Luận án tiến sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Phân tích ổn định khối đất trước gương hầm

ii TÓM TẮT LUẬN ÁN Qua nhiều thập kỷ, có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện để khảo sát, tính toán áp lực chủ động tác dụng lên gương hầm do sử dụng khiên cân bằng áp lực đất hoặc vữa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ANH TUẤN

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẤT TRƯỚC GƯƠNG HẦM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ANH TUẤN

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẤT TRƯỚC GƯƠNG HẦM

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số chuyên ngành: 62.58.60.01

Phản biện độc lập 1: PGS.TS Nguyễn Phi Lân Phản biện độc lập 2: PGS.TS Châu Trường Linh

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thành Đạt Phản biện 2: PGS.TS Lê Văn Nam

Phản biện 3: PGS.TS Võ Ngọc Hà

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TS Châu Ngọc Ẩn 2 PGS TS Nguyễn Minh Tâm

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Anh Tuấn

ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Qua nhiều thập kỷ, có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện để khảo sát, tính toán áp lực chủ động tác dụng lên gương hầm do sử dụng khiên cân bằng áp lực đất hoặc vữa để thi công hầm trong đất cát hoặc đất sét Tuy nhiên khảo sát áp lực phá hoại bị động lên gương hầm thì vẫn còn chưa nhiều Vì vậy, việc nghiên cứu về vấn đề này là hết sức cần thiết, có tính khoa học và thực tiễn

Trong Luận án này, tác giả đã thực hiện hai thí nghiệm mô hình ly tâm tại trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hong Kong cho hai trường hợp đặt hầm tại vị trí C/D (C - chiều dày tầng phủ trên đỉnh hầm; D - đường kính hầm) bằng 1,5 và 3,3 nhằm khảo sát sự phá hoại bị động và cơ chế biến dạng khối đất trước gương hầm trong nền hai lớp, đất cát và đất sét

Các thí nghiệm được thực hiện trên mô hình thu nhỏ tỉ lệ 1/100 Quá trình thí nghiệm mô phỏng quá trình tiến lên của gương hầm với tốc độ 0,2mm/s (tương đương 15m/ngày trong thực tế), và chuyển vị đến 40mm thì dừng lại Các LVDT được sử dụng để đo chuyển vị mặt đất trong quá trình thí nghiệm Kỹ thuật PIV đo lường sự dịch chuyển của đất trước gương hầm Các cảm biến lực gắn trong phần đầu gương hầm ghi nhận áp lực bị động tác dụng lên gương hầm

Khi gương hầm tiến tới, đất ở phía trước của gương hầm bị dịch chuyển về phía trước, trong khi đất cách xa mặt đường hầm bị đẩy ra phía ngoài, tác dụng đến mặt đất và do đó làm trồi mặt đất tạo nên vùng phá hoại Cơ chế phá hoại cục bộ trước gương hầm tương tự như phá hoại cắt cục bộ Khi các cơ chế phá hoại quan sát được lý tưởng hóa bằng đường liền, cơ chế phá hoại đất trước gương hầm có dạng phễu Khi đó, góc tạo bởi bề mặt phá hoại bị động và mặt phẳng theo phương ngang một góc  xấp xỉ (450 - ’/2) và bề rộng vùng phá hoại cách gương hầm một đoạn khoảng 1,5D

Đối với đường hầm đặt ở tỷ lệ C/D bằng 1,5, các giá trị áp lực phá hoại bị động tại gương hầm Nγm đo được tăng dần khi Sx/D nhỏ hơn 0,3 Sau đó, Nγm tăng nhưng tỷ lệ giảm và đạt tới trạng thái ổn định khi Sx/D bằng 0,7 Trong khi đó, khi hầm đặt ở vị trí

iii C/D bằng 3,3, giá trị Nγm đo được tăng nhanh khi gương hầm tiến lên đến Sx/D bằng 0,6, và cũng đạt tới trạng thái ổn định khi Sx/D bằng 0,7 Giá trị áp lực phá hoại bị động tại gương hầm tăng lên khi chiều sâu đặt hầm tăng từ 1,5 lên 3,3 tương ứng từ 1,6% đến 39%

Áp lực phá hoại bị động trước gương hầm đối với trường hợp đất cát trạng thái chặt vừa có thể xác định theo công thức:

𝜑′

2) 𝛾 (𝐶 +

𝐷2)

iv

ABSTRACT

Over the decades, many studies have been conducted to investigate the active pressure exerted on the tunnel face by using earth pressure balance shield or slurry to construct in sand or clay However, there are not many investigations on the passive failure pressure on the tunnel face Therefore, the studying on this issue is very necessary, scientific and practical

In this thesis, the author performed two centrifugal model tests at the University of Science and Technology of Hong Kong for two cases where the tunnel was located at C/D (C - cover of tunnel; D - tunnel diameter) of 1.5 and 3.3 to investigate the passive failure and deformation mechanism due to tunnelling in two-layer soils, sand and clay The tests were carried out on a 1/100 scale miniature model The experimental process simulated the progress of the tunnel face with a speed of 0.2mm/s (equivalent to 15m per day in practice), and displaced to 40mm then stopped LVDTs are used to measure the ground transitions during the testing process PIV technology measures the movement of soil in front of the tunnel face The loadcells attached to one end of the tunnel face in order to obtain the passive pressure exerted on the tunnel face

As the tunnel face displacement, the ground in front of the tunnel face is shifted forward, while the ground which is far from the surface of the tunnel is pushed outward, effected on the ground and thus causes the ground to emerge so form a breakout The partial failure mechanism in front of the tunnel face is similar to

localised cutting mechanism When the observation failure mechanisms are idealized by continuous lines, the failure mechanism of ground in front of the tunnel face is shaped like a funnel At that point, the angle formed by the surface of the failure passive and the horizontal plane is an angle of approximately (450 - ’/2) and the width of the failure zone is about 1.5D

For tunnels set at a C/D ratio of 1.5, the pressure values of failure passive at the tunnel face Nγm were increased when Sx/D was less than 0.3 After that, Nγm increases but the

v ratio decreases and reaches steady state when Sx /D is 0.7 Meanwhile, when the tunnel is placed at C/D of 3.3, the Nγm value measured is increased rapidly as the tunnel reaches Sx/D by 0.6, and also reaches steady state when Sx/D is 0.7 The value of passive failure pressure at the tunnel face is increased when the tunnel depth increased from 1.5 to 3.3, equivalent from 1.6% to 39%, respectively

