LÚN SỤT MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM Nguyễn Xuân Mãn, Phạm Thanh Bình Viện Cơ học Ứng dụng Institute of Applied Mechanics TÓM TẮT: Xây công trình ngầm trong
Trang 1LÚN SỤT MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM
Nguyễn Xuân Mãn, Phạm Thanh Bình
Viện Cơ học Ứng dụng Institute of Applied Mechanics
TÓM TẮT: Xây công trình ngầm trong tầng đất yếu và đặt nông sẽ gây lún mặt đất
Đây là hiện tượng cần được quan tâm nghiên cứu Ở Việt Nam vấn đề này chưa được quan tâm và chưa có những nghiên cứu đầy đủ Bài viết đưa ra một số phương pháp tính và dự báo lún mặt đất trên cơ sở bổ sung và hoàn chỉnh thêm những nghiên cứu trước đó của nước ngoài
SUBSIDENCE BY BUILDING UNDERGROUND CONSTRUCTION
ABSTRACT: Building shallowly underground constructions in weak land makes
subsidence We need to research and pay attention to this problem In Vietnam, it has not been concerned and has not researched completely In this paper, we introduce some computation methods and subsidence forecast based on foreign researches
1 ĐẶT VẤN ĐỀ:
Xây dựng công trình ngầm trong nền đất yếu và đặt nông sẽ gây một hậu quả: làm cho mặt đất bị lún Nghiên cứu lún mặt đất do xây dựng công trình ngầm ở Việt Nam chưa thực sự được quan tâm và có ít công trình đề cập Lún hầm Văn Thánh ở TP Hồ Chí Minh là một trong những cảnh báo về vấn đề này Hiện TP Hồ Chí Minh đang xây dựng hầm Thủ Thiêm Nhiều nhà khoa học đã có những cảnh báo về khả năng lún đất khi xây dựng công trình này
Trong bài viết này các tác giả đề cập đến việc xem xét xác định đường cong lún mặt đất khi xây dựng công trình ngầm Phạm vi đề cập của vấn đề: chỉ xét yếu tố gây lún mặt đất do tạo ra khoảng không trong lòng đất Bài viết chưa xét đến ảnh hưởng của các yếu tố gây lún khác
2 ĐẶT BÀI TOÁN:
Giả sử trong lòng đất người ta đào một khoảng không để làm công trình ngầm (hình vẽ 1) Các kích thước hình học được cho trước Chúng ta cần xác định hình dáng đường cong lún, độ lớn cực đại và lún tại tọa độ x
Trang 2Hình 1 Sơ đồ bố trí công trình ngầm
1- mặt đất ban đầu; 2- đường lún; M- chiều cao công trình H- chiều sâu đặt công trình ngầm; - góc ảnh hưởng
3 MỘT SỐ LỜI GIẢI CỦA BÀI TOÁN:
3.1 Bằng các quan trắc thực nghiệm và đo đạc, người ta lập được công thức thùc
nghiệm để miêu tả đường cong lún (2) bởi phương trình sau đây [1]
2
1 1
max ) (
l
x l
x S
Trong đó: S ( x)- độ lún mặt đất ở tọa độ xem xét x
x – tọa độ tính từ trục đối xứng
l – khoảng cách từ tâm đến điểm giới hạn khi S(l)=0 max
S - giá trị lún cực đại ứng với điểm có tọa độ x = 0
Các nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành để xác định Smax và giá trị 1 Một trong các nghiên cứu được kiểm chứng thực tế và phổ biến áp dụng cho ta xác định các giá trị trên như sau:
Trong đó:
H
l H
;
; 2
