Download - Chuong 2 - Tinh Toan OnDinh CTN
24
Chương 2 Tính toán ổn định công trình ngầm
2.1 Công tác khảo sát dự án
2.1.1 Khát quát
Khi xây dựng công trình ngầm cần xét đầy đủ tổ hợp các thông số địa kỹ
thuật một cách tổng thể và xác định trạng thái địa chất cụ thể. Tính chất của đất
đá quyết định công nghệ xây lắp, phương pháp đào và đắp đất, loại gia cố tạm
thời và gia cố lâu dài. Đặc điểm tính chất của đất đá cần thiết khi xác định giá trị
tải trọng lên kết cấu ngầm, khi lựa chọn sơ đồ tính toán công trình ngầm, khi xác
định các thông số gia cố.
Theo phương án lựa chọn, người ta tiến hành khảo sát chi tiết địa kỹ thuật -
Thăm dò địa kỹ thuật. Mục tiêu chính của công tác thăm dò - nhận được đặc tính
định lượng sử dụng khi xác định tải trọng lên kết cấu công trình ngầm, khi lựa
chọn sơ đồ tính toán công trình, các phương phá 1.đào đất, các thông số ổn định
tạm thời v.v... cũng như dự đoán tính động học của sự phát triển các quá trình địa
vật lý, các trạng thái ứng suất - biến dạng của khối đất, các chế độ nhiệt và nước
ngầm.
Trình tự khảo sát được giới thiệu ở bảng 2.1
Bảng 2.1. Trình tự khảo sát
Trì
nh t
ự x
ây d
ựng v
à
kh
ảo s
át
So s
ánh c
ác t
uy
ến
Chọ
n t
uyến
Bắt
đầu
xây
dự
ng
Hoàn
thàn
h x
ây d
ựng
Mục đích
chính
Thu thập những số liệu
cần thiết để chọn tuyến
đường phù hợp nhất về
các điều kiện địa
Thu thập các số liệu cơ
bản cần thiết cho bản
thiết kế gốc, lập kế
hoạch xây dựng, dự
Dự đoán và xem xét
những vấn đề có thể
xảy ra trong khi xây
dựng.
Kiểm tra các vấn đề
xuất hiện trong khi
xây dựng và sau khi
hoàn thành.
Khảo sát để
chọn tuyến
chọn tuyến
Thiết kế và khảo
sát để lập kế
hoạch thi công
Khảo sát trong
giai đoạn xây
dựng
Khảo sát sau
khi kết thúc
xây dựng
25
chất/địa lý và các điều
kiện khác về môi
trường.
toán, v..v.. Thay đổi thiết kế.
Quản lý xây dựng.
Thu thập số liệu để đền
bù trong tương lai.
Thu thập số liệu để
đền bù và các biện
pháp đề phòng xuống
cấp, hư hỏng.
Nội dung Khảo sát tổng quát Khảo sát địa chất chi
tiết. Khảo sát có cân
nhắc về môi trường.
Những phương tiện
khảo sát cần thiết cho
việc xây dựng.
Đo đạc trong đường
hầm chủ yếu là quan
trắc đất đá, trạng thái
của hệ thống chống đỡ.
Khảo sát và đo đạc
những vùng xung
quanh đường hầm và
môi trường chủ yếu để
đánh giá các tác động
của việc xây dựng và
các biện pháp xử lý.
Khảo sát và đo đạc
những vùng xung
quanh đường hầm và
môi trường chủ yếu để
đánh giá những tác
động của việc xây
dựng và các biện pháp
xử lý.
Khu vực
khảo sát
Khu vực khảo sát rộng
bao gồm tất cả các
tuyến được kiến nghị.
Đường hầm và vùng
xung quanh kể cả vị trí
có thể bị liên lụy.
Đường hầm và khu vực
được chống đỡ bị ảnh
hưởng của việc xây
dựng.
Khu vực xung quanh
một vị trí có tranh cãi
chịu ảnh hưởng của
việc xây dựng.
2.1.2 Khảo sát Địa kỹ thuật
Khảo sát địa kỹ thuật cần làm sang tỏ những điều kiện sau:
1. Đất đá đang hoặc có tiềm năng dịch chuyển như trượ lở
2. Đới nứt nẻ, khu vực có cấu trúc uốn nếp;
3. Đất đá yếu, chứa nước;
4. Đất đá bị ép vắt;
5. Đất đá có thể xảy ra hiện tượng đá nổ;
6. Đất đá có nhiệt lượng cao, mạch nước nóng, khí độc, v..v..;
7. Đất đá chứa nhiều nước dưới đất.
Trong khảo sát cũng cần chú ý đến những điều kiện đặc biệt có lien quan đến
môi trường, như:
1. Chiều dày tầng đất đá phủ mỏng;
2. Khu vực đô thị;
3. Dưới mực nước ngầm;
4. Giếng nghiêng hoặc giếng đứng;
5. Cửa hầm;
6. Công trình xây dựng lân cận;
26
7. Mặt cắt ngang lớn.
Trình tự khảo sát địa kỹ thuật nêu ở bảng 2.2
Trong giai đoạn khảo sát sơ bộ cần khảo sát địa hình, địa chất, thủy văn,
v..v.. một vùng rộng gồm cả tuyến để so sánh. Mục đích khảo sát là để nắm chắc
những nét đại cương về điều kiện đất đá của đường hầm và thu thập những số
liệu cần thiết cho quá trình chọn tuyến và lập kế hoạch khảo sát tiếp theo. Cần
tiến hành khảo sát bằng phương pháp phù hợp với các điều kiện địa chất của khu
vực.
Khảo sát địa kỹ thuật chi tiết nhằm đáp ứng mục đích là nắm bắt được
điều kiện tổng thể về đất đá ở khu vực xây dựng công trình ngàm, thu thập
những số liệu cơ bản cần thiết cho thiết kế và lập kế hoạch xây dựng, từng bước
nâng cao độ chính xác. Trong khảo sát địa kỹ thuật chi tiết, phải chọn các đề mục
cần thiết để khảo sát tùy theo mục đích khảo sát, các điều kiện đất đá, v..v.. và
phải dùng phương pháp khảo sát phù hợp nhất. Đặc điểm của các phương pháp
khảo sát địa kỹ thuật nêu ở bảng 2.3.
Bảng 2.2. Trình tự khảo sát điều kiện địa kỹ thuật
27
Phương pháp khảo sát, thu thập thông tin
28
Bảng 2.3. Đặc điểm của các phương pháp khảo sát địa kỹ thuật
Phương pháp Các hạng mục để khảo
sát
Sử dụng các kết quả để
lập kế hoạch và thiết kế
Các khó khăn khi khảo sát
Nghiên cứu tài
liệu
1. Điều kiện địa lý, địa
chất và thủy văn của
khu vực định xây dựng.
2. Lịch sử các thảm họa
đã xảy ra và phác thảo
khả năng xây dựng.
1. Các vấn đề hoặc vùng khó
khăn được định rõ ở giai
đoạn chọn tuyến
2. Đưa ra vấn đề cần làm rõ khi
khảo sát bề mặt hoặc khảo sát
tỉ mỉ sau này
1. Có thể ở đó không có số
liệu hữu ích phụ thuộc vào
từng vùng.
2. Nói chung, các bản đồ
không đủ độ chính xác
3. Thông tin trên bản đồ
không phải bao giờ cũng
liên quan đến mục đích
nghiên cứu.
Phân tích ảnh
hàng không
1. Đất đá không ổn định
quanh cửa hầm
2. Cấu trúc địa chất, đặc
biệt là cấu trúc đặc
trưng như đứt gãy
3. Địa chất bề mặt trước
khi có thay đổi nhân
tạo.
- Đảm bảo độ chính xác tiêu
chuẩn nhưng cần phải
kiểm tra lần nữa bằng khảo
sát trên mặt đất
Khảo sát địa chất
bề mặt
1. Sự phân bố, các đặc
điểm và sự ổn định địa
chất bề mặt
2. Sự phân bố và các
đặc điểm đất nền
3. Sự phân bố và kiểu
cấu trúc địa chất.
1. Lập bản đồ địa chất cắt ngang
và cắt dọc và kiểm tra sự phân
bố và đặc điểm của đất đá
xung quanh tuyến
2. Đánh giá chất lượng an toàn
và khả năng xây dựng của địa
chất ngoại vi của tuyến
1. Bản đồ địa chất chỉ là một
cách trình bày các kết quả
khảo sát, cần kiểm tra
trong giai đoạn khảo sát
sau này
2. Bị ảnh hưởng rất lớn bởi
độ chính xác của bản đồ
địa lý
Thăm
dò đ
ịa v
ật l
ý
Thăm dò
địa chấn
1. Vận tốc sóng đàn hồi
của đất đá.
2. Vị trí, quy mô và vận
tốc của đới có vận tốc
chậm
1. Để biết rõ bề dày và đặc điểm
các trầm tích không bền
vững, tầng phong hóa.
2. Để biết rõ điều kiện khối đá ở
cao độ khai đào
3. Để biết rõ vị trí, quy mô, điều
kiện và tính liên tục của đứt
gãy, đới nứt nẻ và lớp đất
mềm
4. Nghiên cứu phân loại đất đá
1. Khi khu vực có vận tốc
chậm là hẹp thì sẽ giảm độ
chính xác của phân tích
2. Đánh giá sự phân bố địa
chất, mức độ phong hóa và
phát triển của nứt nẻ phải
kết hợp với các khảo sát
khác và phải đánh giá tổng
hợp
29
Thăm dò
điện
- Điện trở riêng của đất
đá và phân bố điện trở
riêng trên mặt cắt
ngang.
1. Để biết rõ bề dày sườn tích và
lớp phong hóa.
2. Để biết rõ cấu trúc địa chất và
các đặc điểm từ điện trở
riêng.
3. Phát hiện dải mỏng của đất
mềm
4. Để biết rõ các tính chất và
quy mô của đứt gãy
5. Nghiên cứu sự phân bố và
các tính chất của nước ngầm
và tầng ngậm nước
1. Các tính chất địa lý và
địa chất ở hiện trường ảnh
hưởng rất lớn đến độ
chính xác của khảo sát.
2. Kết quả không trực tiếp
quan hệ với độ bền cơ học
của đất đá
Khoan khảo sát
1. Sự phân tầng và phân
bố cát và đá.
2. Vị trí, phạm vi, các
tính chất, tính liên tục
của đứt gãy, đới nứt
nẻ, lớp mềm yếu
3. Loại đá, phong hóa và
biến đổi, các tính chất
của đới nứt nẻ và của
khe nứt
4. Tình trạng nước ngầm,
áp suất và lượng dòng
chảy
1. Trực tiếp khảo sát địa chất để
kiểm tra chi tiết phân bố và
các tính chất của đất đá
2. Nghiên cứu phân loại đất đá,
các phương pháp khai đào,
chống đỡ và bê tông vỏ hầm,
lượng thuốc nổ sử dụng
- Đây là khảo sát chính xác
và cần kết hợp với trắc địa
trên mặt đất, khảo sát địa
vật lý, v..v..
Kh
ảo s
át l
ỗ k
hoan
Thí
nghiệm
xuyên
tiêu
chuẩn
1. Kiểm tra xem xét độ
ổn định quanh cửa hầm
và những nơi mà bề
dày tầng đất đá phủ
mỏng
2. Để biết rõ độ sâu của
đá và lớp chịu tải
1. Giá trị N, tính mềm và/hoặc
chặt
2. Lấy mẫu và phân loại đất.
1. Nói chung, không áp
dụng cho đá và lớp cuội
sỏi.
2. Khi giá trị N > 50 thì
không phân biệt chính xác
Thí
nghiệm
tải trọng
trong lỗ
khoan
- Hệ số biến dạng, hệ số
đàn hồi.
- Phân tích biến dạng đất đá. 1. Chọn lựa thiết bị thí
nghiệm hợp lý đối với các
điều kiện địa chất và
đường kính lỗ khoan là
cần thiết
2. Chọn lựa vị trí bao gồm
các trạng thái địa chất đặc
trưng bằng đánh giá lõi
khoan là cần thiết
30
Thí
nghiệm
thấm
- Các tính chất thủy văn
của đất đá.
1. Đánh giá và dự đoán dòng
chảy bất thường và/hoặc ổn
định từ tầng ngậm nước.
2. Đánh giá sự ổn định của
gương trong đất đá không bền
vững.
1. Giá trị đo được đánh giá
thô do vậy cần phải diễn
giải bằng lý thuyết
2. Chọn thí nghiệm hợp lý
là cần thiết cho điều kiện
đất đá.
Thí
nghiệm
vận tốc
trong
lỗ khoan
- Sự phân bố vận tốc đàn
hồi thẳng đứng của đất
đá.
1. Gián tiếp ước tính phân loại
đá/cát hoặc mức độ phong
hóa, biến đổi và phát triển nứt
nẻ
2. Để biết rõ lớp có vận tốc
thấp.
1. Đôi khi không đo được
khi không có nước ngầm.
2. Đôi khi lớp có vận tốc
chậm không đo được dưới
mực nước ngầm.
Thí
nghiệm
điện
trong
lỡ khoan
- Điện trở biểu kiến của
các vách lỗ khoan
1. Để biết rõ phân bố địa chất
bằng điện trở riêng
2. Đánh giá điều kiện nước
ngầm ở tầng ngậm nước.
1. Khả năng bị hạn chế ở
dưới mực nước ngầm
2. Không đo được trong ống
vách
Truyền
hình
lỗ khoan
1. Điều kiện địa tầng.
Phạm vi, các tính chất
và đường phương/góc
dốc của đứt gãy và các
nứt nẻ .
2. Điều kiện nước ngầm
1. Thẩm tra ổn định của gương
hầm bằng điều kiện của các
nứt nẻ và đường phương/góc
dốc của chúng.
2. Nghiên cứu điều kiện dòng
chảy của khu vực
- Kết thúc và dọn kỹ lỗ
khoan là cần thiết
Thí nghiệm
trong phòng
1. Các đặc tính cơ lý của
đá tạo thành: khối
lượng riêng, vận tốc
sóng đàn hồi, cường độ
nén, v..v..
2. Các đặc tính khoáng
vật của đá tạo thành:
thành phần khoáng vật
sét, tính vỡ vụn, v..v..
3. Các đặc tính cơ lý của
đất tạo thành : thành
phần hạt, độ ẩm,
cường độ nén, độ sệt,
v..v..
1. Để biết rõ mức độ phá hỏng
đá do nứt nẻ
2. Để biết rõ các đặc tính cơ
học của đá.
3. Đánh giá và dự báo đất đá bị
ép vắt
4. Đánh giá sự ổn định của các
trầm tích không bền vững
5. Đánh giá sự ổn định tự đứng
vững của gương hầm ở nơi
đất đá không bền vững
1. Vì mẫu không có các vết
nứt gãy nên giá trị không
thể hiện đặc trưng đại
diện của đất đá
2. Kết quả thực nghiệm
thay đổi rất lớn do độ ẩm
của mẫu đá mềm
3. Thí nghiệm cơ học có xu
hướng bị ảnh hưởng lơn
do xáo trộn khi lấy mẫu
Khảo sát địa kỹ thuật chi tiết cần nắm bắt và xem xét những nội dung sau
đây:
1. Cấu tạo địa chất tổng thể, sự phân bố và các đặc điểm của mặt cắt
công trình;
2. Phân loại đất đá với sự xem xét kỹ thuật dựa trên kết quả khảo sát;
31
3. Địa hình và địa chất tại vị trí cửa hầm, những tài liệu tham khảo cơ
bản về các vấn đề này và các biện pháp xử lý;
4. Đánh giá sự ổn định của gương, thiết kế hệ thống chống đỡ, chọn các
phương pháp phụ, các tài liệu tham khảo để chọn các phương pháp
khai đào gương và các phương pháp đào hầm;
5. Sự phân bố và các đặc điểm của những điều kiện đất đá đặc biệt, dự
báo những vấn đề và hiện tượng, các tài liệu tham khảo cơ bản về các
biện pháp xử lý.
