Hội thảo Khoa học Quốc tế Phát triển Xây dựng bền vững trong điều kiện Biến đổi khí hậu khu vực đồng bằng Sơng Cửu Long

SCD2021

PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA VỎ HẦM HAI LỚP
THE DOUBLE - LAYER TUNNEL IS OPERATION IS EXAMINED
Nguyễn Ngọc Huệ, Lê Minh Quang, Nguyễn Quang Quý

ABSTRACT:
Building a calculation diagram and algorithm for calculating the assembled type double-layer tunnel shell
- the entire block, survey results of the influence of the degree of assembly and the pressure coefficient on the
internal forces in the layers of the double-layer tunnel; Conclusions and recommendations.
KEYWORDS: “assembled type double-layer tunnel shell”; “assembly level”; “internal forces in the layer”.

TÓM TẮT:
Xây dựng sơ đồ tính và thuật tốn tính vỏ hầm hai lớp loại gồm lớp vỏ lắp ghép và lớp vỏ bê tông cốt thép
đổ toàn khối, kết quả khảo sát ảnh hưởng của mức độ lắp ghép và hệ số áp lực hông đến nội lực trong các lớp
của vỏ hầm hai lớp; Các kết luận và kiến nghị.
TỪ KHÓA: “vỏ hầm hai lớp lắp ghép”; “mức độ lắp ghép”; “nội lực trong các lớp”.
Nguyễn Ngọc Huệ
Lecturer, Faculty of Architecture, Thu Dau Mot University. 6 Tran Van On Street, Ward Phu Hoa, Thu Dau
Mot City, Binh Duong Province.
Email:
Tel : 0918.233985
Lê Minh Quang
Lecturer, Faculty of Architecture, Thu Dau Mot University. 6 Tran Van On Street, Ward Phu Hoa, Thu Dau
Mot City, Binh Duong Province.
Email:
Tel : 0915.520415
Nguyễn Quang Quý
Lecturer, Faculty of Construction, Military Engineering College. 220B Bach Dang Street, Ward Phu Cuong,

Thu Dau Mot City, Binh Duong Province.
Email:
Tel : 0973.375779

51


SCD2021

International Conference on sustainable construction development in the context of climate change in the Mekong Delta

1. ĐẶT VẤN ĐỀ - INTRODUCTION
Xây dựng các cơng trình ngầm trong những
điều kiện địa chất và địa chất thủy văn phức tạp
như trong các thành phố lớn của nước ta, áp lực
đất đá tác dụng lên vỏ và chuyển dịch của đất đá
sẽ là lớn. Trong và sau khi thi cơng đào các cơng
trình ngầm, mơi trường đất đá xung quanh cơng
trình có thể ổn định lâu dài hay không ổn định
ở các mức độ khác nhau. Nếu dưới các tác động
khác nhau, môi trường đất đá vẫn ổn định theo
yêu cầu về thời gian, khoảng trống có thể được
sử dụng mà khơng cần có biện pháp bảo vệ nào
cả. Ngược lại nếu mơi trường đất đá mất ổn định
(xuất hiện các hiện tượng tróc vỡ, sập lở cũng như
biến dạng, dịch chuyển đủ lớn), cần thiết phải áp
dụng các biện pháp kỹ thuật để có thể sử dụng
khoảng trống bình thường theo u cầu. Các biện
pháp kỹ thuật đó được gọi là các biện pháp bảo vệ
và chống giữ cơng trình ngầm.

