Nghiên cứu tổng quan về vỏ hầm metro tiết diện ngang hình chữ nhật cong

Bài viết sử dụng phương pháp tổng hợp phân tích để chỉ ra những ưu nhược điểm, điều kiện áp dụng của vỏ chống metro tiết diện hình chữ nhật cong, cũng như hướng phát triển hoàn thiện các phương pháp tính toán cho tiết diện loại này trong điều kiện Việt Nam.

68 Journal of Mining and Earth Sciences Vol 62, Issue (2021) 68 - 78 An overview of research on metro tunnel lining in the sub-rectangular shape Kien Van Dang *, Anh Ngoc Do, Tien Tai Nguyen, Duy Anh Huynh Nguyen, Vi Van Pham Faculty of Civil Engineering, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: Received 24th Apr 2021 Accepted 17th July 2021 Available online 31st Aug 2021 Circular tunnels are the most popular shapes used in urban underground transportation systems when mechanized tunneling is used for tunnel excavation However, circular tunnels have a small space utilization ratio With the material development, non - circular tunnels such as sub rectangular, U - shaped lining, etc are now common, and their cross section helps to improve the underground space utilization However, there have been not many studies on the structure and the calculation method of the metro tunnels with the above cross - sections The paper uses the analytical synthesis method to find out the advantages and disadvantages, the application conditions of the sub - rectangular shape, as well as the development direction for the complete calculation methods for this cross - section in Vietnamese conditions Keywords: Circular tunnel, HRM, FEM, Metro tunnel, Sub – rectangular Copyright © 2021 Hanoi University of Mining and Geology All rights reserved _ *Corresponding author E - mail: dangvankien@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.2021.62(4).10 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 62, Kỳ (2021) 68 - 78 69 Nghiên cứu tổng quan vỏ hầm metro tiết diện ngang hình chữ nhật cong Đặng Văn Kiên *, Đỗ Ngọc Anh, Nguyễn Tài Tiến, Nguyễn Huỳnh Anh Duy, Phạm Văn Vĩ Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Quá trình: Nhận 24/4/2021 Chấp nhận 17/7/2021 Đăng online 31/8/2021 Đường hầm với tiết diện hình trịn sử dụng phổ biến hệ thống giao thông ngầm đô thị đào hầm phương pháp khiên đào Tuy nhiên, hầm trịn có tỷ lệ sử dụng khơng gian hữu ích nhỏ Với phát triển loại vật liệu chống giữ, đường hầm không trịn hình chữ nhật cong, hình móng ngựa,… ngày phổ biến Với mặt cắt ngang cho phép nâng cao hiệu sử dụng không gian ngầm nhờ tăng tỷ lệ khơng gian hữu ích đồng thời đảm bảo khả làm việc vỏ hầm Mặc dù vậy, nghiên cứu loại hình kế cấu phương pháp tính tốn loại hầm metro với tiết diện khơng trịn chưa phổ biến Bài báo sử dụng phương pháp tổng hợp phân tích để ưu nhược điểm, điều kiện áp dụng vỏ chống metro tiết diện hình chữ nhật cong, hướng phát triển hoàn thiện phương pháp tính tốn cho tiết diện loại điều kiện Việt Nam Từ khóa: Hầm hình trịn, Hầm hình chữ nhật cong, Hầm metro, HRM, FEM © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Đường hầm metro với tiết diện ngang hình trịn có ưu điểm độ ổn định kết cấu vỏ chống đường hầm lớn, dễ thi công giới (khiên đào) nên sử dụng nhiều thực tế Tuy nhiên, hệ số sử dụng tiết diện ngang (tỷ số phần diện tích thực tế sử dụng diện tích đào) tiết diện nhỏ Ngoài ra, để đảm bảo yêu cầu có hai đường hầm metro chạy ngược chiều _ *Tác giả liên hệ E - mail: dangvankien@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.2021.62(4).10 tuyến, phương án hai đường hầm đào song song thường sử dụng (ví dụ: dự án Nhổn - Ga Hà Nội, dự án Bến Thành - Suối Tiên nhiều dự án khác giới) Điều làm tăng khối lượng đào chống giữ đường hầm Để khắc phục nhược điểm phương án sử dụng đường hầm tiết diện trịn, đường hầm tiết diện ngang hình chữ nhật cong (kết hợp hình trịn hình chữ nhật “sub - rectangular”) ý nghiên cứu lựa chọn sử dụng (Nguyễn Xuân Mãn, 2015) Loại hình tiết diện cho phép nâng cao hệ số sử dụng hữu ích diện tích tiết diện ngang so với đường hầm hình trịn, đồng thời tránh tập trung ứng suất bốn góc so với tiết diện hình chữ nhật Mặt khác, 70 Đặng Văn Kiên nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(4), 68 - 78 tiết diện chữ nhật cong thích hợp thiết kế hai đường tàu chạy đường hầm nhờ giảm chi phí đào chống giữ đường hầm giảm tổng khối lượng đào Ngồi ra, tiết diện hình chữ nhật cong phù hợp để áp dụng cho lối vào metro, đường dành cho người lòng đất