Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận

Mục tiêu nghiên cứu của luận án Mục tiêu nghiên cứu của luận án như sau: ➢ Xây dựng các mô hình số 2D, 3D cho phép phân tích, dự báo ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ

ĐẶNG VĂN KIÊN

ĐẶNG VĂN KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN

KHI THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM ĐẾN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐẶNG VĂN KIÊN

ĐẶNG VĂN KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN

KHI THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM ĐẾN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN

Ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình ngầm

Mã số: 9580204

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS.NGND.Võ Trọng HùngS Võ Trọng

Hùng

Chương 1 Tổng quan về ảnh hưởng của chấn động nổ mìn thi công

1.1 Tổng quan và định hướng nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ

mìn khi đào hầm đến công trình ngầm lân cận 1 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu chấn động nổ mìn do đào hầm đến

công trình ngầm lân cận trên thế giới 5 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu chấn động nổ mìn do đào hầm đến

công trình ngầm lân cận tại Việt Nam 9 1.4 Đánh giá chung về tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước

1.5 Những vấn đề tập trung nghiên cứu của luận án 16

Chương 2 Lý thuyết về truyền sóng trong môi trường đất đá và

phương pháp xác định sự ảnh hưởng của sóng nổ lên kết cấu đường

2.3 Đặc tính tải trọng sinh ra do sóng nổ và đặc điểm làm việc của kết

cấu đường hầm dưới tác dụng của sóng nổ 28 2.4 Các phương pháp mô phỏng áp lực nổ khi nổ mìn tại gương hầm 31 2.5 Các thông số nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn 39

Chương 3 Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn thi công

đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn đến kết cấu đường hầm

lân cận thông qua phương pháp đo đạc thực nghiệm hiện trường

42

3.1 Tổng quan về sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn tới môi trường 42 3.2 Nghiên cứu đo PPV, biến dạng khi thi công đường hầm Croix-Rousse 44 3.3 Các phương pháp đánh giá chấn động nổ mìn đến công trình lân cận 49 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường

hầm lân cận khi nổ mìn tại gương hầm bằng phương pháp đo đạc thực tế 56 3.5 Khảo sát mối quan hệ giữa RMR của khối đá và các thông số K và

4.1 Tổng quan về các thông số động của khối đá và vỏ chống 81 4.2 Phương pháp xác định các thông số động của khối đá và kết cấu chống 83 4.3 Xác định các thông số động của khối đá bằng thí nghiệm động SHPB 84

4.5 Tính toán đặc tính động học của các thanh 94 4.6 Thí nghiệm SHBP trên mẫu đá granit 95 4.7 Phát triển mô hình số ba chiều 3D mô phỏng thí nghiệm SHPB 104

Chương 5 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi đào

5.2 Xây dựng mô hình số hai chiều 2D, mô hình ba chiều 3D khảo sát

bê tông cố định của đường hầm cũ lân cận 142

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2018

Tác giả luận án

Đặng Văn Kiên

LỜI CẢM ƠN

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, các nhà khoa học, cán

bộ, chuyên viên Bộ môn Xây dựng Công trình ngầm và Mỏ, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ-Địa chất; tập thể Ban Lãnh đạo Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ-Địa chất; tập thể Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, các giảng viên, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Đại học Mỏ-Địa chất đã hết sức tạo điều kiện và giúp đỡ tận tình trong quá trình thực hiện luận án với luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận” Chúng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó

Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS.NGND Võ Trọng Hùng - Người Thày đã dành nhiều tâm huyết trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho Tôi hoàn thành luận án này

Chúng tôi cũng xin cảm ơn TS Đỗ Ngọc Anh đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thiện phần nội dung nghiên cứu mô hình số

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên tôi trong thời gian thực hiện luận án

Xin cảm ơn Nguyễn Thị Phương, Đặng Gia Bảo, Đặng Gia Hân đã luôn bên tôi động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BDI - Chỉ số phá hủy nổ mìn (Blast Damage Index)

BEM - Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method)

CAE - Môi trường đầy đủ của Abaqus (Complete Abaqus Evironment) DAM - Chuyển vị của phần tử (Displacement or the amount of movement)

DEM - Phương pháp phần tử riêng rẽ (rời rạc) (Distinct Element Method), DDA - Phương pháp phân tích biến dạng không liên tục (Discontinuos Deformation Analysis)

FCPV - Tần số dao động ứng với vận tốc dao động phần tử (Frequency content of particle velocity)

FDM - Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method)

FE - Phần tử loại hữu hạn (Finite Element)

FEM - Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

FEM-DEM - Phương pháp hỗn hợp phương pháp phần tử hữu hạn và phần tử rời rạc (Finite-Discrete Element Method)

IE - Phần tử loại vô hạn (Infinite Element)

n.n.k - Những người khác

NRBC - Điều kiện biên không phản xạ (Non-Reflecting Boundary Condition) PFC - Phương pháp dòng hạt (Particle Flow Code)

PPV - Vận tốc dao động phần tử đỉnh (Peak Particle Velocity)

PPA - Gia tốc phần tử lớn nhất (Peak Particle Acceleration)

SF - Tần số dao động riêng của kết cấu (Specific Frequency)

SHPB - Thí nghiệm động (Split Hopkinson Pressure Bar test)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số trong phương trình trạng thái của thuốc nổ TNT 38

Bảng 3.6 Tiêu chuẩn của Thụy sĩ đánh giá mức độ chấn động của chấn

động nổ mìn đến các công trình lân cận (SN 640 312:1978) 52

Bảng 3.7 Tiêu chuẩn GB 6722-2003 của Trung Quốc về mức độ an

toàn của kết cấu công trình ngầm trên cơ sở giá trị cho phép của [PPV] 53

Bảng 3.8 Tiêu chuẩn Đức về mức độ an toàn của kết cấu công trình

ngầm trên cơ sở giá trị của [PPV] (DIN4150 1999-02) 53

Bảng 3.10 Mối quan hệ giữa Dib và mức độ phá hủy trong khối đá bao

quanh và kết cấu chống giữ đường hầm (vỏ chống bê tông cũ) 56

Bảng 3.11 Kết quả đo chấn động gây ra bởi quá trình nổ mìn đường

hầm bởi cảm biến P với dải tần số thấp (f=130 Hz) 64

Bảng 3.18 Quan hệ giữa Ln(K),  và RMR của cảm biến P với 0<H<45 m 73

Bảng 3.20 Quan hệ giữa Ln(K), K, α với RMR của cảm biến T khi H>0 75

Bảng 5.3 Sự ảnh hưởng của hệ số giảm chấn  đến giá trị PPV trong vỏ

Bảng 5.4 Sự ảnh hưởng của mô đun đàn hồi động Ed đến giá trị PPV 129

Bảng 5.5 Giá trị PPV (mm/s) đạt được trong phương pháp mô hình số

với các mô hình phá hủy vật liệu khác nhau và phương pháp đo đạc thực tế 131

Bảng 5.6 Kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của vị trí gương đường

hầm đến chấn động đối với vỏ chống bê tông cũ của đường hầm lân cận 138

Bảng 5.7 Giá trị (Dib) tại một số điểm quan sát trên biên đường hầm

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự cố, phá hủy xảy ra trong một số đường hầm ở Việt Nam và

Hình 1.2 Nổ mìn đào đường hầm gây nứt nhà dân tại dự án xây dựng

đường hầm cao tốc Đà Nẵng-Quảng Ngãi 3

Hình 1.5 Ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu công trình lân

cận: a - Kết cấu đường hầm lân cận; b - Kết cấu công trình bề mặt 5

Hình 1.6 Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của nổ mìn trong môi trường

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả sự tác động của các loại sóng nổ gây ra bởi vụ nổ

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán tương đương kết cấu đường hầm do sự lan

