Nghiên cứu các thông số đánh giá chấn động nổ mìn khi đào hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn.

Nghiên cứu khoa học sinh viên, ĐH Mỏ địa chất Hà Nội. Nghiên cứu các thông số đánh giá chấn động nổ mìn khi đào hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn. Trong đề tài có sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng. Hướng dẫn các bạn cách làm một đề tài nghiên cứu khoa học hợp lý nhất.

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Khi đào hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn, chấn động nổ mìn có thể phá hủykhối đá xung quanh và các công trình lân cận như các tòa nhà trên mặt đất hoặc côngtrình ngầm tồn tại trước đó Nổ mìn đào hầm có thể làm sụt lún bề mặt Hiện tượngnày đã xảy ra tại Quảng Ninh và một số vùng khác có tiến hành công tác nổ mìn đểđào hầm Do vậy việc nghiên cứu các thông số đánh giá chấn động nổ mìn nhằm hạnchế những tác động tiêu cực đến khối đá và các công trình lân cận là hết sức cần thiết.Đây cũng là cơ sở để đưa ra giải pháp thiết kế và thi công phù hợp

Hiện tại ở Việt Nam có 2 công trình điển hình:

- Hầm Cỗ Mã thuộc dự án hầm đường bộ Đèo Cả: Hầm Cổ Mã thuộc huyện VạnNinh, tỉnh Khánh Hòa Hầm dài 500m, gồm hai hầm song song, mặt cắt ngangtuyến qua khu vực hầm gồm có 2 làn xe, bề rộng mỗi làn là 3,5m tổng chiềurộng của mặt cắt ngang tuyến là ở trong hầm là 8,5m Vi trí hầm nằm ở khu vực

có hầm đường sắt đi qua Vị trí tương đối của hầm Cổ Mã và hầm đường sắt thểhiện trên Hình 1 và hình 2 và hình 3 [1]

Hình 1: Hầm đường sắt số 24 Hình 2 : Hầm Cổ Mã

Hầm đường sắt đã có từ rất lâu và điều kiện địa chất khá phức tạp, đất đá cứng nênphải dùng phương pháp khoan nổ mìn để thi công hầm Cỗ Mã Vậy nên không thể tránh khỏi những ảnh hưởng lên hầm đường sắt

47m

Hình 3 : Vị trí tương đối của hầm đường sắt và hầm Cổ Mã

- Hầm Hải Vân xuyên qua đèo Hải Vân, nối liền tỉnh Thừa Thiên Huế và thànhphố Đà Nẵng Hầm chính dài 6280m, mặt cắt ngang hình vòm diện tích 89m²,đáy hầm là mặt đường 2 làn xe, mỗi làn rộng 3,75m và 1,25m lề tránh xe Chạysong song và cách hầm chính 30m là hầm lánh nạn dài 6286m, mặt cắt ngangdiện tích 15,5m² Vấn đề đặt ra ở đây là ta phải đánh giá chấn động dến hầmchính khi người ta mở rộng hầm lánh nạn bằng phương pháp khoan nổ mìn.[2]

- Đường hầm CROIX- ROUSSE ở thành phố Lyon, Pháp là một công trình đô thị nằm

ở thành phố Lyon Pháp giữu sông Rhône và sông Saône Chiều dài đường hầm là1757.5m với diện tích mặt cắt ngang của hầm là 84,10m² Vị trí hầm nằm ở khu vựcrất đông dân cư và có nhiều tòa nhà gần đó, cùng một lúc có một đường hầm tồn tạinằm song song với hầm mới Khối đá trong đường hầm đào qua, bao gồm đá granite

và đá gneis có độ bền lớn Đường hầm đào bằng phương pháp khoan nổ mìn [3]

Hình 5 : Vị trí tương đối đường hầm CROIX- ROUSSE

Khi tiến hành đào hầm Cỗ Mã, hầm Hải Vân cũng như hầm Croix-Rouse,phươngpháp khoan nổ mìn đã được sử dụng vì hầm đào qua đất đá rắn cứng có độ bền cao

Do sự phức tạp của điều kiện hiện tại, tác động tiêu cực đến các tòa nhà, đường hầmhiện có nên cần phải nghiên cứu để đưa ra phương án thiết kế và thi công một cách tối

ưu nhất

Hiện nay các quy phạm, quy chuẩn về mức độ an toàn của công trình lân cận khi nổmìn đào hầm là chưa cụ thể, rõ ràng Các nghiên cứu về ảnh hưởng của công trình lâncận do đào hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn chưa nhiều và chưa sâu

Tóm lại xuất phát từ nhu cầu thực tế và mức độ phức tạp của các công trình hiện naynên việc nghiên cứu các thông số đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn là rất cầnthiết

II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

II.1 Sự biến đổi vùng đất đá phá hủy bao quanh công trình ngầm khi có sự tác động của công tác khoan nổ mìn

Kết quả nghiên cứu lý thuyết cho thấy, việc nghiên cứu sự hình thành vùng một màkhông xét tới sự tác động của công tác khoan nổ mìn trên gương thì công sẽ khôngthỏađáng

Rõ ràng, song nổ mìn lan truyền trong môi trường đất đá và môi trường khôngkhí sẽ gây nên những chấn động có hại, làm gia tăng mức độ nứt nẻ, phá hủy đất đá,làm biến đổi các tính chất cơ lý của khối đá trên biên công trình Kết quả sẽ làm thayđổi kích thước vùng phá hủy bao quanh công trình ngầm Đây là những vấn đề mớivẫn chưa được các nhà địa cơ học nghiên cứu một cách đầy đủ

a Những tác động về sóng chấn động của nồ mìn đến môi trường

Công tác khoan nổ mìn được thực hiện nhằm phá vỡ đất đá Tuy nhiên, phần năng lượng hữu ích của thuốc nổ để đập vỡ đất đá theo yêu cầu chỉ chiếm một tỷ lệ nhất định Phần năng lượng còn lại của thuốc nổ sẽ biến thành những dạng công vô ích, tác động xấu đến môi trường xung quanh: tạo nên sóng chấn động tác dụng lên khối đá bao quanh và môi trường không khí trong công trình ngầm

