Nghiên cứu ảnh hưởng của gia cố bằng neo vượt trước đến ổn định của công trình ngầm

Để đánh giá hiệu quả của hệ neo vượt trước đến môi trường đất đá xung quanh khoang đào qua đó có thể đánh giá được ổn định của công trình ngầm, các tác giả sẽ thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của hệ neo vượt trước tới trạng thái ứng suất – biến dạng của môi trường đất đá thông qua việc nghiên cứu trên mô hình 3D sử dụng công cụ phân tích bằng phần mềm địa kỹ thuật.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIA CỐ BẰNG NEO VƯỢT TRƯỚC ĐẾN ỔN ĐỊNH CỦA CƠNG TRÌNH NGẦM ĐỖ NHƢ TRÁNG, NGUYỄN VĂN HÙNG* Analyze of Affect of Forepoling to the stability of rock massive surrounding underground excavation Abstract: Construction of underground works, due to the complex geological conditions, often has the potential to be unsafe, prone to collapse of the tunnel, so as to limit and prevent incidents that may occur in the process construction of underground works through complex geological areas, weak soil and rock, the application of reinforcement measures before tunneling is very necessary One of the measures that is applied very effectively is Forepoling In order to evaluate the effect of the anchoring system on the surrounding rock and soil surrounding the excavation so that the stability of underground structures can be assessed, the authors will study the effect of Forepoling on the condition of Stress - deformation of the rock massive by 3D modeling studies using geotechnical software The object of the study is the above-mentioned reinforcement solution that was applied at the Deo Ca Phu Yen - Khanh Hoa road tunnel project ĐẶT VẤN ĐỀ * Xây dựng cơng trình ngầm, mơi trƣờng địa chất phức tạp thƣờng tiềm ẩn nguy an toàn cao, dễ xảy cố sập lở hầm đào, để hạn chế, ngăn ngừa cố xảy q trình thi cơng cơng trình ngầm qua vùng địa chất phức tạp, đất đá yếu, việc áp dụng biện pháp gia cố trƣớc đào hầm cần thiết Một biện pháp đƣợc áp dụng hiệu hệ neo vƣợt trƣớc Để đánh giá hiệu hệ neo vƣợt trƣớc đến môi trƣờng đất đá xung quanh khoang đào qua đánh giá đƣợc ổn định cơng trình ngầm, tác giả thực nghiên cứu ảnh hƣởng hệ neo vƣợt trƣớc tới trạng thái ứng suất – biến dạng môi trƣờng đất đá thông qua việc nghiên cứu mơ hình 3D sử dụng cơng cụ phân tích phần mềm địa kỹ thuật * Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Số 54 Triều Khúc-Thanh Xuân - Hà Nội 64 Đối tƣợng nghiên cứu đƣợc thực gỉải pháp gia cố nêu đƣợc áp dụng dự án hầm đƣờng Đèo Cả Phú Yên – Khánh Hòa XÂY DỰNG MƠ HÌNH BÀI TỐN Dƣới thực phân tích theo trình tự thực cơng đoạn thi công hệ neo ống vƣợt trƣớc tạo ô: khoan, ép ống thép ép vữa Nếu hiểu theo cách trình tự thực cơng đoạn cách giải tốn chiều Trong tính tốn bỏ qua lớp bê tơng phun chống thép, phù hơp với phần thân hầm 2.1 Đặc điểm hầm đƣờng Đèo Cả Hầm đƣờng Đèo Cả đƣợc xây dựng xuyên núi Đèo Cả với chiều dài 4,125 Km Trong trình xây dựng đƣờng hầm gặp vùng địa chất yếu sử dụng biện pháp gia cố trƣớc neo vƣợt trƣớc để đảm bảo an toàn, tránh cố sập lở gƣơng đào Neo vƣợt trƣớc ống thép dài 6m, đƣờng kính ngồi 102mm, chiều dày ống 5mm Trên ống thép có đục lỗ để ép vữa vào thân neo môi trƣờng xung quanh neo ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 a Mặt cắt ngang điển hình b Neo vượt phối cảnh c Mặt cắt ngang chi tiết d Mặt cắt dọc chi tiết Hình 2.1 Neo vượt trước áp dụng thi công hầm Đèo Cả Khi thực phân tích đánh giá sử dụng cách phân loại đất đá theo tiêu chuẩn Nhật Bản [4], đƣợc áp dụng dự án Trong bảng 2.1 tổng hợp phân loại đất đá từ đá cứng đến đá yếu (A-D) Bảng 2.1 Bảng phân loại đất đá tính chất tƣơng ứng [3], [4] Loại A B Mô tả Mảnh đá bị phá vỡ dễ dàng bị búa đập, với âm kim loại Khơng suy giảm khống chất hình thành đá Âm cộng hƣởng kim loại bị búa đập Liên kết phân lớp đặc Ít dấu vết suy giảm khoáng chất ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Vân tốc truyền sóng (m/s) Cƣờng độ nén trục (MPa) Mô đun biến dạng (MPa) Lực dính c (kPa) Góc ma sát  (độ) Lớn 4000 Lớn 100 Lớn 5000 Lớn 150 Lớn 50 Từ 2000 đến 6000 Từ 50 đến 100 Từ 3000 đến 5000 Từ 100 đến 150 Từ 45 đến 50 65 Loại C D Mơ tả Vân tốc truyền sóng (m/s) Cƣờng độ nén trục (MPa) Mơ đun biến dạng (MPa) Lực dính c (kPa) Góc ma sát  (độ) Từ 1000 đến 3000 Từ 10 đến 50 Từ 500 đến 3000 Từ 30 đến 100 Từ 35 đến 45 Nhỏ 1000 Nhỏ 10 Nhỏ 500 Nhỏ 30 Nhỏ 35 Đá thƣờng bị vỡ bị búa đập Các mảnh đá giữ gần nhƣ nguyên vẹn bị vỡ Giữa phân lớp bị phong hóa nhẹ đến vừa Có thể dùng tay để bóc tách miếng đá Tỷ lệ mảnh vỡ thƣờng 30-50% 20-50% dạng bột 2.2 Mơ hình vật liệu Ứng xử học mơi trƣờng đất đá đƣợc mơ tả mơ hình vật liệu khác Từ đơn giản quan hệ ứng suất biến dạng môi trƣờng tuân theo định luật Hook tuyến tính, đàn hồi đẳng hƣớng Khi đó, cần hai thơng số đầu vào mơ đun đàn hồi E hệ số Poisson , điều dƣờng nhƣ đơn giản mô tả ứng xử môi trƣờng đất đá phù hợp cho số trƣờng hợp Hiện nay, có nhiều mơ hình vật liệu đƣợc đƣa để mơ hình hóa làm việc đất đá nhƣ mơ hình Mohr-Coulomb (MC), mơ hình Jointed Rock (JR), mơ hình HardningSoil (HS), mơ hình Soft-Soil-Creep (SSC)… Với mơ hình vật liệu nhƣ phù hợp với môi trƣờng đất đá cụ thể Trong phạm vi nghiên cứu, tác giả sử dung mơ hình Mohr-Coulomb (MC) mơ hình vật liệu tốn phân tích Các kết nghiên cứu trƣớc phù hợp sử dụng mơ hình vật liệu MC để mô tả ứng xử học môi trƣờng đá yếu đất Để đƣa vào đặc trƣng tính chất vật liệu đá yếu (loại D) theo mơ hình vật liệu MohrCoulomb (MC) mơ hình 3D, tham số đƣợc xác định nhƣ sau: Mô đun biến dạng 66 E‘=200MPa, hệ số Poisson =0,3, cƣờng độ lực dính c‘=20kPa, góc ma sát =350 Hình 2.2 Mơ hình 3D tốn 2.3 Phần tử sử dụng mơ hình 3D Để xây dựng mơ hình tốn, phần tử đƣợc sử dụng phần tử khối mô tả môi trƣờng đất đá phần tử ―embedded pile‖ mô tả neo vƣợt trƣớc [8] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Hình 2.3 Xây dựng phần tử thành phần mơ hình KẾT QUẢ TÍNH TỐN Để nghiên cứu ảnh hƣởng hệ neo vƣợt trƣớc tới trạng thái ứng suất-biến dạng mơi trƣờng xung quanh cơng trình đào hầm Thực chạy mơ hình tốn với tham số vật liệu vùng đƣợc gia cố khác Xem xét hình thành vùng phá hủy trƣớc gƣơng đào vùng gia cố đƣợc bơm vữa với chất lƣợng từ thấp đến cao (mô đun biến dạng vật liệu vùng gia cố tăng dần) Kết phân tích nhƣ sau: Hình 3.1 Vùng phá hủy trước mặt gương a) Khơng có hệ neo vượt trước; b) Có neo, khơng bơm vữa; c) Có neo, vùng gia cố có E’=4000MPa; d) Có neo, vùng gia cố có E’=8000MPa; e) Có neo, vùng gia cố đạt có E’=10000MPa; f) Có neo, vùng gia cố đạt có E’=20000MPa ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Hình 3.2 Biểu đồ chuyển vị biên hầm dọc trục hầm * Nhận xét: Từ kết phân tích tốn mơ hình phần mềm địa kỹ thuật Plaxis 3D, đƣa nhận xét sau đây: - Việc sử dụng hệ neo vƣợt trƣớc có tác dụng ngăn đất đá phía trƣớc gƣơng đào không bị sập lở vào khoang đào Đồng thời có tác dụng giảm chuyển vị biên hầm q trình thi cơng - Nếu sử dụng neo mà không thực bơm ép vữa vào neo môi trƣờng đất đá xung quanh neo chuyển vị