Hình 2.8 Hình dạng xung áp lực nổ ứng với hai loại thuốc nổ khác nhau 35

Hình 2.10 Mô hình tải trọng tác dụng theo thời gian khi nổ nhiều đợt lỗ

Hình 3.4 Một mặt cắt địa chất gương hầm 45

Hình 3.6 Sơ đồ bố trí các lỗ mìn trên gương và trình tự nổ các lỗ mìn 46

Hình 3.8 Vị trí các cảm biến trong vỏ chống bê tông của đường hầm cũ 48

Hình 3.10 Kết quả đo PPV và chuyển vị tại một vị trí của cảm biến

điển hình tại dự án hầm Croix-Rousse 49

Hình 3.13 Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) và tỉ lệ khoảng cách (D/ Q)

theo ba phương dựa trên dữ liệu đo của cảm biến T tại dự án hầm

Croix-Rousse

59

Hình 3.14 Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) và tỉ lệ khoảng cách (D/ Q)

theo ba phương dựa trên dữ liệu đo của cảm biến A theo ba phương 59

Hình 3.15 Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) thẳng đứng (V) và tỉ lệ

khoảng cách (D/ Q ) dựa trên dữ liệu đo của cảm biến P tại vị trí PM

220÷PM340

59

Hình 3.16 Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) theo phương nằm ngang (H)

và tỉ lệ (D/ Q) dựa trên dữ liệu đo của cảm biến P tại vị trí PM

220÷PM340

60

Hình 3.17 Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) theo phương dọc trục hầm (L)

và (D/ Q) dựa trên dữ liệu đo của cảm biến P tại vị trí PM

220÷PM340

60

Hình 3.18 Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) theo phương dọc trục hầm và

(D/ Q) dựa trên dữ liệu đo của cảm biến P tại vị trí PM 220÷PM340

theo ba phương

60

Hình 3.19 Quan hệ giữa ln(PPV) theo ba phương (V, H, L) và tỉ lệ

khoảng cách (D / Q) theo kết quả ghi được của cảm biến T tại vị trí

PM1400

61

Hình 3.20 Sơ đồ xác định khoảng cách giữa vị trí nổ mìn và điểm quan sát 62

Hình 3.23 Sơ đồ thể hiện khoảng cách tương đối H của vị trí đặt cảm

Hình 3.36 Quan hệ giữa ln (K) và α theo RMR khi H<0 và H>0 m 76

Hình 4.1 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến độ bền nén của bê tông 82

Hình 4.2 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến độ bền kéo của bê tông 82

Hình 4.6 Đồ thị truyền sóng ứng suất trong thí nghiệm SHPB điển hình 86

Hình 4.9 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm SHBP tại phòng thí nghiệm thuộc

Hình 4.10 Hệ thống khởi động của thanh chuyển động và vị trí mẫu

Hình 4.15 Biến dạng trên thanh tới (cảm biến 5) và thanh truyền (cảm

Hình 4.17 Ứng suất trong thanh tới khi áp lực tác dụng lên thanh đánh

Hình 4.18 Ứng suất trong thanh truyền khi áp lực tác dụng lên thanh

Hình 4.19 Vận tốc thanh tới tại khi áp lực tác dụng lên thanh đánh 0,3 MPa 100

Hình 4.20 Tốc độ biến dạng mẫu khi áp lực tác dụng lên thanh đánh

Hình 4.23 Biến dạng trên thanh tới (cảm biến 5) và thanh truyền (cảm

Hình 4.24 Ứng suất trong thanh tới theo thời gian khi áp lực tác dụng

Hình 4.25 Ứng suất trong thanh truyền theo thời gian khi áp lực tác

Hình 4.27 Ứng suất theo thời gian trong mẫu số N038 áp lực tác dụng

lên thanh đánh 0,35 MPa (tại thời điểm t14,0 ms) 102

Hình 4.28 Tốc độ biến dạng theo thời gian của mẫu đá với áp lực tác

dụng lên thanh đánh có giá trị khác nhau (0,30 MPa và 0,35 MPa) 103

Hình 4.31 Mô hình áp lực tác dụng lên thanh tới do thanh đánh tác dụng 105

Hình 4.33 Sự thay đổi ứng suất trong mẫu theo kích thước phần tử của mẫu 108

Hình 5.5 Sơ đồ xác định chiều dài phần tử vô hạn trong mô hình số 119

Hình 5.11 Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn đến giá trị PPV tại điểm A 125

Hình 5.12 Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn đến giá trị PPV tại điểm B 126

Hình 5.13 Tổng hợp sự ảnh hưởng của hệ số giảm chấn  đến giá trị

PPV xuất hiện trong vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm cũ tại B 127

Hình 5.15 Quan hệ giữa mô đun đàn hồi động Ed và PPV theo phương

Hình 5.16 Quan hệ giữa mô đun đàn hồi động Ed và PPV theo phương

Hình 5.17 Tổng hợp sự ảnh hưởng của mô đun đàn hồi động Edđến giá

trị PPV trong vỏ chống bê tông cố định của đường hầm cũ 131

Hình 5.19 Sự ảnh hưởng của chiều dài mô hình số đến chấn động nổ

mìn trong vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm cũ 133

Hình 5.20 So sánh các PPV theo phương thẳng đứng (PPV1) trong vỏ

chống bê tông của đường hầm cũ khi chiều dài mô hình số thay đổi tại

điểm B

134

Hình 5.21 So sánh các giá trị PPV theo phương nằm ngang PPV2 trong

vỏ chống bê tông của đường hầm cũ khi chiều dài mô hình số thay đổi

tại điểm B

134

Hình 5.23 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai đường hầm đến giá trị

PPV trong vỏ chống bê tông cố định của đường hầm cũ 137

Hình 5.24 Sơ đồ nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn tại

gương hầm mới đến vỏ chống bê tông của đường hầm cũ lân cận theo

phương dọc trục hầm

138

Hình 5.25 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách D- từ vị trí

quan sát trong vỏ chống đường hầm cũ tới mặt phẳng trùng với mặt

phẳng gương hầm mới đến giá trị PPV

140

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án nghiên cứu

Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển kinh tế, cơ sở hạ tầng của Việt Nam được từng bước được đầu tư xây dựng hoàn thiện, trong đó xuất hiện các

dự án hầm được đào mới, đào mở rộng ngay cạnh các dự án hầm đã được xây dựng nhiều năm trước đó như dự án hầm Cổ Mã, hầm Hải Vân,…Do khoảng cách giữa hai hầm thường có giá trị nhỏ (30,0 m), cho nên khi tại khi mở rộng hầm lánh nạn bằng phương pháp khoan nổ mìn sẽ gây nên những ảnh hưởng xấu của sóng nổ đến kết cấu vỏ chống chống giữ hầm chính Do đó, việc nghiên cứu

sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ của đường hầm lân cận khi thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn ở Việt Nam hiện nay là hết sức cần thiết Kết quả giải quyết vấn đề trên sẽ góp phần làm cơ sở cho việc đánh giá chấn động nổ mìn đường hầm dân dụng, phục vụ công tác thiết kế

và thi công đường hầm nhằm hạn chế chấn động kết cấu đường hầm lân cận Đây

là vấn đề còn hết sức mới mẻ ở Việt Nam Do đó, các vấn đề tác giả đã lựa chọn trong luận án nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu đường hầm lân cận để tiến hành nghiên cứu có tính thời sự và mang tính cấp thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Mục tiêu nghiên cứu của luận án như sau:

➢ Xây dựng các mô hình số 2D, 3D cho phép phân tích, dự báo ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ của đường hầm lân cận khi thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn;

➢ Nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ của đường hầm lân cận trên các mô hình số 2D, 3D;

➢ Đánh giá được mức độ ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ của đường hầm lân cận dựa trên các số liệu đo đạc thực tế tại một số

dự án và kết quả nghiên cứu trên mô hình số 2D, 3D;

➢ Tìm ra một số quy luật thực nghiệm đánh giá mức độ ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ của đường hầm

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án như sau:

➢ Kết cấu chống giữ bê tong của đường hầm lân cận với đường hầm được thi công bằng phương pháp khoan nổ mìn;