Mặc dù có nhiều ưu điểm sử dụng ra, đến kết nghiên cứu tính tốn độ ổn định vỏ chống lắp ghép từ cấu kiện bê tông đúc sẵn bên đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong hạn chế chủ yếu dừng lại kết thực nghiệm phịng thí nghiệm mơ hình kích thước thực mơ hình thu nhỏ, chưa có phương pháp tính tốn lý thuyết hồn chỉnh đề xuất Các dẫn thiết kế tiêu chuẩn thiết kế chuyên ngành nước giới cho loại hình vỏ chống chưa đề cập Do đó, việc nghiên cứu, đề xuất phương pháp tính cho kết cấu vỏ chống lắp ghép bên đường hầm metro tiết diện ngang hình chữ nhật cong nhằm mục đích tính tốn, tối ưu hóa thơng số mặt cắt ngang trình thiết kế đường hầm metro cần thiết Tổng quan tình hình nghiên cứu phương pháp tính tốn hầm metro tiết diện chữ nhật cong 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Việt Nam Tại Việt Nam, với việc nghiên cứu áp dụng cải tiến quy trình cơng nghệ thi cơng hầm hướng nghiên cứu xây dựng phương pháp tính tốn nhằm cải tiến, tối ưu phát triển loại kết cấu chống quan tâm thời gian qua Một số tiêu chuẩn thiết kế thi công kết cấu chống giữ cho hầm giao thông, hầm thủy công,… ban hành nhằm kịp thời, chuẩn hóa sở cho cơng tác thiết kế, tổ chức thi công, nghiệm thu cho dự án Trong năm gần đây, dự án xây dựng cơng trình ngầm lớn có vốn đầu tư nước Việt Nam như: dự án hầm giao thông đường qua đèo Hải Vân, hầm Thủ Thiêm qua sơng Sài Gịn gần dự án hầm metro Thành phố Hồ Chí Minh Thủ đô Hà Nội,… thường phải áp dụng tiêu chuẩn thiết kế nước Khác với đường hầm giao thông, hầm đường qua núi, hầm metro loại hình cơng trình ngầm thành phố mới, lần xây dựng Việt Nam Kinh nghiệm thiết kế thi công đơn vị tư vấn nhà thầu thi công Việt Nam chưa có dẫn đến nhiều khó khăn cho công tác thiết kế, quản lý, tổ chức thi công, giám sát nghiệm thu Các nghiên cứu Việt Nam chủ yếu cho đối tượng vỏ hầm bê tông liền khối chống cố định cho hầm giao thơng, hầm thủy điện, đường lị chính, khu vực sân ga, ngã ba,… mỏ với tiết diện phổ biến hình trịn hình vịm tường thẳng tường cong (Nguyễn Xuân Mãn, 2010, 2012, 2015) Một số tác Võ Trọng Hùng, Nguyễn Xuân Mãn, Đỗ Như Tráng,… nghiên cứu loại vỏ hầm nhiều lớp, tương tác khối đá - vỏ chống tiết diện ngang hình trịn Tuy nhiên, kết đề hướng áp dụng cho dự án hầm giao thông hầm thủy điện, nghiên cứu cho vỏ chống metro hạn chế Ngoài ra, kết đạt từ nghiên cứu tác giả chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu tối ưu hóa kích thước vỏ chống, tương tác khối đá vỏ chống mà chưa ý nhiều đến việc nghiên cứu thay đổi trạng thái ứng suất, khả mang tải vỏ chống thay đổi hình dạng tiết diện ngang đường hầm Do phạm vi sử dụng hẹp chưa xây dựng Việt Nam nên cơng trình nghiên cứu nước vỏ chống đường hầm metro tập trung vào nghiên cứu sở lý thuyết, phương pháp thiết kế quy hoạch cấu tạo số loại hình cơng trình ngầm thị, có hầm metro (Nguyễn Xn Mãn, 2010, 2012, 2015) Một hướng nghiên cứu nhiều tác giả nước quan tâm dự báo tác động bề mặt q trình thi cơng vận hành hầm metro lún bề mặt ảnh hưởng đào hầm metro phía lịng thành phố, ảnh hưởng đến cơng trình lân cận tồn trước đó, chẳng hạn móng cơng trình bề mặt (Đỗ Như Tráng, 2011; Nguyễn Thế Phùng, 2004; Đoàn Thế Tường, 2012; Bùi Văn Dưỡng, 2007; Nguyễn Anh Tuấn, 2012, 2017; Phan Sỹ Liêm Nguyễn Bá Hồng, 2016) Một vài cơng trình nghiên cứu ý đến rung động công trình lân cận chuyển động đồn tàu vận hành đưa giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực chúng (Nguyễn Tăng Thanh Trần Nguyễn Hoàng Hùng, 2011; Nguyễn Quang Dũng, Đặng Văn Kiên nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(4), 68 - 78 2013) Gần đây, nhóm tác giả Đỗ Ngọc Anh phát triển sở phương pháp lực kháng đàn hồi HRM (Hyperstatic Reaction Method) để tính tốn khảo sát vỏ hầm metro dạng lắp ghép có tiết diện trịn (Do Ngoc Anh nnk., 2013, 2014b,c,d; Đỗ Ngọc Anh, 2014, 2016; Do Ngoc Anh, Dias Daniel, 2017) Bằng phương pháp xây dựng tác giả tiến hành khảo sát ảnh hưởng mối nối đốt vỏ hầm mô trực tiếp nhờ sử dụng hệ số liên kết, xác định dựa vào độ cứng chống xoay Phương pháp tính tốn cho phép mơ mối nối vỏ hầm vị trí Ngồi ra, độ cứng chống xoay mối nối vỏ hầm mô sử dụng hàm phi tuyến, gần với điều kiện làm việc thực tế Các kết phân tích áp dụng cho giả thiết khác tương tác vòng vỏ chống so sánh kiểm chứng kết thu từ mô hình số chiều, cho phép xác định giả thiết phù hợp (Đỗ Ngọc Anh, 2014) Kết nghiên cứu phương pháp HRM sử dụng để khảo sát làm việc kết cấu vỏ hầm lắp ghép Sau