Những đề mục khảo sát địa kỹ thuật liệt kê trong bảng 2.4. Tham khảo
bảng này để chọn các đề mục khảo sát theo điều kiện đất đá của đường hầm và
chọn phương pháp khảo sát phù hợp.
Một số lĩnh vực được quan tâm trong khảo sát các điều kiện đất đá đặc biệt và
những điều kiện đặc biệt khác ở bảng 2.4 có thể bao gồm:
1. Các loại đất đá đang hoặc có tiềm năng dịch chuyển như trượt lở. Phải phân
tích khả năng đất trượt, sụt lở và sập mái dốc ở cửa hầm, ở nơi bề dày tầng đất đá
phủ mỏng như các thung lũng và các đường hầm gần mái dốc. Phải đánh giá sự
ổn định của đường hầm. Cũng cần phải thực hiện các khảo sát để có thể xác định
sự cần thiết về các biện pháp xử lý và thiết kế các trường hợp đó. Khi đất trượt,
sụt lở với quy mô lớn thì cần phải xem xét khả năng chọn một tuyến tránh sự
trượt, sụt lở đó.
2. Vùng nứt nẻ / vùng uốn nếp. Có thể phát hiện một đứt gãy với một dải
rộng của đới nứt nẻ bằng khảo sát sơ bộ (nghiên cứu tài liệu, ảnh hàng không,
khảo sát trên mặt đất, v..v..). Có thể ước đoán những đặc điểm của đới nứt nẻ,
như cường độ của đới nứt nẻ, bằng phương pháp thăm dò địa chấn, khoan khảo
sát, v..v..
3. Đất đá yếu chứa nước. Đất đá yếu, như đất sét, đất cát và đất sỏi tạo
thành tầng sườn tích và một phần của tầng bồi tích, đất đá núi lửa không bền
vững như tro núi lửa hoặc sỏi (đá bọt), là những loại đất đá không bền vững. Khi
loại đất đá này tiếp xúc với nước có thể xảy ra những vấn đề: xói lở hoặc sập
gương, đất đá lún hoặc sập khi bề dày tầng đất đá phủ mỏng, nước chảy vào
nhiều. Tầng cát không bền vững hoặc tầng sỏi cát thường có cấu trúc đơn giản vì
vậy việc khảo sát địa chất trên bề mặt, khoan khảo sát, khảo sát địa vật lý trong
lỗ khoan, khảo sát nước ngầm, v..v.. có thể đánh giá các đặc điểm địa chất và khả
32
năng bị xói lở đến một mức độ khá lớn. Thí nghiệm trong phòng lập r a chỉ số
xói lở là đặc biệt quan trọng đối với cát mịn có cỡ hạt đồng đều.
Bảng 2.4. Quan hệ giữa điều kiện đất đá, các đề mục
khảo sát và phương pháp khảo sát
33
4. Đất đá trương nở, nén ép (Swelling and squeezing soil and rock). Đây
là vùng đất đá mà mặt cắt ngang bên trong phát triển về phía trong do áp lực đất
gia tăng rất lớn khi khai đào đường hầm. Hiện tượng này quan sát thấy trong sét
kết Neogen, và đá túp, sét tại vùng đứt gãy, vùng vỡ vụn vò nhàu, sét solfataic,
secpentinit. Hiện tượng này không chỉ phụ thuộc vào loại và các đặc điểm của
đá, mà còn liên quan chặt chẽ đến ứng suất do áp lực tầng đất đá phủ và ứng suất
do cấu tạo địa chất như cấu tạo uốn nếp. Thường không thể dự báo phạm vi
trương nở chỉ bằng một tiêu chuẩn.
5. Đá nổ. Hiện tượng này xảy ra khi đá vỡ vụn bay khắp đó đây do khối đá
và đá gần gương hầm thình lình bị vỡ do nổ. Quan sát thấy hiện tượng này khi
điều kiện ứng suất trong khối đá gần bằng giới hạn biến dạng do áp lực cao của
đất và tại chỗ đó đạt đến ứng suất biến dạng phá hoại do khai đào và do xuất hiện
sự giải phóng năng lượng biến dạng đàn hồi một cách bất thình lình.
6. Đất đá có nhiệt lượng cao, mạch nước nóng, khí độc, các kim loại nặng.
Các kiểu đất đá này nằm trong vùng nhiệt dịch biến đổi, đới vò nhàu, đá xâm
nhập và tầng chứa dầu, than hoặc kim loại, v.v… Xác định điều kiện này trong
giai đoạn khảo sát sơ bộ.
7. Đất đá chứa nước dưới đất. Nước ngầm cách ly do sét ở các đứt gãy,
nước ngầm được giữ lại trong tầng đất đá không bền vững như là vật liệu từ
nham thạch núi lửa, nước ở trong khe nứt và đới nứt nẻ, nước trong chỗ rỗng của
đá vôi và dung nham, có thể tạo ra một lượng nước chảy vào rất lớn bất thình
lình gây đổ sập hoặc xói lở. Việc khảo sát thực hiện chủ yếu bằng phương pháp
khoan và khảo sát địa chất thủy văn dựa theo sự tham khảo những đề mục nêu
trong vùng nứt nẻ và đất đá yếu chứa nước.
Khi xây dựng công trình ngầm cần lưu ý đến những điều kiện đặc biệt sau:
1. Tầng đất đá phủ mỏng. Ở tầng đất đá phủ mỏng đất đá thường là đất
mềm hoặc đá mềm vì vậy tác động vòm không dễ xảy ra. Đất đá như vậy dễ bị
hư hại do lún đất đá trên mặt hay lún đất do đất đá bị tơi ra. Cũng đã có những sự
cố về sự ổn định của gương và thành tường đường hầm. Khi có một công trình
trên bề mặt thì phải tiến hành khảo sát để đánh giá độ lún và khu vực bị lún.
2. Khi đường hầm xuyên qua khu vực đô thị. Các đường hầm xây dựng ở
khu vực đô thị có nhiều hạn chế hơn so với các đường hầm xuyên núi vì các
vùng xung quanh và điều kiện đất đá. Trước đây, đường hầm xuyên dưới khu đô
34
thị được xây dựng chủ yếu bằng phương pháp đào mở hoặc phương pháp khiên
chống, tuy nhiên gần đây áp dụng phổ biến hơn phương pháp đào hầm xuyên
núi. Cần phải khảo sát những điều kiện xung quanh như các công trình trên bề
mặt và cấu trúc ngầm dưới đất.
3. Khi đường hầm xuyên dưới nước. Khi xây dựng đường hầm xuyên dưới
nước như dưới đáy biển, đáy sông sẽ gặp nguy hiểm là ngập nước do một lượng
nước khổng lồ chảy vào đường hầm, vì vậy cần khảo sát cẩn thận. Các đề mục
khảo sát địa chất đối với các đường hầm dưới nước không khác với các đường
hầm dưới đất bình thường, nhưng bị hạn chế khi thực hiện do độ sâu của nước và
các dòng chảy. Không thể kiểm tra trực tiếp, và điều này còn bị ảnh hưởng bởi
giao thông đường thủy và các điều kiện môi trường có thể hạn chế phương pháp
và mùa khảo sát.
4. Giếng nghiêng và giếng đứng. Khảo sát về giếng cũng tương tự như đối
với các bộ phận khác của đường hầm. Biện pháp đối phó duy nhất với dòng nước
chảy vào là thoát nước cưỡng bức, giếng bị ngập là điều nguy hiểm vì vậy cần
khảo sát tỉ mỉ để ước tính lượng nước chảy vào.
5. Cửa hầm. Xây dựng cửa hầm là một trong những công việc khó khăn
trong xây dựng đường hầm. Điều kiện của cửa hầm trong các đường hầm luôn
luôn khác nhau và đòi hỏi phải xem xét từng trường hợp. Cần quan tâm đặc biệt
đến cửa hầm có khả năng bị trượt lở đất hoặc mất ổn định mái dốc và tham khảo
mục 1) trên đây để khảo sát cẩn thận
6. Trường hợp có công trình xây dựng lân cận.
Khi xây dựng công trình ngầm gần những công trình hiện tại cần phải nắm
chắc đặc điểm của những công trình đó như điều kiện xây dựng, địa điểm, môi
trường, đất đá, xây dựng từ khi nào, v..v.. để đường hầm không ảnh hưởng đến
các công trình đó.
2.1.3 Khảo sát thủy văn
Mục đích khảo sát thủy văn là dự báo khả năng và lượng nước mặt và
nước dưới đất chảy vào công trình ngầm, xem xét và đánh giá các vấn đề kế tiếp
trong thiết kế và xây dựng và tác động đến môi trường xung quanh. Thực hiện
những đề mục khảo sát cần thiết vào những thời điểm thích hợp. Khi thi công
nếu có dòng nước chảy vào công trình thì những khó khăn trong xây dựng tăng
lên rất nhiều.
35
1. Dự báo dòng nước chảy vào công trình ngầm. Dòng nước chảy vào
được phân thành hai loại: dòng nước tập trung khi xây dựng và dòng nước ổn
định sau khi xây dựng công trình. Việc xác định các loại dòng nước, lượng nước
và khu vực có dòng nước chảy vào chủ yếu dựa vào cấu tạo của tầng chứa nước
và những đặc điểm của tầng đó như tính thấm và hệ số tích trữ, v..v..
2. Các vấn đề cho thiết kế và xây dựng. Dòng nước chảy vào đường hầm
không chỉ làm đảo lộn việc khai đào mà có thể gây sập gương và những điều
tương tự, đây là điều quan trọng theo quan điểm an toàn khi xây dựng đường
hầm và đạt hiệu quả kinh tế. Dòng nước chảy vào tập trung gây ra nhiều vấn đề
về thiết kế và xây dựng khi bắt đầu khai đào. Cần xem xét các phương pháp phụ
đối với thiết bị xây dựng, các phương pháp khai đào và xử lý nước ngầm bằng
cách dự báo vị trí và lượng nước chảy vào trong giai đoạn chọn tuyến, thiết kế và
lập kế hoạch xây dựng. Đo lượng nước chảy vào trong khi xây dựng, phân tích
và so sánh với giá trị dự báo. Cũng cần tiếp tục quan sát sau khi xây dựng xong
để bảo dưỡng đường hầm.
Sau đây là những vấn đề dự kiến trong thiết kế và xây dựng đường hầm:
i) Sự ổn định của gương, đặc biệt là sập gương, và xói lở cát trong đất
đá không bền vững;
ii) Áp lực của đất tăng; mở rộng sự hấp thụ nước của đá mềm và trượt
lở;
iii) Khả năng chống đỡ giảm; bê tông phun hoặc neo đá dính bám không
tốt, lún chân hệ thống chống đỡ bằng thép;
iv) Xử lý dòng nước chảy vào; ngập đường hầm, bố trí thiết bị xử lý
dòng nước chảy vào, bố trí thêm thiết bị thoát nước và/hoặc máy bơm
nước trong và sau khi xây dựng;
v) An toàn xây dựng: lũ lụt phá hủy nền đường;
vi) Sụt giảm chất lượng và bảo dưỡng; xói lở vật liệu chèn lấp hoặc cát
do nước chảy vào và nước rò. Sự xói mòn đất đá phía dưới vòm ngược
hoặc nền đường bê tông. Sự phá hủy bê tông do nước axit, mạch nước
nóng, v..v.. ảnh hưởng trực tiếp đến công trình do mực nước ngầm thay
đổi không bình thường vì mưa nhiều hoặc điều chỉnh chế độ bơm nước.
3. Tác động đến môi trường xung quanh. Tác động của dòng nước chảy vào
đường hầm đến các công trình nước xung quanh trở thành một vấn đề xã hội
36
quan trọng về mặt bảo vệ môi trường. Dòng nước chảy vào tập trung gây ra tác
động tạm thời, còn tác động chính đến môi trường xung quanh là do dòng nước
chảy vào ổn định. Vì vậy cần ước tính và đánh giá mức độ của tác động này như
sự thiếu hụt nước trong các giai đoạn chọn tuyến, thiết kế và lập kế hoạch xây
dựng. Cần chuẩn bị các biện pháp đối phó kể cả việc chuyển đường hầm đi nơi
khác. Cần xác định sự cân bằng nước vào – nước ra kể cả dòng nước vào đường
hầm trong và sau khi xây dựng. Cần làm sáng tỏ mối quan hệ nhân quả giữa việc
xây dựng và tác động lên môi trường xung quanh. Nếu cần thiết thì thảo luận và
đưa ra các biện pháp đối phó để ngăn ngừa sự gia tăng mức độ của tác động này.
Sau đây là những hiện tượng cần xem xét liên quan đến tác động môi
trường:
i) Giảm hoặc thiếu nước; nước sông, nước ngầm, nước chảy vào, nước
tưới;
ii) Lún đất đá; biến dạng các công trình, lún bề mặt, lún đất đá;
iii) Thay đổi chất lượng nước; nhiễm bẩn nước mặt hoặc nước ngầm
(nhiễm bẩn do phương pháp cách ly nước và thoát nước bên trong
đường hầm), nước ngầm bị nhiễm mặn;
iv) Nước lạnh, nông nghiệp bị hại vì nước lạnh;
v) Gián đoạn dòng nước ngầm; trở ngại do gián đoạn dòng nước ngầm.
4. Từng bước khảo sát thủy văn. Các khảo sát thủy văn gồm những hạng
mục khảo sát địa chất thủy văn, khảo sát cân bằng nước vào – nước ra và khảo
sát thủy văn môi trường. Một tổng thể gồm việc xem xét kết quả những khảo sát
vừa nêu, nghiên cứu tài liệu và kết quả khảo sát tình huống phải được thực hiện
để đưa ra những dự báo và những đánh giá khác nhau. Trong bảng 2.5 giới thiệu
mục đích của các khảo sát khác nhau, nội dung và thời gian khảo sát.
Bảng 2.5. Đại cương về khảo sát thủy văn
Caïc
haûng
muûc
Muûc âêch cuía
khaío saït
Näüi dung Giai âoaûn khaío saït
Choün
tuyãún
Láûp
kãú
hoüach
Trong
khi
thi
cäng
Sau
khi
kãút
thuïc
37
Loaûi khaío saït thuyí vàn
Dæî liãûu
Vaûch kãú hoüach
khaío saït bàòng
kiãøm tra cáúu
truïc thuíy vàn,
så bäü âiãöu
kiãûn næåïc
ngáöm, vaì caïc
váún âãö dæû
âoïan træåïc
Âiãöu kiãûn âëa lyï vaì
âëa cháút: cáúu truïc
âëa cháút thuíy vàn.
Khê tæåüng thuíy vàn:
næåïc mæa, nhiãût âäü
..
Sæí duûng næåïc ngáöm:
caïc giãúng, tæåïi
næåïc ..
Δ Δ
Træåìng håüp nghiãn
cæïu
Âaïnh giaï doìng
chaíy vaì qui mä
giaím/thiãúu
næåïc åí háöm dæû
kiãún. Kiãøm tra
tênh thêch håüp
cuía caïc phæång
phaïp khaío saït
khaïc nhau
Dæî liãûu tæì caïc dæû
aïn træåïc: Âëa cháút,
täøng læåüng næåïc,
caïc âiãöu kiãûn thi
cäng, khu væûc bë aính
hæåíng båíi sæû thiãúu
næåïc. Caïc biãûn phaïp
khàõc phuûc.