➢ Môi trường đất đá là đàn hồi tuyến tính và đồng nhất, chưa xét đến sự ảnh hưởng của khe nứt và mặt phân cách trong khối đá đến sự truyền sóng;

➢ Mối liên kết giữa vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm cũ với khối đá là liên kết cứng liên tục Lớp vỏ chống bê tông liền khối thỏa mãn được coi là lớp lát hàn bám chặt vào đất đá và cùng dao động với đất đá

4 Phương pháp tiếp cận nghiên cứu

Luận án tiếp cận các vấn đề nghiên cứu từ các góc độ sau đây:

➢ Phương pháp tiếp cận lý thuyết: tiếp cận các kết quả của các bài toán động truyền sóng nổ trong môi trường đất đá đồng nhất, đẳng hướng;

➢ Phương pháp tiếp cận thực tế: tiếp cận các kết quả đo đạc chấn động thực tế tại hầm Croix-Rousse, Lyon, Pháp;

➢ Phương pháp tiếp cận bằng cách sử dụng các thành tựu khoa học tiên tiến của thế giới và trong nước: để lựa chọn các phương pháp đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận thông qua các công trình khoa học đã được công bố trên các tạp chí, các báo cáo tại các hội thảo, kinh nghiệm của các nhà khoa học nhà quản lý tại các cơ sở nghiên cứu trong lĩnh vực nghiên cứu của luận án trong nước và ngoài nước

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau:

liệu đo đạc thực tế tại các dự án hầm thuộc phạm vi nghiên cứu của luận án;

➢ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: thí nghiệm trên các mẫu đá thu được tại hiện trường tại phòng thí nghiệm;

➢ Phương pháp số: xây dựng các mô hình số đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận khi thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn trên mặt phẳng đi qua gương hầm (2D) và dọc trục đường hầm (3D)

6 Phạm vi nghiên cứu của luận án

Phạm vi nghiên cứu của luận án như sau:

➢ Môi trường đất đá là đàn hồi tuyến tính và đồng nhất, chưa xét đến sự ảnh hưởng của khe nứt trong khối đá đến sự truyền sóng;

➢ Liên kết giữa vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm cũ với khối đá

là liên kết cứng liên tục Lớp vỏ chống bê tông liền khối thỏa mãn được coi là lớp lát hàn bám chặt vào đất đá và cùng dao động với đất đá

7 Đối tượng nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu của luận án là vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm cũ được xây dựng trước đó theo công nghệ truyền thống đổ tại chỗ bằng ván khuôn di động hoặc ván khuôn lắp ghép có lớp bê tông lấp đầy và bám chặt vào lớp đất đá (lớp lát hàn), do đó lớp vỏ chỉ được tính toán cho sóng nổ, không tính cho áp lực đất đá

8 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

➢ Ý nghĩa khoa học của luận án: các kết quả nghiên cứu của luận án sẽ góp phần làm cơ sở lý luận cho việc đánh giá chấn động nổ mìn khi thi công các đường hầm dân dụng và công nghiệp;

➢ Ý nghĩa thực tiễn của luận án: các kết quả nghiên cứu của luận án sẽ phục vụ cho các công tác thiết kế, công tác thi công đường hầm nhằm hạn chế sự

chấn động có hại của sóng nổ mìn đến kết cấu của các đường hầm lân cận ở Việt Nam

9 Những điểm mới của luận án

Luận án đạt được một số điểm mới như sau:

➢ Thực hiện thí nghiệm động SHPB và mô phỏng số để xác định các thông số động của môi trường đất đá, kết cấu chống giữ; tìm ra các mối quan hệ giữa ứng suất, biến dạng, tốc độ biến dạng theo thời gian của kết cấu chống giữ dưới tác dụng của tải trọng động giống như áp lực nổ mìn trên thực tế;

➢ Xây dựng các công thức kinh nghiệm xác định giá trị PPV và lượng thuốc nổ nạp lớn nhất khi nổ mìn thi công đường hầm; chỉ ra mối quan hệ giữa RMR của khối đá, mức độ chấn động đến vỏ chống bê tông đường hầm lân cận tại dự án hầm Croix-Rousse; xây dựng các công thức thực nghiệm xác định giá trị PPV phụ thuộc vào RMR;

➢ Xây dựng, kiểm chứng mô hình số hai chiều 2D, ba chiều 3D; khảo sát các thông số của các mô hình và tìm ra giá trị hệ số giảm chấn phù hợp bằng 5,0

%; xác định giá trị PPV tỉ lệ nghịch với hệ số giảm chấn của khối đá; xác định chiều dài mô hình hợp lý; chỉ ra các vùng phá hủy của vỏ chống đường hầm cũ; tìm ra các công thức thực nghiệm dự báo giá trị PPV cho các vị trí trong vỏ chống đường hầm cũ; đề xuất phương pháp xem xét mức độ chấn động của nổ mìn thi công đường hầm mới đến trạng thái của khối đá và kết cấu chống giữ bê tông của đường hầm cũ lân cận

10 Cấu trúc luận án

Luận án có kết cấu gồm 5 chương như sau:

➢ Chương 1 Tổng quan về ảnh hưởng của chấn động nổ mìn thi công đường hầm đến kết cấu chống các đường hầm lân cận

➢ Chương 2 Lý thuyết về truyền sóng trong môi trường đất đá và

➢ Chương 3 Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn thi công

đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cậnthông qua phương pháp đo đạc thực nghiệm hiện trường

➢ Chương 4 Nghiên cứu các thông số động của khối đá và vỏ chống

➢ Chương 5 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi đào

hầm đến kết cấu chống đường hầm lân cận bằng phương pháp số

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM ĐẾN KẾT CẤU CHỐNG CÔNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN

1.1 Tổng quan về ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi đào hầm đến công trình ngầm lân cận và hướng nghiên cứu của luận án

Tại nước ta trong thời gian qua xuất hiện các dự án đường hầm được đào mới ngay cạnh các dự án đường hầm đã được xây dựng trước đó nhiều năm như dự án đường hầm Cổ Mã, dự án mở rộng hầm lánh nạn thuộc dự án hầm Hải Vân Tại đường hầm Cổ Mã thuộc dự án hầm đường bộ Đèo Cả, đường hầm chính đào gần song song với đường hầm đường sắt số 24 (vị trí gần nhất 47,0 m, vỏ bê tông đường hầm được Pháp thi công khoảng 100 năm trước đây) (Phụ lục 1) Công tác đảm bảo

an toàn cho kết cấu đường hầm đường sắt được yêu cầu nghiêm ngặt thông qua công tác giám sát nổ mìn bằng cách đo thực nghiệm giá trị PPV nhằm điều chỉnh lượng thuốc nổ lớn nhất cho một lần nổ để đảm bảo an toàn cho vỏ chống bê tông

Đối với dự án hầm đường bộ qua đèo Hải Vân, khoảng cách giữa đường hầm chính của Dự án đường hầm Hải Vân và đường hầm lánh nạn chỉ khoảng 30,0 m (Phụ lục 1) Tuy nhiên, khi mở rộng đường hầm lánh nạn bằng phương pháp khoan

nổ mìn, vấn đề đánh giá dự báo ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đào hầm đến kết cấu vỏ chống của hầm chính vẫn chưa được quan tâm đúng mức để có thể dự báo chính xác sự ảnh hưởng nhằm đưa ra các giải pháp phù hợp khi thi công mở rộng đường hầm lánh nạn Ngoài ra, quá trình thi công mở rộng đường hầm lánh nạn còn phải xét đến những nứt nẻ, phá hủy xuất hiện trong vỏ chống bê tông tại đường hầm

chính xuất hiện trước đó để có giải pháp xử lý phù hợp (Hình 1.1.a) [1] Khi nổ mìn

thi công đường hầm, ngoài tác dụng phá vỡ khối đá trên gương đường hầm, năng lượng sinh ra khi nổ mìn còn ảnh hưởng đến vùng khối đá xung quanh trong một phạm vi nhất định Các đường hầm ở trong phạm vi đó cần được đánh giá mức độ tác động gây ra do nổ mìn khi đào đường hầm

a) b)

