BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
NGUYỄN THANH TÙNG
NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT VỎ HẦM CÓ KỂ ĐẾN QUÁ
TRÌNH THI CÔNG THEO PHƯƠNG PHÁP NATM-
ỨNG DỤNG CHO HẦM GIAO THÔNG
DỰ ÁN ĐƯỜNG CAO TỐC NỘI BÀI - LÀO CAI
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2010
Hà Nội, 2010
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1
Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Phạm Ngọc Khánh đã tận
tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ trong và ngoài trường
Đại học Thủy lợi, đặc biệt là phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, bộ môn Cơ học
kết cấu cùng bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành tốt
luận văn.
Do thời gian và trình độ có hạn nên luận văn còn nhiều hạn chế, mong các
thầy cô và bạn bè đồng nghiệp quan tâm góp ý để tác giả có thêm kiến thức và kinh
nghiệm trong vấn đề này.
Hà Nội, tháng 3 năm 2010.
Nguyễn Thanh Tùng
LỊCH
SỬ
XÂY
DỰNG,
PHÁT
TRIỂN
ĐƯỜNG
HẦM
GIAO
THÔNG. 7
1.1.1. Khái niệm chung về đường hầm giao thông. 7
1.1.2. Sơ lược về lịch sử xây dựng đường hầm giao thông. 11
1.2.
TÌNH
HÌNH
XÂY
DỰNG
1.3.2.1. Hầm Hải Vân 17
1.3.2.2. Hầm Đèo Ngang 18
1.3.2.3. Hầm Laerdal (Na Uy) 19
1.3.2.4. Hầm Hsuehshan (Đài Loan) 20
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM VÀ CHỌN
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 21
2.1.
CÁC
TÍNH
CHẤT
CƠ
HỌC
CỦA
MÔI
TRƯỜNG
ĐÁ 21
2.1.1. Độ bền nén đơn trục 21
2.1.2. Độ bền kéo đơn trục: 21
2.1.3. Độ bền cắt của đá: 22
2.1.4. Độ bền của đá ở trạng thái ứng suất ba chiều 22
2.1.5. Hệ số bền vững: 22
VỎ
HẦM 25
2.2.1. Trạng thái ứng suất biến dạng của môi trường xung quanh trước khi xây
dựng hầm 25
2.2.2. Công nghệ thi công hầm theo phương pháp NATM. 26
2.2.2.1. Khái niệm: 26
2.2.2.2. Trình tự thiết kế cơ bản của phương pháp: 27
2.2.2.3. Các bước thi công chính của phương pháp NATM: 32
2.2.2.4. Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của phương pháp NATM: 34
2.2.3. Trạng thái ứng suất biến dạng sau khi xây dựng đường hầm 34
2.3.
CÁC
PHƯƠNG
PHÁP
TÍNH
TOÁN
KẾT
CẤU
ĐƯỜNG
HẦM. 36
KẾT
LUẬN
CHƯƠNG
2. 56
CHƯƠNG 3. VÍ DỤ ÁP DỤNG: TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG
THUỘC DỰ ÁN ĐƯỜNG CAO TỐC NỘI BÀI - LÀO CAI 58
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4
Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng
3.1.
GIỚI
THIỆU
VỀ
DỰ
ÁN
ĐƯỜNG
THUỘC
DỰ
ÁN. 59
3.3.
CÁC
THÔNG
SỐ
TÍNH
TOÁN. 61
3.3.1. Sơ đồ tính toán. 61
3.3.2. Giới thiệu phần mềm Plaxis 3D Tunnel dùng để tính toán. 61
3.3.3. Thông số cơ bản dùng trong tính toán. 62
3.3.3.1. Số liệu về bê tông: 62
3.3.3.2. Số liệu về vỏ hầm: 62
3.3.3.3. Số liệu về đá nền: 62
3.4.
