Bài viết được thực hiện đối với công trình hầm giao thông trong môi trường đá trên cơ sở bài toán phẳng, căn cứ trên số liệu của Báo cáo khảo sát địa chất công trình hầm đường bộ qua đèo Cả – Bước lập dự án đầu tư xây dựng. Trong bài báo sử dụng mô hình khối đá đàn hồi-dẻo trên cơ sở tiêu chuẩn phá hoại Hoek-Brown (phiên bản năm 2002).
Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 2-2012 96 ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA MÔI TRƯỜNG ĐÁ XUNG QUANH ĐƯỜNG HẦM GIAO THƠNG ThS Đồn Hữu Sâm Khoa Cầu đường, trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt: Việc tính tốn, dự báo độ ổn định cho cơng trình ngầm địi hỏi phải xác định quy luật biến đổi học mơi trường đất đá xung quanh cơng trình Do đó, cần thiết phải đánh giá trạng thái ứng suất – biến dạng môi trường đất đá xung quanh cơng trình Bài báo thực cơng trình hầm giao thơng mơi trường đá sở toán phẳng, số liệu Báo cáo khảo sát địa chất cơng trình hầm đường qua đèo Cả – Bước lập dự án đầu tư xây dựng Trong báo sử dụng mơ hình khối đá đàn hồi-dẻo sở tiêu chuẩn phá hoại Hoek-Brown (phiên năm 2002) Kết mô tính tốn chương trình Phase2 (Rocscience - Canada) cho thấy lớp đá phong hóa gần bề mặt có xuất biến dạng dẻo phạm vi rộng xung quanh biên cơng trình, ngược lại lớp đá xâm nhập rắn sâu bên mặt đất không xảy biến dạng dẻo môi trường đá xung quanh hầm ứng xử phạm vi trạng thái đàn hồi Từ khóa: Ứng suất; Biến dạng; Khối đá; Ổn định; Đường hầm; Tiêu chuẩn phá hoại HoekBrown; Lời giải đàn hồi-dẻo Giới thiệu Hiện có nhiều phương pháp khác đánh giá độ ổn định cơng trình ngầm khơng chống Các phương pháp xây dựng phương pháp luận khác Chúng không đánh giá mức độ ổn định cho cơng trình ngầm khơng chống mà cịn phát triển theo hướng tạo nên sở khoa học để lựa chọn giải pháp loại hình chống giữ hợp lý cho cơng trình ngầm Trên sở phân tích chất phương pháp đánh giá ổn định cho cơng trình ngầm khơng chống, phân chia chúng thành số nhóm sau: [2] - Các phương pháp dự báo độ ổn định cho công trình ngầm khơng chống sở so sánh giá trị ứng suất thứ sinh lớn xuất biên cơng trình ngầm độ bền tương ứng khối đá - Các phương pháp dự báo độ ổn định cho cơng trình ngầm khơng chống sở dự báo hình thành vùng biến dạng khơng đàn hồi, vùng phá hủy khối đá biên cơng trình - Các phương pháp dự báo độ ổn định cho cơng trình ngầm khơng chống sở dự báo giá trị chuyển dịch lớn (giá trị biến dạng lớn nhất) biên cơng trình ngầm - Các phương pháp dự báo độ ổn định cho cơng trình ngầm không chống sở tiêu tổng hợp đánh giá mức độ ổn định cho khối đá bao quanh cơng trình ngầm - Các phương pháp dự báo độ ổn định cho cơng trình ngầm thẳng đứng (giếng đứng) không chống Các phương pháp dự báo độ ổn định cho khối đá bao quanh cơng trình ngầm có ý nghĩa đặc biệt quan trọng q trình lựa chọn biện pháp thi công hợp lý, thiết kế kết cấu chống giữ tạm thời, kết cấu chống giữ cố định hữu hiệu cho dạng