Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất phi tuyến của đất đá đối với sự làm việc của hệ kết cấu vỏ hầm và nền bằng phương pháp khống chế hội tụ

Luận án tiến sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất phi tuyến của đất đá đến sự làm việc của hệ kết cấu vỏ hầm và nền bằng phương pháp khống chế hội tụ” được hoàn thành với sự nỗ lự

Luận án tiến sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất phi tuyến của đất đá đến sự làm việc của hệ kết cấu vỏ hầm và nền bằng phương pháp khống chế hội tụ” được hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân tác giả

và sự giúp đỡ tận tình của Bộ môn Xây dựng CTQP – Viện KTCT Đặc Biệt; Ban NCS – Phòng Sau đại học – Học viện Kỹ thuật Quân sự

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Sỹ Ngọc, PGS.TS Đào Văn Canh, GS.TS Vũ Đình Lợi, PGS.TS Nguyễn Đức Nguôn, GS.TSKH Nguyễn Văn Quảng đã đóng góp các ý kiến nhận xét để luận án được hoàn thiện hơn Xin được dành tình cảm chân thành đến cố PGS.TS Nghiêm Hữu Hạnh – người thầy đã đi xa mà tác giả sẽ luôn nhớ đến thầy

Xin được cảm ơn các đồng nghiệp ở trung tâm GTĐT – Đường sắt – Viện Khoa học công nghệ GTVT và trực tiếp là TS Phạm Trường Thắng, TS

Lê Công Thành cũng như Lãnh đạo Viện Khoa học công nghệ Giao thông vận tải đã tạo nhiều thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án

Cảm ơn các bạn lớp Cầu hầm B – K38 Trường ĐH Giao thông vận tải

và các đồng nghiệp là TS Đỗ Ngọc Anh, KS Nguyễn Anh Hùng, CN Nguyễn Thu Hà, CN Hồ Ngọc Nhung đã luôn động viên, khích lệ tác giả về mọi mặt trong suốt thời gian qua

Đặc biệt, xin được bày tỏ lòng biết ơn vô cùng sâu sắc đến GS.TS Đỗ Như Tráng đã hướng dẫn và tạo điều kiện quan trọng để tác giả vượt qua các trở ngại hoàn thành luận án Những lời động viên và cả sức ép công việc của GS.TS Đỗ Như Tráng đã giúp tác giả hoàn thành được luận án

Luận án này sẽ không thể hoàn thành nếu không có những người thân yêu trong gia đình làm chỗ dựa về mọi mặt để tác giả có thể vượt qua những khó khăn trong thời gian thực hiện luận án

cô, đồng nghiệp và bạn bè góp ý, trao đổi để tác giả có thể tiếp thu, hoàn thiện kiến thức trong lĩnh vực chuyên môn

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận án

NCS Vũ Thị Thuỳ Giang

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

NCS Vũ Thị Thuỳ Giang

MỤC LỤC

MỤC LỤC……… I THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT V

DANH MỤC HÌNH VẼ… VII DANH MỤC BẢNG BIỂU XII

MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HẦM……… 4

1.1.Tổng quan về thiết kế hầm 4

1.1.1. Các mô hình thiết kế cho hầm 5

1.1.2.Giới hạn thiết kế và giá trị an toàn cho kết cấu 7

1.2.Cách phân loại truyền thống 8

1.2.1.Trên cơ sở lý thuyết sức bền vật liệu 8

1.2.2.Các phương pháp thiết kế trên cơ sở lý thuyết cơ học môi trường liên tục……… 11

1.3.Phương pháp khống chế hội tụ trong thiết kế hầm 13

1.3.1.Các giả thiết để xây dựng sơ đồ tính 17

1.3.2.Đánh giá về phương pháp đào hầm mới của Áo (NATM) và ứng dụng CCM trong thiết kế hầm 19

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 21

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP CCM 23

2.1 Các giả thiết về tiêu chuẩn phá huỷ và các mô hình phá hủy 23

2.1.1.Tiêu chuẩn phá huỷ Mohr – Coulomb 23

2.1.2.Tiêu chuẩn Hoek – Brown 24

2.1.3.Các đặc trưng phá hủy 26

2.2 Phân tích ổn định hầm trước khi hình thành vùng cân bằng giới hạn-

trường hợp không chống 31

2.3.Xây dựng đường cong phản lực nền 36

2.3.1.Vật liệu thoả mãn tiêu chuẩn Mohr – Coulomb 37

2.3.2.Vật liệu thoả mãn tiêu chuẩn Hoek –Brown 40

2.4.Hiệu ứng giải phóng ứng suất, biến dạng dọc trục hầm 42

2.5.Đánh giá sức mang tải của nền ngoài giới hạn đàn hồi 45

2.5.1.Mô hình tính toán 46

2.5.2.Hệ số mất cường độ “” của đá 46

2.5.3.Ví dụ khảo sát, các nhận xét và kết luận 50

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 55

CHƯƠNG 3 ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA KẾT CẤU CHỐNG VÀ LỜI GIẢI CHO KẾT CẤU VỎ CÔNG TRÌNH NGẦM 56

3.1.Các khái niệm chung về đường cong đặc tính của kết cấu chống 56

3.2.Xây dựng đường đặc tính của kết cấu chống 58

3.2.1.Mô hình cơ bản tính toán đường cong đặc tính của kết cấu chống 58

3.2.2.Đường đặc tính của vỏ bê tông và bê tông phun 61

3.2.3.Hệ vỏ hỗn hợp 66

3.3. Hệ số bền……… 69

3.3.1.Bê tông và bê tông phun 70

3.3.2.Neo……… 70

3.3.3.Hệ hỗn hợp 71

3.4 Phân tích hầm theo phương pháp khống chế hội tụ bằng phần mềm Phase2………… 71

3.4.1 Bài toán mô phỏng quá trình đào hầm theo các giai đoạn (St) thông qua phản lực vì chống pi 72

3.4.2.Kết quả bài toán 73

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 74

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TRONG XÂY DỰNG HẦM 76

4.1 Các trường hợp phân tích 76

4.2 Phân tích số lượng các phần tử bị phá trên biên (%) theo độ cứng của nền……… 80

4.2.1.Trường hợp bán kính hầm ri=2m, Chiều sâu đặt hầm H=50m Không có kết cấu chống 80

4.2.2.Khi có kết cấu chống, tại St6; pi6=0,62MPa 82

4.3 Đánh giá ảnh hưởng của hình dạng kết cấu, hệ số áp lực hông tới hệ số bền của nền…… 84

4.2.3.Hệ số bền 84

4.2.4.Ảnh hưởng của chiều sâu đặt hầm tới số lượng phần tử bị phá hủy trên biên hầm (%) và tại các điểm xét; 86