Để làm việc tốt trong môi trường đất đá khác
nhau và mang tính hợp lý cao thì kết cấu vỏ hầm
thường được cấu tạo bởi nhiều lớp vật liệu và các
lớp vật liệu đó được liên kết với nhau. Kết cấu vỏ
hầm nhiều lớp thường có các loại như sau:
- Kết cấu loại 1: gồm có neo (có thể là neo thép,
cáp, neo bêtông cốt thép) và bêtông phun. Loại
kết cấu này thường được sử dụng ở những nơi đất
đá cứng. Nó đảm bảo có độ bền, độ tin cậy cao,
kinh tế và dễ thi công.
- Kết cấu loại 2: gồm lớp vỏ lắp ghép bằng
bêtông và bêtông cốt thép nguyên khối, loại này
phù hợp hơn cả trong trường hợp tải trọng phân
bố khơng đều.
- Kết cấu loại 3: gồm có 3 lớp bên trong là gang,
bên ngồi là bêtơng cốt thép toàn khối, lớp giữa
là lớp chống thấm. Thường được sử dụng trong
những điều kiện địa chất phức tạp, chịu áp lực
nước và áp lực đất đá lớn.
- Kết cấu loại 4: gồm có vỏ thép bên ngồi, giữa
bêtơng, trong vỏ thép, trong cùng là lớp bê tông
tăng cường. Thường sử dụng trong những điều
kiện địa chất phức tạp và chịu áp lực lớn. Khi bố
trí giữa các lớp trong và ngồi bằng các lớp dẻo
như Bitum thì lớp bên ngồi và lớp bên trong có
52

thể trượt, nên lớp bên trong khơng có liên kết
cứng với đất đá nhờ vậy mà khi làm khơ hoặc khi
đào bóc tách đất đá kết cấu vỏ vẫn giữ được khả

năng chịu lực của nó.
Trường hợp cơng trình ngầm qua sơng hay xây
dựng ở vùng có nước ngầm nhiều thì vỏ hầm hợp
lý hơn cả sẽ là vỏ hầm cấu thành gồm một vỏ lắp
ghép kết hợp với vỏ bê tông cốt thép nguyên khối
với chức năng chịu lực và chống thấm trong quá
trình thi cơng (chống tạm) cũng như trong khai
thác. Cơng trình ngầm có cấu tạo hai lớp phù hợp
với địa hình địa chất và điều kiện địa chất thủy
văn của khu vực đồng bằng sơng Cửu Long.
Các phương pháp tính tốn hiện hành chưa có
thể đánh giá hết các đặc điểm cấu tạo đó. Dưới
đây sẽ xây dựng phương pháp tính vỏ hai lớp
nhằm khảo sát các đặc điểm như đã nêu trên.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT: THEORETICAL BASIS
Sơ đồ tính:
Tải trọng tác dụng lên lớp kết cấu vỏ hầm gồm:
tải trọng pháp tuyến p và tải trọng tiếp tuyến q.
Xét kết cấu gồm 2 lớp trụ tròn liên kết với nhau.
Độ bền của kết cấu vỏ hai lớp xác định trước hết
bởi lớp trong, điều kiện làm việc của nó là bất lợi
nhất vì mặt trong của vỏ khơng có thành phần
ứng suất hướng tâm, vì vậy tại đây vật liệu làm
việc chịu nén đơn hướng (theo thuyết bền Morh)
và nó sẽ bị phá hỏng đầu tiên. cịn với vỏ ngồi
vật liệu chịu nén thể tích, độ bền của nó cao hơn
nhiều, ngoài ra ngay cả biến dạng phi đàn hồi của
vỏ ngồi cịn xa mới dẫn đến phá hỏng kết cấu vỏ
hầm về tổng thể.
Tải trọng tính tốn chọn dạng bất lợi nhất cho

lớp vỏ ngoài của [2]:
p  p 0  p 2 cos 2;
(1)

q  q 2 sin 2

Tải trọng tính tốn tác dụng lên lớp vỏ hầm
thứ 2:
p1  p '0  p'2 cos 2;
(2)

q1  q '2 sin 2;



Hội thảo Khoa học Quốc tế Phát triển Xây dựng bền vững trong điều kiện Biến đổi khí hậu khu vực đồng bằng Sông Cửu Long

nguyên khối uTK và cho phép tính tốn yếu tố lắp
ghép của các lớp đơn.