cơng trình ngầm xây dựng điều kiện học khác Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 2-2012 Đặc điểm đàn hồi-dẻo khối đá xung quanh công trình ngầm theo mơ hình Hoek-Brown Phương trình tiêu chuẩn Hoek-Brown tổng quát hóa: [10], [13] 3' ci mb s ci ' ' a (1) Với: GSI 100 mb mi exp 28 14 D GSI 100 s exp 3D 1 a e GSI / 15 e 20 / Trong đó: (2) (3) (4) '' - ứng suất có hiệu lớn nhỏ lúc phá hoại ci - cường độ nén đơn trục vật liệu đá nguyên trạng mi - số vật liệu phụ thuộc loại đá mb - giá trị chiết giảm số vật liệu mi s, a - số khối đá GSI - tiêu bền địa chất D - hệ số xáo trộn Ở trạng thái sau bị phá hoại khối đá, tiêu chuẩn Hoek-Brown áp dụng độ bền sau phá hoại suy giảm Ứng xử khối đá mô tả hình Ứng suất Việc tính tốn, dự báo độ ổn định cho cơng trình ngầm địi hỏi phải xác định quy luật biến đổi học mơi trường đất đá xung quanh cơng trình Do đó, ta cần thiết phải đánh giá trạng thái ứng suất biến dạng môi trường đất đá xung quanh cơng trình Bài báo thực cơng trình hầm giao thơng mơi trường đá phương hướng nghiên cứu dựa việc nghiên cứu biến đổi học môi trường đá xung quanh công trình ngầm kết hợp với tiêu chuẩn phá huỷ cho khối đá hợp lý [19] 97 Biến dạng (1) Các thông số thời điểm phá hoại (đỉnh): ci , mb , s, a (2) Các thông số sau phá hoại (dư): ’ci , m’b , s’, a’ Hình Các đường bao thời điểm phá hoại sau phá hoại với tiêu chuẩn phá hoại HoekBrown tổng qt hóa Mơ hình đá Hoek-Brown (2002) mơ hình đại cho phép đánh giá trạng thái ứng suất – biến dạng môi trường đá sử dụng phổ biến Một ưu điểm mơ hình có xét đến mức độ nứt nẻ khối đá thể thông qua thông số GSI D Mô hình Hoek-Brown (2002) có xét đến mức độ nứt nẻ lên độ ổn định phân tố Khi trạng thái ứng suất vượt miền đàn hồi, ứng xử chuyển sang đàn hồi-dẻo, kết tính tốn với mơ hình đàn hồi-dẻo cho phép đánh giá đặc điểm chuyển vị độ ổn định xác so với mơ hình đàn hồi khác Do trạng thái ứng suất điểm khác nên ứng xử có đặc điểm riêng biệt, việc tính tốn phân tích Thơng báo Khoa học Cơng nghệ* Số 2-2012 98 thực nhờ trợ giúp phần mềm sở phương pháp phần tử hữu hạn [19] a) Trường hợp hầm lớn b) Trường hợp hầm nhỏ song song Trên sở mô hình Hoek-Brown, thơng số mơi trường đá bảng Các tham số Hoek-Brown trạng thái đỉnh (m b, s a) tính tốn theo công thức (2), (3) (4); tham số trạng thái dư (m’b , s’ a’) xét mơi trường đàn hồi-dẻo tính tốn tương tự thay tiêu bền địa chất GSI ban đầu tiêu bền địa chất trạng thái dư GSIr theo công thức sau: [11] GSIr = GSI.e-0,0134.GSI Trong tốn mơ phỏng, áp lực địa tầng độ sâu tính tốn theo phương đứng (p1) theo phương ngang (p2) xác định sau: p1 = .z p2 = K..z Trong đó: - dung trọng tự nhiên trung bình lớp lớn đáy hầm 0,28mm - Chuyển vị đỉnh hầm 0,22mm - Vùng dẻo đáy hầm khoảng 2m (0,32 lần bề rộng hầm) - Vùng dẻo bên trục đối xứng đáy hầm khoảng 4m (0,64 lần bề rộng hầm) Ứng suất [MPa] 1,59 0,097 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -1 