BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ


NGUYỄN QUANG DŨNG

NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG VÀ BIỆN PHÁP
GIẢM RUNG ĐỘNG TRONG NỀN DO KHAI THÁC
HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - NĂM 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ


Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với GS.TS Vũ
Đình Lợi đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá
trị giúp tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu này. Tác giả luôn trân trọng sự
động viên, khuyến khích và những kiến thức chuyên môn mà Giáo sư đã chia
sẻ cho tác giả trong nhiều năm qua, giúp tác giả nâng cao năng lực khoa học
và củng cố lòng yêu nghề.
Tác giả trân trọng cảm ơn Bộ môn Công trình quốc phòng, Viện Kỹ
thuật công trình đặc biệt, Phòng Sau đại học – Học viện Kỹ thuật Quân sự đã
tạo điều kiện giúp đỡ và hợp tác trong quá trình nghiên cứu.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải III
đã tạo điều kiện, hỗ trợ về vật chất, tinh thần và thời gian trong suốt quá trình
nghiên cứu của tác giả.
Cuối cùng tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân
trong gia đình đã cảm thông, động viên và chia sẻ những khó khăn với tác giả
trong suốt thời gian làm luận án./.

Tác giả
Nguyễn Quang Dũng

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Nguyễn Quang Dũng, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên
cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào.

Tác giả
Nguyễn Quang Dũng

iii

iv

2.2.3. Xác định tỷ số cản theo công thức thực nghiệm 34
2.3. Thử nghiệm số xác định các tham số động nền đất tuyến metro số 6 -
TpHCM 35
2.4. Kết luận chương 2 41
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT DO KHAI
THÁC HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM 43
3.1. Đặt bài toán và các giả thiết tính toán 43
3.2. Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn phân tích bài toán tương tác giữa
kết cấu và nền biến dạng chịu tải trọng động 44
3.3. Nghiên cứu rung động bằng phần mềm xác định tải trọng động tàu
điện ngầm (DLT) và gói phần mềm PLAXIS 47
3.3.1. Phân tích lựa chọn mô hình nền áp dụng cho nền đất TPHCM. 49
3.3.2. Nghiên cứu mô phỏng tải trọng động và xây dựng phần mềm xác
định tải trọng động của đoàn tàu lưu thông trong hầm (DLT). 52
3.3.3. Xác định tần số dao động riêng của nền nhiều lớp bằng Plaxis 60
3.3.3.1. Xác định tần số dao động riêng của nền đất tuyến metro số 6 63
3.3.3.2. Ảnh hưởng sự phân bố các lớp đất và sức cản của nền 65
3.4. Dự báo rung động của nền do khai thác tàu điện ngầm TpHCM 68
3.4.1. Xác định sơ đồ bố trí tải trọng động và kích thước mô hình 70
3.4.2. Cường độ rung động theo phương ngang hầm tại Km0+940 và Km
6+700 trên tuyến metro số 6 – TpHCM. 73
3.5. Thử nghiệm số khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố của hầm, nền đến
rung động trong nền 75
3.5.1. Ảnh hưởng của khuyết tật mặt tiếp xúc bánh xe-ray đến rung động
nền 75
3.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ chạy tàu đến rung động nền 76
3.5.3. Ảnh hưởng loại hầm đến rung động nền 76
3.5.4. Ảnh hưởng độ dày vỏ hầm đến rung động nền 77
vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục các ký hiệu
1.1. Các ký hiệu bằng chữ Latinh
A Biên độ dao động,
ASF Hệ số địa tầng
[B]
n
Ma trận quan hệ biến dạng - chuyển vị của phần tử,
[C]
n
, [C] Ma trận cản của phần tử , ma trận cản của hệ,
E Mô đun đàn hồi của vật liệu,
e Hệ số rỗng của đất,
f
S
Sức kháng ma sát trên thành lỗ xuyên,
f
SP
Tần suất lấy mẫu,
F(t) Hàm tải trọng động của đoàn tàu theo thời gian,
g Gia tốc trọng trường,
G Mô đun kháng trượt của vật liệu,
I
c
Hệ số ứng xử của địa tầng,
[K]

v
max
Hiệu quả giảm giá trị vận tốc rung lớn nhất,
v
P
Vận tốc truyền sóng nén,

vii

v
S
Vận tốc truyền sóng cắt,
v, v
x
, v
y
Vận tốc dao động, vận tốc dao động theo phương x và y,
v
ref
Vận tốc dao động tham chiếu,
v
RMS
Vận tốc dao động căn quân phương,
V Vận tốc khai thác chạy tàu,
1.2. Các ký hiệu bằng chữ Hy Lạp
, Các tham số trong tích phân Newmark,
R
,
R
Các hằng số cản Rayleigh,