hệ số phụ thuộc cách chống giữ khoảng trống khi đào; M – chiều cao công trình ngầm khi đào; - góc nghiêng của công trình so với phương ox; l s- kích thước chiều dài công trình theo đường phương vỉa đá; l e- kích thước chiều rộng công trình theo đường dốc vỉa đá; - góc giới hạn ảnh hưởng sụt lún
Trong trường hợp công trình nằm ngang thì:
0
H H
l
l s.e 1
F – diện tích mặt bằng của công trình ngầm
Giá trị a thường dao động trong khoảng từ 0,150,35
Trang 3Khi đào công trình ngầm dùng vỏ chống tạm linh hoạt thì giá trị của a lớn; nếu dùng vỏ chống tạm cứng thì giá trị của a nhỏ Giá trị a còn phụ thuộc vào hệ số kiên cố của đất đá
Góc phụ thuộc không chỉ vào đặc tính cơ lý của các lớp đất đá nằm phía trên công trình ngầm mà còn phụ thuộc vào độ sâu đặt công trình H
Khi đất đá yếu thì góc nhỏ, ngược lại khi đất đá cứng thì góc lớn Quan sát thực tế cho thấy 0 0
65
35
Chúng tôi đề xuất công thức xác định như sau:
H
kf
Trong đó: - góc nội ma sát của đá phía trên công trình ngầm
f - hệ số kiên cố của đất đá theo Protôđiacốp
- dung trọng tư nhiên của đá, kg/m3
H – chiều sâu đặt công trình, m
k – hệ số tính toán; hệ số này dao động trong khoảng từ 515 và phụ thuộc vào lực dính của đá: k tăng khi lực dính tăng Với đá cã lực dính C = 0 thì k 5
3.2 Các nhà khoa học khác bằng cách quan trắc lớn các hiện tượng lún đất đưa ra
công thức thực nghiệm xác định đường cong lún S ( x) theo phương trình sau đây [2]:]
Trong đó:
tb
C R
S n
2 max
x - khoảng cách từ tâm O đến điểm đang xét
R – bán kính của vùng diện tích khai đào
tb
C - giá trị trung bình của chuyển vị đḠnóc trực tiếp của công trình ngầm Đại lượng này được xác định thực nghiệm hay bằng cách giải bài toán tìm chuyển
vị của biên công trình ngầm trong môi trường đất đá lựa chọn và được đề cập trong các tài liệu cơ học công trình ngầm [3]
4 MÔ HÌNH DẺO GIẢI BÀI TOÁN:
Đối với đất đá yếu, sét chứa nước thì lớp đất đá được diễn tả bằng mô hình dẻo Chấp nhận một số giả thiết sau đây khi giải bài toán theo mô hình đất đá biến dạng dẻo:
- Tại mặt cắt ngang bất kỳ của khối đá phía trên công trình ngầm nằm ngang thì sụt lún xảy ra như nhau với một thể tích đất đá bằng chính đất đá sụt vào đường lò :
0
) (
; )
(
2 C x dx C x
Trang 4- Chuyển dịch theo phương thẳng đứng của đất đá nóc trực tiếp trên công trình ngầm là đại lượng lớn nhất bằng aM
- Chuyển dịch ngang của các điểm nằm trên trục đối xứng y sẽ bằng 0
- Khi tọa độ x ra khá xa trục đối xứng thì độ lún tiến tới 0, đường cong lún tắt
- Chuyển dịch đất đá của môi trường phía trên một đường hầm phân tố cơ bản không bị ảnh hưởng tới dịch chuyển của các điểm nằm phía trên của các đường hầm phân tố cơ bản khác bên cạnh
Để miêu tả quá trình biến dạng dẻo của đất đá (hình 2) có thể sử dụng các phương trình cân bằng sau đây [4]:
0
2 2
y
v x v
v Y
y
v v x
v v t v
v X
y
v v x
v v t v
y x
y y
x y z y
x x
x x z x