0,83 1,60 0,27 Khoảng cách [m] 0,094 Sigma Sigma 10 p1 Hình Quan hệ ứng suất khoảng cách hông hầm đào hầm nhỏ cách 18,6m độ sâu 30m lớp đá phong hóa 3.2.3 Trường hợp đào hầm nhỏ cách 6,2m Ứng suất [MPa] - Phạm vi hơng hầm khơng có suy giảm ứng suất chính, mơi trường đá trạng thái đàn hồi 1,61 0,05 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.5 Khoảng cách [m] 1,13 0.5 0,06 1.5 Sigma 2.5 Sigma 3 - Vùng dẻo đáy hầm khoảng 2,8m (0,45 lần bề rộng hầm) - Vùng dẻo bên trục đối xứng đáy hầm khoảng 4,5m (0,72 lần bề rộng hầm) Như vậy, so với việc bố trí đường hầm có kích thước lớn phạm vi độ sâu 30m, chuyển vị đá xung quanh cơng trình bố trí làm đường hầm song song có giá trị bé hơn, vùng dẻo phát sinh chủ yếu phạm vi 2m đến 2,8m thay tới 6m đáy hầm lớn Trong trường hợp này, việc bố trí đường hầm nhỏ song song thực thi công với khối lượng lớn việc xử lý đơn giản thuận tiện đưa cơng trình vào sử dụng Đồng thời với khoảng cách hầm 6,2m, yếu tố ổn định tương tự trường hợp hầm song song cách xa Do đó, phương án tính tốn trường hợp đường hầm cách 6,2m cho kết tốt cho phép sử dụng cơng trình thuận lợi trình khai thác 3.3 Trường hợp hầm sâu bên mặt đất độ sâu 200m lớp đá xâm nhập rắn 3.3.1 Trường hợp đào hầm lớn 1,63 0,31 100 3.5 p1 Hình Quan hệ ứng suất khoảng cách hông hầm đào hầm nhỏ cách 6,2m độ sâu 30m lớp đá phong hóa - Chuyển vị lớn đáy hầm 0,28mm - Chuyển vị đỉnh hầm 0,23mm - Vùng ảnh hưởng cách mép hông hầm 15m (1,5 lần bề rộng hầm) - Phạm vi bên hơng hầm khơng có suy giảm ứng suất chính, mơi trường đá trạng thái đàn hồi - Hông hầm chuyển vị không đáng kể - Chuyển vị lớn đáy hầm 0,57mm - Chuyển vị đỉnh hầm 0,48mm - Xung quanh hầm không xuất vùng dẻo, môi trường đá trạng thái đàn hồi Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 2-2012 10,91 11 3 = 0,46 MPa - Có tập trung ứng suất lớn 1 10 Ứng suất [MPa] 101 - Chênh lệch đáng kể 1 3 → Có xu 5,4 0,11 1,7 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Khoảng cách [m] Sigma Sigma hướng xuất biến dạng dẻo - Chuyển vị lớn đáy hầm 0,42mm - Chuyển vị đỉnh hầm 0,38mm - Xung quanh hầm không xuất vùng dẻo p1 Quan hệ thành phần ứng suất khoảng cách hầm 20 3.3.2 Trường hợp đào hầm nhỏ cách 6,2m - Phạm vi hơng hầm khơng có suy giảm ứng suất chính, mơi trường đá trạng thái đàn hồi - Chuyển vị lớn đáy hầm 0,35mm - Chuyển vị đỉnh hầm 0,3mm - Xung quanh hầm không xuất vùng dẻo, môi trường đá trạng thái đàn hồi 12 11 10 7,5 Ứng suất [MPa] 10,99 10,95 0,38 2,12 0,43 18 16 14 Ứng suất [MPa] Hình Quan hệ ứng suất khoảng cách tính từ hơng hầm đào hầm lớn độ sâu 200m lớp đá xâm nhập rắn 12 10 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 Khoảng cách [m] 0.1 0.2 Sigma 0.3 0.4 0.5 Sigma p1 Hình Quan hệ ứng suất khoảng cách hơng hầm đào hầm nhỏ cách 1m độ sâu 200m lớp đá xâm nhập rắn 3.4 Phân tích, nhận định kết tính tốn Đối với hầm gần mặt đất (đá bị phong hóa mạnh): - Mơi