Hình 1.1 Sự cố, phá hủy xảy ra trong một số đường hầm ở Việt Nam và trên thế

giới: a - Các vết nứt xuất hiện trong vỏ hầm chính của hầm Hải Vân [1], [23]; b - Vụ

nổ trong đường hầm lấy nước Port Huron tại Mỹ vào năm 1971 [2], [4]

Trong quá khứ, nhiều sự cố phá hủy các công trình do nổ mìn trong khu vực lân cận đã được ghi nhận trên thế giới Năm 1971, một vụ nổ đã xảy ra tại một đường hầm được xây dựng 220 feet dưới bờ biển gần hồ Huron, Mỹ làm chết 21 người và khiến 9 người bị thương [4] Toàn bộ kết cấu trong đường hầm đã hoàn toàn bị phá

hủy sau vụ nổ (Hình 1.1.b) Sức công phá của vụ nổ mạnh đến mức làm cấu trúc

đường hầm bị hư hỏng nghiêm trọng Năm 1980, đường hầm đường sắt Jiuguaidao, Trung Quốc đã bị phá hủy nghiêm trọng do chấn động nổ mìn từ việc đào mái dốc gần đó: 123,0 m đường hầm đã bị phá hủy 3000,0 m3 đất đá bên trong đường hầm bị sạt lở Chi phí khắc phục sự cố lên đến hàng tỉ đôla [67]

Trên thế giới hiện có rất nhiều dự án đường hầm đào bằng khoan nổ mìn cần được giám sát chấn động nổ mìn cho các kết cấu công trình ngầm lân cận như dự án đường hầm Croix-Rousse ở Lyon, Cộng hòa Pháp Đường hầm Croix-Rousse là một công trình đường hầm giao thông đô thị giữa sông Rhône và sông Saône Chiều dài của đường hầm là 1757,5 m; diện tích mặt cắt ngang bằng 84,10 m2 (Hình 1.2)

Vị trí đường hầm nằm ở khu vực rất đông dân cư, có nhiều tòa nhà gần đó [54] Ngoài ra, có một đường hầm cũ có dạng vòm tường thẳng (bán kính vòm là 8,05 m, chiều cao tường 1,0 m) nằm song song với đường hầm mới Đường hầm đào mới

có dạng hình vòm móng ngựa, bán kính của vòm là 5,55 m Khoảng cách giữa hai trục đường hầm bằng 42,6 m Do đường hầm đào hoàn toàn trong đất đá rắn cứng với độ bền nén trên 120 MPa, cho nên nhà thầu (Công ty EGIS, Pháp) đã chọn phương pháp khoan nổ mìn để thi công đường hầm Khi thi công đường hầm, Công

ty EGIS đã sử dụng phương pháp đo đạc hiện trường kết hợp với tiêu chuẩn đánh giá chấn động cho kết cấu vỏ chống đường hầm của Pháp để đánh giá mức độ chấn động Từ đây, lượng thuốc nổ lớn nhất được điều chỉnh cho mỗi lần nổ và cho cả gương hầm để đảm bảo an toàn cho kết cấu vỏ chống của đường hầm cũ lân cận Các dự án đường hầm cao tốc Damaoshan, đường hầm đường sắt ở Xinjiang (Trung Quốc),… cũng được tiến hành tương tự

Hình 1.2 Điều kiện khu vực xung quanh đường hầm: a - Mặt cắt ngang

và khoảng cách hai đường hầm; b - Vị trí mặt bằng cửa đường hầm [54]

Vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đào hầm đã được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm, nhiều công trình khoa học được công bố trong thời gian gần đây Tại Việt Nam do hạn chế về phương tiện đo đạc thực nghiệm, thiếu các phần mềm chuyên dụng để mô phỏng trong tính toán thiết kế đối với các công trình ngầm dân sự nên kết quả nghiên cứu vẫn còn nhiều hạn chế Nhiều tác giả đã quan tâm nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đối với các công trình ngầm quân sự, tuy nhiên, tải trọng được xem xét trong các nghiên cứu chủ yếu do

áp lực nổ của bom đạn trên mặt đất hoặc lượng thuốc nổ đơn độc nằm nông so với mặt đất Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cơ học của đất đá, tính không đồng nhất của môi trường, đặc tính áp lực nổ mìn, khoảng cách giữa hai đường hầm, loại liên kết giữa đất đá và vỏ chống đường hầm đến mức độ chấn động của kết cấu công trình ngầm cũng ít được chú ý

Hiện nay, việc nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu công trình ngầm lân cận được tiến hành theo các hướng chủ yếu sau: nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi nổ một lượng thuốc nổ đơn độc (đánh bom

khủng bố trong tàu điện ngầm, nổ do bom đạn ); khi nổ vi sai trong trong giai đoạn thi công do nổ mìn tại gương hầm đến kết cấu công trình ngầm phía sau và xung quanh gương hầm với kết cấu là bê tông phun, bê tông liền khối cùng với tuổi khác

nhau [7], [8], [9], [33], [40] (Hình 1.3)

Hình 1.3 Sóng ứng suất truyền trong khối đá: a - Mặt cắt ngang hầm;

b - Mặt bằng đường hầm [7], [8], [9], [33], [40]

Hình 1.4 Ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu công trình lân cận:

a - Kết cấu đường hầm lân cận; b - Kết cấu công trình bề mặt [42], [62], [63] Hướng nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi đào đường hầm bằng phương pháp nổ mìn đến kết cấu chống đường hầm lân cận đã được đẩy mạnh nghiên cứu trong thời gian gần đây do số lượng các dự án đào đường hầm mới, đào mở rộng bên cạnh tuyến đường hầm tăng nhanh nhằm đáp ứng

các yêu cầu về giao thông (Hình 1.4.a) Với các dự án đường hầm mới được đào

ngay dưới lòng thành phố (ví dụ đường hầm Croix-Rousse, Lyon) việc nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến các công trình bề mặt cũng rất được quan tâm

(Hình 1.4.b) Luận án tiến hành xây dựng các mô hình số cho phép nghiên cứu

đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến sự ổn định của vỏ chống bê tông của đường hầm lân cận dựa trên các số liệu đo đạc hiện trường tại dự án Croix-Rousse (Pháp) Việc nghiên cứu khảo sát các thông số của mô hình sẽ cho phép rút ra được những kết quả cần thiết để có thể điều chỉnh các thông số khoan nổ mìn nhằm giảm thiểu chấn động nổ mìn đến vỏ chống bê tông của đường hầm lân cận trong những điều kiện xây dựng tương tự

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu chấn động nổ mìn đến kết cấu công trình ngầm lân cận khi thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn

Vấn đề nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động do nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu chống giữ của đường hầm lân cận đã được nhiều tác giả trên thế giới quan tâm và đã có nhiều kết quả được công bố Các phương pháp nghiên cứu đã được sử dụng trong các nghiên cứu bao gồm: phương pháp giải tích; phương pháp nghiên cứu trên mô hình tương đương; phương pháp đo thực nghiệm hiện trường; phương pháp nghiên cứu trên mô hình số

1.2.1 Các phương pháp giải tích

Các phương pháp giải tích tương đối hiếm, chủ yếu thông qua phương pháp tích phân và lý thuyết tia của Pao Y.H (1983) [80] Ngoài ra, Wersall C (2008) [92] sử dụng một giải pháp chuyển dạng kín cho trường hợp đường hầm hình tròn chịu áp lực nổ Tại đây, áp lực nổ được mô phỏng như một nguồn hữu hạn tác động Giải pháp đạt được bằng cách sử dụng toán tử Laplace cùng với mối quan hệ với thời gian và toán tử Fourier cùng mối quan hệ với tọa độ Các nghiên cứu của Li và n.n.k [66] đã thể hiện một phương pháp giải tích đánh giá ứng xử của vỏ chống đường hầm thông qua việc đánh giá giá trị của PPV và ứng suất phân bố Sự ảnh hưởng của sóng nổ lên đường hầm cũ lân cận đã được xem xét để đánh giá độ ổn

