuy nhiên nền đất trong thực tế là một môi trường phức tạp, nhiều lớp, chính các nguyên nhân này làm cho quá trình truyền sóng trở nên phức tạp khi áp dụng các phương trình xét đến trường hợp tổng quát Khi tiếp cận đến móng của các công trình, rung động truyền lên các phần khác của công trình gây ra rung động Các rung động này có thể được cảm nhận ở các phần khác nhau của vật thể bị rung hay nghe thấy dạng rùng rùng

Sự rung động của sàn, tường, các thiết bị nội thất sẽ gây ra tiếng ồn khó chịu hoặc có thể gây thiệt hại cho các thiết bị nhạy cảm với rung động trong công trình Trong một số trường hợp rung còn có thể gây đe dọa đến sự an toàn của

cả công trình một khi xảy ra sự cộng hưởng

1.2.2 Phản ứng của con người đối với rung động và giới hạn rung

Cơ thể con người bị ảnh hưởng bởi rung động với tần số bất kỳ khi biên

độ đủ lớn Khả năng chịu ảnh hưởng do rung động của con người phụ thuộc đặc điểm cơ thể khi chịu tác động, các tác động đến tâm, sinh lý của người và khoảng thời gian chịu tác động, tần số tác động Các tài liệu mô tả kinh nghiệm thực tế liên quan đến vấn đề này có rất nhiều trên thế giới, cường độ rung giới hạn đối với người được chia làm 3 mức như bảng 1.1 [43]

Bảng 1.1 Mô tả phản ứng của người với rung động [43]

Cường độ rung Phản ứng của con người

65 VdB - Ngưỡng cảm nhận được rung động của đa số người

75 VdB

- Khoảng giữa của vùng bắt đầu cảm thấy và cảm nhận rất rõ ràng Nhiều người cảm thấy bực bội phiền hà cường độ rung này

85 VdB - Rất khó chịu, nhưng có thể chấp nhận được nếu rung động xuất hiện không thường xuyên mỗi ngày

10 Cục quản lý vận tải liên bang -Bộ Giao thông Vận tải Mỹ ban hành bản hướng dẫn đánh giá tác động rung và ồn do giao thông gây ra, mang số hiệu kiểm duyệt FTA-VA-90-1003-06 tháng 5/2006 gọi tắt FTA(2006) [43] Cường độ rung động cho phép tính theo số lần xuất hiện trong ngày đối với các khu vực và một số công trình đặc biệt cho trong bảng 1.2, các toà nhà đặc thù phải được xác định riêng khi có yêu cầu

Bảng 1.2 Cường độ rung cao nhất cho phép trong nhà [43]

Khu vực, loại công trình Cường độ rung lớn nhất * (VdB) theo số lần tác

động trong ngày **

Khu vực sử dụng Thường xuyên Thỉnh thoảng Hiếm khi

*) Tính theo vận tốc RMS với vận tốc tham chiếu là 10-6 in/s

**) Số lần tác động trong ngày: Thường xuyên: >70 lần/ngày, thỉnh thoảng:

30 70 lần/ngày, hiếm khi: <30 lần/ngày

Ở Nga năm 1991 ban hành tiêu chuẩn “Dự báo rung động trong các toà nhà gần tuyến tàu điện ngầm và thiết kế biện pháp giảm rung” –BCH 211-91 đến 2004 được thay thế bằng tiêu chuẩn СП 23-104-2004, cường độ rung cho phép trình bày trong bảng 1.3

Ngoài ra một số quốc gia khác cũng có các nghiên cứu và tiêu chuẩn đề xuất giới hạn rung tối đa như: Dự án Banverket [28] đã quy định giá trị rung động tối đa cho phép đối với người trong toà nhà gần đường sắt xây dựng mới hoặc tuyến đường sắt đang tồn tại Cơ quan bảo vệ môi trường Đan Mạch (DEPA) đã ban hành các quy định giới hạn rung trong các toà nhà [36] v.v

11

Bảng 1.3 Cường độ rung tối đa và trung bình cho phép [75], [76], [77]

TT tác động rung Vị trí chịu Thời gian

Cường độ rung động tối đa (VdB) trong phổ tần số (Hz) động trung bình Cường độ rung