TRÌNH
TỰ
VÀ
DÙNG
PLAXIS
3D
TUNNEL 63
3.4.1. Trình tự gương đào và vị trí tương ứng: 63
3.4.2. Các bước tính toán: 64
3.4.3. Tính toán ổn định gương đào giai đoạn cuối: 72
3.5. KẾT QUẢ TÍNH VÀ NHẬN XÉT 73
3.5.1. Kết quả tính toán. 73
3.5.2. Nhận xét kết quả 74
3.6.
KẾT
LUẬN
CHƯƠNG
3. 74
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 75
4.1.
KẾT
LUẬN 75
4.1.1. Những vấn đề đã đạt được. 75
4.1.2. Những vấn đề còn tồn tại 75
kiệm được diện tích mặt bằng chiếm chỗ, không phụ thuộc vào địa hình thực tế,
tuyến ngắn, thẳng, bí mật…nên việc nghiên cứu các phương pháp tính toán và thiết
kế công trình ngầm là vấn đề có ý nghĩa thực tế.
Ở Việt Nam công trình ngầm đã được xây dựng trong các ngành giao thông,
thủy điện, thủy lợi…và sẽ được xây dựng nhiều trong tương lai khi đường tàu điện
ngầm trong các thành phố lớn được triển khai xây dựng, đường hầm trong các công
trình thủy lợi, thủy điện, đặc biệt là khi ngày càng nhiều các tuyến đường cao tốc
được xây dựng, do các tiêu chuẩn thiết kế mà các đường hầm vượt chướng ngại vật
trên đường cao tốc sẽ được xây dựng nhiều trong tương lai.
Giá thành xây dựng các công trình ngầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thiết
kế, thi công, thiết bị xây dựng…Do vậy có rất nhiều hướng nghiên cứu để hạ giá
thành công trình nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật. Giải pháp thiết kế phù
hợp với các điều kiện tự nhiên và thiết bị thi công sẵn có là một trong những
phương hướng nghiên cứu đó. Các chỉ dẫn nghiên cứu về các phương pháp thi công
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 6
Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng
và sự biến đổi nội lực trong quá trình thi công là rất hạn chế. Vì vậy việc nghiên cứu
tính toán kết cấu đường hầm trong quá trình thi công là rất cần thiết.
Trong khuôn khổ luận văn này tác giả chỉ nghiên cứu tính toán kết cấu đường
hầm giao thông theo phương pháp :
- Mô hình kết cấu và nền làm việc đồng thời.
giới như London, Paris, Berlin, Madrid, Moscow đều sử dụng mạng lưới xe điện
ngầm. Đây là một loại hình vận tải công cộng có rất nhiều ưu điểm như: không tốn
diện tích trên mặt đất, ít gây ô nhiễm cả về khí thải và tiếng ồn, hiệu quả và an toàn.
Hầm là phương tiện có hiệu quả để mở rộng khả năng vạch các tuyến đường
giao thông trong những điều kiện khó khăn, chúng được sử dụng để vượt qua các
chướng ngại. Các chướng ngại gặp phải khi vạch các tuyến đường giao thông bao
gồm các chướng ngại cao và chướng ngại bằng. Chướng ngại cao là các vùng đồi
núi, các đỉnh phân thuỷ Khi vạch tuyến đường sắt hoặc đường bộ thường có ba
giải pháp: đi vòng, kéo dài tuyến kết hợp với đường đào sâu và dùng hầm để vượt
chướng ngại.
Khi đi vòng chướng ngại tuyến đường bị kéo dài và tăng độ dốc. Đối với
đường sắt thường làm xấu những điều kiện khai thác của tuyến. Trong thực tế đôi
khi giải pháp này không thực hiện được.
Khi kéo dài tuyến kết hợp với việc đào sâu, chiều dài tuyến có thể ngắn hơn,
nhưng thường đòi hỏi độ dốc lớn và phải có các biện pháp bảo vệ những phần tuyến
ở trên cao, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt đới có nhiều mưa bão như ở nứơc ta.