p
p
1
θ

mLG - tỷ số giữa chuyển vị hướng tâm của lớp
vỏ lắp ghép uLG với lớp vỏ bê tông cốt thép ngun
khối uTK;
u
m LG  LG

u TK

q

1
r2

r

1

0

r

1
2

Hình 1: Phân tích sơ đồ tính

Các giá trị p'0; p'2 tìm từ điều kiện bằng nhau
của các chuyển vị của các vành trung gian tại các
tiết diện theo đường kính lớp vỏ bên trong và lớp
vỏ ngoài.
p '0  p 0

r
1

;

r1 1  a1 m
LG
a

(3)

r

 r  2p 2  q 2   c  p 2  2q 2  

1

 '  b1
b1
 
 
 q 2 1  m LG   2  c  c1 m LG   
b
 
 
 b
'
p2  
(4)
b1
 b1
 

2 1  m LG    c  c1 m LG 
b

 b
 

Trong đó:
r1
r13
2J
a
;b
; c  12 ;
E1F1
18E1F1
E1r1
a1 

r2
r3
2J
; b1  2 ; c1  22 ;
E 2 F2
E 2 F2
E 2 r2

Trong các công thức trên:
r - bán kính sử dụng của cơng trình hầm, m;
r1 - bán kính của lớp vỏ thứ nhất, m;
r2 - bán kính của lớp vỏ hầm thứ hai, m;
M1 - mô đun dàn hồi của lớp vỏ thứ nhất;
M2 - mô đun đàn hồi của lớp vỏ thứ hai;
F1 - diện tích mặt cắt của lớp vỏ thứ nhât, m2;

F2 - diện tích mặt cắt của lớp vỏ thứ hai, m2.
Trong cơng thức (3), (4) đưa vào hệ số mLG
được xác định như là tỷ số của các chuyển vị
hướng tâm của lớp vỏ lắp ghép uLG và lớp vỏ

Khi tính tốn thiết kế và thi cơng chúng ta cần
lưu ý tính toán các khối lắp ghép sao cho hợp lý.
Đối với vỏ hầm hình trịn trên mỗi đoạn vỏ hầm
rộng khoảng 100 cm, vỏ hầm có thể chia thành
nhiều khối hình chữ nhật cong là những bản
đặc hay bản có sườn. Kích thước bản tùy thuộc
vào kích thước tiết diện và phương tiện thi cơng.
Trong các khối lắp ghép, đều có bố trí lỗ để sau
này dùng bơm cao áp bơm vữa ra sau vỏ hầm.
Từ (3) và (4) có thể tìm được giá trị giới hạn khi
mất tính liên tục trên mặt tiếp xúc tức là những
trường hợp thường gặp trong thực tế:
1
b1 2  c1
.
LG
b 2c
Biểu thức (3) vẫn còn lại như cũ;
p '2  p 2

r
r1 1  m

(5)


Khi khảo sát ảnh hưởng của hệ số áp lực hông
chúng ta xác định áp lực thẳng đứng như trường
hợp trên. Cịn áp lực ngang tác dụng lên vỏ cơng
trình ngầm: Qn = mQQv.
Từ các giá trị ứng suất tiếp xúc, có thể tính tốn
nội lực trong vỏ nhiều lớp theo các công thức sau:
1
M I  r1  p 2 r  p'2 r1  2   q 2 r  q '2 r1   cos 2;
6
(6)
 p 2 r  p'2 r1   
1
'


N I  rp0  r1p0 
cos 2;
3  2  q 2 r  q '2 r1  


rr
M 2  1 2  2p '2  q '2  cos 2;
6
(7)
 ' p'2  2q '2

N 2  r1  p 0 
cos 2 
3



Mối liên hệ trên nhận được từ việc nghiên
cứu làm việc của lớp vỏ như các vòng đàn hồi.
Trong thực tế, các lớp riêng của lớp vỏ kết cấu
có thể thực hiện từ các thành phần lắp ghép.
Trong trường hợp khi kết cấu được tạo thành từ
53

SCD2021


SCD2021

International Conference on sustainable construction development in the context of climate change in the Mekong Delta

các thành phần lắp ghép với liên kết chịu kéo
trong các vị trí nối ghép hoặc khơng có. Mối nối
ghép của các thành phần của lớp vỏ này khơng
phải là cứng tuyệt đối tại vì có thể mở được các
vị trí nối ghép.