The passive failure pressure in front of the tunnel face in case of medium dense sand can be determined by the formula as follows:

vi

LỜI CÁM ƠN

Qua thời gian thực hiện và hoàn thành Luận án Tiến sĩ “Phân tích ổn định khối đất trước gương hầm”, tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Châu Ngọc Ẩn, PGS.TS Nguyễn Minh Tâm trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã định hướng khoa học, luôn quan tâm và tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Tôi luôn ghi nhớ và tri ân cố PGS TS Trần Xuân Thọ, nguyên giảng viên trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã định hướng và đồng hành cùng tôi trong thời gian nghiên cứu từ năm 2010 đến năm 2014

Và tôi cũng trân trọng cảm ơn các thầy, cô trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, phòng Đào tạo Sau Đại học, khoa Kỹ thuật Xây dựng và Bộ môn Địa cơ Nền móng đã tận tình giảng dạy, tạo điều kiện học tập và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường

Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tác giả các công trình công bố đã trích dẫn trong luận án vì đã cung cấp nguồn tư liệu quý báu, những kiến thức liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành Luận án

Cuối cùng là sự biết ơn sâu sắc của tôi tới Lãnh đạo trường Đại học Giao thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh, những đồng nghiệp, bạn bè thân thiết và gia đình đã liên tục động viên để duy trì nghị lực, sự cảm thông, chia sẻ và khích lệ tôi trong suốt quá trình thực hiện Luận án

vii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG BIỂU xvi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvii

MỞ ĐẦU 1

Tính cấp thiết của đề tài 1

Mục tiêu nghiên cứu 2

Phương pháp nghiên cứu 2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

Nội dung luận án 3

Những đóng góp mới của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH GƯƠNG HẦM VÀ KHỐI ĐẤT TRƯỚC GƯƠNG HẦM 5

Giới thiệu 5

Kỹ thuật thi công hầm bằng khiên đào 5

Áp lực chống đỡ gương hầm 7

Các trường hợp nghiên cứu 8

1.4.1 Các nghiên cứu lý thuyết 8

1.4.2 Các nghiên cứu thực nghiệm 15

1.4.2.1 Thực nghiệm hiện trường 15

1.4.2.2 Các nghiên cứu dựa theo mô hình thí nghiệm 20

1.4.3 Các nghiên cứu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn 28

2.3.1 Nghiên cứu của Leca và Domieux (1990) 34

2.3.2 Nghiên cứu của Soubra (2002) 40

Tổng quan về kỹ thuật mô hình ly tâm 51

3.2.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật mô hình ly tâm 51

3.2.2 Chuyển động cơ học của mô hình máy ly tâm 53

3.2.3 Các nguyên tắc cơ bản của mô hình ly tâm 55

3.2.4 Ứng dụng chính của mô hình máy ly tâm 55

3.2.4.1 Mô hình hoá nguyên mẫu 55

3.2.4.2 Khảo sát các hiện tượng mới 55

3.2.4.3 Nghiên cứu các thông số 56

3.2.4.4 Kiểm chứng phương pháp số 56

3.2.5 Nguyên tắc tỉ lệ trong mô hình ly tâm 56

3.2.6 Lỗi và kiểm soát lỗi trong mô hình ly tâm 58

Thiết lập mô hình thí nghiệm ly tâm phân tích ổn định khối đất trước gương hầm 61

3.3.1 Thiết bị thực hiện các thí nghiệm ly tâm 61

3.3.4.1 Đo chuyển vị của mặt đất 68

3.3.4.2 Đo chuyển vị trong đất 71

3.3.4.3 Xác định áp lực và chuyển vị bề mặt đất xung quanh hầm 72

3.3.5 Trình tự thí nghiệm 73

3.3.6 Những khó khăn gặp phải trong quá trình thiết kế và chuẩn bị thí nghiệm mô hình ly tâm 76

Kết luận chương 77

ix

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM LY TÂM 79

Cơ chế phá hoại và áp lực phá hoại bị động tại gương hầm 79

4.1.1 Cơ chế phá hoại bị động tại gương hầm 79

4.1.2 Áp lực phá hoại bị động tại gương hầm 86

4.1.3 Thiết lập công thức tính áp lực phá hoại bị động tại gương hầm 88

Chuyển vị bề mặt đất trước gương hầm 96

Kết luận chương 100

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106PHỤ LỤC

x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 0.1 Áp lực tác dụng lên gương đào khi thi công hầm bằng khiên 1

Hình 1.1 Khiên đào cân bằng áp lực đất EPB - TBM 5

Hình 1.2 Công nghệ thi công hầm bằng khiên 6

Hình 1.3 Hầm sau khi thi công xong 7

Hình 1.4 Nguyên lý cân bằng áp lực máy EPB - TBM 8

Hình 1.5 Sơ đồ đánh giá ổn định gương hầm 9

Hình 1.6 Các cơ chế phá hoại cận trên 10

Hình 1.7 Giới hạn cận trên và cận dưới 10

Hình 1.8 Cơ chế phá hoại cận trên theo Davis và các cộng sự (1980) 11

Hình 1.9 Mô hình của Horn (1961) và Kovari & Anagnostou (1996) 13

Hình 1.10 Các tham số mô hình tính toán ổn định mặt gương 14

Hình 1.11 Cơ chế phá hoại đa khối do Mollon và các cộng sự (2009) đề xuất 14

Hình 1.12 Mô phỏng 3D cơ chế phá hoại đất trước gương hầm trường hợp đặt nông 15

Hình 1.13 Quan hệ giữa áp lực chống đỡ và chuyển vị đất trước gương hầm 16

Hình 1.14 Chuyển vị đất trước gương hầm khi hầm tiến tới 16

Hình 1.15 Áp lực gương đào khi hầm tiến tới 19

Hình 1.16 Quan hệ giữa lực đẩy và áp lực gương đào 20

Hình 1.17 So sánh áp lực gương hầm với cận trên và cận dưới 21

Hình 1.18 Tương quan giữa chuyển vị của piston và áp lực gương hầm 22

Hình 1.19 Chuyển vị sau khi piston di chuyển 5 mm cho tỉ lệ: a) C/D = 1,5; b) C/D = 1,0 và c) C/D = 0,5 22

xi Hình 1.20 Chuyển vị khi piston di chuyển thêm mỗi 5 mm cho tỷ lệ: a) C / D = 1.5, b)