viii

FEM Phương pháp phần tử hửu hạn,
FDM Phương pháp sai phân hữu hạn,
GPMB Giải phóng mặt bằng,
PPV Vận tốc dao động đỉnh,
PTHH Phần tử hữu hạn,
RMS Căn quân phương,
SPT Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn,
Sylomer Tên vật liệu đàn hồi tiêu chuẩn của hãng Getzner,
SR Ký hiệu của loại Sylomer tiêu chuẩn của hãng Getzner,
SDOF Hệ một bậc tự do,
TpHCM Thành phố Hồ Chí Minh,
VdB Đơn vị của cường độ rung hay decibel rung động, ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Mô tả phản ứng của người với rung động [43] 9
Bảng 1.2. Cường độ rung cao nhất cho phép trong nhà [43] 10
Bảng 1.3. Cường độ rung tối đa và trung bình cho phép [75], [76], [77]. 11
Bảng 1.4. Rung động giới hạn đối với kết cấu công trình xây dựng [43]. 12
Bảng 2.1. Quan hệ của v
S
và SPT (N*
60
) cho đất cát theo Andrus (2003)
[66] 30

Hình 2.2. Miền và phạm vi áp dụng các thí nghiệm động [52] 28
Hình 2.3. Quan hệ giữa tỷ số cản của cát (PI=0%) và 35
Hình 2.4. Quan hệ giữa tỷ số cản của sét (PI=35%) và 35
Hình 2.5. Kết quả tính toán tốc độ truyền sóng cắt từ thí nghiệm CPT cho
điểm xuyên HX02 tuyến metro số 6. 38
Hình 2.6. Kết quả tính toán tốc độ truyền sóng cắt từ thí nghiệm CPT cho
điểm xuyên HX08 tuyến metro số 6. 38
Hình 3.1. Mô hình bài toán khi hệ chịu tác dụng tải trọng động tàu điện
ngầm 43
Hình 3.2. Sơ đồ khối giải bài toán dự báo rung động trong nền do khai thác
hệ thống tàu điện ngầm bằng gói phần mềm Plaxis 48
Hình 3.3. Các tham số của mô hình Mohr-Coulomb trong Plaxis [26] 51
Hình 3.4. Các tham số của mô hình Cam-Clay cải biên trong Plaxis [26] 51
Hình 3.5. Sơ đồ tải trọng của 1 trục xe tác dụng lên ray theo Bernoulli-Euler 54
Hình 3.6. Đồ thị hàm (z) của 1 trục xe P=1 54
Hình 3.7. Sơ đồ tải trọng trục đoàn tàu và kích thước toa xe 55
Hình 3.8. Giao diện mô đun chính của chương trình DLT 58
Hình 3.9. Sơ đồ khối tổ chức chương trình DLT 58
Hình 3.10. Một đoạn code chương trình trong Labview cho mô đun 01. 59

xi

Hình 3.11. Giao diện nhập liệu cho mô đun 01 – Không bố trí đệm đàn hồi 60
Hình 3.12. Giao diện kết quả cho mô đun 01 – Không bố trí đệm đàn hồi 60
Hình 3.13. Bản ghi động đất Upland, ngày 28/02/1990, 11h43’00” PM được
tích hợp sẵn trong phần mềm Plaxis [26]. 61
Hình 3.14. Trình tự xác định tần số dao động riêng trong Plaxis 61
Hình 3.15. Xác định tần số dao động riêng nền đất tại Km0+940 64
Hình 3.16: Xác định tần số dao động riêng nền đất tại Km6+700 65
Hình 3.17. Ảnh hưởng của nền nhiều lớp đến tần số dao động riêng 66

, tại Km0+940, khi
V=80km/h. 74

xii

0. Quan hệ giữa L, v
max
của điểm B và vận tốc chạy tàu, tại
Km0+940, khi a
ir
=30cm. 76
. Sự thay đổi L, v
max
của các điểm A J trong trường hợp mặt cắt
ngang hầm là chữ nhật và tròn, tại Km6+700, khi V=80km/h,
a
ir
=30cm. 77
2. Sự thay đổi L, v
max
của các điểm A J tương ứng với các trường
hợp độ dày vỏ hầm, tại Km0+940, khi V=80km/h, a
ir
=30cm. 77
3. Quan hệ giữa L, v
max
của điểm B và độ dày vỏ hầm, tại
Km0+940, khi V=80km/h, a
ir
=30cm. 77

