LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện luận văn Thạc sĩ với đề tài “ Ứng
dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định cơng trình ngầm và áp dụng
cho một đường hầm ở thành phố Hồ Chí Minh” tác giả đã hồn thành theo đúng
nội dung của đề cương nghiên cứu, được Hội đồng Khoa học và Đào tạo của Khoa
Cơng Trình phê duyệt. Luận văn được thực hiện với mục đích nghiên cứu ứng dụng
lý thuyết độ tin cậy trong tính tốn ổn định cơng trình ngầm.
Để có được kết quả này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PSG.TS.
Trịnh Minh Thụ và PGS.TS. Mai Văn Công - Khoa Cơng trình - Trường Đại học
Thủy lợi đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và đóng góp các ý kiến quý báu trong suốt
quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình, sự hỗ trợ về mặt chuyên môn
và kinh nghiệm của các thầy cơ giáo trong khoa Cơng trình và đặc biệt là các thầy
cơ trong bộ mơn Địa Kỹ Thuật, Phịng Đào tạo Đại học và sau đại học; tập thể lớp
cao học 20ĐKT- Trường Đại học Thuỷ lợi cùng toàn thể gia đình và bạn bè đã
động viên, khích lệ, tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để tác giả hồn thành luận
văn này.
Trong q trình thực hiện luận văn, do kiến thức về cả hai mảng cơng trình
ngầm và lý thuyết độ tin cậy còn rất hạn chế nên chắc chắn khơng thể tránh khỏi
sai sót. Vì vậy, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cơ, đồng
nghiệp để giúp tác giả hồn thiện về mặt kiến thức trong học tập và nghiên cứu.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng 05 năm 2014
Tác giả

Hoàng Thị Lụa


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN CAM KẾT
Kính gửi: Ban Giám hiệu trường Đại học Thuỷ lợi
Phòng Đào tạo ĐH và Sau ĐH trường Đại học Thuỷ lợi.
Tên tơi là: Hồng Thị Lụa
Học viên cao học lớp: 20ĐKT
Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
Mã học viên: 128580204030
Theo Quyết định số 116/QĐ-ĐHTL, của Hiệu trưởng trường Đại học Thuỷ
Lợi, về việc giao đề tài luận văn và cán bộ hướng dẫn cho học viên cao học khoá
20 đợt 2 năm 2012. Ngày 23 tháng 01 năm 2014, tôi đã được nhận đề tài: “ Ứng
dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định cơng trình ngầm và áp dụng
cho một đường hầm ở thành phố Hồ Chí Minh ” dưới sự hướng dẫn của thầy
giáo PGS.TS. Trịnh Minh Thụ và PGS.TS. Mai Văn Công.
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép
của ai. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được
đăng tải trên các tài liệu và các trang website theo danh mục tài liệu tham khảo của
luận văn.

Hà Nội, ngày

tháng 05 năm 2014

Người làm đơn

Hoàng Thị Lụa


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CƠNG TRÌNH NGẦM HIỆN NAY Ở
VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI ........................................................................................ 3

1.1. Giới thiệu chung về ổn định công trình ngầm ................................................. 3
1.1.1. Vấn đề sử dụng cơng trình ngầm hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới.... 3
1.1.2. Một số sự cố mất ổn định cơng trình ngầm đã xảy ra. ................................. 4
1.2. Các nguyên nhân gây mất ổn định cơng trình ngầm thường gặp ..................10
1.2.1. Nhóm nguyên nhân gây mất ổn định trong giai đoạn thi cơng: .................10
1.2.2. Nhóm ngun nhân gây mất ổn định trong giai đoạn vận hành: ...............13
1.2.3. Tổng kết chung ...........................................................................................14
1.3. Các phương pháp tính tốn, thiết kế ổn định cơng trình ngầm truyền thống
và ưu nhược điểm của chúng ...............................................................................14
1.3.1. Phương pháp ứng suất cho phép.................................................................14
1.3.2. Phương pháp tính theo hệ số an tồn: ........................................................15
1.3.3. Phương pháp tính tốn theo trạng thái giới hạn: ........................................15
1.3.2. Một số nhược điểm cơ bản của phương pháp thiết kế truyền thống: ......... 16
1.4. Phương pháp sử dụng lý thuyết độ tin cậy tính tốn ổn định cơng trình ngầm 16
1.5. Lựa chọn phương pháp tính tốn...................................................................17
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN
CẬY VÀ NGUYÊN LÝ ÁP DỤNG TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CƠNG
TRÌNH NGẦM ......................................................................................................... 18
2.1. Tóm tắt cơ sở lý thuyết: .................................................................................18
2.1.1. Định nghĩa về rủi ro: ..................................................................................18
2.1.2. Phân tích độ tin cậy của thành phần hệ thống: ...........................................19
2.1.3. Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên: ...........................................21
2.2. Nguyên lý lý thuyết ứng dụng trong phân tích ổn định cơng trình ngầm ..... 27


2.2.1. Xây dựng cây sơ đồ sự cố tổng quát ..........................................................27
2.2.2. Phân tích áp lực tác dụng lên vỏ hầm.........................................................30

2.2.3. Mơ tả bài tốn mẫu cho một đoạn hầm đặc trưng ......................................39
2.3. Kết luận chung .................................................................................................. 51
CHƯƠNG III: TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH CHO MỘT HẦM GIAO THÔNG Ở
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ................................................................................. 54