đạt kết cho vỏ hầm lắp ghép có tiết diện hình trịn, tác giả tiếp tục sử dụng phương pháp HRM để khảo sát thông số, sở tối ưu hóa thơng số cho hầm có tiết diện hình chữ U (Du Dianchun nnk., 2018a,b; Dianchun, 2019, 2020) Các công bố cho thấy: nhóm tác giả Đỗ Ngọc Anh quan tâm nghiên cứu nhiều đến vỏ hầm lắp ghép dạng hình chữ nhật cong (Do Ngoc Anh nnk., 2020; Nguyen Tai Tien nnk., 2020) Kết (Do Ngoc Anh nnk., 2020; Nguyen Tai Tien nnk., 2020) cho thấy: HRM sử dụng cách hiệu để đánh giá ứng xử vỏ hầm lắp ghép đường hầm hình vng hình chữ nhật cong Nghiên cứu tiến hành khảo sát ảnh hưởng hệ số áp lực đất mô đun Young đến nội lực biến dạng kết cấu ý đến ảnh hưởng hình dạng đường hầm cách sử dụng bán kính tường hầm khác Tóm lại, nghiên cứu thực nước liên quan đến tính tốn kết cấu vỏ chống đường hầm metro xây dựng khu vực thành phố lớn khiêm tốn, chủ yếu xoay quanh việc tính tốn cho kết cấu vỏ chống đường hầm hình trịn, tương tác vỏ hầm với mơi trường khối đất, quy hoạch tuyến giải pháp hạn chế lún bề mặt Các nghiên cứu phương pháp tính tốn áp dụng cho kết cấu vỏ chống đường hầm 71 metro đô thị với tiết diện ngang khơng trịn như: hình móng ngựa, hình chữ nhật, hình ovan, đặc biệt hình chữ nhật cong, có ý nghĩa mặt kinh tế kỹ thuật phân tích trên, bắt đầu số nhà khoa học ý nghiên cứu Do vậy, việc phát triển cơng cụ tính tốn bao gồm thuật tốn phần mềm hỗ trợ tính tốn kết cấu vỏ hầm metro, đặc biệt vỏ hầm metro tiết diện hình chữ nhật cong Việt Nam thời gian tới cần thiết cấp bách 2.2 Tình hình nghiên cứu nước giới Hiện nay, giới có khoảng 60 nước xây dựng khai thác hình thức giao thông ngầm hệ thống hầm metro Công tác thiết kế kết cấu vỏ hầm công nghệ thi công ý nghiên cứu đạt thành tựu quan trọng Trong lịch sử phát triển lĩnh vực xây dựng hầm metro, đường hầm metro xây dựng với hình dạng khác như: hình trịn, hình vịm móng ngựa, hình chữ nhật, hình elíp,… Hình dạng đường hầm lựa chọn dựa nhiều yếu tố khác như: chức năng, mục đích sử dụng, đặc tính lý đất đá, áp lực nước ngầm, phương pháp thi cơng, đặc tính loại vỏ chống sử dụng, đặc điểm quy hoạch dự án gồm hay hai đường hầm song song,… Ngoài ra, mặt cắt ngang đường hầm ảnh hưởng q trình thi cơng Hình dạng mặt cắt coi kinh tế chi phí đào chống giữ coi nhỏ nhất, thiết bị đào hoạt động hiệu Một số dạng hình học mặt cắt ngang đường hầm sử dụng phổ biến gồm hình trịn, hình chữ nhật cho hầu hết dự án hầm metro giới Tại nước phát triển, hầu hết hầm metro với tiết diện hình trịn thường chọn hầm đào khiên đào qua môi trường đất yếu độ sâu nhỏ khu vực thành phố có độ ổn định (Nguyễn Anh Tuấn, 2012; Phan Sỹ Liêm Nguyễn Bá Hồng, 2016) Hình trịn có ưu điểm lớn hình có tiết diện cong trơn tồn biên nên phân bố ứng suất sinh trình làm việc vỏ chống, khắc phục tập trung ứng suất bốn góc so với hình chữ nhật, có khả chịu lực tốt (Nakamura nnk., 2003) Tuy nhiên, so với đường hầm có tiết diện mặt cắt ngang hình chữ nhật hay gần chữ nhật, tỷ lệ sử dụng diện tích hữu ích thấp dẫn đến làm tăng chi phí đào chống, tuyến 72 Đặng Văn Kiên nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(4), 68 - 78 metro có chiều dài lớn Để khắc phục nhược điểm phương án sử dụng đường hầm tiết diện tròn, đường hầm tiết diện ngang hình chữ nhật cong (kết hợp hình trịn hình chữ nhật “sub - rectangular”) ý nghiên cứu lựa chọn sử dụng (Zhang nnk., 2019) Hình Loại hình tiết diện cho phép nâng cao hệ số sử dụng hữu ích diện tích tiết diện ngang so với đường hầm hình trịn, đồng thời tránh tập trung ứng suất bốn góc so với tiết diện hình chữ nhật (Nakamura nnk., 2003) Do vậy, đường hầm có hình dạng đặc biệt đường hầm tiết diện hình vng hình chữ nhật, hình chữ nhật cong ý nghiên cứu thời gian gần nhằm cải thiện hiệu sử dụng khơng gian ngầm Các đường hầm có tiết diện có số ưu điểm khả sử dụng không gian ngầm hiệu khối lượng đào giảm giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường xung (Zhang nnk., 2019) Hình Mặt cắt ngang hình chữ nhật thường áp dụng thi cơng lộ thiên theo hình thức (cut and cover) cho nhà ga hầm metro có kích thước lớn Đặc biệt, đường hầm tiết diện chữ nhật cong thích hợp thiết kế dự án có hầm đơi nhờ giảm chi phí đào chống giữ đường hầm giảm tổng khối lượng đào, giảm thiểu ảnh hưởng đến mô trường xung quanh bề mặt khu vực có mật độ xây dựng lớn Tiết diện hình chữ nhật cong phù hợp cho hạng mục hầm phụ dẫn lối vào ga metro, đường hầm cho người Hình Do vậy, dạng tiết diện quan tâm nghiên cứu thời