Δ Δ
Khaío saït âiaû cháút thuyí vàn
Cáúu truïc âëa
cháút thuíy vàn,
caïc tênh cháút
cuía næåïc ngáöm
.. âæåüc täøng
håüp trong baín
âäö âëa cháút
thuíy vàn âãø dæû
âoïan vë trê
doìng chaíy vaì
khu væûc thu
næåïc.
Khaío saït âëa cháút
bãö màût.
Khaío saït âëa váût
lyï.
Khoan khaío saït.
Thê nghiãûm Carota läù
khoan.
Kiãøm tra cháút læåüng
næåïc (hiãûn træåìng,
trong phoìng).
Ο
Ο
Δ
Δ
Ο
Ο
Ο
Ο
Ο
Ο
Δ
Δ
Δ
Δ
Ο
Caïc hãû säú âäúi
våïi næåïc nhæ
tháúm, têch tuû
.. âæåüc xaïc
âënh bàòng caïc
lyï thuyãút thuíy
læûc âãø dæû
âoïan læu læåüng
doìng næåïc vaì
khu væûc thu
næåïc
Thê nghiãûm tháúm âån
giaín trong läù khoan
(nhæ thê nghiãûm cäüt
næåïc).
Thê nghiãûm aïp suáút
doìng næåïc, thê
nghiãûm phun næåïc.
Thê nghiãûm båm, läù
ngaïch ngang.
Thê nghiãûm theo doîi,
hæåïng doìng vaì váûn
täúc.
Thê nghiãûm giaím âäü
sáu cuía næåïc
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
Ο
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
38
Sæû cán bàòng cuía næåïc
Khê tæåüng thuíy
vàn, täøng doìng
næåïc màût, khaío
saït mæûc næåïc
ngáöm... âæåüc
thæûc hiãûn âãø
kiãøm tra cán
bàòng cuía næåïc
âãø dæû âoïan
haình vi traûng
thaïi cuía næåïc
ngáöm trong khi
thi cäng
Khê tæåüng thuíy vàn:
næåïc mæa, nhiãût âäü.
Doìng næåïc màût: täøng
læåüng næåïc säng, häö,
bãø næåïc, âáûp, næåïc
tæåïi, caïc suäúi.
Mæûc næåïc ngáöm:giãúng
quan tràõc, giãúng âang
täön taûi.
Täúc âäü bay håi.
Næåïc chaíy vaìo háöm,
aính hæåíng âãún sæû
thiãúu næåïc.
Ο
Ο
Ο
Ο
Mäi træåìng
thuyí vàn
Âãø kiãøm tra
nguäön næåïc vaì
sæí duûng næåïc
åí khu væûc thu
næåïc vaì vuìng
lán cáûn âãø dæû
âoaïn aính hæåíng
cuía thi cäng.
Nguäön næåïc: caïc
suäúi, säng, häö,
giãúng, bãø chæïa, aính
hæåíng cuía mæa.
Sæí duûng næåïc: cung
cáúp vaì thoïat næåïc,
næåïc cäng nghiãûp vaì
näng nghiãûp.
Ο
Ο
Ο
Ο
Ο
Phæång phaïp dæû
âoaïn
Dæû âoïan læu
læåüng, vë trê
vaì khu væûc thu
næåïc cuía doìng
chaíy vaìo cuía
næåïc
Vê du sau khi thi cäng
Âiãöu kiãûn âëa lyï vaì
âëa cháút thuíy vàn
Caïc cäng thæïc thuíy
læûc
Phán têch bàòng säú
Ο
Ο
Ο
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
Kyï hiãûu: cáön phaíi thæûc hiãûn, Ο Âæåüc khuyãún khêch thæûc
hiãûn, Δ Thæûc hiãûn khi cáön thiãút
2.1.4 Khảo sát các điều kiện địa điểm xây dựng
2.1.4.1 Khảo sát môi trường
Cần thực hiện những khảo sát các điều kiện cơ bản liên quan đến môi trường tự
nhiên, môi trường xã hội, môi trường sống của con người v..v.. trong phạm vi
khu vực có thể bị ảnh hưởng do việc xây dựng và trong thời kỳ sử dụng sau đó.
Nhằm mục đích bảo vệ môi trường và kiểm soát ô nhiễm, phải tiến hành khảo sát
để tìm đủ các biện pháp bảo vệ sao cho việc xây dựng không gây tác động
nghiêm trọng đến môi trường sống của con người xung quanh địa điểm xây
dựng. Trong việc lập kế hoạch một dự án, cần đánh giá tác động môi trường theo
luật pháp hoặc quy định, phải dự báo và đánh giá tác động môi trường.
39
Những vấn đề chính về môi trường trong xây dựng đường hầm là tiếng ồn,
chấn động, các giếng nước trở nên khô cạn, nước đục và hư hỏng các công trình
xây dựng. Người kỹ sư phải thực hiện khảo sát môi trường trước khi bắt đầu xây
dựng, dự báo và đánh giá mọi tác động có thể có trong khi xây dựng và trong
thời gian sử dụng sau đó và áp dụng các biện pháp phù hợp nếu có vấn đề. Hơn
nữa, người kỹ sư cũng phải tiến hành khảo sát môi trường trong khi xây dựng và
trong thời kỳ sử dụng sau đó để hiểu việc xây dựng ảnh hưởng đến môi trường
như thế nào.
2.1.4.2 Khảo sát luật pháp và các quy định điều chỉnh dự án
Khi lập kế hoạch một dự án, phải nghiên cứu trước pháp luật và các quy
định điều chỉnh dự án, nội dung của luật và quy định đó, các thủ tục, biện pháp
cần phải áp dụng, v..v.. Tiến hành những nghiên cứu về yêu cầu đền bù để nhận
đất cần cho dự án.
Cần thực hiện những khảo sát địa hình, địa chất, thời tiết, các điều kiện sử
dụng đất, những tác động đến khu vực xung quanh và những đề mục khác cần để
thu thập số liệu cho việc lập kế hoạch thiết bị ở bên ngoài, các khu vực thải đất
đá, v..v..
2.1.5 Các kết quả khảo sát
Các kết quả khảo sát được hệ thống sắp xếp theo một hình thức cần thiết
có sự hiểu biết đầy đủ về mục đích, được sắp xếp và lưu trữ để có thể sử dụng
trong những giai đoạn khác nhau của dự án. Những kết quả khảo sát các điều
kiện địa kỹ thuật được đánh giá tổng hợp và xếp hạng theo mức độ quan trọng để
có thể phân loại đất đá một cách đúng đắn theo mục đích sử dụng. Cần đánh giá
các tính chất của đất đá theo quan điểm địa kỹ thuật, sử dụng các kết quả khảo
sát điều kiện dịa kỹ thuật để áp dụng thỏa đáng vào thiết kế và lập kế hoạch xây
dựng. Các kết quả khảo sát điều kiện địa kỹ thuật được tổ chức thành các mục
như sau để dễ sử dụng trong các nghiên cứu về thiết kế và các phương pháp xây
dựng:
i) Mục tiêu, địa điểm, phạm vi, phương pháp khảo sát và tên người chịu
trách nhiệm;
ii) Mô tả sơ lược địa hình, và địa chất cùng với cấu tạo địa chất;
40
iii) Các bản đồ địa chất;
iv) Các mặt cắt địa chất ngang;
v) Mặt cắt địa chất dọc.
2.2 Ổn định của công trình ngầm đào bằng phương pháp đào mở
2.2.2 Lựa chọn kết cấu chắn giữ và kiểm tra chất lượng
Thông thường, có 3 giai đoạn trong thi công công trình ngầm:
a) Giai đoạn chuẩn bị: Xây dựng các công trình tạm để thi công công trình
ngầm, gia cường các móng kế cận và các công tác khác cần thiết để đảm bảo quá
trình xây dựng sau đó được thuận lợi,
b) Giai đoạn cơ bản: xây dựng công trình ngầm và tất cả các công trình
trên mặt đất cần cho khai thác công trình ngầm,
c) Giai đoạn kết thúc: tiến hành các công tác trang trí và lắp thiết bị, tháo
dỡ công trình và nhà tạm, khôi phục mạng lưới kỹ thuật đô thị và hoàn thổ...
Kiểm tra chất lượng thi công công trình ngầm phải theo hồ sơ thiết kế và
gồm các quá trình kiểm tra địa kỹ thuật (địa chất công trình, địa chất thuỷ văn,
địa sinh thái) khi xây dựng và kiểm tra chất lượng của vật liệu và kết cấu chống
giữ thành hố đào.
Căn cứ để lựa chọn kết cấu tường chắn cho hố đào mở khi thi công CTN
là:
- Kích thước CTN trên mặt bằng và độ sâu;
- Điều kiện ĐCCT và ĐCTV;
- Điều kiện và khả năng thi công;
- Điều kiện môi trường, sinh thái, điều kiện khống chế biến dạng công
trình lân cận ;
- Mức độ an toàn, thông qua việc chọn hệ số an toàn (tường tạm hay tường
vĩnh cửu);
- Các yếu tố kinh tế.
Phân tích toàn diện các yếu tố trên (có khi cả yếu tố phụ), dựa vào cấp an
toàn của hố đào như nêu ở bảng 2.6, có thể chọn lựa kết cấu chắn giữ theo các
nguyên tắc sau:
(1) Trong điều kiện bình thường thì cấu kiện của chắn giữ hố đào (như
tường chắn, màn chống thấm và neo) không được vượt ra ngoài phạm vi vùng
41
đất được cấp cho công trình, nếu không, phải có sự đồng ý của các bộ phận chủ
quản sở hữu (Trung ương hoặc địa phương) hoặc của chủ đất kế cận;
(2) Cấu kiện của kết cấu chắn giữ thành hố đào không làm ảnh hưởng đến
việc thi công bình thường các kết cấu chính của công trình.
Bảng 2.6. Cấp an toàn hố đào và hệ số tầm quan trọng hố đào β
Cấp an toàn Hậu quả phá hoại β
Cấp I
Kết cấu chống giữ bị phá hoại, nền đất mất ổn định hoặc biến
dạng quá lớn làm cho công trình xung quanh hố đào hoặc việc
thi công kết cấu ngầm bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
1,10
Cấp II
Kết cấu chống giữ bị phá hoại, nền đất mất ổn định hoặc biến
dạng quá lớn làm cho công trình xung quanh hố đào hoặc việc
thi công kết cấu ngầm bị ảnh hưởng vừa phải.
1,00
Cấp III
Kết cấu chống giữ bị phá hoại, nền đất mất ổn định hoặc biến
dạng quá lớn làm cho công trình xung quanh hố đào hoặc việc
thi công kết cấu ngầm bị ảnh hưởng không nghiêm trọng.
0,90
Chú ý: Với những công trình đặc biệt cấp an toàn hố đào có thể căn cứ vào tình hình
thực tế để xác định.
Theo điều kiện đất nền và điều kiện thi công, có thể tham khảo phạm vi áp
dụng các loại tường chắn ở bảng 2.7.
Bảng 3.7 Ph©n lo¹i theo ph¬ng ph¸p ®µo hè
(A) §µo
hè kh«ng
cã ch¾n
gi÷
§µo th¼ng ®øng
§µo cã dèc
§µo cã dèc khi kh«ng cã níc ngÇm
§µo cã dèc tho¸t níc b»ng m¸ng hë
§µo cã dèc khi h¹ mùc níc b»ng giÕng
§µo kiÓu con s¬n
(Cã neo kÐo,
kh«ng cã neo kÐo)
Cäc b¶n thÐp, cäc èng thÐp
CÊu thµnh bëi cäc nhåi BTCT (cäc xÕp dµy, cäc xÕp
tha), têng ch¾n ®Êt tæ hîp bëi mét hµng hoÆc hai
hµng - cäc nhåi khoan lç vµ b¬m v÷a hoÆc cäc trén
®Êt v«i, cäc b¬m quay )
Têng liªn
tôc ngÇm
Têng liªn tôc ngÇm BTCT
Têng liªn tôc ngÇm ®Êt
v«i cã cèt (SMW)
KÕt cÊu ch¾n gi÷ b»ng giÕng ch×m
Têng ch¾n ®Êt kiÓu träng lùc
42
(B) §µo
hè cã
ch¾n gi÷
Cäc gi÷ ®Êt cèt cøng
§µo kiÓu kÕt cÊu ch½n gi÷ h×nh vßm
§µo kiÓu ch¾n gi÷ bªn trong (hÖ thèng trong ®îc t¹o thµnh bëi dÇm ngang
däc theo mÆt b»ng, èng thÐp, cäc) bao gåm 1 tÇng chèng, nhiÒu tÇng chèng
§µo kiÓu kÕt cÊu ch¾n gi÷ víi neo ®Êt (cäc ch¾n ®Êt, kÕt cÊu neo gi÷ mét
tÇng, nhiÒu tÇng, ®inh ®Êt kiÓu thanh neo cã t¹o lùc neo b»ng dù øng lùc vµ
kh«ng dù øng lùc )
(C) §µo ph©n ®o¹n hè ®µo - ph¬ng ph¸p ®µo ph©n ®o¹n hè ®µo
(KÕt hîp
ph¬ng
thøc A.B)
§Çu tiªn ®ãng cäc b¶n - ®µo ë phÇn gi÷a - ®æ bª t«ng CTN ë gi÷a vµ c¸c kÕt
cÊu ngÇm - thanh chèng chÐo vµ chèng ngang - råi l¹i ®µo ®Êt xung quanh thi
c«ng tiÕp
(D) §µo b»ng ph¬ng ph¸p ngîc vµ b¸n ngîc (top-down) - Tríc tiªn lµm cäc nhåi bª
t«ng hoÆc têng råi lµm b¶n sµn bª t«ng tõ trªn xuèng, lîi dông nã lµm kÕt cÊu ch¾n gi÷
(E) §µo
cã gia cè
khèi ®Êt
thµnh hè
vµ ®¸y hè
§µo b¬m v÷a gi÷ thµnh, ®µo cã mµng ho¸ chÊt gi÷ thµnh, ®µo cã xi m¨ng ®Êt
líi thÐp gi÷ thµnh
§µo cã ®inh ®Êt gi÷ thµnh (bê thµnh ®Æt thÐp phun bª t«ng)
§µo phun neo bª t«ng gi÷ thµnh (hoÆc phun neo cã thanh neo gi÷ thµnh)
§µo víi cäc rÔ c©y d¹ng líi gi÷ thµnh
§µo gia cè b»ng b¬m v÷a dïng ¸p lùc ®Êt bÞ ®éng ë ®¸y hè (hoÆc kÕt hîp víi
cäc ch¾n ®Êt )
(F) §µo gi÷ thµnh b»ng biÖn ph¸p tæng hîp - hè mãng ®îc ®µo b»ng c¸ch cã mét phÇn ®Ó
m¸I dèc, cã mét phÇn gi÷ thµnh
Kết cấu tường chắn giữ thành hố đào sâu có thể phân loại theo đặc điểm
chịu lực như ở bảng 2.8 và theo chức năng kết cấu như ở bảng 2.9.
43
Bảng 2.8. Ph©n lo¹i theo ®Æc ®iÓm chÞu lùc cña kÕt cÊu chèng gi÷ thµnh hè
Cäc
B¶n
èng
Têng
Chèng
Cäc nhåi BTCT t¹o lç b»ng c«ng nh©n (cã thanh neo)
Cäc nhåi BTCT t¹o lç b»ng m¸y
Cäc BTCT ®óc s½n
Cäc trén s©u
Cäc phun quay
KÕt cÊu
chèng gi÷
chÞu lùc bÞ
®éng
B¶n thÐp h×nh ch÷ I/b¶n BTCT ch÷ nhËt, ch÷ C...
B¶n thÐp h×nh lßng m¸ng ...