11 Khu vực thương mại dịch

vụ, nhà ga, sân bay, khu vực

12 Việt Nam đã ban hành Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về rung động QCVN 27:2010/BTNMT ban hành theo thông tư 39/2010/TT-BTNMT ngày16/12/2010 của Bộ Tài nguyên và Môi trường [13] Quy chuẩn này áp dụng thay thế cho TCVN 6962:2001 về “Rung động và chấn động - Rung động do các hoạt động xây dựng và sản xuất công nghiệp – Cường độ tối đa cho phép đối với môi trường khu công cộng và khu dân cư” [16] Quy chuẩn quy định giá trị tối đa cho phép cường độ rung tại các khu vực có con người sinh sống, hoạt động và làm việc; do hoạt động của con người tạo ra, không phân biệt loại nguồn gây rung động, vị trí phát sinh rung động, chấn động ảnh hưởng đến các khu vực có con người sinh sống, hoạt động và làm việc Giá trị cường độ rung giới hạn được quy định là 75VdB

1.2.3 Ảnh hưởng rung động đến công trình xây dựng

Trong báo cáo của Nelson & Saurenman [40] về tác động rung đến các công trình xây dựng đã chỉ ra chỉ có 5% khả năng các toà nhà bị phá hoại khi vận tốc đỉnh (PPV) nhỏ hơn 50mm/s và không có trường hợp nào bị phá hoại khi PPV nhỏ hơn 25mm/s Với các toà nhà thông thường thì không có bất cứ thiệt hại nào khi PPV nhỏ hơn 15mm/s [25]

FTA(2006) đưa ra các tiêu chí đánh giá ảnh hưởng rung động đến kết cấu các toà nhà trong quá trình xây dựng thể hiện trong bảng 1.4, phụ thuộc vào vật liệu sử dụng trong xây dựng của các công trình bị ảnh hưởng [43]

Bảng 1.4 Rung động giới hạn đối với kết cấu công trình xây dựng [43]

Loại công trình PPV(in/s) L* (VdB)

Làm bằng bê tông hoặc khối xây (để trần) 0,3 98

Loại khác làm bằng gỗ hoặc khối xây 0,2 94

Toà nhà quá nhạy cảm với tác động rung 0,12 90

*) Tính theo vận tốc RMS với vận tốc tham chiếu là 10-6 in/s

mà thời gian tính toán và độ chính xác chủ yếu phụ thuộc vào số lượng các tham số nghiên cứu Nhiều tác giả đã chọn nhiều phương pháp tiếp cận vấn đề

để giải quyết bài toán ở những mức độ khác nhau và đã có nhiều đóng góp cho dự phát triển tính toán trong lĩnh vực này Hiện nay có thể chia các phương pháp này thành 3 nhóm như sơ đồ hình 1.3

Hình 1.3 Phân loại các phương pháp dự báo rung động

14 Các phương pháp được sử dụng phổ biến nhất khi nghiên cứu bài toán truyền rung động là phương pháp sai phân hữu hạn (FDM), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp phần tử biên (BEM) và các biến thể khác nhau của các phương pháp này Đối với những vấn đề liên quan đến miền thì phương pháp FEM và FDM thường được sử dụng; trong khi đối với các vấn đề liên quan đến biên thì BEM là phương pháp thông thường được sử dụng Đối với các mô hình dựa trên cơ sở FEM hay FDM có biên nhân tạo sẽ được sử dụng nếu vùng nghiên cứu không có biên giới hạn, một mô hình BEM sẽ tạo ra một ma trận nhỏ hơn so với một mô hình FEM, do đó cho kết quả tính toán với thời gian ngắn hơn

Tiêu biểu cho nhóm phương pháp thực nghiệm, Kurzweil L.G [53] đề nghị một phương pháp đơn giản tính toán cường độ rung động sàn nhà trong phòng của toà nhà gần đường tàu điện ngầm bằng công thức thực nghiệm với các số liệu được xác định bằng tra đồ thị và bảng tra Phương pháp này đơn giản, dễ sử dụng, các số liệu đã được khái quát hoá từ thực tế, tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là độ chính xác không cao