biên gƣơng đào kích thƣớc vùng phá hủy giảm không nhiều so với trƣờng hợp khơng có neo - Khi sử dụng hệ neo kết hợp với ép vữa vào neo môi trƣờng đất đá xung quanh neo, chất lƣợng vữa ép có ảnh hƣởng nhiều tới hiệu làm việc hệ neo vƣợt trƣớc Khi chất lƣợng vữa ép tốt, chuyển vị biên gƣơng hầm giảm, đồng thời vùng phá hủy bên trên, phía trƣớc gƣơng đào giảm Ở đây, dùng neo ép vữa tạo vùng gia cố có mơ đun đàn hồi E‘=8000MPa vùng phá hủy bên trên, phía trƣớc mặt gƣơng đào hầu nhƣ khơng cịn xuất 67 KẾT LUẬN Qua kết nghiên cứu nhƣ trên, thấy rõ hiệu biện pháp sử dụng hệ neo vƣợt trƣớc thi cơng cơng trình ngầm điều kiện đất đá yếu Càng thấy rõ kết hợp neo vƣợt trƣớc với bơm ép vữa gia cố vùng đất đá xung quanh neo hiệu làm việc hệ neo vƣợt trƣớc tăng lên rõ rệt Nếu vùng đất đá quanh neo đƣợc gia cố đảm bảo hình thành vỏ kín liên kết neo thành thể thống đƣợc cải thiện tới mức độ định (cƣờng độ chịu nén hay mô đun đàn hồi đạt tới giá trị đủ lớn) vùng đất đá phía trƣớc gƣơng đào không bị phá hủy (vẫn làm việc giới hạn đàn hồi) Điều có ý nghĩa lớn mà nguyên tắc quan trọng thi công theo công nghệ NATM giữ cho môi trƣờng đất đá xung quanh khoang hầm không bị phá hủy (bảo toàn khả tự ổn định khối đá) trƣớc lắp dựng kết cấu chống giữ Hơn nữa, thấy hệ neo kết hợp với ép vữa cải thiện môi trƣờng đất đá xung quanh neo có tác dụng làm giảm chuyển vị lớn biên khoang hầm Điều làm giảm hình thành vết nứt trên kết cấu vỏ hầm vĩnh cửu sau Vì thực tế, tƣợng nứt vỡ lớn bê tơng vỏ hầm q trình sử dụng đƣợc nghiên cứu nguyên nhân chủ yếu chuyển vị mức vùng đất biên khoang đào sau thi công TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Oke*, N Vlachopoulos, M.S Diederichs (2014), Numerical analyses in the design of umbrella arch systems, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering [2] Volkmann G.M., Button E.A & Schubert W (2006), A Contribution to the Design of Tunnels Supported by a Pipe Roof Proc 41st U.S Rock Mechanics Symp., American Rock Mech Assoc., June 17-21, Golden, CO [3] E Hoek, M.S Diederichs (2006), Empirical estimation of rock mass mudulus, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 43, 203-215 [4] Guideline for Rock Mass Classification System (2018), Japan International Cooperation Agency (JICA) [5] Singh M., Singh B (2012), Modified Mohr-Coulomb criterion for non-linear triaxial and polyaxial strength of jointed rocks, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 51, pp 43-52 [6] Sein Win Tun, Sunil Kumar Singal (2016), Management of Hydropower Tunnels to Prevent Collapse and Remedical Measures [7] N Vlachopoulos, M.S Diedericks (2009), Improved Longitudinal Displacement Profiles for Convergence Confinement Analysis of Deep Tunnels, Rock Mech Rock Engng 42: 131-146 [8] Plaxis (2013), Material models manual Người phản biện: PGS, TS VƢƠNG VĂN THÀNH 68 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 ... vùng gia cố tăng dần) Kết phân tích nhƣ sau: Hình 3.1 Vùng phá hủy trước mặt gương a) Khơng có hệ neo vượt trước; b) Có neo, khơng bơm vữa; c) Có neo, vùng gia cố có E’=4000MPa; d) Có neo, vùng gia. .. pháp sử dụng hệ neo vƣợt trƣớc thi công cơng trình ngầm điều kiện đất đá yếu Càng thấy rõ kết hợp neo vƣợt trƣớc với bơm ép vữa gia cố vùng đất đá xung quanh neo hiệu làm việc hệ neo vƣợt trƣớc...a Mặt cắt ngang điển hình b Neo vượt phối cảnh c Mặt cắt ngang chi tiết d Mặt cắt dọc chi tiết Hình 2.1 Neo vượt trước áp dụng thi công hầm Đèo Cả Khi thực phân tích đánh giá