Cäc èng thÐp (cã thanh neo)
Cäc BTCT èng thÐp (cã thanh neo)
Têng trong ®Êt b»ng BTCT (®æ t¹i chç/l¾p ghÐp)
Têng ch¾n kiÓu träng lùc ®Êt xi m¨ng
Chèng gi÷ b»ng thÐp
Chèng b»ng BTCT
Chèng b»ng gç
Chèng b»ng chÊt ®èng
bao c¸t
Chèng ®ì b»ng thÐp
m¸ng
Chèng ®ì b»ng thÐp I
Chèng b»ng èng thÐp
KÕt cÊu
chèng gi÷
chÞu lùc chñ
®éng
Phun neo ®Ó ch¾n gi÷ (bao gåm b¬m v÷a, kÐo neo)
Têng b»ng ®inh ®Êt ®Ó ch¾n gi÷ (bao gåm cµi thÐp gia cêng)
44
Bảng 2.9. Ph©n lo¹i theo chøc n¨ng têng ch¾n
KÕt
cÊu
ch¾n
gi÷
Bé phËn
ch¾n ®Êt
KÕt cÊu ch¾n
®Êt, thÊm níc
KÕt cÊu ch¾n
®Êt, ng¨n níc
1. Cäc thÐp ch÷ H ch÷ I cã b¶n cµi
2. Cäc nhåi ®Æt tha phñ lªn mÆt xi m¨ng líi thÐp
3. Cäc ®Æt dµy (cäc nhåi, cäc ®óc s½n)
4. Cäc hai hµng ch¾n ®Êt
5. Cäc nhåi kiÓu liªn vßm
6. Cäc têng hîp nhÊt, c¸ch lµm ngîc nhµ ngÇm
7. Ch½n gi÷ b»ng ®inh ®Êt
8. Ch¾n gi÷ b»ng cµi cèt gia cêng
1. Têng liªn tôc trong ®Êt
2. Cäc, têng trén xi m¨ng ®Êt díi tÇng s©u
3. Cäc trén xi m¨ng díi tÇng s©u, thªm cäc nhåi
4. Gi÷a cäc ®Æt dµy thªm cäc phun xi m¨ng cao ¸p
5. Gi÷a cäc ®Æt dµy thªm cäc b¬m v÷a ho¸ chÊt
6. Cäc b¶n thÐp
7. Têng vßm cuèn khÐp kÝn
Bé phËn ch¾n gi÷ kiÓu kÐo gi÷
1. KiÓu tù ®øng (cäc c«ng x«n, têng)
2. Neo kÐo (dÇm, cäc, neo kÐo)
3. Thanh neo vµo tÇng ®Êt
4. èng thÐp, thÐp h×nh chèng ®ì (chèng ngang)
5. Chèng chÐo
6. HÖ dÇm ®ai chèng ®ì
7. Thi c«ng theo c¸ch lµm ngîc (top - down)
Phạm vi sử dụng một số loại tường chắn thông thường được nêu ở bảng 2.10.
45
B¶ng 2.10. Ph¹m vi ¸p dông mét sè lo¹i têng ch¾n
H¹ng môc kh¶o s¸t
Têng cõ
§iÒu kiÖn ®Êt nÒn H¹n
chÕ ån
vµ chÊn
®éng
§é lón
®Êt
quanh
hè ®µo
Hè ®µo
s©u §Êt
yÕu
§Êt sÐt §Êt c¸t §Êt
ngËp
níc
Cäc b¶n thÐp nhÑ x 0 0 x x X
Cäc trô + b¶n ngang * * x
Cäc b¶n thÐp * * * * 0 0
Cäc b¶n * 0 0 0 0 *
Têng liªn tôc b»ng
cäc
0 0
(NB.1)
(NB.2)
0 0
Têng xi m¨ng ®Êt * 0 0 0 0 0 0
Têng liªn tôc + Trô * 0
(NB.1)
*
(NB.2)
0 0 0
Têng BTCT liªn tôc * 0
(NB.1)
*
(NB.2)
0 * *
Chó thÝch : *: ThÝch hîp ; 0 : trung b×nh; x : kh«ng thÝch hîp; : Ph¶i xem xÐt kü
NB.1- H háng têng trong qu¸ tr×nh ®µo; NB.2- ChÊt lîng bª t«ng khã kiÓm so¸t khi cã
dßng níc ngÇm ch¶y víi tèc ®é qu¸ 3m/phót Kết cấu chống giữ hố đào có thể căn cứ
vào các điều kiện như công trình xung quanh hố đào, chiều sâu đào, điều kiện địa
chất công trình và địa chất thuỷ văn, thiết bị thi công và thời điểm thi công, dựa
theo bảng 2.11 để lựa chọn dùng cọc cừ, tường trong đất, tường xi măng đất,
tường neo, mái dốc hoặc kết hợp các phương pháp trên.
Bảng 2.11 Một số điều kiện lựa chọn kết cấu chống giữ hố đào
Cấu tạo kết cấu Điều kiện thích hợp
Cọc hàng hoặc tường liên
tục
1. Thích hợp với hố đào có mức an toàn cấp I, II, III
2. Trong khu vực đất yếu kết cấu con- xôn không vượt quá 5m
3. Khi mực nước ngầm cao hơn đáy hố móng nên dùng hạ mực nước ngầm, cọc
hàng kết hợp vách ngăn nước hoặc tường liên tục.
Tường xi măng đất 1. Thích hợp với hố đào mức an toàn cấp II, III
2. Sức chịu tải của đất nền trong phạm vi thi công cọc xi măng đất không nên vượt
quá 150kPa
3. Chiều sâu của hố đào không nên vượt quá 6m
46
Tường đinh đất 1. Thích hợp với hố đào có mức an toàn cấp II, III nhưng đất nền không yếu.
2. Chiều sâu của hố đào không nên vượt quá 12m
3. Khi cao độ nước ngầm cao hơn cao độ đáy hố, nên dùng các phương pháp hạ
mực nước ngầm hoặc chắn nước
Tường vòm
1. Thích hợp với hố đào có mức an toàn cấp II, III
2. Không nên dùng cho đất bùn hoặc dạng bùn
3. Tỷ số giữa chiều cao và nhịp vòm không nên nhỏ hơn 1/8
3. Chiều sâu của hố đào không nên vượt quá 12m
4. Khi cao độ nước ngầm cao hơn cao độ đáy hố, nên dùng các phương pháp hạ
mực nước ngầm hoặc chắn nước
Mái dốc 1. Thích hợp với hố đào có mức an toàn cấp III
2. Hiện trường thi công nên đáp ứng các yêu cầu để tạo mái dốc
3. Có thể dùng độc lập hoặc kết hợp với các phương pháp trên
4. Khi cao độ nước ngầm cao hơn cao độ đáy hố, nên dùng các phương pháp hạ
mực nước ngầm
2.2.3. Tính toán ổn định hố đào
Trong thi công hố đào mở, người ta quan tâm đến hai trạng thái giới hạn:
trạng thái phá huỷ do cắt của đất, trạng thái chuyển vị của đất. Trạng thái phá
huỷ cần được kiểm tra trong quá trình thiết kế hố đào đó là: lật của cả hệ thống
(overturn), trượt ngang (sliding), mất khả năng chịu tải của móng, tường bị phá
hoại do mô men và lực cắt (bending or shear), mất ổn định của nền đất xung
quanh kết cấu (shope failure, overall stability, basal stability). Sự mất ổn định
của kết cấu có thể xảy ra trong thời gian ngắn hoặc thời gian dài. Chuyển vị của
nền đất trong nền và xung quanh hố đào sinh ra do việc thay đổi ứng suất trong
đất do việc đào đất gây ra. Bao gồm hai chuyển vị: ngang (cùng chuyển vị của
tường), đứng (chuyển vị của đất xung quanh tường cừ, chuyển vị của đáy hố
đào).
Rất nhiều trường hợp hệ thống tường cừ tồn tại cùng sự giảm của ứng suất
tổng, vì thế thường tường được tính toán với ứng suất có hiệu và các thông số
sức bền của đất cùng với sự thoát nước hoàn toàn (c’, ’). Tường chắn cũng
không bảo đảm an toàn khi bị chuyển vị nhiều. Để khống chế chuyển vị người ta
47
thường tính toán với hệ số an toàn cao (từ 1,5 đến 2,0). Trong thiết kế tường cừ
bao gồm việc lựa chọn kiểu tường cừ độ sâu ngàm của tường cừ, kích thước của
tường cừ, xác định hệ thống chống, neo, dự báo biến dạng của tường, kiểm tra ổn
định của hố đào. Trong đó các vấn đề cơ bản phải thực hiện tính toán là:
- Áp lực đất, thanh chống, tải trọng neo, mô men uốn của tường.
- Chuyển dịch của đất nền xung quanh hố đào.
- Ổn định của hệ tường cừ, thành và đáy hố đào
2.2.3.1 Áp lực đất
Thông thường có thể chia làm 3 loại: tải trọng thường xuyên, tải trọng
thay đổi và tải trọng đặc biệt. Tải trọng tác động lên kết cấu chắn giữ, chủ yếu
gồm có:
1. Áp lực đất và áp lực nước dưới đất
2. Tải trọng truyền từ móng qua môi trường đất của công trình xây dựng
trong phạm vi vùng ảnh hưởng (ở gần hố móng);
3. Tải trọng thi công: ô tô, cần cẩu, vật liệu xếp trên hiện trường, lực neo
giữ tường chắn v.v...
4. Nếu vật chắn giữ là một bộ phận của kết cấu chính thì phải kể lực động
đất;
Tùy theo kết cấu chắn giữ hố móng khác nhau cũng như điều kiện đất nền
mà các loại tải trọng sẽ xuất hiện ở các dạng khác nhau: tải trọng cục bộ ở gần hố
đào, tải trọng phân bố đều trên một diện hữu hạn, tải trọng hình băng.
a. Áp lực đất lên tường chắn
48
Hình 2.1. Tải trọng lên công trình ngầm: a) dài hạn b)
ngắn hạn
Khi tính toán lực tác dụng lên tường chắn người ta tạm chia ra loại tường
làm việc trong thời gian ngắn, từ khi thi công xong công trình ngầm thì tháo dỡ
hoặc không giữ vai trò gì đối với công trình vĩnh cửu và loại tường chắn phải
làm việc lâu hơn do thời gian thi công kéo dài (thường được xem là trên 1 năm)
hoặc nó sẽ là một bộ phận của công trình ngầm như tường ngầm của ga tàu điện
ngầm, tường của colectơ, tường ngoài của tầng ngầm nhà cao tầng v.v... (xem
hình 3.1)
Pradel (1914) đã phân làm 3 phương pháp xác định áp lực đất:
- Các phương pháp dựa vào lý thuyết dẻo (Rankine 1857, Brinch – Hansen
1953, Sokolovski 1960, Chen 1975…)
- Các phương pháp dựa vào điều kiện cực hạn của cung trượt (Coulomb
1773, Fanba 1957, Bang 1985…)
- Các phương pháp dựa vào mô hình nền xây dựng trên cơ sở quan hệ ứng
suất - biến dạng của nền đất, sau đó sử dụng kỹ thuật số như sai phân, phần tử
hữu hạn để giải.
49
Nhìn chung các phương pháp sử dụng để xác định áp lực đất đều phụ
thuộc nhiều yếu tố đó là: tính chất cơ lý của đất, thời gian thành tạo của đất, tải
trọng tác dụng tương tác giữa tường cừ và đất (phần tử tiếp xúc) và tính chất biến
dạng của đất - tường cừ.
Việc xác định áp lực đất cần phải làm rõ khi nào thì áp lực đất đạt trạng
thái chủ động (active). Theo Bjerrum 1972 đối với đất sét từ dẻo chảy đến dẻo
mềm khi chuyển dịch của tường đạt 0,1% 2% độ sâu hố đào thì áp lực đất đạt
trạng thái chủ động. Weissenbach 1985 nghiên cứu đất cát, khi tường có chuyển
vị 0,1% độ sâu hố đào thì áp lực đất đạt trạng thái chủ động. Das 1987 chỉ ra khi
chuyển vị của tường đạt 5% độ sâu hố đào thì áp lực đất đạt trạng thái bị động
(passive). Tuỳ vào hình thức chống, neo giữ, sự phân bố áp lực đất có các hình
thức khác nhau, điều này rất khó xác định trong quá trình tính toán.
b. Phản lực của thanh chống
Để xác định phản lực thanh chống cần đơn giản hoá sơ đồ phân phối áp
lực đất xung quanh tường chắn, bố trí các vị trí của thanh chống. Có thể sử dụng
các phương pháp đơn giản của Peck 1969, Terzaghi và Peck 1967, Mant 1978,
Fang 1991…Để xác định mô men uốn của tường cừ và thiết kế tường cừ có thể
căn cứ vào việc lấy tải trọng là giá trị lớn nhất do các thông số sức bền của đất
tính ra. Cũng có thể xác định thông qua việc xác định độ ngàm của tường trong
tính toán ổn định.
Hiện tại việc thiết kế tường chắn đều theo trạng thái giới hạn. Theo tiêu
chuẩn của Anh (BS 8002) thì tường ở trạng thái giới hạn sử dụng chỉ được
chuyển vị nhỏ hơn 0,5% của độ cao tường, khi dùng ứng suất tổng thì hệ số huy
động M không được nhỏ hơn 1,5, khi dùng ứng suất có hiệu thì hệ số M lấy bằng
1,2 và chuyển vị ngang của tường cho phép đến 0,5% độ cao tường.
c. Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố áp lực lên tường chắn
. Độ cứng của tường
Ảnh hưởng của chuyển vị tường chắn đối với áp lực đất. Có thể xuất
hiện mấy loại tình huống sau đây (hình 2.2):
- Khi đỉnh tường cố định, đầu dưới tường dịch chuyển ra phía ngoài, áp
lực đất có hình parabol (hình 2.2.a);
- Khi hai đầu trên và dưới tường cố định nhưng phần giữa tường vồng ra
phía ngoài, áp lực đất có hình yên ngựa (hình 2.2.b);
50
- Khi tường dịch chuyển song song ra phía ngoài, áp lực đất có hình
parabol (hình 2.2.c);
- Khi tường nghiêng ra phía ngoài, quay theo điểm giữa của đoạn dưới
tường sẽ gây ra áp lực đất chủ động bình thường (hình 2.2.d);
- Chỉ khi tường chắn hoàn toàn không dịch chuyển mới có thể sinh ra áp
lực tĩnh (hình 2.2.e).
d. Ảnh hưởng của kết cấu chắn giữ.
Petros Pxanthakos (Mỹ) nêu ra 4 loại kết cấu chắn giữ có quan hệ với áp
lực đất lên tường như:
- Không có thanh chống, chân tường ngàm cố định;
- Có một tầng thanh chống và chân tường ngàm cố định;
- Có một tầng thanh chống, chân tường xem là tự do;
- Có nhiều tầng thanh chống.
e. Ảnh hưởng của quá trình thi công đào + chống/neo.
Áp lực đất lên tường chắn của hố đào có quan hệ đến quá trình thi công
đào, chống hoặc neo tường cùng với tính chất của đất và loại hình kết cấu chắn
giữ. Khi tiếp tục tăng hoặc giảm lực ở thanh chống thì từ tầng thanh chống thứ 2
trở xuống sẽ phát sinh ra biến dạng tương ứng và sẽ dẫn đến sự thay đổi mới áp
lực đất.
f. Ảnh hưởng của thời gian.