Giáo sư Kurbatsky E.N [79], [81], [82] đã đi theo hướng phương pháp giải tích, sử dụng lý thuyết tạm dịch là “Lý thuyết đối ứng” để giải bài toán truyền sóng trong môi trường đất một lớp đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng Kết quả thu được có thể sử dụng để đánh giá rung động cho công trình gây ra bởi nguồn gây rung phát sinh từ tàu lửa, tàu điện ngầm trong các metro, hiệu ứng nổ và các nguồn rung khác tương tự Năm 2008 phương pháp này được

sử dụng nghiên cứu đánh giá rung động và xây dựng biện pháp giảm rung động công bố trong “Hướng dẫn thiết kế cách ly rung động của đường sắt” áp dụng cho dự án Đường sắt Bắc Kavkaz của Nga [83] Ưu điểm của phương pháp này là xây dựng được công thức tính toán rung động tại bất kỳ điểm nào trong mô hình tính, rất thuận tiện và nhanh, tuy nhiên phương pháp này lại bỏ

15 qua sự phản xạ và khúc xạ của sóng tại ranh giới các lớp đất vì quy đổi về một lớp đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng

Cũng theo hướng sử dụng giải tích nhưng kết hợp kiểm chứng bằng bộ phần mềm MSC/NASTRAN, Titov E (2006) [85] đã nghiên cứu dự báo rung động và biện pháp giảm rung áp dụng cho tuyến tàu điện ngầm Kazan (Nga) trong điều kiện nền đất tốt có tốc độ truyền sóng cắt >350m/s Tiếp tục phát triển rộng hơn, San Lin Tun (2011) [84] đã mở rộng nghiên cứu mô phỏng các loại tải trọng tác dụng lên hầm của tải trọng động đất, cháy nổ trong hầm

và do đoàn tàu lưu thông trong hầm; lập thành phần mềm dự báo rung động trên cơ sở phương pháp giải tích để nghiên cứu rung động và biện pháp giảm rung động cho tuyến tàu điện ngầm ở Nga Kết quả tính toán được kiểm chứng bằng phần mềm MSC/NASTRAN và đã đóng góp rất nhiều cho lĩnh vực này

Unterberger W và những người khác (2000) [70] đã sử dụng FLAC một phần mềm dựa trên FDM, khi thực hiện phân tích rung phát sinh từ tuyến tàu điện ngầm ở Vienna Trong mô hình tính chỉ xét vỏ hầm và nền đất Tải rung động được mô tả là tải trọng điều hoà để phát sinh dao động vào hầm Nghiên cứu đã đánh giá được ảnh hưởng của mực nước ngầm, độ dày của vỏ hầm, độ sâu hầm đến độ rung tác động lên móng công trình nổi và mặt đất

Trong dự án Hầm đô thị (2000) [34], FDM đã được sử dụng để mô hình một đường hầm xây dựng mới ở Malmö, Thuỵ Điển Chương trình được sử dụng là Findwave và sử dụng để mô hình truyền sóng trong môi trường vật liệu đàn – nhớt Phần mềm Findwave tích hợp bởi hai mô đun: mô đun mô hình hoá đoàn tàu và mô đun mô hình hoá đường ray/kết cấu/nền đất [44] Mô đun mô hình hóa đoàn tàu được dựa trên nhiều thông số của tương tác đoàn tàu/đường ray (bao gồm cả số liệu mô phỏng hoặc đo thực nghiệm) và được

sử dụng làm số liệu đầu vào cho các mô hình tính toán

16 Schillemans L (2003) [68] sử dụng một mô hình 2D dựa trên FEM để xác định cường độ rung tại vị trí đường hầm giao nhau ở Antwerp, Bỉ Mô hình tính được sử dụng để xác định các thông số cần đo đạc và thiết bị cần thiết phải lắp đặt dọc theo đường ray với mục đích tăng độ chính xác của mô hình

Lai C.G và những người khác (2000) [58], (2005) [57], đã phát triển một mô hình số để phân tích rung động phát sinh từ nguồn đến nơi tiếp nhận

Mô hình này giả thiết rằng các rung động được tạo ra bởi tải trọng trục của toa xe di chuyển và lực phát sinh thêm do sự gồ ghề của ray Nghiên cứu đã đưa ra cơ sở của phương pháp đo xác định sự lan truyền rung từ móng đến các cột toà nhà, đồng thời rung động của sàn nhà cũng được xét thêm trong mô hình