Những giải pháp xây tường chắn, làm hành lang bảo vệ tuyến khỏi các hiện tượng
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 8
Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng
sụt lở, đá lăn, đá đổ, là những giải pháp thường gặp trong phương án vượt chướng
ngại vật này và trong nhiều trường hợp chúng cũng không rẻ.
§êng ®µo
HÇm
KÐo dµi tuyÕn
Vùng đất phủ
Hỡnh 1.2: Vt cỏc vựng trt, t ph
Khi vt cỏc chng ngi nc cú th chn cu hoc hm. So vi vt bng
cu thỡ vt bng hm cú cỏc u im sau: khụng phi b trớ kh thụng thuyn,
trỏnh c cỏc nh hng do ma giú, bóo, súng chiu di giao nhau vi cỏc
chng ngi ụi khi ngn hn, nht l trong trng hp kh thụng thuyn cao, bói
sụng rng. Xõy dng ng dn thun li hn trong trng hp giao nhau im dõn
c, xõy dng dy c. Trong iu kin nhng nc phỏt trin mt giao thụng
thu ngy mt tng nhanh do ú nu vt bng cu ngoi vic cú cỏc tr trờn ng
giao thụng thu nú cũn ũi hi phi xõy cỏc cu nhp ln v kh thụng thuyn di
cu cng ln,do ú vt bng cu ngy cng t hn, c bit l nhng phng ỏn
vt qua cỏc eo bin, cỏc phng ỏn ni o
Khổ thông
thơng
Hầm
Cầu
Hỡnh 1.3: Vt chng ngi nc
Tuy nhiờn, gii phỏp vt chng ngi bng hm cng cú khỏ nhiu nhc
im: phi thụng giú v thoỏt nc nhõn to, ụi khi khụng cú thỡ khụng th khai
thỏc c cụng trỡnh; thi hn thi cụng di vỡ din thi cụng hp; giỏ thnh xõy dng
cú th ln hn vỡ khi lm hm phi thc hin khi lng cụng tỏc t khỏ ln. Tuy
nhiờn, b rng chng ngi nc tng thỡ giỏ thnh mt một di cu tng, cũn giỏ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 10
Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng
Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng
Một phương hướng khác của tổ chức giao thông ngoài đường phố là dùng
đường sắt treo. Các toa xe điện treo trên các trụ kiểu conson.
Ưu điểm của phương án này là chi phí xây dựng có thể thấp, tốc độ chạy tàu
cao, tất cả sức kéo, các thiết bị phục vụ bố trí bên trong hộp nên không bị ảnh
hưởng của khí quyển, chuyển động không ồn, vị trí toa xe nằm dưới đường trượt
nên đảm bảo đi qua những chỗ đường cong bé mà không phải giảm tốc độ.
Đường sắt treo có thể sử dụng có hiệu quả ở những vùng xây dựng còn thưa
thớt. Trong vùng xây dựng dày đặc, khi không có những đường trục lớn giải pháp
hợp lý vẫn là dùng hầm. [9]
1.1.2. Sơ lược về lịch sử xây dựng đường hầm giao thông.
Nguồn gốc của việc xây dựng hầm đầu tiên phải kể đến việc tạo nên những
hang hầm từ thời cổ xưa. Từ lâu, trước công nguyên ở Babilon, Ai Cập, Hy Lạp và
La Mã công tác xây dựng ngầm để khai thác khoáng sản, xây các lăng mộ, nhà
thờ sau đó là để cấp nước và giao thông. Đáng kể hơn cả là những hầm do người
cổ La Mã xây dựng vào mục đích cấp, thoát nước và giao thông, một số còn giữ
nguyên đến ngày nay.