Khi cần nghiên cứu những ảnh hưởng nói trên trong tính toán thường phải
thông qua mô hình tương ứng. Hiện nay có rất nhiều phương pháp tính khác
nhau (nhờ các phần mềm chuyên dụng) cho phép người thiết kế giải quyết những
vấn đề phức tạp gặp phải trong thực tế. Một trong các phần mềm tốt nhất về vấn
đề tính toán hố đào là phần mềm PLAXIS…
51
Hình 2.2. Ảnh hưởng của tường chắn
với áp lực đất
2.2.3.2 Tường chắn
1. Tính toán tường chắn như một cấu kiện chịu áp lực đất
Sự làm việc của tường chắn như một kết cấu chịu áp lực đất phụ thuộc
không những bản thân kết cấu tường mà còn phụ thuộc vào phương pháp thi
công hố đào, trình tự thực hiện thi công cũng như chất lượng công tác thi công.
Tính toán kết cấutường chắn nhằm đảm bảo yêu cầu cường độ và ổn định bản
thân tường dưới tác dụng của áp lực đất trước và sau tường. Sơ đồ làm việc của
tường được lựa chọn chủ yếu căn cứ vào theo biện pháp và trình tự thi công. Các
phương pháp tính sau đây có thể coi là tiêu biểu.
a. Phương pháp cân bằng tĩnh. Phương pháp cân bằng tĩnh áp dụng cho
phân tích tường chắn được coi là “ngàm” trong đất dựa vào các phương trình cân
bằng tĩnh học áp lực đất hai phía và cân bằng mô men tĩnh đối với đáy tường để
xác định chiều sâu tối thiếu đảm bảo ổn định tường. Hệ số áp lực chủ động và bị
động, giá trị áp lực đất tương ứng xác định theo công thức Rankine (1857) có
dạng:
2a a v ap K c K (2.1)
Và 2p p v pp K c K (2.2)
Trong đó Ka= hệ số áp lực đất chủ động.
2 0(45 )2
aK tg
(2.3)
Trong đó Kp= hệ số áp lực đất bị động.
2 0(45 )2
pK tg
(2.4)
Sơ đồ chuyển vị và biểu đồ áp lực đất lên tường có dạng như trên hình 3.3.
a và 3.3.b. Độ sâu ngàm cần thiết, t0, là nghiệm của phương trình bậc 4: 2
1 1 1 14 2
0 0 1 1 02 2
6 ( ) 468 (2 )
p a a p a aa ap a
e e E y e e EE Et t y e e t
(2.5)
Trong đó: t0, y – xem hình 3.3;
52
Ea = tổng áp lực đất chủ động xác định từ hiệu áp lực đất bị động và áp lực đất bị
động và áp lực đất chủ động trên toàn bộ chiều sâu tường;
2 0 2 0[tan (45 ) tan (45 )]2 2
n nn
(2.6)
n - Trọng lượng riêng của đất ở lớp thứ n.
n - Góc ma sát trong của đất ở lớp thứ n.
Mô men uốn trong tường cũng xác định được theo phương pháp kết cấu
thông thường.
Hình 2.3. Sơ đồ chuyển vị và áp lực đất lên tường trong phân tích cân bằng tĩnh.
a, b. theo sơ đồ của Rankine, c. theo đề nghị của Blum
b. Phương pháp Blum. Blum đề nghị thay áp lực đất bị động ở phần chân
tường phía ngoài bằng lực tập trung tác dụng ở chân tường như trên hình 3.3.c.
Việc xác định độ sâu ngàm cần thiết trở nên đơn giản hơn nhờ bậc của phương
trình xác định đã giảm xuống bậc 3 có dạng:
3
0 0
6 6 ( )
( ) ( )
a a
a p p a
E E l at t
K K K K
(2.7)
Trong đó: l = khoảng cách từ mặt đất đến điểm có áp lực zero,
(1 )a
P a
Kl h
K K
(2.8)
a = Khoảng cách từ mặt đất đến điểm đặ của Ea , (1 )a
P a
Ka h
K K
`c. Phương pháp đường đàn hồi. Phương pháp đường đàn hồi có thể áp
dụng cho tường ngàm tự do lẫn tường có chắn cho phép xác định cả chiều sâu
cắm tường vào đất dưới đáy hố đào lẫn mô men uốn lớn nhất trong tường. Thực
chất của phương pháp đàn hồi và sử dụng đồ họa xác định gần đúng gần độ sâu
53
ngàm cần thiết trên nguyên tắc đa giác lực tác dụng lên tường đóng kín. Việc
thực hiện được tiến hành theo các bước sau:
- Chọn độ sâu ngàm bất kỳ (cho bước thử ban đầu), t0
- Tính áp lực đất lên hai phía tường chia tường theo chiều cao làm nhiều đoạn,
thay áp lực đất trên từng đoạn bằng các lực tập trung tác dụng tại trọng tâm biểu
đồ áp lực đất vẽ đa giác lực và đa giác dây tương ứng theo tỷ lệ xích chọn thích
hợp. Đa giác lực sẽ khép kín thỏa mãn điều kiện cân bằng tĩnh học khi độ sâu
ngàm t0 đã chọn đúng. Trường hợp đa giác lực chưa khép chứng tỏ độ sâu t0
chọn ban đầu chưa thích hợp, cần thay đổi và vẽ lại từ bước 2.
- Xác định giá trị và điểm đặt của E’p trên đa giác lực đã khép kín cũng như độ
sâu ngàm cần thiết xác định mô men uốn lớn nhất và vị trí của nó theo sơ đồ trên
đa giác dây với tỷ lệ xích đã chọn.
d. Phương pháp Sachipana. Sachipana phân tích tường có nhiều tầng
chống thực hiện trong đất dính dựa vào các giả thiết sau:
- Thân tường là một kết cấu đàn hồi dài vô hạn
- Áp lực đất từ đáy hố đào trở lên phân bố theo luật tam giác, từ đáy hố trở
xuống phân bố đều.
- Áp lực đất bị động phía trước tường (dưới đáy hố đào) gồm hai vùng phân biệt:
vùng cân bằng giới hạn (đã biến dạng dẻo) và vùng đàn hồi.
- Vị trí chống không thay đổi, lực trong văng chống không thay đổi
Việc tính toán dựa vào hai phương trình cân bằng tĩnh học (cân bằng lực
theo phương ngang và cân bằng mô men lấy với chân tường) cho từng giai đoạn
đào và đặt văng chống cho đến khi hoàn thành đào hố.
e. Phương pháp biến dạng. Phương pháp này lần đầu tiên được áp dụng ở
Nhật bản với các giả thiết cơ bản tương tự phương pháp Sachipana với một thay
đổi về giả thiết áp lực đất phía bị động: giá trị áp lực đất phía bị động tỷ lệ thuận
với dịch chuyển của tường. Giải phương trình đường trục võng đàn hồi của
tường ứng với điều kiện biên xuất hiện tại từng giai đoạn thi công, nội lực thân
tường và lực nén trong văng chống được xác định được dùng làm căn cứ thiết
kế/kiểm tra kết cấu tường và văng chống.
f. Phương pháp lý luận cùng biến dạng. Tường trong trạng thái ban đầu
chịu áp lực tĩnh cân bằng từ hai phía. Trong quá trinh đào hố móng, tường bị
dịch chuyển làm thay đổi áp lực đất từ hai phía dần đạt tới giá trị áp lực đất chủ
54
động nhỏ nhất pa và áp lực đất bị động lớn nhất pp. Giá trị áp lực đất tại một vị trí
bất kỳ thay đổi cùng sự biến dạng của tường được xác định theo công thức:
0 , a pp p K p p p (2.9)
Trong đó, p0 = áp lực tĩnh lên tường, p0=K0z;
K0 = hệ số áp lực đất tĩnh.
Đối với đất rời, K0 có thể xác định theo góc ma sát trong hữu hiệu theo công
thức thực nghiệm của Jaky (1994):
K0= 1-sin’ (2.10)
hoặc theo công thức của Alpan (1967) đối với đất quá cố kết:
0, 0, .( )a
OC NCK K OCR (2.11)
trong đó, K0,NC = hệ số áp lực đất ở trạng thái cố kết bình thường; K0,NC = hệ số
áp lực đất tĩnh của đất quá cố kết; OCR = hệ số quá cố kết của đất;
P - áp lực đất thực tác dụng lên tường;
K - hệ số nền theo phương ngang;
- dịch chuyển ngang của tường.
g. Nhận xét chung. Việc tính toán tường chắn như một cấu kiện độc lập
chịu sự tác dụng của áp lực đất xuất hiện trong quá trình thi công hố đào mặc dù
có nhiều nghiên cứu cải tiến nhưng rõ ràng không phù hợp với sự làm việc thực
tế của công trình trong đó tường và đất xung quanh luôn luôn tồn tại sự tương
tác, phụ thuộc lẫn nhau. Hệ quả của việc đơn giản hóa mô hình phân tích là sự an
toàn của công trình trong quá trình thi công cũng như ảnh hưởng của việc thi
công hố đào đến các công trình lân cận không thể kiểm soát được hoặc phải rất
tốn kém. Các phương pháp tính thuộc loại này nói chung chỉ nên áp dụng cho
những trường hợp hố đào sâu mà ở đó ít có nguy cơ xảy ra tai biến công trình
hoặc việc phân tích phù hợp hơn trong đó có xét đến sự làm việc đồng thời của
tường với đất nền không đem lại lợi ích đáng quan tâm. Trong những trường hợp
khác, phân tích hố đào coi tường chắn như một cấu kiện độc lập chịu tác dụng
của áp lực đất chỉ nên được sử dụng trong phân tích sơ bộ để tìm lời giải xấp xỉ
ban đầu.
55
3.1.2.2. Tính toán tường chắn cùng làm việc đồng thời với đất
a. Phương pháp dầm trên nền đàn hồi. Áp lực đất lên tường thực tế phụ
thuộc vào mức độ dịch chuyển của tường. Khi đất chuyển từ trạng thái cân bằng
đàn hồi (tường không chuyển vị) sang trạng thái chủ động, hướng ứng suất chính
không thay đổi, giá trị của nó giảm xuống gây ra biến dạng ngang của đất nhỏ
hơn nhiều so với khi chuyển sang trạng thái bị động (hướng ứng suất chính xoay
một góc 900 trong đó ứng suất theo phương ngang tăng lên nhiều). Chuyển vị
của chân tường do đó chưa đạt đến trạng thái giới hạn bị động. Việc áp dụng lý
thuyết cân bằng giới hạn một mặt không đảm bảo ổn định của tường (vì áp lực
đất bị động ở chân tường chưa đạt tới giá trị tính toán), mặt khác kết cấu bản
thân tường lại quá lãng phí (vì được tính với giá trị áp lực lớn). Để giải quyết
mâu thuẫn này, mô hình dầm trên nền đàn hồi cục bộ được đề xuất áp dụng trong
đó thay nền đất tiếp xúc hai bên tường bằng các lò xo đàn hồi độc lập thoe mô
hình Winkler (1867). Tư tưởng của phân tích dầm trên nền đàn hồi chủ yếu như
sau:
Nền đất được mô phỏng bằng hệ lò xo có độ cứng
ks= p/
trong đó p - tải trọng gây ra chuyển vị ; ks - độ cứng của lò xo thay thế nền đất
còn được gọi là mô đun phản lực nền.
Đối với một đoạn tường có bề rộng đơn vị (thường là 1m) và chiều dài di
được thay thế bắng lò xo đàn hồi độ cứng Ksi xác định theo công thức:
0, 2
0(1 )
is i si i
d EK k d
0, 2
0(1 )
is i si i
d EK k d
(2.12)
Trong đó, ksi = mô đun phản lực nền tại độ sâu đang xét; E0 = mô đun biến
dạng của đất; v0 = hệ số biến dạng ngang của đất; = hệ số phụ thuộc tỉ lệ giữa
chiều dài di với bề rộng tường.
56
Hình 2.4. Sơ đồ dầm đàn hồi phân tích tường chắn
Sơ đồ thay thế áp lực đất từ hai phía và văng chống bằng các lò xo có độ
cứng tương ứng và dầm thay thế tường chắn được thể hiện trên hình 2.4. Trước
khi đào, áp lực hai phía cân bằng ở trạng thái tĩnh. Giả sử việc đào đảm bảo được
tường hoàn toàn không chuyển dịch, áp lực tĩnh lên tường có dạng như hình
2.4.c chứng tỏ sự mất cân bằng. Sự mất cân bằng áp lực như vậy suất hiện khi
đào làm cho tường bị biến dạng và làm thay đổi áp lực đất lên tường dần đến
trạng thái cân bằng mới như trên hình 2.4.c.
b. Phương pháp số gia. Phương pháp số gia được dùng để phân tích đơn
giản tường trong điều kiện thi công có nhiều tầng hoặc nhiều tầng neo có xét đến
sự làm việc đồng thời giữa tường, thanh chống/ neo và đất. Trong phương pháp
này phần đất chưa đào và hệ văng chống được thay thế bằng các lo xo tương ứng
có độ cứng đàn hồi K phụ thuộc độ cứng của đất, của hệ văng chống. Khi việc
đào đất được gia tăng theo độ sâu trong quá trình thi công, các lò xo thay thế đất
dần bị mất đi, nội lực tương ứng chuyển dần sang hệ văng chống và các lò xo đất
còn lại sẽ làm thay đổi chuyển vị của tường cũng như của đất cho đến khi quá
trình thi công kết thúc.
c. Phương pháp phần tử hữu hạn coi tường như hệ thanh chống. Trong
phương pháp này kết cấu chắn (tường, hệ văng/neo) được chia thành các phần tử
57
thanh dầm. Áp lực đất phía chủ động đóng vai trò tải trọng lên hệ với giá trị áp
lực đất chủ động phân bố tam giác cho phần trên đáy hố đào và phân bố đều cho
phần dưới; đất phía bị động thay thế bằng các gối tựa đàn hồi có độ cứng K xác
định theo (3.12). Ma trận độ cứng của phần tử thanh dầm xác định theo công
thức:
(2.13)
Trong đó, [K]c - ma trận độ cứng của phần tử; A - diện tích tiết diện ngang tường
với bề rộng đơn vị; I - mô men quán tính tương ứng; l - độ dài phần tử (di); E -
mô đun đàn hồi của vật liệu tường.
Ma trận độ cứng của hệ văng chống hoặc neo có dạng như sau khi coi
phân tử chỉ có một bậc tự do:
(2.14)
Trong đó, E - mô đun đàn hồi của vật liệu chống hoặc neo; A - diện tích tiết diện
phần tử; 1- chiều dài phần tử.
58
Hình 2.5 : Sơ đồ phân tích tử dầm: nội lực và chuyển vị nút
d. Phương pháp phần tử hữu hạn tổng thể hai chiều. Chia vùng ảnh hưởng
của việc đào hố bằng các lưới (tam giác hoặc hình chữ nhật) để tạo thành các
phần tử. Mỗi phân tử xác định bởi tọa độ các đỉnh gọi là các nút. Chuyển vị của
các nut trên phần tử, {q} liên hệ với chuyển vị tại một điểm bất kỳ bên trong
phẩn tử bởi phương trình:
{u} = [f] {q} (2.15)
Trong đó. {u} - vector chuyển vị tại một điểm bất kỳ trong vùng phân tích; [f] -
hàm hình dạng chuyển vị; {q} - ma trận chuyển vị nút.
Ma trận biến dạng tại một điểm xác định theo biểu thức:
{ }=[d]{ }=[d][f]{ }=[B]{ }u q q (2.16)
Trong đó, [d] - toán tử vi phân tuyến tính riêng phần; [B] - ma trận liên hệ giữa
biến dạng với chuyển vị nút.
Theo nguyên lý công khả dĩ, ma trận độ cứng của phần tử xác định theo
công thức:
e
v
[K ]= [B] [D][B]dVT
(2.17)
Trong đó [D] - ma trận quan hệ ứng suất – biến dạng của phần tử (đất nền, tường
chắn, văng chống...) xây dựng theo mô hình nền lựa chọn.