trường đá quanh hầm xuất biến dạng dẻo - Vùng dẻo phát triển mạnh đáy hầm -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 Khoảng cách [m] 0.5 1.5 Sigma 2.5 Sigma 3 3.5 p1 Hình Quan hệ ứng suất khoảng cách hơng hầm đào hầm nhỏ cách 6,2m độ sâu 200m lớp đá xâm nhập rắn 3.3.3 TH đào hầm nhỏ cách 1m - Giá trị trung bình ứng suất điểm cao độ 1,9m (kể từ đáy hầm) hơng hầm: 1 = 18,28 MPa Hình Vùng dẻo xuất phạm vi rộng đào hầm nhỏ cách 1m độ sâu 30m lớp đá phong hóa Thơng báo Khoa học Công nghệ* Số 2-2012 - Khi hầm nhỏ cách khoảng cách không lớn (1m) → xuất vùng dẻo rộng, gây ổn định (Hình 9) Đối với hầm sâu bên mặt đất (đá chưa bị phong hóa): Mơi trường đá quanh hầm ứng xử phạm vi trạng thái đàn hồi Vùng ảnh hưởng theo phương ngang có phạm vi khoảng 1,5 lần bề rộng hầm tính từ mép hơng hầm 102 Chuyển vị chủ yếu đáy đỉnh hầm Giá trị chuyển vị xung quanh hầm có kích thước lớn lớn Giá trị chuyển vị lớn tất trường hợp nhỏ 1mm Từ kết nhận định trên, thiết kế cơng trình, lựa chọn phương án bố trí đường hầm hình 10 Hình 10 Các phương án bố trí đường hầm a) Bố trí hầm lớn với biện pháp xử lý gia cố đoạn hầm đặt nơng b) Bố trí hầm nhỏ song song cách 6,2m tuyến c) Bố trí hầm nhỏ song song cách 6,2m đoạn hầm đặt nông nối với trở thành hầm lớn đoạn hầm đặt sâu Kết luận - Sự thay đổi trạng thái ứng suất nguyên sinh xảy phạm vi 1,5 lần bề rộng hầm tính từ mép hơng hầm - Trong phạm vi đàn hồi, 1 giảm dần 3 tăng dần đến áp lực địa tầng p p tương ứng bên hông hầm Trong phạm vi dẻo, 1 bị suy giảm - Vùng nguy hiểm (vùng dẻo) xuất đáy hầm, nơi bề mặt đào dạng phẳng - Chuyển vị đáy hầm đào phẳng có khuynh hướng lớn so với nơi tạo dạng vòm - Trong đá tốt, khoảng cách hầm bố trí nhỏ mà không xuất hiện tượng dẻo - Chuyển vị có giá trị bé (nhỏ 1mm) nên vấn đề cần quan tâm khả ổn định xuất dẻo, nổ đá cục Kiến nghị - Để hạn chế khả ổn định đá chất lượng xấu gần bề mặt, bố trí hầm song song với khoảng cách xấp xỉ đường kính hầm Trong đá chất lượng tốt nối thành hầm mà đảm bảo độ ổn định Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 2-2012 - Khi xuất vùng dẻo, bố trí neo, tạo vịm ngược, vỏ chống kết hợp biện pháp xử lý với nhằm hạn chế khả ổn định 103 - Nên sử dụng dạng tiết diện hầm tạo vòm khép kín để hạn chế biến dạng dẻo chuyển vị so với sử dụng dạng tiết diện hầm có đoạn thẳng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nghiêm Hữu Hạnh, Cơ học đá Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội (2004) [2] Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc, Cơ học đá ứng dụng xây dựng cơng trình ngầm khai thác mỏ, Nhà xuất Khoa Học Và Kỹ Thuật, Hà Nội (2005) [3] Nguyễn Sĩ Ngọc, Cơ học đá, Nhà xuất Giao Thông Vận Tải, Hà Nội (2005) [4] Nguyễn Quang Phích, Cơ học đá, Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội (2007) [5] Bùi Trường Sơn, Địa chất cơng trình, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Tp HCM, Tp