Việc phát triển của xây dựng hầm gắn liền với việc phát triển của công cụ và
phương tiện sản xuất. Trình độ của kỹ thuật xây dựng hầm tương ứng với trình độ
phát triển của sức sản xuất. Tất cả những hầm cổ đều xây dựng trong đá cứng không
cần xây vỏ, tuy nhiên hang đã có dạng vòm giống như các hang động tự nhiên. Việc
thi công dựa vào sức lao đông của nô lệ nhờ các công cụ thô sơ như: choòng, xà
beng, cũng như phương pháp nhiệt: đầu tiên đốt nóng gương rồi sau làm lạnh bằng
nước. Sau khi đế quốc La Mã sụp đổ, xây dựng ngầm cũng như các hoạt động khác
của loài người đi vào thời kỳ suy thoái kéo dài. Trong thời kỳ này công tác xây
dựng ngầm chủ yếu giành cho mục đích chiến tranh.
nguồn nước nóng, nhiệt độ trong hầm cao (55
o
C) hầm Sinpon II đã xây dựng chỉ
đến năm 1921.
Vật liệu chủ yếu để xây dựng vỏ hầm là đá hộc xây vữa vôi hoặc vữa xi măng.
Vào năm 1889 lần đầu tiên sử dụng bêtông làm vỏ hầm . Nhưng cho đến một phần
tư cuối của thế kỷ XX bêtông mới trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng hầm.
[9]
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 13
Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng
1.2. TÌNH HÌNH XÂY DỰNG HẦM GIAO THÔNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ
VIỆT NAM.
1.2.1. Tình hình xây dựng hầm giao thông trên thế giới.
Thời thượng cổ con người đã biết đào các hầm ngầm đặc biệt để khai thác
quặng mỏ và than đá. Người La Mã đã xây dựng các đương hầm thuỷ lợi đến nay
vẫn còn tốt. Tác phẩm đầu tiên viết về xây dựng các đường hầm là cuốn De ra
metallica do một người Đức Georg Bawer (tên Latin là Georg Agricola) viết và xuất
bản vào năm 1556. Công trình ngầm hiện đại đầu tiên là đường hầm Malpas, dài
155(m) được xây dựng từ năm 1676 đến năm 1681 cho kênh đào Midi ở miền Nam
nước Pháp.
Đến thế kỉ thứ XIX, đặc biệt vào thế kỷ XX, do yêu cầu mà giao thông đường
bộ, đường thuỷ, đường sắt và giao thông thành phố mới phát triển mạnh mẽ, nhất là
giao thông hầm đường bộ, đường sắt, đường thuỷ và hầm cho tàu điện ngầm.
Đã xuất hiện hầm đường bộ Sinplon qua dãy núi Alpes – Penins nằm giữa
Xuyên suốt lịch sử, có thể nói việc xây dựng hầm trên thế giới đã phát triển từ
rất lâu, và ngày càng hoàn thiện về công nghệ thi công, rút ngắn thời gian, giảm
thiểu chi phí và xây dựng các công trình đường hầm giao thông mang tính lịch sử.
Với bước phát triển khoa học kỹ thuật như vũ bão và sự ra đời công nghệ mới-
công nghệ xây dựng hầm áo mới New Austrian Tunneling Method (NATM), con
người có thể xây dựng ngầm dưới đất ở các vùng địa chất phức tạp khác nhau làm
cho công trình xây dựng hầm và công trình ngầm an toàn, kinh tế và ngày càng hấp
dẫn.
1.2.2. Tình hình xây dựng hầm giao thông ở Việt Nam.
Trước Cách mạng tháng Tám 1945, ở Việt Nam năm 1930, có xây dựng hầm
giao thông thuỷ Rú Cóc (ở xã Nam Sơn, huyện Anh Sơn, tỉnh Nghệ An) hầm ngầm
xuyên qua núi giúp cho thuyền bè đi lại từ phía thượng lưu xuống hạ lưu sông Lam
để tránh đi qua đập nước Đô Lương. Ngành đường sắt có vài hầm ngầm ở miền
Trung mà điển hình là hầm Phước Tượng trên đèo Hải Vân thuộc đại phận tỉnh
Thừa Thiên Huế.