C / D = 0.5 23

Hình 1.21 Kết quả thí nghiệm cho trường hợp C/D = 2 24

Hình 1.22 Các cơ chế phá hoại với các trường hợp đặt hầm C/D = 0,5; 1,0 và 2,0 24

Hình 1.23 Các cơ chế phá hoại tại gương hầm có D=13m đặt tại C/D bằng 4,0 với chiều dài gương hầm khác nhau 25

Hình 1.24 Cơ chế phá hoại trong các thí nghiệm ly tâm tại 25g và 30g 25

Hình 1.25 Cơ chế phá hoại trong các thí nghiệm ly tâm tại 80g 26

Hình 1.26 Quan hệ giữa áp lực chống đỡ gương hầm và tỉ số C/D 27

Hình 1.27 Quan hệ giữa áp lực phá hoại bị động và vị trí gương hầm 27

Hình 1.28 Ứng suất (a-c) và cơ chế phá hoại (d-f) khối đất trước gương hầm trường hợp C/D = 5 28

Hình 1.29 Cơ chế phá hoại chủ động gương hầm trong điều kiện thoát nước 29

Hình 1.30 Chuyển vị đất trước gương hầm a) khiên đào trần; b) khiên EPB-TBM 29

Hình 1.31 Cơ chế phá hoại khối đất trước gương hầm theo Pavlos Vardoulakis a) C/D=0,5; b) C/D = 1; c) C/D=2 30

Hình 2.1 Đánh giá tổ hợp vùng tải chống đỡ 33

Hình 2.2 Suy giảm vận tốc dọc theo bề mặt phá hoại 33

Hình 2.3 Mô hình tính áp lực ổn định gương theo Leca và Dormieux 34

Hình 2.4 Các khối hình nón và điều kiện động học sử dụng trong cơ chế phá hoại 34

Hình 2.5 Phá hoại theo cơ chế MI 35

Hình 2.6 Phá hoại theo cơ chế MII 35

xii

Hình 2.7 Phá hoại theo cơ chế MIII 36

Hình 2.8 Vùng phá hoại mặt hầm 36

Hình 2.9 Các giá trị cận trên của Ns và N cho trường hợp sụp đổ 39

Hình 2.10 Các giá trị cận trên của Ns và N cho trường hợp đẩy trồi 39

Hình 2.11 Cơ chế phá hoại năm khối (M1) cho phá hoại chủ động (Soubra, 2002) 40

Hình 2.12 Cơ chế phá hoại năm khối (M2) cho phá hoại bị động (Soubra, 2002) 41

Hình 2.13 So sánh giá trị 𝑁𝛾𝑐 của Soubra (2002) với Leca & Domieux (1990) cho trường hợp sụp đổ 42

Hình 2.14 So sánh giá trị 𝑁𝑠𝑐 của Soubra (2002) với Leca & Domieux (1990) cho trường hợp sụp đổ 42

Hình 2.15 So sánh giá trị 𝑁𝛾𝑏 của Soubra (2002) với Leca & Domieux (1990) cho trường hợp đẩy trồi 43

Hình 2.16 So sánh giá trị 𝑁𝑠𝑏 của Soubra (2002) với Leca & Domieux (1990) cho trường hợp đẩy trồi 43