Hình 2 Sơ đồ tính lún theo mô hình dẻo của lớp đất đá phía trên công trình ngầm 1- Bề mặt đất; 2- đường hầm (công trình ngầm) 3- đường hầm phân tố cơ sở ; 4- đường lún do đường hầm cơ sở 3 tạo ra; 5- Đường lún tổng cộng
Trong các công thức (7): - độ nhớt của môi trường; v , x v y - các thành phần dịch chuyển; 2- toán tử Laplace; X,Y – hình chiếu tổng lực trên các trục x và y; - mật độ của đá
Khi xác định lún tại thời điểm(giai đoạn) cuối của quá trình dịch chuyển có thể bỏ qua thành phần
t
v x
và
t
v y
( coi v , x v ylà các hàm không đổi theo thời gian) Sử dụng các
Trang 5giả thiết trên, có thể rút ra thành phần dịch chuyển đứng cho một điểm trên bề mặt (y = H) ứng với một đường hầm phân tố cơ sở sẽ là:
H
x th
aM x
Trong đó:
s- thành phần dịch chuyển đứng do đường hầm phân tố tạo ra;
- đại lượng đặc trưng cho tính chất cơ lý của đất đá;
th – hàm tang hyperbolic ( x x
e e
2
Tích phân (8) từ
2
l
đến
2
l
cho ta toàn bộ độ lún do công trình ngầm tạo ra:
H
l x th H
l x th
aM
2 )
Giá trị có thể được lựa chọn bằng việc so sánh đường lún S(x) xây dựng theo phương trình (9) với thực tế quan sát cho phù hợp
Ví dụ tính toán 1:
Giả thiết M=10m; a = 0,2; 0mega = 4; l = 400m;H = 20m; l/2 =200
Khi đó :
20
200 4
( ) 20
200
4 ( 2
10 20 , 0
) (
x th
x th
S x
5
200 (
) 5
200 (
) (
th x th x
S x
Lập bảng tính S(x) (Do đối xứng nên tính x0;x0220)
S (x) 2,0 2,0 2,0 1,9999 1,9640 1,000 0,0359 0,0006
Ví dụ tính toán 2:
Theo các giả thiết như trong ví dụ 1, thay đổi giá trị 2,6,8 xác định S(x):
x
0 50 100 150 190 200 210 220
2 2,0 2,0 1,9999 1,9999 1,7615 1,0000 0,2384 0,0359
4 2,0 2,0 2,0 1,9999 1,9640 1,000 0,0359 0,0006
Trang 6Ví dụ tính toán 3:
Giữ nguyên các giá trị như ở ví dụ tính toán 1, thay đổi giá trị H=10, 20, 30 và 40 xác định S(x):
x
10 2,0 2,0 2,0 2,0 1,9993 1,0000 0,0006 0,2 10-6
20 2,0 2,0 2,0 1,9999 1,9640 1,000 0,0359 0,0006
30 2,0 2,0 2,0 1,9999 1,8700 1,0000 0,1299 0,0096
40 2,0 2,0 1,9999 1,9999 1,7615 1,0000 0,2384 0,0359
5 KẾT LUẬN:
Dựa vào các kết quả tính toán cho thấy với mô hình đất đá biến dạng dẻo thì: 1- Đường cong lún trên mặt đất do xây dựng công trình ngầm có giá trị cực đại tại
x = 0 và trên vùng lân cận với x = ± 1/2 ; đối xứng qua trục y; sẽ tắt dần khi x tiến đến một giá trị giới hạn ( x ≥ | 1/2 + 0,1 1/2 | )
2- Trị số lớn nhất của độ lún phụ thuộc nhiều vào chiều cao công trình M, phương pháp chống giữ khi đào và các yếu tố địa chất của môi trường xây dựng
3- Khi độ sâu đặt công trình không lớn H ≤ (4-5)M, thì giá trị độ lớn cực đại ít thay đổi theo H
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]- G Krach Dịch chuyển đất đá bề mặt trong khai thác mỏ Nhà xuất bản “Lòng đất”
M., 1978
[2]- Kowalczyk Z Die Einwirkung des Bergbaus auf die Erdoberflache in industrianlisierten und besiedelten Gebiêtn(engl.) Jahres-haupttr., Quebec City, 1966 [3]- B.A.Kartozia Cơ học công trình ngầm Nhà xuất bản “Lòng đất”, M., 1987