Kết quả tính tốn cho cơng trình ngầm hai lớp
với: (Thứ ngun chiều dài là m, Lực là T).
• Tải trọng đứng: QV = 4 T; Tải trọng ngang
Qn = 2 T;
• Chiều dày lớp vỏ ngoài d1 = 0.30 (m); Chiều
dày lớp vỏ trong d2 = 0.30 (m);
• Bán kính hầm tính tốn RTT2 = 4.15 (m); RTT1
= 4.45 (m);
• Mơ đun đàn hồi E1 = 265.104 MPa; E2

= 200.104 MPa.

3. CÁC KẾT QUẢ TÍNH TỐN
1. Khảo sát ảnh hưởng của mức độ lắp ghép
mLG đến nội lực trong các lớp của cơng trình
ngầm hai lớp.

Bảng 1. Kết quả tính tốn mơmen và lực dọc
o

Tại φ = 0

Hệ số mLG
0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3


1.4

M1

1.1912

1.3360

1.4631

1.5754

1.6755

1.7653

1.8461

1.9194

1.9861

2.0471

N1

2.5402

2.3190


2.1269

1.9584

1.8094

1.6767

1.5578

1.4506

1.3535

1.2651

M2

2.0708

1.9357

1.8172

1.7124

1.6191

1.5354


1.4600

1.3916

1.3294

1.2725

N2

12.7932 13.0143 13.2065 13.3750 13.5240 13.6567 13.7756 13.8828 13.9799 14.0682

Tại φ = 45o
Hệ số mLG
0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2


1.3

1.4

M1

0.8427

0.9451

1.0350

1.1145

1.1853

1.2487

1.3059

1.3578

1.4050

1.4481

N1

2.4817


2.2605

2.0684

1.8998

1.7508

1.6181

1.4992

1.3921

1.2950

1.2066

M2

1.4648

1.3693

1.2855

1.2114

1.1453


1.0861

1.0328

0.9844

0.9404

0.9002

N2

12.3100 12.5217 12.7055 12.8666 13.0090 13.1358 13.2494 13.3518 13.4445 13.5288

Tại φ = 90o
Hệ số mLG
0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1


1.2

1.3

1.4

M1

0.0009

0.0011

0.0012

0.0013

0.0013

0.0014

0.0015

0.0015

0.0016

0.0016

N1


2.3403

2.1192

1.9270

1.7585

1.6095

1.4768

1.3579

1.2507

1.1536

1.0653

M2

0.0016

0.0015

0.0014

0.0014


0.0013

0.0012

0.0012

0.0011

0.0011

0.0010

N2

11.1434 11.3321 11.4957 11.6390 11.7655 11.8781 11.9788 12.0695 12.1517 12.2263

M1, M2 - mô men trong lớp vỏ thứ nhất và thứ hai (T.m);
N1, N2 - lực dọc trong lớp vỏ thứ nhất và thứ hai, (T).

54


Giá trị M1, M2, N1, N2

Hội thảo Khoa học Quốc tế Phát triển Xây dựng bền vững trong điều kiện Biến đổi khí hậu khu vực đồng bằng Sơng Cửu Long
16

14


14

12

12

10

mQ

mQ

10

M1

M1

8

N1

N1

8

M1

6


N2

SCD2021

M2

6

N2

4

4
2

2
0

0

1

1

2

3

4


5

6

7

8

9

3

4

5

6

7

8

9

10

Hệ số lắp ghép mLG

Hệ số lắp ghép mLG


Hình 2: Ảnh hưởng của hệ số mức độ lắp ghép mLG
đến mômen và lực dọc trong hai lớp của vỏ tại θ = 0o
(Tại đỉnh)

Hình 3: Ảnh hưởng của hệ số mức độ lắp ghép mLG
đến mômen và lực dọc trong hai lớp của vỏ
tại θ = 45o và θ = 90o (Tại hông) (tiếp theo)

2. Khảo sát ảnh hưởng của hệ số áp lực hông
mQ đến giá trị nội lực trong các lớp của cơng trình
ngầm hai lớp với:

16
14
12

Giá trị M1, M2, N1, N2

2

10

mQ

10

M1
N1

8


M2

6

N2
4
2

2

3

4

5

6

7

8

9

• Tải trọng đứng: QV = 4; Tải trọng ngang
Qh = mQ.QV;
• Chiều dày lớp vỏ ngồi d1 = 0.30 (m); Chiều
dày lớp vỏ trong d2 = 0.30 (m).