Hình 2.17 Các trường ứng suất (a) SI; (b) SII; (c) SIII 44

Hình 2.18 Giá trị cận dưới của NS và N ( >0) (a) sụp đổ và (b) đẩy trồi 48

Hình 2.19 Giá trị cận dưới NS ( = 0) (a) sụp đổ và (b) đẩy trồi 49

Hình 3.1 Máy ly tâm dạng thanh 52

Hình 3.2 Máy ly tâm dạng trống 52

Hình 3.3 Hình chiếu bằng của mẫu đất trong máy ly tâm 54

Hình 3.4 So sánh ứng suất theo độ sâu giữa mô hình ly tâm và nguyên mẫu 59

Hình 3.5 Các thành phần của gia tốc bên khi máy ly tâm quay 60

xiii

Hình 3.6 Máy ly tâm tại HKUST 61

Hình 3.7 Thí nghiệm ly tâm T1 với C/D = 1,5 62

Hình 3.8 Thí nghiệm ly tâm T2 với C/D = 3,3 62

Hình 3.9 Rót cát vào mô hình thí nghiệm 63

Hình 3.10 Mô hình thùng chữ nhật trong thí nghiệm ly tâm 66

Hình 3.11 Mô hình đường hầm trước và sau khi lắp đặt 67

Hình 3.12 Hệ thống gia tải tác dụng lên đường hầm 68

Hình 3.13 Sơ đồ bố trí các LVDT 69

Hình 3.14 Các LVDT sau khi lắp đặt 71

Hình 3.15 Camera theo dõi sự dịch chuyển đất 72

Hình 3.16 Các điểm kiểm soát trên mặt trước của mô hình 72

Hình 3.17 Thiết bị xác định áp lực gương hầm 73

Hình 3.18 Chuyển mô hình để lắp đặt vào máy ly tâm 73

Hình 3.19 Mô hình thí nghiệm sau khi lắp đặt vào máy ly tâm 74

Hình 3.20 Mô hình thí nghiệm sau khi được lắp đặt hoàn chỉnh 74

Hình 3.21 Hiệu chỉnh cảm biến lực 75

Hình 3.22 Quá trình tiến lên của gương hầm trong thí nghiệm ly tâm 76

Hình 3.23 Hệ thống thiết bị ghi nhận dữ liệu trong quá trình thí nghiệm 76

Hình 4.1 Hầm trong hệ toạ độ xyz 79

Hình 4.2 Vectơ chuyển vị đã được chuẩn hóa cho trường hợp C/D=1,5; Sx/D=0,1 80

Hình 4.3 Vectơ chuyển vị đã được chuẩn hóa cho trường hợp C/D=1,5; Sx/D=0,3 80

Hình 4.4 Vectơ chuyển vị đã được chuẩn hóa cho trường hợp C/D=1,5; Sx/D=0,5 81

xiv

Hình 4.5 Vectơ chuyển vị đã được chuẩn hóa cho trường hợp C/D=1,5; Sx/D=0,7 81

Hình 4.6 Vectơ chuyển vị đã được chuẩn hóa cho trường hợp C/D=1,5; Sx/D=0,8 82

Hình 4.7 Vectơ chuyển vị đã được chuẩn hóa cho trường hợp C/D=3,3; Sx/D=0,1 82

Hình 4.8 Vectơ chuyển vị đã được chuẩn hóa cho trường hợp C/D=3,3; Sx/D=0,3 83

Hình 4.9 Vectơ chuyển vị đã được chuẩn hóa cho trường hợp C/D=3,3; Sx/D=0,5 83

Hình 4.10 Vectơ chuyển vị đã được chuẩn hóa cho trường hợp C/D=3,3; Sx/D=0,7 84

Hình 4.11 Vectơ chuyển vị đã được chuẩn hóa cho trường hợp C/D=3,3; Sx/D=0,8 84

Hình 4.12 Góc tạo bởi bề mặt phá hoại bị động và mặt phẳng ngang 86

Hình 4.13 Biểu đồ quan hệ giữa Nm và Sx/D 87

xv Hình 4.27 Chuyển vị bề mặt đất xung quanh hầm trong thí nghiệm T2 98 Hình 4.28 Chuyển vị bề mặt đất theo phương dọc hầm trong thí nghiệm T1 và T2 99

xvi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thống kê áp lực chống đỡ gương hầm 12

Bảng 1.2 Tổng kết đánh giá một số công trình của Chou và Bobet (2001) 18

Bảng 2.1 Giá trị của C/D cho trường hợp sụp đổ và trường hợp đẩy trồi 47

Bảng 3.1 Hệ số tỉ lệ của thí nghiệm ly tâm 58

Bảng 3.2 Thông số lớp cát cho các thí nghiệm ly tâm 64

Bảng 3.3 Thông số lớp sét cho các thí nghiệm ly tâm 64

Bảng 4.1 Áp lực tiêu chuẩn tại gương hầm khi Sx/D biến thiên cho 2 trường hợp 87

Bảng 4.2 Tỉ lệ giữa Nm và z 89

Bảng 4.3 Các hệ số tương quan giữa Nm và z khi C/D thay đổi 89

Bảng 4.4 Tổng hợp các hệ số của phương trình xác định KT 90

Bảng 4.5 Chuyển vị bề mặt xung quanh hầm thu được từ thí nghiệm T1 97

Bảng 4.6 Chuyển vị bề mặt xung quanh hầm thu được từ thí nghiệm T2 97

C (m) Chiều dày tầng đất phủ trên đỉnh hầm

Kp Hệ số áp lực ngang bị động kw (m/s) Hệ số thấm của đất

N, Nq, Nc Hệ số sức chiụ tải Nm (kN/m2) Áp lực phá hoại bị động tại gương hầm Re (m) Khoảng cách từ trục máy ly tâm đến 1/3 chiều sâu mô hình Rt (m) Khoảng cách từ trục máy ly tâm đến đỉnh mô hình

Su (kN/m2) Sức chống cắt không thoát nước Sx (m) Khoảng cách từ điểm đang xét đến vị trí gương hầm ban đầu

xviii

x (m) Khoảng cách từ trục tim hầm đến điểm đang xét (phương ngang) v (m/s) Tốc độ tiến lên của hầm

   ệ số gia tăng ứng suất không thoát nước theo độ sâu vb (kN/m2) Áp lực tới hạn tại vị trí trục hầm

v0 (kN/m2) Áp lực tầng phủ tại vị trí trục hầm i (kN/m2) Áp lực tác dụng lên gương hầm T (kN/m2) Áp lực chống đỡ gương hầm  (độ) Góc ma sát trong của đất ' (độ) Góc ma sát trong hữu hiệu  (kN/m3) Dung trọng của đất

' (kN/m3) Dung trọng đẩy nổi w (kN/m3) Dung trọng của nước

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống metro trên thế giới hiện đang trở thành phương tiện giao thông an toàn, nhanh chóng, hiện đại, tiện nghi, không gây ô nhiễm, có năng lực vận chuyển lớn, giải quyết được nhu cầu đi lại của người dân Vì vậy, việc xây dựng một hệ thống giao thông đô thị hiện đại đáp ứng được nhu cầu đi lại của dân cư như hệ thống metro là điều cần thiết đối với các thành phố đang phát triển như thành phố Hồ Chí Minh Trong tương lai Tp HCM sẽ có 6 tuyến metro, 3 tuyến xe điện mặt đất, 2 tuyến đường sắt nhẹ trên cao Hiện tại 2 trong số 6 tuyến metro đã khởi công xây dựng (tuyến số 1, Bến Thành - Suối Tiên và tuyến số 2, Bến Thành-Tham Lương) Tuy nhiên, việc phát triển một mạng lưới các tuyến metro trong trung tâm thành phố, nơi mà đã quá chật chội cho việc bố trí thêm các tuyến đường, là một vấn đề rất khó Chính vì thế giải pháp đưa các tuyến metro xuống đi ngầm dưới lòng đất ở độ sâu phù hợp tại khu vực trung tâm là giải pháp tối ưu nhất đối với tình hình hiện nay của Thành phố

Hình 0.1 Áp lực tác dụng lên gương đào khi thi công hầm bằng khiên Khiên đào cân bằng áp lực đất EPB - TBM hiện nay gần như là thiết bị tối ưu nhất để thi công hầm khu vực trung tâm các đô thị lớn Tuy nhiên quá trình thi công hầm bằng

2 khiên đào có thể gây áp lực chủ động vào đất nền trước gương đào Điều này có thể gây ra chuyển vị đất và tác động lên các công trình lân cận trong phạm vi ảnh hưởng Việc nghiên cứu đánh giá quy luật phân bố áp lực và chuyển vị của đất trước gương hầm có ý nghĩa quan trọng giúp hỗ trợ thực hiện thi công hợp lý