4.3.Phân tích các thông số với hầm tròn và vòm tròn tường thẳng, 88

4.4.Ảnh hưởng của công nghệ 92

4.4.1.Sự xáo trộn đất đá do đào hầm 92

4.4.2.Khảo sát bán kính vùng phá hủy theo phản lực chống: 100

4.5.Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố địa cơ học 103

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 109

CHƯƠNG 5 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP CCM VỚI ĐƯỜNG HẦM DẪN NƯỚC THỦY ĐIỆN SỬ PÁN 2 – LÀO CAI 111

5.1 Tính chất cơ lý của đất đá của tuyến hầm dẫn nước 111

5.2 Phân tích tương tác hệ kết cấu vỏ hầm và nền theo tiêu chuẩn Mohr-Coulomb……… 113

5.2.1.Áp dụng Phase2 trong điều kiện đá cứng tại thủy điện Sử Pán 2 113

5.2.2.Sơ đồ tính toán: 113

5.2.3.Kết quả tính toán 114

5.3 Phân tích tương tác hệ kết cấu vỏ hầm và nền theo tiêu chuẩn Hoek Brown……… 121

5.3.1.Số liệu tính 121

5.3.2.Kết quả tính toán 121

5.3.3.Kết luận chung về 2 tiêu chuẩn áp dụng cho loại đá cứng 128

5.4.Hầm Sử Pán trong đá yếu 129

5.4.1.Số liệu tính 129

5.4.2.Kết quả tính theo Mohr –Coulomb 129

5.4.3.Tính theo tiêu chuẩn Hoek- Brown 133

KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 137

KẾT LUẬN CHUNG… 139

TÀI LIỆU THAM KHẢO 142

THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

a= Hằng số bền của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek - Brown

a= Hằng số bền dư của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown

C = Cường độ cường độ lực dính của khối đá

C*= Cường độ cường độ lực dính tương đương của khối đá

d b= Đường kính neo

E= Mô đun đàn hồi của khối đá

G = Mô đun trượt của khối đá

GSI= Chỉ số độ bền địa chất

kp= Hệ số dãn nở thể tích của khối đá ở trạng thái bị phá huỷ

m i = Hằng số của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown

'

b

m = Hằng số bền dư của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown

s= Hằng số bền của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown

s= Hằng số bền dư của tiêu chuẩn phá huỷ Hoek – Brown

RMR= Chỉ số phân loại khối đá của Bieniawski

r i = Bán kính hầm

r = Khoảng cách từ tim hầm đến điểm khảo sát

r e= Bán kính của vùng dẻo

u ri= Chuyển vị (độ hội tụ) của hầm không gia cố

= Hệ số suy giảm độ bền sau giới hạn bền

r= Ứng suất pháp tuyến

= Ứng suất tiếp tuyến

re= Ứng suất pháp tuyến tại biên của vùng đàn hồi - dẻo

= Ứng suất chính cực đại

z= Ứng suất trượt phân bố trên neo vữa

z = Ứng suất dọc phân bố trên neo

CCM: phương pháp khống chế hội tụ (convergene –confinement method)

TCPH: tiêu chuẩn phá hủy (phá hủy)

St: giai đoạn (Stage)

TTƯSBĐ: trạng thái ứng suất ban đầu (nguyên sinh)

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình thiết kế hầm theo ITA [38] 6

Hình 1.2 Mô hình biến dạng cục bộ (phương pháp Zurabop – Bugaeva) 9

Hình 1.3 Phương pháp thay thanh [35] 10

Hình 1.4 Sơ đồ tính theo mô hình biến dạng toàn bộ của Đavưđốp [35] 10

Hình 1.5 Phân loại các phương pháp tính theo ITA 12

Hình 1.6 Các giai đoạn trong xây dựng hầm 13

Hình 1.7 Đường cong phản lực của nền và ảnh hưởng của sự giải phóng ứng suất theo các giai đoạn 16

Hình 1.8 Mô hình bài toán tổng quát [20] 18

Hình 2.1 Vòng tròn Mohr ứng suất 23

Hình 2.2 Các đặc trưng phá huỷ của các loại đá có chất lượng khác nhau 27

Hình 2.3 Sơ đồ mô hình đàn - dẻo không đồng nhất và tương tác hệ đất đá - vỏ hầm 28

Hình 2.4 Bài toán cơ bản của phương pháp khống chế hội tụ [20] 31

Hình 2.5 Phân bố độ bền nén σ N (MPa) 36

Hình 2.6 Các giá trị của hệ số  tại các giai đoạn khác nhau trên khoang đào 43

Hình 2.7 Sơ đồ tính của bài bài toán và các mô hình đàn hồi –dẻo của đá 46

Hình 2.8 Kết quả khảo sát và tính toán 51

Hình 2.9 Quan hệ giữa bán kính vùng phá hủy và phản lực với góc ma sát trong =150; =300; =450 52

Hình 2.10 Quan hệ giữa đường cong đặc tính nền và phản lực với góc ma sát

trong =150; =300 và =450 52

Hình 2.11 Quan hệ giữa đường cong đặc tính nền và phản lực với góc ma sát trong =150; cho các trường hợp góc dãn nở  khác nhau 54

Hình 3.1 Các đặc trưng biến dạng khối của kết cấu vỏ hầm khi tác dụng tương hỗ với khối đá xung quanh 58

Hình 3.2 Sơ đồ các lực tác dụng lên vỏ hầm 58

Hình 3.3 Đường đặc tính của kết cấu chống 59

Hình 3.4 Phần vỏ hầm chưa được chống đỡ sát gương đào 60

Hình 3.5 Ảnh hưởng của giá trị u0 60

Hình 3.6 Ảnh hưởng độ cứng của vỏ hầm 60

Hình 3.8 Hệ thống chống đỡ vỏ bê tông và BTP 64

Hình 3.9 Sơ đồ tương tác song song hệ vỏ hỗn hợp 67

Hình 3.10 Ảnh hưởng của kết cấu chống hỗn hợp [25], [28] 67

Hình 3.11 Đường cong phản lực hệ hỗn hợp từ ba vỏ hầm thành phần được lắp dựng tại các thời điểm khác nhau và tại các khoảng các khác nhau 69