0
1

Trong trường hợp này ta xét tải trọng ngang
tác dụng lên kết cấu vỏ hầm:

10

Hệ số lắp ghép mLG

Hình 3: Ảnh hưởng của hệ số mức độ lắp ghép mLG
đến mômen và lực dọc trong hai lớp của vỏ
tại θ = 45o và θ = 90o (Tại hơng)

• Bán kính hầm tính tốn RTT2 = 4.15 (m);
RTT1 = 4.45 (m).
• Mơ đun đàn hồi: E1 = 2,65.104 MPa; E2
= 2,00.104 MPa.

Bảng 2. Kết quả tính tốn mơmen và lực dọc
(tính cho trường hợp mLG = 0,50)
Tại = 0o
mQ

0.1

0.2

0.3


0.4

0.5

M1

2.1442

1.9060

1.6677

1.4295

1.1912

N1

2.4460

2.4696

2.4931

2.5166

2.5402

M2


3.7274

3.3132

2.8991

2.4849

2.0708

N2

10.4340

11.0238

11.6136

12.2034

12.7932

55


SCD2021

International Conference on sustainable construction development in the context of climate change in the Mekong Delta

Bảng 2. (Tiếp theo)

Tại = 45

o

mQ

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

M1

1.5168

1.3482

1.1797

1.0112

0.8427

N1


2.3407

2.3759

2.4112

2.4464

2.4817

M2

2.6367

2.3437

2.0508

1.7578

1.4648

N2

9.5644

10.2508

10.9372


11.6236

12.3100

mQ

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

M1

0.0017

0.0015

0.0013

0.0011

0.0009

N1


2.0863

2.1498

2.2133

2.2768

2.3403

M2

0.0030

0.0026

0.0023

0.0020

0.0016

N2

7.4645

8.3842

9.3040


10.2237

11.1434

Tại = 90o

Bảng 3. Kết quả tính tốn mơmen và lực dọc (tính cho trường hợp mLG = 0,90)
Tại = 0o
mQ

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

M1

3.0160

2.6809

2.3457

2.0106


1.6755

N1

1.6281

1.6734

1.7187

1.7641

1.8094

M2

2.9144

2.5905

2.2667

1.9429

1.6191

N2

11.2519


11.8199

12.3879

12.9559

13.5240

mQ

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

M1

2.1335

1.8964

1.6594

1.4223


1.1853

N1

1.5228

1.5798

1.6368

1.6938

1.7508

M2

2.0616

1.8325

1.6035

1.3744

1.1453

N2

10.3249


10.9960

11.6670

12.3380

13.0090

mQ

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

M1

0.0024

0.0021

0.0019

0.0016


0.0013

N1

1.2684

1.3537

1.4390

1.5242

1.6095

M2

0.0023

0.0021

0.0018

0.0015

0.0013

N2

8.0866


9.0064

9.9261

10.8458

11.7655

Tại = 45o

Tại = 90o

56


*LiWUӏ0102, N1, N2

Hội thảo Khoa học Quốc tế Phát triển Xây dựng bền vững trong điều kiện Biến đổi khí hậu khu vực đồng bằng Sông Cửu Long

14

ș = 0o

14

12

He so AL hong
mQ
M1


12

10

N1

10

8

M2

8

HƯ sè AL
h«ng mQ
M1

6

6

N1

4

4

2


2

ș = 0o

N2

M2
N2

0

0
1

2

3

4

1

5

12

Θ = 45o

2


3

4

5

16

Θ = 45o

14

*LiWUӏ0102, N1, N2

10
12

HƯ sè AL H«ng mQ

8

M1
N1

6

M2
4


8

N1

6

M2

N2
4

2

N2

2

0

0
1

2

3

4

1


5

14

Θ = 90o

12

*LiWUӏ0102, N1, N2

HƯ sè AL
H«ng mQ
M1

10

2

3

4

5

14

Θ = 90o

12


HƯ sè AL
h«ng mQ

10

10

HƯ sè AL h«ng mQ

M1
8

M1

8

N1

N1
6

6

M2

4

N2

2

0

M2
N2

4
2
0

1

2

3

4

5

+ӋVӕOҳSJKpSPQ = 0,50

Trường hợp hệ số áp lực hông mQ = 0,50

1

2

3

4


5

+ӋVӕOҳSJKpSPQ = 0,90

Trường hợp hệ số áp lực hơng mQ = 0,90

Hình 4: Ảnh hưởng của hệ số áp lực hông mQ đến mômen và lực dọc trong hai lớp của vỏ tại góc φ

4. KẾT LUẬN - CONCLUSIONS
Nghiên cứu tính tốn áp lực đất đá tác dụng
lên vỏ hầm nhiều lớp để xác định nội lực xuất
hiên trong vỏ hầm với kết cấu vỏ hầm 2 lớp
trong đó có lớp vỏ lắp ghép chúng tơi rút ra một
số vấn đề:
1. Các giá trị nội lực tại các vị trí φ = 0o, 45o
và 90o có giá trị ổn định nằm trong khoảng có
hồnh độ 6 - 8 tương ứng với mLG = 0,9 - 1,0 tức
là chuyển vị của hai lớp là tương đương sẽ cho nội
lực hợp lý (Bảng 1; Hình 2, 3).
2. Trong cùng những điều kiện, hệ số lắp ghép
ít ảnh hưởng tới quy luật thay đổi của nội lực
theo hệ số áp lực hơng, từ Bảng 2, 3 và Hình vẽ 4
có thể thấy vỏ nhiều lớp phù hợp hơn cả trong

đất đá yếu có hệ số áp lực hơng lớn (mQ = 0,4 - 0,5),
kết quả nghiên cứu mới dùng lại ở giá trị mQ = 0,5,
với các giá trị lớn hơn cần có nghiên cứu bổ xung.
3. Từ các kết quả tính tốn có thể áp dụng
phương pháp tính ở trên để nghiên cứu tính tốn,

thiết kế các vỏ hầm hai lớp trong điều kiện đất đá
yếu ở nước ta như ở đồng bằng sông Cửu Long
và sử dụng trong các cơng trình Quốc phịng như
cơng trình ngầm cho Sở chỉ huy, cơng trình ngầm
ẩn nấp cho bộ đội.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO - REFERENCES
[1] Nguyễn Ngọc Hụê, Đỗ Như Tráng. “Nghiên cứu
ảnh hưởng của lớp gia cố tới sự làm việc của vỏ hầm
dạng vòng tròn nhiều lớp”. Tạp chí Khoa học và

57

SCD2021


SCD2021

International Conference on sustainable construction development in the context of climate change in the Mekong Delta

Kỹ thuật - Học viện Kỹ thuật Quân sự. Số 111,
II-2005, trang 109 - 116.
[2] Lê Văn Thưởng, Đinh Xuân Bảng, Nguyễn Tiến
Cường, Phí Văn Lịch (1981), Cơ sở thiết kế cơng trình
ngầm, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[3] International Center For Mechanical Sciences
(1998), Application of Numerical Method To
Geotechnical Problems.

58


[4] Баклашов И. В, Тимофеев О. В (1979),
Конструкции И Расчем крепейИ Обделок,
Моcква, “Недра ”.
[5] Бакиров Р. О, Лой Ф. В (2002), Динамический
Расчет и Оптимальное Проектиование Подэемные
Cооружений, Моcква Cтройиздат.
[6] Булычев H.С. (1980), Механика подземных
сооружений, Моcква, “Недра ”.