Qua nhiều thập kỷ, có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện để khảo sát, tính toán áp lực chủ động tác dụng lên gương hầm do sử dụng khiên cân bằng áp lực đất hoặc vữa để thi công hầm trong đất cát hoặc đất sét Tuy nhiên khảo sát áp lực phá hoại bị động lên gương hầm cũng như xác định giá trị áp lực này thì vẫn còn rất ít Vì vậy, việc nghiên cứu về vấn đề này là hết sức cần thiết, có tính khoa học và thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu

Phân tích cơ chế phá hoại, áp lực phá hoại bị động và biến dạng bề mặt đất tại gương hầm, bao gồm:

a) Xác định cơ chế phá hoại của khối đất trước gương hầm trong quá trình thi công; b) Đo áp lực phá hoại bị động tác dụng lên gương hầm khi gương hầm tiến lên; c) Thiết lập công thức tính áp lực phá hoại bị động tại gương hầm cho trường hợp đất cát trạng thái chặt vừa;

d) Phân tích cơ chế biến dạng bề mặt đất gây ra bởi chuyển vị gương hầm trong đất cát

3 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu chủ yếu được áp dụng trong Luận án bao gồm: - Phương pháp tổng quan, thu thập dữ liệu: Tổng hợp các nghiên cứu của các tác giả trên thế giới về ổn định gương hầm và ổn định khối đất trước gương hầm trong điều kiện địa chất khác nhau

- Phương pháp phân tích: Sau khi tiến hành thu thập, tổng hợp dữ liệu, tiến hành phân tích các vấn đề các tác giả đã nghiên cứu và đề xuất những điểm còn tồn tại cần nghiên cứu trong Luận án

3 - Phương pháp mô hình hóa: Thực hiện hai thí nghiệm mô hình ly tâm T1 và T2 tiến hành bởi thiết bị thí nghiệm ly tâm ở Đại học Khoa học và Công nghệ Hong Kong (HKUST) nhằm phân tích ổn định và biến dạng khối đất trước gương hầm

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu, khảo sát ổn định khối đất trước gương hầm bằng các thí nghiệm mô hình ly tâm khi thay đổi chiều sâu đặt hầm Các mô hình được thực hiện với tỉ lệ 1/100, mô phỏng quá trình tiến lên của gương hầm trong nền hai lớp, phía trên là lớp đất cát trạng thái chặt vừa và phía dưới là lớp sét cứng

Trong các mô hình ly tâm, không xét đến ảnh hưởng của mất mát thể tích đào và chỉ xét trường hợp gương hầm tiến về phía trước, tạo ra vùng phá hoại, gây áp lực phá hoại bị động lên gương hầm và biến dạng khối đất trước gương hầm

5 Nội dung luận án

Cấu trúc Luận án gồm các phần sau đây: Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về ổn định gương hầm và khối đất trước gương hầm Chương này trình bày các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (thực nghiệm hiện trường và mô hình thí nghiệm) cũng như nghiên cứu dựa trên phương pháp PTHH về ổn định gương hầm và ổn định khối đất trước gương hầm

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích ổn định khối đất trước gương hầm Chương này trình bày cơ sở lý thuyết đánh giá, xác định cơ chế phá hoại bị động, vùng phá hoại và biến dạng khối đất trước gương hầm theo định lý cận trên và cận dưới

Chương 3: Thiết lập thí nghiệm mô hình ly tâm phân tích ổn định khối đất trước gương hầm Chương này trình bày tóm tắt quá trình phát triển của kỹ thuật mô hình ly tâm và các nguyên tắc cơ bản để thiết lập mô hình ly tâm thu nhỏ từ nguyên mẫu ngoài thực tế đối với các bài toán Địa kỹ thuật nói chung và công trình ngầm nói riêng Đồng thời trình bày chi tiết các thí nghiệm ly tâm được tác giả thực hiện tại trường Đại học

4 Khoa học và Công nghệ Hong Kong nhằm phân tích ổn định khối đất trước gương hầm khi hầm tiến lên trong nền hai lớp

Chương 4: Phân tích kết quả thí nghiệm ly tâm Chương này trình bày các kết quả, phân tích đánh giá cơ chế phá hoại bị động, áp lực phá hoại bị động và biến dạng của đất trước gương hầm trong các thí nghiệm ly tâm Đề xuất công thức tính áp lực phá hoại bị động tại gương hầm cho trường hợp đất cát trạng thái chặt vừa

Kết luận và kiến nghị

6 Những đóng góp mới của Luận án

Kết quả nghiên cứu của Luận án đã rút ra một số điểm mới nổi bật như sau: - Xác định được cơ chế phá hoại bị động, vùng phá hoại khối đất trước gương hầm: Khi gương hầm tiến tới, đất ở phía trước của gương hầm bị dịch chuyển về phía trước, trong khi đất cách xa mặt đường hầm bị đẩy ra phía ngoài, tác dụng đến mặt đất và do đó làm trồi mặt đất tạo nên vùng phá hoại Cơ chế phá hoại cục bộ trước gương hầm tương tự như phá hoại cắt cục bộ Khi các cơ chế phá hoại quan sát được lý tưởng hóa bằng đường liền, cơ chế phá hoại đất trước gương hầm có dạng phễu

- Bề rộng vùng phá hoại cách gương hầm khoảng 1,5D và phạm vi ảnh hưởng đến các công trình lân cận do quá trình thi công hầm bằng khiên gây ra khoảng 3D

- Đề xuất góc tạo bởi bề mặt phá hoại bị động và mặt phẳng theo phương ngang một góc  xấp xỉ (450 - ’/2), với ’ là góc ma sát trong hữu hiệu của lớp đất đặt hầm - Đề xuất công thức xác định áp lực phá hoại bị động trước gương hầm phụ thuộc vị trí đặt hầm, vị trí tính toán áp lực phá hoại bị động cho trường hợp đất cát trạng thái chặt vừa:

Các đóng góp mới của luận án rất có giá trị cho các kỹ sư lựa chọn khiên đào hợp lý cho việc thi công hầm trong điều kiện địa chất thành phố Hồ Chí Minh và các khu vực có điều kiện địa chất tương tự Đồng thời có thể xác định giá trị áp lực chống đỡ