Khi nổ mìn trên gương đường hầm thường sử dụng phương pháp nổ vi sai với thời gian giãn cách nhỏ, khối lượng thuốc nổ khá lớn trong trong từng tiến độ Điều này trở nên nguy hiểm cho các đối tượng ở gần vụ nổ mìn, vì nó sẽ làm gia tăng xác suất phát sinh các dao động cộng hưởng, làm gia tăng đáng kể sự chuyển dịch, tốc độ dao động của đất đá bao quanh công trình ngầm

Trên thực tế, đất đá có khả năng sử dụng lưu giữ lại kết quả tác dụng của nhữngđợt nổ mìn trước ở những mức độ nhất định Điều này liên quan đến sự phát sinh, sự tích lũy những nứt nẻ nhỏ thứ sinh trong đất đá

Theo thời gian, mức độ phá hủy của khối đá bao quanh công trình ngầm có thể

sẽ gia tăng dần Vì vậy, nhằm giảm bớt những tác động có hại của các vụ nổ mìn, người thiết kế cần nghiên cứu, tính toán, đánh giá chấn động tải trọng động bổ sung để

có thể đề xuất những giải pháp kỹ thuật nổ mìn hợp lý trong từng điều kiện cụ thể

b Sóng chấn động khi nổ mìn lan truyền trong môi trường đất đá

Sau khi nổ mìn, sẽ xuất hiện sự lan truyền sóng năng lượng từ khối thuốc nổvào đất đá xung quanh Khi đó những phân tử đất đá sẽ phải chuyển động theo đường

lan truyền sóng và gây ra hiện tượng nén-kéo liên tiếp trong môi trường đất đá Ngoài

sóng dọc, trong môi trường đất đá còn lan truyền sóng ngang Các sóng ngang này sẽ

làm cho các phân tử môi trường đất đá chuyển động theo hướng vuông góc với hướnglan truyền sóng và gây nên biến dạng trượt trong môi trường đất đá.

Để đánh giá mức độ tác dụng của chấn động khi nổ mìn, người ta dựa vào tốc

độ dao động riêng (tốc độ chuyển dịch) của môi trường đất đá “V” Giá trị “V” có thểxác định theo công thức Xađôvski M.A

Trong đó: m=1÷3 – hệ số phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm đo đến vị trí nổ;

=50÷600 – hệ số phụ thuộc vào tích chất của môi trường, các thông số đặc tính chất

nổ và công nghệ nổ mìn; Q – Khối lượng chất nổ được kích nổ đồng thời, kg; R –khoảng cách từ vị trí lượng thuốc nổ đến điểm đo, m

Đối với lượng thuốc nổ tập trung:

Tại đây: f(n) – hàm số của chỉ số tác dụng nổ

Đối với lượng thuốc dài phân đoạn

Khi nổ vi sai, hiệu quả chấn động phụ thuộc vào thời gian chậm nổ “T” và sốlượng nhóm thuốc “N” Nếu lượng thuốc nổ trong các nhóm thuốc nổ như nhau thì cóthể sẻ dụng công thức sau để xác định tốc dộ dao động riêng của môi trường đất đá:

Theo Xađôvski M.A, sự biến dạng và phá hủy của công trình xảy ra khi tốc độdao động “V” vượt quá trị số xác định “ ” nào đó: V > Việc lựa chọn tốc độ cho

phép “ ” xuất phát từ điều kiện sao cho khi các vụ nổ lặp lại nhiều lần mà các côngtrình không bị hư hỏng hoặc có thể tích lũy những biến dạng kín.

Khoảng cách an toàn “ ” khi nổ mìn tập trung có thể được xác định theocông thức sau:

Trong đó: Q – khối lượng thuốc nổ, kg; - hệ số phụ thuộc vào tính chất nên

công trình cần bảo vệ ( = 3÷20); α – hệ số phụ thuộc vào chỉ số tác dụng nổ (α=0,6÷1,2)

c Một số vấn đề cần nghiên cứu

Như vậy, để giải quyết vấn đề xác định mức độ ảnh hưởng định lượng của sựtác động từ công tác nổ mìn đến vùng đất đá bao quanh công trình ngầm, theo VõTrọng Hùng, bước đầu cần trả lời một số câu hỏi sau:

 Kích thước vùng đất đá chịu sự ảnh hưởng trực tiếp của công tác nổ mìn “

” tính từ gương thi công bằng bao nhiêu?

 Mức độ tác động định lượng của sóng chấn động do nổ mìn nên được đánhgiá như thế nào cho các vị trí nằm trong vùng ảnh hưởng “ ”?

Trong trường hợp, sau khi xác định được giá trị “ ”, khi sử dụng lượng thuốc

nổ lớn nhất “ ” theo yêu cầu của thực tế, từ biểu thức (1) giá trị kích thước vùng

đất đá chịu ảnh hưởng trực tiếp từ công tác nổ mìn “ ” tính đến gương thi công(đất đá trong vùng phá hủy hoặc có khả năng tích lũy những biến dạng kín) có thểđược xác định theo công thức sau đây:

= , m (6)

Ngoài ra, khi nổ mìn tập trung với lượng thuốc nổ “ ” nhất định, từ công

thức (5) ta có thể xác định khoảng cách an toàn “ ” đến gương công trình ngầm cógiá trị tối thiểu như sau:

Từ quy luật tác dụng của sóng nổ mìn trên gương đến các khu vực đất đá baoquanh công trình ngầm, Võ Trọng Hùng đã xây dựng sơ đồ mô tả các khu vực đất đáchịu sự ảnh hưởng của mỗi vụ nổ mìn tại gương thi công công trình ngầm thể hiện trênHình 6

Sau khi đặt đại lượng “ ” là khoảng cách từ điểm xem xét phía trái gương đến

vị trí gương thi công 5, thì toàn bộ khối đá 2 bao quanh công trình ngầm trong giới hạn0≤ ≤ luôn phải nằm trong trạng thái chịu sự tác động phá hủy của sóng nổ mìn

Khoảng cách “ ” tính từ gương thi công chính là khu vực chịu ảnh hưởngcủa mỗi đợt nổ mìn cho một bước tiến gương thực tế sau một chu kì thi công côngtrình ngầm “ ” Tại đây: = ( ); - chiều sâu nổ mìn trung bình cho một chu kì

thi công công trình ngầm (bước tiến gương kỳ vọng theo lý thuyết), m; - hệ số sửdụng lỗ mìn (Hình 6)