Tổ hợp các ma trận độ cứng của các phần tử trong hệ tọa độ tổng thể ta
thiết lập được ma trận độ cứng [K] của hệ do đó ma trận chuyển vị nút {q} là
nghiệm của phương trình:
[K] {q}= {P} (2.18)
Trong đó. {P} - ma trận các tải trọng ngoài xuất hiện do đào hố hoặc tải trọng
nút tương đương.
59
{} = [D] {} (2.19)
e. Nhận xét chung
1. Các phương pháp phân tích tường chắn như dầm trên nền đàn hồi cục
bộ dựa vào lời giải phương trình vi phân trục dầm thuận lợi cho trường hợp nền
đồng nhất hoặc có mô đun phản lực nền thay đổi tuyến tính, không có hệ thống
chống ngang. Lời giải có sẵn của bài toán cọc chịu tải trọng ngang có thể áp
dụng trực tiếp hoặc có số hóa. Trường hợp nền nhiều lớp, nhiều hệ văng chống
ngang, bài toán trở nên phức tạp hơn và chỉ có thể có được lời giải theo phương
pháp số, trình tự thực hiện và nội dung tương tự phương pháp lý luận cùng biến
dạng với khả năng mở rộng linh hoạt hơn nhờ quan hệ ứng suất – biến dạng
không bị ràng buộc. Trong số đó phương pháp số gia dựa vào quan hệ ứng suất –
biến dạng của nền theo mô hình đàn hồi tuyến tính thường kém chính xác, đặc
biệt là khi mô tả chuyển vị ngang của đất.
2. Phương pháp PTHH coi tường như hệ thanh trên nền đàn hồi về căn bản
tương tự như phương pháp dầm trên nền đàn hồi trong đó tường được phân thành
các phân tử có cùng độ cứng, có nút được lựa chọn sao cho chỉ tồn tại sự thay
đổi tải trọng, chuyển vị chỉ xảy ra tại nút do đó phần tử trở nên thuần nhất hơn.
Việc xuất hiện hệ thống văng chống ngang, neo ... cũng như trình tự và biện
pháp thi công có thể được xử lý một cách thuận lợi trong quá trình phân tích.
3. Tất cả các phương pháp phân tích nêu trên mặc dù đã ngày càng trở nên
“tiến bộ”, các yếu tố ảnh hưởng đến kết cấu tường chắn được xem xét nhưng vẫn
tồn tại nhược điểm chủ yếu là tách rời hoặc “liên kết” lỏng lẻo giữa tường và môi
trường đất xung quanh. Sự khiếm khuyết này làm hạn chế khả năng phân tích,
không cho phép mô tả đồng thời hiệu ứng quan trọng của quá trình là sự ổn định
chung của hệ thống, ổn định đáy hố đào cũng như chuyển dịch của đất xung
quanh hố. Các khiếm khuyết này có thể được khắc phục bằng phương pháp
PTHH đầy đủ mô tả toàn bộ hệ tường – đất nền bằng các phân tử có liên hệ trực
tiếp với nhau trong đó nền đất được mô tả thông qua các mô hình toán học thích
hợp với từng điều kiện địa chất công trình cụ thể.
2.1.3. Chuyển vị của đất xung quanh hố đào
Chuyển vị của nền đất trong nền và xung quanh hố đào sinh ra do việc
thay đổi ứng suất trong đất do việc đào đất gây ra. Chuyển vị nền bao gồm hai
60
chuyển vị: ngang (cùng chuyển vị của tường), đứng (chuyển vị của đất xung
quanh tường cừ, chuyển vị của đáy hố đào).
a. Chuyển vị ngang
Chuyển vị ngang phụ thuộc vào chuyển vị của tường (kiểu chuyển vị của
tường phụ thuộc vào hệ thống thanh chống, tính chất của nền và thực tế xây
dựng).
Độ cứng của hệ thanh chống phụ thuộc vào sức chống ngang của thanh
chống hoặc neo, sức chống uốn của tường cừ, hệ chống đứng của hệ tường và
neo. Mỗi một hệ thống chống tổ hợp của nhiều thành phần sẽ giải quyết định
kiểu biến dạng và chuyển vị của tường cừ.
Theo Burland và Hancook 1977 thì 75% 85%, tổng biến dạng ngang đạt
được trong quá trình sử dụng hệ thống thanh chống khi dùng giải pháp tường
trong đất. Theo Day (1994) 50% tổng biến dạng ngang đạt được trong quá trình
dùng cọc cừ, ván cừ và neo. Chuyển vị ngang sau khi lắp dựng hệ thống chống
thì phụ thuộc vào độ cứng của toàn hệ và tải trọng tác dụng vào nền. Trong quá
trình lắp dựng hệ thống chống theo từng giai đoạn đào thì chuyển vị của hệ thống
phụ thuộc vào độ cứng của nền. Theo Clough và O’ Rourke 1990, độ chuyển vị
ngang lớn nhất của tường trong đất sét cứng, cát có thể đạt 0,2% đến 0,5% độ
sâu hố đào.
b. Lún của nền đất xung quanh tường cừ
Xác định độ lún của nền đất xung quanh tường cừ rất quan trọng vì nó ảnh
hưởng đến sự an toàn các công trình lân cận. Độ lún của nền thường phát sinh
trong quá trình thi công.
- Độ lún của nền gây ra do chuyển vị ngang của tường trong quá trình đào.
Trong quá trình đào đất do việc tăng áp lực ngang của đất gây ra chuyển vị của
tường từ đó gây ra độ lún của nền xung quanh. Độ lớn của độ lún phụ thuộc vào
độ cứng và kiểu thanh chống, vị trí trí thanh chống và độ cứng của tường.
Clough và O’Rourke 1990 xác định độ chuyển vị ngang của tường gần
bằng 0,2% độ sâu đào thì độ lún của nền là 0,15% độ sâu đào. Trong trường hợp
tường trong đất hay tường bằng cọc nhồi thì độ lún lớn nhất bằng 75% độ
chuyển dịch ngang của tường. Duncan và Bentle 1998 chứng minh rằng tỷ lệ
giữa độ lún lớn nhất và chuyển vị ngang lớn nhất dao động từ 0.25 - 4 phụ thuộc
vào cấu tạo và quá trình xây dựng tường cừ và đào.
61
- Độ lún gây ra trong quá trình thi công tường: Độ lún có thể xuất hiện do
quá trình đóng cọc cừ, ép cọc cừ, rung – ép cọc cừ và quá trình khoan tường
trong đất. Fujta 1994 cho rằng 50% tổng độ lún gây ra trong quá trình đóng và
nhổ cọc cừ Larsen. Trong quá trình thi công tường trong đất, cọc nhồi, độ lún có
thể gây ra do quá trình khoan, sự chống đỡ không tốt của bentonite gây ra sập
thành hố khoan làm giảm ứng suất ngang của đất (Gumn và Clayton 1992) .
Trong quá trình dao động, múc đất cùng gây ra lún nền. Burland và Hancook
1977 cho rằng chuyển vị ngang và đứng trong quá trình thi công tường trong đất,
khoan cọc nhồi chiếm xấp xỉ 50% tổng chuyển vị trong đất sét London. Lehar
1993 thấy rằng 60% tổng độ lún gây ra trong quá trình thi công tường trong đất ở
đất sét yếu. Clough và O’Rourke 1990 thấy rằng trong quá trình thi công tường
trong đất gây ra độ lún từ 5 – 15mm. Wong 1998 thấy rằng độ lún 23.5mm và
chuyển vị ngang 45mm của nền gây ra trong quá trình thi công một giếng sâu
55.5m trong đất yếu.
- Độ lún gây ra trong quá trình thi công neo. Trong quá trình thi công neo
cũng gây ra độ lún. Độ lún này phụ thuộc vào phương pháp khoan, vật liệu
chống đỡ tạm thời, cấu tạo neo. Theo Kemplert và Gebreselassie (1999) thì 70%
tổng độ lún sinh ra trong quá trình xây dựng neo trong đất sét yếu.
- Độ lún gây ra do hạ mực nước ngầm: Schweiger và Bremann (1994) thấy
rằng 75% độ lún của nền xảy ra do hạ mực nước ngầm trong quá trình thi công
công trình, dùng tường trong đất ở đất sét yếu.
Như vậy độ lún của nền xung quanh hố đào gây ra bởi nhiều nguyên nhân.
Dự báo độ lún này cần sử dụng phương pháp số cùng mô hình nền (FEM). Tuy
nhiên việc xác định sự ảnh hưởng do dao động, do hệ thống chống không phù
hợp, các tải trọng do giao thông v.v... cạnh hố đào rất khó xác định.
Cũng có thể sử dụng các phương pháp thực nghiệm để xác định độ lún
(Peck 1969). Có một số tác giả thấy rằng độ lún lớn nhất nhỏ hơn 1% độ sâu hố
đào đối với cát, sét mềm đến cứng, lớn hơn 2% độ sâu hố đào đối với sét dẻo
chảy đến dẻo mềm. Clough và O’Rourke 1990 chứng minh tỷ lệ độ lún và độ sâu
hố đào là 0.15% - 0,2% với đất sét mềm đến nửa cứng, trong khi đó Dusan và
Bentler 1998 thấy rằng tỷ lệ này dao động 0.4% - 1.3%.
Dự báo độ lún đất nền sau tường là rất quan trọng vì nó có ảnh hưởng trực
tiếp đến an toàn của công trình lân cận. Độ lún đất nền sau tường được tạo ra do:
62
tường bị chuyển vị trong quá trình đào, thi công lắp đặt tường chắn, lắp đặt neo
tường và hạ mực nước dưới đất. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với phần
mềm Plaxis, đầu vào là những thông số đất nền và mô hình hoá chi tiết kỹ thuật
thi công cùng sự phù hợp có thể dự báo hợp lý chuyển vị đất nền.
Có thể tham khảo kết quả phân tích số liệu chuyển vị ngang của tường
chắn và lún bề mặt đất do thi công hố đào sâu trong đất yếu (Cu 75 – 100
kN/m2) cho 530 trường hợp sử dụng trên thế giới theo phương pháp kinh nghiệm
được tổng kết như sau:
+ Chuyển vị ngang lớn nhất của tường uhmax
thường nằm trong khoảng
0,5% H – 1,0 % H (H là chiều sâu đào), trung bình là 0,87H . Chuyển vị ngang
lớn nhất của tường thường được đo ở độ sâu z = 0,5 H – 1,0 H dưới mặt đất.
+ Độ lún lớn nhất ở mặt đất sau tường chắn uvmax
thường nằm trong
khoảng 0,1 % H – 10 % H, trung bình là 1,1 % H. Độ lún lớn nhất thường xảy ra
ở khoảng cách x 0,5 H sau tường chắn, nhưng có trường hợp trong đất yếu
khoảng cách x đến 2,0 H. Tỷ số uvmax
/ uhmax
thay đổi trong khoảng 0,5 – 1,0.
+ Điều kiện đất nền và độ sâu đào là những thông số ảnh hưởng quan trọng nhất.
+ Chưa chứng minh được ảnh hưởng của các kiểu hệ chống đỡ (neo, vỉ
chống, phương pháp top- down) đến chuyển vị của đất nền, tuy nhiên như trông
đợi, hệ top – dow có xu thế cho thấy chuyển vị nhỏ nhất.
+ Tường chắn và chuyển vị đất nền dường như không phụ thuộc nhiều vào
độ cứng của tường, từ đó cho thấy nếu tường đủ cứng, chuyển dịch của đất nền
bị chi phối bởi các yếu tố liên quan khác và nếu gia tăng thêm độ cứng của
tường, kết quả là không phải làm giảm thêm chuyển dịch của tường.
c) Đẩy trồi đáy hố đào: Sự đẩy trồi đáy các hố đào là hiện tượng đáy hố
đào bị nâng lên cao hơn cao độ đã đào sau khi hố đào đã hoàn tất đạt đến độ sâu
thiết kế. Đây là hiện tượng luôn xảy ra khi thi công đào các hố đào, đặc biệt là
các hố đào sâu và trực tiếp làm tăng độ lún của công trình xây dựng. Theo kết
quả quan trắc tại một số công trình, đáy hố đào có thể trồi lên đến hàng chục cm.
Ví dụ kết quả quan trắc thực hiện tại thủ đô Mexico, trong đó độ trồi đàn hồi E
của một hố đào sâu 4,75 m đạt tới 20 cm. Biến dạng của đáy hố đào có thể phát
sinh do nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó các nguyên nhân chủ yếu là sự
thay đổi của trạng thái ứng suất - biến dạng trong đất và sự thay đổi của độ ẩm
của đất.
63
Quá trình thi công hố đào dẫn đến thay đổi trạng thái ứng suất và biến
dạng trong đất nền, trong đó mức độ thay đổi phụ thuộc vào khối lượng đất được
đào đi và kích thước của hố móng. Việc xây dựng công trình bắt đầu bằng quá
trình dỡ tải và sau đó gia tải trở lại khi xây dựng công trình. Độ trồi phát sinh do
dỡ tải khi đào đất phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi của đấtE
. Một thành phần
khác của độ trồi là do biến dạng dẻo P
của đất nền phát sinh khi xảy ra hiện
tượng trượt của đất nền quanh hố đào. Khi mặt trượt xuất hiện, đất nền xung
quanh có xu hướng chuyển dịch vào bên trong hố làm trồi đáy hố. Thành phần
chuyển vị này có thể được loại trừ nếu áp dụng biện pháp chống đỡ thành hố đào
thích hợp hoặc khống chế độ sâu đào nhỏ hơn độ sâu giới hạn. Bên cạnh độ trồi
do thay đổi của trạng thái ứng suất - biến dạng, nếu việc thi công kéo dài và hố
đào ngập nứơc thì đất ở bề mặt đáy hố đào bị thay đổi độ ẩm. Khi các hạt sét
trong đất hấp thụ nứơc thì thể tích đất tăng lên gây ra độ trồi do trương nở S
.
Độ trồi S
có thể được loại trừ bằng cách thi công nhanh và tránh không để đọng
nước ở đáy hố móng. Trong một số trường hợp độ trồi cũng có thể phát sinh
trong quá trình thi công cọc. Nếu việc đóng hay ép cọc được thực hiện sau khi
đào hố móng thì độ trồi của đất D
do thi công cọc cũng có ảnh hưởng đáng kể
đối với sự làm việc của cọc cũng như độ lún của công trình. Vì độ trồi của đáy
hố đào có quan hệ trực tiếp đến độ lún của công trình, việc dự báo độ trồi là một
bước quan trọng cần phải thực hiện khi thiết kế móng nổi.
3.1.4. Một số vấn đề ổn định của hố đào
Khi đào hố với lượng đất lấy đi khá lớn nên đã làm biến đổi trường ứng
suất và trường biến dạng của đất quanh hố đào, có thể dẫn đến mất ổn định nền
đất nói chung và mất ổn định cả nền và kết cấu chắn giữ hố đào. Do đó trong
thiết kế chống giữ hố đào (gồm tường xi măng đất, cọc bản, cọc nhồi hay tường
trong đất ...) đều cần kiểm tra ổn định hố đào, khi cần phải thêm các biện pháp
gia cường để nền đất quanh hố đào được ổn định hơn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị và biến dạng gồm có:
- Sức chống cắt không thoát của đất, Cu;
- Độ sâu của hố đào, H;
- Bề rộng của hố đào, B;
- Độ sâu của lớp đất cứng, T;
64
- Độ sâu của tường trong đất, D;
- Độ cứng của tường, EI;
- Khoảng cách giữa các tầng thanh chống/neo;
- Sự thành thạo trong thi công.
