Nghiên cứu ứng suất vỏ hầm có kể đến quá trình thi công theo phương pháp NATMứng dụng cho hầm giao thông Dự án đường cao tốc Nội Bài Lào Cai

Luận văn đã tổng quan lại các phương pháp tính toán đường hầm, đưa ra các ưu nhược điểm của các phương pháp từ đó so sánh, lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán. Phương pháp phần tử hữu hạn giải được các bài toán có biên phức tạp, phản ánh gần đúng thực tế sự làm việc của nền cho lời giải tương đối chính xác. Ngoài ra phương pháp này còn cho phép miền tính toán có các loại vật liệu khác nhau, hình dạng, kích thước và biên phức tạp. Luận văn sử dụng chương trình Plaxis 3D tunnel V1.2 của Hà Lan để tính toán đường hầm dưới dạng bài toán ứng suất biến dạng 3 chiều, có kể đến sự ảnh hưởng của các miền xung quanh đường hầm tới vỏ hầm bằng cách mô phỏng miền vật liệu đàn hồi tuyến tính quanh đường hầm. Luận văn đã tính toán ứng suất, biến dạng đường hầm giao thông thuộc dự án cao tốc Nội Bài – Lào Cai khi kể đến quá trình thi công theo phương pháp NATM của Áo, trong đó thệ hiện trực quan 3 chiều sự biến đổi ứng suất biến dạng trong suất quá trình thi công.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGUYỄN THANH TÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT VỎ HẦM CÓ KỂ ĐẾN QUÁ TRÌNH THI CÔNG THEO PHƯƠNG PHÁP NATM- ỨNG DỤNG CHO HẦM GIAO THÔNG DỰ ÁN ĐƯỜNG CAO TỐC NỘI BÀI - LÀO CAI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2010 Bộ Giáo dục và đào tạo Bộ Nông nghiệp và PTNT Trờng đại học Thuỷ lợi NGUyễn thanh tùng NGHIấN CU NG SUT V HM Cể K N QU TRèNH THI CễNG THEO PHNG PHP NATM-NG DNG CHO HM GIAO THễNG D N NG CAO TC NI BI - LO CAI Chuyên ngành : xây dựng công trình thuỷ Mã số : 60-58-40 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Ngời hớng dẫn khoa học: gs.ts phạm ngọc khánh Hà Nội, 2010 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Phạm Ngọc Khánh đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ trong và ngoài trường Đại học Thủy lợi, đặc biệt là phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, bộ môn Cơ học kết cấu cùng bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành tốt luận văn. Do thời gian và trình độ có hạn nên luận văn còn nhiều hạn chế, mong các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp quan tâm góp ý để tác giả có thêm kiến thức và kinh nghiệm trong vấn đề này. Hà Nội, tháng 3 năm 2010. Nguyễn Thanh Tùng Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng MỤC LỤC MỤC LỤC 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG 7 1.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ XÂY DỰNG, PHÁT TRIỂN ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG. 7 1.1.1. Khái niệm chung về đường hầm giao thông. 7 1.1.2. Sơ lược về lịch sử xây dựng đường hầm giao thông. 11 1.2. TÌNH HÌNH XÂY DỰNG HẦM GIAO THÔNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM. 13 1.2.1. Tình hình xây dựng hầm giao thông trên thế giới. 13 1.2.2. Tình hình xây dựng hầm giao thông ở Việt Nam. 14 1.3. CÁC THÔNG SỐ CHÍNH VÀ HÌNH ẢNH MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG. 15 1.3.1. Các thông số chính của một số công trình hầm giao thông. 15 1.3.2. Hình ảnh một số công trình hầm giao thông. 