định của đường hầm Thông thường, bài toán truyền sóng nổ trong môi trường khối đất đá rất phức tạp Vì vậy, hầu hết các phương pháp giải tích mới chỉ dừng lại ở việc giải các bài toán đơn giản như biên đường hầm có dạng hình tròn, môi trường khối đá là đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng Khả năng ứng dụng của phương pháp này bị hạn chế khi đường hầm có tiết diện ngang không phải hình tròn, môi trường khối đất đá phân lớp, nứt nẻ,…

1.2.2 Các phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý tương đương

Một số tác giả (Khosrow B., 1997 [52]; Smith P.D., 1998 [84]), đã sử dụng

mô hình vật lý tương đương để nghiên cứu chấn động nổ mìn lên một đường hầm

cũ Smith và n.n.k [84] giới thiệu kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình đường hầm nhỏ khi sóng nổ truyền thẳng dọc theo đường hầm nhám được tạo ra bằng các tấm lá thép có kích thước khác nhau, đặt dọc theo hai bên sườn đường hầm Mô hình đường hầm được chế tạo từ thép tấm với chiều dày bằng 3,0 mm Các kích thước chiều rộng, chiều cao, chiều dài của đường hầm bằng 150100500

mm Tác giả đã sử dụng mô hình này để xác định giá trị áp lực nổ tác dụng lên đường hầm khi thay đổi vị trí đặt khối thuốc nổ Khosrow B (1997) [52] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của vi khe nứt và khe nứt nên sự phản ứng của đường hầm sử dụng mô hình vật lý 1-G Kết quả nghiên cứu cho thấy tồn tại sự phù hợp rất lớn giữa nổ mìn đào đường hầm thực tế và việc giảm tỉ lệ thí nghiệm của mô hình Từ đây cho phép chỉ ra các ứng dụng của mô hình vật lý vào việc nghiên cứu tương tác giữa thuốc nổ và công trình Mặc dù phương pháp mô hình vật lý tương đương cho phép mô phỏng các điều kiện phức tạp của môi trường truyền sóng và công trình, tương tác giữa công trình với môi trường xung quanh khá giống so với điều kiện thực tế, nhưng phương pháp có nhược điểm lớn là việc chế tạo mô hình phức tạp, chi phí cao Ngoài ra, do kích thước mô hình nhỏ cho nên không thể mô phỏng hết các yếu tố ảnh hưởng Điều này có ảnh hưởng không tốt đến kết quả bài toán nghiên cứu

1.2.3 Các phương pháp nghiên cứu đo đạc thực nghiệm tại hiện trường

Phương pháp đo đạc thực nghiệm cho phép thu được kết quả đo phản ảnh gần nhất với thực tế Chúng khắc phục những nhược điểm của các phương pháp giải tích, thí nghiệm mô hình vật lý Các thiết bị đo hiện trường sẽ xác định PPV và biến dạng của các phần tử đất đá, vỏ chống đường hầm do tác động của sóng nổ mìn tại gương đường hầm Các dữ liệu đo cho phép tìm ra các quy luật, các công thức kinh nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa các thông số của vụ nổ, môi trường truyền nổ, các biểu hiện của công trình chịu tác dụng của sóng nổ cho các loại môi trường địa chất khác nhau Chúng cho phép dự báo sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến công trình Theo hướng này đã có nhiều tác giả tiến hành nghiên cứu tại nhiều dự án khác nhau (Ansell, 2004; Ahmed, A., 2011; Lin, D., 2011) [40], [42], [68] Ví dụ,

Lin D [68] đã tiến hành đo đạc chấn động tại 46 vụ nổ, kết hợp với 96 dữ liệu đo

đạc khác để rút ra công thức thực nghiệm tính khối lượng thuốc nổ cho phép lớn nhất khi đào đường hầm không gây ảnh hưởng đến đường hầm cũ và các công trình

bề mặt nằm gần đó

Phương pháp đo đạc thực nghiệm đơn giản nhưng đòi hỏi phải đầu tư các thiết bị đo hiện đại có chi phí lớn, phải tiến hành nổ thử nghiệm tại hiện trường Ngoài ra, độ chính xác của kết quả đo đạc thực nghiệm sẽ giảm đi rất nhiều nếu không có đầy đủ thông tin về môi trường khối địa chất sóng nổ truyền qua Việc áp dụng các kết quả đo đạc thực nghiệm thu được từ một công trình trước đó cho một công trình khác đòi hỏi phải có nghiên cứu so sánh tỉ mỉ, cẩn thận

1.2.4 Các phương pháp mô hình số

Cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, phương pháp sử dụng mô hình số

đã, đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong lĩnh vực nghiên cứu bài toán truyền sóng nổ trong môi trường đất đá Quá trình truyền sóng nổ trong đất đá là bài toán không gian 3 chiều (3D) Tuy nhiên, do tính chất phức tạp của các mô hình 3D, thời gian thực hiện các tính toán trên mô hình 3D kéo dài, cho nên các nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận được tiến hành trên mô

hình 3 chiều (3D) chưa có nhiều Các nghiên cứu theo hướng này có các tác giả [16], [25], [29], [49], [70], [82], [88], [90], [93], [96],

Liang và n.n.k [67] đã đánh giá ảnh hưởng của nổ mìn đào đường hầm đến khối đá và kết cấu chống giữ của đường hầm cũ liền kề tại dự án đường hầm Daomaoshan (Trung Quốc) Sự phá hủy của khối đá và hệ thống vỏ chống dưới các tải trọng khác nhau sinh ra do nổ mìn đã được phân tích bằng dữ liệu đo thực nghiệm và mô phỏng số Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: mức độ phá hủy khối đá xung quanh đường hầm tăng tuyến tính với sự gia tăng của giá trị PPV Tác giả cũng chỉ ra giá trị giới hạn của PPV đối với đường hầm cũ lân cận là 0,22 m/s Xia

và n.n.k [93] đã nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn từ một đường hầm đang đào tới đường hầm đường sắt cũ ở Xinjiang (Trung Quốc) bằng việc sử dụng

số liệu đo tại phòng thí nghiệm, hiện trường và mô hình số Trong đó, các số liệu đo

từ các thí nghiệm và tại hiện trường đã được sử dụng để xác định các thông số động cần thiết cho mô hình và làm cơ sở để so sánh với kết quả thu được từ mô hình số Trên cơ sở các kết quả đo đạc thực nghiệm và mô hình số, các tác giả đã chỉ ra giá trị giới hạn của PPV Tại đây, sự ảnh hưởng của ứng suất tĩnh trước khi nổ mìn và ứng suất động hình thành do nổ mìn lên giá trị ứng suất tổng trong đường hầm cũ đã được giới thiệu Ahmed và Ansell [40] đã tiến hành nghiên cứu sự ảnh hưởng của một khối thuốc nổ tập trung ở các vị trí khác nhau gần một đường hầm đến lớp vỏ chống bê tông phun bên trong đường hầm đó Các tác giả đã xây dựng được công thức kinh nghiệm để tính các thông số động của bê tông phun; phát triển mô hình liên kết giữa bê tông phun và khối đá là liên kết kiểu dầm-lò xo Jong-Ho Shin và n.n.k [49] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến đường hầm cũ trong khu vực thành phố và đưa ra đánh giá về vùng bảo vệ chịu sự tác dụng của chấn động nổ mìn Mô hình số 2D được sử dụng để mô hình đường hầm trong đá yếu Áp lực nổ mìn được mô phỏng trên cơ sở điều chỉnh công thức tính áp lực nổ dựa vào kết quả

