Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết sử dụng phương pháp mô hình số 3D bằng phần mềm Abaqus để mô phỏng quá trình thi công đường hầm và dự báo ảnh hưởng của giá trị áp lực gương đào đến độ lún mặt đất.
Journal of Mining and Earth Sciences Vol 61, Issue (2020) 28 - 36 Study of the influence of face pressure on surface settlements by shield tunneling Thai Ngoc Do 1,*, Toan Duc Do Faculty of Civil Engineering, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam Power Engineering Consulting Joint Stock Company 4, Vietnam ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: Received 18th Nov 2019 Accepted 9th Jan 2020 Available online 28th Feb 2020 In the mechanized excavation of subway tunnels, the shield tunnel boring machine (TBM) has been developed in recent decades for managing the instability of the excavation profile in complicated geotechnical conditions in urban areas The paper presents a 3D simulation procedure for the detailed description of TBM (via the finite element code Abaqus) and quantifies the influence of TBM face pressure on ground surface settlements The model is used to calculate ground surface settlements for different values of TBM face pressure An additional aspect of the investigation is the determination of the critical value of TBM face pressure, which controls face instability in very weak ground During the advancement of shield tunnel boring machines, the face-stabilizing pressure is one of the most important factors of critical In tunneling by shield tunnel boring machines, high face pressure often leads to surface upheaval, whereas low face pressure leads to sudden collapse of the face and ultimately settlement of the surface For the model condition, the maximum value was quantity 250 kPa and the minimum value obtained quantity 150 KPa Keywords: Tunnel, Shield tunneling machines, Face pressure, Surface settlements Copyright © 2020 Hanoi University of Mining and Geology All rights reserved _ *Corresponding author E-mail: dongocthai@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.2020.61(1).04 28 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 61, Kỳ (2020) 28 - 36 Nghiên cứu ảnh hưởng áp lực gương đào đường hầm đến độ lún mặt đất thi công đường hầm máy khiên đào Đỗ Ngọc Thái 1,*, Đỗ Đức Toàn Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 4, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 18/11/2019 Chấp nhận 09/01/2020 Đăng online 28/02/2020 Trong lĩnh vực xây dựng đường hầm giao thông, máy khiên đào phát triển năm gần để khắc phục tượng ổn định q trình thi cơng gặp điều kiện địa chất phức tạp thị Bài báo sử dụng phương pháp mơ hình số 3D phần mềm Abaqus để mô trình thi cơng đường hầm dự báo ảnh hưởng giá trị áp lực gương đào đến độ lún mặt đất Mơ hình sử dụng để dự báo độ lún mặt đất trì giá trị áp lực gương đào khác Khi thi công đường hầm máy khiên đào việc trì áp lực lên gương đào để giữ ổn định bề mặt gương đào đường hầm số thông số quan trọng Trong q trình thi cơng, giá trị áp lực gương đào lớn gây tượng đẩy trồi lên mặt đất, áp lực gương đào có giá trị nhỏ gây tượng trượt lở đột ngột vào gương đào gây sụt lún lên đến mặt đất Đối với điều kiện tốn mơ phỏng, áp lực bề mặt gương đào hiệu có giá trị tối đa 250kPa giá trị tối thiểu 150kPa Từ khóa: Đường hầm, Máy khiên đào, Áp lực bề mặt gương, Độ lún mặt đất © 2020 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Quá trình thi cg, thẳng đứng 0; ứng suất tiếp, pháp tuyến để tự Biên phía bề mặt để tự cho phép chuyển vị thẳng đứng chuyển vị ngang Hình Hình Bảng Đặc tính lý lớp đất TT Chiều dày lớp, Khối lượng thể Mô đun đàn Hệ số Góc ma sát Lực dính H (m) tích, γ (kN/m3) hồi, E (MPa) Poisson, (ν) trong, φ (0) kết, c (kPa) Sét mềm 19,0 0,35 80 12 Cát 19,2 15 0,35 100 15 Sét 21 20,0 30 0,32 25 22 Đá 67 22,0 100 0,25 320 30 Loại đất Hình Điều kiện biên tốn Hình Vị trí lớp đất đá Đỗ Ngọc Thái, Đỗ Đức Tồn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (1), 28 - 36 33 4.5 Kết tính tốn 4.3 Áp lực lên gương đào Trong q trình thi cơng đường hầm qua đất yếu, phía trước gương đào hình thành khối đất đá phá hủy có xu hướng trượt, sụt lở vào gương đào (Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc, 2005; Do Ngoc Thai and Protosenya, 2017) Duy trì áp lực lên gương đào có tác dụng nhằm cân áp lực gương giữ ổn định gương đào, kiểm soát, giảm thiểu độ dịch chuyển khối đất đá, lún bề mặt đất Giá trị áp lực cân gương xác định phụ thuộc vào đường kính, chiều sâu bố trí đường hầm giá đặc tính lý khối đất đá xung quanh Ở mơ hình để phân tích ảnh hưởng giá trị áp lực gương đào đến độ lún mặt đất, sử dụng áp lực lên gương đào có giá trị trung bình thay đổi Fg = 50÷250 kPa Hình Áp lực áp lực gương phân bố tuyến tính tăng theo độ sâu, trường hợp trì áp lực gương Fg = 50 kPa giá trị áp lực gương trung bình trục đường hầm 50 kPa, giá trị áp lực gương tăng tuyến tính theo độ sâu từ đỉnh hầm đến đáy hầm (đường kính D = 7m) với giá trí biến đổi 12kPa/m 4.4 Các giai đoạn mơ tính tốn thi cơng đường hầm Các giai đoạn mơ phỏng, tính tốn cơng tác thi cơng đoạn hầm bao gồm: Giai đoạn 1: xây dựng điều kiện biên, trường ứng suất ban đầu; Giai đoạn 2: tách bóc đất đá, trì áp lực lên gương đào; Giai đoạn 3: lắp đặt vỏ chống cho đường hầm, trì áp lực vữa phía sau vỏ chống Kết mô lún mặt đất gây công tác thi công đường hầm với giá trị áp lực gương hầm khác thể Hình 6, Kết cho thấy mối tương quan áp lực gương hầm độ lún mặt đất: sử dụng giá trị áp lực gương hầm nhỏ giá trị độ lún mặt đất lớn Để đánh giá phụ thuộc giá trị áp lực gương hầm đến độ lún mặt đất, nghiên cứu thay đổi giá trị áp lực lên gương đào Fg = 50÷250 kPa, kết thu giá trị lún mặt đất dọc trục đường hầm thể Hình Từ kết phân tích mơ hình số thể Hình cho thấy giá trị áp lực trì lên gương đào có ảnh hưởng đến giá trị lún mặt đất Khi giá trị áp lực trì lên gương đào giảm giá trị lún mặt đất tăng Với giá trị áp lực lên gương đào Fg = 50 kPa giá trị lún mặt đất 42mm lớn gấp lần giá trị lún mặt đất trường hợp áp dụng giá trị áp lực lên gương đào Fg = 250 kPa có giá trị lún mặt đất 9mm Đối với trường hợp Fg = 50 kPa tác động từ cơng tác thi cơng đường hầm gây lún mặt đất có giá trị lớn 41÷42 mm vị trí gương đào có giá trị lún bề mặt đất 14÷15 mm Giá trị kết phân tích cho thấy, giá trị lún bề mặt đất vị trí gương đào có giá trị (0,34÷0,35) lần giá trị lún bề mặt lớn gây công tác thi cơng đường hầm Sv-gương = (0,34÷0,35)Sv-max Vùng ảnh hưởng lún mặt đất phía trước gương đạt tới 30÷35 m, giá trị lún mặt đất đạt giá trị lớn phía sau gương 50m Hình Duy áp lực lên bề mặt gương đào đường hầm 34 Đỗ Ngọc Thái, Đỗ Đức Tồn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (1), 28 - 36 (a) (b) (c) (d) Hình Kết mơ giá trị lún mặt đất thay đổi giá trị áp lực gương hầm: (a) - Giá trị áp lực lên gương Fg = 50kPa; (b) - Giá trị áp lực lên gương Fg = 100kPa; (c) - Giá trị áp lực lên gương Fg = 150kPa; (d) - Giá trị áp lực lên gương Fg = 200kPa; (e) - Giá trị áp lực lên gương Fg = 250kPa (e) Đỗ Ngọc Thái, Đỗ Đức Tồn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (1), 28 - 36 35 - Fg = 50 kPa; - Fg = 100 kPa; - Fg = 150 kPa; - Fg = 200 kPa; - Fg = 250 kPa Hình Lún mặt đất dọc trục đường hầm sử dụng giá trị áp lực lên gương đào khác Đối với trường hợp Fg = 250 kPa tác động từ công tác thi công đường hầm gây lún mặt đất có giá trị lớn 8÷9 mm vị trí gương đào