Hình 3.12 Mô phỏng quá trình đào qua hệ số kSt 72

Hình 3.13 Kết quả đường cong phản lực nền theo hai lời giải 74

Hình 4.1 Sơ đồ các trường hợp khảo sát 77

Hình 4.2 Mô hình khảo sát 78

Hình 4.3 Hệ tọa độ chung 79

Hình 4.4 Các điểm đặc trưng cho tính toán – vị trí các điểm xét 79

Hình 4.5 Đặc trưng tính toán cho vòm tường thẳng –vị trí các điểm xét 80

Hình 4.6 Số lƣợng phần tử phá hủy trên biên Nph(%) với hệ số áp lực hông 81

 =0.5; tại St 11; pi11=0 MPa - không có kết cấu chống đỡ 81

Hình 4.7 Số lƣợng phần tử phá hủy trên biên Nph(%) với =0 5, tại St6; pi6=0,62 (MPa) -có kết cấu chống đỡ 82

Hình 4.8 Số lƣợng phần tử bị phá hủy trên biên theo fkp và giai đoạn 83

Hình 4.9 Hệ số bền B khi không có kết cấu chống 85

Hình 4.10 Hệ số bền B khi có kết cấu chống pi6 =0.62 (MPa) 85

Hình 4.11 Các phần tử bị phá hủy trên biên theo chiều sâu đặt hầm khi có kết cấu chống 86

Hình 4.12 Số lƣợng phần tử trên biên bị phá hủy khi không có kết cấu chống theo chiều sâu đặt hầm 87

Hình 4.13 Dang phá hủy do kéo và trƣợt với  =0.25 88

Hình 4.14 Dạng phá hủy do kéo và trƣợt với  =0.5 88

Hình 4.15 Dạng phá hủy do kéo và trƣợt với  =1 89

Hình 4.16 Chuyển vị tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ số áp lực hông =0.25 89

Hình 4.17 Chuyển vị tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ số áp lực hông 0.5 89

Hình 4.18 Chuyển vị tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ số áp lực hông =1 90

Hình 4.19 Biến dạng trƣợt tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ số áp lực hông =0.25 90

Hình 4.20 Biến dạng trượt tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ

số áp lực hông =0.5 90

Hình 4.21 Biến dạng trượt tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ số áp lực hông =1 91

Hình 4.22 Biến dạng thể tích tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, =0.25 91

Hình 4.23 Biến dạng thể tích tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ số áp lực hông =0.5 91

Hình 4.24 Biến dạng thể tích tại các điểm trên biên, không có kết cấu chống, hệ số áp lực hông =1 92

Hình 4.25 Đường cong phản lực nền xét tới các yếu tố thời gian, công nghệ 97

Hình 4.26 Quan hệ bán kính vùng tải trọng theo phản lực chống 98

Hình 4.27 Biểu đồ vùng dẻo theo phản lực chống 98

Hình 4.28 Sơ đồ tính của bài toán 100

Hình 4.29 Quan hệ giữa các bán kính vùng phá hủy, vùng cân bằng giới hạn (m) và phản lực chống theo ảnh hưởng của công nghệ 102

Hình 4.30 Quan hệ giữa tải trọng pi( MPa) và thời gian lắp dựng vỏ (ngày) theo chiều dày vỏ (m) 108

Hình 5.1 Sơ đồ tính của bài toán 114

Hình 5.2 Đường cong phản lực nền 114

Hình 5.3 Chuyển vị theo các giai đoạn 115

Hình 5.4 Chuyển vị theo khoảng cách tính từ biên hầm với các thời điểm lắp dựng vỏ khác nhau 116

Hình 5.5 Quan hệ M,N,Q với phản lực pi theo các giai đoạn (Stage) 119

Hình 5.6 Quan hệ các thông số phân tích theo Giai đoạn-Stage 120

Hình 5.7 Quan hệ các thông số phân tích theo phản lực 120

Hình 5.8 Đường cong phản lực nền theo tiêu chuẩn Hoek - Brown 122

Hình 5.9 Chuyển vị theo các giai đoạn 122

Hình 5.10 Chuyển vị theo khoảng cách tính từ biên hầm với các thời điểm lắp dựng vỏ khác nhau 123

Hình 5.11 Quan hệ M,N,Q với phản lực pi (theo các St) 127

Hình 5.12 Quan hệ các thông số phân tích theo Giai đoạn-Stage 127

Hình 5.13 Quan hệ các thông số phân tích theo phản lực 128

Hình 5.14 Đường cong phản lực nền 130

Hình 5.15 Chuyển vị tổng 130

Hình 5.16 Chuyển vị theo các giai đoạn 131

Hình 5.17 Sự hình thành vùng phá hủy theo các St 132

Hình 5.18 Đường cong phản lực nền theo tiêu chuẩn Hoek –Brown (pi=0)133 Hình 5.19 Chuyển vị theo các giai đoạn 134

Hình 5.20 Hệ số bền giữa hai tiêu chuẩn 136

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Giá trị  ,B cho một số loại đất đá 35

Bảng 2.2 Giá trị M và m 35

Bảng 2.3 Giá trị f2 36

Bảng 2.4 Kết quả tính toán ảnh hưởng của góc dãn nở  53

Bảng 3.1 Hệ số kSt tương ứng với pi 73

Bảng 4.1 Tính chất cơ lý của đá: 77

Bảng 4.2 Kết quả khảo sát số lượng phần tử phá hủy trên biên Nph (%) với các hệ số áp lực hông khác nhau khi không có gia cố (chống đỡ),St 11, ri=2 (m), H=50 (m), p=0.0 (MPa) 81

Bảng 4.3 Kết quả khảo sát số lượng phần tử phá hủy trên biên Nph (%) với các hệ số áp lực hông  khác nhau khi có gia cố (chống đỡ):St 6, ri=2 (m), H=50 (m), p=0.62( MPa) 83

Bảng 4.4 Kết quả khảo sát 96

Bảng 4.5 Kết quả tính toán chiều cao vùng dẻo (CBGH) và vùng phá hủy và chiều cao khối đá sập tương ứng 98

Bảng 4.6 Quan hệ giữa bán kính vùng phá hủy theo pi 101

Bảng 4.7 Quan hệ tải trọng pi (MPa) theo thời gian và chiều dày vỏ hầm 108

Bảng 5.1 Bảng giá trị tính toán các chỉ tiêu kháng cắt khe nứt 112

Bảng 5.2 Bảng giá trị tính toán các chỉ tiêu cơ lý của khối đá phiến thạch anh Biotit chiều sâu đặt hầm 100m theo tiêu chuẩn Hoek –Brown 112

Bảng 5.3 Tính chất cơ lý của nền theo tiêu chuẩn Mohr - Coulomb 113

Bảng 5.4 Giá trị các chuyển vị theo các giá trị phản lực pi 115

Bảng 5.5 Hệ số bền theo các giai đoạn 117

Bảng 5.6 Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 5 118

Bảng 5.7 Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 10 118

Bảng 5.8 Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 15 119

Bảng 5.9 Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 20 119

Bảng 5.10 Bảng so sánh các thông số phân tích cuối cùng với các thời điểm lắp dựng kết cấu vỏ hầm khác nhau: 119