3.1. Giới thiệu trường hợp nghiên cứu .................................................................54
3.2. Các tài liệu cần thiết trong tính tốn..............................................................55
3.2.1. Tài liệu địa chất và địa chất thủy văn .........................................................55
3.2.2. Tài liệu về cơng trình và tải trọng ..............................................................63
3.3. Tính tốn ổn định cơng trình theo lý thuyết độ tin cậy .................................64
3.3.1.Kiểm tra ổn định theo cơ chế phá hoại vỏ hầm do ứng suất vượt mức cho
phép ......................................................................................................................65
3.3.2. Kiểm tra ổn định theo cơ chếđẩy nổi của đường hầm................................83
3.3.3. Kiểm tra ổn định theo cơ chế sụt lún quá mức cho phép của đường hầm . 92
3.3.4. Tổng hợp xác suất phá hoại 2 mặt cắt kiểm tra của đường hầm Metro1 100
3.4. Kết luận chương III .....................................................................................103
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 106


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.Một số sự cố đường hầm trên thế giới ........................................................ 5
Bảng 1.2. Nguyên nhân dẫn tới sự cố khi thi công CTN bằng phương pháp đào
ngầm thông thường ................................................................................................... 11
Bảng 2-1. Cơng thức tính nội lực vỏ khuyên tròn biến dạng tự do .......................... 44
Bảng 3.1.Các đặc tính địa chất cơng trình của lớp A ................................................ 58
Bảng 3.2.Các đặc tính địa chất cơng trình của lớp B ................................................ 59
Bảng 3.3.Các đặc tính địa chất cơng trình lớp C ...................................................... 60
Bảng 3.4.Các đặc tính địa chất cơng trình lớp D ...................................................... 61
Bảng 3.5.Các đặc tính địa chất cơng trình của lớp E ................................................ 62
Bảng 3.6. Hàm tin cậy theo cơ chế ứng suất vượt mức cho phép ............................. 66

Bảng 3.7. Danh sách biến cố định và giá trị tương ứng theo cơ chế ứng suất vượt
mức cho phép (mặt cắt 1-1)....................................................................................... 67
Bảng 3.8. Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế ứng suất vượt mức cho phép ..... 68
Bảng 3.9: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm AN ............................... 69
Bảng 3.10: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm AT .............................. 70
Bảng 3.11: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm BN.............................. 71
Bảng 3.12: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm BT .............................. 72
Bảng 3.13: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm CN.............................. 73
Bảng 3.13: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm CT .............................. 74
Bảng 3.14. Danh sách biến cố định và giá trị tương ứng theo cơ chế ứng suất vượt
mức cho phép ............................................................................................................ 75
Bảng 3.15. Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế ứng suất vượt mức cho phép
(mặt cắt 2-2) .............................................................................................................. 76
Bảng 3.16: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm AN ............................. 77
Bảng 3.17: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm AT .............................. 78
Bảng 3.18: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm BN.............................. 79
Bảng 3.19: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm BT .............................. 80


Bảng 3.20: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm CN.............................. 81
Bảng 3.21: Xác suất sự cố và các hệ số ảnh hưởng tại điểm CT .............................. 82
Bảng 3.22: Danh sách biến cố định theo cơ chế đẩy nổi đường hầm ....................... 84
Bảng 3.23: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế đẩy nổi hầm............................. 84
Bảng 3.24: Xác suất sự cố đẩy nổi tại mặt cắt 1-1, trường hợp 1 và các hệ số ảnh
hưởng......................................................................................................................... 85
Bảng 3.25: Danh sách biến cố định theo cơ chế đẩy nổi đường hầm ....................... 86
Bảng 3.26: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế đẩy nổi hầm............................. 86
Bảng 3.27: Xác suất sự cố đẩy nổi tại mặt cắt 1-1, trường hợp 2 và các hệ số ảnh
hưởng......................................................................................................................... 87
Bảng 3.28: Danh sách biến cố định theo cơ chế đẩy nổi đường hầm-TH1 .............. 88

Bảng 3.29: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế đẩy nổi hầm-TH1 .................... 88
Bảng 3.30: Xác suất sự cố đẩy nổi tại mặt cắt 2-2, TH1 và các hệ số ảnh hưởng .... 89
Bảng 3.31: Danh sách biến cố định theo cơ chế đẩy nổi đường hầm-TH2 .............. 90
Bảng 3.32: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế đẩy nổi hầm-TH2 .................... 91
Bảng 3.33: Xác suất sự cố đẩy nổi tại mặt cắt 2-2, TH 2 và các hệ số ảnh hưởng ... 91
Bảng 3.34. Ứng suất thẳng đứng trong nền hầm tại mặt cắt 1-1 .............................. 93
Bảng 3.35: Các giá trị ứng suất tính lún.................................................................... 94
Bảng 3.36: Danh sách biến cố định theo cơ chế lún đường hầm-TH1 ..................... 94
Bảng 3.37: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế lún hầm-TH1 ........................... 95
Bảng 3.38: Xác suất sự cố lún quá mức cho phép tại mc1-1 và các hệ số ảnh hưởng
................................................................................................................................... 96
Bảng 3.39. Ứng suất thẳng đứng trong nền hầm tại mặt cắt 2-2 .............................. 97
Bảng 3.40: Các giá trị ứng suất tính lún.................................................................... 97
Bảng 3.41: Danh sách biến cố định theo cơ chế lún đường hầm-TH1 ..................... 97
Bảng 3.42: Danh sách biến ngẫu nhiên theo cơ chế lún hầm-TH1 ........................... 98
Bảng 3.43: Xác suất sự cố lún quá mức cho phép tại mc1-1 và các hệ số ảnh hưởng
................................................................................................................................... 99
Bảng 3.44. Bảng tổng hợp xác suất xảy ra sự cố với mặt cắt hầm ........................ 101


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Một số sự cố cơng trình ngầm trên thế giới ................................................8
Hình 1.2. Tỷ lệ giữa các loại sự cố cơng trình ngầm ..................................................9
Hình 1.4. Cầu vượt Ngã Tư Sở và nhà dân lân cận bị lún nứt ..................................10
Hình 1.5. Hầm Kim Liên bị mất ổn định thấm .........................................................10
Hình 2.1: Sơ đồ q trình phân tích rủi ro ................................................................19
Hình 2.3: Định nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số độ tin cậy .............................20
Hình 2.4: Sơ đồ hóa cây sự cố cơng trình ngầm .......................................................29
Hình 2.5. Mơ hình nền đàn hồi đối với hầm khơng áp .............................................30

Hình 2.6. Sơ đồ các áp lực tác dụng lên vỏ hầm .......................................................31
Hình 2.7. Mơ hình cân bằng giới hạn khi hầm đào nơng ..........................................32
Hình 2.8. Mơ hình vịm áp lực ..................................................................................35
Hình 2.9. Áp lực tác dụng lên cơng trình ngầm đặt sâu ............................................38
Hình 2.10 :Sơ đồ mặt cắt tính tốn ..........................................................................40
Hình 2.11. Tiết diện đặc trưng kiểm tra ứng suất .....................................................41
Hình 2.12..Sơ đồ cây sự cố chi tiết tính tốn ............................................................42
Hình 2.13. Hệ cơ bản tính tốn nội lực vỏ hầm .......................................................44
Hình 3.1: Sơ đồ bố trí các tuyến hầm thuộc dự án Metro Hồ Chí Minh ................54
Hình 3.2:Bản đồ địa chất của thành phố Hồ Chí Minh tuyến Mê Trơ dựkiến .........56
Hình 3.3: Mặt cắt địa chất dọc tuyến Metro1 ...........................................................57
Hình 3.4: Minh họa vị trí hầm trong đất ...................................................................63
Hình 2.11. Tiết diện đặc trưng kiểm tra ứng suất .....................................................65
Hình 3.5: Biểu đồ phân phối ảnh hưởng các hệ số đến cơ chế phá hoại điểm AN...69
Hình 3.7: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối các hệ số ảnh hưởng tới ổn định tại BN ........71
Hình 3.8: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại BT ............................72


Hình 3.9: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại CN ...........................73
Hình 3.10: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại CT ..........................74
Hình 3.11: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại AN .........................77
Hình 3.12: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại AT ..........................78
Hình 3.13: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại BN .........................79
Hình 3.14: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại BT ..........................80
Hình 3.15: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại CN .........................81
Hình 3.16: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối ảnh hưởng các hệ số tại CT ..........................82
Hình 3.16: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối hệ số ảnh hưởng mất ổn định đẩy nổi tại mc11, TH1........................................................................................................................85
Hình 3.17: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối hệ số ảnh hưởng mất ổn định đẩy nổi tại mc11, TH2........................................................................................................................87
Hình 3.17: Biểu đồ tỷ lệ % phân phối hệ số ảnh hưởng mất ổn định đẩy nổi tại mc22, TH1........................................................................................................................90
Hình 3.18: Biểu đồ phân phối tỷ lệ % các hệ số ảnh hưởngđến mất ổn định do đẩy

nổi tại mc2-2, TH2 ....................................................................................................91
Hình 3.20: Biểu đồ phân phối tỷ lệ % các hệ số ảnh hưởngđến mất ổn định do lún
quá mức cho phép, mc1-1 .........................................................................................96
Hình 3.20: Biểu đồ phân phối tỷ lệ % các hệ số ảnh hưởngđến mất ổn định do lún
quá mức cho phép, mc1-1 .........................................................................................99
Hình 3.21: Tổng hợp xác suất sự cố mặt cắt 1-1 theo OpenFTA ...........................102
Hình 3.22: Tổng hợp xác suất sự cố mặt cắt 2-2 theo OpenFTA ...........................103


BẢNG CÁC KÝ HIỆU
σ max

: Ứng suất tính tốn lớn

[σ]

: Ứng suất cho phép

K

: Hệ số an toàn;

Fg

: Yếu tố gây ổn định;

Ft

: Yếu tố gây mất ổn định;


K cp

: Hệ số an tồn cho phép

N tt

: Lực tính tốn gây mất ổn định

R gh

: Cường độ giới hạn bền cơng trình

S tt

: Biến dạng, chênh lệch biến dạng của cơng trình

[S]

: Biến dạng, chênh lệch biến dạng cho phép

R

: Độ bền hay khả năng kháng hư hỏng

S

: Tải trọng hay khả năng gây hư hỏng

Z


: Hàm tin cậy

γR

: Hệ số an toàn của độ bền

γS

: Hệ số an toàn của tải trọng

Φ-1

: Hàm ngược của hàm phân bố tiêu chuẩn

F X -1

: Hàm ngược của hàm phân bố xác suất của biến X

Pđ

: Áp lực đất theo phương thẳng đứng

Pv

: Áp lực đẩy ngược tác dụng lên đáy hầm

P build

: Tải trọng do các cơng trình trên mặt đất gây nên


P tran

: Tải trọng do các phương tiện, máy móc trên mặt đất gây nên

Pw

: Áp lực nước ngầm

P ng

: Áp lực theo phương ngang

h

: Chiều sâu lớp đất trên đỉnh hầm

hw

: Chiều cao mực nước ngầm trên đỉnh hầm


ρ

: Khối lượng riêng tự nhiên

ρ’

: Khối lượng riêng đẩy nổi

γw


: Khối lượng của nước

K0

: Hệ số áp lực ngang

c

: Lực dính của đất

φ

: Góc ma sát trong của đất

p

: Tải trọng bề mặt

hq

: Chiều cao vòm áp lực

fk

: Hệ số vững chắc của đất

σ

: Ứng suất pháp


ka

: Hệ số phụ thuộc

fk

: Độ nứt nẻ của đá

g

: Tải trọng của vỏ trên 1 đơn vị dài

q, σ z

: Địa áp thẳng đứng trên đỉnh hầm

R tr

: Bán kính trong của vỏ hầm

�M

: Tổng momen

F

: Diện tích của tiết diện tính tốn

W


: Modun chống uốn

W giữ

: Tổng lực giữ cơng trình không bị đẩy nổi

W đẩy nổi

: Lực đẩy nổi

g

: Trọng lượng 1m theo chu vi ngoài của hầm

R ng

: Bán kính ngồi của hầm

ρ

: Dung trọng tự nhiên của lớp đất

ρ’

: Dung trọng hiệu quả của đất

Hi

: Chiều dày lớp đất thứ i


�𝑁

: Lực dọc tổng hợp


hw

: Chiều cao cột nước trên đỉnh hầm

ρw

: Dung trọng riêng của nước

V hầm

: Thể tích hầm

[S]

: Độ lún cho phép

Sc

: Độ lún cố kết ổn định

Si

: Độ lún cố kết ổn định của lớp thứ i


𝜎𝑧đ

: Ứng suất bản thân đất nền

∆σ z

: Ứng suất tăng thêm thẳng đứng

σ 1i

: Ứng suất trung bình thẳng đứng lớp i ứng với giai đoạn trước khi
tác dụng ứng suất gây lún.

σ 2i

: Ứng suất trung bình thẳng đứng lớp i ứng với giai đoạn Sau khi
tác dụng ứng suất gây lún.

σ zi

: Ứng suất thẳng đứng gây lún lớp thứ i

µ0

: Hệ số nở hông lớp thứ i

hi

: Chiều dày lớp i


e 1i

: Hệ số rỗng lớp i ứng với giai đoạn trước khi gia tải

e 2i

: Hệ số rỗng lớp i ứng với giai đoạn sau khi gia tải


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cơng trình ngầm hiện nay là một giải pháp thích hợp để tăng khả năng đáp
ứng mật độ dân số cao của đô thị. Thêm vào đó sử dụng cơng trình ngầm có ưu
điểm là ít bị ảnh hưởng hơn bởi các vấn đề như ơ nhiễm mơi trường, biến đổi khí
hậu. Các trung tâm lớn của Việt Nam như thành phố Hà Nội và Hồ Chí Minh cũng
đang trú trọng hơn tới việc xây dựng và sử dụng giao thông và không gian ngầm.
Đặc điểm của các cơng trình ngầm, đặc biệt là cơng trình phục vụ giao thơng,
thường kéo dài qua nhiều vùng có điều kiện khác nhau về địa chất, thủy văn và tải
trọng bề mặt. Bên cạnh đó, các yếu tố này còn biến đổi theo thời gian. Sự ổn định
của cơng trình ngầm lại phụ thuộc vào các yếu tố trên mà khi tính tốn thiết kế
thường chúng ta chỉ chọn được một số giá trị, ứng với địa điểm và thời gian nhất
định. Vì vậy kết quả tính tốn có thể chưa phù hợp.
Việc áp dụng lý thuyết độ tin cậy trong tính tốn có thể giúp chúng ta tính tốn
ổn định khi có xét đến sự thay đổi của các yếu tố trên. Do đó đề tài nghiên cứu có
tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn.
2. Mục đích của đề tài
-Nghiên cứu lý thuyết của phương pháp, phân tích, đánh giá và tổng kết kinh
nghiệm của việc sử dụng phương pháp trong các tính tốn tương đương, từ đó đưa

ra cơ sở lý thuyết của phương pháp và ưu nhược điểm của phương pháp.
-Nghiên cứu các phương pháp tính tốn ổn định cơng trình ngầm thường sử
dụng hiện nay, ưu nhược điểm của phương pháp.
- Đánh giá khả năng ứng dụng lý thuyết độ tin cậy để tính tốn ổn định cơng
trình ngầm.
-Đề xuất phương án và quy trình cho việc sử dụng lý thuyết về độ tin cậy trong
tính tốn ổn định cơng trình ngầm. Tính tốn cụ thể cho một cơng trình ngầm.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu phát triển ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định
cơng trình ngầm. Dựa trên cơ sở lý thuyết chung về độ tin cậy và cơ sở tính tốn ổn
định cơng trình ngầm, thực hiện xây dựng bài tốn mẫu để đánh giá an tồn công


2
trình theo lý thuyết độ tin cậy, sau đó sử dụng bài tốn mẫu đã xây dựng được để
tính tốn với số liệu cơng trình cụ thể (MetroI Hồ Chí Minh).
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp khảo sát, thu thập số liệu thực tế tại một số cơng trình đã xây
dựng ở trong nước.
- Phương pháp chuyên gia: tập hợp, phân tích ý kiến của các chuyên gia.
- Khai thác nguồn thông tin mở trên mạng.
- Nghiên cứu lý thuyết cơ bản qua những tài liệu trong nước cũng như quốc tế.
- Ứng dụng công nghệ tin học hỗ trợ việc tính tốn, nghiên cứu bằng việc sử
dụng các phần mềm.
Với những nội dung và lý do kể trên học viên đã lựa chọn đề tài luận văn là:
“Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định cơng trình ngầm và ứng dụng cho
một đường hầm ở thành phố Hồ Chí Minh”.
Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương như sau:
Chương I: Tổng quan về ổn định cơng trình ngầm hiện nay ở Việt Nam và
một số nước trên thế giới: Chương này nhằm mục đích tổng hợp tài liệu về vấn đề

sử dụng cơng trình ngầm hiện nay, các sự cố đã xảy ra trong quá trình thi cơng và
sử dụng cơng trình ngầm, phân tích ngun nhân và đưa ra những nguyên nhân căn
bản gây mất ổn định cho cơng trình ngầm và đề xuất phương pháp tính ổn định cho
cơng trình ngầm.
Chương II: Cơ sở lý thuyết của phương pháp độ tin cậy: Nội dung cơ bản
chương này sẽ nghiên cứu sơ bộ cơ sở lý thuyết ban đầu của phương pháp độ tin
cậy, nghiên cứu cơ sở tính tốn ổn định cơng trình ngầm và mục tiêu là phải xây
dựng được phương trình hàm tin cậy để tính tốn ổn định cơng trình ngầm theo lý
thuyết độ tin cậy.
Chương III: Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy tính tốn ổn định cho một đường
hầm giao thơng ở Thành phố Hồ Chí Minh. Trong chương này tác giả luận văn sẽ
áp dụng các phương trình mẫu đã xây dựng ở chương II cùng với các phần mềm hỗ
trợ vào tính tốn cơng trình cụ thể và phân tích các kết quả tính tốn đạt được.


3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CƠNG TRÌNH
NGẦM HIỆN NAY Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI
1.1. Giới thiệu chung về ổn định cơng trình ngầm
1.1.1.Vấn đề sử dụng cơng trình ngầm hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới
Cơng trình ngầm đã bắt đầu được xây dựng từ rất lâu để phục vụ cho một số
nhiệm vụ chuyên biệt.Trong những thập kỷ gần đây, cơng trình ngầm là một giải
pháp thích hợp để tăng khả năng đáp ứng mật độ cao của dân số đơ thị.Thêm vào đó
sử dụng cơng trình ngầm có ưu điểm là ít bị ảnh hưởng hơn bởi các vấn đề như ô
nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu.Vì vậy ở các thành phố lớn trên thế giới cũng
như ở Việt Nam đã và đang trú trọng khai thác sử dụng cũng như xây dựng mới
cơng trình ngầm.
Ở Việt Nam cũng như trên thế giới, cơng trình ngầm đã được xây dựng để
phục vụ những mục đích chính như:

+ Mục đích giao thơng: hầm đường sắt, tàu điện ngầm, đường ô tô xuyên núi,
vượt sông, vượt biển, hầm cho người đi bộ qua đường, hầm vượt nút giao thơng.
+ Mục đích thủy lợi: hầm thủy điện, hầm cấp thốt nước, cống ngầm
+ Cơng trình ngầm đô thị: Gara ngẩm, hầm nhà dân dụng, hầm nhà xưởng,
trung tâm thương mại, hầm cấp thoát nước, hầm cáp thơng tin, thậm chí cả thành
phố ngầm.
+ Ngồi ra các cơng trình ngầm cịn phục vụ cho các mục đích qn sự, khai
khống, kho tàng, nhà máy, thực phẩm, lăng mộ..
Một số các cơng trình ngầm nổi tiếng đã được xây dựng trên thế giới như: Hệ
thống tàu điện ngầm Green Park, London, 1964; hầm Southend-on-sea Sewage,
UK, 1966; Rørvikskaret Road Tunnel on Highway 19, Thụy Điển, 1970, Orangefish Tunnel, Nam Phi, 1970;

Seoul Metro Line 5, Hàn Quốc, 1991; Munich


4
Underground, Đức, 1980;Gibei Railway Tunnel, Romania, 1985 . Moda Collector
Tunnel, Istanbul Sewerage Scheme, Thổ Nhĩ Kỳ, 1989...
Một số các công trình ngầm quan trọng đã được xây dựng ở Việt Nam từ rất
lâu như hầm giao thông qua đèo Hải Vân, hầm thủy điện Hịa Bình, Sơn La... Hai
thành phố lớn là Hà Nội và Hồ Chí Minh cũng đã và đang thực hiện các dự án lớn
về quy hoạch, xây dựng cơng trình ngầm như hệ thống tàu điện ngầm Metro Hà
Nội, Metro Hồ Chí Minh, trung tâm thương mại Rolyal city, pacific...
Vai trị của cơng trình ngầm ngày càng quan trọng hơn, đặc biệt là với các
thành phố dân cư đông đúc. Tuy nhiên để xây dựng và sử dụng cơng trình ngầm
một cách hiệu quả, tránh các thiệt hại về tính mạng cũng như tài sản do các sự cố
cơng trình ngầm gây ra hiện vẫn là một vấn đề cần đầu tư nghiên cứu kỹ lưỡng
trong cả khâu khảo sát, thiết kế và biện pháp thi cơng.
1.1.2. Một số sự cố mất ổn định cơng trình ngầm đã xảy ra.
Trên thực tế, trong cả quá trình thi cơng và vận hành cơng trình ngầm đã xảy

ra rất nhiều vấn đề liên quan đến sự an toàn, ổn định của bản thân cơng trình cũng
như các cơng trình lân cận.
Căn cứ vào ngun lý tính tốn địa lực tác dụng lên cơng trình ngầm, ta phân
chia cơng trình ngầm thành 2 kiểu là hố đào sâu (thường gặp là các tầng hầm nhà
cao tầng), và đường hầm kín nằm dưới mặt đất (thường gặp là các đường tàu điện
ngầm). Phạm vi luận văn xem xét đến các đường hầm kín xây dựng trong các đơ thị,
trên nền đất.
Sau đây là trích dẫn một số sự cố đã xảy ra đối với hầm thi công trong đất
trong cả giai đoạn thi công và khi đã đi vào sử dụng.
1.1.2.1. Trên thế giới
Một số các sự cố cơng trình ngầm đã xảy ra trên thế giới được trích dẫn trong
bảng sau:


5
Bảng 1.1.Một số sự cố đường hầm trên thế giới [19]
Loại
Tên cơng
trình

Mơ tả ra sự cố

hình
cơng

Thời
điểm

Hậu qủa


1991

Phá huỷ tồ

trình
Sao Paulo Khơng có sụt lở nhưng trên mặt đất
hình thành phễu lún (120mm).
metro,
Đường hầm đường kính 6m, chống
Brazil
bằng bê tơng phun dày 200mm. Sự
thay đổi điều kiện khối đất và điều
kiện thốt nước trước gương là
ngun nhân chính dẫn đến sự cố

Hầm
tàu
điện

nhà trên mặt
đất

ngầm

Gibei
Railway,
Romania,

Thấu kính cát khơng mong đợi chảy Railway 1985
tràn vào hầm qua vùng gương hầm

làm tắc một đoạn hầm

Gián đoạn
thi cơng

Bochum
Metro,
Đức

Phá huỷ phát triển lên tới bề mặt
hình thành phễu sụt. Nước ngầm là
nguyên nhân dẫn tới mất ổn định
khối đất trước gương. Một vịm sụt
lở có thể tích 30m3 hình thành phía
dưới mặt đường giao thơng

Hầm
tàu
điện
ngầm

1985

-

Munich
Metro,
Đức

Sụt lở đất tại khu vực giếng thi công, Metro

giếng bị ngập nước. Nguyên nhân là
do chiều dày lớp đất cứng bảo vệ
trên nóc đường hầm tại đoạn giao
với giếng khơng như dự đốn là
1,5m mà chỉ có 0,8m. Thể tích đất
sụt lở vào giếng là 450 m3

1987

Phá huỷ mặt
đất, máy đào
bị vùi lấp

Munich
Metro,
Germany

Chiều dày lớp đất phủ cuội sỏi là Metro
5m, phễu sụt phát triển tới bề mặt có
thể tích 30m3. Sụt lở xẩy ra tại phần
vịm khơng được chống giữ kịp thời

1987

Phá huỷ mặt
đất


6


Loại
Tên cơng

hình

Thời

cơng
trình

điểm

Hậu qủa

Munich

Khoảng 300m3 đất đã sụt lở vào Metro

1987

Phá huỷ mặt

Metro,
Germany

CTN kéo theo hố sụt phát triển tới bề
mặt. Nguyên nhân là do lớp đất cứng
bảo vệ trên nóc hầm quá mỏng so
với dự đoán thu được từ kết quả


trình

Mơ tả ra sự cố

đất, máy đào
bị vùi lấp

khảo sát dẫn đến chiều dài neo bảo
vệ tiến trước không đủ dài để giữ ổn
định gương hầm.
Munich
Metro,
Germany

Đường hầm đang thi công qua vùng Metro
đất được đóng băng thì 200m3 đất sụt
lở vào trong CTN và phát triển lên
tới bề mặt. Nguyên nhân là do vùng
đất đóng băng khơng đảm bảo chất
lượng, vẫn tồn tại một khoảng đất
khơng được đóng băng và đất bắt
đầu sụt lở từ khu vực này.

1987

Phá huỷ mặt
đất, máy đào
bị vùi lấp

Seoul

Metro,
Korea

Phá huỷ phát triển tới bề mặt xẩy ra Metro
khi đang đào bằng máy đào
Roadheader trong khối đất cát, cuội
sỏi chứa nước. Phễu sụt có kích
thước rộng 4m, sâu 6m

1992

phá
huỷ
cơng trình
bề mặt, gián
đoạn giao
thơng

Lambach
tunnel,
Austria

Phá huỷ phát triển tới bề mặt bắt đầu Railwa 1992
từ vị trí phần nền
y

Phá
hủy
mặt đất


Road
Tunnel,
Sao

Đường hầm thi công trong đất sét Metro
cứng nứt nẻ với tầng đất phủ nhỏ.
Phần vòm tiến trước quá xa dẫn đến

Phá huỷ mặt
đất mạnh

1993


7

Loại
Tên cơng

hình

Thời

cơng
trình

điểm

Hậu qủa


Munich

Chiều dày lớp đất cứng trên nóc đột Metro

1994

Chết người,

Metro,
Germany

ngột giảm so với dự kiến khiến cho
lớp cuội sỏi chứa nước phía trên sụt

gián
hoạt

lở vào trong đường hầm

bề mặt

trình
Paulo,
Brazil

Mơ tả ra sự cố
mất ổn định và biên hầm dịch
chuyển hội tụ đáng kể. Phá huỷ xẩy
ra tại gương hầm


Hangzho
u Metro,
Trung
Quốc,

Sập vỏ hầm, phá hủy áo hầm dầy Metro
800mm, tạo ra hố sụt rộng 21m, sâu
16m, nước từ sông chảy tràn vào hố
sụt

đoạn
động

15.11 Phá
75m
.2008 đường
giao
thông,
hệ
thống ống dẫn
nước
11
phương tiện
giao thông rơi
xuống hố,

Một số hình ảnh sự cố cơng trình ngầm đã xảy ra trên thế giới [20]

a. Sự cố bục vỏ, nước tràn vào hầm, mô phỏng sự cố
hầm SouthendonSea Sewage, Anh, 1966



8

b. Sự cố hầm Gibei Railway, Romania, 1985
(Do đi qua vùng địa chất (thấu kính cát) khơng như mong đợi.)

c. Sự cố sập vỏ hầm Hangzhou Metro, Trung Quốc, 15.11.2008
Hình 1.1. Một số sự cố cơng trình ngầm trên thế giới
Các chuyên gia đã liệt kê, so sánh tỷ lệ giữa các loại sự cố đã xẩy ra đối với
công trình ngầm trên thế giới và cho kết quả như sau:


9

Hình 1.2. Tỷ lệ giữa các loại sự cố cơng trình ngầm
Như vậy sự cố sụt đổ cơng trình ngầm và phá hủy phát triển đến mặt đất là hai
sự cố xẩy ra nhiều nhất (chiếm 80% tổng số sự cố xẩy ra đối với cơng trình ngầm).
1.1.2.2. Ở Việt Nam
Một số sự cố cơng trình ngầm trong đất đã xảy ra ở Việt Nam [11]:
+ Sự cố kỹ thuật tại hầm chui qua cầu Văn Thánh 2 tại TP. Hồ Chí Minh:
Sau khi đưa đường hầm vào sử dụng đã xuất hiện các sự cố như:
Mặt cầu bị sụt lún hơn 70cm đến mức không thể sử dụng được;
Đường hầm bị lún hơn 1m, kết cấu hầm rạn nứt, phá hủy nghiêm trọng;
Các cơng trình xây dựng lân cận khu vực hầm chui bị sụt lún, rạn nứt và phá
hủy nghiêm trọng bắt buộc phải tiến hành tháo dỡ, giải tỏa để đảm bảo an tồn

Hình 1.3.
Ảnh hưởng
của sự cố

hầm
chui
Văn Thánh
đến mặt cầu


10
+ Thi công hầm đường bộ Ngã Tư Sở gây lún nứt đường nhựa và các hộ dân,
vết nứt rộng 30cm, kéo dài gần 100m, các tường nhà dân bị xé 2-3m.

Hình 1.4. Cầu vượt Ngã Tư Sở và nhà dân lân cận bị lún nứt
+ Sự cố thấm nước tại hầm giao thông Kim Liên sau một thời gian đi vào hoạt động:

Hình 1.5. Hầm Kim Liên bị mất ổn định thấm
1.2. Các nguyên nhân gây mất ổn định cơng trình ngầm thường gặp
Tổng hợp từ các sự cố cơng trình ngầm đã xảy ra và kết quả đánh giá nguyên
nhân gây ra các sự cố đó của các chun gia, các hình thức mất ổn định có thể được
chia ra như sau:
1.2.1.

Nhóm nguyên nhân gây mất ổn định trong giai đoạn thi công:

Những nguyên nhân dẫn tới sự cố đã gặp khi thi công CTN bằng phương pháp
đào ngầm thông thường [20] (bảng 2):


11
Bảng 1.2. Nguyên nhân dẫn tới sự cố khi thi công CTN bằng phương pháp đào
ngầm thông thường
Nguyên nhân


Nguyên nhân

A-Sự cố xẩy ra tại phần vòm tiến

Phá huỷ xảy ra trước khi khép

trước nằm giữa gương đào và 11
vịm ngược

kín vòm ngược

ASụt lở xẩy ra do đất đá trên gương
1

mất ổn định

Phá huỷ xảy ra do sai sót
12

trong thi cơng

2

ASụt lở xẩy ra do phía trước gương
đào tồn tại các cơng trình nhân tạo
thi cơng trước đó

B- Sự cố xẩy ra trong khu
vực đã thi công kết cấu

chống sơ bộ

3

APhá huỷ trong vỏ chống do dịch
chuyển, biến dạng vượt quá giới hạn 1
cho phép

Phá huỷ xảy ra do dịch
chuyển vượt quá giới hạn cho
phép

APhá huỷ tại nền theo phương dọc
trục đường hầm
2

Phá huỷ do nhiều vị trí ứng
suất cục bộ quá lớn vượt quá
giá trị cho phép hoặc do điều
kiện tải trọng không dự kiến
trước

5

APhá huỷ tại nền theo phương hướng
tâm trong q trình thi cơng đường 3
hầm

Phá huỷ xảy ra do sai sót về
thi cơng hoặc vật liệu chống


6

APhá hủy do hiệu ứng dầm (beam
cantilever) tại khoảng giữa phần 4
vịm và vị trí khép kín vịm ngược

Phá huỷ xảy ra tại vị trí liên
kết giữa các kết cấu chống

7

APhá huỷ do phần vịm tiến trước
vượt q xa vị trí khép kín vịm 5
ngược

Phá huỷ do lỗi trong sửa
chữa, thay đổi kết cấu chống
sơ bộ

4


12

Nguyên nhân
APhá huỷ xẩy ra tại phần vòm ngược

Nguyên nhân
C- Các dạng phá huỷ khác


tạm

8

APhá huỷ xẩy ra tại phần chân kết cấu
vỏ chống phần vòm do đất nền vượt 1
quá khả năng mang tải

9

10

APhá huỷ trong kết cấu chống do ứng
suất hoặc do dịch chuyển của các 2
khối đá theo khe nứt

Phá huỷ tại khu vực cửa hầm
do đất đá phong hoá, bở rời

Phá huỷ phát triển từ giếng
đầu do đất đá yếu có hoặc có
nước ngầm

• Ngun nhân gây ra sự cố trong phương pháp máy khiên đào:
Có thể phân nhóm cơ chế phá huỷ chủ yếu khi thi công CTN bằng máy khiên
đào trong điều kiện đất yếu thành 2 nhóm:
-

Nhóm 1: sụt lở đất tại gương đào;


-

Nhóm 2: phá huỷ kết cấu khung vỏ chống CTN đã lắp đặt.

Nguyên nhân gây phá huỷ dưới dạng sụt lở đất tại gương đào được phân thành 4
dạng sau:
-Đất tại khu vực phía trước gương đào q yếu khơng phù hợp với biện pháp thi
công đang sử dụng dẫn tới những phá huỷ, sụt lở xẩy ra tại nền, nóc gương đào, sụt
lở cục bộ hay tồn bộ mặt gương;
-Chiều dày tầng đất phủ nhỏ hoặc tồn tại các hố trên bề mặt gây ra sự sụt lở bề
mặt;
-Đất/nước ngầm xâm nhập vào trong CTN;
-Trên nóc CTN tồn tại cấu trúc yếu theo phương thẳng đứng, các cơng trình
nhân tạo làm mất tính đồng nhất của mơi trường gây suy yếu khối đất.
Phá huỷ xẩy ra trong kết cấu khung vỏ chống CTN được phân thành 5 dạng sau:
Phá huỷ do cắt; Phá huỷ do nén; Phá huỷ do kết hợp uốn và đẩy; Phá huỷ cục bộ;
Mức độ kín khít giữa các đốt vỏ hầm. Nhóm phá hủy do nguyên nhân này tương tự
như đối với các dạng phá hủy trong kết cấu chống khi thi công theo phương pháp
đào mang tính chu kỳ.


13
1.2.2. Nhóm nguyên nhân gây mất ổn định trong giai đoạn vận hành:
-Điều kiện địa chất nền thay đổi theo thời gian: Độ ổn định của cơng trình ngầm
phụ thuộc một phần lớn vào đặc trưng kháng cắt của đất nền (như φ, c). Các đặc
trưng này; theo các phương pháp thiết kế truyền thống; thường được chọn là một
giá trị cố định. Tuy nhiên trong điều kiện đất nền không cho ứng xử đúng như mong
đợi, hoặc giá trị này bị suy giảm, biến đổi theo thời gian, hoặc bị thay đổi do tác
động mơi trường (ví dụ như thay đổi mực nước ngầm dẫn đến cố kết, trương nở).

Khi các đặc trưng kháng cắt thay đổi theo chiều hướng bất lợi so với giá trị lựa chọn
thiết kế ban đầu, đến một lúc nào đó, đất khơng cịn đủ khả năng chống đỡ, có thể sẽ
dẫn đến mất ổn định cơng trình ;
-Nước ngầm: Khi mực nước ngầm dao động, không chỉ làm ảnh hưởng đến các
chỉ tiêu cơ lý đất nền mà còn làm thay đổi áp lực thủy tĩnh tác động lên cơng trình.
Trong trường hợp xảy ra hiện tượng nước chảy vào trong cơng trình, cơng trình có
thể gặp sự cố do hai vấn đề sau: + Dòng thấm gây cản trở hoạt động hoạt động bình
thường của cơng trình (như người tham gia giao thơng) và làm suy yếu cường độ
cơng trình tại vị trí xảy ra thấm. + Sự vận động của dịng thấm kéo theo đất cát chui
vào hầm gây xói ngầm, đào rỗng đất nền và thay đổi cấp phối hạt;
-Động đất, nổ mìn, lực rung động do máy móc vận hành...gây mất ổn định cơng trình;
-Sụt lún nền cơng trình do tải trọng bề mặt, cơng trình lân cận gây ra: Khi cơng
trình ngầm đặt khơng sâu trong lịng đất, dưới tác dụng của tải trọng của các cơng
trình lân cận (xây dựng, phá dỡ nhà cửa, tải trọng giao thông...) sẽ làm thay đổi ứng
suất dẫn đến chuyển vị cho vùng nền ngay phía dưới các tải trọng này. Sự chuyển vị
của đất nền này kéo theo chuyển vị của cơng trình ngầm. Sự thay đổi tải trọng này
kéo theo thay đổi ứng suất tác dụng lên vỏ công trình ngầm. Nếu các giá trị thay đổi
vượt phạm vi cho phép có thể gây mất ổn định cục bộ cơng trình;
-Mất ổn định kết cấu chống đỡ, bảo vệ, vỏ cơng trình: Khi ứng suất tác dụng lên
vỏ cơng trình vượt quá khả năng cho phép của vỏ thì có thể gây phá hoại lớp vỏ
cục bộ như nứt, gẫy tại một số vị trí (như chân tường hầm, đỉnh hầm, khớp nối giữa


14
các đốt hầm), đẩy bật bản đáy (do ứng suất nền bị giảm khi đào hầm, do nước ngầm
sinh lực đẩy nổi quá lớn)...
1.2.3.

Tổng kết chung


Liệt kê các nguyên nhân gây sự cố cơng trình ngầm, chun gia cho tỷ lệ phần
trăm giữa các loại sự cố như sau:

Hình 1.6. Tỷ lệ giữa các nguyên nhân gây sự cố công trình ngầm [11]
1.3. Các phương pháp tính tốn, thiết kế ổn định cơng trình ngầm truyền
thống và ưu nhược điểm của chúng
Thiết kế truyền thống hiện nay là tính tốn cơng trình theo mơ hình tất định.
Theo phương pháp này các giá trị thiết kế của tải trọng và các tham số độ bền được
xem là xác định, tương ứng với trường hợp và tổ hợp thiết kế.Người thiết kế lựa
chọn điều kiện giới hạn và tương ứng với nó là các tổ hợp tải trọng thiết kế thích
hợp.Giới hạn này thường tương ứng với độ bền đặc trưng của cơng trình.
Cơng trình được coi là an tồn khi khoảng cách giữa tải trọng và độ bền đủ lớn
để đảm bảo thỏa mãn từng trạng thái giới hạn của tất cả các thành phần cơng trình.
Tính tốn theo cách này mới chỉ giải quyết được hai vấn đề là ổn định tổng thể
và ổn định theo độ bền của công trình.
Nội dung các phương pháp thiết kế như sau:
1.3.1.Phương pháp ứng suất cho phép
Là phương pháp kiểm tra độ bền cơng trình dựa vào việc so sánh ứng suất phát
sinh trong cơng trình do tải tác dụng vào cơng trình và ứng suất lớn nhất mà vật liệu
xây dựng công trình chịu đựng được.