HÌnh 6 Sơ đồ mô tả các khu vực đất đá chịu ảnh hưởng

1.Đường hầm đã thi công xong, 2.Khu vực đất đá phá hủy bao quanh đườnghầm vùng 1; 3.Đường hầm chưa được thi công; 4.Khu vực đất đá sẽ bị phá hủy baoquanh đường hầm vùng 3; 5.Gương thi công (theo Võ Trọng Hùng)

Tương tự như trên, nếu đặt “ ” là khoảng cách từ điểm xem xét phía phải

gương đến vị trí gương thi công 5 (Hình 6), thì toàn bộ khối đá 4 trong giới hạn 0≤ ≤

luôn phải nằm trong trạng thái chịu sự tác dụng phá hủy của sóng nổ mìn từ mỗi

đợt nổ mìn cho một bước tiến gương thi công “ ” (Hình 6 )

Trên thực tế, trong vùng ảnh hưởng “ ” sẽ có một số lượng nhất định “k”

cắt vùng ảnh hưởng đơn vị có chiều dài bằng một bước tiến gương “ ” (Hình 6)

Theo Võ Trọng Hùng, số lượng “k” cắt vùng ảnh hưởng đơn vị sau khi làm tròn(lấy gí trị số nguyên lớn nhất) có thể xác định theo công thức:

Rõ ràng, mỗi vùng đất đá đơn vị thứ i" thuộc tập hợp "1 ÷ k" này sẽ chịu sự tác dụng của sóng chấn động từ "k" lần số vụ nổ mìn đơn vị thực hiện lần lượt theo bước tiến gương

Mức độ tác dụng của sóng chấn động do nổ mìn sẽ hoàn toàn khác nhau cho từng vùng đất đá đơn vị khác nhau trong vùng " tùy theo khoảng cách của chúngtính từ gương thi công Ngoài ra, khi nổ mìn tại gương thứ "n" (gương 5) mức độ ảnh hưởng của sóng chấn động cho các vùng đất đá phía sau gương thi công (2) và phía trước gương thi công (4) sẽ hoàn toàn khác nhau:

 Tại vùng đất đá phá hủy phía sau gương thi công (vùng 2, Hình … ): vùngđất đá từ gương thứ (n-1) đến gương (n) chịu mức độ chấn động lớn nhất;sau đó mức độ chấn động sẽ giảm dần từ vùng gương thứ (n-1) đến gươngthứ (n-k); vùng đất đá từ gương thứ (n-k) đến gương thứ (n-k+1) sẽ chịumức độ chấn động nhỏ nhất;

 Tại vùng đất đá phá hủy phía trước gương thi công (vùng 4, Hình ): vùngđất đá từ gương thứ (n) đến “gương” thứ (n+1) chịu mức độ chấn động lớnnhất (vùng phá hủy); sau đó mức độ chấn động sẽ giảm dần từ vùng

“gương” thứ (n+1) đến “gương” thứ (n+k); vùng đất đá từ “gương” thứ(n+k-1) đến “gương” thứ (n+k) sẽ chịu mức độ chấn động nhỏ nhất

Vì vậy, nếu ta quan niệm sự suy giảm mức độ tác dụng chấn động từ gương thicông “n” (gương 5, HÌnh 6) về phía phải và phía trái gương tuân theo quy luật tuyếntính, thì giá trị định lượng của chấn động tác dụng lên đất đá (thể hiện qua tốc độ daođộng riêng “ ” của vùng đất đá đơn vị) tại vị trí nằm giữa vùng 2 (và tương tự như

ở vùng 4) có thể xác định nhờ công thức (1) bằng cách thay giá trị R= (0,5 )

Trong trường hợp này, tốc độ dao động riêng “ ” sẽ là giá trị trung bình cho toàn

bộ các vùng đất đá đơn vị chịu sự tác động từ mỗi vụ nổ mìn trên gương thi công côngtrình ngầm

Từ đây, Võ Trọng Hùng đã tìm ra công thức xác định giá trị tốc độ dao độngriêng “ ” của vùng đất đá đơn vị tại vị trí nằm giữa vung 2 (và tương tự như ởvùng 4) như sau:

Kết quả, mỗi vùng đơn vị thuộc hai vùng 2 và 4 (Hình 6) sẽ phải chịu tổng số

“2.k” lần chấn động: “k” lần từ các vụ nổ mìn theo vùng 4 và “k” lần lặp lại theo vùng

2 ( ở không gian nổ mìn tiếp theo)

Như vậy, đại lương tốc độ dao động riêng “ ” của môi trường đất đá tạitừng vùng đơn vị nằm trong các vùng 2 và 4 sẽ bị lập đi lập lại “2.k” lần Tốc độ daođộng riêng “ ” của môi trường đất đá sau mỗi lần nổ mìn sẽ lặp lại gần bằng giá trịtính theo công thức (9)

Chính sự lặp đi lặp lại chấn động này sẽ làm gia tăng mức độ phá hủy tiếp theo ( giatăng mật độ, số lượng nứt nẻ) của khối đá trong khu vực ảnh hưởng từ công tác nổ mìntại gương thi công ở các chu kỳ nối tiếp nhau

Từ những kết quả nghiên cứu trên, để xác định sự ảnh hưởng của công tác khoan nổmìn đến sự hình thành và phát triển vùng phá hủy đất đá bao quanh công trình ngầm,theo Võ Trọng Hùng, nên tiếp tục xem xét một số vấn đề sau:

- Sự ảnh hưởng của sóng nổ mìn đến quá trình hình thành, gia tăng mức độ pháhủy và kích thước vùng phá hủy đất đá trên biên công trình ngầm

- Sự ảnh hưởng của sóng nổ mìn làm thay đổi tính chất cơ học, cấu trúc, mức độnứt nẻ, số lượng nứt nẻ của khối đá bao quanh công trình ngầm

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của sóng nổ mìn đến mức độ ổn định của toàn bộ hệthống “ kết cấu chống giữ - khối đá” để có các biện pháp hiệu quả bảo vệ côngtrình ngầm:

- Sự ảnh hưởng của sóng nổ mìn đến các loại máy và thiết bị thi công công trìnhngầm

- Sự ảnh hưởng của sóng nổ mìn đến khả năng phá hủy, biến dạng của các loạikết cấu chống giữ trong công trình ngầm tại khu vực gần gương

d Nghiên cứu sự tác động của sóng nổ mìn đến kết cấu chống giữ công trình ngầm

Trên thực tế, các vụ nổ mìn ngầm, nổ mìn lộ thiên, nổ mìn hỗn hợp ngầm – lộthiên sẽ gây nên những tác dụng có hại đối với kết cấu chống giữ công trình ngầm phíatrong không gian công trình ngầm và nằm trong chính khối đá bao quanh công trìnhngầm thông qua các loại sóng chấn động, sóng va đập không khí

Trong đó, các vụ nổ mìn tiến gương đặc biệt nguy hiểm đối với các loại máy,thiết bị, kết cấu chống giữ công trình ngầm…vì chúng (các vụ nổ mìn) được thực hiện

ở những khoảng cách rất nhỏ so với các vật thể, máy, thiết bị…nằm trong khu vực gầngương thi công công trình ngầm

d.1 Sơ đồ nguyên lý xác định sự xuất hiện các loại sóng nổ tác dụng lên kết cấu chống giữ công trình ngầm

Trong trường hợp thực hiện công tác khoan nổ mìn, để thi công công trình ngầm tạibước tiến gương thứ “i”, theo Võ Trọng Hùng, ngoài tác dụng phá hủy đất đá trongkhu vực phía trước gương thi công, tạo nên không gian công trình ngầm mới với bướctiến gương bằng “Itg”, vụ nổ mìn “A” trên gương còn tạo nên các loại sóng nổ khácnhau như sau:

 Sóng va đập truyền qua môi trường không khi “I”;

 Sóng chấn động truyền qua môi trường của kết cấu chống giữ công trình ngầm

vực thực hiện vụ nổ mìn đáo phá đá tiến gương; - Giá trị tiến gương thực tế sau

một đợt nổ mìn; – Khoảng cách từ vị trí điểm “B” thuộc kết cấu chống giữ cần xemxét đến gương thi công công trình ngầm thứ “I”; I – Khoảng không gian môi trườngkhông khí phía trong công trình ngầm; II – Kết cấu chống giữ công trình ngầm; III –Vùng đất đá bị phá hủy; IV – Vùng đất đá nguyên khối chưa bị phá hủy (theo VõTrọng Hùng [79])

Những chủng loại sóng chấn động, sóng va đập trên đây sẽ tạo nên các loại áp lực

có nguồn gốc từ các loại sóng nổ mìn khác nhau tác dụng lên kết cấu chống giữ côngtrình ngầm Trên hình 7 giới thiệu sơ đồ mô tả các loại sóng chấn động, sóng va đậpxuất hiện trong quá trình nổ mìn tại gương thi công tác dụng lên kết cấu chống giữcông trình ngầm (vị trí “B”)

Trong trường hợp tổng quát, theo Võ Trọng Hùng , kết cấu chống giữ công trìnhngầm chịu sự tác dụng của sóng nổ mìn và các đại lượng áp lực do chúng tạo nên nhưsau (hình 7):

- Sóng và đập lan truyền trong môi trường không khí “I” phía trong công trìnhngầm gây nên áp lực “P1”, tác dụng lên kết cấu chống giữ “II”

- Sóng chấn động làn truyền trong chính môi trường hệ thống kết cấu chốnggiữ “II”, gây nên áp lực “P2” tác dụng lên kết cấu chống giữ “II”

- Sóng chấn động lan truyền trong môi trường khu vực đất đá phá hủy “III”,trên biên công trình ngầm gây nên áp lực “P3”, tác dụng lên kết cấu chốnggiữ “II”

- Sóng chấn động lan truyền trong môi trường đất đá nguyên khối “IV”,truyền qua môi trường khu vực đất đá bị phá hủy “III” trên biên công trìnhngầm, phản xạ trở lại và gây nên áp lực “P4” tác dụng lên kết cấu chống giữ

- Đại lượng áp lực xuất hiện do sóng va đập lan truyền trong không khí “P1”.

- Đại lượng áp lực xuất hiện do sóng chấn động lan truyền trong kết cấuchống giữ công trình ngầm “P2”

- Đại lượng áp lực xuất hiện do sóng chấn động lan truyền trong lớp đất đáphá hủy trên biên công trình ngầm “P3”

- Đại lượng áp lực xuất hiện do sóng chấn động lan truyền trong môi trườngđất đá nguyên khối truyền qua lớp đất đá bị phá hủy trên biên “P4”

- Đại lượng áp lực xuất hiện do sóng va đập phản xạ trở lại trong môi trườngkhông khí phía trong công trình ngầm “P5” hình 7

d.2 Mối quan hệ tác dụng giữa các loại sóng nổ và các đặc điểm kết cấu chống giữ công trình ngầm.

Rõ ràng, các loại sóng chấn động, sóng va đập xuất hiện trong các vụ nổ mìnngầm, nổ mìn lộ thiên, nổ mìn hỗn hợp ngầm – lộ thiên… sẽ gây nên những tác động

có hại cho kết cấu chống giữ công trình ngầm nằm phía trong không gian công trìnhngầm và nằm trong chính khối đá bao quanh công trình ngầm

Kết quả tác động của mỗi chủng loại sóng nổ mìn tác động lên kết cấu chốnggiữ công trình sẽ phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Môi trường truyền sóng nổ mìn (đất đá, không khí, môi trường hỗn hợpkhông khí – nước – đất đá…)

- Chủng loại sóng tác động (sóng chấn động truyền trong môi trường đất đá)sóng va đập truyền trong môi trường không khí, sóng chấn động va đậptruyền trong môi trường hỗn hợp)

- Các đặc điểm tác động của các loại sóng nổ mìn đến kết cấu chống giữ côngtrình ngầm,

- Chủng loại kết cấu chống giữ công trình ngầm (các loại kết cấu chống giữdạng bị động, các loại kết cấu chống giữ dạng chủ động, các loại kết cấuchống giữ dạng hỗn hợp bị động – chủ động)