gian gần nhằm nâng cao hiệu xây dựng dự án hầm metro khu vực có mật độ xây dựng cao bề mặt Tuy nhiên, đến kết đạt phương pháp tính tốn kết cấu vỏ lắp ghép tối ưu thơng số hình học mặt cắt ngang dạng tiết diện chưa đầy đủ dù Nhật Bản nghiên cứu mơ hình thực nghiệm từ năm 1996 (Ngoc Anh Do nnk., 2020) phát triển cho dự án hầm metro Tokyo có hầm đơi vào năm 2003 Ngoài ra, tiết diện nhà khoa học Trung Quốc ý nghiên cứu năm gần Mặc dù vậy, đến phương pháp tính tốn thiết kế với dạng mặt cắt ngang hình chữ nhật cong chưa hồn chỉnh a b Hình So sánh phương án chiều rộng đường hầm sử dụng tuyến đôi với (a) hai đường hầm đơn song song (b) hai đường hầm chung vách Hình So sánh chiều rộng đào hai phương án metro tiết diện hình trịn hình chữ nhật cong Đặng Văn Kiên nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(4), 68 - 78 73 Hình Các thơng số tiết diện metro tiết diện chữ nhật cong Việc nghiên cứu tìm tỉ lệ kích thước phù hợp mặt cắt hình chữ nhật cong điều kiện địa chất khác tiếp tục nghiên cứu Hiện nay, nghiên cứu, tính tốn, thiết kế kết cấu vỏ chống đường hầm metro thường thực ba phương pháp gồm giải tích, thực nghiệm hay mơ hình vật lý phương pháp số Giải tích phương pháp sử dụng từ sớm để nghiên cứu trạng thái ứng suất, nội lực chuyển vị vỏ chống khối đất xung quanh đường hầm với tiết diện ngang hình trịn Với dạng hầm có tiết diện khơng phải hình trịn, việc tính tốn ứng suất, biến dạng kết cấu chống gặp nhiều khó khăn Một nhóm nhà khoa học Nga sử dụng phương pháp biến hình bảo giác cho phép chuyển từ hình dạng hình trịn để áp dụng lời giải giải tích sẵn có tính tốn Mặc dù vậy, việc áp dụng phép biến hình vào giải tốn cịn gặp nhiều khó khăn Phương pháp đo đạc thực nghiệm trường sử dụng có hiệu việc nghiên cứu kết cấu vỏ hầm metro tiết diện ngang hình trịn hay tiết diện ngang khác Chẳng hạn, Molins C Arnau O (2011) tiến hành thử nghiệm toàn diện trường vỏ hầm lắp ghép tuyến tàu điện ngầm Barcelona 9, Tuyến (L9) (Tây Ban Nha) Các thí nghiệm tiến hành với mơ hình tương tự thực tế khắc phục ảnh hưởng tỉ lệ tiến hành nghiên cứu phương pháp thực nghiệm, kiểm tra đầy đủ đặc tính học mơ mơ hình ảnh hưởng mơ hình lắp ghép khác giống điều kiện thực tế Một hoàn chỉnh thiết bị thí nghiệm đặt bên bên ngồi cho phép mơ tả ứng xử đoạn vịng chống tác dụng tải trọng từ kích thủy lực Nakamura nnk (2003) tiến hành thử nghiệm mơ hình khiên đào hầm metro hình chữ nhật dạng hầm đôi lần áp dụng Thành phố Kyoto (Nhật Bản) với kích thước giống thực tế Huang nnk (2018) tiến hành thực nghiệm mơ hình vỏ hầm metro dạng lắp ghép đào khiên đào có tiết diện hình chữ nhật cong (dạng gần chữ nhật) với kích thước mơ hình kích thước kết cấu thực tế 1:1 Đây lần ứng xử học đoạn vỏ hầm metro dạng lắp ghép ảnh hưởng tự trọng khảo sát đầy đủ thông qua phương pháp thực nghiệm Xu hướng thí nghiệm mơ hình thực nghiệm điều kiện thực tế Zhang nnk (2019) tiến hành cho vỏ hầm lắp ghép có hình dạng đặc biệt để nghiên cứu ứng xử học vỏ hầm lắp ghép có hình dạng đặc biệt đào khiên đào điều kiện tuyến hầm đặt độ sâu nhỏ Kết ảnh hưởng hệ số áp lực hông đất đá đến nội lực kết cấu vỏ chống Cụ thể, ảnh hưởng áp lực đất đá hông tương tác khối đất đá đến làm việc kết cấu khảo sát tồn diện thơng qua thí nghiệm chất tải đầy đủ Kết thử nghiệm cho thấy phân bố nội lực biến dạng 74 Đặng Văn Kiên nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(4), 68 - 78 vỏ chống tự trọng thay đổi độ sâu đặt đường hầm Kashima nnk (1996) tiến hành thực nghiệm mơ hình khiên đào có tên DPLEX đào hầm metro với dạng mặt cắt khác như: hình chữ nhật, hình van,… nhờ trang bị vài đầu cắt tiết diện ngang đường hầm cần đào, đầu cắt xoay quanh liên kết kiểu (parallel - link) Các đoạn vỏ hầm lắp ghép sử dụng với mơ hình khiên đào DPLEX có hình dạng cắt ngang hình chữ nhật cong chất tải điều kiện thực tế Kết giá trị chuyển vị vòng chống so sánh với giá trị chuyển vị đạt phương pháp lý thuyết theo thiết kế thông thường giá trị lý thuyết theo mơ hình lị xo tương đối phù hợp Do đó, mơ hình vỏ lắp ghép cho khiên đào dạng DPLEX đủ sở để sử dụng điều kiện thực tế Vỏ hầm lắp ghép cho đường hầm đào mô hình khiên đào DPLEX lần áp dụng xây dựng đường hầm thoát nước kiểm soát lũ lụt khu vực Narashino ngoại ô thành phố Tokyo (Nhật Bản) Theo hướng trên, tác giả khác tiến hành sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để nghiên cứu ứng xử học loại hầm metro có tiết diện hình chữ nhật cong điều kiện địa chất khác