đo Sự ảnh hưởng tới vỏ đường hầm do chấn động khi nổ mìn được khảo sát theo giá trị PPV, chuyển vị và ứng suất trong vỏ chống Tại đây, tác giả cũng đưa ra một hướng dẫn xác định vùng bảo vệ chấn động nổ mìn trên cơ sở các thông số như vị trí

nổ mìn, độ sâu đường hầm, khối lượng thuốc nổ Zhao và n.n.k [96] đã tiến hành nghiên cứu sự ảnh hưởng tới vỏ chống đường hầm cũ ở mức trên khi tiến hành đào hệ thống đường hầm tàu điện ngầm ở mức dưới Mô hình số phát triển dựa trên phần mềm LS-DYNA Kết quả đạt được bằng phương pháp số có thể so sánh với dữ liệu

đo đạc hiện trường theo giá trị biên độ, trạng thái của hàm PPV hoặc hàm biến dạng hoặc so sánh giá trị biên độ của hai hàm trên Cách so sánh kết quả đạt được của hai phương pháp theo cả biên độ và trạng thái thường chỉ áp dụng cho việc nghiên cứu các vụ nổ đơn độc như nổ mìn do khủng bố hoặc nổ mìn để thực nghiệm đơn thuần (Lu, Y., et al, 2005 [70]; Saharan and Mitri, 2008 [85]; Wu, Ch., 2004 [92]) Việc so sánh giá trị biên độ thường áp dụng cho vụ nổ với nhiều đợt khác nhau trong điều kiện địa chất phức tạp (nổ mìn bãi lộ thiên, nổ mìn trên gương hầm,…) Các kết quả nghiên cứu theo hướng này được nhiều tác giả đề cập (Jong-Ho Shin et al, 2011 [49]; Liang Q., 2013 [67]; Lua W et al [71], Saharan và Mitri, 2008 [85]; Yang J., 2012 [94]; Xia et al., 2013 [93]) Việc nghiên cứu chấn động nổ mìn bằng phương pháp

mô hình số được sử dụng nhiều do những ưu điểm sau: khả năng dễ dàng sử dụng; cho phép thu được kết quả đáng tin cậy Tuy nhiên, đây là một bài toán động học phức tạp Việc xây dựng mô hình số cần chú ý đến các thông số động đưa vào của bài toán, kích thước mô hình phải đủ lớn hoặc sử dụng biên loại không phản xạ để tránh hiện tượng sóng phản xạ lại tại biên mô hình làm ảnh hưởng đến kết quả khảo sát trên mô hình Ngoài ra, đến nay các kết quả nghiên cứu trên cũng chưa chú ý nhiều đến ảnh hưởng của chủng loại liên kết giữa kết cấu chống trong công trình và khối đất đá xung quanh, chưa chú ý nhiều đến tính phân lớp của đất đá, loại phần tử biên sử dụng,… Những thông số trên có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả nghiên cứu của mô hình truyền sóng nổ trong môi trường đất đá và tác dụng của sóng nổ lên kết cấu công trình Do đó cần thiết phải có những nghiên cứu, đánh giá cụ thể thêm

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu chấn động nổ mìn do đào hầm đến công trình ngầm lân cận tại Việt Nam

Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công các đường hầm theo phương pháp thi công hở hoặc khai thác mỏ lộ thiên bằng khoan nổ mìn đến các công trình lân cận trên bề mặt (nhà, các công trình công nghiệp,…) đã được chú ý Khoảng cách từ vị trí nổ mìn và khối lượng thuốc nổ được quy định rất rõ theo Quy phạm [30] Tuy nhiên, việc nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đối với các kết cấu đường hầm ít được thực hiện Các kết quả nghiên cứu về PPV, khối lượng thuốc nổ lớn nhất cho phép chưa được xác định rõ ràng Số lượng các công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đào đường hầm đến các đường hầm lân cận rất hạn chế Vấn đề này đã được một số tác giả nghiên cứu và công bố kết quả

Tác giả Hoàng Thị Hồng [6] đã sử dụng phương pháp giải tích để nghiên cứu trường ứng suất, biến dạng xung quanh vị trí nổ với quan điểm coi đất đá là môi trường có tính chất cơ lý phù hợp với mô hình lưu biến Kelvin, buồng nổ hình cầu,

mô hình lưu biến Poynting-Thomson, buồng nổ hình trụ (Phụ lục 2) Tác giả [6] cũng nghiên cứu sự lan truyền sóng ứng suất và biến dạng xung quanh vị trí nổ mìn với buồng nổ hình trụ Kết quả nghiên cứu tìm ra giá trị ứng suất, biến dạng của khối đá xung quanh buồng nổ bằng phương pháp giải tích, đồng thời giải thích được

sự lan truyền ứng suất, biến dạng trong đất đá xung quanh vị trí nổ có dạng sóng Kết quả tìm ra đã được so sánh với kết quả đo đạc thực nghiệm Kết quả nghiên cứu cũng xác định được ranh giới giữa ba vùng phá hoại xung quanh vị trí nổ mìn Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu còn tồn tại một số điểm hạn chế như: môi trường đất đá xung quanh buồng nổ được giả thiết là liên tục, đồng nhất, đẳng hướng, cho nên kết quả chỉ đúng khi đất đá nguyên khối hoặc mức độ nứt nẻ không lớn, độ mở của các khe nứt nhỏ

Tác giả Nguyễn Xuân Mãn [27] đã tiến hành nghiên cứu bằng phương pháp giải tích xác định bán kính phá hủy khi nổ một lượng thuốc nổ đơn độc với lời giải gần đúng cho bài toán có dạng hình tròn Bài toán được lập trên cơ sở xác định trường ứng suất do sóng nổ phân bố trong môi trường Nghiệm của bài toán được xác định bằng việc giải phương trình phân bố sóng ứng suất trong môi trường đất đá

có giới hạn bền chịu kéo đã biết Kết quả thực nghiệm cho thấy vùng phá hủy hình xuất hiện xung quanh lượng thuốc nổ như phân tích lý thuyết

Tác giả Lê Đình Tân [34] đã tiến hành khảo sát đường hầm đặt trong môi trường đất đá chịu tác dụng của áp lực sóng nổ có xét đến: sự phân lớp của môi trường, vật liệu đàn hồi tuyến tính, hệ kết cấu-môi trường làm việc theo mô hình biến dạng phẳng, mặt sóng nén phẳng, song song với trục công trình và tác dụng lên toàn bộ kết cấu một cách đồng thời Tác giả đã xây dựng mô hình, phương pháp tính động lực học đường hầm chịu tác dụng của tải trọng động do nổ mìn có kể đến tính không đồng nhất của môi trường, hình dạng tùy ý của kết cấu và sự tương tác sóng nổ-môi trường-kết cấu Bài toán được giải theo phương pháp phần tử hữu hạn Tại đây, tác giả Lê Đình Tân [34] sử dụng thuật toán của phương pháp lặp không gian con để giải bài toán dao động riêng và phương pháp tích phân trực tiếp Newmark để giải bài toán dao động cưỡng bức của hệ Tác giả cũng nghiên cứu sự ảnh hưởng các đặc tính cơ học của môi trường và tải trọng đến trạng thái chịu lực của đường hầm Phương pháp mô hình tương đương được tiến hành trong [34] với kết cấu đường hầm có dạng vòm tường thẳng được lắp ghép từ các thanh thép bản chiều dày 2 mm, chiều rộng 2 cm, môi trường đất đá là san hô với kích thước

100100100 cm đặt trong một hộp kín bằng gỗ Tải trọng động được tạo ra bởi lực

va chạm vào bề mặt môi trường bởi vật nặng 5 kG Tác giả tiến hành đo biến dạng

và gia tốc tại các điểm đo trong mô hình

Phương pháp đo đạc thực nghiệm được một số tác giả thực hiện Tuy nhiên,

do điều kiện thực nghiệm nổ mìn phức tạp nên số lượng các công trình nghiên cứu chưa nhiều [15], [34], [35] Tác giả [15] tiến hành phân tích dữ liệu đo đạc với 54

vụ nổ khác nhau tại đường hầm Croix-Rousse, Lyon, Pháp Kết quả rút ra các công thức thực nghiệm dự báo khối lượng thuốc nổ lớn nhất cho một lần nổ nhằm giảm thiểu ảnh hưởng đến đường hầm lân cận Tác giả Lê Đình Tân [34] tiến hành đo đạc thực nghiệm tại đường hầm Truông Khấp (Đô Lương, Nghệ An) Tác giả Nguyễn Hữu Thế [35] tiến hành thí nghiệm nổ mìn trong môi trường đá san hô tại phía Đông-Nam của đảo Sơn Ca thuộc quần đảo Trường Sa Do những khó khăn của

phương pháp đo đạc thực nghiệm nên phương pháp sổ được sử dụng phổ biến hơn trên thực tế [13], [15], [30], [32], [34], [35] Nhìn chung các công trình chủ yếu nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ bom, mìn trên bề mặt hay nằm gần mặt đất đến kết cấu đường hầm quân sự (dạng công sự) Ví dụ, trong [34] đã nghiên cứu ảnh hưởng của đường hầm quân sự dưới tác động của sóng nổ do bom mìn phía trên

bề mặt Kết quả mô hình tính toán chưa chú ý nhiều đến ảnh hưởng của điều kiện biên, loại phần tử biên được sử dụng Các thông số động phục vụ cho việc tính toán

mô hình chưa được thí nghiệm để xác định; chưa xem xét bài toán trong trường hợp

nổ khối lượng thuốc nổ với nhiều đợt nổ khác nhau Ngoài ra, các phần mềm được viết dựa trên những thuật toán cụ thể nên chưa xem xét nhiều yếu tố ảnh hưởng cần thiết

Trong [13], tác giả Nguyễn Hải Hưng đã giới thiệu phương pháp giải bài toán động lực học của kết cấu đường hầm quân sự với môi trường chịu tác dụng tải trọng sóng nổ của bom đạn (cường độ mạnh, thời gian tác dụng ngắn) và đưa ra kết quả tính toán ảnh hưởng thời gian tác dụng của sóng nổ đến trạng thái ứng suất-biến dạng của kết cấu công trình Vật liệu kết cấu giả thiết là đàn hồi tuyến tính, đồng nhất đẳng hướng Hệ kết cấu-môi trường làm việc theo sơ đồ biến dạng phẳng trong điều kiện chuyển vị bé và biến dạng bé Trong quá trình chất tải coi liên kết trên bề mặt tiếp xúc giữa kết cấu và môi trường dạng liên tục, không có hiện tượng trượt hay tách cục bộ Bài toán được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn, hệ kết cấu-môi trường được rời rạc hóa Thuật toán để giải bài toán động là phương pháp tích phân trực tiếp Newmark Kết quả tính toán chỉ ra rằng khi kết cấu công trình chịu tác dụng của tải trọng sóng xung kích lan truyền trên mặt đất thì chúng không chịu

sự ảnh hưởng nhiều như so với trường hợp chịu tải trọng do bom đạn nổ cục bộ lên công trình Tại đây, tác giả chỉ đề cập đến trạng thái ứng suất-biến dạng của kết cấu

mà chưa đề cập đến vận tốc sóng nổ lan truyền trong môi trường và kết cấu Biên được sử dụng là loại liên kết gối tựa nên có sự phản xạ của sóng nổ tại biên vào mô hình gây ảnh hưởng đến kết quả mô hình Với việc sử dụng phần mềm SAP2000, tại đây các thông số của môi trường và vật liệu kết cấu chưa đề cập nhiều

Tác giả [16] đã sử dụng mô hình số để nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu vỏ chống bê tông của đường hầm lân cận trong hai trường hợp: biên loại cố định; biên loại không phản xạ (được tạo ra bằng cách sử dụng loại phần tử vô hạn) Kết quả so sánh với số liệu đo thực tế cho thấy: biên loại không phản xạ cho kết quả tốt hơn Tác giả kiến nghị sử dụng loại biên này để nghiên cứu bài toán truyền sóng nổ trong môi trường đất đá Tác giả [15] đã phát triển mô hình 2D để nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đào đường hầm đến vỏ chống

bê tông của đường hầm liền kề tại dự án Croix-Rousse, Lyon, Pháp Từ mô hình 2D, tác giả đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số giảm chấn của môi trường đất đá và kết cấu đến kết quả mô hình

Hình 1.5 Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của nổ mìn trong môi trường san hô [35]

Gần đây, tác giả Nguyễn Hữu Thế [35] đã nghiên cứu ảnh hưởng của sóng

nổ lên kết cấu công trình công sự đặt trong môi trường san hô Phần thực nghiệm được tiến hành tại đảo Sơn Ca thuộc quần đảo Trường Sa Mô hình số hai chiều (2D) được tiến hành mô phỏng thông qua phần mềm Plaxis và chương trình

MineBlast (Hình 1.5) của phần mềm Autodyn Tác giả đã so sánh kết quả mô hình

khi xây dựng trên hai phần mềm khác nhau đồng thời so sánh kết quả thí nghiệm Tuy nhiên, trong nghiên cứu này các thông số của khối đá và vỏ chống đưa vào mô hình số là các thông số tĩnh trong khi vỏ đường hầm làm việc ở trạng thái động nên phần nào ảnh hưởng đến kết quả mô hình

1.4 Kết luận chung về tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về hướng nghiên cứu của luận án

Từ kết quả nghiên cứu trên đây, có thể rút ra một số nhận xét sau:

➢ Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết có rất nhiều hạn chế, khó áp dụng

để nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn cho các đường hầm có tiết diện không phải hình tròn Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý tương đương đòi hỏi thời gian chế tạo mô hình dài, phải có các trang thiết bị chuyên dụng nên cũng khó sử dụng trong điều kiện Việt Nam;

➢ Phương pháp mô hình số và phương pháp đo đạc hiện trường đang được

sử dụng rất phổ biến và cho kết quả tin cậy Do đó, luận án chọn sử dụng kết hợp hai phương pháp trên để nghiên cứu Trong đó, các dữ liệu đo đạc hiên trường lấy

từ dự án đường hầm Croix-Rousse, Cộng hòa Pháp được sử dụng để khẳng định tính đứng đắn của mô hình số được xây dựng Trên cơ sở đó, mô hình số sẽ được sử dụng để nghiên cứu các thông số, từ đó đưa ra những đánh giá về sự ổn định của kết cấu đường hầm do ảnh hưởng của chấn động nổ mìn;

➢ Việc nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận khi đào đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn ở Việt Nam chưa được chú ý nhiều do cho đến nay mới chỉ bắt đầu có những dự án thi công đường hầm song song hay được đào mở rộng gần đường hầm cũ;

➢ Các nghiên cứu chủ yếu mới chỉ chú ý xem xét sự ảnh hưởng đối với các đường hầm quốc phòng đặt trên mặt đất hoặc gần mặt đất hay đặt ngầm trong môi trường nước, san hô Tại đây, tải trọng được đề cập chủ yếu là do áp lực nổ của bom đạn trên mặt đất hoặc bom đạn nổ trong môi trường đất đá gần đường hầm quân sự nằm gần mặt đất và kích nổ một lần;

➢ Trong các mô hình số đã xây dựng, nhiều tác giả vẫn sử dụng các thông số

tĩnh của khối đá, kết cấu chống giữ đường hầm để mô phỏng trong khi đây là những thông số động phải xử lý cho bài toán động Sự không phù hợp trên dẫn đến những ảnh hưởng không tốt đến kết quả của mô hình số Việc xem xét sự ảnh hưởng của

dao động riêng, dao động tắt dần (thể hiện qua hệ số giảm chấn) cũng chưa được chú ý làm ảnh hưởng xấu đến kết quả, độ tin cậy của mô hình;