xiii

Hình 4.8. Giao diện nhập số liệu khi bố trí 2 lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm . 92
Hình 4.9. Giao diện kết quả khi bố trí 2 lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm 92
Hình 4.10: Quan hệ giữa max F(t) và Hs với s=12,5mm và 25mm, khi
V=80km/h và f
ir
=63Hz. 93
Hình 4.11: Quan hệ giữa max F(t) và Hs
1
với s
1
=12,5mm, 25mm và
s
2
=25mm, khi V=80km/h và f
ir
=63Hz. 93
Hình 4.12. Đồ thị vận tốc rung của điểm B khi không giảm rung và sử dụng
tấm Sylomer SR450 đặt tại đáy ray, tại km 0+940, V=80km/h,
f
ir
=63Hz. 95
Hình 4.13. Đồ thị cường độ rung theo thời gian của điểm B khi không giảm
rung và sử dụng tấm Sylomer SR450 đặt tại đáy ray, tại km
0+940, V=80km/h, f
ir
=63Hz. 95
Hình 4.14. Hiệu quả giảm rung của tấm Sylomer SR450 đặt tại đáy ray 96
Hình 4.15. Hiệu quả giảm rung của tấm Sylomer SR110 đặt tại đáy tà vẹt 98

Hình 4.26. Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung và độ sâu bố trí của lớp
Sylomer 1 trong phương án bố trí hai lớp . 108
Hình 4.27. Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung động của điểm B và độ dày lớp
đệm đàn hồi Sylomer SR28 bố trí tại đáy sàn hầm, tại Km0+940,
khi V=80km/h và f
ir
=63Hz. 109
Hình 4.28. Bố trí đệm đàn hồi Sylomer SR28 dày 25mm cách đáy tà vẹt
25cm, dạng tấm và dạng gối 110
Hình 4.29. Hiệu quả giảm rung khi bố trí đệm đàn hồi Sylomer SR28 dày
25mm, bố trí dạng tấm và dạng gối cách đáy tà vẹt 25cm,khi
V=80km/h và f
ir
=63Hz. 111
Hình 4.30. Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung động của điểm B và mô đun
đàn hồi động (loại Sylomer) của tấm Sylomer dày 25mm tại đáy
sàn hầm, tại Km0+940, khi V=80km/h và f
ir
=63Hz. 112
Hình 4.31. Hiệu quả giảm cường độ rung của đệm đàn hồi Sylomer SR28
dày 25mm bố trí tại đáy sàn hầm, khi V=80km/h và f
ir
=63Hz. 113
Hình 4.32. Hiệu quả giảm vận tốc rung lớn nhất của đệm đàn hồi Sylomer
SR28 dày 25mm bố trí tại đáy sàn hầm, khi V=80km/h và
f
ir
=63Hz. 113

1

xe sẽ tác động lên ray và các cơ cấu hỗ trợ bên dưới của ray gây ra rung động,
đặc biệt trong điều kiện đất yếu các rung động này sẽ rất phức tạp. Rung có
thể gây phá hoại kết cấu công trình xây dựng và gây khó chịu cho con người
đặc biệt vào ban đêm đối với các khu dân cư sống hai bên tuyến đường, các
khu vực giải trí, văn hoá (nhà hát, trường học, bệnh viện ) ở gần tuyến.

Hình M.1. Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị Hà Nội [17]
Với sự phát triển của hệ thống tàu điện ngầm như Việt Nam hiện nay,
thực sự cần thiết phải xây dựng phương pháp đánh giá rung động và biện
pháp giảm rung động trong nền đất khi khai thác hệ thống metro. Đặc biệt
trong bối cảnh phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay, việc dự báo rung
động khi khai thác các tuyến tàu điện ngầm cần phải triển khai sớm trước khi
thi công xây dựng nhằm phát triển nền kinh tế quốc dân đi đôi với việc đảm
bảo chất lượng môi trường sống đô thị. Vì vậy “Nghiên cứu rung động và

3
biện pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm”
luận án đặt ra cho đến nay đang là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Hình M.2. Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị TpHCM [18]

4
Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án:
- Phân tích và lựa chọn phương pháp xác định các tham số động của
nền đất làm cơ sở giải quyết bài toán tương tác kết cấu hầm – nền phù hợp với
điều kiện thực tế Việt Nam.
- Nghiên cứu và xây dựng chương trình mô phỏng số tải trọng động của
đoàn tàu di chuyển trong hầm, nhằm tạo dữ liệu đầu vào cho bài toán phân
tích tương tác hầm - nền chịu tác dụng của tải trọng khai thác hệ thống tàu
điện ngầm.

số tính toán hệ “tàu điện ngầm – kết cấu hầm – nền đất” và lập trình tính toán
số liệu đầu vào trong môi trường Labview.
Nội dung luận án
Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của luận án, và bố cục của luận án
Chương 1: Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu, phương pháp dự báo
rung động và biện pháp giảm rung động do khai thác hệ thống tàu điện ngầm.
Đề xuất nội dung và phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án.
Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương pháp xác định các tham số
động của nền đất phù hợp với điều kiện Việt Nam.
Chương 3: Nghiên cứu rung động của nền đất chịu tác động của tải
trọng khai thác hệ thống tàu điện ngầm.
Chương 4: Nghiên cứu biện pháp giảm rung động của nền bằng đệm
đàn hồi đặt trong đường tàu điện ngầm.
Kết luận chung: Trình bày các kết quả chính và những đóng góp mới
của luận án.
Tài liệu tham khảo