3.1.4.1. Kiểm tra tính ổn định tổng thể
Khi đáy hố có tầng đất mềm yếu, thường dùng phương pháp trượt cung
tròn để kiểm tra tính ổn định tổng thể của tường chắn, như trình bày trên hình 3.6
Hình 2.6. Sơ đồ kiểm tra tính ổn định
tổng thể của tường và nền
Hình 2.7. Sơ đồ kiểm tra đùn cát vào
hố đào do dòng thấm của lớp cát
Thường thì cung trượt nguy hiểm nhất là ở dưới đáy tường 0,5 – 1m. Khi
lớp đất dưới đáy tường là đất rất kém, phải tăng thêm độ sâu tính toán, cho đến
khi trị K tăng lên mới thôi.
3.1.4.2. Kiểm tra ổn định thấm của đáy hố đào
a. Dòng thấm không có áp. Khi đào hố trong lớp đất bão hòa nước phải
quan tâm đến áp lực nước, bảo đảm ổn định của hố, kiểm tra xem trong tình hình
chảy thấm thì có thể xuất hiện cát chảy hay không. Khi nước ngầm chảy từ bên
dưới mặt đáy hố lên phía trên thì các hạt đất trong nền sẽ chịu lực đẩy nổi của
nước thẩm thấu, khi áp lực nước thẩm thấu quá lớn, các hạt đất sẽ ở vào trạng
thái huyền phù, tạo ra hiện tượng cát chảy.
Như thể hiện trong hình 2.7 toàn bộ lực thẩm thấu J tác dụng trong phạm
vi phun trào B là:
65
J = γwhB (2.20)
trong đó:
h- tổn thất cột nước trong phạm vi B từ chân tường đến mặt đáy hố đào,
thường có thể lấy h ≈ hw/2;
γw – trọng lượng riêng của nước;
B – phạm vi xảy ra cát chảy, thường lấy B = D/2.
Trọng lượng trong nuớc của khối đất W chống lại áp lực thẩm thấu là:
W = γ’DB
Trong đó:
γ’ – trọng lượng đẩy nổi của đất;
D - độ cắm sâu vào đất của tường.
Nếu thỏa mãn điều kiện W > J thì sẽ không xảy ra cát chảy, tức phải thỏa
mãn điều kiện:
Ks = '
w
D
h
=
2 '
w w
D
h
(2.21)
Trong đó: Ks – hệ số an toàn chống phun trào, thường lấy Ks ≥ 1,5.
b. Dòng thấm có áp. Trong lớp đất sét không thấm nước, có một tầng chứa
nước, hoặc trong tầng chứa nước tuy không phải là nước có áp, nhưng do đào đất
mà hình thành chênh lệch giữa cột nước bên trong và bên ngoài hố đào, làm cho
áp lực trong tầng chứa nước ở bên trong hố móng lớn hơn áp lực nước tĩnh. Có
thể kiểm tra ổn định chống nước có áp của đất ở đáy hố móng theo công thức sau
đây:
Ky = cz
wy
P
P (2.22)
Trong đó: Pcz - áp lực do trọng lượng bản thân của lớp đất phủ kể từ mặt
hố đào đến mái của tầng nước có áp;
Pwy - áp lực cột nước của tầng nước có áp;
Ky – hệ số an toàn ổn định chống cột nước có áp, lấy bằng 1,05.
Nếu không thỏa mãn yêu cầu chống bùng đáy hố đào do độ sâu của tường
chắn không đủ, và lý do kinh tế – kỹ thuật không thể tăng độ sâu của tường,
người ta dùng các biện pháp khác để giữ ổn định đáy hố như: Hạ mực nước
ngầm, gia cường đáy hố bằng cọc trộn xi măng đất, hay cọc bơm ép vữa hoặc
làm màng chống thấm sâu hơn quanh tường chắn v.v...
66
3.1.4.3. Kiểm tra đẩy trồi nền
Hiện có nhiều phương pháp kiểm tra ổn định trồi đáy hố đào khi chúng
được dựa trên những mô hình và giả thiết khác nhau. Dưới đây là một số phương
pháp thường dùng nhất.
1. Phương pháp Terzaghi cải tiến khi hố móng rộng và dài (hình 3.8) được
chống giữ bằng tường trong đất.
Hình 2.8. Phương pháp Terzaghi cải
tiến kiểm tra chống trồi đáy hố B1 =
0,7B; Bs ≤ B1, lớp đất cứng nằm không
sâu dưới chân tường
Hình 2.9. Sơ đồ kiểm tra sự trồi đáy hố
đào theo Eide
- Khi không kể đến độ sâu D của tường và không có tải trọng phân bố ở
mép hố đào:
K = 2 1 1
1
5,7 u uc B c H
HB
(2.23)
- Khi kể đến độ sâu của tường D và có tải qs ở mép hố đào với Bs ≤B1 =
B 2 hoặc B1 = T(T – bề dày lớp đất sét cứng dưới đáy hố), chọn trị nhỏ hơn
trong B/ 2 và T. Ta có:
K1 = 2 1
1 1 3
5,7
(1 )
u
u u s s
c B
HB c H c D q B (3.24)
K2 = 2 1 1 3
1
5,7 (1 )u u u
s s
c B c H c D
HB q B
(2.25)
Với K ≥ 1,5.
Các ký hiệu trong công thức trên xem hình 2.8.
Từ các công thức (2.23) – (2.25) ta thấy:
67
- Theo (2.23): Không kể đến ảnh hưởng độ sâu của tường, hình dạng hố
đào và độ cứng của tường;
- Theo (2.24) và (2.25): cũng mới kể được ảnh hưởng của độ sâu hố đào
D.
2. Phương pháp Eide cải tiến
Khi hố đào hẹp với bất kỳ loại tường cừ nào (hình 3.9) để kiểm tra ổn định
trồi đáy hố đào, Eide đưa ra công thức sau:
Fs = 2 (1 / ) /ub c AC N C D B L B
H q
(2.26)
Trong đó:
- Các ký hiệu xem ở hình 2.9;
Nc - hệ số, lấy như sau:
+ Khi (H + D)/B < 2,5: Nc ≈ 5 (1 + 0,2B/L) [ 1 + 0,2 (H + D)/B];
+ Khi (H + D)/B ≥ 2,5: Nc ≈ 7,5 (1+0,2B/L)
- β – hệ số phục thuộc vào tỷ số T/B, lấy theo bảng 2.12.
Bảng 1.12. Trị hệ số β
T/B 0,15 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 ≥ 0,7
β 1,60 1,34 1,16 1,08 1,04 1,02 1,0
2.3 Ổn đinh của công trình ngầm đào bằng phương pháp đào kín
2.3.1 Áp lực đất đá
Áp lực của khối đá quanh công trình lên vỏ chống được gọi là áp lực đá
hoặc áp lực địa tầng. áp lực đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất của đá,
trường ứng suất ban đầu, các điều kiện địa chất - kỹ thuật và công nghệ chống
đỡ. Trong các công trình ngầm, áp lực đá có thể xuất hiện theo nhiều hướng khác
nhau tùy theo từng điều kiện cụ thể. Các phương pháp tính áp lực đá có thể được
chia thành 2 nhóm chính: nhóm các phương pháp tính theo tải trọng cho trước và
nhóm các phương pháp tính theo ứng suất biến dạng của hệ đá-hệ chống đỡ. Các
phương pháp thuộc nhóm thứ nhất giả thiết rằng áp lực đá lên hệ chống đỡ là
một ngoại lực được gây nên bởi trọng lượng của khối đá hoặc một phần khối đá
ở phía trên công trình. Trị số của nó là một hàm số của tính chất cơ lý của đá,
kích thước hầm, chiều sâu bố trí hầm. Các phương pháp thuộc nhóm thứ hai tính
68
áp lực đá dựa trên mối quan hệ tương hỗ giữa đá và hệ chống đỡ. Có rất nhiều
phương pháp xác định áp lực đất đá, sau đây là một số phương pháp phổ biến.
2.3.1.1 Phương pháp Terzaghi.
Khi đào đường hầm, trên nóc hầm xuất hiện vòm cân bằng, trọng lượng
của đất đá trong vòm đó gây ra áp lực đất đá. Terzaghi xác định kích thước của
vòm đó dựa vào chiều rộng và chiều cao của hầm (1946), Deere và Rose đã cải
biên như bảng 13.
Hình 2.10. Khái niêm về áp lực đá của Terzaghi
Bảng 2.13. Phân loại áp lực đá mới theo Terzaghi
Cấp đất đá RQD Chiều cao vùng suy
yếu Phản ứng của đất đá
1 - Đá cứng cấu tạo khối 95 - 100 0,0 Có thể có nổ đá, sập lở nhỏ, không có áp lực bên
sườn hầm. Cần vỏ hầm nhẹ chỉ khi xảy ra nứt vỡ hoặc nổ đá
2- Đá cứng phân lớp ngang 90 – 99 0 - 0,5b Sập lở nóc, không có áp lực bên sườn hầm. Cần
kết cấu chống đỡ nhẹ, chủ yếu để chống nứt vỡ.
Tải trọng có thể thay đổi đột ngột từ điểm này
sang điểm khác
3- Đá khối, phân lớp đứng 85 - 95 0 - 0,25b
4 - Đá cứng, tương đối
phân khối, phân lớp
75 - 85 0,25b - 0,2(b+h) Không có áp lực bên
5 - Đá phân khối, phân lớp
mạnh
30 - 75 (0,2 - 0,6)(b+h) Nóc không ổn định, áp lực bên sườn hầm từ nhỏ đến trung bình
6- Đá hoàn toàn vỡ vụn nhưng nguyên vẹn về thành
phần khoáng hóa
6b – Cát, sỏi
3 – 30
0 - 3
(0,6 – 1,1)(b+h)
(1,1 - 1,4)(b+h)
Áp lực bên đáng kể. ảnh hưởng làm mềm của độ
thấm nước vào đáy hầm đòi hỏi phải có kết cấu
chống đỡ liên tục cho phần dưới vì thép hoặc vì
tròn
69
7- Đá co ép nằm tương đối sâu
KAD (1,1 – 2,1)(b+h) Áp lực bên lớn. Cần có các thanh giằng vòm ngược. Đề xuất sử dụng vì tròn.
8 - Đất dính ở độ sâu lớn KAD
2,1 - 4,5(b+h) Không ổn định, áp lực bên sườn lớn. Cần có các
thanh giằng vòm ngược. Đề xuất sử dụng vì tròn.
9 – Đất đá trương nở
KAD Tới 75m không phụ
thuộc vào (b+h)
Không ổn định, áp lực bên sườn lớn. Cần vì tròn,
trong trường hợp đặc biệt sử dụng chống đỡ chống
cong oằn.
Ghi chú: Bảng phân loại này đã được cải biên bởi Deere et al (1970) và Rose (1982)
Chiều cao Hp, b, h được tính bằng feet và chiều sâu lớn hơn 1,5(b+h)
Áp lực đá lên vòm hầm được xác định theo công thức sau:
tg
B
Hexp)tg(
B
CB,pn 21
250 1 (2.27)
trong đó: H- độ sâu đặt công trình; - hệ số áp lực hông; B = b+2htg(45o-(/2);
- trọng lượng thể tích của đá.
Theo Terzaghi áp lực đá lên vỏ chống chỉ được hình thành trong điều kiện:
C
B2
2.3.1.2 Phương pháp Protodjakonov.
Protodjakonov tính toán cho môi trường rời, có ma sát trong nhưng không có lực
liên kết. Giả sử tại chiều sâu H có một hầm hình chữ nhật chiều rộng bằng b,
chiều cao là h. Trên đỉnh hầm, theo giả thuyết, sẽ hình thành một vòm cân bằng
tự nhiên AOC có chiều cao hH (hình 2.11). Theo Protodjakonov, chiều cao vòm
cân bằng được xác định bởi công thức:
Hình 2.11. Sơ đồ tính toán áp lực đất đá lên nóc hầm theo Protodjakonov
70
f
hctgb
f
bh
o
H
2
452
2
(2.28)
- góc nội ma sát của đất đá,
f = n/100 – hệ số kiên cố/bền vững của đất đá,
n – độ bền nén một trục của đất đá, tính bằng kg/cm2.
Áp lực đá lên nóc hầm được xác định theo công thức:
245
23
2
3
on hctg
b
ff
Bp (2.29)
2.3.1.3 Áp lực đá trong thành giếng
Theo phương nằm ngang áp lực đá được xác định theo một số phương pháp sau:
1. Phương pháp Protodjakonov (hình 2.12a) :
2452 *
Htgp o (2.30)
trong đó: * = arctgf - góc nội ma sát biểu kiến; f- hệ số bền vững; H- chiều sâu
của điểm đang xét.
Trong môi trường rời công thức này có dạng sau:
p =(H (2.31)
trong đó:
245
1
11 2 otgsin
sin
2. Phương pháp Berezantshev (hình 2.12b):
71
Hình 2.12. Sơ đồ tính toán áp lực đất đá lên thành giếng đứng.
a) theo Protodjakonov, b) theo Berazantshev, c) theo Bulyshev
Cctgr
r
r
rq
r
rrp
c
o
c
o
c
oo 11
1
1
(2.32)
trong đó:
245
245
2452 2 oo
oco tg;Htgrr;tgtg
Khi không có tải trọng q và C=0, áp lực đá được xác định theo công thức:
1
11 c
oo
r
rrp (2.33)
Khi H lớn vô cùng, áp lực đá không phụ thuộc vào độ sâu, nó được tính
theo công thức sau:
1
orp (2.34)
22
1
2 cosB
Btgrp o (2.35)
trong đó: ;cosr
H)(sinsinB;costg
r
Hcosarctg
oo
sh
2
1 42221
);(coscossinr
HB
o
sh 22222 Hsh- toàn bộ độ sâu của giếng.
72
2.3.1.4.Phân tích áp lực đất đá theo quan hệ tương tác đá – hệ chống đỡ
Áp lực đá cũng như mối quan hệ tương tác giữa đá và hệ chống đỡ có ý
nghĩa quyết định đến việc lựa chọn độ cứng của hệ chống đỡ và thời gian thích
hợp để lắp đặt chúng. Mối quan hệ này được thể hiện ở hình 2.13. Trên hình
2.13 đường ABF thể hiện biến dạng của nóc hầm, đường ACF thể hiện biến dạng
của sườn hầm, đường DEF là đường đặc trưng cho hệ chống đỡ. Trạng thái ứng
suất biến và các vùng biến dạng xung quanh hầm được thể hiện ở hình 2.14.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khi đánh giá hệ chống đỡ, cần quan tâm
thích đáng đến những vấn đề sau:
- Thời điểm lắp đặt hệ chống đỡ kể từ khi mở công trình và khoảng cách
từ điểm đang xét tới gương hầm;
- Sự ảnh hưởng của phương pháp khai đào (như nổ mìn khối, nổ tạo rãnh
cắt trước,...) đến độ cứng, độ bền của khối đá;
- Ảnh hưởng của kết cấu, thể loại hệ chống đỡ (như kích thước các phần
tử, khẩu độ giữa các khung, bề dày của các khung, điều kiện chân khung ...) đến
độ cứng và độ bền của hệ chống đỡ.