Fujii K và những người khác (2005) [42] sử dụng FEM tính toán rung cho nền đất gần đường tàu điện thi công bằng khiên đào ở Tokyo Mô hình tính chỉ quan tâm đến vỏ hầm và đất, tải trọng từ đoàn tàu được đo tại sàn hầm và đặt trực tiếp trên sàn hầm Mặc dù mô hình đơn giản nhưng đã đạt được những kết quả và đối chiếu với thực nghiệm

Clouteau D và những người khác (2006) [29] phát triển một mô hình bằng cách kết hợp FEM mô tả cho kết cấu đường hầm và BEM mô tả cho nền đất để nghiên cứu các ứng xử hầm và nền cho đường hầm tuyến Barkerloo - London thi công theo phương pháp đào kín đặt trong đất sét và đường hầm ở Paris thi công bằng phương pháp đào hở trong đất cát Trong mô hình tính chỉ quan tâm kết cấu vỏ hầm chịu tác dụng của tải trọng điều hòa và nền đất xung quanh và đã phân tích ứng xử của vỏ hầm, của nền đất

Andersena L và Jones C.J.C (2006) [21] đã sử dụng cặp FEM-BEM Trong mô hình tính, vỏ hầm được mô hình bằng FEM trong khi đất được mô hình bằng BEM, tải trọng đoàn tàu được mô tả bằng hàm điều hòa Phân tích

đã được thực hiện trong cả hai mô hình 2D và 3D để xác định rung động hầm

Hussein M.F.M và Hunt H.E.M (2006) đã xây dựng một mô hình tính toán rung động đường hầm dựa trên phương pháp “Lai” FEM-BEM [48], sau

đó lập thành phần mềm tên là PiP (Pipe in Pipe) [49] Chương trình PiP có khả năng tính toán cho nền đàn hồi tuyến tính một lớp và chưa xét được nhiều yếu tố khác của nền đất và kết quả tính toán đưa ra kết quả năng lượng rung động của nền đất theo phương thẳng đứng, chưa đề cập đến cường độ rung

(hình 1.4)

Hình 1.4 Giao diện chính của phần mềm PiP version 4.01

Jia Y.X và những người khác (2008) [51] đã sử dụng Ansys 3D FEM để tính toán ảnh hưởng rung động qua lại lẫn nhau giữa các đường hầm và nền đất tại vị trí giao nhau của ba đường hầm tại ga Xuanwumen, Bắc Kinh, Trung Quốc Kết quả đạt được mới dừng lại ở việc xác định được cường độ rung của hầm và nền vượt quá ngưỡng cho phép và ứng xử động của vỏ hầm

18 Pakbaz M.S và những người khác (2009) [61] đã sử dụng số liệu đo gia tốc rung tại sàn hầm của tuyến metro thành phố Ahvaz, Iran để dự báo rung động mặt đất bằng gói phần mềm Plaxis FEM Trong mô hình tính cũng chỉ xét cho hầm và nền đất Kết quả nghiên cứu đã phân tích ảnh hưởng của một

số yếu tố như tốc độ chạy tàu và mực nước ngầm nhưng chưa đề cập đến biện pháp giảm rung cho tuyến, đồng thời chưa phân biệt rõ tham số tĩnh và động của nền đất có sự khác nhau

Việt Nam với sự phát triển kinh tế hiện nay, vấn đề môi trường và các tác động đến môi trường đang được quan tâm rất lớn, nhưng so với thế giới còn nhiều hạn chế do nhu cầu và trình độ phát triển của đất nước Vấn đề tương tác giữa công trình ngầm và nền đất dưới tác động của các loại tải trọng động xuất phát từ bên ngoài hầm đang được quan tâm và thực hiện một cách

có hệ thống và đã đạt được nhiều kết quả đáng kể Nguyễn Trí Tá [15] đã nghiên cứu tương tác giữa kết cấu hầm công sự và nền đất dưới tác dụng của tải trọng bom đạn có xét đến tính phi tuyến của nền; Trong nghiên cứu, tác giả đã tính toán đã sử dụng mô hình mũ cho nền và xây dựng thành công chương trình tính toán nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số nền, tham số tải trọng nổ đến ứng xử động của kết cấu hầm công sự Nguyễn Tương Lai [10]