16 1.3.2.1. Hầm Hải Vân 17 1.3.2.2. Hầm Đèo Ngang 18 1.3.2.3. Hầm Laerdal (Na Uy) 19 1.3.2.4. Hầm Hsuehshan (Đài Loan) 20 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM VÀ CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 21 2.1. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MÔI TRƯỜNG ĐÁ 21 2.1.1. Độ bền nén đơn trục 21 2.1.2. Độ bền kéo đơn trục: 21 2.1.3. Độ bền cắt của đá: 22 2.1.4. Độ bền của đá ở trạng thái ứng suất ba chiều 22 2.1.5. Hệ số bền vững: 22 2.1.6. Hệ số kiên cố 22 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng 2.1.7. Đặc trưng ứng suất biến dạng của môi trường đá 23 2.1.8. Quan hệ ứng suất- biến dạng và độ bền của đá: 24 2.2. TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG MÔI TRƯỜNG QUANH VỎ HẦM 25 2.2.1. Trạng thái ứng suất biến dạng của môi trường xung quanh trước khi xây dựng hầm 25 2.2.2. Công nghệ thi công hầm theo phương pháp NATM. 26 2.2.2.1. Khái niệm: 26 2.2.2.2. Trình tự thiết kế cơ bản của phương pháp: 27 2.2.2.3. Các bước thi công chính của phương pháp NATM: 32 2.2.2.4. Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của phương pháp NATM: 34 2.2.3. Trạng thái ứng suất biến dạng sau khi xây dựng đường hầm 34 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM. 36 2.3.1. Tải trọng và tổ hợp tải trọng 36 2.3.2. Bài toán ứng suất biến dạng. 37 2.3.3. Các phương pháp cơ bản tính ứng suất biến dạng đường hầm. 41 2.3.3.1. Phương pháp cơ học kết cấu. 41 2.3.3.2. Phương pháp cơ học vật rắn biến dạng. 46 2.3.3.3. Các phương pháp số. 47 2.3.4. Giải bài toán ứng suất biến dạng bằng phương pháp PTHH. 49 2.4. NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH 54 2.4.1. Phương pháp cơ học kết cấu 54 2.4.2. Phương pháp cơ học vật rắn biến dạng 54 2.4.3. Các phương pháp số. 55 2.4.3.1. Phương pháp phần tử biên. 55 2.4.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn 55 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2. 56 CHƯƠNG 3. VÍ DỤ ÁP DỤNG: TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG THUỘC DỰ ÁN ĐƯỜNG CAO TỐC NỘI BÀI - LÀO CAI 58 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng 3.1. GIỚI THIỆU VỀ DỰ ÁN ĐƯỜNG CAO TỐC NỘI BÀI – LÀO CAI. 58 3.2. GIỚI THIỆU VỀ ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG THUỘC DỰ ÁN. 59 3.3. CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN. 61 3.3.1. Sơ đồ tính toán. 61 3.3.2. Giới thiệu phần mềm Plaxis 3D Tunnel dùng để tính toán. 61 3.3.3. Thông số cơ bản dùng trong tính toán. 62 3.3.3.1. Số liệu về bê tông: 62 3.3.3.2. Số liệu về vỏ hầm: 62 3.3.3.3. Số liệu về đá nền: 62 3.4. TRÌNH TỰ VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THEO MÔ HÌNH KẾT CẤU VÀ NỀN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI DÙNG PLAXIS 3D TUNNEL 63 3.4.1. Trình tự gương đào và vị trí tương ứng: 63 3.4.2. Các bước tính toán: 64 3.4.3. Tính toán ổn định gương đào giai đoạn cuối: 72 3.5. KẾT QUẢ TÍNH VÀ NHẬN XÉT 73 3.5.1. Kết quả tính toán. 73 3.5.2. Nhận xét kết quả 74 3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3. 