- Vị trí kết cấu cụ thể được xem xét của kết cấu trong không gian

- Khoảng cách từ vị trí xem xét của kết cấu chống giữ đến tâm chấn của vụ nổ

- Các đặc tính chịu tải của kết cấu (kết cấu liền khối và chịu tải liên tục, kếtcấu cấu tạo từ các thành phần rời rạc có mối liên kết với nhau, kết cấu cấutạo từ các thành phần rời rạc không có mối liên kết với nhau…)

- Đặc tính chịu tải trọng của các thành phần cấu thành kết cấu chống giữ côngtrình ngầm, đặc tính tác dụng tương hỗ giữa các thành phần cấu thành kếtcấu chống giữ công trình ngầm:

+ Các thành phần cấu thành kết cấu chịu tải trọng, truyền tải trọng liên tục;tồn tại sự tương tác giữa các thành phần cấu thành; các thành phần cấu thànhkết cấu tác dụng tương hỗ một cách liên tục, mật thiết với nhau

+ Các thành phần cấu thành kết cấu chịu tải trọng, truyền tải trọng theo từngnhóm, từng bộ phận; kết cấu tác dụng tương hỗ từng phần với nhau theotừng nhóm, từng bộ phận; các nhóm kết cấu vận hành không độc lập vớinhau, có mối liên kết với nhau

+ Các thành phần cấu thành kết cấu chịu tải trọng, truyền tải trọng theo từngnhóm, từng bộ phận; kết cấu tác dụng tương hỗ từng phần với nhau theotừng nhóm, từng bộ phận; các nhóm kết cấu vận hành độc lập với nhau.+ Các thành phần cấu thành kết cấu chịu tải riêng lẻ, độc lập với nhau;không có sự truyền tải trọng liên tục giữa các kết cấu cấu thành lên nhau;không có sự tương tác giữa các kết cấu cấu thành; các kết cấu cấu thành làmviệc độc lập, không có sự tác dụng tương hỗ với nhau

Từ kết quả phân tích trên đây, Võ Trọng Hùng đã mô tả tổ hợp các đạilượng áp lực có nguồn gốc từ các loại sóng nổ mìn trên gương thi công tácđộng lên kết cấu chống giữ công trình ngầm và gây nên sự ảnh hưởng có hạiđến các thành phần cấu thành kết cấu chống giữ theo sơ đồ mô tả trên hình :

Sóng chấn động, sóng va đập trong các vụ nổ mìn ngầm, nổ mìn lộ thiên, nổ mìn hỗn hợp ngầm - lộ thiên

Các môi trường truyền sóng nổ và các chủng loại sóng nổ

Sóng chấn động

truyền trong môi

trường đá

Sóng va đập truyền trong môi trường không khí

Sóng chấn động và va đập truyền trong môi trường hỗn hợp

Tổ hợp các điểm nghiên cứu, xem xét tác động của các loại sóng nổ mìn đến kết cấu công trình ngầm

Các quy luật biến đổi áp lực có nguồn gốc từ các chấn động, va đập được hình thành dosóng nổ mìn tác dụng lên kết cấu chống giữ công trình ngầm

Hình 8 Sơ đồ mối quan hệ tác dụng giữa các loại sóng nổ mìn và các đặc điểm củakết cấu chống giữ (theo Võ Trọng Hùng)

Theo Võ Trọng Hùng, nếu cét dưới góc độ chịu sự tác dụng của các loại áp lực dosóng nổ mìn tại gương thi công công trình ngầm gây nên thì các chủng loại kết cấuchống giữ đặc trưng có thể được phân loại như sau:

- Chủng loại kết cấu chống giữ dạng “a” – Kết cấu chống giữ bị động liên tụcdạng tấm, vỏ mỏng

- Chủng loại kết cấu chống giữ dạng “b” – Kết cấu chống giữ bị động khôngliên tục dạng khung chống có mối liên kết với nhau

- Chủng loại kết cấu chống giữ dạng “c” – Kết cấu chống giữ bị động khôngliên tục dạng khung không có mối liên kết với nhau

- Chủng loại kết cấu chống giữ dạng “d” – Kết cấu chống giữ chủ động dạng

vì neo

- Chủng loại kết cấu chống giữ dạng “e” – Kết cấu chống giữ chủ động dạngkhối đá gia cường

- Chủng loại kết cấu chống giữ dạng “g” – Kết cấu chống giữ chủ động dạng

tổ hợp “ khối đá gia cường – vì neo”

- Chủng loại kết cấu chống giữ dạng “h” – Kết cấu chống giữ hỗn hợp chủđộng – bị động dạng bê tông phun

- Chủng loại kết cấu chống giữ dạng “i” – Kết cấu chống giữ hỗn hợp bị động– chủ động “ bê tông phun – khối đá gia cường”

- Chủng loại kết cấu chống giữ dạng “k” – Kết cấu chống giữ hỗn hợp bịđộng – chủ động “ bê tông phun – khối đá gia cường – vì neo”

- Chủng loại kết cấu chống giữ dạng “l” – Kết cấu chống giữ hỗn hợp bị động– chủ động “ khung chống – khối đá gia cường – vì neo”

d.3 Đánh giá sự tác dụng của sóng nổ đến một số kết cấu chống giữ công trình ngầm

Việc đánh giá sự ảnh hưởng của các loại sóng nổ mìn lan truyền trong các môitrường khác nhau bao quanh công trình ngầm và các loại áp lực có nguồn gốc từ chúngphải được xem xét trên cơ sở mối quan hệ chịu tải, đặc điểm chịu tải, đặc điểm cấutạo… của từng loại kết cấu chống giữ công trình ngầm khác nhau

Chính các đặc điểm cấu tạo, đặc tính liên kết, đặc tính tác dụng tương hỗ… giữa cácthành phần cấu thành kết cấu chống giữ và sự tương tác của chúng với môi trường baoquanh có ý nghĩa rất lớn khi giải quyết bài toán Trên hình mô tả sự tác động của cácloại sóng nổ mìn lên một số chủng loại kết cấu chống giữ chủ yếu của công trìnhngầm

Hình 9 Các chủng loại kết cấu chống giữ đặc trưng chịu sự tác dụng của các loại áplực do sóng nổ mìn tại gương thi công công trình ngầm gây nên: 1 – Vỏ chống bê tông,

bê tông cốt thép liền khối: 2 – Khung chống; 3 – Mối liên kết giữa các khung chống; 4– Vỏ chống bê tông phun; 5 – Vì neo; 6 – Khối đá gia cường ( theo Vũ Trọng Hùng[79])

Trong trường hợp tổng quát, sau khi kết hợp hình 7 và hình 9, giá trị tổng áp lực dosóng nổ mìn tại gương thi công gây nên tác dụng lên kết cấu chống giữ công trìnhngầm sẽ xác định theo mối quan hệ :

(10)

Tại đây: – Tổng giá trị áp lực tác dụng lên kết cấu chống giữ công trình ngầmtại vị trí xem xét; F – Hàm số liên kết mối quan hệ giữa các đại lượng áp lực có nguồngốc từ các loại sóng nổ mìn tác dụng lên kết cấu chống giữ công trình ngầm; P1 – Giátrị áp lực xuất hiện do sóng va đập lan truyền trong môi trường không khí phía trongcông trình ngầm; P2 – giá trị áp lực xuất hiện do sóng chấn động lan truyền trong môitrường của hệ thống kết cấu chống giữ; P3 – Gía trị áp lực xuất hiện do sóng chấnđộng lan truyền trong môi trường vùng đất đá phá hủy trên biên công trình ngầm; P4 –Gía trị áp lực xuất hiện do sóng chấn động lan truyền trong môi trường đất đá nguyênkhối, truyền qua môi trường vùng đất đá bị phá hủy trên biên công trình ngầm; P5 –Gía trị áp lực xuất hiện do sóng va đập lan truyền trong môi trường không khí phíatrong công trình ngầm phản xạ trở lại

Trên thực tế, mỗi chủng loại kết cấu chống giữ công trình ngầm khác nhau sẽ chịuđụng một tổ hợp “ ” các đại lượng áp lực khác nhau có nguồn gốc từ các vụ nổ mìn

từ gương thi công (Hình 9) :

 Kết cấu chống giữ chủ động dạng vì neo (Hình 9.d) Do mức độ tác dụng khônglớn của ba loại áp lực “P1”, “P2” và “P5”, cho nên tại đây chúng có thể được bỏ qua

Vì vậy, tại đây “ ” xác định theo mối quan hệ:

 Kết cấu chống giữ chủ động dạng “khối đá gia cường” (Hình 9.e) và dạng tổhợp “khối đá gia cường – vì neo” (Hình 9.g) Do mức dộ tác dụng không lớn của hailoại áp lực “P1” và “P5” cho nên tại đây chúng ta có thể được bỏ qua Vì vậy, tại đây “

” xác định theo mối quan hệ sau đây:

(12)

 Kết cấu chống giữ bị động không liên tục dậng khung chống không có mối liênkết với nhau (Hình 9.c) Do mức độ tác dụng không lớn của loại áp lực “P2” cho nên

tại đây chúng ta có thể bỏ qua chúng Vì vậy, tại đây “ ” xác định theo mối quan

hệ :

; (13)

 Kết cấu chống giữ bị động liên tục dạng tấm, vỏ mỏng (Hình 9.a),kết cấu chốnggiữ bị động không liên tục dạng khung chống có mối liên kết với nhau (Hình 9.b), kếtcấu chống giữ hốn hợp bị động – chủ động dạng bê tông phun (Hình 9.h), tổ hợp “bêtông phun – khối đá gia cường” (Hình 9.i), tổ hợp “ bê tông phun – khối đá gia cường– vì neo” (Hình 9.k) và tổ hợp “khung chống – khối đá gia cường – vì neo” (Hình 9.1).Đối với các loại kết cấu chống giữ trên đây, giá trị “ ” sẽ xác định theo mối quanhệ:

(14)Trong kết cấu chống giữ hỗn hợp bị động – chủ động dạng bê tông phun, mức độtác dụng của hai lại áp lực “P1” và “P5” tại đây không lớn như trong các trường hợpcho các loại kết cấu chống giữ mô tả trên các “Hình 9.a”, “Hình 9.b” và “Hình 9.c”.Tuy nhiên do quá trình đông kết, đóng rắn của vật liệu bê tông phun phải diễn ra trongmột khoảng thời gian dài, cho nên tại đây không nên bỏ qua hai loại áp lực “P1” và

“P5”

Ngoài ra, tại đây đại lượng áp lực “P2” (áp lực xuất hiện do sóng chấn động lantruyền trong môi trường của hệ thống kết cấu chống giữ bê tông phun) sẽ phải cấuthành từ hai thành phần: P2.1 - giá trị áp lực lan truyền trong lớp đất đá trên biên côngtrình ngầm đã được vật liệu bê tông phun liên kết gia cường; P2.2 – giá trị áp lực lantruyền trong lớp bê tông phun phía ngoài mặt lộ khối đá

Trong tổ hợp “khung chống – khối đá gia cường – vì neo” (hình 9.1): Thành phần

áp lực P2 sẽ không tồn tại đối với chủng loại khung chống không có mối liên kết vớinhau

Trong tất cả các trường hợp kết cấu chống giữ xem xét trên đây (Hình 9), các thànhphần áp lực “P1”, “P2” “P3” P4” “P5” đều có các giá trị, hướng tác dụng không giốngnhau tại các trường hợp xem xét riêng biệt cho từng chủng loại kết cấu chống giữ cụthể vì các nguyên nhân sau đây :

 Môi trường truyền sóng va đập và sóng chấn động khác nhau(tính chất môitrường, kích thước các vùng truyền sóng…khác nhau)

 Việc tách bạch xem xét và nghiên cứu riêng lẻ các môi trường truyền sóng, cácchủng loại áp lực xuất hiện trên đây chỉ mang tính tương đối

 Trên thực tê, trong quá trình lan truyến sóng luôn luôn xảy ra hiện tượng giaothoa môi trường, giao thoa sóng nổ rất phức tạp

 Mối quan hệ tác dụng tương hỗ giữa kết cấu chống giữ và môi trường baoquanh rất khác nhau

 Đặc điểm ứng xử khác nhau của từng loại kết cấu chống giữ đối với sự tác dụngcủa các loại sóng nổ xuất hiện khác nhau

Do đó, việc nghiên cứu xác định tổ hợp áp lực tác dụng lên kết cấu chống giữ côngtrình ngầm trong từng trường hợp riêng biệt phải có những phương pháp tiếp cận cụthể Tại đây phải xem xét những đặc tính cấu tạo của tỏ hợp kết cấu chống giữ, phảichú ý tới mối quan hệ của từng thành phần cấu thành kết cấu chống giữ và đặc điểmtruyền sóng tác động trong toàn bộ hệ thống kết cấu chống giữ công trình ngầm

Từ những kết quả nghiên cứu trên, theo Võ Trọng Hùng để xác định sự ảnh hưởngcủa các loại sóng nổ mìn đến kết cấu chống giữ nên tiếp tục xem xét, nghiên cứu một

số vấn đề sau :

 Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống “kết cấu chống giữ - vùng đất đá pháhủy – khối đá bao quanh” dưới các tác động từ các vụ nổ mìn thi công công trìnhngầm;

 Nghiên cứu xây dựng các quy luật lan tỏa các loại sóng nổ mìn trong các môitrường không khí, môi trường đất đá, môi trường hốn hợp phức tạp khác nhau…baoquanh công trình ngầm;

 Quá trình nghiên cứu lý thuyết sự tác dụng của sóng nổ lên kết cấu chống giữcông trình ngầm sẽ gặp rất nhiều khó khăn Vì vậy, tại đây nên tiến hành nghiên cứuthực nghiệm ch từng nhóm điều kiện đặc trung (tính chất cơ lý đất đá; mối liên hệ giữamôi trường với kết cấu chống giữ; đặc tính của từng loại kết cấu chống giữ cụ thể sửdụng trên thực tế…)

II.2.Các loại sóng địa chấn

Sóng địa chấn là những dạng sóng năng lượng hình thành và lan truyền bởi sự va

chấn của các lớp địa tầng khi xảy ra động đất Sóng địa chấn có nhiều dạng với

nhiều cách lan truyền khác nhau Trong đó, có thể phân ra hai nhóm lớn: sóng khối

(body wave) và 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 vỏquả đất

P là viết tắt của “primary” có nghĩa là sóng sơ cấp Đây là sóng địa chấn có vận

tốc nhanh nhất, vì thế nó được ghi nhận sớm nhất khi có động đất xảy ra Sóng P cóthể di chuyển qua các lớp đá rắn và các lớp vật chất lỏng trong vỏ quả đất, như lớpmắc ma, nước biển hay nước ngầm Sóng P truyền theo phương dọc, tương tự nhưsóng âm thanh Sóng P còn được gọi là sóng nén (compression waves) vì tác dụng đẩy

và kéo lên lớp đất đá Hướng lan truyền của sóng P đặc trưng cho hướng phân tánnăng lượng địa chấn

Mặt phẳng truyền sóng P Sóng P tỏa ra từ tâm chấn

Hình 11.Sóng P

 Sóng S (S Waves)

S là viết tắt của “secondary” có nghĩa là sóng thứ cấp Vận tốc lan truyền của

sóng S nhỏ hơn sóng P, do đó sóng S được ghi nhận sau sóng P, và vì thế được gọi làsóng thứ cấp Sóng S chỉ có thể lan truyền trong lớp đá rắn mà không thể di chuyểnqua các lớp vật chất lỏng Chính tính chất này của sóng S giúp các nhà địa chấn khẳngđịnh lớp vỏ quả đất có chứa mắc ma Sóng S truyền theo phương ngang, tức là vuônggóc với phương truyền năng lượng địa chấn (cũng là phương của sóng P)

Mặt phẳng truyền sóng S Sóng S lan truyền từ tâm chấn

Hình 12.Sóng P

2 Sóng bề mặt

Dạng sóng này có tần số thấp hơn sóng khối, chỉ di chuyển trong lớp đất phíatrên sát mặt đất Mặc dù dạng sóng này “đến” sau sóng khối, nhưng hầu như sóng bềmặt mới là nguyên nhân chính gây ra phá hoại nhà cửa trong các trận động đất Khitâm chấn ở độ sâu lớn, thì cường độ sóng cũng như nguy cơ phá hoại do sóng này gây

ra mới giảm bớt

 Sóng Love (Love Waves)

Đây là dạng sóng đầu tiên của sóng bề mặt, được đặt tên theo nhà toán họcngười Anh A.E.H Love, là người đầu tiên đề xuất mô hình toán học cho kiểu sóng nàyvào năm 1911 Sóng Love lan truyền theo phương ngang và có tốc độ nhanh nhấttrong các sóng bề mặt Sóng Love là nguyên nhân chủ yếu gây nên chuyển động ngangcủa bề mặt vỏ quả đất

Hình 13.Sóng Love

 Sóng Rayleigh (Rayleigh Waves)

Đây là dạng thứ hai của sóng bề mặt, được đặt theo tên của Lord Rayleigh,người đã dùng công thức toán học tiên đoán sự tồn tại của dạng sóng này vào năm

1885 Sóng Rayleigh cuộn tròn dọc theo mặt đất, tương tự như sóng nước cuộn trênmặt biển Vì thế, mặt đất bị di chuyển lên xuống, qua lại theo phương truyền của sóngnày Phần lớn sự rung lắc cảm nhận được trong các trận động đất là từ sóng Rayleigh,với cường độ lớn hơn tất cả các dạng sóng địa chấn khác

Hình 14 Sóng Rayleigh

II.3 Phương trình truyền sóng trong môi trường đất đá

Khi nổ lượng thuốc nổ (nổ mìn) nhiệt độ môi trường đột ngột tăng lên tới 36000C; giải toả một năng lượng lớn khoảng 1000 - 6000kJ/kg thuốc nổ; thể tích khíthải ra tăng; áp lực nổ tăng lên Những hiệu ứng trên gây nên sóng ứng suất lan truyềntrong môi trường và gây ra va đập của các phần tử do đó nổ mìn có tác dụng phá huỷmôitrường.