Bảng 5.11 Bảng giá trị chuyển vị biên hầm theo các giai đoạn 122

Bảng 5.12 Bảng quan hệ phản lực–biến dạng theo các giai đoạn 124

Bảng 5.13 Hệ số bền theo các giai đoạn 124

Bảng 5.14 Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 5 125

Bảng 5.15 Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 10 126

Bảng 5.16 Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 15 126

Bảng 5.17 Nội lực trong vỏ khi lắp dựng vỏ khi bắt đầu tại giai đoạn 20 126

Bảng 5.18 Bảng so sánh các thông số phân tích cuối cùng với các thời điểm lắp dựng kết cấu vỏ hầm khác nhau: 127

Bảng 5.19 Bảng so sánh tương quan theo tiêu chuẩn Hoek Brown và Mohr-Coulomb 129

Bảng 5.20 Số liệu tính theo tiêu chuẩn Mohr -Coulomb và Hoek – Brown129 Bảng 5.21 Giá trị phản lực với các giai đoạn tương ứng 130

Bảng 5.22 Chuyển vị theo các giai đoạn 131

Bảng 5.23 Tương quan giữa chuyển vị và nội lực 132

Bảng 5.24 Bảng các giá trị chuyển vị theo khoảng cách tính từ biên hầm tới biên miền tính toán tính tại các Stage 2, 10 và Stage 20: 133Bảng 5.25 Giá trị nội lực theo pi và chuyển vị u 134Bảng 5.26 Hệ số bền theo các giai đoạn 135

MỞ ĐẦU

Công trình ngầm được xây dựng trong lòng đất chịu tác động của nhiều yếu tố đa dạng và phức tạp Việc tính toán kết cấu công trình ngầm cần phải xem xét một cách cụ thể điều kiện địa chất, tính chất của đất đá, cấu tạo của địa tầng; hình dạng, kích thước và vật liệu vỏ hầm; cũng như phương pháp thi công và đặc điểm sử dụng công trình

Lịch sử phát triển của xây dựng công trình ngầm cho thấy có rất nhiều phương pháp tính toán kết cấu công trình ngầm khác nhau Trong đó, có phương pháp dựa trên những cơ sở lý luận chính xác, có phương pháp gần đúng dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kinh nghiệm thực tế

Do tính chất làm việc phức tạp của công trình ngầm mà cho đến nay vẫn chưa có một lý thuyết nào giải quyết một cách triệt để và trọn vẹn bài toán tổng quát thiết kế tính toán kết cấu công trình ngầm Trong thực tế, tùy từng điều kiện cụ thể mà có thể áp dụng một phương pháp phù hợp nhất

Vì điều kiện địa chất phức tạp, đa dạng, các biện pháp công nghệ thi công công trình ngầm cũng rất khác nhau và các phương pháp tính toán kết cấu chống đỡ đường hầm tùy thuộc vào công nghệ thi công

Phương pháp thiết kế truyền thống coi kết cấu gia cố là kết cấu tạm thời trong quá trình thi công, chịu các tải trọng do phần đất đá long rời gây ra, nên các kết cấu chống tạm này thường tính toán làm việc độc lập với kết cấu vỏ hầm vĩnh cửu và không tận dụng được nhiều sức mang tải của đất đá xung quanh nên thường có chiều dày lớn, kết cấu gia cố nặng nề, chi phí xây dựng hầm lớn

Từ khi có sự xuất hiện của NATM với các nguyên tắc thiết kế riêng, người ta mới quan tâm nhiều hơn đến khả năng tự mang tải của khối đá trong công tác thiết kế hầm Việc mở ra hướng đi mới này đã dẫn đến bài toán tương tác hệ kết cấu vỏ hầm – đất đá để tận dụng khả năng chịu lực của đất đá khi vượt quá giới hạn bền

Phương pháp CCM là một trong những hướng đi nhằm giải quyết bài toán tính toán hệ kết cấu vỏ hầm – đất đá với nền đàn dẻo (có tính đến giai đoạn ngoài đàn hồi của đất đá-trong vùng cân bằng giới hạn)-về bản chất là phương pháp tính toán và khống chế chuyển vị

Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu các phương pháp thiết kế hầm hiện có, phân tích các mô hình thiết kế hầm

Tiến hành nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp CCM, phát triển và bổ sung các nghiên cứu vùng phá hủy theo nguyên tắc của CCM và thực hiện các khảo sát số, từ đó rút ra các kết luận cụ thể về việc áp dụng phương pháp CCM trong công tác thiết kế hầm

Khảo sát vùng cân bằng giới hạn với các biến dạng dẻo phi tuyến khi xuất hiện vùng dẻo

Phân tích, đánh giá ảnh hưởng độ cứng của đất đá, chiều sâu đặt hầm

và hình dạng hầm

Phân tích các thông số ảnh hưởng đến khả năng làm việc của hầm như ảnh hưởng của công nghệ, yếu tố địa cơ học và thời gian trong phương pháp CCM

Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về phương pháp thiết kế hầm theo CCM, xây dựng lời giải và thuật toán tính toán kết cấu chống đỡ (đường cong phản lực nền, đường cong đặc tính của kết cấu chống) Thực hiện khảo sát số ảnh hưởng của một số yếu tố đến chế độ tương tác vỏ hầm – đất đá theo phương pháp CCM

Các bài toán khảo sát được thực hiện trên ngôn ngữ lập trình Matlab và phần mềm Phase2

Nội dung chính của luận án

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp thiết kế hầm

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của phương pháp CCM

Chương 3: Đường cong đặc tính của kết cấu chống và lời giải cho vỏ công trình ngầm

Chương 4: Phân tích, đánh giá ảnh hưởng các thông số trong xây dựng hầm

Chương 5: Áp dụng phương pháp CCM với đường hầm dẫn nước thủy điện Sử Pán 2 – Lào Cai

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HẦM

1.1 Tổng quan về thiết kế hầm

So với các lĩnh vực xây dựng khác thì xây dựng công trình ngầm có những đặc thù riêng biệt và có mối quan hệ mật thiết với môi trường đất đá Việc xây dựng một dự án hầm phụ thuộc nhiều vào việc xử lý mối tương tác giữa đất đá và kết cấu chống đỡ đường hầm Việc thi công công trình ngầm trong diện công tác chật hẹp và yêu cầu thông gió trong suốt quá trình thi công đòi hỏi các công tác lập kế hoạch, thiết kế, thi công, an toàn lao động, phải được nghiên cứu xem xét một cách thận trọng trong một tổng thể chung Chính vì vậy, quá trình xây dựng một dự án hầm đòi hỏi tất cả các công tác đều gắn kết chặt chẽ với nhau và luôn được đối chiếu, bổ sung và sửa đổi khi cần thiết