Liu nnk (2018) tiến hành nghiên cứu thực nghiệm mơ hình khiên đào có kích thước hình chữa nhật cong cho dự án tuyến hầm metro số thành phố Ninh Ba, Chiết Giang (Trung Quốc) với kích thước thực tế Xu hướng sử dụng tiết diện ngang hình chữ nhật cong nhằm tăng hiệu sử dụng mặt cắt ngang đường hầm khu vực thành phố áp dụng cho đường hầm nhỏ đào hệ thống kích đẩy Du nnk (2019) thực nghiệm mơ hình khiên đào loại nhỏ có tiết diện hình chữ nhật cong điều kiện phịng thí nghiệm nghiên cứu trường kết hợp với phương pháp khoan phun ép vữa bề mặt cho đường hầm nhỏ có kích thước phủ dài x rộng 1407x2120 mm Với kết đạt thấy, hướng nghiên cứu thực nghiệm sử dụng để nghiên cứu kết cấu vỏ hầm metro nhiều nhà khoa học phịng thí nghiệm giới quan tâm, đầu tư, nghiên cứu với chi phí đầu tư lớn Mơ hình thực nghiệm kết cấu thực, tỷ lệ 1:1, có ưu điểm cho phép nghiên cứu trực quan, đo đạc chi tiết ứng xử học kết cấu vỏ chống đường hầm Đây phương pháp nghiên cứu quan trọng việc phát triển kiểm chứng nghiên cứu mơ hình số Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp chi phí tiến hành thử nghiệm cao đòi hỏi trang thiết bị đại, phức tạp với giá thành lớn Bên cạnh phương pháp giải tích hay thực nghiệm, phương pháp mơ hình số sử dụng phổ biến thời gian gần đảm bảo độ xác cao, sử dụng cho loại hình dạng tiết diện ngang đường hầm khác nhau, cho phép ý tới nhiều thông số ảnh hưởng mà phương pháp giải tích hay thực nghiệm phịng khơng tới Các phần mềm số chuyên dụng đời không ngừng nâng cấp trở thành công cụ đắc lực cho phép mô kết cấu vỏ hầm phức tạp như: phần mềm Rocscience, Plaxis, MIDAS - GTS NX, Abaqus, Flac, UDEC, Matlab,… Trên sở sử dụng mơ hình số phục vụ cho cơng tác nghiên cứu, tính tốn thiết kế mơ q trình thi cơng đường hầm, nhiều kết nghiên cứu công bố Phương pháp số cho phép khảo sát ảnh hưởng đặc tính đất đá, thơng số hình học đường hầm, đặc tính vỏ chống đến đặc tính nội lực, chuyển vị vỏ chống Các kết nghiên cứu cho dạng mặt cắt ngang hầm loại thể rõ kết nghiên cứu Hiện tại, số tuyến hầm metro Tokyo (Nhật Bản) sử dụng tiết diện loại có xu hướng sử dụng nhiều Do vậy, cần đẩy nhanh nghiên cứu thời gian tới nhằm hồn thiện phương pháp tính tốn vỏ hầm lắp ghép hầm metro tiết diện hình chữ nhật cong Mặc dù vậy, kết nghiên cứu mơ hình số đường hầm metro tiết diện ngang có hình chữ nhật cong cịn hạn chế Do đó, nghiên cứu ứng xử vỏ hầm metro lắp ghép tiết diện chữ nhật cong điều kiện địa chất khác cần tiến hành nhiều để tiết diện loại sớm áp dụng điều kiện giới Việt Nam Tính cấp thiết định hướng nghiên cứu Việt Nam giới 3.1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Ngày nay, xây dựng phát triển khơng gian ngầm, có đường hầm metro, thị nhu cầu tất yếu cấp bách nhiều quốc Đặng Văn Kiên nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(4), 68 - 78 gia giới nhằm giải vấn đề liên quan đến phát triển hạ tầng sở, giao thông đô thị phục vụ cho phát triển kinh tế - xã hội đảm bảo an ninh quốc phòng Tại Việt Nam, với gia tăng nhanh chóng số lượng phương tiện giao thông dẫn đến mật độ giao thông đô thị lớn Việt Nam tăng cao, đặc biệt Thủ đô Hà Nội Thành phố Hồ Chí Minh Tại hai thành phố triển khai hàng loạt dự án đường hầm metro với hy vọng đưa vào khai thác giải vấn đề vấn đề ùn tắc giao thông đô thị Do đặc điểm thi công gần bề mặt khối đất yếu nên dự án thi công hầm metro giới nói chung Việt Nam nói riêng chủ yếu sử dụng thiết bị khoan hầm giới hóa (Tunnel Boring Machine - TBM) với gương đào tiết diện ngang hình trịn kết cấu vỏ chống bê tông lắp ghép để giữ ổn định đường hầm sau đào Đường hầm với tiết diện ngang hình trịn có ưu điểm độ ổn định kết cấu vỏ chống đường hầm lớn, dễ thi cơng giới lại có nhược điểm hệ số sử dụng tiết diện ngang (tỷ số phần diện tích thực tế sử dụng diện tích đào) nhỏ Ngồi ra, để đảm bảo u cầu có hai đường hầm metro chạy ngược chiều tuyến, phương án hai đường hầm đào song song, hầm có đường tàu chạy, thường sử dụng (ví dụ: dự án Nhổn - Ga Hà Nội, dự án Bến Thành - Suối Tiên nhiều dự án khác giới) Điều làm tăng khối lượng đào chống giữ đường hầm Để khắc phục nhược điểm phương án sử dụng đường hầm tiết diện tròn, đường hầm tiết diện ngang hình chữ nhật cong ý nghiên cứu lựa chọn sử dụng (Liu, 2018; Zhang nnk., 2019) Loại hình tiết diện cho phép nâng cao hệ số sử dụng hữu ích diện tích tiết diện ngang so với đường hầm hình trịn, đồng thời tránh tập trung ứng suất bốn góc so với tiết diện hình chữ nhật (Nakamura