giá trị lún bề mặt đất 3÷4mm Giá trị kết phân tích cho thấy, giá trị lún bề mặt đất vị trí gương đào có giá trị (0,37÷0,44) lần giá trị lún bề mặt lớn gây công tác thi công đường hầm Sv-gương = (0,37÷0,44)Sv-max Vùng ảnh hướng lún mặt đất phía trước gương đạt tới 15÷20 m, giá trị lún mặt đất đạt giá trị lớn vị trí phía sau gương 30 m Tuy nhiên vị trí 20m phía trước gương giá trị lún bề mặt có giá trị dương "+", tức xuất hiện tượng đẩy trồi đất đá, vữa áp lực lên bề mặt đất Giá trị dịch chuyển mặt cắt ngang thể Hình Trên hình 8, thể giá trị lún mặt đất lớn mặt cắt ngang sử dụng giá trị áp lực lên gương khác Từ kết phân tích mơ hình số cho thấy giá trị áp lực trì lên gương đào có ảnh hưởng đến giá trị lún mặt đất Khi giá trị áp lực trì lên gương đào giảm giá trị dịch chuyển lún mặt đất tăng Giá trị lún lớn Sv-max xuất phía sau gương đào, cách gương đào 30÷50m Ở vị trí gương đào giá trị lún bề mặt đất đạt (0,34÷0,44)Sv-max Giá trị áp lực trì lên gương đào có ảnh hưởng đến giá trị lún mặt đất Khi giá trị áp lực gương đào lớn gây tượng đẩy trồi lên mặt đất, áp lực gương đào có giá trị nhỏ gây tượng trượt lở đột ngột vào gương đào gây sụt lún lên đến bề mặt đất Dựa vào kết mơ hình số kết quan trắc đo đạc thực tế từ cơng trình điều kiện xây dựng, tốn để đảm bảo an tồn thi công, giảm giá trị lún mặt đất không để xảy tượng đẩy trồi đất vữa áp lực lên mặt đất ta lựa chọn giá trị áp lực trì lên gương đào là: 150 kPa ≤ Fg ≤250 kPa Kết luận Do Ngoc Thai and Protosenya, A G., (2017) The effect of tunnel face support pressure on ground surface settlement in urban areas due to shield tunnelling Geo - Spatial Technologies and Earth resources (ISM - 2017) 415 - 420 Từ kết phân tích mơ hình số nhận thấy, đường hầm bố trí nằm gần mặt đất, điều kiện địa chất yếu thi công dẫn đến tượng lún mặt đất Tài liệu tham khảo Abaqus Inc “Abaqus User's Manual.” Version 6.12 Simulia 2012 773p 36 Đỗ Ngọc Thái, Đỗ Đức Tồn/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (1), 28 - 36 O’Reilly, M P and New, B M., (1982) Settlements above tunnels in the UK - their magnitude and prediction Tunnelling 82 173 - 181 Peck, R.B (1969) Deep excavations and tunnelling in soft ground In: Proc 7th ICSMFE, State-of-the-art Volume, Mexico City Mexico: Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos 225 - 290 Protosenya, A G , Belyakov, N A , Do Ngoc Thai, (2015) The development of prediction method of earth pressure balance and earth surface settlement during tunneling with mechanized tunnel boring machines Proceedings of the mining institute 211 53 - 63 Schmidt, B., 1974 Prediction of Settlements Due To Tunnelling in Soil: Three Case Histories, Proceedings Rapid Excavation and Tunnelling Conference 1179 - 1199 Vittorio Guglielmetti, (2007) Mechanized Tunneling in Urban Areas: Design methodology and construction control / Vittorio Guglielmetti, Piergiorgio Grasso, Shulin Xu; Taylor&Francis e-Library 2007 504 Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc, (2005) Cơ học đá ứng dụng xây dựng cơng trình ngầm khai thác mỏ Nhà xuất Khoa học kỹ thuật 463 ... trình thi cơng đường hầm dự báo ảnh hưởng giá trị áp lực gương đào đến độ lún mặt đất Mơ hình sử dụng để dự báo độ lún mặt đất trì giá trị áp lực gương đào khác Khi thi công đường hầm máy khi n đào. .. tương quan áp lực gương hầm độ lún mặt đất: sử dụng giá trị áp lực gương hầm nhỏ giá trị độ lún mặt đất lớn Để đánh giá phụ thuộc giá trị áp lực gương hầm đến độ lún mặt đất, nghiên cứu thay đổi... 36 Nghiên cứu ảnh hưởng áp lực gương đào đường hầm đến độ lún mặt đất thi công đường hầm máy khi n đào Đỗ Ngọc Thái 1,*, Đỗ Đức Toàn Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam Công