Việc tính toán thiết kế kết cấu công trình ngầm cần phải xem xét một cách cụ thể các điều kiện địa kỹ thuật: tính chất của đất đá, cấu tạo của địa tầng; hình dạng, kích thước và vật liệu vỏ hầm; phương pháp thi công và đặc điểm sử dụng công trình

Trong xây dựng công trình ngầm cho thấy có rất nhiều phương pháp tính toán kết cấu công trình ngầm khác nhau Trong đó, có phương pháp dựa trên những cơ sở lý luận chính xác, có phương pháp gần đúng dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kinh nghiệm thực tế và các phương pháp hỗn hợp, kết hợp các ý tưởng của hai phương pháp kể trên

Do điều kiện địa chất phức tạp, đa dạng, các biện pháp công nghệ thi công công trình ngầm cũng rất khác nhau nên có nhiều phương pháp tính toán kết cấu chống đỡ đường hầm khác nhau tùy thuộc vào công nghệ thi công

Bỏ qua những giới thiệu khác đã được giới thiệu trong nhiều tài liệu khác nhau, ở đây trình bày một phương pháp thiết kế hầm tương đối tổng quát theo quan điểm của Hiệp hội Hầm và không gian ngầm quốc tế (ITA)[38]:

Theo quan điểm của ITA, thì xây dựng hầm, khác với xây dựng các công trình trên mặt đất, quá trình thiết kế phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như là các tham số của đất nền, phương pháp đào hầm và loại cũng như phương pháp thi công lắp dựng kết cấu gia cố-chống đỡ (vỏ) hầm

Các số liệu chung trong thiết kế hầm có thể tóm tắt như sau: điều kiện địa chất hiện trường, các yếu tố địa kỹ thuật, công nghệ và thiết bị đào hầm, thiết kế kết cấu chống đỡ kể cả yếu tố dài hạn, các nguyên tắc đấu thầu và luật

1.1.1 Các mô hình thiết kế cho hầm

Trong thiết kế, việc phân tích kết cấu nhằm đảm bảo cho kết cấu có đủ khả năng làm việc mà không bị phá hủy trong thời gian dự án Vì thế, việc xây dựng mô hình là cần thiết để phân tích để dự báo hầm trong cả quá trình thi công và khai thác Các yếu tố chính của bài toán thiết kế hầm được minh hoạ trong hình 1.1 [34],[38], [39], bao gồm:

(1) Khảo sát địa chất và khảo sát hiện trường để xác định tuyến, hướng, chiều sâu, v.v của hầm đào

(2) Thí nghiệm đất đá để xác định các đặc trưng của đất đá: ứng suất ban đầu, độ bền của đá hay đất, đứt gãy, trạng thái của nước…v.v phục vụ cho việc xây dựng mô hình thiết kế

(3) Sử dụng kinh nghiệm và tính toán, đánh giá sơ bộ để xác định mặt cắt ngang yêu cầu, chọn phương pháp đào và máy đào hầm, cững như điều kiện nước dưới đất và lựa chọn các kết cấu gia cố hợp lý

(4) Sau khi các bước (1)–(3) được hoàn thành, lựa chọn mô hình thiết kế

Áp dụng các điều kiện cân bằng và các tiêu chuẩn thiết kế để xem xét đánh giá: thiết kế có an toàn hay không

Hình 1.1 Quá trình thiết kế hầm theo ITA [38]

Tiêu chuẩn thiết kế (Criteria)

An toàn Các giả thiết phá hủy

Đo đạc hiện trường Rủi ro

Các mô hình khác nhau có thể được sử dụng cho mỗi thời kì đào hầm (các giai đoạn) với lớp vỏ hầm sơ bộ (vỏ chống tạm trong công nghệ truyền thống) và vỏ cuối cùng, và các mô hình phản lực của đất đá …

Việc thiết kế có thể được bắt đầu bằng đánh giá và áp dụng các mô hình đơn giản Sau đó, các mô hình này sẽ được điều chỉnh dựa trên các kinh nghiệm thực tế thu được trong quá trình thi công và cuối cùng đưa ra mô hình xác thực và phù hợp

Tất cả các yếu tố của mô hình thiết kế cần được xem xét trong mối tương quan tổng thể, thống nhất

Mức độ đơn giản hoá hay sự chuyển đổi mô hình tính cần phù hợp với với tất các các yếu tố của mô hình thiết kế Ví dụ, sẽ là không nhất quán để áp dụng các công cụ toán học với độ chính xác rất cao cùng với với sự phỏng đoán một cách thô sơ xác định các đặc trưng cơ lý quan trọng của đất đá

1.1.2 Giới hạn thiết kế và giá trị an toàn cho kết cấu

Khái niệm về giới hạn thiết kế là yêu cầu cho toàn bộ các phương pháp

và công nghệ thi công và đây là cơ sở (tiêu chuẩn) thiết kế hầm Một kết cấu công trình ngầm có thể không đảm bảo an toàn trong các trường hợp dưới đây:

+ Kết cấu mất khả năng chống thấm

+ Các biến dạng phát triển đạt giá trị lớn

+ Hầm không đủ bền

+ Vật liệu của các phần tử kết cấu bị hỏng cục bộ hay mất độ bền

+ Kết cấu chống đỡ không hợp lý hoặc gây ra hư hỏng

+ Vật liệu bị mỏi

+ Các phân tích bài toán theo các mô hình phá huỷ

Về nguyên tắc, các dự trữ an toàn (hệ số an toàn) có thể được lựa chọn khác nhau cho từng trường hợp phá hủy đã được liệt kê ở trên Tuy nhiên, các giá trị thực của hệ số an toàn thực tế là rất phức tạp và chịu nhiều ảnh hưởng bởi sự đa dạng về các đặc trưng của đất đá - kết cấu vỏ hầm và các tương tác của chúng Vì vậy, các kết quả tính toán nên chú ý tới sự liên quan tương ứng với các tiêu chuẩn phù hợp trong điều kiện cụ thể

1.2 Cách phân loại truyền thống

Có thể liệt kê một số cách phân loại như sau:

(1) Tính toán vỏ hầm theo các phương pháp tách kết cấu ra khỏi môi trường đất đá

(2) Tính toán kết cấu cùng làm việc với môi trường đất đá

1.2.1 Trên cơ sở lý thuyết sức bền vật liệu

 Mô hình nền biến dạng cục bộ

Đất đá xung quanh hầm được xem là môi trường biến dạng cục bộ đặc trưng bởi hệ số nền, trong đó ứng suất tại một điểm tỷ lệ với chuyển vị tại điểm đó-giả thiết nền biến dạng cục bộ của Winkle [2], [35]