Hình 2.13. Phân tích áp lực đất đá theo mối tương tác giữa đất đá và vỏ chống
73
Hình 2.14. Phân bố ứng suất và các vùng biến dạng quanh hầm
Trên hình 2.14, trong vùng đàn hồi trạng thái ứng suất - biến dạng của đất
đá quanh đường hầm được xác định bởi công thức sau:
02
20
02
20
02
20
02
20
1
1
Pr
R
r
R
Pr
R
r
R
r
rr
(2.35)
Ưùng suất lên vách hầm là:
00
0
2 r
rr
P
(2.36)
Dịchchuyển đàn hồi xung quanh hầm là:
0
2
0
0
2
0211
rr
RP
r
Rr
EU
(2.37)
Dịch chuyển vách hầm là:
121121 00
0000E
PRRP
EU rR (2.38)
Bán kính đường tiếp giáp giữa trạng thái dẻo và trạng thái đàn hồi R’
được tính như sau:
1
1
0
0
01
1
1
2'
p
upr
up
p q
qPRR
(2.39)
Ứng suất ở vùng dẻo là:
74
11
11
0
1
0
1
p
u
p
urpp
p
u
p
urrp
R
r
R
r
p
p
(2.40)
Ứng suất tại ranh giới tiếp giáp giữa vùng đàn hồi và vùng dẻo là:
1
2
1
2
0
'
0
'
p
u
R
p
urR
qP
qP
p
(2.4.1)
Độ dịch chuyển tại ranh giới tiếp giáp giữa vùng đàn hồi và vùng dẻo là:
'0' 12'1
rRR PRE
U
(2.4.2)
Độ dịch chuyển tại vách hầm:
121
1
21
1
111
1
11
00
0
0
00
E
PR
qR
q
EC
RU
p
p
u
r
p
p
u
stR
(2.43)
1
21
1
111
''
1
1' 0
1
0
12
'
p
p
u
r
p
p
u
RstqR
RR
q
EURC
p
(2.44)
trong đó 1
pl
rpl
2.3.2 Hệ chống đỡ
2.3.2.1 Khái quát
Hệ thống chống đỡ đường hầm được thiết kế để giữ ổn định ngay sau khi
khai đào xong do tạo ra một kết cấu vững chắc kết hợp với đất đá xung quanh.
Nơi nào sự dịch chuyển của đất đá có thể gây ra tác động đến đất mặt hoặc các
kết cấu xung quanh thì phải áp dụng hệ thống chống đỡ đường hầm phù hợp
không có bất kỳ tác động bất lợi nào đến đất mặt hoặc các kết cấu xung quanh.
75
Hệ thống chống đỡ đường hầm được thiết kế để bảo đảm thực hiện an toàn và có
hiệu quả tất cả các hoạt động trong đường hầm.
Để thiết kế hệ thống chống đỡ hiệu dụng cần phải đánh giá tất cả các điều
kiện đất đá như địa lý, địa chất, các đặc điểm vật lý, chiều sâu tầng đất đá phủ,
khả năng có dòng nước chảy vào, các mặt cắt khai đào đường hầm, hạn chế về
độ lún bề mặt, phương pháp đào đường hầm, v..v..Vì vậy, các hệ phân loại đất đá
theo các chỉ số địa chất phù hợp là những yếu tố quan trọng để thiết kế hệ thống
chống đỡ đường hầm. Trước khi khai đào đường hầm, cần phải xác định các mô
hình hệ thống chống đỡ đường hầm là những cách phối hợp của bê tông phun,
neo đá hoặc hệ thống chống đỡ bằng thép đối với mỗi hệ phân loại đất đá. Dùng
những mô hình hệ thống chống đỡ đường hầm như trên làm thiết kế sơ bộ của hệ
thống chống đỡ đường hầm.
Trong quá trình đào đường hầm sẽ tiến hành thẩm định thiết kế sơ bộ này
thông qua quan trắc và theo dõi, nếu cần thì thay đổi, và sẽ được một thiết kế phù
hợp của hệ thống chống đỡ đường hầm đối với điều kiện đất đá.
Bảng 2.14 giới thiệu những hạng mục để chọn các thành phần của hệ
thống chống đỡ. Thường thiết kế hệ thống chống đỡ theo cách sau:
1) Áp dụng thiết kế tiêu chuẩn,
2) Áp dụng thiết kế theo các điều kiện đất đá tương tự,
3) Áp dụng phương pháp giải tích.
1. Áp dụng thiết kế tiêu chuẩn
Cần phải có kỹ năng và kinh nghiệm cùng với số liệu xây dựng đường
hầm để xác định các mô hình của hệ thống chống đỡ đường hầm. Sẽ là thuận lợi
và thiết thực để quyết định những mô hình của hệ thống chống đỡ đường hầm
dựa trên các mô hình tiêu chuẩn của hệ thống chống đỡ được xác định bằng các
số liệu của đường hầm đã xây dựng.
2. Áp dụng thiết kế theo các điều kiện đất đá tương tự
Khi các điều kiện thiết kế như điều kiện đất đá hoặc mặt cắt đường hầm tương tự
nhau thì có thể thiết kế hệ thống chống đỡ đường hầm theo ví dụ tương tự đó.
Trường hợp này yêu cầu những nội dung sau:
i) thu thập mọi thông tin về đường hầm đã xây dựng như điều kiện địa
chất, phương pháp đào đường hầm trong thời gian xây dựng, và đo đạc
và quan trắc theo dõi, v..v..
76
ii) phân tích và đánh giá những thông tin trên đây, đối chiếu với tất cả kết
quả khảo sát.
iii) thêm những phân tích mới vào các mô hình của hệ thống chống đỡ của
ví dụ đã dùng, xác định các mô hình phù hợp của các hệ thống chống
đỡ đường hầm.
Theo cách này, có thể sử dụng hệ phân loại đá Q để lựa chọn hệ chống đỡ
(hình 2.15)
Hinh 2.15 Phương pháp lựa chọn hệ chống đỡ bằng hệ phân loại đá Q
Bảng 2.14. Những hạng mục để chọn các thành phần của hệ thống chống đỡ
(mặt cắt khai đào 20 – 100 m2)
Lo
ạ
i đá
Đặc điểm
Thành phần của hệ thống chống
đỡ
Phương pháp
phụ Ghi chú
77
Mục
đích
của
hệ thống
chống
đỡ
Bê
tông p
hun
Neo
đá
Vì
thép
Bê tông
vỏ hầm
Có l
ớp b
ê
tông t
hứ
hai
Bê
tông v
òm
ngư
ợc
Đá
cứng
Đứt gãy
nhỏ
- Đá rơi Không có ứng suất khi tác
động lên bê tông vỏ hầm
Đứt gãy
nhỏ
(không có
khoáng vật
sét)
- Đá rơi
- Áp lực
đất đá bị
tơi
Có thể dùng vì thép cho
mặt gương phần vòm
Thường có
nứt nẻ
- Đá rơi
- Áp lực
đất đá bị
tơi
- Áp lực
của đất
Ổn định mặt
gương (Mặt
gương và
vòm hầm)
Bảo đảm các điều kiện tốt
cho bề mặt bên dưới, bê
tông vòm ngược được ưa
chuộng
Đá
mềm
Đất đá lớn
Yùếu tố tin
cậy
- Đá rơi
Bảo đảm các điều kiện tốt
cho bề mặt bên dưới, cần
có bê tông vòm ngược cho
trường hợp bùn kết
Đất đá nhỏ
Yùếu tố tin
cậy
- Áp lực
đất đá bị
tơi
- Áp lực
của đất
Bê tông vòm ngược cần
thiết lập sớm
Đất đá rất
nhỏ
Yùếu tố tin
cậy
- Áp lực
đất đá bị
tơi
- Áp lực
của đất
Ổn định
gương (mặt
gương)
- Thiết lập sớm các mặt cắt
kín
- Bê tông phun tính năng
cao
- Quan trắc biến dạng lún
- Giới hạn cho phép
chuyển dịch cuối cùng
Đất đá bị ép vắt - Áp lực
đất đá bị
tơi
- Áp lực
của đất
- Áp lực ép
vắt
Ổn định mặt
gương (Ổn
định mặt
gương và gia
cố chân
tường hầm)
- Thiết lập sớm các mặt cắt
kín
- Bê tông phun tính năng
cao
- Lớp bê tông vỏ hầm thứ
hai là thành phần của hệ
thống chống đỡ
- Theo dõi lún do biến
dạng
- Giới hạn cho phép
chuyển dịch cuối cùng
78
Đất đá không bền
vững (đất đá phủ
ít)
- Áp lực
đất đá bị
tơi
- Lún bề
mặt
Ổn định mặt
gương, bảo
vệ lún bề mặt
và kết cấu kề
bên
- Thiết lập sớm các mặt cắt
kín
- Lớp bê tông vỏ hầm thứ
hai là thành phần của hệ
thống chống đỡ
3. Áp dụng phương pháp tính toán
Phương pháp tính toán được thực hiện bằng lời giải giải tích hoặc phương
pháp số. Trong tính toán, cần xét tới các yếu tố ảnh hưởng đến hệ chống đỡ, như:
Tính chất của đất đá như áp lực đất, biến dạng của đất đá, sự ổn định của gương
và dòng nước chảy vào đường hầm thiết kế, tác động của những công trình lân
cận (đặc biệt quan trọng khi xây dựng trong khu đô thị, khu vực đã có công
trình…), ảnh hưởng của động đất…
3.2.2.2 Phân tích hệ chống đỡ
Như đã nêu ở hình 2.15, hệ chống đỡ thường được lắp đặt sau khi chu
tuyến đường hầm đã chuyển dịch một giá trị ban đầu ui0 nào đó. Độ cứng của hệ
chống đỡ được đặc trưng bởi hằng số độ cứng K. Áp lực chống đỡ hướng tâm pi
của hệ chống đỡ được xác định theo công thức:
i
iei
r
uKp (2.45) hoặc:
K
rpuu ii
ioi (2.46)
trong đó: uie phần biến dạng đàn hồi của tổng biến dạng ui; ui0 - xem hình 2.16.
Phương trình (2.46) được áp dụng cho vỏ chống bêtông hoặc bêtông
phun, cho khung thép hoặc bulông hoặc neo cáp phụt vữa. Áp lực lớn nhất của
hệ chống đỡ được xác định bởi giá trị psmax (hình 2.16).
79
Hình 2.16. Quan hệ pi – ui của hệ chống đỡ
- Vỏ chống bêtông, bêtông phun (hình 2.17 ). Vỏ chống với bề dầy tc được
đặt ở bên trong bán kính ri. áp lực chống đỡ tạo nên bởi vỏ chống này phản ứng
lại với sự hội tụ của hầm được nêu bởi công thức (2.17), khi:
])tr(r)[()(
]trr[EK
ciicc
ciicc 22
22
211
(2.47)
trong đó: Ec, c- môđun đàn hồi và hệ số Poisson của bêtông; tc - bề dầy của lớp
vỏ áo bêtông; ri - bán kính của đường hầm.
Hình 2.17. Dạng hình học của hệ chống đỡ bằng bêtông hoặc bêtông phun
Trong công thức này chưa xét đến sự ảnh hưởng của cốt hoặc lưới thép
trong hệ chống đỡ. Cốt thép trong vỏ chống và lưới thép trong áo bêtông phun có
vai trò rất quan trọng đối với sự phân bố ứng suất và khả năng gây nứt nẻ vỏ
chống, nhưng nó không tăng đáng kể độ cứng. Khi vỏ chống có cốt thép dày, thí
80
dụ như khi đổ bêtông trên khung thép, cần xét đến sự làm việc đồng thời của cả
hai hệ.
Khi giả thiết là vỏ chống bêtông và bêtông phun có thể bị thấm nước, thì
áp lực nước ở bên trong cũng như bên ngoài không ảnh hưởng đến áp lực chống
đỡ pi. Trong các đường hầm thủy công, khi vỏ chống được coi là không thấm thì
cần xét đến ứng suất phụ do áp lực nước gây nên.
Áp lực chống đỡ lớn nhất do vỏ chống bêtông và bêtông phun tạo ra được
xác định như sau:
2
12
1
ci
iconccmaxs
tr
rp (2.48)
trong đó: cconc - độ bền nén đơn trục của bêtông.
Công thức (2.48) chỉ áp dụng được khi đường hầm có tiết diện tròn và vùng phá
hủy không quá lớn.
Trong tính toán các hệ chống đỡ cho đường hầm đèo Hải Vân, nhà tư vấn
thiết kế đã sử dụng các phép tính sau:
a. Neo đá: khả năng chống đỡ của neo đá được tính theo phương trình
sau:
Đối với một neo:
BBBB SlRC 2 (2.49)
Tổng khả năng chịu tải cho số neo lắp đặt dọc theo đuờng kính hầm >
B
BiB
LR
CnP
02 (2.50)
Trong đó:
CB - khả năng chống đỡ một đơn vị của neo đá (một neo đá)
RB - bán kính của neo đá
lB - Chiều dài của neo đá
SB - Cường độ của neo đá
PiB - Tổng khả năng chống đỡ của neo đá
LB - Khoảng cảch giữa các neo đá dọc theo trục hầm
Loại neo đá dạng thanh chịu biến dạng được sử dụng trong thiết kế.
Bảng 2.15. Khả năng chống đỡ của neo đá
81
Neo đá trong tính toán thiết kế
Khả năng chống đỡ của neo đá
Loại Vật liệu Đường
kính
Khả năng tới
hạn
Trọng
lượng/m
D2 SD45 25mm 121kN 3.98kg
Độ bền của vật liệu neo đá
Loại Độ bền của đinh ốc (kN) Độ bền của neo đá (kN)
Uốn cong Gãy Uốn cong Gãy
D25 120.5 172.5 173.5 247.9
b. Vỏ hầm bêtông phun: khả năng chống đỡ của bêtông phun và sự chuyển
dịch của vỏ hầm được tính theo công thức sau:
C
cCis
R
tP
,
cSC
scisSC
tE
PU
21
(2.51)
trong đó:
Pis - Khả năng chống đỡ của bêtông phun
σc - Cường độ đơn trục của bêtông phun
tc - Độ dày của lớp bêtông phun
Rc - Bán kính của vỏ bêtông phun
Usc - Sự chuyển dịch của bêtông phun
Esc - Mođun đàn hồi của bêtông phun
sc - Hệ số Poisson của bêtông phun (giả sử sc =0.2)
Mođun đàn hồi có thể được xác đinh theo Phương trình Paw như sau:
CSCE 5.14300 (2.52)
Ρ - Trọng lượng riêng của bêtông phun
Giả sử ρ=25 kN/m3, cường độ chị nén một truc và mođun đàn hồi của
bêtông phun thể hiện như bảng 2.16.
Bảng 2.16. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và module đàn hồi của bê tông phun
Ngày Cường độ chịu nén đơn
trục (MPa)
Mođun đàn hồi của
bêtông phun (x 104
MPa)
1 10 1.7
3 20 2.4
7 30 2.94
82
c. Khung thép: Phương trình đối với vỏ ống hình trụ mỏng được sử dụng
đế đánh giá khả năng chống đỡ của khung thép.
SS
SS
iSRlR
AP
(2.53)
trong đó:
PiSR - khả năng chống đỡ của khung thép
σs - độ bền của khung thép
As - diện tích tiết diện của khung thép
Rs - bán kính của khung thép (tâm)
ls - khoảng cách của khung thép dọc theo trục hầm
Các tính chất của khung thép H-150 được thể hiện ở bảng 2.17.
Bảng 2.17. Các tính chất vật liệu cúa khung thép Các tính chất vật liệu của khung thép
Loại Vật liệu Kích thước (mm) Diện tích
tiết diện
Độ bền uốn
Thép H SS41 H-150x150x7x10 40.14 cm2 180MPa
d. Vỏ hầm: Khả năng chống đỡ của vỏ hầm bằng bêtông hình trụ có lớp vỏ
dầy và vỏ hầm bằng bêtông phun gia cố bằng sợi thép (SFRS) sẽ được tính toán
trong điều kiện ứng suất tác động lên mặt trong và mặt ngoài là khác nhau theo
công thức sau:
Ciab
abP
22
22
(2.54)
trong đó:
a - bán kính bên trong của hình trụ
b - bán kính bên ngoài của hình trụ
σc - cường độ nén một trục của bêtông.
Cường độ chịu nén của SFRS, lớp vỏ bêtông được tính là 40 MPa và 25 MPa
tương ứng.