HCM (2009) [6] Đặng Phúc Tuân, Đánh giá trạng thái ứng suất biến dạng môi trường đất đá xung quanh đường hầm dẫn nước cơng trình thuỷ điện, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Địa Kỹ Thuật Xây Dựng - Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Tp HCM, Tp HCM (2009) [7] Nguyễn Đức Toản, Lịch sử phát triển tiêu chuẩn phá hoại Hoek – Brown phiên năm 2002, Turin (2006) [8] Phạm Quốc Tuấn, Tính tốn đường hầm khơng có lớp áo bê tơng gia cố cơng trình thuỷ lợi thuỷ điện, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chun ngành Xây Dựng Cơng Trình Thuỷ - Đại học Xây Dựng, Hà Nội (2007) [9] Công ty Cổ Phần Tư Vấn Thiết Kế Cầu Lớn – Hầm, Báo cáo khảo sát địa chất cơng trình hầm đường qua đèo Cả – Bước lập dự án đầu tư xây dựng, Hà Nội (2010) [10] Catrin Edelbro, Rock mass strength – A Review – Technical Report, Luleå University of Technology, Luleå (2003) [11] M Cai, P.K Kaiser, Y Tasaka, M Minami, Determination of residual strength parameters of jointed rock masses using the GSI system, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 44, page 247–265 (2007) [12] C Carranza-Torres & C Fairhurst, The elasto-plastic response of underground excavations in rock masses that satisfy the Hoek – Brown failure criterion, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 36, page 777–809 (1999) [13] E Hoek, A brief history of the development of the Hoek – Brown failure criterion (2004) [14] E Hoek, Practical rock engineering, Evert Hoek Consulting Engineer Inc., North Vancouver, B.C (2006) [15] E Hoek, Rock mass properties for underground mines, Engineering Fundamentals and International Case Studies, Colorado (2001) [16] R.E Goodman, Introduction to rock mechanics 2nd Edition, John Wiley & Sons Publisher (1989) [17] V Marinos, P Marinos, E Hoek, The geological strength index: aplications and limitations, Bull Eng Geol Environ (2005) [18] E Hoek, M.S Diederichs, Empirical estimation of rock mass modulus, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 43, page 203–215 (2006) [19] Đoàn Hữu Sâm, Đánh giá trạng thái ứng suất biến dạng môi trường đá xung quanh đường hầm giao thông, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây Dựng Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Tp HCM, Tp HCM (2011) ... luật biến đổi học mơi trường đất đá xung quanh cơng trình Do đó, ta cần thiết phải đánh giá trạng thái ứng suất biến dạng môi trường đất đá xung quanh cơng trình Bài báo thực cơng trình hầm giao. ..(2006) [19] Đoàn Hữu Sâm, Đánh giá trạng thái ứng suất biến dạng môi trường đá xung quanh đường hầm giao thông, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây Dựng Cầu Hầm - Đại học Bách Khoa, Đại ...hơng hầm khơng có suy giảm ứng suất chính, mơi trường đá trạng thái đàn hồi - Chuyển vị lớn đáy hầm 0,35mm - Chuyển vị đỉnh hầm 0,3mm - Xung quanh hầm không xuất vùng dẻo, môi trường đá trạng thái