Đại diện cho nhóm này có thể kể tới các phương pháp chính sau:

+ Phương pháp Naumov: Tính toán công trình ngầm dạng vòm tường thẳng

+ Phương pháp Zurabov - Bugaeva: Tính toán kết cấu công trình ngầm dạng hình móng ngựa

+ Phương pháp Metrôghiprotranx: Thay thế kết cấu bằng hệ thanh

C: Hệ số nền , δ: chuyển vị;

Hình 1.2 Mô hình biến dạng cục bộ (phương pháp Zurabop – Bugaeva) Các phương pháp dựa trên cơ sở thuyết biến dạng cục bộ đã được sử dụng khá rộng rãi trong thực tế xây dựng công trình ngầm – nhưng phần lớn các tác giả cho rằng mô hình nền cục bộ Winkler chỉ phù hợp với hầm đặt nông trong đất đá yếu hay thi công theo phương pháp đào hở

Khi hầm đặt sâu [2, 35, 58,59] mô hình nền biến dạng toàn bộ là phù hợp hơn

Hình 1.3 Phương pháp thay thanh [35]

 Mô hình nền biến dạng toàn bộ [2], [35]

Đất đá xung quanh hầm là môi trường biến dạng toàn bộ để xét chuyển

vị tại một điểm và sự hình thành lực kháng đàn hồi trong điều kiện ảnh hưởng của toàn bộ môi trường đất đá Đất đá được coi là một môi trường bán không gian biến dạng tuyến tính được đặc trưng bởi môđun biến dạng Eo và hệ số áp lực hông 

Vòm tường thẳng Tròn

Hình 1.4 Sơ đồ tính theo mô hình biến dạng toàn bộ của Đavưđốp [35]

Theo hướng này có các đại diện chính sau:

+ Phương pháp S.A.Orlov: Tính toán kết cấu công trình ngầm dạng tròn theo phương pháp thay thế bằng hệ thanh

+ Phương pháp S.S Đavưđov [2], [35]: Tính toán vỏ hầm dạng vòm tường thẳng

1.2.2 Các phương pháp thiết kế trên cơ sở lý thuyết cơ học môi trường liên tục

Đặc điểm đặc trưng của các mô hình tính toán theo quan điểm môi trường liên tục [2, 3, 57, 58, 59] là phân tích sự làm việc tương hỗ giữa kết cấu chống đỡ và môi trường (tương tác) - phân tích ứng xử không chỉ của kết cấu vỏ hầm mà còn của đất đá xung quanh nên có thể tận dụng sức mang tải của nền và kết cấu trong trường hợp này sẽ chịu tải ít hơn Khi đó vỏ hầm cũng là một phần tử gia cố giữ cho hầm ổn định và đây là ý tưởng chính trong phương pháp thi công hầm mới của Áo (NATM)

Cùng một khối đất đá có thể biểu diễn bằng các mô hình khác nhau tuỳ thuộc vào mối tương quan giữa các đặc trưng cơ bản của nó với các đặc trưng của trường ứng suất ban đầu, với tính chất tương tác của khối đá và kết cấu chống đỡ, loại kết cấu chống đỡ, chức năng và thời hạn sử dụng công trình

Một số mô hình thường được sử dụng trong tính toán [3], [7], [40], [59] như sau:

+ Mô hình lưu biến (đàn nhớt, nhớt dẻo )

Hình 1.5 Phân loại các phương pháp tính theo ITA

1.3 Phương pháp khống chế hội tụ trong thiết kế hầm

Phương pháp khống chế hội tụ (CCM) được đưa ra lần đầu tiên trong một bài báo của Fenner năm 1938 Thuật ngữ này đã được phát triển trong những thập kỷ 60 và 70 của thế kỷ 20 (ví dụ như ở Hiệp hội hầm Pháp)[15]

Việc áp dụng phương pháp CCM địi hỏi sự hiểu biết về cơ chế tương tác giữa vỏ hầm và đất đá (mối quan hệ giữa đặc tính biến dạng của đất đá và kết cấu chống) nhằm đánh giá tải trọng tác dụng lên kết cấu chống và thời gian lắp đặt kết cấu chống theo sự phát triển của vùng dẻo

Để xây dựng mơ hình thiết kế hầm, khảo sát sơ đồ mơ tả quá trình xây dựng hầm từ khi bắt đầu đào cho tới khi vỏ hầm và đất đá bắt đầu làm việc như trên hình 1.6

Hình 1.6 Các giai đoạn trong xây dựng hầm

Bước 1:

Trạng thái ban đầu

Bước 2:

Đào hầm, chưa gia cố

A

Vì quá trình xây dựng hầm phụ thuộc vào công nghệ thi công hầm, nên

sơ đồ như trên hình vẽ 1.6 chỉ đúng với những phương pháp thi công cho phép đào không cần các giải pháp chống đỡ hay gia cố trước như khiên đào, TBM, kích đẩy… Tuy nhiên nếu các phương pháp kể trên được áp dụng để thi công hầm trong đất đá có độ cứng trung bình trở nên (không dùng giải pháp ép dao về phía trước tạo vỏ chống sơ cấp) – tức là chỉ giải quyết vấn đề đào phá đất đá – thì sơ đồ trên vẫn áp dụng được

Bước 1: Gương hầm chưa tiến tới mặt cắt (A-A), phía trước hầm đào ở trạng thái cân bằng với trường ứng suất ban đầu p0 Áp lực chống giữ phía trong (phản lực vì chống) pi tác động trên biên đường hầm dự kiến cân bằng với p0

Bước 2: Gương hầm tiến đến mặt cắt (A-A) và áp lực gia cố pi, được tạo ra trước đó do khối đá nằm phía trong biên hầm khi chưa đào, giảm dần Hầm vẫn chưa bị sụt lở do biến dạng hướng tâm (ui) bị hạn chế do sự tồn tại của gương hầm đã gia cố gần kề Nếu biến dạng của khối đá lớn, áp lực gia cố (pi) cần thiết được lắp đặt nhằm hạn chế biến dạng hướng tâm (ui) của đất đá

Trong bước này diễn ra công tác xúc bốc đất đá sau khi đào hầm và tiến hành lắp dựng kết cấu chống (gia cố) gần gương hầm Tại thời điểm này kết cấu chống chưa chịu tải trọng tác dụng Giả thiết rằng khối đá chưa xuất hiện biến dạng từ biến