đã nghiên cứu tính toán tương tác của kết cấu công trình và nền biến dạng có xét tính phi tuyến của môi trường dưới tác dụng của tải trọng điều hòa đơn giản Nguyễn Tất Ngân [12] và các nghiên cứu khác thuộc Học viện Kỹ thuật Quân sự Nhìn chung các nghiên cứu tiêu biểu trên đã đạt được những kết quả đáng khích lệ, ứng dụng trong tính toán thiết kế, thi công các công trình ngầm và từng bước hoàn thiện phương pháp, công cụ tính toán sát với điều kiện thực tế của công trình Bên cạnh lĩnh vực nghiên cứu tương tác của hầm-nền đất yếu dưới tác dụng của tải trọng động trong hầm hay tải trọng động của đoàn tàu với Việt Nam còn rất mới và chưa được quan tâm nhiều là

vì chúng ta chưa có hệ thống tàu điện ngầm và các dự án còn đang giai đoạn

19 khả thi đồng thời các phương tiện phục vụ đo đạc các tham số động của nền đất còn hạn chế

1.4 Tổng quan các phương pháp giảm rung động

Để giảm rung động do tàu điện ngầm gây ra, cần xem xét kỹ lưỡng một

số vấn đề như đặc tính nguồn phát sinh rung động, đặc điểm truyền sóng rung trong môi trường từ nguồn đến điểm tiếp nhận, đặc điểm cấu tạo của công trình chịu tác động và tương tác của rung động đến con người Các phương pháp giảm rung động có thể phân chia thành 7 loại giải pháp [43] dọc theo sơ

đồ phát sinh – truyền dẫn – gây tác động của rung động như sau:

(1) Các giải pháp về duy tu và bảo trì đường ray, phương tiện: Các

giải pháp này liên quan đến chế độ bảo trì, quy trình công nghệ bảo trì đường ray và phương tiện nhằm đảm bảo khắc phục các khuyết tật, hư hỏng của phương tiện, đường ray để hạn chế rung động

(2) Các giải pháp về vị trí và thiết kế đặc biệt cho đường ray:

Trong giai đoạn chuẩn bị đầu tư, nếu có thể nên xem xét quy hoạch tuyến ở xa các khu vực nhạy cảm với rung động Trong giai đoạn vận hành,

có thể cải tiến cấu tạo ray và tà vẹt tại các vị trí giao cắt nhau, vị trí đường cong bằng thiết bị đặc biệt gọi là “bộ phận điều hướng” để cho ray có thể đóng mở êm thuận, hạn chế rung

(3) Các giải pháp liên quan đến thông số kỹ thuật, cấu tạo thân xe:

Chính là công tác thiết kế kết cấu treo đỡ, bộ giảm xóc của thân xe để hạn chế tối đa những va chạm của thép với thép, của những bộ phận với nhau

và không để phát sinh cộng hưởng dao động

(4) Các giải pháp cải tiến các bộ phận hỗ trợ đường ray:

Phương pháp cải tiến cấu tạo các bộ phận hỗ trợ của đường ray đã được chứng minh là có hiệu quả giảm rung rõ rệt, như biện pháp:

- Sử dụng bu lông neo cải tiến neo chặt ray và tà vẹt: biện pháp này sẽ làm giảm rung động khoảng 5 10VdB so với không cải tiến [43]

Hình 1.5 Các giải pháp sử dụng đệm đàn hồi trong sàn hầm [60]

(5) Các giải pháp thay đổi trong công trình xây dựng bị ảnh hưởng:

Nếu chỉ có một vài tòa nhà bị ảnh hưởng bởi rung động trong đường hầm, biện pháp cô lập cho từng toà nhà khỏi rung động là phù hợp nhất Giải pháp này là bố trí đệm đàn hồi cách ly giữa kết cấu của tòa nhà và móng Đệm đàn hồi có thể bố trí ở dạng tấm, dạng dải hoặc dạng gối để giảm rung như nghiên cứu của Titov E [85], giải pháp của hãng Getzner [46]

(6) Các giải pháp can thiệp trên đường truyền dẫn rung động:

Sử dụng một hào (chứa nước hoặc không chứa nước) cản trên đường truyền sóng cũng được sử dụng trong việc giảm rung phát sinh từ nền đất