1500-Lý thuyết truyền sóng trong môi trường vật rắn đồng nhất, đẳng hướng đượccác nhà khoa học như Stocks Poisson, Raylaigh đề cập [4] Trong môi trường đàn hồi,đồng nhất, đẳng hướng phương trình mô tả sự truyền sóng có dạng:

G.Δ².u + (  G) GradDivu + X = .u , (15)

trong (15): G,  - Hệ số Lamê; u- chuyển vị;  - trọng lượng riêng của vật chất trong môi trường truyền sóng (đá chẳng hạn)

Trong môi trường đàn hồi-dẻo và thoả mãn điều kiện dẻo Treski [5] thì sóng biểu diễn bởi phương trình:

kể đến thay đổi dấu (kéo: χ = 1; nén: χ = -1); - Hàm tái bền của vật liệu

Khi tuyến tính hóa hàm tái bền, có thể viết phương trình sóng cầu trong đất đá đàn hồi- dẻo bằng phương trình:

+ 2 - 2 = ( 1 - ) + , (19)

trong (19): c là tốc độ truyền sóng, xác định như sau:

c = , (20)trong (20): K- mô đun nén thể tích; E1-mô đun tái bền của vật liệu theo hàm tái bền được tuyến tính hóa Sử dụng các phương trình trong cơ học môi trường liên tục (phương trình chuyển động Navier; phương trình hình học Cauchy và phương trình trạng thái cho đất đá diễn tả bởi mô hình Poyting-Thomson:

= 2G + 2 - , (21)

có thể giúp ta giải được bài toán truyền sóng ứng suất trong vật liệu đá trong (21):

- các tenxơ lệch ứng suất và biến dạng; τ,  - lần lượt là thời gian trùng ứng suất

và hệ số nhớt của môi trường

Theo [5] và [7] thì trong trường hợp chung có thể tìm một hàm A(t), thoả mãn 4 điều kiện sau đây:

Việc giải (22) không đơn giản Bằng các kinh nghiệm từ các bài toán riêng rẽ

và bằng cách chọn dạng nghiệm phù hợp theo [7] và [8] đã đưa ra việc giải (8) bằng cách gián tiếp tìm hàm A(t) thoả mãn phương trình sau:

(t) + = ( F(t) – P ) , (24)trong (10): a - bán kính buồng nổ; F(t) - hàm sung lượng sóng nổ, có thể xác định theo

F(t) = exp(- ), (25)

Theo[6]: = , KN/cm² (26)trong (25) và (26): V0-Thể tích khí nổ ra,m3 ;0 -hệ số;T- nhiệt độ nổ theo Kelvin,0K;

 - hệ số phụ thuộc vào lượng thuốc nổ Q, bán kính buồng nổ a, nhiệt độ nổ T và tính theo công thức :

 = 6,4 T a

Thay (26) vào (25), sau đó vào (24) nhận được phương trình:

(t) + (t) + 2 + 2G.A(t) = [ exp(-t) – P ] (27) Phương trình (13) là phương trình vi phân không thuần nhất có hệ số hằng với

phương trình đặc trưng có dạng: + S² + 2 S + 2G = 0, Với các nghiệm ( i

=1,2,3) Nghiệm riêng của (27) tìm ở dạng:

= d(t) + f(t) Nghiệm tổng quát của (15) có dạng :

τ =8148 s thì thu được =-0,03 , =-0,002; =-82,10; =-207,632.

Xác định vùng phá huỷ

Phân tích (14) và (15) cho thấy:

i) - Khi t =0, A(t)=0 và thu được: u(r,t) = ,  (r,t) =[P + ] - đây là công thức Lamê quen thuộc cho bài toán chịu lực từ phía trong thành ống tròn (nòng súng)

ii) - Hàm  (r,t) giảm từ giá trị lớn nhất =[P + ] khi r = a và tiến tới 0 khi r tiến tới vô cùng

đến điểm xem xét r=r( )= , giá trị  (r,t) = Khi đó sóng đập

(sóng ứng suất) có giá trị bằng giới hạn bền của đá và tạo nên ranh giới các vùng:

trong đó: - giới hạn bền của đá

Sự hình thành các vùng biến đổi môi trường (đá) quanh lượng nổ được lý giảinhư sau: Khi nổ, bề mặt đá tiếp xúc với lượng nổ chịu tác động của sóng nổ trên toàn

bộ diện tích tiếp xúc Sóng nổ với tốc độ lớn chuyển thành sóng đập với biên độ lớn làm đá bị nghiền nát Khi xa dần lượng nổ biên độ sóng đập giảm và đến một khoảng cách nào đó sóng đập chuyển thành sóng đàn hồi với tốc độ lan truyền trong đá bằng tốc độ âm trong môi trường:

v = , (29)với: E, µ - lần lượt là mô đun đàn hồi và hệ số Poatxông của đá; ρ - mật độ của đá Khi

ứng suất trên mặt sóng nổ lớn hơn giới hạn bền nén của đá thì đất đá bị phá huỷ Trong vùng này đất đá còn bị phá huỷ do áp lực khí nổ lớn (bằng khoảng (20-70).108 N/m² ) Dưới tác dụng của sóng nổ (sóng ứng suất) và áp lực khí nổ trong môi trường

đá hình thành các vết nứt hướng tâm và vết nứt vòng do tác dụng của các ứng suất pháp và ứng suất tiếp Khi càng ra xa lượng thuốc ứng suất nổ nhỏ dần và thấp hơn

giới hạn bền của đá, khi này các phần tử của môi trường không bị phá huỷ mà chỉ dao động quanh vị trí cân bằng tạo nên vùng chấn động Bán kính vùng đá phá huỷ tiếp

giáp vùng chấn động là có thể xác định theo công thức (29) hoặc theo công thức thực nghiệm trong [6]:

= , (30)

trong (18): - đường kính buồng thuốc nổ; - hệ số mở rộng buồng nổ ( = 2

); - bán kính vùng đập nhỏ đất đá giáp lượng thuốc; = 2÷ 5; - ứng suất kéo giới hạn của đá

Vùng chấn động là tiêu chuẩn để kiểm tra tình hình địa chấn, tình hình chấn động các công trình xung quanh

+ Ứng suất vòng làm xuất hiện các vết nứt hướng tâm

Kết quả là môi trường bị phá huỷ, phân chia thành các phần tử rời rạc bằng các vết nứt hướng tâm và vết nứt vòng

- Khi xác định được giá trị của ứng suất nổ và giới hạn bền của vật liệu môitrường có thể xác định bán kính vùng phá vỡ, bán kính vùng ảnh hưởng, chấn động

II.4.Các thông số đánh giá chấn động nổ mìn khi đào hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn