Nghiên cứu rung động và biện pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

--------------

NGUYỄN QUANG DŨNG

NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG VÀ BIỆN PHÁP

GIẢM RUNG ĐỘNG TRONG NỀN DO KHAI THÁC

HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

--------------

NGUYỄN QUANG DŨNG

NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG VÀ BIỆN PHÁP

GIẢM RUNG ĐỘNG TRONG NỀN DO KHAI THÁC

HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt

Mã số: 62 58 02 06

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS. VŨ ĐÌNH LỢI

HÀ NỘI - NĂM 2013

i

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với GS.TS Vũ

Đình Lợi đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá

trị giúp tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu này. Tác giả luôn trân trọng sự

động viên, khuyến khích và những kiến thức chuyên môn mà Giáo sư đã chia

sẻ cho tác giả trong nhiều năm qua, giúp tác giả nâng cao năng lực khoa học

và củng cố lòng yêu nghề.

Tác giả trân trọng cảm ơn Bộ môn Công trình quốc phòng, Viện Kỹ

thuật công trình đặc biệt, Phòng Sau đại học – Học viện Kỹ thuật Quân sự đã

tạo điều kiện giúp đỡ và hợp tác trong quá trình nghiên cứu.

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải III

đã tạo điều kiện, hỗ trợ về vật chất, tinh thần và thời gian trong suốt quá trình

nghiên cứu của tác giả.

Cuối cùng tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân

trong gia đình đã cảm thông, động viên và chia sẻ những khó khăn với tác giả

trong suốt thời gian làm luận án./.

Tác giả

Nguyễn Quang Dũng

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Quang Dũng, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên

cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa

từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào.

Tác giả

Nguyễn Quang Dũng

iii

MỤC LỤC

Lời cảm ơn ......................................................................................................... i

Lời cam đoan.....................................................................................................ii

Mục lục.............................................................................................................iii

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt.................................................................. vi

Danh mục các bảng biểu. ................................................................................. ix

Danh mục hình vẽ, đồ thị .................................................................................. x

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................ 6

1.1. Khái niệm cường độ rung động ................................................................ 6

1.2. Cơ chế gây rung động và ảnh hưởng của rung động do khai thác hệ

thống tàu điện ngầm.................................................................................. 7

1.2.1. Cơ chế gây rung động do khai thác hệ thống tàu điện ngầm.................. 7

1.2.2. Phản ứng của con người với rung động và giới hạn rung....................... 9

1.2.3. Ảnh hưởng rung động đến công trình xây dựng................................... 12

1.3. Tổng quan các phương pháp dự báo rung động và mô tả tải trọng động

đoàn tàu. .................................................................................................. 13

1.4. Tổng quan các phương pháp giảm rung động . ...................................... 19

1.5. Các kết quả đạt được của các công trình nghiên cứu đã công bố........... 22

1.6. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu.................................................... 24

1.7. Các kết luận rút ra từ tổng quan.............................................................. 24

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

THAM SỐ ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT ............................................................ 26

2.1. Các tham số động nền đất và tổng quan các phương pháp xác định ...... 26

2.2. Phương pháp xác định tham số động của nền đất theo công thức thực

nghiệm..................................................................................................... 30

2.2.1. Xác định vận tốc sóng cắt từ thí nghiệm SPT [66] .............................. 30

2.2.2. Xác định vận tốc sóng cắt từ thí nghiệm CPT [66]............................... 31

iv

2.2.3. Xác định tỷ số cản theo công thức thực nghiệm................................... 34

2.3. Thử nghiệm số xác định các tham số động nền đất tuyến metro số 6 -

TpHCM ................................................................................................... 35

2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................... 41

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT DO KHAI

THÁC HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM .................................................... 43

3.1. Đặt bài toán và các giả thiết tính toán..................................................... 43

3.2. Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn phân tích bài toán tương tác giữa

kết cấu và nền biến dạng chịu tải trọng động ......................................... 44

3.3. Nghiên cứu rung động bằng phần mềm xác định tải trọng động tàu

điện ngầm (DLT) và gói phần mềm PLAXIS......................................... 47

3.3.1. Phân tích lựa chọn mô hình nền áp dụng cho nền đất TPHCM. .......... 49

3.3.2. Nghiên cứu mô phỏng tải trọng động và xây dựng phần mềm xác

định tải trọng động của đoàn tàu lưu thông trong hầm (DLT). ............ 52

3.3.3. Xác định tần số dao động riêng của nền nhiều lớp bằng Plaxis........... 60

3.3.3.1. Xác định tần số dao động riêng của nền đất tuyến metro số 6 ......... 63

3.3.3.2. Ảnh hưởng sự phân bố các lớp đất và sức cản của nền .................... 65

3.4. Dự báo rung động của nền do khai thác tàu điện ngầm TpHCM........... 68

3.4.1. Xác định sơ đồ bố trí tải trọng động và kích thước mô hình................ 70

3.4.2. Cường độ rung động theo phương ngang hầm tại Km0+940 và Km

6+700 trên tuyến metro số 6 – TpHCM................................................ 73

3.5. Thử nghiệm số khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố của hầm, nền đến

rung động trong nền ................................................................................ 75

3.5.1. Ảnh hưởng của khuyết tật mặt tiếp xúc bánh xe-ray đến rung động

nền......................................................................................................... 75

3.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ chạy tàu đến rung động nền ............................. 76

3.5.3. Ảnh hưởng loại hầm đến rung động nền .............................................. 76

3.5.4. Ảnh hưởng độ dày vỏ hầm đến rung động nền..................................... 77

v

3.5.5. Ảnh hưởng của lớp đất yếu đến rung động nền.................................... 78

3.6. Kết luận chương 3................................................................................... 80

3.6.1. Những kết quả chính đạt được .............................................................. 80

3.6.2. Những kiến nghị về mặt kỹ thuật.......................................................... 81

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP GIẢM RUNG ĐỘNG

TRONG NỀN DO KHAI THÁC HỆ THỐNG XE ĐIỆN NGẦM ........... 83

4.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 83

4.2. Vật liệu đàn hồi giảm rung động............................................................. 85

4.3. Mô hình bài toán và trình tự tính toán hiệu quả giảm rung .................... 87

4.4. Đánh giá hiệu quả giảm rung động bằng đệm đàn hồi Sylomer đặt

vĩnh cửu trong đường hầm...................................................................... 94

4.4.1. Phương án bố trí 1 lớp đệm đàn hồi Sylomer....................................... 95

4.4.1.1. Bố trí tấm Sylomer tại đáy ray ......................................................... 95

4.4.1.2. Bố trí 1 lớp Sylomer trong sàn hầm.................................................. 97

4.4.2. Phương án bố trí 2 lớp Sylomer trong sàn hầm................................. 102

4.5. Khảo sát ảnh hưởng một số yếu tố đến hiệu quả giảm rung của đệm

đàn hồi Sylomer .................................................................................... 109

4.5.1. Ảnh hưởng của chiều dày lớp đệm đàn hồi Sylomer.......................... 109

4.5.2. Ảnh hưởng của chiều rộng lớp đệm đàn hồi Sylomer........................ 110

4.5.3. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi lớp đệm Sylomer............................. 111

4.5.4. Ảnh hưởng của lớp đất yếu ................................................................ 112

4.6. Kết luận chương 4................................................................................. 114

4.6.1. Những kết quả chính đạt được ............................................................ 114

4.6.2. Những kiến nghị về mặt kỹ thuật........................................................ 114

KẾT LUẬN CHUNG.................................................................................. 116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ..... 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 121

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1. Danh mục các ký hiệu

1.1. Các ký hiệu bằng chữ Latinh

A Biên độ dao động,

ASF Hệ số địa tầng

[B]n Ma trận quan hệ biến dạng - chuyển vị của phần tử,

[C]n, [C] Ma trận cản của phần tử , ma trận cản của hệ,

E Mô đun đàn hồi của vật liệu,

e Hệ số rỗng của đất,

fS Sức kháng ma sát trên thành lỗ xuyên,

fSP Tần suất lấy mẫu,

F(t) Hàm tải trọng động của đoàn tàu theo thời gian,

g Gia tốc trọng trường,

G Mô đun kháng trượt của vật liệu,

Ic Hệ số ứng xử của địa tầng,

[K]n, [K] Ma trận độ cứng phần tử, ma trận độ cứng của hệ,

L Cường độ rung động lớn nhất,

[M]n, [M] Ma trận khối lượng phần tử, ma trận khối lượng của hệ,

Số búa SPT/30cm,

PI Chỉ số dẻo của đất,

qc Sức kháng mũi trong thí nghiệm CPT,

t1, t2 Thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc tính toán VRMS,

U, UX, UY Chuyển vị, chuyển vị theo phương x và y,

, Véc tơ chuyển vị nút của phần tử, véc tơ chuyển vị nút của hệ,

vn Vận tốc dao động tại thời điểm n,

vmax Vận tốc dao động lớn nhất,

vmax Hiệu quả giảm giá trị vận tốc rung lớn nhất,

vP Vận tốc truyền sóng nén,

vii

vS Vận tốc truyền sóng cắt,

v, vx, vy Vận tốc dao động, vận tốc dao động theo phương x và y,

vref Vận tốc dao động tham chiếu,

vRMS Vận tốc dao động căn quân phương,

V Vận tốc khai thác chạy tàu,

1.2. Các ký hiệu bằng chữ Hy Lạp

, Các tham số trong tích phân Newmark,

R, R Các hằng số cản Rayleigh,

S Độ dày đệm đàn hồi trong trường hợp bố trí 1 lớp,

S1 Độ dày đệm đàn hồi lớp trên trong trường hợp bố trí 2 lớp,

S2 Độ dày đệm đàn hồi lớp dưới trong trường hợp bố trí 2 lớp,

t Bước thời gian tích phân,

L Hiệu quả giảm rung,

Hiệu quả giảm rung trung bình,

(z) Hàm số phân bố tải trọng P=1 tại tọa độ z,

Biên độ biến dạng cắt,

’V Ứng suất có hiệu thẳng đứng,

Hệ số Poisson,

i

, j Các tần số dao động riêng,

i

, j Các tỷ số cản,

Tỷ số cản,

2. Danh mục các chữ viết tắt

BEM Phương pháp phần tử biên

CPT Thí nghiệm xuyên tĩnh,

DFN Phương pháp mạng rời rạc đứt gãy

DLT2013 Phần mềm tính toán tải trọng động của đoàn tàu tác dụng xuống

vỏ hầm,

viii

FEM Phương pháp phần tử hửu hạn,

FDM Phương pháp sai phân hữu hạn,

GPMB Giải phóng mặt bằng,

PPV Vận tốc dao động đỉnh,

PTHH Phần tử hữu hạn,

RMS Căn quân phương,

SPT Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn,

Sylomer Tên vật liệu đàn hồi tiêu chuẩn của hãng Getzner,

SR Ký hiệu của loại Sylomer tiêu chuẩn của hãng Getzner,

SDOF Hệ một bậc tự do,

TpHCM Thành phố Hồ Chí Minh,

VdB Đơn vị của cường độ rung hay decibel rung động,

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Mô tả phản ứng của người với rung động [43] ................................ 9

Bảng 1.2. Cường độ rung cao nhất cho phép trong nhà [43].......................... 10

Bảng 1.3. Cường độ rung tối đa và trung bình cho phép [75], [76], [77]....... 11

Bảng 1.4. Rung động giới hạn đối với kết cấu công trình xây dựng [43]. ..... 12

Bảng 2.1. Quan hệ của vS và SPT (N*60) cho đất cát theo Andrus (2003)

[66].................................................................................................. 30

Bảng 2.2. Bảng tra ASF cho thí nghiệm SPT theo Andrus (2003) [66]......... 31

Bảng 2.3. Quan hệ của vS và CPT (qc -kPa) theo Andrus (2003) [47] ........... 32

Bảng 2.4. Bảng tra ASF cho thí nghiệm CPT theo Andrus (2003) [66]......... 32

Bảng 2.5. Phương trình xác định vS cho các lớp đất theo độ sâu tuyến

metro 6 ............................................................................................ 39

Bảng 2.6. Kết quả xác định tốc độ sóng cắt và tỷ số cản tại Km0+940 ......... 40

Bảng 2.7. Kết quả xác định tốc độ sóng cắt và tỷ số cản tại Km6+700 ......... 40

Bảng 3.1. Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất của tuyến metro số 6 – TpHCM [2]...... 69

Bảng 3.2: Kích thước hình học và các chỉ tiêu vật liệu của hầm tuyến metro

số 6 .................................................................................................. 70

Bảng 4.1. So sánh ba loại sản phẩm giảm rung của hãng Getzner [45] ......... 86

Bảng 4.2. Quan hệ giữa hệ số mất mát và tần số kích thích của tải trọng

[45].................................................................................................. 86

Bảng 4.3. Trị số ứng suất giới hạn của các loại Sylomer [45], [46]............... 87

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình M.1. Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị Hà Nội..................... 2

Hình M.2. Bản đồ quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị TpHCM................... 3

Hình 1.1. Sơ đồ phát sinh và lan truyền rung động từ tàu điện ngầm [43]......... 7

Hình 1.2. Sơ đồ khối quá trình truyền dẫn rung động [64]................................. 8

Hình 1.3. Phân loại các phương pháp dự báo rung động.................................. 13

Hình 1.4. Giao diện chính của phần mềm PiP version 4.01 ............................. 17

Hình 1.5. Các giải pháp sử dụng đệm đàn hồi trong sàn hầm [60]................... 20

Hình 2.1. Các phương pháp xác định tham số động nền đất [69]..................... 27

Hình 2.2. Miền và phạm vi áp dụng các thí nghiệm động [52] ........................ 28

Hình 2.3. Quan hệ giữa tỷ số cản của cát (PI=0%) và ................................... 35

Hình 2.4. Quan hệ giữa tỷ số cản của sét (PI=35%) và .................................. 35

Hình 2.5. Kết quả tính toán tốc độ truyền sóng cắt từ thí nghiệm CPT cho

điểm xuyên HX02 tuyến metro số 6. ................................................ 38

Hình 2.6. Kết quả tính toán tốc độ truyền sóng cắt từ thí nghiệm CPT cho

điểm xuyên HX08 tuyến metro số 6. ................................................ 38

Hình 3.1. Mô hình bài toán khi hệ chịu tác dụng tải trọng động tàu điện

ngầm.................................................................................................. 43

Hình 3.2. Sơ đồ khối giải bài toán dự báo rung động trong nền do khai thác

hệ thống tàu điện ngầm bằng gói phần mềm Plaxis ......................... 48

Hình 3.3. Các tham số của mô hình Mohr-Coulomb trong Plaxis [26]............ 51

Hình 3.4. Các tham số của mô hình Cam-Clay cải biên trong Plaxis [26]....... 51

Hình 3.5. Sơ đồ tải trọng của 1 trục xe tác dụng lên ray theo Bernoulli-Euler 54

Hình 3.6. Đồ thị hàm (z) của 1 trục xe P=1 ................................................... 54

Hình 3.7. Sơ đồ tải trọng trục đoàn tàu và kích thước toa xe ........................... 55

Hình 3.8. Giao diện mô đun chính của chương trình DLT............................... 58

Hình 3.9. Sơ đồ khối tổ chức chương trình DLT.............................................. 58

Hình 3.10. Một đoạn code chương trình trong Labview cho mô đun 01. ........ 59

xi

Hình 3.11. Giao diện nhập liệu cho mô đun 01 – Không bố trí đệm đàn hồi... 60

Hình 3.12. Giao diện kết quả cho mô đun 01 – Không bố trí đệm đàn hồi...... 60

Hình 3.13. Bản ghi động đất Upland, ngày 28/02/1990, 11h43’00” PM được

tích hợp sẵn trong phần mềm Plaxis [26]. ........................................ 61

Hình 3.14. Trình tự xác định tần số dao động riêng trong Plaxis..................... 61

Hình 3.15. Xác định tần số dao động riêng nền đất tại Km0+940.................... 64

Hình 3.16: Xác định tần số dao động riêng nền đất tại Km6+700 ................... 65

Hình 3.17. Ảnh hưởng của nền nhiều lớp đến tần số dao động riêng .............. 66

Hình 3.18. Ảnh hưởng sức cản của các lớp đất đến tần số dao động riêng ..... 67

số 6 – TpHCM [2]......... 69

– TpHCM [2]......... 70

.................... 71

............ 71

động tổng cộng của điểm B khi tải trọng đối

xứng và không đối xứng, tại Km0+940, khi V= 80km/h,

fir=63Hz........................................................................................... 72

x và vy của B, tại Km0+940, khi V=80km/h,

fir=63Hz........................................................................................... 73

fir=63Hz........................................................................................... 73

Hình 3.26. Đồ thị cường độ rung theo thời gian của B, E, H, tại Km0+940,

khi V=80km/h, fir= 63Hz ................................................................ 74

phương ngang, tại Km0+940, khi V=80km/h. .............................. 74

phương ngang, tại Km6+700, khi V=80km/h. .............................. 74

L, vmax của điểm B và fir, tại Km0+940, khi

V=80km/h. ..................................................................................... 74

xii

0. Quan hệ giữa L, vmax của điểm B và vận tốc chạy tàu, tại

Km0+940, khi air=30cm.................................................................. 76

. Sự thay đổi L, vmax của các điểm A J trong trường hợp mặt cắt

ngang hầm là chữ nhật và tròn, tại Km6+700, khi V=80km/h,

air=30cm. ......................................................................................... 77

2. Sự thay đổi L, vmax của các điểm A J tương ứng với các trường

hợp độ dày vỏ hầm, tại Km0+940, khi V=80km/h, air=30cm. ....... 77

3. Quan hệ giữa L, vmax của điểm B và độ dày vỏ hầm, tại

Km0+940, khi V=80km/h, air=30cm. ............................................. 77

4. Đồ thị của vx của điểm ở đáy lớp 1 ( X=7m, Y=-16.41m) và đỉnh

lớp 1(X=7m, Y=-4.79m), tại Km6+700, khi V=80km/h,

fir=63Hz........................................................................................... 78

5. Đồ thị của vy của điểm ở đáy lớp 1 ( X=7m, Y=-16.41m) và đỉnh

lớp 1(X=7m, Y=-4.79m), tại Km6+700, khi V=80km/h,

fir=63Hz........................................................................................... 78

6. Sự thay đổi L theo phương thẳng đứng tại đỉnh hầm (X=7m), khi

V=80km/h, air=30cm....................................................................... 79

Hình 4.1. Các phương án bố trí đệm đàn hồi trong đường ray ........................ 84

Hình 4.2. Quan hệ giữa mô đun đàn hồi động của Sylomer và tần số kích

thích của tải trọng [46].................................................................... 86

Hình 4.3. Sơ đồ giải bài toán giảm rung cho công trình có lớp đệm đàn hồi

bằng phần mềm Plaxis ................................................................... 88

Hình 4.4. Sơ đồ giải bài toán giảm rung cho công trình có lớp đệm đàn hồi

bằng gói phần mềm Plaxis.............................................................. 89

Hình 4.5. Nguyên lý phân bố tải trọng xuống vỏ hầm trong trường hợp có

và không có đệm mềm bố trí trong đường ray ............................... 90

Hình 4.6. Giao diện nhập số liệu khi bố trí 1 lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm. 91

Hình 4.7. Giao diện kết quả khi bố trí 1 lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm......... 91