21 Một số nghiên cứu cho tuyến đường sắt chạy nổi như kiến nghị của Richert and Hall (1970) [43] đã đề xuất, chiều sâu tối ưu của hào nằm gần đường sắt nổi nên chọn khoảng 0,6 lần chiều dài bước sóng Rayleigh trong đất tương đương độ sâu khoảng 5m cho hầu hết các loại đất Một chứng minh bằng thực nghiệm và tính toán bằng phương pháp số đã chỉ ra rằng độ sâu tối ưu của hào hay một tường chắn rung động vào khoảng 1,2 lần độ dài bước sóng Rayleigh trong đất [25] Hào có thể để hở hoặc lấp đầy bằng vật liệu dạng lỏng, hoặc bằng các cột đất, đất gia cố vôi, xi măng hoặc bê tông Tuy nhiên, một bất lợi của phương pháp này là khi nền đất là đất yếu tức là bước sóng Rayleigh rất dài hoặc khi áp dụng cho đường sắt ngầm tường chắn phải có chiều sâu khá lớn để chặn sóng nén, sóng cắt truyền đến công trình dẫn đến hiệu quả kinh tế thấp [25]

Phương pháp này đã đạt được một số thành công đáng kể, làm giảm rung động truyền qua mặt đất gây ra bởi đường sắt nổi như nghiên cứu của Michele

B [59] đã thực hiện mô phỏng tính toán số trên phần mềm ADINA cho tường giảm rung bằng 3 loại vật liệu khác nhau (bê tông xi măng, Poluyurethane và cao su) dày 10cm và sâu 2m trên một tuyến đường sắt cao tốc tại Italia

(7) Các giải pháp liên quan đến chế độ khai thác và vận hành: Giải

pháp liên quan đến chế độ khai thác vận hành của tuyến rõ ràng nhất đó là giảm tốc độ chạy tàu, ngoài ra có thể hạn chế lịch trình chạy tàu vào ban đêm khi mà con người nhạy cảm với rung động nhất Tuy nhiên biện pháp giảm tốc độ chạy tàu và điều chỉnh lịch chạy tàu sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác của tuyến rất lớn, ngay cả ở Mỹ cũng không khuyến khích áp dụng biện pháp này để giảm rung [43]

Như đã phân tích ở trên, những phương pháp chính để giảm rung động

có thể được chia thành hai nhóm giải pháp theo tính chất giảm rung: (i) Chủ

22 động cô lập nguồn rung động bao gồm các giải pháp giảm rung ngay tại đường hầm; (ii) Thụ động tiếp nhận, cách ly công trình bị ảnh hưởng bao gồm các giải pháp can thiệp giảm rung trên đường truyền dẫn rung động và ngay tại công trình xây dựng bị ảnh hưởng Biện pháp giảm rung hợp lý nhất là chủ động cô lập nguồn rung động ngay tại hầm vì đem lại hiệu quả cho nhiều công trình xây dựng hai bên tuyến Biện pháp giảm rung thụ động chỉ có hiệu quả đối với công trình được bảo vệ Phương pháp giảm rung bằng tường chắn trên đường truyền thực tế chỉ hiệu quả đối với đường sắt nổi mà không đem lại hiệu quả (về mặt kinh tế) đối với đường sắt ngầm trong điều kiện địa chất của các đô thị Việt Nam

Các biện pháp giảm rung động chủ động hiện nay được nhiều nơi trên thế giới quan tâm và áp dụng cho các tuyến tàu điện ngầm đó là biện pháp cải tiến cấu tạo các bộ phận hỗ trợ đường ray bằng các đệm mềm [41], [45], [80], [83], [84], [85] Riêng Việt Nam chưa có hệ thống tàu điện ngầm nhưng biện pháp sử dụng đệm mềm, gối mềm đàn hồi giảm chấn đã được ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau như: Sử dụng gối giảm chấn động cho cầu dây văng như gối cao su lõi chì, gối nén trước, thủy lực (www.megeba.ch); Nghiên cứu

sử dụng đệm đàn hồi giảm tải trọng xung kích tác động lên của bảo vệ công trình [7], [8]; Nghiên cứu giảm dao động cho công trình xây dựng bằng thiết

bị tiêu tán năng lượng [1] đã đạt được những kết quả đáng kể

1.5 Các kết quả đạt đƣợc của các công trình nghiên cứu đã công bố

Từ việc nghiên cứu tổng quan về rung động phát sinh tải trọng khai thác

hệ thống tàu điện ngầm và những kết quả nghiên cứu trước đây của các nhà khoa học, có thể rút ra nhận xét như sau:

- Các nghiên cứu đã tiếp cận bài toán theo hướng giải quyết hai mô hình con: (i) bài toán tương tác ray-bánh xe để xác định tải trọng xuống sàn hầm và

23 (ii) bài toán tương tác động lực học hầm – nền Đây cũng là hướng hợp lý vì rất khó để xét được bài toán bao gồm hai mô hình do kích thước của các bộ phận cấu tạo đường hầm rất nhỏ so phạm vi ảnh hưởng đến nền đất

- Mô hình tính toán dự báo rung động theo mô hình 2D đã được nghiên cứu và thu được nhiều kết quả quan trọng với thời gian tính toán nhanh hơn rất nhiều so với mô hình 3D

- Nhiều nghiên cứu xem môi trường đất là một lớp với các tham số là trung bình của các lớp hoặc nhiều lớp đàn hồi tuyến tính Điều này chưa sát thực tế vì đất là môi trường rời rạc có nhiều lớp và mỗi lớp có các thông số khác nhau Chính vì vậy việc quy đổi về 1 lớp trung bình khi đặc tính các lớp đất khác nhau nhiều sẽ dẫn đến kết quả chưa phù hợp

- Thực tế tải trọng động của đoàn tàu là rất phức tạp và bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố liên quan, đến nay nhiều nghiên cứu đã đơn giản hóa xem tải trọng đoàn tàu là hàm điều hòa 1 tần số và tính toán cho 1 trục hay 1 toa xe, dẫn đến việc mô phỏng tải trọng chưa sát thực tế Một số nghiên cứu sử dụng kết quả đo gia tốc hay tải trọng tại đường ray làm dữ liệu đầu vào để tính toán, điều này chỉ áp dụng cho bài toán kiểm tra rung động chứ không áp dụng cho bài toán dự báo rung

- Các nghiên cứu này đã tiến hành tính toán cho dự án tại khu vực có nền đất khá tốt đến tốt vì vậy việc áp dụng vào điều kiện đất yếu đô thị Việt Nam

sẽ không phù hợp, đồng thời cũng chưa nghiên cứu ảnh hưởng của các tham

số của đất yếu đến cường độ rung động phát sinh

- Các biện pháp giảm rung động đang được quan tâm nhiều hiện nay là đặt đệm đàn hồi trong sàn hầm Hiệu quả giảm của biện pháp này chủ yếu được đánh giá cho một phương án lựa chọn áp dụng, chưa có đánh giá tổng quát và

so sánh giữa các phương án để có thể áp dụng một cách nhanh chóng

24

1.6 Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu

Nhìn chung, đến nay bằng nhiều phương pháp, các công trình nghiên cứu trước đây đã thu được những kết quả đáng kể về bài toán dự báo rung động nền do phương tiện giao thông gây ra Đặc biệt là phương pháp số đang được áp dụng rất phổ biến để giải quyết bài toán với mức độ phức tạp ngày càng tăng

Đối chiếu các kết quả đã đạt được của các công trình đã công bố và nhu cầu thực tế phát triển giao thong đô thị nhưng vẫn đảm bảo tiêu chuẩn môi trường đô thị về rung động, ta có thể rút ra những vấn đề cấn tiếp tục nghiên cứu và tính toán của lĩnh vực này như sau:

- Nghiên cứu tương tác của toa xe và đường ray nhằm mô tả tác động của đoàn tàu lưu thông trong hầm theo sơ đồ đầy đủ của đoàn tàu

- Nghiên cứu bài toán xác định cường độ rung động phát sinh trong nền đất do tác động của tải trọng động tàu điện ngầm lưu thông trong hầm

- Nghiên cứu tương tác giữa hầm và nền đất nhiều lớp làm việc đồng thời chịu tác dụng của tải trọng đoàn tàu lưu thông trong hầm

- Nghiên cứu đánh giá hiệu quả giảm chấn của các biện pháp giảm chủ động bằng đệm đàn hồi trong sàn hầm, tạo cơ sở dữ liệu giúp định hình hoá các biện pháp giảm chấn để ứng dụng trong công tác thiết kế

1.7 Các kết luận rút ra từ tổng quan

Trên cơ sở phân tích tổng quan, luận án “Nghiên cứu rung động và biện

pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm” tập

trung giải quyết các vấn đề sau:

- Nghiên cứu các tham số động nền đất và tìm phương pháp xác định phù hợp với điều kiện thực tế hiện nay của Việt Nam