nnk., 2003) Mặt khác, tiết diện chữ nhật cong thích hợp thiết kế hai đường tàu chạy đường hầm nhờ giảm chi phí đào chống giữ đường hầm giảm tổng khối lượng đào Ngồi ra, tiết diện hình chữ nhật cong phù hợp để áp dụng cho lối vào metro, đường dành cho người lòng đất Mặc dù có nhiều ưu điểm sử dụng đến 75 kết nghiên cứu tính tốn độ ổn định vỏ chống lắp ghép từ cấu kiện bê tông đúc sẵn bên đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong hạn chế chủ yếu dừng lại kết thực nghiệm phịng thí nghiệm mơ hình kích thước thực mơ hình thu nhỏ (Zhang nnk., 2019; Kashima nnk., 1996; Liu, 2018; Do Ngoc Anh nnk., 2103; Du nnk., 2018) chưa có phương pháp tính tốn lý thuyết hoàn chỉnh đề xuất Các dẫn thiết kế tiêu chuẩn thiết kế chuyên ngành nước giới cho loại hình vỏ chống chưa đề cập Do đó, việc nghiên cứu đề xuất phương pháp tính cho kết cấu vỏ chống lắp ghép bên đường hầm metro tiết diện ngang hình chữ nhật cong nhằm mục đích tính tốn, tối ưu hóa thơng số mặt cắt ngang trình thiết kế đường hầm metro cần thiết Hiện nay, phương pháp lực kháng đàn hồi (HRM) sử dụng hiệu để tính tốn vỏ chống lắp ghép đường hầm hình tròn (Oreste, 2007; Do nnk., 2103; Du nnk., 2018) Phương pháp HRM đặc biệt phù hợp cho mục đích thiết kế sơ bộ, khảo sát nhanh thơng số ảnh hưởng môi trường đất (chỉ tiêu lý đất, tính đồng nhất, phân lớp đất,…) thơng số hình học thân kết cấu chống (chiều dày vỏ chống, đường kính đào đường hầm,…) đến chuyển vị, nội lực gây vỏ chống lắp ghép đường hầm Phương pháp đề xuất phát triển tác giả để nghiên cứu ứng xử vỏ chống lắp ghép bên đường hầm tiết diện ngang hình trịn Các kết nghiên cứu cho thấy phương pháp HRM cho kết tính tốn đạt độ xác tương tự phần mềm thương mại khác như: FLAC3D, Plaxis, RS2,… với thời gian tính tốn nhiều Với ưu điểm bật phương pháp HRM khẳng định tốn thiết kế đường hầm tiết diện trịn, việc phát triển sở lý thuyết thuật toán phương pháp để áp dụng tính tốn vỏ chống lắp ghép đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong góp phần nâng cao hiệu cho cơng tác thiết kế thi công hầm metro điều kiện Việt Nam cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn giai đoạn 3.2 Định hướng nghiên cứu liên quan hồn thiện cơng tác thiết kế metro hình chữ nhật cong Để đáp ứng mục tiêu trên, số công việc 76 Đặng Văn Kiên nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(4), 68 - 78 cần thực sau: - Nghiên cứu tổng quan loại hình tiết diện ngang đường hầm metro, phương pháp tính tốn vỏ chống lắp ghép đường hầm metro, bao gồm: + Tổng hợp sở xác định kích thước tiết diện ngang đường hầm metro; + Phân tích yếu tố ảnh hưởng tới hình dạng, kích thước hợp lý tiết diện ngang cơng trình ngầm; + Phân tích khả ứng dụng, ưu nhược điểm phương pháp tính tốn kết cấu chống giữ cơng trình ngầm - Nghiên cứu, đề xuất phương pháp tính tốn vỏ chống lắp ghép đường hầm metro tiết diện hình chữ nhật cong; kiểm chứng độ tin cậy phương pháp phần mềm thương mại khác số liệu thực nghiệm: + Nghiên cứu sở lý thuyết, phát triển thuật toán sở phương pháp phần tử hữu hạn để tính tốn kết cấu vỏ chống lắp ghép bên đường hầm metro tiết diện hình chữ nhật cong; + Tiến hành xây dựng chương trình tính tốn sở ngơn ngữ lập trình Matlab ngơn ngữ tương đương; + Kiểm chứng độ xác chương trình tính tốn cách so sánh kết tính tốn độ ổn định (nội lực, biến dạng) kết cấu vỏ chống lắp ghép đường hầm metro với phần mềm thương mại khác FLAC3D, Plaxis, số liệu thực nghiệm - Nghiên cứu tối ưu thơng số hình học đường hầm metro tiết diện hình chữ nhật cong theo yêu cầu độ ổn định vỏ hầm lắp ghép: + Sử dụng phương pháp tính tốn xây dựng để thực khối lượng lớn tính tốn (thay đổi điều kiện đầu vào tiết diện ngang đường hầm), số điều kiện địa chất địa chất cơng trình cụ thể, nhằm tối ưu hóa thơng số hình học mặt cắt ngang đường hầm theo yêu cầu kỹ thuật kinh tế Cụ thể tìm tiết diện ngang đường hầm có diện tích đào nhỏ, đồng thời giảm nội lực, biến dạng phát sinh kết cấu chống - Nghiên cứu khảo sát số thông số ảnh hưởng môi trường khối đất (mô đun biến dạng, hệ số áp lực ngang, tính phân lớp mơi trường,…), độ sâu đặt đường hầm, thơng số hình học kết cấu chống (chiều dày vỏ hầm, đường kính đào đường hầm,…) đến mức độ ổn định vỏ hầm lắp ghép phương pháp đạt trên: + Sử dụng phương pháp tính tốn xây dựng để nghiên cứu mức độ ảnh hưởng yếu tố môi trường khối đất, độ sâu đặt đường hầm, thơng số hình học (chiều dày, vị trí mối nối vỏ hầm lắp ghép) kết cấu chống đến