Bước 3: Gương hầm vượt quá mặt cắt (A-A) một khoảng bằng 1/2 lần đường kính gương đào và lúc này biến dạng bị hạn chế do đã được lắp đặt kết cấu chống đỡ Khi đó biến dạng đất đá gây ra áp lực lên kết cấu chống và áp lực chống giữ trong các kết cấu gia cố sẽ tăng theo giá trị biến dạng hướng tâm (chuyển dịch ui)

Bước 4: Gương hầm đã vượt rất xa so với mặt cắt (A-A) và không còn tác động đến gương hầm ở mặt cắt (A-A), lúc này đất đá đã có khả năng tự ổn định Trong trường hợp không lắp dựng kết cấu chống thì biến dạng sẽ tăng lên và hội tụ tới giá trị umax (phụ thuộc vào các tính chất cơ lý của đá)

Từ hình 1.6 và trình tự các bước đào có thể thấy, sơ đồ này phù hợp với

cả phương pháp thi công theo phương pháp mỏ truyền thống (PPMTT) trong

đá cứng vừa trở lên đang áp dụng rộng rãi ở Việt nam,

Điểm khác ở chỗ trong bước thứ 3 trong PPMTT sử dụng kết cấu chống tạm chịu tác dụng của tải trọng cho trước (như trên cơ sở vòm áp lực của Protodjakonov)

Trong khi đó, phương pháp đào hầm mới của Áo (NATM) thì kết cấu chống đỡ ban đầu này là bê tông phun, sau đó trong những trường hợp cần thiết có thể kết hợp với neo và các kết cấu chống hỗn hợp tạo nên một hệ thống nhất vỏ hầm – khối đá và không tính theo sơ đồ tải trọng cho trước mà tính theo bài toán mô hình liên tục

Một vấn đề quan trọng nữa là trong các phương pháp tính toán theo tải trọng cho trước, đất đá trong vòm áp lực (phần tải trọng long rời) được giả thiết là phá hủy hoàn toàn, điều này không hoàn toàn phù hợp với thực tế

Quá trình giải phóng ứng suất xung quanh khoang hầm và mối quan hệ giữa áp lực và biến dạng của nền được thể hiện như trên hình 1.7

a, Đường cong tương tác nền và các thời

điểm lắp đặt kết cấu chống

b, Sự giải phĩng ứng suất trên gương đào Hình 1.7 Đường cong phản lực của nền và ảnh hưởng của sự giải phĩng ứng

suất theo các giai đoạn

(2) Phân tích hầm cĩ ổn định hay cần gia cố, chống đỡ

Vùng lở rời Dẻo, mất ổn định

Dẻo, ổn định Đàn hồi



0

E

i M u

Nền mất ổn định, chuyển vị dẻo

(3) Phân tích thời điểm gia cố theo tính toán tương tác để thỏa mãn các yêu cầu thiết kế cả về cường độ vật liệu gia cố, chuyển vị biên và hệ số bền (tham số bền) cho cả kết cấu và nền

Rõ ràng từ các phân tích ở trên cho thấy, các kết cấu gia cố (chống giữ) hợp lý phải được tính toán trên cơ sở mối tác động vốn có giữa quan hệ biến dạng - tải trọng của cả kết cấu chống và khối đất đá Điều này cũng có nghĩa

là dù có xuất hiện biến dạng dẻo, đất đá vẫn có khả năng mang tải nhất định

và cần thiết phải tận dụng yếu tố đó

Việc phân tích đầy đủ mối tác động qua lại giữa kết cấu vỏ hầm và khối

đá là một vấn đề lý thuyết khó khăn và cho đến nay vẫn chưa đưa ra một giải pháp có tính định lượng thoả mãn yêu cầu đặt ra và việc nghiên cứu tính toán lắp đặt kết cấu khi bắt đầu tại giai đoạn thứ 2 (hình 1.7) – gia cố đúng thời điểm – cho phép nền có chuyển vị dẻo nhất định là hợp lý nhất

Luận án sẽ phát triển theo hướng như vậy

1.3.1 Các giả thiết để xây dựng sơ đồ tính

Theo phương pháp CCM, cần giải quyết các bài toán cơ bản sau:

+ Xây dựng đường cong phản lực nền (Ground Reaction Curve –GRC)

+ Xây dựng đường cong đặc tính của kết cấu chống (Support Characteristic Curve –SCC), thời điểm lắp dựng

+ Biến dạng theo dọc trục hầm (Longditudinal Deformation Profile – LDP)

Xét mô hình bài toán phẳng, sơ đồ tổng quát như hình 1.8

Hình 1.8 Mô hình bài toán tổng quát [20]

kỳ trên biên hầm theo phản lực chống pi

Tùy thuộc vào sự xuất hiện của các biến dạng, sẽ có các trường hợp sau:

1 Chỉ xuất hiện các biến dạng đàn hồi

2 Xuất hiện các biến dạng đàn hồi- dẻo - vùng CBGH chưa xuất hiện phá hủy

3 Xuất hiện các biến dạng phi đàn hồi - dẻo- xuất hiện vùng phá hủy

1.3.2 Đánh giá về phương pháp đào hầm mới của Áo (NATM) và ứng dụng

dự án hầm thủy điện như Đại Ninh, Buôn Kuốp,

Trước đó, trong các dự án hầm ở trước đây (chủ yếu trong lĩnh vực thủy điện) vẫn áp dụng phương pháp đào hầm truyền thống (PPMTT)

Trong báo cáo của ITA [38,39] và các bài giảng của Kovári [32,33,34]

đã đưa ra 22 nguyên tắc của NATM, có 6 nguyên tắc chính như sau:

1) Kết cấu hầm là tổ hợp giữa đất đá và vỏ hầm, hầm chủ yếu được chống đỡ bằng khối đá xung quanh Hệ thống chống đỡ hầm chỉ là cách hỗ trợ để huy động khả năng tự ổn định của khối đá

2) Điều quan trọng là phải giữ cường độ ban đầu của khối đá Bê tông được phun ngay sau khi đào hầm và công tác này có thể ngăn sự biến dạng của khối đá một cách hữu hiệu

3) Biến dạng của khối đá phải được kiểm soát hợp lý vì việc biến dạng này khiến cho cường độ của khối đá bị giảm

4) Khối đá phải được giữ trong các điều kiện ứng suất nén ba trục Cường độ của khối đá ở trạng thái ứng suất đơn trục và/hoặc hai trục thì thấp hơn cường độ trong điều kiện ba trục