74 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 75 4.1. KẾT LUẬN 75 4.1.1. Những vấn đề đã đạt được. 75 4.1.2. Những vấn đề còn tồn tại 75 4.2. KIẾN NGHỊ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 79 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 5 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng MỞ ĐẦU Do sự phát triển kinh tế và quốc phòng các loại kết cấu công trình ngầm ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Trong ngành giao thông công trình ngầm được sử dụng dưới dạng các đường hầm (tunnel) trên các tuyến đường sắt và đường bộ để vượt qua các chướng ngại phức tạp của thiên nhiên (như sông, núi) hoặc làm các đường tàu điện ngầm trong các thành phố lớn để tăng lượng vận chuyển hành khách và giảm mật độ giao thông trên mặt đất. Trong ngành thủy lợi và thủy điện có thể gặp dưới dạng các đường hầm dẫn nước và xả nước trong nhà máy thủy điện, các hệ thống đường ống kỹ thuật cấp thoát nước. Trong ngành dầu khí công trình ngầm thường là các đường ống dẫn dầu, dẫn khí. Đặc biệt trong lĩnh vực quốc phòng các đường hầm được xây dựng làm để làm sở chỉ huy, công trình ẩn nấp chiến đấu, cất giấu các loại vũ khí, trang bị kỹ thuật chiến đấu, các kho hậu cần, quân y… Do có những ưu điểm vượt trội so với các công trình lộ thiên như tiết kiệm được diện tích mặt bằng chiếm chỗ, không phụ thuộc vào địa hình thực tế, tuyến ngắn, thẳng, bí mật…nên việc nghiên cứu các phương pháp tính toán và thiết kế công trình ngầm là vấn đề có ý nghĩa thực tế. Ở Việt Nam công trình ngầm đã được xây dựng trong các ngành giao thông, thủy điện, thủy lợi…và sẽ được xây dựng nhiều trong tương lai khi đường tàu điện ngầm trong các thành phố lớn được triển khai xây dựng, đường hầm trong các công trình thủy lợi, thủy điện, đặc biệt là khi ngày càng nhiều các tuyến đường cao tốc được xây dựng, do các tiêu chuẩn thiết kế mà các đường hầm vượt chướng ngại vật trên đường cao tốc sẽ được xây dựng nhiều trong tương lai. Giá thành xây dựng các công trình ngầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thiết kế, thi công, thiết bị xây dựng…Do vậy có rất nhiều hướng nghiên cứu để hạ giá thành công trình nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật. Giải pháp thiết kế phù hợp với các điều kiện tự nhiên và thiết bị thi công sẵn có là một trong những phương hướng nghiên cứu đó. Các chỉ dẫn nghiên cứu về các phương pháp thi công Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 6 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng và sự biến đổi nội lực trong quá trình thi công là rất hạn chế. Vì vậy việc nghiên cứu tính toán kết cấu đường hầm trong quá trình thi công là rất cần thiết. Trong khuôn khổ luận văn này tác giả chỉ nghiên cứu tính toán kết cấu đường hầm giao thông theo phương pháp : - Mô hình kết cấu và nền làm việc đồng thời. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 7 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG 1.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ XÂY DỰNG, PHÁT TRIỂN ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG. 1.1.1. Khái niệm chung về đường hầm giao thông. Đường hầm giao thông gồm đường dành cho người đi bộ và đường hầm trên các tuyến giao thông để vượt các chướng ngại vật như rừng núi, sông hồ, các khu dân cư, khu công nghiệp và các công trình đặc biệt khác. Một loại hình đặc biệt của đường hầm giao thông là đường xe điện ngầm, tại hầu hết các thành phố lớn trên thế giới như London, Paris, Berlin, Madrid, Moscow đều sử dụng mạng lưới xe điện ngầm. Đây là một loại hình vận tải công cộng có rất nhiều ưu điểm như: không tốn diện tích trên mặt đất, ít gây ô nhiễm cả về khí thải và tiếng ồn, hiệu quả và an toàn. Hầm là phương tiện có hiệu quả để mở rộng khả năng vạch các tuyến đường giao thông trong những điều kiện khó khăn, chúng được sử dụng để vượt qua các chướng ngại. Các chướng ngại gặp phải khi vạch các tuyến đường giao thông bao gồm các chướng ngại cao và chướng ngại bằng. Chướng ngại cao là các vùng đồi núi, các đỉnh phân thuỷ Khi vạch tuyến đường sắt hoặc đường bộ thường có ba giải pháp: đi vòng, kéo dài tuyến kết hợp với đường đào sâu và dùng hầm để vượt chướng ngại. Khi đi vòng chướng ngại tuyến đường bị kéo dài và tăng độ dốc. Đối với đường sắt thường làm xấu những điều kiện khai thác của tuyến. Trong thực tế đôi khi giải pháp này không thực hiện được. Khi kéo dài tuyến kết hợp với việc đào sâu, chiều dài tuyến có thể ngắn hơn, nhưng thường đòi hỏi độ dốc lớn và phải có các biện pháp bảo vệ những phần tuyến ở trên cao, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt đới có nhiều mưa bão như ở nứơc ta. Những giải pháp xây tường chắn, làm hành lang bảo vệ tuyến khỏi các hiện tượng Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 8 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng sụt lở, đá lăn, đá đổ, là những giải pháp thường gặp trong phương án vượt chướng ngại vật này và trong nhiều trường hợp chúng cũng không rẻ. §êng ®µo HÇm KÐo dµi tuyÕn Hình 1.1: Vượt chướng ngại cao Vượt chướng ngại vật bằng hầm cho phép rút ngắn tuyến một cách đáng kể, giảm độ dốc. Điều đó cho phép tăng tải trọng tiêu chuẩn và tốc độ xe chạy, cải thiện các điều kiện kỹ thuật cũng như điều kiện khai thác của tuyến đường. Tuy nhiên, vượt chướng ngại bằng hầm, nhất là hầm dưới thấp, có chiều dài lớn cũng thường đòi hỏi vốn đầu tư lớn vì thế việc chọn tuyến đường giao thông được tiến hành trên cơ sở so sánh kinh tế, kỹ thuật các phương án. Chướng ngại bằng bao gồm các vùng sụt lở, đất phủ, các hiện tượng băng hà ở xứ lạnh, các vùng chứa nước như hồ, ao, sông ngòi, eo biển, cũng như những vùng xây dựng dày đặc, các điểm đông dân cư Những vùng sụt lở thường gây nguy hiểm cho việc khai thác các tuyến đường nhất là vào những mùa mưa lũ. Khi những vùng sụt lở nhỏ có thể bố trí tuyến lên cầu cạn có trụ tựa lên vùng đất ổn định dưới sâu để vượt qua. Biện pháp này cũng thường phải kết hợp với những biện pháp chống trượt. Khi vùng trượt lớn (thường lớn hơn 5m) và có các dòng nước ngầm sâu thì giải pháp có ý nghĩa hơn cả là đưa tuyến đường vào sâu trong khối đá ngoài phạm vi vùng trượt. Giải pháp này cũng là hợp lý khi gặp lớp đất phủ có chiều dày lớn trên các sườn dốc được tạo nên do hiện tượng phong hoá, nứt nẻ của đá, do đá lăn, rơi từ trên cao xuống rồi tích tụ lại [...]... gim thiu s sp gng v lm ti vựng xung quanh trong iu kin t ỏ yu Quan trc o c s bin dng ca v hm Thi cụng lp phũng chng nc Thi cụng lp bờ tụng v hm Lp bờ tụng v hm c thi cụng khi bin dng v hm mt ch s cho phộp Trỡnh t thi cụng l: Lp t h thng vỏn khuụn, bờ tụng v hm Khi cần che chống trước hoặc cải tạo địa tầng trước Chuẩn bị thi công Sửa lại phương án thi công Xác định phương án thi công Đổi lại phương. .. quanh hm, dy ti thiu ca lp ph phi ln hn 2 ln ng kớnh hm Chuyờn ngnh Xõy dng cụng trỡnh thy Hc viờn : Nguyn Thanh Tựng Lun vn thc s k thut 28 - Mt ct ngang hm: Kớch thc hm v mt ct bờn trong hm s c c tớnh theo loi v mc ớch s dng Mt ct bờn trong hm s phự hp theo kớch thc hm, thit b thụng giú, thit b chiu sỏng, thit b cp cu, cỏc bin bỏo v dung sai cho phộp ca cỏc sai sút trong thi cụng - Thit k khu vc ca... ngi ta xõy dng h thng hm giao thụng v iu tit l (SMART), l cụng trỡnh u tiờn trờn th gii kt hp hai trong mt hm ngm thoỏt nc v hm xa l Theo thit k, ng hm SMART cú chiu di 4,7(km), hai tng cho giao thụng, mt tng cho thoỏt nc khi ma nh, rng 6,5(m) (2 ln xe), tc thp nht 60(km/h) Sau nm nm thi cụng, on tuyn Marmaray (Th Nh K), on tuyn c mong i t lõu, ni gia Chõu u v Chõu ang gp rỳt thi cụng giai on cui,... cht theo yờu cu cn phi c ỏnh giỏ theo quan im ca k s hm Cỏc cụng vic l phõn tớch thớ nghim trong phũng, ỏnh giỏ cỏc tớnh chỏt vt lý ca khi ỏ, cỏc tớnh cht vt lý s dng trong tớnh toỏn thit k [12] 4/ Tớnh toỏn thit k Phng phỏp NATM l phng phỏp s dng bờ tụng phun v neo ỏ nh l yu t chng chớnh n nh hm Cng bờ tụng phun v neo ỏ s dn dn c tng lờn theo thi gian Vỡ vy, yu t thi gian l quan trng trong thit... ú:: H s poisson ( xỏc nh theo tng loi t ỏ, thụng thng cú th ly t 0,14 n 0,49) Tựy theo a im xõy dng m ỏp lc do trng lng ca a tng cng khỏc nhau Nu a tng khụng nm ngang, xiờn lch thỡ ỏp lc s khụng i xng Nu cỏc lp thng ng cú cỏc tớnh cht c lý khỏc nhau theo cỏc lp thỡ ỏp lc cng khỏc nhau 2.2.2 Cụng ngh thi cụng hm theo phng phỏp NATM 2.2.2.1 Khỏi nim Quan im thit k thi cụng hm theo phng phỏp c truyn l... th k th XIX, c bit vo th k XX, do yờu cu m giao thụng ng b, ng thu, ng st v giao thụng thnh ph mi phỏt trin mnh m, nht l giao thụng hm ng b, ng st, ng thu v hm cho tu in ngm ó xut hin hm ng b Sinplon qua dóy nỳi Alpes Penins nm gia Valacs (Thy S) v Piemonte (Italia) di 19.730m cao 2.009(m) ú l ng hm trờn nỳi cao c xõy dng sm nht v di nht trờn th gii vo thi ú Vo th k XX cỏc th ụ ln trờn th gii ó... khi thi cụng Kớch thc mt ct ngang ln cú th thit k ln hn so vi phng phỏp c truyn Vi mt ct ln thỡ NATM hiu qu hn phng phỏp c truyn i vi t ỏ cng phng phỏp NATM t ra hiu qu hn Do vy phng phỏp ny c ỏp dng khi iu kin t ỏ tt Khi t ỏ yu, ri rc vn cú th thi cụng theo NATM tuy nhiờn chi phớ tn kộm hn do phi dựng cỏc phng phỏp ph tr Kt lun: Trong lnh vc thi cụng hm, trờn th gii ó v ang tn ti nhiu phng phỏp thi. .. ó cú dng vũm ging nh cỏc hang ng t nhiờn Vic thi cụng da vo sc lao ụng ca nụ l nh cỏc cụng c thụ s nh: cho ng, x beng, cng nh phng phỏp nhit: u tiờn t núng gng ri sau lm lnh bng nc Sau khi quc La Mó sp , xõy dng ngm cng nh cỏc hot ng khỏc ca loi ngi i vo thi k suy thoỏi kộo di Trong thi k ny cụng tỏc xõy dng ngm ch yu ginh cho mc ớch chin tranh Vo cui thi k trung c do vic m rng quan h gia cỏc dõn... trờn th gii ó phỏt trin t rt lõu, v ngy cng hon thin v cụng ngh thi cụng, rỳt ngn thi gian, gim thiu chi phớ v xõy dng cỏc cụng trỡnh ng hm giao thụng mang tớnh lch s Vi bc phỏt trin khoa hc k thut nh v bóo v s ra i cụng ngh micụng ngh xõy dng hm ỏo mi New Austrian Tunneling Method (NATM), con ngi cú th xõy dng ngm di t cỏc vựng a cht phc tp khỏc nhau lm cho cụng trỡnh xõy dng hm v cụng trỡnh ngm an... luụn l nhõn t cú tỏc ng tng t nh yu t thi gian v nú thng c ỏp dng trong thit k hm c o theo phng phỏp khoan v n mỡn l phng Chuyờn ngnh Xõy dng cụng trỡnh thy Hc viờn : Nguyn Thanh Tựng Lun vn thc s k thut 29 phỏp cú cỏc thnh phn ca h thng chng c lp t vựng lõn cn xung quanh gng hm Di õy gii thiu mt s phng phỏp tớnh toỏn: [12] A Phng phỏp ng cong phn lc t ỏ s dng cho thit k h thng chng Phng trỡnh vi