ổn định vỏ hầm lắp ghép Từ rút quy luật ảnh hưởng đến độ ổn định vỏ hầm lắp ghép bên đường hầm làm sở cho đề xuất, kiến nghị điều chỉnh trình tính tốn, thiết kế thi cơng đường hầm metro; + Sử dụng phương pháp tính tốn đề xuất để tính tốn thử nghiệm kết cấu vỏ hầm metro số điều kiện cụ thể dự án metro Thủ đô Hà Nội Thành phố Hồ Chí Minh + Nghiên cứu trường hợp cụ thể: sử dụng điều kiện địa chất dự án metro Thủ đô Hà Nội Thành phố Hồ Chí Minh, tiến hành tính tốn, tối ưu hóa thơng số tiết diện ngang, cấu tạo kết cấu vỏ chống lắp ghép bên đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong So sánh phân tích kết tính tốn kết cấu chống đạt phương pháp tính tốn so với phương án thiết kế dự án điều kiện tương đương nhằm hiệu kỹ thuật kinh tế mang lại từ kết nghiên cứu cho loại tiết diện Kết luận Bài báo tổng hợp kết nghiên cứu kết đạt mặt hạn chế nghiên cứu tính tốn kết cấu hầm metro có tiết diện hình chữ nhật cong giới Việt Nam Các kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: - Việc sử dụng hầm metro tiết diện hình chữ nhật cong cho phép giảm diện tích đào đồng thời đảm bảo khả chịu lực, phù hợp dự án metro tuyến đối khu vực thị có mật độ xây dựng cao Thủ đô Hà Nội Thành phố Hồ Chí Minh; - Các phương pháp tính hầm metro tiết diện hình chữ nhật cong chưa ý nghiên cứu nhiều Việt Nam nước giới địi hỏi phải có nghiên cứu cụ thể hơn; - Với điều kiện địa chất số thành phố lớn Việt Nam Thủ đô Hà Nội Thành phố Đặng Văn Kiên nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(4), 68 - 78 Hồ Chí Minh, mật độ tịa nhà dân cư đơng đúc, việc sử dụng kết cấu metro tiết diện chữ nhật cong có nhiều thuận lợi phù hợp để triển khai áp dụng; - Cần có nghiên cứu sâu nhằm đưa phương pháp tính tốn kết hợp hồn thiện phương pháp tính tốn có để xây dựng quy trình tính tốn hợp lý, ban hành tiêu chuẩn, quy chuẩn cấp quốc gia làm sở pháp lý để việc sử dụng metro với tiết diện hình chữ nhật cong phổ biến Việt Nam Đóng góp tác giả Đặng Văn Kiên: tập hợp tài liệu lên ý tưởng viết thảo; Đỗ Ngọc Anh: tập hợp tài liệu, kiểm tra thảo; Nguyễn Tài Tiến, Nguyễn Huỳnh Anh Duy, Phạm Văn Vĩ: tập hợp tài liệu, viết phần giới thiệu Tài liệu tham khảo Dianchun Du, Daniel Dias, Do Ngoc Anh, (2020) Effect of a surcharge loading on horseshoe shaped tunnels excavated in saturated soils, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 12, 5, 1674 - 7755, 2020; Dianchun Du, Daniel Dias, Do Ngoc Anh, (2019) Lining performance optimization of sub rectangular tunnels using the Hyperstatic Reaction Method, Computers and Geotechnics Do Ngoc Anh, Dias Daniel., (2017) Influence of segmental joints in lining and ground deformability on surface settlements above tunnels Journal of Mining and Earth Sciences, 56, - 10 Do Ngoc Anh, Dias, D., Oreste, P.P and Djeran Maigre, I (2013) 2D numerical investigation of segmental tunnel lining behaviour Tunnelling and Underground Space Technology, 37, pp 115 127 Do Ngoc Anh, Dias, D., Oreste, P.P and Djeran Maigre, I (2014b) The Behaviour of the Segmental Tunnel Lining Studied by the Hyperstatic Reaction Method European Journal of Environmental and Civil Engineering Do Ngoc Anh, Dias, D., Oreste, P.P and Djeran Maigre, I (2014c) Three - dimensional numerical simulation for a twin mechanized 77 tunnelling in soft ground Tunnelling and Underground Space Technology, 42: 40 - 51 Do Ngoc Anh, Dias, D., Oreste, P.P and Djeran Maigre, I (2014)d Three - Dimensional numerical simulation for mechanized tunnelling in soft ground - The influence of the joints, Acta Geotechnica, in press Đỗ Ngọc Anh, (2014) Một phương pháp tính tốn kết cấu vỏ hầm lắp ghép Tuyển tập Hội nghị Khoa học Đại học Mỏ - Địa chất lần thứ 21 Hà Nội - 2014 Đỗ Ngọc Anh, (2016) Một số phương pháp tính tốn kết cấu chống lắp ghép cơng trình ngầm Tuyển tập cơng trình khoa học kỷ niệm 50 năm thành lập Bộ mơn "Xây dựng Cơng trình ngầm Mỏ" 1996 - 2016, Nhà xuất Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ, Hà Nội Đỗ Như Tráng, (2011.) Tính tốn kết cấu vỏ hầm có kể đến ảnh hưởng lưu biến môi trường đất đá xung quanh trường hợp tiếp xúc tồn phần Tạp chí Địa kỹ thuật Số 12 Du Dianchun, Dias Daniel, Do Ngoc Anh, (2018) Hyperstatic reaction method for the design of U - shaped tunnel supports, International journal of Geomechanics, 18, 6, Du Dianchun, Dias Daniel, Do Ngoc Anh, (2018) Designing U - shaped tunnel linings in stratified soils using the Hyperstatic Reaction