5 gương hầm đảm bảo gương hầm ổn định trong quá trình thi công Bên cạnh đó, cơ chế biến dạng đất xung quanh hầm giúp giảm thiểu ảnh hưởng của việc thi công hầm đến các công trình lân cận

Chương này trình bày về kỹ thuật thi công hầm bằng phương pháp khiên đào, các nghiên cứu lý thuyết; nghiên cứu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn; thực nghiệm hiện trường và sử dụng mô hình thu nhỏ trong phòng thí nghiệm về ổn định gương hầm và khối đất trước gương hầm

Kỹ thuật thi công hầm bằng khiên đào

Khiên đào cân bằng áp lực đất EPB - TBM hiện nay gần như là thiết bị tối ưu nhất để thi công hầm khu vực trung tâm các đô thị lớn Phương pháp này được áp dụng để thi công những đường hầm trong môi trường nền đất và đá yếu, nằm sâu dưới mặt đất, bên dưới những công trình kiến trúc khác đã xây dựng trên mặt đất

Hình 1.1 Khiên đào cân bằng áp lực đất EPB-TBM

7 Khiên đào là tổ hợp máy làm hầm chuyên dụng bao gồm: vỏ khiên là một vành tròn lớn bằng thép có khả năng chịu lực làm nhiệm vụ chắn đất xung quanh hầm Trên mặt gương đào của khiên là bộ phận máy đào làm nhiệm vụ cắt phá đất đá Máy đào làm việc theo nguyên lý xoay như rôto làm chuyển động các lưỡi cắt để gọt đất đá Bên trong thân khiên có trang bị các loại động cơ, máy bốc xúc và vận chuyển đất đá thải, máy nâng lắp ghép các phiến vỏ hầm Phía sau khiên quanh chu vi vành khiên là hệ thống kích thủy lực Hệ thống này tựa vào phần vỏ hầm đã xây, đẩy toàn bộ thiết bị tiến lên phía trước, ở phía gương đào quanh chu vi vành khiên là vật liệu thép đặc biệt có tác dụng như một lưỡi dao xén đất, cắt bỏ phần đất đá mà máy đào chưa phá hết Đường hầm được nối dài cho đến khi tiến ra cửa hầm phía bên kia với tốc độ 10-20m/ngày đêm [67]

Trình tự thi công hầm bằng khiên được thể hiện qua sơ đồ hình 1.2

Hình 1.2 Công nghệ thi công hầm bằng khiên [67]

Ưu điểm của phương pháp thi công bằng khiên - TBM: [67]

- Thi công rất an toàn do có sự che chắn của khiên trong quá trình đào - Tốc độ thi công nhanh, quá trình thi công được cơ giới hóa tự động cao như đào đất, đưa đất ra, lắp ráp vỏ hầm…

- Khi thi công không ảnh hưởng đến giao thông và các công trình bên trên mặt đất, đi xuyên qua đáy sông không ảnh hưởng đến giao thông thủy

- Trong quá trình thi công không bị ảnh hưởng bởi khí hậu, thời tiết

8 - Không gây tiếng ồn trong quá trình thi công, không cản trở môi trường xung quanh - Khi xây dựng đường hầm trong đất yếu ngậm nước, hoặc ở dưới sâu có nhiều ưu thế vì phương pháp khiên thích hợp xây dựng trong địa tầng rời rạc, mềm yếu và có nước

- Yêu cầu về phối hợp kỹ thuật thi công chế tạo thiết bị, cung ứng thiết bị khí nén, chế tạo sẵn các tấm vỏ hầm, kết cấu chống thấm, phòng nước của vỏ hầm, trắc đạc thi công, bố trí công địa, chuyển dịch khiên…và sự điều hòa của hệ thống công trình phức tạp

Hình 1.3 Hầm sau khi thi công xong [67]

Áp lực chống đỡ gương hầm

Để tránh tình trạng mất đất có thể dẫn đến sự sụp đổ của bề mặt đang khoan do đất trở nên mất ổn định, máy EPB - TBM được thiết kế với một buồng khoan kín tạo ra sự

9 chống đỡ bề mặt hiệu quả và làm cho áp lực đất bên trong máy khoan cân bằng với áp lực đất bên ngoài máy khoan Nguyên lý hoạt động của máy EPB-TBM là phần đất đá sau khi đào sẽ được trộn với nước, vữa sét hoặc các chất phụ gia như bọt hoặc polymer Hỗn hợp này sẽ tạo thành 1 lớp dán lên buồng khoan có tác dụng tạo ra áp lực ngược chiều với áp lực của đất, và sau khi hoàn tất hỗn hợp này sẽ được chuyển ra ngoài qua các băng chuyền

Áp lực này được duy trì ổn định trong suốt quá trình khoan Tuy nhiên, do trọng lượng bản thân, áp lực đất và áp lực nước tăng lên từ đỉnh hầm đến đáy hầm nên áp lực phía đáy hầm sẽ lớn hơn để duy trì sự cân bằng

Hình 1.4 Nguyên lý cân bằng áp lực máy EPB – TBM [67]

Các trường hợp nghiên cứu

1.4.1 Các nghiên cứu lý thuyết

Broms & Bennermark (1967) đánh giá ổn định gương hầm qua hệ số ổn định N [10]

uTS

uTob

S

DCS

N

)2(



(1.1) Trong điều kiện không thoát nước, các thông số trong phương trình 1.1 được giả thiết là hằng số, ngoại trừ áp lực chống đỡ gương hầm T Do đó giá trị N phụ thuộc vào áp

10 lực chống đỡ gương hầm T Nếu như áp lực chống đỡ gương hầm bằng với giá trị ứng suất tới hạn ob thì gương hầm ở trạng thái ổn định hoàn toàn tương ứng với N = 0

Hình 1.5 Sơ đồ đánh giá ổn định gương hầm [10] Tuy nhiên trong thực tế, khi thi công hầm, lớp vỏ hầm được lắp đặt thay cho đất được đào đi dẫn tới giá trị áp lực chống đỡ gương hầm với giá trị ứng suất tới hạn khác nhau Khi đó, gương hầm sẽ chuyển sang trạng thái ít ổn định hơn và hệ số ổn định N sẽ tăng lên tương ứng Để duy trì sự ổn định của gương hầm, sự khác biệt giữa áp lực chống đỡ gương hầm với giá trị ứng suất tới hạn sẽ được hỗ trợ bởi đất xung quanh gương hầm hoặc các giải pháp gia cố [10]

