Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định công trình ngầm và áp dụng cho một đường hầm ở thành phố Hồ Chí Minh

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, thực luận văn Thạc sĩ với đề tài “ Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định cơng trình ngầm áp dụng cho đường hầm thành phố Hồ Chí Minh” tác giả hoàn thành theo nội dung đề cương nghiên cứu, Hội đồng Khoa học Đào tạo Khoa Cơng Trình phê duyệt Luận văn thực với mục đích nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy tính tốn ổn định cơng trình ngầm Để có kết này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PSG.TS Trịnh Minh Thụ PGS.TS Mai Văn Cơng - Khoa Cơng trình - Trường Đại học Thủy lợi tận tình hướng dẫn, bảo đóng góp ý kiến quý báu suốt trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình, hỗ trợ mặt chuyên môn kinh nghiệm thầy giáo khoa Cơng trình đặc biệt thầy cô môn Địa Kỹ Thuật, Phòng Đào tạo Đại học sau đại học; tập thể lớp cao học 20ĐKT- Trường Đại học Thuỷ lợi tồn thể gia đình bạn bè động viên, khích lệ, tạo điều kiện thuận lợi mặt để tác giả hoàn thành luận văn Trong trình thực luận văn, kiến thức hai mảng cơng trình ngầm lý thuyết độ tin cậy hạn chế nên chắn khơng thể tránh khỏi sai sót Vì vậy, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến thầy cơ, đồng nghiệp để giúp tác giả hồn thiện mặt kiến thức học tập nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2014 Tác giả Hồng Thị Lụa CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN CAM KẾT Kính gửi: Ban Giám hiệu trường Đại học Thuỷ lợi Phòng Đào tạo ĐH Sau ĐH trường Đại học Thuỷ lợi Tên là: Hoàng Thị Lụa Học viên cao học lớp: 20ĐKT Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã học viên: 128580204030 Theo Quyết định số 116/QĐ-ĐHTL, Hiệu trưởng trường Đại học Thuỷ Lợi, việc giao đề tài luận văn cán hướng dẫn cho học viên cao học khoá 20 đợt năm 2012 Ngày 23 tháng 01 năm 2014, nhận đề tài: “ Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định cơng trình ngầm áp dụng cho đường hầm thành phố Hồ Chí Minh ” hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Trịnh Minh Thụ PGS.TS Mai Văn Công Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu riêng tôi, không chép Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu, thông tin đăng tải tài liệu trang website theo danh mục tài liệu tham khảo luận văn Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2014 Người làm đơn Hoàng Thị Lụa MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CƠNG TRÌNH NGẦM HIỆN NAY Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI 1.1 Giới thiệu chung ổn định cơng trình ngầm 1.1.1 Vấn đề sử dụng cơng trình ngầm Việt Nam giới 1.1.2 Một số cố ổn định cơng trình ngầm xảy 1.2 Các ngun nhân gây ổn định cơng trình ngầm thường gặp 10 1.2.1 Nhóm nguyên nhân gây ổn định giai đoạn thi công: 10 1.2.2 Nhóm nguyên nhân gây ổn định giai đoạn vận hành: .13 1.2.3 Tổng kết chung 14 1.3 Các phương pháp tính tốn, thiết kế ổn định cơng trình ngầm truyền thống ưu nhược điểm chúng .14 1.3.1 Phương pháp ứng suất cho phép .14 1.3.2 Phương pháp tính theo hệ số an tồn: 15 1.3.3 Phương pháp tính tốn theo trạng thái giới hạn: 15 1.3.2 Một số nhược điểm phương pháp thiết kế truyền thống: 16 1.4 Phương pháp sử dụng lý thuyết độ tin cậy tính tốn ổn định cơng trình ngầm 16 1.5 Lựa chọn phương pháp tính tốn 17 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY VÀ NGUYÊN LÝ ÁP DỤNG TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CƠNG TRÌNH NGẦM 18 2.1 Tóm tắt sở lý thuyết: 18 2.1.1 Định nghĩa rủi ro: 18 2.1.2 Phân tích độ tin cậy thành phần hệ thống: 19 2.1.3 Cơ sở toán học phương pháp ngẫu nhiên: 21 2.2 Nguyên lý lý thuyết ứng dụng phân tích ổn định cơng trình ngầm 27 2.2.1 Xây dựng sơ đồ cố tổng quát 27 2.2.2 Phân tích áp lực tác dụng lên vỏ hầm .30 2.2.3 Mơ tả tốn mẫu cho đoạn hầm đặc trưng 39 2.3 Kết luận chung 51 CHƯƠNG III: TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH CHO MỘT HẦM GIAO THƠNG Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 54 3.1 Giới thiệu trường hợp nghiên cứu 54 3.2 Các tài liệu cần thiết tính toán 55 3.2.1 Tài liệu địa chất địa chất thủy văn 55 3.2.2 Tài liệu cơng trình tải trọng 63 3.3 Tính tốn ổn định cơng trình theo lý thuyết độ tin cậy 64 3.3.1.Kiểm tra ổn định theo chế phá hoại vỏ hầm ứng suất vượt mức cho phép 65 3.3.2 Kiểm tra ổn định theo chếđẩy đường hầm 83 3.3.3 Kiểm tra ổn định theo chế sụt lún mức cho phép đường hầm 92 3.3.4 Tổng hợp xác suất phá hoại mặt cắt kiểm tra đường hầm Metro1 100 3.4 Kết luận chương III .103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1.Một số cố đường hầm giới Bảng 1.2 Nguyên nhân dẫn tới cố thi công CTN phương pháp đào ngầm thông thường 11 Bảng 2-1 Cơng thức tính nội lực vỏ khuyên tròn biến dạng tự 44 Bảng 3.1.Các đặc tính địa chất cơng trình lớp A 58 Bảng 3.2.Các đặc tính địa chất cơng trình lớp B 59 Bảng 3.3.Các đặc tính địa chất cơng trình lớp C 60 Bảng 3.4.Các đặc tính địa chất cơng trình lớp D 61 Bảng 3.5.Các đặc tính địa chất cơng trình lớp E 62 Bảng 3.6 Hàm tin cậy theo chế ứng suất vượt mức cho phép 66 Bảng 3.7 Danh sách biến cố định giá trị tương ứng theo chế ứng suất vượt mức cho phép (mặt cắt 1-1) 67 Bảng 3.8 Danh sách biến ngẫu nhiên theo chế ứng suất vượt mức cho phép 68 Bảng 3.9: Xác suất cố hệ số ảnh hưởng điểm AN 69 Bảng 3.10: Xác suất cố hệ số ảnh hưởng điểm AT 70 Bảng 3.11: Xác suất cố hệ số ảnh hưởng điểm BN 71 Bảng 3.12: Xác suất cố hệ số ảnh hưởng điểm BT 72 Bảng 3.13: Xác suất cố hệ số ảnh hưởng điểm CN 73 Bảng 3.13: Xác suất cố hệ số ảnh hưởng điểm CT 74 Bảng 3.14 Danh sách biến cố định giá trị tương ứng theo chế ứng suất vượt mức cho phép 75 Bảng 3.15 Danh sách biến ngẫu nhiên theo chế ứng suất vượt mức cho phép (mặt cắt 2-2) 76 Bảng 3.16: Xác suất cố hệ số ảnh hưởng điểm AN 77 Bảng 3.17: Xác suất cố hệ số ảnh hưởng điểm AT 78 Bảng 3.18: Xác suất cố hệ số ảnh hưởng điểm BN 79 Bảng 3.19: Xác suất cố hệ số ảnh hưởng điểm BT 80 Bảng 3.20: Xác suất cố hệ số ảnh hưởng điểm CN 81 Bảng 3.21: Xác suất cố hệ số ảnh hưởng điểm CT 82 Bảng 3.22: Danh sách biến cố định theo chế đẩy đường hầm 84 Bảng 3.23: Danh sách biến ngẫu nhiên theo chế đẩy hầm 84 Bảng 3.24: Xác suất cố đẩy mặt cắt 1-1, trường hợp hệ số ảnh hưởng 85 Bảng 3.25: Danh sách biến cố định theo chế đẩy đường hầm 86 Bảng 3.26: Danh sách biến ngẫu nhiên theo chế đẩy hầm 86 Bảng 3.27: Xác suất cố đẩy mặt cắt 1-1, trường hợp hệ số ảnh hưởng 87 Bảng 3.28: Danh sách biến cố định theo chế đẩy đường hầm-TH1 88 Bảng 3.29: Danh sách biến ngẫu nhiên theo chế đẩy hầm-TH1 88 Bảng 3.30: Xác suất cố đẩy mặt cắt 2-2, TH1 hệ số ảnh hưởng 89 Bảng 3.31: Danh sách biến cố định theo chế đẩy đường hầm-TH2 90 Bảng 3.32: Danh sách biến ngẫu nhiên theo chế đẩy hầm-TH2 91 Bảng 3.33: Xác suất cố đẩy mặt cắt 2-2, TH hệ số ảnh hưởng 91 Bảng 3.34 Ứng suất thẳng đứng hầm mặt cắt 1-1 93 Bảng 3.35: Các giá trị ứng suất tính lún 94 Bảng 3.36: Danh sách biến cố định theo chế lún đường hầm-TH1 94 Bảng 3.37: Danh sách biến ngẫu nhiên theo chế lún hầm-TH1 95 Bảng 3.38: Xác suất cố lún mức cho phép mc1-1 hệ số ảnh hưởng 96 Bảng 3.39 Ứng suất thẳng đứng hầm mặt cắt 2-2 97 Bảng 3.40: Các giá trị ứng suất tính lún 97 Bảng 3.41: Danh sách biến cố định theo chế lún đường hầm-TH1 97 Bảng 3.42: Danh sách biến ngẫu nhiên theo chế lún hầm-TH1 98 Bảng 3.43: Xác suất cố lún mức cho phép mc1-1 hệ số ảnh hưởng 99 Bảng 3.44 Bảng tổng hợp xác suất xảy cố với mặt cắt hầm 101 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Một số cố cơng trình ngầm giới Hình 1.2 Tỷ lệ loại cố cơng trình ngầm Hình 1.4 Cầu vượt Ngã Tư Sở nhà dân lân cận bị lún nứt 10 Hình 1.5 Hầm Kim Liên bị ổn định thấm 10 Hình 2.1: Sơ đồ trình phân tích rủi ro 19 Hình 2.3: Định nghĩa xác suất xảy cố số độ tin cậy .20 Hình 2.4: Sơ đồ hóa cố cơng trình ngầm .29 Hình 2.5 Mơ hình đàn hồi hầm không áp .30 Hình 2.6 Sơ đồ áp lực tác dụng lên vỏ hầm .31 Hình 2.7 Mơ hình cân giới hạn hầm đào nơng 32 Hình 2.8 Mơ hình vịm áp lực 35 Hình 2.9 Áp lực tác dụng lên cơng trình ngầm đặt sâu 38 Hình 2.10 :Sơ đồ mặt cắt tính toán 40 Hình 2.11 Tiết diện đặc trưng kiểm tra ứng suất .41 Hình 2.12 Sơ đồ cố chi tiết tính tốn 42 Hình 2.13 Hệ tính tốn nội lực vỏ hầm .44 Hình 3.1: Sơ đồ bố trí tuyến hầm thuộc dự án Metro Hồ Chí Minh 54 Hình 3.2:Bản đồ địa chất thành phố Hồ Chí Minh tuyến Mê Trơ dựkiến 56 Hình 3.3: Mặt cắt địa chất dọc tuyến Metro1 57 Hình 3.4: Minh họa vị trí hầm đất 63 Hình 2.11 Tiết diện đặc trưng kiểm tra ứng suất .65 Hình 3.5: Biểu đồ phân phối ảnh hưởng hệ số đến chế phá hoại điểm AN 69 Hình 3.7: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối hệ số ảnh hưởng tới ổn định BN 71 Hình 3.8: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng hệ số BT 72 Hình 3.9: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng hệ số CN 73 Hình 3.10: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng hệ số CT 74 Hình 3.11: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng hệ số AN 77 Hình 3.12: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng hệ số AT 78 Hình 3.13: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng hệ số BN 79 Hình 3.14: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng hệ số BT 80 Hình 3.15: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng hệ số CN 81 Hình 3.16: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng hệ số CT 82 Hình 3.16: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối hệ số ảnh hưởng ổn định đẩy mc11, TH1 85 Hình 3.17: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối hệ số ảnh hưởng ổn định đẩy mc11, TH2 87 Hình 3.17: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối hệ số ảnh hưởng ổn định đẩy mc22, TH1 90 Hình 3.18: Biểu đồ phân phối tỷ lệ % hệ số ảnh hưởngđến ổn định đẩy mc2-2, TH2 91 Hình 3.20: Biểu đồ phân phối tỷ lệ % hệ số ảnh hưởngđến ổn định lún mức cho phép, mc1-1 96 Hình 3.20: Biểu đồ phân phối tỷ lệ % hệ số ảnh hưởngđến ổn định lún mức cho phép, mc1-1 99 Hình 3.21: Tổng hợp xác suất cố mặt cắt 1-1 theo OpenFTA 102 Hình 3.22: Tổng hợp xác suất cố mặt cắt 2-2 theo OpenFTA 103 BẢNG CÁC KÝ HIỆU σ max : Ứng suất tính tốn lớn [σ] : Ứng suất cho phép K : Hệ số an toàn; Fg : Yếu tố gây ổn định; Ft : Yếu tố gây ổn định; K cp : Hệ số an toàn cho phép N tt : Lực tính tốn gây ổn định R gh : Cường độ giới hạn bền công trình S tt : Biến dạng, chênh lệch biến dạng cơng trình [S] : Biến dạng, chênh lệch biến dạng cho phép R : Độ bền hay khả kháng hư hỏng S : Tải trọng hay khả gây hư hỏng Z : Hàm tin cậy γR : Hệ số an toàn độ bền γS : Hệ số an toàn tải trọng Φ-1 : Hàm ngược hàm phân bố tiêu chuẩn F X -1 : Hàm ngược hàm phân bố xác suất biến X Pđ : Áp lực đất theo phương thẳng đứng Pv : Áp lực đẩy ngược tác dụng lên đáy hầm P build : Tải trọng cơng trình mặt đất gây nên P tran : Tải trọng phương tiện, máy móc mặt đất gây nên Pw : Áp lực nước ngầm P ng : Áp lực theo phương ngang h : Chiều sâu lớp đất đỉnh hầm hw : Chiều cao mực nước ngầm đỉnh hầm ρ : Khối lượng riêng tự nhiên ρ’ : Khối lượng riêng đẩy γw : Khối lượng nước K0 : Hệ số áp lực ngang c : Lực dính đất φ : Góc ma sát đất p : Tải trọng bề mặt hq : Chiều cao vòm áp lực fk : Hệ số vững đất σ : Ứng suất pháp ka : Hệ số phụ thuộc fk : Độ nứt nẻ đá g : Tải trọng vỏ đơn vị dài q, σ z : Địa áp thẳng đứng đỉnh hầm R tr : Bán kính vỏ hầm �M � 𝑁 : Tổng momen : Lực dọc tổng hợp F : Diện tích tiết diện tính tốn W : Modun chống uốn W giữ : Tổng lực giữ cơng trình khơng bị đẩy W đẩy : Lực đẩy g : Trọng lượng 1m theo chu vi hầm R ng : Bán kính ngồi hầm ρ : Dung trọng tự nhiên lớp đất ρ’ : Dung trọng hiệu đất Hi : Chiều dày lớp đất thứ i ... thể cho cơng trình ngầm Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu phát triển ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định cơng trình ngầm Dựa sở lý thuyết chung độ tin cậy sở tính tốn ổn định. .. lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định cơng trình ngầm ứng dụng cho đường hầm thành phố Hồ Chí Minh? ?? Nội dung luận văn trình bày chương sau: Chương I: Tổng quan ổn định cơng trình ngầm Việt Nam... trình ngầm mục tiêu phải xây dựng phương trình hàm tin cậy để tính tốn ổn định cơng trình ngầm theo lý thuyết độ tin cậy Chương III: Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy tính tốn ổn định cho đường hầm