Method, European Journal of Environmental and CivilEngineering Huang X., Zhu Y., Zhang Z., Zhu Y., Wang S., Zhuang Q., (2018) Mechanical behaviour of segmental lining of a sub - rectangular shield tunnel under self - weight Tunnelling and Underground Space Technology, 74: 131 - 144 Kashima Y., Kondo N., Inoue M., (1996) Development and application of the DPLEX shield method: Results of experiments using shield and segment models and application of the method in tunnel construction Tunnelling and Underground Space Technology, 11(1): 40 50 Liu X., Ye Y., Liu Z., Huang D.,(2018) Mechanical behavior of Quasi - rectangular segmental tunnel linings: First results from full - scale ring tests Tunnelling and Underground Space 78 Đặng Văn Kiên nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(4), 68 - 78 Technology, 71: 440 - 454 Do Ngoc Anh, D Dias, Z Zhang, X Huang, T T Nguyen, V V Pham and O Nait - Rabah, (2020) "Study on the behavior of squared and sub rectangular tunnels using the Hyperstatic Reaction Method, Transportation Geotechnics, vol 22 Molins C, Arnau O., (2011) Experimental and analytical study of the structural response of segmental tunnel linings based on an in situ loading test Part 1: Test configuration and execution Tunneling technology and underground space, 26 (6): 764 - 777 Nakamura H., Kubota T., Furukawa M., (2003) Unified construction of running track tunnel and crossover tunnel for subway by rectangular shape double track cross - section shield machine Tunnelling and Underground Space Technology, 18(2): 253 - 262 Nguyễn Tăng Thanh Trần Nguyễn Hoàng Hùng, (2011) Đặc trưng đất - xi dùng công nghệ vữa cao áp (Jet - Grouting) để giảm lún bề mặt thi công tuyến Metro số máy khiên đào TBM TP Hồ Chí Minh Tạp chí Giao thơng vận tải (12/2011), 23 - 26; Nguyễn Thế Phùng, Nguyễn Quốc Hùng, (2004) Thiết kế cơng trình giao thơng ngầm, Nhà xuất Giao thông vận tải Nguyễn Xuân Mãn, Nguyễn Ngọc Huệ, Phạm Đức Hinh, Nguyễn Hải Hưng, Trần Tuấn Minh, Nguyễn Duyên Phong, (2015) Cơ sở xây dựng hệ thống tàu điện ngầm đô thị, Hội thảo Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Viện Cơ học tin học ứng dụng, Hồ Chí Minh, 2015 Nguyễn Xuân Mãn, (2012) Nghiên cứu xây dựng hệ thống metro thành phố Hà Nội Báo cáo đề tài cấp Bộ Viện Cơ học tin học ứng dụng, Hồ Chí Minh Nguyễn Anh Tuấn, Lê Thanh Bình, (2012) Phân tích ảnh hưởng lún việc xây dựng đường hầm metro đến cơng trình lân cận khu vực TP.HCM Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng 9/2012 Oreste, P.P., (2007) A numerical approach to the hyperstatic reaction method for the dimenshioning of tunnel supports Tunnelling and Underground Space Technology, 22, pp 185 - 205 Nguyễn Anh Tuấn, (2017) Phân tích ổn định khối đất trước gương hầm LATS Kỹ Thuật Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Hồ Chí Minh Hồ Chí Minh - 2017 Đồn Thế Tường, (2012) Một số vấn đề địa kỹ thuật môi trường xây dựng hầm tầu điện ngầm Việt Nam, Tạp chí khoa học cơng nghệ xây dựng số 2/2012 Nguyễn Quang Dũng, (2013) Nghiên cứu rung động biện pháp giảm rung động khai thác hệ thống tàu điện ngầm LATS Kỹ thuật Học Viện Kỹ thuật quân Hà Nội Phan Sỹ Liêm Nguyễm Bá Hồng, (2016) Sử dụng cơng nghệ Jet - Grouting gia cố xung quanh hầm bảo vệ công trình móng nơng tuyến Đường sắt Đơ thị số – TP.HCM Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Giao thông vận tải, 26 - 30 Nguyen Tai Tien, Do Ngoc Anh, Karasev Maxim Anatolyevich, Dang Van Kien, Daniel Dias, (2020) Tunnel Shape Influence on the Tunnel Lining Behavior, Proceeding of ICE Geotechnical Engineering Zhang Z., Zhu Y., Huang X., (2019) Standing full scale loading tests on the mechanical behavior of a special - shape shield lining under shallowly - buried conditions Tunnelling and Underground Space Technology, 86(1): 34 - 50  ... tốn vỏ hầm lắp ghép hầm metro tiết diện hình chữ nhật cong Mặc dù vậy, kết nghiên cứu mơ hình số đường hầm metro tiết diện ngang có hình chữ nhật cong cịn hạn chế Do đó, nghiên cứu ứng xử vỏ hầm. .. thơng số mặt cắt ngang trình thiết kế đường hầm metro cần thiết Tổng quan tình hình nghiên cứu phương pháp tính tốn hầm metro tiết diện chữ nhật cong 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Việt Nam Tại... suất bốn góc so với tiết diện hình chữ nhật (Nakamura nnk., 2003) Do vậy, đường hầm có hình dạng đặc biệt đường hầm tiết diện hình vng hình chữ nhật, hình chữ nhật cong ý nghiên cứu thời gian gần