➢ Việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của đặc tính không đồng nhất của môi trường đất đá, đặc tính áp lực nổ mìn, phương pháp mô phỏng áp lực nổ, khoảng cách giữa hai đường hầm, loại liên kết giữa đất đá và kết cấu chống giữ đến kết quả mô hình ít được chú ý Đa số các khảo sát mô hình số hiện nay mới chỉ thực hiện thông qua các mô hình số hai chiều 2D Tuy nhiên, mô hình 2D thường không thể hiện được điều kiện thực tế do khi nổ mìn tại gương đường hầm một phần năng lượng nổ được hấp thụ bởi khối đá và vỏ chống của đường hầm Tại mô hình 2D năng lượng

nổ khi hấp thụ không đáng kể trên mặt phẳng Vì vậy, mô hình 3D nên nghiên cứu sử dụng cho phù hợp với điều kiện thực tế;

➢ Trong thời gian qua, một số ít các tác giả đã phát triển mô hình 3 chiều 3D bằng các phương pháp khác nhau (phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử biên, phương pháp phần tử rời rạc, ) Tuy vậy, các kết quả hầu hết mới chỉ dừng lại ở việc xem xét sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến phần vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm lân cận trong phạm vi mặt cắt ngang trùng với mặt cắt đi qua gương đường hầm mới;

➢ Kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy chấn động mạnh nhất xuất hiện tại mặt bên gần nhất với tâm khối thuốc được giả định đặt tại trung tâm gương hầm, chịu

sự ảnh hưởng bởi lượng thuốc lớn nhất khi nổ một lần nổ (thường trong khoảng 8,0 ms) lớn hơn sự ảnh hưởng của tổng lượng thuốc trên gương đường hầm [87] Trong khối đá rắn cứng có ít khe nứt thường xảy ra chấn động mạnh hơn so với trong khối

đá mềm chứa nhiều khe nứt Kết quả này cho thấy, trong khối đá có chất lượng cao thì các rủi ro gây ra do chấn động nổ mìn sẽ cao hơn;

➢ Các kết quả nghiên cứu đến nay chủ yếu mô phỏng trên mô hình số 2D mới dừng lại ở việc đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến phần vỏ chống đường hầm lận cận nằm trong cùng mặt phẳng với gương đường hầm mới; chưa có những nghiên cứu đánh giá cụ thể trong miền vỏ chống bê tông phía trước, phía sau

mặt phẳng chứa gương đường hầm mới và đường hầm cũ lân cận Đây là cơ sở để luận án tập trung nghiên cứu đưa ra những kết quả mới

1.5 Những vấn đề tập trung nghiên cứu của luận án

Từ các tổng hợp, phân tích và đánh giá ở trên, vấn đề nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến vỏ chống bê tông của đường hầm cũ lân cận khi đào đường hầm mới bằng phương pháp khoan nổ mìn dọc trục đường hầm tập trung

vào một số hướng nghiên cứu chính như sau (Hình 1.6 và Hình 1.7):

Hình 1.6 Ảnh hưởng chấn động nổ mìn đào đường hầm đến các công trình lân cận

➢ Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận bằng phương pháp đo đạc hiện trường tại dự án đường hầm Croix-Rousse, Lyon: xây dựng mối quan hệ giữa PPV và tỉ lệ nạp thuốc, tỉ lệ khoảng cách cũng như các thông số cơ lý của khối đá đường hầm đào qua (ví dụ như như RMR); xây dựng các công thức thực nghiệm dự báo khối lượng thuốc nổ lớn nhất cho phép cho một lần nổ trong đá granit để áp dụng cho các dự án thi công đường hầm trong những điều kiện tương tự;

Hình 1.7 Sơ đồ thể hiện các bước nghiên cứu của luận án

➢ Nghiên cứu các thông số động học của khối đá bằng thí nghiệm động học

➢ Xây dựng, kiểm chứng và khảo sát thông số mô hình số bằng mô hình số hai chiều 2D và ba chiều 3D theo trình tự sau đây:

 Xây dựng các mô hình số hai chiều 2D và ba chiều 3D bằng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua sử dụng phần mềm Abaqus Trong đó, biên mô hình là loại điều kiện không phản xạ NRBC bằng cách sử dụng phần tử loại vô hạn IE dựa trên dữ liệu đo đạc tại dự án đường hầm Croix-Rousse;

 Khảo sát sự ảnh hưởng của tính chất cơ lý của khối đá và vỏ chống (mô đun đàn hồi động, hệ số giảm chấn, mô hình phá hủy vật liệu,…) đến quá trình hoạt động của mô hình;

 Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách, vị trí đường hầm để tìm khoảng cách tối thiểu cho phép đảm bảo an toàn cho vỏ chống cố định của đường hầm cũ;

 Khảo sát sự ảnh hưởng của mô hình áp lực nổ, đánh giá sự ảnh hưởng vỏ đường hầm cố định dưới tác dụng của áp lực nổ mìn;

➢ Sử dụng chỉ số phá hủy nổ mìn BDI (Blast Damage Index) để dự báo mức

độ phá hủy của khối đá và kết cấu đường hầm lân cận thông qua việc sử dụng kết quả của mô hình số đã xây dựng và đã được kiểm chứng

1.6 Kết luận Chương 1

Chương 1 đã tiến hành nghiên cứu tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới về sự ảnh hưởng của chấn động gây ra do nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu chống giữ của đường hầm lân cận Trong đó, đặc biệt nhấn mạnh về vai trò quan trọng của các phương pháp đo thực nghiệm tại hiện trường và các phương pháp nghiên cứu trên mô hình số cho quá trình nghiên cứu bài toán Chương 1 đã đưa ra những nhận xét về tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về hướng nghiên cứu, những điểm còn tồn tại của vấn đề nghiên cứu, từ đó đề xuất những vấn đề nghiên cứu chính của luận án

CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG

NỔ LÊN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN

2.1 Tổng quan về các loại sóng chấn động gây ra do nổ mìn đào đường hầm và đặc tính của chúng

Khi nổ mìn đào đường hầm, khối thuốc trong các lỗ mìn được kích nổ sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng các sóng ứng suất truyền trong đất đá Sóng chấn động sinh ra do nổ mìn trong khối đất đá là một loại sóng địa chấn Sóng địa chấn là những dạng sóng năng lượng hình thành và lan truyền bởi sự va chạm của các phần

tử đất đá trong các lớp địa tầng khi xảy ra động đất hoặc nổ mìn Sóng địa chấn có nhiều dạng với nhiều cách lan truyền khác nhau Trong đó, có thể phân ra hai nhóm lớn: nhóm sóng khối (body wave); nhóm sóng bề mặt (surface wave) Sóng khối có thể lan truyền trong các tầng đất phía sâu Còn sóng bề mặt chỉ có thể lan truyền ở lớp đất phía trên của vỏ quả đất

2.1.1 Sóng khối

Khi nổ khối thuốc nổ, năng lượng được giải phóng dưới dạng các sóng, sóng khối di chuyển xuyên qua các lớp đất và truyền lên mặt đất Sóng khối có tần số cao hơn và vận tốc lan truyền từ tâm chấn nhanh hơn sóng bề mặt Có hai dạng sóng khối chính: sóng sơ cấp P (sóng nén P); sóng thứ cấp (sóng S)

a Sóng sơ cấp P (sóng nén P)

Sóng sơ cấp P là sóng địa chấn có vận tốc nhanh nhất và được ghi nhận sớm nhất khi động đất xảy ra Sóng P có thể di chuyển qua các lớp đá rắn và các lớp vật chất lỏng trong vỏ quả đất, như lớp mắc ma, nước biển hay nước ngầm Sóng P truyền theo phương dọc, tương tự như sóng âm thanh Sóng P còn được gọi là sóng nén vì tác dụng đẩy và kéo lên lớp đất đá Hướng chuyển động của các phần tử sóng