6
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Khái niệm cƣờng độ rung động
Trong đánh giá ảnh hưởng của rung động, giá trị vận tốc đỉnh tối đa
(PPV
max
) thường được sử dụng để đánh giá rung động do nổ phá, tải trọng
xung và mức độ phá hoại công trình xây dựng. PPV
max
không phù hợp để
đánh giá đáp ứng của cơ thể con người vì phải mất một khoảng thời gian cơ
thể người mới đáp ứng lại tín hiệu rung động. Khái niệm dao động trung bình

v
2
12
)(
1
[m/s] (1.3)
22
ynxnn
vvv
[m/s] (1.4)
L: Cường độ rung động lớn nhất phát sinh.

7
L
i
: Cường độ rung động theo thời gian tại khoảng thời gian 1s thứ i.
[L]: Cường độ rung động giới hạn trong tiêu chuẩn tham chiếu áp dụng.
v
i
: Vận tốc dao động trung bình của điểm nghiên cứu tại khoảng thời
gian 1s thứ i.
v
ref
: Vận tốc dao động tham chiếu, v
ref
=5.10
-8
m/s [77].
t
1

công trình xây dựng gần đó rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố (hình
1.1). Để phân tích các yếu tố này có thể chia quá trình truyền sóng rung động

8
làm ba thành phần: nguồn rung, đường truyền dẫn và nơi tiếp nhận. Sơ đồ
khối quá trình phát – truyền – tác động của rung động như hình 1.2 [64].

Hình 1.2. Sơ đồ khối quá trình phát sinh truyền dẫn rung động [64]
Khi đoàn tàu không chuyển động sẽ gây ra một lực tác động lên đường
ray đó là trọng lượng bản thân của đoàn tàu, lực này thông qua bánh xe truyền
lên ray, tà vẹt, vỏ hầm rồi vào nền đất; tải trọng đó gọi là tĩnh tải. Khi đoàn
tàu chuyển động, lực tác động đó sẽ dịch chuyển theo và gây ra rung động.
Do sự tương tác giữa các cơ cấu tàu điện ngầm, đường ray và các kết cấu bên
dưới đường ray nên các rung động này có thể bị ảnh hưởng gia tăng hay giảm
đi trước khi truyền dẫn vào môi trường đất xung quanh [40], [43].
Các rung động phát sinh do tàu điện ngầm tác động lên vỏ hầm và lan
truyền ra nền đất dưới dạng sóng đàn hồi. Sóng truyền đi trong nền đất, đá
Tương tác
Bánh xe- ray

Tiếp cận
móng kết cấu
công trình
Lan truyền
trong đất- đá

Tiếp cận
đất - đá
Khi tiếp cận đến móng của các công trình, rung động truyền lên các phần
khác của công trình gây ra rung động. Các rung động này có thể được cảm
nhận ở các phần khác nhau của vật thể bị rung hay nghe thấy dạng rùng rùng.
Sự rung động của sàn, tường, các thiết bị nội thất sẽ gây ra tiếng ồn khó chịu
hoặc có thể gây thiệt hại cho các thiết bị nhạy cảm với rung động trong công
trình. Trong một số trường hợp rung còn có thể gây đe dọa đến sự an toàn của
cả công trình một khi xảy ra sự cộng hưởng.
1.2.2. Phản ứng của con ngƣời đối với rung động và giới hạn rung
Cơ thể con người bị ảnh hưởng bởi rung động với tần số bất kỳ khi biên
độ đủ lớn. Khả năng chịu ảnh hưởng do rung động của con người phụ thuộc
đặc điểm cơ thể khi chịu tác động, các tác động đến tâm, sinh lý của người và
khoảng thời gian chịu tác động, tần số tác động. Các tài liệu mô tả kinh
nghiệm thực tế liên quan đến vấn đề này có rất nhiều trên thế giới, cường độ
rung giới hạn đối với người được chia làm 3 mức như bảng 1.1 [43].
Bảng 1.1. Mô tả phản ứng của người với rung động [43]
Cường độ rung
Phản ứng của con người
65 VdB
- Ngưỡng cảm nhận được rung động của đa số người.
75 VdB
- Khoảng giữa của vùng bắt đầu cảm thấy và cảm nhận
rất rõ ràng. Nhiều người cảm thấy bực bội phiền hà
cường độ rung này.
85 VdB
- Rất khó chịu, nhưng có thể chấp nhận được nếu rung
động xuất hiện không thường xuyên mỗi ngày.