Trong chiến tranh chống Pháp, chống Mỹ hầm được xây dựng nhiều song chủ
yếu là hầm ngắn nằm trong núi phục vụ cho quốc phòng làm kho tàng hay công sự.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 15
Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng
Ở tỉnh Quảng Nam hầm lò được xây dựng khá nhiều chủ yếu phục vụ khai thác
than.
Sau ngày thống nhất đất nước năm 1975, ta mở đầu xây dựng hầm Dốc Xây
trên quốc lộ 1A ở phía nam tỉnh Ninh Bình dài khoảng 100(m). Trong công cuộc
xây dựng đất nước hiện đại quy mô hiện nay, nước ta đã xây dựng hầm đường bộ
qua đèo Hải Vân dài trên 6(km); khi vận hành đã rút ngắn thời gian qua đèo từ một
- Đường hầm thông gió
dài: 1.810 (m)
- Hầm lọc bụi tĩnh điện
dài: 153 (m).
2 Hầm Đèo Ngang 495
3 Hầm A Roàng I 453 Đường Hồ Chí Minh
4 Hầm Dốc Xây (Ninh Bình) 100 Trên Quốc Lộ 1A
5 Hầm Thanh Hàm (Nhật Bản) 53.850
6 Hầm qua eo biển Manche 50.000 Nối liền Anh và Pháp
7
Hầm qua sông Trường Giang
(Trung Quốc)
8.900
8 Hầm Tần Lĩnh (Trung Quốc) 19.450
9 Hầm Saint Cloud (Pháp) 909
10 Hầm Laerdal (Na Uy) 24.500
11 Hầm Hsuehshan (Đài Loan) 13.000
1.3.2. Hình ảnh một số công trình hầm giao thông.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 17
Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 20
Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng
1.3.2.4. Hầm Hsuehshan (Đài Loan).
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 21
Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng
CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐƯỜNG HẦM VÀ CHỌN PHƯƠNG
PHÁP TÍNH TOÁN
Công trình giao thông nói chung, đường hầm giao thông nói riêng thường chịu
tác dụng của các loại tải trọng như: áp lực đất đá, sự thay đổi của nhiệt độ, độ ẩm
Dưới tác dụng của các nguyên nhân trên bên trong công trình xuất hiện ứng
suất, khi ứng suất vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây nứt nẻ dẫn đến nhẹ thì làm
giảm chất lượng công trình, nặng thì làm công trình bị phá hoại. Tính toán ứng suất
trong công trình dưới tác dụng của các nguyên nhân trên là yêu cầu được đề ra khi
thiết kế các công trình. Lời giải của bài toán ứng suất biến dạng càng chính xác thì
các công trình được thiết kế càng đảm bảo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật.
2.1. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MÔI TRƯỜNG ĐÁ.
F
P
t
t
max
[4] (2-2)
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 22
Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng
Trong đó: P
tmax
: Là lực gây phá hủy mẫu.
F : Là diện tích tiết diện ngang ban đầu của mẫu.
2.1.3. Độ bền cắt của đá.
Là giá trị ứng suất cắt tới hạn mà tại đó đá bị cắt, ký hiệu là
s
, được xác định
theo công thức:
F
P
s
[4] (2-3)
Theo Protodiakonop coi cả môi trường đất đá rời rạc, nhưng để xét tính dính
kết, phải tăng hệ số ma sát giữa các thành phần hạt lên thành một hệ số giả định gọi
là hệ số kiên cố của đá, ký hiệu f
kc
. Hệ số này là giả định nhưng mang ý nghĩa đặc
trưng cho một tính chất cơ học của đá.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 23
Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Học viên : Nguyễn Thanh Tùng
Đối với môi trường cơ học rời rạc, thì điều kiện cân bằng giới hạn sẽ là:
ftg
hay
f
[4] (2-6)
Trong đó: Là góc ma sát của đất đá.
f: Là hệ số ma sát.
Đối với môi trường có tính dính kết, thì điều kiện cân bằng theo
Protodiakonop có thể viết như sau:
kc
ftgK
,
v
[4] (2-10)
Copyright: Tài liệu đại học ©