Trong điều kiện không thoát nước, họ đề nghị rằng gương hầm sẽ ổn định khi N < 6 Davis và các cộng sự (1980) đã tìm ra 4 cơ chế phá hoại cận trên tùy thuộc vào kết cấu của hầm như hình 1.6 [20]

Cơ chế (1) và (2) là hai cơ chế đơn giản, “Mái hầm” và “Cơ chế mái và hai bên” Cơ chế (3) là trường hợp đặc biệt, bao gồm các cơ chế (1) và (2) Cơ chế (4) là một cơ chế với ba góc biến, "Mái hầm, cạnh và đáy”

Và các hệ số ổn định cận trên và cận dưới đối với hầm tròn biến dạng phẳng được xác định như hình 1.7

11 Hình 1.6 Các cơ chế phá hoại cận trên [20]

Hình 1.7 Giới hạn cận trên và cận dưới [20]

12 Đối với những loại đất có tính chất khác nhau theo độ sâu, hệ số ổn định có thể xác định như sau:





)2(1

)2(

0

DCc

DCN

uTS



( 1.2)

Nếu giả định rằng ứng suất gần đỉnh hầm lớn hơn giá trị tính toán, hệ số ổn định được tính như sau:





)2(1

)2(

0

DCc

DCN

uground



13 Bảng 1.1 Thống kê áp lực chống đỡ gương hầm [67]

Đường kính hầm (m)

Theo cân bằng áp lực đất (EPB)

8.21 Cát, đất dính Áp lực đất + áp lực nước + 20kPa 5.54 Cát hạt mịn Áp lực đất+áp lực nước+áp lực phụ thêm 4.93 Cát, đất dính Áp lực đất+30 đến 50kPa

2.48 Sỏi, đá gốc, đất dính Áp lực đất+áp lực nước 7.78 Sỏi, đất dính, bùn yếu Áp lực đất chủ động+áp lực nước

5.86 Đất dính trạng thái yếu Áp lực đất+20kPa

Theo cân bằng áp lực vữa

6.84 Đất dính trạng thái yếu,

đất cát lũ tích Áp lực đất chủ động+áp lực nước+20kPa 7.45 Đất cát, đất dính, sỏi Áp lực nước+30kPa

10.00 Đất cát, đất dính, sỏi Áp lực nước+40 đến 80kPa 7.45 Đất cát Áp lực đất mất mát+áp lực nước+áp lực phụ thêm 10.58 Đất cát, đất dính Áp lực đất chủ động+áp lực nước + 20kPa

7.25 Cát, sỏi, đất dính yếu Áp lực nước + 30kPa Kanayasu [29] đã thống kê các dự án đào hầm đã sử dụng các biện pháp tạo áp lực chống đỡ gương hầm khác nhau Khi sử dụng khiên cân bằng áp lực đất, áp lực chống đỡ gương hầm phụ thuộc vào điều kiện địa chất, áp lực nước và áp lực phụ thêm Đối với khiên cân bằng áp lực vữa bị khống chế trên cơ sở áp lực nước để tác động vào áp lực đất chủ động và áp lực phụ thêm Áp lực phụ thêm thường dùng để ngăn chặn sự thay đổi áp lực có thể xảy ra trong quá trình đào hầm Từ bảng 1.1 có thể thấy giá trị áp lực này khoảng 20kPa

Atkinson và Mair (1981) [5] [34] [35] [36] đề xuất các thông số ổn định hầm Tc, Ts và T tương tự như các hệ số khả năng chịu tải của nền, tương ứng là Nc, Nq và NNhững giá trị này phụ thuộc vào hình dạng của hầm và biến dạng của đất Những giá trị lý

14 thuyết của Tc được đề nghị bởi Davis và các cộng sự (1980) và một số thí nghiệm mô hình được thực hiện bởi Kimura và Mair (1981) để có được những giá trị thực nghiệm Atkinson và Potts (1977) [4] đã cũng đã nghiên cứu những giá trị của Ts và T dựa trên những phân tích lý thuyết và kết quả thí nghiệm mô hình

Mair (1981) [36] đã trình bày hệ số tải (LF) là tỉ số giữa hệ số ổn định trong điều kiện làm việc và tại thời điểm phá hoại Hệ số này là tương quan giữa hệ số ổn định chống lại sự phá hoại:

)(

)(

00

icV

iV

LF





 (1.6) Với ic là giá trị của i tại thời điểm phá hoại

Hệ số LF thuận tiện sử dụng để diễn tả mức độ an toàn chống lại sự phá hoại gương hầm [53]

Hình 1.9 Mô hình của Horn (1961) và Kovári và Anagnostou (1996) [2] Kovári và Anagnostou (1996) [1] [2] đã nghiên cứu ổn định gương đào theo cân bằng giới hạn Mô hình này được Horn xây dựng năm 1961 dựa trên giả thuyết của cơ học phá huỷ, được sử dụng đối với cả khiên đào cân bằng áp lực vữa và cân bằng áp lực đất Ông cho rằng có khối đất phía trước và trên gương đào bao gồm: hình nêm phía trước mặt gương và hình lăng trụ phía trên hình nêm kéo dài đến bề mặt đất trong

15 trạng thái tới hạn, chúng tạo ra áp lực trước gương Áp lực chống đỡ bề mặt S được xác định như là một phương trình của mặt trượt ω được thể hiện theo hình 1.9

Hình 1.10 Các tham số mô hình tính toán ổn định mặt gương [2]Trong đó: λ - hệ số áp lực ngang tương ứng; h0 - chiều cao cột nước tính từ đáy hầm Mollon và các cộng sự (2009) [38] đã tính toán áp lực phá hoại gương hầm trường hợp hầm trụ tròn đặt nông trong đất dính được thi công bởi khiên đào cân bằng áp lực Các mô hình lý thuyết dựa trên cơ chế phá hoại đa khối ba chiều của phương pháp động học sử dụng lý thuyết phân tích giới hạn Họ đã đề xuất cơ chế phá hoại đất trước gương hầm như hình 1.11 và 1.12 trên cơ sở cải tiến cơ chế phá hoại do Leca và Dormieux (1990) đề xuất

Hình 1.11 Cơ chế phá hoại đa khối do Mollon và các cộng sự (2009) đề xuất [38]

16 Hình 1.12 Mô phỏng 3D cơ chế phá hoại đất trước gương hầm trường hợp đặt nông

a) Trong hệ tọa độ (x, y, z) b) Mặt phẳng [38]

1.4.2 Các nghiên cứu thực nghiệm

1.4.2.1 Thực nghiệm hiện trường J N Shirlaw (1994) [57] đã tổng hợp kết quả đo đạc hiện trường 5 tuyến hầm tại Furongjiang được thi công bằng khiên cân bằng áp lực đất Áp lực chống đỡ gương hầm được sử dụng để duy trì ổn định và giảm biến dạng khối đất trước gương hầm Kết quả đo đạc chuyển vị khối đất trước gương hầm được so sánh với các tuyến hầm khác như tuyến N-2, San Francisco, Mỹ; tuyến ULU Pandan và tuyến 30I, Singapore; tuyến Tapei Main B, Đài Loan Nghiên cứu này đã chỉ ra cơ chế biến dạng của khối đất trước gương hầm tùy thuộc vào áp lực gương hầm và điều kiện địa chất Đồng thời cũng chỉ ra tương quan giữa áp lực chống đỡ gương hầm và áp lực tới hạn tại trục tim hầm

A Sirivachiraporn và N Phienwej (2012) [58] đã quan sát và đo đạc chuyển vị của khối đất trước gương hầm tuyến hầm tàu điện ngầm Bangkok, Thái Lan được thi công bởi 8 khiên cân bằng áp lực đất Hầm có đường kính 6,3m, đặt trong nền đất sét mềm Hình 1.13 cho thấy khi giá trị áp lực chống đỡ gương hầm nằm trong khoảng 150 -200kPa thì chuyển vị đất trước gương hầm là nhỏ nhất Và chuyển vị đất dọc theo trục hầm phụ thuộc vào vị trí của gương hầm như hình 1.14

17 Hình 1.13 Quan hệ giữa áp lực chống đỡ và chuyển vị đất trước gương hầm [58]

Hình 1.14 Chuyển vị đất trước gương hầm khi hầm tiến tới [58] Wei-I Chou và Antonio Bobet (2001) [70] sử dụng hệ số ổn định N do Broms và Bennermark (1967) đề xuất kết hợp với các kết quả nghiên cứu thực tế tổng cộng 14 công trình hầm ở các địa điểm khác nhau, công bố bảng tổng kết đánh giá ổn định của một số công trình như trong bảng 1.2

18 Bảng 1.2 Tổng kết đánh giá của Wei-I Chou và Antonio Bobet (2001) [70]

19 Sang-Hwan Kim và các cộng sự (2006) [54] đã nghiên cứu về ứng xử của gương hầm trong quá trình thi công hầm bằng khiên đào, tập trung vào nghiên cứu ổn định tức thời của gương hầm trong đất yếu dưới lòng sông ở Hàn Quốc Nghiên cứu được thực hiện tại hai công trình, hầm dưới sông Geum có đường kính 3,5m, đặt trong đất cát bụi và hầm dưới sông Nakdong có đường kính 3,4m, đặt trong đất sét

Đối với mỗi công trình, ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng tại gương hầm và moment xoắn của lưỡi cắt khiên đào được đo lường và ghi nhận trong suốt quá trình khiên tiến lên Nghiên cứu này cũng trình bày các phương pháp tiếp cận để đánh giá ổn định của hầm và cửa hầm trong điều kiện thoát nước và không thoát nước Trong thực tế, phân tích không thoát nước ổn định của gương hầm khi thi công hầm bằng khiên tại các công trình được thực hiện dựa trên các dữ liệu hiện trường đo được trong quá trình thi công

Hình 1.15 Áp lực gương đào khi hầm tiến tới [54] Hình 1.15 cho thấy sự thay đổi của áp lực gương đào khi hầm tiến tới Kết quả cho thấy các giá trị áp lực lên gương hầm, trong tất cả các đoạn hầm tương đối ổn định và tương tự như áp lực nước xuất hiện tại độ sâu của hầm Điều này có nghĩa là cân bằng áp lực trong gương đào đã được kiểm soát tốt Do đó, các tác dụng dài hạn thêm vào do sự chênh lệch áp lực gương hầm sau khi đào có thể dự đoán là rất nhỏ

20 Hình 1.16 cho thấy mối tương quan giữa lực đẩy và áp lực gương đào Bởi vì độ dốc của khiên hầm ở vị trí này là tương đối thoải, ứng suất hữu hiệu tác dụng lên vỏ khiên gần như không đổi, áp lực gương đào liên quan với áp lực đất phủ trên đỉnh hầm không đổi theo lý thuyết Từ các dữ liệu thu thập được, chỉ ra rằng áp lực gương đào là một biên giới hạn, ngoại trừ ở đoạn cuối hầm

Hình 1.16 Quan hệ giữa lực đẩy và áp lực gương đào [54] 1.4.2.2 Nghiên cứu dựa theo mô hình thí nghiệm

Atkinson và Potts (1977) [4] [5] đã thực hiện các mô hình thí nghiệm ly tâm dưới 75g để đánh giá các giải pháp cận trên và cận dưới áp lực phá hoại chủ động tại gương hầm Các đường hầm có đường kính khoảng 60mm Cát được sử dụng là phần mịn của cát khô Leighton Buzzard đi qua rây số 14 và giữ lại trên rây số 25 Cát chặt với hệ số rỗng khoảng 0,52

Hình 1.17 minh họa khả năng của các giải pháp cận trên và cận dưới bị ràng buộc để tính toán áp lực phá hoại chủ động của gương hầm Chính xác hơn, nghiên cứu này được áp dụng cho một phần mặt phẳng đường hầm đi từ đầu đường hầm Tuy nhiên, dựa trên các nghiên cứu trước đó ở Cambridge, phá hoại xảy ra trong phần hình trụ của đường hầm ra khỏi đầu đường hầm với P > 0 Đối với trường hợp với P bằng 0, áp lực phá hoại thấp hơn không đáng kể khi phá hoại xảy ra trong phần hình trụ của các nhóm bên dưới