Sau khi đào hầm, vách hầm sẽ ở trong điều kiện ứng suất hai trục cho đến khi hệ thống chống đỡ được lắp đặt Để duy trì trạng thái ứng suất nén ba trục và sự ổn định của khối đá, vách hầm phải được phủ kín bằng bê tông phun

5) Biến dạng của khối đá phải được ngăn không vượt quá giới hạn cho phép bằng việc thiết lập hệ thống chống đỡ phù hợp để ngăn chặn sự lở rời hoặc nguy cơ đổ sập của khối đá

6) Hệ thống chống đỡ và vỏ hầm phải được lắp đặt kịp thời Lắp đặt các hệ thống chống đỡ quá sớm hay quá muộn sẽ đem lại kết quả bất lợi Hệ thống chống đỡ không được quá mềm hay quá cứng Hệ thống chống đỡ cần

có một độ linh động phù hợp để duy trì cường độ của khối đá Mối quan hệ giữa tải trọng tác dụng lên hệ thống chống đỡ và sự dịch chuyển của hầm được xây dựng theo “đường cong tải trọng - biến dạng”

Như vậy, nguyên tắc thứ 6 của phương pháp đào hầm mới của NATM chính là nội dung của CCM So sánh với PPMTT thì cách chống đỡ truyền thống bằng gỗ hoặc bằng vòm thép không thể giúp ngăn ngừa sự biến dạng của khối đá xung quanh hầm

Theo [6, 8, 35] thì hệ thống chống đỡ của PPMTT là phần kết cấu chống tạm làm việc độc lập với kết cấu chịu lực là vỏ hầm, không xét đến tính chất cùng làm việc của vỏ và đất đá Do vậy, PPMTT không tính đến biến dạng đất đá và ngăn các biến dạng này bằng các kết cấu chống cứng

Phương pháp CCM cho đến nay vẫn chưa được đề cập đầy đủ và trong luận văn cao học [13] tác giả luận án cũng đã đưa ra các đánh giá nhận định ban đầu về việc áp dụng CCM khi nghiên cứu bài toán kết cấu chống hợp lý với thời điểm biến dạng của nền phù hợp để tận dụng khả năng mang tải Các kết quả này mới chỉ là bước đầu của việc áp dụng phương pháp khống chế hội

tụ trong thiết kế hầm, chưa đề cập đến các trường hợp ảnh hưởng của công nghệ và các khảo sát sâu hơn cho phương pháp này như đã nêu trong phần kết luận của luận văn [13]

Kết luận Chương 1

Thực tế, lĩnh vực thiết kế hầm và công trình ngầm có nhiều phức tạp do tính chất đa dạng của địa tầng cũng như các điều kiện địa chất công trình tại khu vực xây dựng, công nghệ xây dựng Do vậy, các phương pháp tính toán thiết kế hầm chỉ đúng cho từng điều kiện nhất định ví dụ như hầm trong đất hay hầm trong đá, hầm đặt nông hay đặt sâu, tùy thuộc vào công nghệ xây dựng đã được chỉ định…

Phương pháp tính toán truyền thống tuy có nhiều ưu điểm, song không tính đến tương tác với khái niệm tận dụng được tối đa sức mang tải của môi trường (nền dù bị biến dạng dẻo nhưng không bị phá hủy và vẫn có sức mang tải nhất định ngoài chức năng cấu tạo vỏ hầm theo yêu cầu thiết kế) Trong nhiều trường hợp - đặc biệt là một số tiêu chuẩn thiết kế (bao gồm cả tiêu chuẩn thiết kế TCVN 4528:1988 – Thiết kế hầm đường sắt và hầm đường ô tô) – việc phân tích hầm chỉ là kiểm tra sức mang tải của vỏ chịu tải trọng cho trước – trong một môi trường nền đã chọn

Có thể thấy được việc tính toán kết cấu cùng làm việc với vỏ hầm có nhiều ưu việt, việc xét tới tác động qua lại giữa kết cấu và môi trường đất đá xung quanh theo nguyên lý gia cố (bảo tồn) nhằm giữ ổn định chung cho cả

hệ đất đá – vỏ hầm kể đến điều kiện thi công (công nghệ, phương pháp đào hầm) là việc làm cần thiết

Phương pháp CCM là một trong những phương pháp thiết kế có kể đến tương tác giữa kết cấu hầm và môi trường đất đá, từ đó cho phép tận dụng được khả năng mang tải của đất đá – giảm được khối lượng gia cố mà vẫn đảm bảo được việc thiết kế hầm an toàn và hiệu quả, phản ánh sát thực mối quan hệ của hệ đất đá –vỏ hầm có xét tới yếu tố biến dạng theo thời gian

Tuy nhiên, qua các phân tích lý thuyết đã có về CCM, có thể thấy rằng hiện nay CCM chưa đề cập sâu đến tính chất phi tuyến của đất đá ở giai đoạn dẻo (cân bằng giới hạn) và ảnh hưởng các yếu tố kỹ thuật và công nghệ đến

sự làm việc tương tác của hệ kết cấu –đất đá như ảnh hưởng công nghệ, chất lượng đào hầm (sự xáo trộn của đất đá do khoan nổ mìn), sự tồn tại của lớp lấp nhét (vữa nhồi), ảnh hưởng của các yếu tố địa cơ học, thời gian

Đây chính là hướng nghiên cứu của luận án

Chương hai và các chương tiếp theo sẽ nghiên cứu chi tiết hơn phương pháp khống chế hội tụ (CCM)

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP CCM 2.1 Các giả thiết về tiêu chuẩn phá huỷ và các mô hình phá hủy

Để xây dựng đường cong phản ứng của khối đá, cần thiết phải có các

mô hình phá huỷ và các tiêu chuẩn tương ứng Một số điều kiện dẻo được sử dụng phổ biến như: Mises, Tresca, Mohr-Coulomb và Drucker-Prager Ngoài

ra, còn có tiêu chuẩn thực nghiệm Hoek-Brown, Hoek-Brown mở rộng được

sử dụng trong nghiên cứu các mô hình phá huỷ của đất đá

Do điều kiện thời gian, trong luận án, chỉ trình bày hai tiêu chuẩn phá hủy chính được áp dụng hiện nay để xây dựng đường cong phản ứng của khối

đá là Mohr-Coulomb và Hoek-Brown

2.1.1 Tiêu chuẩn phá huỷ Mohr – Coulomb

Mô hình phá huỷ Mohr –Coulomb (hình 2.1) được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu khối đá ở trạng thái ứng suất ba trục

Hình 2.1 Vòng tròn Mohr ứng suất

Tiêu chuẩn này đánh giá độ bền khối đá dựa trên hai tham số cơ bản là góc ma sát trong của đất  và cường độ cường độ lực dính C được dựa trên cơ

sở như sau: